Brevet FR2123334A1 — publié le 19720908

la présente invention est relative d'une manière générale à un dispositif de détection d'absence de charge et de protection pour appareil de chauffage à haute fréquence. Un appareil du type décrit utilise des ondes électromagnétiques 5 dirigées par des guides d'ondes ou par d'autres dispositifs jusqu'à une enceinte conductrice. Le générateur d'énergie est constitué par un oscillateur magnétron à champs croisés utilisé dans les ensembles de radar. Le texte intitulé "Microwave Magnetrons" (magnétrons à hy-perfréquence) de G.B. Collins, Radiation Laboratory Sériés, Vol. 6, 10 Kc Graw-Hill Book Company, Inc. 1948 fournit des détails sur la construction et le fonctionnement de tels dispositifs. Ces sources fonctionnent aux fréquences allouées de 915 ou 2450 MHz. D'autres générateurs sont constitués par des dispositifs à tubes à vide et des klys-trons. Ces sources, ainsi que les circuits à haute tension qui leurs 15 sont associés, sont relativement onéreuses. Les matériaux à cuire ou à chauffer absorbent de l'énergie électrique à haute fréquence à l'intérieur de l'enceinte lorsque le générateur est adapté à une charge. L'absence d'une telle charge ou un état de désadaptation produit une réflexion d'énergie vers la source 20 qui s'accompagne souvent d'effets catastrophiques. Il est donc extrêmement intéressant de disposer de moyens permettant d'empêcher la détérioration en détectant automatiquement l'absence de charge ou un état de forte désadaptation, comme par exemple dans le cas d'objets métalliques. 25 Les essais effectués par la technique antérieure pour fournir ce dispositif de détection et de protection sont nombreux. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 2 498 719 fournit un dispositif de commande de circuit destiné à détecter et surveiller eh permanence les amplitudes des ondes stationnaires dans la section d'attaque. L'apparition 30 dans cette section de crêtes d'ondes stationnaires supérieures à une valeur prédéterminée déclenche des dispositifs à atmosphère gazeuse et à décharge électrique afin d'exciter des relais de commande qui ouvrent les contacts reliant en série le générateur à une source de tension. 35 Une autre suggestion est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique H° 2 498 720 dans laquelle la cathode du générâteur à haute fréquence est découplée automatiquement lorsqu'il apparaît un rapport excessivement élevé entre les valeurs maximales et minimales 72 01553 2 2123334 des ondes stationnaires. Des dispositifs à décharge dans les gaz sont de nouveau utilisés en combinaison avec la section d'attaque. Un autre mode de réalisation de la technique antérieure est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique ÏT° 2 679 595 qui surveille également 5 le taux d'ondes stationnaires en fonction de l'état de la charge. Un semi-conducteur tel qu'une diode à cristal détecte une variation du circuit et réduit la température du filament de la cathode afin d'interrompre le fonctionnement du magnétron. Un autre dispositif de la technique antérieure est décrit dans 10 le brevet des Etats-Unis d'Amérique ÏT° 3 412 227 dans lequel un coupleur directionnel est associé au guide d'onde et contient un dispositif absorbant l'énergie à une extrémité. Un détecteur à lampe au néon et un transducteur à cellule photoélectrique à l'autre extrémité font varier le courant circulant dans le circuit d'excitation et des-15 tiné au relais de commande, à la suite de réflexions d'énergie anormalement élevée. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3 437 777, il est décrit un appareil dans lequel un circulateur à ferrite est disposé dans un circuit à guides d'ondes rectangulaires en dérivation afin 20 de diriger l'énergie réfléchie vers un absorbeur d'énergie dans le cas d'un état de désadaptation de charge. Comme le coût des éléments en ferrite, des dispositifs de dissipation thermique et des dispositifs de production de champ magnétique tend à être élevé et comme 1' ensemble tend à devenir complexe, ces dispositifs de détection et de 25 protection n'ont pas reçu un accueil très favorable. Suivant l'invention, il est prévu un dispositif de détection et de protection dans une section d'attaque de guide d'onde couplant le générateur d'énergie à l'enceinte chauffante. Il est décrit un circulateur comprenant un corps en matériau ferrimagnétique présentant 30 ûes caractéristiques de transmission non inverses pour l'énergie se propageant dans la section de guide d'onde. L'énergie envoyée dans le sens direct pénètre dans l'enceinte chauffante en subissant -une perte relativement faible tandis que toute énergie élevée réfléchie est dérivée latéralement vers une dérivation du guide d'onde