DE3332990C2

DE3332990C2 -

Info

Publication number: DE3332990C2
Application number: DE3332990A
Authority: DE
Inventors: Hisashi Tokio/Tokyo Jp Okatsuka; Koichi Inuyama Aichi Jp Taniguchi; Toshio Kuwana Mie Jp Kakizawa
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-09-13
Filing date: 1983-09-13
Publication date: 1989-03-09
Also published as: NL189227B; NL8303136A; CA1201174A; NL189227C; DE3332990A1; GB8324323D0; US4549056A; AU543894B2; GB2128060A; AU1876383A; GB2128060B

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Induktionskochvorrichtung, 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 Gargutes erzeugt. Eine derartige Vorrichtung ist in der DE-OS 23 17 565 beschrieben. Mit der dort beschriebenen Vorrichtung können jedoch nur Kochgeschirre aus magnetischem Material, wie Eisen, verwendet werden, obwohl durchaus auch ein Bedürfnis besteht, Kochgeschirre aus einem nichtmagnetischen metallischen Werkstoff, wie Aluminium in Verbindung mit einer elektromagnetischen Induktionsheizvorrichtung zu verwenden. Dies wurde bisher jedoch nicht für möglich gehalten ohne nachteilige Auswirkungen auf die Heizschaltkreise hervorzurufen. In der genannten Druckschrift wird daher als günstigstes Material für das Kochgerät ein magnetisches Metall mit hohem Widerstand wie Eisen oder Stahl vorgeschlagen. Die Verwendung beispielsweise von Aluminium-Kochgeschirren unter den in dieser Druckschrift beschriebenen Gegebenheiten würde einer elektromagnetischen Induktionsheizung im Leerlauf, d. h. bei nicht auf das Kochgerät aufgesetztem Kochgeschirr, entsprechen, so daß der Heizkreis möglicherweise beschädigt werden könnte.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, wahlweise Kochgeschirre aus magnetischem und nichtmagnetischem metallischem Werkstoff beheizen zu können, ohne daß hierzu eine manuelle Umschaltung der Heizvorrichtung erforderlich ist und ohne daß die Gefahr besteht, daß die Heizspulen beschädigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die in Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale. Zwar sind aus der DE-Z: elektrowärme international, 29 (1971) Heft 8, S. 441-445, "Induktives Erwärmen" die physikalischen Grundlagen für das induktive Erwärmen einschließlich der Grundformeln für die Eindringtiefe und die im Heizgut induzierte Leistung grundsätzlich bekannt und bei Heißschweißverfahren wurde auch schon vorgeschlagen (US-Z: Metal Progress, Dec. 1954, S. 102-105 "Dual Frequency Heating for Forging") mit unterschiedlichen Frequenzen zu schweißen, doch führte dies nicht zur Entwicklung einer für Kochgeschirre aus unterschiedlichen Metallen geeigneten induktiven Heizvorrichtung, obwohl Kochgeschirre aus Aluminium oder anderen Nichteisenmetallen wegen ihrer zahlreichen Vorteile in zunehmendem Maß in Haushalten verwendet werden.

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

Fig. 1 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,

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 und der unter Heranziehung der Wanddicke d des Kochgeschirrs als Parameter erreichten Impedanz des Kochgeschirrs,

Fig. 7 ein Blockschaltbild des allgemeinen Aufbaus einer elektromagnetischen Induktionsheizvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 8A und 8B eine Aufsicht bzw. eine Seitenansicht zur Veranschaulichung der Ausbildung einer bei der Vorrichtung nach Fig. 7 vorgesehenen Heizspule.

Fig. 1 veranschaulicht in Blockschaltbildform eine elektromagnetische Induktionsheizvorrichtung gemäß der Erfindung, bei der sowohl Kochgeschirre aus ferromagnetischem Material, wie Eisen oder rostfreier Stahl, als auch solche aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, wie Aluminium, verwendbar sind. Diese Vorrichtung umfaßt eine erste Heizspule L 1 für die ausschließliche Induktionserwärmung eines Kochgeschirrs aus einem der genannten ferromagnetischen Werkstoffe und eine zweite Heizspule L 2 für die ausschließliche Induktionserwärmung eines Kochgeschirrs aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, wie Aluminium. Die zweite Heizspule L 2 besitzt dabei eine größere Windungszahl als die erste Heizspule L 1.

