EP0471171B1

EP0471171B1 - Vorrichtung zur Leistungssteuerung und -begrenzung bei einer Heizfläche aus Glaskeramik oder einem vergleichbaren Material

Info

Publication number: EP0471171B1
Application number: EP91110463A
Authority: EP
Inventors: Bernd Schultheis; Klaus Kristen; Martin Taplan; Herwig Scheidler
Original assignee: Carl Zeiss AG; Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG; Carl Zeiss AG
Priority date: 1990-07-18
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 1995-01-11
Anticipated expiration: 2011-06-25
Also published as: ES2066280T3; JP2715193B2; DE59104213D1; DE4022846A1; ATE117157T1; DE4022846C2; US5352864A; EP0471171A3; EP0471171A2; JPH05347177A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Leistungssteuerung und -begrenzung bei einer Heizfläche aus Glaskeramik oder einem vergleichbaren Material, insbesondere bei einer Glaskeramikkochfläche mit wenigstens einer Heizzone mit zugeordneter Heizeinrichtung, bei welcher im Bereich der Heizzone auf der Heizfläche mehrere voneinander unabhängige Temperatursensoren so angeordnet sind, daß sie alle für einen Belastungsfall wesentlichen Stellen erfassen, und die Leistungszufuhr zu der Heizeinrichtung aufgrund der von den Temperatursensoren ermittelten Werte schalt- und steuerbar ist.
Heizflächen aus Glaskeramik oder einem vergleichbaren Material finden beispielsweise Verwendung als Wand- oder Deckenstrahler, Wärmetauscher oder andere großflächige Beheizungseinrichtungen, die in beliebiger Weise beheizt werden können.
Von besonderem Interesse sind heutzutage elektrisch oder gasbeheizte Kochfelder oder Einzelkochstellen, deren Heizfläche aus Glaskeramik besteht. Kochfelder dieser Art sind allgemein bekannt und schon vielfach in der Patentliteratur beschrieben worden. Die Beheizung der Heizzonen dieser Kochfelder (ohne Beschränkung der Allgemeinheit werden die Heizzonen bei Kochfeldern im folgenden auch Kochzonen genannt) erfolgt mittels unterhalb der Glaskeramikkochfläche angeordneten Heizeinrichtungen, z.B. elektrisch betriebene Kontaktheizelemente, Strahlungsheizelemente oder Gasbrenner. Weiterhin sind noch Induktionskochfelder bekannt.
Bei den bekannten Haushaltskochfeldern wird die Heizleistung für die Heizeinrichtungen durch Vorgabe vom Benutzer fest eingestellt oder durch ein wählbares Zeitprogramm elektronisch, elektromechanisch oder, bei Gasherden über Ventile, rein mechanisch gesteuert. Entsprechende Steuerungen sind beispielsweise in der Patentschrift DE-PS 3 639 186 A1 beschrieben.
Es ist bekannt, Heizzonen eines Glaskeramikkochfeldes, die einen größeren Durchmesser aufweisen, zum Beispiel um Töpfe mit größerem Durchmesser und/oder unrunder, beispielsweise ovaler, Bodenfläche zu erhitzen, mit Heizelementen mit mehreren Heizkreisen zu beheizen. Es ist auch bekannt, neben den ständig in Betrieb befindlichen Dauerheizelementen sog. Zuschaltheizelemente einzusetzen, die nur in der Ankochphase mit Leistung beaufschlagt werden, um eine beschleunigte Aufheizung der Kochzone zu erzielen. Die geometrische Anordnung der Heizelemente bzw. Heizkreise unterhalb einer Heizzone ist dabei üblicherweise an die Geometrie des Kochgeschirrs angepaßt.
So wird zum Beispiel in der DE-OS 33 14 501 A 1 eine Heizplatte mit zwei zueinander konzentrischen Heizkreisen beschrieben, bei welcher der äußere Heizkreis als Zuschaltheizkreis ausgelegt ist.
Die DE-PS 34 06 604 betrifft eine Heizeinrichtung, bei der die Heizzone mittels mehrerer Hoch- und Normaltemperaturstrahlungsheizelementen beheizt wird. Die Heizelemente sind dabei so angeordnet, daß die Heizstelle in zwei zueinander konzentrische Zonen aufgeteilt ist, wobei die innere Zone ausschließlich durch die vorzugsweise als Zuschaltheizelemente in der Ankochphase einsetzbaren Hochtemperaturstrahlungsheizelemente beheizbar ist und die äußere Zone durch die Normaltemperaturstrahlungsheizelemente.
Eine vergleichbare Anordnung von mehreren Strahlungsheizelementen im Bereich einer Kochzone ist auch in der US-PS 4 639 579 zu finden.
