Induktionskochfeld
Beim Induktionskochen werden die Kochgefäße direkt durch Induktion erhitzt und nicht durch indirekte Strahlung, Konvektion oder Wärmeleitung. Beim Induktionskochen können hohe Leistungen und sehr schnelle Temperaturerhöhungen erzielt werden, und die Hitzeeinstellungen lassen sich sofort ändern. ⓘ
Bei einem Induktionsherd (auch "Induktionskochfeld" oder "Induktionskochfläche") wird ein Kochgefäß mit ferromagnetischem Boden auf eine hitzebeständige Glaskeramikfläche über einer Spule aus Kupferdraht gestellt, die von einem elektrischen Wechselstrom durchflossen wird. Das dadurch entstehende oszillierende Magnetfeld induziert drahtlos einen elektrischen Strom in dem Gefäß. Dieser große Wirbelstrom, der durch den Widerstand des Gefäßes fließt, führt zu einer Widerstandserwärmung. ⓘ
Bei fast allen Modellen von Induktionskochfeldern muss das Kochgefäß aus einem eisenhaltigen Metall wie Gusseisen oder einigen Edelstählen bestehen oder ein solches enthalten. Das Eisen im Topf bündelt den Strom, um Wärme im Metall zu erzeugen. Wenn das Metall zu dünn ist oder dem Stromfluss nicht genügend Widerstand entgegensetzt, ist die Erwärmung nicht effektiv. Induktionskochfelder können in der Regel keine Kupfer- oder Aluminiumgefäße erwärmen, da das Magnetfeld keinen konzentrierten Strom erzeugen kann, aber Pfannen aus Gusseisen, emailliertem Stahl, Kohlenstoffstahl und Edelstahl funktionieren normalerweise. Jedes Gefäß kann verwendet werden, wenn es auf eine geeignete Metallplatte gestellt wird, die wie eine herkömmliche Kochplatte funktioniert. ⓘ
Das Induktionskochen hat eine gute elektrische Kopplung zwischen dem Kochgeschirr und der Spule und ist daher sehr effizient, d. h. es gibt weniger Abwärme ab und lässt sich schnell ein- und ausschalten. Die Induktion hat Sicherheitsvorteile gegenüber Gasherden und gibt keine Luftverschmutzung in der Küche ab. Kochfelder sind in der Regel auch leicht zu reinigen, da die Kochfläche selbst eine glatte Oberfläche hat und nicht sehr heiß wird. ⓘ
Ein Induktionskochfeld ist ein Kochfeld, bei dem das ferromagnetische Kochgeschirr durch induktiv erzeugte Wirbelströme sowie Ummagnetisierungsverluste erwärmt wird. ⓘ
Gestaltung
Grundsätze
Ein Induktionsherd überträgt elektrische Energie durch Induktion von einer Drahtspule in einen Metallbehälter. Die Spule ist unter der Kochfläche angebracht und wird von einem hochfrequenten Wechselstrom (z. B. 24 kHz) durchflossen. Der Strom in der Spule erzeugt ein dynamisches Magnetfeld. Wenn ein geeignetes elektrisch leitendes Kochgefäß in die Nähe der Kochfläche gebracht wird, induziert das Magnetfeld große Wirbelströme im Kochgefäß. Die Spule hat viele Windungen, während der Boden des Topfes praktisch eine einzige kurzgeschlossene Windung bildet. Dadurch entsteht ein Transformator, der die Spannung verringert und den Strom erhöht. Dieser große Strom, der durch den Boden des Topfes fließt, erzeugt durch Joulesche Wärme Wärme; der heiße Topf wiederum erwärmt seinen Inhalt durch Wärmeleitung. ⓘ
Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, sollte der elektrische Widerstand in der Spule so gering wie möglich und im Topf so groß wie möglich sein, damit die meiste Wärme im Topf entwickelt wird. ⓘ
Bei den beim Induktionskochen üblichen Frequenzen (in der Größenordnung von 25 kHz bis 50 kHz) fließen die Ströme hauptsächlich an der Außenseite der Leiter (Skineffekt). Die Verringerung des Skineffekts in der Spule reduziert deren Widerstand und die in der Spule verschwendete Wärme. Daher besteht die Spule aus Litzendraht, einem Bündel vieler kleinerer isolierter Drähte, die parallel miteinander verwoben sind. Litzendraht reduziert den Skineffekt und den Spulenwiderstand, so dass die Spule kühl bleibt. ⓘ
Für das Induktionskochen wird der Boden eines geeigneten Gefäßes in der Regel aus Stahl oder Eisen hergestellt. Diese ferromagnetischen Materialien haben eine hohe magnetische Permeabilität, die die Skin-Tiefe stark verringert und den Strom in einer sehr dünnen Schicht an der Oberfläche des Metallbodens der Pfanne konzentriert. Dadurch ist der elektrische Widerstand in der Pfanne relativ hoch, so dass eine gute Effizienz bei der Erwärmung der Pfanne erreicht wird. ⓘ
Bei Nichteisenmetallen, wie z. B. Aluminium, ist die Hauttiefe in den Pfannen bei typischen Induktionskochfeldern jedoch zu groß, so dass der Wirkungsgrad bei einem Standard-Induktionsherd extrem schlecht wäre - der Heizwiderstand in der Spule und in der Pfanne wäre ähnlich. Diese Situation könnte das Kochfeld beschädigen, so dass das Kochfeld dies erkennt und die Pfanne zurückweist. ⓘ
