Brevet FR2523797A1 — publié le 19830923

-1- La présente invention concerne un procédé de traitement par micro- ondes de produits en feuille, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Elle concerne plus particulièrement le trai- tement thermique ou le séchage de produits en feuille mince en mouvement, notamment à grande vitesse et à grande largeur de feuille. Une des applications préférentielles de l'invention est le séchage de l'encre d'imprimerie appliquée sur du papier en feuille défilant en continu, par exemple à la sortie d'une machine d'impression héliogravure. Une autre application préférentielle de l'invention est le séchage du bois en feuille mince, par exemple du bois de placage. Pour de telles applications, l'énergie destinée au traitement des produits en feuille doit être transmise très rapidement à ces produits et d'une façon homogène. L'exigence d'un transfert d'énergie rapide est essen- tiellement conditionnée par un problème d'encombrement. En effet, plus le transfert d'énergie est rapide et moins le dispositif de traitement est encombrant. L'exigence d'un traitement homogène est essen- tielle pour l'obtention d'un produit en feuille de qualité constante sur toute la largeur à traiter. Les procédés et dispositifs utilisés actuellement pour le traitement, en particulier pour le séchage, de produits en feuille font principalement appel à de l'air chaud ou à des rayonnements infra- rouge De tels procédés et dispositifs ont pour inconvénient d'être très coûteux en énergie et de conduire à un échauffement important du produit dans -2- le cas du séchage. Cet échauffement entraîne également une augmentation de la durée de traitement, puisqu'on est souvent obligé de refroidir le produit D'autre part cet échauffement peut nuire à la qualité du produit traité. En dehors des procédés et dispositifs utilisant de l'air chaud ou des rayonnements infra-rouge, on connait également une technique plus récente qui consiste dans l'application de micro-ondes pour le traitement de produits sensibles aux micro-ondes, c'est-à-dire de produits présentant une polarité diélectrique permanente. De tels produits, lorsqu'ils sont soumis à l'action d'une énergie électromagnétique en micro-ondes, -peuvent présenter un phénomène de relaxation si la gamme de fréquences de l'onde est convenablement choisie On rappelera à ce propos que le terme "micro-ondes" s'applique à des ondes électromagnétiques de fréquence comprise entre environ 0,1 G Hz et 100 G Hz. La mise en oeuvre de ces phénomènes de relaxa- tion diélectrique dans des produits polaires, c'est-à- dire eau, alcool, polymères etc conduit à des transferts énergétiques à haut rendement, ne comportant pas néces- sairement un échauffement important du produit dans le cas du séchage. Il en résulte par conséquent, que, dans des matériaux diélectriques convenables, c'est-à-dire ceux qui contiennent des molécules polaires ou des chaînes macromoléculaires dissymétriques, l'application des microondes pour réaliser un traitement thermique ou un séchage répond au double objectif d'une grande rapidité de transfert d'énergie et d'un fort rendement énergétique dans le produit. -3- L'application des micro-ondes est donc particulièrement recommande pour le séchage d'encres à l'alcool ou d'encres à l'eau sur des feuilles de papier, par exemple à la sortie d'une machine d'impression héliogravure. Les dispositifsde traitement aux micro-ondes se composent principalement d'un générateur de fréquences dans une bande de fréquences choisies, ainsi qu'un applicateur couplé au générateur et qui sert de guide aux micro-ondes produites par le générateur. Le terme micro-ondes doit donc être compris, dans le sens o il est utilisé ici, comme s'appliquant à des micro-ondes guidées et non pas comme désignant une technique haute fréquence. Le problème essentiel que l'on rencontre pour la mise en oeuvre des traitement aux micro-ondes est la réalisation d'un dispositif applicateur qui couple très efficacement le champ électrique de l'onde aux produits à traiter, et diverses solutions ont déjà été proposées à cet effet. Les solutions proposées jusqu'à présent font appel le plus souvent au passage successif d'une onde progressive appliquée au moyen soit de guides repliés, soit de guides à fentes Ces solutions connues permettent un traitement homogène sur toute la Jargeur de la feuille à traiter, mais elles conduisent malheu- reusement à un applicateur de micro-ondes encombrant, car le champ électrique de