Brevet FR2395663A1 — publié le 19790119

La présente invention due àla collaboration de Monsieur Maurice QUENAULT du Commissariat à llEnergie Atomique et de Messiers Jean MENERET et Guy JAMOIS d ia Carbonisation Entreprise et Céramique, a pour objet un procédé .de traitement thermique d'une pièce par microonde et un dispositif mettant en oeuvre ledit procédé. On sait que les microondes se prêtent bien au traitement thermique de certains matériaux7 qu'il s'agisse de séchage, de cuisson, de frittage ou de fusion Par microonde, on entend l-es ondes dont la longueur est comprise entre environ 0,1 et 33 cm, ce qui correspond à des fréquences comprises entre environ 0,9 et 300 GHz. Mais le plus souvent, es microondes utilisées pour le chauffage industriel correspondent à une fréquence allouée située à 2450 MHz et aussi, bien que moins fréquemment, utilisée à 915 MHz Sur les techniques de traitement thermique par microonde on pourra consulter, par exemple, l'ouvrage de David A.Copson intitulé "Microwave heating" publié en 1962 par "The Avi Publishing Company, Inc." et l'ouvrage de Ernest C Okress intitulé "Microwave power engineering", (chapitre 5 : applications), publié en 1968 par "Academi-c Press Dans certains applications, comme le frittage ou la fusion, la temÙérature atteinte par la pièce en traitement peut etre très élevée ét par exemple de l'ordre de 1500 C à 1700C C;On pourra consulter à propos de telles applications les demandes de brevet français n EN 73 38987 déposée le 31 octobre 1973 pour "Procedé et installations pour le frittage de produits céramiques et EN 74 35332 déposée le 21 octobre 1974 pour "Installation pour le traitement par zone de produits de forme allongée. Les demandeurs ont observé qu'on se heurte fréquemment à-des difficultés lorsqu'on désire effectuer un traitement thermique à très haute température par exemple au-delà de -15000C. Leurs travaux ont permis de trouver que ces dif ficultés sont dues à l'apparition d'un plasma au voisinage de la pièce, plasma macroscopique ou microscopique, et que, si des précautions sont prises pour éviter la formation de ce plasma, le traitement se-deroule dans de bien meilleures conditions En effet, ils ont observé que le plasma perturbe le processus de traitement thermique, d'une part, en ce qu'il crée des points chauds sur la pièce, qui peuvent entraîner une fusion intempestive en ces points, et d'autre part, en ce qu'il provoque une modification brutale des caractéristiques électriques de l'enceinte de chauffage, ce qui perturbe la distribution du champ hyperfréquence Selon l'invention, on évite l'apparition de ce phénomène parasite gênant et cela par tout moyen : en limitant la puissance émise par la source microonde, en créant à proximi- té de la pièce un soufflage électromagnétique du plasma, en maintenant un vide partiel dans l'enceinte, ou en créant une aspiration, ou encore en créant, au voisinage de la pièce, un courant de gaz neutre -(par exemple d'azote, d'hélium, d'argon, d'air ou d'un mélange de ces gaz) . Le perfectionnement apporté par l'invention permet d'augmenter la rapidité du traitement et d'atteindre des températures supérieures à celles que l'on obtient avec les moyens de l'art antérieur. C'est ainsi, par exemple, qu'avec une installation de traitement de matériaux réfractaires, selon l'art antérieur, la puissance délivrée par la source microonde n'excede pas 700 W, et qu'on peut, en empêchant la formation de plasma, faire délivrer à la source une puissance de l'ordre de 1,5 kW. Sans que la portée de la présente invention dépende d'une manière ou d'une autre de l'exactitude de l'interprétation qui suit, les demandeurs pensent pouvoir expliquer la formation du plasma de la manière suivante aux températures élevées nécessaires au frittage ou à la fusion de certains produits, ceux-ci donnent sans doute naissance à une désorption importante de gaz provenant des impuretés contenues dans le produit (par exemple, de la soude dans le cas de pièces en alumine). Les gaz désorbés se trouvent alors soumis à l'excitation du champ hyperfréquence et peuvent autre à l'origine de la formation d'un plasma C'est ainsi que l'apparition d'un plasma de coloration jaune serait liée à l'action du champ hyperfréquence sur des gaz désorbés contenant des sels de sodium. Si l'on utilise, pour chasser ces gaz désorbés et éviter ainsi la formation du plasma, un courant de gaz neutre, celui-ci doit être tel qu'il ne réagisse pas sur le produit en traitement et qu'il ne soit pas susceptible de s'ioniser luimême sous l'action du champ hyperfréquence.- On utilisera donc de préférence ungaz a fort potentiel d'ionisation, un gaz rare par exemple, et notamment l'argon. Le débit de gaz n'est pas critique ; il peut être assez faible et de l'ordre de quelques litres par minute. Mais on peut aussi aspirer les gaz désorbés pour les retirer de l'enceinte de chauffage. De toute façon, les caracteristiques de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullementlimita- tif, en référence aux figures annexées sur lesquelles - la figure 1 représente en perspective une vue schématique d'une installation de traitement thermique par microonde utilisant un courant de gaz - la figure 2 represente une installation du même genre munie de moyens de soufflage magnétique. Le dispositif- représenté sur la figure 1 comprend une enceinte hyperfréquence 2, du type cavité résonnante parallélépipèdique, alimentée par un guide d'onde 4 relié à un générateur microonde 6, par exemple, du genre magnétron. La cavité 2 peut être reliée à un piston mobile 8 permettant un réglage de La longueur de la cavité et, partant, de sa fréquence de résonance. Le matériau en cours de traitement dans le cas illustré est un