EP3136822A1

EP3136822A1 - Verfahren zur temperaturbestimmung

Info

Publication number: EP3136822A1
Application number: EP16184674.6A
Authority: EP
Inventors: Marcus Frank; Elmar Herweg; Marius Lehner; Michael Stober
Original assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Current assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2036-08-18
Also published as: CN106488601A; DE102015216455A1; PL3136822T3; US20170064776A1; US10219327B2; CN106488601B; ES2804108T3; EP3136822B1

Abstract

Zur Temperaturbestimmung von kochendem Wasser bei einem Induktionskochfeld mit mehreren einzeln ansteuerbaren Induktionsheizspulen, die in einem gemeinsamen Heizbetrieb eine Kochstelle für ein Kochgefäß mit Wasser darin bilden, wird ein Kochgefäß mit Wasser über mindestens zwei Induktionsheizspulen aufgestellt. Die Induktionsheizspulen werden im Heizbetrieb betrieben um das Wasser in dem Kochgefäß zum Kochen zu bringen und jede Induktionsheizspule beheizt den über ihr angeordneten Bereich des Kochgefäßbodens. Während des Heizbetriebs wird anhand der Schwingungsantwort an jeder Induktionsheizspule erfasst, ob die Temperatur des Bereichs des Kochgefäßbodens über dieser Induktionsheizspule ansteigt. Die Induktionsheizspulen werden mindestens so lange im Heizbetrieb betrieben, bis eine Induktionsheizspule erfasst, dass der Temperaturgradient des Kochgefäßbodens über ihr zu Null wird. Daraufhin wird sie dann als Messspule bestimmt und im Messbetrieb mit geringer Mess-Leistung und nicht mehr im Heizbetrieb betrieben. In dem Fall, dass der zeitliche Verlauf ihres Temperaturgradienten Null wird, wird das Wasser in dem Kochgefäß als kochend bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturbestimmung bei einem Induktionskochfeld mit mehreren Induktionsheizspulen.
Aus der EP 2330866 A2 ist es bekannt, bei Heizbetrieb einer Induktionsheizspule für eine Kochstelle für ein Kochgefäß mit Wasser darin, die Temperatur des Kochgefäßbodens an der Induktionsheizspule zu erfassen, vor allem um zu bestimmen, wann Wasser in dem Kochgefäß kocht. Dazu wird eine Schwingungsantwort der Induktionsheizspule erfasst und ausgewertet.
Aus der EP 1463383 A1 ist es bekannt, mit mehreren Induktionsheizspulen, die jeweils einzeln ansteuerbar sind, bei einem Induktionskochfeld im gemeinsamen Heizbetrieb eine Kochstelle für ein Kochgefäß zu bilden. Dabei kann durch die Induktionsheizspulen selbst oder andere Erkennungsmittel erkannt werden, dass das Kochgefäß diese Induktionsheizspulen jeweils in ausreichendem Maß überdeckt. So ist es möglich, die Größe einer Kochstelle an die Größe eines davon beheizten Kochgefäßes in gewissem Maß anzupassen.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu schaffen, mit dem Probleme des Stands der Technik gelöst werden können und es insbesondere möglich ist, die Temperaturbestimmung im Kochgefäß vorteilhaft und genau durchzuführen, insbesondere zu bestimmen, wenn Wasser in dem Kochgefäß kocht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Bei dem Verfahren, das in einem Induktionskochfeld mit mehreren einzeln ansteuerbaren Induktionsheizspulen durchgeführt wird, werden folgende Schritte durchgeführt:

Ein Kochgefäß mit Wasser oder einer hauptsächlich Wasser enthaltenden Flüssigkeit darin wird so auf das Induktionskochfeld aufgestellt, dass es mindestens zwei Induktionsheizspulen überdeckt. Vorteilhaft überdeckt es drei bis fünf Induktionsheizspulen, die dann eben entsprechend klein ausgebildet sind, beispielsweise mit Durchmessern bzw. Breiten im Bereich zwischen 6cm und 18cm. Diese Induktionsheizspulen erkennen die Überdeckung durch das Kochgefäß, insbesondere in einem vorher definierten Ausmaß bzw. mit einem vordefinierten Überdeckungsgrad, beispielsweise mindestens 50% der Fläche der Induktionsheizspule. Diese entsprechend überdeckten Induktionsheizspulen werden dann als gemeinsame Kochstelle gemeinsam betrieben, und zwar im Heizbetrieb bzw. für den Kochvorgang, um das Wasser in dem Kochgefäß durch Heizen zum Kochen zu bringen. Dieses Kochen des Wassers soll eben erfindungsgemäß als Temperaturbestimmung erfasst werden.

