DE19955457A1

DE19955457A1 - Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von Gegenständen

Info

Publication number: DE19955457A1
Application number: DE1999155457
Authority: DE
Inventors: Joerg Hess
Original assignee: INNOVAT GES fur SONDERMASCHB
Current assignee: INNOVAT GES fur SONDERMASCHB
Priority date: 1999-11-17
Filing date: 1999-11-17
Publication date: 2001-05-23

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Gegenständen (18, 18'), insbesondere von Gefäßen für Speisen. Die Vorrichtung weist mindestens eine in einem elektrischen Schwingkreis (10) angeordnete Induktionsspule (16, 16') zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes auf, an das der zu erwärmende Gegenstand (18, 18') ankoppelbar ist. Der Schwingkreis mit den Induktionsspulen befindet sich in einem Gehäuse (22), das einen Gehäusedeckel aus diamagnetischem Material mit einer die Induktionsspule (16, 16') übergreifenden Stellfläche (44) für den aufzuheizenden Gegenstand (18, 18') aufweist. Um eine unerwünschte Verstimmung des Schwingkreises zu verhindern und eine gleichmäßige Erwärmung der aufzuheizenden Gegenstände zu gewährleisten, weist das Gehäuse einen mit dem Spulenträger (34, 34') bestückten metallischen, nicht magnetisierbaren Gehäuseboden (24) auf, wobei der Spulenträger (34, 34') zugleich als Abstandshalter zwischen Gehäuseboden und Induktionsspule dient. Die Heizleistungsverteilung innerhalb der Induktionsspulen und zwischen verschienenen im Schwingkreis angeordneten Induktionsspulen kann durch weichmagnetische Bauteile (42) bewirkt werden, die in entsprechende Ausnehmungen in den Spulenträgern wahlweise eingesetzt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Gegenständen, insbesondere von Gefäßen für Speisen, mit mindestens einer in einem elektrischen Schwingkreis an geordneten Induktionsspule zur Erzeugung eines magneti schen Wechselfeldes, an das der zu erwärmende Gegen stand derart ankoppelbar ist, daß in diesem Wirbel strom- und/oder Ummagnetisierungswärme erzeugt wird, wobei die als Flachwicklung ausgebildete Induktionsspu le auf einem die eine Breitseite der Flachwicklung un terstützenden Spulenträger innerhalb eines Gehäuses an geordnet ist und das Gehäuse einen Gehäusedeckel aus elektrisch und magnetisch nicht leitendem Material mit einer die Flachwicklung auf der dem Spulenträger gegen überliegenden Breitseite übergreifenden Stellfläche für den aufzuheizenden Gegenstand aufweist.

Bei der Zubereitung und Verteilung von Speisen in Kran kenhäusern, Altenheimen und ähnlichen Einrichtungen ist ein Abkühlen der Speisen auf dem Transportweg zu ver meiden. Zu diesem Zweck werden häufig Speisetablett- Transportwagen verwendet, die ein induktives Erwär mungssystem zum Aufwärmen und Warmhalten der Speisen enthalten. Insbesondere werden hierbei vorgegarte Spei seportionen regeneriert, d. h. von einer Kühltemperatur im Bereich von 2 bis 10°C auf eine Kerntemperatur von etwa 70°C aufgeheizt. Diese Kerntemperatur darf vor schriftsgemäß aus hygienischen Gründen nicht unter schritten werden. Andererseits ist aber auch eine über mäßige Erhitzung der Speisen über einen längeren Zeit raum zu vermeiden, da dies die Qualität der Speisen be einträchtigen würde.

