ITMI20000771A1 - Focolare di cottura per induzione modulabile a radiazione ridotta e procedimento di realizzazione - Google Patents

Description

La presente invenzione si riferisce ad un focolare di cottura alimentato a corrente elettrica ad alta frequenza ed al procedimento per la sua realizzazione.

Il riscaldamento ad induzione consiste nel generare correnti dette di Foucault in un pezzo conduttore dell'elettricità per mezzo di un campo magnetico. Il campo magnetico viene generato da un induttore adattato alla zona del pezzo da riscaldare, che è percorso da una corrente alternata. La corrente alternata è a sua volta prodotta da un generatore che adatta la frequenza e l'intensità della corrente per assicurare il riscaldamento desiderato.

Nel caso della cottura ad induzione, l'oggetto da riscaldare è un recipiente conduttore di elettricità. Sebbene l'invenzione appresso descritta possa essere applicata a materiali amagnetici di tipo rame o alluminio, ci si interesserà più particolarmente del riscaldamento di materiali magnetici (acciaio dolce, ghise, acciaio inossidabile magnetico). Il recipiente ha in generale un diametro compreso tra 120 e 280 mm ed uno spessore compreso tra 1 e 4 mm per l'utilizzazione ordinaria. I diametri posson· raggiungere i 450 mm e lo spessore 10 mm per le utilizzazioni professionali.

L'applicazione della formula dello spessore della parete nel recipiente a permeabilità magnetica relativa μr con conducibilità elettrica

comporta l'utilizzazione di una frequenza:

dell'ordine di 10-50 kHz per riscaldare efficacemente fondi ferritici con uno spessore minimo di 1 mm. La tensione di alimentazione della rete di distribuzione a 50 o 60 Hz viene in generale raddrizzata e filtrata; la frequenza di eccitazione viene prodotta per mezzo di un generatore in generale a risonanza. Questo generatore è collegato ad un induttore in generale piatto (chiamato "pan cake") posto davanti al fondo della casseruola da riscaldare sotto un materiale isolante elettrico e che svolge il ruolo di supporto, in generale una piastra vetroceramica .

Una delle difficoltà di questo sistema noto è di poter riscaldare in modo omogeneo ed adatto recipienti a priori sconosciuti, di materiali, forme e diametri diversi. Il progettista di tale prodotto realizza un compromesso proponendo un induttore di diametro intermedio tra il più piccolo ed il più grande recipiente da riscaldare, in generale circa 180 mm. Con la diffusione sempre più vasta di questo tipo di cottura, i costruttori propongono attualmente inoltre dei focolari specializzati di diametro vario adattati più specificamente ad un certo tipo di recipiente: focolari di 140 mm per piccoli recipienti, focolari di 220 mm per grandi recipienti fino a focolari di 280 mm per recipienti molto grandi. Più il focolare è grande e più la potenza deve essere notevole. Ciascun focolare viene quindi alimentato da un generatore differente, il che non è una soluzione industrialmente ed economicamente interessante. Studiando l'induttore, è possibile fare in modo, specialmente giocando sul numero di giri e sullo spazio tra due giri successivi, che l'impedenza complessiva che alimenta induttori di diametri differenti sia pressoché identica, il che permette di utilizzare generatori identici su focolari di dimensioni differenti. La potenza che viene quindi definita dal focolare di diametro più grande è limitata per i focolari di piccolo diametro. Ciò non è neppure economicamente interessante, poiché in questo caso si utilizzano generatori di forte potenza per far loro trasmettere una potenza debole.

Certi costruttori utilizzano un generatore di forte potenza per alimentare focolari diversi attraverso un commutatore elettromeccanico. Questa soluzione permette di regolare la potenza di un focolare rispetto all'altro mediante la variazione del rapporto ciclico ma questa soluzione non è soddisfacente sul piano della cottura e del rumore durante il funzionamento. Bisogna infine notare che l'impedenza (L, R) di un induttore aumenta in funzione del numero di giri. Gli induttori classici sono costituiti da un trefolo di più fili di piccola sezione avvolti a spirale, sia i giri l'una attorno all'altra sia, se l'interspira deve essere variabile, su una matrice. Un induttore di piccole dimensioni avrà quindi una impedenza più bassa di un induttore più grande ed il generatore trasmetterà, in prima approssimazione, una potenza maggiore negli induttori piccoli il che è l'inverso dello scopo ricercato.

Infine, nel caso classico di utilizzazione di un induttore a bobina semplice, il centro del carico che corrisponde al centro della bobina è relativamente grande e non viene riscaldato ad induzione, e quindi la ripartizione termica può non essere accettabile se il recipiente non possiede buone caratteristiche di diffusione del calore.

Una seconda difficoltà del sistema noto è quello di non irradiare campo magnetico nell'ambiente vicino all'induttore sul quale si può trovare l'utilizzatore. In effetti, il sistema deve poter operare con piccoli recipienti o con dei recipienti decentrati. Se il rapporto di dimensione dell'induttore rispetto alla dimensione del recipiente è grande, l'accoppiamento diventa mediocre ed il rendimento energetico ne risulta influenzato. Questo ha per effetto di generare un campo di fuga importante nell'ambiente prossimo dell'induttore. La limitazione di questo campo era resa obbligatoria fino ad allora dalle norme di compatibilità elettromagnetica. Si assiste da poco ad una riduzione ancora più grande dei livelli autorizzati in ragione della possibile esposizione dell'utilizzatore dell'apparecchio a questi campi di fuga ed agli effetti potenziali sulla sua salute.

