Brevet FR2112270A1 — publié le 19720616

r 71 35205 -i- 2112270 La présente invention est relative d'une manière générale à un appareil de chauffage électronique à haute fréquence et se rapporte plus particulièrement à un dispositif de détection d'absence de charge. 5 L'appareil de chauffage électronique considéré utilise l'éner gie d'une onde électromagnétique dirigée par un guide d'onde ou un autre moyen de propagation convenable dans une enceinte conductrice. Un exemple de générateur électrique d'ondes à haute fréquence est l'oscillateur à magnétron tel que celui utilisé dans le radar 10 de la seconde guerre mondiale. L'article intitulé."Microwave Magne-trons", Radiation Laboratory sériés. Vol. 6, de G.B. Collins, Me Graw-Hill Book Company, Inc., 1948, donne une description détaillée de la construction et du fonctionnement de tels dispositifs. Les générateurs d'énergie" fonctionnent à des fréquences appar-15 tenant au spectre électromagnétique et les bandes de fréquence de fonctionnement qui ont été allouées aux fours électroniques sont de 915 ou 2450 MHz. D'autres générateurs d'énergie à haute fréquence comprennent des oscillateurs à tube à vide et des klystrons. Ces générateurs 20 sont des dispositifs complexes et coûteux qui sont commandés par des circuits à haute tension transportant une énergie électrique redressée de plusieurs milliers de volts. Les ondes à haute fréquence sont absorbées et chauffent rapidement les matériaux disposés à l'intérieur de l'enceinte lorsque 25 le générateur est convenablement adapté à la charge devant être chauffée. L'absence de charge ou tout autre condition de mauvaise adaptation, comme par exemple la présence d'un objet métallique dans le four, a pour effet qu'une grande partie de l'énergie est réfléchie vers la source à haute fréquence. La réflexion de cette 30 énergie présente pour le générateur un risque de détérioration catastrophique. On a donc besoin, dans tous les appareils de chauffage électronique à haute fréquence, d'un dispositif automatique permettant de protéger le générateur et les circuits qui lui sont associés en détectant l'absence de charge ou un défaut important 35 d'adaptation. On va passer maintenant en revue les nombreux essais qui ont été faits jusqu'ici pour créer un tel dispositif de protection. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 2.498.719 décrit un dispositif de commande de circuit destiné à détecter et à survei-1-40 1er en permanence les amplitudes des ondes stationnaires dans la BAD ORIGINAL " COPY 71 35205 - 2 - 2112270 section de guide d'onde d'attaque située entre l'enceinte et le générateur. L'apparition, dans la ligne de transmission, de crêtes d'ondes stationnaires dépassant une valeur prédéterminée, combinée à des 5 dispositifs remplis de gaz et à décharge électriaue, provoque l'excitation d'un relais de commande, ce qui ouvre les contacts connectant le générateur en série avec la source de tension. Il est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 2.498.720 une autre solution dans laquelle la source électroni-10 que du générateur à haute fréquence est découplée automatiquement lorsqu'il apparaît une valeur excessive du rapport entre les valeurs maximales et minimales des ondes stationnaires. De nouveau, on fait appel à des dispositifs à décharge gazeuse en combinaison avec une ligne de transmission constituée par un guide d'onde. 15 II est indiqué, dans le brevet des Etats-Unis d'Américrue n° 2.679.595, un autre dispositif qui surveille le taux d'ondes stationnaire constituant une indication de l'adaptation ou du défaut d'adaptation entre la charge et le générateur. Lorsqu'une variation de charge engendre un défaut d'adaptation et, par suite, 20 une réflexion d'énergie, un cristal semiconducteur détecte cette variation et réduit automatiquement la température du filament de la cathode afin de protéger le qënêrateur à haute fréquence. Un autre mode de réalisation est indiqué dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.412.227, dans lequel un coupleur direc-25 tionnel est associé à la ligne de transmission à guide d'onde et contient à une extrémité un matériau absorbant l'énergie. Un détecteur à lampe au néon et un transducteur à cellule photoélectrique situés à l'autre