НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ НАГРЕВАНИЯ СОСУДА Российский патент 1996 года по МПК A47J27/62 

Изобретение относится главным образом к нагревательному устройству и способу регулирования, в частности, температуры и/или мощности аппарата для тепловой кулинарной обработки пищевых продуктов.

Известно, для аппаратов для электрической тепловой кулинарной обработки, подсоединение устройства для измерения температуры к регулирующему устройству.

Цель этих аппаратов, после некоторого периода предварительного нагревания, поддерживать температуру нагревательного сосуда почти постоянной. Однако, регулируют температуру датчика или, в лучшем случае, сосуда, а не его содержимого. Действительно, чтобы определить температуру содержимого исходя из температуры датчика, нужно бы знать изменение температуры. Корреляция между температурой датчика и температурой содержимого сосуда для тепловой кулинарной об работки изменяется для различных тепловых обработок, а иногда изменяется даже в ходе одной и той же тепловой кулинарной обработки. Эта связь изменяется, например, между сковородкой с 1 литром масла и чугунным сотейником с 3 литрами масла или чугунной жаровней. Добавка, например, 800 г картофеля фри во время жарки дополнительно изменяет температуру содержимого сосуда и влияет лишь с некоторым опозданием и ослабленно на изменение температуры датчика.

Цель устройства по настоящему изобретению заключается в ограничении температуры сосуда для:
предотвращения порчи приготавливаемого продукта;
предотвращения воспламенения масла и опасности вызвать пожар.

C другой стороны, целью изобретения является также наиболее быстрое доведение до предписываемой температуры содержимого сосуда, например, до 180^oC в случае масла, при этом никогда не превышая максимальную температуру, например, 400^oC в случае масляной пленки.

В устройстве по настоящему изобретению осуществляют автоматическое регулирование путем построения кривой автоматического регулирования в плоскости (температура, изменение температуры во времени). Кривая автоматического регулирования делит плоскость на две различных поверхности. Пока кривая не достигнута, осуществляют нагревание на полную мощность. После пересечения кривой снижают или отключают мощность нагрева. После того, как датчик температуры обнаружил в фазовой диаграмме переход по другую сторону кривой автоматического регулирования, вновь осуществляют нагревание на полную мощность или увеличивают мощность.

Предметом изобретения является, главным образом, контрольный прибор, нагревательный элемент и датчик температуры, отличающийся тем, что контрольное устройство содержит средства оценки изменения во времени температуры θ.

Предметом изобретения является также нагревательный прибор, включающий контрольное устройство, нагревательный элемент и датчик температуры, отличающийся тем, что контрольное устройство включает средства для подсчета производной температуры от времени t.

Предметом изобретения является также прибор, отличающийся тем, что контрольное устройство вычеркивает кривую автоматического регулирования, точки которой имеют по абсциссе температуру q, а по ординате производную температуры от времени dθ/dt, и что оно содержит средства, позволяющие прекратить или снизить электропитание нагревательного элемента всякий раз, когда величина dθ/dt превышает значение ординаты кривой при абсциссе, соответствующей достигнутой температуре.

Предметом изобретения является также прибор, отличающийся тем, что контрольное устройство вычерчивает кривую, точки которой по абсциссе имеют температуру, а по ординате производную dθ/dt от времени t температуры θ, пересечение которой указывает на то, что имеют пустой сосуд для тепловой кулинарной обработки или что никакого сосуда для тепловой кулинарной обработки нет на нагревательном элементе, если кривая пересекается.

Предметом изобретения является также устройство, отличающееся тем, что оно является столом для тепловой кулинарной обработки.

Предметом изобретения является также устройство, отличающееся тем, что оно является кухонной плитой.

Предметом изобретения является также устройство, отличающееся тем, что оно содержит пластинку из стеклокерамики.

Предметом изобретения является также устройство, отличающееся тем, что нагревательный элемент является индуктором.

Предметом изобретения является также способ нагревания сосуда для доведения до заданной температуры q, отличающийся тем, что он включает этапы:
нагревания с электрическим нагревательным элементом,
измерений достигнутой температуры q.

расчета производной dθ/dt температуры по времени t,
и
отключения или снижения мощности электропитания всякий раз, когда значение θ превышает заданное значение для достигнутого значения q.

Предметом изобретения является также способ, отличающийся тем, что он включает этапы:
обнаружения отсутствия сосуда для нагревания или наличия пустого сосуда на нагревательном элементе путем сопоставления значения dθ/dt с максимальной величиной, соответствующей сосуду с его содержимым для значения θ достигнутой температуры.

отключение электропитания нагревательного элемента, если не было обнаружено присутствие сосуда с содержимым.

