Brevet FR2478418A1 — publié le 19810918

- 1 - La présente invention est relative à un nouveau dispositif pour le traitement thermique de matières divisées et notamment de matières en poudre ou en grains. Le traitement thermique à l'aide de micro-ondes(M.0.) ou ondes ultra haute fréquence (UHF) qui se situent entre envi- ron 300 Mégahertz et environ 30 Gigahertz se répand actuellement de plus en plus, grace notamment à la grande disponibilité de cette éner- gie, à sa bonne propagation dans des atmosphères variées, à sa bonne régulation et à son asservissement satisfaisant. Le chauf- fage homogène dans toute la masse du produit traité qu'elle procure en outre, a permis de très nombreuses applications de cette forme d'énergie, applications aussi bien domestiques qu'industrielles. Il subsistait, toutefois, un inconvénient important, tout au moins en ce qui concerne les applications industrielles du rayonnement UHF- si le traitement en dis- continu des différents produits et matières est dans l'ensem- ble satisfaisant et ne pose plus de problème importants, il n'en est pas de même pour le traitement en continu d'impor- tantes quantités de matières>et notamment de matièresà l'état divisé, telles que grains, poudres ou analogues. En effet, pour que ce traitement thermique de masse soit économiquement rentable, il faut pouvoir traiter des quantités très importan- tes de matière, et ceci sans déperdition d'énergie et il faut également disposer d'installations robustes et simples. Aucune des installations de l'Art antérieur ne répond à ces exigences de base. Il est exclu d'utiliser des cavités résonnantes multimodes: d'une part il n'y a pas assez de concentration de densité d'énergie, et d'autre part il faudrait construire de très grands volumes, difficiles à réaliser et économiquement non rentables. Il est également économiquement non rentable de prévoir une succession de cavités résonnantes reliées les unes au autresficomme par exemple lE construction d'une enceinzi te formant un "tunnel" traversant les cavités résonnantes, comme le préconise le Brevet français n0 2 428.369) - il se produit,de plusdes fuites d'énergie importantes,dues au sys- tème d'entrée et de sortie de la matière. On a également préconisé l'utilisation de guides - 2 - d'ondes monomode et multimode utilisant non plus des ondes stationnaires mais des ondes progressives. On a ainsi réali- sé des dispositifs coaxiaux dans lesquels les matériaux à trai- ter se trouvent à l'intérieur du guide d'ondes ou bien encore des dispositifs à antennes émettrices, dans lesquels les maté- riaux à traiter reçoivent les rayonnements M.O. Outre le fait que, dans les dispositifs de l'Art antérieur, le débit des matières à traiter est limité, même avec l'installation de tapis roulants, il se produit, en ou- tre, de grosses pertes d'énergie, car la matière à traiter ainsi convoyée ne se trouve pas dans la zone maximum de concen- tration d'énergie. De nombreuses-autres tentatives de réalisa- tion d'applicateurs d'énergie M.O. en continu ont été décrits notamment par exemple, un dispositif utilisant une vis sans fin (Brevet français 2 337 734) - ou par exemple un dispositif utilisant une plaque tournante (Brevet américain 3 676 058), et d'autres encore. Iis dans tous les cas, le imre handicap subsiste: débit insuffisant, per- te en énergie trop élevée, coût d'installation prohibitif. La présente invention s'est par conséquent donné pour but de pourvoir à un dispositif qui non seulement per- mette de conserver d'une part le guide d'ondes monomode - dispositif le plus satisfaisant à densité d'énergie la plus élevée - mais encore, d'autre part,de pourvoir à un dispositif qui permette de faire avancer d'une manière continue la matière à traiter à un débit important, constant et réglable, tout en la maintenant dans un champ maximum d'énergie. L'un des buts de la présente invention est également de pouvoir utiliser des sources d'énergie de faible puissance, produites en gran- de série, donc économiquement très intéressantes. La présente invention a pout objet un dispositif pour le traitement thermique de matières divisées et notamment de matières en poudre ou en grains, par rayonnement UHF, ca- ractérisé en ce qu'il comporte en combinaison - un guide d'ondes en deux parties: une-partie fixe constituée par un fourreau en métal ou en un matériau conducteur analoguepour- -3- vu de cloisons métalliques perpendiculaires audit fourreau, et comportant dans l'espace libre entre les cloisons une garni- ture en matériau non polaire - et d'une partie mobile constituée par une hélice en matériau conducteur-tournant autour d'un axe, ou vis d'Archimède,et dont le pas correspond exactement à la distance qui sépare deux cloisons successives dont est pourvu le fourreau; - une pluralité de magnétrons appliqués contre la surface extérieure du fourreau, la distance entre deux