Eine Heizeinrichtung mit einem Gasbrenner, der zwei unabhängig voneinander mit Gas beaufschlagbare Brennerkammern aufweist, die z.B. zueinander konzentrische Zonen im Kochzonenbereich begrenzen können, wird in der US-PS 4 083 355 beschrieben.
Bei den üblicherweise eingesetzten Glaskeramiken sind die maximalen Betriebstemperaturen auf 700°C zu begrenzen, um Beschädigungen der Kochfläche durch Überhitzung zu vermeiden.
Die Praxis hat gezeigt, daß Überhitzungen, d. h. anomale thermische Belastungszustände bei Glaskeramikkochflächen ihre Ursache meist in der Verwendung schlechten Kochgeschirrs oder Fehlbedienungen haben.
So tritt z.B. bei Kochgeschirr mit unebener Auflagefläche ein örtlich unterschiedlicher Wärmeentzug in der Kochzone auf. Durch Unachtsamkeit kann leerkochendes Geschirr noch höhere Temperatur/Zeit-Belastungen für die Glaskeramik verursachen. Weitere Extrembelastungen verursachen Töpfe mit zu kleinen Durchmessern sowie versehentlich versetzt, d.h. nicht zentrisch aufgestellte Töpfe. In diesen Fällen wird die Kochzone in den vom Topf nicht abgedeckten Bereichen überhitzt. Die Oberflächentemperatur der Glaskeramik kann in solchen Fällen erheblich über den im Leerlauf, d. h. ohne Topf, gemessenen Temperaturen liegen. Temperaturerhöhungen von bis zu 200 K über der Oberflächentemperatur im Leerlauf sind möglich.
Diese anomalen thermischen Belastungen im Bereich der Kochzonen können sich im Laufe der Zeit zu hohen Temperatur/Zeit-Belastungen aufaddieren und die Zerstörung der Kochflächen zur Folge haben. Extrem hohe Temperaturen können das aufgesetzte Kochgeschirr und auch die Glaskeramikkochfläche beschädigen. Topfemaille kann beispielsweise bei versehentlich leerkochendem Stahlemaille-Geschirr anschmelzen. Ebenso kann leerkochendes Aluminium-Geschirr durch schmelzendes Aluminium die Glaskeramikoberfläche beschädigen.
Da in der Praxis sowohl schlechtes bzw. ungeeignetes Kochgeschirr verwendet wird als auch die o.g. Fehlbedienungen vorkommen, muß die maximale Oberflächentemperatur im Leerlauf begrenzt werden. Aus dem gleichen Grund ist die spezifische Leistungsdichte der Heizeinrichtungen, bezogen auf die Fläche der beheizten Zone, auf derzeit ca. 7 Watt/cm² begrenzt.
Die oben geschilderten anomalen Belastungszustände können einerseits zur Beschädigung der Glaskeramikkochfläche führen und andererseits den Wirkungsgrad des Kochsystems erheblich verschlechtern.
Zur Temperaturüberwachung bei einer Glaskeramikkochfläche werden in der Regel sogenannte Schutztemperaturbegrenzer, z. B. zwischen den Heizelementen und der Glaskeramikfläche meist längs eines Durchmessers angeordnete Stabausdehnungsschalter, eingesetzt, die üblicherweise bei Überschreiten einer bestimmten Grenztemperatur die Heizeinrichtung ganz abschalten oder in ihrer Leistung vermindern.
Diese Schutztemperaturbegrenzer haben den Nachteil, daß sie lediglich die Temperatur unterhalb und nicht in der Kochfläche erfassen. Aufgrund der schlechten Wärmeleitung in Glaskeramik wird die Temperatur auch nur in unmittelbarer Nähe des Stabausdehnungsschalters detektiert. Darüber hinaus führt die Anordnung längs des gesamten Durchmessers der Kochzone dazu, daß bei Auftreten einer vom Stabausdehnungsschalter detektierbaren Überhitzung, unabhängig davon, ob diese lokal sehr begrenzt ist, immer die gesamte Heizeinrichtung in der Kochzone abgeschaltet bzw. in ihrer Leistung vermindert wird.
Aus der deutschen Patentschrift DE-PS 21 39 828 ist bekannt, daß Glas, Glaskeramik oder ähnliche Materialien einen von der Temperatur abhängigen elektrischen Widerstand besitzen, so daß daraus durch Aufbringen von Leiterbahnen, z.B. aus Edelmetallen, Temperaturmeßwiderstände mit steiler Widerstands-Temperatur-Kennlinie, ähnlich dem der bekannten NTC-Widerstände, hergestellt werden können.
