Brevet FR2703554A3 — publié le 19941007

FR 2703554 A3 19941007 FR 9303841 A 19930401 Système de chauffage de récipient par induction électromagnétique avec refroidissement par eau du système. La présente invention concerne un système de chauffage électromagnétique de récipient et elle a trait, plus parti- culièrement, à un svstéme de chauffage électromagnétique de récipient de cuisson comportant un système de refroidisse- ment cyclique par eau utilisé dans les grands restaurants, les camps ou les usines La puissance d'excitation dans la présente invention est inférieure à 30 KW. La figure 1 montre un récipient à chauffage électroma- gnétique de la technique antérieure Conformément à cette technique antérieure, le récipient classique à chauffage électromagnétique comporte une pluralité de spires circulai- res formant un enroulement d'induction 2 sur lequel une cou- che isolante 1 est disposée comme on peut le voir sur la figure 1 Un corps l A de récipient est disposé sur la couche isolante 1 L'enroulement d'induction circulaire 2 engendre un champ magnétique 2 B pour chauffer le corps l A de réci- pient Toutefois, les enroulements d'induction 2 de réci- pient classique à chauffage électromagnétique est adapté pour un refroidissement par dissipation dans l'air De ce fait, plus l'utilisation du récipient à chauffage électroma- gnétique classique est longue plus la température est éle- vée Ceci a pour effet d'augmenter la valeur ohmique et conduit à une perte d'énergie On va donner ci-après des ex- emples de calculs concernant un récipient à chauffage éléc- tromagnétique classique régulier de 1000 watts. 1 Le rendement thermique dans le cas des meilleures performances est de 90 % et les meilleures performances sont obtenues lorsqu'aucun objet superflu n'est disposé entre le corps l A du récipient et la couche isolante 1 De plus, l'épaisseur de la couche isolante 1 est d'au moins 2 mm. 2 La conductivité magnétique du métal du récipient doit être bonne Si le métal du corps du récipient est en fer galvanisé, le rendement thermique est d'environ 80 %. 3 L'épaisseur du fond du récipient doit être d'au moins 4 mm Dans ce cas, le rendement thermique se main- tient Si l'épaisseur du fond du récipient est inférieure à 1 mm, le rendement thermique se trouve réduit en dessous de %. Les facteurs mentionnés ci-dessus étant mis en moyenne, le rendement thermique est d'environ 80 % Dans les 20 % de perte, 95 de la perte reviennent à l'enroulement d'induc- tion En d'autres termes, l'enroulement d'induction est res- ponsable pour 19 % de la perte totale de puissance Les calculs peuvent être décrits comme suit. Le coefficient d'induction du récipient en fer est 0,3. La puissance résultant de l'induction est p = 1000 W x 0,9 D puissance d'induction réelle) = 900 w. Par conséquent, la puissance d'induction virtuelle de la bobine d'induction est égale à p: 0,3 = 3000 VA. Si une tension de 100 Volts est appliquée à l'enroule- ment d'induction, alors: 3000 VA: 100 Volts = 30 A. La réactance inductive de la bobine d'induction est R / XL = 0,11 Q et la perte est W = I 2 x R = 99 w 99 W: 1000 W = 9,9 %, ce qui fait que le rendement est de 90,1 %. Quand le récipient est formé par du fer galvanisé, le coefficient d'induction est 0,1333 La puissance réelle d'induction est: p = 3000 VA x 0,1333 = 399,9 w. La perte est égale à 99 W: ( 399,9 + 99 w) = 20 %. Si on utilise de façon continue le récipient, la tempé- rature de la bobine d'induction s'élève jusqu'à 450 C La va- leur ohmique est de 4,44/1000 fois l'indice de température de la résistance par degré: 4,44/1000 x 450 C = 39,96/200, ce qui représente 20 %; par conséquent: 99 W x ( 1 + 20 %) = 120 w. Par conséquent, il est clair qu'un enroulement d'in- duction classique refroidie par air entraîne un gaspillage d'énergie Si la puissance est multipliée par seize pour obtenir un chauffage et une cuisson rapides de grandes quantités de produits alimentaires, la puissance atteint seize kilowatts, la tension est multipliée par quatre mais le courant devrait atteindre 120 ampères En raison de la formule p = I 2 x R et du fait que la réactance inductive de la bobine d'induction est R / XL = 0,11 Q, si on utilise l'enroulement d'induction initial, alors p = 120 A x 120 A x 0,11 Q = 1584 KW La chaleur que l'on obtient détruirait alors à coup sûr l'enroulement d'induction classique à re- froidissement par air. Le