-
Die
Erfindung betrifft einen Backofen für Speisen wie im Oberbegriff
des Anspruchs 1 festgelegt ist.
-
Es
sind Backöfen
bekannt, bei denen in die Speise, die zubereitet werden soll, ein
Temperaturfühler
eingeschoben wird, welcher die Temperaturentwicklung überwacht.
Durch lange Erfahrung mit manueller Einstellung wurde ein Grundstock
von Daten aufgebaut, welcher ermöglicht,
mit Hilfe eines Temperaturfühlers
und einer Leistungssteuerung eine Rückkopplungsschleife aufzubauen.
Dies ermöglicht
eine sehr genaue Zubereitung und liefert gleichbleibende Ergebnisse
unter der Voraussetzung, dass der Fühler absolut korrekt in der
Speise sitzt. Die Anwendung eines Einsteckfühlers wird jedoch als unpraktisch
angesehen, da er ein häufiges Reinigen
erfordert, und die Verwendung von hochtemperaturtauglichen Steckverbindungen,
welche der Feuchtigkeit, vielleicht sogar einer rauchhaltigen und
fettigen Atmosphäre
im Backofen ausgesetzt sind, lassen diese Lösung weniger attraktiv werden. Andererseits
erfordern solche Techniken, bei denen ein solches Einstecken nicht
erfolgt, ganz allgemein, dass man das Gewicht der Speise kennt.
-
In
EP 0 239 290 B1 wird
eine Teillösung
für die
oben genannten Probleme in Verbindung mit einem Mikrowellen-Backofen beschrieben,
bei welchem nach einer Zeitspanne, in welcher die Abkühlung auf
eine spezifische Temperatur erfolgt ist, der durch die Zufuhr von
Wärme erzeugte
Temperaturanstieg bestimmt wird und in Verbindung mit gespeicherten
Informationen dazu benutzt wird, eine Entscheidung über die
verbleibende Zubereitungszeit und über die maximale Temperatur
des Backofens während
dieser Zeit zu treffen. Jedoch ist die erforderliche Wiederholungskalibrierung
mittels der Kühlung
kompliziert und zeitaufwendig, und die Genauigkeit der Bestimmung
des Temperaturanstieges reicht nicht aus, um ständig Ergebnisse hoher Qualität zu liefern,
insbesondere bei einem ausgedehnten Bereich von Speisen einschließlich Kuchen
und Feingebäck.
Daraus ergibt sich ein weites Feld für die Verbesserung derartiger
Verfahren für
das Kochen und das Backen mit einer minimalen Einbeziehung des Benutzers,
mit anderen Worten, es besteht die Notwendigkeit einer fachmännischen
Systemlösung
für das
generelle Problem der Zubereitung von Speisen mit einer bevorzugten
Qualität.
-
Das
Patent
US 4 647 746 offenbart
einen Backofen für
Speisen, welcher Mittel zur Steuerung der Wärmezuführung entsprechend dem Fortschreiten
der Zubereitung aufweist. Während
einer Aufheizphase wird die Speise durch den Wechsel zwischen mindestens
zwei Typen von Heizquellen erhitzt, wobei die Beziehung zwischen
Backofentemperatur und Zeit registriert und zur Steuerung des Typs der
Heizquelle und der Energiezuführung
während der
restlichen Zubereitungszeit entsprechend dem Typ der zuzubereitenden
Speisen benutzt wird.
-
Es
ist erkannt worden, dass die Speise selbst einen Verbraucher für die zugeführte Wärme darstellt,
und die Änderungen,
die in der Speise mit dem Fortschreiten des Zubereitungsvorganges
vor sich gehen, stellen ihrerseits als Änderungen in diesem Verbraucher
dar. Der Backofen wie auch die Speise besitzen eine thermische Masse,
insbesondere aber ist es der Wassergehalt der Speise, welcher zur
Folge hat, dass die funktionelle Darstellung des Heizvorgangs keine
einfache exponentielle Beziehung mehr ist. Auch verändern sich
die Wärmeabsorptionseigenschaften
der Oberfläche
der Speise im Verlauf der Zubereitung, was ferner dazu führt, dass
die funktionelle Darstellung des Heizvorganges keine einfache Beziehung
mehr darstellt. Nunmehr wurde jedoch erkannt, dass durch die wohlüberlegte
Anwendung des Konzeptes des thermischen Verbrauchers eine große Vereinfachung
bei der Benutzung eines Backofens erzielt werden kann. Das Ziel
der Erfindung besteht darin, einen Backofen von der oben dargestellten
Art vorzustellen, in welchen der Benutzer lediglich die Information
eingeben muss, welche die Art oder die Kategorie von Speise betrifft,
die zubereitet werden soll. Eine wahlweise Eingabe kann das Ausmaß des Kochens
oder Backens und den Ausgangszustand betreffen wie z. B. gefroren
oder "aufwärmen".
