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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Induktionskochgeräte.
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Das
Induktionskochen besteht darin, die zu kochende Substanz in einen
ferromagnetischen Behälter
zu legen, der durch eine Stromzirkulation in seinen Wänden erwärmt wird,
wobei die Zirkulation von einem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld von
einigen kHz bis zu einigen hundert kHz erzeugt wird. Das elektromagnetische
Hochfrequenzfeld wird durch eine flache Induktionswicklung hervorgerufen, die
auf einem Träger
angeordnet ist, der sich unter einer Glaskeramikplatte befindet,
auf der der zu erwärmende
Behälter
steht, und die durch einen elektrischen Hochfrequenz-Wechselstrom
erregt wird, der von einem Wechselrichter geliefert wird.
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Die
Induktionswicklung besteht gewöhnlich aus
einer Scheibenspule, die durch flaches, spiralförmiges Wickeln einer mehrdrahtigen
Litze aus Kupferfäden
realisiert ist, welche durch einen elektrisch isolierenden Lack
voneinander isoliert sind, um den Durchgang des Hochfrequenzstroms
zu optimieren (Reduzierung des Skineffekts) und die Wärmeverluste
zu verringern.
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Der
isolierende Lack einer derartigen Wicklung, wie auch das Material
ihres Trägers,
der häufig aus
Formstoff besteht, ist gewöhnlich
gegen Temperaturen von mehr als 220°C nicht beständig. Deshalb muss eine Kühlung der
Induktionswicklung durch ihren Träger mittels einer Zwangslüftung der
Innenfläche
der Kochstelle sowie eine thermische Isolierung der Induktionswicklung
bezüglich
des Behälters,
der ihre Last bildet, vorgesehen sein.
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Die
Zwangslüftung
erhöht
die Kosten einer Induktionskochstelle, während es aufgrund der thermischen
Isolierung bezüglich
der Last erforderlich ist, die Induktionsspule von der den Behälter tragenden Glaskeramikplatte
zu entfernen, wodurch der Luftspalt vergrößert, die Kopplung zwischen
Induktionsspule und Behälter
verringert und der Anteil an Strahlungsstörungen erhöht wird.
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Neben
der Kühlung
ist es bei bestimmten Kocharten manchmal erforderlich, die Induktionswicklung
vor Überhitzungen
zu schützen,
indem der vom Wechselrichter gelieferte Strom verringert wird.
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Somit
ist eine elektrische Kochstelle mit Induktionsbeheizung, wie sie
in der
EP 0 277 075 beschrieben
ist, bekannt, bei der der Induktor aus einer gewickelten Litze aus
Kupferfäden
besteht, die durch ein Email isoliert sind, wobei die Litze dazu
geeignet ist, Temperaturen von 250°C standzuhalten.
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Es
wurde auch vorgeschlagen, Monoleiter-Induktionswicklungen entweder
ausgehend von einem starren Kupferfaden mit einem Rundquerschnitt
von 1 bis 1,3mm Durchmesser zu realisieren, der in einer spiralförmigen Rille
angeordnet ist, die an der Oberfläche eines flachen, elektrisch
isolierenden Trägers
ausgehöhlt
ist, oder ausgehend von einem gewickelten, hochkantigen und somit
senkrechten, spiralförmigen
Kupferband zwischen zwei Glimmerplatten, wobei diese Anordnung eine
Veränderung des
Wicklungsschritts von der Mitte zum Umfang gestattet, so dass die
Temperatur im Boden des Behälters
gleichmäßig verteilt
ist.
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Diese
Induktionswicklungen besitzen mit ihren Trägern eine relativ große Dicke,
was für
die Kompaktheit der Geräte,
insbesondere für
den Markt des Haushaltskochens nachteilig ist.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu
beseitigen, indem darauf verzichtet wird, die Verluste der Induktionswicklung zu
vermindern, sondern im Gegenteil ihre Erwärmung zugelassen und sie durch
die Last abgekühlt wird.
Dazu muss die Induktionswicklung hohe Temperaturen von maximal 400°C erreichen
können.