Während des dann folgenden Heizbetriebs beheizt jede Induktionsheizspule den über ihr angeordneten Bereich des Kochgefäßbodens auf bekannte Art und Weise. Der Energieeintrag erfolgt dabei in den untersten Bereich des Kochgefäßbodens, üblicherweise die untersten 1 mm bis 2mm. Von dort aus breitet sich die Wärme nach oben an die Oberseite des Kochgefäßbodens aus und von dort wird sie ins Wasser übertragen. Die Induktionsheizspulen einer Kochstelle arbeiten dabei vorteilhaft mit gleicher Leistungsstufe bzw. resultierender Flächenleistungsdichte der ins Gefäß übertragenen Leistung.
Während des Heizbetriebs wird anhand der Schwingungsantwort an mindestens einer Induktionsheizspule erfasst, ob sich die Temperatur des Kochgefäßbodens über dieser Induktionsheizspule ändert bzw. ob diese Temperatur ansteigt. So kann ein Temperaturgradient des Kochgefäßbodens von der Induktionsheizspule erfasst werden, was bevorzugt gemacht wird entsprechend einem Verfahren, wie es in der eingangs genannten EP 2330866 A2 beschrieben ist. Deren Inhalt wird hiermit diesbezüglich durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht. Findet diese Bestimmung der Schwingungsantwort nur periodisch statt sollte es etwa einmal pro Sekunde sein, vorteilhaft alle 0,1 Sekunden bis 2 Sekunden. Im Allgemeinen kann als Schwingungsantwort einer Induktionsheizspule die Auswertung der Veränderung von Schwingkreisparametern aufgrund von Temperaturänderungen des Kochgefäßbodens, im Besonderen der sich ändernden Induktivität, verstanden werden. Bevorzugt kann die Schwingungsantwort jeder Induktionsheizspule erfasst werden. Die Induktionsheizspulen werden mindestens so lange im Heizbetrieb betrieben, bis eine Induktionsheizspule erfasst, dass der Temperaturgradient des Kochgefäßbodens über ihr nahe Null liegt oder zu Null wird.
Vorteilhaft wird im Heizbetrieb eine Temperatur eines mittels einer Induktionsheizspule erwärmten Kochgefäßbodens ermittelt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Erzeugen einer Zwischenkreisspannung zumindest zeitweise in Abhängigkeit von einer einphasigen oder mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Netzwechselspannung, Erzeugen einer hochfrequenten Ansteuerspannung oder eines Ansteuerstroms aus der Zwischenkreisspannung, beispielsweise mit einer Frequenz in einem Bereich von 20kHz bis 70kHz, und Beaufschlagen eines Schwingkreises umfassend die Induktionsheizspule mit der Ansteuerspannung bzw. dem Ansteuerstrom. Auf diese Weise erfolgt herkömmlich eine induktive Erwärmung des Kochgefäßbodens. Zur Temperaturmessung werden folgende Schritte durchgeführt: Erzeugen der Zwischenkreisspannung während vorgegebener Zeitabschnitte, insbesondere periodisch, mit einem konstanten Spannungspegel, wobei während der Zeitabschnitte bevorzugt die Zwischenkreisspannung unabhängig von der Netzwechselspannung erzeugt wird, Erzeugen der Ansteuerspannung während der vorgegebenen Zeitabschnitte derart, dass der Schwingkreis im Wesentlichen entdämpft mit seiner Eigenresonanzfrequenz schwingt, Messen mindestens eines Schwingungsparameters der Schwingung während der vorgegebenen Zeitabschnitte und Auswerten des mindestens einen gemessenen Schwingungsparameters zum Ermitteln der Temperatur. Da die Zwischenkreisspannung während der Temperaturmessung konstant gehalten wird, können Signalbeeinflussungen aufgrund einer veränderlichen Zwischenkreisspannung eliminiert werden, wodurch eine zuverlässige und störsichere Temperaturermittlung ermöglicht wird.
In einer Weiterbildung umfasst das Verfahren die Schritte: Bestimmen von Nulldurchgängen der Netzwechselspannung und Wählen der Zeitabschnitte im Bereich der Nulldurchgänge. Im Bereich der Nulldurchgänge bei einphasiger Netzwechselspannung nimmt die Zwischenkreisspannung üblicherweise stark ab. Der konstante Spannungspegel wird bevorzugt derart gewählt, dass er größer als der sich üblicherweise im Bereich der Nulldurchgänge einstellende Spannungspegel ist, sodass die Zwischenkreisspannung im Bereich der Nulldurchgänge auf den konstanten Spannungspegel geklemmt wird. Es herrschen dann im Bereich der Nulldurchgänge konstante Spannungsverhältnisse, die eine zuverlässige Temperaturmessung ermöglichen.
Die Induktionsheizspulen werden mindestens so lange alle im Heizbetrieb betrieben, bis eine erste Induktionsheizspule erfasst, dass der Temperaturgradient des Bereichs des Kochgefäßbodens über dieser Induktionsheizspule zu Null wird. Es können auch alle Induktionsheizspulen so lange im Heizbetrieb betrieben werden, bis über jeder der Induktionsheizspulen der Temperaturgradient des darüber befindlichen Kochgefäßbodens zu Null wird. Wenn der Temperaturgradient zu Null wird bedeutet dies, dass sich die Temperatur des Kochgefäßbodens nicht weiter erhöht, was wiederum bedeutet, dass das Wasser im Kochgefäß direkt über diesem Kochgefäßbodenbereich bzw. an der Grenzschicht zwischen Wasser und Kochgefäßboden kocht, sich die Temperatur also nicht weiter erhöht. Nun hat sich aber im Rahmen der Erfindung herausgestellt, dass sich gerade beim induktiven Beheizen eines Kochgefäßes mit Wasser darin, bei dem sehr hohe Leistungen in den Kochgefäßboden eingebracht werden, was ein sehr schnelles Kochen des Wassers bewirken soll, die Temperatur des Wassers direkt am Kochgefäßboden zumindest bereichsweise sehr schnell auf 100°C erhöhen