WO2021111169A1

WO2021111169A1 - Induktive heizvorrichtung, insbesondere induktiver tauchsieder

Info

Publication number: WO2021111169A1
Application number: PCT/IB2019/060409
Authority: WO
Inventors: Wachtang BUDAGASCHWILI
Original assignee: Budagaschwili Wachtang
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine induktive Heizvorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten, umfassend ein Grundgerät (1) mit mindestens einer Induktionsspule (2), sowie ein Induktionskörper (3), der mit einem Handgriff (4) verbunden ist, wobei zum Heizen einer Flüssigkeit (5) diese in einem Behältnis (6) vorliegt, das auf dem Grundgerät (1) steht oder in unmittelbarer Nähe zum Grundgerät (1) angeordnet ist, und der Induktionskörper (3) in die Flüssigkeit (5) eintaucht, wobei die mindestens eine Induktionsspule (2) den Induktionskörper (3) durch Induktion von Wirbelströmen (B) im Induktionskörper (3) aufheizt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mindestens eine Induktionsspule (2) in einem ersten Teil (2.1) einen diesem Teil (2.1) zugeordneten Wickelsinn auf- weist, und in einem zweiten Teil (2.2) einen diesem Teil (2.2) zugeordneten Wickelsinn aufweist, wobei die beiden Teile (2.1, 2.2) der Induktionsspule (2) mit einander entgegengesetzter magnetischer Polarisation geschaltet sind.

Description

Induktive Heizvorrichtung, insbesondere induktiver Tauchsieder

Die Erfindung betrifft eine induktive Heizvorrichtung zum Erwärmen von Flüssig keiten, umfassend ein Grundgerät mit mindestens einer Induktionsspule, sowie ein Induktionskörper, der mit einem Handgriff verbunden ist, wobei zum Heizen einer Flüssigkeit diese in einem Behältnis vorliegt, das auf dem Grundgerät steht oder in unmittelbarer Nähe zum Grundgerät angeordnet ist, und der Induktions körper in die Flüssigkeit eintaucht, wobei die mindestens eine Induktionsspule den Induktionskörper durch Induktion von Wirbelströmen im Induktionskörper auf heizt.

Eine mögliche Anwendung der induktiven Heizvorrichtung ist die Nutzung als Wasserkocher für Tassenportionen. Herkömmliche Wasserkocher in Form eines Wasserkrugs mit Heizplatte haben den Nachteil, dass damit häufig überschüssi ges Wasser erhitzt wird. Da bei diesen Wasserkochern ein genaues Dosieren der zu erhitzenden Menge schwierig ist, wird meistens erheblich mehr Wasser erhitzt als gebraucht wird. Der Kochvorgang dauert aufgrund der überschüssigen Menge Wasser länger und endet in einem erhöhten Energieverbrauch. Wird die vorlie gend beschriebene Technik verwendet, wird zuerst die gewünschte Menge Was ser in den endgültigen Behälter, beispielsweise in eine Tasse gefüllt und darauf hin erst mit der hier beschriebenen Vorrichtung erhitzt. Da das Wasser bereits in dem endgültigen Behälter erhitzt wird, ist es möglich, die gewünschte Menge Wasser einfach und genau zu dosieren. Dies führt dazu, dass lediglich die benö tigte Menge Wasser erhitzt wird und deshalb der Vorgang des Kochens be schleunigt und im Ganzen erheblich weniger Energie verbraucht wird. Eine sol che induktive Heizvorrichtung ist in dem deutschen Gebrauchsmuster DE 20 2014 103834 U1 im Detail beschrieben, wo auch auf weitere ähnliche induktive Heizvorrichtungen verwiesen wird. Wesentlich an den gattungsgemäßen Wasser erhitzern dieser Bauart ist, dass ein induktiv erhitzbarer Körper in die Flüssigkeit getaucht wird, die erhitzt werden soll. Da die Flüssigkeit (hier Wasser) selbst nicht durch Induktion mit üblichen Wirbelstromfrequenzen erwärmt werden kann, wird die Wärme über den Induktionskörper in die Flüssigkeit gebracht.

Der hier beschriebene Induktionskörper ist vergleichbar mit einem Tauchsieder, der aber selbst nicht galvanisch mit dem elektrischen Stromnetz verbunden ist. Dieser Tauchsieder wird aber über Induktion erwärmt anstelle durch unmittelbar in den Tauchsieder fließenden, elektrischen Strom. Der Vorteil dieser Tauchsie derart ist, dass der Tauchsieder selbst gespült werden kann wie anderes Ge schirr oder Besteck, ohne dass zu befürchten ist, dass die Feuchtigkeit elektri sche Schaltungen kurzschließt oder ihr sonst schadet.

Anders als Tauchsieder der gattungsgemäßen Art, die in der Regel mehrere Win dungen aufweisen, innerhalb derer elektrische Widerstandselemente verlaufen, ist es bei induktiven Tauchsiedern vorgesehen, diese möglichst flach, nämlich als Platte, auszubilden damit diese am Grund des Gefäßes und möglichst in die Nähe der unter dem Gefäß vorliegenden Induktionsspule gelangen.

