DE19955457A1 - Portable induction heating appliance for cooking foodstuffs has the induction coils carried on electrically conducting but non- magnetic supports and base - Google Patents
Portable induction heating appliance for cooking foodstuffs has the induction coils carried on electrically conducting but non- magnetic supports and baseInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Gegenständen, insbesondere von Gefäßen für Speisen, mit mindestens einer in einem elektrischen Schwingkreis an geordneten Induktionsspule zur Erzeugung eines magneti schen Wechselfeldes, an das der zu erwärmende Gegen stand derart ankoppelbar ist, daß in diesem Wirbel strom- und/oder Ummagnetisierungswärme erzeugt wird, wobei die als Flachwicklung ausgebildete Induktionsspu le auf einem die eine Breitseite der Flachwicklung un terstützenden Spulenträger innerhalb eines Gehäuses an geordnet ist und das Gehäuse einen Gehäusedeckel aus elektrisch und magnetisch nicht leitendem Material mit einer die Flachwicklung auf der dem Spulenträger gegen überliegenden Breitseite übergreifenden Stellfläche für den aufzuheizenden Gegenstand aufweist.The invention relates to a device for inductive Heating at least partially electrically conductive Objects, in particular of vessels for food, with at least one in an electrical resonant circuit ordered induction coil for generating a magneti alternating field to which the counter to be heated stood in such a way that in this vortex electricity and / or magnetic reversal heat is generated, the induction coil designed as a flat winding le on one the broad side of the flat winding un supporting coil carrier within a housing is ordered and the housing a housing cover electrically and magnetically non-conductive material one against the flat winding on the bobbin overlying broadside overlapping footprint for has the object to be heated.
Bei der Zubereitung und Verteilung von Speisen in Kran kenhäusern, Altenheimen und ähnlichen Einrichtungen ist ein Abkühlen der Speisen auf dem Transportweg zu ver meiden. Zu diesem Zweck werden häufig Speisetablett- Transportwagen verwendet, die ein induktives Erwär mungssystem zum Aufwärmen und Warmhalten der Speisen enthalten. Insbesondere werden hierbei vorgegarte Spei seportionen regeneriert, d. h. von einer Kühltemperatur im Bereich von 2 bis 10°C auf eine Kerntemperatur von etwa 70°C aufgeheizt. Diese Kerntemperatur darf vor schriftsgemäß aus hygienischen Gründen nicht unter schritten werden. Andererseits ist aber auch eine über mäßige Erhitzung der Speisen über einen längeren Zeit raum zu vermeiden, da dies die Qualität der Speisen be einträchtigen würde.When preparing and distributing food in a crane nursing homes, old people's homes and similar facilities to cool the food on the way to ver avoid. For this purpose, food tray Transport trolleys are used which have an inductive heating system for warming up and keeping food warm contain. In particular, pre-cooked dishes are used here portions regenerated, d. H. from a cooling temperature in the range of 2 to 10 ° C to a core temperature of heated to about 70 ° C. This core temperature is allowed for hygienic reasons, not under be paced. On the other hand, one is also over moderate heating of the food for a long time avoid space, as this affects the quality of the food would impair.
Ein bekanntes Induktions-Erwärmungssystem dieser Art (DE-A 197 14 701) besteht im wesentlichen aus einer gleichgerichteten Spannungsquelle, einer Halbleiter schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Wechselstroms mit einem Reihenschwingkreis, der mindestens eine In duktionsspule und mindestens eine Kapazität enthält. Die Leistungsregelung derartiger Reihenschwingkreise kann durch Variation der Taktfrequenz erfolgen, die in der Größenordnung von 10 bis 50 kHz liegt. Weitere Ein flußgrößen sind die Fläche des durch die Induktionsspu le erzeugten Feldes, die tatsächlich von dem zu erwär menden Gefäß abgedeckt wird, die Schichtdicke des lei tenden Teils des zu erwärmenden Gefäßes, der Abstand des leitenden Bereichs des zu erwärmenden Gefäßes von der Induktionsspule, die magnetischen Materialeigen schaften des Gefäßes (diamagnetisch, paramagnetisch oder feromagnetisch) sowie die elektrische und thermi sche Leitfähigkeit des Gefäßes und deren Temperaturab hängigkeit. Diese Größen können zu einer Verstimmung des Schwingkreises führen, die auf geeignete Weise kom pensiert werden muß. Dies gilt insbesondere dann, wenn mehr als eine Induktionsspule zur Aufheizung einer ent sprechenden Anzahl von Gefäßen in dem Schwingkreis an geordnet sind. Bei tragbaren Geräten kann eine Verstim mung des Schwingkreises auch dadurch erfolgen, daß das Gerät auf eine Unterlage aus ferromagnetischem Material gestellt wird und es dabei zu einer unerwünschten Lei stungsauskopplung kommt.A well-known induction heating system of this type (DE-A 197 14 701) consists essentially of a rectified voltage source, a semiconductor circuit arrangement for generating an alternating current with