Die Wärme, die in einem Topf erzeugt werden kann, ist eine Funktion des Oberflächenwiderstands. Ein höherer Oberflächenwiderstand erzeugt mehr Wärme bei ähnlichen Strömen. Dies ist eine "Kennzahl", die verwendet werden kann, um die Eignung eines Materials für die Induktionserwärmung zu bewerten. Der Oberflächenwiderstand in einem dicken Metallleiter ist proportional zum spezifischen Widerstand geteilt durch die Eindringtiefe. Ist die Dicke geringer als die Eindringtiefe, kann die tatsächliche Dicke zur Berechnung des Oberflächenwiderstands verwendet werden. Einige gängige Materialien sind in dieser Tabelle aufgeführt. ⓘ
| Werkstoff | Widerstandswert (10-6 Ohm-Zoll) |
Relative Permeabilität |
Hauttiefe, Zoll (mm) |
Oberflächenwiderstand, 10-3 Ohm/Quadrat (dickes Material) |
Oberflächenwiderstand, relativ zu Kupfer ⓘ |
|---|---|---|---|---|---|
| Kohlenstoffstahl 1010 | 9 | 200 | 0.004 (0.10) | 2.25 | 56.25 |
| Rostfreier Stahl 432 | 24.5 | 200 | 0.007 (0.18) | 3.5 | 87.5 |
| Rostfreier Stahl 304 | 29 | 1 | 0.112 (2.8) | 0.26 | 6.5 |
| Aluminium | 1.12 | 1 | 0.022 (0.56) | 0.051 | 1.28 |
| Kupfer | 0.68 | 1 | 0.017 (0.43) | 0.04 | 1 |
Um mit Kupfer den gleichen Oberflächenwiderstand wie mit Kohlenstoffstahl zu erreichen, müsste das Metall dünner sein, als es für ein Kochgefäß praktisch ist; bei 24 kHz müsste der Boden eines Kupfergefäßes 1/56 der Hauttiefe von Kohlenstoffstahl haben. Da sich die Hauttiefe umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Frequenz verhält, bedeutet dies, dass sehr viel höhere Frequenzen erforderlich wären, um in einem Kupfertopf die gleiche Erwärmung zu erzielen wie in einem Eisentopf bei 24 kHz. Solch hohe Frequenzen sind mit preiswerten Leistungshalbleitern nicht machbar; 1973 waren die verwendeten siliziumgesteuerten Gleichrichter auf höchstens 40 kHz begrenzt. Selbst eine dünne Kupferschicht auf dem Boden eines Stahlkochgefäßes schirmt den Stahl gegen das Magnetfeld ab und macht ihn für ein Induktionskochfeld unbrauchbar. Eine gewisse zusätzliche Wärme entsteht durch Hystereseverluste im Topf aufgrund seiner ferromagnetischen Beschaffenheit, aber das macht weniger als zehn Prozent der gesamten Wärmeentwicklung aus. ⓘ
Neue Arten von Leistungshalbleitern und verlustarme Spulenkonstruktionen haben einen Ganzmetallherd möglich gemacht, der mit jedem Metalltopf oder jeder Metallpfanne verwendet werden kann, auch wenn diese nicht für Induktion ausgelegt sind. Die Panasonic Corporation hat 2009 einen Induktionsherd für Verbraucher entwickelt, der ein höherfrequentes Magnetfeld von 60 kHz oder mehr und ein anderes Design der Oszillatorschaltung verwendet, um auch die Verwendung mit Nichteisenmetallen wie Aluminium-, Mehrschicht- und Kupfertöpfen und -pfannen zu ermöglichen. Im Jahr 2017 brachte Panasonic unter dem Markennamen "Met-All" ein "Ganzmetall"-Gerät mit einem Brenner auf den Markt, das sich an Großküchen richtet. ⓘ
Kocheigenschaften
Leistung und Kontrolle
Das Induktionskochen bietet eine schnelle Erwärmung, einen besseren thermischen Wirkungsgrad und eine gleichmäßigere Erwärmung als das Kochen durch Wärmeleitung. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Leistungsstufe, desto kürzer die Kochzeit. Die Leistungsangaben für Induktionskochfelder beziehen sich in der Regel auf die an den Topf abgegebene Leistung, während die Leistungsangaben für Gaskochfelder in Bezug auf den Gasverbrauch angegeben werden, aber Gas ist viel weniger effizient. In der Praxis ist die Heizleistung von Induktionskochfeldern in der Regel eher mit der eines kommerziellen Gasbrenners vergleichbar als mit der eines Haushaltsbrenners. ⓘ
Häufig ist ein Thermostat vorhanden, der die Temperatur der Pfanne misst. Dadurch wird verhindert, dass die Pfanne stark überhitzt wird, wenn sie versehentlich leer erhitzt oder trocken gekocht wird, aber bei einigen Modellen kann der Induktionsherd eine Zieltemperatur beibehalten. ⓘ
Sicherheit
Die Pfanne ist durch die Kochfläche isoliert, und die in der Pfanne erzeugten Spannungen sind viel zu gering, um eine Stromschlaggefahr darzustellen. ⓘ
Das Kochfeld kann durch Überwachung der abgegebenen Leistung erkennen, ob Kochgeschirr vorhanden ist. Wie bei anderen elektrischen Keramikkochfeldern kann der Hersteller eine maximale Pfannengröße vorgeben, und auch eine Mindestgröße ist angegeben. ⓘ
Das Kontrollsystem schaltet das Element ab, wenn kein Topf vorhanden oder nicht groß genug ist. Wenn eine Pfanne trocken kocht, kann sie extrem heiß werden - ein Thermostat in der Kochfläche schaltet den Strom ab, wenn er eine Überhitzung feststellt, um Herdausfälle und mögliche Brände zu vermeiden. ⓘ
Herdoberfläche
Induktionskochflächen bestehen in der Regel aus Glaskeramik mit geringer Wärmeausdehnung. Die Herdoberfläche wird nur durch den Topf erwärmt und erreicht daher in der Regel keine extrem hohe Temperatur, und die Wärmeleitfähigkeit von Glaskeramik ist schlecht, so dass sich die Hitze nicht weit verbreitet. Induktionsherde sind leicht zu reinigen, da die Kochfläche flach und glatt ist und in der Regel nicht so heiß wird, dass verschüttete Lebensmittel verbrennen und anhaften. ⓘ
