WO2000019774A1 - Kontaktwärmeübertragendes elektrisches kochsystem - Google Patents

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WO2000019774A1
WO2000019774A1 PCT/EP1999/007258 EP9907258W WO0019774A1 WO 2000019774 A1 WO2000019774 A1 WO 2000019774A1 EP 9907258 W EP9907258 W EP 9907258W WO 0019774 A1 WO0019774 A1 WO 0019774A1
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WO
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hotplate body
cooking system
heating
cooking
sol
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Application number
PCT/EP1999/007258
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Schmidmayer
Lars Schubert
Original Assignee
BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to AT99947441T priority patent/ATE240028T1/de
Priority to DE59905488T priority patent/DE59905488D1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/68—Heating arrangements specially adapted for cooking plates or analogous hot-plates
    • H05B3/74—Non-metallic plates, e.g. vitroceramic, ceramic or glassceramic hobs, also including power or control circuits

Definitions

  • the present invention relates to a contact heat-transferring electrical cooking system with a hotplate body according to the preamble of patent claim 1.
  • the heating plate having a cover layer made of a material which is a good conductor of heat, electrically non-conductive or only poorly conductive, preferably glass ceramic or ceramic which has only a few mm wall thickness, in particular a thickness in the range from 6 to 10 mm.
  • the metal plate serving as a heating plate is preferably made of steel, preferably has a thickness
  • the 20 is in the range from 4 to 8 mm, and is covered on its underside with an enamel layer, the wall thickness of which moves in the um area.
  • the enamel layer is printed with a heating conductor arrangement.
  • Object of the present invention is to provide a cooking system according to the preamble of
  • the sol-gel layer can be applied to the hotplate body, for example, in a simple immersion process. In the sol-gel technique, in particular, the low baking temperatures are compared to the enamelling technique
  • the applied sol-gel layers are also suitable for the temperatures typical in such cooking systems.
  • the Layer thicknesses are only a few ⁇ m. Owing to the sol-gel technique, the layers applied, despite their low thickness, have great stability and great adhesion both in the case of a multilayer technique on one another and on the substrate material itself, in particular metal.
  • An electrical insulation layer is advantageously also applied to the underside of the hotplate body using the sol-gel technique.
  • the cover layer and the insulation layer can be applied in one technology and possibly even in the same production step.
  • an additional enamel insulation layer can be applied to the sol-gel insulation layer in accordance with a preferred embodiment.
  • This additional enamel could then be a glass enamel, which, in contrast to ceramic enamels, could already be baked at around 550 ° C. If necessary, the additional enamel can be stoved together with heating elements, sensors and electronic circuit elements applied to the additional enamel using thick-film technology.
  • a particularly good heat transfer from the hotplate body or to the pot and an excellent heat distribution in this regard can be achieved in that the hotplate body has an insulating protective layer in the ⁇ m range, to which the heating element is applied directly by means of thick-film technology. If necessary, the heating element can also be implemented using more complex coating processes, for example thin-film technology.
  • the hotplate body is cold at about 20 ° C. deepened in the shape of a plumb line.
  • This curvature away from the underside of the pot bottom can be realized in particular by crowning a metal plate serving as a hotplate body. This ensures that pots with cup bases that curve downward in the form of a dome can be placed on the cooking system in a stable manner and at the same time a large-area thermal contact between the hotplate body and the pot base is possible.
  • the material of the hotplate body is advantageously stainless steel or aluminum. Compared to, for example, silicon nitride, metal has in particular the better heat conduction properties and also cost advantages. On the one hand for reasons of stability and on the other hand for reasons of cost, the thickness of the metal plate advantageously ranges between approximately 2 and 5 mm. Applying the protective layer using a sol-gel technique to a stainless steel plate is much easier in terms of manufacturing technology compared to the enamelling technique.
  • an expansion plate is held essentially in the central region of the hotplate body, the coefficient of thermal expansion of which differs from that of the hotplate body.
  • the hotplate body has a flat recess on its underside in the central area. In terms of production technology, this is easier than holding the insert in the hotplate body.
  • the central recess for example in the form of a spherical cap, on the underside of the hotplate body in its central region, the heating process leads to tangential and radial tensile stresses.
  • a sensor system is preferably provided to detect the large-area contact between the bottom of the cooking vessel and the top of the hotplate body. This can be implemented, for example, by a capacitive sensor arrangement.
  • the changing capacitance between the two plates with changing distance between the top of the hotplate body and the underside of the pan base is used in a manner known per se as a measurement signal.
  • the control unit evaluates the rate of change in the temperature of the hotplate body over time during the heating process.
  • control unit keeps the temperature difference between the central area and the peripheral area of the hotplate body and thus its curvature essentially constant from the detection of sufficient thermal contact between the two. Furthermore, the control unit guarantees, by means of a correspondingly adapted heating output of the two heating elements, that the heating output specified by an operator via the operating unit is reached.
  • the control unit first controls the second heating element arranged in the peripheral area of the hotplate body for a certain time.
