DE3332990A1

DE3332990A1 - Elektromagnetische induktionsheizvorrichtung

Info

Publication number: DE3332990A1
Application number: DE19833332990
Authority: DE
Inventors: Toshio Kuwana Mie Kakizawa; Hisashi Tokyo Okatsuka; Koichi Inuyama Aichi Taniguchi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-09-13
Filing date: 1983-09-13
Publication date: 1984-03-15
Also published as: US4549056A; NL8303136A; DE3332990C2; AU1876383A; NL189227C; AU543894B2; GB2128060A; CA1201174A; GB2128060B; GB8324323D0; NL189227B

Description

Henkel, Pfenning, Feiler, Hänzel & Meinig g . Patentanwälte

Eü^ropean Patent Attorneys Zugelassene Vertreter vor aerr Europäischen Patentamt

Dr phii 3 He^kei M Dip! -'-ng j Pfenning. Berlin Dr rer nat L Peiler. München Dip¹ -Ina W Hanzei. München

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha Dip!-P^ys K H Memig Be^Im

Dr Inq λ Butenschon. Berlin

Kawasaki, Japan

Mohistraße 37 D-8000 Muncnen 80

Te! 089/982085-87 Telex 0529802 ^ηκ: α

EKU-58P299-4

13. Sep. 1383

Elektromagnetische Induktionsheiζvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Induktionsheizvorrichtung, die ein Hochfrequenz-Wechselfeld für die Induktionserwärmung eines als Last dienenden Haushalt-Kochtopfes oder sonstigen Kochgeschirrs zum Garen des im Kochgeschirr enthaltenen Nahrungsmittels bzw. Garguts erzeugt.

.» Bei elektromagnetischen Induktionskochern wird ein Hochfrequenzstrom von einer Wechselrichterschaltung an eine Heizspule angelegt, die ein Hochfrequenz-Magnetfeld erzeugt, durch welches ein Kochgeschirr aus Metall zusammen mit dem darin enthaltenen Gargut einer In-

. r- duktionserwärmung unterworfen wird» Zur effektiven b

Induktionserwärmung oder -beheizung des die Last bildenden metallenen Kochgeschirrs muß dessen Impedanz vorzugsweise mindestens eine vorgegebene Größe besitzen; wenn nämlich die Impedanz zu niedrig ist, vergrößert sich der durch die Heizspule fließende Strom, so daß sich Spulenverlust ergibt» Im Hinblick auf diese Gegebenheiten sind die derzeit für das Kochgeschirr benutzbaren Werkstoffe auf ferromagnetische Werkstoffe (bevorzugt Eisen) beschränkt; die Heiz-

c gerate sind dabei so ausgelegt, daß die Induktionserwärmung automatisch abgeschaltet wird, wenn ein Kochgeschirr aus einem nicht-magnetischen Werkstoff, wie Aluminium, verwendet wird. Für das Garen von Nahrungsmitteln mittels eines solchen bisherigen

_ elektromagnetischen Induktionskochers muß daher ein

Topf bzw. Kochgeschirr aus Eisen verwendet v/erden. Mit einem Kochgeschirr aus einem nicht-magnetischen Werkstoff, wie Aluminium, läßt sich ein wirksames Induktionserwärmen nicht erreichen, und der Kochvor-„_ gang erfordert eine längere Zeitspanne und einen höheren Stromverbrauch. Andererseits werden Töpfe bzw. Kochgeschirre aus Aluminium oder anderen Nichteisenmetallen (nicht-magnetischen Werkstoffen) wegen

/7.

ihrer zahlreichen Vorteile in zunehmendem Maß in Haushalten verwendet. Da sie den verschiedenen, derzeit c verfügbaren Kochgeschirren nicht entsprechen, können somit die bisherigen elektromagnetischen Induktionskocher die ihnen eigenen Vorteile nicht voll zur Geltung bringen»

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer verbesserten elektromagnetischen Induktionsheizvorrichtung, welche auch ein Kochgeschirr aus einem nicht-magnetischen Metallwerkstoff, wie Aluminium, wirksam induktiv zu erwärmen vermag.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Bei Verwendung eines ein Nahrungsmittel bzw. Gargut _on enthaltenden Kochgeschirrs aus einem nicht-magnetischen Werkstoff wird erfindungsgemäß ein Wechselmagnetfeld einer vorgegebenen Mindestfrequenz (mindestens 50 kHz, vorzugsweise 100 kHz oder höher) und insbesondere solcher Größe,, daß im nicht-magnetischen Metallwerk- _₅ stoff des Kochgeschirrs ein sog. Skineffekt bzw. eine Hautwirkung hervorgerufen wird, erzeugt und an das Kochgeschirr zu dessen Induktionserwärmung angelegt. Das Wechselmagnetfeld bewirkt dabei, daß die Impedanz

des Kochgeschirrs unabhängig von seiner Wanddicke _on im wesentlichen konstant gehalten wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen;

Fig. ■ ein Blockschaltbild des allgemeinen Aufbaus einer elektromagnetischen Induktionsheizvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Heizspulenteils der Vorrichtung nach Fig. 1 und anderer,

um diesen Teil herum angeordneter Elemente,

Fig. 3A bis 3C schematische Darstellungen zur Veranschaulichung einer bei der Vorrichtung nach Fig. 1 vorgesehenen Heizspule,

Fig. 4A und 4B schematische Darstellungen des im

Inneren des Blechkörperabschnitts eines Kochgeschirrs bei Beaufschlagung mit einem Hochfrequenz-Magnetfeld erzeugten Skineffekts bzw. der Hautwirkung, 15

Fig. 5 eine schematische Darstellung verschiedener Veränderlicher für die Gleichungen zur Berechnung der bei Beaufschlagung mit dem Hochfrequenz-Magnetfeld erzielten primären Äquivalentimpedanz der Heizspule,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen der Frequenz des ein Kochgeschirr

beaufschlagenden Hochfrequenz-Magnetfelds 25

und der unter Heranziehung der Wanddicke d

des Kochgeschirrs als Parameter erreichten Impedanz des Kochgeschirrs,

Fig. 7 ein Blockschaltbild des allgemeinen Aufbaus 30

einer elektromagnetischen Induktionsheizvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 8A und 8B eine Aufsicht bzw. eine Seitenansicht 35

zur Veranschaulichung der Ausbildung einer

bei der Vorrichtung nach Fig. 7 vorgesehenen Heizspule.