-
Das
Ziel der Erfindung wird bei dem Backofen erreicht, welcher die Merkmale
aufweist, die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgezeigt sind.
-
Zum
Zweck der Steuerung des Vorgangs ist eine Ausführungsform der Erfindung dergestalt
ausgelegt, dass die Backofentemperatur mittels mindestens einer
Temperaturmessvorrichtung, welche im Backofen befestigt ist, bestimmt
wird. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht insbesondere darin,
dass mehrere Temperaturmessvorrichtungen verwendet werden, wobei
mindestens eine von ihnen dort angeordnet ist, wo die Wärme durch
Konvektion übertragen
wird. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht insbesondere
darin, dass mindestens eine weitere Temperaturmessvorrichtung von der
Konvektion abgeschirmt ist. All diese Ausführungsformen dienen dazu, für die Steuerschaltung eine
Eingabe zu schaffen, die möglichst
zweckdienlich ist, sowie die Möglichkeit,
zwischen der Temperatur des Luftstromes und der des Backrohres zu
unterscheiden, da dies sehr aussagefähig über die im Backofen stattfindenden
Vorgänge
ist.
-
Eine
funktionelle Beziehung zwischen den einbezogenen Heizquellen besteht
insbesondere darin, dass Wärme
durch eine erste Heizquelle über eine
vorher festgelegte Zeitspanne zugeführt wird, der eine zweite Zeitspanne
folgt, während
welcher Wärme
durch eine zweite Heizquelle zugeführt wird; dass die genannte
zweite Zeitspanne durch das Erreichen einer Temperaturschwelle beendet
wird, wobei die Gesamtzeit bis zum Erreichen der Temperaturschwelle
die gesamte Zubereitungszeit mittels eines gespeicherten Multiplikationsfaktors
festlegt; und dass während
der verbleibenden Zeit Wärme
durch eine Thermostatsteuerung bei einer Temperatur zugeführt wird,
welche durch eine gespeicherte Wichtungsfunktion festgelegt wird.
-
Eine
weitere funktionelle Beziehung nutzt an Stelle einer Temperatursteuerung
eine Zeitsteuerung und besteht insbesondere darin, dass Wärme durch eine
erste Heizquelle so lange zugeführt
wird, bis eine erste vorher festgelegte Temperatur erreicht ist, wonach
Wärme durch
eine zweite Heizquelle zugeführt
wird, bis eine zweite vorher festgelegte Temperatur erreicht ist,
wobei die Gesamtzeit, die vom Beginn bis zum Erreichen der zweiten
vorher festgelegten Temperatur vergeht, gemessen und zur Berechnung
und Anzeige der gesamten Zubereitungszeit mittels eines gespeicherten
Multiplikationsfaktors benutzt wird, und dass während der verbleibenden Zeit Wärme mittels
einer Thermostatsteuerung bei einer Temperatur zugeführt wird,
die durch eine gespeicherte Wichtungsfunktion in Abhängigkeit
von der im Backofen zuzubereitenden Speise festgelegt wird, und
dass beim Errei chen des Endes der Gesamtzubereitungszeit der Backofen
sich selbst ausschaltet.
-
Man
hat sich vorgestellt, dass ein ausreichender Unterschied zwischen
den Heizquellen mit einer Konstruktion erreicht werden kann, welche
insbesondere darin besteht, dass die zweite Heizquelle durch ein
Gebläse
in Übereinstimmung
mit dem Backrohr und wahlweise in Verbindung mit der ersten Heizquelle
gebildet wird. Dieses Gebläse
kann auch bei beliebiger Temperatur benutzt werden, um im Backrohr
ein Gleichgewicht der Temperatur herzustellen, welches z. B. in
der Nähe
der Raumtemperatur liegt, wo das Schalten von einer Heizquelle zur anderen
von großer
Wichtigkeit zur genauen Bestimmung der gesamten Koch- oder Backzeit
ist. Dies würde
in vielen Fällen
bedeuten, dass die erste Heizquelle nicht eingeschaltet wird, wenn
sich das Gebläse
in Betrieb befindet.