Gemäß Fig. 1 sind die beiden Klemmen oder Anschlüsse einer Wechselstromquelle 10 getrennt über Netzschalter 12 an die beiden Klemmen oder Anschlüsse einer Primärwicklung 14 a 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 Netzschalter 12 mit der Wechselstromquelle 10 verbunden. Eine Sekundärwicklung 14 b des Transformators 14 ist an einen Wechselrichterkreis 18 angeschlossen, der zwei Schaltkreise 20, 22 mit jeweils Schalttransistoren eines vorbestimmten Typs (z. B. npn-Typ) und einen 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 zweite Schaltkreis 22 bei einem höheren Frequenzpegel 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 L 1 bzw. L 2 verbunden. Die Heizspulen L 1 und L 2 sind an eine erste Ausgangsklemme (negative bzw. Minus-Ausgangsklemme) 26-1 einer Gleichstromquelle 26 über Resonanz-Kondensatoren C 1 bzw. C 2 angeschlossen, die in Verbindung mit den Heizspulen L 1 bzw. L 2 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 22.

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 L 1 und L 2 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 L 1 und L 2 sind jeweils in Form einer Schleife bzw. Windung in zwei Ebenen unter der Heizplatte 34 angeordnet. In einer zentralen Öffnung der übereinanderliegenden, ringförmigen Spulen L 1 und L 2 ist ein mechanischer Automatik-Schalter 30 angeordnet, der einen 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 38 durch das Kochgeschirr 32 magnetisch angezogen und nach oben verlagert, um unter Zwischenfügung der Glasplatte 34 am Boden das Kochgeschirrs 32 zu haften. Wenn dagegen das Kochgeschirr 32 aus Aluminium oder einem anderen nichtmagnetischen Werkstoff besteht, fällt der Dauermagnet 38 unter Schwerkrafteinfluß und ohne Anziehung durch das Kochgeschirr 32 nach unten, wobei er den Betätigungsknopf 42 des Mikroschalters 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 L 1 mit einem Hochfrequenzstrom I₁ von 20 kHz zu speisen und damit das z. B. aus Eisen bestehende Kochgeschirr induktiv zu erwärmen. Wenn das Kochgeschirr 32 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, wie Aluminium, besteht, steuert der Ansteuerkreis 24 nur den zweiten Schaltkreis 22 nach Maßgabe des Signals 31 an, um die zweite Heizspule L 2 mit einem Hochfrequenzstrom I₂ von 100 kHz zu speisen und damit das z. B. aus Aluminium bestehende Kochgeschirr einer Induktionserwärmung zu unterwerfen.

Die beiden Heizspulen L 1 und L 2 sind mit einem an die Form des Kochgeschirrs 32 angepaßten Schleifendurchmesser (loop diameter) ausgebildet. Im folgenden ist anhand der Fig. 3A bis 3C als Beispiel die Ausbildung der zweiten Heizspule L 2 beschrieben. Gemäß der schaubildlichen Darstellung von Fig. 3A ist die Heizspule L 2 aus einer spiralig aufgerollten Windung oder 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 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 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 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 Heizspule L 2, 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 L 1 angelegten Stroms, gespeist wird, für die Induktionserwärmung eines Kochgeschirrs aus einem nichtmagnetischen Werkstoff wesentlich größer ist als die Windungszahl der ersten Heizspule L 1. Wenn die beiden Heizspulen L 1 und L 2 auf die vorstehend beschriebene Weise ausgebildet sind, ist die zweite Heizspule L 2 somit durch Anordnung mehrerer spiral gewickelter Litzendrähte gemäß Fig. 3A in einzelnen Lagen ausgebildet, derart, daß der Schleifendurchmesser der zweiten Heizspule L 2 demjenigen der ersten Heizspule L 1 gleich ist (vgl. Fig. 2). Für den Resonanzkondensator C 2 ist unbedingt ein Kondensator mit einer hohen Spannungsfestigkeit in der Größenordnung 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 Kochplatte 34 aufgesetzten, ein zu garendes Nahrungsmittel enthaltenden Kochgeschirrs ein ferromagnetisches Material, wie Eisen, oder ein nichtmagnetisches 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 aktivieren. Da der Schaltkreis 20 einen Hochfrequenzstrom I ₁ zur ersten Heizspule L 1 liefert, wird das Kochgeschirr durch einen aus der Heizspule L 1 und dem Kondensator C 1 gebildeten Reihenresonanzkreis mit einem Wechselmagnetfeld einer hohen Frequenz in der Größenordnung von 20 kHz beaufschlagt. Durch dieses Hochfrequenzmagnetfeld 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 Nahrungsmittels. Wenn dagegen das Kochgeschirr 32 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, wie Aluminim, 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 22 aktiviert. Infolgedessen wird die erste Heizspule L 1 abgeschaltet, während die zweite Heizspule L 2 mit dem Hochfrequenzstrom I ₂ von etwa 100 kHz beschickt wird und ein Hochfrequenzmagnetfeld für die Induktionserwärmung des Aluminium- Kochgeschirrs erzeugt.