Ein bekanntes Induktions-Erwärmungssystem dieser Art (DE-A 197 14 701) besteht im wesentlichen aus einer gleichgerichteten Spannungsquelle, einer Halbleiter schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Wechselstroms mit einem Reihenschwingkreis, der mindestens eine In duktionsspule und mindestens eine Kapazität enthält. Die Leistungsregelung derartiger Reihenschwingkreise kann durch Variation der Taktfrequenz erfolgen, die in der Größenordnung von 10 bis 50 kHz liegt. Weitere Ein flußgrößen sind die Fläche des durch die Induktionsspu le erzeugten Feldes, die tatsächlich von dem zu erwär menden Gefäß abgedeckt wird, die Schichtdicke des lei tenden Teils des zu erwärmenden Gefäßes, der Abstand des leitenden Bereichs des zu erwärmenden Gefäßes von der Induktionsspule, die magnetischen Materialeigen schaften des Gefäßes (diamagnetisch, paramagnetisch oder feromagnetisch) sowie die elektrische und thermi sche Leitfähigkeit des Gefäßes und deren Temperaturab hängigkeit. Diese Größen können zu einer Verstimmung des Schwingkreises führen, die auf geeignete Weise kom pensiert werden muß. Dies gilt insbesondere dann, wenn mehr als eine Induktionsspule zur Aufheizung einer ent sprechenden Anzahl von Gefäßen in dem Schwingkreis an geordnet sind. Bei tragbaren Geräten kann eine Verstim mung des Schwingkreises auch dadurch erfolgen, daß das Gerät auf eine Unterlage aus ferromagnetischem Material gestellt wird und es dabei zu einer unerwünschten Lei stungsauskopplung kommt.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, ein induktives Erwärmungssystem der eingangs angegebenen Art insbesondere zur Speiseerwärmung zu entwickeln, das eine optimale Leistungseinkopplung in die aufzuheizenden Gegenstände bei geringen Magnetfeld verlusten nach außen gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Patentan sprüchen 1 und 6 angegebenen Merkmalskombinationen vor geschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil dungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Lösung geht von dem Gedanken aus, daß eine Verstimmung des Schwingkreises dadurch vermie den werden kann, daß das Gehäuse einen mit dem Spulen träger bestückten Gehäuseboden aus elektrisch leiten dem, magnetisch nicht leitendem Material aufweist, wo bei der Spulenträger zugleich als Abstandshalter zwi schen dem Gehäuseboden und der Induktionsspule fun giert. Vorteilhafterweise ist der Gehäuseboden als nicht magnetisierbare Metallplatte vorzugsweise aus Aluminium ausgebildet. Ein solcher Gehäuseboden kann zugleich als wärmeleitender Kühlkörper für eine Endstu fe des elektrischen Schwingkreises ausgebildet sein, wenn ein mit der mindestens einen Induktionsspule ge koppelter Leistungstransistor des Schwingkreises mit dem Gehäuseboden thermisch gekoppelt ist.

Einen weiteren Parameter zur Voreinstellung der Reso nanzfrequenz des Schwingkreises erhält man dadurch, daß der Spulenträger mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme von magnetisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Bauteilen aufweist.

Eine bevorzugte oder alternative Ausgestaltung der Er findung sieht vor, daß in dem Schwingkreis mindestens zwei elektrisch miteinander gekoppelte, als Flachwick lungen ausgebildete Induktionsspulen vorgesehen sind, denen je ein Spulenträger sowie eine Stellfläche für einen der aufzuwärmenden Gegenstände zugeordnet ist, wobei jeder Spulenträger mit Ausnehmungen zur wahlwei sen Aufnahme von magnetisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Bauteilen versehen ist.

Vorteilhafterweise sind die magnetisch leitenden Bau teile als stab- oder scheibenförmige, weichmagnetische Ferritelemente ausgebildet.

