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Anwendungsgebiet und Stand
der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Induktionsheizeinrichtung mit einer Induktionsspule
und einer an der Induktionsspule angeordneten Temperaturerfassungseinrichtung.
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Es
ist üblich, in Kochstellen mit Induktionsbeheizung die
Sicherheit gegen Übertemperatur sowohl an der Induktionsbeheizung
selbst als auch an einer eine Abdeckplatte bildenden Glaskeramik-Kochplatte durch
elektronisch abfragbare Widerstands-Temperatursensoren zu gewährleisten.
Diese haben jedoch Kostennachteile wegen der reinen Beschaffungskosten.
Des weiteren ist das Abfragen und Auswerten von Temperatursensoren
unter Umständen aufwendig, insbesondere unter dem Aspekt,
dass eine hohe Sicherheit zu gewährleisten ist.
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Weitere
Nachteile sind eine mögliche Einkopplung von induzierten
Störungen in die Sensoren bzw. deren Auswertung, eine Drift
der Sensoren, relativ hohe Anforderungen bzgl. der Sicherheit hinsichtlich
der Software-Klassen sowie eine Simulation von Fehlerfällen.
Die Sicherheitsanforderungen führen ggf. zu indirekten
Kosten für Tests und Genehmigungen.
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Aufgabe und Lösung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Induktionsheizeinrichtung zu
schaffen, mit der Probleme des Standes der Technik gelöst
werden können und insbesondere eine kostengünstige
und sichere sowie praxistaugliche Temperaturerfassung an einer Induktionsbeheizung bzw.
Induktionsspule erreicht werden kann.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch eine Induktionsheizeinrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und
werden im Folgenden näher erläutert. Der Wortlaut
der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme
zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass die Temperaturerfassungseinrichtung ein thermomechanisches
Bauteil, insbesondere einen Bimetallschalter, aufweist mit einem
sich durch Temperaturänderung verformenden Erfassungsteil
und einer von dem Erfassungsteil bzw. dessen Verformung mechanisch direkt
betätigten Schalteinrichtung. Es wird also von einer elektronischen
Lösung bzw. Temperaturerfassung und Auswertung weggegangen
zu einer thermomechanischen. Des weiteren wird auch durch die Temperaturveränderung
bzw. durch die davon bewirkte Bewegung eine Schalteinrichtung betätigt
und somit ein Schaltvorgang ausgelöst. Dieser kann entweder,
wie nachfolgend noch näher erläutert wird, als Signal
für eine Steuerung verwendet werden, um die Induktionsheizeinrichtung
abzuschalten, oder vorteilhaft diese möglicherweise sogar
direkt abschalten.
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In
einfacher Ausgestaltung der Erfindung ist das thermomechanische
Bauteil ein Bimetall-Thermoschalter. Es kann ein einarmiger oder
unter Umständen auch mehrarmiger Bimetall-Schaltarm vorgesehen
sein, was eine bekannte und sehr zuverlässige Lösung
darstellt, die praxiserprobt ist. Alternativen dazu könnten
thermomechanische Ausdehnungsschalter sein, wie sie beispielsweise
als sogenannte Stabregler von Strahlungsheizungen bekannt sind,
beispielsweise aus der
EP
1 569 257 B1 , wodurch ebenfalls ein Schaltvorgang an einer
Schalteinrichtung ausgelöst werden kann.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das thermomechanische
Bauteil über der bzw. an der Oberseite der Induktionsspule
angeordnet, insbesondere auf der Oberseite. Falls die Induktionsspule
eine Isolierscheibe an ihrer Oberseite aufweist, beispielsweise
aus Mikanit, so kann das thermomechanische Bauteil in einem Ausschnitt
in dieser Scheibe und über der Induktionsspule angeordnet sein.
Damit ist es möglichst nahe an der für die Induktionsspule
maßgeblichen bzw. gefährlichen Wärmequelle
angeordnet, nämlich einer darüber verlaufenden
Kochfeldplatte bzw. allgemeinen Abdeckung. Grundsätzlich
ist es natürlich auch möglich, die Temperaturerfassungseinrichtung
bzw. das thermomechanische Bauteil in die Induktionsspule hinein
zu versenken, beispielsweise so, dass sie nicht über deren
flache Seiten übersteht. Es ist sogar möglich,
sie an deren Unterseite vorzusehen, wenngleich weniger praktikabel.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Schalteinrichtung
einen Schaltarm auf, der an einem Ende einen Kontaktkopf der Schalteinrichtung
trägt und der von dem Erfassungsteil beeinflusst ist bzw.
