Brevet FR2502441A1 — publié le 19820924

La prbsente invention concerne le secteur des applications industrielles des H. F. On met à profit le fait que la H. F. permet d'apporter par pertes diélectriques des calories au sein des matériaux pour accblérer certains processus industriels comme la soudure des plastiques, la polymérisation des colles, etc. L'invention est d'autant plus intéressante qu'elle se rapporte à des matériaux à faibles pertes diélectriques. A l'heure actuelle lorsqu'on désire traiter un matériau par H. F. on le place dans un applicateur alimenté par un générateur H. F. Suivant la forme géométrique du matériau, l'applicaceur est du type condensateur plan, en guirlande, etc. Pour relier l'applicateur C au générateur H. F. (du type piloté a quartz ou auto-oscillateur) on emploie soit un couplage direct : figure 1, soit un couplage indirect par mutuelle induction : figure 2. Actuellement, compte tenu des normes de stabilité en fréquence auxquelles doit répondre le générateur, le montage de la figure 1 est pratiquement abandonné. Pour réaliser un transfert optimal de lté- nergie H.F. du générateur vers le matériau , il est nécessaire que la fréquence f de résonance du circuit applicateur soit égale à celle f du générateur et que o l'impédance d'entre de l'applicateur vue des points A et B soit la complexe conjugule de celle de sortie vue des points A et B du générateur figure 2. Pour réa- liser ces deux conditions on joue sur le nombre de spires du transformateur de sortie et on place comme le montre la figure 3 des condensateur C1 et C2 en série ou en parallèle avec l'applicateur. On remplace parfois ces condensateurs par des selfs. Par tatonnements successifs on adapte au mieux le transfert d'énergie du générateur H. F.En effet, lorsque l'applicateur n'est pas a la résonance son im pédante est très grande et la consommation du tube oscillateur ou amplificateur est très faible. Dans le cas contraire, celui de l'accord, elle est maximale. On a donc ainsi à sa disposition une indication permettant de contrôler cet accord. Actuellement, la technologie des applications industrielles de la H.F. se heurte a deux difficultés. La première résulte du fait qu'en cours de traitement le matériau soumis aux ondes s'échauffe ce qui est bien sur le but recherche. Malheureusement cet échauffement entraine une variation de ses proprietes électriques en particulier de ses constantes diélectriques er et er Cela se traduit par un r désaccord de l'applicateur. n'autre part pour un traitement au d#fil# lorsqu'on passe d'un échantillon à un autre si le suivant n'est pas rigoureusement le même que le prdeédent l'accord de l'applicateur est à nouveau perdu. A ces deux ennuis il faut ajouter les instabilités en fréquence du générateur lui-meme.Ces insta bilités sont provoquees par les fluctuations de la tensions d'alimentation, les dilatations thermiques et surtout la réaction du circuit applicateur sur le circuit oscillant de l'auto-oscillateur. Cette difficulté pourrait être supprimée en utilisant un générateur R. F. piloté par quartz. Compte tenu de tout cela l'utilise teur d'une machine H. F. est alors amené à retoucher des rigolages manuels ce qui est désastreux pour une machine automatique.Pour surmonter ces écueils, certains ont préconisé des dispositifs utilisant un condensateur d'asservissement (placé comme C2 de la figure 3), condensateur entraîne par un moteur de telle façon que le courant débité par le tube du générateur H. F. reste constant. Cette voie semble difficile et n'a pas conduit, à notre connaissance à des applications industrielles. Le dispositif suivant l'invention permet d'boiter ces inconv#nients. En effets même si les propriétés de l'échantillon du fait de son échauffement viennent à varier en cours de traitement, ou si l'on passe en cours de fabrication en continu d'un échantillon à un autre de dimensions ou de propriétés électriques légèrement différentes le dispositif objet de l'invention permet de dissiper toujours la même puissance dans l'échantillon. Le dispositif objet de l'invention comporte un système de balayage en fréquence permettant de moduler la fréquence de résonance série f de l'applicateur de part et d'autre de celle f du générateur. La figure 4 donne le schéma de principe du montage réalisé. Sur cette figure on distingue en parallèle sur l'applicateur C qui peut etre de type quelconque (condensateur, plan, stray field, etc.) un ensemble C pouvant être dans une première version constitué par un con v densateur papillon dont les lames mobiles sont entraînes d'un mouvement de rotation par un moteur.Les figures Sa, 5b, 5c, 