compor-35 tant un dispositif d'absorption d'énergie. Dans un mode de réalisation, on obtient un circuit magnétique dans une zone de section réduite de la partie d'attaque en disposant un aimant complètement à l'intérieur d'une région évidée d'une paroi du guide d'onde située 72 01553 3 2123334 en regard du corps ferrimagnétique. Une embase en matériau aimanta-ble concentre les lignes de flux perpendiculaires à la face du corps ferrimagnétique afin d'obtenir une saturation plus efficace, la disposition de l'embase de façon adjacente à l'élément ferrimagnétique 5 fournit également une meilleure conduction thermique et assure une action plus efficace du circulateur. Dans un autre mode de réalisation, un autre élément de production de champ magnétique peut être supporté de façon adjacente au matériau ferrimagnétique afin d'augmenter encore la saturation. La zone de section réduite située dans 10 la région de l'élément ferrimagnétique assure une concentration-des champs établis par l'énergie électromagnétique. En utilisant le dispositif de concentration pour disposer les champs magnétiques, on obtient des coûts relativement plus faibles en supprimant la nécessité de plusieurs éléments ferrimagnétiques dans:la plupart des ap-15 plications ainsi qu'un volume plus petit pour assurer la saturation complète. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence .aux dessins annexés, .dans lesquels: 20 la Fig. 1 est une vue en perspective du mode de réalisation de l'invention, une partie de la paroi supérieure étant-représentée en arraché afin de montrer l'intérieur; la Fig. 2 est une coupe transversale et verticale du mode de réalisation de l'invention; 25 la Fig. 3 est une coupe transversale prise suivant la ligne 3-3 de la Fig. 2; la Fig. 4 est une vue en coupe transversale détaillée prise suivant la ligne 4-4 de la Fig. 3; la Fig. 5 est une vue en coupe transversale d'un autre mode de 30 réalisation de l'invention; la Fig. 6 est une vue en coupe transversale.- et verticale prise suivant la ligne 6-6 de la Fig. 5; la Fig. 7 est une vue en coupe transversale de .l'élément de concentration magnétique de l'invention; 35 la Fig. £ est une vue en coupe transversale d'un autre mode de réalisation de la partie d'attaque de guide d'onde; la Fig. 9 est une vue en coupe transversale agrandie de l'ensemble du circuit magnétique de l'invention. BAD ORIGINAL 72 01553 4 2123334 La Fig. 1 représente l'appareil de chauffage à haute fréquence 2. Un magnétron à hyperfréquence est ordinairement utilisé comme générateur d'énergie afin de rayonner à une fréquence de 2450 MHz correspondant à une longueur d'onde d'environ 12,7 cm dans l'espace. 5 Aux fins de la présente description, par l'expression "hyperfréquence" on entend l'énergie électromagnétique se trouvant dans la partie du spectre de longueurs d'onde allant de 30 centimètres à 1 millimètre . Des parois conductrices 4 formant un parallélépipède rectangle définissent une enceinte chauffante 6 comportant une ouverture d'ac-10 cès munie d'une porte 8 ayant un panneau perforé 10. Les perforations s'étendent sur la plus grande partie de l'ouverture d'accès afin d' empêcher l'énergie électromagnétique de s'échapper pendant le fonctionnement de l'appareil. Une poignée 12 permet de manipuler la porte. Le tableau 14 adjacent à l'ouverture d'accès loge le dispositif 15 générateur d'énergie électromagnétique et les circuits associés qui comprennent une source de haute tension ainsi que des commandes. A la Fig. 2, un générateur d'énergie du type magnétron, indiqué par un rectangle 16, est couplé à une alimentation en haute tension comprenant tous les composants bien connus appartenant à un tel appa-20 reil. L'énergie électromagnétique est appliquée à partir de la source 16 au moyen d'une sonde formant antenne 20 dans l'élément diélectrique en forme de dôme 22 qui s'étend dans la section de guide d'onde d'attaque 24 afin de propager la fréquence désirée dans l'enceinte chauffante 6. Le guide d'onde 24 est fermé à une extrémité par une 25 paroi 26 qui peut comporter des perforations 28 afin de faciliter le refroidissement des composants contenus à l'intérieur au moyen d'une circulation d'air sous pression. L'extrémité ouverte interne 30 est orientée vers l'intérieur de l'enceinte chauffante. L'énergie électromagnétique est rayonnée de 30 façon uniforme au moyen d'un agitateur 32 du type décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique-H° 2 813 185. L'agitateur 32 comprend une série d'ailettes 34 entraînées suivant un mouvement de rotation par un moteur 36 d'une fraction de cheval. Les articles à traiter sont placés dans l'enceinte 6 sur une plaque 38 en matériau diélec-35 trique recouvrant la totalité de la paroi inférieure 40 