bewegt wird. Dazu kann er vorteilhaft mit dem Erfassungsteil mechanisch
bzw. konstruktiv verbunden sein. In besonders bevorzugter und einfacher Ausgestaltung
der Erfindung bildet das Erfassungsteil den Schaltarm, kann also
beispielsweise ein Schaltarm aus einem Bimetall sein, der an einem Ende
den Kontaktkopf trägt. An einem anderen Ende kann er mit
einer Schalteinrichtungsbasis verbunden sein, die wiederum einen
Gegenkontakt trägt und vorteilhaft nicht durch Temperaturveränderung
wesentlich beeinflusst wird bzw. zumindest keinen Bimetalleffekt
aufweist.
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Als
Kontaktmaterial für Schaltkontakte der Schalteinrichtung
können Kupfer oder Silbermaterial bzw. Legierungen daraus
verwendet werden. Dieses weist eine hohe Beständigkeit
bei hoher Schalthäufigkeit auf. Vorteilhaft beträgt
ein Mindestanteil von Silber oder Kupfer 90%.
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Eine
Arbeitstemperatur bzw. ein Schaltpunkt der Schalteinrichtung oder
des thermomechanischen Bauteils kann bei etwa 250°C bis
280°C liegen. Dies ist eine Temperatur, bis zu der übliche
Induktionsspulen bzw. Induktionsheizeinrichtungen ohne Gefahr einer
Beschädigung arbeiten können. Wegen Temperaturüberschwingern
sollte die Materialbeständigkeit der Induktionsspule und
auch die des Bauteils dann aber bis zu 350°C oder sogar
bis 450°C gehen. Des weiteren ist hier bei einer Abdeckung über
der Induktionsheizeinrichtung in Form einer Glaskeramik-Kochfeldplatte
keine Beschädigungsgefahr für die Platte gegeben.
Eine mögliche Überhitzung der Glaskeramik-Kochfeldplatte
oder der Induktionsheizeinrichtung selbst kann dadurch auftreten,
dass ein damit erhitzter Gegenstand, insbesondere ein aufgestellter
Topf, zu heiß wird und durch seine Kontaktwärme
die darunterliegende Glaskeramik-Kochfeldplatte oder eben die Induktionsheizeinrichtung
erhitzt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung können zwei thermomechanisch
betätigte Schalteinrichtungen vorgesehen sein, die jeweils
zwei unterschiedliche Arbeitstemperaturen bzw. Schaltpunkte sowie
jeweils eigene Anschlüsse aufweisen. Einer dieser Schaltpunkte
kann bei den vorgenannten 250°C bis 280°C liegen
und die Induktionsheizeinrichtung bzw. eine damit versehene Glaskeramik-Kochfeldplatte
gegen Beschädigung schützen. Ein anderer Schaltpunkt
kann bei etwa 40°C bis 90°C liegen, also erheblich
niedriger. Er kann bei einem Induktionskochfeld für eine sogenannte
Heißanzeige vorgesehen sein, also um eine Temperatur anzuzeigen,
oberhalb derer eine Berührung des Induktionskochfelds bzw.
der Glaskeramik-Kochfeldplatte eine Verbrennungsgefahr darstellt.
Durch das Schalten bei Unterschreiten dieses Schaltpunkts kann eine Heißanzeige
abgestellt werden bzw. bei Überschreiten dieses Schaltpunkts
mit einer höheren Temperatur kann eine Heißanzeige
aktiviert werden.
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Bei
dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel mit zwei Schalteinrichtungen
können diese gemäß einer Ausgestaltung
der Erfindung grundsätzlich gleichartig aufgebaut sein,
insbesondere können sie gleich bzw. identisch ausgebildet
sein. Dabei können für zwei thermomechanisch betätigte
Schalteinrichtungen beispielsweise zwei Schaltarme, vorteilhaft als
Bimetall, vorgesehen sein, die an einer gemeinsamen Basis angeordnet
sind, aber eben unterschiedliche Schaltpunkte und Gegenkontakte
aufweisen.