Изобретение будет лучше понято из нижеследующего описания и прилагаемых рисунков, даваемых в качестве неограничивающих примеров, среди которых: фиг. 1 схема первого примера осуществления устройства по настоящему изобретению; фиг. 2 схема второго примера осуществления устройства по настоящему изобретению; фиг. 3 диаграмма, показывающая пространственное изменение температуры для кастрюли, заполненной маслом, поставленной на стеклокерамическую плитку; фиг. 4 пояснительная диаграмма принципа, использованного в изобретении; фиг. 5 диаграмма, показывающая ход изменения системы при применении максимальной мощности; фиг. 6 диаграмма, показывающая ход изменения системы при отсутствии нагревания; фиг. 7 показывает ход изменения температуры до достижения предписываемой температуры q; фиг. 8 диаграмма, показывающая влияние тепловой инерции; фиг. 9 схема, демонстрирующая принцип обнаружения пустых кастрюль или отсутствия кастрюль на устройстве для тепловой кулинарной обработки; фиг. 10 пример блок-схема программ, применяемых в устройстве по настоящему изобретению; фиг. 11 - представляет две кривые изменения температуры и кривую изменения мощности; фиг. 12 представляет кривую автоматического регулирования, а также кривую состояния в случае автоматического регулирования стола для тепловой кулинарной обработки с индуктором большого диаметра; фиг. 13 представляет кривую автоматического регулирования, а также кривую состояния, показывающую изменение температуры в устройстве по настоящему изобретению.

На фиг. 1-13 использовались одинаковые обозначения для одних и тех же элементов.

На фиг. 1 можно увидеть пример осуществления нагревательного устройства по настоящему изобретению. Устройство по настоящему изобретению включает механизм управления 23, соединенный с устройством контроля 20. Устройство контроля 20 связано с источником тепла 4. Источник тепла 4 предназначается для повышения температуры сосуда 11 и его содержимого. Датчик температуры 1 подключен к устройству контроля 20. Преимущественно, устройство контроля 20 подключено к устройству воспроизведения информации 21. Преимущественно, механизм управления 23 связан с устройством воспроизведения информации 22.

Нагревательное устройство 4 является, например, газовой горелкой преимущественно последовательного типа.

Преимущественно, нагревательное устройство 4 является электрическим нагревательным устройством.

Преимущественно, нагревательное устройство 4 является индуктором, предназначенным для индуцирования электрических токов в сосуде 11.

Преимущественно, плитка из стеклокерамики прокладывается между нагревательным устройством 4 и/или датчиком температуры 1 и сосудом 11.

В показанном в этом патенте примере были описаны столы для тепловой кулинарной обработки. Естественно, что использование кухонных плит или емкостей для тепловой кулинарной обработки типа печи не выходит за рамки настоящего изобретения.

Механизм управления 23 позволяет выбрать темп нагревания, температуру или программу тепловой кулинарной обработки. Воспроизведение 22 воспроизводит выбранную температуру ил программу. Воспроизведение осуществляется цифровым, алфавитно-цифровым способом или символами. Устройство контроля 20 управляет нагревательным устройством 4 для осуществления выбранной программы или для достижения требуемой температуры. Для этого, устройство контроля 20 использует предписываемую информацию, передаваемую через механизм управления 23, а также данные по температуре, измеряемой датчиком 1. Устройство воспроизведения 21 воспроизводит час, остающееся время для тепловой кулинарной обработки, температуру в данный момент или служебные сообщения.

На рис. 2 можно увидеть особенно удачный пример осуществления устройства по настоящему изобретению. Устройство на рис. 2 включает индуктор 4, питаемый через генератор мощности 12. Генератор мощности 12 управляется с помощью микропроцессора 12 в зависимости от конструкций, принимаемых от механизма управления 23 и информации о температуре 3, поступающей от датчика температуры 1. Микропроцессор 13 использует программы, позволяющие достигнуть как можно быстрее предписываемую температуру без опасности повреждения сосуда 11 или стола для тепловой кулинарной обработки.

Используют, например, микропроцессор 63705, продаваемый фирмой ХИТАЧИ.

На фиг. 3 можно увидеть различные значения температуры, достигаемые в различных точках кастрюли 11, наполненной маслом Н. Температура на поверхности масла отличается от температуры воздуха q_a. Температура θ_c быстро повышается внутри масла, становясь относительно устойчивой к дну кастрюли, а затем повышается более резко на поверхности раздела 8 внутреннее дно кастрюли. Температура повышается менее резко в направлении от внутренней поверхности к внешней части кастрюли и достигает максимального значения θ_c на дне с наружной стороны кастрюли. Температура снижается в стеклокерамической плитке 24, достигая температуры θ_d датчика температуры 1.