Die Oberfläche ist spröde und kann durch ausreichende Stöße beschädigt werden, obwohl sie den Mindestanforderungen an die Produktsicherheit in Bezug auf Stöße entsprechen müssen. Alufolie kann auf der Oberseite schmelzen und zu dauerhaften Schäden oder Rissen in der Oberseite führen. Die Oberfläche kann zerkratzt werden, wenn Pfannen über die Kochfläche gleiten. ⓘ
Lärm
Einige Geräusche werden von einem internen Kühlgebläse erzeugt. Auch elektromagnetisch induzierte akustische Geräusche (ein hochfrequentes Brummen oder Summen) können von Kochgeschirr erzeugt werden, insbesondere bei hoher Leistung, wenn das Kochgeschirr lose Teile hat oder wenn die verschiedenen Schichten des Topfes nicht gut miteinander verbunden sind; bei Kochgeschirr mit eingeschweißten Verkleidungsschichten und soliden Nieten ist es weniger wahrscheinlich, dass diese Art von Geräuschen entsteht. Manche Benutzer sind eher in der Lage, dieses hochfrequente Heulen zu hören (oder reagieren empfindlicher darauf). ⓘ
Andere Überlegungen
Einige Kochtechniken, die beim Kochen über einer Flamme möglich sind, sind nicht anwendbar. Personen mit implantierten Herzschrittmachern oder anderen elektronischen medizinischen Implantaten werden in der Regel angewiesen, Magnetfeldquellen zu meiden; die medizinische Fachliteratur scheint darauf hinzudeuten, dass die Nähe zu Induktionskochfeldern unbedenklich ist, aber Personen mit solchen Implantaten sollten sich immer zuerst bei ihrem Kardiologen informieren. Funkempfänger in der Nähe des Induktionskochfelds können elektromagnetische Störungen aufnehmen. ⓘ
Da das Kochfeld im Vergleich zu einer Gas- oder Elektrospulen-Kochfläche flach ist, kann der Zugang für Rollstuhlfahrer verbessert werden; die Beine des Benutzers können unterhalb der Thekenhöhe liegen und die Arme des Benutzers können über die Oberseite reichen. ⓘ
Effizienz
Die ACEEE-Sommerstudie 2014 über Energieeffizienz in Gebäuden kam zu dem Schluss, dass "Induktionskochen nicht immer die effizienteste Kochmethode ist. Bei einem Test mit einem großen Kochtopf war die Effizienz der konventionellen elektrischen Technologie höher (83 %) als die des Induktionskochens (77 %). Dennoch ist die Effizienz herkömmlicher Kochgeräte hängt jedoch stark von der Größe des Kochgefäßes ab. Kochgefäßes ab." Bei Kochmethoden, die mit Flammen oder heißen Heizelementen arbeiten, ist der Verlust an die Umgebung wesentlich höher; bei der Induktionserwärmung wird der Topf direkt erhitzt. Da durch den Induktionseffekt die Luft um den Topf herum nicht direkt erwärmt wird, führt das Induktionskochen zu einer weiteren Energieeinsparung. Durch die Elektronik unter der Oberfläche wird Kühlluft geblasen, die aber nur leicht warm ist. ⓘ
Der Zweck eines Kochfeldes ist die Zubereitung von Speisen, z. B. kann ein langes Garen erforderlich sein. Ein vernünftiges Maß für die Effizienz wäre der Vergleich der tatsächlichen Energiezufuhr zum Kochfeld mit einem theoretischen Wert, der für die Zubereitung der angegebenen Speisen erforderlich ist. Da Experimente zur Durchführung dieser Messungen nur schwer zu wiederholen sind, konzentrieren sich die veröffentlichten Messungen der Energieeffizienz auf die Fähigkeit eines Kochfeldes, Energie auf einen Metallprüfkörper zu übertragen, was viel einfacher und wiederholbar zu messen ist. ⓘ
Die vom US-Energieministerium (DOE) definierte Energieübertragungseffizienz ist der Prozentsatz der von einem Kochfeld verbrauchten Energie, der am Ende eines simulierten Kochzyklus als Wärme an einen standardisierten Aluminium-Testblock übertragen worden zu sein scheint. ⓘ
Der DOE-Testzyklus beginnt damit, dass sowohl der Block als auch das Kochfeld Raumtemperatur haben: 77 °F ± 9 °F (25 °C ± 5 °C). Das Kochfeld wird dann auf maximale Heizleistung geschaltet. Wenn die Temperatur des Prüfblocks +80 °C (144 °F) über der anfänglichen Raumtemperatur liegt, wird die Leistung des Kochfelds sofort auf 25 % ± 5 % der maximalen Leistung reduziert. Nach 15 Minuten Betrieb bei dieser niedrigeren Leistungseinstellung wird das Kochfeld ausgeschaltet und die Wärmeenergie im Prüfblock gemessen. Der Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen der Energie im Block und der zugeführten (elektrischen) Energie. ⓘ
Ein solcher Test mit einer Kombination aus zwei verschiedenen Leistungsstufen wurde konzipiert, um den realen Gebrauch zu simulieren. Vergeudete Energie, wie z. B. ungenutzte Restwärme (die am Ende des Tests von festen Kochplatten, Keramik oder Spulen zurückgehalten wird) sowie Konvektions- und Strahlungsverluste durch heiße Oberflächen (einschließlich derjenigen des Blocks selbst) werden einfach außer Acht gelassen und tragen nicht zur Effizienz bei. ⓘ