Die bisher nicht mögliche Induktionserwärmung bzw. induktive Erwärmung eines Kochgeschirrs aus Aluminium oder einem anderen nichtmagnetischen Werkstoff kann somit wirksam gewährleistet werden, indem mittels der zweiten Heizspule L 2 ein Wechselfeld einer hohen Frequenz von 50 kHz oder mehr, vorzugsweise etwa 100 kHz, erzeugt wird. Dieser Prozeß beruht auf der 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 festgelegte (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 Eisenblechs F unabhängig von seiner Dicke konstant, so daß der gegebene 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 hergestellten Kochgeschirrs konstant eingestellt, indem 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 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 begrenzt. 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 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 erfindungsgemäß 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. 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 Kochgeschirr 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 L 1 oder L 2 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

In obigen Gleichungen bedeuten: E ( ξ ) ein perfektes elliptisches Integral erster Ordnung, K ( ξ ) ein perfektes elliptisches Integral zweiter Ordnung, f die Frequenz des Hochfrequenz-Magnetfelds, μ ₂ die Permeabilität des Metalls, μ ₀ die Permeabilität von Vakuum, σ ₂ die elektrische Leitfähigkeit von Metall und δ die Eindringtiefe.

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 Radius ⌀ von 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 mΩ.

Wenn der Metallwerkstoff ein Aluminiumblech mit einer Dicke d von 0,5 mm ist, die Frequenz f des Hochfrequenz- Magnetfelds bei 100 kHz liegt, der Schleifenradius a der Einzelschleifenspule 10 cm beträgt, der Spulendraht einen Radius ⌀ 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 mΩ.

Obgleich je nach der Leitfähigkeit und Permeabilität von Eisen gewisse Unterschiede vorliegen, beträgt die bei Verwendung eines Aluminium-Kochgeschirrs erreichte sekundäre Äquivalentimpedanz R etwa ein 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 Dicke seines Aluminiumblechs 0,5 mm oder mehr beträgt und die Frequenz des Hochfrequenz-Magnetfeld 100 kHz entspricht, ist die sekundäre Äquivalentimpedanz R im wesentlichen konstant, d. h. R = 0,14 Ω. Die tatsächliche Impedanz des Spulendrahts der Heizspule L beträgt andererseits 0,295 Ω, weil sie durch den Skineffekt bzw. die Hautwirkung beeinflußt wird. Neben der Heizspule L bilden Transistoren und andere Bauelemente eine zusätzliche Impedanz, so daß die Primärimpedanz R′ etwa 0,4-0,5 Ω beträgt. Wenn die Primärimpedanz wesentlich größer ist als die Sekundärimpedanz, ist die Heizleistung außerordentlich niedrig.