  • the peripheral area is heated relative to the central area of the hotplate body.
  • Tangential and radial tensile stresses are created in the peripheral area of the hotplate body.
  • the circumference of the heating element increases and excellent flatness of the surface of the hotplate body is achieved.
  • FIG. 1 is a greatly simplified side view, partly in section, of the cooking system with the pot placed thereon according to the first exemplary embodiment
  • Fig. 4 shows the hotplate body of the cooking system according to the third embodiment
  • Fig. 5 highly schematic three phases of the heating process in a hotplate body according to the second or third embodiment.
  • a hob has a glass ceramic plate 1, in or below which a cooking system 3 is held.
  • a circular stainless steel hotplate body 5 is placed in a circular opening of the glass ceramic plate 1 from above.
  • a pot 6 known per se is placed with an underside of the pot bottom (shown in broken lines).
  • an undesirable air gap is formed at room temperature between the top of the hotplate body 5 and the underside of the pot base 6, which adversely affects the heat transfer from the hotplate body 5 to the pot base 6.
  • the hotplate body 5 is designed as a 4 mm thick disc, the upper side of which is provided with an approximately 5 ⁇ m thick transparent protective layer 13 applied using the sol-gel technique.
  • a colloidal system on a micrometer scale is generated from a solution (sol) by controlled condensation methods and applied to the substrate. brings.
  • This gel is compacted by drying as a result of solvent removal and then cured in a suitable manner or baked at a temperature of about 450 to 500 ° C.
  • the sol-gel layer is particularly firmly bonded to the substrate via chemical compounds.
  • the resulting sol-gel layer forms a tarnish and oxidation protection for the stainless steel.
  • the protective layer 13 further protects the stainless steel from being scratched. Alternatively, it is also possible to color the protective layer and / or to make it opaque.
  • the hotplate body 5 On the top of the hotplate body 5 facing the pot 6, the hotplate body 5 has a circumferentially extending shoulder 7 with which the hotplate body 5 lies on the edge region of the opening of the glass ceramic plate 1.
  • a sufficient gap 9 is formed on the circumferential side between the side wall of the hotplate body 5 and the wall of the opening of the glass ceramic plate 1 in order to allow a radial expansion of the hotplate body 5 when it is heated in the heating process in accordance with the operating procedure.
  • at least the gap 9 is partially filled with silicone adhesive 11.
  • the hotplate body 5 can be held in the opening of the glass ceramic plate 1 by holding devices (not shown).
  • a dome-shaped recess 15 is formed on the underside of the stainless steel plate 5 in the central area. This extends over about half the diameter of the hotplate body 5 and reaches its maximum depth in the center or center of the circular disk 5.
  • an electrical insulation layer 16 using sol-gel technology in the same thickness as that of Protective layer 13 applied. In order to improve the insulation properties of the insulation layer 16, further sol-gel layers or a glass enamel layer can be applied to it (not shown).
  • a large area of a first heating element 17 is printed on the insulation layer 16 in the region of the recess 15, that is to say in the central region of the hotplate body 5, in particular using thick-film technology with a suitable paste.
  • the first heating element 17 can, for example, run in a spiral and have a plurality of sub-heating circuits connected in series and / or in parallel (not shown). Furthermore, a first temperature sensor 19, likewise applied in thick-film technology, is provided in the region of the recess 15. This is suitably arranged in order to be able to detect the temperature in the area of the recess 15 of the hotplate body 5. Corresponding to the first heating element 17 and the first temperature sensor 19, in the annular peripheral area of the hotplate body 5 there are a second heating element 21 outside the recess 15 over a large area and a second temperature sensor 23 is printed. The heating elements 17, 21 and sensors 19, 23 can in turn be covered with a protective layer (not shown). Furthermore, a thermal insulation layer is provided below the heating elements 17, 21 in order to reduce the energy losses of the cooking system 3 below the glass ceramic plate 1 (not shown).
  • the cooking system 3 has an electronic control unit 25, which is connected to the first and second heating elements 17, 21 and the first and second temperature sensors 19, 23 via connecting lines 27. Furthermore, the control unit 25 is connected via control lines 29 to circuit breakers (not shown in more detail) which serve to control the heating power of the heating elements 17, 21. In order to make the power control particularly sensitive, this can be done by a vibration or Pulse packet control or a suitable phase control can be implemented. The appropriate switching or control of mains half-waves ensures that the prescribed flicker rates are observed.
  • An input unit 31 is also connected to the control unit 25. The operator can use this to specify, for example, the desired heating output and, if appropriate, also the nature, in particular the curvature, of the base of the pot.
  • the functioning of the cooking system according to the first exemplary embodiment shown in FIG. 1 can be, for example, the following:
  • the operator specifies a desired output and at the same time the degree of curvature of the pan base used, which is known to him, in the input unit 31.
  • the heating process can also take place fully automatically according to FIG. 2 if the curvature of the pot base 6 is unknown.