et supportée par des épaulements 42. Cette plaque permet de répartir l'énergie électromagnétique sur toutes les faces de l'article à chauffer par réflexion sur les parois conductrices environnantes. La plaque en BAD original 72 01553 5 2123334 matériau diélectrique est également conçue en vue d'absorber une partie de l'énergie électromagnétique s'il apparaît un état de désadaptation extrême susceptible de détériorer le générateur. Suivant l'invention, il est prévu un circulateur 46 dans la 5 section d'attaque comprenant des branches 48, 50 et 52 de section rectangulaire par exemple. Un élément ferrimagnétique 54 en forme de disque est supporté dans.la région de jonction commune à toutes les sections de guide d'onde. L'élément est supporté par la paroi supérieure large de la section d'attaque 24, un élément de concentration 10 56 en un matériau tel que du fer étant disposé de façon intermédiaire et constituant pratiquement une embase fixée à l'élément ferrimagnétique. Une plaque magnétique 58, également en fer, vient toucher la paroi externe de la section de guide d'onde et est reliée à l'embase 56. Un aimant permanent 60 est monté dans les limites de la pa-15 roi définie dans la section de guide d'onde d'attaque 24 à l'intérieur d'une partie de section réduite fournie par une paroi évidée 62. Une plaque de fixation 64 en un métal désiré quelconque vient toucher l'aimant 60. Une vis évidée 66 facilite la fixation de l'embase 56 à la paroi supérieure de la section de guide d'onde. La bran-20 che 52 disposée latéralement loge un dispositif d'absorption d'énergie telle qu'une charge en carbure de silicium par exemple. En se référant maintenant aux Fig. 3 et 4, on décrit le circulateur 46 de détection d'absence de charge et de protection utilisant le dispositif de concentration de champ magnétique 56 ainsi que 25 la zone de section réduite pour positionner l'élément ferrimagnétique 54- L'énergie fournie par le générateur pénètre dans la section de guide d'onde 48 dont la hauteur totale est de par exemple 54,6 mm et la largeur est.de 109,2 mm pour propager la fréquence allouée. Toutefois, le circulateur comprenant l'élément ferrimagnétique est. 30 monté dans les éléments de guide d'onde de dérivation de hauteur réduite qui sont adaptés à la section d'attaque par un transformateur 70 d'un quart de longueur d'onde convenable utilisant des techniques bien connues. Afin d'obtenir un fonctionnement extrêmement efficace du circulateur, il a été choisi un guide de 25,4 mm pour les branches 35 50 et 52 et, dans la région destinée à recevoir l'élément ferrimagnétique de circulation, une nouvelle réduction de la zone de section réduite est assurée par la surface de paroi évidée 62 logeant l'aimant 60. 72 01553 6 2123334 La constante diélectrique du matériau ferrimagnétique constituant l'élément 54 ainsi que son diamètre et sa hauteur sont déterminés par les conditions requises de saturation du champ magnétique et l'orientation préférée conformément aux concepts des circulateurs. 5 On suggère que, lors de la propagation de l'énergie électromagnétique suivant le mode TE^ ^ dans le guide d'onde rectangulaire, les corps en matériau applicable soient aimantés dans une direction parallèle au vecteur champ électrique (E) ou parallèle aux parois' étroites.Par ailleurs, il est bien connu dans la technique que le 10 spin approprié des électrons pour que les ondes électromagnétiques se propagent dans un seul sens est obtenu.lorsque les corps ferrima-gnétiques sont décalés par rapport au centre ou à l'axe longitudinal 72 représenté à la Fig. 3- Cette déterminafion peut peut être s'expliquer par l'effet dit de "décalage du champ" dans le cas des iso-15 lateurs en ferrite, effet décrit par B. Lax et K.J. Button dans le texte intitulé "Microwave Ferrites and Ferrimagnetics", Me Graw-Hill Book Company, Inc. 1962, pages 362 à 372. Bans un guide d'onde rectangulaire non chargé, l'intensité maximale du champ électrique apparaît le long de 1'axe longitudinal. Avec des corps aimantés dispo-20 sés de façon non symétrique, le diagramme d'intensité du champ pour une grande énergie dirigée vers l'enceinte chauffante suit le diagramme obtenu pour un guide d'onde non chargé présentant une valeur maximale près de l'axe. Pour l'énergie émise dans cette direction, il apparaît relativement peu de perte ou d'affaiblissement. 