magnétrons successifs étant fonction du pas de l'hélice et de la matière à traiter; - deux ouvertures, l'une pour l'entrée, l'autre pour la sortie de la matière, lesdites ouvertures étant dimensionnées de manière à ce que l'onde utilisée ne puisse pas sortir du guide d'ondes. Conformément à l'invention,le fourreau et les cloisons perpendi- culaires au fourreau, c'est-à-dire la partie fixe du guide d'ondes, représentent entre 1/4 et 1/2 de la hauteur LoLale du guide d'onde. En effet, si la partie fixe du guide d'ondes, c'est- à-dire les cloisons et la garniture qui remplissent l'espace entre les cloisons en matériau non polaire, descendait jusqu'à la mi-hauteur du guide d'ondes, la matière à traiter se trou- verait bien sûr dans le champ d'action maximum, mais le volu- me utile de la matière traitée serait diminué; si par contre l'hélice touchait la paroi du fourreau, c'est-à-dire si on faisait disparaître les clôisons fixes perpendiculaires au fourreau, le volume de matières traitées serait maximum, mais la perte en énergie également, car les lignes de courant de la paroi elle-même seraient coupées, l'effet optimum se situant, conformément à 1'invention, entre 1/4 et 1/2 de la hauteur to- tale du guide d'ondes. Selon un mode de réalisation avantageux de l'objet de'l'invention et pour éviter la réflexion d'ondes sur la source, la largeur du dispositif d'excitation dépasse le pas de l'hélice. Suivant un autre mode de réalisation particulière- ment avantageux de l'objet de l'invention, l'épaisseur de l'hélice, en particulier au voisinage de la partie fixe du guide d'ondes constituée par les cloisons, est calculée de telle manière qu'il n'y ait jamais de communication entre deux - 4- guides d'excitation. Cette modalité de l'invention, qui permet précisément l'u- tilisation de magnétrons du commerce de faible puissance et très bon marché, rend le dispositif conforme à la présente invention particulièrement adapté à tous les traitements thermiques mettant en oeuvre des quantités importantes de matières. Suivant un autre mode de réalisation, et pour les mêmes motifs, l'épaisseur des cloisons fixes perpendiculaires au four- reau est calculée également de manière à ce qu'il n'y ait pas de communication entre deux guides d'excitation. Conformêment à l'invention, le dispositif est pourvu de moyens de ré- cupération et d'utilisation de l'air de refroidissement des magnétrons pour évacuer éventuellement la vapeur d'eau de la matière traitée. Suivant un autre rode de réalisation de l'objet de l'invention,- le dis- positif de traitement thermique est pressurisé par un gaz iner- te, tel que l'azote par exemple. Conformément à l'invention, les ouvertures d'entrée et de sortie des matières sont des tubes de section carrée dont le côté est au plus égal à la roitié de la.longueur d'ondes utilisée pour le traitement de la matière. Selon un autre mode de réalisation de l'objet de l'inven- tion, les ouvertures d'entrée et de sortie de matières sont des tubes de section circulaire, dont les diamètres ne permettent pas la propagation de l'onde utilisée pour le traitement de la matière. Conformément à l'invention, il peut être utile, dans cer- tains cas, notamment lorsqu'on désire augmenter ou diminuer la valeur du champ 'électrique UHF, d'avoir une vis d'Archimède à pas variable Comme l'emplacement des cloisons perpendiculaires au four- reau est fonction du pas de l'hélice, il est évident que dans les cas o l'hélice formant la vis d'Archimède présente un pas varia- ble, la distance entre ces cloisons n'est pas uniforme,mais va- riable. Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'objet de la présente invention, l'épaisseur de la garniture du fourreau, laquelle est en matériaux non polaires tels que le polyéthylène ou le polystyrène, et est logée entre les cloisons, représente de 1/4 à 1/2 de la hauteur totale du guide d'ondes. Conforménent à l'invention,le fourreau est formé de deux demi-fourreaux assemblés par deux brides. 2478418.- - 5 - EgalEment conformenent à l'invention, le bord de l'hélice qui fait face à la cloison, est taillé en biseau. Outre les dispositions qui precèdent, 1 'invention comprend encore d'autres dispositions,qui ressortiront de la description qui va suivre. La présente invention vise plus particulièrement un nouveau disposi- tif pour le traitement thermique de grandes quantités de matières divisées, ainsi que les dispositifs et procédés d'ensemble dans lesquels sont inclus les dispositifs conformes à la présente invention. L'invention pourra être mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère à un exemple de réalisation du dispositif conforme à la présente invention. Il doit être bien entendu, toutefois, que cet exem- ple de réalisation décrit ci-après et représenté aux dessins annexés, est donné uniquement à titre d'illustration de l'ob- jet de l'invention, mais n'en