Jf Y.

Fig- 1 veranschaulicht in Blockschaltbildform eine elektromagnetische Induktionsheizvorrichtung gemäß p. der Erfindung, bei der sowohl Kochgeschirre aus ferromagnetischem Material,, wie Eisen oder rostfreier Stahl, als auch solche aus einem nicht-magnetischen Werkstoff, wie Aluminium,, verwendbar sind. Diese Vorrichtung umfaßt eine erste Heizspule L1 für die ausschließliche . _n Induktionserwärmung eines Kochgeschirrs aus einem der genannten ferromagnetischen Werkstoffe und eine zweite Heizspule L2 für die ausschließliche Induktionserwärmung eines Kochgeschirrs aus einem nicht-magnetischen Werkstoff, wie Aluminium. Die zweite Heizspule L2 be-

, _ sitzt dabei eine größere Windungszahl als die erste χ ο

Heizspule L1.

Gemäß Fig. 1 sind die beiden Klemmen oder Anschlüsse einer Wechselstromquelle 10 getrennt über Netzschalter 12 an die beiden Klemmen oder Anschlüsse einer Primärwicklung 14a eines Transformators 14 angeschlossen. Ein Motor 16, der für den Antrieb eines nicht dargestellten Gebläses zum Kühlen aktiver Schaltungselemente, wie Transistoren, vorgesehen ist, ist über die Netz- __K schalter 12 mit der Wechselstromquelle 10 verbunden. Eine Sekundärwicklung 14b des Transformators 14 ist an einen Wechselrichterkreis 18 angeschlossen, der zwei Schaltkreise 20 _lo 22 mit jeweils Schalttransistoren eines vorbestimmten Typs (z.B. npn-Typ) und einen

_n Ansteuerkreis 24 zur selektiven Ansteuerung der

Schaltkreise 20, 22 umfaßt. Jeder Schaltkreis 20, 22 besteht aus einer sogenannten SEPP-Schaltung mit in Reihe geschalteten Transistoren. Der erste Schaltkreis 20 führt einen Schaltvorgang bei einem vorgegebenen Frequenzpegel von z.B. 20 kHz aus, während der --.site Schaltkreis 22 bei einem höheren Frequenzt^gel von z.B. 50 kHz oder mehr, vorzugsweise bei 100 kHz, schaltet. Bei der dargestellten Ausführungsform

verwendet der zweite Schaltkreis 22 für das wirksame Hochfrequenz-Schalten bzw. -Umschalten bipolare Transistoren, Die Ausgangsklemmen der Schaltkreise 20 und 22 sind mit einer ersten und einer zweiten Heizspule L1 bzw. L2 verbunden. Die Heizspulen L1 und L2 sind an eine erste Ausgangsklemme (negative bzw. Miηus-Ausgangsklemme) 26-1 einer Gleichstromquelle über Resonanz-Kondensatoren C1 bzw. C2 angeschlossen, die in Verbindung mit den Heizspulen L1 bzw. L2 einen Reihenresonanz- bzw. -schwingkreis bilden. Die Gleichstromquelle 26 ist über die Netzschalter 12 mit der Wechselstromquelle 10 verbunden. Die Gleichstromquelle 26 speist außerdem die beiden Schaltkreise 20 und

Erste und zweite Ausgangsklemme 26-1 bzw. 26-2 der Gleichstromquelle 26 sind außerdem an eine Schwingungsart-Einstellschaltung 28 angeschlossen, welche die Aktivierung einer der beiden voneinander unabhängigen Heizspulen L1 und L2 bestimmt und ein Betriebsartbezeichnungs- bzw. -einstellsignal 31 in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal 29 eines Detektors 30 erzeugt, welcher je nach der Art des Werkstoffs (Eisen oder Aluminium), aus dem das jeweils verwendete Kochgeschirr hergestellt ist, feststellt, ob ein Kochgeschirr aus einem magnetischen oder einem nichtmagnetischen Werkstoff besteht. Nach Maßgabe des Signals 31 steuert der Ansteuerkreis 24 selektiv den ersten oder den zweiten Schaltkreis 20 bzw. 22 an.

Fig. 2 veranschaulicht eine Heizfläche der Vorrichtung nach Fig. 1 und andere Bauelemente im Bereich der Heizfläche. Ein mit einem flüssigen Nahrungsmittel gefülltes Kochgeschirr 32 ist dabei auf eine Heizplatte 34 aus wärmebeständigem Glas aufgesetzt. Die beiden Heizspulen L1 und L2 sind jeweils in Form einer Schleife bzw. Windung in zwei Ebenen unter der Heizplatte 34

angeordnet. In einer zentralen öffnung der übereinander liegenden, ringförmigen Spulen L1 und L2 ist ein

p. mechanischer Automatik-S cha lter 30 angeordnet, der einen ο

hohlzylindrischen Schalterrahmen 36 und einen in diesem lotrecht bewegbaren Dauermagneten 38 aufweist. Ein normalerweise geschlossener Mikroschalter 40 ist so angeordnet, daß sein Betätigungsknopf 42 in das untere Ende der Öffnung des Rahmens 36 hineinreicht. Wenn das Kochgeschirr 32 aus Eisen oder einem anderen magnetischen Material besteht, wird der Dauermagnet durch das Kochgeschirr 32 magnetisch angezogen und nach oben verlagert, um unter Zwischenfügung der

