ITMO20070219A1 - HOUSEHOLD APPLIANCE FOR HEATING A METAL FOOD CONTAINER. - Google Patents
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DESCRIZIONE DESCRIPTION
annessa a domanda di brevetto per invenzione industriale avente per TITOLO: “APPARATO AD USO DOMESTICO PER IL RISCALDAMENTO DI UN CONTENITORE METALLICO PER ALIMENTI.” attached to a patent application for industrial invention having the TITLE: "EQUIPMENT FOR DOMESTIC USE FOR HEATING A METAL CONTAINER FOR FOOD."
La presente invenzione ha per oggetto un apparato ad uso domestico per il riscaldamento di un contenitore metallico per alimenti. The present invention relates to an apparatus for domestic use for heating a metal container for food.
Il presente trovato si riferisce al settore degli elettrodomestici, in particolare dei fornelli che sfruttano un sistema di riscaldamento ad induzione di contenitori metallici per alimenti, come per esempio tegami o padelle. Tale sistema di riscaldamento ad induzione prevede di indurre nel contenitore da scaldare una corrente elettrica, la quale produce il riscaldamento del contenitore per effetto Joule. Operativamente, si appoggia il contenitore su un induttore, che viene percorso da una corrente di eccitazione; tale corrente di eccitazione genera un campo magnetico che, accoppiandosi con il contenitore, induce una corrispondente corrente nel contenitore stesso. The present invention relates to the field of household appliances, in particular of cookers which use an induction heating system for metal containers for food, such as for example pots or pans. This induction heating system provides for inducing an electric current in the container to be heated, which produces the heating of the container by the Joule effect. Operatively, the container rests on an inductor, which is traversed by an excitation current; this excitation current generates a magnetic field which, by coupling with the container, induces a corresponding current in the container itself.
In questo ambito, sono note soluzioni tecniche che comprendono un condensatore connesso in serie all'induttore, per migliorare il fattore di potenza dell'apparato, in quanto il carico costituito dall'induttore e dal contenitore ad esso magneticamente accoppiato è un carico fortemente induttivo. Pertanto, l'induttore, il condensatore e il contenitore accoppiato all'induttore costituiscono un circuito elettrico risonante, Per alimentare tale circuito elettrico è noto l'impiego di un convertitore connesso a un'alimentazione elettrica (tipicamente la rete di distribuzione in bassa tensione a 50 Hz). In this context, technical solutions are known which comprise a capacitor connected in series with the inductor, to improve the power factor of the apparatus, since the load constituted by the inductor and by the container magnetically coupled to it is a highly inductive load. Therefore, the inductor, the capacitor and the container coupled to the inductor constitute a resonant electrical circuit. To power this electrical circuit, the use of a converter connected to an electrical supply is known (typically the low voltage distribution network at 50 Hz).
Tale convertitore, di tipo AC/ AC, ha la funzione di regolare la potenza trasferita al contenitore. This converter, of the AC / AC type, has the function of regulating the power transferred to the container.
Le problematiche associate alla progettazione dei fornelli ad induttore sono orientate al raggiungimento di due obiettivi principali. The problems associated with the design of inductor cookers are oriented towards the achievement of two main objectives.
Il primo obiettivo è consentire un riscaldamento ottimale del contenitore. Un riscaldamento ottimale comporta, in primo luogo, un riscaldamento uniforme del contenitore (ciò garantendo una cottura uniforme dei cibi); a tale scopo, è necessario che l'irradiamento del campo magnetico sia uniforme nel contenitore. The first goal is to allow optimal heating of the container. Optimal heating involves, first of all, uniform heating of the container (this ensures uniform cooking of the food); for this purpose, the radiation of the magnetic field must be uniform in the container.
Inoltre, un riscaldamento ottimale presuppone una temperatura del contenitore il più possibile costante; a tale scopo, si ha interesse che la potenza trasmessa al contenitore sia esente da fluttuazioni indesiderate. II secondo obiettivo è massimizzare l'efficienza dell'apparato stesso; infatti, si vuole evitare uno spreco di energia e la necessità di sovradimensionare i componenti (con riduzione dei costi per l'utente). A tale scopo, è necessario che le perdite di potenza siano minime; ciò comporta di limitare al minimo le perdite nel convertitore riducendo la distorsione armonica. Furthermore, optimal heating requires a container temperature as constant as possible; for this purpose, it is of interest that the power transmitted to the container is free from undesired fluctuations. The second objective is to maximize the efficiency of the apparatus itself; in fact, we want to avoid a waste of energy and the need to oversize the components (with a reduction in costs for the user). For this purpose, it is necessary that the power losses are minimal; this involves limiting the losses in the converter to a minimum by reducing harmonic distortion.
Nelle soluzioni note, l'induttore è costituito da un avvolgimento realizzato con una treccia di rame. In known solutions, the inductor consists of a winding made with a copper braid.