Durch die flache Bauart ergeben sich bauartbedingte Probleme beim unbedarften und unüberlegten Hantieren. Die Übertragung von Wirbelströmen von hoher elektrischer Leistung in eine Platte kleiner Ausmaße führt zu mechanischen Insta bilitäten, wie nachstehend gezeigt wird. Für gattungsgemäße, induktive Tauchsie der beträgt die Nennleistung zwischen 1,0 kW und 2,0 kW, damit diese eine Tasse Wasser innerhalb von ca. 60 s zum Sieden bringen können. Diese ver gleichsweise hohe Leistung verteilt sich auf eine Fläche des Induktionskörpers von ca. 10 cm² - 15 cm², (Scheibe von ca. 3 cm bis 6 cm Durchmesser), damit der Induktionskörper auf den Grund einer üblichen Kaffee- oder Teetasse passt.

Ist das Zentrum des Induktionskörpers nicht exakt in der Mitte der Induktions spule des Grundgerätes, so können sich im vergleichsweise kleinen Induktionskörper lokale Wirbelstrommaxima bilden, die benachbart sind zu weite ren Wirbelstrommaxima mit im Wechselfeld stets entgegengesetzter Polarisation. Anders als bei Induktionsherden mit Kochplattenflächen von ca. 75 cm² bis 500 cm² (ca. 10 cm bis 15 cm Durchmesser und noch mehr), ist es bei den hier be schriebenen elektrischen Leistungsdichten schwierig, eine gleichmäßige Indukti onsfläche zu erzeugen, innerhalb derer der Induktionskörper unabhängig von dessen exakter Position gleichmäßig erhitzt wird. Neben der ungleichmäßigen Er wärmung, die zu heißen Flecken (Hotspots) in dem Induktionskörper führen, ist die sehr ungleich verteilte Induktion verantwortlich für eine instabile Position des Induktionskörpers, selbst wenn dieser durch ein hohes Eigengewicht auf dem Grund der beispielsweise eingesetzten Tasse steht. Die hohen Wirbelströme er zeugen einen magnetischen Druck auf den Induktionskörper, der dem Induktions körper eine scheinbar schwimmende Eigenschaft verleiht, etwa wie ein auf einem Luftkissen schwebender Puck. Der Induktionskörper wandert daher auf dem Grund der Tasse. Durch die stielartige und damit toplastige Form des gesamten Tauchkörpers mit Induktionskörper wird dieser so unstabil, dass er Umfallen kann und dabei die Tasse mit der heißen Flüssigkeit mitreißt. Die Instabilität des Induk tionskörpers wird zusätzlich dadurch erhöht, dass die zu erwärmende Flüssigkeit unter dem Induktionskörper durch Siedeverzüge Dampfblasen bildet, wodurch sich neben dem magnetischen Kissen auch noch ein tatsächliches Dampfkissen unter dem Induktionskörper bildet, das aber unregelmäßig und räumlich wie zeit lich chaotisch ausgeprägt ist.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist, die mechanische Stabilität des induktiv erhitzten Tauchsieders zu erhöhen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die min destens eine Induktionsspule in einem ersten Teil einen diesem Teil zugeordne ten Wickelsinn aufweist, und in einem zweiten Teil einen diesem Teil zugeordne ten Wickelsinn aufweist, wobei die beiden Teile der Induktionsspule mit einander entgegengesetzter magnetischer Polarisation geschaltet sind. Weitere vorteil hafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben.

Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass eine Induktionsspule im Grundge rät mit unterschiedlichen Bereichen mit einander entgegengesetzter magneti scher Polarisation aufgebaut ist. Sind die Bereiche der Induktionsspule seriell mit einander verschaltet, so kann die magnetische Umpolung durch Umkehr des Wi ckelsinns erreicht werden oder aber die verschiedenen Bereiche der Induktions spule mit dem gleichen Wickelsinn werden elektrisch gegenpolig betrieben. Unter dem Begriff "Wickelsinn" wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine Umdrehungsrichtung um eine Achse gemeint. Bei Einsatz des Induktionskörpers mit unterschiedlichen Wickelsinnen sollen die einander entgegengesetzten Wi ckelsinne die Wirkung der Induktionsspule nicht zunichte machen, in dem sich die Wirkung zweier entgegengesetzter Wicklungen in Bezug auf die Ausbildung von Magnetfeldern exakt auslöscht. Die entgegengesetzte Wirkung der Magnetfelder hätte beim Anlegen einer Wechselspannung an die so aufgebaute Induktions spule durch Aufbau einer hohen Impedanz die Wirkung, dass sich der Wechsel stromdurchfluss verringert. Es ist nach dem Gedanken der Erfindung vielmehr vorgesehen, im Randbereich der Induktionsspule eine etwa ringförmige oder etwa zylindrische Wand aus Magnetfeldlinien aufzubauen, die den induktiv betrie benen Tauchsieder wie in einem aus der Teilchenphysik bekannten Potentialtopf festhält. Die in dem Induktionskörper erzeugten Wirbelströme erzeugen ein wech selndes Magnetfeld mit entgegengesetzter Polarisation zum äußeren, anregen den Feld, das durch die Induktionsspule im Grundgerät erzeugt wird. Es ist der Gedanke der Erfindung, dass ein Teil der Induktionsspule einen anderen Wickel sinn oder aber eine andere elektrische Polung aufweist, um die magnetische Po lung in diesem Bereich umzukehren. Diese randseitige Magnetumpolung erzeugt im Randbereich des Induktionskörpers -wenngleich auch geringe- zum angeleg ten Wechselfeld ebenfalls entgegengesetzte Polarisation. Der Induktionskörper wird dadurch wie in einem magnetischen Käfig gehalten. Im Ergebnis wird das "Wandern" oder das Schwimmen des Induktionskörpers aufgrund des scheinba ren magnetischen Kissens unterbunden oder zumindest verringert.