L'adattamento della dimensione del sistema induttore in funzione del carico, presentato nel documento EP-92 400362.2 è un mezzo per ridurre il campo di fuga. Ma questo mezzo non è sufficiente anche se, per ipotesi, l'adattamento fosse fatto spira a spira.

È nota d'altronde la disposizione degli induttori in fase ed in opposizione due a due, questi induttori essendo in serie per essere percorsi da una corrente identica. Quest'ultimo concetto, noto da tempo (documento EP-8617273} è difficile da applicare poiché, se un induttore semplice è diviso in porzioni di induttori, questo diminuisce considerevolmente l'effetto di induttanza mutua tra una spira e le altre spire del suo ambiente il che comporta una diminuzione dell'impedenza dell'induttore. La corrente resta quindi importante anche se il progettista sceglie un sistema generatore adattato per le impedenze deboli.

Inoltre, essendo le spire percorse dalla corrente totale del generatore, la loro sezione deve essere importante, il che costituisce una difficoltà supplementare per disporre un numero adeguato di spire (ampère - giri) sotto il carico da riscaldare. Per conseguenza bisogna tentare di diminuire almeno la sezione del conduttore e quindi lasciar riscaldare l'induttore, con possibilità di raffreddare l'induttore da parte del carico (documento FR-96 05 978). Questa soluzione è interessante ma è difficile da realizzare ed implica un aumento significativo della temperatura di interfaccia il che elimina uno degli interessi del riscaldamento ad induzione che permette di avere un supporto di cottura "freddo", per cui aumenta il rischio di incidenti per scottatura.

La presenta invenzione ha lo scopo di proporre un induttore di cottura per induzione di realizzazione semplice e di impedenza elevata, con possibilità di essere associato ad altri induttori simili per formare un focolare di cottura per induzione ed i cui collegamenti in parallelo o in serie - parallelo ed in opposizione di fase permettono di realizzare una gamma completa di focolari pur mantenendo un livello di perturbazione magnetica molto basso, qualunque sia la forma ed il tipo di recipiente da riscaldare sul focolare o, più generalmente, la superficie di riscaldamento.

A questo scopo l'invenzione si riferisce ad un focolare di cottura per induzione del tipo suddetto, caratterizzato da:

-almeno un induttore formato da un gran numero di spire con almeno un conduttore,

-il conduttore avendo una sezione rettangolare di spessore modesto, il lato grande della sezione essendo parallelo all'asse di avvolgimento del conduttore che forma le spire, -un isolante di spessore ridotto al minimo tra le spire vicine,

-l'avvolgimento avendo una forma sensibilmente rettangolare nella vista in pianta.

Questo induttore con impedenza elevata ed ingombro ridotto può essere alimentato da un solo generatore di bassa potenza; esso può pure venire associato ad altre coppie di induttori generatori per formare superfici di cottura di dimensioni e potenze differenti.

L'avvolgimento dell'induttore a spirale viene ottenuto avvolgendo il conduttore secondo una forma rettangolare così da coprire una superficie corrispondente al recipiente da riscaldare. Le spire successive non sono obbligatoriamente tutte ravvicinate.

In via generale, lo spessore dell'isolante è basso, vale a dire, secondo l'invenzione, questo spessore rappresenta meno della metà dello spessore del conduttore.

Un modo interessante per disporre di potenza conservando il carattere modulare, consiste nel formare l'induttore mediante avvolgimento di più conduttori indipendenti in parallelo o in serie -parallelo.

Può essere particolarmente interessante avvolgere simultaneamente più conduttori isolati l'uno dagli altri per formare un induttore. Questi differenti conduttori possono essere disposti in parallelo il che aumenta la sezione utile del rame pur riducendo al minimo gli effetti pelle e di prossimità nel rame il che diminuisce le perdite dell'induttore. Questo è utile se la corrente nell'induttore resta elevata malgrado il fatto che gli induttori siano in parallelo, per esempio per apparecchi di cottura professionale ove la potenza è elevata. L'interesse principale di questo avvolgimento simultaneo non è tuttavia quello di ridurre ancora le perdite negli induttori ma di poter accoppiare più generatori su un medesimo induttore collegandoli a differenti conduttori dell'induttore per realizzare focolari di cottura di potenza elevata partendo da generatori di potenza ridotta.

Secondo l'invenzione, l'isolante viene depositato sul conduttore prima del suo avvolgimento per formare l'induttore. Questo isolante può essere pure avvolto contemporaneamente all'avvolgimento del conduttore, specialmente nel caso in cui l'induttore ha più bobine avvolte contemporaneamente ed alimentate da generatori differenti, il che può comportare differenze di potenziale importanti tra le varie bobine. L'isolante avvolto può pure essere atto a sopportare temperature elevate o almeno molto più elevate delle vernici utilizzate per isolare elettricamente i conduttori, che in generale non resistono a temperature superiori a 220°C. In questo caso è consigliabile una combinazione di isolamento, e l'isolante precedentemente depositato assicura un isolamento minimo tra le spire e l'isolante avvolto assicura un isolamento rinforzato tra le varie bobine. È infine interessante che l'isolante abbia una resina termoinduribile il che permette, con l'aumento della temperatura, di agglomerare il tutto.

