Ebenes strahlungsbeheiztes Heizelement

Unter der Bezeichnung „ebenes strahlungsbeheiztes Heizelement" versteht man eine formstabile, ebene, aus nicht IR-durchlässigem Werkstoff gebaute Heizplatte, welche mit einem Strahlungsheizkörper beheizt wird. Sie wird vorzugsweise als eine Kochplatte eingesetzt. Grundsätzlich aber auch überall dort, wo ein optimaler Wärmetransport zwischen der Wärmequelle (Heizplatte) und der Wärmesenke (mit einem permanenten, vollflächigen Kontakt) angestrebt wird.

Allgemeines zum Thema Kochplattenbeheizung

Auf dem Markt befinden sich verschiedene Kochplatten. Sie unterscheiden sich untereinander entweder in der Ausführung, dem Material oder in ihrer Beheizungsart. So zum Beispiel kennt man eine Massenkochplatte, welche in der Regel aus Gusseisen besteht. Beheizt wird eine solche Platte mit einer Rohrspirale, welche mit der Gusseisenplatte fest verbunden ist. Man verwendet auch Stahl oder Edelstahl als Kochplattenmaterial. Die Beheizung beider Systeme ist im physikalischen Sinne die gleiche: indirekte Kontaktheizung. Mit Stahlplatten kann man sogar einen Grill realisieren. Ob solche Wärmequellen mehr zum Kochen oder mehr zum Grillen verwendet werden, lässt sich nicht eindeutig definieren. Eines aber steht fest: eine Massenkochplatte aus Gusseisen wird in der Regel nicht als eine Grillplatte verwendet.

Die Glaskeramik, welche sich in den letzten 10 Jahren eindeutig als meist verwendete Kochstelle erwiesen hat, kann man schwer als eine Kochplatte bezeichnen. Trotzdem wird sie als eine solche definiert, mindestens im Sinne ihrer Funktionalität. Eine sog. Kochplatte aus Glaskeramik ist primär keine Wärmequelle, sondern ein mechanischer Träger des Kochgeschirrs. Da sie infrarote Strahlen weitgehend durchlässt, wird das von ihr getragene Kochgeschirr mehrheitlich durch Strahlung beheizt. Diese Technologie bezeichnet man als Strahlungsheizung. Als Folge der Absorption der Strahlungsenergie wird die Glaskeramik-Kochstelle „-platte" sehr heiss. In der Regel werden Ihre Oberflächentemperaturen unter 570 ⁰ C gehalten. Bei den Massenkochplatten werden sie auf einem etwas niedrigeren Temperaturniveau gehalten, oft aber um 500 °C.

Wärmetechnisch bestehen zwischen den genannten Ausführungen von Kochplatten gewaltige Unterschiede. Eine Massenkochplatte bzw. eine Stahlkochplatte wird konvektiv beheizt, also durch einen physischen Kontakt. Die Wärmeübertragung erfolgt rein durch Wärmeleitung. Die in der Kochplatte entstandenen Temperaturunterschiede, welche infolge des Wärmetransports entstehen, erzeugen thermo- indizierte Spannungen, welche dann die Kochplatte deformieren. Eine Wölbung der Kochplatte ist daher unvermeidlich. Die Glaskeramik ist ziemlich eben und wölbt sich dank sehr geringer Ausdehnung nicht wesentlich. Obwohl die Wärme überwiegend per Strahlung zum Boden des Kochgeschirrs transportiert wird, weisen die Kochtöpfe mit formstabilen ebenen Böden (s. Patentanmeldung CH 00016/06) eine wesentlich

geringere Temperatur der Glaskeramikoberfläche aus als bei der Verwendung konventionellen Kochgeschirrs. Damit ist nachgewiesen, dass ein nicht gerade vernachlässigbarer Teil der Wärmeübertragung zwischen dem Boden und der Glaskeramik per Kontakt (Wärmeleitung) stattfindet.

