Brevet FR2571201A1 — publié le 19860404

La présente invention a trait à un procédé de chauffa- ge dans la masse d'une forme réalisée en une substance ther- modurcissable au moyen d'un rayonnement électromagnétique, afin d'en effectuer la polymérisation. On connaît des procédés de chauffage mettant en oeuvre une cavité soumise & un rayonnement électromagnétique dans laquelle on place la substance ou l'objet destiné à être chauffé. Ce genre de procédé met en oeuvre un dispositif, couramment appelé "four à micro-ondes" qui peut être utilisé dans des procédés industriels de vulcanisation ou de polymé- risation par élévation de température de certaines substan- ces. Le champ électromagnétique alternatif, à une fréquence très élevée (2,45 GHz selon la réglementation française, par exemple), provoque des pertes diélectriques, qui chauffent la masse et on atteint ainsi le résultat recherché. Cependant, et du fait des réflexions multiples des on- des sur les parois de four, il est difficile de contrôler la répartition spatiale de l'énergie transmise à la substance. On déconseille, pour cette raison, de placer à l'inté- rieur du four une quelconque pièce de matériau conducteur, métallique notamment, qui perturberait la direction du champ électromagnétique tout en faisant office d'écran réflecteur. L'absence de contrôle sur l'orientation du champ élec- tromagnétique résulte dans des irrégularités de ce champ causant des inégalités d'échauffement à l'intérieur de la substance, certaines zones étant plus chauffées que d'autres. Or, on sait que l'élévation de température d'une substance augmente généralement son facteur de pertes. Le facteur de perte conditionne, par son accroissement, l'élévation de température. Rapidement, celle-ci étant direc- tement liée aux pertes, le processus devient localement ins- table, et les régions de la substance qui étaient le siège des plus fortes élévations thermiques absorbent la plupart de l'énergie électromagnétique. Outre le fait que les autres régions n'ont pas été suf- fisamment chauffées, les régions o se sont produites ces instabilités, véritables "emballements" thermiques, ont été surchauffées et donc souvent brûlées. L'importance des conséquences décrites varie bien en- tendu selon la nature de l'opération à effectuer, et il est évident qu'elle devient critique dans les opérations de vul- canisation ou de polymérisation d'une matière synthétique qui se décompose à des températures relativement basses. L'invention vise à remédier aux inconvénients dus à l'absence de contrôle de la direction du champ électromagné- tique auquel est soumise la substance destinée à être chauf- fée, et ce au moyen d'un guidage approprié du champ. De cette manière, on peut contrôler la distribution de l'énergie dans la substance, et provoquer une élévation de température homogène de cette substance. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de chauffage dans la masse d'une substance essentiellement non électriquement conductrice, oû l'on dispose la substance à l'intérieur d'une cavité, 1l'on soumet la substance à un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde dans la gamme décimétrique avec une puissance et pendant un temps déterminés, caractérisé en ce que l'on répartit la substan- ce à chauffer en couche entre deux plaques d'un métal élec- triquement bon conducteur, les deux plaques épousant respec- tivement chacune des deux plus grandes surfaces de la subs- tance, et en ce que l'on dispose l'ensemble constitué par les deux plaques et la substance à une distance d'écarte- ment minimum déterminée des parois de ladite cavité. De même, il est possible de répartir la substance à chauffer en panneaux étendus généralement suivant un plan et présentant une épaisseur déterminée, on constitue un em- pilement de ces panneaux avec interposition de plaques en un métal électriquement bon conducteur qui épousent la forme desdits panneaux, deux plaques étant en outre disposées res- pectivement au sommet et à la base de l'empilement, et l'on dispose ledit empilement à une distance d'écartement minimum déterminée des parois de ladite cavité. Ainsi, il est possible de fournir un champ électromagné- tique homogène à la substance indépendamment de la position de celle-ci dans la cavité, les plaques métalliques donnant une orientation définie, normale à leur plan, aux ondes qui constituent le champ. La pluralité des panneaux empilés al- ternativement avec des plaques métalliques ici en forme de profilés adjacents, que l'on dénommera "profilés de forma- ge", permet de disposer d'une répartition d'énergie avanta- geusement constante dans tous les panneaux. Cependant, en dépit du guidage de l'orientation du champ électromagnétique, il s'établit des ondes stationnai- res dans tout panneau de substance de dimensions finies.Ces ondes stationnaires peuvent