Per formare un focolare di cottura è particolarmente interessante combinare più induttori in parallelo o in serie-parallelo su un unico generatore.

È possibile collegare quattro induttori in parallelo, ciascuno essendo in opposizione di fase rispetto al suo vicino prossimo, in modo che i flussi magnetici degli induttori vicini siano cumulativi sotto il carico. Si realizza cosi un induttore che, in prima approssimazione (trascurando gli effetti di induttanza mutua tra gli induttori) possiede una impedenza di carica uguale a 1/4 (4Z) = Z; questo corrisponde all'impedenza di un induttore classico ma il tasso di irradiazione nell'ambiente vicino alla casseruola è molto basso poiché vi sono altrettanti induttori in fase che induttori in opposizione di fase. L'induttore è preferibilmente posizionato in modo che un lato sia parallelo alla parte anteriore del piano di cottura affinché l'irradiazione sia minimizzata particolarmente nella zona in cui si trova l'utilizzatore.

Uno dei vantaggi considerevoli di mettere induttori in parallelo è che la corrente totale del focolare di cottura si distribuisce tra gli induttori cioè, nell'esempio precedente, 1/4. Essendo le perdite nell'induttore funzione del quadrato della corrente queste vengono divise per 16, il che autorizza l'utilizzazione di un conduttore unico di piccola sezione per realizzare le bobine elementari. Nel caso in cui si colleghino questi quattro induttori, due in serie e due in parallelo, la corrente nei due rami in serie, supposta identica, verrà divisa per due e quindi le perdite per quattro. Può essere interessante realizzare accoppiamenti serie - parallelo nel caso di avvolgimento simultaneo di più bobine poiché, se l'induttore descrive N giri, ciascuna bobina non farà che N/2 giri e può essere difficile ottenere su una bobina una impedenza di 4 x Z che permette ad un induttore finale di raggiungere una impedenza Z mettendo in parallelo le quattro bobine. In quest'ultimo caso sarà sufficiente raggiungere la impedenza Z, poiché il collegamento in serie di due bobine fornirà una impedenza 2 x Z ed il collegamento in parallelo delle due doppie bobine ridarà l'impedenza Z desiderata.

Questo tipo di induttore che minimizza le perdite è molto economico. In effetti, un induttore deve apportare al carico una impedenza data il che, in prima approssimazione, è una funzione delle caratteristiche geometriche delle spire, della bobina e del numero di giri (ampère -giri) . Il fatto di avere conduttori molto vicini aumenta molto significativamente l'effetto di induttanza mutua delle spire e permette di ottenere impedenze molto elevate con una lunghezza utile ridotta del conduttore. Un tale induttore utilizza dal 15 al 20% di rame in meno rispetto ad un induttore noto per prestazioni superiori.

La ripartizione termica in un induttore noto, a bobina semplice, è relativamente mediocre, poiché le correnti indotte sono nulle al centro del carico centrata sull'induttore e sono massime a livello del semiraggio dell'induttore.

Secondo l'invenzione, essendo l'induttore sostituito da induttori elementari, la zona "fredda" come pure la zona "calda" sono ripartite in zone più piccole ove la temperatura viene facilmente ripartita dalla conduzione termica nel recipiente ed assicura quindi una migliore omogeneità di riscaldamento.

Dividere la corrente per 4 circa (per quattro induttori) è interessante se la corrente, quindi la potenza del focolare, è importante. Per potenze molto grandi, si aumenta il numero di bobine in parallelo il che ha pure per effetto l'aumento della dimensione della zona di riscaldamento; queste potenze importanti sono destinate a recipienti di diametro grande.

Per potenze più basse, non è necessario dividere altrettanto la corrente e sono sufficienti due avvolgimenti in parallelo. Per contro si ha un aumento del campo di fuga sui lati del piano ed è quindi interessante, come per l'avvolgimento simultaneo di più bobine, realizzare ciascun induttore unitario collegando in serie ed in opposizione di fase due induttori con impedenza Z, l'impedenza finale essendo (2Z//2Z) ed il livello di fuga elettromagnetica essendo di nuovo molto ridotto lateralmente.

Secondo una caratteristica vantaggiosa nel senso suddetto, gli induttori vicini sono collegati all'alimentazione ad alta frequenza per generare ulteriori flussi magnetici sotto il carico.

Nello stesso ordine di idee, il focolare comprende un numero uguale di induttori per ciascuno dei due sensi del flusso, cosicché, ad una certa distanza, l'irradiazione magnetica è compensata.

È pure interessante combinare al focolare uno o più sensori di temperatura che hanno:

-bande conduttrici di calore poste tra almeno due induttori vicini,

-queste bande essendo collegate al sensore propriamente detto per trasmettergli la temperatura.

Nel caso di un focolare che impiega più induttori utilizzabili separatamente o a gruppi non dedicati, vale a dire induttori vicini che possono essere combinati in un numero relativo qualsiasi, è interessante visualizzare gli induttori attivati e per questo il focolare deve avere:

-un mezzo di segnalazione luminosa formato da segmenti luminosi installati tra due induttori vicini,

-un circuito di comando comprendente un sensore che rivela la presenza di un oggetto da riscaldare posto sopra un induttore per comandare i segmenti luminosi associati a questo induttore. La modularità dei focolari realizzati con induttori secondo l'invenzione è particolarmente interessante se ciascun induttore viene alimentato da un generatore associato.