Es kommt dann nicht in Frage zu versuchen, die Litzendrähte elektrisch
voneinander zu isolieren, da die isolierenden Lacke, die gegen diese
Temperaturen beständig
sind, extrem teuer sind. Aus diesem Grund wird eine Monoleiter-Induktionswicklung
verwendet.
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Der
Gegenstand der Erfindung ist eine Induktionskochstelle mit einer
oberen Platte aus einem keramischen Material, die dazu bestimmt
ist, einen zu erwärmenden
Behälter
aus ferritischem Material aufzunehmen, einer Monoleiter- Induktionswicklung, welche
unter der oberen Platte auf einem Wicklungsträger angeordnet ist und durch
einen Hochfrequenzstromgenerator erregt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
die Monoleiter-Induktionswicklung aus einem flach und spiralförmig gewickelten,
flachen Bandleiter besteht, durch eine thermisch leitende Folie,
die aus einem wärmebeständigen,
elektrischen Isolator besteht, von der oberen Platte getrennt ist
und durch eine zweite Folie, die aus einem wärmebeständigen, elektrischen Isolator
besteht, von ihrem Träger
getrennt ist.
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Der
flache Bandleiter der Induktionswicklung kann aus Kupfer sein und
einen Querschnitt aufweisen, der einer Stromdichte von 30A/mm2 entspricht. Er kann auch aus Aluminium
bestehen.
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Die
Induktionswicklung kann durch flaches, spiralförmiges Wickeln eines flachen
Bandleiters realisiert werden. Sie kann auch durch Ausschneiden
in einem mechanischen oder chemischen Verfahren eines flachen, spiralförmigen Leiters
aus einem Blech realisiert werden, das aus nicht-magnetischem und elektrisch
leitendem Material wie etwa Kupfer oder Aluminium besteht, wobei
dieser ausgeschnittene Bandleiter mit einer elektrisch isolierenden,
wärmebeständigen Paste
bestrichen wird, um die Windungsabstände zu füllen, der so bestrichene, ausgeschnittene
Bandleiter zwischen zwei Folien aus einem elektrischen Isolator
gepresst wird, um eine Sandwichbauweise zu bilden, und der erhaltene Schichtaufbau
gebacken wird, um eine kompakte, leicht handhabbare Baugruppe zu
bilden.
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Die
Wicklung kann einfach ohne jegliche feste Verbindung auf dem unteren,
thermisch isolierenden Träger
liegen. Somit ist es möglich,
für den
Träger
und die elektrische Isolierung der oberen Platte Materialien zu
verwenden, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten
sich von dem der Spirale unterscheiden, wobei eine Temperaturveränderung
der Spirale gestattet ist.
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Um
der Wärmeleitung
von der Wicklung zum Träger
entgegenzuwirken, kann die Wicklung ebenfalls durch eine zweite
Folie, die aus einem elektrischen Isolator besteht und dicker ist
als die Folie, die unter der oberen Platte angeordnet ist, von seinem Träger isoliert
sein.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung besteht die Induktionswicklung aus
einer Kombination von mehreren flachen Spulen mit verminderten Einheitslängen, welche
an der Oberfläche
der Kochstelle verteilt und in Reihe, parallel oder in Reihe und
parallel geschaltet sind.
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Vorteilhafterweise
sind die Folien, die aus dem elektrischen Isolator für hohe Temperaturen
bestehen, Glimmerfolien, wobei die unter der oberen Platte angeordnete
Folie dünn
und die auf dem Träger
angeordnete Folie dick ist.
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Der
thermisch isolierende Wicklungsträger besteht vorteilhafterweise
aus Glasfasern.
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Bei
dieser Wicklungsart mit flach und spiralförmig gewickeltem, flachem Leiter
kann eine Scheibenspule erhalten werden, deren Dicke 0,5 mm nicht überschreitet,
was für
den Durchgang von Hochfrequenzströmen ausreicht, die bei einer
normalen Verwendungsfrequenz von 25 kHz aufgrund des Skineffekts
und der Nähe
des Behälters
ohnehin nicht mehr als 0,5 mm in die Dicke des Leiters eindringen.