Diese Art von Temperatur-Sensoren werden in der US-PS 4 237 368 in Verbindung mit entsprechender Beschaltung dazu benutzt, den o.g. Schutztemperaturbegrenzer vollkommen zu ersetzen. Dazu werden in jeder Kochzone jeweils zwei zueinander parallele Leiterbahnen, die jeweils einen streifenförmigen Glaskeramiktemperaturmeßwiderstand begrenzen, ähnlich wie die oben erwähnten Stabausdehnungsschalter, längs des Durchmessers der Kochzone auf die Glaskeramikkochfläche aufgebracht.
Diese Temperatursensoren erlauben zwar die Messung der Temperatur der Glaskeramikkochfläche selbst, die übrigen oben beschriebenen Nachteile bestehen jedoch auch hier.
Aus der GB 2 060 329 A, die den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet, ist eine Vorrichtung zur Leistungssteuerung und -begrenzung der eingangs genannten Art bekannt. Nach der Druckschrift sollen in der Kochzone einer Glaskeramikkochfläche mehrere voneinander unabhängige Temperatursensoren so angeordnet werden, daß unter Berücksichtigung der geringen Wärmeleitung in der Glaskeramik sowie der erwarteten Temperaturverteilung in der Kochzone bei anomalen thermischen Belastungsfällen eine flächendeckende Temperaturüberwachung möglich sein soll. Insbesondere sollen durch diese Maßnahme lokal auftretende Temperaturspitzen zuverlässig erfaßt werden. Als Temperatursensoren sollen Bimetallschalter, Thermistoren oder Thermoelemente Verwendung finden. Es wird eine rasterförmige Anordnung der Temperatursensoren vorgeschlagen, oder aber in einer bevorzugten Ausführungsform die Anordnung auf dem Umfang eines oder mehrerer zueinander konzentrischer Kreise in der Kochzone.
Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, daß, wie in den oben beschriebenen Fällen, auch bei Auftreten- nur lokaler Temperaturspitzen die Heizleistung in der gesamten Kochzone vermindert, oder aber die Heizleistung insgesamt abgeschaltet wird.
Aufgabe der Erfindung ist, die aus der GB 2 060 329 A bekannte Vorrichtung zur Leistungssteuerung so weiterzubilden, daß nicht nur eine flächendeckende Temperaturüberwachung, sondern auch eine Anpassung der Leistungsverteilung an den örtlich unterschiedlichen Wärmeentzug möglich ist. Damit soll insbesondere ermöglicht werden, auch bei Verwendung schlechten Kochgeschirrs das Kochsystem optimal zu nutzen, dabei aber die thermische Belastung der Heizfläche gleichzeitig gering gehalten werden soll.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Heizeinrichtung wenigstens zwei Heizelemente aufweist, welche jeweils in der Heizzone zugeordnete Bereiche begrenzen, daß die Temperatursensoren streifenförmige, in der Heizfläche durch parallele Leiterbahnen begrenzte und kontaktierte Glaskeramiktemperaturmeßwiderstände sind, und daß jedem Heizelement wenigstens ein solcher Temperatursensor zugeordnet ist, wobei die geometrische Anordnung der Leiterbahnen des Temperatursensors in einem dem Heizelement zugeordneten Bereich der Heizzone an die geometrische Gestalt des Heizelementes sowie an die erwartete Temperaturverteilung in diesem Bereich bei bekannten anomalen thermischen Belastungsfällen angepaßt ist, und daß die Heizelemente aufgrund der von dem(n) zugeordneten Temperatursensor(en) ermittelten Werte unabhängig voneinander so schalt- und steuerbar sind, die Leistungsverteilung in der Heizzone weitgehend an den örtlich unterschiedlichen Wärmeentzug anpaßbar ist.
Nach der Erfindung ist somit vorgesehen, die Heizzonen einer Heizfläche jeweils mit mehreren, wenigstens aber zwei Heizelementen bzw. Heizkreisen zu beheizen, welche in der Heizzone zugeordnete Bereiche begrenzen, und diese Heizelemente jeweils über Temperaturmeßsignale von in den zugeordneten Bereichen angeordneten Temperatursensoren unabhängig voneinander derart zu schalten und zu steuern, daß die Leistungsverteilung und damit die Flächenbelastung der Heizzone an den örtlich unterschiedlichen Wärmefluß, der zum Beispiel bei Kochfeldern von der Geometrie der Auflagefläche der aufgesetzten Töpfe abhängig ist, angepaßt wird.
An Stellen des größten Energieentzugs erfolgt die Beheizung somit z. B. auch bei schlechter Topfqualität mit optimaler Heizleistung, während an Stellen mit geringem Wärmeentzug durch Verminderung, z.B. Takten, der Heizleistung Überhitzungen vermieden werden.
Die Umwandlung der Temperaturmeßsignale in Steuersignale für die Leistungsversorgung der Heizelemente erfolgt mit Hilfe an sich bekannter Steuer- und Regeleinrichtungen.
