Brevet FR2172778A1 — publié le 19731005

La présente invention, développée au Centre d'Etudes et de Recherches de Toulouse tC.E.R.T.), Etablissement de l'O.N.E.R.A., concerne les fours à micro-ondes, également dénommés fours hyperfréquences. I1 existe déjà de nombreux fours hyperfréquences, qui sont utilisés pour chauffer les matériaux ou les déshydrater, par pertes diélectriques au sein du matériau ou de l'eau qu'il contient. Ces fours comportent un irradiateur alimenté par un générateur de micro-ondes, irradiateur comportant en général un cornet ou un parabololde qui envoie un faisceau présentant une surface d'onde sensiblement plane sur le matériau à chauffer ou à déshydrater, Pour utiliser au mieux l'énergie du générateur le four comporte, chaque fois que cela est possible, un réflecteur métallique qui renvoie vers le matériau l'énergie qui l'a traversé sans être absorbée. On réalise ainsi un confinement de la puissance dissipée dans le matériau.Suivant le cas, ce réflecteur est de forme plane ou présente une courbure, la forme étant déterminée pour obtenir un confinement optimum de l'énergie. La présence du réflecteur présente en contrepartie un inconvénient grave. La coexistence des ondes incidentes et des ondes réfléchies par le réflecteur crée un régime d'interférences dans la zone occupée par le matériau. Les franges d'interférences dans ce matériau se traduisent par des maxima et des minima de champ électrique, donc de la densité de puissance au sein du matériau à traiter. Cette variation de densité de puissance est extrêmement gênante dans de nombreux cas car elle se traduit par une hétérogénéité du produit final. Elle peut être catastrophique lorsque chaque particule doit avoir absorbé une énergie minimum, comme c'est le cas pour la stérilisation. L'invention a pour but de fournir un four à micro-ondes répondant mieux que les fours antérieurs aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il atténue les inconvénients cidessus de façon très considérable tout en ne mettant en oeuvre que des moyens excessivement simples. Dans ce but, l'invention propose un four à micro-ondes comprenant un irradiateur alimenté par un générateur de micro-ondes et un réflecteur délimitant avec Irirradiateur un espace de réception d'un matériau à chauffer, four caractérisé notamment en ce que le réflecteur est d'un type qui donne aux ondes réfléchies un plan de polarisation qui fait un angle notable avec celui des ondes incidentes provenant de l'irradiateur, avantageusement de l'ordre de 90". Un réflecteur répondant à la condition ci-dessus est constitué par une surface métallique devant laquelle est placée une nappe de fils parallèle à la surface, dont la distance à celle-ci est de l'ordre du quart de la longueur d'onde des micro-ondes émises, les fils faisant un angle de 45" environ avec le plan de polarisation des ondes incidentes. Le four suivant l'invention, tel qu'il vient d'être défini, permet d'éliminer dans une mesure pratiquement toujours suffisante les variations de puissance liées aux régimes d'interférences dans les fours classiques à réflecteur, en donnant au sys tème d'ondes résultant une polarisation elliptique. En d'autres termes, on atténue dans une très large mesure les variations de puissance dissipée dans le sens de l'épaisseur du matériau à traiter, c'est-à-dire dans le sens de l'axe du système irradiateur-réflecteur.Mais lorsque le produit se présente avec une surface importante, l'homogénéité n'est réalisée dans toute la masse que si le faisceau de micro-ondes a une densité de puissance sensiblement constante sur toute sa section droite, ou si l'on fait circuler le produit suivant un trajet tel que toutes ses fractions reçoivent une énergie cumulée identique au cours de leur trajet dans le faisceau de l'irradiateur. Or, il n'est souvent pas possible de remplir cette dernière condition, en particulier lorsque ltirradiateur a une symétrie de révolution et on sait par ailleurs que les irradiateurs classiques ont tendance à concentrer l'énergie dans la région proche de l'axe. L'invention propose également un four dont l'irradiateur est d'un type fournissant un faisceau ayant une surface d'ondes sensiblement plane avec une densité sensiblement constante d'énergie dans toute sa section droite, permettant de faire disparaitre ce défaut. Un irradiateur répondant à cette condition comprend un réflecteur principal à section droite parabolique et un réflecteur auxiliaire dont la section droite se rapproche d'une calotte parabolique, de plus faible développement que le réflecteur principal, placé à l'intérieur de celui-ci et ayant le même foyer, ainsi que des moyens pour diriger sur le réflecteur auxiliaire un faisceau d'ondes dont les surfaces d'ondes sont perpendiculaires à l'axe commun des deux réflecteurs. Un tel irradiateur peut être envisagé soit avec une symétrie cylindri que, soit avec une symétrie de révolution.Dans le premier cas, le faisceau d'ondes sera avantageusement en-o M sur e ref lecteur auxiliaire par un guide d'ondes s'ouvrant par des fentes alternées. Dans le second cas, on utilisera avantageusement un guide d'ondes s'ouvrant en bout. Dans tous les cas, on voit que l'invention permet de dissiper dans toutes les fractions d'un matériau une même densité d'énergie hyperfréquence, sans pour autant nécessiter l'emploi de moyens de brassage ou de circulation qui peuvent être d'ailleurs impossible ou très difficile à mettre en oeuvre pour certaines applications, en particulier lorsque le matériau doit être maintenu sous vide ou en atmosphère contrôlée. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit de fours constituant des modes particuliers de mise en oeuvre donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la fig. 1 montre très schématiquement, en perspective, un four utilisant un irradiateur muni d'un miroir réflecteur en forme de calotte de paraboloide - la fig. 2 est un schéma montrant la rotation subie par le plan de polarisation des ondes lors de la réflexion - la fig. 3, similaire à la fig. 1, montre l'irradiateur et le convoyeur d'un four constituant un second mode due mise en oeuvre de l'invention. Le four dont les éléments essentiels sont représentés schématiquement en fig. 1 comporte un irradiateur, désigné dans son ensemble par la référence 10, et un réflecteur 11. L'irradiateur est constitué par une source 12 alimentée en micro-ondes par une ligne de transmission 13 qui, suivant la fréquence adoptée, est soit un guide d'ondes, soit une ligne coaxiale, soit même une ligne plate (strip-line en terminologie anglo-saxonne) et par un miroir réflecteur 14 constitué par une calotte de paraboloide. La source 12 est placée au foyer du paraboloide de façon que les ondes émises par l'irradiateur présentent des surfaces d'ondes sensiblement planes. Le réflecteur Il comporte une plaque plane réfléchissante 15 (plaque en alliage léger par exemple) disposée perpendiculairement à l'axe de l'irradiateur. Si le réflecteur se limitait à cette plaque, un régime d'interférence entre les ondes incidentes et les ondes réfléchies apparaitrait dans l'espace compris entre l'irradiateur et le réflecteur. En conséquence, le matériau à traite 16, représenté sous forme d'une couche déplacée par un cor 3yeur à bande 17 suivant la direction de la flèche f (le con vo; --ur étant évidemment en matériau ne présentant que des pertes faibles en hyperfréquence, néoprène par exemple), ne serait pas irradié de façon uniforme dans toute son épaisseur.Certaines des couches superposées suivraient une zone correspondant à un maximum de champ électrique, tandis que d'autres traverseraient uniquement une zone de minimum de champ électrique. On pourrait penser qu'il suffit de brasser le matériau pour écarter cet inconvénient, mais cette opération implique toujours l'adjonction de moyens supplémentaires et elle est très difficile à réaliser lorsque le matériau 16 doit être maintenu en atmosphère contrôlée ou sous vide partiel, par exemple pour accélérer sa dessication. Le défaut qui vient d'être mentionné est écarté en utilisant un réflecteur 11 qui provoque une rotation du plan de polarisation des ondes lors de la réflexion, rotation qui est avantageusement de 90". Le réflecteur 11 comporte dans ce but une nappe de fils 18 parallèles entre eux et à la plaque réfléchissante 11. Ces fils sont portés par des isolateurs 19 dont quelques-uns seulement sont représentés pour plus de simplicité. La nappe est à une distance de la surface de la plaque 11 en regard de l'irradiateur qui est sensiblement égale à un quart de la longueur d'onde fournie par l'irradiateur 10, dans le milieu entre la nappe et la surface. Les fils sont orientés à 45" de la direction du champ électrique des ondes incidentes. La distance entre les fils est choisie de façon que l'écran constitué par la nappe soit pratiquement transparent pour le champ perpendiculaire aux fils et pratiquement réfléchissant pour le champ parallèle aux fils.Pratiquement, on utilisera une distance entre les fils comprise en tre /8 et AS4, q désignant la longueur d'ondes. Le diamètre des fils doit être faible par rapport à la longueur d'ondes. Pratiquement, on utilisera en général un diamètre de l'ordre de /50, mais on peut aller jusqu'à A/30. Le diamètre minimum est choisi de façon à ce que l'écran présente une réactance de self pour la composante perpendiculaire du champ. Pratiquement, on ne descendra pas au-dessous d'un diamètre égal à A/100. Le réflecteur 11 présente un fonctionnement qui est similaire à celui du miroir utilisé dans certains types d'antennes. I1 ne sera donc que sommairement décrit. L'onde électromagnétique incidente, supposée plane, se propage suivant l'axe commun de l'irradiateur 10 et du réflecteur 