Beim typischen Kochen wird die vom Herd gelieferte Energie nur zum Teil dazu verwendet, die Speisen auf Temperatur zu bringen; sobald dies geschehen ist, wird die gesamte anschließend zugeführte Energie als Verlust durch Dampf oder Konvektion und Strahlung von den Pfannenrändern an die Luft abgegeben. Da die Temperatur der Speisen nicht ansteigt, würde der Wirkungsgrad nach dem DOE-Testverfahren im Wesentlichen als Null angesehen. Kochvorgänge wie das Reduzieren einer Sauce, das Schmoren von Fleisch, das Simmern usw. sind wichtige Verwendungszwecke eines Herdes, aber die Effizienz dieser Verfahren wird durch das DOE-Testverfahren nicht modelliert. ⓘ
In den Jahren 2013 und 2014 hat das DOE neue Testverfahren für Kochgeräte entwickelt und vorgeschlagen, um einen direkten Vergleich der Energieübertragungseffizienz von Induktions-, Widerstandsheizungs- und Gaskochfeldern und -herden zu ermöglichen. Bei den Verfahren wird ein neuer hybrider Testblock aus Aluminium und Edelstahl verwendet, der für Tests an Induktionsherden geeignet ist. In der vorgeschlagenen Regelung sind die Ergebnisse realer Labortests aufgeführt, die mit dem Hybridblock durchgeführt wurden. Für vergleichbare (große) Kochelemente wurden die folgenden Wirkungsgrade mit einer Wiederholbarkeit von ±0,5 % gemessen: 70,7 % - 73,6 % für Induktion, 71,9 % für Elektrospulen, 43,9 % für Gas. Das DOE fasst die Ergebnisse mehrerer Tests zusammen und stellt fest, dass "Induktionsgeräte einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 72,2 % haben, der nicht wesentlich höher ist als der 69,9 %ige Wirkungsgrad von Geräten mit glattem elektrischen Widerstand oder der 71,2 %ige Wirkungsgrad von Geräten mit elektrischer Spule". Darüber hinaus erinnert das DOE daran, dass der in früheren technischen Unterstützungsdokumenten genannte Wirkungsgrad von 84 % bei Induktionsanlagen nicht von den DOE-Laboratorien gemessen wurde, sondern lediglich "auf eine externe Teststudie" aus dem Jahr 1992 verweist. ⓘ
Außerdem scheinen unabhängige Tests, die von Herstellern, Forschungslabors und anderen Personen durchgeführt wurden, zu zeigen, dass der tatsächliche Wirkungsgrad beim Induktionskochen in der Regel zwischen 74 % und 77 % liegt und gelegentlich 81 % erreicht (obwohl diese Tests nach anderen Verfahren als denen des DOE durchgeführt werden könnten). Diese Anhaltspunkte deuten darauf hin, dass der Referenzwert von 84 % für den durchschnittlichen Wirkungsgrad beim Induktionskochen mit Vorsicht zu genießen ist. ⓘ
Nur zum Vergleich und in Übereinstimmung mit den DOE-Ergebnissen hat das Kochen mit Gas eine durchschnittliche Energieeffizienz von etwa 40 %. Sie kann nur durch die Verwendung spezieller Töpfe mit Rippen erhöht werden, deren erste Entwicklung und Vermarktung Jahre zurückliegt, die aber vor kurzem wiederentdeckt, neu konzipiert und wieder auf den Markt gebracht wurden. Aus Gründen der Umweltverträglichkeit wird bei der Gegenüberstellung von Induktion und Gas ein Wirkungsgrad von 40 % für Gas angesetzt. ⓘ
Beim Vergleich mit Gas wirken sich die relativen Kosten für elektrische und gasförmige Energie sowie die Effizienz des Stromerzeugungsprozesses sowohl auf die Umwelteffizienz insgesamt (wie weiter unten näher erläutert) als auch auf die Kosten für den Nutzer aus. ⓘ
Belüftung der Küche
Die Energie, die beim Kochen mit Gas verloren geht, heizt die Küche auf, während die Verluste beim Kochen mit Induktion viel geringer sind. Dies führt zu einer geringeren Erwärmung der Küche selbst und kann sich auf den Umfang der erforderlichen Belüftung auswirken. Außerdem sind Gasherde eine bedeutende Quelle der Luftverschmutzung in Innenräumen und erfordern eine gute Belüftung. ⓘ
Der Wirkungsgrad von Gasherden kann niedriger sein, wenn die Abwärme berücksichtigt wird. Insbesondere in Restaurants kann das Kochen mit Gas die Umgebungstemperatur in bestimmten Bereichen erheblich erhöhen. Es kann nicht nur eine zusätzliche Kühlung erforderlich sein, sondern auch eine zonierte Belüftung, um heiße Bereiche angemessen zu klimatisieren, ohne andere Bereiche zu unterkühlen. Die Kosten müssen aufgrund zahlreicher Variablen in Bezug auf Temperaturunterschiede, Raumaufteilung oder Offenheit und Zeitplan für die Wärmeerzeugung im Einzelfall betrachtet werden. Induktionskochen mit Netzstrom kann die Effizienz von Gaskochern übertreffen, wenn die Abwärme und der Luftkomfort berücksichtigt werden. ⓘ
In einem kommerziellen Umfeld benötigen Induktionskochherde keine Sicherheitsverriegelungen zwischen der Brennstoffquelle und der Belüftung, wie sie bei Gassystemen erforderlich sein können. ⓘ
Anwendungen