In Ausgestaltung der der induktiven Heizvorrichtung ist vorgesehen, dass die In duktionsspule als Flachspule vorliegt, deren Wicklungen in einer Ebene, zumin dest aber in einem flachen, ausgebreiteten Volumen vorliegen, wobei das Volu men breiter ist als hoch. Die Flachspirale wirkt dabei wie eine Teslaspule, die in dem Induktionskörper durch einen Luft-Keramikspalt (Keramik, Glas oder ande res Material der Tasse) Wirbelströme erzeugt, die den Induktionskörper aufhei zen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung liegt die mindestens eine Induktions spule etwa in einer Ebene und verhält sich wie eine archimedische Spirale, die eine gleichmäßige Steigung entlang der Polarkoordinaten zeigt. Diese Wickelart entspricht etwa der Wickelart, wie sie sich beim natürlichen Wickeln von Drähten fast von selbst einstellt. Diese Art der Wicklung der mindestens einen Induktions spule ist produktionstechnisch sehr einfach umzusetzen. Da sich jedoch der Krümmungsradius stetig mit jeder Wicklung verringert, wird der Beitrag zum ge meinsam ausgebildeten magnetischen Feld mit zunehmender Wicklung der min destens einen Induktionsspule schwächer. Die Spirale der mindestens einen In duktionsspule kann auch als logarithmische Spirale vorliegen, welche den Radius in Bezug auf das Wickelzentrum stets unter dem gleichen Winkel schneidet.

Diese Wicklungsart der mindestens einen Induktionsspule hat den Vorteil, dass diese aufgrund der Geometrie bei der mathematischen Modellierung der mindes tens einen Induktionsspule gewisse Vorzüge bietet. Diese Wickelart lässt sich gut mathematisch modellieren und eignet sich daher zur exakten Berechnung von Wirkungsgraden. Es ist auch möglich, dass die mindestens eine Induktionsspule als Halbkreisspirale vorliegt, die aus einzelnen Halbkreiselementen zusammen gesetzt ist. Diese Bauart der mindestens einen Induktionsspule eignet sich, um diese aus standardisierten Halbkreisleitern zusammenzulegen, die für einen ho hen Stromdurchsatz ausgelegt sind. Schließlich kann die mindestens eine Induktionsspule als Fibonacci-Spirale vorliegen, die wie eine Schneckenform aus sieht. Diese Art der Induktionsspule eignet sich für einen Aufbau aus mehr als ei ner einzelnen Induktionsspule, wobei sich die verschiedenen Induktionsspulen bei unterschiedlichen äußeren Wicklungen miteinander verbinden und sich damit der Stromfluss durch eine Windung an dieser Stelle deutlich erhöht. Der zuneh mende Abstand der einzelnen Windungen voneinander kompensiert die Wirkung des mit den Windungen aufgrund der Zusammenlegung einzelner Spulen erhöh ten Stromflusses bei der Ausbildung eines gemeinsamen magnetischen Feldes. Für alle genannten Spiralen der mindestens einen Induktionsspule ist es in vor teilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein erster, innen liegen der Teil der mindestens eine Induktionsspule den diesem Teil zugeordneten Wi ckelsinn aufweist, und die mindestens eine Induktionsspule im Bereich ihrer Peri pherie in eine dazu korrespondierende Spirale mit entgegengesetzter magneti scher Polarisation als zweiten Teil übergeht. Diese an der Peripherie entgegen gesetzte magnetische Polarisation ist ursächlich für den als Käfig wirkenden magnetischen Rand oder den magnetischen Topf.

Die Integration des peripheren Wicklungsteils in die Wicklung der mindestens ei nen Induktionsspule kann dadurch geschehen, dass der zweite Teil der der min destens einen Induktionsspule, also der periphere Teil, den ersten und inneren Teil der Flachspirale äußerlich umrandet. Die äußerliche Umrandung führt zu ei ner eher abrupt ansteigenden magnetischen Wand, die beim Führen des Indukti onskörpers als induktiver Tauchsieder über die eingeschaltete Induktionsspule des Grundgerätes deutlich wie eine magnetische Grenze spürbar ist.

Die Integration des peripheren Wicklungsteils in die Wicklung der mindestens ei nen Induktionsspule kann aber auch dadurch geschehen, dass der zweite Teil der mindestens einen Induktionsspule in die äußeren Windungen des ersten Teils nach innen wickelnd zurückläuft. Diese Art der Wicklungsführung führt zu einer weicheren äußeren Grenze der Induktionsspule für den Induktionskörper und einem stärker fokussierten Bereich, in dem die Leistungsdichte für die Induktions wirkung höher ist.