11, axe désigné par x sur la fig. 2. Son champ électrique est dirigé suivant le vecteur Ei. Ce champ peut être regardé comme constitué d'une composante E //, parallèle à la direction d'orientation des fils et d'une composante El , orthogonale à la direction des fils 18 et de même module que E//. Le champ E// se réfléchit sur les fils avec un changement de phase de 1800. La composante El passe au contraire à travers les fils et, à une distance > /4 plus loin, rencontre la plaque 15 sur laquelle elle se réfléchit, également avec un changement de phase de 1800. Cette composante, lorsqu'elle se recompose avec le champ parallèle réfléchi, a donc subi un déphasage supplémentaire de 1800. En conséquence, l'onde réfléchie présente un champ électrique Er orthogonal à Ei ; elle se propage dans le sens de la flèche F', alors que l'onde incidente se propage dans la direction F.Le champ total résultant de l'inter- férence entre le champ électrique incident Ei et le champ électrique réfléchi Er est alors une onde à polarisation elliptique. Les grands axes des ellipses de polarisation ont une orientation variable suivant leur distance au réflecteur, mais le module du vecteur décrivant l'ellipse, représentant le champ électrique total, n'est jamais nul. La valeur moyenne reste même sensiblement constante. Etant donné que les effets entrant en jeu (pertes diélectriques notamment) sont proportionnels au carré du module du champ électrique, le défaut des fours classiques est pratiquement éliminé puisque l'on ramène la valeur moyenne du module sur une période à une valeur sensiblement constante en tous les points de l'axe x. A titre d'exemple, un four travaillant sur une fréquence de 10 GHz (correspondant à une longueur d'onde de 30 mm dans l'air) a été réalisé. Les fils du réflecteur avaient un diamètre de 1 mm et leur distance à la plaque 15 était de 7,5 mm. Un tel four permet notamment de dessécher des produits alimentaires pulvérulents, tels que les farines lactées. Un four en bande S (fréquence 2,25 GHz :A= 13 cm) utiliserait des fils de 2 à 3 mm de diamètre écartés de 1 cm environ. Si l'on tente de donner au four de la fig. 1 un miroir réflecteur parabolique de grand développement angulaire, on se heurte à un problème qui est particulièrement aigu lorsque 1 'on traite des charges placées à poste fixe au lieu de les déplacer perpendiculairement au faisceau de micro-ondes. Cet inconvénient, qui existe également dans les appareils classiques, est dû à ce que les irradiateurs à réflecteur parabolique ont tendance à concentrer l'énergie dans la partie centrale du faisceau, en d'autres termes, à émettre une densité de puissance plus importante dans cette partie centrale. En conséquence, la puissance dissipée n'est pas la même sur toute la surface du produit. En principe, on peut espérer rétablir l'homogénéité en utilisant un irradiateur dont le réflecteur ait un tronçon de cylindre parabolique, en faisant circuler le matériau à traiter dans une direction perpendiculaire au plan de symétrie du réflecteur. En fait, cette solution se montre inutilisable dans de nombreux cas, en particulier lorsque le produit doit défiler sous une grande longueur sous l'irradiateur, ce qui implique de le faire circuler parallèlement à celui-ci. De toute façon, elle ne constitue qu'un palliatif puisque, à puissance maximum donnée (notamment pour éviter les flashes en cas de traitement sous vide) elle conduit à allonger le trajet nécessaire. L'inconvénient ci-dessus indiqué est écarté en utilisant un irradiateur du type illustré sur la fig. 3, irradiateur qui peut être associé à un réflecteur du type illustré sur la fig. 1, du moins chaque fois qu'il est possible de placer un réflecteur à l'opposé du matériau à traiter par rapport à l'irradiateur. Le four de la fig. 3 comprend encore un irradiateur désigné dans son ensemble par la référence 19. Cet irradiateur, contrairement à celui de la fig. 1, est à symétrie cylindrique. Il comprend un réflecteur principal 20 et un réflecteur auxiliaire 21 destine à "éclairer" le réflecteur principal. Le réflecteur principal présente une section droite parabolique. A travers sa partie centrale débouche un divergent, constitué de deux flasques 22, qui dirige vers le réflecteur auxiliaire 21 les micro-ondes provenant d'un excitateur 23. Cet excitateur est d'un type fournissant un champ électrique perpendiculaire aux parois des fas- ques, contenu dans un plan normal au plan de symétrie médian du réflecteur 20. Cet excitateur peut être un guide à fentes alimenté en mode non résonnant, les fentes pouvant être du type shunt ou du type série - shunt. Dans le mode de réalisation illustré sur la fig. 3, le guide d'ondes, qui rayonne un champ électrique dirigé suivant la flèche f1, est à fentes alternées, les fentes étant réparties de façon que chacune rayonne une puissance identique. Le divergent