, _ Glasplatte 34 am Boden des Kochgeschirrs 32 zu haften. b

Wenn dagegen das Kochgeschirr 32 aus Aluminium oder einem anderen nicht-magnetischen Werkstoff besteht, fällt der Dauermagnet 38 unter Schwerkrafteinfluß und ohne Anziehung durch das Kochgeschirr 32 nach

unten, wobei er den Betätigungsknopf 42 des Mikro-20

schalters 40 herabdrückt. Infolgedessen wird der Mikroschalter 40 geöffnet= Der Dauermagnet 38 und der Mikroschalter 40 bilden somit den Detektor 30» Wenn durch den Detektor 30 festgestellt wird, daß das verwendete Kochgeschirr 32 aus einem magnetischen Werkstoff besteht, steuert der Ansteuerkreis 24 nach Maßgabe des Signals 31 nur den ersten Schaltkreis 20 an, um die erste Heizspule L1 mifc einem Hochfrequenzstrom I^ von 20 kHz zu speisen und damit das z.B. aus Eisen

bestehende Kochgeschirr induktiv zu erwärmen. Wenn 30

das Kochgeschirr 32 aus einem nicht-magnetischen Werkstoff, wie Aluminium, besteht, steuert der Ansteuerkreis 24 nur den zweiten Schaltkreis 22 nach Maßgabe des Signals 31 an_p um die zweite Heizspule L2 mit einem Hochfrequenzstrom I₀ von 100 kHz zu speisen und damit *

das .3. aus Aluminium bestehende Kochgeschirr einer Induktionserwärmung zu unterwerfen.

Die beiden Heizspulen L1 und L2 sind mit einem an die Form des Kochgeschirrs 32 angepaßten Schleifendurchc messer (loop diameter) ausgebildet. Im folgenden ist anhand der Fig. 3A bis 3C als Beispiel die Ausbildung der zweiten Heizspule L2 beschrieben. Gemäß der schaubildlichen Darstellung von Fig. 3A ist die Heizspule L2 aus einer spiralig aufgerollten Windung oder . _n Wicklung 44 ("Litzendraht) geformt, welche die Impedanz der Heizspule herabsetzt und aus einem Bündel (z.B. 200) von dünnen isolierten Kupferdrähten besteht, z.B. Drähten mit einem Durchmesser von etwa 0,1 - 0,16 mm (herkömmlicherweise werden neunzehn

isolierte Kupferdrähte mit einem Durchmesser von lö

0,5 mm zur Bildung des Litzendrahts zusammengebündelt). Wie aus der vergrößerten Darstellung von Fig. 3B hervorgeht, ist ein isolierter bzw. Isolierdraht 46 zwischen den Windungen der Spiralwicklung 44 gewickelt. Der Drahtdurchmesser des Isolierdrahts 46 20

entspricht dem der Wicklung 44. Der Isolierdraht 46 besteht aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff mit guter Temperaturbeständigkeit und hoher Biegsamkeit, beispielsweise aus mit einem Füllmittel gepacktem Nylon (Polyamid). In den mit der Spiralwicklung 25

44 in Berührung stehenden beiden Seitenflächen des Isolierdrahts 46 sind zahlreiche aufeinanderfolgende Ventilierkerben bzw. .-Aussparungen 48 ausgebildet. Die Form dieser im Isolierdraht 46 ausgebildeten Aussparungen 48 ist in Fig. 3C näher veranschaulicht. Der Isolierdraht 46 besitzt in den von den Aussparungen 48 verschiedenen Bereichen einen kreisförmigen Querschnitt und in den ausgesparten Bereichen einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt 49. Es ist

darauf hinzuweisen, daß die Windungszahl der zweiten 35

Heizspule L2, die mit einem Strom hoher Frequenz, vorzugsweise in der Größenordnung von 100 kHz bzw. entsprechend etwa dem Fünffachen der Frequenz des

an die erste Heizspule L1 angelegten Stroms, gespeist wird, für die Induktionserwärmung eines Kochgeschirrs c aus einem nicht-magnetischen Werkstoff wesentlich größer ist als die Windungszahl der ersten Heizspule L1. Wenn die beiden Heizspulen L1 und L2 auf die vorstehend beschriebene Weise ausgebildet sind, ist die zweite Heizspule L2 somit durch Anordnung mehrerer spiral gewickelter Litzendrähte gemäß Fig. 3A in einzelnen Lagen ausgebildet, derart, daß der Schleifendurchmesser der zweiten Heizspule L2 demjenigen der ersten Heizspule L1 gleich ist (vgl. Fig. 2). Für den Resonanzkondensator C2 ist unbedingt ein Kondensator mit einer hohen Aushaltespannung in der Größen-15

Ordnung von mehreren kV erforderlich.