kann. Dort erfolgt dann auch schon die für das Kochen typische Ablösung von teils sehr großen Wasserdampfblasen, dort kocht das Wasser also bzw. sprudelt. Allerdings hat dann noch nicht unbedingt das gesamte Wasser im Kochgefäß die Temperatur von 100°C erreicht, was ja aber eigentlich gewünscht ist. Und weil bei Induktionskochfeldern mit der bekannten Boost-Funktion zum Ankochen eine sehr hohe Leistung eingestellt werden kann, gibt es die Bildung und Ablösung von Wasserdampfblasen bereits dann, wenn die Temperatur des Wassers im oberen Bereich entfernt von der Grenzschicht zwischen Wasser und Kochgefäßboden nur etwa 80°C bis 90°C aufweist, also noch deutlich vom Kochen bzw. den entsprechenden 100°C entfernt ist. Bei hohen Wärmeströmen, beispielsweise ca. 10W/cm², kommen also Temperaturdifferenzen zwischen der Wassertemperatur und der Topfbodeninnenseite von ca. 10°C bis 40°C zu Stande. Zusätzlich hat der Kochgefäßboden zwischen Innenseite und Außenseite eine weitere Temperaturdifferenz von ca. 10°C.
Demzufolge bestimmt die Erfindung mindestens eine der Induktionsheizspulen als Messspule. Dazu können mehrere Verfahren genommen werden, die später noch genauer ausgeführt werden.
Diese Messspule wird dann im Messbetrieb und nicht mehr im Heizbetrieb betrieben, wobei der Wechsel bzw. das Stoppen des Heizbetriebs nicht zwingend sofort nach Bestimmung als Messspule erfolgen muss. Im Messbetrieb selbst wird die Messspule mit einer sogenannten Mess-Leistung bis 10% oder 20%, vorteilhaft maximal 50%, der maximalen Leistung für kurze Zeit, insbesondere nur für eine Halbwelle, betrieben bzw. überträgt entsprechend wenig bzw. geringere Energie in den über der Messspule liegenden Bereich des Kochgefäßbodens. Bis zu 20% der maximalen Leistung kann die Mess-Leistung als kleine Leistung angesehen werden. Dann erfasst die Messspule die zurückgekoppelte Schwingungsantwort auf zuvor genannte Art und Weise. Dann wird der zeitliche Verlauf dieser Schwingungsantwort nach mehreren Malen Einkoppeln der geringen Energie ausgewertet, also im Wesentlichen ein ähnliches Verfahren angewendet wie schon zuvor bei der Erfassung der Schwingungsantwort an jeder Induktionsheizspule. Dann wird in dem Fall, dass der Gradient dieses zeitlichen Verlaufs zu Null wird, das Wasser in dem Kochgefäß als kochend bestimmt, und zwar das gesamte Wasser. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass die Schwingungsantwort wirklich an jeder Induktionsheizspule erfasst wird. Unter Umständen kann die Messspule nämlich bereits zuvor bestimmt werden, beispielsweise als diejenige Induktionsheizspule mit dem geringsten Überdeckungsgrad bzw. dem schlechtesten Leistungseintrag in den Kochgefäßboden. Dann braucht nur deren Schwingungsantwort ausgewertet zu werden.
Mit der Erfindung wird nämlich im Wesentlichen bewirkt, dass die Messspule nicht mehr den Kochgefäßboden heizt und dadurch im Bereich des Kochgefäßbodens über der Messspule sozusagen eher die wahre Temperatur des Wassers im Kochgefäß erfasst werden kann bzw. der Wärmestrom durch den Topfboden sowie der Wärmestrom im Übergang Topfboden zu Wasser verschwindend klein werden und dadurch die wahre Temperatur des Wassers und die Temperatur der Kochgefäßinnenseite als auch der -unterseite gleich werden. Die zuvor beschriebenen, in Reihe geschalteten, Temperaturdifferenzen von etwa 10°C bis 40°C von Kochgefäßinnenseite zu Wasser und etwa 10°C zwischen Kochgefäßinnen- und -außenseite werden annähernd zu Null. Durch die bereits begonnene Blasenbildung im Wasser am Kochgefäßboden wird das Wasser im Kochgefäß in gewissem Maß durchgemischt, insbesondere durch das aufsteigende Wasser. Dies reicht zwar nicht, um sehr schnell das gesamte Wasser im Kochgefäß zum Kochen zu bringen, indem immer wieder etwas kühleres Wasser an den Kochgefäßboden herangetragen wird zur Erwärmung aufgrund Wärmeabnahme. In dem unbeheizten Bereich des Kochgefäßbodens über der Messspule wird aber mit großer Wahrscheinlichkeit eher kühleres Wasser vorhanden sein, und zwar sowohl aufgrund der fehlenden Beheizung als auch aufgrund der Durcheinandermischung des Wassers im Kochgefäß. Durch das Stoppen des Heizbetriebs der Messspule wird also eine das Messergebnis verfälschende Wirkung ausgesetzt. Die Messspule arbeitet zumindest eine bestimmte Zeit nach der Bestimmung als Messspule nur noch als eine Art Sensor. Das Einkoppeln eines Signals bzw. einer Leistung zur Erzeugung der Schwingungsantwort für deren Auswertung kann als vernachlässigbar angesehen werden bezüglich einer Erhitzung des Bereichs des Kochgefäßbodens direkt über der Messspule.
Somit besteht ein wesentlicher Kern der Erfindung darin, eine Temperaturbestimmung bei einem Verfahren zum Kochen von Wasser in einem Kochgefäß, wofür mehrere Induktionsheizspulen verwendet werden, dadurch genauer zu machen, dass eine der Induktionsheizspulen als Messspule verwendet wird und dazu dann nicht mehr im Heizbetrieb arbeitet, sondern nur noch im Messbetrieb. So werden Verfälschungen des Messergebnisses vermieden oder zumindest stark reduziert. Damit wird zwar die gesamte Heizleistung für das Kochgefäß reduziert, dafür steigt aber die Genauigkeit. Einerseits ist es möglich, die Messspule schnell vom Heizbetrieb auf den Messbetrieb umzustellen, beispielsweise nachdem sie oder eventuell auch eine andere Induktionsheizspule zum ersten Mal dadurch, dass der Temperaturgradient der Schwingungsantwort zu Null geworden ist, eine Temperatur von 100°C am Kochgefäßboden erfasst hat. Da erfahrungsgemäß dann aber der Großteil des in dem Kochgefäß befindlichen Wassers noch nicht kocht bzw. noch nicht die 100°C erreicht hat, wird es andererseits als vertretbar und insgesamt vorteilhafter angesehen, auch die Messspule dann noch für eine bestimmte eher kurze Zeit im Heizbetrieb zu betreiben, beispielsweise 10 Sekunden bis 60 Sekunden oder sogar 300 Sekunden. Es ist nämlich in aller Regel erst dann damit zu rechnen, dass auf die gesamte Wassermenge bezogen bald die 100°C bzw. der kochende Zustand vorliegen. Auch hierzu sind Varianten möglich, die nachfolgend näher erläutert werden.
In Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, diejenige Induktionsheizspule als Messspule zu bestimmen, deren Temperaturgradient der Schwingungsantwort während des allgemeinen Heizbetriebs und vor allem auch während ihres eigenen Heizbetriebs zuerst zu Null wird. Dies ist dann sozusagen die Induktionsheizspule mit dem zu diesem Zeitpunkt heißesten Bereich des Kochgefäßbodens über sich. Alternativ dazu kann auch diejenige Induktionsheizspule als Messspule bestimmt und verwendet werden, bei der dieser Temperaturgradient zuletzt zu Null wird. Dies ist dann entsprechend diejenige Induktionsheizspule, die den kühlsten Bereich des Kochgefäßbodens über sich aufweist. Dann kann davon ausgegangen werden, dass das Wasser im Kochgefäß insgesamt bereits deutlich näher an dem Zustand ist, dass es insgesamt kocht bzw. vollständig etwa 100°C aufweist. Während bei der ersten Alternative noch mit einer relativ längeren Zeit des Heizbetriebs zu rechnen ist, bis das gesamte Wasser kocht, beispielsweise 20 Sekunden bis 40 Sekunden, ist bei der zweiten Alternative eher nur mit einer kürzeren Zeit zu rechnen, beispielsweise 5 Sekunden bis 20 Sekunden. Dies ist bei den weiteren Vorgehensmöglichkeiten für die Temperaturbestimmung und für den Betrieb der Induktionsheizspulen zu beachten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, diejenige Induktionsheizspule als Messspule zu bestimmen, die den geringsten Leistungseintrag in das Kochgefäß und/oder die den geringsten Überdeckungsgrad durch das Kochgefäß aufweist. Das erste Kriterium kann während des Heizbetriebs ermittelt werden und beispielsweise auch wiederholt oder permanent überprüft werden. Das zweite Kriterium kann bereits zu Beginn des Kochvorgangs bestimmt werden, also wenn überhaupt bestimmt wird, welche Induktionsheizspulen von dem Kochgefäß überdeckt sind und welche demzufolge überhaupt als gemeinsame Kochstelle mit dem Heizbetrieb starten. Dabei sollte aber auch dieses Kriterium während des Heizbetriebs überprüft werden, da es durchaus vorkommen kann, dass das Kochgefäß über den Induktionsheizspulen bzw. auf der Kochstelle bewegt wird und sich dann der Überdeckungsgrad einzelner oder aller Induktionsheizspulen ändert.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind sämtliche Induktionsheizspulen identisch ausgebildet, also vor allem auch gleich groß. Dies vereinfacht die Herstellung eines Induktionskochfelds. Des Weiteren ist es vorteilhaft auch möglich, sämtliche Induktionsheizspulen, die gemeinsam eine Kochstelle für ein einziges Kochgefäß bilden, identisch zu betreiben. Dies gilt vor allem für die Leistungsstufe. Also können auch Induktionsheizspulen mit einem erkannten geringeren Überdeckungsgrad genauso betrieben werden wie Induktionsheizspulen mit einem hohen oder vollständigen Überdeckungsgrad.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass dann, nachdem die erste Induktionsheizspule einen Temperaturgradienten aufweist bzw. erfasst, der zu Null geworden ist, für eine bestimmte Zeit der Heizbetrieb aller Induktionsheizspulen, die für dieses Kochgefäß bzw. diese Kochstelle arbeiten, mit gleichbleibender Leistung weitergeführt wird. Diese Zeit sollte weniger als 1 Minute betragen und kann beispielsweise mindestens 10 Sekunden betragen, vorteilhaft mindestens 20 Sekunden betragen. Nach Ablauf dieser Zeit wird die zuvor bestimmte Messspule dann im Messbetrieb betrieben, vorteilhaft mit der vorgenannten Mess-Leistung. Hier wird also berücksichtigt, dass in dem zuvor bereits genannten Fall, dass die erste Stelle des Kochgefäßbodens eine Temperatur von etwa 100°C aufweist, die Messspule, die entweder zuvor bereits bestimmt worden ist oder erst dadurch bestimmt wird, doch nicht sofort aus dem Heizbetrieb genommen wird, da dann die gesamte Heizleistung an der Kochstelle unnötig reduziert werden würde. Durch das Weiterheizen aller Induktionsheizspulen, insbesondere auch der Messspule, wird, da davon ausgegangen werden kann, dass das Wasser im Kochgefäß noch keine 100°C hat, noch mit maximal möglicher Leistung weitergeheizt für ein schnelles Aufheizen. Erst nach der gewissen Zeit wird dann die Messspule im Messbetrieb betrieben, da erst dann damit zu rechnen ist, dass die 100°C im gesamten Wasser bald erreicht sein werden. Diese Zeit kann auch variiert werden abhängig davon, wieviel Wasser zum Kochen gebracht werden muss bzw. wie groß das Kochgefäß ist. Dazu kann beispielsweise die bisherige Dauer als Kriterium herangezogen werden, wann eben die erste Induktionsheizspule den zu Null gewordenen Temperaturgradienten erfasst.