Im einfachsten Fall wird bei Überschreiten einer vorgegebenen Schwellentemperatur die Leistungszufuhr für die Heizelemente so lange unterbrochen, bis die Temperatur in dem zugeordneten überhitzten Kochzonenbereich wieder unterhalb der Schwellentemperatur liegt. Danach wird wieder die volle Heizleistung zugeschaltet.
Bei Kochfeldern werden kürzere Kochzeiten jedoch dann erzielt, wenn die Leistungszufuhr für die Heizelemente in zeitlichen Abständen stetig oder stufenweise, beispielsweise jeweils auf ein um wenigstens 10 % vermindertes Niveau, so lange reduziert wird bis die Heizleistung der Heizelemente optimal an den maximal möglichen Wärmeentzug in dem zugeordneten Bereich der Heizzone angepaßt ist.
Als Temperatursensoren werden erfindungsgemäß die aus der DE-PS 21 39 828 bekannten, in die Heizflächen integrierten Temperatursensoren verwendet. Dazu werden auf der Heizfläche im Bereich der Heizzonen in an sich bekannter Weise zwei parallele Leiterbahnen, beispielsweise mittels Siebdruck oder Aufdampfen oder anderer Methoden, aufgebracht und anschließend eingebrannt. Der sehr stark temperaturabhängige elektrische Widerstand der zwischen den Leiterbahnen eingegrenzten Glaskeramik stellt den eigentlichen Temperatursensor dar.
Mit dieser Methode lassen sich auf einfache Art großflächige Temperatursensoren mit beliebiger Gestalt realisieren, die eine flächendeckende Temperaturüberwachung zulassen. Damit lassen sich beispielsweise auch großflächige Wärmestrahler und Wärmeaustauscher mit Heizflächen aus Glaskeramik, Glas oder ähnlichen Materialien überwachen und steuern.
Die geometrische Anordnung der Leiterbahnen im Bereich einer Heizzone wird zweckmäßigerweise an die geometrische Anordnung der Heizelemente sowie an die erwartete Temperaturverteilung bei bekannten anomalen thermischen Belastungsfällen angepaßt.
Die Temperatursensoren werden so angeordnet, daß sie alle wesentlichen Teile der den Heizelementen zugeordneten Bereiche der Heizzone erfassen, so daß auch lokale Überhitzungen erfaßt werden. Beispielsweise können über Heizwendelschleifen oder im Bereich von Flammenspitzen, z. B. bei Gas-Beheizung, an diesen Stellen gegenüber benachbarten Stellen höhere Temperaturen auftreten. Diese Temperaturspitzen müssen erfaßt werden, da sonst an diesen Stellen die Heizfläche beschädigt werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert:
Es zeigen:

Figur 1: in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei einem Haushaltskochfeld mit Glaskeramikkochfläche, wobei zwei ringförmige, zueinander konzentrisch angeordnete Temperatursensoren entsprechend der Anordnung der Heizkreise eines Zweikreisheizelements den Mitten- und den Randbereich einer Kochzone überwachen;
Figur 2: die Vorrichtung aus Figur 1 in einer Längsschnittdarstellung;
Figuren 3a und 3b: eine Sensoranordnung für nichtrunde Mehrkreisheizelemente
Figur 4: zur Verdeutlichung der Funktionsweise eines Glaskeramiktemperaturmeßwiderstandes in einer schematischen Darstellung einen vergrößerten Ausschnitt aus einer Anordnung aus zwei parallel verlaufenden Leiterbahnen mit dazwischenliegendem Glaskeramikwiderstand;
Figur 5a: in einer schematischen Darstellung eine bekannte Schaltungsanordnung für die Sensoranordnung aus Figur 1 zur Einstellung des Temperaturbereichs mit größter Meßempfindlichkeit;
Figur 5b: in einer schematischen Darstellung eine bekannte Schaltungsanordnung für die Sensoranordnung aus Figur 1 zur Umwandlung der Temperaturmeßsignale in Steuersignale für die Leistungsversorgung der Heizkreise.
Figur 6: für eine mit einem Zweikreisheizelement beheizte Kochzone für vier verschiedene Belastungsfälle den Verlauf der Sensorsignale mit der Zeit bei einer Leistungssteuerung und -begrenzung gemäß der Erfindung.

Figuren 1 und 2 zeigen beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei einem Kochfeld mit Glaskeramikkochfläche.
In der vorliegenden Anordnung sind innerhalb der Kochzone (1) eines Glaskeramikkochfeldes auf der Glaskeramikunterseite Leiterbahnen (2) aus Gold angeordnet. Die Leiterbahnführung ist derart gewählt, daß der Außenkreis (3a) und der Innenkreis (3b) eines Zweikreis-Heizelements (4) jeweils mit ringförmig ausgebildeten Leiterbahnen abgedeckt sind. Die Anschlußbereiche (5) liegen zum Schutz gegen thermische Belastungen außerhalb der Kochzone (1).