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In
alternativer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass
eine Schalteinrichtung für eine höhere Arbeitstemperatur
bzw. den höheren Schaltpunkt zum direkten Schalten des
Stroms durch die Induktionsspule hindurch ausgebildet ist. Dazu kann
sie seriell in den Stromzweig zu der Versorgung der Induktionsspule
geschaltet sein. Durch das direkte Einschalten wird eine hohe Schaltsicherheit
bzw. Sicherheitsfunktion erreicht, so dass die Induktionsheizeinrichtung
auf alle Fälle bei Überschreiten des als gefährlich
angesehenen Schaltpunkts abgeschaltet wird. Ein Versagen von elektronischen
Steuerteilen odgl. kann dadurch nicht auftreten.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die zweite Schalteinrichtung
für die zweite Arbeitstemperatur bzw. den zweiten Schaltpunkt
als Signalschalter ausgebildet sein. Sie kann mit einer Signalanzeige
der Induktionsheizeinrichtung verbunden sein bzw. diese ansteuern,
insbesondere mit einer optischen Signalanzeige mit einem Leuchtmittel. Zum
einen ist diese zweite Schalteinrichtung nur zum Schalten von geringen
Strömen bzw. Signalströmen ausgebildet, was ja
für eine optische Signalanzeige ausreicht. Des weiteren
kann sie entweder die Signalanzeige direkt ein- und ausschalten,
oder aber vorteilhaft ein Signal erzeugen bzw. eine Steuerung veranlassen,
die Signalanzeige einzuschalten oder auszuschalten.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass
eine Änderung des Widerstands bzw. ein Schalten des thermomechanischen
Bauteils bzw. der Schalteinrichtung registriert wird, insbesondere
von einer Steuerung der Induktionsheizeinrichtung. Dies kann zum
Anlass genommen werden, die Leistungsversorgung bzw. die Leistungsstufe
der Induktionsspule zu reduzieren. Beim Wiedereinschalten der etwas
abgekühlten Induktionsheizeinrichtung wird sie also mit
geringerer Leistungsstufe wieder eingeschaltet. Dies ist vor allem beim
sogenannten Booster-Betrieb von Induktionskochfeldern von Bedeutung
und vorteilhaft. Dort kann von der höchsten Booster-Stufe
auf beispielsweise die nächst niedrigere reduziert werden,
so dass nicht wieder nach kurzer Zeit eine Überhitzung
auftritt mit Abschalten der Induktionsspule durch die Schalteinrichtung.
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In
nochmals weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Schalteinrichtung
bzw. die gesamte Temperaturerfassungseinrichtung nicht magnetisch bzw.
nicht magnetisierbar ausgebildet sein. Dies weist den Vorteil auf,
dass sie von einem Betrieb bzw. einem möglicherweise wechselnden
Betrieb der Induktion nicht beeinträchtigt wird, insbesondere
nicht negativ beeinträchtigt wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass
die Temperaturerfassungseinrichtung bzw. das thermomechanische Bauteil
nicht die einzige Sicherheitsfunktion gegen Übertemperatur
darstellt. Es kann noch ein weiterer elektronisch abfragbarer Sensor
vorhanden sein, der als üblicher Temperatursensor ausgebildet
sein kann und für sogenannte Komfortfunktionen wie Kochpunkterkennung,
Leerkochen, Bratautomatik und Restwärmeanzeige ausgelegt
ist. Er wird von einer Steuerung entsprechend angesteuert und ausgewertet.
Hier wäre ein Vorteil dann der, dass die Sicherheit durch
das thermomechanische Bauteil gewährleistet wird, welches
sehr störungsunanfällig und somit sehr zuverlässig
ist. Wenn eine der genannten Komfortfunktionen ausfällt,
so ist dies zwar immer noch sehr störend für eine
Bedienperson, ändert aber nichts an der grundsätzlichen
Gewährleistung der Sicherheit der Induktionsheizeinrichtung.
Ein Vorteil ist hier eine mögliche Variantenvielfalt bei
den Komfortfunktionen durch den elektronisch abfragbaren Sensor,
ohne jeweils neue Sicherheitstests durchführen zu müssen, da
die Sicherheit durch das thermomechanische Bauteil stets gewährleistet
ist.