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann nicht die erste Induktionsheizspule herangezogen werden, sondern die letzte Induktionsheizspule, deren Temperaturgradient zu Null wird. Auch dann kann wiederum selbst die Messspule noch für eine bestimmte Zeit weiter im Heizbetrieb betrieben werden, da selbst in diesem Fall, dass überall der Kochgefäßboden 100°C beträgt, sehr wahrscheinlich noch nicht das gesamte Wasser im Kochgefäß 100°C aufweist. Diese Zeit für den Weiterbetrieb der Messspule im Heizbetrieb sollte deutlich kürzer als 1 Minute sein und kann insbesondere kürzer als die zuvor genannte Zeit, beispielsweise 5 Sekunden bis 20 Sekunden betragen. Auch hier wird wiederum erst nach Ablauf dieser Zeit die Messspule im Messbetrieb betrieben, wobei sie auch hier wiederum entweder bereits zu Beginn des Heizbetriebs oder erst später zur Messspule bestimmt worden sein kann.
Es ist vorteilhaft möglich, wenn an der Messspule deren Leistung deutlich reduziert worden ist bzw. sie nur noch als Messspule mit der Mess-Leistung betrieben wird, den zeitlichen Verlauf der Wassertemperatur des Wassers im Kochgefäß gleichzusetzen mit dem zeitlichen Verlauf der Periodendauer der Schwingungsantwort an der Messspule, zumindest was den relativen Verlauf betrifft. Diese Messspule arbeitet dann nämlich als Temperatursensor für den über ihr liegenden Bereich des Kochgefäßbodens, der wiederum die Temperatur des an ihn durch Verwirbelung herangeführten Wassers im Kochgefäß bestimmt. Dieser Bereich des Kochgefäßbodens arbeitet dann sozusagen als ein erster Teil eines Sensors. Als zweiter Teil dieses Sensors arbeitet die Messspule, die sozusagen die Temperatur dieses ersten Teils abfragt.
Der Messbetrieb der Messspule sollte vorteilhaft so sein, dass sie keine zusätzliche Heizleistung in den über ihr liegenden Bereich des Kochgefäßbodens einbringt, um Verfälschungen bei der Temperaturerfassung bzw. Temperaturbestimmung zu reduzieren oder möglichst ganz zu vermeiden. Wie zuvor kurz erwähnt worden ist, kann hier bereits eine Halbwelle für den Leistungseintrag ausreichen, was dann auch wiederum nur mit einer vorgenannten geringen Leistung bzw. Mess-Leistung gemacht wird.
Es ist möglich, nach dem Erkennen des Kochens des Wassers im Kochgefäß die Leistung der Induktionsheizspulen bzw. der Kochstelle zu reduzieren, um ein Überkochen des Wassers zu verhindern. Dies kann um mindestens 10% bis 20% erfolgen, vorteilhaft sogar um mindestens 50% bis 70%.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: eine schematische Ansicht einer Anordnung mehrerer Induktionsheizspulen eines Induktionskochfelds mit aufgestelltem Kochgefäß,
Fig. 2: eine schematische Seitenansicht einer Beheizung des Kochgefäßes aus Fig. 1 mit den darunter befindlichen Induktionsheizspulen, wobei zwei Induktionsheizspulen im Heizbetrieb arbeiten samt entstehender Wasserströmungen,
Fig. 3: eine Abwandlung der Darstellung aus Fig. 2, wobei eine Induktionsheizspule im Heizbetrieb und eine im Messbetrieb arbeitet samt entstehender Wasserströmungen und
Fig. 4: eine Darstellung von Verläufen sowohl der Wassertemperatur an zwei Stellen im Kochgefäß als auch von Signalen einer Induktionsheizspule im Heizbetrieb einerseits und einer im Messbetrieb andererseits.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist schematisch dargestellt, wie bei einem Induktionskochfeld 11 eine Vielzahl von einzelnen Induktionsheizspulen 13, hier mit runder Form, vorhanden sein kann. Dies ist aus der vorgenannten EP 1463383 A1 bekannt. Ein Kochgefäß 15 ist aufgestellt, und zwar derart, dass es vier Induktionsheizspulen 13a bis 13d zu mehr als 50% bedeckt. Die Induktionsheizspulen 13b und 13d sind vollständig überdeckt, und die Induktionsheizspulen 13a und 13c zu etwa 70% bis 80%. Links und rechts neben der Induktionsheizspule 13d sind auch Induktionsheizspulen zu einem geringen Grad überdeckt. Dieser Überdeckungsgrad ist allerdings so gering, dass dies erkannt wird und sie definitiv nicht im Heizbetrieb als Kochstelle für das Kochgefäß 15 verwendet werden.
In der Seitenansicht der Fig. 2 des erfindungsgemäßen Induktionskochfelds 11 mit einer Kochfeldplatte 12 ist zu ersehen, wie die zwei Induktionsheizspulen 13a und 13b unter dem Kochgefäß 15 liegen bzw. dieses über sie auf der Kochfeldplatte 12 aufgestellt ist. Die Induktionsheizspulen 13c und 13d sind hier nicht dargestellt, für sie gilt aber im Wesentlichen dasselbe. Das Kochgefäß 15 weist einen Kochgefäßboden 16 auf, der sich für induktive Beheizung eignet und üblicherweise eine Dicke von einigen Millimetern aufweist, beispielsweise 4mm bis 10mm. In der Regel ist ein solcher Kochgefäßboden 16 mehrschichtig ausgebildet mit einer obersten Schicht, die aus demselben Material wie die seitliche Wandung des Kochgefäßes 15 besteht und meistens durch Tiefziehen hergestellt ist, also mit einem einstückigen Materialübergang. Darunter ist häufig eine wärmeverteilende Schicht aus Kupfer mit einer Stärke von wenigen Millimetern angeordnet. Unterhalb dieser wiederum kann eine dünne Schicht aus Edelstahl vorgesehen sein, welche ebenfalls für induktive Beheizung geeignet ist. Deren Dicke kann maximal 1 mm bis 2mm betragen. Gleichzeitig ist dies in etwa die maximale Eindringtiefe von induktiven Feldern, was nachfolgend noch erläutert wird.