L’utilizzo della treccia di rame ricuce l’effetto pelle e quindi aumenta la conducibilità del materiale, ma, allo stesso tempo, presenta anche alcuni inconvenienti, quali il costo relativamente elevato e il peso notevole delVinduttore realizzato in rame. Inoltre, un avvolgimento realizzato con una treccia di rame non consente di ottenere la desiderata uniformità nelle linee di forza del campo magnetico indotto dall'avvolgimento (dall'induttore). The use of the copper braid mends the skin effect and therefore increases the conductivity of the material, but, at the same time, it also has some drawbacks, such as the relatively high cost and the considerable weight of the inductor made of copper. Furthermore, a winding made with a copper braid does not allow to obtain the desired uniformity in the lines of force of the magnetic field induced by the winding (by the inductor).
Per quanto riguarda poi la gestione della potenza elettrica trasferita al carico mediante il convertitore nei fornelli ad induttore, sono note tre diverse soluzioni. As regards the management of the electrical power transferred to the load by means of the converter in inductor cookers, three different solutions are known.
Una prima soluzione consiste nel variare la tensione di alimentazione del convertitore. Tale prima soluzione ha lo svantaggio di richiedere la presenza di un variatore, con conseguente aumento dei costi e calo di efficienza dell'apparato. A first solution consists in varying the power supply voltage of the converter. This first solution has the disadvantage of requiring the presence of a variator, with a consequent increase in costs and a decrease in the efficiency of the apparatus.
Una seconda soluzione consiste nel variare il ciclo di lavoro, ovvero variare il valor medio della tensione in uscita dal convertitore comandando secondo una logica opportuna gli interruttori del convertitore stesso, in modo da regolare la corrente circolante nel circuito risonante. Anche questa seconda soluzione è svantaggiosa, in quanto comporta un calo di rendimento dell'apparato per distorsione armonica. A second solution consists in varying the duty cycle, ie varying the average value of the output voltage from the converter by controlling the switches of the converter itself according to a suitable logic, so as to regulate the current circulating in the resonant circuit. This second solution is also disadvantageous, as it involves a decrease in the efficiency of the apparatus due to harmonic distortion.
Una terza soluzione consiste nell'attuare una sequenza di accensioni / spegnimenti dell'apparato (che corrisponde sostanzialmente a una variazione del ciclo di lavoro nel lungo periodo). Questa terza soluzione è svantaggiosa in quanto comporta notevoli fluttuazioni nel tempo della temperatura del contenitore; pertanto, una siffatta strategia di controllo della potenza non consente di garantire la stabilità della temperatura del contenitore. A third solution consists in carrying out a sequence of switching on / off of the apparatus (which substantially corresponds to a variation of the working cycle in the long term). This third solution is disadvantageous in that it involves considerable fluctuations in the temperature of the container over time; therefore, such a power control strategy does not allow to guarantee the stability of the container temperature.
Si osservi che in tutte le soluzioni note descritte sopra la frequenza a cui opera il convertitore (ossia la frequenza di commutazione degli interruttori dell'invertitore facente parte del convertitore) è mantenuta sostanzialmente costante a un valore pari a quello della frequenza di risonanza del circuito elettrico risonante. Infatti, in tal modo si minimizza il valore di impedenza offerta dal circuito risonante al passaggio della corrente erogata dall'alimentazione (ovvero dal convertitore), con conseguente aumento della potenza trasmessa al carico. It should be noted that in all the known solutions described above, the frequency at which the converter operates (i.e. the switching frequency of the switches of the inverter forming part of the converter) is kept substantially constant at a value equal to that of the resonant frequency of the electrical circuit resonant. In fact, in this way the impedance value offered by the resonant circuit to the passage of the current supplied by the power supply (ie by the converter) is minimized, with a consequent increase in the power transmitted to the load.
Pertanto, i fornelli ad induzione in uso comprendono anche mezzi per determinare la frequenza di risonanza del circuito. Tale determinazione è complicata dal fatto che i valori di resistenza e di induttanza del circuito risonante variano a seconda del contenitore che viene accoppiato all'induttore. Pertanto, ogni volta che si dispone un contenitore sul fornello ad induttore, l'apparato deve provvedere alla determinazione della frequenza di risonanza del circuito. Therefore, induction cookers in use also include means for determining the resonant frequency of the circuit. This determination is complicated by the fact that the resistance and inductance values of the resonant circuit vary according to the container that is coupled to the inductor. Therefore, every time a container is placed on the inductor stove, the apparatus must provide for the determination of the resonant frequency of the circuit.
Per la determinazione della frequenza di risonanza del circuito, la soluzione in uso è quella di alimentare il circuito con valori di frequenza di commutazione del convertitore progressivamente crescenti (o decrescenti) e contemporaneamente rilevare i valori di potenza trasmessa ai corrispondenti valori di frequenza; in tal modo, si ottiene sperimentalmente l'andamento della potenza trasmessa in funzione della frequenza di gestione del convertitore. Si procede quindi a individuare il valore di frequenza a cui corrisponde il valore massimo della potenza trasmessa; tale valore di frequenza individuato sperimentalmente viene assunto come frequenza di risonanza del circuito. To determine the resonant frequency of the circuit, the solution in use is to supply the circuit with progressively increasing (or decreasing) switching frequency values of the converter and at the same time detect the values of power transmitted at the corresponding frequency values; in this way, the trend of the transmitted power is experimentally obtained as a function of the management frequency of the converter. We then proceed to identify the frequency value corresponding to the maximum value of the transmitted power; this experimentally identified frequency value is assumed as the resonance frequency of the circuit.