constitue en aucune manière une limitation. Ainsi: - la Figure 1 représente une vue schématique du disposif, vu de l'ektérieur - la Figure 2 représente schématiquement la partie fixe du gui- de d'ondes: la Figure 2a est une vue en coupe longitudinale et la Figure 2b représente une coupe transversale de ce dis- positif; - la Figure 3 représente schématiquement la partie mobile du guide d'ondes: la Figure 3a représenteune coupe longitudi- nale et la Figure 3b une coupe transversale de ce dispositif, et - la Figure 4, représente le guide d'ondes délimité par deux spires successivesde l'hélice faisant face à deux cloisons fixées sur le fourreau. Le dispositif conforme à l' invention tel que repré- sentcé à la Figure 1, qui comporte un tube 1 d'entrée de la ma- tière divisée, un tube 4 de sortie de la matière traitée, un fourreau 6 (à l'intérieur duquel tourne la vis d'Archimède en- trainée par l'axe d'entraînement 5),des magnetrons 2 et des guides d'excitation 3, constitue en réalité un module 7 qui peut être (en enlèvant la bride 8) accolé à d'autres modules pour constituer, si on le désire, et suivant la quantité de matière que l'on désire traiter, des guides d'ondes plus ou - 6- moins longs. La partie fixe de ce module 7 est représentée en détail sur la Figure 2 (Figure 2a = coupe longitudinale et Figure 2b = coupe transversale). On y distingue nettement les cloisons 9 faisant face aux spires 10 de l'hélice. Par exemple, un tel module 7 peut mesurer 600 mm de longueur. Il est pourvu de deux magnétrons 2 et de deux guides d'excitation 3 de 70 mm de largeur par exemple (entre deux iagn6trons successifs il y a, par exemple, trois pas d'hélice 18 de longueur totale de 150 mm) le diamètre des tubes d'alimentation et de sortie de la matiè- re est de 60 rrm par exemple. Le module eut particulièrement adapté pour des micro-ondes de 2,45 GMz (la puissance de chacun des magné- trons est de 1 kw). La hauteur 14 des cloisons 9 est de 20 mm par exemple. La matière à traiter se trouve entre les spires 10 de l'héli- ce, dans la partie basse, près de l'axe-tambour 13. En connais- sant la valeur minimum du facteur de pertes L" de la matière à traiter, ainsi que son volume, on détermine le nombre de spi- res entre deux sources, de manière à ce que toute l'énergie émise par une source soit absorbée avant l'arrivée de l'éner- gie de la source suivante. - La partie mobile de ce guide d'ondes est représen- tée à la Figure 3 (la Figure 3a étant une vue en coupe longi- tudinale et la Figure 3b une vue en coupe transversale). La hauteur totale hélice plus tambour est de 440 mm, l'hélice seule mesurant 120 mm, ce qui donne un rapport partie fixe/ hauteur totale - 40 = 1/4 pour cet exemple de réalisa- tion Les dimensions de ce module permettent le remplis- sage utile de 4,8 1, ou 90 kg de matière à l'heure; Autrement dit, en assemblant, par exemple,dix de ces modules l'un dans le prolongement de l'autre après l'enlèvement des brides 8, on arrive à un traitement de près d'une tonne de matières par heure, pour un appareillage dont la longueur totale ne dépas- se pas 6 m. Le fourreau 6 peut avantageusement être constitué par deux demi-fourreaux 11, assemblés par les brides 15, pour faciliter le montage de ces dispositifs. La Figure 4 représente une "section" du guide d'ondes délimitée par le fourreau 6, les deux cloisons fixes 9, les -7 - deux spires 10, et la surface de l'axe-tambour 13. Une garni- ture 16 en matériaux non polaires, par exemple en polystyrène, remplit l'espace entre les deux cloisons 9. La matière divisée en cours de traitement 17 se trouve dans la partie basse de la vis d'Archimède au dessus de la garniture 16. L'épaisseur 12 des spires 10 au voisinage des cloi- sons 9, est calculée de manière à ce qu'il n'y ait jamais de communication entre deux guides d'excitation. (Elle est de 15 iml pour l'exemple - non limitatif - décrit dans ce qui précède). Le bord 19 de l'hélice qui fait face à la cloison 9, est taillé en biseau. La largeur du dispositif dexcitation 3 appliqué contre le fourreau 6 est telle qu'elle dépasse le pas de l'hélice 18,cec.i pour éviter la re- flexion de l'onde sur la source. Le dispositif conforme à la présente invention, décrit et représenté sur les dessins, peut, si on le désire, être pressurisé par un gaz inrte -tel que l'azote par axemple-. Il peut également comporter (non re- présentés sur les figures) des moyens d'utilisation d'air de refroidissement des magnétrons 2 pour évacuer, si nécessaire, la vapeur d'eau par exemple, dégagede la matière traitée. Il résulte de la description qui précède, que quels que soient les modes de réalisation et d'application adoptés, l'on obtient un dispositif pour le traitement ther- mique de matières divisées, à l'aide des micro-ondes, qui pràsentent,par rapport aux dispositifs visant au même but antérieurement connus, des avantages importants, au nombre desquels on peut citer notamment - l'avantage de pouvoir traiter de grandes quantités de ma- tières en continu de façon très rentable économiquement, avec une déperdition minimale d'énergie; - l'avantage de disposer d'installations simples, robustes et faciles à monter et à entretenir; - l'avantage de pouvoir utiliser des sources d'énergie de faible puissance, produites en grande série, - et également un avantage non négligeable que procure ce dispositif conforme à la présente invention. du fait de la présence de la vis d'ArchimèdeJla matière,tout en subissant le traitement thermique, est constamment brassée, ce qui as- - 8 - sure une homogénéisation parfaite de la matière traitée. