Brevet FR2614490A1 — publié le 19881028

La présente invention concerne tous les secteurs de l'industrie où il est nécessaire de traiter thermiquement des produits pouvant être considérés comme des diélectriques par opposition à ceux désignés sous le nom de conducteurs, en I'occurence les métaux, De plus, les matériaux à chauffer doivent se présenter sous forme divisée ou divisable telle que grain ,, poudre, liquide, pâte. Néanmoins le champ d'application est très vaste.Il va du traitement de graines (blé, soja, café, noisette etc.) en passant par des poudres (farine, poudre de caoutchouc etc.) jusqu'aux liquides épais (coulis de tomates, confitures, polymères fondus, pate cellulosique, jus divers etc.) Dans les dispositifs classiques de traitement en continu par micro-ondes, les produits sont placés sur un tapis qui avance dans un four à l'intérieur duquel sont placées des rampes rayonnantes micro-ondes.Ce genre de dispositif présente pour les applications que nous visons des inconvénients : problème de fuites à l'entrée et à la sortie du four, faible densité d'énergie au niveau du produit, difficulté importante pour le traitement de produits se présentant sous forme de liquides épais, impossibilité d'obtenir des températures et des pressions élevées au niveau du produit à traiter, impossibilité de récuperer les calories emmagasinées par le produit traité, impossibilité de travailler de façon stérile. Des dispositifs moins classiques permettent cependant d'éliminer la plupart des inconvénients ci-dessus (voir par exemple le brevet français n F28 260 du 23/09/81. Il s'avèrent néanmoins d'une technologie plus compliquée et conduisent à un chauffage moins homogène. Le dispositif suivant l'invention permet d'éliminer tous les inconvénients présentés ci-dessus, de plus sa technologie très simple facilite son nettoyage et on peut lui accoler un échangeur permettant de refroidir le produit déjà traité tout en r,échauffant le produit à traiter ce. qui conduit à une diminution de la facture énergétique. Le dispositif objet d' l'invention comporte (fig 1) un cylindre extérieur métallique 3, en acier inoxydable par exemple, à l'intérieur du quel est placé un arbre métallique 4. Cet arbre concentrique au cylindre 3 est entrainé par un moteur 5 placé en bout d'arbre. L'arbre 5 porte une vis extrudeuse 1 permettant, grâce à une trémie d'alimentation 6, d'engager sous pression le produit à traiter entre les parties 3 et 4 du système. Ces parties forment au delà de la vis extrudeuse un câble coaxial 2 dont le diélectrique est le matériau à traiter. Celui-ci est donc soumis à un champ électrique radial très intense. Notons que le diamètre de la vis extrudeuse peut être inférieur à celui du câble coaxial ce qui n est d'ailleurs pas le cas sur la figure 1 où les diamètres sont identiques. Dans un exemple possible de réalisation à 2450 MHz, l'amie central pourrait avoir un diamètre de 80mm et le cylindre 3 servant de gaine (fig 1) un diamètre int-érieur de 160mm. Ces dimensions sont données à titre indicatif. Il va de soi que l'on pourrait travailler à des fréquences plus basses, 915MHz ou même 434MHz. On a cependant interêt à travailler le plus souvent à 2450MHz car à cette fréquence, l'atténuation de l'onde dans le matériau est très grande. L'excitation du cable coaxial se fait latéralement par de nombreux générateurs élémentaires de 1KW. Cette puissance correspond à celle des fours ménagers domestiques, ce qui permet, compte tenu de la production de masse de ces appareils, d'avoir des générateurs bon marché. Chaque magnétron est monté de façon classique sur un tronçon de guide d'onde standard fixé directement sur le cylindre 3 comme indiqué sur la figure 1. L'axe du guide est perpendiculaire à l'axe du cylindre 3, de plus le guide est placé de telle façon que le champ électrique E du mode fondamental Hol soit parallèle à l'axe du cylindre. Notons que s'il était perpendiculaire, le système pourrait quand même fonctionner. On obtient ainsi une bonne adaptation d'impédance entre la source micro-onde et le cable coaxial. De toute façon, il est possible de placer, entre le générateur et le cylindre 3, un adaptateur à vis. Pour le régler, on minimise le signal réfléchi fourni par un bicoupleur plagié entre le magnétron et l'adaptateur. Pour augmenter la puissance de l'applicateur, on place toute une série de générateurs tout autour du cylindre 3. La figure 2 montre un exemple de réalisation où deux sources de 1KW sont placées exactement face à face. Pour augmenter le découplage entre ces deux sources, il est possible de les alimenter de façon séquentielle. En effet, les alimentations H.T. utilisées sont du type doubleur de tension mono alternance. Il s'ensuit que le magnétron est alimenté une alternance sur-deux. En alimentant les transformateurs des deux magnetrons de la figure 2 en opposition de phase, l'un débite quand l'autre est l'arrêt et vice versa pour la demi alternance suivante. Pour