Induktionsgeräte können als Einbaugeräte, als Teil eines Herdes oder als freistehende Geräte eingesetzt werden. Einbaugeräte und Herdplatten haben in der Regel mehrere Elemente, die den separaten Brennern eines gasbetriebenen Herdes entsprechen. Freistehende Induktionsmodule bestehen in der Regel aus einem Element, manchmal auch aus zwei Elementen. Alle diese Elemente haben eine gemeinsame Grundkonstruktion: einen Elektromagneten, der unter einer hitzebeständigen Glaskeramikplatte versiegelt ist, die leicht zu reinigen ist. Der Topf wird auf die Glaskeramikoberfläche gestellt und beginnt, sich mitsamt seinem Inhalt zu erhitzen. ⓘ
In Japan werden einige Modelle von Reiskochern durch Induktion betrieben. In Hongkong bieten die Stromversorger eine Reihe von Modellen an. Asiatische Hersteller sind führend bei der Herstellung preiswerter Geräte mit nur einer Induktionszone; effiziente Geräte mit geringem Wärmeverlust sind in dicht besiedelten Städten mit wenig Wohnraum pro Familie, wie es in vielen asiatischen Städten der Fall ist, von Vorteil. In anderen Teilen der Welt werden Induktionsherde weniger häufig verwendet. ⓘ
Induktionsherde können in gewerblichen Restaurantküchen eingesetzt werden. Beim elektrischen Kochen entfallen die Kosten für Erdgasleitungen, und in einigen Ländern können einfachere Belüftungs- und Feuerlöschanlagen installiert werden. Zu den Nachteilen für die gewerbliche Nutzung gehören mögliche Brüche der Glasplatte, höhere Anschaffungskosten und die Notwendigkeit von magnetischem Kochgeschirr. ⓘ
Steuerungen
Die ferromagnetischen Eigenschaften eines Stahlbehälters konzentrieren den induzierten Strom in einer dünnen Schicht nahe der Oberfläche, was zu einer starken Erwärmung führt. In paramagnetischen Materialien wie Aluminium dringt das Magnetfeld tiefer ein, und der induzierte Strom stößt im Metall auf wenig Widerstand. Nach der Lenz'schen Regel kann die Wirksamkeit der Induktion im Topf erfasst werden, so dass die Induktion mit speziellen elektronischen Geräten entsprechend erreicht werden kann. Es gibt mindestens einen Hochfrequenz-Ganzmetallkocher, der mit geringerem Wirkungsgrad auf nicht-ferromagnetischem Metallkochgeschirr arbeitet. ⓘ
Die Kochfläche besteht aus einem glaskeramischen Material, das ein schlechter Wärmeleiter ist, so dass nur wenig Wärme über den Topfboden verloren geht. Im Normalbetrieb bleibt die Kochfläche deutlich kühler als bei anderen Herdmethoden, muss aber dennoch abkühlen, bevor sie gefahrlos berührt werden kann. ⓘ
Die Geräte können eine, zwei, drei, vier oder fünf Induktionszonen haben, wobei vier (normalerweise in einem 30-Zoll-Gerät) in den USA und Europa die gängigste Konfiguration ist. In Hongkong sind zwei Spulen üblich, in Japan sind es drei. Einige haben berührungsempfindliche Bedienelemente. Einige Induktionsherde verfügen über eine Speichereinstellung, eine pro Element, um die Dauer der Wärmezufuhr zu steuern. Mindestens ein Hersteller bietet ein "zonenloses" Induktionskochfeld mit mehreren Induktionsspulen an. Auf diese Weise können bis zu fünf Kochutensilien gleichzeitig auf der gesamten Kochfläche verwendet werden, nicht nur auf den vordefinierten Zonen. ⓘ
Kleine, eigenständige, tragbare Induktionskochgeräte sind relativ preiswert und kosten auf einigen Märkten ab etwa 20 US-Dollar. ⓘ
Kochgeschirr
Das Kochgeschirr muss für die Induktionserwärmung geeignet sein; bei den meisten Modellen können nur Eisenmetalle erhitzt werden. Das Kochgeschirr sollte einen flachen Boden haben, da das Magnetfeld mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche schnell abnimmt. (Für Woks mit rundem Boden gibt es spezielle und teure Wok-Aufsätze). Induktionsscheiben sind Metallplatten, die durch Induktion erhitzt werden und Nichteisentöpfe durch Wärmekontakt erwärmen, aber diese sind viel weniger effizient als eisenhaltige Kochgefäße. ⓘ
Induktionsfähiges Kochgeschirr für eine Induktionskochfläche kann fast immer auch auf anderen Herden verwendet werden. Einige Kochgeschirre oder Verpackungen sind mit Symbolen gekennzeichnet, die auf die Kompatibilität mit Induktion, Gas oder Elektroherden hinweisen. Induktionskochflächen eignen sich für alle Pfannen mit einem hohen Eisenmetallanteil im Boden. Gusseisenpfannen und alle Pfannen aus schwarzem Metall oder Eisen funktionieren auf Induktionskochfeldern. Pfannen aus rostfreiem Stahl eignen sich für Induktionskochfelder, wenn der Boden der Pfanne aus magnetischem rostfreiem Stahl besteht. Wenn ein Magnet gut an der Sohle der Pfanne haftet, funktioniert sie auf einem Induktionskochfeld. Ein "Ganzmetall"-Herd funktioniert auch mit nicht eisenhaltigem Kochgeschirr, aber die Auswahl an Modellen ist begrenzt. ⓘ