Die hier beschriebene Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten, die wie ein induktiv betriebener Tauchsieder zu betrachten ist, soll vorzugsweise für kleine Flüssigkeitsmengen eingesetzt werden, wie zum Beispiel zum Aufheizen nur ei ner Tasse Tee, einer Tasse Suppe oder auch zum Aufheizen von einer Portion Kleinkindmilch. Die Leistungsdichten zum sehr schnellen Erwärmen sind für ein Küchengerät vergleichsweise hoch. So soll in vorteilhafter Ausgestaltung eine Steuerungsvorrichtung im Grundgerät die mindestens eine Induktionsspule mit Wechselstrom zwischen 20 kHz und 150 kHz beaufschlagen und davon unab hängig eine elektrische Leistungsaufnahme der mindestens einen Induktions spule im Grundgerät vorliegen zwischen 1 ,0 kW und 2,0 kW bei einer Oberfläche zwischen 75 cm² und 350 cm². Solche kleinen induktiven Kochplatten eignen sich des Weiteren zum Aufheizen von metallischen Espressokochern oder kleinen Kochtöpfen, wie zum Beispiel metallische Mocca-Stieltöpfe oder zum Erwärmen von anderen kleinen Stieltöpfen, zum Beispiel solche zum Erhitzen von Saucen.

Die Induktionsspule im Grundgerät kann neben der Spiralform auch noch andere geometrische Formen aufweisen, nämlich eine kreisförmige Geometrie für Wick lungen mit langen Drähten, wobei die Hüllform der Induktionsspirale etwa kreis förmig, eiförmig oder elliptisch ist. Die Hüllform kann aber auch polygonal sein, beispielsweise in Form eines Quadrates oder eines Rechtecks oder eines Viel ecks. Induktionsspulen mit polygonaler Geometrien der Spule, auch Rahmenspu len genannt, führen in der Regel zu einem breiten und für die Wicklungsgeomet rie breiten Resonanzspektrum, so dass die Erzeugung von Wirbelströmen ein größeres Frequenzspektrum aufweist, was zu einer Erhöhung des Wirkungsgra des führen kann.

Für eine einfache Leistungsschaltung kann vorgesehen sein, dass eine parallele und etwa konzentrische Anordnung von mehr als einer Induktionsspule vorliegt. Am peripheren Rand kann dann vorgesehen sein, dass die verschiedenen Induktionsspulen in eine gemeinsame Induktionsspule mit entgegengesetztem Wickelsinn enden. Werden auf diese Weise zwei Induktionsspulen miteinander verbunden, so entstehen drei Anschlüsse für die Induktionsspule, die wie eine Sternschaltung mit hochfrequentem, drei oder mehrphasigem Drehstrom beauf schlagt werden. Alternativ ist es auch möglich, unter Auslassung des gemeinsa men Pols als elektrischer Nullpunkt, die Spulen seriell zu betreiben und mit ein phasigem Wechselstrom zu betreiben.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Skizze eines induktiven Tauchsieders aus dem STAND DER TECHNIK,

Fig. 2 eine Skizze zur Verdeutlichung der Stabilitätsproblematik bei induktiven Tauchsiedern aus dem STAND DER TECHNIK,

Fig. 3 Skizze zur Veranschaulichung der Dichte der Magnetfeldlinien über ei ner Induktionsspule, die als Flachspule gewickelt ist (STAND DER TECHNIK),

Fig. 4 Skizze zur Verdeutlichung der lokalen Ausbildung von heißen Stellen (Hotspots),

Fig. 5 Skizze zur Veranschaulichung der Dichte der Magnetfeldlinien über ei ner Induktionsspule, die als Flachspule gewickelt ist (STAND DER TECHNIK),

Fig. 6 Induktionsspule der induktiven Heizvorrichtung nach dem Gedanken der Erfindung in einer ERSTEN Ausführungsform,

Fig. 7 Skizze zur Verdeutlichung der Wirkung der Spulenanordnung aus Figur 6 auf die lokale Magnetfeldliniendichte,

Fig. 8 Induktionsspule der induktiven Heizvorrichtung nach dem Gedanken der Erfindung in einer ZWEITEN Ausführungsform, Fig. 9 Skizze zur Verdeutlichung der Wirkung der Spulenanordnung aus Figur 8 auf die lokale Magnetfeldliniendichte,

Fig. 10 Induktionsspule der induktiven Heizvorrichtung nach dem Gedanken der Erfindung in einer DRITTEN Ausführungsform,

Fig. 11 Schaltskizze zur Verdeutlichung des Wechselstrombetriebs der indukti ven Heizvorrichtung nach Fig. 10,

Fig. 12 Induktionsspule der induktiven Heizvorrichtung nach dem Gedanken der Erfindung in einer VIERTEN Ausführungsform,

Fig. 13 Schaltskizze zur Verdeutlichung des Drehstrombetriebs der induktiven Heizvorrichtung nach Fig. 12,

Fig. 14 Induktionsspule der induktiven Heizvorrichtung nach dem Gedanken der Erfindung in einer FÜNFTEN Ausführungsform,

Fig. 15 Schaltskizze zur Verdeutlichung des Wechselstrombetriebs der indukti ven Heizvorrichtung nach Fig. 14,