L'invenzione permette di realizzare focolari di cottura per induzione o, più generalmente, superfici di riscaldamento con uno o più focolari, ciascuno formato da uno o più induttori associati.

Secondo la presente invenzione, l'espressione "focolare di cottura per induzione" indicherà indistintamente un focolare nel senso classico dell'espressione, vale a dire una zona di riscaldamento per un recipiente o una superficie di riscaldamento a più zone di riscaldamento combinate, come per esempio nella tecnica precedente, un focolare "anteriore" ed un focolare "posteriore", uno di bassa potenza e l'altro di potenza elevata. Ma contrariamente alla tecnica precedente il focolare anteriore ed il focolare posteriore possono essere costituiti da più induttori, e specialmente da più induttori modulari ed in particolare ognuno può essere costituito da quattro induttori secondo l'invenzione.

È pure particolarmente vantaggioso, per facilitare la fabbricazione dei focolari di cottura ad induzione e migliorarne il carattere modulare durante la fabbricazione degli induttori, realizzare un induttore comprendente:

-una superficie superiore costituita da uno strato protettivo, di isolamento elettrico ed eventualmente di isolamento termico, sotto la quale è posto l'induttore,

- no strato di materiale a forte permeabilità magnetica e bassa conducibilità elettrica, come la ferrite, per chiudere il circuito magnetico dell'induttore,

-uno schermo elettromagnetico che può assolvere il ruolo di dissipatore di calore sotto lo strato di ferrite,

-una scheda di circuito stampato avente i componenti del generatore associati all'induttore, questa scheda essendo installata sotto lo schermo dissipatore, i componenti di potenza del generatore che richiedono un raffreddamento essendo a contatto termico con questo,

-i conduttori di alimentazione dell'induttore essendo direttamente collegati al circuito stampato.

In un induttore o gruppo di induttori di questo tipo, i componenti della scheda di circuito stampato sono posti sulla superficie superiore, vale a dire dal lato del dissipatore combinato allo strato di ferrite ed all'induttore, mentre la superficie inferiore della scheda di circuito stampato serve unicamente a collegare i differenti componenti o a supportare i componenti mignaturizzati montati in superficie (CMS).

In questo caso è particolarmente interessante che i conduttori dell'induttore attraversino il circuito stampato e siano saldati ad onda contemporaneamente alle connessioni dei componenti del circuito stampato, dalla superficie inferiore del circuito stampato.

L'induttore secondo l'invenzione viene realizzato mediante avvolgimento di uno o più conduttori. L'avvolgimento viene eseguito in modo particolarmente vantaggioso avvolgendo l'induttore partendo dalle spire esterne. Questo permette di garantire la forma e la dimensione della bobina il che è particolarmente importante quando si dispongono l'una contro l'altra le bobine. Per questo, la spira esterna è bloccata contro una matrice che possiede la dimensione e la forma desiderata e la macchina per l'avvolgimento specifico realizza la bobina per fissaggio successivo delle spire contro questa spira esterna, la tolleranza della bobina essendo riferita al suo centro senza incidenza particolare sulle caratteristiche della bobina.

Più particolarmente:

-si dispongono i conduttori dell'induttore in modo da far loro attraversare il circuito stampato li si saldano ad onda contemporaneamente alle connessioni dei componenti del circuito stampato dalla superficie inferiore del circuito stampato,

-si avvolge il conduttore che forma le spire dell'induttore da realizzare partendo dalla spira esterna adattata alla forma desiderata e si dispongono le spire successive all'interno di questa spira esterna,

-si attribuisce alla spira esterna una forma rettangolare, in particolare quadrata,

-si avvolgono simultaneamente più conduttori per formare un induttore a più conduttori.

La presente invenzione verrà descritta in quanto segue in modo più dettagliato con riferimento ai disegni allegati, in cui la:

Figura 1 è una vista in prospettiva schematica di un induttore con un solo conduttore secondo l'invenzione; la

Figura 2 è una vista in prospettiva schematica di un induttore con due conduttori indipendenti; la

Figura 3 è una vista in prospettiva schematica di un induttore formato da un avvolgimento di quattro conduttori indipendenti; la,

Figura 4 è una vista in prospettiva di un gruppo di quattro induttori combinati per formare un focolare di cottura; la

Figura 5 è una vista in prospettiva a di una superficie di cottura formata da un focolare anteriore ed un focolare posteriore; la,

Figura 6 è una vista in prospettiva schematica che mostra la forma e la posizione del sensore di temperatura; la

Figura 7 mostra un gruppo di induttori secondo l'invenzione, combinati per formare un focolare con zona di riscaldamento non dedicata; la

Figura 8 è una vista in sezione di un induttore o gruppo di induttori combinati al loro generatore (ai loro generatori).

Secondo le figure, l'invenzione si riferisce ad un focolare di cottura ad induzione alimentato in corrente ad alta frequenza. In tutta la descrizione, le espressioni "cottura" o "riscaldamento" sono considerate sinonimi. Il focolare è costituito da uno o più induttori come quello rappresentato schematicamente nella Figura 1. Questo induttore 1 è costituito da un gran numero di spire formate da un conduttore 11 di sezione rettangolare e di piccolo spessore, vale a dire in cui il lato maggiore è parallelo all'asse di avvolgimento ZZ (asse verticale) (conduttore di taglio) .