Da die Breite der Scheibenspule der Wicklung durch die Größe des zu
erwärmenden
Behälters
und die Anzahl der Wicklungsumdrehungen durch die Impedanz bedingt
ist, die als Last auf den Hochfrequenzgenerator zurückzuführen ist,
führt eine
Dicke von 0,5 mm zu einem Querschnitt im mm2-Bereich,
was den hohen Verlustanteil der Wicklung mit maximaler Leistung
und somit ihre Betriebstemperatur erklärt. Die Form der Wicklung begünstigt jedoch
den Kontakt mit der Last und somit die Kühlung. Es ist anzumerken, dass
die Dicke der Windung in Abhängigkeit
von der Generatorleistung, der Verwendungsfrequenz und dem verwendeten
Leitermaterial variieren kann. Die Breite ist ebenso an die Leistung
und vor allem an den verwendeten Generatortyp angepasst.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform. Diese Beschreibung
erfolgt anhand der Zeichnungen, in denen zeigen:
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1 die
gewöhnliche
Struktur einer Induktionskochstelle in der Schnittansicht,
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2 die
Struktur einer erfindungsgemäßen Induktionskochstelle
in der Schnittansicht,
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3 die
Vorderansicht eines Musterbeispiels, das von dem flachen Monoleiter-Band
einer Induktionswicklung einer erfindungsgemäßen Induktionskochstelle gezeichnet
wird.
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Die
in 1 gezeigte Induktionskochstelle besitzt eine herkömmliche
Ausgestaltung. Sie weist eine flache Induktionswicklung 1 auf,
die sich unter einer Platte 2, z.B. aus Glaskeramik, befindet,
die einen zu erwärmenden
Behälter 3 aufnehmen
soll, dessen Wände
aus einem ferritischen Material bestehen.
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Die
flache Induktionswicklung 1 ist durch flaches, spiralförmiges Wickeln
einer mehrdrahtigen Litze aus Kupferdrähten, die einzeln mit einer
elektrisch isolierenden Lackschicht versehen sind, realisiert, wobei
ihre verschiedenen Windungen mit 10 bezeichnet sind. Sie
liegt auf einem Wicklungsträger 4 oder
ist darauf geklebt und durch eine Schicht 2a eines Wärmeisolators,
die aus einem Luftspalt, einem Keramikpapier oder Glaswolle bestehen
kann und die Wicklung vor einer Erwärmung durch den Behälter 3 schützt, von
der Platte 2 getrennt.
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Der
Wicklungsträger 4 besteht
aus einem thermisch leitenden Material, um die Wärmeverluste der Induktionswicklung 1 in
den unteren Bereich abzuführen,
und weist in bekannter Weise ein Magnetwerkstoff 4a auf,
beispielsweise Ferritstäbe,
der darunter angeordnet ist und die Aufgabe besitzt, das durch die
Induktionswicklung 1 an dem zu erwärmenden Behälter 3 erzeugte Magnetfeld
zu bündeln.
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Die
Baugruppe aus Induktionswicklung 1 und ihrem Wicklungsträger 4 ist
auf einer Scheibe 5 aus nicht-magnetischem Material, beispielsweise aus
Aluminium, angeordnet, die einen umhüllenden Rand besitzt und deren
Aufgabe es ist, die magnetischen Störfelder der Induktionswicklung 1 zu
minimieren, um insbesondere den darunter liegenden Hochfrequenzstromgenerator
zu schützen,
der die Induktionswicklung 1 speist.
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Unter
der Scheibe 5 ist eine Zwangslüftung (Pfeil 20) vorgesehen,
um die Induktionswicklung 1 und ihren Träger 4 zu
kühlen.
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Bei
einer derartigen Induktionskochstelle wird versucht, die Induktionswicklung 1 und
ihren Träger 4 bei
einer Temperatur zu halten, die mit ihren Bestandteilen verträglich ist
und im Allgemeinen unter 220°C
liegt, wobei dies die Höchsttemperatur
ist, die der elektrisch isolierende Lack der Kupferdrähte der
Litze der Induktionswicklung 1 und der Kunststoff des Wicklungsträgers 4 vertragen.