Die Induktionsheizspulen 13a und 13b sind mit einer Steuerung 19 des Induktionskochfelds 11 verbunden und werden über diese angesteuert mit Leistung versorgt, üblicherweise über ein hier nicht dargestelltes Leistungsteil bzw. entsprechende Schwingkreisanordnungen.
Mit dünnen Pfeilen dargestellt ist jeweils ein Leistungseintrag 21a und 21b von jeder der Induktionsheizspulen 13a und 13b in das Kochgefäß 15 bzw. in den Kochgefäßboden 16. Dies ist dem Fachmann bekannt und darauf muss nicht näher eingegangen werden. Wie zuvor erwähnt, beträgt die Eindringtiefe des Leistungseintrags 21 weniger als 2mm, vorteilhaft weniger als 1mm. Von dieser untersten Schicht des Kochgefäßbodens 16 verteilt sich die entstehende Wärme nach oben durch den weiteren Aufbau des Kochgefäßbodens 16 hindurch, unter Umständen mit einer entsprechenden Querverteilung. An der Oberseite des Kochgefäßbodens 16 erfolgt der Wärmeübergang in darüber im Kochgefäß 15 befindliches Wasser 17. Durch die eingebrachte Wärme steigt dieses aufgewärmte Wasser auf, was durch die breiten Pfeile veranschaulicht ist. Selbstverständlich erfolgt eine Art Durchmischung der Wasserströmungen 23a und 23b, hier auch noch dargestellt durch weitere Wasserströmungen 23.
In Fig. 4 ist in einem schematisch zu verstehenden Diagramm mit dicker durchgezogener Linie die Temperatur T_W des Wassers 17 im Kochgefäß 15 aufgezeichnet als eine Art Durchschnittstemperatur, also nicht nur an einzelnen diskreten Punkten gemessen, sondern als Durchschnitt an vielen Punkten. Insbesondere kann dies auch eine Temperatur an der Wasseroberfläche sein, wo üblicherweise die Temperatur des Wassers 17 am geringsten sein wird beim Kochen.
Mit dicker gestrichelter Linie ist die Temperatur des Wassers über der linken Induktionsheizspule 21a nahe dem Kochgefäßboden 16 dargestellt. Hier wird das Wasser 17 wohl am heißesten sein und am schnellsten kochen. Außerdem ist für die Temperatur des Wassers 17 der Wert von 100°C eingezeichnet. Bei den Wassertemperaturen mit dicken Linien sind die Verlaufshöhen relativ zueinander in etwa maßstäblich.
Mit dünner durchgezogener Linie ist der eingangs genannte Messwert bzw. das Periodensignal derjenigen Induktionsheizspule 13b dargestellt, die als Messspule im Messbetrieb verwendet wird. Mit gestrichelter dünner Linie ist das Periodensignal der im Heizbetrieb betriebenen Induktionsheizspule 13a dargestellt. Diese beiden Periodensignale müssen absolut gesehen nicht unterschiedlich groß sein, dies ist hier nur der Übersichtlichkeit halber dargestellt, um ihre relativen Verläufe besser zu zeigen. Insbesondere können sie vor allem am Anfang weitgehend deckungsgleich sein.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Aufsetzen des Kochgefäßes 15 auf das Induktionskochfeld 11 bzw. über die Induktionsheizspulen 13 von der Steuerung 19 auf bekannte Art und Weise erfasst, welche Induktionsheizspulen überhaupt überdeckt sind und in wie stark bzw. mit welchem Überdeckungsgrad. Bei den Induktionsheizspulen 13 der Konfiguration der Fig. 1 sind die vorgenannten Induktionsheizspulen 13a bis 13d ausreichend überdeckt. Hat nun eine Bedienperson eine Leistungsstufe für den Betrieb des Induktionskochfelds 11 ausgewählt, mit der das Wasser 17 im Kochgefäß 15 möglichst schnell zum Kochen gebracht werden soll, so startet der Heizbetrieb der vier Induktionsheizspulen 13a bis 13d. Diese bilden dabei eine gemeinsame Kochstelle. Sie können mit der maximalen Leistung, insbesondere einer für Induktionsheizspulen bekannten Boost-Leistung, betrieben werden. Dies ist in der Fig. 2 dargestellt, die Induktionsheizspulen 13a und 13b erzeugen einen Leistungseintrag 21a und 21b in den Kochgefäßboden 16, insbesondere in dessen unterste Schicht. Die induktiv erzeugte Wärme breitet sich nach oben aus und tritt an der Oberseite des Kochgefäßbodens 16 in das Wasser 17 ein bzw. wird dort übertragen. Dadurch entstehen Wasserströmungen 23, insbesondere von der Oberseite des Kochgefäßbodens 16 aufsteigende starke Wasserströmungen 23a und 23b.
Gemäß einer ersten Variante des Verfahrens kann nun die Induktionsheizspule 13b als Messspule bestimmt werden, da sie den erkennbar geringsten Überdeckungsgrad durch das Kochgefäß 15 bzw. den Kochgefäßboden 16 aufweist. Diese Bestimmung kann erfolgen, selbst wenn auch die Messspule 13b mit den anderen zusammen noch im Heizbetrieb als Kochstelle betrieben wird. Alternativ kann das in Fig. 4 gestrichelt dargestellte Periodensignal, das zu Beginn für die meisten Induktionsheizspulen relativ gleich verlaufen wird, für jede Induktionsheizspule 13 ausgewertet werden. Dann kann diejenige Induktionsheizspule als Messspule bestimmt und in den Messbetrieb wechseln, bei der zuerst die Steigung in etwa Null wird. In nochmals weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann diejenige Induktionsheizspule als Messspule im Messbetrieb verwendet werden, bei der dieser Verlauf im Vergleich zu den anderen Induktionsheizspulen als letzter konstant wird bzw. Null Steigung aufweist.
Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel gilt dieser Fall, dass die Steigung als letzte zu Null geworden ist, für die Induktionsheizspule 13b. Das bedeutet, dass über allen anderen Induktionsheizspulen 13 der Kochstelle die Temperatur höher ist bzw. früher schon hoch war.