Изменение, показанное на фиг. 3, соответствует устройству фиг. 2. Оно может быть определено экспериментально при любом типе кастрюли для любого заданного типа аппарата для тепловой кулинарной обработки. Рис. 3 соответствует максимальной мощности. Разница между θ_c и θ₁ увеличивается с ростом мощности. Таким образом, если прекращают нагревание, может случиться так, что θ₁ станет выше θ_c. Кроме того, температурные отклонения изменяются в ходе тепловой кулинарной обработки и в зависимости от содержимого (тип, количество) кастрюли 11.

Устройство по настоящему изобретению осуществляет автоматическое регулирование температуры θ₁ содержимого кастрюли 11, а не θd датчика 1.

На фиг. 4 можно увидеть пример осуществления кривой автоматического регулирования 5, применяемой в устройстве по настоящему изобретению. Кривая 5 представляет собой температуру θ в зависимости от производной dθ/dt температуры по времени t. Кривая 5 ограничивает область 6 и область 7 плоскости. Для получения эффективного аппарата для тепловой кулинарной обработки следует, как показано на фиг. 5, как можно скорее получить кривую автоматического регулирования 5 фиг. 4. Стрелка 8 показывает изменение на фазовой диаграмме, например, при использовании полной мощности. Стрелка 81 показывает изменение на фазовой диаграмме вокруг dθ/dt =0. Стрелка 80 показывает изменение на фазовой диаграмме при отрицательных значениях dθ/dt.
Однако, речь идет о сведении к минимуму попадания в область 7 фазовой диаграммы. Для этого снижают электрическую мощность или отключают электрическую мощность, при превышении кривой 5. Стрелка 9 на фиг. 6 показывает изменение в случае нулевой мощности. Кривая 5 будет пересечена таким образом в другом направлении. Начиная с этого момента, возможно либо вновь установить полную мощность, либо сниженную мощность, чтобы двигаться по этой кривой. Стрелка 91 показывает изменение на фазовой диаграмме вокруг dθ/dt = 0. Стрелка 90 показывает изменение на фазовой диаграмме для отрицательных значений dθ/dt.
В особенно предпочтительном варианте устройства по настоящему изобретению изменение мощности зависит от расстояния от кривой автоматического регулирования 5. Таким образом, ограничивают колебания. Снижение мощности в зависимости от расстояния от кривой автоматического регулирования 5 необязательно линейнoе.

Естественно, что при использовании других кривых автоматического регулирования 5, как например, отрезки прямой, эллипсы или гиперболы, не выходит за рамки настоящего изобретения.

Кривые автоматического регулирования 5 определяются, например, экспериментально для различных аппаратов для тепловой кулинарной обработки и для различных сосудов или требуемых программ тепловой кулинарной обработки.

На фиг. 7 можно увидеть пример изменения 10 состояния аппарата для тепловой кулинарной обработки до достижения предписываемой температуры θ.

Однако, необходимо учитывать тепловую инерцию, например, в случае индукционного нагревания при распространении теплоты от дна кастрюли 11 к датчику температуры 1.

На фиг. 8 можно увидеть кривую 14, представляющую изменение мощности во времени. Эта кривая соответствует автоматическим регулированиям с использованием для эксперимента датчиков температуры, устанавливаемых действительно внутри кастрюли.

Для определения идеальной кривой автоматического регулирования вычерчивают изменение состояния датчика для различных пустых кастрюль и наносят на диаграмму точку 103 фиг. 8в, где следовало бы снизить или отключить электрическую мощность. Необходимо обязательно снизить мощность до этих точек 103. Кривая 101 соответствует пустой кастрюле, кривая 102 снижению требуемой мощности, а точка 104 воспламенению масла.

С другой стороны, как можно видеть на фиг. 8с, на этот раз выполняют такой же тип операции для кастрюль различных типов, наполненных маслом, с количеством, например, от 0,5 л до 3 л. Наносят на диаграмму точки 105 и 106 соответствующие соответственно 150^oC в масле и 110^oC в масле. Пытаются перевести кривую между максимальным количеством точек, соответствующих 150^oC, и минимальным количеством точек, соответствующих 170^oC, и естественно, ниже точек 103. Точка 108 соответствует температуре в масле, равной 180^oC.

Сразу после прохождения через кривую 5' отключают полностью и по существу для этой тепловой кулинарной обработки мощность нагревания для охлаждения кастрюли или стеклокерамической плитки. Прохождение через кривую 5 происходит по забывчивости домашней хозяйки. Это устройство позволяет экономить энергию и особенно предупреждать несчастные случаи в случае перегретой кастрюли. Кроме того, есть уверенность, что перегретая кастрюля не сможет испоpтить стол из стеклокерамики 24, индуктор 4 или датчик температуры 1.

На фиг. 10 можно увидеть пример блок-схемы, применяемой для микропроцессора 13 фиг. 2.

В 31 осуществляют замер температуры.

Переходят к 32.

В 32 рассчитывают изменение температуры во времени.

Переходят в 33.