a series resonant circuit that has at least one In induction coil and contains at least one capacity. The power control of such series resonant circuits can be done by varying the clock frequency, which in is on the order of 10 to 50 kHz. Another one flux sizes are the area of the induction coil le generated field that is actually heated by the covering vessel, the layer thickness of the lei part of the vessel to be heated, the distance the conductive area of the vessel to be heated from the induction coil, the magnetic material proper properties of the vessel (diamagnetic, paramagnetic or feromagnetic) as well as the electrical and thermal cal conductivity of the vessel and its temperature addiction. These sizes can cause an upset of the resonant circuit, which come in a suitable way must be penalized. This applies in particular if more than one induction coil for heating an ent speaking number of vessels in the resonant circuit are ordered. With portable devices, a detuning tion of the resonant circuit also take place in that the Device on a base made of ferromagnetic material is placed and there is an undesirable lei decoupling comes.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, ein induktives Erwärmungssystem der eingangs angegebenen Art insbesondere zur Speiseerwärmung zu entwickeln, das eine optimale Leistungseinkopplung in die aufzuheizenden Gegenstände bei geringen Magnetfeld verlusten nach außen gewährleistet.Based on this, the object of the invention reasons, an inductive heating system at the beginning specified type in particular for food heating develop an optimal power coupling in the objects to be heated with a low magnetic field external losses guaranteed.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Patentan sprüchen 1 und 6 angegebenen Merkmalskombinationen vor geschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil dungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. To solve this problem, the in the patent Proverbs 1 and 6 specified combinations of features beaten. Advantageous refinements and training The invention is derived from the dependent Claims.
Die erfindungsgemäße Lösung geht von dem Gedanken aus, daß eine Verstimmung des Schwingkreises dadurch vermie den werden kann, daß das Gehäuse einen mit dem Spulen träger bestückten Gehäuseboden aus elektrisch leiten dem, magnetisch nicht leitendem Material aufweist, wo bei der Spulenträger zugleich als Abstandshalter zwi schen dem Gehäuseboden und der Induktionsspule fun giert. Vorteilhafterweise ist der Gehäuseboden als nicht magnetisierbare Metallplatte vorzugsweise aus Aluminium ausgebildet. Ein solcher Gehäuseboden kann zugleich als wärmeleitender Kühlkörper für eine Endstu fe des elektrischen Schwingkreises ausgebildet sein, wenn ein mit der mindestens einen Induktionsspule ge koppelter Leistungstransistor des Schwingkreises mit dem Gehäuseboden thermisch gekoppelt ist.The solution according to the invention is based on the idea that a detuning of the resonant circuit is avoided can be that the housing one with the coils Conductively equipped housing base made of electrical conduct the, magnetically non-conductive material, where in the bobbin at the same time as a spacer between between the case bottom and the induction coil yaws. The bottom of the housing is advantageously as non-magnetizable metal plate preferably made of Aluminum trained. Such a housing bottom can at the same time as a heat-conducting heat sink for a final stage fe of the electrical resonant circuit, if a ge with the at least one induction coil coupled power transistor of the resonant circuit with the case bottom is thermally coupled.
Einen weiteren Parameter zur Voreinstellung der Reso nanzfrequenz des Schwingkreises erhält man dadurch, daß der Spulenträger mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme von magnetisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Bauteilen aufweist.Another parameter for presetting the Reso The frequency of the resonant circuit is obtained by the fact that the coil carrier has several recesses for receiving magnetically conductive and electrically non-conductive Components.
Eine bevorzugte oder alternative Ausgestaltung der Er findung sieht vor, daß in dem Schwingkreis mindestens zwei elektrisch miteinander gekoppelte, als Flachwick lungen ausgebildete Induktionsspulen vorgesehen sind, denen je ein Spulenträger sowie eine Stellfläche für einen der aufzuwärmenden Gegenstände zugeordnet ist, wobei jeder Spulenträger mit Ausnehmungen zur wahlwei sen Aufnahme von magnetisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Bauteilen versehen ist.A preferred or alternative embodiment of the Er invention provides that at least in the resonant circuit two electrically coupled, as flat wick induction coils are provided, which each have a bobbin and a space for is assigned to one of the objects to be warmed up, each coil carrier with recesses for optional sen inclusion of magnetically conductive and electrical non-conductive components.