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Der
Wärmeaustausch
erfolgt in zwei entgegengesetzte Richtungen, zum einen von den Wänden des
Behälters 3 zu
seinem Inhalt (Pfeil 21), was der beabsichtigten Wirkung
entspricht, und zum anderen von den Wänden des Behälters 3 durch
die Trägerplatte 2 aus
Glaskeramik und den Wärmeisolator 2a zur
Induktionswicklung 1 (Pfeil 22), was eine unerwünschte Wirkung
ist, und von der Induktionswicklung 1 durch den Wicklungsträger 4 zur
Scheibe 5 (Pfeil 23), die durch die Zwangslüftung (Pfeil 20) gekühlt wird.
Aufgrund der durch die Zwangslüftung abgeführten Wärme entsteht
ein Leistungsverlust.
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2 stellt
eine neue Struktur für
eine Induktionskochstelle dar, in der dieser Leistungsverlust dadurch
verringert wird, dass der Wärmeaustausch
zwischen der Induktionswicklung und dem unteren Bereich der Kochstelle
minimiert und der Wärmeaustausch
zwischen der Induktionswicklung und dem oberen Bereich der Kochstelle
zu dem zu erwärmenden
Behälter
optimiert wird. Dazu lässt
man eine Erwärmung
der Induktionswicklung auf eine Temperatur zu, die höher ist
als die der aus dem Behälter
bestehenden Last, und die Induktionswicklung wird durch die Last
gekühlt.
Somit trägt
die durch die Verluste in der Induktionswicklung verursachte Wärme zur
Kochstellenleistung bei. Die Induktionswicklung muss dann hohe Temperaturen
von 400°C
erreichen können,
die höher
sind als die von den herkömmlichen,
elektrisch isolierenden Lacke tolerierten Temperaturen. Man verwendet
ebenfalls eine Monoleiter-Aufwicklung, die nicht isoliert und für die Hochfrequenz
dimensioniert ist und somit sehr geringe Abmessungen besitzt. Ein
weiterer Vorteil, der mit der Verringerung des Volumens der Leiter
zusammen hängt,
besteht in einer bedeutenden Verringerung der Wärmeträgheit des Leitersystems und
somit in einer Kühlungsbeschleunigung
am Ende der Verwendung.
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In 2 ist
der zu erwärmende
Behälter 3 zu erkennen,
der auf der Trägerplatte 2 aus
Glaskeramik steht.
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Die
Induktionswicklung 1',
die die Form einer flachen Scheibenspule und eine typische Dicke
von 500 μm
besitzt, ist mittels einer Glimmerfolie 6 mit einer geringen
Dicke von 200 μm,
die die sekundäre, elektrische
Isolierung bezüglich
des Benutzers gewährleistet,
unter die Trägerplatte 2 aus
Glaskeramik so gedrückt,
dass die Wärmeübertragung
zur Last optimiert wird. Sie kann auf einer zweiten, dickeren Glimmerfolie 7 und
auf einem thermisch isolierenden, sehr dicken (4 bis 8 mm) Wicklungsträger 4' liegen, der
verhindert, dass sich die Wärme
in den unteren Bereich verbreitet, wo sich im Allgemeinen der Hochfrequenzstromgenerator
befindet, der die Induktionswicklung erregt. Sie kann auch ohne
die zweite Glimmerfolie direkt auf dem Träger 4' liegen, wobei diese Variante von
der Ausführungsform
des Induktors abhängt.
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Der
Wicklungsträger 4' ist wie zuvor
mit einem Magnetwerkstoff 4a, z.B. Ferritstäbe oder
auch ein plasteferritischer Werkstoff, versehen, der darunter so
angeordnet ist, dass das von der Induktionswicklung 1' an dem zu erwärmenden
Behälter 3 erzeugte
Magnetfeld gebündelt
wird, und die Baugruppe aus Induktionswicklung 1' und ihrem Träger 4' wird auf eine
Scheibe 5 mit umhüllendem
Rand gelegt, die aus nicht-magnetischem Material, z.B. Aluminium,
besteht und die von der Induktionswicklung 1' erzeugten magnetischen Störfelder
minimiert.
