ES2235220T3 - Hogar de coccion por induccion de elevado rendimiento. - Google Patents

Hogar de coccion por induccion de elevado rendimiento.

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ES2235220T3 ES97400960T ES97400960T ES2235220T3 ES 2235220 T3 ES2235220 T3 ES 2235220T3 ES 97400960 T ES97400960 T ES 97400960T ES 97400960 T ES97400960 T ES 97400960T ES 2235220 T3 ES2235220 T3 ES 2235220T3
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Abstract

ESTE FOGON DE COCCION POR INDUCCION LLEVA, AL MODO HABITUAL, UNA PLACA SUPERIOR (2) DE VITROCERAMICA DESTINADA A RECIBIR UN RECIPIENTE A CALENTAR (3) DE MATERIAL FERRITICO, UN BOBINADO INDUCTOR (1'') DISPUESTO BAJO LA PLACA SUPERIOR (2) EN UN SOPORTE DE BOBINADO (41) Y EXCITADO POR UN GENERADOR DE CORRIENTE DE ALTA FRECUENCIA. SE CARACTERIZA PORQUE SE DEJA QUE EL BOBINADO INDUCTOR (1'') SE CALIENTE POR SUS PROPIAS PERDIDAS A UNA TEMPERATURA SUPERIOR A LA DEL RECIPIENTE (3) Y PORQUE EL BOBINADO INDUCTOR (1'') COMUNICA SU PROPIO CALOR AL RECIPIENTE (3). SE AUMENTA ASI DE MANERA SENSIBLE EL RENDIMIENTO GLOBAL DEL FOGON. EL BOBINADO INDUCTOR (1'') QUE DEBE ENTONCES TOLERAR UNA TEMPERATURA ELEVADA ESTA REALIZADO A PARTIR DE UNA CINTA PLANA MONOCONDUCTORA DISPUESTA ENTRE DOS HOJAS DE MICA (6,7).

Description

Hogar de cocción por inducción de elevado rendimiento.
La presente invención se refiere a los aparatos de cocción por inducción.
La cocción por inducción consiste en colocar la sustancia que hay que cocer dentro de un recipiente ferromagnético calentado por una circulación de corrientes en sus paredes provocada por un campo electromagnético de alta frecuencia, de algunos kHz a algunos centenares de kHz. El campo electromagnético de alta frecuencia se genera por un bobinado inductor plano que está dispuesto en un soporte colocado por debajo de una placa vitrocerámica sobre la cual se coloca el recipiente que hay que calentar y que es excitado por una corriente eléctrica alterna de alta frecuencia producida por un ondulador.
De modo habitual, el bobinado inductor está constituido por una galleta realizada a partir de un enrollamiento plano y en espiral de un cordón de varios cables de hilos de cobre que están aislados entre sí por un barniz eléctricamente aislante para optimizar el paso de la corriente de alta frecuencia (limitación del efecto de piel) y minimizar las pérdidas por calentamiento.
El barniz aislante de un bobinado de este tipo no resiste, generalmente, a temperaturas de más de 220ºC, ni, por otra parte, el material de su soporte que, generalmente, es un plástico moldeado. Esto obliga a prever un enfriamiento del bobinado inductor a través de su soporte por medio de una ventilación forzada de la cara inferior del hogar e, igualmente, a un aislamiento térmico del bobinado inductor con respecto al recipiente que constituye su carga.
La ventilación forzada encarece el coste de un hogar de cocción por inducción mientras que el aislamiento térmico con respecto a la carga necesita alejar la bobina inductora de la placa vitrocerámica que soporta el recipiente, lo que aumenta el entrehierro, disminuye el acoplamiento entre la bobina inductora y el recipiente, y aumenta la tasa de las perturbaciones radiadas.
Además del enfriamiento, en ciertos tipos de cocción, es a veces necesario proteger el bobinado inductor contra sobrecalentamientos disminuyendo la corriente producida por el ondulador.
Se conoce, así, un plano de cocción eléctrica de calentamiento por inducción tal como se describe en el documento EP 0 277 075 cuyo inductor está constituido por un enrollamiento de un cordón de hilos de cobre aislados por un esmalte, adaptado para soportar temperaturas del orden de 250ºC.