récipient à chauffage électromagnétique par induc- tion refroidi par eau remédie à cet inconvénient en mainte- nant son enroulement d'induction à la température ambiante et, de ce fait, on obtient sa sécurité et on prolonge sa durée de vie utile. La présente invention a pour objectif principal la réa- lisation d'un récipient à chauffage électromagnétique com- portant un système cyclique de refroidissement par eau pour maintenir son enroulement d'induction à la température am- biante et une source de courant haute fréquence destinée au chauffage par induction et dont la puissance d'excitation est inférieure à trente kilowatts. Le récipient à chauffage par induction électromagnéti- aue refroidi par eau comprend une unité de commande de puis- sance raccordant à la sortie de la source de puissance un enroulement d'induction composé d'un tube qui est enroulé sur lui-même de manière à être raccordé à l'unité de comman- de de puissance et qui est rempli d'eau froide, un système cyclique de refroidissement par eau raccordé à la sortie de l'enroulement d'induction et une source d'alimentation en eau comprenant un réservoir de stockage raccordé au système cvclique de refroidissement par eau et une pompe raccordée à l'entrée de l'enroulement d'induction. Le système de chauffage de récipient par induction électromagnétique refroidi par eau, selon la présente inven- tion, comprend: une unité de commande de puissance raccordée à un en- roulement d'induction, un système de refroidissement cycli- que par eau et un appareil d'alimentation en eau; ledit ap- pareil d'alimentation en eau comprenant un réservoir de stockage comprenant un couvercle supérieur sur lequel est disposée une entrée pour le fluide de refroidissement, un fond, et une pompe, ladite pompe comportant une première ex- trémité raccordée au fond du réservoir de stockage, une se- conde extrémité raccordée à un premier tube en cuivre isolé courbé; le réservoir de stockage contenant au moins 4 litres du fluide de refroidissement; l'enroulement d'induction étant composé d'un tube enroulé en spirale comprenant une entrée raccordée au premier tube en cuivre isolé courbé et une sortie raccordée à un second tube en cuivre isolé courbé qui est raccordé au système de refroidissement cyclique par eau; le svstème de refroidissement cyclique par eau compre- nant un ventilateur et un radiateur formés d'un tube en cui- vre courbé comprenant une première extrémité raccordée au second tube en cuivre isolé courbé et une seconde extrémité raccordée au tube en cuivre qui est raccordé à l'entrée du réservoir de stockage; le ventilateur étant disposé à l'ex- térieur du radiateur entre les première et seconde extrémi- tés de ce dernier; un fil de mise à la terre ayant une pre- mière extrémité raccordée à l'enroulement d'induction et une seconde extrémité reliée à la terre; un courant mettant en marche la pompe pour qu'elle fasse circuler le fluide de re- froidissement dans l'enroulement d'induction et dans le ra- diateur, ce courant mettant en marche le ventilateur pour qu'il refroidisse le fluide de refroidissement dans le ra- diateur. Dans ce svstème de chauffage: le fluide de refroidissement est de l'eau distillée; le couvercle supérieur comporte un tube de détente de pression protégé contre les poussières; et le ventilateur peut être remplacé par un échangeur de chaleur. On va décrire maintenant la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente un récipient à chauffage par in- duction magnétique selon la technique antérieure; la figure 2 est un schéma synoptique du mode de réali- sation préféré de la présente invention; la figure 3 est une représentation schématique illus- trant le raccordement des éléments du mode de réalisation préféré; et la figure 4 est une vue de côté d'un enroulement d'in- duction du mode de réalisation préféré vu dans un plan hori- zontal; En se référant à la figure 2, on voit que le récipient à chauffage par induction électromagnétique, refroidi par eau, comprend une unité 10 de commande de puissance dont la sortie de puissance est raccordée à un enroulement d'in- duction 20 composé d'un tube enroulé en spirale et raccordé à un système 30 de refroidissement cyclique par eau raccor- dé à la sortie de l'enroulement d'induction 20, et un appa- reil d'alimentation en eau comprenant un réservoir de sto- ckage 40 raccordé au dispositif 30 de refroidissement