Die Ausnehmungen sind vorteilhafterweise als in einer zur jeweiligen Induktionsspule weisenden Breitseiten fläche des Spulenträgers angeordnete Vertiefungen aus gebildet. Die Vertiefungen können dabei länglich ausge bildet sein und in ihrer Längsrichtung bezüglich der benachbarten Induktionsspule sternförmig radial ausge richtet sein. Der einen kreisrunden Umriß aufweisende Spulenträger kann dabei in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung unterschiedlich dicht mit den magne tisierbaren Bauteilen bestückt sein, wobei im Falle des Vorhandenseins mehrerer Induktionsspulen die verschie denen Spulenträger unterschiedlich dicht mit magneti sierbaren Bauelementen bestückt sein können. Mit diesen Maßnahmen erhält man zusätzliche Freiheitsgrade zur Einstellung der Induktivität und des radialen und axialen Induktivitätsverlaufes in den einzelnen Indukti onsspulen mit dem Ziel, eine möglichst gleichmäßige, überhitzungsfreie Aufheizung der Gegenstände oder Gefä ße zu erzielen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines Reihen schwingkreises mit mehreren Induktionsspulen für die Erwärmung von in metallisierten Gefä ßen befindlichen Speisen;

Fig. 2 eine schaubildliche Darstellung eines trans portablen Speisenerwärmungsgeräts;

Fig. 3 eine Draufsicht auf das Speisenerwärmungsgerät nach Fig. 2;

Fig. 4 eine Seitenansicht des Speisenerwärmungsgeräts nach Fig. 2;

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Schnittlinie V-V der Fig. 3;

Fig. 6 eine schaubildliche Darstellung der Bodenplat te des Speisenerwärmungsgeräts nach Fig. 2 mit zwei Spulenträgern und einer Steuerungsplati ne.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Schaltungsanord nung 10 besteht im wesentlichen aus einer Gleich richterschaltung 12, mit der die Spannung einer Netz spannungsquelle 14 gleichgerichtet wird, zwei Halblei terschaltern T₁, T₂ zum frequenzgesteuerten Zerhacken der gleichgerichteten Netzspannung, einem Reihen schwingkreis bestehend aus zwei Induktionsspulen 16, 16' und zwei Kondensatoren C₁, C₂, der mit der durch die Halbleiterschalter T₁, T₂ zerhackten Spannung be aufschlagt wird, sowie zwei Gefäßen 18, 18' als Last für die Induktionsspulen 18, 18'. Die Frequenzsteuerung der Halbleiterschalter T₁, T₂ erfolgt durch einen Mi krocontroller 20, der mit den Betriebsgrößen Netzspan nung und -strom sowie Induktionsspulen-Spannung und -strom als Regelgrößen beaufschlagt wird. Der Mikrocon troller 20 weist einen Speicherbereich auf, in dem in der Form von Tabellen und/oder Kennlinien Leistungs sollwerte für unterschiedliche Gefäßarten 18, 18' und Maximalwerte für den zulässigen Spulenstrom und die Spulenspannung gespeichert sind. Aus den ermittelten Betriebsgrößen, die mittels nicht dargestellter Senso ren gemessen werden, und dem sich daraus ergebenden Leistungssollwert berechnet der Mikrocontroller eine Taktfrequenz, mit der die Halbleiterschalter T₁, T₂ als Stellgröße beaufschlagt werden. Die Halbleiterschalter T₁, T₂ sind MOS-FET-Transistoren oder IGBT-Transisto ren, die in der Lage sind, Leistungen im Bereich von 500 W bis 5 kW zu schalten, wobei sie zur Ansteuerung nur eine geringe Leistung erfordern, so daß sie direkt von dem Mikrocontroller 20 angesteuert werden können.

Das transportable Speisenerwärmungsgerät befindet sich in einem Gehäuse 22 bestehend aus einem durch eine Alu miniumplatte gebildeten Gehäuseboden 24 und einem mit dem Gehäuseboden verbindbaren Gehäusedeckel 26 aus Kunststoff. Die Schaltungsanordnung 10 umfaßt eine Pla tine 28, die mittels Schrauben 30 und Abstandshaltern 32 mit dem Gehäuseboden 24 verbunden ist. Der Gehäuse boden 24 aus Aluminium fungiert gleichzeitig als Kühl körper für die Leistungstransistoren T₁, T₂ der Schal tungsanordnung 10.