-
Wenn
man das Konzept des thermischen Verbrauchers benutzt und den Vorgang
in Analogie zu den Begriffen Impedanz, Potential, Spannung usw.,
welche aus der elektrischen Schaltungstheorie bekannt sind, ausdrückt, kann
man die Angelegenheit so formulieren, dass der Backofen Wärme auf unterschiedlichen,
aber wohldefinierten Potentialen und mit unterschiedlichen Wärmestrom-Quellimpedanzen
zuführt,
damit man automatisch eine Kennzeichnung des Verbrauchers bezüglich seiner
Wärmekapazität und seiner
inneren Wärmeleitfähigkeit erreicht,
d. h. die thermische Verbraucherimpedanz der Speise erhält. Der
Hauptparameter, welcher kontinuierlich gemessen wird, ist die Temperatur
im Backofen, und offensichtlich die Zeit vom Startpunkt an. Ein
weiterer bedeutungsvoller Parameter ist die Momentanleistung, die
an die Heizquelle abgegeben wird. Im Fall eines elektrischen Heiz elementes
kann diese durch die Messung der Netzspannung auf wirksame Weise
ermittelt werden. In Verbindung mit gespeicherten Informationen
wie beispielsweise den Eigenschaften der verschiedenen Typen des
Verbrauchers, d. h. der verschiedenen Speisen, ermöglicht dies
eine automatische Steuerung des Zubereitungsvorgangs und die Berechnung
und Anzeige der erwarteten gesamten Koch- oder Backzeit. Die Entscheidung über die
zum Einsatz gelangenden Typen von Heizquellen wird durch den Bereich
von Speisenarten getroffen, zu deren Zubereitung ein besonderer Backofen
in der Lage sein sollte. Moderne Backöfen nutzen gewöhnlich z.
B. Infrarotstrahlung, Dampf, Heißluft und Mikrowellen in beliebiger
Kombination. Die kontinuierliche Überwachung der Entwicklung über die
Zeit erlaubt die automatische Auswahl einer Kennlinie, welche auf
eine spezielle Ausgangstemperatur bezogen ist, die nicht die Raumtemperatur ist,
um den Benutzer über
die erwartete Koch- oder Backzeit in Kenntnis zu setzen.
-
Es
besteht die Möglichkeit,
Herstellungstoleranzen durch die Kalibrierung des funktionellen
Heizverlaufs während
eines Trockenlaufes mit einem leeren Backofen zu verringern, und
dies bedeutet auch, dass individuelle Abweichungen bei den Strahlungsverlusten
an die Umgebung auch verringert werden und keinen feststellbaren
Einfluss auf die Leistungsfähigkeit
des Backofens, für
die verschiedenen Arten von Speisen, welche mit ihm zubereitet werden
können,
aufweisen wird. Die von den Heizelementen aufgenommene Leistung
wird kontinuierlich überwacht, und
dadurch werden Abweichungen, die durch einen Austausch der Elemente
verursacht werden, stark verringert.
-
Die
Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf den beigefügten Zeichnungssatz
ausführlicher beschrieben
werden. Darin sind:
-
1 zeigt
schematisch einen Backofen mit typischen Heizquellen;
-
2 zeigt
den typischen Verlauf der Temperaturentwicklung und der Wärmezuführung;
-
3 zeigt
schematisch die Eingänge
und Ausgänge
der Steuereinrichtung für
den Backvorgang; und
-
4 zeigt
typische Wichtungsfunktionen.
-
1 zeit
eine Ausführungsform
für einen erfindungsgemäßen Backofen
mit einem Backrohr 1 mit Heizelementen im Oberteil 2 und
im Unterteil 3 und mit einer Öffnung 4 für ein Gebläse oder
einen Ventilator 5, welcher auch als ein aktives Heizelement
in Form eines Ringelementes 6 im Luftstrom wirken kann.
Ein Grillelement ist unter Bezugszahl 7 dargestellt. Weiterhin
ist die Tür 8 mit
den Scharnieren 9 und einer Glasplatte 10 dargestellt.