Fig. 16 Induktionsspule der induktiven Heizvorrichtung nach dem Gedanken der Erfindung in einer SECHSTEN Ausführungsform,

Fig. 17 Schaltskizze zur Verdeutlichung des Wechselstrombetriebs der indukti ven Heizvorrichtung nach Fig. 16,

Fig. 18 Induktionsspule der induktiven Heizvorrichtung nach dem Gedanken der Erfindung in einer SIEBTEN Ausführungsform,

Fig. 19 Schaltskizze zur Verdeutlichung des Wechselstrombetriebs der indukti ven Heizvorrichtung nach Fig. 18,

Fig. 20 Skizze zur Verdeutlichung einer Doppelspulenanordnung der induktiven Heizvorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Zauns,

Fig. 21 Rahmenspule als alternative Ausgestaltung der Induktionsspule der in duktiven Heizvorrichtung. In Figur 1 ist eine induktive Heizvorrichtung dargestellt, die als induktiver Kü chentauchsieder ausgeführt ist. Diese weist ein Grundgerät 1 mit einer Indukti onsspule 2 auf. Auf dem Grundgerät 1 steht ein Behältnis 6, in dem eine Flüssig keit 5 vorhanden ist. Zum Erwärmen der Flüssigkeit 5 steuert eine Steuerungs vorrichtung 7 die Induktionsspule des Grundgeräts mit Wechselstrom hoher Leis tung mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 150 kHz an. Durch die Induktions spule 2 wird ein mit der Frequenz des Wechselstroms oszillierendes Magnetfeld B erzeugt, das eine charakteristische magnetische Flussdichte aufweist, und im Induktionskörper 3 Wirbelströme I_B erzeugt, die den Induktionskörper 3 stark er hitzen. Der Induktionskörper 3 gibt seine Wärme an die Flüssigkeit 5 ab, in die der Induktionskörper 3 eingetaucht ist. Mit einem Handgriff 4 kann der Induktions körper 4 in Position gehalten werden.

In Figur 2 ist dargestellt, wie sich durch geringe Unebenheiten am Boden des Behältnisses 6 ein Spalt S zwischen dem Boden des Behältnisses 6 und dem In duktionskörper 3 ausbildet. In diesem Spalt S erwärmt sich die Flüssigkeit 5 sehr stark. Durch Siedeverzüge bilden sich dabei Dampfblasen D, die den Induktions körper 3 wie auf einem Luftkissen auftreiben. Neben den Dampfblasen D erzeu gen auch die Wechselwirkungen des oszillierenden Magnetfeldes mit dem nicht idealen Induktionskörper 3 einen magnetischen Druck, der ebenfalls auf den In duktionskörper 3 einen auftreibenden Effekt hat. Der auftreibende Effekt lässt den Induktionskörper 3 wie auf einem Luftkissen schwimmen. Durch diesen Luftkis sen-Effekt wird der Halt des Induktionskörpers 3 mitsamt seinem toplastigen Handgriff 4 instabil. In Folge der Instabilität kann der Induktionskörper 3 mitsamt dem Handgriff 4 Umfallen (dargestellt durch den runden Doppelpfeil über dem Handgriff 4) und dabei das Behältnis 6 mitsamt der heißen Flüssigkeit mitreißen.

In Figur 3 ist dargestellt, wie die magnetische Flussdichte B_z über der Induktions spule 2 verteilt ist. Dazu ist die Induktionsspule 2 in einer Schnittansicht von der Seite dargestellt. Durch die Schnittansicht sind von den Windungen der Indukti onsspule 2 nur die durch den Schnitt gekappten Windungen als kleine Kreise dar gestellt erkennbar. Die magnetische Flussdichte B_z variiert von einem Maximum im Zentrum der Induktionsspule 2, bei der Ortskoordinate x etwa null (am Schnitt punkt der Ordinate mit der Abszisse) bis hin zu je einem seitlichen Maximum um gekehrter Polarität im Bereich der Peripherie der Induktionsspule 2. Die verschie denen Kurven der magnetischen Flussdichte Bz stellen die magnetische Fluss dichte in Abhängigkeit der Höhe über Ebene der Induktionsspule 2 dar. Nahe der Ebene der Induktionsspule 2 liegt eine hohe magnetische Flussdichte vor (Kurze zi). Mit Zunahme der Höhe von zi über Z2, Z3 bis zu Z4 über der Ebene der Induk tionsspule 2 verringert sich der jeweilige Betrag der magnetischen Flussdichte an der gleichen x-y-Ortskoordinate erheblich.