Se ha propuesto, igualmente, realizar bobinados inductores de un solo conductor, ya sea a partir de un hilo de cobre rígido de sección circular de 1 mm a 1,3 mm de diámetro, dispuesto en una ranura helicoidal practicada en la superficie de un soporte plano eléctricamente aislante, o bien a partir de una banda de cobre enrollada de canto, por tanto, vertical, en hélice, entre dos placas de mica, permitiendo esta disposición una variación del paso del bobinado del centro a la periferia, esto a fin de homogeneizar la distribución de temperatura en el fondo del recipiente.
Estos bobinados inductores presentan con sus soportes un espesor relativamente importante, lo que es una desventaja para la compacidad de los aparatos, especialmente, en el mercado de la cocción doméstica.
La presente invención tiene por objeto poner remedio a estos inconvenientes renunciando a limitar las pérdidas del bobinado inductor, dejándole, por el contrario, que se caliente, y enfriándole por la carga. Para esto, el bobinado inductor debe poder alcanzar temperaturas elevadas, del orden de 400ºC máximo. Está, entonces, fuera de cuestión intentar un aislamiento eléctrico de los cables del cordón entre sí porque los barnices aislantes que resisten estas temperaturas son extremadamente costosos. Por este motivo se adapta un bobinado inductor de un solo conductor.
Ésta tiene por objeto un hogar de cocción por inducción que comprende una placa superior de un material cerámico destinado a recibir un recipiente de material ferrítico que hay que calentar, un bobinado inductor de un solo conductor dispuesto debajo de la placa superior en un soporte de bobinado y excitado por un generador de corriente de alta frecuencia, caracterizado porque el bobinado inductor de un solo conductor está constituido por una cinta conductora plana, enrollada en un plano en espiral, separada de la placa superior por una hoja térmicamente conductora constituida por un aislante eléctrico resistente al calor y separada de su soporte por una segunda hoja constituida por un aislante eléctrico resistente al calor.
La cinta conductora plana del bobinado inductor puede ser de cobre con una sección correspondiente a una densidad de corriente del orden de 30 A/mm^{2}. Puede ser, también, de aluminio.
El bobinado inductor puede realizarse enrollando en un plano, en espiral, una cinta conductora plana. Puede realizarse, también, recortando, por un procedimiento mecánico o químico, un conductor plano en espiral en una chapa de material amagnético y conductor de la electricidad como el cobre o el aluminio, impregnando esta cinta conductora recortada de una pasta eléctricamente aislante, resistente al calor, a fin de cerrar los espacios entre espiras, presionando la cinta conductora recortada así impregnada entre dos hojas de aislante eléctrico para constituir un sándwich y cociendo el estratificado obtenido para formar un conjunto compacto fácilmente manipulable.
El bobinado puede colocarse simplemente en el soporte inferior térmicamente aislante, sin ninguna unión fija. Esto permite utilizar para el soporte y el aislamiento eléctrico de la placa superior, materiales cuyos coeficientes de dilatación térmica sean diferentes del correspondiente a la espiral, siendo la espiral libre de evolucionar en temperatura.
El bobinado puede aislarse, igualmente, por una segunda hoja de aislante eléctrico más gruesa que la intercalada debajo de la placa superior, para oponerse a la conducción térmica del bobinado hacia el soporte.
De acuerdo con otra característica de la invención, el bobinado inductor está constituido por una combinación serie, paralelo o serie-paralelo, de varias bobinas planas de longitudes unitarias reducidas, repartidas en la superficie del hogar.
Las hojas de aislante eléctrico a alta temperatura son, ventajosamente, hojas de mica, delgada en el caso de la hoja intercalada debajo de la placa superior y gruesa en el caso de la hoja intercalada encima del soporte.
El soporte de bobinado térmicamente aislante se realiza, ventajosamente, de fibras de vidrio.