s'ouvre à travers le réflecteur principal 20 par une ouverture de largeur d. Le faisceau de micro-ondes qu'il produit tombe sur le réflecteur auxiliaire 21, placé dans la zone de Rayleigh et de largeur égale à d. Pratiquement, il est nécessaire que la distance I entre le débouché du divergent et le réflecteur auxiliaire 21 soit nettement inférieure à d2/2À pour que la condition de fonctionnement dans la zone de Rayleigh soit respectée. Le réflecteur auxiliaire 21 est constitué par un segment de cylindre dont la directrice se rapproche d'un segment de parabole dont le foyer est confondu avec celui de la directrice du réflecteur principal 20. Toutefois, cette directrice n'est pas exactement une parabole. Elle est déterminée par un calcul de diffraction de façon que le faisceau renvoyé par le réflecteur principal 20 éclairé par le réflecteur auxiliaire 21 soit constant sur toute sa section droite. L'obtention de ce résultat implique que le champ électrique fourni par l'excitateur soit perpendiculaire aux génératrices des segments de cylindre constituant le réflecteur, condition qui est remplie par l'emploi du guide d'onde à fentes 24. Sur la fig. 3 est également représenté un convoyeur, constitué par un tapis roulant 25 en matériau présentant de faibles pertes diélectriques, destiné à faire circuler le produit à traiter le long de ltirradiateur. Lorsque cela est possible, un réflecteur, indiqué en 26 et qui peut être du type décrit avec référence à la fig. 1, est avantageusement ajouté. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend aux variantes de tout ou partie des dispositions décrites restant dans le cadre des équivalences REVENDICATIONS 1. rour à micro-ondes comprenant un irradiateur alimenté par un générateur de micro-ondes et un réflecteur délimitant avec lirradiateur un espace de réception d'un matériau à chauffer, caractérisé en ce que ledit réflecteur est d'un type qui donne aux ondes réfléchies un plan de polarisation qui fait un angle notable avec celui des ondes incidentes provenant de l'irradiateur. 2. Four suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le réflecteur est d'un type donnant aux ondes réfléchies un plan de polarisation faisant un angle d'environ 90" avec celui des ondes incidentes. 3. Four suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le réflecteur comporte une surface réfléchissante et une nappe de fils parallèle à la surface, placée entre ladite surface et l'irradiateur, les fils étant orientés à 45" environ du plan de polarisation des ondes incidentes et à un quart de longueur d'onde de celle-ci. 4. Four suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'irradiateur comporte un réflecteur principal fournissant un faisceau d'ondes dont les surfaces d'ondes sont planes, réflecteur ayant une symétrie cylindrique ou de révolution et dont la génératrice est un arc symétrique de parabole. 5. Four suivant la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que l'irradiateur est d'un type fournissant un faisceau ayant une surface d'ondes sensiblement plane, avec une densité sensiblement constante d'énergie dans tout son volume. 6. Four comprenant un irradiateur alimenté par un générateur de micro-ondes et un réflecteur délimitant avec l'irradiateur un espace de réception d'un matériau à chauffer, caractérisé en ce que ledit irradiateur est d'un type fournissant un faisceau d'ondes ayant une surface d'ondes sensiblement plane et une densité sensiblement constante d'énergie sur toute sa section. 7. Four suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'irradiateur comprend un réflecteur principal à section droite parabolique et un réflecteur auxiliaire approximativement parabolique, de plus faible développement que le réflecteur-princi- pal, placé à l'intérieur de celui-ci et ayant le même foyer, et des moyens pour diriger sur le réflecteur auxiliaire un faisceau d'ondes ayant des surfaces d'ondes perpendiculaires à l'axe com mun des réflecteurs. 8. Four suivant la revendication 7, caractérisé en ce que, les réflecteurs de l'irradiateur étant à symétrie cylindrique, le faisceau d'ondes est fourni par un guide d'ondes porté par le réflecteur principal et couplé par des fentes alternées à un divergent qui s'ouvre à travers le réflecteur principal dans l'espace compris entre les réflecteurs principal et auxiliaire, ce divergent étant dans la zone de Rayleigh. 9. Four suivant la revendication 4, caractérisé en ce que, les réflecteurs de l'irradiateur étant à symétrie de révolution, le faisceau d'ondes est fourni par un guide d'ondes s'ouvrant en bout à travers le réflecteur principal. 10. Application du four suivant l'une quelconque des revendications précédentes au séchage ou à la déshydratation homogène de matériaux déplacés à travers le faisceau d'ondes entre l'irra- diateur et le réflecteur et parallèlement à ce dernier.