Gleichzeitig ist aus der Fig. 4 zu ersehen, wie die gestrichelt dargestellte Wassertemperatur zu dem Zeitpunkt, zu dem die Steigung des Periodensignals einer der Induktionsheizspulen zu Null wird, ebenfalls auf den dargestellten Maximalwert von 100°C als Wassertemperatur kommt. Insbesondere ist dies die Temperatur des Wassers knapp oberhalb des Kochgefäßbodens 16 über eben der Induktionsheizspule mit dem gestrichelt dargestellten Verlauf des Periodensignals. Durch die nicht mehr ansteigende Wassertemperatur bei 100°C kann sich auch der Kochgefäßboden 16 in diesem Bereich nicht mehr weiter erhitzen, so dass deswegen auch das Periodensignal an der Induktionsheizspule nicht mehr weiter ansteigt. Die dicke durchgezogene Linie als Temperatur T_W des Wassers 17 im Kochgefäß 15 steigt nach kurzer Verzögerung am Anfang in etwa konstant an. Durch das Umstellen einer Induktionsheizspule als Messspule verringert sich die eingebrachte Leistung und der Anstieg wird dann flacher.
Die nun im Messbetrieb als Messspule mit der Mess-Leistung betriebene Induktionsheizspule 13b weist den durchgezogenen Verlauf mit der dünnen Linie auf. Die Mess-Leistung beträgt beispielsweise 5% der maximalen Leistung. Der Verlauf des Periodensignals an der Messspule 13b zeigt auch, dass nach dem Wechsel in den Messbetrieb ja diese Messspule nahezu keine Energie mehr in den Kochgefäßboden überträgt und diesen somit nicht weiter aufzuheizen versucht. Da das in dem Kochgefäß 15 befindliche Wasser 17 insgesamt noch keine 100°C hat, also noch nicht insgesamt kocht, sondern beispielsweise nur 80°C bis 90°C aufweist, fällt dieses relativ kühlere Wasser wieder auf diesen Bereich des Kochgefäßbodens herunter und kühlt ihn auf weniger als 100°C ab. Er wird also im Vergleich zu dem vorherigen Heizbetrieb der Messspule 13b gekühlt. Dies ist zu erkennen an dem dargestellten Abfall des Periodensignals der Messspule. Nach einer gewissen Zeit, beispielsweise 10 Sekunden bis 30 Sekunden, weist dieser Bereich des Kochgefäßbodens die Temperatur des relativ kühleren herabströmenden Wassers auf, so dass auch das Periodensignal der Messspule quasi gleich verläuft wie die Wassertemperatur. Dies ist der Verständlichkeit halber hier gemeinsam bzw. in Überdeckung dargestellt, muss aber nicht so sein.
Gleichzeitig ist zu sehen, wie die gestrichelt dargestellte Temperatur des Wassers beispielsweise über der weiterhin im Heizbetrieb betriebenen Induktionsheizspule 13a gemäß Fig. 2 und 3 bei 100°C bleibt. Höher werden kann die Temperatur nicht, und schließlich erfolgt weiterhin ein Energieeintrag durch die Heizspule. Deswegen bleibt die Temperatur sozusagen am oberen Anschlag.
Die Zustände im Kochgefäß 15 in diesem Zeitraum sind in Fig. 3 zu ersehen. Die Induktionsheizspule 13a im Heizbetrieb bewirkt weiterhin den Leistungseintrag 21a in den Kochgefäßboden 16 über ihr, welcher die starke Wasserströmung 23a erzeugt. Diese zirkuliert sozusagen und bewirkt, dass im oberen Bereich befindliches Wasser 17 als mit dünnen Pfeilen dargestellte Wasserströmung 23 nach unten auf den Bereich des Kochgefäßbodens 16 auftritt, der über der Messspule 13b liegt. Durch das Wechseln des Betriebs von der Induktionsheizspule 13b vom Heizbetrieb in den Messbetrieb, bei dem diese dann fast keine Leistung mehr in den Kochgefäßboden einkoppelt, fallen immerhin fast 25% der Heizleistung weg. Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ja im Wesentlichen nur das Erreichen des Durchkochens des Wassers festgestellt werden soll und keine genaue Temperaturmessung bei einer beliebigen Temperatur darunter stattfinden soll, kann aus Erfahrungswerten, die wie oben erläutert in der Steuerung 19 abgespeichert sein können, noch eine gewisse Weiterlaufzeit für die Induktionsheizspule 13b im Heizbetrieb bestimmt werden, nach deren Ablauf das Wasser im Kochgefäß 15 immer noch nicht vollständig durchgekocht ist.
Nach einiger Zeit dann hat durch den fortwährenden Leistungseintrag der übrigen drei Induktionsheizspulen, der vorteilhaft mit gleicher bzw. maximaler Leistung erfolgt, die gesamte bzw. gemittelte Temperatur des gesamten Wassers etwa 100°C erreicht, insbesondere nach ausreichender Durchmischung des vom Kochgefäßboden 16 über den Heizspulen aufgeheizten Wassers mit dem restlichen Wasser. Wenn dann in Fig. 4 im rechten Bereich das dünn und durchgezogene Periodensignal der Messspule wieder die Steigung Null aufweist bzw. konstant wird, so kocht das gesamte Wasser 17 im Kochgefäß 15. Dies gilt auch für die Temperatur T_W des Wassers.
Bei den mit dicken Pfeilen dargestellten Wasserströmungen 23a und 23b in der Fig. 2 ist zu beachten, dass hier auch die Bildung von teils großen oder sogar sehr großen Wasserdampfblasen erfolgt, die nach oben aufsteigen. Sie bewirken auch einen großen Teil der Selbstvermischung des Wassers 17 im Kochgefäß 15.
Anhand der Beschreibung zu den Fig. 1 bis 3 und anhand der Verläufe in Fig. 4 ist auch leicht vorstellbar, wie eingangs erläutert, wie nach dem Erreichen eines konstanten Periodensignals durch die Messspule der Heizbetrieb aller Induktionsheizspulen, insbesondere auch der als spätere Messspule bestimmten Induktionsheizspule, für eine gewisse Zeit weitergeführt wird. Aus dem Diagramm der Fig. 4 ist zu ersehen, dass es noch eine gewisse Zeit dauert, beispielsweise 10 Sekunden bis 40 Sekunden nach dem Kochen des Wassers kurz oberhalb des Kochgefäßbodens, bis sämtliches Wasser im Kochgefäß kocht.