Tuttavia, tale metodo adottato per la determinazione della frequenza di risonanza del circuito presenta alcuni inconvenienti. However, this method adopted for determining the resonant frequency of the circuit has some drawbacks.
Infatti, l'apparato risulta relativamente lento ad identificare la frequenza di risonanza, perché la determina sostanzialmente per tentativi; orientativamente, si consideri che l'apparato impiega mediamente da 1 a 2 secondi prima di produrre un significativo riscaldamento del contenitore. In fact, the apparatus is relatively slow to identify the resonance frequency, because it substantially determines it by trial and error; indicatively, it should be considered that the apparatus takes on average from 1 to 2 seconds before producing a significant heating of the container.
Inoltre, detto procedimento di determinazione della frequenza di risonanza del circuito risulta molto dispendioso in termini di potenza poiché, quando si effettuano le misure vicino alla frequenza di risonanza, vi è un notevole trasferimento di potenza sul carico. Furthermore, said method of determining the resonant frequency of the circuit is very expensive in terms of power since, when the measurements are carried out close to the resonant frequency, there is a considerable transfer of power on the load.
Scopo del presente trovato è quello di eliminare i suddetti inconvenienti e di rendere disponibile un apparato ad uso domestico per il riscaldamento di un contenitore metallico per alimenti mediante un induttore che garantisca un riscaldamento particolarmente uniforme ed efficiente del contenitore. The object of the present invention is to eliminate the aforementioned drawbacks and to make available an apparatus for domestic use for heating a metal container for food by means of an inductor which ensures particularly uniform and efficient heating of the container.
Detto scopo è pienamente raggiunto dall'apparato oggetto del presente trovato, che si caratterizza per quanto contenuto nelle rivendicazioni sotto riportate ed in particolare per il fatto che l'induttore comprende una piattina di alluminio ripiegata a spirale per definire un avvolgimento. Un altro scopo del presente trovato è quello di rendere disponibile un procedimento ad uso domestico per riscaldare un contenitore metallico per alimenti che prevede una fase di calcolo della frequenza di risonanza del circuito particolarmente rapida ed efficace. Said object is fully achieved by the apparatus of the present invention, which is characterized by the contents of the claims reported below and in particular by the fact that the inductor comprises an aluminum strip folded into a spiral to define a winding. Another object of the present invention is to make available a process for domestic use for heating a metal container for food which provides for a step for calculating the resonance frequency of the circuit which is particularly fast and effective.
Detto scopo è pienamente raggiunto dal procedimento oggetto del presente trovato, che si caratterizza per il fatto che la fase di derivazione del valore della frequenza di risonanza comprende le seguenti fasi: Said object is fully achieved by the method of the present invention, which is characterized in that the step of deriving the value of the resonance frequency comprises the following steps:
- alimentazione del circuito risonante con il convertitore operante a una prima frequenza di commutazione prefissata e rilevazione di corrispondenti valori di corrente e tensione ai morsetti del convertitore e dello sfasamento relativo tra corrente e tensione; - powering the resonant circuit with the converter operating at a first predetermined switching frequency and detecting corresponding current and voltage values at the converter terminals and the relative phase shift between current and voltage;
- alimentazione del circuito risonante con il convertitore operante a una seconda frequenza di commutazione prefissata e rilevazione di corrispondenti valori di corrente e tensione ai morsetti del convertitore e dello sfasamento relativo tra corrente e tensione; - powering the resonant circuit with the converter operating at a second predetermined switching frequency and detecting corresponding current and voltage values at the converter terminals and the relative phase shift between current and voltage;
- calcolo del valore della frequenza di risonanza in funzione dei valori di tensione e corrente e dei corrispondenti sfasamenti relativi rilevati nelle fasi precedenti. - calculation of the value of the resonance frequency as a function of the voltage and current values and of the corresponding relative phase displacements detected in the previous phases.
Tale procedimento prevede anche una fase di regolazione della frequenza di commutazione del convertitore rispetto al valore di frequenza di risonanza calcolato, per controllare la potenza trasferita al carico, detta potenza trasferita essendo tanto maggiore / minore quanto più prossimo / lontano è il valore della frequenza di commutazione del convertitore rispetto a detto valore di frequenza di risonanza calcolato. Questa ed altre caratteristiche risulteranno maggiormente evidenziate dalla descrizione seguente di una preferita forma realizzativa, illustrata a puro titolo esemplificativo e non limitativo nelle unite tavole di disegno, in cui: This procedure also provides for a step to regulate the switching frequency of the converter with respect to the calculated resonance frequency value, to control the power transferred to the load, said transferred power being the greater / lesser the closer / farther the value of the frequency is. switching of the converter with respect to said calculated resonant frequency value. This and other characteristics will be more evident from the following description of a preferred embodiment, illustrated purely by way of non-limiting example in the accompanying drawing tables, in which:
- la figura 1 illustra un induttore di un apparato secondo il presente trovato, in vista dall'alto esplosa; Figure 1 illustrates an inductor of an apparatus according to the present invention, in an exploded top view;
- la figura 2 illustra l'induttore di figura 1, in vista prospettica dal basso; - la figura 3 illustra un particolare dell'induttore di figura 1, in sezione; - la figura 4 illustra uno schema funzionale dell'apparato secondo il presente trovato. Figure 2 illustrates the inductor of Figure 1, in a perspective view from below; Figure 3 shows a detail of the inductor of Figure 1, in section; Figure 4 illustrates a functional diagram of the apparatus according to the present invention.