Das Kochen mit Induktion ist mit dem Kochen auf einer Kochplatte aus wärme- transporttechnischen Gründen überhaupt nicht vergleichbar. Mit der Glaskeramik allerdings besteht eine kleine Gemeinsamkeit insofern, dass der grösste Teil der Wärme, die den Topfboden erwärmt, nicht per Kontakt zwischen dem Topfboden und dem Untergrund (Glaskeramik) erfolgt, sondern durch Strahlung bzw. Induktion. Im Falle der Induktion wird der Boden ausschliesslich induktiv beheizt, bei Glaskeramik treten gleichzeitig verschiedene Wärmetransportmechanismen auf.

In der Regel wird die Strahlungsheizung nur und ausschliesslich in Verbindung mit der Glaskeramik empfohlen. Den Erfindern ist nicht bekannt, dass eine Kombination aus Strahlungsheizung und nicht glasverwandten Materialien als Kochstellen eingesetzt wird. Die Beheizung einer metallischen Kochplatte erfolgte bis dato ausschliesslich durch eine Kontaktheizung wie Rohrheizspiralen usw.

Vorliegende Erfindung stellt eine Lösung dar mit dem Ziel, eine nicht glasverwandte Kochplatte mit der Strahlungsbeheizung zu erwärmen.

Grundsätzliches zum Thema Temperaturregelung

Eine gewaltige Mehrheit Kochsysteme, welche bis dato im Einsatz sind, haben keine Temperaturregelung. Es gibt Systeme, die ein solche besitzen, allerdings sind sie nur bedingt einsetzbar und zudem noch recht ungenau. Ein Vorstoss in Richtung Kontrolle der Koch- und Bratguttemperatur wurde mit EP 0783830 in Verbindung mit EP 0802756 getan. Es wurde gezeigt, dass eine recht genaue Temperaturregelung von Kochplatten resp. des Kochgutes möglich ist.

Mit CH 00016/06 wird gezeigt, dass eine weitere, gleich gute Temperaturregelung auch möglich ist.

Beide o. g. Erfindungen haben gemeinsam, dass sie die gleiche Art der Kochplattenheizung, nämlich eine direkte Kontaktheizunq der Kochplatte und eine formstabile, ebene Topfbodenkonstruktion aufweisen. Nur unter der Bedingung, dass sowohl die Kochplatte als auch der Topfboden eine hohe Ebenheit und Formstabilität garantieren können, ist es möglich, eine gradgenaue Temperaturregelung des Koch- bzw. Bratgutes zu erzielen.

Es trifft zu, dass die Glaskeramik, ungeachtet dessen, ob sie in Verbindung mit Strahlungsbeheizung oder magnetischer Induktion eingesetzt wird, grundsätzlich keine ebenen, formstabilen Topfböden benötigt. Auch dann, wenn man solche Böden verwenden würde, kann damit eine brauchbare Temperaturregelung nicht erreicht werden. Alle Versuche in dieser Richtung sind noch weit davon entfernt, einiger- massen verwertbare Resultate zu garantieren. Bis dato gilt dies sowohl für die Strahlungsbeheizung als auch für die magnetische Induktion.

Beschreibung der Erfindung

Kurzfassung der Erfindung

Um jegliche Missverständnisse auszuschliessen sei gesagt, dass die vorgeschlagene Erfindung nur dann zu sinnvollen Ergebnissen führt, wenn als Wärmesenke eine Topfbodenkonstruktion gemäss EP 0802756 bzw. CH 00016/06 verwendet wird. Die Verwendung des konventionellen Kochgeschirrs (mit Bodeneinzug!) führt nicht zu den gewünschten Ergebnissen. Der wesentliche Unterschied zwischen der vorgeschlagenen Erfindung und den zuvor genannten Lösungen liegt darin, dass hier die Wärmequelle nicht aus einer direkten Kontaktheizung sondern aus einer Wärmestrahlung besteht. Die Kochplatte und das Kochgeschirr, insbesondere ihre Bodenplatte, müssen permanent eben und formstabil bleiben damit eine Temperaturregelung des Kochgutes möglich wird. Wenn man die Kochplatte als einen Grill verwenden will, dann sind Ebenheit und Formstabilität nicht zwingend vorgeschrieben. Aus den o. g. Gründen werden nur solche Materialien gewählt, welche diesen Forderungen nachkommen können. Die Oberflächenbeschaffenheit und die Wahl von Beschichtungsmaterialien dienen lediglich der Erfüllung der zuvor genannten Bedingungen hinsichtlich Ebenheit und Formstabilität.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Als Wärmequelle dient also eine Strahlungsheizung, als Wärmesenke eine Licht undurchlässige Heizplatte, s. Fig. 1.