В 33 рассчитывают отклонение температуры от кривой по оси t, например, задаваемое формулой:
d = θ-(dθ/dt-D_o)/A_o+110×10⁶/(dθ/dt-25)⁶+0,1)
Например, для предписываемой температуры θ_o= 236^°, D_o= 26, а A_o= D_o/θ_o.

Переходят в 34.

В 34 проводят испытание, чтобы знать, расстояние от кривой 5 ниже или равно 0.

Если нет, переходят в 35.

В 35 определяют, не является ли расстояние от кривой 5 малым.

Если нет, переходят в 36.

В 36 снижают мощность р до 0.

Переходят в 31.

Если да, переходят в 37.

В 37 определяют, какую сниженную мощность подавать на индуктор. Мощность определяется, например, по формуле:
р=(d:7,5)xP_o, P_o исходная мощность,
Переходят в 31.

Программа осуществляется до конца операции тепловой кулинарной обработки.

На фиг. 11 можно увидеть пример экспериментальной кривой температуры как функции времени. Кривая 44 соответствует температуре масла, тогда как кривая 43 соответствует температуре датчика. На шкалу времени нанесли мощность питания нагревательного устройства.

На фиг. 12 можно увидеть кривую автоматического регулирования 47, намного перекрываемую кривой состояния 46 в случае использования пустой чугунной жаровни, используя программу для приготовления картофеля фри. Условия эксперимента соответствуют эксперименту с чугунной жаровней, продаваемой фирмой ЛЕ КРЕЗЕ, имеющей диаметр 230 мм и высоту 17 см. Датчик температуры был сопротивлением с отрицательным коэффициентом температуры, помещаемым непосредственно против стеклокерамической плитки. Изменение температуры, а также температура датчика выражаются в градусах Цельсия.

Естественно, что как только кривая 47 намного перекрывается кривой 46, следует отключить электрическую мощность, по мере того как было отмечено наличие пустой кастрюли, и препятствовать повышению температуры, что можно увидеть на фиг. 12.

На фиг. 13, можно увидеть кривую автоматического регулирования 42 и кривую состояния 41, соответствующие кастрюле с содержимым, и датчик температуры, включающий диод с отрицательной температурной постоянной, электрически изолированный слюдой от стеклокерамической плитки.

Настоящее изобретение применяется главным образом для осуществления контроля нагревательного устройства. Устройство по настоящему изобретению применяется, в частности, для столов для тепловой кулинарной обработки и особенно для индукционных столов для тепловой кулинарной обработки. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 ЫЫЫ8 ЫЫЫ10 ЫЫЫ12

Использование: в нагревательных устройствах и способах регулирования устройства для тепловой кулинарной обработки пищевых продуктов. Сущность изобретения: для достижения эффективного автоматического регулирования требуемой температуры строят кривую автоматического регулирования в плоскости (температура, изменение температуры во времени). Кривая автоматического регулирования делит плоскость на две различные поверхности. Пока кривая не достигнута, осуществляют нагревание на полную мощность. После пересечения кривой снижают или отключают мощность нагрева. После того, как датчик температуры обнаружил в фазовой диаграмме переход по другую сторону кривой автоматического регулирования, вновь осуществляют нагревание на полную мощность или увеличивают мощность. Настоящее изобретение применяется, главным образом, в осуществлении контроля нагревательного устройства. Устройство по настоящему изобретению применяется в частности, к столам для тепловой кулинарной обработки и особенно к индукционным столам для тепловой кулинарной обработки 2 с. и 6 з.п. ф-лы. 13 ил.

1. Нагревательное устройство, включающее нагревательные элементы, генератор мощности для подачи мощности на нагревательный элемент, средство управления генератором мощности и датчик температуры, отличающееся тем, что средство управления включает блок вычисления величины изменения температуры по времени и определения точки, абсцисса которой равна измеренной температуре, а ордината вычисленной величине изменения температуры по времени (производной), при этом последний соединен с генератором мощности. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагревательный элемент выполнен в виде индуктора. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что датчик температуры размещен под стеклокерамической пластиной. 4. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что оно выполнено в виде стола для тепловой кулинарной обработки. 5. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что оно представляет собой кухонную плиту. 6. Устройство по пп. 1 5, отличающееся тем, что средство управления представляет собой микропроцессор. 7. Способ нагревания сосуда, предусматривающий нагревание с помощью нагревательного элемента, измерение температуры и регулирование мощности нагревательного элемента, отличающийся тем, что задают кривую слежения, представляющую собой производную температуры по времени, вычисляют текущее значение производной температуры нагрева по времени, определяют точку, абцисса которой равна измеренной температуре, а ордината производной, и устанавливают ее расположение на кривой слежения, а изменение мощности нагревательного элемента осуществляют так, чтобы данная точка приближалась к заданной кривой слежения. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что кривую слежения устанавливают экспериментально.