Brevet FR2393255A1 — publié le 19781229

La présente invention, due à la collaboration de Messieurs Jean MENERET et Guy JAMOIS de la Société Carbonisation Entreprise et Céramique et Maurice QUENAULT du Commissariat à l'Energie Atomique, a pour objet une enceinte pour le chauffage de produits par hyperfréquences. Elle trouve une application chaque fois que la température à laquelle on veut porter les produits est élevée, de l'ordre de 10000C ou plus, ce qui est le cas notamment lorsque l'on veut obtenir un frittage ou une fusion de produits céramiques On sait que les ondes hyperfréquences, appelées encore microondes, se prêtent bien au chauffage de certains corps. L'utilisation de cette technique est connue depuis longtemps pour les produits agroalimentaires, pour le séchage de la pâte à papier, pour la décongélation de produits surgelés, etc. Plus récemment, se sont développées des techniques de traitement thermique à haute température, par exemple aux environs de 10000 à 15000C, conduisant notamment à un frittage ou à une fusion de produits céramiques. Dans de telles applications, on fait défiler les produits à traiter dans une enceinte métallique alimentée par un générateur microondes de forte puissance. L'enceinte est, par exemple, une cavité parallélépipédique.formée de parois massives, en cuivre ou en laiton. Une telle cavité risque de s'échauffer considérablement, moins d'ailleurs du fait de l'énergie hyperfréquence qui s'y dissipe que du rayonnement thermique émis par le produit soumis à l'onde hyperfréquence. Cet échauffement est combattu, dans l'art antérieur, car il provoque une dilatation de la cavité (dans la mesure ot les parois sont massives et réalisées en un matériau qui présente un fort coefficient de dilatation) ce qui entrasse un glissement de la fréquence de résonance de la cavité. Comme la cavité est conçue pour avoir une forte surtension, donc une plage de résonance très étroite, ce glissement de fréquence risque de dés adapter com plètement la source hyperfréquence et la cavité. Pour remédier à cet inconvenient on peut effectuer une correction de fréquence, par exemple au moyen d'un piston mobile, dont le déplacement est censé rétablir en permanence la fréquence initiale de résonance. Mais une telle correction est délicate, de sorte luron préfère toujours en pratique refroidir énergiquement la cavité, par exemple au moyen d'une circulation de liquide réfrigérant, de l'eau le plus souvent ou en soufflant de l'air sur les parois de l'enceinte. Si une telle méthode résout bien le problème de la stabilité dimensionnelle de la cavité, elle en crée un autre, non moins grave, qui est le suivant. Les produits à traiter sont introduits, selon cet art antérieur, dans une cavité dont les parois sont maintenues froides, ce qui conduit à une situation paradoxale où les produits portés, par exemple, à une température de 10000C, sont disposés à proximité d'une paroi qui est à une température proche de l'ambiante. Ceci n'est évidemment pas de nature à accélérer leur échauffement ni à permettre l'obtention de températures élevées. Dans de telles installations, les pertes thermiques sont donc très importantes, ce qui limite d'autant leurs performances. La présente invention a justement pour objet une enceinte pour le chauffage par hyperfréquences qui ne présente pas cet inconvénient. En effet, sa structure est telle que l'enceinte peut être portée à une température élevée, ce qui accélère l'échauffement des produits et permet d'atteindre une température supérieure à celle qu'on obtient avec les dispositifs de l'art antérieur. A cette fin, l'enceinte de l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend une enveloppe extérieure qui est constituée d'un matériau réfractaire isolant thermique déli- mitant un volume intérieur dont la paroi est rendue conductrice de l'électricité et présente une faible inertie thermique. De préférence, le matériau réfractaire présente un faible coefficient de dilatation thermique. Dans une première variante, l'enveloppe extérieure est en matériau fritté, notamment en silice dite vitreuse. I1 s'agit d'un matériau dense, obtenu par frittage de grains concassés et qui présente un coefficient de dilatation