Verfahren zum Betrieb eines Backofens und Backofen Anwendungsgebiet und Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Backofens mit Heißluft zur Zubereitung eines Garguts sowie einen entsprechenden Backofen, der zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildet ist.

Backöfen besitzen üblicherweise einen sehr schlechten Wirkungsgrad. Dies liegt daran, dass mittels der bekannten Beheizungsarten, also Heizung hinter der Decke, unter der Decke hängender Grillheizkörper oder Heißluft, nicht nur das Gargut in der Muffel, sondern auch die Innenwän- de der Muffel beheizt werden. Dadurch erwärmt sich die gesamte Muffel während des Garvorgangs. Will man beispielsweise eine Tiefkühlpizza im Backofen zubereiten, dann kann man davon ausgehen, dass lediglich ca. 10% der verbrauchten Energie für die eigentliche Erwärmung der Pizza aufgewendet werden. Der überwiegende Großteil der verbrauch- ten Energie geht über die Muffelwände verloren. Dies ist also nicht nur negativ im Sinne einer Energieverschwendung oder langwierig. Darüber hinaus benötigt ein Backofen deswegen für die Muffel eine aufwendige, teure und relativ viel Platz verbrauchende thermische Dämmung. Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie einen eingangs genannten Backofen zu dessen Durchführung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik vermie- den werden können und es insbesondere möglich ist, die Zubereitung eines Garguts energieeffizienter zu gestalten sowie unter Umständen auch schneller bzw. gründlicher oder besser. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Backofen mit den Merkmalen des Anspruchs 12, der zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für das Verfahren oder nur für den Backofen genannt und beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für das Verfahren als auch für den Backofen selbstständig gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Es ist vorgesehen, dass die Temperatur der Heißluft und die Strömungsgeschwindigkeit der Heißluft in Abhängigkeit von der Art des Garguts bzw. einem Zustand des Garguts so eingestellt werden, dass der Wär- mestrom in das Gargut hinein maximiert ist. Dadurch ist es möglich, dass nicht einfach ganz allgemein das gesamte Innere bzw. die Muffel des Backofens erwärmt wird, und dabei sozusagen nur unter anderem auch das Gargut. Vielmehr wird versucht, das Gargut selbst möglichst gut bzw. möglichst stark zu erwärmen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird dazu die Strömungsgeschwindigkeit der Heißluft derart variiert, dass sie abwechselnd hoch und niedrig ist. Es erfolgt also eine Art Takten bzw. Pulsen der Heißluft. Dabei können besonders vorteilhaft die hohe und/oder die niedrige Strö- mungsgeschwindigkeit jeweils immer gleich sein, also zwischen jeweils gleichen Strömungsgeschwindigkeiten hin und her gewechselt werden. Durch einen solchen Takt-Betrieb bzw. Puls-Betrieb der Heißluft kann der Umstand ausgenutzt werden, dass eine Gargutoberfläche und das Gargutvolumen direkt unter dieser Gargutoberfläche eine gewisse Wär- mekapazität besitzen. Wird nun über die gepulste Heißluft Wärme an die Oberfläche übertragen, dann kann sie im oberen Gargutvolumen quasi gespeichert werden. Sie kann dann während einer Zeit ins Innere des Garguts übertragen werden, in der von außen keine weitere Energie an- geboten wird. Dies ist vorteilhaft die Phase bzw. Dauer, in der die Strömungsgeschwindigkeit der Heißluft niedrig ist oder die Heißluft sogar ausgeschaltet ist. So lässt sich die Gardauer sowie die Garart durch eine geschickte Wahl des Verhältnisses der Ein-Zeiten zu den Aus-Zeiten der Heißluftströmung sowie der Temperatur der Heißluft minimieren.

Dabei kann nämlich auch berücksichtigt und sogar ausgenutzt werden, dass eine Heizeinrichtung in einem Backofen taktend betrieben wird durch Ein- und Ausschalten, also mit einem Wechsel zwischen Ein und Aus. Hier kann die Heizleistung allgemein durch ein Taktverhältnis zwischen Ein-Dauer und Aus-Dauer eingestellt werden, wie dies grundsätzlich eben bekannt ist. Dies wird insbesondere deswegen gemacht, weil eine solche Heizeinrichtung für einen Backofen direkt an eine Versorgungsspannung angeschlossen wird, vorteilhaft mit einem Relais oder anderen elektromechanischen Schaltern. Die Heizleistung kann dabei insgesamt verringert werden durch Senken einer durchschnittlichen Heizleistung, wobei dazu die Ein-Dauer relativ zur Aus-Dauer verkürzt wird. Zum Anheben einer durchschnittlichen Heizleistung kann die EinDauer relativ zur Aus-Dauer verlängert werden.