Figur 2 zeigt die Anordnung, bestehend aus der Glaskeramikplatte (6), dem Zweikreis-Heizelement (4) mit den Heizwendeln (4a) und den auf der Unterseite der Glaskeramik aufgedruckten Leiterbahnen (2) sowie den Anschlußbereichen (5) im Schnitt.
Die Erfindung ist keineswegs auf die Verwendung der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Zweikreis-Heizelemente beschränkt. Prinzipiell kann jede Heizeinrichtung verwendet werden, die sich im Bereich einer Kochzone aus mehreren unabhängig voneinander schalt- und steuerbaren Heizelementen zusammensetzt. Die Erfindung kann z.B. auch bei Gasbrennern zur Anwendung kommen, so z.B. auch bei dem aus der US-PS 4 083 355 bekannte Gasbrenner mit zwei voneinander unabhängig mit Brennstoff beaufschlagbaren Brennerkammern.
Die Heizelemente können z.B. in einem Raster unterhalb der Kochzone angeordnet sein. Vorteilhafterweise ist die geometrische Anordnung der Heizelemente jedoch an die Geometrie des Kochgeschirrs bzw. an die Temperaturverteilung im Kochzonenbereich bei bekannten anomalen thermischen Belastungsfällen angepaßt, so daß eine wirkungsvolle Steuerung der Leistungsverteilung an den örtlich unterschiedlichen Wärmeentzug möglich wird.
Bei den bei Kochfeldern mit Glaskeramikkochfläche möglichen Fehlbedienungen und/oder Unzulänglichkeiten des Kochgeschirrs tritt i.a. ein unterschiedlicher Wärmeentzug im Rand- und Mittenbereich der Kochzone auf. Die Verwendung von Mehrkreisheizelementen (mit und ohne Isolationsbarriere zwischen den Heizkreisen) - insbesondere Zweikreisheizelementen mit zwei zueinander konzentrischen Heizkreisen - die eine getrennte Beheizung von Rand- und Mittenbereich zulassen, ist daher für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft. Es kann dabei je nach Anwendungsfall zweckmäßig sein, die einzelnen Heizkreise für unterschiedliche Flächenbelastungen auszulegen. Mit Hilfe einer ringförmigen Anordnung der Leiterbahnen über den Heizkreisen ist nicht nur eine wirkungsvolle Überwachung der den einzelnen Heizkreisen zugeordneten Bereiche der Kochzone möglich, es werden damit auch alle für einen Belastungsfall relevanten Stellen im Bereich der Kochzone erfaßt.
Die Leiterbahnen (2) decken nur einen geringen Teil der Kochzone ab. Bevorzugt sind Leiterbahnbreiten von < 3 mm. Im vorliegenden Fall sind die Leiterbahnen 1-2 mm breit, so daß die Gesamtfläche der Leiterbahnen in Bezug auf die Fläche der beheizten Zone klein ist. Eine Beeinflussung des Gesamtwärmeflusses wird dadurch minimiert. Der Flächenwiderstand dieser Leiterbahnschichten ist ≦ 50 mΩ/^□ bei Schichtdicken unter 1 µm.
Man erhält so zwei voneinander unabhängige Temperatursensoren, die die beiden Heizkreise (3a) und 3b) getrennt überwachen. Analog zu der oben beschriebenen Anordnung werden für andere, nichtrunde Heizelemente den jeweiligen Umrissen bzw. Geometrien angepaßte Leiterbahnanordnungen gewählt, mit denen die einzelnen Kochzonenbereiche getrennt überwacht werden. Figur 3a und 3b zeigen entsprechende Anordnungen für eckige und ovale Mehrkreis-Heizelemente.
Die parallel geführten Leiterbahnen (2) innerhalb der Kochzone (1) begrenzen schmale kreis- oder linienförmige Temperaturmeßzonen, in denen das von den Leiterbahnen eingegrenzte Glaskeramik-Volumen als temperaturabhängiger Widerstand dient. Die elektrische Leitung der Glaskeramik beruht, wie bei Gläsern, auf der Ionenleitung. Die Abhängigkeit wird durch das Gesetz von Rasch und Hinrichsen beschrieben: $R = a * exp (b/T)$
R ist der spezifische Widerstand der Glaskeramik in Ohm*cm bei der absoluten Temperatur T in Kelvin.
a und b sind von der Geometrie der Leiterbahnen und von der Glaskeramik abhängige Konstanten (a in Ohm*cm und b in K).
Der Temperaturkoeffizient dieser Meßwiderstände ist negativ. Er ist stark temperaturabhängig und beträgt z.B. für Glaskeramiken des Systems SiO₂-Al₂O₃-Li₂O bei 300°C 3.3 %/°C.