Gemäss Fig. 1 besteht ein Heizelement aus einer Heizplatte (1), welche aus einem nicht IR-durchlässigen oder anders bezeichnet einem nicht Licht durchlässigen Werkstoff. Die Heizplatte wird durch IR-Strahlungsenergie, welche die Wärmequelle (2) aussendet, aufgewärmt. Die Wärmequelle (2) besteht gewöhnlich aus einem Heizwendel, einem Heizband oder einer Halogenlampe, welche vorzugsweise in eine Wärmedämmung (3) integriert ist, um so eine mechanische Stabilität zu erfahren. Ein Isolierring (4) dient gleichzeitig als Wärmewand (um den Wärmefluss nach Aussen zu verhindern) und als weitere Massnahme zur Erhöhung der mechanischen Stabilität. Alle Komponenten werden in einem Halteblech (5) untergebracht. Dieses muss nicht unbedingt aus Stahl sein, andere Werkstoffe wie Kunststoffe können ebenfalls verwendet werden, weil die Aussenwandtemperaturen der Wärmedämmung (3) bzw. des Isolierringes (4) nicht übermässig warm/heiss sein werden.

Die Rückseite des Heizelements ist thermisch isoliert, um einerseits die unnötige Erwärmung des Heizelements bzw. seiner Umgebung zu vermeiden und andererseits die Energieeffizienz des Systems zu erhöhen. Die Strahlungsleistung folgt dem Strahlungsgesetz (Kirchhofgesetz) und ist bekanntlich mit der vierten Potenz der Temperatur definiert. Solche Strahlungsheizungen, eingesetzt als Kochplatten resp. Kochstellen oder sog. Kochzonen werden millionenfach produziert und nur in Verbindung mit Glaskeramik eingesetzt. Die Wärmequelle (2) resp. die Strahlungsheizquelle, sei es als konventionelle Strahlungsheizung (Stahldraht resp. Heiz-

wendel bzw. sog. Quick Light (Stahlband, resp. Heizband) oder Halogenstrahler oder eine Kombination von beiden ist absolut als Standardware zu bezeichnen.

Zu den weltweit führenden Herstellern von Strahlungsheizungen für die glaskeramischen Kochfelder gehören Ceramaspeed/UK, E. G. O/BRD u.e.a.

Vermerk: Grundsätzlich ist die Bezeichnung Heizelement im Falle des Einsatzes als Kochplatte mit der Bezeichnung Kochplatte gleich zu setzen. Aus diesem Grund wird ab dieser Stelle nur noch die Bezeichnung Kochplatte verwendet.

Die von der zu beheizenden Kochplatte aufgenommene Wärmemenge hängt von dem IR-Absorptionsvermögen des gewählten Plattenmaterials ab. In der Regel sollten gut Wärme leitende Materialien gewählt werden. Ihre Oberflächen sollten Strahlung gut absorbieren können. Materialien, die sich zudem durch einen hohen Wärmeeindringungskoeffizienten auszeichnen, sind ebenfalls von Vorteil.

Aus mechanischer und wärmetechnischer Sicht sollten nur solche Kochplatten- Materialien gewählt werden, welche sich weder während der Aufwärmung noch während der Abkühlung wölben. Sie müssen während ihres Einsatzes stets eben bleiben. Weder eine thermoindizierte Biegespannung noch eine ungleichmässige Aufwärmung resp. Abkühlung, z. B. hervorgerufen durch eine schlechte Positionierung des Kochgeschirrs, darf die Kochplattenverformung hervorrufen.