extrémité du coupleur directionnel font varier le courant d'excitation du relais de commande du tube générateur en 30 fonction de l'énergie à haute frécruence éventuellement réfléchie. Tous ces dispositifs de la technique antérieure fonctionnent suivant le principe de la détection et de la surveillance des taux d'ondes stationnaires et présentent l'inconvénient d'être à la fois coûteux à installer et incompatibles avec le bon fonctionnement de 35 l'appareil de chauffage électronique. Suivant les enseignements de l'invention, il est prévu des moyens de détection et de protection dans la ligne de transmission couplant le générateur à l'appareil de chauffage. Le dispositif décrit comprend un circulateur en matériau ferrimagnétique qui est 40 disposé de manière à présenter des caractéristiques de déplacement 71 35205 3 - 2112270 non réversible du champ pour l'énergie se propageant dans la ligne. L'énergie envoyée dans le sens direct pénètre dans l'enceinte de chauffage avec peu de perte, tandis que toute l'énergie importante réfléchie est déviée perpendiculairement au parcours de pro-5 pagation, en direction du dispositif d'absorption d'énergie. Des dispositifs à commande thermique qui sont couplés au dispositif d'absorption fournissent un signal de coupure des tensions f de fonctionnement et de désexcitation du générateur. Le circulateur ferrimagnétique et les dispositifs d'absorption 10 n'absorbent pas la totalité de l'énergie réfléchie pendant des périodes importantes, mais remplissent simplement la fonction de moyens de détection afin d'exciter le relais thermique dès qu'un niveau de seuil de température prédéterminé est dépassé. Le détecteur à circulateur est orienté dans une direction parallèle au vec-15 teur champ électrique E de l'énergie électromagnétique en un point situé en dehors de l'axe longitudinal d'une ligne de transmission à guide d'onde par exemple. Le couplage du relais thermique au dispositif d'absorption du détecteur global est assuré par un élément ferrimagnétique qui n'a pas besoin de dissiper des quantités impor-20 tantes d'énergie à haute fréquence. L'ensemble décrit assure une protection maximale dans le cas d'un défaut d'adaptation dans l'enceinte et est relativement simple, efficace et économique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaî-25 tront au cours de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesauels : la Fig. 1 est une vue en perspective du r la Fig. 2 est une vue en coupe verticale de l'appareil de chauffage électronique suivant l'invention ; la Fig. 3 est un schéma représentant les axes de coordonnées classiquement utilisés avec les lignes de transmission à guide 35 d'onde ; la Fig. 4 est un schéma montrant l'effet du déplacement du champ dans un guide d'onde chargé de matériau ferrimagnétique ; la Fig. 5 est une vue de dessus du dispositif suivant l'invention, une partie des parois étant enlevée ; 40 la Fig. 6 est une vue en coupe transversale détaillée prise sui 71 35205 _ 4 - 2112270 10 vant la ligne 6-6 de la Fig. 5 ; et la Fig. 7 est une vue schématique montrant le fonctionnement du mode de réalisation de l'invention. La Fig. 1 représente un exemple d'appareil de chauffage électronique à haute fréquence 10. Un tel dispositif utilise ordinairement comme générateur d'énergie un magnétron à hyperfréquence qui rayonne des fréquences de 2450 MHz, ce qui correspond à une longueur d'onde d'environ 12,7 cm dans l'espace. Aux fins de la présente description, on entend par le terme "hyperfréquence" le rayonnement d'énergie électromagnétique compris dans la partie du spectre allant de 30 cm à 1 mm. Des parois conductrices 12 montées suivant un parallélépipède rectangle définissent une enceinte de chauffage 14 comportant une ouverture d'accès munie d'une porte 18 qui est constituée par des 15 éléments d'encadrement 20 entourant un panneau perforé 22. Les perforations couvrent une partie importante du panneau afin d'empêcher l'énergie électromagnétique de s'échapper pendant le fonction-* nement de l'appareil. Une poignée 24 permet d'ouvrir et de fermer la porte manuellement. 