  • the control unit 25 switches a limited heating output to the second heating element 21, which is arranged in the peripheral region of the hotplate body 5. This causes tangential and radial tensile stress in the peripheral area, which results in an increase in the circumference or an extension of the hotplate body 5.
  • a complete flatness of the top of the hotplate body 5 can be achieved.
  • This first phase can take a few seconds, for example 15 to 30 seconds. If a pot 6 is placed on the hotplate body 5 with a completely flat underside of the pot bottom, the actual heating process can be started immediately afterwards.
  • the heating power of the first heating element 17 is increased at time t2 according to FIG. 2.
  • the plate deformation continues in the direction of the bottom of the pot 6 due to the mechanical stresses caused by the heating of the central area, ie the stainless steel plate 5 bulges upwards.
  • the control unit 25 recognizes that the thermal contact between the bottom of the pot 6 and the top of the hotplate body 5 is sufficiently large, ie that the air gap originally present between them is reduced to a minimum.
  • This contact detection is based on the fact that from the time of sufficient thermal contact between the bottom of the pot and the top of the hotplate body 5, the temperature rise per unit of time decreases significantly in the central and peripheral areas. This is caused by the fact that as a result of the good heat-conducting contact between the pot 6 and the hotplate body 5, significantly more heat is removed from the overall system.
  • Typical values for the time interval from time t2 to time t3 can be 30 to 60 seconds.
  • the desired heating output is then set at time t4 and, at the same time, the required degree of curvature of the hotplate body 5 is ensured for producing a heat-conducting contact with the underside of the pot base 6. If it is determined when the desired heating output is reached that the distance between the top of the plate body 5 and the underside of the pot bottom 6 has undesirably increased, the said temperature gradient is reset by the control unit 25.
  • the hotplate body 5 is in each case slightly modified from that of the first exemplary embodiment.
  • the hotplate body 5 is each provided with a crown of approximately OJ mm.
  • the hotplate body 5 is designed as a dome that is curved downward in the central region away from the bottom of the pot.
  • a round plate-shaped insert part 43 can also be inserted into a correspondingly shaped circular recess in the underside of the hotplate body 5. This has a larger coefficient of thermal expansion than the hotplate body 5.
  • the function of the hotplate body 5 according to the third exemplary embodiment corresponds to that of the first and second exemplary embodiment, the mechanical stresses in the hotplate body 5 being caused in particular by the different material properties or coefficients.
  • phase a the hotplate body 5 has a dome-shaped contour that curves downward. To change this, heat is supplied to the peripheral region of the hotplate body 5 via the second heating element 21.
  • phase b the hotplate body 5 is completely flat.
  • phase c the first heating element 17 in the region of the recess 15 is first subjected to heating power in order to curvature the hotplate body 5 to reach the bottom of the pot 6. Due to the temperature gradient present in the hotplate body 5, the hotplate body 5 bulges into the upwardly curved pot base 6 until sufficient thermal contact is made between the pot base 6 and the hotplate body 5.

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Abstract

Bekannt ist ein kontaktwärmeübertragendes elektrisches Kochsystem mit einem metallischen Kochplattenkörper, der an seiner Oberseite mit einer Schutzschicht bedeckt ist, zur Erwärmung eines auf der Schutzschicht abstellbaren Kochgefässes, mit zumindest einem an dessen Unterseite gehalterten Heizelement, und mit einer Steuereinheit, die mit dem Heizelement zur Steuerung der Heizleistung des Kochsystems verbunden ist. Um gute Gebrauchseigenschaften bei einer einfachen Fertigung des Kochsystems erreichen zu können, ist die Schutzschicht als Sol-Gel-Schicht realisiert.

Description

Kontaktwärmeübertragendes elektrisches Kochsystem
10
Die vorliegende Erfindung betrifft ein kontaktwärmeübertragendes elektrisches Kochsystem mit einem Kochplattenkörper nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
15 Ein derartiges Kochsystem ist bekannt aus der Druckschrift DE 41 09 569 A1 , wobei die Heizplatte eine Deckschicht aus gut wärmeleitendem, elektrisch nicht oder nur schlecht leitendem Material besitzt, vorzugsweise Glaskeramik oder Keramik, die nur wenige mm Wandstärke aufweist, insbesondere eine Stärke im Bereich von 6 bis 10 mm. Die als Heizplatte dienende Metallplatte ist vorzugsweise aus Stahl, weist eine Stärke vorzugs-
20 weise im Bereich von 4 bis 8 mm auf, und ist an ihrer Unterseite mit einer Emailleschicht bedeckt, deren Wandstärke sich im um-Bereich bewegt. Die Emailleschicht ist mit einer Heizleiteranordnung bedruckt.
1. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kochsystem nach dem Oberbegriff des
25 Patentanspruches 1 bereitzustellen, das bei einfacher Fertigung gute Gebrauchseigenschaften aufweist.
Erfindungsgemäß ist dies bei einem Kochsystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 erreicht. Es ist zum einen ein Schutz gegen das Anlaufen von Kochplattenkörpern
30 aus Edelstahl oder ein Verkratzen oder sonstiges Verschmutzen verhindert. Zum anderen können extrem dünne Schutzschichten verfahrenstechnisch einfach in der Sol-Gel- Technik realisiert sein. Dabei ist die Sol-Gel-Schicht beispielsweise in einem einfachen Tauchverfahren auf den Kochplattenkörper aufbringbar. Insbesondere sind bei der Sol- Gel-Technik die im Vergleich zur Emaillierungstechnik niedrigen Einbrenntemperaturen
35 von etwa 450 bis 500 °C besonders günstig. Auch sind die aufgebrachten Sol-Gel- Schichten für die bei derartigen Kochsystemen typischen Temperaturen geeignet. Die Schichtstärken betragen dabei nur wenige μm. Aufgrund der Sol-Gel-Technik verfügen die aufgebrachten Schichten trotz ihrer geringen Stärke sowohl im Falle einer Mehrschichttechnik aufeinander als auch auf dem Substratmaterial selbst, insbesondere Metall, über eine große Stabilität und ein großes Anhaftvermögen.
Vorteilhafterweise ist auch eine elektrische Isolationsschicht an der Unterseite des Kochplattenkörpers in Sol-Gel-Technik aufgebracht. So können die Deckschicht und die Isolationsschicht in einer Technologie und gegebenenfalls sogar im selben Fertigungsschritt aufgebracht werden. Falls die Isolationseigenschaften der Sol-Gel-Schicht nicht ausrei- chend sind, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform auf die Sol-Gel-Isolations- schicht eine Emaille-Zusatzisolationsschicht aufgebracht sein. Dieses Zusatzemaille könnte dann ein Glasemaille sein, das im Unterschied zu keramischen Emailles bereits bei etwa 550°C eingebrannt werden könnte. Gegebenfalls kann in herstellungsgünstiger Weise das Einbrennen des Zusatzemailles zusammen mit in Dickschichttechnik auf das Zusatzemaille aufgebrachten Heizelementen, Sensoren sowie elektronischen Schaltungselementen erfolgen.
Infolge der geringen Schichtstärke der Sol-Gel-Schicht treten in dem Kontaktheizkörper nur geringe Spannungen auf. Weiterhin ist eine sehr gute Wärmeleitung von den Heiz- elementen zum Topf sichergestellt, und es ist eine geringe Rißanfälligkeit der Schutzschicht und/oder der Isolationsschicht bzw. eine geringe Wahrscheinlichkeit von Abplatzern realisiert. Diese dünne Schutzschicht stellt einen ausreichenden Korrosions- und Oxidationsschutz sowie einen harten Oberflächenschutz für das Metall dar.
Ein besonders guter Wärmeübergang vom Kochplattenkörper bzw. zum Topf und eine diesbezüglich hervorragende Wärmeverteilung ist dadurch erreichbar, daß der Kochplattenkörper eine isolierende Schutzschicht im μm-Bereich aufweist, auf die das Heizelement mittels Dickschichttechnik direkt aufgebracht ist. Gegebenenfalls kann das Heizelement auch mit aufwendigeren Beschichtungsverfahren, beispielsweise der Dünn- schichttechnik, realisiert sein.
Aufgrund der dünnen Schutzschichten treten beim Aufheizen des Kontaktheizkörpers trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Sol-Gel-Schutzschicht und der Metallplatte lediglich geringe Spannungen im Kochsystem auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kochplattenkörper bei etwa 20°C ka- lottenförmig vertieft ausgebildet. Diese Wölbung von der Topfbodenunterseite weg kann insbesondere durch eine Bombierung einer als Kochplattenkörper dienenden Metallplatte realisiert sein. Dadurch ist sichergestellt, daß Töpfe mit kalottenförmig nach unten gewölbten Topfböden auf dem Kochsystem stabil abgestellt werden können und zugleich ein großflächiger Wärmekontakt zwischen dem Kochplattenkörper und dem Topfboden möglich ist.
Aus umfangreichen Versuchsreihen hat sich ergeben, daß die Tiefe der Kalotte bzw. des schalenförmig gestalteten Kochplattenkörpers maximal etwa OJ mm beträgt. Dadurch ist zum einen sichergestellt, daß nahezu alle am Markt erhältlichen Kochgefäße problemlos auf dem Kochsystem abgestellt werden können, und daß zum anderen die Steuerung der Wölbung des Kochplattenkörpers auch in Richtung nach oben gewölbter Kochgefäßböden realisierbar ist.
