Brevet FR2225907A1 — publié le 19741108

La présente invention concerne un dispositif haute fréquence permettant le chauffage de matériaux diélectriques se présentant sous forme allongée - fil, cordonnet, ruban, tige ou profilé par exemple - -de faible section. te chauffage haute fréquence par pertes diélectriques est une technique bien connue utilisée dans diverses applications telles que par exemple le traitement de certains matériaux, le chauffage de pièces à mouler, à façonner, à sécher... Différents types de dispositifs sont utilisés selon les dimensions, la forme, la nature des pièces à traiter. De manière générale l'énergie hyper- fréquence délivrée par un générateur à tube, klystron ou magnétron par exemple, est amenée vers la pièce à chauffer par un guide d'onde. Selon les cas, la pièce peut être placée dans le guide lui-même, ou dans une cavité résonnante couplée au guide. Lorsqu'il s'agit de pièces allongées, comme ctest le cas ici, dont la longueur est trop grande pour que la totalité de la pièce soit simultanément chauffée, le chauffage se fait en continu au cours du défilement de la pièce dans le dispositif de chauffage, guide d'onde ou cavité. Le chauffage de pièces de faible section et de grande longueur présente certaines difficultés en raison de la faible masse de produit simultanément soumise au champ hyperfréquence, surtout si l'on souhaite réaliser ce chauffage rapidement et donc utiliser une vitesse de défilement assez grande ; ces difficultés sont encore augmentées si le matériau à chauffer présente un faible facteur de pertes. t'utilisation d'une cavité permet d'augmenter l'énergie localement transmise au matériau à chauffer. Par contre, elle présente deux inconvénients importants, par rapport à l'utilisation de guides d'ondes ; d'une part le matériau n'est chauffé qu'une seule fois sur une très petite longueur à la fois, d'autre part la bande de fréquences admissible pour un réglage donné de la cavité est très faible, ce qui est difficilement compatible avec le type de générateur haute fréquence généralement utilisé. t1 invention propose un dispositif de chauffage à plusieurs cavités permettant de transmettre au matériau à chauffer une grande partie de l'énergie hyperfréquence disponible, améliorant ainsi son rendement tout en présentant une bande de fréquences relativement large, compatible avec les générateurs utilisés. Selon l'invention, un dispositif de chauffage haute fréquence par pertes diélectriques, d'un matériau diélectrique de faible section se présentant sous forme allongée, comporte plusieurs cavités résonnantes couplées entre elles, alimentées en série par un générateur haute fréquence et accordées sur la fréquence de ce générateur, le matériau à chauffer défilant en continu à travers ces cavités, sensiblement selon leur axe commun. Dans un mode de réalisation préféré du dispositif de chauffage selon l'invention, les cavités sont couplées de manière que le matériau allongé à chauffer défile parallèlement au champ électrique dans ces cavités, se trouvant ainsi toujours dans une ré- gion de champ dlectrique maximal. Ainsi, dans une première variante où les cavités résonnantes sont des cavités rectangulaires, recevant du générateur haute fréquence une onde hyperfréquence se propageant selon le mode fondamental TE10 des guides rectangulaires, ces cavités sont couplées par leurs grandes faces perpendiculaires à la composante électrique du champ électromagnétique. Dans une deuxième variante où les cavités sont des cavités cylindriques, recevant du générateur une onde se propageant selon le mode È11 des guides-cylin- driques, ces cavités sont couplées par les parois des cylindres les constituant. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui repré- sentent - la figure 1 : une vue en coupe d'un dispositif de chauffage selon l'invention - les figures 2 et 3 : des vues respectivement de dessus et de profil du dispositif de la figure 1 - la figure 4, une vue en coupe d'une des cavités du dispositif de la figure 1. Il est à noter que de mêmes références sur les différentes figures indiquent les mêmes éléments. tes figures 1 à 4 représentent un dispositif de chauffage selon l'invention dans une variante où les cavités sont des cavités rectangulaires. L'invention englobe les variantes utilisant des cavités cylindriques ; quelques précisions concernant ces variantes seront données plus loin. te matériau à chauffer est comme déjà mentionné, un matériau diélectrique se présentant sous une forme allongée de faible section, fil 16 par exemple. Le dispositif de chauffage comporte un générateur haute fré- quence 1 appliquant une énergie hyperfréquence à un guide d'ondes 2. Le guide 2, ou guide d'entrée est couplé à une première cavité résonnante 3 du dispositif de chauffage de l'invention, l'adaptation d'impédance de ce couplage étant effectuée