Nelle figure, si è indicato con 1 un apparato secondo il presente trovato. L'apparato 1 è un fornello ad induzione, ovvero un apparato ad uso domestico per il riscaldamento di un contenitore 2 metallico per alimenti (per esempio un tegame o una padella) mediante un induttore 3 connettibile a un'alimentazione 4 elettrica (tipicamente la rete di distribuzione in bassa tensione a 50 Hz) per indurre nel contenitore 2 una corrente e provocarne così il riscaldamento per effetto Joule. In the figures, 1 indicates an apparatus according to the present invention. The apparatus 1 is an induction cooker, that is an apparatus for domestic use for heating a metal container 2 for food (for example a pan or a frying pan) by means of an inductor 3 which can be connected to an electrical power supply 4 (typically the mains low voltage distribution at 50 Hz) to induce a current in the container 2 and thus cause its heating by the Joule effect.
Si osservi che, quando il contenitore 2 è disposto sull'induttore 3 e l'induttore è percorso da una corrente di eccitazione, il contenitore 2 risulta magneticamente accoppiato all'induttore 3 stesso. It should be observed that, when the container 2 is arranged on the inductor 3 and the inductor is traversed by an excitation current, the container 2 is magnetically coupled to the inductor 3 itself.
All'induttore 3 è collegato (preferibilmente in serie) un condensatore 5 di capacità prefissata. Il condensatore 5 ha preferibilmente una capacità di circa 680 nF. A capacitor 5 of predetermined capacity is connected to the inductor 3 (preferably in series). The capacitor 5 preferably has a capacitance of about 680 nF.
Pertanto, Γ induttore 3, il contenitore 2 da scaldare disposto sull'induttore 3 e il condensatore 5 definiscono un circuito elettrico risonante. Therefore, the inductor 3, the container 2 to be heated arranged on the inductor 3 and the capacitor 5 define a resonant electric circuit.
In questa luce, lo scopo del condensatore 5 è quello di introdurre una reattanza capacitiva a compensazione della reattanza induttiva costituita dall'induttore. Infatti, l'induttore 3, considerato di per sé o insieme al contenitore 2, costituisce un carico fortemente induttivo, In this light, the purpose of the capacitor 5 is to introduce a capacitive reactance to compensate for the inductive reactance constituted by the inductor. In fact, the inductor 3, considered by itself or together with the container 2, constitutes a strongly inductive load,
L'apparato 1 comprende anche un convertitore 6 per trasmettere la potenza elettrica dall'alimentazione 4 a detto circuito elettrico risonante, ovvero al carico costituito dal contenitore 2. The apparatus 1 also comprises a converter 6 for transmitting the electrical power from the power supply 4 to said resonant electrical circuit, or to the load constituted by the container 2.
Il convertitore 6 è preferibilmente un convertitore di tipo AC/AC; esso comprende, secondo una tecnica nota, un raddrizzatore connesso a un invertitore. The converter 6 is preferably an AC / AC converter; it comprises, according to a known art, a rectifier connected to an inverter.
L'induttore 3 comprende, originalmente, una piattina 7 di alluminio ripiegata in modo da formare un avvolgimento avente preferibilmente una pluralità di spire. Tale avvolgimento presenta una prima e una seconda estremità elettricamente connesse al convertitore 6, in modo che il convertitore 6 operativamente faccia circolare nell'avvolgimento dell'induttore 3 una corrente di eccitazione. The inductor 3 originally comprises an aluminum strip 7 folded so as to form a winding preferably having a plurality of turns. This winding has a first and a second ends electrically connected to the converter 6, so that the converter 6 operatively circulates an excitation current in the winding of the inductor 3.
Si osservi che l’utilizzo deH’alluminio nell'induttore 3 rispetto al rame ha il vantaggio di abbattere notevolmente i costi del materiale e il peso dell’avvolgimento. L’utilizzo della piattina 7 consente di avvolgere l’induttore semplicemente ripiegando la piattina su se stessa, senza necessità di un substrato che contenga meccanicamente l’avvolgimento, in quanto la piattina 7 in alluminio è rigida e si auto-sostiene. It should be noted that the use of aluminum in the inductor 3 compared to copper has the advantage of significantly reducing the costs of the material and the weight of the winding. The use of the strap 7 allows the inductor to be wound by simply folding the strap back on itself, without the need for a substrate that mechanically contains the winding, as the aluminum strap 7 is rigid and self-supporting.