augmenter encore la puissance, on peut, comme indiqué sur la figure 3, au lieu d'utiliser deux magnétrons face à face, employer deux paires de deux magnétrons face à face. On peut comme précédemment combiner les phases des alimentations de façon à avoir le découplage maximal entre deux sources. En fait, on utilisera des alimentations monophasées alimentees à partir du triphasé, ce qui permet de découpler parfaitement trois sources et un peu moins bien six. En utilisant deux paires de deux sources, on obtient 4 X 1= 4Kw de micro-ondes. Si l'on désire obtenir 20KW il faut employer 20/4= 5 ensembles comprenant 4 sources. Ceux-ci seront régulièrement répartis sur le cylindre extérieur 3 à une dizaine de cm les uns des autres et cela pour une réalisation à 2450 MHz, et pour des materiaux à fortes pertes diélectriques comme c'est le cas pour ceux qui contiennent de l'eau. Pour les autres comme la poudrette de caoutchouc, on augmente légèrement la distance entre les sources ou on fait travailler les magnétrons en quinquonce de façon à diminuer leur interaction mutuelle. Pour augmenter l'uniformité du chauffage, on peut, au lieu de fixer les sources micro-ondes sur un génératrice du cylindre 3, les disposer suivant une hélice. Si, longitudinalement, on a par exemple dix ensembles de sources, chaque ensemble sera décalé de 360/10 = 3. Pour éviter que la matière à traiter se répande dans les guides d'alimentation, ceux-ci sont munis d'une fenêtre 4 transparente aux ondes mais opaque au produit & chauffer. Ces,fenêtres seront réalisées pour de pressions et des températures faibles en polypropylène au delO de 100 en téflon ou en quartz Elles seront constituées par un bloc d'épaisseur Xg/4 obturant complètement le guide et s'appuyant sur un épaulement (fig 4). La sortie de l'applicateur sera terminée soit par une goulotte soit par une filière extrudeuse soit par une buse. Les diamètres de la goulotte d'arrivée et de l'organe de sortie sont tels qu'ils constituent un guide d'onde à la coupure, à la fréquence de travail considérée. De toute façon cela n'est pas une nécessité puisque les ondes ne peuvent pas remonter vers l'entrée ou la sortie du fait de la présence du matériau à traiter qui les absorbe. L'applicateur peut être exécuté en trois parties - La première comprend la vis extrudeuse et éventuellement un échangeur - la deuxième la zone de traitement avec ses sources micro-ondes - la troisième la sortie et éventuellement un échangeur Chaque partie peut être reliée très simplement à la suivante par un système de bride et d'encliquetage permettant si l'on désire une puissance de chauffe plus importante d'accoupler en série plusieurs parties deux. Dans le cas de l'utilisation d'échangeur du type liquide liquide, on pourra refroidir en sortie le produit traité tout en réchauffant le produit à traiter. L'arrivée des ondes dans le cable coaxial se faisant de façon localisée par une fenêtre transparente, on pourrait craindre que se produise au niveau de celle-ci une surchauffe se traduisant par un croûtage sur la fenêtre. Celle-ci pouvant être en teflon, ce risque d'accrochage n'est pas très grand. De toute façon, si l'on veut éliminer cette possibilité et introduire un certain brassage de la matière dans l'applicateur, il est possible d'insérer dans le cable coaxial une hélice qui s'appuie d'une part sur l'intérieur du cylindre 3, d'autre paru est concentrique avec l'arbre 4. Cette hélice, dans le cas des produits liquides ou peu visqueux, est solidaire de l'arbre 4. Son pas est tel que son débit correspond à celui de la vis extrudeuse, cela afin de limiter les efforts. Pour les températures inférieures à 100. et pour les faibles pressions, elle pourra être réalisée en polypropylène. Dans le cas des produits visqueux, l'hélice ne sera pas solidaire de l'arbre 4 car elle serait alors soumise à des efforts trop grands. Elle sera simplement entraînée par les filets de liquide. Son pas est choisi de telle façon qu'il soit beaucoup plus important que celui de la vis extrudeuse de façon à ce qu'elle tourne très lentement. Son but reste toujours le même, supprimer d'éventuels croûtages sur les fenêtres amenant les ondes à lrintérieur de l'applicateur.Pour des températures supérieures à 100, elle est réalisée en verre, en céramique ou en quartz. Pour éviter l'inertie thermique au démarrage du dispositif objet de l'invention, inertie due à la présence de masse métallique importante, il est possible de prévoir une mise en température de l'applicateur par des résistances électriques classiques. Pour améliorer le bilan thermique il est nécessaire de prévoir un calorifugeage du dispositif. Notons qu'en phase de démarrage, les générateurs pourront être enclanchés progressivement au fur et à mesure de l'introduction du produit dans le dispositif, lors de l'arrêt on procédera de la même façon mais en sens inverse Par suppression du fond 7 de l'applicateur et en prenant les précautions mécaniques nécessaires pour