5d donnent respectivement le schéma de principe de ce condensateur, ##n exemple de réalisation, son symbole représenta- tif et la variation de sa capacité C en fonction du temps. Si l'on s'arrange pour qte la résonance du circuit secondaire contenant l'applicateur se produise à f o (fréquence du générateur) lorsque la lame mobile est à demi engagée entre les lames fixes on comprend que la tension aux bornes de l'applicateur va évoluer comme indiqué sur le graphique 6b.Le graphique 6a identique à 5d est uniquement là pour montrer la liaison temporelle existant entre l'évolution de la valeur de la capacité C et la tension V aux bornes de l'applicateur ainsi que le courant du tube émetteur. Ce courant figure 6c à la même allure, au fond continu près Io, qui subsiste même si le circuit secondaire contenant l'applicateur n est pas accor dé. I varie en sens inverse du coefficient de surtension du circuit oscillant de o puissance du générateur II. F.On conçoit aisément que si la capacité propre de l'applicateur venait à varier par suite d'une modification des propriétés ou des dimensions du produit à traire #.i fréquence de résonance se produit pour des fréquences légérement supérieures ou inte#rietires à f . Cette variation de capacité n'aura donc aucun rôle tout au moins tant qu'elle reste inférieure à Cmax.- Cmin. Pour caler la fréquence de résonance du circuit applicateur au voisinage de f il est nécessaire de prévoir à cet effet un condensateur de tarage Ct disposé en parallèle sur l'applicateur. le dispositif objet de l'invention permet donc de s'afranchir des fluctuations de la fréquence de résonance du circuit applicateur. flans le cas classique on obtient figure 7a aux bornes de l'applicateur une tension dont l'amplitude dépend de l'accord de l'applicateur. Dans le cas où l'on utilise notre dispositif, on obtient des impulsions de tension figure 7b. La puissance moyenne dissipée dans l'échantillon passe donc, si f varie, de quelque chose de très variable pour une installation classique à quelque chose de pratiquement constant lorsque on utilise notre invention ce qui est bien là le but recherché. Il est à noter que pour un générateur H. F. classique sans balayage il n'y a pas de temps mort, l'applicateur étant alimenté en permanence. La présence du balayage conduit à une alimentation impulsionelle donnant un plus faible facteur d'utilisatien. Ce fait pourrait se révéler un inconvénient pour notre invention en pratique il ne conduit à aucune perte de rendement car lorsque le circuit de l'applicateur n'est pas accordé le générateur H. F. consomme une puissance négligeable. Pour compenser ce facteur d'utilisation plus faible il # suffit A'augmenter la puissance instantannée du générateur 11. F. nn peut le faire sans dommage en conservant le même tube que celui d'une installation classique de même puissance puisque seul compte pour le dimensionnement de ce composant la puissance moyenne délivrée. On réalise alors une sorte de générateur à porteuse contrôlée. Il possible de réguler autour d'une valeur de consigne ou même de faire évoluer en fonction du temps suivant un programme prédéterminé la puissance dissipée dans le produit placé dans l'applicateur.En effet, le courant du tube de puissance du générateur (donc la puissance H. F. dissipée dans le produit placé dans l'applicateur) évolue de la même façon que la tension aux bornes de l'applicateur. Il est donc possible en comparant la valeur moyenne de la tension apparaissant aux bornes de la résistance placée dans le circuit de cathode du tube émetteur, figure 8, à une tension de référence d'obtenir un signal d'erreur positif ou négatif. En utilisant pour le générateur H. F. une alimentation controlée (par thyristors ou par inductance saturable) il est possible grâce au signal d'erreur précédemment élaboré de piloter l'alimentation du générateur H. F. dont de réguler la puissance dissipée dans l'échantillon.Si la tension de référence évolue suivant une certaine loi la puissance dissipée dans l'échantillon suit la même loi. Cette possibilité peut être mise à profit pour le soudage de matière plastique permettant ainsi d'utiliser une puissance plus faible en début de soudure lorsque l'échantillon est froid diminuant ainsi les risques de claquage. Notons que l'applicateur travaillant toujours de façon impulsionelle les risques de claquage sont diminués même si l'on augmente un peu la puissance instantannée. C'est le phénomène qui fait qu'à courant égal un interrupteur supporte beaucoup mieux un courant alternatif qu'un courant continu. Notons que dans le cas d'un générateur H. F. piloté le contrôle de puissance