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Ist
ein solcher weiterer elektronisch abfragbarer Sensor vorhanden,
so. kann insbesondere vorgesehen sein, dass dieser das thermomechanische Bauteil überprüft
und somit eine Plausibilitätskontrolle in beide Richtungen
stattfindet. Es kann also zusätzlich der elektronisch abfragbare
Sensor die Temperatur überprüfen und möglicherweise
einen davon abweichenden Schaltzustand erkennen. Sollte dies auftreten
oder die Überprüfung andere Unterschiede aufzeigen,
so sollte ein Warnsignal ausgegeben werden oder die Induktionsheizeinrichtung
abgeschaltet bzw. nicht mehr eingeschaltet werden. In einem solchen
Fall kann nämlich einerseits bei der genannten Schalteinrichtung
ein Verkleben der Kontakte stattgefunden haben, so dass diese nicht
mehr auslösen können und die Sicherheitsfunktion
nicht mehr gewährleistet wird. Andererseits ist es möglich,
dass eben der elektronisch abfragbare Sensor ein Problem hat. Dies
sollte dann vor Weiterbetrieb der Induktionsheizeinrichtung überprüft
werden.
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Diese
und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren
in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für sich schutzfähige Ausführungen
darstellen können, für die hier Schutz beansprucht
wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie
Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen
gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und
werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen
zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Induktionsheizeinrichtung
mit Induktionsspule, auf der ein Bimetall-Thermoschalter angeordnet
ist samt elektrischer Verschaltung,
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2 eine
Seitenansicht der Induktionsheizeinrichtung aus 1 im
Einbauzustand in einem Induktionskochfeld,
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3 und 4 Abwandlungen
der Induktionsheizeinrichtung entsprechend 2 bzgl.
des Bimetall-Thermoschalters und eines Temperatursensors.
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Detaillierte Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die 1 zeigt
eine Induktionsheizeinrichtung 11 mit einer schematisch
dargestellten, spiralig gewickelten und flach ausgebildeten Induktionsspule 12.
Die Induktionsspule 12 weist einen ersten Anschluss 14a und
einen zweiten elektrischen Anschluss 14b auf. Diese sind
wie üblich ausgebildet, wobei der erste Anschluss 14a vom
Außenrand abragt und der zweite Anschluss 14b in
einem Mittelbereich abgeht. Auf einer Oberseite 13 der
Induktionsspule ist im mittleren Bereich ein Bimetall-Thermoschalter 17 angeordnet,
und zwar flach liegend. Er ist scheibenartig ausgebildet und entspricht
beispielsweise einem Schalter der Baureihe S 06/S 08 mit Isolierung
der Firma Protherm Thomas Burkhardt Wärmeschutztechnik,
Schömberg.
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Ein
derartiger Bimetall-Thermoschalter 17 ist natürlich
auch in vielfältiger anderer Form verwendbar bzw. kann
in vielfältiger anderer Form ausgeführt sein,
was den Fachmann grundsätzlich nicht vor Schwierigkeiten
stellt. Der Bimetall-Thermoschalter 17 bildet die Temperaturerfassungseinrichtung
bzw. das thermomechanische Bauteil, insbesondere mit dem darin enthaltenen
Bimetall. Er weist einen ersten Anschluss 18a und einen
zweiten Anschluss 18b auf. Der zweite Anschluss 18b ist
mit dem zweiten Anschluss 14b der Induktionsspule 12 verbunden.
Mittels des ersten Anschlusses 18a, der nach außen
geführt ist, kann die Induktionsspule 12 über
den somit seriell eingeschleiften Bimetall-Thermoschalter 17 wie üblich
an eine Leistungsversorgung angeschlossen werden.
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In 2 ist
die Induktionsheizeinrichtung 11 in Seitenansicht dargestellt
im Einbauzustand in ein Induktionskochfeld 20. Dabei ist
die Induktionsspule 12 mit ihrer Oberseite zu einer Kochfeldplatte 21 hin angeordnet
und wird mittels einer nicht dargestellten, dem Fachmann jedoch
problemlos verständlichen Halteeinrichtung gehalten. Oben
auf der Kochfeldplatte 21 steht ein Kochtopf 22,
der induktiv mittels der Induktionsheizeinrichtung 11 bzw.
der Induktionsspule 12 erwärmt werden kann und
somit auch sein Inhalt. Eine dünne und durchgängige
Isolierscheibe 24 aus Mikanit mit einem Ausschnitt 23 ist
vorgesehen, wobei der Bimetall-Thermoschalter 17 in dem Ausschnitt 23 angeordnet
ist.
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Wie
an sich bekannt ist, erwärmt sich die Induktionsspule 12 im
Betrieb selbst kaum oder zumindest nicht in einem Maß,
dass sie dadurch beschädigt werden könnte. Allerdings
kann bei hohen Kochleistungen für den Kochtopf 22 dieser
durch Kontaktwärme und Wärmestrahlung die Kochfeldplatte 21 stark
aufwärmen und diese wiederum die Induktionsspule 12.