An dem Gehäuseboden 24 sind ferner Spulenträger 34, 34' zur Aufnahme der als Flachwickelungen ausgebildeten In duktionsspulen 16, 16' angeordnet. Die Spulenträger 34, 34' weisen je einen zentral überstehenden Zentrierzap fen 36, 36' auf, die durch eine Zentralöffnung 38 in den Induktionsspulen hindurchgreifen. Die Spulenträger 34, 34' weisen außerdem an ihrer oberen Breitseite als sternförmig angeordnete Vertiefungen ausgebildete Aus nehmungen 40 auf, in die wahlweise stabförmige Ferrit elemente 42 eingelegt werden können. Je nachdem wie viele der magnetisierbaren Ferritelemente 42 in die Ausnehmungen 40 der Spulenträger 34, 34' eingelegt wer den, kann der Absolutwert und das Verhältnis der Induk tivität der beiden Induktionsspulen 16, 16' variiert und an die gewünschte Leistungsauskopplung in die auf zuwärmenden Gegenstände angepaßt werden. Ebenso kann durch geeignete Positionierung der Ferritelemente 42 innerhalb der Ausnehmungen 40 die Magnetfeldverteilung und damit die Leistungsverteilung über die Spulenfläche variiert werden. Dem Gehäuseboden 24 kommt zusätzlich die Funktion einer Magnetfeldabschirmung zu. Sie ver hindert ein unerwünschtes Auskoppeln von magnetischer Energie in eine außerhalb des Gehäuses befindliche, ggf. magnetisch wirksame Unterlage.

Der aus einem diamagnetischen Kunststoff bestehende Ge häusedeckel 26 weist im Bereich der darunter befindli chen Induktionsspulen 16, 16' Stellflächen 44 auf, auf die die aufzuheizenden Gefäße 18, 18' aufstellbar sind. Die Gefäße 18, 18' bestehen typischerweise aus kerami schem Material, vorzugsweise aus Porzellan, das mit ei ner elektrisch leitenden Schicht, beispielsweise Silber beschichtet ist.

Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfin dung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Gegenständen 18, 18', insbesondere von Gefäßen für Speisen. Die Vorrichtung weist mindestens eine in einem elektrischen Schwingkreis 10 angeordnete Induktionsspu le 16, 16' zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfel des auf, an das der zu erwärmende Gegenstand 18, 18' ankoppelbar ist. Der Schwingkreis mit den Indukti onsspulen befindet sich in einem Gehäuse 22, das einen Gehäusedeckel aus diamagnetischem Material mit einer die Induktionsspule 16, 16' übergreifenden Stellfläche 44 für den aufzuheizenden Gegenstand 18, 18' aufweist. Um eine unerwünschte Verstimmung des Schwingkreises zu verhindern und eine gleichmäßige Erwärmung der aufzu heizenden Gegenstände zu gewährleisten, weist das Ge häuse einen mit dem Spulenträger 34, 34' bestückten me tallischen, nicht magnetisierbaren Gehäuseboden 24 auf, wobei der Spulenträger 34, 34' zugleich als Abstands halter zwischen Gehäuseboden und Induktionsspule dient. Die Heizleistungsverteilung innerhalb der Indukti onsspulen und zwischen verschiedenen im Schwingkreis angeordneten Induktionsspulen kann durch weichmagneti sche Bauteile 42 bewirkt werden, die in entsprechende Ausnehmungen in den Spulenträgern wahlweise eingesetzt werden können.