cycli- que par eau et à une pompe 50 raccordée à l'entrée de l'en- roulement d'induction 20 L'unité 10 de commande de puissan- ce est considérée comme étant un dispositif classique ne constituant pas un objectif de l'invention et il ne sera pas décrit davantage ni représenté sur les figures. La figure 3 montre que l'enroulement d'induction 20 est formé par un tube en cuivre qui est enroulé en spirale et qui est rempli d'un fluide de refroidissement, telle que de l'eau distillée 21 Grâce à la pureté et aux propriétés iso- lantes de l'eau distillée 21, on est assuré que le tube ne sera pas obturé par des impuretés qui entraîneraient une perte d'électricité Deux tubes isolants 22 et 24 sont cour- bés pour présenter une certaine réactance et sont raccordés à l'entrée et à la sortie de l'enroulement d'induction 20, respectivement Un récipient 25 est associé à l'unité 10 de commande de puissance ( non représentée sur les figures) et est disposé sur l'enroulement d'induction 20. Le système 30 de refroidissement cyclique par eau com- prend un ventilateur 32 et un radiateur 31 ayant une premiè- re extrémité raccordée au tube isolant 24 et une seconde ex- trémité raccordée à un réservoir de stockage 40 L'eau dis- tillée 21 qui passe à travers le tube isolant 24 pénètre dans le radiateur 31 et sort par la seconde extrémité de ce- lui-ci pour s'écouler dans le réservoir de stockage 40 Le ventilateur 32 est disposé à l'extérieur du radiateur 31, entre ses première et seconde extrémités, pour refroidir l'eau distillée 21 quand celle-ci traverse le radiateur 31 Le ventilateur 31 est remplacé, au choix, par un échangeur de chaleur. Le réservoir de stockage 40 utilisé pour stocker l'eau distillée 21 qui traverse le système cyclique 30 de refroi- dissement par eau comporte un couvercle 41 et un tube 42 de détente de pression protégé contre les poussières La pompe est raccordée Dar une première extrémité à la base du ré- servoir de stockage 40 et est raccordée par une seconde ex- trémité à l'entrée de l'enroulement d'induction 20 La pompe est utilisée pour faire circuler, comme on peut le voir sur la figure 4, l'eau distillée 21 à travers l'enroulement d'induction 20 et pour le refroidir. Dans le cas de la description ci-dessus, la puissance nécessaire pour le récipient de chauffage par induction électromagnétique refroidi par eau est comprise entre 2 et kilowatts Dans le dispositif de chauffage par induction, le courant de moyenne ou haute fréquence circule dans l'en- roulement d'induction 20 pour engendrer un champ magnétique afin de chauffer le récipient 25 En outre, la température ambiante de l'enroulement d'induction 20 est maintenue par le signal de rétroaction provenant de l'enroulement d'induc- tion 20. Dans ce mode de réalisation préféré, le tube en cuivre de l'enroulement d'induction 20 a un diamètre extérieur de 16 millimètres et un diamètre intérieur de 12,8 millimètres. Quand la pompe 50 envoie de l'eau distillée 21 à raison de 0,5 kg/cm 3, le débit de l'eau distillée est de 4 litres par minute, ce qui permet de refroidir l'enroulement d'induction 20 chauffé par une puissance de 16 kilowatts. En effet, 1584 kw (perte thermique) x 0, 24 (indice de conversion thermoélectrique) 395 calories par seconde et 395 x 60 23,7 grandes calories par minute. Si la température de l'enroulement d'induction 20 s'é- lève dans les limites de 10 'C, le volume de l'eau distillée doit être d'au moins 23700: 10: 1 ( chaleur spécifique de l'eau): 1000 (centimètres cubes) = 2,37 litres par minu- te Ainsi 4 litres par minute d'eau distillée suffisent pour refroidir l'enroulement d'induction 20. On va énumérer ci-après les différences entre la pré- sente invention et le four à énergie électronique élevée. Le four à énergie électronique élevée consomme une grande quantité d'énergie ( habituellement 100 à 1000 kw) et pré- sente une perte thermique de 35 à 350 kw; par conséquent, il faut refroidir directement l'eau chaude se trouvant dans le tube de cuivre avec un dispositif de refroidissement par air imposant (environ 10 à 200 tonnes) Toutefois, la puissance utilisée dans la présente invention est inférieure à 30 kw (puissance maximale) Dans ce mode de réalisation, une puissance de 16 kw fournie à l'enroulement d'induction 20 ne génère que 1,584 kw de perte thermique Pour comparer avec la perte thermique de 100 kw du four électronique à énergie élevée, la