Vorteilhafterweise ist das Material des Kochplattenkörpers Edelstahl oder auch Aluminium. Metall besitzt gegenüber beispielsweise Silitiumnitrid insbesondere die besseren Wärmeleitungseigenschaften und ebenso Kostenvorteile. Einerseits aus Stabilitätsgründen und andererseits aus Kostengründen bewegt sich die Stärke der Metallplatte vorteilhafterweise etwa zwischen 2 und 5 mm. Das Aufbringen der Schutzschicht in Sol-Gel- Technik auf eine Edelstahlplatte ist im Vergleich zur Emaillierungstechnik fertigungstechnisch wesentlich einfacher.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist im wesentlichen im Zentralbereich des Kochplattenkörpers eine Ausdehnungsplatte gehaltert, deren Temperaturlängenausdeh- nungskoeffizient von dem des Kochplattenkörpers abweicht. Bei einer Erwärmung des Kochplattenkörpers kommt es aufgrund der unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten zur Wölbung des Kochplattenkörpers in Richtung Topfboden bzw. nach oben. Alternativ dazu weist der Kochplattenkörper an dessen Unterseite im Zentralbereich eine flächige Aussparung auf. Dies ist fertigungstechnisch einfacher als das Haltern des Einsetzteils im Kochplattenkörper. Infolge der zentrischen beispielsweise kugelkalotten- förmigen Aussparung an der Unterseite des Kochplattenkörpers in dessen Zentralbereich kommt es aufgrund des Beheizungsvorgangs zu tangentialen und radialen Zugspannungen. Diese verursachen eine Wölbung des Kochplattenkörpers nach oben bzw. auf die Unterseite des Kochgefäßbodens zu. Um das Ausmaß der Wölbung des Kochplattenkörpers steuern zu können, ist bevorzugter Weise eine Sensorik zur Erkennung des großflächigen Kontaktes zwischen dem Kochgefäßboden und der Oberseite des Kochplattenkörpers vorgesehen. Dies kann beispielsweise durch eine kapazitive Sensoranordnung realisiert sein. Dabei wird die sich mit veränderndem Abstand zwischen der Oberseite des Kochplattenkörpers und der Unterseite des Topfbodens verändernde Kapazität zwischen den beiden Platten in an sich bekannter Weise als Meßsignal verwendet. Eine weitere Alternative besteht darin, daß die Steuereinheit die Änderungsrate der Temperatur des Kochplattenkörpers mit der Zeit während des Aufheizvorganges auswertet. Dabei wird ausgenutzt, daß sich bei bekannter zugeführter Heizleistung der Temperaturanstieg des Kochplattenkörpers deutlich verringert, wenn ein ausreichender Wärmeleistungskontakt zwischen dem Topfboden und dem Kochplattenkörper hergestellt ist. Weiterhin wäre es auch möglich, daß von den Kochgefäßherstellern die Ebenheit bzw. der Wölbungsgrad des Topfbodens jeweils bekanntgegeben wird, und über eine Eingabeeinheit von der Bedienperson beim Beginn des jeweiligen Kochvorganges dem Kochsystem vorgebbar ist. Die Steuereinheit berechnet sich dann aus der vorgegebenen Wölbung und der gewünschten bzw. eingestellten Heizleistung die entsprechenden Heizleistungen bzw. Heizleistungsprofiie des ersten und zweiten Heizkörpers.
Um den Wärmekontakt zwischen dem Topfboden und der Oberseite des Kochplattenkörpers nicht unnötig zu verschlechtern, hält die Steuereinheit ab der Detektion eines ausreichenden Wärmekontaktes zwischen beiden den Temperaturunterschied zwischen dem Zentralbereich und dem Peripherbereich des Kochplattenkörpers und damit dessen Wölbung im wesentlichen konstant. Weiterhin garantiert die Steuereinheit durch eine entsprechend angepaßte Heizleistung der beiden Heizelemente ein Erreichen der über die Bedieneinheit von einer Bedienperson vorgegebenen Heizleistung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform steuert die Steuereinheit zunächst für eine bestimmte Zeit das zweite, im Peripherbereich des Kochplattenkörpers angeordnete Heiz- element. Dadurch wird der Peripherbereich relativ zum Zentralbereich des Kochplattenkörpers erwärmt. Es werden tangentiale und radiale Zugspannungen im Peripherbereich des Kochplattenkörpers hervorgerufen. Als Folge dieser Zugspannungen vergrößert sich der Umfang des Heizkörpers und es wird ausgezeichnete Ebenheit der Oberfläche des Kochplattenkörpers erreicht. Nachfolgend sind anhand schematischer Darstellungen drei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kochsystems und des entsprechenden Verfahrens zum Betreiben der Kochsysteme beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 stark vereinfacht in einer Seitenansicht zum Teil in Schnittdarstellung das Kochsystem mit darauf abgestelltem Topf gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ein Diagramm stark vereinfacht mit dem zeitlichen Verlauf der Heizleistungen des Kochsystems,
Fig. 3 den Kochplattenkörper des Kochsystems gemäß dem zweiten Ausfüh- rungsbeispiel,
Fig. 4 den Kochplattenkörper des Kochsystems gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 5 stark schematisiert drei Phasen des Heizvorganges bei einem Kochplattenkörper gemäß dem zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel.