Die vorstehend beschriebene Ausführungsform der Erfindung arbeitet wie folgt: Der Detektor 30 stellt

fest, ob der Werkstoff des auf die Heiz- oder Koch-20

platte 34 aufgesetzten, ein zu garendes Nahrungsmittel enthaltenden Kochgeschirrs ein ferromagnetisches Material, wie Eisen„ oder ein nicht-magnetisches Material, wie Aluminium, ist. Wenn das Kochgeschirr 32 aus Eisen besteht, wird der Dauermagnet 38 unter Freigabe des Betätigungsknopfes 42 des Mikroschalters 40 an das Kochgeschirr angezogen, so daß der Mikroschalter 40 geschlossen ist. In Abhängigkeit davon läßt die Schwingungsart-Einstellschaltung 28 den

Ansteuerkreis 24 nur den ersten Schaltkreis 20 akti-30

vieren. Da der Schaltkreis 20 einen Hochfrequenzstrom

I„ zur ersten Heizspule Li liefert, wird das Kochgeschirr durch einen aus der Heizspule L1 und dem Kondensator C1 gebildeten Reihenresonanzkreis mit einem Wechselmagnetfeld einer hohen Frequenz in der Größenordnung 35

von - kHz beaufschlagt. Durch dieses Hochfrequenziuagnetfeld wird innerhalb der Eisenplatte des Kochgeschirrs ein Wirbelstrom erzeugt, und das Kochgeschirr

erzeugt selbst durch einen Stromverlust aufgrund des Wirbelstroms Wärme zum Erhitzen und Garen des Nahrungs-

_ mittels. Wenn dagegen das Kochgeschirr 32 aus einem b

nicht-magnetischen Werkstoff, wie Aluminium, besteht, fällt der Dauermagnet 38 gemäß Fig. 2 nach unten und drückt dabei den Betätigungsknopf 42 des Mikroschalters 40 ein, so daß der Mikroschalter 40 offen ist= In Abhängigkeit von diesem Zustand steuert die Einstellschaltung 28 den Ansteuerkreis 24 so an„ daß dieser selektiv den zweiten Schaltkreis 2 2 aktiviert. Infolgedessen wird die erste Heizspule L1 abgeschaltet, während die zweite Heizspule L2 mit dem Hochfrequenzstrom I~

von etwa 100 kHz beschickt wird und ein Hochfrequenz-15

magnetfeld für die Induktionserwärmung des Aluminium-Kochgeschirrs erzeugt.

Die bisher nicht mögliche Induktionserwärmung bzw. induktive Erwärmung eines Kochgeschirrs aus Aluminium oder einem anderen nicht-magnetischen Werkstoff kann somit wirksam gewährleistet werden, indem mittels der zweiten Heizspule L2 ein Wechselfeld einer hohen Frequenz von 50 kHz oder mehr, vorzugsweise etwa

100 kHz, erzeugt wird. Dieser Prozeß beruht auf der 25

noch näher zu erläuternden Theorie.

Für das Kochen bzw. Garen ist es zunächst nötig, daß das verwendete Kochgeschirr eine konstante Impedanz besitzt, so daß die Eingangsleistung (input)für das Kochgeschirr festgelegt werden kann. Bisherige Kochgeräte arbeiten mit einem Hochfrequenz-Magnetfeld von etwa 20 kHz und erlauben somit die Verwendung eines aus Eisen hergestellten Kochgeschirrs. Das Eisen-Kochgeschirr kann unter diesen Gegebenheiten benutzt werden, weil die Eisenplatte bzw. das Eisenblech des Kochgeschirrs bei einer Frequenz von etwa 20 kHz den Skineffekt bzw. die Hautwirkung erzeugt. Der

Skineffekt bzw. die Hautwirkung ist eine Erscheinung, bei welcher Strom intensiv durch einen festgelegten (in Fig. 4A schraffierten), die Oberfläche des Eisenblechs F (an der Seite? an welcher der Magnetfluß φ einwirkt) einschließenden Bereich fließt. Wenn dieser Effekt auftritt, bleibt die Impedanz des Eiserblechs F unabhängig von seiner Dicke konstant, so daß der ge-

^q gebene bzw. einwirkende Magnetfluß φ in keinem Fall nach außen austritt. Die Eisenplatte bzw. das Eisenblech F gemäß Fig. 4B unterliegt dagegen nicht dem Skineffekt bzw. der Hautwirkung. Infolgedessen fließt Strom über den gesamten Bereich (Querschnitt) des Eisenblechs F, so daß die Impedanz von der Dicke abhängt und der einwirkende (given) Magnetfluß φ in unerwünschter Weise nach außen austritt oder streut.

Erfindungsgemäß wird die Impedanz eines aus Aluminium

2Q hergestellten Kochgeschirrs nach einem speziellen Verfahren konstant eingestellt, bei dem die Frequenz des Wechselrichterkreises erhöht wird, und zwar unter Berücksichtigung der Tatsache, daß eine Aluminiumplatte bzw. ein Aluminiumblech ebenfalls dem Skineffekt bzw. der Hautwirkung unterworfen ist, wenn die Frequenz des Hochfrequenz-Magnetfelds 50 kHz oder mehr beträgt. In diesem Fall bestehen keine Einschränkungen mehr bezüglich der zu verwendenden Kochgeschirre, und der Magnetfluß durchdringt in

QQ keinem Fall das Kochgeschirr, obgleich (andererseits) die Frequenz des Wechselrichterkreises erhöht werden muß. Im allgemeinen verwendet ein Wechselrichterkreis Transistoren als Schaltelemente, und seine Schaltgeschwindigkeit ist in einem bestimmten Grad be-

g₅ grenzt. Aufgrund des in jüngster Zeit erzielten bemerkenswerten Fortschritts auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie stehen jedoch beispielsweise bipolare Transistoren zur Verfügung, die einen

Schaltbetrieb mit einer Frequenz von 100 kHz zulassen, während Leistungs-MOSFET's Schaltvorgänge mit einer p. Frequenz von 200 - 300 kHz durchzuführen vermögen. Die Frequenz des Wechselrichterkreises kann mithin unter Verwendung solcher Transistoren entsprechend erhöht werden.

Wie ein Versuch gezeigt hat, kann in einem Kochgeschirr ein optimaler Skineffekt erzielt werden, wenn die Frequenz des Hochfrequenz-Magnetfelds in der Größenordnung von etwa 100 kHz liegt und die Dicke des Aluminiumblechs des Kochgeschirrs 0,5 mm oder mehr

, _ beträgt. Wie vorstehend beschrieben, wird erfindungs-15

gemäß ein Hochfrequenz-Magnetfeld von etwa 100 kHz eingesetzt, so daß bei der Induktionsheizvorrichtung ein Aluminium-Kochgeschirr benutzt werden kann.