Claims

1. Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Gegenständen ins besondere von Gefäßen (18, 18') für Speisen, mit mindestens einer in einem elektrischen Schwingkreis angeordneten Induktionsspule (16, 16') zur Erzeu gung eines magnetischen Wechselfeldes, an das der zu erwärmende Gegenstand (18, 18') derart ankoppel bar ist, daß in diesem Wirbelstromwärme und/oder Ummagnetisierungswärme erzeugt wird, wobei die als Flachwicklung ausgebildete Induktionsspule (18, 18') auf einem die eine Breitseite der Flachwick lung unterstützenden Spulenträger (34, 34') inner halb eines Gehäuses (22) angeordnet ist und das Ge häuse einen Gehäusedeckel (26) aus elektrisch und magnetisch nicht leitendem Material mit einer die Induktionsspule (16, 16') auf der dem Spulenträger gegenüberliegenden Breitseite übergreifenden Stell fläche (44) für den aufzuheizenden Gegenstand (18, 18') aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge häuse (22) einen mit dem Spulenträger (34, 34') be stückten Gehäuseboden (24) aus elektrisch leiten dem, magnetisch nicht leitendem Material aufweist, wobei der Spulenträger (34, 34') als Abstandshalter zwischen Gehäuseboden (24) und Induktionsspule (16, 16') ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Gehäuseboden (24) als nicht magneti sierbare Metallplatte vorzugsweise aus Aluminium ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gehäuseboden (24) zugleich als wärmeleitender Kühlkörper für eine Endstufe des elektrischen Schwingkreises ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge kennzeichnet durch einen mit der mindestens einen Induktionsspule (16, 16') gekoppelten Lei stungstransistor (T₁, T₂) des Schwingkreises, der mit dem Gehäuseboden (24) thermisch gekoppelt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß der Spulenträger (34, 34') mehrere Ausnehmungen (40) zur Aufnahme von ma gnetisch leitenden, elektrisch nicht leitenden Bau teilen (42) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß in dem Schwingkreis (10) mindestens zwei elektrisch miteinander gekoppelte, als Flachwicklungen ausgebildete Induktionsspulen (16, 16') angeordnet sind, denen je ein Spulenträ ger (34, 34') sowie eine Stellfläche (44) zugeord net ist, wobei jeder Spulenträger (34, 34') mit Ausnehmungen (40) zur wahlweisen Aufnahme von ma gnetisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Bauteilen (42) versehen ist.

7. Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Gegenständen ins besondere von Gefäßen (18, 18') für Speisen, mit mindestens einer in einem elektrischen Schwingkreis angeordneten Induktionsspule (16, 16') zur Erzeu gung eines magnetischen Wechselfeldes, an das der zu erwärmende Gegenstand (18, 18') derart ankoppel bar ist, daß in diesem Wirbelstromwärme und/oder Ummagnetisierungswärme erzeugt wird, wobei die als Flachwicklung ausgebildete Induktionsspule (18, 18') auf einem die eine Breitseite der Flachwick lung unterstützenden Spulenträger (34, 34') inner halb eines Gehäuses (22) angeordnet ist und das Ge häuse einen Gehäusedeckel (26) aus elektrisch und magnetisch nicht leitendem Material mit einer die Induktionsspule (16, 16') auf der dem Spulenträger gegenüberliegenden Breitseite übergreifenden Stell fläche (44) für den aufzuheizenden Gegenstand (18, 18') aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schwingkreis (10) mindestens zwei elektrisch mit einander gekoppelte, als Flachwicklungen ausgebil dete Induktionsspulen (16, 16') angeordnet sind, denen je ein Spulenträger (34, 34') sowie eine Stellfläche (44) zugeordnet ist, wobei jeder Spu lenträger (34, 34') mit Ausnehmungen (40) zur wahl weisen Aufnahme von magnetisch leitenden und elek trisch nicht leitenden Bauteilen (42) versehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die magnetisch leitenden Bauteile (42) als vorzugsweise stab- oder scheiben förmige, weichmagnetische Ferritelemente ausgebil det sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (40) als in einer zur jeweiligen Induktionsspule weisenden Breitseitenfläche des Spulenträgers (34, 34') ange ordnete Vertiefungen ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß die Vertiefungen (40) länglich ausgebildet sind und in ihrer Längserstreckung bezüglich der benachbarten Induktionsspule (16, 16') sternförmig radial ausgerichtet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß der vorzugsweise einen kreisrunden Umriß aufweisende Spulenträger (34, 34') in Umfangsrichtung und/oder in radialer Rich tung unterschiedlich dicht mit den magnetisierbaren Bauelementen (42) bestückt ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Spulen träger (34, 34') unterschiedlich dicht mit magneti sierbaren Bauelementen (42) bestückt sind.