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Der
Wärmeaustausch
erfolgt hauptsächlich zu
dem zu erwärmenden
Behälter
und zu seinem Inhalt hin (Pfeil 21 und Pfeil 24),
da die Induktionswicklung 1' eine
Betriebstemperatur besitzt, die höher ist als die der Wände des
Behälters 3,
mit dem sie sich mittels der Trägerplatte 2 aus
Glaskeramik und mittels der dünnen
Glimmerfolie 6 in Wärmekontakt
befindet, und da der Wicklungsträger 4' eine Hitzebarriere
bildet, die sich der Wärmeverbreitung
zum unteren Bereich der Kochstelle entgegensetzt.
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Eine
Zwangslüftung
der unteren Fläche
der Kochstelle ist nun nicht mehr erforderlich.
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Dadurch,
dass eine höhere
Betriebstemperatur von 400°C
statt gewöhnlich
220°C für die Induktionswicklung
zugelassen wird, ist es möglich,
weitaus höhere
Verluste und somit höhere
Stromdichten von 30A/mm2 statt 8A/mm2 zu tolerieren. Dies führt zu einer sehr starken Querschnittsverringerung
des Monoleiters, der die Induktionswicklung bildet, und somit zu
einer Materialersparnis, die zu einer bedeutenden Verminderung des
Induktionswicklungspreises führt.
Das Weglassen der Lüftung
des Induktionssystems ermöglicht
es ebenfalls, die Kosten der Baugruppe erheblich zu reduzieren.
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Die
Induktionsspule kann auf verschiedene Weise realisiert werden, entweder
durch flaches Wickeln eines eindrahtigen Bandleiters, so dass eine Spirale
gebildet wird, oder durch Ausschneiden dieses Bandleiters aus einem
Blech aus nicht-magnetischem und elektrisch leitendem Material wie
etwa Kupfer oder Aluminium.
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Bei
einem Ausschneiden, das mit einem mechanischen oder chemischen Verfahren
durchgeführt werden
kann, ist das erhaltene Teil schwer zu handhaben, da es einen typischen
Durchmesser von 190 mm bei einer Dicke von 500 um besitzt, wobei
die Anzahl der Windungen etwa 10 m aufgewickeltem Draht entsprechen.
Es ist dann vorteilhaft, eine Sandwichbauweise mit den beiden wärmebeständigen Folien 6 und 7 zur
elektrischen Isolierung zu realisieren, die an die eine und an die
andere Seite gedrückt
sind. Zu diesem Zweck wird die ausgeschnittene, leitende Spirale
zuvor mit einer elektrisch isolierenden, wärmebeständigen Paste bestrichen, um
die Windungsabstände
zu füllen,
dann zwischen die beiden wärmebeständigen Folien
zur elektrischen Isolierung eingefügt, die Glimmerfolien sein
können,
gepresst und gebacken, um mit den Folien aus dem elektrischen Isolator
eine kompakte, leicht handhabbare Baugruppe zu bilden. Nach dem
Backen dient die elektrisch isolierende Paste, die die Windungsabstände füllt, als
elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Windungen der
Induktionswicklung. Diese elektrische Isolierung zwischen zwei benachbarten Windungen
wird aufgrund der Verlagerungen des die Spirale bildenden Bandleiters
aufgrund seiner Ausdehnung im Laufe der Temperaturzyklen erforderlich.
Dieses Phänomen
ist im übrigen
relativ einschränkend,
da aus diesem Grund bestimmte Betriebstemperaturen nicht überschritten
werden dürfen,
auch wenn der Bandleiter und die Glimmerfolien, die die elektrische
Isolierung der oberen und unteren Fläche der Induktionswicklung
gewährleisten,
diese perfekt vertragen können.