l'onde progressive possède une faible intensité. Pour palier cet inconvénient et réduire l'encombrement de l'applicateur, on peut faire appel à un applicateur résonnant dont le champ électrique est nettement plus intense pour une même puissance micro- -4- ondes injectée à l'entrée de l'applicateur En effet, dans ce cas, le champ électrique est multiplié par la racine carrée de la surtension, la surtension étant définie comme le rapport entre l'énergie totale emma- gasinée dans le résonnateur et l'énergie dissipée par période (à un facteur de 2 W près). L'utilisation d'un applicateur résonnant permet d'obtenir un couplage avec le produit en feuille plus élevé que dans le cas o on utilise un applicateur non résonnant et, en outre, la même action sur le produit en feuille peut être obtenue avec un applicateur de faible encombrement. Cependant, l'utilisation d'un applicateur résonnant présente un sérieux inconvénient en ce sens que le traitement n'est plus homogène sur toute la largeur du produit en feuille à traiter puisque le champ électrique présente des noeuds et des ventres d'intensité. La présente invention vise à éviter les inconvénients précités en proposant un procédé et un dispositif de traitement par micro-ondes de produits en feuille qui permettent non seulement de réaliser un transfert rapide de l'énergie du produit à traiter mais aussi de réaliser un traitement homogène. L'essence même de l'invention réside dans l'utilisation de plusieurs applicateurs résonnants en parallèle présentant entre eux un décalage de phase approprié. La présente invention concerne plus parti- culièrement un procédé de traitement par micro-ondes de produits en feuille, dont la caractéristique essen- tielle réside dans le fait que l'on fait défiler le produit à traiter successivement à travers au moins deux applicateurs micro-ondes allongés qu type résonnant, - avec des noeuds et des ventres d'intensité le long de leur axe principal, et par le fait que les appli- cateurs ont leurs axes principaux parallèles entre eux et sont décalés transversalement à la direction de défilement du produit d'une quantité 1 x U n 2 o N représente le nombre total d'applicateurs et Xg la longueur d'ondes des micro-ondes dans l'appli- cateur. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention comprend au moins deux appli- cateurs micro-ondes allongés, du type résonnant, avec des noeuds et des ventres d'intensité le long de leur axe principal, et munis d'ouvertures de passage pour le défilement du produit à traiter, les applicateurs ayant leurs axes principaux parallèles entre eux et étant étalés transversalement à la direction de défilement des produits de la quantité 1 x Mg, indiqué précédemment N 2 On a pu constater que le produit en feuille ayant traversé successivement les N applicateurs a subi un traitement assez homogène sur toute la largeur de la feuille traitée. Bien qu'en fait l'homogénéité soit d'autant meilleure que N est grand, on a pu constater, en pratique, que l'utilisation de deux applicateurs en parallèle permettaient d'obtenir déjà un traitement relativement homogène. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les applicateurs sont définis par une forme prismatique à section rectangulaire o a désigne la mesure du côté de la section du rectangle qui est perpendiculaire au champ électrique et b désigne la -6- mesure du côté de la section du rectangle qui est parallèle au champ électrique, ladite forme prismatique étant délimitée à une extrémité par un court-circuit et à l'autre extrémité par une paroi conductrice à iris de couplage. On a pu constater, de façon tout à fait surprenante, que la mesure du côté b veut être en fait ajustée sur une valeur optimale supérieure à a/2 qui permet d'augmenter fortement l'efficacité de l'applicateur. Ainsi, dans le cas o l'on réalise un appli- cateur à partir d'un guide d'ondes standard qui, pour l'Europe, correspond à une forme prismatique de section rectangulaire o a = 8,6 cm et b = 4,3 cm, on a pu constater que la valeur optimale de b était comprise entre 8 et 10 cm et qu'en particulier elle pouvait être égale à 9,1 cm. Une telle constatation n'est nullement évidente, et même contraire aux préjugés de l'homme du métier qui cherche toujours à diminuer la valeur b du côté transversal pour tenter d'améliorer le couplage entre l'applicateur et le produit à traiter. En effet, l'augmentation de b entraîne une diminution du champ électrique, mais une amélioration du couplage entre le