20 un tableau de commande 26 est disposé près de l'ouverture d'ac cès et recouvre le dispositif générateur d'énergie électromagnétique et les circuits associés. En se référant maintenant à la Fig. 2, un générateur d'énergie, qui est à titre d'exemple un magnétron de type bien connu dans la 25 technique et est indiqué d'une manière générale par le rectangle 28, est couplé à des commandes d'alimentation et électriques indiquées d'une manière générale par le rectangle 30. L'énergie électromagnétique est extraite du générateur 28 au moyen d'une sonde de rayonnement 32 montée dans un élément diélec-30 trique 34 bombé et est appliquée à une section de guide d'onde d'une ligne de transmission 36 pour qu'elle puisse se propager à la fréquence désirée jusque dans l'enceinte de chauffage 14. Le guide d'onde est court-circuité à une extrémité par une paroi 38 et est ouvert à l'autre extrémité 40. L'énergie électroma-35 gnétique rayonnée dans l'enceinte est répartie de façon uniforme au moyen d'un agitateur 42 de type bien connu et décrit en détail dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 2.813.185. L'agitateur 42 comporte une série d'ailettes 44 entraînées en rotation par un moteur d'une fraction de cheval. 40 Les articles â chauffer sont supportés par un élément diélec 71 35205 - 5 - 2112270 trique 46 enjambant la paroi 48 qui comporte une partie en creux et des épaulements 50. L'élément diélectrique est perméable à l'énergie électromagnétique et facilite le chauffage des articles sur tous les côtés du fait des réflexions sur les parois conductrices. 5 Un tel élément diélectrique assure également une protection minimale en absorbant une partie de l'énergie électromagnétique lorsque le générateur fonctionne avec un défaut d'adaptation. Suivant l'invention, un dispositif de détection d'absence de charge est constitué par un élément ferrimagnétique 52 en forme de 10 barreau qui s'étend en partie ou en totalité dans la section de guide d'onde d'attaque 36 et auquel est fixé un élément d'aimen-tation 54 monté solidairement à l'extérieur. Un dispositif d'absorption d'énergie électromagnétique 56 est disposé dans l'une des parois latérales étroites 36a de la section de guide d'onde 36 et est 15 orienté de manière à intercepter toute énergie élevée se propageant dans le sens inverse. Avant de procéder à une description plus détaillée du mode de réalisation de l'invention, il sera utile de passer en revue quelques-uns des principes fondamentaux de la technique des matériaux 20 ferrimagnétiques et des ferrites ainsi que de la propagation de l'énergie électromagnétique suivant le mode fondamental TE^q dans un guide d'ondes rectangulaire. Les désignations concernant le système de coordonnées classiquement utilisé dans ce domaine sont indiquées à la Fig. 3. 25 L'axe Z s'étend perpendiculairement â la direction de propa gation de l'énergie et parallèlement aux parois étroites d'un guide d'onde rectangulaire. L'axe X s'étend suivant l'axe longitudinal et parallèlement aux parois larges de la section de guide d'onde rectangulaire. L'axe Y s'étend perpendiculairement à l'axe X. 30 II est bien connu dans la technique que les lignes de trans mission à guide d'onde rectangulaire contenant des corps en matériau ferrimagnétique aimanté suivant 11 axe Z peuvent propager de l'énergie électromagnétique suivant divers modes. Dans ces modes, le champ électrique associé à l'énergie de 35 propagation est en alignement avec l'axe Z tandis que le champ magnétique associé à l'énergie se propageant est orienté dans le plan des axes X et Y. Il est également bien connu que la réponse d'un corps ferrimagnétique aimanté est, par nature, non réversible â moins que le 40 corps soit situé au centre du guide d'ondes. Le déphasage subi par 71 35205 - 6 - 2112270 une onde se propageant dans la direction de l'axe X positif est différent de celui subi par une onde de même fréquence se propageant dans le sens inverse ou axe X négatif. La considération suivante met en jeu l'effet dit de "déplace-5 ment du champ" dans les isolateurs en ferrite, effet qui est décrit complètement dans l'article intitulé "Microwave Ferrites and Ferro-magnetics" de B. Lax et K.J. Button, Me Graw-Hill Book Company, Inc.,1962, pages 362 â 372. Cet effet prend en considération la distribution des champs alternatifs associés à l'énergie électromagné-10 tique à haute fréquence se propageant dans un guide d'onde rectangulaire contenant une lamelle en ferrite aimantée disposée de façon disymétrique. En se référant maintenant à la Fig. 4, un guide d'onde rectangulaire 58 est chargé par une lamelle en ferrite 60 aimantée dans 15 une direction transversale qui est indiquée par la flèche et le symbole H^c. Dans le guide d'onde non chargé, l'intensité maximale du champ électrique apparaît classiquement au centre du guide d'onde le long de son axe longitudinal. 