Brevet FR2501952A1 — publié le 19820917

La pressente invention porte sur le secteur des applications énergétiques des micro-ondes pour des domaines aussi divers que le bois, le cuir, le textile, le caoutchouc, la chimie, etc. Son utilisation est particulièrement intéressante pour les applications en cavités multimodes ou en tunnel pour traitement au défilé. Lorsqu'on désire obtenir urie énergie micro-ondes rayonnée importante, on est conduit à utiliser des guides rayonnants juxtaposés chaque guide rayonnant étant alimenté par son générateur propre. La figure I illustre une telle réalisation composée d'un ensemble de 7 guides en parallèle alimentés par sept générateurs.La dimension standard du guide d'onde 2450 Mz pour applications industrielles étant 90 mm et la recherche du coût le plus faible imposant l'utilisation de générateur 1 kW utilisant des magnétrons développés pour les fours ménagers, on peut ainsi estimer pour un traitement sur un mètre de large (7 guides rayonnants de 1 m de long) la puissance 2 émise par m de l'applicateur on voit donc que l'on se trouve sérieusement limité par le manque de place si l'on désire des puissances significatives industrielle nient par exemple 100 kW. Le dispositif suivant l'invention permet de remédier à ce manque de puissance observé avec les applicateurs actuellement présents sur le marché. On peut obtenir avec le dispositif suivant l'invelltion dans sa version la plus compacte jusqu'à 90 kW/m. . Cette densité de puissance s'abaisse à 25 kW/m lorsqu'on désire être prote des P.O.S. trop importants pouvant entraîner la mort des magnétrons. Le dispositif objet de l'invention comporte n générateurs de 1 kW OU de 0,8 kll fonctionnant simultanément de façon à fournir la p p puissance P en kW/m nécessaire (n = - 0,8 suivant le type de magnétrons utilisés). ('n est conduit i utiliser des magnétrons de cette puissance car ce type a bénéficié d'une très grande diffusion due à la construction des fours ménagers micro-ondes, ce qui a fait chuter terriblement son prix. De plus, à cette puissance il est encore possible d'utiliser un montage redresseur du type doubleur monoalternance conduisant à une alimentation bon marché possédant en outre l'avantage de permettre un découplage possible entre magnétron. Considérons un générateur elémentaire, figure 2, il est composé de deux guides 1 et 2 couplés par leurs petits côtés par une fenêtre rectangulaire 3, le tout formant un coupleur 3 dB. W couplage par le grand côté des guides 1 et 2 ou n'importe quel type de coupleurs 3 dB conduirait au même résultat. La puissance P émise par ie magnétron 4 se divise grâce au coupleur de façon égaie entre les guides 1 et 2, l'énergie réfléchie, s'il y en a étant absorbée par la charge à eau 5. En effet, considérons un coupleur 3 dB, figure 3, numérotons ses bras 1, 2, 3 et 4, appliquons une puissance P en 1 ; ce2le- ci se divise entre 2 et 3 de façon égale, celle en 3 étant en quadrature retard par rapport à celle sortant par 2.En présence d'une réflexion supposée indentique pour les bras 2 et 3, l'énergie revenant sur 1 provient de 2 et de 3. Ces deux composantes sont égales mais celle venant de 3 subit à nouveau un déphase supplémentaire de in./2 ce qui la met en opposition de phase avec celle venant de 2. Leur somme est donc nulle et le magnétron ne voit aucune énergie réfléchie. Ce générateur élémentaire peut donc fonctionner sur ntim- porte quelle charge puisque lténergie réfléchie ne revient pas sur le magnétron grâce à l'utilisation d'un coupleur. Certes, cet aban- tage nécessite une circulation d'eau où à la rigueur une charge adaptée pouvant dissiper dans le plus mauvais des cas 1 kW. Cette nécessité est largement compensée par les avantages qu'on en retire surtout en ce qu concerne la durée de vie du magnétron qui est fortement prolongée. Pour obtenir une puissance plus importante il suffit de juxtaposer plusieurs générateurs élémentaires. On forme ainsi une bande rayonnante qui juxtaposée à d'autres bandes rayonnantes forme des surfaces rayonnantes.Il y a deux façons de disposer les générateurs élémentaires pour former une bande rayonnante figure 4 et 5. Cependant, dans les deux cas la bande est réalisée par un U à fond plat en laiton ou en aluminium obtenu par pliage ou à l'aide de deux cornières rapportées. Les côtés de ces U à fond plat servent à fixer les bandes entre elles pour former une surface rayonnante désignée par le terme de panneau rayonnant. I1 est meilleur lors de la réalisation d'un panneau d'alterner la nature des bandes, figure 6, ce qui permet en croisant les polarisations des ondes mises par chaque bande d'obtenir un meilleur découplage entre elles.Ce découplage