Es ist dann notwendig, diese Temperaturen zu erfassen und den Strom
zur Erregung der Induktionswicklung zu begrenzen, um eine Überschreitung
zu vermeiden. Die Temperaturerfassung kann mit herkömmlichen,
bekannten Vorrichtungen durchgeführt
werden. Es ist jedoch möglich,
die Verlagerungen zwischen benachbarten Windungen des Bandleiters
während
der Temperaturzyklen zu vermindern, indem die Wicklungsgeometrie genutzt
wird. Man kann nämlich
eine Induktionswicklung durch eine Kombination von mehreren kleinen Spulen
realisieren, die eine runde oder eine andere Form aufweisen, an
der Oberfläche
der Kochstelle verteilt sind und in Reihe, parallel oder auch in
Reihe und parallel geschaltet sind, so dass die Windungsabstandsverlagerungen
des Monoleiter-Bandes durch Reduzierung der Einheitslänge jeder
Elementarspule minimiert werden. Der Vorteil eines Ausschneidens
besteht auch darin, dass komplizierte geometrische Formen der Wicklung
realisiert werden können,
die bei einem Wickeln nicht erhalten werden können. Man kann somit in Erwägung ziehen,
gleichzeitig beispielsweise die Induktionsspirale und Gegenwindungen
auszuschneiden, wodurch die Strahlungsstörungen vermindert werden können.
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3 stellt
eine Form einer besonderen Wicklung dar, bei der das flach angeordnete
Monoleiter-Band vier elementare, spiralförmige Aufwicklungen 30, 31, 32 und 33 bildet,
die vier Kreissektoren einnehmen, die sich die Kochstellenoberfläche teilen. Somit
besitzt jede elementare Aufwicklung eine Einheitslänge, die
viermal kleiner ist als die Gesamtwicklung, so dass sie während den
Temperaturzyklen die Aufnahme für
Verlagerungsphänomene
zwischen benachbarten Windungen bildet, die mehr reduziert werden
als beim Vorhandensein einer einzigen Aufwicklung. Um die äußeren Schnittstellen
auf der Ebene der Scheibenspule der Induktionswicklung zu verringern,
werden die elementaren Aufwicklungen jeweils paarweise durch ihre
Außenwindungen
in Reihe geschaltet, entweder in der Mitte der Kochstelle oder wie
dargestellt ist am Umfang der Kochstelle. Es ist weiterhin anzumerken,
dass die elementaren Aufwicklungen unterschiedliche Wickelrichtungen,
wie dies bei den elementaren Aufwicklungen 30 und 31 oder 32 und 33 dargestellt
ist, oder auch die gleiche Wickelrichtung haben können.
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Ein
nicht unbedeutender Vorteil der neuen Struktur der Induktionskochstelle,
die beschrieben wurde, besteht darin, die Induktionswicklung ihrer durch
den zu erwärmenden
Behälter
gebildeten Last anzunähern,
indem das zwischen Induktionswicklung und der Last gewöhnlich verwendete
Wärmeschild weggelassen
wird. Auf diese Weise wird der durch die Last als hohe Frequenz
auf die Induktionswicklung zurückgeführte Widerstand
erhöht,
wodurch die Amperewindungen in der Induktionswicklung und die Menge
an Leitermaterial, die zu verwenden ist, reduziert werden können. Dadurch
werden ebenfalls die Magnetverluste und somit die von der Vorrichtung
erzeugten elektromagnetischen Störungen
minimiert. Diese Vorrichtung erfordert eine Leistungsbegrenzung
für Behälter mit
kleinem Durchmesser und im Allgemeineren für Behälter, deren Durchmesser kleiner
ist als der Durchmesser der Spule. Diese Leistungsreduzierung ist
bei einer großen
Mehrheit von Vorrichtungen zur Induktionsbeheizung natürlich und logisch.
Sie ist bei dieser Vorrichtung wichtig, da gegenüber von den zu kühlenden
Windungen eine Last vorhanden sein muss, wenn sich die Wicklung über die
Last abkühlt.
Deswegen ist es notwendig, die Leistung und somit die Temperatur
zu verringern, wenn eine Last mit kleinem Durchmesser vorhanden ist,
da die nicht bedeckten Windungen dann mehr Schwierigkeiten haben,
sich abzukühlen.
Vorteilhafterweise kann man dieses Konzept mit einem Konzept zu
einem an die Last selbstanpassendem Induktor verbinden (französisches
Patent Nr. 2 672 763 vom 7. Mai 93, europäisches Patent Nr. 0 498 735 vom
24. August 94 und französische
Patentanmeldung Nr. 94 14818 vom 9. Dezember 94), wobei dieses letztgenannte
Konzept sehr leicht auf diese Technologie angewendet werden kann.