La piattina 7 è ripiegata a spirale. Nella preferita forma realizzativa illustrata, la piattina è ripiegata in modo che l'avvolgimento abbia una geometria a spirale piana, ovvero, in modo tale che almeno un bordo laterale della piattina 7 giaccia su un piano. The strap 7 is folded in a spiral. In the preferred embodiment illustrated, the strip is folded in such a way that the winding has a flat spiral geometry, that is, in such a way that at least one side edge of the strip 7 lies on a plane.
In tal modo, l'avvolgimento dell'induttore 3 definisce una superficie superiore piana. Ciò favorisce, vantaggiosamente, la disposizione del contenitore sull'induttore 3 su tale superficie di appoggio piana, Inoltre, l'induttore 3 ha un bordo esterno di forma sostanzialmente circolare. Il diametro dell'induttore 3 è tipicamente di circa 200 mm, ma può avere misure diverse, a seconda delle applicazioni. In this way, the winding of the inductor 3 defines a flat upper surface. This advantageously favors the arrangement of the container on the inductor 3 on this flat resting surface. Furthermore, the inductor 3 has an outer edge of a substantially circular shape. The diameter of the inductor 3 is typically about 200 mm, but can have different sizes, depending on the applications.
A parità di diametro dell’induttore 3, il presente trovato consente di ottimizzare la geometria dell'induttore 3 dal punto di vista dell'uniformità di riscaldamento del contenitore e dell'efficienza del apparato 1, con particolare riferimento ad alcuni parametri quali il numero di spire, la spaziatura tra le spire e la forma della sezione della piattina 7. With the same diameter of the inductor 3, the present invention allows to optimize the geometry of the inductor 3 from the point of view of the uniformity of heating of the container and of the efficiency of the apparatus 1, with particular reference to some parameters such as the number of coils, the spacing between the coils and the shape of the strip section 7.
In particolare, la piattina 7 è preferibilmente ripiegata in modo che l'avvolgimento definisca una porzione centrale priva di spire. Pertanto, l'induttore 3 si presenta come un disco avente un foro 8 centrale. In particular, the strap 7 is preferably folded so that the winding defines a central portion without coils. Therefore, the inductor 3 appears as a disc having a central hole 8.
Tale foro 8 (ovvero detta porzione centrale delfavvolgimento priva di spire) ha preferibilmente una dimensione compresa tra il 15% e il 25% dell'area del definita dall'induttore 3 (ovvero racchiusa da un bordo esterno dell'avvolgimento). This hole 8 (or said central portion of the winding without turns) preferably has a size comprised between 15% and 25% of the area of the defined by the inductor 3 (ie enclosed by an outer edge of the winding).
Secondo la preferita forma realizzativa illustrata, la piattina 7, avente uno sviluppo longitudinale ripiegato a spirale, ha una sezione trasversale a forma sostanzialmente rettangolare. According to the preferred embodiment illustrated, the strap 7, having a longitudinal extension folded into a spiral, has a substantially rectangular cross section.
In particolare, la piattina 7 ha un'altezza preferibilmente compresa tra i 2 e i 15 mm; si osservi che l'altezza della piattina 7 corrisponde all'altezza dell'avvolgimento. In particular, the strap 7 has a height preferably between 2 and 15 mm; note that the height of the strip 7 corresponds to the height of the winding.
Inoltre, la piattina 7 ha preferibilmente uno spessore di circa 1 mm, o comunque non superiore a 1 mm. Furthermore, the strip 7 preferably has a thickness of about 1 mm, or in any case not more than 1 mm.
Le spire che costituiscono l'avvolgimento dell'induttore 3 sono tra loro distanziate opportunamente. Preferibilmente, la distanza media tra due spire consecutive è compresa tra una e tre volte lo spessore della piattina 7 stessa. Più preferibilmente, le spire sono spaziate l'una dall'altra di circa 1.6 volte lo spessore della piattina 7. The turns constituting the winding of the inductor 3 are suitably spaced from each other. Preferably, the average distance between two consecutive turns is between one and three times the thickness of the strap 7 itself. More preferably, the coils are spaced from each other by approximately 1.6 times the thickness of the strip 7.
Con riferimento alla figura 3, si osservi che le spire sono preferibilmente spaziate tra loro in modo non uniforme, ovvero la distanza tra una spira e l'altra (valutata in senso radiale) non è costante per tutte le coppie di spire consecutive. In particolare, la distanza tra una spira e l'altra preferibilmente è crescente dal centro dell'avvolgimento (ovvero dal foro 8) verso il bordo esterno dell'avvolgimento. Più in particolare, le due spire più esterne (7A e 7B) dell'avvolgimento sono tra loro spaziate di una quantità circa 1.5 volte superiore rispetto alle due spire più interne (7C e 7D) dell'avvolgimento. With reference to Figure 3, it should be observed that the coils are preferably spaced between them in a non-uniform manner, ie the distance between one coil and the other (evaluated in a radial direction) is not constant for all the pairs of consecutive coils. In particular, the distance between one turn and the other preferably increases from the center of the winding (ie from the hole 8) towards the outer edge of the winding. More specifically, the two outermost turns (7A and 7B) of the winding are spaced apart by an amount approximately 1.5 times greater than the two innermost turns (7C and 7D) of the winding.