est d'ailleurs renforcé par le fait que les alimentations magnétrons utilisent un montage redresseur du type mono-alternance doubleur. les magnétrons sont donc alimentés de ce fait une alternance sur deux. Il est donc possible de les faire fonctionner alternativement ce qui diminue l'interaction de l'un sur l'autre. En appliquant la môme méthode, il sera donc possible en triphasé de découpler trois séries de n magnétrons. Pour cela, il suffit que chacune des trois séries soit alimentée par une phase différente du réseau. La fixation du module élémentaire sur la bande se fait grâce à une bride rectangulaire en laiton soudée sur les deux guides accolés et prenant appui sur la bande. La figure 7 donne schématiquement un exemple de fixation.Sur cette figure, on distingue la bande 1, la bride 2 servant à fixer le générateur à la bande, l'iris de couplage 3, la charge à eau 4 et le magnétron 5. Remarquons que sur la figure 7 les deux guides rayonnants dépassent à l'intérieur de la bande d'une quantité de l'ordre de Ag/2 afin de bénéficier du diagramme de rayonnement d'un guide débouchant simplement à l'air libre. On pourrait se contenter de faire affleurer les guides. I1 serait alors nécessaire de prévoir à l'intérieur de chacun d'eux on obstacle conducteur fixé au milieu des grandes parois et positionné et dimensionné de façon adéquate. On pourrait même si l'atmosphère de l'applicateur se révélait particulièrement agressive ou humide placer sur chaque bande une feuille constituée d'un bon diélectrique afin de réaliser des fenêtres étanches au gaz mais bien évidemment perméables aux micro-ondes. Les magnétrons nécessitant d'être ventilés, il est possible de prévoir un ventilateur par tube. L'air de refroidissement peut être envoyé dans l'applicateur. Pour cela, il suffit, figure 7, de mettre le passage de l'air entre les ailettes de refroidissement en communication avec l'applicateur en découpant en dessous de chaque magnétron une ouverture convenable. Dans ce cas, si on place un capot fermé au dessus de chaque bande rayonnante il devient possible d'utiliser un seul ventilateur par bande rayonnante en mettant le volume ainsi formé en surpression, figure 8. Pour des applications où l'on peut être certain que la puissance réfléchie n'est jamais dangereuse pour les magnétrons (cas des cavités multimodes ou des tunnels chargés par des matériaux absorbant beaucoup les ondes) il est possible de simplifier le montage objet de l'invention. En effet, il n'est plus nécessaire de faire appel au système nécessitant un coupleur 3 dB. Tout ce qui a été dit précédemment reste valable seule change la section de la lumière à percer dans les bandes pour fixer le module générateur. Cette lumière qui précédemment correspondait à la section de deux guides (accolés par leurs petits côtés ou leurs grands côtés) ne correspond plus qu'à la section extérieure d'un guide d'onde standard. On peut encore simplifier le montage en montant les magnétrons directement sur les bandes en forme de U à fond plat . Les figures 9 et 10 montrent un exemple de réalisation. Le montage de la figure 9 utilise encore une transition standard mangétron guide munie d'un coude afin d'obtenir un rayonnement normal à la surface de l'applicateur.Le montage de la figure 10 emploie une transition spéciale à deux sorties permettant de mieux répartir la puissance puisque celleci se fait en deux endroits au lieu d'un seul. I1 est encore possible de simplifier le montage en faisant rayonner directement les antennes des magnétrons à l'intérieur de la cavité. La figure 11 montre un exemple de réalisation. Les bandes sont alors indentiques. Pour adapter les magnétrons, il faudra jouer soit sur la longueur de leur antenne soit en plaçant de part et d'autre des antennes deux petits volets d'adaptation ou une couronne circulaire, figure 12 et 13. La solution des volets est meilleure car elle semble permettre un meilleur découplage des magnétrons les uns par rapport aux autres. I1 est possible grâce à un capot convenable enveloppant totalement une bande rayonnante d'utiliser un seul ventilateur par bande.Les figures 14 et 15 illustrent ce genre de réalisation. I1 est possible, si on désire une bande rayonnant une très forte densité d'énergie, d'accoler les cellules élémentaires diiix ;i deux de façon à former un ensemble rayonnant ininterronpu. Atin de pouvoir fixer les magnétrons sur chaque cellule élémentaire il suffit de couder à 90 un guide sur deux. Les figures 16 et 17 présentent une cellule élémentaire ainsi modifiée et un ensemble de cellules accollées. T1 est possible de réaliser la même chose mais cette fois-ci en accolant les guides par leurs petits