ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
[0001] Die Erfindung betrifft einen Sensor für einen elektrischen Strahlungsheizkörper zur
Erkennung der Positionierung eines Kochgefäßes auf einer den Heizkörper überdeckenden
Kochplatte, insbesondere einer Glaskeramikplatte.
[0002] Die automatische Ein- und Ausschaltung einer Kochstelle in direkter Abhängigkeit
vom Aufstellen eines Kochgefäßes ist ein seit langem verfolgtes Ziel, das jedoch bisher
nur unvollständig, mit großem technischen Aufwand und nicht mit der nötigen Zuverlässigkeit
gelöst werden konnte, weswegen solche Systeme in der Praxis noch wenig eingeführt
sind.
[0003] Die zu diesem Zwecke vorgeschlagenen Systeme beruhen auf den unterschiedlichsten
Prinzipien, wobei meist die Art und Anordnung des Sensors entscheidend ist. So wurden
mechanische, kapazitive, optische, resistive und induktive Sensoren vorgeschlagen.
Bei induktiven Sensoren sind sowohl Spulen mit mehreren Windungen als auch mit nur
einer Windung vorgeschlagen worden. Diese Spulen sind entweder kreisförmig und konzentrisch
zur jeweiligen Kochzone angeordnet oder umrahmen diese im Fall unrund geformter Kochzonen.
Dabei befinden sich diese Spulen üblicherweise im Bereich der Randisolation. (Siehe
EP 490 289 B1 und EP 442 275 A2)
[0004] Die erwähnte einwindige Topferkennungsschleife ist aus der DE 37 11 589 A1 bekannt
geworden. Es handelt sich dabei um eine passive Kurzschlußschleife, die zwischen den
Heizelementen und einer Glaskeramikplatte angeordnet ist. Sie wird von einem unterhalb
der Heizelemente angeordneten Magnetfeldgeber fremd beaufschlagt. Durch periodisches
Kurzschließen und eine entsprechende Bedämpfungsmessung wird die Auswerteschaltung
beaufschlagt. Die Einführung eines solchen Systems in die Praxis scheitert an dem
großen Aufwand und vor allem der erforderlichen großen Bauhöhe zur Unterbringung des
Magnetfeldgebers.
[0005] Die erwähnten vielwindigen Spulen im Außenrandbereich (oder in einer unbeheizten
Mittelzone) bereiten thermische Probleme und sind, wie gemäß der Erfindung erkannt
wurde und wie später noch erläutert wird, bzgl. einer scharfen Signalerzeugung und
-erkennung weniger geeignet.
[0006] Aus der DE 37 33 108 ist eine Schaltungsanordnung g für ein Topferkennungssystem
mit einem Tropferkennungssensor bekannt geworden, der nach Art eines passiven Vierpols
arbeitet. Der nach Art von Sender- und Empfängerantennen arbeitende Sensor ist auf
die Unterseite der Kochplatte als gedruckte Schaltung aufgebracht und hat eine generell
spiralige Anordnung.
[0007] Die EP 0 469 189 A beschreibt ein Steuerungsverfahren für die Heizelemente eines
Kochherdes mit einem als Luftspule mit nur wenigen Windungen ausgeführten Sensor,
über dessen Anordnung und Gestaltung im übrigen keine Angaben gemacht sind.
[0008] Aus der DE 42 24 934 A ist eine Sensoranordnung für ein Topferkennungssystem bekannt
geworden, bei dem je zwei kapazitiv wirkende, elektrisch leitende, temperaturbeständige
Topferkennungssensoren am äußeren Rand von Strahlheizkörpern angeordnet sind. Es handelt
sich dabei um diskrete Sensoren, die nur einen kleinen Bereich des Umfanges des Strahlheizkörpers
überdecken. Ihre Wirkung und das Einschaltverhalten ist daher in starkem Maße davon
abhängig, an welchen Stellen die Sensoren am Umfang angeordnet sind. Die exakte Positionierung
eines Kochgefäßes können sie daher nicht zweifelsfrei erfassen.
AUFGABE UND LÖSUNG
[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, einen aktiven Sensor für einen Strahlungsheizkörper
zu schaffen, der bei einfachem und robustem Aufbau leicht am Strahlheizkörper anzuordnen
ist und ein möglichst prägnantes Signal zur Steuerung des Heizkörpers liefert.
[0010] Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst.
[0011] Der Sensor, der Teil eines induktiv, vorzugsweise mittels Schwingkreisverstimmung
arbeitenden Schwingkreises einer Steuerung ist, ist als Schleife aus elektrisch leitfähigem
Material im Bereich der Heizzone umlaufend und diese zumindest teilweise übergreifend
angeordnet. Dadurch wird gegenüber einem im Randbereich des Heizkörpers umlaufenden
Sensor das Signal wesentlich aussagekräftiger für die Überdeckung der Heizzone und
damit für die Erkennung prägnanter. Dies ist insofern ungewöhnlich, als man annehmen
sollte, daß durch einen am Rand angeordneten Sensor die zugehörige Kochgefäßgröße
besonders genau erkannt werden würde, weil die Signalgröße in Form der relativen Frequenzverschiebung
im Randbereich besonders groß ist und dann stark (parabolisch) zur Mitte hin abfällt.