guide d'ondes et les générateurs et une augmentation du temps de séjour du produit en feuille dans le guide d'ondes. Le guide d'ondes standard étant prévu pour fonctionner dans le mode T Eol, l'augmentation de la mesure d pour obtenir la valeur optimale précitée permet d'approcher les conditions de résonnance du mode TE 02. Pour permettre le passage du produit en feuille à travers les applicateurs successifs, chacun -7- d'eux comporte deux ouvertures de passage en forme de fente allongée, ménagées respectivement dans les deux côtés de mesure a situés perpendiculairement au champ électrique. Dans le mode de réalisation préféré de l'inventbn, les applicateurs ont leur axe principal orienté perpendiculairement à la direction de défilement du produit en feuille. Il peut être préférable, pour certaines applications, en particulier pour le séchage d'encre d'imprimerie de prévoir une soufflerie apte à diriger un jet d'air froid sur le produit en feuille après son séchage au travers des applicateurs Ce jet d'air froid est destiné à balayer la substance, en particulier le solvant de l'encre qui a migré du produit en feuille sous l'action des micro-ondes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui suit et qui se réfère au dessin annexé, donné uniquement à titre illustra- tif, et sur lequel: La figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de traitement selon l'invention comportant deux applicateurs micro-ondes en paraillle; et la figure 2 est une vue schématique de côté du dispositif de la figure 1 incorporant une soufflerie à la sortie des applicateurs. Le dispositif représenté sur la figure 1 com- porte deux applicateurs micro-ondes parallèles 10 et 12 destinés au traitement d'un produit en feuille 14 qui défile en continu dans la direction de la flèche F. Les applicateurs 10 et 12 comportent un guide d'ondes standard, respectivement 16 et 18 alimenté chacun en mode fondamental par un générateur, respectivement et 22, à 2,45 G Hz délivrant I k W de puissance micro-ondes Les guides d'ondes 16 et 18 sont des guides standards (standard européen) de section rectangulaire présentant un côté de mesure a= 8,6 cm et un côté de mesure d = 4,3 cm Les côtés de mesure a sont perpendiculaires au plan de la feuille à traiter et les côtés d sont parallèles au plan de la feuille à traiter Les guides d'ondes 16 et 18 sont couplés aux applicateurs 10 et 12 par une paroi conductrice, respectivement 24 et 26, munie d'un iris de couplage, respectivement 28 et 30 Les apj Iicateurs et 12 sont des bottiers prismatiques de section rectangulaire, réalisés en une matière conductrice de l'électricité Les deux côtés des applicateurs 10 et 12 qui sont situés perpendiculairement au plan du produit en feuille 14 sont munis d'ouvertures rectangulaires 32, 34, 36 et 38 situées à mi-hauteur des côtés correspondants des applicateurs La mesure de ces côtés est égale à la mesure a précitée, c'est-à- dire à 8,6 cm dans le cas présent La mesure des autres côtés de la section rectangulaire des applicateurs 10 et 12 est égale à b Cette valeur b est une valeur optimale supérieure à a/2 et à la mesure d des guides d'ondes 16 et 18 Dans cet exemple particulier, la mesure b est comprise entre 8 et 10 cm et de préférence égale à 9,1 cm. Les applicateurs 10 et 12 sont délimités chacun, à leur extrémité opposée à la paroi 24 ou 26, par un court-circuit, respectivement 40 et 42, qui est constitué par une paroi rectangulaire, en matière conductrice, pouvant coulisser dans l'applicateur 10 ou l'applicateur 12 sous l'action d'une tige, respec- -9- tivement 44 et 46. Les positions respectives des iris 28 et 30 et des court-circuits 40 et 42 sont choisies de façon que la résonnance des guides soit obtenue et les applicateurs 10 et 12 sont décalés l'un par rapport à l'autre d'une quantité X /4, transversalement à la direction du défilement. A titre indicatif, on a obtenu de bons résultats avec des dimensions d'iris de 3,8 x 9,1 cm. Le dispositif représenté sur les figures 1 et 2 est particulièrement applicable au séchage d'encre appliquée sur des produits en feuille à la sortie d'une machine d'impression A la sortie du dispositif de l'invention, il est préférable d'adjoindre une soufflerie 48 apte à diriger de l'air froid sur le solvant de l'encre qui a migré de la feuille de papier sous l'action des micro-ondes Comme représenté sur la figure 2, et dans le cas o la face imprimée est dirigée vers le bas, la feuille de papier 14 passe, à sa sortie des applicateurs 