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'inven- tion ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite: elle en embrasse au contrai- re toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du tech- nicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la présente invention. _ 9 _ REVENDICATIONS 1 ) Dispositif pour le traitement thermique de ma- tières divisées,et notamment de matières en poudre ou en grains, par rayonnement UHF, caractérisé en ce qu'il comporte en combi- naison: - un guide d'ondes en deux parties: une partie fixe constituée par un fourreau (6) en métal ou en un matériau con- ducteur analogue,pourvu de cloisons métalliques (9) perpendi- culaires audit fourreau, et comportantdans l'espace libre en- tre les cloisons, une garniture (16) en matériau non polaire - et une partie mobile constituée par une hélice en matériau con- ducteur tournant autour d'un axe (13), ou vis d'Archimède,et dont le pas (18) correspond exactement à la distance qui sépa- re deux cloisons (9) successives dont est pourvu le fourreau; - une pluralité de magnêtrons (2) appliqués contre la surface extérieure du fourreau (6), la distance entre deux magnétrons successifs étant fonction du pas de l'hélice (18) et de la ma- tière à traiter; - deux ouvertures, l'une pour l'entrée (1), l'autre pour la sortie (4) de la matière, lesdites ouvertures étant dimensionnées de manière à ce que l'onde utilisée ne puisse par sortir du guide d'ondes. 2 ) Dispositif selon la Revendication 1, caractérisé en ce que la partie fixe du guide d'ondes représente entre 1/4 et 1/2 de la hauteur totale du guide d'ondes. ) Dispositif selon l'une quelconque des Revendi- cations 1 et 2, caractérisé en ce que la largeur du guide d'excitation (3) dépasse le pas de l'hélice (18). ) Dispositif selon l'une quelconque des Revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que l'épaisseur (12) de l'hé- lice, en particulier au voisinage de la partie fixe du guide d'ondes constituée par les cloisons (9), est calculée de telle manière qu'il n'y ait jamais de communication entre deux guides d'excitation. ) Dispositif selon l'une quelconque des Revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que l'épaisseur d e s cloisons fixes (9) perpendiculaires au fourreau (6) est cal- culée de manière à ce qu'il n'y ait pas de communication entre deux guides d'excitation. 6 ) Dispositif selon l'une quelconque des Revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif est pourvu 24 78418 - 10 - de moyens de récupération et d'utilisation de l'air de re- froidissement des magnétrons (2) pour évacuer éventuellement la vapeur d'eau de la matière traitée (17). ) Dispositif selon l'une quelconque des Revendi- cations 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif de traite- ment thermique est pressurisé par u n g a z inerte. ' ) Dispositif selon l'une quelconque des Revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que les ouvertures d'entrée et de sortie (1, 4) des matières (17) sont des tubes de section carrée dont le coté est au plus égal à la moitié de la lon- gueur d'ondes utilisée pour le traitement de la matière. 9 ) Dispositif selon l'une quelconque des Revendi- cations 1 à 7, caractérisé en ce que les ouvertures d'entrée et de sortie de matières sont des tubes de section circu- laire, dont les diamètres ne permettent pas la propagation de l'onde utilisée pour le traitement de la matière. ) Dispositif selon l'une quelconque des Revendi- cations 1 à 9, caractérisé en ce que la vis d'Archimède est une vis à pas variable. ) Dispositif selon l'une quelconque des Revendi- cations 1 à 10, caractérisé en ce que l'épaisseur de la garni- ture (16) du fourreau (6), réalisée en matériaux non polaires et logée entre les cloisons (9), représente de 1/4 à 1/2 de la hauteur totale du guide d'ondes. 12 ) Dispositif selon l'une quelconque des Revendi- cations 1 à 11, caractérisé en ce que le fourreau est formé de deux demi-fourreaux (11) assemblés par deux brides (15). ) Dispositif selon l'une quelconque des Revendi- cations l à 12, caractérisé en ce que le bord (19) de l'hélice qui fait face à la cloison 9, est taillé en biseau.