Das Problem ist hier jedoch, daß, wie festgestellt wurde, eine solche Randspule kaum
zwischen einem relativ kleinen Topf, der noch eine Einschaltung bewirken soll, und
einem großen, jedoch zur Heizfläche verschobenen Topf unterscheiden kann, der keine
Einschaltung bewirken soll. Außerdem ergab sich bei den Randspulen stets ein Problem
aufgrund der Tatsache, daß Strahlungsheizkörper üblicherweise in einem Blechteller
angeordnet sind, dessen Boden und vor allem dessen Rand den Schwingkreis stark bedämpft.
Das Feld erstreckt sich also auf einen ganz schmalen Randbereich, der überhaupt ein
auswertbares Signale liefert.
[0012] Überhaupt muß bei derartigen Strahlungsheizkörpern berücksichtigt werden, daß auch
der Boden des Blechtellers eine Dämpfung des Magnetfeldes bewirkt, so daß sich dieses
nur relativ kleinräumig als Schlauch um den eigentlichen Sensor-Leiter herum ausbilden
kann.
[0013] Durch die Anordnung der Sensorschleife im Bereich der Heizzone kann eine möglichst
große Überdeckung des Sensors in dem Bereich erzielt werden, bei dem der Topf eine
Einschaltung bewirken soll, und eine möglichst geringe Überdeckung in dem Bereich,
in dem das betreffende Heizelement ausgeschaltet sein soll. Daher bringt auch ein
kleiner Topf bei ordnungsgemäßer zentrischer Anordnung ein großes Signal, während
ein verschobener Topf nur ein davon deutlich zu unterscheidendes kleines Signal liefert.
Die Sensorschleife sollte also ihren wirksamen Durchmesser im Bereich des Mindestdurchmessers
haben, vorteilhaft etwas darüber, und zwar um den Bereich des Magnetfeld-"Schlauches".
Infolge des Abstandes zum Außenrand findet keine nennenswerte Bedämpfung durch diesen
statt, die sozusagen einen Topf vortäuschen würde. Dadurch ist es auch möglich, mit
einer nur eine oder ggf. nur wenige Windungen aufweisenden Sensorschleife auszukommen,
während früher meist die Anordnung einer Spule mit vielen Windungen für nötig gehalten
wurde, um ein ausreichend großes Signal in Form einer Frequenzverschiebung im Meß-Schwingkreis
zu erhalten.
[0014] Die Erfindung ermöglicht es daher vorteilhaft, die Sensorschleife im unmittelbaren
Bereich der Heizzone, d.h. unmittelbar der Strahlungswärme ausgesetzt anzuordnen,
weil bei einer solchen Spule mit einer oder nur geringen Windungen mit Luftabstand
dazwischen eine Isolation nicht nötig ist. Sie besteht aus einem gestaltfesten, selbsttragenden
und temperaturbeständigen Leitmaterial, vorzugsweise aus einem Rohr oder massivem,
starkem Draht. Als Werkstoff kommt ein Material wie ein hochlegierter Stahl, z.B.
eine FeCrNi-Legierung in Frage. Die Ausbildung aus nicht-ferromagnetischem Material
ist deswegen zweckmäßig, weil bei einem ferromagnetischem Material in Folge der auftretenden
hohen Temperatur der Curiepunkt überschritten werden würde und die in diesem Punkt
sich ändernden magnetischen Eigenschaften zu einem Signal führen würden, das von der
gewünschten Ermittlung einer Kochgefäßposition völlig unabhängig ist und daher das
Ergebnis verfälschen würde.
[0015] Die Sensorschleife und die Steuerung kann vorteilhaft zur Kochgefäß-Größenerkennung
ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann die Sensorschleife in radialem Abstand voneinander
unterschiedliche Wirkbereiche aufweisen, z.B. in unterschiedlichen Umfangsbereichen
im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Schleifenabschnitte, die durch radiale
Verbindungsabschnitte miteinander verbunden sind. Dabei kann sich beispielsweise eine
Sensorschleife mit einer Kreis- oder Mehreckform mit omega-förmigen Ausbuchtungen
ergeben. Diese Kleeblattform ist als besonders wirkungsvoll erkannt worden.
[0016] Da bei den vorliegenden Gegebenheiten die Signalgröße im wesentlichen dem Überdeckungsgrad
der Sensorschleife durch ein Kochgefäß entspricht, hat die Kennlinie "Frequenzhub/diametrale
Überdeckung durch das Kochgefäß" im Gegensatz zu dem parabolischen Verlauf einen stufigen
Verlauf mit einem mehr zum Inneren der Heizzone verschobenen steilen Abschnitt, der
bei Zweikreis-Heizkörpern zwei Durchmesserstufen haben kann. Auf diese Weise kann
der Signalverlauf stärker der Idealform angepaßt werden. Diese wäre beim Heizkörper
mit nur einer Heizzone ein flacher Signalverlauf im Randbereich, ein möglichst steiler
Abfall im Bereich des Durchmessers eines kleinstmöglichen Topfes, der noch zu einer
Einschaltung führen soll, und dann ein flacher, möglichst tiefer Verlauf bis zur Heizzonenmitte
hin.
[0017] Bei einem Zweikreisheizkörper, bei dem in Abhängigkeit von der Kochgefäßgröße entweder
nur die eine (mittlere) oder beide Heizzonen eingeschaltet werden sollen, kann durch
die zwei Wirkbereiche aufweisende Form nur eines Sensors ein sehr prägnanter Signalverlauf
mit zwei angenäherten Stufen erzielt werden, der zu einer differenzierten Einschaltung
der beiden Heizzonen ausgewertet werden kann.