10 et 12, sur un rouleau 50 qui permet de la dévier vers le haut Ceci facilite l'éjection du solvant sous l'action de la soufflerie 48. Avec le dispositif tel que représenté sur les figures 1 et 2, qui délivre une puissance totale de 2 k W, et des applicateurs 10 et 12 qui ont une largeur b = 4,3 cm, on a pu obtenir des vitesses de séchage de 30 à 40 m par minute avec une encre à solvant alcool et de 20 m par minute avec une encre à l'eau, à condition d'appliquer une ventilation d'air à la sortie des deux applicateurs. Dans ce cas particulier, la largeur de la feuille 14 était voisine de 50 cm, mais il est bien entendu que le disposi- tif n'est pas limité à une largeur de traitement particu- lière En optimisant la mesure b du côté transversal des applicateurs 10 et 12, et en particulier avec b = 9,1 cm, on a pu multiplier par un facteur de 2 la vitesse de séchage par rapport aux vitesses obtenues - avec un guide standard, c'est-à-dire dans le cas o le côté transversal est égal à d (c'est-à-dire 4,3 cm pour le standard européen). Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulièrement décrit et représenté et qu'on peut imaginer d'autres variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention Ainsi, on peut faire appel à des appli- cateurs dérivant de guides standards non européens, en particulier du standard américain de 3,4 x 7,2 cm. D'autre part, l'application de l'invention au séchage des encres d'imprimerie à l'alcool ou à l'eau ne constitue qu'un exemple préférentiel d'appli- cation de l'invention, et on peut appliquer l'invention à d'autres traitementsen particulier à des traitements thermiques. -11- REVENDICATIONS 1 Procédé de traitement par micro-ondes de produits en feuille, caractérisé par le fait que l'on fait défiler le produit à traiter successivement à travers au moins deux applicateurs micro-ondes allongés du type résonnant, avec des noeuds et des ventres d'intensité le long de leur axe principal, et par le fait que les applicateurs ont leurs axes principaux parallèles entre eux et sont décalés transversalement à la direction de défilement du produit d'une quantité 1 Xg o N représente le nombre total d'applicateurs et n 2 Xg la longueur d'onde des micro-ondes dans l'applij- cateur. 2 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins deux applicateurs micro-ondes allongés du type résonnant, avec des noeuds et des ventres d'intensité le long de leur axe principal, et munis d'ouvertures de passage pour le défilement du produit à traiter, et par le fait que les applicateurs ont leurs axes principaux parallèles entre eux et sont décalés transversalement à la direction de défilement du produit d'une quantité 1 kg o N représente le nombre total d'applicateurs N 2 et Xg la longueur d'onde des micro-ondes dans l'applicateur. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les applicateurs sont définis par une forme prismatique à section rectangulaie o a désigne la mesure du côté de la section du rectangle qui est speendiculaire au champ électrique et b la mesure du côté de la section du rectangle qui est paral- lèle au champ électrique, ladite forme prismatique étant délimitée à une extrémité par un court-circuit et à -12- l'autre extrémité par une paroi conductrice A iris de couplage, et par le fait que la mesure du côté b est en fait ajustée sur une valeur optimale supérieure a î 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la mesure du côté b est ajustée pour approcher les conditions de résonnance du mode TE 02. Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé par le fait que la section rectangulaire présente une mesure a de 8,6 cm et une mesure b comprise entre 8 et 10 cm, en particulier de 9,1 cm. 6 Dispositif selon l'une des revendications 3 a 5, caractérisé par le fait que chaque applicateur comporte deux ouvertures de passage en forme de fentes allongées ménagées respectivement dans les deux côtés de mesure a situés perpendiculairement au champ élec- trique. 7 Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait que les applicateurs ont leur axe principal orienté perpendiculairement à la direction de défilement du produit en feuille. 8 Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé par le fait qu'il comprend deux applicateurs décalés de 4 9 Dispositif se Ion l'une des revendications 2 à 8, caractérisé par le fait qu'il comporte une soufflerie apte à diriger un jet d'air froid sur le produit en feuille après son passage au travers des applicateurs.