25 Toutefois, l'énergie réfléchie présente un profil entièrement différent, sa valeur maximale étant décalée vers les parois étroites du guide d1 onde. Une telle énergie vient en contact avec le corps ferrimagnétique à aimantation saturée et décalée et est déviée vers la branche 52dans laquelle se trouve la charge absorbante. Les réfle-30 xions d'énergie fâcheuses ne peuvent ainsi pénétrer dans la trajectoire des ondes émises par le générateur. Un matériau ferrimagnétique de qualité supérieure est constitué par une combinaison nickel-aluminium-ferrite ou par de la ferrite à base de magnésium. Les dispositifs 68absorbant l'énergie sont dispo-35 sés à une certaine distance de la jonction à laquelle se trouve 1' élément circulateur. Classiquement, on préfère une dimension d'une demi longueur d'onde ( À/2) pour obtenir une adaptation sans réflexion et un faible taux d'ondes stationnaires. Le carbure de silicium, 72 01553 7 2123334 qui présente un degré élevé d'inertie thermique convient idéalement comme matériau absorbant. l'aimant 60 est représenté monté en dessous de l'élément ferrimagnétique 54 dans la région de section réduite adjacente à la paroi 5 62 du guide d'onde dont la hauteur est diminuée de moitié à peu près. Il résulte de la concentration des ondes que les conditions requises de l'aimant ainsi que de la charge et du matériau ferrimagnétique sont notablement réduites, l'embase 56 aide à diriger les lignes de flux du champ magnétique d'une façon à peu près perpendiculaire à la 10 face de l'élément 54. Une autre caractéristique de l'invention réside dans la conduction de l'énergie thermique engendrée dans le matériau ferrimagnétique par le circulateur au moyen de l'action de dissipation thermique de l'embase 56. Ceci empêche le matériau magnétique d'atteindre rapidement la température de Curie pour laquelle 1' 15 aimantation est détruite. La combinaison de l'élément ferrimagnétique, de l'aimant monté en dessous et de l'embase de concentration monté dans la zone de section réduite ainsi que de la région de jonction élimine pratiquement la nécessité d'un élément d'adaptation des circuits réactifs, comme par exemple des .diaphragmes situés aux ex-20 trémités d'entrée et de sortie du circulateur 46. En ce qui concerne la concentration de l'énergie électromagnétique ainsi que du champ magnétique, un simple aimant 60 suffit dans la plupart des. applications. Lorsqu'on le désire toutefois, afin de favoriser encore la saturation du matériau ferrimagnétique, on peut positionner un second 25 aimant 76, représenté en pointillé, près de la plaque 58. les Fig. 5 et 6 représentent une autre variante de l'invention. Dans les cas où l'espace disponible pour la mise en place de la section de guide d'onde d'attaque peut être limité, il.rentre dans le cadre de l'invention de régler convenablement la mise en place des 30 branches de guide d'onde afin d'assurer ainsi la limitation d'espace. A la Fig. 5, la branche 50 présente une largeur de par exemple 109 mm, qui est la dimension a, comme représenté aux Fig. 3 et 4. En rétrécissant la branche de guide d'onde 52 logeant la charge d'absorption d'énergie à une valeur d'environ 89 mm, dimension b, il est possible 35 pour la même hauteur de 25,4 mm du guide d'onde de réduire la dimension c entre la sonde d'émission et le circulateur d'environ 10,16mm. Le rétrécissement de la bande de guide d'onde 52 allonge cette partie du circulateur global en allongeant la demi-longueur d'onde pour la 72 01553 8 2123334 mise en place de la charge d'absorption d'énergie 68. La hauteur de la charge 68 d'absorption d'énergie peut être également réglée convenablement pour adapter le taux d'ondes stationnaires de la branche 52 au reste du dispositif émetteur d'énergie. 5 La Fig. 6 représente un courant d'agent de refroidissement, in diqué d'une manière générale par les droites 78, qui est dirigé vers les passages 28 ménagés dans la paroi d'extrémité 26 afin de faciliter le fonctionnement du mode de réalisation illustratif de l'invention en assurant un refroidissement supplémentaire de l'élément fer-10 rimagnétique et du dispositif d'absorption. La Fig. 7 représente une embase 56 de section légèrement plus grande afin de faciliter la conduction de l'énergie thermique ainsi que l'orientation des lignes de flux du champ magnétique. Un rebord 80 comportant des encoches est représenté disposé à la périphérie de 15 l'élément 56 afin d'assurer un meilleur contact avec les parois supérieures larges de la section de guide d'onde d'attaque rectangulaire 24. La Fig. 8 représente une autre variante de l'invention comprenant une section de guide d'onde d'attaque 82 qui est munie de coins 20 arrondis 84 afin de former une section d'attaque. Un élément en forme de U à trois côtés peut être estampé dans une tôle afin de former le passage 86 lorsqu'il est convenablement raccordé, par soudage ou brasage en 88 par exemple, à la paroi supérieure 4 de l'enceinte du four. Ce mode de réalisation fournit non seulement un appareil sim-25 plifié et compact mais réduit également le coût global du four. La Fig. 9 représente le circuit magnétique