que l'arbre intérieur 4 soit bien centré par rapport au cylindre 3 on peut, en ne pas utilisant l'hélice, fabriquer par cuisson extrusion des tubes cylindriques creux de sections quelconques.En effet, il suffit simplement d'injecter un mélange durcissant à chaud dans la vis extrudeuse 1 pour fabriquer un profilé cylindrique dont le diamètre extérieur sera celui du cylindre 3 et le diamètre intérieur celui de l'arbre 4. Le mélange durcissant à chaud pourra être par exemple de la sciure, des copeaux et de la colle, des fibres de verre ou de la résine ou de façon générale tout mélange susceptible de durcir à chaud. Pour donner au profilé une certaine compacité, il est nécessaire de prévoir un système de galets presseurs à couple résistif permettant de retenir avec une force adéquate le profilé fabriqué. Le dispositif objet de l'inv,ention peut être utilisé chaque fois qu'il s'agit de chauffer un produit présentant des pertes diélectriques. Citons à titre d'exemple quelques applications se passant de comment aires. dans les parois métalliques qui l'entourent. - hydrolyse de certaines celluloses par chauffage vers 200 sous pression puis brusque détente à la pression atmosphérique. - fabrication de tube creux de diamètre quelconque par cuisson extrusion d'une pate durcissant à chaud. Il faut noter que la présence de l'échangeur de sortie permet la flasch pasteurisation ou même la stérilisation. Dans le cas de la dévulcanisation du caoutchouc, le produit sortira considérablement refroidi, ce qui évite l'apparition de fumées et d'odeurs gênantes. - pasteurisation, voire même stérilisation de produits agroalimentaires tels que jus de fruits, lait, concentré de tomates, confiture etc. - prégélatinisation de solution aqueuse d'amidon. - chauffage de graines dans le but d'augmenter leur valeur nutritive, de détruire certains produits toxiques comme l'uréase du soja. - grillades d'amandes, torréfaction de café. - dévulcanisation du caoutchouc se présentant sous forme de poudrette. - cuisson extrusion de produits alimentaires tels que des sortes de biscuits. (L'invention est plus économe en énergie que le procédé utilisant l'induction car la chaleur apparaît dans le produit même à traiter et non REVENDICATIONS 1 - Dispositif visant à chauffe par pertes diélectriques en micro-ondes des produits se présentant soit sous forme de poudre, de grain, de pâte, de liquides plus ou moins visqueux contenus dans une cavité metallique susceptible de tenir à la pression et à la température et circulant de façon continue ou discontinue, : caractérisé par le fait que la cavité de traitement est assimilable à une sorte de cavité coaxiale excitée par des sources micro-ondes elles-mêmes disposées sur le pourtour de la cavité et communiquant avec celle-ci par des fenêtres transparentes aux ondes et opaques à la matière à traiter, celle-ci étant injectée dans le système par une vis extrudeuse et sortant de celui-ci par une gou lotte ou une buse 2 - Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait que les sources micro-ondes sont reliées à la cavité de traitement par des guides d'ondes standard dont l'axe est perpendiculaire à la cavité et dont le champ électri que peut être soit parallèle sont perpendiculaire à l'axe de la ca vité. 3 - Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait que les guides d'ondes d'alimenta tion comportent des fenêtres transparentes du type )g/4 réalisées en polypropylène, en téflon ou en quartz ou en tout autre matériau résistant à la température, à la pression et aux ondes. 4 - Dispositif selon la revendicati6n 1, : caractérisé par le fait que le produit est injecté dans la cavité de traitement par une vis extrudeuse alimentée sur le coté par une trémie 5 - Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait que la sortie peut comporter soit une simple goulotte, soit une vis extrudeuse, soit une buse 6 - Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait que lesvsources micro-ondes peu vent être disposées par paires ou par ensembles de paires, cha que magnétron de la paire se faisant face. 7 -Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait que chaque paire peut, au lieu d'être alignée sur une génératrice du cylindre servant de cavité de traitement, être légèrement décalée suivant une hélice. 8 - Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait que sur l'arbre central peut être disposée, de façon solidaire ou libre, une hélice de pas a déquat réalisée en une matière ne chauffant pas sous l'action des ondes. 9 - Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait qu'il est possible de suppri mer le fond de la cavité tout en maintenant fixe l'âme centrale et de se servir de ce nouveau dispositif pour fabriquer des tubes creux avec une matière thermodurcissable. 10 -Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait que la cavité de traitement peut comporter en amont et en aval deux échangeurs thermiques du type liquide/produit à traiter.