Der elektrische Gesamtwiderstand einer solchen Anordnung setzt sich aus beliebig vielen parallel geschalteten differentiellen Widerständen mit negativem Temperaturkoeffizienten zusammen und läßt sich durch die nachfolgende Gleichung ausdrücken: ${1/R = 1/R₁ (T) + 1/R₂ (T) + ... + 1/R}_{i} {(T) + ... 1/R}_{n} (T)$
Der temperaturabhängige Widerstand jedes differentiellen Widerstands R_i(T) läßt sich durch die nachfolgende Gleichung ausdrücken $R_{i} {(T}_{i} {) = l}_{i} {/A}_{i} {* a * exp (b/T}_{i})$

worin l_i die Länge in cm und A_i die Querschnittsfläche in cm² eines jeden differentiellen Glaskeramik-Widerstands darstellen. Die Konstanten a und b sind von der Geometrie der Leiterbahnen und von der Glaskeramik abhängige Konstanten (a in Ohm*cm und b in Kelvin). T_i ist die absolute Temperatur eines jeden differentiellen Widerstands in Kelvin.
Der elektrische Gesamtwiderstand wird durch den kleinsten Widerstand an der Stelle der höchsten Temperatur der Sensorzonen bestimmt, woraus eine automatische Anzeige der Maximaltemperatur in der jeweiligen Sensorzone resultiert. Lokal auftretende hohe Temperaturen bewirken, daß ein oder mehrere differentielle Widerstände im Verhältnis zu den anderen differentiellen Widerständen, die in kälteren Zonen liegen, niederohmig werden, so daß der Gesamtwiderstand eines Sensors nach Gl. 2 sehr klein wird.
Figur 4 zeigt zur Verdeutlichung schematisch einen Ausschnitt von den gegenüber liegenden Leiterbahnen (2). Die dazwischen eingegrenzte Glaskeramik läßt sich als Parallelschaltung vieler temperaturabhängiger differentieller Widerstände auffassen.
Bei niedrigen Temperaturen besitzt diese Anordnung gemäß der Gl. 2 und 3 einen sehr hohen Widerstand. Bei höheren Temperaturen, beispielsweise den typischen Temperaturen, die im Leerlauf gemessen werden, nimmt der Widerstand um mehrere Größenordnungen ab. Ebenso nimmt der Widerstand erheblich ab, wenn nur in einem kleinen Bereich der Glaskeramik hohe Temperaturen auftreten, z.B. beim versetzten Topf. Ein Temperaturausgleich zwischen benachbarten Zonen, die unterschiedliche Temperaturen besitzen, findet aufgrund der geringen Wärmeleitung bei Glas, Glaskeramik oder ähnlichem Material mit einem λ von typisch kleiner 2 W/mK kaum statt.
Die Umsetzung der temperaturabhängigen Leitfähigkeitsänderung der Glaskeramik in ein Meßsignal läßt sich in einem mit Wechselspannung versorgten Spannungsteiler realisieren, in dem ein Widerstand durch den temperaturabhängigen Widerstand der Sensorflächen gebildet wird. Die Festwiderstände des Spannungsteilers müssen, abhängig von der Sensorgeometrie so gewählt werden, daß bei Temperaturen, die die zulässige Temperatur/Zeit-Belastung überschreiten, für die Weiterverarbeitung ausreichende Signaländerungen am Spannungsteiler abgegriffen werden können. Der Temperaturbereich, in dem der größte Signalhub auftritt, kann durch Anpassen der Festwiderstände geändert werden. Die Festwiderstände dienen gleichzeitig der Strombegrenzung.
Die Wechselspannung ist erforderlich, Polarisationseffekte der Glaskeramik und die damit verbundene elektrochemische Zersetzung aufgrund der Ionenwanderung zu vermeiden. Bevorzugt werden für die anliegende Wechselspannung Frequenzen, die im Bereich zwischen 50 Hz und 1000 Hz liegen.
Figur 5a zeigt schematisch die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, wobei jeweils ein Spannungsteiler (7) für jeden Temperatursensor dargestellt ist. Beide Spannungsteiler werden von einer Wechselspannungsquelle (8), hier als Transformator dargestellt, versorgt. Damit ist sichergestellt, daß die Glaskeramik, hier als temperaturabhängiger Widerstand (9) dargestellt, nicht von Gleichstrom durchflossen wird. Die beiden Festwiderstände (10a) und (10b) wurden so gewählt, daß eine große Signaländerung im Bereich von 500 bis 600°C auftritt. Dieser Temperaturbereich ist charakteristisch für die in der Praxis vorkommenden Oberflächentemperaturen innerhalb der Kochzonen (1) von Glaskeramik-Kochfeldern.