[0018] Die robuste, selbsttragende Sensorschleife kann bei beliebigen Heizkörperkonfigurationen
leicht angeordnet werden. Diese haben meist einen Außenrand aus Isoliermaterial und
bei Zweikreisheizkörpern ggf. eine Zwischenwand. Auf diesem kann die Sensorschleife
aufliegen, wofür darin Ausnehmungen vorgesehen sein können, um eine Anlage von Sensor
und Isolierrand an der Platte oder einen gewissen, jedoch nur geringen Abstand dazu
herzustellen. Auch bei vorliegenden Heizkörpergestaltungen ist eine nachträgliche
Ausrüstung mit einer Topferkennung möglich.
[0019] Es hat sich gezeigt, daß durch die Form, Art und Anordnung der Sensorschleife das
bei bisherigen Sensoren dieser Art sehr schlechte Signal/Rauschverhältnis wesentlich
verbessert werden kann.
[0020] Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung
und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder
zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung
und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige
Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung
der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die
unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
[0021] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird
im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1
- einen zentralen Schnitt durch einen Strahlungsheizkörper unter einer Glaskeramikplatte
mit angedeuteten Kochgefäßen,
- Fig. 2
- eine Draufsicht auf den Strahlungsheizkörper nach Fig. 1,
- Fig. 3
- eine Diagramm über den Frequenzgang bei einem Zweikreisheizkörper,
- Fig. 4
- eine Draufsicht auf eine Variante eines Strahlungsheizkörpers,
- Fig. 5-10
- Draufsichten auf weitere Varianten in schematischer Darstellung und
- Fig. 11
- eine Frequenzgang-Diagramm eines Sensors für einen Einkreisheizkörper (Fig. 5 bis
7).
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
[0022] Die Fig. 1 und 2 zeigen einen elektrischen Strahlungsheizkörper 11, der unter einer
Glaskeramikplatte 12 einer elektrischen Kochmulde oder eines anderen Strahlungskochgerätes
angeordnet ist. Er weist einen flachen Blechteller 13 auf, dessen Boden 14 und Rand
15 eine Bodenschicht 16 und einen Rand 17 aus elektrisch und thermisch isolierendem
und dämmendem wärmebeständigem Isoliermaterial aufnehmen. Es handelt sich dabei vorzugsweise
um ein mikroporöses, aus Schüttmaterial gepreßtes pyrogenes Kieselsäureaerogel. Der
Außenrand 17 ist wegen verbesserter mechanischer Festigkeit gesondert hergestellt
und besteht aus einer gepressten bzw. naßgeformten und dann nachgetrockneten keramischen
Faser mit Bindemitteln etc.
[0023] Der Blechrand 15 reicht nicht ganz bis an die Glaskeramikplatte 12 heran, wohl aber
der Isolierrand 17, der von unten an die Glaskeramikplatte angedrückt ist, indem der
Heizkörper 11 durch eine nicht dargestellte Andruckfeder nach oben gedrückt ist.
[0024] Der Strahlungsheizkörper weist zwei zueinander konzentrische Heizzonen 18, 19 auf,
die durch eine Zwischenwandung 20 voneinander abgegrenzt sind, die jedoch nicht bis
an die Glaskeramikplatte heranreicht.
[0025] In beiden Heizzonen 18, 19 sind elektrische Heizelemente 21 in Form von dünnen, wellenförmig
verformten Bändern angeordnet, die aufrechtstehend auf der Oberfläche 22 des Isolierkörpers
16 stehend angeordnet sind und in diesem mit an ihrer Unterseite ausgeformten Füßen
verankert sind, die infolge der Wellung des Bandes eine Spatenform haben. Sie bedecken
die beiden Heizzonen 18, 19 gleichmäßig mit Ausnahme einer unbeheizten Mittelzone
59, in der ein nach oben gerichteter Vorsprung 43 des Isolierbodens 16 liegt.
[0026] Fig. 2 zeigt die Anordnung der Heizelemente in mäanderformigen Ringbahnen. Sie sind
über Heizelementanschlüsse 23 an einem Temperaturwächter 24 und einem gesonderten
Anschlußstein 25 so geschaltet, daß die äußere Heizzone 19 der bei Betrieb des Heizkörpers
ständig eingeschalteten Heizzone 18 wahlweise zugeschaltet werden kann. Der Temperaturwächter
24 weist einen stabförmigen Fühler 26 auf, der auf einen Temperaturwächter-/Kontakt
zur Einhaltung einer zulässigen Maximaltemperatur an der Glaskeramikunterseite und
einen Heißmelderkontakt zur Signalisierung des Heißzustandes des Heizkörpers in einem
Temperaturwächterkopf 27 einwirkt. Der Fühler 26 ragt durch den Isolierkörperrand
17 und durch die Zwischenwand 20 hindurch und verläuft in einer Ebene oberhalb der
Heizelemente 21, jedoch größtenteils in einer von Heizelementen freien Gasse 28.
[0027] Der Heizkörper weist einen Sensor in Form einer Schleife 30 auf, der Teil einer Steuerung
31 zur Erkennung der Positionierung eines Kochgefäßes auf der den Heizkörper überdeckenden
Kochplatte 12 ist. Die Sensorschleife 30 bildet eine Induktivität eines Schwingkreises
32, der mit einer relativ hohen Frequenz von beispielsweise 1 MHz bis 5 MHz angeregt
ist. Beim Aufsetzen eines Kochgefäßes ändert sich die Bedämpfung der Sensorschleife
30 und damit die Frequenz des Schwingkreises 32. Dies wird in der Steuerung 31 ausgewertet
und in Abhängigkeit davon werden mechanische oder elektronische Schalter 33, 33a in
der Steuerung angesteuert, die die Heizzonen 18, 19 zum Betrieb einschalten.