de l'ordre de Dans une seconde variante, le matériau constituant l'enveloppe extérieure est en matériau alvéolaire. Cette structure alveolaire peut être obtenue en créant dans la matière des vides, soit en incorporant à celle-ci une matiè- re organique qui est ensuite brûlez, soit en incorporant des éléments moussants qui développent des bulles de taille plus ou moins importante selon le degre de malaxage de la pâte. Dans une troisième variante, le matériau constituant l'enveloppe extérieure est en matériau fibreux, notamment en fibres de silice. Enfin, dans une quatrième variante, le matériau constituant l'enveloppe est un mélange de béton et de ciment. Dans un premier mode de réalisation, un matériau réfractaire est ajouté à ce mélange, une argile allégée sous forme de billes par exemple. Une telle structure convient bien aux températures de 700-800 C. Dans un second mode de réalisation, le béton utilisé est un béton alumineux, obtenu par exemple, par mélange d'un béton avec un aluminate de calcium. Eventuellement, l'enveloppe obtenue peut être alvéolée à sa partie arrière, dans son épaisseur, pour améliorer le calorifugeage. Une telle structure convient bien aux températures de l'ordre de 14Q0-1500 C. Dans les deux cas, l'enveloppe en béton peut être obtenue par moulage autour d'un noyau présentant la forme de l'enceinte hyperfréquence (parallélépipédique par exemple). Pour créer la paroi conductrice de Igélectricité nécessaire à l'établissement du champ électromagnétique hyperfréquence dans l'enceinte de chauffage, on sey prend de plusieurs manières : - soit en mélangeant au matériau constituant l'enveloppe un oorps conducteur de l'électricité à l'état de poudre, (par exemple du graphite ou un métal, du cuivre notamment), le tout étant ensuite fritte. La quantité de poudre utilisée détermine la conductivité électrique. Elle peut être plus importante au voisinage de la paroi intérieure de l'enceinte que dans le volume de l'enveloppe.Mais cette méthode utilisant une poudre conduit à une paroi relativement peu conductrice car il n'est guère possible d'ajouter une quantité importante de graphite, par exemple, à la silice, si l'on veut pouvoir fritter convenablement l'ensemble ; - soit par projection à chaud, dans la flamme d'un chalumeau oxyacéthylénique ou dans un plasma, d'un métal comme le cuivre, l'inox ou l'inconel - soit en plaquant sur la paroi intérieure de l'enveloppe une feuille conductrice de graphite ou de métal de quel ques dizièmes de millimètres d'épaisseur, présentant donc peu d'inertie thermique ;; - soit, encore, en ancrant.dans l'enveloppe refractaire un grillage métallique dont la dimension des mailles est très inférieure à la longueur d'onde utilisée (par exemple de l'ordre du millimètre si l'on opère en bande S) ; - soit, enfin, en constituant cette paroi par de minces bandes métalliques juxtaposées, plaquées sur l'enveloppe réfractaire et qui peuvent se dilater dans le sens de leur longueur. I1 va de soi qu'on pourrait utiliser autres matériaux que ceux qui viennent d'être décrits à titre illustratif, dès lors qu'ils remplissent les mêmes fonctions et aboutissent aux mêmes résultats. C'est ainsi qu'on pourrait utiliser également de la zircone, qui presente la particularité d'être conductrice de l'électricité, mais seulement aux environs de 10500C. I1 est alors nécessaire, dans ce cas, de préchauffer l'enceinte pour lui donner la température convenable. Ceci peut être obtenu par exemple en disposant des résistances chauffantes dans ou à I'extérieur de la cavité. Dans d'autres cas, on pourrait également utiliser le chromite de lanthane. Dans d'autres cas enfin, le matériau constituant l'enveloppe est un composé céramique-métal, dénommé généralement "cermet", par exemple un composé alumine-chrome. Cette variante convient surtout aux applications ne conduisant pas à une température supérieure à 12000C, car le coefficient de dilatation d'un tel composé est supérieur à celui de la silice fondue. On observera que dans toutes ces variantes, l'accent est mis autant sur la réalisation de l'enveloppe réfractaire que sur l'obtention d'une couche électriquement conductrice sur la paroi intérieure de l'enveloppe, et qu'en particulier, on