Si osservi che le caratteristiche geometriche dell'induttore 3 sopra descritte presentano numerosi vantaggi, con particolare riferimento alla riduzione dell'effetto pelle e dell'effetto di compressione delle linee di forza del campo magnetico generato dall'induttore, detta riduzione consentendo un miglioramento sostanziale dell'uniformità del riscaldamento del contenitore e dell'efficienza dell'apparato 1, anche in considerazione della resistività dell'alluminio. It should be noted that the geometric characteristics of the inductor 3 described above have numerous advantages, with particular reference to the reduction of the skin effect and of the compression effect of the lines of force of the magnetic field generated by the inductor, said reduction allowing a substantial improvement of the uniformity of the heating of the container and of the efficiency of the apparatus 1, also in consideration of the resistivity of the aluminum.
Si tenga presente che l'effetto pelle, come noto, è quel fenomeno per il quale la corrente tende a concentrarsi sulla superficie del conduttore, provocando un aumento indesiderato della resistività; mentre la compressione ovvero la concentrazione delle linee di forza del campo elettromagnetico in un volume ridotto ha l'effetto indesiderato di generare uno spostamento delle cariche elettriche, forzandole a scorrere solo in un lato del conduttore, aumentando così l’effetto pelle. It should be borne in mind that the skin effect, as known, is that phenomenon whereby the current tends to concentrate on the surface of the conductor, causing an undesirable increase in resistivity; while the compression or concentration of the lines of force of the electromagnetic field in a small volume has the undesirable effect of generating a displacement of the electrical charges, forcing them to flow only on one side of the conductor, thus increasing the skin effect.
In questa luce, detto spessore della piattina 7 riduce al minimo l'effetto pelle, mentre detti valori di altezza della piattina 7 consentono all'awolgimento di convogliare efficacemente il campo elettromagnetico verso il contenitore, mantenendo, allo stesso tempo, la resistenza interna dell'awolgimento a valori adeguatamente bassi. In this light, said thickness of the strap 7 reduces the skin effect to a minimum, while said height values of the strap 7 allow the winding to effectively convey the electromagnetic field towards the container, while at the same time maintaining the internal resistance of the winding at suitably low values.
Infatti, si osservi che l'area della sezione trasversale della piattina 7 (data dal prodotto dei valori di spessore e altezza della piattina 7 stessa) è proporzionale alla resistenza dell'avvolgimento. In fact, it should be observed that the cross-sectional area of the strip 7 (given by the product of the thickness and height values of the strip 7 itself) is proportional to the winding resistance.
La presenza del foro 8 consente, vantaggiosamente, di evitare una eccessiva concentrazione di linee di forza in una zona centrale, dove il campo elettromagnetico tende a essere particolarmente intenso. The presence of the hole 8 advantageously allows to avoid an excessive concentration of lines of force in a central area, where the electromagnetic field tends to be particularly intense.
Inoltre, detta spaziatura non uniforme delle spire consente di limitare gli effetti della compressione delle linee di forza e di migliorare runiformità del campo irradiato. Moreover, said non-uniform spacing of the turns allows to limit the effects of the compression of the lines of force and to improve the uniformity of the radiated field.
L'induttore 3 comprende anche, originalmente, una struttura 9, realizzata in materiale conduttore (per esempio alluminio) e provvista di una parete laterale 10 e una parete di fondo 11 per definire un alloggiamento in cui è inserito l'avvolgimento dell'induttore 3. La parete di fondo 11 comprende preferibilmente una pluralità di raggi 12 intervallati da corrispondenti aperture. The inductor 3 also originally comprises a structure 9, made of conductive material (for example aluminum) and provided with a side wall 10 and a bottom wall 11 to define a housing in which the winding of the inductor 3 is inserted. The bottom wall 11 preferably comprises a plurality of spokes 12 interspersed with corresponding openings.
Pertanto, la struttura 9 si trova affacciata alle superfici inferiore e laterale dell'avvolgimento dell'induttore 3, mentre una superficie superiore di detto avvolgimento è operativamente affacciata al contenitore 2 da scaldare. Therefore, the structure 9 faces the lower and lateral surfaces of the winding of the inductor 3, while an upper surface of said winding is operatively facing the container 2 to be heated.
In tal modo, tale struttura 9 costituisce mezzi per convogliare il campo magnetico generato dall'avvolgimento dell'induttore 3 verso il contenitore 2 da scaldare. In this way, this structure 9 constitutes means for conveying the magnetic field generated by the winding of the inductor 3 towards the container 2 to be heated.
Pertanto, il presente trovato mette a disposizione un apparato per il riscaldamento di un contenitore metallico per alimenti particolarmente semplice da realizzare, efficiente e capace di garantire una distribuzione particolarmente uniforme del calore trasmesso al contenitore. Therefore, the present invention provides an apparatus for heating a metal container for food which is particularly simple to make, efficient and capable of ensuring a particularly uniform distribution of the heat transmitted to the container.
Nel seguito verrà descritto il funzionamento dell'apparato 1 per quanto riguarda la gestione del convertitore 6, ovvero il controllo della potenza trasmessa al carico e il calcolo della frequenza di risonanza del circuito risonante (costituito dal condensatore 5, dall'induttore 3 e dal contenitore 2) alimentato dal convertitore 6. In the following, the operation of the apparatus 1 will be described as regards the management of the converter 6, i.e. the control of the power transmitted to the load and the calculation of the resonant frequency of the resonant circuit (consisting of the capacitor 5, the inductor 3 and the container 2) powered by converter 6.