[0028] Zur Einstellung der jeweiligen freigegebenen Leistung ist ferner ein Energiesteuergerät
34 (oft auch als Energieregler bezeichnet) vorgesehen, der über einen Einstellknopf
35 auf eine bestimmte Leistung eingestellt werden kann. Es kann auch ein Temperaturregler
vorgesehen sein. Bei der Regelung oder Steuerung handelt es sich meist um eine taktende
Leistungsfreigabe, d.h. um eine Aussetzregelung oder -steuerung. Das Energiesteuergerät
34 kann thermo-mechanisch, d.h. als Bimetallschalter oder, bevorzugt, als elektronisches
Bauteil ausgebildet sein, das ggf. auch in die Steuerung 31 integriert sein kann.
Um Störeinflüsse vom Schwingkreis 32 möglichst fern zuhalten, sollte die Leitung zwischen
der eigentlichen Sensorschleife 30 und den übrigen Elementen des Schwingkreises so
kurz wie möglich gehalten werden. Auch eine Abschirmung der Leitungen ist möglich.
Ggf. könnte der die eigentliche Kochgefäßerkennung enthaltene Bauteil 36 der Steuerung
auch gesondert von der übrigen Heizkörpersteuerung getrennt räumlich nahe am Strahlungsheizkörper
11 angeordnet sein.
[0029] Die Sensorschleife 30 besteht aus einem relativ dicken Runddraht mit einem Durchmesser
zwischen 1 und 4 Millimetern, vorzugsweise etwa 2 Millimetern, aus einem wärmebeständigen
und nicht magnetisierbaren Material. Dies kann beispielsweise ein hochlegierter Stahl
wie eine Eisen-Chrom-Nickel-Legierung sein. Geeignete Werkstoffe sind z.B. ein Stahl
mit der Werkstoff-Nr. 1.4876 oder ein Heizleitermaterial mit der Werkstoff-Nr. 2.4869.
[0030] Der Sensor kann einseitig geerdet sein. Zur Erzielung eines geringen Erdungswiderstandes
(vorzugsweise kleiner als 0,1 Ohm), und dem hierfür erforderlichen sehr geringen ohmschen
Widerstand des Sensors, kann dieser entsprechend dick ausgeführt werden. Für ihre
Funktion als Topferkennungssensor mit Hochfrequenzbeaufschlagung ist allerdings wegen
des Skin-Effektes nur ihre Oberfläche wirksam, so daß sie auch als Rohr ausgebildet
sein könnte. Wegen des geringen ohmschen Widerstandes könnte dieses dann auch mit
Kupfer oder einem anderen hochleitenden Material gefüllt sein, während das Mantelmaterial
für Temperaturbeständigkeit und Zunderbeständigkeit sorgt. Besonders vorteilhaft ist
eine Ausführung mit einem elektrisch hochleitfähigen galvanischen Überzug, z.B. aus
Silber, oder eine Ausführung aus gut leitendem Vollmaterial mit z.B. galvanischem,
zunderbeständigem Überzug. Die sehr steife Ausbildung der Sensorschleife 30 sorgt
dafür, daß auch bei hohen thermischen Beanspruchungen nicht mit einem Absinken auf
die Heizelemente 21 zu rechnen ist.
[0031] Wegen der Form der Sensorschleife 30 wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. In
Fig. 2 bildet die Sensorschleife eine einwindige Spule mit über der äußeren Heizzone
19, jedoch mit relativ großem radialem Abstand vom Außenrand 17 verlaufenden äußeren
Umfangsabschnitten 37 und, wiederum mit radialem Abstand von der Zwischenwandung 20,
über der Heizzone 18 verlaufenden inneren Umfangsabschnitten 38.
[0032] Diese Umfangsabschnitte sind in Fig. 2 Kreisbogenabschnitte unterschiedlichen Durchmessers,
die durch Verbindungsabschnitte 39 miteinander verbunden sind. Diese Verbindungsabschnitte
verlaufen zwar im wesentlichen radial, jedoch derart schräg, daß die Winkelsumme der
äußeren und inneren Umfangsabschnitte 37, 38 größer ist als 360 °. Die Draufsicht
auf die Sensorschleife 30 hat die Grundform eines dreiblättrigen Kleeblattes mit einem
relativ großen, nahezu einen Vollkreis bildenden Mittelbereich und drei seitlichen
"Blättern" in Form eines dreieckigen Sektors oder Omega. Je nach Größe und steuerungstechnischen
Erfordernissen können auch mehr Umfangsabschnitts-Sektoren vorgesehen sein. An einem
der Umfangsabschnitt-Sektoren 40 sind Anschlüsse 41 in Form nach außen gerichteter,
zueinander paralleler Abschnitte des Schleifenmaterials vorgesehen.