ne s'attache pas nécessairement à l'obtention d'un état de surface soigné pour ladite paroi, contrairement au souci permanent qu'on prend dans l'art anterieur, pour obtenir un métal aux parois soignéusement usinées. La raison en est que le caractère réfractaire de l'enveloppe autorise une élévation importante de la température de l'enceinte et, par conséquent, autorise qu'une partie de l'énergie hyperfréquence soit perdue par effet Joule dans la paroi de la cavité. Dans certains cas même, il peut être avantageux de provoquer délibérément de telles pertes, afin que l'enceinte soit portée à une température élevée et constitue en quelque sorte une étuve, dans laquelle les produits à traiter s'échaufferont d'autant mieux. A la limite, on peut même concevoir, selon l'invention, une cavite dont les parois absorberaient la quasi-totalité de l'énergie hyperfréquence et seraient ainsi portées à une très haute température, de sorte que pourraient entre traités dans une telle enceinte, des produits dont les pertes diélectriques seraient trop faibles pour qu'ils s'échauffent directement sous l'faction du champ hyperfréquence. Dans ce cas évidemment, les produits atteignent une température qui est au maximum celle de l enceinte. Cet exemple limite montre bien que l'invention va à l'encontre des idées qui prévalent généralement à la réalisation d'enceintes pour le chauffage par hyperfréquence et qui préconisent toujours la réalisation de cavités à une température proche de l'ambiante. Naturellement, si les produits à traiter présentent des pertes diélectriques, ce qui est le cas notamment des céramiques, leur échauffement n'en est que favorisé puisqu'ils sont chauffés non seulement par la proximité de parois portées à une température élevée, mais encore par le champ hyperfréquence qui agit directement sur eux ; dans ce cas alors, les produits peuvent atteindre une température supérieure à celle de l'enceinte. Réciproquement, le rayonnement infrarouge émis par les produits chauffés dans la cavité contribue pour une part importante à échauffer l'enceinte. Un autre avantage lié à la possibilité utiliser une faible surtension pour la cavité (ou, ce qui revient au même, de tolérer des pertes Joule non négligeables) est que le glissement en fréquence provoqué par l'introduction des produits et/ou par les modifications de leurs propriétés électriques, est beaucoup moins sensible que dans les structures très surtendues de l'art antérieur. En effet, on sait que plus une structure résonnante est surtendue, plus sa largeur de bande est faible et plus il devient délicat de la faire coSncider avec la fréquence de la source. Au contraire, avec une structure à pertes, la largeur de bande augmente et la criticité du réglage diminue.De façon plus précise, la largeur de bande est proportionnelle aux pertes ; une augmentation de celles-ci d'un facteur- k augmente donc du même facteur la largeur de bande et réduit dsautant les difficultés de réglage. L'expérience confirme en effet que les structures de la présente invention sont beaucoup moins délicates à mettre en oeuvre que les structures de l'art antérieur. L'existence d'une paroi chaude procure encore un autre avantage, qui est le suivant. Dans l'invention, comme d'ailleurs dans l'art antérieur, le produit à chauffer, un tube de céramique par exemple! est introduit dans l'enceinte hyperfréquence (en forme de cavité résonnante par exemple), à travers une ouverture percée dans la paroi dé l'enceinte. Le tube est poussé à une extrémité dans cette ouverture et extrait de la cavité par une autre ouverture percée dans la face opposée, selon une technique dite à défilement continu avec éventuellement rotation du tube sur lui-même.Dans l'art antérieur, les parois sont froides de sorte que le tube subit, caté introduction, un choc thermique très important puisqu'il passe brutalement, en quelques centimètres, de la température ambiante à celle qui règne dans la cavité et qui peut être de l'ordre de 15000C ; de même, c8té extraction, où le tube chaud se trouve plongé dans la température ambiante dès sa sortie de la cavité. L'invention permet de remédier à cet inconvénient de la manière suivante. Les ouvertures d'introduction