Verliert die Kochplatte ihre Ebenheit sprich ihre Formstabilität, führt das zum Verlust vieler Vorteile die ein Kochsystem, welcher auf die erfindungsgemässe Kochplatte zurückgreift, aufweist. Geringer Energieverbrauch, niedrige Temperaturen, und die gradgenaue Temperaturregelung können nicht mehr gewährleistet werden.

Aus o. g. Gründen werden vorzugsweise Materialien mit guter Wärmeleitung, hoher Biegefestigkeit, geringer Ausdehnung und ausreichender Härte empfohlen. Dabei ist es unbedeutend, ob es sich um Metalle wie geeignete Stähle, Kupfer- und Aluminiumlegierungen oder Verbundwerkstoffe handelt. Wichtig ist allein, dass die aufgetretenen thermoindizierten Biegespannungen die ebene Kochplatte nicht verformen. Weniger wichtig ist der Grund, weshalb sie nicht verformen. Wegen geringer thermoindizierter Biegespannung oder wegen hoher Biegespannung des Kochplattenmaterials oder wegen geringer Eigenspannungen im Kochplattenmaterial. Ebenfalls unbedeutend ist die Herkunft der Materialhärte. Manche Materialien besitzen eine ausreichende Härte, beispielsweise harte oder vergütete niedrig legierte Stähle, Verbundwerkstoffe wie MMC (AISiC, CuSiC) usw. Andere, wie Aluminium- und Kupferlegierungen, müssen mit einer harten Schicht überzogen werden.

Grundsätzlich sollten alle Kochplattenmaterialien aus diesem oder jenem Grund (Lebensmittelverträglichkeit, Korrosion, Oxydation, optisches Aussehen usw.) beschichtet werden. Dazu stehen verschiedene Schichtmaterialien zur Verfügung, wie zum Beispiel DLC, Cr-Ni, TiC, TiN, usw. usw. Eine Palette Schichtmaterialien, die sich hier einsetzen Hessen, zählt zum Stand der Technik und sollte daher an dieser Stelle keine grossere Bedeutung eingeräumt werden.

Temperaturregelung einer Kochplatte

Fig. 2 gibt ein Beispiel für eine Temperaturregelung einer Kochplatte wieder.

Zur Temperaturerfassung der Kochplatte (1) können verschiedene Temperaturfühler (6) wie Pt-100, Pt-1000 oder Thermoelemente usw. verwendet werden. Sie sind sehr zuverlässig und bereits millionenfach erfolgreich eingesetzt. Zur Umsetzung der Messwerte und zur Vorgabe bzw. Einhaltung der Sollwerte dient ein temperaturgeführter Regler (7), vorzugsweise elektronisch gesteuert. Die Ansteuerung erfolgt üblicherweise mechanisch, per Druckknopf oder Knebel einerseits oder - wie vielfach geschehen - berührungslos (touch control). Eine Signalleitung (6.1) leitet die Messwerte zum Regler. Grundsätzlich kann der Regler (7) in unmittelbarer Nähe der Kochplatte (1) positioniert werden. Die Signalleitung (6.1) kann dabei sehr verkürzt werden. Insbesondere dort, wo nicht so grosse Anforderungen an die Temperaturgenauigkeit gestellt werden, können auch andere Reglertypen verwendet werden, z. B. sog. thermomechanische Temperaturregler bzw. -begrenzer.

Ein Temperaturfühler (6) dient zunächst einmal dazu, die Temperatur der Kochplatte (1 ) zu erfassen. Eine Kochplatte kann auch mehrere T-Fühler besitzen. Die Temperaturerfassung ist notwendig, um die gesetzlichen Normen einzuhalten. Schliesslich darf die maximale Temperatur nicht zu einem Zerstören der Kochplatte (1 ) resp. zu Unfällen infolge ihrer überhitzung führen.

Da die Kochplatte als Wärmequelle zur Aufwärmung von Kochgeschirr durch Kontakt dient bzw. das Kochen, Braten und Grillen ermöglicht, muss die Kenntnis über das Koch-, Brat-, und Grillgut gewährleistet sein. In Sinne einer gesunden Nahrungsaufbereitung dient die Temperaturerfassung primär der Regelung des Koch- bzw. Bratprozesses.