Diese Maßnahmen sind jedoch im Hinblick auf das tatsächliche Kochen bzw. Garen noch nicht vollkommen und lassen noch verschiedene Probleme ungelöst.

Die Kombination aus einer Heizspule und einem Kochgeschirr kann als Transformator betrachtet werden. 25

Allerdings besteht bei einer solchen Kombination ein erhebliches Problem bezüglich des Heiz- oder Erwärmungswirkungsgrads, zwischen der Primärimpedanz an der Seite der Heizspule und der sekundären Äquivalentimpedanz an der Seite des Kochgeschirrs.

Für die Berechnung der sekundären Äquivalentimpedanz an der Kochgeschirrseite stellt sich die Sachlage gemäß Fig, 5 dar. Gemäß Fig. 5 ist eine (Heiz-)Spule

L in einem vorgegebenen Abstand h von einem Kochge-35

schirr angeordnet, das aus Metall (Eisen oder Aluminium) besteht, eine (Wand-)Dicke d besitzt und Wasser W (als "Gargut") enthält. Die Spule L ist durch

Wickeln eines Kupferdrahts eines Radius^ zu einer einzigen Schleife mit einem Radius a gewickelt. Die Spule L wird als Modell benutzt, das einem Teil der Heizspule LI oder L2 entspricht=

Unter Heranziehung verschiedener!, in der nachstehenden Tabelle angegebener Faktoren bestimmen sich die kochgeschirrseitige sekundäre Äquivalentimpedanz R und die Äquivalentinduktivität L nach den anschließend angegebenen Gleichungen»

TABELLE

Leitfähigkeit 0 (s/m)

Relative
Dielektrizitätskonstante

Relative magnetische PermeabiIitat

Luft

AluminivEm 3„636 χ 10 Eisen Wasser

10 10

-3

81

1 1

100 1

ca

(2-h²+a2)B(6)-2.h2-KU)

■5-

(2;

O /ΐ - C²'sin

Κ(ξ) = \ /ΐ - ζ²·εΐη²8·(36 ... (4) ^:

2d/2d

2d_ i

y = ^{e2d/6tsin 5} ... (7) i

l_+e4d/6-_€2d/6._cos2d

In obigen Gleichungen bedeuten: E(^) ein perfektes elliptisches Integral erster Ordnung, K(|") ein perfektes elliptisches Integral zweiter Ordnung, f die Frequenz des Hochfrequenz-Magnetfelds, ja 2 ^die Permeabilität des Metalls, ju_Q die Permeabilität von Vakuum, <j ₂ die elektrische Leitfähigkeit von Metall und ο die Hauttiefe.

Wenn der Metallwerkstoff ein Eisenblech mit einer Dicke d von 0,5 mm ist, die Frequenz f des Hochfrequenz-Magnetfelds 20 kHz beträgt, der Schleifenradius a der Einzelschleifenspule L 10 cm beträgt, der Spulendraht einen RadiusfSvon 0,5 mm besitzt und der Abstand h zwischen dem Eisenblech und der

Spule L 1 cm beträgt, so beträgt die sekundäre Äquivalentimpedanz R, wie sich aus Gleichung (1) ergibt, R = 5 m.Q .

Wenn der Metallwerkstoff ein Aluminiumblech mit einer Dicke d von 0,5 rom ist, die Frequenz f des Hochfrequenz-Magnetfelds bei TOO kHz liegt, der Schleifen- ^q radius a der Einzelschleifenspule 10 cm beträgt, der Spulendraht einen Radius φ von 0,5 mm besitzt und der Abstand h zwischen dem Aluminiumblech und der Spule 1 cm beträgt, so ergibt sich die sekundäre Äquivalentimpedanz R zu R *= 0,5 nuX„

Obgleich je nach der Leitfähigkeit und Permeabilität

von Eisen gewisse Unterschiede vorliegen, beträgt die bei Verwendung eines Aluminium-Kochgeschirrs erreichte sekundäre Äquivalentimpedanz R etwa sin „₀ Zehntel derjenigen bei Verwendung des Eisen-Kochgeschirrs, Im Fall des Aluminium-Kochgeschirrs erhöht sich daher der Spulenverlust derart, daß sich eine beträchtliche Herabsetzung der Heizleistung ergibt.

Unter Berücksichtigung der tatsächlichen Windungszahl (mehr als 10) der Heizspule liefert eine Berechnung der sekundären Äquivalentimpedanz R die in Fig. 6 dargestellten Ergebnisse. Wenn bei Verwendung eines Kochgeschirrs 32 aus Aluminium die

_on Dicke seines Aluminiumblechs 0,5 mm oder mehr boträqt

mid tür Kt'-quciiz UVi; llucli I r rqu«M»z-M«t<|in-M <· J Ί:: IOO kil/.

entspricht, ist die sekundäre Äquivalentimpedanz R im wesentlichen konstant, d.h. R = 0,14A· Die tatsächliche Impedanz des Spulendrahts der Heizspule L _oc beträat andererseits O,295-/l, weil sie durch den Skintiiekt bzw. die Hautwirkung beeinflußt wird. Neben der Heizspule L bilden Transistoren und andere Bauelemente eine zusätzliche Impedanz, so daß die

Primärirapedanz R' etwa 0,4 - 0,5-Ω-beträgt. Wenn die Primärimpedanz wesentlich größer ist als die Sekundärimpedanz, ist die Heizleistung außerordentlich niedrig 5

Zur Ausschaltung dieses Problems wird erfindungsgemäß für die Heizspule L ein Leiterdraht (Litzendraht) verwendet, der durch Bündelung einer Vielzahl dünner, isolierter Kupferdrähte gebildet ist, wobei die Impedanz (Skin- bzw. Hautwiderstand) der Heizspule L so reduziert wird, daß sich die Primärimpedanz verringert.