In Figur 4 ist dargestellt, wie sich das starke Maximum der magnetischen Fluss dichte B_z über dem Zentrum der Induktionsspule 2 auf die lokale Erwärmung des Induktionskörpers 3 auswirkt. Ist der Induktionskörper 3 nur geringfügig außer halb des Zentrums der magnetischen Flussdichte B_z angeordnet, so bilden sich im Induktionskörper 3, dort wo eine hohe magnetische Flussdichte B_z entspre chend hohe Wirbelströme IB erzeugt, eine besonders hohe lokale Aufheizung mit erhöhter Temperatur Ti, bzw Temperatur T2 für das Nebenmaximum. Unter dem Induktionskörper 3 bilden sich aufgrund der starken Erwärmung Dampfblasen D, durch die der Induktionskörper 3 wie auf einem Luftkissen zu schweben oder zu schwimmen scheint. Neben dem Dampfblasen-Effet ist aber auch noch ein mag netischer Druck erkennbar, der durch die Wechselwirkung des nicht idealen In duktionskörpers 3 mit dem oszillierenden Magnetfeld entsteht. Dieser Effekt wird in der Metallverarbeitung zum magnetischen Stanzen von Metallblechen verwen det, wobei dort die Wirbelströme wesentlich stärker sind. Der Effekt ist jedoch auf die gleichen Ursachen zurückzuführen. Durch die magnetische Wechselwirkung und den Luftkissen-Effekt kann auf den Induktionskörper 3 eine seitwärts gerichtete Kraft F entstehen, die den Induktionskörper 3 mitsamt seinem Hand griff 4 instabil macht.

In Figur 5 ist zur Veranschaulichung der Verteilung der magnetischen Fluss dichte B_z die Skizze aus Figur 3 wiederholt, wobei jedoch hier der Blick von oben (z-Richtung) auf die Induktionsspule 2 gezeigt ist. An den Rändern oder der Peri pherie der Induktionsspule 2 dreht sich die magnetische Polarisierung um.

In Figur 6 ist eine Induktionsspule 2 nach dem Gedanken der Erfindung in einer ERSTEN Ausführungsform dargestellt. Der Gedanke der Erfindung ist es, die In duktionsspule 2 in zwei etwa konzentrische Teile, nämlich Teil 2.1 und Teil 2.2 zu unterteilen. Der erste, innere Teil 2.1 wirkt wie im Stand der Technik. Der zweite Teil 2.2 der Induktionsspule 2 weist jedoch eine gegenüber Teil 2.1 eine umge kehrte oder Teil 2.1 entgegengesetzte magnetische Polarisation auf. Durch die periphere Störung oder Veränderung des oszillierenden Magnetflussdichte B_z wird der Verteilung der magnetischen Flussdichte B_z die starke Ausbildung eines zentralen Maximums zu Gunsten einer etwas gleichmäßigeren Verteilung genom men. Im peripheren Bereich wird sogar die Polarität der magnetischen Fluss dichte umgekehrt. Dadurch bildet sich kein unmöglicher magnetischer Monopol, sondern die magnetische Umpolung findet weiter außerhalb statt, die hier nicht dargestellt ist. Die periphere magnetische Umpolung bewirkt auf den Induktions körper 3 im Einsatz, dass dieser wie in einem magnetischen Käfig festgehalten ist, aus dem er nicht seitlich entweichen kann.

In der hier dargestellten, ersten Ausführungsform verläuft der zweite Teil 2.2 der Induktionsspule so, dass dieser mit entgegengesetztem Wickelsinn zurück in die spiralförmige Wicklung des ersten Teils 1.1 eindringt. Die Wirkung der peripheren Störung des Verlaufs der magnetischen Flussdichte B_z ist in Figur 7 als Skizze über die Ortkoordinate x dargestellt, wobei die Ortskoordinaten x in Figur 6 und Figur 7 zur besseren Vergleichbarkeit den gleichen Maßstab haben.

In Figur 8 ist eine Induktionsspule 2 nach dem Gedanken der Erfindung in einer ZWEITEN Ausführungsform dargestellt. Der Gedanke der Erfindung ist es auch hier, die Induktionsspule 2 in zwei etwa konzentrische Teile, nämlich Teil 2.1 und Teil 2.2 zu unterteilen. Der erste, innere Teil 2.1 wirkt wie im Stand der Technik. Der zweite Teil 2.2 der Induktionsspule 2 weist jedoch eine gegenüber Teil 2.1 eine umgekehrte oder Teil 1.1 entgegengesetzte magnetische Polarisation auf. Durch die periphere Störung oder Veränderung des oszillierenden Magnetfluss dichte B_z wird der Verteilung der magnetischen Flussdichte B_z die starke Ausbil dung eines zentralen Maximums zu Gunsten einer etwas gleichmäßigeren Vertei lung genommen. Auch hier wird im peripheren Bereich die Polarität der magneti schen Flussdichte umgekehrt. Dadurch bildet sich kein unmöglicher magneti scher Monopol, sondern die magnetische Umpolung findet weiter außerhalb statt, die hier nicht dargestellt ist. Die periphere magnetische Umpolung bewirkt auf den Induktionskörper 3 im Einsatz, dass dieser wie in einem magnetischen Käfig festgehalten ist, aus dem er nicht seitlich entweichen kann.

In der hier dargestellten, zweiten Ausführungsform verläuft der zweite Teil 2.2 der Induktionsspule so, dass dieser mit entgegengesetztem Wickelsinn die Wicklung des ersten Teils 2.1 außen umrundet. Die Wirkung der peripheren Störung des Verlaufs der magnetischen Flussdichte B_z ist in Figur 9 als Skizze über die Ort koordinate x dargestellt, wobei die Ortskoordinaten x in Figur 8 und Figur 9 zur besseren Vergleichbarkeit den gleichen Maßstab haben. In dieser Induktionsspu lenanordnung ist die periphere Störung mit einem ausgeprägterem Maximum der magnetischen Flussdichte im Bereich der Peripherie verbunden, das zu einem schärferen Übergang und damit zu einer "harten" magnetischen Wand führt. "Hart" im Sinne dieser Anmeldung ist das sich subjektiv einstellen Gefühl beim Stoß des mit Wirbelstrom beaufschlagten Induktionskörpers gegen die periphere Wand der magnetischen Flussdichte.