Es ist möglich, die Strömungsgeschwindigkeit an eine Veränderung der Heizleistung anzupassen derart, dass bei hoher Strömungsgeschwindigkeit die Heizleistung hoch ist bzw. eine Heizeinrichtung eingeschaltet ist, insbesondere auf maximale momentane Leistung. Während einer Phase mit niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit, die dabei vorteilhaft nicht auf Null zurückgeht, wird die Heizleistung verändert bzw. verringert. Entweder kann dies tatsächlich eine Verringerung sein durch Änderung des Taktverhältnisses wie zuvor beschrieben, beispielsweise auf die halbe Heizleistung oder ein Drittel der maximalen Heizleistung. Unter Umstän- den ist es sogar möglich, dass in dieser Phase eine Heizeinrichtung ganz ausgeschaltet wird und die Strömungsgeschwindigkeit auch reduziert wird, da ansonsten ein zu starkes Anblasen des Garguts ohne ar- beitende Heizeinrichtung eine Kühlung des Garguts bzw. seiner Oberfläche bewirken könnte.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei Vorwahl einer bestimmten Temperatur in der Muffel des Backofens zur Zubereitung des Garguts eine bestimmte Temperatur eingestellt werden soll, beispielsweise 160°C für eine Tiefkühlpizza. Um diese Temperatur zu erreichen bzw. zu halten wird eine Heizeinrichtung in der Muffel taktend betrieben. Hierzu kann ein an sich bekannter elektromechanischer Temperaturfühler verwendet werden, der tatsächlich auf diese Temperatur regelt. So ergeben sich automatisch Ein-Zeiten und Aus-Zeiten für die Heizeinrichtung. An diese Zeiten kann eine Variation der Strömungsgeschwindigkeit der Heißluft angepasst werden, beispielsweise derart, dass während der Ein-Zeiten die Strömungsgeschwindigkeit der Heißluft höher ist bzw. hoch ist. Während der Aus-Zeiten der Heizeinrichtung wird die Strömungsgeschwindigkeit reduziert bzw. niedrig eingestellt, unter Umständen sogar der Heißluftbetrieb ganz gestoppt, damit, wie zuvor beschrieben, die in die oberste Schicht des Garguts bzw. Tiefkühlpizza eingebrachte Wärmemenge ins Innere wandern kann. Bei dieser Ausge- staltung der Erfindung hängt die Temperatur der Heißluft bzw. die Heizleistung der Heizeinrichtung und die Strömungsgeschwindigkeit der Heißluft also im Wesentlichen von den Temperaturvorgaben für den Backofen bzw. das Gargut ab. In alternativer bzw. erweiterter Ausgestaltung der Erfindung kann die Art des Garguts in einer Steuerung des Backofens bekannt sein, damit abhängig davon Heißlufttemperatur und Strömungsgeschwindigkeit eingestellt bzw. geregelt werden können. Dies kann einerseits durch eine manuelle Eingabe einer Bedienperson erfolgen. Andererseits kann ein Backofen eine automatische Erkennung des Garguts aufweisen, wie dies dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt ist, siehe beispielsweise die DE 10340146 A1 . Hierzu können beispielsweise Gassensoren und eine entsprechende Steuerung vorgesehen sein. Der Garzustand des Garguts kann regelmäßig erfasst werden, wozu vorteilhaft mindestens ein Sensor vorgesehen sein kann. Dieser kann entweder im Gargut selbst, beispielsweise als sogenannter Bratenspieß odgl., ausgebildet und angeordnet sein und/oder außerhalb des Garguts, und dabei auf das Gargut gerichtet sein. Dies bietet sich insbesondere für Sensoren nach Art einer Kamera oder Bräunungssensoren odgl. an. Der Sensor kann den Garzustand an eine Steuerung des Backofens weitergeben, um davon abhängig Heißlufttemperatur und Strö- mungsgeschwindigkeit einzustellen. Dies ist also eine Einstellung von Heißluft und Strömungsgeschwindigkeit der Heißluft, die sich tatsächlich am konkreten Zustand und der Art des Garguts orientiert. Dies ist also ein anderer Ansatz als der zuvor beschriebene, wobei auch dort wegen der Vorgabe der Temperatur anhand der Art des Garguts und auch sei- nes Garzustandes dasselbe Grundprinzip besteht.