Ein leistungsfähiger
Backofen kann eine vom Ventilator erzeugte Luftgeschwindigkeit von
1 bis 4 m/s aufweisen, und in dem Fall, wo die Leistung dem Ringheizelement
zugeführt
wird, wirkt der Backofen als ein Heißluftofen. Die in diesem Beispiel
beschriebene Ausführungsform
ist ein rein thermischer Backofen, und die Medien, die zur Übertragung
der Wärme
dienen, sind in der Hauptsache Konvektion (zurückzuführen auf den Ventilator, welcher,
wie beschrieben, heiße
Luft zuführt)
und Strahlung. Die Wärmeverluste
an die Umgebung erfolgen überwiegend
durch Strahlung.
-
Die
Grundlage für
die Erfindung liegt in der Beobachtung des vorher unbekannten Verhaltens der
Speisen, wenn diese zu verschiedenen Zeiten während des Zubereitungsvor ganges
mit unterschiedlichen Heizquellen erhitzt werden. Die oben beschriebene
Ausführungsform
gibt Anlass zu denjenigen Temperaturentwicklungen, welche in 2 dargestellt
sind, wenn die Leistung dem Backofen im unteren Teil zugeführt wird,
wie dies dargestellt ist. Eine andere Wahl der Parameter wird Anlass
zu ähnlichen,
aber anders gestalteten Kurven geben. Während einer ersten Zeitspanne
nach dem Einschalten der Steuereinrichtung für den Backvorgang wird die Umgebungstemperatur
bestimmt, und die Information wird für Kompensationszwecke gespeichert.
Während
einer ersten Zeitspanne, die entsprechend der Darstellung in der
Abbildung von 30 Sekunden bis etwa 4 Minuten reicht, erfolgt die
Aufheizung mittels des Ventilators und des Ringheizelementes, und
die Temperatur steigt bis zu einer ersten Temperaturgrenze an, welche
bei ca. 100 °C
erreicht wird, wo die spezifische Verdampfungswärme des Wassers einen großen Teil
der Wärme
ohne weiteres Ansteigen der Temperatur aufnimmt, und es ist ersichtlich,
dass dort eine gewisse Veränderung
je nach der Art des Kuchens erfolgt. Die Temperatur wird mittels
eines Temperaturfühlelementes
gemessen, welches in der hinteren Wand in einem gewissen Abstand
von der Öffnung
des Ventilators angeordnet ist. Die Steuereinheit schaltet auf das
Heizelement im Oberteil an Stelle des Ringelementes, während der
Ventilator noch in Betrieb ist. Einer anfänglichen Abnahme der Temperatur
folgt ein Anstieg über
die Zeit, welcher für
die Art des zu backenden Kuchens spezifisch ist. Dies bedeutet,
dass der zweite Schwellwert, welcher auf einen Wert in der Umgebung
von 180 °C
eingestellt wird, zu Zeiten erreicht wird, welche für die Art
des Kuchens spezifisch sind (eingekreiste Kuchenart 2 und 3). Die
Veränderung
des Auftretens des Zeitpunktes, wo der zweite Schwellwert erreicht
wird, ist derart spezifisch, dass eine Kontrolle über den
Backprozess ohne vorheriges Erproben erreicht werden kann. Die Zeit
liegt in der Umgebung von 15 Minuten, gerechnet vom Beginn an. Es
muss darauf hingewiesen werden, dass die ersten 30 Sekunden dazu
benutzt werden können,
damit sich mittels des Gebläses
im Backofen eine mittlere Temperatur einstellt, um am Fühler eine
genaue Anfangstemperatur zu erzielen.
-
Zu
dem Zeitpunkt, wo die zweite Temperaturgrenze erreicht wird, werden
die folgenden Aktivitäten
durch die Steuereinrichtung für
den Backvorgang ausgeführt.