ne s'effectuera pas sur l'étage de puissance mais sur l'exciter.La puissance à controler est alors beaucoup plus faible ce qui diminue d'autant le coût de l'asservissement. Remarquons que dans ce dernier cas l'étage de puissance du générateur H. F. devra obligatoirement fonctionner en amplificateur linéaire. La description du système de balayage à condensateur à été simplement esquissée. En pratique, nous utiliserons un condensateur papillon professionnel. Les lames mobiles seront entraînes à vitesse constante par un moteur synchrone de façon à décrire par exemple 50 fois par seconde la courbe de résonance du circuit de l'applicateur. I'ne variante du système pourrait être faite en utilisant une self variable.Il suffit pour cela d'employer une espèce de U en gros fil devant lequel on fait tourner un disque comprenant des secteurs isolants et des secteurs condutcteurs en cuivre, figure 9. T.e passage d'une lame de cuivre parallèlement au plan de l'épingle modifie dans de grandes proportions la self vue des points A et B de l'épingle. Dans ce cas là, le dispositif de balayage n'est pas placé en parallèle sur l'applicateur mais en série. Le dispositif objet de l'invention peut être utilisé tous les fois où l'on désire chauffer des matériaux par haute fréquence comme pour la soudure des plastiques (mise sous berlingot d'un liquide, fabrication de certains tissus synthétiques, réalisation d'objet de maroquinerie en PVC), le collage de pièces de bois par polymérisation de colle ou toutes autres applications énergétiques des H. F. Son rôle se révèle d'autant plus intéressant que les matériaux a chauffer possèdent de faibles pertes diélectriques. REVENDICATIONS 1 - Dispositif visant à maintenir constante l'énergie thermique dissipée dans un produit placé dans un applicateur alimenté par un champ haute fréquence : caractérise par le fait que le circuit applicateur au lieu d'être accordé sur la fréquence du générateur H. F. est wobulé de part et d'autre de celle-ci grâce à un circuit électro-mécanique de façon à ce que l'échantillon à traiter reçoive toujours de la puissance, certes de façon impulsionnelle, même si ses propriétés viennent à varier en cours de traitement ou si ses dimensions ou ses propriétés électriques lors d'une channe de fabrication en continu ne sont pas strictement identiques. 2 - Dispositif selon la revendication 1 : caractérisé par le fait que le dispositif de balayage est constitué par un condensateur papillon dont les lames mobiles entraidées par un moteur synchrone permettent d'obtenir quelques dizaines par seconde d'impulsions de H. F. (par exemple 50) dans l'échantillon sous traitement. 3 - Dispositif selon la revendication I caractérisé par le fait que le système de balayage peut aussi être constitué par une self variable placée en série dans le circuit de l'applicateur, self réalisée par une épingle conductrice devant laquelle tourne un disque muni de secteurs conducteurs. 4 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il est possible en prenant comme information la tension moyenne présente aux bornes de la résistance de cathode du tube émetteur, tension directement proportionnelle à la puissance dissipée dans l'échantillon placé dans l'applicateur, d'asservir cette puissance h une référence donnée pouvant être fixe cu variable dans le temps. 5 - Dispositif selon la revendication 1 : caractérisé par le fait que l'asservissement réalisé peut dans le cas d'un générateur H. F. type#auto-oscillateur se faire en controlant directement l'alimentation du tube de puissance grâce à une alimentation controlée par thyristors ou inductance saturable. 6 - Dispositif selon la revendication 1 : caractérisé par le fait que dans le cas d'un générateur H. F. piloté (à quartz par exemple), le controle de puissance ne se fera pas sur le tube de puissance du générateur H. F. mais sur l'exciter ce qui, étant donné la puissance beaucoup faible de cet étage, allège d'autant le coût du montage. 7 - Dispositif selon la revendication 1 : caractérisé par le fait qu'entre deux impulsions de H. F. s'écoulent des temps morts relativement importants permettant ainsi une meilleure tenue du matériau aux risques de flasch. 8 - Dispositif selon la revendication 1 : caractérisé par le fait que durant les temps morts le générateur ne consomme pratiquement pas d'énergie ce qui permet de suralimenter le tube de puissance permettant ainsi sans risque (puisque pour lui seul, en première approximation, compte la puissance moyenne qu'il dissipe) d'obtenir dans l'échantillon pratiquement la même énergie que celle que fournirait un montage conventionnel sans balayage.