[0033] Die gesamte Sensorschleife 30 mit der beschriebenen Form ist flach und aufgrund des
relativ starken Materials selbsttragend und formstabil. Sie liegt im vorliegenden
Beispiel einerseits im Bereich der Anschlüsse 41 in flachen Vertiefungen des Isolierkörper-Außenrandes
17 und stützt sich im übrigen mit ihren Verbindungsabschnitten 39 auf der Zwischenwand
20 ab, die nicht ganz bis an die Glaskeramikplatte heranreicht. Dadurch ist die Sensorschleife
anliegend oder mit geringem Abstand von der Unterseite der Glaskeramikplatte 12 angeordnet
und mit einem Sicherheitsabstand oberhalb der Heizelemente 21. Es ist zu erkennen,
daß der Fühler 26 des Temperaturwächters infolge der dargestellten Anordnung die Sensorschleife
nur einmal unterquert, und zwar im Bereich eines inneren Umfangsabschnittes 38. In
diesem Bereich läuft er auch in der Gasse 28, so daß er ohne Gefahr einer Kollision
mit den Heizelementen 21 etwas tiefer gelegt werden könnte. Es ist auch möglich, je
einen der Anschlüsse 41 auf einer Seite des Temperaturfühlers 26 herauszuführen, so
daß jede Kreuzung Fühler/Schleife vermieden wird. Fühler und Schleife können dann
in gleicher Ebene liegen. Dadurch wird der die Bauhöhe des Strahlungsheizkörpers bestimmende
Raum 42 zwischen dem die Heizelemente 21 tragenden Boden 16 und der Glaskeramikplatte
12 ideal genutzt und die Abstände für die Hochspannungsprüfung können eingehalten
werden.
[0034] Während Fig. 2 einen Zweikreisheizkörper mit zwei konzentrischen Heizzonen 18, 19
zeigt, ist in Fig. 4 ein Zweikreisheizkörper mit insgesamt länglich ovaler Form dargestellt.
Dieser Strahlungsheizkörper 11 hat beim übrigen gleichem Grundaufbau eine kreisrunde
Hauptheizzone 18, an die sich einseitig, durch eine Zwischenwand 20 abgegrenzt, eine
Zusatzheizzone 19 anschließt, die eine halb- bzw. viertelmondförmige Gestalt hat.
Ein Temperaturwächter 24 ist schräg an der Hauptheizzone 18 vorgesehen und sein Fühler
26 ragt radial nur etwa bis zu deren Mitte, wo er auf einem mittleren Vorsprung 43
in der unbeheizten Mittelzone 59 des Isolierkörperbodens 16 aufliegt.
[0035] Die für diesen Strahlungsheizkörper vorgesehene Sensorschleife 30 ist aus gleichem
Material hergestellt wie die nach den Figuren 1 und 2. Sie hat die Form eines Viereckes,
das aus geradlinigen Umfangsabschnitten besteht, die im Bereich der Längsmittellinie
44 des Heizkörpers parallel hinausgeführte Anschlüsse 41 bilden. Die im Bereich der
Quermittellinie 45 der Hauptheizzone 18 liegenden Ecken 46 des Viereckes liegen in
entsprechenden flachen Vertiefungen 47 des Isolierkörper-Außenrandes 17, jedoch innerhalb
des Blechschalenrandes 15. Die Umfangsabschnitte 38 verlaufen also in Form von Sehnen
mit einem deutlichen Abstand vom Außenrand über große Flächenabschnitte des Heizkörpers
hinweg und haben somit einen im Bereich der Heizzone 18 liegenden wirksamen Durchmesser.
[0036] Im Bereich des Schnittpunktes der Längsmittellinie 44 mit der Zwischenwand 20, d.h.
an der den Anschlüssen gegenüberliegenden Ecke des Viereckes ist mit einer starken
Biegung nach außen je ein Verbindungsabschnitt 39 angeschlossen, der bis zu Außenecken
48 reicht, die, wie die Ecken 46, auf dem Isolierkörperaußenrand 17 in entsprechenden
Vertiefungen aufliegen. Sie sind durch einen im Ausführungsbeispiel geraden Abschnitt
37a miteinander verbunden, der im wesentlichen zentral zur Zusatzheizzone 19 diese
überquert und quer zur Längsmittellinie 44 verläuft. Dieser Abschnitt könnte auch
entsprechend der Halbmondform der Zusatzheizzone 19 gerundet sein. Die Sensorschleife
30 liegt also an insgesamt sieben Stellen auf dem Isolierkörper auf, und zwar an den
Ecken 46 und 48, an den Anschlüssen 41 und, mit ihren Innenecken 49 zwischen den Vierecksschenkeln
38a und den Verbindungsabschnitten 39, auf der Zwischenwand 20. Ihre Grundform ist
etwa die eines stilisierten Fisches.
[0037] Von den in den Figuren 5 bis 10 schematisch gezeigten Sensorschleifen-Formen entspricht
die nach Fig. 9 etwa der nach Fig. 2, jedoch mit geraden Umfangsabschnitten 37, 38
statt der in Fig. 2 gezeigten bogenförmigen Ausführung. Auch sind hier die Umfangsabschnitte
39 weitgehend radial gerichtet und nicht so stark rückgreifend wie in Fig. 2. Diese
Ausführungsform hat einen wegen der Abweichung von der theoretischen Idealform des
Kreises (bzw. der Topfform) etwas geringere Ausprägung der Signalstufen als Fig. 2,
ist jedoch einfacher herzustellen.
[0038] Die Ausführungen nach den Figuren 5 bis 7 sind für Einkreisheizkörper gedacht, d.h.
Heizkörper, die nur eine zusammenhängende und stets gemeinsam betriebene Heizzone
18 haben. Die Sensorschleife 30 in Fig. 5 hat die Form eines Quadrates mit auf dem
Rand 17 abgestützten Ecken 46. Der Fühler 46 des Temperaturwächters 24 ragt im wesentlichen
diagonal über das vom Sensor abgegrenzte Feld.