tube 10 de matériau réfractaire, qui pénètre dans la cavité par un manchon 12 disposé sur l'un des bords latéraux de la cavité ; ce tube traverse la cavité de part en part et il est tiré par des moyens 14 qui lui impriment de préférence un mouvement de rotation sur luimême D'autres organes tels que coupleurs différentiels wattmètres, fréquencemètres, pyromètres etc.. peuvent compléter l'installation ; ils ne sont pas représentés car ils sont tous bien connus, Mais l'installation représentée comprend en outrez et selon la caractéristique de l'invention, des moyens pour éviter la formation d'un plasmaa et qui, dans la variante illustrée, sont constitués par des moyens pour créer un courant permanent de gaz neutre. Ces moyens comprennent une source 16 de gdz, par exemple une bouteille deazoteF reliée à un conduit 18, au besoin par l'intermédiaire d'un détendeur 20. L'extrémité ouverte du conduit 18 pénètre dans le tube 10. Le gaz ainsi injecté à l'intérieur du tube traverse celui-ci et ressort à l'autre extrémité On observera, dans la variante illustrée, correspondant au cas ou la pièce à traiter est tubulaire, que le courant gazeux n'est pas créé directement dans l'enceinte de traitement mais à l'intérieur du tube. C'est en effet dans cette zone que l'on observe, le plus souvent, l'apparition d'un plasma. I1 va de soi, cependant, que l'on pourrait, sans sortir du cadre de la présente invention, créer un courant gazeux autour du tube 10. Dans certains cas, le produit à traiter peut être une poudre contenue dans un tube ayant de faibles pertes diélectriques Dans ce cas encore, le courant de gaz est produit à l'intérieur du tube I1 va de soi que cette variante de l'invention utilisant un courant de gaz, peut s'appliquer à toute forme de produits à traiter (tube plein ou creux, de section circulaire ou rectangulaire7 pièces de petites dimensions par rapport à l'enceinte hyperfréquence, etc a ). I1 va de soi également qu'on pourrait, sans sortir du cadre de la présente invention, créer une aspiration au voisinage de la pièce en traitement ett si celle-ci a la forme d'un tube, à l'une de ses extrémités. On pourrait aussi créer un vide partiel au moyen d'une pompe à palettes par exemple, cette variante se prêtant mal toutefois aux procédés à défilement continu Dans un second mode de réalisation, la formation de plasma- est évitée par des moyens- de soufflage électromagnétique. On sait en effet, qu'on peut évacuer un plasma dans une direction D en creant des champs électrique E et magnétique B perpendiculaires entre eux et à la direction D. Ces deux champs agissent de la même façon sur les particules chargées, quelles soient chargées positivement ou négativement, pour donner à ces particules une vitesse de dérive proportionnelle au produit vectoriel des champs E et B. On peut donc créer, dans la zone de traitement thermique, des champs électrique et magnétique appropriés, respectivement par un jeu d'électrodes portées à des potentiels électriques différents et par un enroulement parcouru par un courant. Ce champ magnétique peut aussi être créé par des aimants permanents. Dans certains cas, il suffit de disposer au voisinage de la pièce en traitement un aimant permanent car la perturbation apportee par le champ magnétique statique aux trajectoires des particules chargées peut être suffisante pour que la formation de plasma soit rendue plus difficile. C'est ce qui est représenté schématiquement sur la figure 2, où l'aimant permanent porte la référence 20. Dans le mode de réalisation illustré, les pièces à traiter par microonde sont des pastilles 22 véhiculées par un tapis convoyeur 24. REVEND ICAI IONS 1 Procédé de traitement thermique d'une pièce par microonde, caractérisé en ce qu'on évite la formation d'un plasma au voisinage de ladite pièce 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour éviter la formation dudit plasma au voisinage de ladite pièce on crée, à proximité de celle-ci, un courant permanent de gaz neutre. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce à traiter étant constituée par un tube, ledit courant de gaz neutre est créé à l'intérieur dudit tube. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le gaz neutre appartient au groupe qui comprend l'air, l'azote, l'argon, l'hélium et leur mélange. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on souffle le plasma par des moyens électromagnétiques. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on provoque une aspiration au voisinage de la pièce. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit traitement est une cuisson, cu un frittage, ou une fusion. 8. Dispositif de traitement thermique par microonde, du genre de ceux qui comprennent une enceinte de chauffage alimentée par un générateur microonde et des moyens pour introduire dans ladite enceinte une pièce à traiter, caractérisé en ce que, pour la mise en oeuvre du procédé selon ia revendication 1, il comprend en outre des moyens pour éviter la formation d'un plasma à proximité de ladite pièce. 90 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens pour éviter la formation du plasma sont constitués par des moyens pour créer à proximité de la pièce un courant de gaz neutre 10. Dispositif selon la revendication 9, caracterise en ce que la pièce traitée étant un tube traversant l'enceinte de part en part, lesdits moyens comprennent une source de gaz neutre et un conduit de gaz reliant ladite source à l'inte- rieur du tube. 11. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour créer, au voisinage de la pièce, un champ magnétique et un champ électrique orthogonaux. 12 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend au voisinage de la pièce, au moins un aimant permanent.