créer des variations de distri- bution d'intensité de champ dans la substance, même si le rayonnement auquel celle-ci est initialement soumise est homogène. Les ondes stationnaires s'établissent selon les trois axes. Dans le sens de l'épaisseur, et selon l'invention, on évite l'inconvénient en limitant cette épaisseur à moins d'une demi-longueur d'onde, les ondes stationnaires ne pou- vant s'établir dans ce cas. Selon les deux autres axes, les ondes stationnaires provoquent des variations d'échauffement selon leur distri- bution spatiale. Afin de remédier à cet inconvénient, les profilés de formage sont réalisés en un métal particulière- ment bon conducteur thermiquement. Par contact avec les dif- férentes zones plus ou moins échauffées de la substance, ils servent de pont thermique, et ont ainsi un effet régulateur qui harmonise l'échauffement dans sa répartition spatiale. Il est évident que, afin d'obtenir cette répartition homogè- ne, le contact, et donc le pont thermique, ne s'établissant que selon deux axes, il est indispensable d'avoir préalable- ment évité l'établissement d'ondes stationnaires selon au moins l'un des trois axes. On réalise donc selon l'invention, un guidage du champ électromagnétique à l'intérieur des panneaux qui y sont sou- mis, et une régulation thermique complémentaire permettant une homogénéité de l'échauffement en tous points dans l'épais- seur desdits panneaux. Diverses formes peuvent être réalisées, bien entendu, dans le cadre de l'invention. Les caractéristiques et avantages de la présente inven- tion ressortiront d'ailleurs de la description qui va sui- vre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une représentation schématique en pers- pective, d'un exemple de mode de chauffage par champ électro- magnétique d'un empilement mettant en oeuvre un mode de réa- lisation d'un procédé selon l'invention; la figure 2 est une représentation en perspective d'un mode de réalisation d'un empilement selon l'invention; la figure 3 est une illustration d'une première étape d'un mode de réalisation selon l'invention. Suivant le mode de réalisation choisi et représenté on décrit un procédé adapté à la fabrication d'une multiplicité d'éléments en forme de tulles, notamment par polymérisation d'une substance thermodurcissable, que l'on chauffe dans la masse par rayonnement électromagnétique en la plaçant & l'intérieur d'un four dit "A micro-ondes". Le four à "micro-ondes" utilisé est du genre comportant une cavité ll déterminée par des parois conductrices, la ca- vité étant hermétique à la chaleur et aux rayonnements élec- tromagnétiques. Deux guides d'onde tubulaires 12 comportant des antennes rayonnantes 13, ici des fentes, disposées et dimensionnées selon une technique en soi connue, servent à transmettre un rayonnement électromagnétique de fréquence déterminée (2,45 GHz) à la cavité. L'énergie électromagnéti- que est fournie aux guides d'onde 12 par un générateur appro- prié, non représenté. Le type de four à "micro-ondes" utili- sé pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention ne fait pas partie de l'invention elle-même. La substance présente avant polymérisation une consis- tance déjà suffisamment ferme pour se maintenir elle-même, c'est-à-dire ne pas se déformer sans application d'une force extérieure importante. Pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, on procède de la manière suivante: On réalise une succession de panneaux rectangulaires plats 16 de substance d'une épaisseur déterminée, inférieure à une demilongueur d'onde, la longueur d'onde étant définie par la fréquence du rayonnement utilisé (ici 2,45 GHz) et par le milieu dans lequel elle se propage, ici la substance à polymériser. La succession des panneaux 16 est disposée selon plu- sieurs plans superposés, à raison de trois panneaux dans un même plan, avant mise en forme. Chaque panneau est destiné, après mise en forme, à constituer un secteur tubulaire pou- vant être découpé ensuite si besoin est, après traitement. Chaque plan de trois panneaux adjacents successifs est séparé du plan supérieur et du plan inférieur, identique, par une pièce métallique rigide 17 ayant la forme de trois secteurs tubulaires suivant une génératrice, accolés entre eux, similaires à celle des "tuiles romaines". Ces pièces métalliques 17 appelées "profilés de formage" sont électri- quement et thermiquement conductrices, avantageusement en alliage d'aluminium. Elles sont identiques entre elles, ex- cepté la position de saillies 19 ménagées pour en permettre la manipulation. Les profilés ont dans l'exemple une épais- seur variable, ce qui ne gêne en aucun cas la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Chaque secteur tubulaire d'un profilé de formage 17 présente deux surfaces, l'une su- périeure, l'autre inférieure dont les rayons sont légèrement