Aufgrund des Vorhandenseins einer anderen Bauelementen 15

als der Heizspule L zuzuschreibenden Impedanz kann allerdings bisher der Herabsetzung der Heizleistung noch nicht voll begegnet werden= Erfindungsgemäß wird daher die Windungszahl der ein Hochfrequenz-Magnetfeld von etwa 100 kHz erzeugenden Heizspule L2 zur

Vergrößerung der sekundären Äquivalentimpedanz zwangsläufig vergrößert. Obgleich dabei eine Vergrößerung der Windungszahl der Heizspule L2 ins Auge gefaßt bzw. in Kauf genommen wird, ist die Größe der Heizspule L2 durch die Größe des Kochgeschirrs und andere

Faktoren begrenzt. Die Heizspulen L2 werden daher in mehreren, beispielsweise drei Lagen angeordnet. Die dem Quadrat der Windungszahl der Heizspule proportionale sekundäre Äquivalentimpedanz R ergibt

sich dabei zu R = 0,14Λ χ 3 =1,26-1. Obgleich 30

dabei die Impedanz der Heizspule verringert wird, erhöht sich die sekundäre Äquivalentimpedanz R, so daß der Herabsetzung der Heizleistung wirksam begegnet werden kann.

Die dreilagige Anordnung der Heizspule bedingt die folgenden Maßnahmen: Die für eine einlagige (herkömmliche) Heizspule berechnete Induktivität L

ι/ 11.

ergibt sich zu L = 14,4 jwH. Im Fall der dreilagigen Heizspule beträgt die Induktivität L, die ebenfalls dem Quadrat der Windungszahl proportional ist, 2

L = 1414 mH χ 3 = 130 uH, Zur Erzielung von Resonanz bei der Frequenz von 100 kHz muß die Kapazität C

des Resonanz-Kondensators C = —x — = 0,019 5 ^F

betragen.

Wenn die Impedanz anderer Bauelemente, abgesehen von der Heizspule, 0,5Hbeträgt, betragen der Stromverbrauch P = 1,05 kW,, der Wirkungsgrad-η = 72 %, die maximale Spannung V/cm über den Kondensator = 4050 V und der durch den Kondensator fließende Höchststrom

Im = 48„8 Α» Unter diesen, erfindungsgemäß bestimmten 15

Bedingungen muß der verwendete Kondensator C2 unbedingt eine hohe Aushalte- bzw. Stehspannung von mehreren kV besitzen.

Bei der beschriebenen Ausführungsform kann das an 20

das Kochgeschirr angelegte Hochfrequenz-Magnetfeld entsprechend der Werkstoffart (Eisen oder Aluminium) des Kochgeschirrs automatisch eingestellt werden. Der Anwender braucht sich also nicht um den Werkstoff des jeweils verwendeten Kochgeschirrs zu kümmern. Dies ist deshalb der Fall, weil die Werkstoffart des Kochgeschirrs durch den Detektor 30 automatisch festgestellt wird, so daß nach Maßgabe des Ausgangs-

signals des Detektors 30 der jeweils richtige Hochfrequenzstrom I₁ oder I₀ geliefert und die betreffende 30

Heizspule L1 oder L2 für den Betrieb gewählt werden kann.

Die Schaltungsanordnung des Wechselrichterkreises gemäß Fig. 1 kann vereinfacht werden oder sein, weil

diet - Wechselrichterkreis 18 nur einen einzigen Las teuerkreis 24 benötigt, der selektiv jeweils einen der beiden Schaltkreise 20 und 22 zur Erzeugung verschiedener Hochfrequenzströme anzusteuern vermag.

Gemäß den Fig. 3A bis 3C ist die Heizspule L zusammen mit dem eine Vielzahl von Aussparungen 48 aufweisenden

_c isolierenden bzw. Isolierdraht 44 spiralförmig gets

wickelt. Der Durchmesser der Heizspulen L1, L2 kann somit zur Ermöglichung der Verwendung eines Kochgeschirrs eines vergleichsweise großen Durchmessers entsprechend ausgelegt werden, so daß das Kochgeschirr mit einem gleichmäßigen, wirksamen Hochfrequenz-Magnetfeld beaufschlagt werden kann. Eine Konzentration des Magnetfelds im Mittelbereich des Kochgeschirrs kann weiterhin, ohne Beeinflussung der gesamten Bodenfläche des Kochgeschirrs, sicher verhindert werden.

Die Aussparungen 48 erleichtern den Draht-Wicklungs-15

Vorgang und verbessern die Ventilations- oder Belüftungsleistung und somit die Kühlwirkung für die Heizspulen. Dies ist insbesondere für die zweite Heizspule L2 von Bedeutung, die ein Hochfrequenz-Magnetfeld von 50 kHz oder mehr, vorzugsweise in der Größen-20

Ordnung von 100 kHz, erzeugt.

In den Fig. 7 und 8 ist eine elektromagnetische Induktionsheizvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei sind den Teilen von Fig. 1 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet. Ein dem Transformator 14 benachbart angeordpeter Wechselrichterkreis 50 umfaßt einen unsymmetrischen Wechselrichter 52 aus einem npn-Transistor 54, einer Diode 56 und einem Resonanz-Kondensator 58 sowie einen Ansteuerkreis 60 'zur Ansteuerung des Transistors 54 des Wechselrichters 52. Der Transistor 54 ist ein MOS-Transistor oder ein bipolarer Transistor. Die Diode 56 und der Kondensator 58 sind parallel zwischen Emitter und Kollektor des Transistors 54 geschaltet. Der Kollektor des Transistors 54 ist mit einem bewegbaren Kontaktteil 62a eines Wechsel- bzw. Umschalters 62 verbunden, dessen

bewegbarer Kontaktteil 62a durch einen Schaltertreiber selektiv zwischen einem ersten und einem zweiten festen Kontaktteil 62b bzw. 62c umschaltbar ist.