Ovvero, verrà descritto un procedimento, messo a disposizione dal presente trovato, per riscaldare un contenitore metallico per alimenti. Si osservi, in questa luce, che l'apparato 1 comprende anche un'unità di controllo 13 collegata al convertitore 6 per pilotarlo. That is, a method made available by the present invention will be described for heating a metal container for food. It should be observed, in this light, that the apparatus 1 also comprises a control unit 13 connected to the converter 6 to drive it.
L'unità di controllo 13 comprende per esempio da una scheda elettronica, ovvero da una parte di una scheda elettronica preposta alla generazione di un segnale di potenza per l’induttore. L'unità di controllo 13 comprende anche preferibilmente un microcontrollore o un dsp o un fpga associato alla scheda, per il funzionamento di un opportuno programma ovvero software di controllo. The control unit 13 comprises, for example, an electronic board, or a part of an electronic board responsible for generating a power signal for the inductor. The control unit 13 also preferably comprises a microcontroller or a dsp or an fpga associated with the card, for the operation of a suitable control program or software.
Tale unità di controllo 13 è provvista, originalmente, di mezzi per ricavare un valore della frequenza di risonanza di detto circuito elettrico risonante per via analitica, ovvero sulla base di un calcolo e non per tentativi o per approssimazioni. Tale valore frequenza di risonanza verrà indicato con nel seguito con ω. Said control unit 13 is originally provided with means for obtaining a value of the resonance frequency of said resonant electric circuit analytically, or on the basis of a calculation and not by trial or approximation. This resonant frequency value will be indicated with ω below.
Nel seguito si indicherà con V la tensione ai morsetti del circuito risonante (ovvero a valle del convertitore 6), con I la corrente circolante nel circuito risonante, con φ l'angolo di sfasamento tra V e I, con C la capacità del condensatore 5 e con R e L la resistenza e la induttanza del circuito risonante, rispettivamente (R e L tengono conto sia dell'induttore 3 che del contenitore 2). In the following we will indicate with V the voltage at the terminals of the resonant circuit (i.e. downstream of the converter 6), with I the current circulating in the resonant circuit, with φ the phase shift angle between V and I, with C the capacitance of the capacitor 5 and with R and L the resistance and inductance of the resonant circuit, respectively (R and L take into account both inductor 3 and container 2).
Detto procedimento prevede le seguenti fasi: This procedure involves the following stages:
- predisposizione di un avvolgimento definente un induttore 3 e di un condensatore 5 di capacità C prefissata elettricamente connesso all'induttore 3; - provision of a winding defining an inductor 3 and of a capacitor 5 of predetermined capacity C electrically connected to the inductor 3;
- disposizione del contenitore 2 da scaldare sull'avvolgimento; - arrangement of the container 2 to be heated on the winding;
- predisposizione di un convertitore 6 operativamente connesso al circuito elettrico risonante definito da detti avvolgimento, contenitore 2 e condensatore e connettibile a all'alimentazione elettrica 4 per alimentare detto circuito; - provision of a converter 6 operatively connected to the resonant electric circuit defined by said winding, container 2 and capacitor and connectable to the electric power supply 4 to supply said circuit;
- derivazione del valore co della frequenza di risonanza del circuito risonante, per gestire il convertitore 6 in funzione di detto valore della frequenza di risonanza derivato; - derivation of the value co of the resonant frequency of the resonant circuit, to manage the converter 6 as a function of said value of the derived resonance frequency;
- trasferimento di potenza al contenitore 2, almeno una parte di detta potenza essendo dissipata all'interno del contenitore per effetto Joule, con conseguente riscaldamento dello stesso. - transfer of power to the container 2, at least a part of said power being dissipated inside the container by the Joule effect, with consequent heating of the same.
In particolare, la fase di derivazione di detto valore co della frequenza di risonanza comprende, originalmente, le seguenti fasi: In particular, the derivation phase of said value co of the resonant frequency originally comprises the following phases:
- alimentazione del circuito risonante con il convertitore operante a una prima frequenza coi di commutazione prefissata e rilevazione di corrispondenti valori di corrente li e tensione Vi ai morsetti del convertitore 6 e dello sfasamento relativo cpi; - powering the resonant circuit with the converter operating at a first frequency with predetermined switching and detecting corresponding values of current l1 and voltage Vi at the terminals of the converter 6 and of the relative phase shift cpi;
- alimentazione del circuito risonante con il convertitore operante a una seconda frequenza co2di commutazione prefissata e rilevazione di corrispondenti valori di corrente I2e tensione V2ai morsetti del convertitore 6 e dello sfasamento relativo cp2; - powering the resonant circuit with the converter operating at a second predetermined commutation frequency co2 and detection of corresponding values of current I2 and voltage V2 at the terminals of the converter 6 and of the relative phase shift cp2;
- calcolo del valore ω della frequenza di risonanza in funzione dei valori di tensione Vi e V2e corrente li e I2e dei corrispondenti sfasamenti relativi cpi e cp2rilevati nelle fasi precedenti. - calculation of the value ω of the resonance frequency as a function of the voltage values Vi and V2e current li and I2e of the corresponding relative phase displacements cpi and cp2 detected in the previous phases.