Über eine Gleichrichterschaltung wird das am Spannungsteiler anstehende Wechselspannungssignal gleichrichtet und einer geeigneten elektronischen Schaltung zugeführt. Dies können Operationsverstärker, die als Komparatoren geschaltet sind, oder andere aus der Elektronik bekannte Schaltungen und Bauelemente, wie µ-Prozessoren oder dergleichen sein.
Die von den Sensoren gelieferten Signale werden in diesen Schaltungen derart verarbeitet, daß an deren Ausgang ein Signal zur Verfügung steht, mit dem sich die einzelnen Heizkreise über Relais oder Leistungs-Halbleiterbauelemente, wie Triac's oder MOS-FET's steuern lassen. Die Leistungssteuerung kann beispielsweise mittels Phasenanschnitt, Halb- oder Vollwellenpaketsteuerung mit unterschiedlichen Tastverhältnissen erfolgen, so daß auch stetige Temperaturregelungen möglich werden. Das Ausgangssignal der Steuerelektronik kann dabei auch über Optokoppler oder andere Schaltungen, die der galvanischen Trennung zwischen Steuerelektronik und Leistungsteil dienen, den oben beschriebenen Halbleiterbauelementen zugeführt werden. Ebenso lassen sich sogenannte Nullspannungsschalter realisieren, die die einzelnen Heizkreise der Heizelemente nur im Spannungsnulldurchgang schalten.
In der bestehenden Anordnung (Figur 5b) wird das am Spannungsteiler (7) abgegriffene Signal über eine Gleichrichterschaltung (11) dem einen Eingang eines als Komparator geschalteten Operationsverstärkers (12) zugeführt. Der Komparator hat die Aufgabe, das von der Sensoranordnung stammende temperaturabhängige Signal mit einem fest eingestellten Spannungswert, der Schwellenspannung Us in Figur 5b zu vergleichen. Liegt die Spannung vom Sensor über der Schwellenspannung, was in der vorliegenden Anordnung bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen der Fall wäre, z.B. bei Verwendung guten Geschirrs, wird der Ausgang des Komparators durchgeschaltet. Dieses Signal wird über eine Diode (13) und einen Optokoppler (14) einem Halbleiter-Wechselstromschalter (Triac) mit integriertem Nullspannungsschalter (15) zugeführt der die Heizwendel (4a) eines Heizkreises steuert. Besonders wichtig ist dabei, daß in der vorliegenden Anordnung eine galvanische Trennung zwischen elektronischer Meßschaltung und Leistungsteil gegeben ist.
Bei Unterschreiten der Schwellenspannung mit zunehmender Temperatur schaltet der Ausgang des Komparators (12) auf negatives Potential. Die Diode (13) sperrt, so daß der Triac (15) ebenfalls sperrt. Der entsprechende Heizkreis wird abgeschaltet. Die Temperatur der Glaskeramik nimmt infolgedessen wieder ab, wodurch sich der elektrische Widerstand der Sensoren wieder erhöht. Dadurch steigt die Spannung am Ausgang des Spannungsteilers wieder an. Sobald die gleichgerichtete Spannung U_i bzw. U_a wieder über der Schwellenspannung U_s liegt, schaltet der Ausgang des Komparators (12) wieder auf positives Potential, wodurch über die nun wieder leitende Diode der Triac (15) im Nulldurchgang zündet und damit die entsprechende Heizwendel eingeschaltet wird. Mit dieser Anordnung wird somit, getrennt für jeden Heizkreis, eine Regelung ermöglicht.
Für die Praxis hat dies folgende Auswirkungen:
Bei Verwendung guten Geschirrs bleibt die Oberflächentemperatur der Glaskeramik sowohl im Außenkreis (3a) als auch im Innenkreis (3b) unterhalb einer der Schwellenspannung entsprechenden Temperatur. Die Ausgänge der beiden Komparatoren besitzen ein positives Potential, so daß beide Heizkreise eingeschaltet sind und somit ihre volle Nennleistung abgeben können. Figur 6a zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf für U_i (Innenkreis) und U_a (Außenkreis).
Bei Kochgeschirr mit eingezogenem Boden erhitzt sich die Glaskeramik unter dem Topfboden aufgrund des schlechten Wärmeentzugs im Bereich des Innenkreises wesentlich stärker als im Außenbereich der Kochzone (1), da im Außenbereich die Glaskeramik in Kontakt mit dem Topfboden steht. Für den Innenkreis ist die Folge, daß die Schwellenspannung durch die höhere Temperatur unterschritten wird. Die Leistung des Innenkreises wird daher im zeitlichen Mittel so weit reduziert, daß ein Überschreiten der Temperatur/Zeit-Belastungsgrenze für die Glaskeramik ausgeschlossen ist. Figur 6b zeigt den typischen Verlauf für U_i und U_a. Deutlich ist für den Innenkreis das Takten bei Erreichen der Schwellenspannung U_s zu erkennen. Die Hysteresis läßt sich durch geeignete Beschaltung des Komparators (12) einstellen. Im Falle eines Topfes mit nach außen gewölbtem Boden sind die Verhältnisse ähnlich, nur wird entsprechend der Lage der überhitzten Zone im Außenbereich der Kochzone nicht die Leistung für den inneren, sondern für den äußeren Heizkreis reduziert.