Aluminium oder Kupfer allein funktioniert auf anderen Induktionskochfeldern aufgrund der magnetischen und elektrischen Eigenschaften der Materialien nicht. Aluminium- und Kupferkochgeschirr ist leitfähiger als Stahl, aber die Hauttiefe ist bei diesen Materialien größer, da sie nicht magnetisch sind. Der Strom fließt in einer dickeren Schicht im Metall, stößt auf weniger Widerstand und erzeugt daher weniger Wärme. Gewöhnliche Induktionsherde können mit solchen Töpfen nicht effizient arbeiten. Aluminium und Kupfer sind jedoch bei Kochgeschirr erwünscht, da sie die Wärme besser leiten. Aus diesem Grund haben "dreilagige" Pfannen oft eine induktionstaugliche Haut aus rostfreiem Stahl mit einer Schicht aus wärmeleitendem Aluminium. ⓘ
Zum Braten wird eine Pfanne mit einem gut wärmeleitenden Boden benötigt, um die Hitze schnell und gleichmäßig zu verteilen. Der Boden der Pfanne besteht entweder aus einer Stahlplatte, die in das Aluminium gedrückt wird, oder aus einer Schicht aus rostfreiem Stahl über dem Aluminium. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumpfannen sorgt für eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in der Pfanne. Rostfreie Bratpfannen mit einem Aluminiumboden haben an den Seiten nicht die gleiche Temperatur wie eine Pfanne mit Aluminiumboden. Bratpfannen aus Gusseisen eignen sich gut für Induktionskochflächen, aber das Material ist kein so guter Wärmeleiter wie Aluminium. ⓘ
Beim Kochen von Wasser verteilt das zirkulierende Wasser die Hitze und verhindert heiße Stellen. Bei Produkten wie Soßen ist es wichtig, dass zumindest der Boden der Pfanne aus einem gut wärmeleitenden Material besteht, um die Hitze gleichmäßig zu verteilen. Für empfindliche Produkte wie z. B. dicke Soßen ist eine Pfanne mit durchgehendem Aluminium besser geeignet, da die Hitze durch das Aluminium an den Seiten nach oben fließt und der Koch die Soße schnell, aber gleichmäßig erhitzen kann. ⓘ
Geschichte
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Die ersten Patente stammen aus den frühen 1900er Jahren. Mitte der 1950er Jahre wurden von der Frigidaire-Abteilung von General Motors auf einer GM-Wanderausstellung in Nordamerika Vorführherde gezeigt. Der Induktionsherd wurde gezeigt, wie er einen Topf mit Wasser erhitzt, wobei eine Zeitung zwischen Herd und Topf gelegt wurde, um die Bequemlichkeit und Sicherheit zu demonstrieren. Dieses Gerät wurde jedoch nie in die Produktion aufgenommen. ⓘ
Die moderne Umsetzung in den USA stammt aus den frühen 1970er Jahren und wurde im Forschungs- und Entwicklungszentrum der Westinghouse Electric Corporation in Churchill Borough in der Nähe von Pittsburgh entwickelt. Diese Arbeit wurde erstmals 1971 auf dem Kongress der National Association of Home Builders in Houston, Texas, als Teil der Ausstellung der Westinghouse Consumer Products Division der Öffentlichkeit vorgestellt. Der freistehende Herd mit einem Brenner wurde Cool Top Induction Range genannt. Zur Steuerung des 25-kHz-Stroms wurden parallel geschaltete Transistoren von Delco Electronics verwendet, die für elektronische Zündsysteme in Kraftfahrzeugen entwickelt wurden. ⓘ
Westinghouse beschloss, einige hundert Geräte zu produzieren, um den Markt zu erschließen. Diese wurden Cool Top 2 (CT2) Induktionsherde genannt. Die Entwicklungsarbeit wurde am selben Forschungs- und Entwicklungsstandort von einem Team unter der Leitung von Bill Moreland und Terry Malarkey durchgeführt. Die Herde kosteten 1.500 Dollar (8.260 Dollar im Jahr 2017) und enthielten ein hochwertiges Kochgeschirr aus Quadraply, einem neuen Laminat aus Edelstahl, Kohlenstoffstahl, Aluminium und einer weiteren Schicht aus Edelstahl (von außen nach innen). ⓘ
Die Produktion lief von 1973 bis 1975 und wurde zufällig mit dem Verkauf der Westinghouse Consumer Products Division an White Consolidated Industries Inc. eingestellt. ⓘ
CT2 hatte vier "Brenner" mit jeweils etwa 1.600 Watt, gemessen durch Kalorimetrie. Die Herdplatte bestand aus einer Pyroceram-Keramikplatte, die von einer Edelstahlblende umgeben war, auf der vier magnetische Schieberegler vier entsprechende Potentiometer einstellten, die darunter lagen. Diese Konstruktion ohne Durchgangslöcher machte den Bereich unempfindlich gegen Verschüttungen. Der Elektronikteil bestand aus vier identischen Modulen, die von einem einzigen leisen, langsam laufenden Lüfter mit hohem Drehmoment gekühlt wurden. ⓘ
In jedem der Elektronikmodule wurde die 240-V/60-Hz-Haushaltsstromversorgung durch einen phasengesteuerten Gleichrichter in eine stufenlos regelbare Gleichspannung zwischen 20 und 200 V umgewandelt. Dieser Gleichstrom wurde wiederum durch zwei Reihen von sechs parallel geschalteten Motorola-Automobilzündungstransistoren in einer Halbbrückenkonfiguration in 27 kHz 30 A (Spitze) Wechselstrom umgewandelt, der einen in Reihe geschalteten LC-Oszillator antreibt, dessen Induktionskomponente die Induktionsheizspule und deren Last, die Kochpfanne, war. Die Schaltung, die größtenteils von Ray Mackenzie entworfen wurde, bewältigte erfolgreich einige lästige Überlastungsprobleme. ⓘ