Gemäß Fig. 1 weist ein Kochfeld eine Glaskeramikplatte 1 auf, in bzw. unterhalb der ein Kochsystem 3 gehaltert ist. Dabei ist in eine kreisförmige Öffnung der Glaskera- mikplatte 1 von oben ein kreisförmiger Kochplattenkörper 5 aus Edelstahl gesetzt. Auf der Oberseite des Kochplattenkörpers 5 ist ein an sich bekannter Topf 6 mit einer nach oben gewölbten Topfbodenunterseite gestellt (in unterbrochenen Linien gezeigt). Dadurch ist gemäß Fig. 1 bei Raumtemperatur zwischen der Oberseite des Kochplattenkörpers 5 und der Unterseite des Topfbodens 6 ein unerwünschter Luftspalt ausgebildet, der die Wärmeübertragung vom Kochplattenkörper 5 zum Topfboden 6 beeinträchtigt. Der Kochplattenkörper 5 ist als 4 mm starke Scheibe ausgebildet, deren Oberseite mit einer etwa 5 μm starken transparenten, in Sol-Gel-Technik aufgebrachten Schutzschicht 13 versehen ist.
Dabei wird aus einer Lösung (Sol) durch kontrollierte Kondensationsmethoden ein kolloides System im Mikrometer-Maßstab (Gel) erzeugt und auf das Substrat aufge- bracht. Dieses Gel wird durch Trocknen infolge Lösungsmittelentzug verdichtet und anschließend in geeigneter Weise ausgehärtet bzw. bei einer Temperatur von etwa 450 bis 500°C eingebrannt. Während dieses Prozesses wird die Sol-Gel-Schicht über chemische Verbindungen mit dem Untergrund besonders fest verbunden. Die dabei entstehende Sol-Gel-Schicht bildet insbesondere einen Anlauf- und Oxidationsschutz für das Edelstahl. Die Schutzschicht 13 schützt das Edelstahl weiterhin vor dem Verkratzen. Alternativ ist es auch möglich die Schutzschicht einzufärben und/ oder undurchsichtig zu gestalten. An der dem Topf 6 zugewandten Oberseite des Kochplattenkörpers 5 weist dieser eine sich umfangsseitig erstreckende Schulter 7 auf, mit der der Kochplattenkörper 5 auf dem Randbereich der Öffnung der Glaskeramikplatte 1 liegt. Um eine radiale Ausdehnung des Kochplattenkörpers 5 bei dessen betriebsgemäßer Erwärmung im Heizvorgang zu ermöglichen, ist umfangsseitig zwischen der Seitenwand des Kochplattenkörpers 5 und der Wand der Öffnung der Glaskeramikplatte 1 ein ausreichender Spalt 9 gebildet. Zur Befestigung und Abdichtung der An- Ordnung ist zumindest der Spalt 9 zum Teil mit Silikonkleber 11 gefüllt. Weiterhin kann der Kochplattenkörper 5 durch nicht näher gezeigte Haltevorrichtungen in der Öffnung der Glaskeramikplatte 1 gehaltert sein.
Gemäß Fig. 1 ist an der Unterseite der Edelstahlplatte 5 im Zentralbereich eine kalottenförmige Aussparung 15 ausgebildet. Diese erstreckt sich etwa über die Hälfte des Durchmessers des Kochplattenkörpers 5 und erreicht ihre maximale Tiefe im Mittelpunkt bzw. Zentrum er Kreisscheibe 5. Auf die Unterseite des Kochpiattenkörpers 5 ist eine elektrische Isolationsschicht 16 in Sol-Gel-Technik in der selben Stärke wie die der Schutzschicht 13 aufgebracht. Um die Isolationseigenschaften der Isolations- schicht 16 zu verbessern, können auf diese weitere Sol-Gel-Schichten oder eine Glasemailleschicht aufgebracht sein (nicht gezeigt). Auf die Isolationsschicht 16 ist im Bereich der Aussparung 15, also im Zentralbereich des Kochplattenkörpers 5, insbesondere in Dickschichttechnik mit einer geeigneten Paste, großflächig ein erstes Heizelement 17 aufgedruckt. Das erste Heizelement 17 kann beispielsweise spiral- förmig verlaufen und mehrere seriell und/oder parallel geschaltete Unterheizkreise aufweisen (nicht gezeigt). Weiterhin ist im Bereich der Aussparung 15 ein ebenfalls in Dickschichttechnik aufgebrachter erster Temperatursensor 19 vorgesehen. Dieser ist geeignet angeordnet, um die Temperatur im Bereich der Aussparung 15 des Kochplattenkörpers 5 erfassen zu können. Entsprechend dem ersten Heizelement 17 und dem ersten Temperatursensor 19 sind im ringförmigen Peripherbereich des Kochplattenkörpers 5 außerhalb der Aussparung 15 großflächig ein zweites Heizelement 21 und ein zweiter Temperatursensor 23 aufgedruckt. Die Heizelemente 17, 21 und Sensoren 19, 23 können wiederum mit einer Schutzschicht bedeckt sein (nicht gezeigt). Weiterhin ist unterhalb der Heizelemente 17, 21 eine thermische Isolationsschicht vorgesehen, um die Energieverluste des Kochsystems 3 unterhalb der Glas- keramikplatte 1 zu verringern (nicht gezeigt).