Vorteilhafterweise sind die magnetisch leitenden Bau teile als stab- oder scheibenförmige, weichmagnetische Ferritelemente ausgebildet.The magnetically conductive construction are advantageous parts as rod or disc-shaped, soft magnetic Ferrite elements trained.
Die Ausnehmungen sind vorteilhafterweise als in einer zur jeweiligen Induktionsspule weisenden Breitseiten fläche des Spulenträgers angeordnete Vertiefungen aus gebildet. Die Vertiefungen können dabei länglich ausge bildet sein und in ihrer Längsrichtung bezüglich der benachbarten Induktionsspule sternförmig radial ausge richtet sein. Der einen kreisrunden Umriß aufweisende Spulenträger kann dabei in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung unterschiedlich dicht mit den magne tisierbaren Bauteilen bestückt sein, wobei im Falle des Vorhandenseins mehrerer Induktionsspulen die verschie denen Spulenträger unterschiedlich dicht mit magneti sierbaren Bauelementen bestückt sein können. Mit diesen Maßnahmen erhält man zusätzliche Freiheitsgrade zur Einstellung der Induktivität und des radialen und axialen Induktivitätsverlaufes in den einzelnen Indukti onsspulen mit dem Ziel, eine möglichst gleichmäßige, überhitzungsfreie Aufheizung der Gegenstände oder Gefä ße zu erzielen.The recesses are advantageously than in one broad sides facing the respective induction coil Surface of the bobbin from recesses educated. The wells can be elongated forms and in its longitudinal direction with respect to neighboring induction coil radially out star-shaped be judged. The one with a circular outline Coil carriers can be in the circumferential direction and / or in radial direction different densities with the magne tisizable components can be equipped, wherein in the case of The presence of several induction coils that differ which coil carriers have different densities with magneti sizable components can be equipped. With these Measures give you additional degrees of freedom Setting the inductance and the radial and axial inductance curve in the individual inductors on spools with the aim of overheating-free heating of objects or vessels to achieve.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigenIn the following the invention is based on one in the Drawing shown in a schematic manner example explained in more detail. Show it
Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines Reihen schwingkreises mit mehreren Induktionsspulen für die Erwärmung von in metallisierten Gefä ßen befindlichen Speisen; Fig. 1 shows a schematic structure of a series resonant circuit with a plurality of induction coils for heating dishes located in metallized vessels;
Fig. 2 eine schaubildliche Darstellung eines trans portablen Speisenerwärmungsgeräts; Figure 2 is a diagrammatic representation of a trans portable food warming device.
Fig. 3 eine Draufsicht auf das Speisenerwärmungsgerät nach Fig. 2; Fig. 3 is a plan view of the food warming device of Fig. 2;
Fig. 4 eine Seitenansicht des Speisenerwärmungsgeräts nach Fig. 2; FIG. 4 shows a side view of the food warming device according to FIG. 2;
Fig. 5 einen Schnitt entlang der Schnittlinie V-V der Fig. 3; Fig. 5 is a section along the section line VV of Fig. 3;
Fig. 6 eine schaubildliche Darstellung der Bodenplat te des Speisenerwärmungsgeräts nach Fig. 2 mit zwei Spulenträgern und einer Steuerungsplati ne. Fig. 6 is a graphical representation of the Bodenplat te of the food warming device of FIG. 2 with two coil carriers and a control plate ne.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Schaltungsanord nung 10 besteht im wesentlichen aus einer Gleich richterschaltung 12, mit der die Spannung einer Netz spannungsquelle 14 gleichgerichtet wird, zwei Halblei terschaltern T1, T2 zum frequenzgesteuerten Zerhacken der gleichgerichteten Netzspannung, einem Reihen schwingkreis bestehend aus zwei Induktionsspulen 16, 16' und zwei Kondensatoren C1, C2, der mit der durch die Halbleiterschalter T1, T2 zerhackten Spannung be aufschlagt wird, sowie zwei Gefäßen 18, 18' als Last für die Induktionsspulen 18, 18'. Die Frequenzsteuerung der Halbleiterschalter T1, T2 erfolgt durch einen Mi krocontroller 20, der mit den Betriebsgrößen Netzspan nung und -strom sowie Induktionsspulen-Spannung und -strom als Regelgrößen beaufschlagt wird. Der Mikrocon troller 20 weist einen Speicherbereich auf, in dem in der Form von Tabellen und/oder Kennlinien Leistungs sollwerte für unterschiedliche Gefäßarten 18, 18' und Maximalwerte für den zulässigen Spulenstrom und die Spulenspannung gespeichert sind. Aus den ermittelten Betriebsgrößen, die mittels nicht dargestellter Senso ren gemessen werden, und dem sich daraus ergebenden Leistungssollwert berechnet der Mikrocontroller eine Taktfrequenz, mit der die Halbleiterschalter T1, T2 als Stellgröße beaufschlagt werden. Die Halbleiterschalter T1, T2 sind MOS-FET-Transistoren oder IGBT-Transisto ren, die in der Lage sind, Leistungen im Bereich von 500 W bis 5 kW zu schalten, wobei sie zur Ansteuerung nur eine geringe Leistung