et d'extraction peuvent être munies de manchons realisés con formément à l'enseignement de la présente invention, à savoir à l'aide d'un matériau réfractaire Comme ces manchons sont soumis à un champ hyperfréquence de fuite, qui rayonne inévitablement par ces ouverturese ils s'échauffent et cela d'autant plus que le matériau qui les constitue n'est pas un excellent conducteur électrique. Les manchons constituent dès lors des moyens de pré chauffage du tube, côté introduction, et de transition thermique côté extraction. Au besoin, dans certaines applications et toujours dans le même esprit d'éviter les chocs thermiques lienceinte de chauffage proprement dite peut être précédée d'une enceinte de préchauffage dont les parois intérieures seraient peu conductrices de l'électricité. Le graphite, notamment en feuille, constitue un excellent matériau pour réaliser ces manchons d'introduction ou d'extraction ou ces cavités de préchauffage. Enfin, l'utilisation d'une enceinte à parois chaudes, selon la présente invention, procure un autre avantage dans le cas où les produits à traiter sont des céramiques. On sait que ces corps présentent de faibles pertes diélectriques à basse température mais que celles-ci augmentent avec ladite température. L'introduction d'un tube en céramique dans une enceinte résonnante froide, dans laquelle est etabli un champ hyperfréquence intense, se traduit parfois par lUapparition brutale de points chauds dans le tube, là où des impuretés absorbant les hyperfréquences permettent au matériau de s3échauffer, donc d'acquérir des pertes diélectriques, ce qui favorise son échauffement sous l'effet des hyperfréquences.Ce processus constitue en quelque sorte une réaction instable déclenchée de manière aléatoire en fonction des impuretés du produit. On déplore donc, dans art antérieur, le caractère capricieux de l'élévation de température et l'hétérogénéité des résultats qui en résulte. La présente invention remédie à cet inconvénient pour les raisons suivantes. Comme les parois de l'enceinte sont à une température élevée, le tube qui y est introduit est inévitablement porté, par le seul rayonnement thermique provenant des parois chaudes, à une température élevée et cela de manière parfaitement homogène, quelle que soit la répartition des impuretés dans le tube Le matériau acquiert donc des pertes diélectriques homogenes, ce qui lui permet ensuite de s'échauffer régulièrement sous leaction du champ hyperfréquence. On a donc substitué au phénomène aleatoire et hétérogène d'initiation de l'échauffement selon l'art antérieur, un moyen contrlable et homogène, ce qui améliore considérablement les qualités des produits traités. I1 va de soi que dans tout ce qui vient dsêtre exposé et dans toutes les variantes qui viennent dartre définies, le volume intérieur de l'enceinte peut présenter une grande variété de formes ; ce peut être une cavité résonnante (parallélépipédique ou cylindrique) ou un guide d'onde (ouvert cu fermé) ou encore une ligne à propagation d'onde de surface (à un ou plusieurs conducteurs). De toute façon, les caractéristiques et avantages de la présente invention apparatront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente une vue drensemble de l'enceinte selon Iinventln ; - la figure 2 illustre, en section droite, quelques variantes de réalisation de l'enceinte et de la paroi conductrice - la figure 3 représente un mode de réalisation très simple d'une enceinte selon l'invention. Bien que l'invention ne se limite pas à ce seul cas particulier, la description qui suit se rapporte à une enceinte hyperfréquence du genre cavité parallélépipédique. Sur la figure 1, l'enceinte reprékentee comprend une enveloppe extérieure 2 réalisée en matériau réfractaire de préférence à faible coefficient de dilatation (par exemple en silice fondue, ou en béton). Cette enveloppe définit une cavité résonnante 4 dont la paroi présente une relativement bonne conductivité électrique. Cette cavité est alimentée en onde hyperfréquence par une source 6, du genre magnétron, reliée à l'enceinte par un guide d'onde 8 débouchant dans la cavité par un iris de couplage 10. La fréquence du magnétron et les dimensions de la cavité sont adaptées pour