par exemple à l'aide de deux tiges métalliques 13 (figures 1 et 37 reliant les deux grandes faces du guide (faces coupées sur la figure 1), ces deux tiges étant disposées d'une manière connue en elle-même, parallèlement aux petites faces de ce guide et perpendiculairement à la direction de propagation de tonde hyperfréquence. Plusieurs cavités résonnantes identiques 4, au nombre de cinq dans l'exemple illustré ici, sont ensuite couplées en série, la première étant ellerneame couplée à la cavité d'entrée 3 et la dernière à la cavité de sortie 5. ta cavité de sortie 5 est ellemême couplée à un guide d'onde de sortie 6, comme la cavité d'entrée 3 l'est au guide d'entrée 2, avec adaptation par deux tiges métalliques 13. Il est à noter que la figure 3 représente, vue de profil, aussi bien la cavité d'entrée 3 que la cavité de sortie 5. te guide de sortie 6 se termine par une charge absorbante 7, absorbant l'énergie non utilisée par le chauffage haute fréquence. tes cavités résonnantes 4, dont une vue en coupe, selon l'axe XX de la figure 2, est donnée à la figure 4, sont constituées d'éléments de guide d'onde rectangulaire court-circuités à leurs deux extrémités par des lames métalliques 8 reliant les deux grande s faces des tronçons de guide et disposées parallèlement à leurs petites faces (coupées sur la figure 4). Ces lames 8 forment deux plans de court-circuit dont la distance D est choisie de manière à être sensiblement égale à la demi longueur d'onde A de l'onde haute fréquence propagée dans le guide 2. tes deux cavités extrêmes, cavité d'entrée 3 et cavité de sortie 5 (figures 1, 2 et 3) comportent un tel plan de courtcircuit à l'une de leurs extrémités, tandis que l'autre, servant au couplage respectivement avec les guides d'entrée 2 et de sortie 3, comporte les tiges 13 précitées s ces tiges 13 sont également à une distance D = A/2 du plan de court-circuit défini par les lames 8. te couplage électrique entre les diverses cavités est réalisé au moyen d'orifices circulaires 9 (figure 4) pratiqués au milieu des grandes faces des cavités. ta continuité électrique, au niveau de ces orifices de couplage entre deux cavités successives, est assurée par un court manchon métallique 10 (figures 1 et 2)soudé de part et d'autre. tes cavités extrêmes, d'entrée 3 et de sortie 5, comportent, sur leur grande face non couplée aux cavités intermédiaires 4, une ouverture 11, dans l'axe des orifices de couplage 9. Cette ouverture est prolongée vers l'extérieur par un tube métallique 12 (figures 1, 2 et 7) de dimensions telles que les fuites d'énergie vers l'extérieur soient négligeables. te matériau diélectrique.à chauffer, fil 16 par exemple est déplacé, de Lanière continue, à travers les différentes cavités comme l'indique la flèche d. Dans le mode de réalisation illustré ici, la coosante électrique E du champ électromagnétique est, grâce à l'orientation des cavités et au mode de réalisation de leur couplage électrique (par leurs grandes faces), parallèle à la direction d de deplace- ment du fil 16, et constante tout le long de la traversée d'une cavité par le fil. Comte de plus le fil 16 se déplace au centre des cavités, il se trouve dans un champ électrique maximal en tout point de sa traversée de chaque cavité, et est soumis à un échauffement maximal dans chaque cavité. Un ajustage fin de la fréquence de résonance des cavités permettant d'une part de compenser les tolérances mécaniques de construction et d'autre part de rattraper les déplacements de leur fréquence de résonance causés par le passage du produit à chauffer, déplacements qui sont fonction de la constante diélectrique de ce produit, est fait par le réglage de deux barreaux 14 en matériau diélectrique à faibles pertes qui pénétrent plus ou moins à l'intérieur de chaque cavite, au milieu de leurs petites faces. Ces barreaux 14 coulissent dans des tubes métalliques 15 servant à la fois de guide et de blindage électrique. L'utilisation de plusieurs cavités en série, conformément à l'invention, permet, comme il a déjà été dit d'élargir la bande de fréquence d'utilisation du dispositif ; dans un exemple de réalisation où le dispositif comporte 10 cavités en série accordées sur une fréquence de résonance de 2450 MH , on obtient par exemple une bande de fréquence admissible de 25 NHz. tes différents paramètres tels que nombre de cavités, couplage entre les cavités, plage d'ajustage de la fréquence de résonance, sont déterminés en fonction des caractéristiques diélectriques du matériau à chauffer, pour une utilisation optimale de l'énergie hyperfréquence.En effet, l'échauffement du matériau à chauffer s'accroît à son passage dans chaque cavité tandis que l'énergie hyperfréquence diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne du générateur. te mode de réalisation décrit ici, dans lequel les cavités sont court-circuitées