Si osservi che il calcolo del valore co della frequenza di risonanza comprende una fase preliminare di calcolo di valori di resistenza R e induttanza L del circuito risonante, per esempio con formula seguente. It should be noted that the calculation of the value co of the resonant frequency includes a preliminary step of calculating the values of resistance R and inductance L of the resonant circuit, for example with the following formula.
R tan φχ= coxL ι R tan φχ = coxL ι
tBjC tBjC
R tan φ2= ω2∑ 1 R tan φ2 = ω2∑ 1
a2C a2C
Dopo aver calcolato detto valore di L, il calcolo del valore ω della frequenza di risonanza viene effettuato per esempio con la formula seguente. After having calculated this value of L, the calculation of the value ω of the resonant frequency is carried out for example with the following formula.
- - 2 K iL —C - - 2 K iL —C
In questa luce, detti mezzi per ricavare il valore ω della frequenza di risonanza operano sulla base di un primo e un secondo valore di tensione e un corrispondente primo e secondo valore di corrente e corrispondenti sfasamenti relativi rilevati ai morsetti del convertitore, per gestire il convertitore 6 in funzione di detto valore della frequenza di risonanza. Preferibilmente, dette prima e seconda frequenza di commutazione prefissate sono di circa 28KHz e 40KHz. Ciò consente, vantaggiosamente, di minimizzare la potenza trasferita al contenitore 2, evitando di scaldarlo troppo, indesideratamente, nella fase di calcolo della frequenza di risonanza. Infatti, si osservi che spesso quando si pone sul fornello un contenitore, si ha interesse a somministrare calore con molta gradualità, in una fase iniziale. In this light, said means for obtaining the resonant frequency value ω operate on the basis of a first and a second voltage value and a corresponding first and second current value and corresponding relative phase displacements detected at the converter terminals, to manage the converter 6 as a function of said value of the resonance frequency. Preferably, said first and second predetermined switching frequencies are about 28KHz and 40KHz. This advantageously allows to minimize the power transferred to the container 2, avoiding to heat it too much, undesirably, in the step of calculating the resonance frequency. In fact, it should be noted that often when a container is placed on the stove, there is an interest in administering heat very gradually, in an initial phase.
Inoltre, il procedimento in oggetto prevede anche, originalmente, che la fase di trasferimento di potenza al carico comprenda una fase di variazione, ovvero di regolazione della frequenza di commutazione del convertitore 6 rispetto al valore ω di frequenza di risonanza calcolato, per controllare la potenza trasferita al carico. Tale controllo si basa sul fatto che la potenza trasferita al carico è tanto maggiore / minore quanto più prossimo / lontano è il valore della frequenza di commutazione del convertitore 6 rispetto a detto valore di frequenza di risonanza calcolato, in quanto il valore ω della impedenza del circuito risonante risulta corrispondentemente tanto minore / maggiore. Furthermore, the process in question also provides, originally, that the phase of power transfer to the load comprises a phase of variation, that is, of regulation of the switching frequency of the converter 6 with respect to the value ω of the calculated resonance frequency, to control the power. transferred to the load. This control is based on the fact that the power transferred to the load is higher / lower the closer / farther the value of the switching frequency of the converter 6 is with respect to said value of the calculated resonance frequency, since the value ω of the impedance of the resonant circuit is correspondingly much smaller / greater.
In questa luce, è anche previsto, in modo originale, di mantenere la tensione di alimentazione del convertitore 6 a un valore efficace costante, per esempio alla tensione di alimentazione di rete (230 V per l’Italia). Ciò consente, vantaggiosamente, di evitare di dotare l'apparato 1 di un variatore di tensione. In this light, it is also planned, in an original way, to maintain the power supply voltage of the converter 6 at a constant effective value, for example at the mains power supply voltage (230 V for Italy). This advantageously allows to avoid equipping the apparatus 1 with a voltage variator.
Inoltre, è previsto di gestire il convertitore con un ciclo di lavoro (denominato anche duty cycle) sostanzialmente costante, per esempio al 50%. Ciò consente, vantaggiosamente, di limitare al minimo la distorsione armonica, facendo sì che l'apparato 1 risulti particolarmente efficiente. Furthermore, it is provided to manage the converter with a substantially constant duty cycle (also called duty cycle), for example at 50%. This advantageously allows to limit the harmonic distortion to a minimum, making the apparatus 1 particularly efficient.
Pertanto, il procedimento oggetto del presente trovato consente di riscaldare un contenitore con un fornello a induttore in modo particolarmente uniforme ed efficiente, riducendo i tempi di risposta ed evitando di riscaldare in modo indesiderato il contenitore in una fase preliminare. Therefore, the process of the present invention allows to heat a container with an inductor cooker in a particularly uniform and efficient way, reducing response times and avoiding undesirable heating of the container in a preliminary step.
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