côtés, figure 18. La preml(re version est plus intéressante car dans le cas d'un trai tombent au dCfilé l'avance se faisant perpendiculairement à la grande longueur de la bande les produits à traiter voient un champ uniforme parallèle à leur surface d'où une meilleure interaction onde matériau . Le di positif objet de l'invention peut être utilisé toutes les fois où il s'agit d'opérer un traitement thermique par micro-ondes en statique ou au défilé sur des matériaux présentant des pertes diélectriques et nécessitant des puissances importantes. A l'heure actuelle le dispositif objet de l'invention est à notre avis, celui qui fournit le klV micro-ondes avec le meilleur rapport puissance sur surface. Pour mettre en oeuvre le dispositif objet de l'invention, il suffit de remplacer une ou plusieurs parois d'une cavité multimodes par une bande rayonnante ou un ensemble de bandes rayonnantes placées côte à côte. Dans le cas d'un applicateur tunnel avec ou sans courroie transporteuse le problème est identique. Il suffit de remplacer une paroi du tunnel par exemple la paroi supérieure par un panneau rayonnant . Si on désire une densité de puissance double, on place sur le fond du tunnel exactement en regard de l'autre panneau un deuxième panneau rayonnant. Compte tenu de sa densité exceptionnelle d'énergie rayonnée au n le dispositif objet de l'invention rend désormais possible des applications de dimensions vraiment indus trielles. Tous les secteurs de l'industrie peuvent être touchés bois, cuir, textile, papier, caoutchouc, plastique, etc. pour des applications tel les que le séchage, la vulcanisation, la polymarisation, etc. REVFtIDICATIONS 1 - Dispositif permettant de générer une densité d'énergie microondes en kW/m2 très importantes utilisant des générateurs à magnétrons disposés en bandes rayonnantes qui regroupées deu à deux forment un panneau rayonnant : caractérisé par le fait que chaque magnétron débite dans un coupleur 3 dB destiné d'une part à répartir la puissance rayonnée de façon plus uniforme d'autre part à protéger le magnétron vis à wis d'une éventuelle énergie réfléchie prenant d'une mauvaise adaptation de la charge. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la direction du champ électrique émis par les guidés rayonnants est parallèle dans le cas d'un traitement au défilé à la surface du produit à traiter ce qui entralne une meilleure interaction onde matériau. 3 - Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait que les sources élémentaires sont fixées sur des plaques métalliques conductrices formant une bande rayonnante, ces bandes rayonnantes pouvant à leur tour être fixées les unes aux autres pour former un panneau rayonnant. 4 - Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait que suivant la disposition des sources rayonnantes, on est conduit à deux types de bandes rayonnantes l'une ayant son champ électrique parallèle à la grande dimension de la bande l'autre perpandiculaire. 5 - Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait que dans le cas de matériau diélectrique absorbant bien les ondes, on peut supprimer le système de protection utilisant les coupleurs 3 dB et employer seulement comme monture des magnétrons un élément de guide d'onde courbé à ces deux extrémités ou simplement à une seule. 6 - Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait que dans le cas d'une cavité multimodes ou d'un tunnel chargé par un matériau absorbant particulièrement hien les ondes, i' est possible de faire déboucher les antennes des magnétrons directement dans la cavité ou le tunnel en prenant uniquement comme précaution ou de régler correctement la longueur et le diamètre des antennes ou de placer un dispositif d'adaptation. 7 - Dispositif selon la revendication 1, :caractérisé parle fait qu'on peut améliorer le découplage des magnétrons en constituant le panneau alternativement d'une bande d'un type puis d'une bande de l'autre type, ce qui permet de croiser les polarisations des ondes émises. 8 - Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait qu ' on améliore encore le découplage des magnétrons entre eux en alimentant les transformateurs de chaque bande dans l'ordre des phases du réseau triphasé, le transformateur d'alimentation du premier magnétron de la bande étant connecté à la phase 1, le deuxième à la phase 2, le troisième à la phase 3, le quatrième à la phase 1 et ainsi de suite. 9 - Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait que l'on peut obtenir en accolant les cellules élémentaires côte à côte une densité de puissance pouvant atteindre, compte tenu de la largeur des guides d'onde standard à 2450 MHz, 10 kW par mètre de bande rayonnante.