Die Steuerelektronik umfasste Funktionen wie den Schutz vor überhitzten Kochtöpfen und Überlastungen. Es wurden Vorkehrungen getroffen, um abgestrahlte elektrische und magnetische Felder zu reduzieren. Außerdem gab es eine Magnetpfannenerkennung. ⓘ
CT2 war UL-gelistet und erhielt die Zulassung der Federal Communications Commission (FCC) - beides eine Premiere. Außerdem wurden zahlreiche Patente erteilt. CT2 wurde mehrfach ausgezeichnet, u. a. mit dem IR-100 Award 1972 des Industrial Research Magazine für das beste Produkt und mit einer Ehrung der United States Steel Association. Raymond Baxter führte den CT2 in der BBC-Serie Tomorrow's World vor. Er zeigte, wie der CT2 durch eine Eisplatte hindurch kochen konnte. ⓘ
Sears Kenmore verkaufte Mitte der 1980er Jahre einen freistehenden Backofen/Herd mit vier Induktionskochflächen (Modellnummer 103.9647910). Das Gerät verfügte außerdem über einen selbstreinigenden Backofen, einen elektronischen Küchentimer und kapazitive Bedientasten (für die damalige Zeit fortschrittlich). Die Geräte waren teurer als herkömmliche Kochflächen. ⓘ
Im Jahr 2009 entwickelte Panasonic einen Ganzmetall-Induktionsherd, der mit Frequenzen von bis zu 120 kHz arbeitet, drei- bis fünfmal höher als andere Kochfelder, und mit Buntmetall-Kochgeschirr funktioniert. ⓘ
Heute werden in Europa die meisten Induktionsherde in Frankreich verkauft. Im Jahr 2017 hatten sie einen Marktanteil von 55,8 % von allen neu verkauften Küchenherden. ⓘ
Anbieter
Der Markt für Induktionsherde wird von deutschen Herstellern beherrscht. ⓘ
Tragbare Kochfelder mit einem Ring sind im Vereinigten Königreich sehr beliebt und werden von Discountern zu Preisen ab £ 30 angeboten. ⓘ
Der europäische Markt für Induktionskochgeräte für Hotels, Restaurants und andere Caterer wird in erster Linie von kleineren, spezialisierten Herstellern von Induktionskochgeräten für die Gastronomie bedient. ⓘ
In Ostasien dominieren taiwanesische und japanische Elektronikunternehmen den Markt für Induktionskochgeräte. Nach aggressiven Werbemaßnahmen der Versorgungsunternehmen in Hongkong sind viele lokale Marken entstanden. Ihre Leistung und Nennwerte sind hoch, mehr als 2 800 Watt. Einige dieser Unternehmen haben auch mit der Vermarktung im Westen begonnen. Allerdings ist die Produktpalette, die auf den westlichen Märkten verkauft wird, eine Untermenge derjenigen auf dem heimischen Markt; einige japanische Elektronikhersteller verkaufen nur auf dem heimischen Markt. ⓘ
In den Vereinigten Staaten sind seit Anfang 2013 mehr als fünf Dutzend Marken von Induktionskochgeräten erhältlich, darunter sowohl Einbaugeräte für Privathaushalte als auch Geräte für den gewerblichen Gebrauch, die auf der Arbeitsplatte stehen. Selbst wenn man sich auf Einbaugeräte für Privathaushalte beschränkt, werden mehr als zwei Dutzend Marken verkauft; bei Geräten für den Einbau in Arbeitsplatten kommen noch einmal mehr als zwei Dutzend Marken hinzu. ⓘ
Die National Association of Home Builders schätzte 2012, dass in den Vereinigten Staaten nur 4 % der Verkäufe auf Induktionskochfelder entfielen, verglichen mit Gas- und anderen Elektrokochfeldern. Der weltweite Markt für Induktionskochfelder wurde 2015 auf einen Wert von 9,16 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2022 auf 13,53 Milliarden US-Dollar anwachsen. ⓘ
Im April 2010 berichtete die New York Times, dass in einer unabhängigen Umfrage [im Jahr 2009] des Marktforschungsunternehmens Mintel unter 2.000 Internetnutzern, die Haushaltsgeräte besitzen, nur 5 Prozent der Befragten angaben, einen Induktionsherd oder ein Induktionskochfeld zu besitzen. Dennoch gaben 22 Prozent der von Mintel im Zusammenhang mit der Studie [2009] befragten Personen an, dass ihr nächster Herd oder ihr nächstes Kochfeld ein Induktionsherd sein würde." ⓘ
Aufbau
Sichtbar ist die große Kupferspule, darunter die Elektronik; rechts oben: Netzfilter; unten rechts: Ventilator zur Kühlung; links unten: blaue Kondensatoren des Resonanzkreises; unten, unter dem Aluminium-Kühlkörper: Leistungstransistor; links oben: Hilfsspannungsversorgung; weißer Knopf in der Mitte: Temperatursensor ⓘ
Eine große, flache, einlagige Spule aus Hochfrequenzlitze erzeugt das hochfrequente magnetische Wechselfeld unter der Kochfläche. Sie bildet mit Kondensatoren einen Schwingkreis, der von einem oder mehreren Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Schalttransistoren) in Resonanz versetzt wird (Resonanzwandler oder Royer-Konverter). ⓘ
Für die Leistungssteuerung gibt es verschiedene Schaltungskonzepte:
- Die Transistorschalter werden aus einem regelbaren Gleichspannungszwischenkreis gespeist. Die Gleichspannung wird über steuerbare Halbleiterdioden (Thyristoren) aus der Netzwechselspannung gewonnen.