Bei einem vorgenannten Takt-Betrieb bzw. Puls-Betrieb für die Variation der Strömungsgeschwindigkeit der Heißluft kann vorgesehen sein, dass die Dauer einer Beaufschlagung mit hoher Strömungsgeschwindigkeit länger ist als diejenige mit einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit. Dabei kann sie 10% bis 200% länger sein, vorteilhaft 30% bis 100%. Dies ist also vor allem bei einem Betrieb des Backofens mit höheren Temperaturen empfehlenswert, beispielsweise 160°C und mehr. Es leuchtet aber ein, dass bei relativ geringen Temperaturen, beispielswei- se bei deutlich unter 100°C zum Niedrigtemperatur-Garen von Fleisch, derartige Überlegungen zur Energieeffizienz bzw. Effizienz eines Wärmetransports in das Gargut hinein nachrangig sind.

Grundsätzlich kann die Erfindung ganz allgemein für einen Backofen mit Heißluftbetrieb verwendet werden. Besonders vorteilhaft wird dabei jedoch nicht allgemein die Heißluft einfach so in die Muffel hinein geblasen, sondern das Gargut direkt mit heißer Luft angeblasen bzw. angeströmt. Dies ist insbesondere bekannt aus den parallelen Anmeldungen DE 102012217053.7 und DE 102013203463.6 derselben Anmelderin mit demselben Anmeldetag, auf die ausdrücklich verwiesen wird. Vor allem wenn man sich dort die Wärmeübergangsphänomene genauer anschaut, erkennt man die Vorteile der vorliegenden Erfindung.

Die Wärmeübertragung von der Heißluft ins Gargutinnere wird von zwei Wärmeübergangsphänomenen bestimmt:

Konvektion: Die thermische Energie wird über Konvektion von der Heiß- luft auf die Oberfläche des Garguts übertragen. Der Wärmefluss wird üblicherweise als Qpunkt bezeichnet. Der konvektive Wärmeübergang wird durch folgende Formel beschrieben:

P = Qpunkt = α ^■ A ^■ ΔΤ

Der konvektive Wärmeübergang hängt also ab vom Wärmeübergangskoeffizient a, von ΔΤ, also der Temperaturdifferenz, und der Fläche A.

Wärmeleitung: Von der Gargutoberfläche wird die Wärme mittels Wär- meleitung ins Innere des Garguts transportiert. Der Wärmefluss mittels Wärmeleitung wird durch folgende Formel beschrieben:

_ ΔΤ

P ^{= Qpunkt =} ^( ) Die Wärmeleitung hängt also ab von ΔΤ und dem Kehrwert von λ, dem Wärmeleitkoeffizient.

Hierbei sind die thermischen Widerstände, die die beiden Wärmeübergänge beschreiben, in Form eines elektrischen Ersatzschaltbildes in Fig. 1 dargestellt. Eine wesentliche Erkenntnis der Untersuchungen war, dass sich aufgrund der Serienschaltung der thermischen Widerstände ein thermisches Gleichgewicht einstellen wird, das durch α und λ be- stimmt wird. Dieses Gleichgewicht ergibt sich, da Q _pun kt durch beide Widerstände fließen muss.

Auf λ kann über den Backprozess kein Einfluss genommen werden, da λ stoffbedingt ist. α hingegen hängt ab von der Strömungsgeschwindigkeit der heißen Luft. Somit muss es also Ziel sein, dafür zu sorgen, dass ein maximales Q _pun kt durch die Serienschaltung fließen kann. Dies wird erreicht, indem man zwei Parametern verändert, nämlich die Temperatur der Heißluft sowie die Strömungsgeschwindigkeit. Durch geschickte Va- riation dieser beiden Parameter ist es möglich, den Wärmestrom Q _pun kt zu maximieren.

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 Zwi- schen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen Schema tisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeich nungen zeigen:

Fig. 1 eine Skizze zum Wärmeübergang von der Heißluft ins Gargut,

Fig. 2 eine prinzipielle Taktung eines Heizkörpers für einen Backofen, Fig. 3 eine schematisierte Innenansicht eines erfindungsgemäßen Backofens mit einer Heizeinrichtung in einer Muffel und einer Heißluftzuführung von unten und von oben und

Fig. 4 das Taktmuster für die Heizeinrichtung aus Fig. 2 mit einem überlagerten Muster für einen Betrieb der Lüfter im Back- ofen.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Fig. 1 ist bereits vorstehend erläutert worden.

In Fig. 2 ist sehr vereinfacht ein gleichmäßiger Taktbetrieb für einen Heizkörper 15 im Backofen 1 1 gemäß Fig. 3 dargestellt, wobei dieser Backofen 1 1 nachfolgend noch näher erläutert wird. Die Leistung P schwankt dabei zwischen einer Maximal-Leistung P _max und Null, da der Heizkörper 15 eben nur eingeschaltet oder ausgeschaltet werden kann. Dies kommt daher, dass der Heizkörper 15 eben dadurch betrieben wird, dass er an Netzspannung angeschlossen wird oder getrennt wird, eine momentane Leistungsregelung ist deswegen nicht möglich. Dar- über hinaus hat sich für den Betrieb von Backöfen eine solche Taktung, selbst wenn sie zu einer leichten Temperaturschwankung im Backofen führt, als ausreichend erwiesen.