In Figur 10 ist eine Induktionsspule 2 nach dem Gedanken der Erfindung in einer DRITTEN Ausführungsform dargestellt. Der Gedanke der Erfindung ist es hier, den ersten Teil 2.1 der Induktionsspule 2 durch zwei parallel und mit gleicher magnetischer Polarisation geschaltete Spulen L1 und L2 zu bilden. Diese Spulen L1 und L2 können wahlweise einzeln dazu geschaltet werden, um die Gesamt leistung der induktiven Heizvorrichtung einstellen zu können. Kurz vor dem Über gang in den zweiten Teil 2.2 der Induktionsspule 2 als Spule L3 verbinden sich die beiden Spulenenden der Spule L1 und L2 mit der Spule L3. Das Ersatzschalt bild dieser Schaltung, die mit Wechselstrom betrieben wird, ist in Figur 11 darge stellt. Spule L1 und L2 sind parallel geschaltet und zusammen seriell mit der Spule L3 aus Teil 2.2 der Induktionsspule 2 verschaltet.

In Figur 12 ist eine Induktionsspule 2 nach dem Gedanken der Erfindung in einer VIERTEN Ausführungsform dargestellt. Der Gedanke der Erfindung ist es hier, die Spulen L1, L2 und L3 mit Drehstrom einer Frequenz von 20 kHz bis 150 kHz zu betreiben. Dabei liegt das elektrische Potential des aus üblichen Sternschal tungen bekannten Symmetriepunkts in diesem Fall nicht zwingend bei 0 V, da der ohm'sche und der Wechselstromwiderstand der Spule L3 nicht unbedingt gleich ist zum ohm'schen und zum Wechselstromwiderstand der Spulen L1 und L2. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass sich die Impedanz der drei Spulen gegensei tig beeinflusst. Solche Impedanz-Wechselwirkungen sind bei üblichen Kochplat ten mit reiner Widerstandsheizung vernachlässigbar. In diesem Beispiel hier fällt die Wechselwirkung der Impedanz der Spulen untereinander und nach der Erfin dung gewollt stark ins Gewicht.

In Figur 13 ist das Ersatzschaltbild der Schaltung der Spulen L1, L2 und L3 dar gestellt, welche mit Drehstrom gemäß des Ersatzschaltbildes beaufschlagt wird.

In Figur 14 ist eine Induktionsspule 2 nach dem Gedanken der Erfindung in einer FÜNFTEN Ausführungsform dargestellt. Der Gedanke der Erfindung ist es hier, die Impedanz des zweiten Teils 2.2 der Induktionsspule 2, hier Spule L2 an die Impedanz des ersten Teils 2.1 der Induktionsspule 2 anzupassen. In dieser Schaltung ist der Wickelsinn beider Spulen L1 und L2 gleich, jedoch die elektri sche Polung zueinander verkehrt.

Das zur Figur 15 korrespondierende Ersatzschaltbild ist in Figur 15 dargestellt, wobei die Schaltung mit einphasigem Wechselstrom beaufschlagt wird. In Figur 16 ist eine Induktionsspule 2 nach dem Gedanken der Erfindung in einer SECHSTEN Ausführungsform dargestellt. Anders als bei der Induktionsspule 2, dargestellt in Figur 14, ist hier der Wickelsinn der beiden Spulen L1 und L2 als erster Teil 2.1 und zweiter Teil 2.2 der Induktionsspule zueinander verkehrt. Auch hierzu ist das Ersatzschaltbild in Figur 17 dargestellt, wobei die Schaltung mit einphasigem Wechselstrom beaufschlagt wird.

In Figur 18 ist eine Induktionsspule 2 nach dem Gedanken der Erfindung in einer SIBTEN Ausführungsform dargestellt. Anders als bei den zuvor dargestellten In duktionsspulen 2 ist hier vorgesehen, dass hier zwei etwa gleich große Helmholtz -Spulen L2 und L3 die äußere magnetische Wand bilden der Vorteil dieser Ver schaltung ist, dass sich die Wechselwirkung der beiden einander entgegen ge schalteten Helmholtz-Spulen im gemeinsamen Zentrum ausgleicht. Damit hat das Helmholtz-Spulenpaar nur wenig Wechselwirkung mit dem Magnetfeld im Zent rum der inneren Flachspule L1, die vorrangig zur Erzeugung von Wirbelströmen dient. Die beiden Helmholtz-Spulen L2, L3 zeigen aber im Bereich der geometri schen Grenzen zueinander eine ausgeprägte Polarisation und Depolarisation, die zusammen als Ring um die Induktionsspule L1 angeordnet sind, und bilden die magnetische Wand.

Zur Schaltung in Figur 18 ist das Ersatzschaltbild in Figur 19 dargestellt, wobei die Schaltung mit einphasigem Wechselstrom beaufschlagt wird.