- die Anregungsfrequenz wird variiert – wenn sie außerhalb der Resonanz liegt, sinken Spulenstrom und Leistung
- Es wird eine Pulsweitensteuerung angewendet, die die volle Leistung ein- und ausschaltet (Frequenz etwa 0,5 Hz). Das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltzeit bestimmt die Heizleistung. ⓘ
Elektromagnetische Umweltverträglichkeit (EMUV)
Das Bundesamt für Gesundheit der Schweiz ließ 2006/07 Induktionskochherde auf Einhaltung der ICNIRP-Referenzwerte für die Magnetfeldexposition untersuchen. Grundlage der Festlegung der Referenzwerte der äußeren Felder sind Basisgrenzwerte für Feldstärken im Körperinneren, bei denen in der wissenschaftlichen Literatur ein Auftreten gesicherter gesundheitlicher Beeinträchtigungen veröffentlicht ist. Aus der niedrigsten inneren Feldgröße, bei der für den jeweiligen Frequenzbereich ein solches Auftreten beschrieben ist, werden unter der Voraussetzung der maximalen Kopplung des äußeren Feldes zur exponierten Person die Referenzwerte der äußeren Felder, hier der magnetischen Flussdichte, abgeleitet. Dabei fließt zusätzlich ein Sicherheitsfaktor ein, der auch die Datenqualität und individuelle Unterschiede der Empfindlichkeit berücksichtigt. Auch im ungünstigsten Fall kann der Referenzwert damit nicht zu einer Überschreitung des Basisgrenzwertes führen. Bei den in Induktionskochgeräten zur Anwendung kommenden Frequenzen ist eine im menschlichen Körper verursachte neuronale Erregung (Kribbeln, Muskelzucken und ähnliches) ausschlaggebend. Die ICNIRP-Richtlinien von 1998 ermittelten aus den bis dahin veröffentlichten Untersuchungen mit einem Sicherheitsfaktor von 50 einen Referenzwert der magnetischen Flussdichte von 6,25 µT. Die Richtlinien von 2010 konnten aufgrund der durch zwischenzeitliche Veröffentlichungen verbesserten Datenlage den Sicherheitsfaktor auf 10 reduzieren und legten den Referenzwert damit auf 27 µT fest. ⓘ
Die geprüften Geräte hielten bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in 30 Zentimeter horizontaler Entfernung vom Gerät, entsprechend der geltenden Messvorschriften, den Referenzwert von 6,25 µT der zu diesem Zeitpunkt geltenden ICNIRP-Richtlinien ein. Bei realistischen geringeren horizontalen Abständen wurde dieser Wert teilweise überschritten, im Abstand von 1 Zentimeter vor dem Gerät erreichte er maximal 10 µT, seitlich und hinten bis zu 26 µT. Infolgedessen empfehlen das Schweizer Bundesamt für Gesundheit und das deutsche Bundesamt für Strahlenschutz einen Mindestabstand von 5 bis 10 cm zur Vorderkante des Herdes. ⓘ
Oberhalb des Kochfeldes unmittelbar neben dem Kochgeschirr waren deutlich höhere Flussdichten bis 84 µT messbar. Bei nicht bestimmungsgemäßem Gebrauch durch Verwendung zu kleiner Kochgeschirre oder durch nicht auf die Kochzone zentrierte Positionierung, wodurch die Kochzone nicht vollständig abgedeckt wird, oder durch Verwendung von Kochgeschirren mit unebenem Boden oder solchen, die nicht ferromagnetisch sind, entstehen darüber hinaus noch stärkere Streufelder. Da den Referenzwerten die Annahme einer maximalen Kopplung, das heisst maximaler exponierter Körperquerschnitte, zugrunde liegt, was hier nicht gegeben ist, sind dennoch die Basisgrenzwerte nicht zwangsläufig überschritten. Um diese Frage zu klären, wurde Ende 2011 im Auftrag des Schweizer Bundesamts für Gesundheit eine weitere Studie zu den Wirkungen im menschlichen Körper durchgeführt. ⓘ
Durch die magnetischen Wechselfelder können im Prinzip Herzschrittmacher in ihrer Funktion beeinflusst werden. Auch wenn moderne Geräte gegen solche Störbeeinflussung geschützt sind, wird von den Herstellern empfohlen, mit einem Herzschrittmacher einen Mindestabstand von 40 cm von einem Induktionskochfeld einzuhalten. ⓘ
Die Induktionsspule und die Pfanne darauf bilden einen elektrischen Kondensator. Bei eingeschalteter Induktionsspule wird die Pfanne elektrisch geringfügig auf- und fortlaufend umgeladen. Wird die Pfanne berührt, kann ein geringer Ableitstrom durch den Körper fließen. Um solche Ableitströme während des Kochens zu vermeiden, empfiehlt das schweizerische Bundesamt für Gesundheit die Verwendung nichtmetallischer Kochutensilien. Moderne Induktoren werden gegen solche Ströme abgeschirmt. Dabei wird eine Graphitschicht auf das Deckblatt des Induktors aufgetragen. Diese Graphitschicht ist wiederum mit dem Erdanschluss verbunden. Bei älteren Induktoren kann es in dem Kochgeschirr zu Spannungen von über 200 V kommen. Das wird von Menschen an empfindlichen Stellen wie zum Beispiel Handrücken (Blutadern) als leichtes bis mittelstarkes Kribbeln empfunden. Nach der oben genannten Erdung darf die Spannung nicht höher als 30 V liegen. ⓘ
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
Störemission: ⓘ
Induktions-Kochfelder arbeiten im unteren Langwellenbereich und emittieren elektromagnetische Wellen bei diesen Frequenzen. Die Arbeitsfrequenz liegt jedoch unterhalb ziviler Langwellensender (kleiner 100 kHz) und auch unterhalb der vereinbarten unteren Messgrenze zur Prüfung der Elektromagnetischen Störaussendung (150 kHz). ⓘ
Jedoch kann es zu Wechselwirkung mit Funkuhren kommen, da diese in Deutschland auf der Frequenz 77,5 kHz arbeiten. Während der Synchronisation mit dem DCF77-Sender wäre diese Kommunikation möglicherweise gestört. Nach Abschalten des Kochfeldes sollte diese Störung aber nicht mehr bestehen. ⓘ
Weitere Störungen bei höheren Frequenzen werden durch die Leistungshalbleiter (IGBT, Thyristoren) erzeugt; sie müssen hinsichtlich Netzrückwirkung (leitungsgebundene Störungen) und Abstrahlung so gering wie auch bei anderen Elektrogeräten sein und sind durch das CE-Zeichen vom Hersteller zugesichert. ⓘ
Bei Unterschreitung des Mindestabstandes zu einer Induktionskochplatte kann bei elektronischen Schaltungen eine allgemeine Funktionsstörung oder sogar dauerhafte Beschädigung – z. B. bei RFID-Transpondern – nicht ausgeschlossen werden. ⓘ
Störimmunität: ⓘ
Induktionsherde enthalten komplexe elektronische Baugruppen und sind daher potentiell empfindlicher gegenüber transienten Überspannungen im Stromnetz als andere Elektroherde. Der Schutz der Elektronik durch geeignete Maßnahmen ist Aufgabe des Konstrukteurs und ebenfalls durch das CE-Zeichen zuzusichern. ⓘ
Marktentwicklung
| Jahr | Anteil ⓘ |
|---|---|
| 2004 | 12 % |
| 2005 | 14 % |
| 2006 | 18 % |
| 2007 | 23 % |
| 2008 | 28 % |
| 2009 | 30 % |
| 2010 | 34 % |