L'avvolgimento realizzato con il conduttore 11 ha una forma, vista in pianta, rettangolare o quadrata. Nello schema della Figura 1, gli angoli 111 dei vertici sono esageratamente accentuati. In effetti questi angoli sono in generale più o meno arrotondati .

Questo avvolgimento viene fatto secondo l'invenzione partendo dalla spira esterna che è fissata in una impronta che possiede la forma desiderata, l'avvolgimento essendo fatto bloccando successivamente le spire contro la spira precedente fino ad ottenere il numero di spire desiderato.

Le estremità del conduttore indicate con i numeri 14 e 15 servono alla sua alimentazione elettrica.

Le spire del conduttore 11 sono rappresentate distanziate vale a dire senza contatto. L'intervallo tra le spire è occupato da un isolante di piccolo spessore. Questo piccolo spessore corrisponde, secondo l'invenzione, ad uno spessore che, di preferenza, è molto minore dello spessore (e) del conduttore 11; questo spessore (e) è a sua volta ridotto rispetto all'altezza (h) del conduttore 11.

La Figura 2 mostra un induttore 2 a due conduttori 21 e 22 con un isolante 23 tra le spire dei conduttori.

L'induttore di forma generale rettangolare per facilitare la possibilità di posizionamento l'uno contro l'altro più induttori, è in particolare di forma sensibilmente quadrata.

L'isolante 23 tra le spire del conduttore 21 e del conduttore 22 può essere un isolante depositato sui conduttori prima del loro avvolgimento. Questo isolante può anche essere costituito da un nastro avvolto contemporaneamente ai conduttori 21, 22. Può anche essere prevista una combinazione tra un isolante depositato ed un isolante avvolto.

Infine, tale isolante può essere o contenere una resina termoindurente, il che permette di fissare l'avvolgimento per semplice aumento di temperatura.

Nel caso di un isolante avvolto, il tratto superiore dell'induttore non è coperto dall'isolante. Questo tratto si trova invece sotto uno strato di isolante elettrico resistente alla temperatura come la mica, il più possibile sottile, che ricopre l'induttore per isolarlo elettricamente .

La Figura 3 mostra un induttore 3 realizzato mediante avvolgimento di quattro conduttori 31, 32, 33, 34 separati ogni volta da un isolante sottile tra le spire, non rappresentato. Questi quattro conduttori 31, 32, 33, 34, di sezione rettangolare come i conduttori precedenti 21 e 22, sono elettricamente indipendenti.

La Figura 4 mostra la disposizione l'uno contro l'altro di quattro induttori 1 del tipo di quelli precedentemente descritti, per formare per esempio un focolare di cottura ad induzione. Questi induttori possono essere collegati in parallelo oppure in serie-parallelo.

Come si vede nella figura per attenuare o compensare il campo elettromagnetico a piccola distanza dai lati del focolare e specialmente nelle quattro direzioni di cui due sono rappresentate dai punti Hf, gli induttori sono due a due in opposizione di fase. Il campo magnetico visto nei punti Hf sarà dunque costituito da una parte di un campo in fase ed una parte pressoché identica di un campo in opposizione di fase, la risultante essendo pressoché nulla. Sotto il carico, i campi dei due induttori vicini saranno a flussi cumulativi come, per esempio, il campo He. Questo permette di associare il flusso degli induttori e quindi aumentare la loro impedenza aumentando l'effetto di mutua induttanza come pure migliorare, con questa, la ripartizione delle correnti indotte quindi la temperatura nel carico da riscaldare.

Il collegamento in opposizione di fase si fa generalmente attraverso il collegamento fisico dell'induttore. Nel caso dell'alimentazione di una zona di cottura che presenta più induttori con più generatori, le rispettive fasi degli induttori, e quindi dei generatori, possono essere definite dal comando di questi ultimi. Può anche essere vantaggioso fare la modulazione di fase per modulare il campo magnetico a livello dei carichi e nelle loro immediate vicinanze per controllare con precisione la potenza nei carichi e ridurre al minimo le perdite magnetiche.

Nei differenti induttori precedenti, il conduttore ha preferibilmente una sezione rettangolare, vale a dire il suo spessore è basso rispetto alla sua altezza, ed è avvolto sul posto. A titolo di esempio, si realizza un induttore avvolgendo 50 spire di un solo conduttore con una sezione da 0,5 x 2 mm su una impronta quadrata con lato di 110 mm, ogni spira essendo isolata dalle spire vicine da un isolante elettrico ad alta temperatura come treccia di vetro il cui spessore è il più possibile ridotto, per esempio 0,1 mm. Si realizza in questo modo un induttore quadrato con un lato di 110 mm ed il cui centro quadrato sarà di 110 -(2 x 50 x (0,5 2 x 0,1)) = 40 mm di lato e la cui impedenza sul carico, vale a dire in presenza di un recipiente adatto, è di circa quattro volte l'impedenza (L, R) sul carico di un induttore classico di dimensioni molto maggiori (per esempio diametro 220 mm).