Das Kochsystem 3 weist eine elektronische Steuereinheit 25 auf, die über Verbindungsleitungen 27 mit dem ersten und zweiten Heizelement 17, 21 und dem ersten und zweiten Temperatursensor 19, 23 verbunden ist. Weiterhin ist die Steuereinheit 25 über Steuerleitungen 29 mit nicht näher dargestellten Leistungsschaltern verbunden, die zur Steuerung der Heizleistung der Heizelemente 17, 21 dienen. Um die Leistungssteuerung besonders feinfühlig zu gestalten, kann diese durch eine Schwingungsbzw. Impulspaketsteuerung oder eine geeignete Phasenanschnittssteuerung realisiert sein. Dabei ist durch das geeignete Schalten oder Ansteuern von Netzhalbwellen sichergestellt, daß die vorgeschriebenen Flickerraten eingehalten werden. Weiterhin ist mit der Steuereinheit 25 eine Eingabeeinheit 31 verbunden. Über diese können beispielsweise die gewünschte Heizleistung und gegebenenfalls auch die Beschaffenheit, insbesondere das Wölbungsmaß des Topfbodens von einer Bedienperson vorgegeben werden.
Die Funktionsweise des Kochsystems gemäß dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die folgende sein: Die Bedienperson gibt einen Leistungswunsch und zugleich den ihr bekannten Wölbungsgrad des verwendeten Topfbodens in die Eingabeeinheit 31 vor. Über in einer Tabelle der Steuereinheit 25 abgespeicherte Parameter steuert diese den zeitlichen Ablauf und die Werte der Heizleistungen der beiden Heizelemente 17 und 21 auf das bekannte Wölbungsmaß, wie nachfolgend noch ausführlicher erläutert ist.
Andererseits kann der Heizvorgang voll automatisiert auch gemäß Fig. 2 ablaufen, wenn die Wölbung des Topfbodens 6 unbekannt ist. Zunächst schaltet dabei zum Zeitpunkt t1 die Steuereinheit 25 eine begrenzte Heizleistung auf das zweite Heizelement 21 , das im Peripherbereich des Kochplattenkörpers 5 angeordnet ist. Dadurch werden tangentiale und radiale Zugspannung im Peripherbereich verursacht, was eine Vergrößerung des Umfangs bzw. eine Streckung des Kochplattenkörpers 5 zur Folge hat. In diesem ersten Schritt kann eine völlige Ebenheit der Oberseite des Kochplattenkörpers 5 erreicht werden. Diese erste Phase kann nach einigen Sekunden, bei- spielsweise 15 bis 30 Sekunden, abgeschlossen sein. Falls ein Topf 6 mit einer ebenfalls völlig ebenen Topfbodenunterseite auf dem Kochplattenkörper 5 abgestellt ist, kann unmittelbar im Anschluß daran der eigentliche Heizvorgang gestartet werden. Falls jedoch ein Topf mit nach oben gewölbtem Topfboden auf dem Kochplattenkörper 5 abgestellt ist, wird zum Zeitpunkt t2 gemäß Fig. 2 die Heizleistung des ersten Heizelementes 17 erhöht. Infolge der zentrischen, kugelkalottenförmigen Aussparung 15 in der Unterseite des Kochplattenkörpers 5 setzt sich die Plattenverformung aufgrund der durch die Erwärmung des Zentralbereiches hervorgerufenen mechanischen Spannungen in Richtung auf den Boden des Topfes 6 fort, d.h. die Edelstahlplatte 5 wölbt sich nach oben. Zum Zeitpunkt t3 erkennt die Steuereinheit 25, daß der Wärmekontakt zwischen dem Boden des Topfes 6 und der Oberseite des Kochplattenkörpers 5 ausreichend groß ist, d.h. daß der dazwischen ursprünglich vorhandene Luftspalt auf ein Minimum reduziert ist. Diese Kontakterkennung basiert darauf, daß ab dem Zeitpunkt des ausreichenden Wärmekontaktes zwischen dem Topfboden und der Oberseite des Kochplattenkörpers 5 der Temperaturanstieg je Zeiteinheit im Zentral- und im Peripherbereich deutlich abnimmt. Dies ist dadurch verursacht, daß infolge des gut wärmeleitenden Kontaktes zwischen dem Topf 6 und dem Kochplattenkörper 5 dem Gesamtsystem deutlich mehr Wärme entzogen wird. Typische Werte für das Zeitinterval vom Zeitpunkt t2 zum Zeitpunkt t3 können 30 bis 60 Sekunden sein.