différents, afin de donner deux rayons différents aux pan- neaux de substance 16, permettant ainsi d'obtenir des élé- ments ayant la forme d'un secteur tubulaire. Ces rayons sont centrés sur deux axes différents, décalés normalement aux plans définis ci-dessus afin de compenser l'épaisseur moyen- ne d'un profilé de formage 17. On réalise ainsi un empile- ment 15 de couches de substance 16 et de profilés de forma- ge 17 alternés, les surfaces supérieure et inférieure de l'empilement 15 étant également constituées de profilés de formage 17. Les panneaux de substance servent également d'entretoises, évitant tout contact électrique entre les profilés de formage. Selon le mode de réalisation décrit dans la demande, les panneaux de substance 16 sont mis en forme par les pro- filés intercalés 17. On comprime l'empilement 15, de maniè- re & ce que les panneaux de substance 16 épousent les for- mes déterminées par les profilés de formage. Les axes paral- lèles des secteurs tubulaires adjacents de chacune des for- mes ainsi empilées déterminent alors une pluralité de plans parallèles superposés, dont on définit le plan médian comme étant le plan général de l'empilement. La forme donnée aux profilés de formage 17 est déterminée par la forme finale que l'on souhaite conférer aux panneaux. Elle peut être dif- férente dans d'autres modes de réalisation de l'invention. L'empilement 15 ainsi réalisé est alors placé dans le four à micro-ondes 11 destiné à soumettre cet empilement à un rayonnement électromagnétique, ce qui a pour effet, com- me connu, de provoquer un échauffement d'une matière non- conductrice, ici la substance 16 que l'on cherche à traiter. On dispose l'empilement 15 de manière à ce que le plan mé- dian de l'empilement soit confondu avec le plan médian paral- lèle à la paroi de base du four destiné à être le siège d'un rayonnement électromagnétique. Le rayonnement électromagnétique dans la cavité se cons- titue de deux champs distincts: Un premier champ, que l'on appellera "champ direct", est constitué par l'ensemble des ondes émises par la source de rayonnement, selon une loi de directivité déterminée, et n'ayant pas encore heurté un obstacle sur leur trajet de propagation. Ce champ décroit en intensité & mesure que l'on s'éloigne de la source. Un deuxième champ, sera appelé "champ réfléchi", qui est constitué par l'ensemble des ondes émises par la source dans la cavité et qui ont subi au moins une réflexion lors de leur propagation. Bien que le champ direct et le champ réfléchi se super- posent, on peut déterminer une zone o le champ direct domi- ne, notamment par le fait que l'intensité globale décroît à mesure que l'on s'éloigne de la source, et une zone o le champ réfléchi domine, dans laquelle l'intensité est théori- quement répartie de façon homogène dans l'espace, hormis les problèmes particuliers d'ondes stationnaires qui peuvent s'établir et qu'il convient de réduire d'une manière connue en soi. Recherchant, pour les raisons invoquées ci-dessus & obtenir une répartition de champ aussi homogène que possible, entre les différents panneaux de substance, ce qui implique que le champ soit homogène dans la cavité, il est évident que l'on placera, lors de l'exécution du procédé suivant la présente invention, l'empilement 15 dans la zone de la cavi- té 11 o le champ réfléchi est dominant. Afin de position- ner l'empilement 15 & l'emplacement souhaité pendant l'opé- ration de chauffage, on le place sur un support 14 transpa- rent aux rayonnements électromagnétiques. On génère alors le champ électromagnétique avec une puissance et pendant un temps déterminés afin de réaliser le traitement par échauf- fement de la substance 16. Les tranches des panneaux de substance 16 mis en forme paraissent découvertes, et sont donc accessibles au rayonne- ment électromagnétique, qui pénètre alors la substance. Les profilés de formage 17 étant réfléchissants, ils ne peuvent être traversés par les ondes électromagnétiques. Le champ étant de plus orienté selon la normale à leur surface dans l'espace quli sépare deux profilés superposés, ce champ est donc identique et homogène dans toutes les couches de substance séparant les profilés de formage 17. Ces profilés de formage servent donc dans ce cas de guides d'onde secon- daires. Les irrégularités qui subsistent alors dans la réparti- tion spatiale du champ à l'intérieur de chaque panneau de substance 15 sont dues aux seules ondes stationnaires qui s'établissent en fonction des propres dimensions de ces pan- neaux de substance. En limitant ces ondes stationnaires & une orientation selon les deux axes qui définissent la sur- face de contact avec les profilés de formage 17, on établit des ponts thermiques entre les zones les plus chaudes et les zones les plus froides, ce qui a un effet régulateur. Les profilés de formage sont, & cette