qu'un mode privilégié s'établisse dans la cavité, ainsi qu il est bien connu. Les produits à traiter sont introduits dans la cavité par un premier orifice 12 et extraits après traitement par un second orifice 14. Dans le cas illustré, ces produits sont des tubes en céramique 16, qui traversent la cavité de part en part dans sa partie médiane, là où le champ électrique est maximal. D'autres moyens particuliers pourraient être associés à une telle enceinte, par exemple un piston mobile pour l'accord de la fréquence de résonance ou une ouverture permettant d'effectuer une mesure pyrométrique, des coupleurs pour effectuer des mesures de puissance ou de fréquence, tous moyens connus ne faisant pas partie de l'invention et, pour cette raison, non illustrés. La figure 2 représente plus en détail la structure de la paroi conductrice intérieure formant la cavité résonnante, selon plusieurs modes de réalisation correspondant aux figures a, b, c et d. Sur la figure 2a, la paroi conductrice se présente sous forme d'un dépit métallique 20 obtenu par pulvérisation à chaud d'un métal dans une flamme d'un chalumeau ou dans un plasma. Pour faciliter cette opération de dept, l'enveloppe 22 est avantageusement réalisée en deux parties, lors de son moulage, ces deux parties étant ensuite réunies, après dépit du métal, le long d'une surface 24. Cette surface de séparation est située de préférence dans des zones où les courants électriques circulant dans les parois de la cavité sont faibles. Si le mode de résonance est le mode TEO1, ces courants sont faibles au centre des faces latérales, de sorte que c'est dans ces zones qu'on effectuera de préférence le raccordement entre les deux moitiés de l'enceinte. La figure 2b représente une paroi conductrice cons tituée par une feuille métallique mince 26, de quelques dizièmes de millimètre d'épaisseur, reposant sur un feutre 28 en fibres réfractaires (par exemple en fibres de silice) ledit feutre peut être éventuellement entouré d'un matériau réfractaire 30. Sur la figure 2c, la paroi métallique est constituée par un grillage 32, à mailles fines, (inférieures à la longueur d'onde et par exemple de l'ordre du millimètre si l'on travaille à 3 cm), ancré dans la paroi réfractaire externe 34. Sur la figure 2d, la paroi conductrice est réalisée à l'aide de bandes métalliques 36, par exemple de quelques millimètres environ de largeur, s'étendant tout le long de la cavité et séparées les unes des autres d'une fraction de millimètre. Sous l'effet de l'élévation de température, ces bandes peuvent se dilater librement dans le sens de leur longueur, sans qu'il en résulte d'augmentation sensible du volume de la cavité, donc sans glissement important de la fréquence de résonance, A cette fin, les bandes peuvent n'être ancrées dans la paroi qu'à l'une de leurs extrémités. Naturellement, d'autres modes de réalisation pourraient être imaginés sans difficulté par l'homme de l'art, à partir de ces exemples, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. Un mode de réalisation particulièrement simple est illustré sur la figure 3. il assagit d'une cavité parallélépipédique 40 constituée par une couche de feutre réfractaire 42 sur laquelle est collée une feuille de graphite 44. Un tel feutre présente un coefficient de dilatation de l'ordre de 5,10-6 6 et une densité de 0,3 à 0,4. Eventuellement, la face extérieure du feutre est badigeonnée d'alumine 46. Des manchons d'introduction 48 et d'extraction 50, de même structure, complètent l'ensemble et permettent une transition en température pour les produits, comme il a été expliqué plus haut. L'ensemble est dsune réalisation très simple et d'une grande légèreté. Si on compare le poids d'une telle structure avec celui d'une structure équivalente en aluminium, on constate un rapport de 1 à 10 en faveur de la structure de l'in- vention, ce qui constitue un avantage considérable dans certaines installations, notamment de grandes dimensions. L'ensemble décrit figure 3 permet de fritter, voire de fondre, des tubes en céramique, avec seulement une puissance hyperfréquence de l'ordre de 1 KW. Si l'enceinte décrite en figure 3 est amenée à travailler à haute température, il peut être utile