erfordern, so daß sie direkt von dem Mikrocontroller 20 angesteuert werden können.The circuit arrangement 10 shown schematically in Fig. 1 consists essentially of a rectifier circuit 12 , with which the voltage of a mains voltage source 14 is rectified, two semiconductor switches T 1 , T 2 for frequency-controlled chopping of the rectified mains voltage, a series resonant circuit consisting of two induction coils 16 , 16 'and two capacitors C 1 , C 2 , which is subjected to the voltage chopped by the semiconductor switches T 1 , T 2 , and two vessels 18 , 18 ' as a load for the induction coils 18 , 18 '. The frequency control of the semiconductor switches T 1 , T 2 is carried out by a microcontroller 20 , which is supplied with the operating variables mains voltage and current as well as induction coil voltage and current as control variables. The microcontroller 20 has a memory area in which, in the form of tables and / or characteristic curves, nominal power values for different types of vessels 18 , 18 'and maximum values for the permissible coil current and the coil voltage are stored. From the determined operating variables, which are measured by means of sensors (not shown), and the resulting power setpoint, the microcontroller calculates a clock frequency with which the semiconductor switches T 1 , T 2 are acted upon as a manipulated variable. The semiconductor switches T 1 , T 2 are MOS-FET transistors or IGBT-Transisto ren, which are able to switch powers in the range from 500 W to 5 kW, requiring only a low power to drive, so that they can be controlled directly by the microcontroller 20 .
Das transportable Speisenerwärmungsgerät befindet sich in einem Gehäuse 22 bestehend aus einem durch eine Alu miniumplatte gebildeten Gehäuseboden 24 und einem mit dem Gehäuseboden verbindbaren Gehäusedeckel 26 aus Kunststoff. Die Schaltungsanordnung 10 umfaßt eine Pla tine 28, die mittels Schrauben 30 und Abstandshaltern 32 mit dem Gehäuseboden 24 verbunden ist. Der Gehäuse boden 24 aus Aluminium fungiert gleichzeitig als Kühl körper für die Leistungstransistoren T1, T2 der Schal tungsanordnung 10.The portable food warming device is located in a housing 22 consisting of a housing base 24 formed by an aluminum plate and a housing cover 26 which can be connected to the housing base and which is made of plastic. The circuit arrangement 10 comprises a circuit board 28 , which is connected by means of screws 30 and spacers 32 to the housing base 24 . The housing bottom 24 made of aluminum also acts as a heat sink for the power transistors T 1 , T 2 of the circuit arrangement 10th
An dem Gehäuseboden 24 sind ferner Spulenträger 34, 34' zur Aufnahme der als Flachwickelungen ausgebildeten In duktionsspulen 16, 16' angeordnet. Die Spulenträger 34, 34' weisen je einen zentral überstehenden Zentrierzap fen 36, 36' auf, die durch eine Zentralöffnung 38 in den Induktionsspulen hindurchgreifen. Die Spulenträger 34, 34' weisen außerdem an ihrer oberen Breitseite als sternförmig angeordnete Vertiefungen ausgebildete Aus nehmungen 40 auf, in die wahlweise stabförmige Ferrit elemente 42 eingelegt werden können. Je nachdem wie viele der magnetisierbaren Ferritelemente 42 in die Ausnehmungen 40 der Spulenträger 34, 34' eingelegt wer den, kann der Absolutwert und das Verhältnis der Induk tivität der beiden Induktionsspulen 16, 16' variiert und an die gewünschte Leistungsauskopplung in die auf zuwärmenden Gegenstände angepaßt werden. Ebenso kann durch geeignete Positionierung der Ferritelemente 42 innerhalb der Ausnehmungen 40 die Magnetfeldverteilung und damit die Leistungsverteilung über die Spulenfläche variiert werden. Dem Gehäuseboden 24 kommt zusätzlich die Funktion einer Magnetfeldabschirmung zu. Sie ver hindert ein unerwünschtes Auskoppeln von magnetischer Energie in eine außerhalb des Gehäuses befindliche, ggf. magnetisch wirksame Unterlage.Also arranged on the housing base 24 are coil carriers 34 , 34 'for receiving the induction coils 16 , 16 ' formed as flat windings. The coil carriers 34 , 34 'each have a centrally protruding centering pin 36 , 36 ' which reach through a central opening 38 in the induction coils. The coil carrier 34 , 34 'also have on their upper broad side formed as star-shaped recesses from recesses 40 , in which rod-shaped ferrite elements 42 can be inserted optionally. Depending on how many of the magnetizable ferrite elements 42 are inserted into the recesses 40 of the coil carriers 34 , 34 ', the absolute value and the ratio of the inductance of the two induction coils 16 , 16 ' can be varied and adapted to the desired output coupling in the objects to be heated become. Likewise, the magnetic field distribution and thus the power distribution over the coil surface can be varied by suitable positioning of the ferrite elements 42 within the recesses 40 . The housing base 24 also has the function of a magnetic field shield. It prevents unwanted decoupling of magnetic energy in an outside, possibly magnetically effective base.