utilisant les composants de l'invention pour produire la concentration de l'énergie ondulatoire émise ainsi que des lignes de flux magnétique dans la région de l'élément ferrimagnétique. Les composants préalablement dé-30 crits portent les mêmes numéros de référence. Le fonctionnement le plus efficace du circulateur est obtenu lorsque les lignes magnétiques 90 fournies par l'élément magnétique sont orientées perpendiculairement à la face de l'élément ferrimagnétique 54. Les lignes de flux sont donc perpendiculaires au vecteur magnétique de l'énergie 35 hyperfréquence émise, indiquée par la flèche 92, et se déplaçant le long de la section de guide d'onde 50. Ce montage augmente l'affaiblissement de l'énergie réfléchie et assure également la plus faible perte d'insertion pour l'énergie émise initialement par le généra- 72 01553 9 2123334 teur d'énergie à hyperfréquence. Ce montage empêche également les lignes de flux marginales éventuelles qui produiraient un fonctionnement peu efficace et supprime la nécessité de disposer des corps en matériau ferrimagnétique de plus grande dimension dans la section 5 de guide d'onde. Il a été décrit un dispositif de détection d'absence de charge et de protection qui est âmple à mettre en oeuvre dans un appareil de chauffage électronique. 72 01553 10 2123334 Revendications 1 - Appareil de chauffage à haute fréquence, caractérisé eh ce qu'il comprend une enceinte, un générateur d'énergie électromagnétique, un dispositif pour coupler l'énergie entre le générateur et 1' 5 enceinte, le dispositif de couplage comportant une zone de section réduite, un détecteur d'énergie et un dispositif de transmission non inverse comprenant un matériau ferrimagnétique aimanté disposé dans la zone de section réduite afin de recevoir et de propager dans une direction s'écartant du générateur l'énergie réfléchie par l'encein-10 te, et un dispositif pour absorber l'énergie réfléchie. 2 - Appareil de chauffage à haute fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte, un générateur d'énergie électromagnétique, un dispositif pour coupler l'énergie provenant du générateur à l'enceinte et comprenant une ligne de transmission à guide d'onde, 15 ce dispositif de couplage ayant une zone de section réduite, un circulateur comprenant un élément en matériau ferrimagnétique disposé dans la zone de section réduite afin de recevoir et propager dans une direction s'écartant du générateur l'énergie réfléchie par l'enceinte, un dispositif pour aimanter le matériau ferrimagnétique, les lignes 20 de flux du champ magnétique étant dirigées de façon sensiblement perpendiculaire à la face de l'élément ferrimagnétique, et un dispositif pour absorber l'énergie réfléchie. 3 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de couplage comprend une section de guide d'onde rec- 25 tangulaire creux. 4 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de couplage comprend une ligne de transmission creuse et à trois côtés comportant des coins arrondis. 5 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que 30 de l'énergie est d'abord appliquée à un dispositif de couplage ayant une hauteur prédéterminée correspondant à la fréquence de fonctionnement, le reste du dispositif de couplage comprenant la zone de section réduite ayant une hauteur globale égale à la moitié environ de la première hauteur. 35 6 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif aimantation comprend un aimant permanent monté en regard de l'élément ferrimagnétique. 72 01553 11 2123334 7 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif d'aimantation comprend un aimant permanent disposé dans la zone de section réduite . 8 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que 5 le dispositif d'aimantation comprend un aimant disposé en regard de l'élément en matériau ferrimagnétique et monté entièrement dans le plan défini par les limites externes du guide d'onde. 9 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément en matériau ferrimagnétique est supporté par vin élément 10 en matériau aimantable afin de concentrer la densité de flux du champ magnétique à l'intérieur du matériau ferrimagnétique. 10 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément ferrimagnétique est monté sur une embase en matériau aimantable venant toucher une paroi de la ligne de transmission à guide 15 d'onde. 11 — Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que l'embase comporte une partie d'encoche annulaire devant venir en prise avec la paroi du guide d'onde. 12 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que 20 les dispositifs d'absorption d'énergie sont disposés dans une branche de guide d'onde ayant une largeur plus petite que le reste du dispositif de couplage.