[0039] In Fig. 6 ist eine Ausführung entsprechend Fig. 5 gezeigt, bei der jedoch der Fühler
26 des Temperaturwächters 24 zu beiden Seiten von geraden Abschnitten der Sensorschleife
30 flankiert wird. Hinter dem freien Ende des Temperaturfühlers 26 sind diese miteinander
verbunden. Dadurch ist es möglich, den Temperaturfühler und die Sensorschleife in
der gleichen Ebene zu führen, was zur Verringerung der Bauhöhe bei ausreichenden elektrischen
Abständen beiträgt.
[0040] Fig. 7 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführung der Sensorschleife 30, die, mit
Abstand zum Rand 17 verlaufende, nahezu einen Vollkreis bildende Umfangsabschnitte
37 aufweist, die lediglich durch die parallel zueinander herausgeführten Anschlüsse
41 und katzenohrenförmig nach außen gerichtete Ecken 46a unterbrochen sind, die für
die notwendige Auflage auf dem Außenrand 17 sorgen.
[0041] Fig. 8 zeigt eine Sensorschleife 30 für einen Zweikreisheizkörper, die im Bereich
der Trennwand 20 zwischen Hauptheizzone 18 und der sie umgebenden Zusatzheizzone 19
liegt. Die im wesentlichen quadratische Ausführung ähnlich Fig. 5 der Schleife ist
wesentlich kleiner und reicht mit den Außenecken in den Bereich der Zusatzheizzone,
während die Umfangsabschnitte 38a das äußere der Hauptheizzone 18 überstreichen.
[0042] Fig. 10 zeigt eine Ausführung für einen Zweikreisheizkörper, der im Gegensatz zu
den anderen Heizkörpern, die im wesentlichen aus einer einwindigen Schleife bestanden,
eine Doppelschleife bildet, die jedoch parallel geschaltet ist. Die Form ist die zweier
ineinander liegender Quadrate, die beide an die gleichen Anschlüsse 41 angeschlossen
sind und lediglich zur Vergrößerung ihrer Flächenüberdeckung im Abstand voneinander
verlaufende Umfangsabschnitte aufweisen, jedoch elektrisch je eine einwindige Schleife
bilden. Die innere der beiden Schleifen liegt, wie in Fig. 8 beschrieben, auf der
Zwischenwand 20 auf, während die äußere Schleife entsprechend Fig. 5 mit ihren Ecken
auf dem Außenrand 80 aufliegt. Die relative gestaltfeste, aber elastische Ausbildung
der Sensorschleife ermöglicht es auch sie z.B. durch Einschnappen in Ausnehmungen
des Randes sicher festzulegen. Auch eine Festlegung durch Einstecken in das Isoliermaterial,
z.B. durch angeschweißte Stifte, ist möglich.
FUNKTION
[0043] Das Verfahren, nach dem die Topferkennung arbeitet, wird anhand der Figuren 1 bis
3 beschrieben.
[0044] Wenn der Strahlungsheizkörper 11 in Betrieb genommen werden soll, wird am Einstellknopf
35 die gewünschte Leistungsstufe eingestellt und damit auch die Steuerung 31 einschließlich
der Kochgefäßerkennung 36 in Betrieb genommen. Diese Kochgefäßerkennung arbeitet induktiv,
d.h. der Schwingkreis 32 wird mit einer relativ hohen Frequenz zwischen 1 MHz und
5 MHz erregt und die nachfolgend in ihrem Ergebnis beschriebene Auswertung der Topferkennung
ist in an sich bekannter Weise aufgebaut. Wegen Einzelheiten wird dazu auf die europäische
Patentanmeldung 0442 275 A2 Bezug genommen.
[0045] Dementsprechend wird um den Draht der Sensorschleife 30 herum ein elektromagnetisches
Wechselfeld erzeugt, dessen Eigenschaften die Frequenz des Schwingkreises mitbestimmt.
[0046] Wird jetzt ein Kochgefäß 51 auf die Platte 12 gestellt, so wird dieses Magnetfeld
verändert, d.h. die Sensorschleife wird bedämpft, wodurch sich die Frequenz des Schwingkreises
32 ändert. Diese Frequenzänderung wird in dem Topferkennungsbauteil 36 ausgewertet
und führt bei Erreichen eines voreingestellten Schwellwertes zu einer Einschaltung
eines oder beider Schalter 33, 33a, so daß nun die Heizelemente 21 entsprechend stromdurchflossen
und beheizt werden.
[0047] Das Diagramm in Fig. 3 zeigt den relativen Frequenzgang
df über den Durchmesser, d.h. die Frequenzveränderung
df in Prozent der maximalen Frequenzveränderung bei der Messung in Abhängigkeit von
der Durchmesser-Überdeckung der Kochplatte und damit der Sensorschleife durch ein
Kochgefäß. Unter dem Diagramm ist zur Veranschaulichung der Querschnitt des Heizkörpers
11 entsprechend Fig. 1 angedeutet.