fin, réalisés en un métal choisi, outre ses propriétés de conduction électrique, pour être un bon conducteur thermique. Un alliage d'aluminium par exemple, peut être avantageusement employé. L'élimination des ondes stationnaires selon l'un des trois axes est simple et connue en soi: Il suffit de donner une dimension selon cet axe aux pièces à polymériser, ici les panneaux de substance 16, qui soit inférieure & une demi-longueur d'onde du rayonnement se propageant dans la matière. On a ainsi distribué l'énergie du rayonnement électro- magnétique de façon homogène dans tous les panneaux de subs- tance 16, après mise en forme de ceux-ci, et compensé les effets des ondes stationnaires internes à chaque panneau par régulation thermique. On évite ainsi les phénomènes d'ac- croissement local du champ dus à une élévation de températu- re particulière A une région. On sait que ce phénomène ther- miquement divergent, est fondamentalement instable. Il dé- clenche, comme décrit précédemment, des emballements thermi- ques produisant une surchauffe locale incontrôlée de la substance, qui devient dès lors, inutilisable* Ce problème est donc résolu dans le procédé selon la présente invention. L'élévation thermique pouvant être contrôlée pour l'en- semble de la substance, il est donc également possible de reproduire le procédé de façon industrielle, c'est-à-dire identiquement aussi souvent que nécessaire avec une qualité- de traitement constante, ce qui est indispensable dans ce cas. De plus, l'échauffement est le même dans toutes les couches. Ceci permet, outre la qualité du matériau traité, un contrôle efficace de la température avec un seul point de mesure. On peut également utiliser le procédé décrit en juxta- posant plusieurs panneaux de substance 16 et/ou plusieurs pièces métalliques 17 dans un plan horizontal à condition de prendre la précaution de ne pas mettre les pièces métal- liques 17 en contact les unes avec les autres. Il va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre illustratif non limitatif et que de nom- breuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention, lequel est défi- ni par les revendications annexées. Les panneaux et les pla- ques pourraient être plans par exemple, et dans un autre mode de réalisation. REVENDICATIONS 1) Procédé de chauffage dans la masse d'une substance essentiellement non électriquement conductrice, o l'on dis- pose la substance à l'intérieur d'une cavité, l'on soumet la substance à un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde dans la gamme décimétrique avec une puissance et pen- dant un temps déterminés, caractérisé en ce que l'on répar- tit la substance à chauffer en couche (16) entre deux plaques (17) d'un métal électriquement bon conducteur, les deux pla- ques (17) épousant respectivement chacune des deux plus gran- des surfaces de la substance, et en ce que l'on dispose l'en- semble (15) constitué par les deux plaques et la substance à une distance d'écartement minimum déterminée des parois de ladite cavité (11). 2) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la substance est inférieure à 1/2 lon- gueur d'onde du rayonnement se propageant dans la substance. 3) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on répartit la substance à chauffer en panneaux (16) étendus généralement suivant un plan et présentant une épaisseur déterminée, on constitue un empilement (15) de ces panneaux (16) avec interposition de plaques (17) en un métal électriquement bon conducteur qui épousent la forme desdits panneaux, deux plaques étant en outre disposées respectivement au sommet et à la base de l'empilement, et l'on dispose ledit empilement à une distan- ce d'écartement minimum déterminée des parois de ladite ca- vité (11). 4) Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les plaques (17) qui séparent les panneaux (16) de substance destinée à être chauffée sont bons conducteurs thermiques. ) Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les plaques (17) qui séparent les panneaux (16) de substance destinée à être chauffée sont des profilés de for- mage qui déterminent la forme desdits panneaux de substance par compression de l'empilement suivant une direction norma- le aux plans généraux des panneaux. 6) Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre de la substance destinée à être chauffée selon une forme générale- ment rectangulaire en projection plane, constituée par acco- lement d'au moins deux ou plusieurs secteurs tubulaires sui- vant une génératrice. 7) Proc6d6 suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cavit6 est de dimensions telles que l'empilement ne s'approche nulle part des parois de moins de trois demi- longueurs d'onde. 8) Procéd6 suivant l'une quelconque des revendications pr6cédentes, caractéris6 en ce qu'il met en oeuvre un four à micro-ondes.