perte thermique du four électronique à énergie élevée est de 100: 1,584 60 fois celle dans le dispositif de la présente invention Le dispositif de la présente in- vention est par conséquent moins encombrant et plus économi- que que le four électronique à énergie élevée. De plus, on utilise de l'eau distillée 21 enfermée dans le dispositif de refroidissement cyclique pour que soient assu- rées la sécurité ainsi que la prolongation de la durée de vie utile de l'enroulement d'induction 20 grâce au fait que l'on évite une obturation du tube en cuivre par des impure- tés. Les tubes isolants courbés 22 et 24 présentent une ré- actance qui permet de réduire environ un millième de la per- te d'électricité. Si on utilise une puissance de 16 kw sous 220 volts, la perte de chaleur est inférieure à 16 kw et selon la formule p = E 2/R, c'est-à-dire 16 = 2202/R, on obtient R = 3025 (comprenant les valeurs d'impédance et de réactance élec- triques) Un fil métallique utilisé pour une mise à la ter- re est fixé à l'unité 10 de commande de puissance (non re- présentée sur les figures) Quand la perte d'électricité est supérieure à une valeur prédéterminée, l'unité 10 de commande de puissance abaisse automatiquement la puissance pour pouvoir assurer la sécurité Dans ce mode de réalisa- tion préféré, le courant a une fréquence moyenne ou une fré- quence élevée comprises entre 1000 Hz et 40 K Hz En outre, le circuit d'eau et le circuit électrique de la présente in- invention peuvent être assemblés et désassemblés pièce par pièce La présente invention non seulement permet de refroi- dir l'enroulement d'induction 20 mais également de refroidir le transistor et le redresseur (non représentés sur les figures). Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être ap- portées dans le cadre de la présente invention. 1 1 REVENDICATIONS Système de chauffage de récipient par induction électromagnétique refroidi par eau, caract-risé par le fait qu'il compreild: une unité de commande de puissance ( 10) raccordée à un enroulement d'induction ( 20), un système ( 30) de refroidis- sement cyclique par eau et un appareil d'alimentation en eau; ledit appareil d'alimentation en eau comprenant un ré- servoir de stockage ( 40) comprenant un couvercle supérieur ( 41) sur lequel est disposée une entrée pour le fluide de refroidissement, un fond, et une pompe ( 50), ladite pompe comportant une première extrémité raccordée au fond du ré- servoir de stockage ( 40) une seconde extrémité raccordée à un premier tube ( 22) en cuivre isolé courbé; le réservoir de stockage contenant au moins 4 litres du fluide de refroidis- sement; l'enroulement d'induction ( 20) étant composé d'un tube enroulé en spirale comprenant une entree raccordée au premier tube en cuivre isolé courbé et une sortie raccordée à un second tube ( 24) en cuivre isolé courbé aui est rac- cordé au système ( 30) de refroidissement cyclique par eau; le système ( 30) de refroidissement cyclique par eau comprenant un ventilateur ( 32) et un radiateur ( 3 l 1) formés d'un tube en cuivre courbé comprenant une première extrémité raccordée au second tube en cuivre isolé courbé et une se- conde extrémité raccordée au tube en cuivre qui est raccordé à l'entrée du réservoir de stockage ( 40); le ventilateur ( 32) étant disposé à l'extérieur du radiateur entre les pre- mière et seconde extrémités de ce dernier; un fil de mise à la terre avant une première extrémité raccordée à l'enrou- lement d'induction ( 20) et une seconde extrémité reliée à la terre; un courant mettant en marche la pompe ( 50) pour qu'elle fasse circuler le fluide de refroidissement dans l'enroulement d'induction et dans le radiateur ( 31), ce cou- -11 rant mettant en marche le ventilateur pour qu'il refroidisse le fluid(le dle r-efroidissemen Lt dans le radiateur. 2 Système de chauffage par induction électromagnétique refroidi à l'eau selon la revendication 1, caractérisé eni ce que le fluide de refroidissement est de l'eau distillée. 3, Système de chauffage par induction électromagnétique refroidi à l'eau selon la revendication i, caractérisé en ce que le couvercle supérieur ( 41) comporte un tube ( 42) de détente de pression protégé contre les poussières. 4 Système de chauffage par induction électromagnétique refroidi à l'eau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ventilateur ( 32) peut être remplacé par un échangeur de chaleur.