Das obere Heizelement wird jetzt ausgeschaltet, und das Ringheizelement.
stellt in Verbindung mit dem Ventilator die einzige Wärmezuführung dar,
wodurch der Backofen in der Tat als ein Heißluftbackofen unter Thermostatsteuerung
wirkt, wobei der Temperaturfühler
die Eingabe für
den Thermostaten darstellt. Die Steuereinrichtung für den Backvorgang
ist in die Lage versetzt, die Steuertemperatur (Thermostat) und
die Restzeit festzulegen, welche a) auf einer Anzeige auf der Steuereinrichtung
für den Backvorgang
angezeigt wird, und b) für
die Abschaltung der Heizung, wenn der Kuchen fertig ist, verwendet
wird. Beim der praktischen Gebrauch wird der Benutzer ungefähr die erste
Viertelstunde als eine Vorbereitungs- und "Diagnose"-Zeit auffassen, in welcher die Eigenschaften
des zu backenden Kuchens festgestellt werden, und die Anzeige der
Restzeit ist zweckdienlich, um zu erkennen, wann der frisch gebackene
Kuchen herauszunehmen ist. In dem Fall, wo mehr Zeit gewünscht wird,
kann eine Festlegung am Bedienungsfeld getroffen werden, um die
Backzeit zu verlängern,
während
die Steuerung des Backofens völlig
beibehalten bleibt.
-
Damit
die Steuereinrichtung für
den Backvorgang in der Lage ist, dies auszuführen, muss sie im Besitz der
nachfolgenden Informationen sein, wie sie in 3 schematisch
dargestellt sind: die zwei Schwellwerte für die Temperaturen, d. h. die
Zeiten bis zum Erreichen der ersten und der zweiten Temperaturschwelle
(oder alternativ: die Temperaturen, die nach vorher festgelegten
spezifischen Zeiten erreicht werden), die durchschnittliche Eingangsspannung, der
Strom des Ringelementes (welcher die effektive Leistung ergibt)
und die thermische Masse des Backofens. Letztere wird mittels einer
Kalibrierfunktion während
eines Trockenlaufs des Backofens erhalten. Durch diesen Vorgang
werden auch Herstellungstoleranzen wie z. B. bei der Wärmeisolierung
verringert. Die Umgebungstemperatur wird als die Temperatur beim
Beginn des Backvorgangs erfasst.
-
Weiterhin
sind durch zahlreiche Testläufe
mit der spezifischen Ausführungsform
diejenigen Faktoren ermittelt worden, welche die Aufheizzeit bis
zur zweiten Temperaturschwelle mit der gesamten Zubereitungszeit
in Verbindung bringen, was wiederum bedeutet, dass gespeicherte
Information dieser Art zur Festlegung der verbleibenden Zeit (Restzeit)
zur Verfügung
stehen. In ähnlicher
Weise ist die tatsächliche
Steuerungs- oder Thermostattemperatur während dieser verbleibenden
Zeit auch für
eine Anzahl von Kuchenarten und -größen bestimmt worden. Die Steuereinrichtung
für den
Backvorgang verwendet die gespeicherten tabellarischen Werte, um
die verbleibende Zeit zu bestimmen und abzuschalten, wenn diese
abgelaufen ist, und zwar unter Berücksichtigung der Restwärme sowie
der Einstellung der Thermostattemperatur für den Zweck, dass das Ergebnis
die gewünschte
Qualität
aufweist.
-
4 zeigt
einige Ergebnisse von derartigen Testläufen, welche jedoch in einer
solchen Art und Weise dargestellt sind, dass die Zeit bis zum Erreichen
des zweiten Schwellwertes die unabhängige Variable darstellt und
die abhängigen
Variablen die Steuerungstemperatur (Thermostattemperatur) und der
Faktor, mit welchem die Aufheizzeit und zu multiplizieren ist, sind.
Diese können
als Wichtungsfunktionen bezeichnet werden. Die Kuchenarten sind durch
Bezugszahlen in Kreisen gekennzeichnet, und die Feingebäckarten
sind durch Bezugszahlen in Quadraten gekennzeichnet. Es muss darauf
hingewiesen werden, dass sowohl die Multiplikationsfaktoren als
auch die Thermostattemperaturen für die unterschiedlichen Speisenarten
deutlich verschieden sind, was u. a. ihren unterschiedlichen Wasserinhalt und
den Grad der gewünschten
Bräunung
widerspiegelt.
-
In
der obigen Beschreibung und Diskussion war die Ausführungsform
ein thermischer Backofen mit den Eigenschaften eines Heißluftbackofens.
Es können
jedoch ähnliche
Funktionen mittels weiterer Kombinationen von Heizquellen zur Ausführung gelangen
wie beispielsweise von Dampf oder Mikrowellen in beliebiger Kombination
mit Strahlungs- oder Konvektionswärme.