Con este tipo de bobinado de conductor plano, enrollado en un plano en espiral, es posible obtener una galleta cuyo espesor no sobrepase de 0,5 mm, lo que es suficiente para el paso de las corrientes de alta frecuencia que, de todos modos, a la frecuencia normal de utilización de 25 kHz, no penetran más de 0,5 mm en el espesor del conductor en razón del efecto de piel y de la proximidad del recipiente. Como la anchura de la galleta del bobinado está condicionada por el tamaño del recipiente que hay que calentar, y el número de vueltas del bobinado por la impedancia que hay que restablecer en carga en el generador de alta frecuencia, un espesor de 0,5 mm conduce a una sección del orden del mm^{2}, lo que explica el nivel de pérdidas elevado del bobinado a potencia máxima y, por tanto, su temperatura de funcionamiento. Sin embargo, la forma del bobinado privilegia el contacto con la carga y, por tanto, el enfriamiento. Hay que observar que el espesor de la espira puede ser cualquier otro en función de la potencia del generador, de la frecuencia de utilización y del material conductor utilizado. Asimismo, la anchura está adaptada a la potencia y, sobre todo, al tipo de generador utilizado.
Otras características y ventajas de la invención se deducirán de la descripción que sigue de un modo de realización dado a título de ejemplo. Esta descripción se efectuará refiriéndose a los dibujos, en los cuales:
- la figura 1 representa, en corte, la estructura habitual de un hogar de cocción por inducción,
- la figura 2 representa, en corte, la estructura de un hogar de cocción por inducción de acuerdo con la invención, y
- la figura 3 representa un ejemplo de motivo, visto de frente, diseñado por la cinta plana de un solo conductor de un bobinado inductor de un hogar de cocción por inducción de acuerdo con la invención.
El hogar de cocción por inducción representado en la figura 1 es de concepción clásica. Éste comprende un bobinado inductor 1 plano, colocado debajo de una placa 2, por ejemplo de vitrocerámica, destinada a recibir un recipiente que hay que calentar 3 cuyas paredes son de material ferrítico.
El bobinado inductor plano 1 está constituido por un enrollamiento en un plano, en espiral, de un cordón de varios cables de hilos de cobre revestidos individualmente de una capa de barniz eléctricamente aislante cuyas diferentes espiras están indicadas por 10. Éste está colocado sobre, o pegado a, un soporte de bobinado 4 y separado de la placa 2 por una capa de aislante térmico 2a que puede estar constituida por una lámina de aire, un papel cerámico, o lana de vidrio y que le protege de un calentamiento por el recipiente 3.
El soporte 4 de bobinado es de un material térmicamente conductor para evacuar hacia abajo las pérdidas calóricas del bobinado inductor 1, y comprende, de manera conocida, un material magnético 4a, por ejemplo, barras de ferrita, dispuesto por debajo, cuya función es focalizar el campo magnético generado por el bobinado inductor 1 hacia el recipiente que hay que calentar 3.
El conjunto del bobinado inductor 1 y de su soporte de bobinado 4 está colocado sobre un plato 5 de material amagnético, por ejemplo de aluminio, con reborde envolvente, cuya función es minimizar los campos magnéticos parásitos del bobinado inductor 1, con miras, especialmente, a proteger el generador de corriente de alta frecuencia colocado por debajo que alimenta el bobinado inductor 1.
Por debajo del plato 5 está prevista una ventilación forzada para enfriar el bobinado inductor 1 y su soporte 4, (véase la flecha 20).
En este tipo de hogar de cocción por inducción, se busca mantener el bobinado inductor 1 y su soporte 4 a una temperatura compatible con sus constituyentes, inferior, en general, a 220ºC que es la temperatura máxima que soporta el barniz eléctricamente aislante de los cables de cobre del cordón del bobinado inductor 1 y el material plástico del soporte 4 de bobinado.
Los intercambios térmicos se hacen en dos direcciones opuestas, por una parte, de las paredes del recipiente 3 hacia su contenido (véanse las flechas 21), lo que es el efecto buscado y, por otra, de las paredes del recipiente 3 hacia el bobinado inductor 1 a través de la placa soporte 2 de vitrocerámica y del aislamiento térmico 2a (véanse las flechas 22), lo que es un efecto no deseable y, a través del soporte 4 de bobinado (véanse las flechas 23), del bobinado inductor 1 hacia el plato 5 que es enfriado por la ventilación forzada (véase la flecha 20). Hay una pérdida de rendimiento debida a las calorías evacuadas por la ventilación forzada.