d'introduire dans la cavité un gaz neutre ou réducteur (de l'azote, de l'argon ou de l'azote hydrogéné par exemple) afin d'eviter une détérioration de la feuille de graphite Ce balayage peut d'ailleurs être utilisé dans toutes les variantes précédemment décrites utilisant un revêtement de graphite ou d'un matériau oxydable. Sur la figure 3, ces moyens d'introduction sont représentés schématiquement par le conduit d'introduction 52 relié à une réserve de gaz 54. L'enceinte qui vient d'être décrite peut être utilisée pour tout traitement thermique, notamment pour le chauffage de produits préformés comme les tubes ou barreaux, en céramiques ou autres matériaux, ou de produits en poudre, et ceci afin d'obtenir par exemple un frittage ou une fusion. REVENDICATIONS 1. Enceinte pour le chauffage par hyperfréquences, caractérisée en ce qu'elle comprend une enveloppe extérieure en matériau réfractaire isolant thermique, délimitant un volume intérieur dont la paroi est rendue conductrice de l'électricité et présente une faible inertie thermique. 2. Enceinte selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau réfractaire présente un faible coefficient de dilatation thermique. 3. Enceinte selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'enveloppe extérieure est en matériau fritté, notamment en silice. 4. Enceinte selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'enveloppe extérieure est en matériau alvéolaire. 5. Enceinte selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'enveloppe extérieure est en matériau fibreux, notamment en fibres de silice. 6. Enceinte selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matériau constituant l'enveloppe est en béton. 7. Enceinte selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'au béton est ajouté un matériau réfractaire, notamment une argile allégée. 8. Enceinte selon la revendication 6, caractérisée en ce que le béton utilisé est un béton alumineux, notamment un béton mélangé à un aluminate de calcium. 9. Enceinte selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la paroi intérieure de l'enceinte est recouverte d'un dépôt métallique obtenu par projection à chaud d'un métal dans une flamme ou un plasma. 10. Enceinte selon la revendication 9, caractérisée en ce que le métal est le cuivre ou l'inox ou l'inconel. 11. Enceinte selon l'une quelconque des revendications 1 à 8g caractérisée en ce que la paroi conductrice du volume intérieur est constituée par un grillage ancré dans l'enveloppe extérieure. 12. Enceinte selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la paroi conductrice du volume intérieur est constituée par une mince feuille conductrice de métal ou de graphite plaquée sur l'enveloppe. 13. Enceinte selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la paroi conductrice du volume intérieur est constituée par de minces bandes de métal juxtaposées. 14. Enceinte selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enveloppe est en zircone ou en chromite de lanthane. 15. Enceinte selon la revendication 3, caractérisée en ce que le matériau de l'enveloppe contient une poudre d'un corps conducteur de l'électricité dilué dans le matériau de l'enveloppe, le tout étant fritté. 16. Enceinte selon la revendication 15, caractérisée en ce que ledit corps est du graphite ou du métal. 17. Enceinte selon la revendication 15, caractérisée en ce que la concentration en corps conducteur dans l'enveloppe décrott lorsqu'on sséloigne de la paroi. 18. Enceinte selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau constituant l'enveloppe est un composé céramique-métal, par exemple alumine-chrome. 19. Enceinte selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisée en ce que le volume intérieur de l'enceinte est une cavité résonnante, ou un guide d'onde ou une ligne à propagation d'onde de surface. 20. Enceinte selon l'une quelconque des revendications 12, 16 et 17, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens pour y introduire un gaz neutre ou réducteur. 21. Application de l'enceinte selon ltune quelconque des revendications précédentes au traitement thermique1 notamment au frittage de produits préformés, notamment en céramiques ou de produits en poudre.