20 La courbe 62 représente la configuration d'intensité du champ électrique dans le sens direct de propagation. On remarquera que la distribution du champ électrique suit à peu près la configuration du guide d'onde non chargé, le point maximal étant situé près du centre. Une perte relativement faible apparaît donc lors de la pro-25 pagation de l'énergie dans le sens direct ou d'attaque du fait de la présence du corps ferrimagnétique. Inversement, une onde se propageant dans le sens inverse prend le profil indiqué par la courbe 64. On notera que le point maximal de l'intensité du champ électrique a été décalé d'un côté par rap-30 port à l'axe longitudinal du guide d'onde. Dans l'article précité, les auteurs font remarquer que l'on peut réaliser un isolateur en ferrite de déplacement du champ en disposant une carte de résistance sur la face de la lamelle pour assurer l'affaiblissement de l'onde inverse lorsque le champ électri-35 que est à sa valeur maximale. Dans le mode de réalisation de l'invertion, le corps ferrimagnétique est placé de façon décalée dans la section d'attaque de l'appareil de chauffage électronique à haute fréquence afin de tirer parti de l'effet précité de déplacement du champ lors de la propaga-40 tion non réversible de l'énergie. Le rapport d'affaiblissement en 71 35205 - 7 - 2112270 sens inverse et direct est donc non réversible pour produire des distorsions du champ électrique. Pour plus ample information concernant les isolateurs â déplacement de champ, on pourra se reporter également à un article de 5 S. Weisbaum et H. Bovet dans I.R.E. Transactions on Microwave Theo-ry and Techniques, Vol. MTT-5, n° 3, Juillet 1957, pages 194 à 198. Il existe donc dans la technique un excellent moyen permettant d'obtenir une transmission non réversible de l'énergie électromagnétique à l'aide d'un corps aimanté en matériau ferrimagnétique qui 10 est décalé par rapport à l'axe longitudinal d'une ligne de transmission. Les Fig. 5 et 6 représentent, de façon détaillée, l'orientation de 1'élément détecteur qui comprend un corps aimanté de matériau ferrimagnétique. Un matériau présentant des caractéristiques excel-15 lentes est une composition de ferrite au nickel-aluminium ou au magnésium combinée à un élément d'aimantation 54 en un matériau disponible dans le commerce et vendu sous la dénomination commerciale de "Alnico V ou vin". L'élément ferrimagnétique est décalé par rapport à l'axe longi-20 tudinal 66 de la section de guide d'onde 36 dans la direction de la paroi latérale étroite 36a pourvue du dispositif d'absorption d'énergie 56. En raison de la caractéristique de propagation non réversible de l'énergie de l'élément ferrimagnétique 52, celui-ci joue le rôle d'un circulateur et dirige toute énergie électromagnê-25 tique réfléchie vers le dispositif absorbant 56. Il est ainsi fourni un circulateur qui se distingue facilement des isolateurs à résonance de la technique antérieure ou des dispositifs en ferrite du type à effet Faraday qui absorbent la totalité de l'énergie qu'ils reçoivent. 30 Une telle absorption d'énergie nécessite des quantités impor tantes d'éléments en ferrite ainsi qu'un dispositif d'échange thermique ou de refroidissement combiné à l'élément ferrimagnétique. Dans l'appareil de l'invention, le circulateur à déplacement du champ permet de n'utiliser qu'une quantité nettement plus faible 35 de matériau ferrimagnétique, ce qui réduit le coût de l'appareil ainsi que l'espace utilisé. Par ailleurs, suivant les enseignements de l'invention, le dispositif d'absorption d'énergie 56 est monté dans la surface de la paroi latérale étroite au point auquel apparaît la valeur maxi-40 maie approchée du champ électrique de l'onde propagée en sens 71 35205 - 8 - 2112270 inverse. Un excellent matériau pour le dispositif d'absorption \ d'énergie est le carbure de silicium qui présente également une certaine inertie thermique et n'interrompt donc pas automatiquement le fonctionnement de l'appareil de chauffaqe par suite de la réfle-5 xion de l'énergie électromagnétique en dessous d'une valeur de seuil prédéterminée. Un élément de relais thermique 68 de niveau d'excitation prédéterminé est disposé près du dispositif d'absorption d'énergie. Un exemple de montage du relais thermique est un élément bimétallique 10 du type utilisé dans les dispositifs de commande et de sécurité des dispositifs de chauffage industriels et domestiques ainsi que dans beaucoup d'appareils ménagers comprenant les séchoirs électriques et appareils analogues. Des fils 70 et 72 couplent le relais de détection thermique 68 à l'alimentation 30 du générateur d'énergie. 15 Une bobine, un disjoncteur ou un relais peuvent être montés dans l'alimentation 30 afin d'ouvrir automatiquement le circuit et de désexciter le générateur d'énergie à la réception d'un signal électrique approprié. Il est représenté à la Fig. 6 un élément conducteur intermé-20 diaire qui est intercalé entre l'élément ferrimagnétique et le dispositif d'aimantation 54. Il est prévu,pour faciliter l'aimantation du matériau ferrimagnétique, un élément 74 bombé que l'on peut comparer à une pièce polaire des dispositifs oscillateurs à champs croisés pour faciliter le couplage du champ magnétique à l'élément 25 désiré. Les spécialistes découvriront facilement d'autres variantes permettant d'améliorer le dispositif d'aimantation. On décrit maintenant, en se référant à la Fig. 7, le fonctionnement d'un mode de réalisation de l'invention. L'énergie appropriée 30 de niveau de fréquence prédéterminé qui est engendrée par l'oscillateur 80 est appliquée à la section de guide d'onde d'attaque suivant la ligne 82 et vient en contact avec l'élément de détection ferrimagnétique 84. En raison de sa disposition favorable du point de vue de l'effet de déplacement du champ, l'élément de détection 35 joue le rôle d'un circulateur, comme indiqué par la flèche 86. L'énergie appliquée se propage et sort de la section d'attaque avec très peu de perte pour pénétrer dans l'enceinte de chauffage représentée par le rectangle 88. Un défaut excessif d'adaptation, dû à l'absence de charge ou à un mauvais fonctionnement, provoque 40 la réflexion d'une quantité substantielle d'énergie électromagnéti 71 35205 - 9 2112270 que dans la direction inverse indiquée par la ligne 90. L'élément 84 dévie l'énergie réfléchie, comme indictué par là flèche 92, en direction du dispositif d'absorption d'énergie et du relais thermique 94. Un signal est ainsi appliaué à la ligne 96 afin de désexi-5 ter l'alimentation 98 du générateur et d'interdire toute nouvelle sortie d'énergie par le coupleur de sortie 100 du générateur. Il est ainsi décrit un dispositif de détection d'absence de charge très simple et efficace dont l'application à un appareil de chauffage électronique 3. haute fréquence est relativement ëconomicrue 10 Aucune ailette de refroidissement ou aucun dispositif d'échange ther mique n'est alors nécessaire pour dissiper l'énergie engendrée par 11 absorption de 1'énergie électromacinétique. On remarquera une autre caractéristique qui est que le mode de réalisation de l'appareil de l'invention est mis en oeuvre sans uti-15 liser aucun guide d'onde en dérivation qui est à la fois encombrant et coûteux. Le dispositif d'absorption décrit jusqu'à maintenant présentait une forme carrée, mais il est clair qu'une configuration circulaire peut être également employée avantageusement. 71 35205 2112270 REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection, notamment pour appareil de chauffage électronique à haute fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend une source d'énergie électromagnétique à haute fréquence, un dispositif pour alimenter ladite source, un dispositif pour coupler 5 la source à une charge, un dispositif disposé dans le dispositif de couplage afin de détecter un défaut d'adaptation, ce dispositif étant disposé de façon décalée par rapport à l'axe longitudinal du dispositif de couplage, un dispositif pour absorber l'énergie réfléchie par la charge, et un dispositif pour engendrer un signal 10 de dësexcitation après absorption d'un niveau prédéterminé d'énergie réfléchie par ledit dispositif d'absorption. 