In Figur 20 ist die gemeinsam erzeugte magnetische Flussdichte B_z der beiden Helmholtz-Spulen L2, L3 aus Figur 18 als Graph über der Ortskoordinate x dar gestellt. Im Zentrum der beiden Helmholtz-Spulen L2, L3 löscht sich die einander entgegen gesetzte magnetische Polarisation aus. Nur im Grenzbereich zwischen den beiden Spulen mit einander entgegengesetzter Polarisation bilden sich aus geprägte Maxima als Polarisation und Depolarisation. Diese Maxima sind als Ring angeordnet und können als magnetsicher Zaun um die Induktionsspule an geordnet werden. In Figur 21 ist als alternatives Beispiel für die Form der Induktionsspule 2 als Flachspule in Form einer rechteckigen Rahmenspule dargestellt, die in zwei mit einander mit gegenläufigem Wickelsinn verlaufenden Wicklungen unterteilt ist und wobei die unterschiedlichen Wicklungen den ersten Teil 2.1 und den zweiten Teil 2.2 der Induktionsspule der erfindungsgemäßen induktiven Heizvorrichtung bilden.

B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E

1 Grundgerät F Kraft

2 Induktionsspule IB Wirbelstrom

2.1 Teil der Induktionsspule L1 Spule

2.2 Teil der Induktionsspule L2 Spule

3 Induktionskörper L3 Spule

4 Handgriff N Nullleiter

5 Flüssigkeit S Spalt

6 Behältnis Ti, T2 Temperatur

7 Steuerungsvorrichtung x Ortskoordinate

B Magnetfeld y Ortskoordinate

B_z magnetische Flussdichte in z-_\, Z2 Ortskoordinate z-Richtung über der Indukti- _{Z3 Z4} Ortskoordinate onsspule

D Dampfblase

Claims

Induktive Heizvorrichtung, insbesondere induktiver Tauchsieder P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Induktive Heizvorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten, umfassend ein Grundgerät (1) mit mindestens einer Induktionsspule (2), sowie ein Induktionskörper (3), der mit einem Handgriff (4) verbunden ist, wobei zum Heizen einer Flüssigkeit (5) diese in einem Behältnis (6) vor liegt, das auf dem Grundgerät (1) steht oder in unmittelbarer Nähe zum Grundgerät (1) angeordnet ist, und der Induktionskörper (3) in die Flüs sigkeit (5) eintaucht, wobei die mindestens eine Induktionsspule (2) den Induktionskörper (3) durch Induktion von Wirbelströmen (IB) im Induktionskörper (3) aufheizt, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Induktionsspule (2)

- in einem ersten Teil (2.1) einen diesem Teil (2.1) zugeordneten Wickel sinn aufweist, und

- in einem zweiten Teil (2.2) einen diesem Teil (2.2) zugeordneten Wi ckelsinn aufweist, wobei die beiden Teile (2.1, 2.2) der Induktionsspule (2) mit einander entgegen gesetzter magnetischer Polarisation geschaltet sind.

2. Induktive Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (2) als Flachspule vorliegt, deren Wicklungen in einer Ebene, zumindest aber in einem flachen, ausgebreiteten Volumen vorlie gen, wobei das Volumen breiter ist als hoch.

3. Induktive Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Induktionsspule (2) als archimedische Spirale, als logarithmische Spirale, als Halbkreisspirale, die aus einzelnen Halbkreiselementen zusam mengesetzt ist, als Fibonacci-Spirale oder als Fermat'sche Spirale aufgebaut ist, wobei ein erster, innen liegender Teil (2.1) der mindestens eine Induktionsspule (2) den diesem Teil (2.1) zugeordneten Wickelsinn aufweist, und die min destens eine Induktionsspule (2) im Bereich ihrer Peripherie in eine dazu korrespondierende Spirale mit entgegengesetzter magnetischer Polarisation als zweiten Teil (2.2) übergeht.

4. Induktive Heizvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil (2.2) der mindestens eine Induktionsspule (2), den ersten Teil (2.1) der Flachspirale äußerlich umrandet.

5. Induktive Heizvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil (2.2) der mindestens einen Induktionsspule (2) in die äuße ren Windungen des ersten Teils (2.1) nach innen wickelnd zurückläuft.

6. Induktive Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungsvorrichtung (7) im Grundgerät (1) die mindestens eine In duktionsspule (2) mit Wechselstrom zwischen 20 kHz und 150 kHz beauf schlagt.

7. Induktive Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine elektrische Leistungsaufnahme der mindestens einen Induktionsspule (2) zwischen 1,0 kW und 2,0 kW bei einer Oberfläche zwischen 75 cm² und 350 cm².

8. Induktive Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine spiralförmige Geometrie der mindestens einen Induktionsspule (2), wo bei die Hüllform der Induktionsspirale etwa kreisförmig, eiförmig oder ellip tisch ist, oder durch eine polygonale Spiralform der mindestens einen Induktionsspule (2) als Rahmenspule.

9. Induktive Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine parallele und etwa konzentrische Anordnung von mehr als einer Induk tionsspule (2).

10. Induktive Heizvorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen gemeinsam verlaufenden zweiten Teil (1.2) der mehr als einen Induk tionsspule (2).