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 als der Heizspule L zuzuschreibenden Impedanz kann allerdings bisher der Herabsetzung der Heizleistung noch nicht voll begegnet werden. Es wird daher die Windungszahl der ein Hochfrequenz-Magnetfeld von etwa 100 kHz erzeugenden Heizspule L 2 zur Vergrößerung der sekundären Äquivalentimpedanz zwangsläufig vergrößert. Obgleich dabei eine Vergrößerung der Windungszahl der Heizspule L 2 ins Auge gefaßt bzw. in Kauf genommen wird, ist die Größe der Heizspule L 2 durch die Größe des Kochgeschirrs und andere Faktoren begrenzt. Die Heizspulen L 2 werden daher in mehreren, beispielsweise drei Lagen angeordnet. Die dem Quadrat der Windungszahl der Heizspule proportionale sekundäre Äquivalentimpedanz R ergibt sich dabei zu R = 0,14 Ω × 3² = 1,26 Ω. Obgleich 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 ergibt sich zu L = 14,4 µH. Im Fall der dreilagigen Heizspule beträgt die Induktivität L, die ebenfalls dem Quadrat der Windungszahl proportional ist, L = 14,4 µH × 3² = 130 µH. Zur Erzielung von Resonanz bei der Frequenz von 100 kHz muß die Kapazität C des Resonanz-Kondensators

betragen.

Wenn die Impedanz anderer Bauelemente, abgesehen von der Heizspule, 0,5 Ω beträgt, 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 A. Unter diesen, erfindungsgemäß bestimmten Bedingungen muß der verwendete Kondensator C 2 unbedingt eine hohe Spannungsfestigkeit von mehreren kV besitzen.

Bei der beschriebenen Ausführungsform kann das an 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 Ausgangssignals des Detektors 30 der jeweils richtige Hochfrequenzstrom I ₁ oder I ₂ geliefert und die betreffende Heizspule L 1 oder L 2 für den Betrieb gewählt werden kann.

Die Schaltungsanordnung des Wechselrichterkreises 18 gemäß Fig. 1 kann vereinfacht werden oder sein, weil dieser Wechselrichterkreis 18 nur einen einzigen Ansteuerkreis 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 isolierenden bzw. Isolierdraht 44 spiralförmig gewickelt. Der Durchmesser der Heizspulen L 1, L 2 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-Wicklungsvorgang und verbessern die Ventilations- oder Belüftungsleistung und somit die Kühlwirkung für die Heizspulen. Dies ist insbesondere für die zweite Heizspule L 2 von Bedeutung, die ein Hochfrequenz-Magnetfeld von 50 kHz oder mehr, vorzugsweise in der Größenordnung 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 angeordneter 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 62 a eines Wechsel- bzw. Umschalters 62 verbunden, dessen bewegbarer Kontaktteil 62 a durch einen Schaltertreiber 64 selektiv zwischen einem ersten und einem zweiten festen Kontaktteil 62 b bzw. 62 c umschaltbar ist. Zwei Heizspulen L 3 und L 4 sind in Reihe zwischen den ersten festen Kontaktteil 62 b des Schalters 62 und eine Plus-Ausgangsklemme 26-2 der Gleichstromquelle 26 geschaltet. Ein Sammelpunkt 66 der Heizspulen L 3, L 4 ist unmittelbar mit dem zweiten festen Kontaktteil 62 c 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) 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 Kontaktteil 62 a des Schalters 62 mit dem ersten festen Kontaktteil 62 b (Fig. 7). Wenn festgestellt wird, daß das Kochgeschirr aus Aluminium besteht, wird der Schalter 62 so angesteuert, daß sich der bewegbare Kontaktteil 62 a an den zweiten festen Kontaktteil 62 c anlegt.