Associare generatori non è una cosa facile poiché, in generale, i carichi sono differenti. Realizzare in questo modo gli induttori garantisce che le impedenze sul carico dei differenti conduttori saranno pressoché identiche e quindi permettono senza difficoltà notevoli l'associazione dei generatori che potranno quindi lavorare a frequenze identiche. Questa moltiplicazione di conduttori aumenta tuttavia lo spazio tra i conduttori collegati ad uno stesso generatore e quindi le dimensioni dell'induttore il che non è un problema poiché il focolare sarà in questo caso di potenza elevata, capace di trasmettere la potenza di numerosi generatori. È interessante non collegare tutti gli induttori in parallelo ma eseguire collegamenti serie-parallelo il che impone un numero di giri minori per gli induttori elementari.

Un'estensione interessante consiste nel ridurre ancora di più la sezione di rame e d'isolante come pure le dimensioni della spira esterna così da realizzare degli induttori unitari molto piccoli con impedenza molto elevata. Per esempio, si è realizzato un induttore con 60 spire di 0,2 mm di larghezza e 2 mm di altezza con un isolante fra le spire di 0,1 mm avente forma quadrata con lato di 50 mm da cui si ha al centro un quadrato di lato = 50-(2x60x (0,2 0,1)=14 mmm

Si realizza un focolare connettendo in parallelo o in serie parallela questi induttori singoli, la radiazione magnetica complessiva è ridottissima e la distribuzione termica viene ulteriormente migliorata.

Questo principio permette di realizzare una gamma completa di focolari di cottura di varie dimensioni aggiungendo degli induttori singoli per mantenere sempre un numero sensibilmente uguale d'induttori in fase e d'induttori in opposizione di fase.

L'aggiunta d'induttori in parallelo diminuisce l'impedenza complessiva dell'induttore e aumenta pertanto la corrente e la superficie di cottura. Si ristabilisce così la logica grande focolare - grande potenza, che non si verificava con degli induttori singoli per i quali l'impedenza aumentava con il numero di giri, e quindi la corrente diminuiva con l'aumentare della superficie del focolare.

In tale un sistema, l'adattamento delle dimensioni del recipiente alle dimensioni del focolare è meno importante, poiché quando un carico copre un induttore, l'induttanza di quest'ultimo diminuisce fortemente e, la reattanza L ω essendo superiore a R, l'impedenza globale

dell'induttore ricoperto diminuisce, e la corrente aumenta negli induttori sottostanti il carico. Gli altri induttori sono alimentati ma il fatto che siano di piccole dimensioni e in opposizione di fase riduce notevolmente il campo di perdite del sistema. E' quindi possibile, grazie all'invenzione, proporre delle superfici di riscaldamento adattabili a recipienti di diametri e forme varie, minimizzando i campi di perdite e ottimizzando le distribuzioni termiche nei recipienti.

La figura 5 illustra una superficie di riscaldamento o di cottura avente quattro induttori 1 secondo la figura 1 e quattro induttori 2 secondo la figura 2. Gli induttori 1 formano un focolare di cottura nel senso abituale di questo termine, così come gli induttori 2. La superficie di riscaldamento è delimitata da un tratto sottile.

Per l'esattezza, gli induttori 1 costituiscono un focolare "anteriore", di potenza normale, e gli induttori 2 costituiscono un focolare "posteriore" di forte potenza, l'insieme formando una piastra di cottura detta a due "fuochi".

Gli induttori 1 sono alimentati da un generatore 4 e gli induttori 2 da un generatore 5. In realtà, soltanto il conduttore 22 (vedere figura 2) degli induttori 2 è alimentato dal generatore 5, mentre il conduttore 21 è alimentato dal generatore 4 tramite un dispositivo di commutazione 6.

Questo dispositivo di commutazione 6 permette su comando di connettere il generatore 4 sia sugli induttori 1 sia sul secondo conduttore 11 degli induttori 2. Per più semplicità, gli induttori anteriori e la parte 21 degli induttori posteriori hanno un punto elettrico comune che permette l'utilizzo di un dispositivo di commutazione semplificato. I vari induttori componendo i focolari sono collegati tra loro come indicato sopra, in parallelo o in serie-parallelo prima di essere connessi al dispositivo di commutazione.

Questo dispositivo di cottura libera una potenza regolabile compresa tra 0 e un valore massimo P, in modo indipendente sui due focolari, il focolare posteriore, di maggiori dimensioni, essendo il più adatto per i recipienti di grandi dimensioni. In caso di bisogno di una potenza importante richiesta da questo focolare, il focolare anteriore viene temporaneamente spento e i due generatori vengono connessi al focolare posteriore liberando su quest'ultimo una potenza regolabile da 0 a 2xP.

La figura 6 illustra la posizione di un sensore di temperatura tra le bobine costituendo il focolare. In un sistema classico, è talvolta impiegato un foglio di metallo conduttore termico come il rame o l'alluminio, che ricopre una parte del focolare, il cui compito è di trasmettere un'informazione corrispondente alla temperatura media del carico ad un sensore collocato al centro del focolare nella zona in cui il campo induttore è quasi nullo. Questo foglio, nel caso d'induttori Alta Frequenza, è tagliato per evitare il più possibile la trasformazione di correnti indotte al suo interno ed è di dimensioni ridotte.

Malgrado ciò, questo foglio è comunque la sede di correnti di Foucault, poiché esso si trova nel campo massimo dell'induttore, ed essendo posizionato sopra l'induttore genera un intraferro pregiudizievole all'efficacia del sistema.