Eine für eine Kochfeldplatte 21 aus Glaskeramik
kritische Temperatur von über 500°C kann dabei
zwar erreicht werden, aber nur in wenigen Konstellationen. Allerdings
sollte die Induktionsspule 12 Temperaturen von über
250°C oder 350°C nicht ausgesetzt sein, insbesondere
um deren elektrische Isolierung nicht zu beeinträchtigen
oder gar zu beschädigen. Die Spule bzw. der Spulendraht
selbst ist nämlich in der Regel mit einem Lack versehen,
der für 180°C bis 200°C Betrieb ausgelegt
ist. Entsprechend kann aber ein Bimetall-Thermoschalter, der oben
auf der Spule liegt, bei noch etwas höheren Temperaturen
schalten.
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Wird
eine für den Bimetall-Thermoschalter 17 konstruktiv
vorgegebene Temperatur erreicht, so öffnet dieser als eine
Art Schutzschalter und unterbricht die Stromzufuhr zur Induktionsspule 12.
Diese wird somit abgeschaltet und es kann eine Abkühlung erfolgen.
Bei ausreichender Abkühlung schließt sich der
Bimetall-Thermoschalter 17 wieder selbsttätig und
der Heizbetrieb kann von neuem beginnen.
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Wie
eingangs beschrieben worden ist, könnten auch zwei oder
noch mehr solcher Bimetall-Thermoschalter 17 vorgesehen
sein, beispielsweise ein weiterer mit einer Schalttemperatur von
etwa 60°C bis 80°C, der ein Signal für
eine Heißanzeige erzeugen kann. Des weiteren muss der Bimetall-Thermoschalter 17 nicht
zwingend seriell zur Induktionsspule 12 geschaltet sein
und die Stromversorgung direkt unterbrechen. Er kann auch ein Schaltsignal
erzeugen, welches dann in einer Leistungsversorgung für die
Induktionsspule umgesetzt wird zu deren Abschalten.
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In 3 ist
in Abwandlung von 2 eine Induktionsheizeinrichtung 111 dargestellt
in einem Induktionskochfeld 120. Hier sind in einer Mikanitscheibe 124 als
Isolierung über der Induktionsspule 112 nebeneinander
zwei Ausschnitte 123a und 123b vorgesehen. Im
rechten Ausschnitt 123a sitzt ein Bimetall-Thermoschalter 117a entsprechend 2 zum direkten
Abschalten der Induktionsspule 112 bei zu hoher Temperatur.
Im linken Ausschnitt 123b ist ein elektronisch abfragbarer
Temperatursensor 117b angeordnet, der wie üblich
arbeitet und elektronisch abgefragt werden kann. Weitere Erläuterungen
zu dem elektronisch abfragbaren Temperatursensor 117b sind,
da sie bereits eingangs gegeben worden sind, hier nicht nötig.
Also sind beide Sensoren bzw. Temperaturerfassungseinrichtungen
oberhalb der Induktionsspule 112 und insbesondere in einer
Ebene angeordnet. Die Anschlussleitungen sind auf bekannte Art und
Weise herausgeführt. Beim Zusammenbau des Induktionskochfelds 120 liegen
Bimetall-Thermoschalter 117a und Temperatursensor 117b an
der Unterseite der Kochfeldplatte 121 an und erfassen somit deren
Temperatur als auch, zumindest zum Teil, die Temperatur der Induktionsspule
selbst.
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In 4 ist
eine weitere Abwandlung eines Induktionskochfelds 220 mit
Induktionsheizeinrichtung 211 unter einer Kochfeldplatte 221 dargestellt. Hier
befindet sich der elektronisch abfragbare Temperatursensor 217b direkt über
dem Bimetall-Thermoschalter 217a, der wiederum sehr nahe
bzw. auf der Induktionsspule 212 angeordnet ist. Durch
diese Anordnung übereinander ist es ebenfalls möglich, durch
die beiden Einrichtungen 217a und 217b die entsprechenden
Temperaturinformationen zu gewinnen.
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Des
weiteren ist es möglich, bei einer Anordnung von 4 den
Bimetall-Thermoschalter 217a auch über dem Temperatursensor 217b anzuordnen, beispielsweise
sogar direkt darauf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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