La figura 2 ilustra una nueva estructura de hogar de cocción por inducción en la cual esta pérdida de rendimiento se reduce minimizando el intercambio térmico entre el bobinado inductor y la parte baja del hogar y optimizando el intercambio térmico entre el bobinado inductor y la parte alta del hogar, hacia el recipiente que hay que calentar. Para hacer esto, se deja calentar el bobinado inductor a una temperatura superior a la de la carga constituida por el recipiente y se enfría el bobinado inductor por la carga. Así, las calorías debidas a las pérdidas en el bobinado inductor participan en el rendimiento del hogar. El bobinado inductor debe poder, entonces, alcanzar temperaturas elevadas, del orden de 400ºC, superiores a las temperaturas toleradas por los barnices eléctricamente aislantes clásicos. Se ha recurrido, así, a un enrollamiento de un solo conductor no aislado y dimensionado para alta frecuencia, por tanto de dimensiones muy reducidas. Otra ventaja asociada con la disminución del volumen de los conductores es una reducción importante de la inercia térmica del sistema inductor y, por tanto, una aceleración del enfriamiento al final de la utilización.
En la figura 2 se distingue el recipiente que hay que calentar 3 colocado en la placa soporte de vitrocerámica 2.
El bobinado inductor 1', en forma de galleta plana, de un espesor típico de 500 \mum, está fijado firmemente debajo de la placa soporte 2 de vitrocerámica por intermedio de una hoja de mica 6 de pequeño espesor, del orden de 200 \mum, que asegura el aislamiento eléctrico secundario con respecto al usuario, esto de manera que se optimiza la transferencia térmica hacia la carga. Éste puede colocarse sobre una segunda hoja de mica 7 más gruesa y sobre un soporte 4' de bobinado térmicamente aislante de gran espesor (4 mm a 8 mm) que impide que el calor se propague hacia abajo, donde, en general, se encuentra el generador de la corriente de alta frecuencia que excita el bobinado inductor, o bien directamente sobre el soporte 4' sin intermedio de la segunda hoja de mica, dependiendo esta opción del modo de realización del inductor.
Como anteriormente, el soporte 4' del bobinado está equipado con un material magnético 4a, por ejemplo barras de ferrita o también de plastoferrita, dispuesto por debajo, para focalizar el campo magnético generado por el bobinado inductor 1' hacia el recipiente 3 que hay que calentar, y el conjunto del bobinado inductor 1' y de su soporte 4' está colocado en un plato 5 de reborde envolvente, de un material amagnético, por ejemplo de aluminio, que minimiza los campos magnéticos parásitos generados por el bobinado inductor 1'.
Los intercambios térmicos se hacen, esencialmente, en dirección al recipiente que hay que calentar y a su contenido (véanse las flechas 21 y 24) puesto que el bobinado inductor 1' tiene una temperatura de funcionamiento superior a la de las paredes del recipiente 3 con el cual está en contacto térmico por intermedio de la placa soporte de vitrocerámica 2 y de la hoja de mica delgada 6, y el soporte de bobinado 4' constituye una barrera térmica que se opone a la propagación del calor hacia abajo del hogar.
La necesidad de una ventilación forzada de la superficie inferior del hogar desaparece.
La admisión de una mayor temperatura de funcionamiento en el bobinado inductor, del orden de 400ºC en lugar de los 220ºC habituales, permite tolerar pérdidas netamente mayores y, por consiguiente, mayores densidades de corriente, del orden de 30 A/mm^{2} en lugar de 8 A/mm^{2}. Esto se traduce en una gran reducción de la sección del conductor único que constituye el bobinado inductor y, por consiguiente, en un ahorro de material que implica una reducción significativa del precio del bobinado inductor. La supresión de la ventilación del sistema inductor permite asimismo reducir significativamente el coste del conjunto.