à leurs ;extrémités, non pas par une paroi pleine, mais par un système de lames parallèles 8, présente l'avantage de permettre d'adjoindre très facilement au dispositifde l'invention un chauffage complémentaire conventionnel tel que infra-rouge ou air chaud, une ventilation ou une aspiration selon les besoins. Le nombre de ces lames et leur longueur sont choisis de manière à permettre un bon fonctionnement du dispositif complémentaire tout en n'occasionnant que de très faibles fuites d'énergie hyperfréquence vers l'extérieur.Il est entendu que si un tel dispositif complémentaire n1 est pas nécessaire, les cavités peuvent être simplement fermées par deux parois planes distantes de Dans un mode de réalisation qui ne présenterait pas un aussi bon rendement que celui qui vient d'être décrit, mais qui présenterait les mêmes avantages d'élargissement de la bande de fréquence admissible, les cavités peuvent être couplées,non plus par leurs grandes faces, mais par leurs petites faces. Il faut encore noter que dans l'exemple qui a été décrit à l'aide des figures 1 à 4, toutes les cavités sont disposées de manière que leurs faces correspondantes soient toutes parallèles. Cette disposition n'est pas indispensable. Les cavités peuvent tourner autour de leur axe commun (le long duquel se déplace le fil 16) de quantités différentes pour chacune d'elle 2 la composante électrique E du champ électromagnétique reste parallèle à cette direction et l'on est toujours dans un mode de réalisation à rendement maximal. Il est encore possible, comme il a déjà été signalé de réaliser le dispositif de l'invention à l'aide de cavités cylindriques. Dans ce cas, les cavités, résonnant sur le mode TE11, sont couplées les unes aux autres par la surface latérale des cylindres les constituant, de manière que la composante électrique du champ électromagnétique soit parallèle au fil à chauffer et le rendement maximal comme il vient d'être dit pour des cavités rectangulaires. Dans ce cas, les faces opposées des cylindres constituant les cavites peuvent être constituées, comme dans le cas des cavités à section rectangulaire, de plusieurs lames métalliques parallèles. Ces lames sont alors fixées de part et d'autre, à la surface latérale de ces cylindres, denanière à être parallèles à la direction de défilement du matériau dans les cavités. REVENDICADIONS 1. Dispositif de chauffage haute fréquence par pertes dié lectriques, d'un matériau diélectrique se présentant sous forme allongée, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs cavités résonnantes couplées entre elles, alimentées en série par un ge- nérateur haute fréquence et accordees sur la fréquence de l'onde émise par ce générateur, le matériau à chauffer défilant en continu à travers ces cavités, sensiblement selon leur axe commun. 2. Dispositif de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cavités sont couplées de manière que le matériau à chauffer défile parallèlement à la composante électrique du champ électromagnétique dans ces cavités,se trouvant ainsi toujours dans une région de champ électrique maximal. 3. Dispositif de chauffage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les cavités résonnantes sont des cavités à section rectangulaire et sont couplées par leurs grandes faces, au moyen d'orifices circulaires situés au centre de ces grandes faces, l'orifice d'une cavité et celui de la suivante étant réunis par un manchon métallique tubulaire, le matériau à chauffer défilant d'une cavité à l'autre dans ces manchons. 4. Dispositif de chauffage selon la revendication 3, caractérisé en ce que deux faces opposées de chaque cavité, autres que lesdites grandes faces servant au couplage, sont constituées au moyen de plusieurs lames métalliques parallèles entre elles et fixées entre lesdites grandes faces auxquelles elles sont perpendiculaires. 5. Dispositif de chauffage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les cavités résonnantes sont des cavités cylindriques et sont couplées par la surface latérale des cylindres les constituant au moyen d'orifices circulaires situés à midistance des faces opposées desdits cylindres, l'orifice d'une cavité et celui de la suivante étant réunis par un manchon métallique tubulaire, le matériau à chauffer défilant d'une cavité à l'autre dans ces manchons. 6. Dispositif de chauffage selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux faces opposées de chaque cavité sont constituées au moyen de plusieurs lames métalliques parallèles entre elles et fixées de part et d'autre sur la surface latérale des cylindres constituant les cavités, de manière à être parallèles à la direction de défilement du matériau à chauffer. 7. Dispositif de chauffage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque cavité résonnante comporte un dispositif de réglage fin de sa fréquence de résonance.