[0048] Das Diagramm zeigt folgendes: bei der Verwendung einer herkömmlichen Sensorspule,
die im Rand 17 angeordnet ist, würde sich der als strichpunktierte Linie 52 gezeigte
Verlauf der Frequenzänderung über den Durchmesser ergeben. Der über den Umfang aufaddierte
Signalwert wäre praktisch proportional der Überdeckung der Umfangslinie. Ein genau
zentrisch aufgesetzter großer Topf 51a (s. Fig. 1) würde also ein gutes Signal ergeben,
jedoch ein etwas kleinerer Topf trotz genau zentrischer Überdeckung kein vernünftig
verwertbares Signal. Würde man nun die Schaltschwelle beispielsweise wesentlich unter
50 % der Gesamtsignalgröße setzen, so würde einerseits das Signalrauschen, das bei
derartigen Sensoren und ihrer Anordnung relativ groß ist, eine Schaltung unzuverlässig
machen und zum anderen könnte dann ein exzentrischer (verschobener) Topf (siehe doppelt
strichpunktierte Linie 51b in Fig. 2) bereits zu einer unerwünschten Einschaltung
führen.
[0049] Die in Fig. 3 mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Idealkurve hat zwei Stufen,
nämlich die obere Stufe 54, die dem großen, beide Heizzonen 18, 19 überdeckenden Topf
51a entspricht und die Einschaltung beider Heizzonen 18, 19 bewirken soll und eine
untere Stute 55, beispielsweise bei 50 % der Frequenzdifferenz
df. Im Bereich dieser Stute, die dem Durchmesser des kleinen Topfes 51 entspricht, sollte
nur die zentrale Hauptheizzone 18 allein eingeschaltet sein, während am linken Ende
der Stute 55, die den minimalen Topfdurchmesser für die Zentralheizzone angibt, das
Signal schnell abfallen sollte.
[0050] Es ist zu erkennen, daß die von der Sensorschleife 30 erzeugte Kurve 56 sich dieser
theoretischen Idealkurve 53 annähert, indem sie zwar generell einen weitgehend linearen
Verlauf hat, also die Signalgröße dem überdeckten Durchmesser weitgehend proportional
ist, sie jedoch der Stufenform der Idealkurve angenäherte Stufen enthält. Dadurch
wird es möglich, mit nur einem Sensor zuverlässig große von kleinen Töpfen zu unterscheiden
und vor allem auch eine Unterscheidung zwischen einem verschoben aufgesetzten Topf,
der eine Einschaltung bewirken soll, und einem kleinen Topf zu erreichen, der die
mittlere Hauptheizzone in Gang setzen soll.
[0051] Im Diagramm Fig. 3 sind die Umschaltpunkt 57, 58 gezeigt. Bei Punkt 57 (Signalhöhe
S1) soll nur die mittlere Heizzone 18 eingeschaltet werden und bis zum Schaltpunkt
58 eingeschaltet bleiben (Schalter 33 "EIN"). Beim Schaltpunkt 58 (Signalgröße S2)
wird dann die äußere Heizzone 19 zugeschaltet (beide Schalter 33 und 33a "EIN"). Mit
anderen Worten: der Schaltpunkt 58 symbolisiert die kleinste Größe des großen Topfes
51a, der mit beiden Heizzonen arbeiten soll, während der Schaltpunkt 57 die kleinste
Größe eines Topfes 51 anzeigt, die überhaupt noch zu einer Einschaltung führen soll.
[0052] Es ist vor allem zu erkennen, daß im Bereich der Schaltpunkte 57, 58 die Steigung
der Signalkurve 56 relativ groß ist, so daß eine zuverlässige Schaltung auch unter
Berücksichtigung von Störfaktoren möglich ist. Gleichzeitig sieht man, daß dies bei
der Kurve 52 einer konventionellen Sensorspule nicht möglich wäre.
[0053] In bezug auf die Sensorspule geschieht folgendes: Bei dem in Fig. 1 dargestellten
Kochgefäß 51 handelt es sich um einen Topf, dessen Durchmesser dem der zentralen Hauptheizzone
18 entspricht. Er überdeckt den Bereich der Heizzone 18 und den entsprechenden Bereich
der Sensorschleife 30, also hauptsächlich die inneren Umfangsabschnitte 38. Daraus
ergibt sich eine Signalhöhe, die etwa im Bereich der ersten Stufe 55 im Diagramm Fig.
3 liegt. Dieses Signal liegt also zwischen dem dort angegebenen Signalwerten S1 und
S2, so daß nur die zentrale Hauptheizzone 18 eingeschaltet wird.
[0054] Beim Aufsetzen des größeren Topfes 51a werden zusätzlich zu den inneren Umfangsabschnitten
38 auch die äußeren Umfangsabschnitte und die Verbindungsabschnitte 39 überdeckt,
so daß sich eine stärkere Signaländerung ergibt. Die aus Fig. 3 zu erkennende Stufigkeit
ergibt sich durch die Lage der Umfangsabschnitte 37, 38, die bei ihrer Überdeckung
eine relativ scharfe Signaländerung ergeben, während dazwischen die relativ flachen
Kurvenabschnitte entsprechend den Stufen 54, 55 der Idealkurve liegen.
[0055] Der Kochbetrieb verläuft im übrigen ohne jede Beeinflussung durch die Topferkennung
entweder leistungs- oder temperaturgesteuert und unter der Überwachung des Temperaturwächters
24, der die Glaskeramikplatte vor Überhitzung schützt.
[0056] Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Funktion vergleichbar, nur daß statt
der konzentrischen Anordnung die Nebeneinanderanordnung der Heizzonen und ihre Überdeckung
durch ein entsprechend rundes oder langgestrecktes Kochgefäß (ovaler Bräter) entweder
nur die Hauptheizzone 18 oder zusätzlich die Zusatzheizzone 19 eingeschaltet wird.