El bobinado inductor puede realizarse de diferentes maneras, ya sea enrollando en un plano una cinta conductora de un solo cable de modo que forma una espiral, o recortando este mismo conductor en una chapa de material amagnético y conductor de la electricidad como el cobre o el aluminio.
En el caso de un recorte, que puede hacerse por un procedimiento mecánico o químico, la pieza obtenida es difícilmente manipulable puesto que ésta tiene un diámetro típico de 190 mm para un espesor de 500 \mum, correspondiendo el número de espiras, aproximadamente, a 10 m de hilo enrollado. Entonces, es ventajoso realizar un sándwich con las dos hojas de aislamiento eléctrico resistentes al calor 6 y 7 fijadas firmemente a una y otra parte. Para hacer esto, la espiral conductora recortada se impregna previamente de una pasta eléctricamente aislante, resistente al calor, a fin de rellenar los espacios entre espiras, se la intercala después entre las dos hojas de aislamiento eléctrico resistente al calor, que pueden ser hojas de mica, y se prensa y se cuece a fin de formar con las hojas de aislamiento eléctrico un conjunto compacto fácilmente manipulable. Después de la cocción, la pasta eléctricamente aislante que rellena los espacios entre espiras sirve de aislamiento eléctrico entre las diferentes espiras del bobinado inductor. Este aislamiento eléctrico entre dos espiras próximas se hace necesario en razón de los desplazamientos de la cinta conductora que constituye la espiral debidos a su dilatación en el transcurso de los ciclos de temperatura. Este fenómeno es, por otra parte, relativamente molesto, porque impone no rebasar ciertas temperaturas de funcionamiento aunque la cinta conductora y las hojas de mica que aseguran el aislamiento eléctrico de las caras superior e inferior del bobinado inductor puedan soportarlas perfectamente. Entonces, es necesario detectar estas temperaturas y limitar la corriente de excitación del bobinado inductor para evitar su rebasamiento. La detección de temperatura puede hacerse con la ayuda de los dispositivos clásicos conocidos. Sin embargo, los desplazamientos entre espiras próximas de la cinta conductora durante los ciclos de temperatura pueden limitarse jugando con la geometría del bobinado. En efecto, puede realizarse un bobinado inductor por una combinación serie, paralelo, o incluso serie-paralelo, de varias bobinas pequeñas de forma redonda, o de otra forma, repartidas en la superficie del hogar de manera que se minimicen los desplazamientos entre espiras de la cinta de un solo conductor por reducción de la longitud unitaria de cada bobina elemental. El interés de un recorte es, también, permitir realizar formas geométricas complejas de bobinado que no pueden obtenerse por enrollamiento. Puede preverse, así, recortar simultáneamente, por ejemplo, la espiral inductora y contraespiras que permiten reducir las perturbaciones radiadas.
La figura 3 representa una forma de bobinado particular en la cual la cinta de un solo conductor dispuesta en un plano, forma cuatro enrollamientos elementales en espiral 30, 31, 32 y 33 que ocupan cuatro sectores circulares que se reparten la superficie del hogar. Así, cada enrollamiento elemental tiene una longitud unitaria cuatro veces menor que el bobinado total, lo que hace que, en el transcurso de los ciclos de temperaturas, sean asiento de fenómenos de desplazamiento entre espiras próximas mucho más reducidos que si se estuviera en presencia de un único enrollamiento. Para reducir las interconexiones exteriores al plano de la galleta del bobinado inductor, los enrollamientos elementales son puestos en serie dos a dos por sus espiras exteriores, ya sea en el centro del hogar como está representado, o en la periferia del hogar, se observa, además, que los enrollamientos elementales pueden tener sentidos de enrollamiento diferentes como está representado para los enrollamientos elementales 30 y 31 ó 32 y 33, o tener los mismos sentidos de enrollamiento.