Nel presente caso, è possibile utilizzare un elemento molto più semplice, piastra sottile o filo, e di mettere questo elemento al di fuori del campo principale delle bobine, essendo comunque nella zona di riscaldamento del focolare come illustra lo schizzo non limitativo riprodotto sulla pagina delle figure. Questo sistema può essere composto di due fili piatti in forma di croce, il centro di essa essendo bloccato sul sensore di tipo CTN, per esempio incaricato di misurare la temperatura del focolare, in modo da ottenere un contatto termico adeguato. Questo sistema non genera alcun sovraspessore ed è la sede di correnti indotte molto limitate. La sua zona di azione è importante e la sua costruzione è molto economica.

La figura 6 illustra questa disposizione a scacchi di induttori 60 che permette di disporre nell'intervallo tra quattro induttori 60 un sensore dì temperatura 7 costituito da bracci 71 e focolare, ma costituiscono globalmente una superficie di riscaldamento, utilizzabile in modo molto flessibile, anziché dei focolari localizzati. Questo dispositivo d'illuminazione è vantaggiosamente alimentato dal campo magnetico degli induttori che circonda. Questo permette di modulare la potenza dell'illuminazione secondo la potenza dei focolari. Questo dispositivo permette di non utilizzare più la serigrafia sui piani di cottura per materializzare le zone di riscaldamento. In questo caso si può pensare di assegnare dei colori differenti a dei focolari differenti .

La figura 7 illustra un insieme d'induttori 50 del tipo di quelli descritti sopra. Questi induttori sono posti l'uno contro l'altro e possono essere connessi singolarmente o per gruppi di induttori su dei generatori non illustrati, in funzione della potenza da fornire e degli induttori utilizzati.

La figura 8 mostra molto schematicamente una sezione di un focolare 100 secondo l'invenzione.

Questo focolare si compone di uno strato protettivo 101 per esempio in vetro ceramica che costituisce la superficie sulla quale viene disposto l'oggetto da riscaldare 99. Sotto lo strato protettivo e d'isolamento elettrico o anche termico 101 si trovano lo o gli avvolgimenti 102 costituenti l'induttore. Sotto di esso si trova uno strato di materiale a forte permeabilità magnetica e debole conduttività elettrica come la ferrite 103 che assicura la chiusura del circuito magnetico e, sotto lo strato di ferrite si trova un dissipatore 104 (radiatore) di preferenza in alluminio che, mentre allontana il calore, forma uno schermo anti-magnetico verso il basso. Sotto questo dissipatore 104 con, ad esempio, dei bordi rientranti 1041 e delle alette di radiatore 1042, si trova una piastra di circuito stampato 105 portante i componenti 1051, 1052, 1053, 1054, 1055 del generatore alta frequenza. Questi componenti 1051-1055 sono posti sul lato superiore della piastra 105 e i loro contatti traversano la piastra 105 per essere saldati.

Il dissipatore 104 forma un canale di ventilazione 1043 con alette 1044 orientate verso il canale dal lato dell'induttore 102; il canale è attraversato da una corrente d'aria generata da un ventilatore non rappresentato.

I contatti 1021, 1022 dell'avvolgimento dell'induttore 102 attraversano anche l'insieme, così come la piastra del circuito stampato 105 per sporgere verso il basso. E particolarmente interessante quando l'insieme è così semplicemente assemblato, saldare i connettori 1021, 1022 direttamente al circuito stampato della piastra 105 procedendo per esempio con una saldatura ad onda. Questo tipo di connessione è possibile grazie alla divisione della corrente nei bracci degli induttori in parallelo. In effetti, la corrente in un induttore classico è di svariate decine di ampere, il che richiede una connessione di potenza in generale effettuata con un sistema particolarmente oneroso, di capicorda avvitati. Il fatto di avere diviso la corrente in bracci paralleli, cioè di utilizzare dei generatori di potenza limitata permette, in combinazione con un conduttore d'induttore tipo piatto, di poter saldare direttamente questo conduttore piatto, dopo decapaggio eventuale della sua vernice d'isolamento elettrico, sul circuito stampato della scheda d'alimentazione di potenza, in modo particolarmente economico. Vantaggiosamente, uno o più contatti degli induttori passano, prima di attraversare la piastra 105, tra uno o più sensori di corrente 1055 permettendo così di conoscere la corrente in uno o più induttori.

Una tale configurazione, oltre a questo carattere modulare, presenta il vantaggio di essere particolarmente compatta e permette di realizzare degli apparecchi di cottura per induzione di spessore ridotto.

Può anche essere vantaggioso assegnare ad ogni singolo induttore il suo isolamento elettrico, il circuito magnetico, lo schermo e, in generale, tutti gli elementi che esso possiede in un insieme d'induttori, e di considerare questo induttore come un componente standard connettendosi al circuito stampato della scheda di potenza.

Per finire, il radiatore comune, che può essere costruito in una parte sola o in più parti tra le quali esiste un collegamento termico, può essere collegato ad un potenziale filtrato della scheda elettronica di potenza in modo da limitare le correnti capacitive tra l'induttore e il suo carico. In modo vantaggioso, questa connessione elettrica si effettua naturalmente tramite un componente di potenza montato direttamente sul radiatore senza isolamento, per esempio il collettore di un transistore di potenza collegato alla sua scatola.