In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßer Backofen 1 1 mit einer Muffel 12 dar- gestellt, wobei der Backofen dazu noch eine Steuerung 13 sowie Bedienelemente 14 aufweist. Damit kann ein Betrieb des Backofens bestimmt bzw. eingestellt werden.

In der Muffel 12 ist oben ein Heizkörper 15 angeordnet, wie er dem Fachmann bekannt ist, insbesondere als Rohrheizkörper, üblicherweise auch für den Grillbetrieb. Ein ähnlicher Heizkörper bzw. Rohrheizkörper kann allgemein als Unterhitze-Heizkörper im unteren Bereich der Muffel 12 oder unter einem Bodenblech der Muffel 12 vorgesehen sein. Des Weiteren befindet sich in der Muffel 12 ein Gargut 16, welches eine Pizza oder ein flacher Kuchen sein kann. Ein oberer Ventilator 18 bläst heiße Luft durch eine obere Einblasöffnung 20 in die Muffel 12 hinein, die im Wesentlichen senkrecht nach unten strömt auf eine Oberseite 16' des Garguts 16 auftrifft. Von dort strömt die Luft zu den seitlichen Wandungen der Muffel 12 hin, wo sie durch obere Absaugöffnungen 22a und 22b abgesaugt wird. Diese Absaugöffnungen 22a und 22b sind mittels Luftkanälen 23a und 23b mit der oberen Einblasöffnung 20 samt oberen Ventilator 18 verbunden. Somit strömt die heiße Luft in einem erkennba- ren Kreislauf, insbesondere als Prallstrahl auf die Oberseite 16' des Garguts 16 mit den offensichtlichen Vorteilen für einen guten Wärmeübergang in das Gargut.

Im unteren Bereich der Muffel 12 wird im Wesentlichen derselbe Strö- mungsverlauf erzeugt. Hier bläst ein unterer Lüfter 25 heiße Luft im Wesentlichen senkrecht nach oben an eine Unterseite 16" des Garguts 16, wo sie eben aufprallt und ihre Wärme abgibt. Von diesem Aufprallbereich geht die heiße Luft dann jeweils nach außen in Richtung zu den seitlichen Wandungen der Muffel 12 weg und wird über untere Absau- göffnungen 27a und 27b darin abgesaugt. Diese sind mittels Luftkanälen 28a und 28b mit der unteren Einblasöffnung 26 bzw. dem unteren Lüfter 25 verbunden. Somit strömt auch hier die Luft in einem Kreislauf.

Die Lüfter 18 und 25 des Backofens 1 1 gemäß Fig. 3 können von der Steuerung 13 beliebig angesteuert werden, um die erfindungsgemäße Variation der Strömungsgeschwindigkeit der Heißluft als Takt-Betrieb bzw. Puls-Betrieb zu erreichen. Dabei kann ein Takten der Lüfter quasi gleichgeschaltet mit einem Takten des Heizkörpers 15 erfolgen. Dies ist in Fig. 4 dargestellt, wo quasi in das Diagramm der Fig. 2 hinein noch die momentane Lüfterleistung L eingezeichnet ist. Sie schwankt zwischen einer hohen bzw. der maximalen Lüfterleistung L _max und einer niedrigen bzw. der minimalen Lüfterleistung Lm _in . Dabei muss die Lüfterleistung L _max nicht die maximale Leistung der Lüfter 18 und 25 sein, son- dem ist eben eine für eine bestimmte Betriebsart bzw. Backofentemperatur gewählte. Insbesondere ist sie auch abgestimmt um in Abhängigkeit von dem konkreten Gargut 16 in der Muffel 12 den Wärmestrom zu maximieren. In ähnlicher Form kann die minimale Lüfterleistung L _mi n zwar auch Null betragen. Es kann jedoch auch eine relativ geringe Lüfterleistung sein, so dass immer noch umgewälzte heiße Luft auf Oberseite 16' und Unterseite 16" des Garguts 16 aus der Muffel 12 geblasen wird, und zwar nur recht schwach, um keine Kühlwirkung zu haben. Das hier dargestellte Gargut 16 kann eben beispielsweise eine Pizza oder ein flacher Kuchen sein, was in der Steuerung 13 des Backofens 1 1 zum Einstellen der Heizung 15, insbesondere für eine Backofentemperatur, sowie zur Beeinflussung der Lüfter 18 und 25, bekannt sein sollte. Es kann manuell über die Bedienelemente 14 oder auf sonstige Wei- se eingegeben werden.