Wenn man die Kochplatte als einen Grill verwenden will, dann sind Ebenheit und Formstabilität nicht zwingend vorgeschrieben.

Im Sinne einer Beeinflussung der Acrylamid-Entstehung in stärkehaltiger Nahrung wie Kartoffeln usw. wird die maximale Temperatur vorzugsweise auf 175 ⁰ C begrenzt. Das ist keine zwingende Begrenzung betreffend dem Kochsystem, sondern vielmehr ein Erfahrungswert, gewonnen anhand einer unendlichen Vielzahl praktischer Kochversuche.

Einsatzmöglichkeiten

Die Kochplatte gemäss vorgeschlagener Erfindung kann man sowohl einzeln als auch als integriertes Kochfeld, bestehend aus mehreren Einzelkochplatten, einsetzen. Als Einzelkochplatte sprich Kochplattenmodul kann man sie in eine Arbeitsplatte aus Stein, Edelstahl oder in eine der vielen hochtemperaturbeständigen Kunststoffe, vorzugsweise Duroplaste, integrieren.

Will man ein Kochfeld fertigen, dann ergeben sich die gleichen Einbaubedingungen wie sie heute bei den konventionellen Kochfeldern herrschen. Bei dieser Lösung

kann der Hersteller des Kochfeldes die gesamte Montage in seiner Produktionsstätte vollziehen, da der eigentliche Einbau in die Küchen-Arbeitsplatte durch den Küchenbauer oder eine Drittperson erfolgt.

Als Arbeitsplatten-Material können sämtliche Materialien, welche im Einsatz sind, genommen werden. Die Temperatur des Kochplattenrandes liegt unterhalb 175°C. Bei Verwendung einer Küchen-Arbeitsplatte aus Holz oder holzähnlichen Materialien muss noch eine kleine Modifikation erfolgen, um den direkten Kontakt zwischen der Kochplatte und der Arbeitsplatte zu verhindern. Schlussendlich wird die Kochplatte bis zu 175 ⁰ C warm und dieses Temperaturniveau ist fürs Holz eindeutig zu hoch. Aus diesem Grund wird eine thermische „Wand" eingebaut. Ein Zwischenring aus einem temperaturbeständigen Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit ist zu empfehlen. Hochtemperaturbeständige Kunststoffe, insbesondere Duroplaste, sowie verschiedene Hartglase eignen sich dafür ebenfalls. Im Fall der Verwendung von Glas kann seine Lichtdurchlässigkeit von besonderem Nutzen sein. So z. B. kann man eine optische Signalisierung des Betriebszustandes bzw. der Kochplattentemperatur erreichen.

Die Wahl des Kochplattenmaterials:

Als Material der Kochplatte (1 ) kommen verschiedene Werkstoffe in Frage. Vorzugsweise werden aber

1. High-Tech-Keramik, wie ein dicht gesintertes Siliziumnitrid,

2. Niedrig legierter Stahl (1.2067, 1.8159, 1.7225, 1.2311 , 1.xxxx u.e.a)

3. Niedrig legiertes Kupfer (K-55 u. e. a.)

4. Intermetallische Phasen (MoSi2 u. e. a.)

5. MMC (AISiC, u. e. a.)

6. andere (geeignete) Compound-Werkstoffe keramischer und/oder metallischer Herkunft

7. Verbundwerkstoffe (SGL-Materialien, etc.) eingesetzt.

Alle vorgeschlagenen Werkstoffe sollten ausreichend harte Oberflächen besitzen. Einige bringen sie als Grundstoff mit (Siliziumnitrid, niedrig legierte Stähle, AISiC, Verbundwerkstoffe), andere müssen mit Hartstoffen beschichtet werden (K-55). Die Beschichtung der Oberfläche erfolgt auch aus anderen Gründen, so zur Vermeidung von Korrosion und Oxydation. Und nicht zuletzt werden die Beschichtungsmaterialien nach optischem Aussehen gewählt. Das Auge kauft bekanntlich mit.