Zum Zeitpunkt des Kontaktes (t3) zwischen dem Topfboden 6 und dem Kochplattenkörper 5 liegt zwischen dem Zentralbereich und dem Peripherbereich des Kochplattenkörpers 5 ein definierter Temperaturunterschied vor. Aufgrund der gegebenen geometrischen Ausgestaltung des Kochplattenkörpers 5 ist jedem derartigen Temperaturgradienten ein bestimmtes Wölbungsmaß des Kochplattenkörpers 5 zugeordnet. Damit bei einmal hergestelltem Kontakt das Ausmaß der Wölbung des Kochplattenkörpers 5 erhalten bleibt, werden nun zum Einstellen der von der Bedienperson gewünschten Heizleistung die Einzelheizleistungen der beiden Heizelemente 17 und 21 entsprechend aufeinander abgestimmt erhöht. Ziel dabei ist es, den im Zeitpunkt der Kontakterkennung gemessenen Temperaturunterschied zwischen dem Zentral- und dem Peripherbereich etwa konstant zu halten. Zum Zeitpunkt t4 ist dann die gewünschte Heizleistung eingestellt und zugleich das erforderliche Ausmaß der Wölbung des Kochplattenkörpers 5 zur Herstellung eines wärmeleitenden Kontaktes zur Unter- seite des Topfbodens 6 sichergestellt. Falls beim Erreichen der gewünschten Heizleistung festgestellt wird, daß sich der Abstand zwischen der Oberseite des Koch- plattenkörpers 5 und der Unterseite des Topfbodens 6 unerwünschter Weise vergrößert hat, wird durch die Steuereinheit 25 der besagte Temperaturgradient neu eingestellt.
Beim zweiten und dritten Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 3 und 4 ist lediglich der Kochplattenkörper 5 jeweils geringfügig von dem des ersten Ausführungsbeispiels abgewandelt. Um auch nach unten gewölbte Kochgefäßböden 6 mit dem Kochsystem 3 mit dem gewünschten Wirkungsgrad beheizen zu können, ist der Kochplattenkörper 5 jeweils mit einer Bombierung von etwa OJ mm versehen. Dadurch ist der Koch- plattenkörper 5 insgesamt als nach unten, im Zentralbereich vom Topfboden weg gewölbte Kalotte ausgebildet. Alternativ zum zweiten Ausführungsbeispiel kann gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in Fig. 4 auch in eine entsprechend gestaltete kreis- flächenförmige Aussparung in der Unterseite des Kochplattenkörpers 5 ein rundes plattenförmiges Einsetzteil 43 eingesetzt sein. Dieses weist einen im Vergleich zum Kochplattenkörper 5 größeren Temperaturlängenausdehnungskoeffizienten auf. Die Funktion des Kochplattenkörpers 5 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel entspricht der des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels, wobei die mechanischen Spannungen im Kochplattenkörper 5 insbesondere durch die unterschiedlichen Materialeigenschaften bzw. Koeffizienten hervorgerufen sind.
In Fig. 5 sind drei wesentliche Phasen (a, b, c) der durch die Steuereinheit 25 gesteuerten, gezielten Verformung des Kochplattenkörpers 5 nach dem zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel dargestellt. Im unbeheizten Zustand (Phase a) weist der Kochplattenkörper 5 eine kalottenförmig nach unten gewölbte Kontur auf. Zur Ände- rung dieser wird über das zweite Heizelement 21 dem Peripherbereich des Kochplattenkörpers 5 Wärme zugeführt. Dies führt in einer Phase b aufgrund der entstehenden mechanischen Spannungen, wie oben erläutert ist, zur völligen Ebenheit des Kochplattenkörpers 5. In Phase c wird zunächst das erste Heizelement 17 im Bereich der Aussparung 15 mit Heizleistung beaufschlagt, um eine Wölbung des Koch- plattenkörpers 5 auf den Boden des Topfes 6 zu erreichen. Aufgrund des in dem Kochplattenkörper 5 vorliegenden Temperaturgradienten wölbt sich der Kochplattenkörper 5 in den nach oben gewölbten Topfboden 6, bis ein ausreichender Wärmekontakt zwischen dem Topfboden 6 und dem Kochplattenkörper 5 hergestellt st.

Claims

Patentansprüche
1. Kontaktwärmeübertragendes elektrisches Kochsystem zum Beheizen von Gargefäßen mit einem metallischen Kochplattenkörper, der an seiner Oberseite mit einer Schutzschicht bedeckt ist, mit zumindest einem an dessen Unterseite gehalterten Heizelement, und mit einer Steuereinheit, die mit dem Heizelement zur Steuerung der Heizleistung des Kochsystems verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (13) als Sol-Gel-Schicht realisiert ist.
2. Kochsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Schutzschicht (13) in Sol-Gel-Technik höchstens etwa 5 bis 10 um beträgt.
3. Kochsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Isolationsschicht (16) an der Unterseite des Kochplattenkörpers (5) als Sol-Gel-Schicht realisiert ist.
4. Kochsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (13) und die Isolationsschicht (16) im wesentlichen die gleiche Stärke aufweisen.
5. Kochsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Material des Kochplattenkörpers (5) Metall, insbesondere
Edelstahl ist.
6. Kochsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (5) etwa 2 bis 5 mm stark ist.
Kochsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Isolationsschicht (16) eine Emaille-Zusatzisolationsschicht aufgebracht ist.
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