Grundlagen der Spezial-Mikrowellenheizungen: 2.45GHz bis in den zweistelligen kW-Bereich

Elektrische Heizungen können in einer größeren Anzahl von Technologien realisiert werden. Als einfachste Technologie gilt die Heizplatte. Kaum komplexer ist ein Umluftsystem. Merklich komplexer ist hingegen schon das induktive Heizen. Die komplexeste Form ist die Mikrowellenheizung. Jedoch sind die Kosten nicht viel höher als bei anderen Systemen. Weiterhin bietet die Mikrowellentechnik viele Vorteile, die bereits durch den tägliche Umgang in der Küche bekannt sein sollten. Herausstechend ist insbesondere die sehr schnelle Erwärmung und der gute Wirkungsgrad. Mittels Mikrowellenenergie lassen sich Erwärmungen in sehr kurzer Zeit und mit recht großer Effizienz (60-80%) durchführen.

Es gibt zwei Phänomene, die für die Erwärmung verantwortlich sein können:

  1. Dielektrische Erwärmung

Alle nichtleitenden und auch schwach leitenden Materialien (fest, flüssig und auch gasförmig) weisen mehr oder minder große dielektrische Verluste auf. Diese Verluste lassen sich in der Praxis mittels eines Mikrowellenofens unmittelbar quantitativ abschätzen. Fig. 1 illustriert, dass ein entsprechendes dielektrisches Material relativ gleichmäßig erwärmt wird. Oft ist nur der äußere Bereich etwas stärker gekühlt.

Fig. 1: Darstellung der Wärmeverteilung bei der dielektrischen Erwärmung
  1. Erwärmung durch Oberflächenströme

In sehr gut leitende Materialien erzeugen Mikrowellen nur an der Oberfläche Ströme. Typisch dringen die Ströme nur um einige Mikrometer ins Material ein. Durch die Rauhigkeit der Oberfläche und die geringe Eindringtiefe sind die ohmsche Verluste sehr hoch und entsprechend schnell wird die Oberfläche erwärmt. Fig. 2 zeigt wie ein metallisches Material erwärmt wird. Der Erwärmung des inneren Bereiches erfolgt verzögert durch die gute Wärmeleitfähigkeit.

Fig. 2: Darstellung der Wärmeverteilung bei der Erwärmung von Metall

Mikrowellenöfen, die eine große Kammer aufweisen, in der eine Antenne die Energie einkoppelt, sind seit vielen Jahren etabliert. Die Heuermann HF-Technik GmbH hat in den letzten Jahren spezielle Mikrowellenheizungen entwickelt. Diese erlauben die Mikrowellenenergie in einem sehr kleinen Volumen zu konzentrieren. Die Energiedichten übertreffen die Energiedichten von Mikrowellenöfen um Größenordnungen, Fig. 3. Zwischen den beiden (braun dargestellten) Metallbändern wird die gesamte Mikrowellenenergie (in grün dargestellt) transportiert.

Fig. 3: Berechnung der Energiedichte in der Bandleitung (hier mit dem Heizbereich: 15mm*3mm)

Bei diesen Anlagen wird natürlich auch sehr viel Augenmerk auf die notwendige Schirmung und den zulässigen Betrieb gelegt.