2. Dispositif de protection, notamment pour appareil de chauffage électronique à haute fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend une source d'énergie électromagnétique à haute fréquence, un 15 dispositif commandable pour exciter ladite source, une ligne de transmission destinée à coupler l'énergie directe et inverse entre la source et une charge, un matériau ferrimagnétique aimanté qui est disposé dans ladite ligne afin de détecter un défaut d'adaptation de charge, le dispositif de détection étant décalé latérale-20 ment par rapport à l'axe longitudinal de ladite ligne, un dispositif séparé permettant d'absorber l'énergie réfléchie par la charge, un dispositif couplé au dispositif d'absorption afin d'engendrer un signal destiné au dispositif commandable en vue de désexciter la source après l'arrivée d'une énergie réfléchie de valeur prédéter-25 minée. 3. Dispositif de protection suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif pour engendrer le signal de dësexcitation comprend un élément commandé thermiquement. 4. Dispositif de protection suivant la revendication 1, carac-30 térisé en ce que la charge comprend un appareil définissant une enceinte conductrice destinée à contenir des articles devant être chauffés. 5. Dispositif de protection suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la ligne de transmission comprend un ensemble d'une 35 seule pièce comportant une section de guide d'onde et supportant les dispositifs de détection, d'absorption et de désexcitation du générateur de signaux. 6. Appareil de chauffage électronique à haute fréquence, carac- 71 35205 - ii - 2112270 tërisé en ce qu'il comprend une enceinte conductrice, un générateur d'énergie électromagnétique, un dispositif pour appliquer l'énergie à l'enceinte, un détecteur d'énergie et un dispositif de transmission non réversible comportant un matériau ferrimagnétique aimanté 5 disposé dans le dispositif de couplage de façon décalée par rapport à son axe longitudinal pour recevoir et propager dans une direction s'écartant du crénérateur 3' énergie réfléchie par l'enceinte, un dispositif pour absorber l'énergie réfléchie, et un dispositif commandé par le dispositif d'absorption pour désexciter le générateur 10 après réception d'une énergie réfléchie de niveau prédéterminé. 7. Appareil de chauffage électronique à haute fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte conductrice, une source d'énergie électromagnétique,un dispositif pour coupler à la fois l'énergie directe et l'énergie réfléchie entre la source et l'en- 15 ceinte, un circulateur comportant un matériau ferrimagnétique aimanté disposé dans le dispositif de couplage en un point décalé par rapport à son axe lonaitudinal pour détecter et pronager dans une direction s'écartant de la source l'énergie réfléchie par l'enceinte, un dispositif pour absorber l'énergie réfléchie, et un dispo- 20 sitif actionné thermiquement qui est commandé par le dispositif d'absorption afin de désexciter la source après réception d'une énergie réfléchie de niveau prédéterminé. 8. Appareil de chauffage suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de couplage d'énergie comprend une 25 ligne de transmission constituée par une section de guide d'onde et en ce que le circulateur est constitué par un corps circulaire de matériau ferrimagnétique s'étendant dans le guide d'onde. 9. Appareil de chauffage suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau ferrimagnétique est orienté dans le dis- 30 positif de couplage de façon sensiblement parallèle au champ élec-tricrue de l'énergie électromagnétique. 10. Appareil de chauffage suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau ferrimagnétique est décalé latéralement en direction du dispositif d'absorption d'énergie. 35 il. Appareil de chauffage suivant la revendication 8, caracté risé en ce que le dispositif d'absorption d'énergie est monté sur une oaroi, le guide d'onde étant adjacent audit barreau ferrimagnétique . 12. Dispositif de chauffage suivant la revendication 8, carac- 40 tërisé en ce que le corps ferrimagnétique s'étend sur une distance importante dans le guide d'onde.