Claims

Verfahren zur Temperaturbestimmung bei einem Induktionskochfeld mit mehreren Induktionsheizspulen, wobei die Induktionsheizspulen einzeln ansteuerbar sind und in einem gemeinsamen Heizbetrieb eine Kochstelle für ein Kochgefäß mit Wasser darin bilden, gekennzeichnet durch die Schritte:
- ein Kochgefäß mit Wasser darin wird so aufgestellt, dass es mit einem Kochgefäßboden mindestens zwei Induktionsheizspulen überdeckt,

- die Induktionsheizspulen werden im Heizbetrieb betrieben um das Wasser in dem Kochgefäß zum Kochen zu bringen, was als Temperaturbestimmung erfasst werden soll,

- während des Heizbetriebs beheizt jede Induktionsheizspule den über ihr angeordneten Bereich des Kochgefäßbodens,

- während des Heizbetriebs wird anhand der Schwingungsantwort an mindestens einer Induktionsheizspule erfasst, ob sich die Temperatur des Bereichs des Kochgefäßbodens über dieser Induktionsheizspule ändert bzw. ansteigt,

- die Induktionsheizspulen werden mindestens so lange im Heizbetrieb betrieben, bis eine Induktionsheizspule erfasst, dass der Temperaturgradient des Kochgefäßbodens über dieser Induktionsheizspule nahe Null oder zu Null wird,

- mindestens eine der Induktionsheizspulen wird als Messspule bestimmt,

- die Messspule wird im Messbetrieb und nicht mehr im Heizbetrieb betrieben, wobei sie im Messbetrieb mit einer Mess-Leistung bis maximal 50% der maximalen Leistung für kurze Zeit Energie in den Kochgefäßboden überträgt und dann die zu-rückgekoppelte Schwingungsantwort erfasst, wobei der zeitliche Verlauf dieser Schwingungsantwort nach mehreren Malen Einkoppeln der Mess-Leistung ausgewertet wird, wobei dann in dem Fall, dass der Gradient dieses zeitlichen Verlaufs nahe Null oder zu Null wird, das Wasser in dem Kochgefäß als kochend bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Induktionsheizspule als Messspule bestimmt wird, die als erste einen zu Null werdenden Temperaturgradienten während des Heizbetriebs aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Induktionsheizspule als Messspule bestimmt wird, die den geringsten Leistungseintrag in das Kochgefäß und/oder den geringsten Überdeckungsgrad durch das Kochgefäß aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Induktionsheizspulen mindestens so lange im Heizbetrieb betrieben werden, bis über jeder der Induktionsheizspulen der Temperaturgradient des darüber befindlichen Kochgefäßbodens zu Null wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule im Messbetrieb mit der Mess-Leistung für eine Halbwelle Energie in den Kochgefäßboden überträgt und dann die zurückgekoppelte Schwingungsantwort erfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem die erste Induktionsheizspule einen zu Null gewordenen Temperaturgradienten aufweist bzw. erfasst, für mindestens 10 Sekunden, vorzugsweise für mindestens 30 Sekunden, der Heizbetrieb aller Induktionsheizspulen, die im Heizbetrieb für dieses Kochgefäß arbeiten, weitergeführt wird mit gleichbleibender Leistung, wobei nach Ablauf dieser Zeit die zuvor bestimmte Messspule im Messbetrieb betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem alle Induktionsheizspulen der Kochstelle einen zu Null gewordenen Temperaturgradienten aufweisen bzw. erfasst haben, für mindestens 10 Sekunden, vorzugsweise für mindestens 30 Sekunden, der Heizbetrieb aller Induktionsheizspulen, die im Heizbetrieb für dieses Kochgefäß arbeiten, weitergeführt wird mit gleichbleibender Leistung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand von in einem Speicher abgelegten Werten für die Höhe des gesamten aufaddierten Leistungseintrags aller Induktionsheizspulen, die gemeinsam als Kochstelle im Heizbetrieb für ein Kochgefäß betrieben werden, in das Kochgefäß und anhand der Zeit, bis der Temperaturgradient der ersten Induktionsheizspule oder der Temperaturgradient der letzten Induktionsheizspule zu Null geworden ist, die Zeit bestimmt wird, für die der Heizbetrieb weitergeführt wird, nachdem der Temperaturgradient der ersten Induktionsheizspule oder der letzten Induktionsheizspule zu Null geworden ist bis zu dem Zeitpunkt, an dem eine der Induktionsheizspulen als Messspule betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem deutlichen Reduzieren der Leistung an der Messspule bei der Temperaturbestimmung mit der Messspule der Verlauf der Wassertemperatur von Wasser in dem Kochgefäß gleichgesetzt wird mit dem Verlauf der Periodendauer an der Messspule.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erkennen des Kochens des Wassers im Kochgefäß die Leistung der Induktionsheizspulen bzw. der Kochstelle reduziert wird, insbesondere um mindestens 50%, um ein Überkochen des Wassers zu verhindern.