I mezzi di ventilazione che equipaggiano l'induttore ventilano il dissipatore e il circuito elettronico; questi mezzi non sono stati illustrati. Si utilizza in modo vantaggioso un ventilatore per raffreddare più moduli. Questo gruppo induttore è particolarmente facile da raffreddare grazie allo spazio lasciato tra le bobine vicine che permette il passaggio di un flusso d'aria.

Claims (6)

1. Rivendicazioni 1) Focolare di cottura alimentato in corrente elettrica ad alta frequenza, caratterizzato dal fatto che comprende: almeno un avvolgimento induttore (1) formato da un gran numero di spire con almeno un conduttore, - un conduttore (11) a sezione rettangolare di piccolo spessore (e), il lato grande (h) della sezione essendo parallelo all'asse d'avvolgimento (ZZ) del conduttore (11) formante le spire, - un isolante di piccolo spessore tra spire vicine, un avvolgimento in forma sensibilmente rettangolare se visto in pianta.
2. 2) Focolare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'induttore (1) ha una forma sensibilmente quadrata.
3. 3) Focolare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'induttore (2,3) è costituito dall'avvolgimento di più conduttori indipendenti (21, 22, 31-34) in parallelo.
4. 4) Focolare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende più induttori (1,2) associati in parallelo o in serieparallelo su di un unico generatore.
5. 5) Focolare secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che gli avvolgimenti induttori vicini sono collegati all'alimentazione ad alta frequenza per generare dei flussi magnetici aggiuntivi sotto il carico.
6. 6) Focolare secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che comprende lo stesso numero di induttori per senso di flusso. 7} Focolare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende un sensore di temperatura (7) costituito di bande conduttrici di calore (71-72) disposte tra almeno due avvolgimenti induttori vicini (1), queste bande essendo collegate al sensore propriamente detto (73) per trasmettergli la temperatura. 8) Focolare secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che comprende: -un mezzo di segnalazione luminosa costituito di segmenti luminosi disposti tra due induttori vicini, - un circuito di commando comprendente un sensore che rileva la presenza di un oggetto da riscaldare sopra un induttore per comandare il segmento luminoso associato a quest'induttore. 9) Focolare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che è formato di moduli costituiti ciascuno da un induttore alimentato da un generatore associato. 10) Focolare secondo le rivendicazioni 1 e 3, caratterizzato dal fatto che è costituito: -di almeno due induttori (1,2), dove almeno uno dei quali (2) è realizzato tramite l'avvolgimento di più conduttori, - un generatore (4,5) associato a ciascuno degli induttori (1,2), il generatore (5) dell'induttore (2) a più conduttori essendo collegato ad uno dei conduttori (21) dell'induttore, gli altri (22) essendo liberi, - un mezzo di commutazione (6) per commutare il generatore (4) di un induttore (1) sul conduttore libero (21) di un altro induttore (2). 11) Focolare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende: - una superficie superiore (101) costituita da uno strato protettivo d'isolamento elettrico sotto il quale è posizionato l'induttore (102), uno strato di ferrite (103) sotto l'induttore (102) per chiudere il circuito magnetico dell'induttore, - un dissipatore di calore (104) formante uno schermo magnetico sotto lo strato di ferrite (103), una scheda di circuito stampato (105) portante i componenti (1051-1055) del generatore associato all'induttore, questa scheda (105) essendo installata sotto il dissipatore (104), i componenti di potenza (1053) della scheda (105) essendo in contatto di conduzione termica con esso, - i conduttori d'alimentazione (1021,1022) dell'induttore (102) essendo direttamente connessi al circuito stampato (105), alcuni dei conduttori d'alimentazione (1021,1022) dell'induttore passando in sensori di corrente (1055) prima della loro connessione al circuito stampato (105). 12) Focolare secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che: - il dissipatore (104) è formato da una sola parte o di più parti tra le quali esiste un collegamento termico, - il dissipatore (104) forma un canale di ventilazione (1043) dal lato orientato verso la bobina (102) e alette di radiatore (1044) sporgono in questo canale. 13) Focolare secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che almeno uno dei componenti di potenza (1053) è in contatto elettrico diretto con il dissipatore (104). 14) Focolare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'isolante (23) è disposto sul conduttore prima del suo avvolgimento. 15) Focolare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'isolante è avvolto contemporaneamente al conduttore. 16) Focolare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'isolante comporta una resina termoindurente. 17) Focolare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il conduttore è in rame o in alluminio. 18) Procedimento di realizzazione di un focolare secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che sono disposti i conduttori (1021,1022) dell'induttore (102) per far loro attraversare il circuito stampato (105), e che sono saldati ad onda contemporaneamente alle connessioni dei componenti (1051-1054) del circuito stampato (105), dalla faccia inferiore del circuito stampato. 19) Procedimento di realizzazione di un focolare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che si avvolge il conduttore formante le spire dell'induttore da realizzare partendo della spira esterna con la forma voluta e si dispongono le spire successive all'interno di questa spira esterna. 20) Procedimento di realizzazione di un focolare secondo la rivendicazione 19, caratterizzato dal fatto che è data alla spira esterna una forma rettangolare, particolarmente quadrata . 21) Procedimento di realizzazione di un focolare secondo la rivendicazione 20, caratterizzato dal fatto che sono avvolti simultaneamente più conduttori per formare un induttore a più conduttori. 22) Procedimento di realizzazione di un focolare secondo la rivendicazione 20, caratterizzato dal fatto che la spira esterna è formata disponendola in una matrice.