Die Fig. 8A und 8B veranschaulicht schematisch den Aufbau eines ein Hochfrequenz-Magnetfeld erzeugenden Abschnitts 72, welcher die beiden Heizspulen L 3 und L 4 einschließt. Dabei sind zwei Leiterdrähte 74, 76 (Litzendrähte wie bei der ersten Ausführungsform), die jeweils den Heizspulen L 3 bzw. L 4 entsprechen, in gegenseitiger Berührung und elektrisch voneinander isoliert spiralig gewickelt. Gemäß Fig. 7 ist das freie Ende 78 des ersten, als die erste Heizspule L 3 wirkenden Leiterdrahts 74 mit dem ersten festen Kontaktteil 62 b des Schalters 62 verbunden, während ein freies Ende 80 des die zweite Heizspule L 4 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 nichtmagnetisch) des jeweiligen Kochgeschirrs angepaßt werden. Wenn festgestellt wird, daß das Kochgeschirr aus Eisen besteht, wird die erste Heizspule L 3 durch Umschalten des Schalters 62 überbrückt, so daß dann nur die zweite Heizspule L 4 wirksam ist. Wenn dagegen das Kochgeschirr aus Aluminium hergestellt ist, befinden sich beide Heizspulen L 3 und L 4 in Betrieb, wobei die Zahl der verfügbaren oder wirksamen Windungen, entsprechend der Summe aus den Windungszahlen beider Heizspulen L 3 und L 4, 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 L 3 bietet zahlreiche zusätzliche Wirkungen, wie insgesamt wirtschaftliche Nutzung der Litzendrähte sowie Vereinfachung des Aufbaus des Wechselrichterkreises 50.

Obgleich die Erfindung vorstehend anhand zweier bevorzugter Ausführungsformen dargestellt und beschrieben ist, sind dem Fachmann selbstverständlich verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich. Beispielsweise wird bei den beschriebenen Ausführungsformen für die Induktionserwärmung oder -beheizung eines Kochgeschirrs aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, wie Aluminium, ein Hochfrequenz-Magnetfeld von etwa 100 kHz erzeugt. Im Fall eines Aluminiumblechs 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. 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.

Claims

1. Elektrische Induktionskochvorrichtung mit Wechselrichter zur Erwärmung eines aus Metall hergestellten Kochgeschirrs, gekennzeichnet
durch eine erste Induktionsspule (L 1, L 3) zur Erzeugung eines ersten magnetischen Wechselfeldes mit einer ersten Frequenz für ein magnetisches Kochgeschirr,
durch eine zweite Induktionsspule (L 2, L 4) zur Erzeugung eines zweiten magnetischen Wechselfeldes mit einer zweiten Frequenz, die höher ist als die erste Frequenz,
durch Kontrolleinrichtungen (18, 50) zur automatischen Bestimmung des Werkstoffes des benützten Kochgeschirrs (32) und zur entsprechenden Steuerung der Arbeitsweise der beiden Induktionsspulen (L 1, L 2, L 3, L 4) in der Art,
daß bei Benutzung eines Kochgeschirrs (32) aus einem magnetischen Werkstoff, der ersten Induktionsspule (L 1, L 3) ein Hochfrequenzstrom (I 1) mit der ersten Frequenz zugeführt wird,
daß bei Benutzung eines Kochgeschirrs (32) aus einem nichtmagnetischen metallischen Werkstoff der zweiten Induktionsspule (L 3, L 4) ein Hochfrequenzstrom (I 2) mit der zweiten Frequenz zugeführt wird, die so hoch ist, daß die Impedanz des Kochgeschirrs (32) bezüglich des zweiten Magnetfeldes im wesentlichen konstant und unabhängig von der Wanddicke des Kochgeschirrs (32) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Kochgeschirrwerkstoffes ein Detektor (30, 68) vorgesehen ist, der in Verbindung mit dem Wechselrichter (18, 50) die ersten und zweiten Hochfrequenzströme (I 1, I 2) erzeugt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Frequenz im Bereich von 50 kHz-100 kHz liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Induktionsspule (L 2) eine höhere Windungszahl hat als die erste Induktionsspule (L 1).

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Induktionsspule aus 2 in Serie geschalteten Heizspulen (L 3, L 4) unterschiedlicher Windungszahl besteht, während die erste Induktionsspule nur aus der von beiden Heizspulen besteht, die die niedrigere Windungszahl hat (L 4).

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Induktionsspule (L 2) zwei nebeneinander spiralig aufgewickelte und sich berührende Drähte (44, 46) aufweist, von denen der eine (44) aus leitfähigem Werkstoff und der andere (46) aus isolierendem Werkstoff besteht, und daß der isolierende Draht (46) an seinen Seitenflächen mit einer Vielzahl von Aussparungen (48) zur Luftkühlung des leitfähigen Drahtes (44) versehen ist.