Zwei Heizspulen L3 und L4 sind in Reihe zwischen den ersten festen Kontaktteil 6 2b des Schalters 62 und eine Plus-Ausgangsklemme 26-2 der Gleichstromquelle 26 geschaltet. Ein Sammelpunkt 66 der Heizspulen L3, L4 ist

-^q unmittelbar mit dem zweiten festen Kontaktteil 62c des Schalters 62 verbunden. Ein Detektor 68 mit z.B. einem nicht dargestellten Hall-Element stellt fest, ob der Metallwerkstoff eines auf die Heiz- oder Kochplatte aufgesetzten Kochgefäßes magnetisch (wie Eisen) p- oder nicht magnetisch (wie Aluminium) ist, und liefert dem Schaltertreiber 64 ein dem jeweiligen Werkstoff entsprechendes Signal 70. Wenn festgestellt wird, daß das Kochgeschirr aus Eisen besteht, verbindet der Schaltertreiber 64 demzufolge den bewegbaren Kontakt-

_on teil 62a des Schalters 62 mit dem ersten festen Kontaktteil 62b (Fig. 7). Wenn festgestellt wird, daß das Kochgeschirr aus Aluminium besteht, wird der Schalter 62 so angesteuert, daß sich der bewegbare Kontaktteil 62a an den zweiten festen Kontaktteil 62c anlegt.

Die Fig. 8A und 8B veranschaulichen schematisch den Aufbau eines ein Hochfrequenz-Magnetfeld erzeugenden Abschnitts 72, welcher, die beiden Heizspulen L3 und L4 einschließt. Dabei sind zwei Leiterdrähte 74, 76 (Litzendrähte wie bei der ersten Ausführungsform), die jeweils den Heizspulen L3 bzw. L4 entsprechen, in gegenseitiger Berührung und elektrisch voneinander isoliert spiralig gewickelt. Gemäß Fig. 7 ist das freie Ende 78 des ersten, als die erste Heizspule L3

_oc itfirkenden Leiterdrahts 74 mit dem ersten festen Kontakv~~il 62b des Schalters 62 verbunden, während ein freies Ende 80 des die zweite Heizspule L4 bildenden Leiterdrahts 76 an die zweite Ausgangsklemme 26-2 der

Gleichstromquelle 26 angeschlossen ist.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann die Windungszahl der Heizspulen zweckmäßig an die Art des Werkstoffs (magnetisch oder nicht-magnetisch) des jeweiligen Kochgeschirrs angepaßt werden. Wenn festgestellt wird, daß das Kochgeschirr aus Eisen besteht, wird die erste Heizspule L3 durch Umschalten des Schalters 62 überbrückt, so daß dann nur die zweite Heizspule L4 wirksam ist. Wenn dagegen das Kochgeschirr aus Aluminium hergestellt ist, befinden sich beide Heizspulen L3 und L4 in Betrieb, wobei die

Zahl der verfügbaren oder wirksamen Windungen, ent-15

sprechend der Summe aus den Windungszahlen beider Heizspulen L3 und L4, vergrößert ist. Auf diese Weise kann das Kochgeschirr unabhängig davon, ob es aus Eisen oder Aluminium besteht, stets mit einem Hochfrequenz-Magnetfeld einer zweckmäßigen Frequenz beaufschlagt werden. Die gleichzeitige Verwendung der Heizspule L3 bietet zahlreiche zusätzliche Wirkungen, wie insgesamt wirtschaftliche Nutzung der Litzendrähte sowie Vereinfachung des Aufbaus des Wechselrichterkreises 50.
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Obgleich die Erfindung vorstehend anhand zweier bevorzugter Aus füh run «fs formen dargestellt und beschrieben ist, sind dem Fachmann selbstverständlich

verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich. 30

Beispielsweise wird bei den beschriebenen Ausführungsformen für die Induktionserwärmung oder -beheizung eines Kochgeschirrs aus einem nicht-magnetischen Werkstoff, wie Aluminium, ein Hochfrequenz-Magnetfeld

von etwa 100 kHz erzeugt. Im Fall eines Aluminium-35

blechs entsteht jedoch der Skineffekt bzw. die Hautwirkung, wodurch die Impedanz des Kochgeschirrs konstant eingestellt wird, wie erwähnt,

bei Anlegung eines Hochfrequenz-Magnetfelds von etwa 50 kHz ο Die vorstehend beschriebenen Wirkungen und Vorteile der Erfindung werden demzufolge auch dann erzielt, wenn die Anordnung so ausgelegt ist, daß das Magnetfeld für die Induktionsbeheizung eine Frequenz von 50 kHz oder mehr besitzt.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

/ΐΓ)Elektromagnetische Induktionsheizvorrichtung, die ein aus Metall hergestelltes, ein zu garendes Gut enthaltendes Kochgeschirr mit einem Wechselfeld beaufschlagt und damit im Inneren des Kochgeschirrs einen _ Wirbelstrom erzeugt, so daß das Kochgeschirr Wärme zum Garen des 'Garguts erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß eine magnetische Heizeinrichtung (L2, L3, L4) zur Erzeugung eines Wechselfelds mit einer Frequenz mindestens einer vorgegebenen Größe, die groß genug

,_ ist, um in einem nicht-magnetischen Werkstoff, aus Ib

dem das betreffende Kochgeschirr (32) hergestellt ist, einen Skineffekt bzw. eine Hautwirkung zu erzeugen, so daß die Impedanz des Kochgeschirrs (32) für das Magnetfeld unabhängig von dessen (Wand-)Dicke konstant eingestellt ist, und zur Beaufschlagung des Kochgeschirrs (32) mit dem Wechselfeld zwecks Induktionserwärmung oder -beheizung des Kochgeschirrs vorgesehen ist.