Un interés no despreciable de la nueva estructura de hogar de cocción por inducción que se acaba de describir es aproximar el bobinado inductor a su carga constituida por el recipiente que hay que calentar, por supresión de la pantalla térmica utilizada habitualmente entre el bobinado inductor y la carga. Se aumenta, así, la resistencia restablecida a alta frecuencia por la carga en el bobinado inductor, lo que implica una reducción de los amperios-vuelta en el bobinado inductor y de la cantidad de material conductor que hay que emplear. Se minimizan, así, también, las fugas magnéticas y, por tanto, las perturbaciones electromagnéticas generadas por el dispositivo. Este dispositivo necesita una limitación de potencia para los recipientes de diámetros pequeños y, generalmente, para los recipientes cuyo diámetro es inferior al diámetro de la bobina. Esta reducción de potencia es natural y lógica en una gran mayoría de dispositivos de calentamiento por inducción. Ésta es importante en este dispositivo porque si el bobinado se enfría por la carga, es necesario que haya una carga frente a las espiras que hay que enfriar, de donde la necesidad de disminuir la potencia, por tanto, la temperatura, en presencia de una carga de diámetro pequeño, porque las espiras no recubiertas tiene, entonces, más dificultad de enfriarse. Este concepto puede asociarse, también, ventajosamente, a un concepto de inductor autoadaptativo a la carga (véanse las patentes: patente francesa 2 672 763 del 7 de mayo de 1993, patente europea 0498735 del 24 de agosto de 1994 y la solicitud de patente francesa 94 14818 del 9 de diciembre de 1994), siendo este último concepto fácilmente aplicable a esta tecnología.

Claims (14)

1. Hogar de cocción por inducción que comprende una placa superior (2) de un material cerámico destinado a recibir un recipiente (3) de material ferrítico que hay que calentar, un bobinado inductor de un solo conductor (1') dispuesto debajo de la placa superior (2) en un soporte de bobinado (4') y excitado por un generador de corriente de alta frecuencia, caracterizado porque el bobinado inductor de un solo conductor (1') está constituido por una cinta conductora plana, enrollada en un plano, en espiral, separada de la placa superior por una hoja térmicamente conductora (6) constituida por un aislante eléctrico resistente al calor, y separado de su soporte (4') por una segunda hoja (7) constituida por un aislante eléctrico resistente al calor.
2. Hogar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la citada segunda hoja (7) es térmicamente aislante.
3. Hogar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la cinta conductora plana del bobinado inductor (1') es de cobre con una sección correspondiente a una densidad de corriente muy elevada, del orden de 30 A/mm^{2}.
4. Hogar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la cinta conductora plana del bobinado inductor (1') es de aluminio.
5. Hogar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el bobinado inductor (1') se obtiene por enrollamiento en un plano, en espiral, de una cinta de un solo conductor
6. Hogar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el bobinado inductor (1') se obtiene por recorte en espiral de una cinta plana de un solo conductor en una chapa de material amagnético y conductor de la electricidad.
7. Hogar de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el bobinado inductor (1') forma un conjunto compacto fácilmente manipulable con las hojas de aislante eléctrico (6, 7) entre las cuales está insertado.
8. Hogar de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el bobinado inductor (1') es impregnado de una pasta eléctricamente aislante, resistente al calor antes de ser insertado entre las dos hojas de aislante eléctrico (6, 7), prensado entre ellas y cocido para constituir con éstas un estratificado.
9. Hogar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el bobinado inductor (1') está constituido por una combinación serie, paralelo, o serie paralelo, de varias bobinas planas (30, 31, 32 y 33) de longitudes unitarias reducidas, repartidas en la superficie del hogar.
10. Hogar de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque las citadas bobinas planas (30, 31 ó 32, 33) están puestas en serie dos a dos por sus espiras exteriores.
11. Hogar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la hoja térmicamente conductora (6) de aislante eléctrico intercalada entre el bobinado inductor (1') y la placa superior (2) es una hoja de mica delgada.
12. Hogar de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la hoja térmicamente aislante (7) de aislante eléctrico intercalada entre el bobinado inductor (1') y su soporte (4') es una hoja de mica gruesa.
13. Hogar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el citado soporte (4') del bobinado inductor (1') es un material a base de fibras de vidrio.
14. Hogar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque está equipado con un dispositivo de limitación de potencia en función de su carga.
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