Auch dort entsteht eine gewisse Stufigkeit durch die Anordnung der einzelnen Abschnitte
der Sensorschleife. Vor allem wird aber durch den stufigen Signalverlauf die Möglichkeit
gegeben, durchmesserabhängig zu schalten.
[0057] Bei einem in den Figuren 5 bis 7 gezeigten Einkreisheizkörper mit einer Heizzone
18 ist der Signalverlauf wie in Fig. 11 gezeigt. Dort enthält die Idealkurve nur eine
Stufe 54 und auch dort ist der Signalverlauf 56 der Sensorspule 30 nach der Erfindung
diesem Idealverlauf weitgehend angepaßt, so daß sich am Schaltpunkt 58 (kleinstmöglicher
Topf) ein steiler Signalverlauf für die Ein- und Ausschaltung ergibt. Bei der Kurve
52 einer herkömmlichen Sensorspule würde der Schaltpunkt in einem Bereich so kleiner
Signalgrößen liegen, daß keine zuverlässige Schaltung möglich wäre.
[0058] Es wird also durch die Erfindung ein Strahlungsheizkörper mit einem Topferkennungssensor
geschaffen, der nicht nur besonders einfach, robust und nachrüstbar ist, sondern der
auch ein scharfes und für die Schaltung in einem weiten Bereich nutzbares Signal liefert.
Vor allem können dadurch mehrere Wirkbereiche für die Topferkennung geschaffen werden,
so daß Töpfe unterschiedlichen Durchmessers unterschiedliche Beheizungen auslösen.
Es wird mit einem Sensor eine echte Kochgefäß-Größenerkennung möglich. Es wäre, wenn
auch mit größerem Bauaufwand, auch möglich, dies z.B. bei Zweikreis-Heizkörpern, mit
zwei Sensoren nach der Erfindung zu erreichen, wobei sich gegenüber einer Anordnung
zweier herkömmlicher Sensoren im Außen- und Zwischenrand sowohl bauliche als auch
vor allem funktionelle Vorteile ergeben.
[0059] Durch die Anordnung im Bereich der Heizzone selbst ergibt sich ein über den Durchmesser
mit zur Schaltung brauchbaren Änderungen versehenes Ergebnis, das in grober Annäherung
als linearisiert bezeichnet werden kann, jedoch vorteilhaft die in den Diagrammen
Fig. 3 und 11 gezeigte Stufen- oder Sprungcharakteristik hat.
1. Sensor für einen elektrischen Strahlungsheizkörper (11) zur Erkennung der Positionierung
eines Kochgefäßes (51) auf einer den Heizkörper (11) überdeckenden Kochplatte (12),
insbesondere einer Glaskeramikplatte, wobei der Sensor aktiver Teil eines induktiv,
vorzugsweise mittels Schwingkreisverstimmung arbeitenden Schwingkreises (32) einer
Steuerung (31) ist und als Schleife (30) aus elektrisch leitfähigem Material im Bereich
wenigstens einer von elektrischen Strahlungsheizelementen (21) beheizten Heizzone
(18, 19) und diese zumindest teilweise übergreifend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensorschleife (30) gestaltfest, selbsttragend und temperaturbeständig ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschleife (30) nur eine
oder ggf. wenige Windungen aufweist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschleife (30)
eine von einer Konzentrizität zur Heizzone (18, 19) abweichende Form hat.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschleife
(30) im Randbereich der wenigstens einen Heizzone (18, 19) mit Abstand vom Außenrand
und/oder einer unbeheizten Mittelzone (59) des Heizkörpers (11) verläuft.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschleife
(30) in radialem Abstand voneinander unterschiedliche, im wesentlichen in Umfangsrichtung
verlaufende Schleifenabschnitte (37, 38) aufweist, die ggf. durch mehrere radial gerichtete
Verbindungsabschnitte (39) miteinander verbunden sind.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschleife
aus massivem, starkem Draht besteht, der insbesondere unisoliert ist.
7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschleife
(30) als Rohr ausgebildet ist.
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschleife
(30) aus einem mehrschichtigen Material besteht, z.B. einem Rohr aus temperaturbeständigem,
zunderfestem Material mit einer Füllung aus gut leitfähigem Material, wie Kupfer.
9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschleife
(30) einen Überzug aufweist.
10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug
aus elektrisch gut leitendem Material besteht.
11. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensorschleife (30) sich auf einem aus Isoliermaterial bestehendem Außenrand
(17) und/oder einem unterschiedliche Heizzonen (18, 19) abgrenzenden Zwischenrand
(20) abstützt, wobei vorzugsweise radiale Verbindungsabschnitte (39) und/oder nach
außen gerichtete Abbiegungen (46, 48) der Sensorschleife (30) Auflagerabschnitte bilden.
12. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensorschleife (30) eine Kreis- oder Mehreckform mit Umfangsabschnittssektoren
(40) in Form omegaförmiger Ausbuchtungen aufweist.
13. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensorschleife (30) aus nicht magnetisierbarem Material, wie einem hochlegierten
Stahl, z.B. einer Eisen-Chrom-Nickel-Legierung besteht.
14. Strahlungsheizkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensorschleife (30) dicht unterhalb der Kochplatte (12), ggf. über einem Fühler
(26) eines Temperaturwächters (24) oder in gleicher Ebene mit ihm mit wesentlichem
Abstand von den Heizelementen (21) angeordnet ist.