Bei den ebenfalls möglichen Belastungsfällen "versetzter Topf" oder "zu kleiner Topf", erhitzt sich der Außenbereich der Kochzone stärker als der Innenbereich, so daß die mittlere Leistung im Außenheizkreis entsprechend reduziert wird, Figur 6c.
Für den Fall, daß ein Topf leerkocht, steigt die Temperatur der Glaskeramik im Innen- und Außenbereich stark an. In diesem Fall wird bei beiden Heizkreisen die Leistung reduziert, Figur 6d.
Mit der oben beschriebenen Anordnung wird erreicht, daß die dem Topf zugeführte Leistung optimal an dessen Qualität angepaßt wird. Töpfen mit guter Qualität wird aufgrund des guten Wärmeentzugs die volle Nennleistung zur Verfügung gestellt, die, bezogen auf die Fläche der Kochzone, erheblich über der der bisher in Glaskeramikkochfeldern eingesetzten Heizelemente liegen kann. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit des Kochsystems wesentlich gesteigert.
Bei Verwendung schlechter Topfqualitäten oder bei Fehlstellungen des Kochgeschirrs wird die Leistungsverteilung so geändert, daß unter dem Topfboden die Temperatur/Zeit-Belastung der Glaskeramik reduziert wird. In den Bereichen der Kochzone, in denen der Topf aufsteht und ein guter Wärmeentzug stattfindet, wird eine gegenüber herkömmlichen Beheizungssystemen erhöhte Leistungsdichte beibehalten, während in Bereichen mit schlechtem Wärmekontakt die Leistung entsprechend reduziert wird. Insgesamt wird damit bei Ankochvorgängen mit schlechtem Geschirr die Ankochdauer infolge der höheren angebotenen mittleren Leistung verringert.

Claims

Vorrichtung zur Leistungssteuerung und -begrenzung bei einer Heizfläche (6) aus Glaskeramik oder einem vergleichbaren Material, bei einer Glaskeramikkochfläche mit wenigstens einer Heizzone (1) mit zugeordneter Heizeinrichtung (4),
bei welcher im Bereich der Heizzone (1) auf der Heizfläche (6) mehrere voneinander unabhängige Temperatursensoren so angeordnet sind, daß sie alle für einen Belastungsfall wesentlichen Stellen erfassen, und
die Leistungszufuhr zu der Heizeinrichtung (4) aufgrund der von den Temperatursensoren ermittelten Werte schalt- und steuerbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizeinrichtung (4) wenigstens zwei Heizelemente (3a,b) aufweist, welche jeweils in der Heizzone (1) zugeordnete Bereiche begrenzen,
daß die Temperatursensoren streifenförmige, in der Heizfläche (6) durch parallele Leiterbahnen (2) begrenzte und kontaktierte Glaskeramiktemperaturmeßwiderstände sind,
und daß jedem Heizelement (3a,b) wenigstens ein solcher Temperatursensor zugeordnet ist,
wobei die geometrische Anordnung der Leiterbahnen (2) des Temperatursensors in einem dem Heizelement zugeordneten Bereich der Heizzone (1) an die geometrische Gestalt des Heizelementes (3a,b) sowie an die erwartete Temperaturverteilung in diesem Bereich bei bekannten anomalen thermischen Belastungsfällen angepaßt ist,
und daß die Heizelemente (3a,b) aufgrund der von dem(n) zugeordneten Temperatursensor(en) ermittelten Werte unabhängig voneinander so schalt- und steuerbar sind,
daß die Leistungsverteilung in der Heizzone weitgehend an den örtlich unterschiedlichen Wärmeentzug anpaßbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die den einzelnen Heizelementen zugeführte Leistung in zeitlichen Abständen stufenweise oder stetig an den maximal möglichen Wärmeentzug in den den Heizelementen zugeordneten Bereichen der Heizzone angepaßt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer Glaskeramikkochfläche der Rand- und der Mittenbereich der Kochzone unabhängig voneinander beheiz- und überwachbar sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizeinrichtung ein Mehrkreisheizelement ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizeinrichtung ein Zweikreisheizelement ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die einzelnen Heizkreise jeweils für unterschiedliche Flächenbelastungen ausgelegt sind.