Der aus einem diamagnetischen Kunststoff bestehende Ge häusedeckel 26 weist im Bereich der darunter befindli chen Induktionsspulen 16, 16' Stellflächen 44 auf, auf die die aufzuheizenden Gefäße 18, 18' aufstellbar sind. Die Gefäße 18, 18' bestehen typischerweise aus kerami schem Material, vorzugsweise aus Porzellan, das mit ei ner elektrisch leitenden Schicht, beispielsweise Silber beschichtet ist.The housing cover 26 made of a diamagnetic plastic Ge has in the area of the induction coils 16 , 16 'located beneath it, shelves 44 on which the vessels 18 , 18 ' to be heated can be raised. The vessels 18 , 18 'typically consist of ceramic material, preferably porcelain, which is coated with an electrically conductive layer, for example silver.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfin dung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Gegenständen 18, 18', insbesondere von Gefäßen für Speisen. Die Vorrichtung weist mindestens eine in einem elektrischen Schwingkreis 10 angeordnete Induktionsspu le 16, 16' zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfel des auf, an das der zu erwärmende Gegenstand 18, 18' ankoppelbar ist. Der Schwingkreis mit den Indukti onsspulen befindet sich in einem Gehäuse 22, das einen Gehäusedeckel aus diamagnetischem Material mit einer die Induktionsspule 16, 16' übergreifenden Stellfläche 44 für den aufzuheizenden Gegenstand 18, 18' aufweist. Um eine unerwünschte Verstimmung des Schwingkreises zu verhindern und eine gleichmäßige Erwärmung der aufzu heizenden Gegenstände zu gewährleisten, weist das Ge häuse einen mit dem Spulenträger 34, 34' bestückten me tallischen, nicht magnetisierbaren Gehäuseboden 24 auf, wobei der Spulenträger 34, 34' zugleich als Abstands halter zwischen Gehäuseboden und Induktionsspule dient. Die Heizleistungsverteilung innerhalb der Indukti onsspulen und zwischen verschiedenen im Schwingkreis angeordneten Induktionsspulen kann durch weichmagneti sche Bauteile 42 bewirkt werden, die in entsprechende Ausnehmungen in den Spulenträgern wahlweise eingesetzt werden können.To summarize, the following should be noted: The invention relates to a device for inductive heating of at least partially electrically conductive objects 18 , 18 ', in particular of vessels for dishes. The device has at least one induction coil 16 , 16 'arranged in an electrical oscillating circuit 10 for generating a magnetic alternating field to which the object 18 , 18 ' to be heated can be coupled. The resonant circuit with the induction coils is located in a housing 22 , which has a housing cover made of diamagnetic material with an induction coil 16 , 16 'overlapping footprint 44 for the object to be heated 18 , 18 '. In order to prevent unwanted detuning of the resonant circuit and to ensure a uniform heating of the aufzu heating objects, the Ge housing a with the coil support 34, 34 'fitted on me-metallic, non-magnetizable housing bottom 24, wherein the coil support 34, 34' at the same time as Spacer between the housing base and induction coil is used. The heat output distribution within the induction coils and between different induction coils arranged in the resonant circuit can be effected by soft magnetic components 42 , which can optionally be used in corresponding recesses in the coil carriers.
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