_O!_ 2ο Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Heizeinrichtung einen Wechselrichter (18, 50) zur Erzeugung eines der Frequenz entsprechenden Hochf^equenzstroms und mit dem Wechselrichter verbundene Spuleneinheiten (L2, L3, L4) zur _Λ Abnahme des Hochfrequenzstroms zwecks Erzeugung des

Wechselmagnetfelds und zur gleichmäßigen Beaufschlagung zumindest eines Bodenflächenabschnitts des Kochgeschirrs (32) mit dem Wechselmagnetfeld umfaßt.

3. Vorr.,untung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Heizeinrichtung ein Wechselmagnetfeld einer Frequenz von mindestens 50 kHz erzeugt,

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Heizeinrichtung ein Wechselmagnet-

_ feld mit einer Frequenz von vorzugsweise mindestens ο

100 kHz erzeugt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter einen Hochfrequenzstrom mit einer Frequenz von mindestens 50 kHz und vorzugsweise nicht weniger als 100 kHz liefert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Detektor (30, 6 8) zur automatischen Bestimmung,

ob das Kochgeschirr (32) aus einem magnetischen Werk-15

stoff, z.B. einem Eisenmetall, oder einem nichtmagnetischen Werkstoff, z.B. einem Nichteisenmetall, hergestellt ist, und zur Lieferung eines elektrischen Signals (29, 70) entsprechend dem jeweiligen Bestimmungsergebnis .

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Heizeinrichtung eine mit dem Detektor (30, 68) verbundene Magnetfelderzeugungseinheit (L1, L2; L3, L4) zur selektiven Erzeugung

eines ersten Wechselfelds mit einer ersten Frequenz für ein magnetisches Kochgeschirr und eines zweiten Wechselfelds mit einer mindestens 50 kHz betragenden Frequenz, die höher ist als die erste Frequenz, für ein nicht-magnetisches Kochgeschirr in Abhängigkeit vom elektrischen Signal (29, 70) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelderzeugungseinheit (L1, L2; L3, L4)

im Fall eines Kochgeschirrs (32) aus einem Metall 35

der Gruppe nicht-magnetischer Metalle, einschließlich Aluminium, das zweite Wechselfeld an das Kochgeschirr (32) anlegt und im nicht-magnetischen Metall einen

Skineffekt bzw. eine Hautwirkung in der Weise erzeugt, daß sich der Magnetfluß des zweiten Wechselfelds im

,. Innenbereich des nicht-magnetischen Metalls in einer ο

vorgegebenen Tiefe von seiner Oberfläche konzentriert, so daß die Impedanz des Kochgeschirrs (32) für das Magnetfeld unabhängig von der (Wand-)Dicke des Kochgeschirrs im wesentlichen festgelegt ist.

ο Vorrichtung nach Anspruch 8_r dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelderzeugungseinheit (L1, L2; L3, L4) das zweite Wechselfeld in der Weise erzeugt, daß dieses zweite Wechselfeld eine Frequenz von vorzugsweise

mehr als 100 kHz besitzt.
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10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelderzeugungseinheit bzw. die magnetische Heizeinrichtung einen mit dem Detektor verbundenen Wechselrichter (18) zur selektiven Lieferung eines ersten Hochfrequenzstroms (I₁) und eines zweiten HochfrequenzStroms (I _) mit einer höheren Frequenz als der des ersten Hochfrequenzstroms nach Maßgabe des elektrischen Signals vom Detektor und mit dem Wechselrichter (18) verbundene Heizspulen (L1, L2) zur selektiven Abnahme des ersten bzw. des zweiten Hochfrequenzstroms (I₁, I₉) sowie zur selektiven Erzeugung des ersten, bzw. des zweiten Wechselmagnetfelds zwecks gleichmäßiger Beaufschlagung zumindest eines Bodenabschnitts des Kochgeschirrs (32) mit diesen Wechselmagnetfeldern aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspulen aine erste Heizspule (L1) mit einer ersten Windungszahl zur Abnahme des ersten

Boo _".equenzStroms (I₁) und eine zweite Heizspule (L2)

einer zweiten, die erste Windungszahl übersteigenden Windungszahl zur Abnahme des zweiten

Hochfrequenzstroms (I_?) in der Weise, daß sie in bezug auf die erste Heizspule (L1) wahlweise wirksam wird, c umfassen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die zweite Heizspule (L2) der beiden Heizspulen (L1, L2) einen unter Festlegung eines spiraligen Zwischenraums zwischen seinen Windungen spiralig gewickelten, leitfähigen Draht (44) und einen spiralig im Zwischenraum des leitfähigen Drahts (44) gewickelten und diesen spiraligen Zwischenraum ausfüllenden, elektrisch isolierenden (insulative)

, _c Draht (46) aufweist, dessen Seitenflächen mit dem leitfähigen Draht (44) in Berührung stehen und der in seinen Seitenflächen mit einer Vielzahl von Aussparungen (48) zur Begünstigung einer Ventilation bzw. Belüftung zwecks Verbesserung der Luftkühlung _n des leitfähigen Drahts (44) versehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspulen mehrere Spulen (L3, L4) mit jeweils einer vorbestimmten Windungszahl und Spulende anschluß-Änderungsmittel (62) zum Ändern (Umschalten) der Anschlüsse zwischen den Spulen (L3, L4) zur selektiven Änderung der Gesamtzahl der Spulenwindungen zwischen der ersten und der zweiten Windungszahl entsprechend dem ersten bzw. dem zweiten Hochfrequenzstrom (I. bzw. I_) umfassen.