Brevet FR2636489A1 — publié le 19900316

La présente invention concerne un dispositif de couplage d'énergie électro-magnétique sur un matériau absorbant et circulant sous pression dans une enceinte métallique quelconque. Dans les applications de chauffage par micro-ondes, on utilise en combinaison - une source généralement un magnétron, - une ligne de transmission généralement un guide d'onde ou un coaxial, - un applicateur qui assure le transfert d'énergie entre la source de micro-ondes et le matériau à chauffer. Les applicateurs existants sont regroupés en quatre types principaux - applicateurs à cavité mono ou multi-modes qui sont utilisés pour les applica tions domestiques ou industrielles. - applicateurs à ondes progressives, dans lesquels le matériau à chauffer tra verse un guide d'onde généralement de section rectangulaire. - applicateurs à ondes progressives, dont le couplage d'énergie avec le produit est effectué par des fentes (cf. brevets US 3783221 et 378#777). - applicateurs à ondes lentes, dans les quels le matériau à chauffer se dépla ce à proximité d'une ligne de propagation ouverte interagissant avec lechamp électrique extérieur inhomogène de la ligne. Il est déjà connu d'utiliser le chauffage micro-ondes dans une extrudeuse (cf. brevets US 4003554 et FR 2298571). Dans les applications de chauffage des matériaux sous pression, et notamment dans les têtes d'extrudeurs, on utilise des applicateurs du type cavité, ou du type coaxial et comme les dimensions et le métal de l'applicateur sont imposées, on garni le volume par un matériau diélectrique à faibles pertes et à haute résistance à la compression comme par exemple les alumines (cf. brevet DE A 2926222 etDE A 2926223) compte tenu de la valeur élevée de la permittivité de ces matériaux, cette disposition nuit considérablement à la qualité du transfert d'énergie sur le matériau à chauffer. D'autre part il est difficile de maîtriser les courants induits par le champ dans l'applicateur et d'empécher les fuites sur les autres organes coopérant avec l'applicateur. L'utilisation d'un applicateur du type ligne de propagation ouverte peut résoudre en partie les inconvénients cités (cf. description d'un tel applicateur dans "Journal of Microwave power" 10 (1) 1975 et brevet FR 8305428) mais ne permettent pas compte tenu de la très forte atténuation du champ électro-magnétique à proximité de l'interface du produit avec l'applicateur, d'obtenir une répartition homogène du chauffage dans le volume du produit. La présente invention a pour objet un applicateur de transfert d' énergie électro-mécanique sur un produit absorbant circulant sous pression dans une enceinte métallique quelconque et notamment une cavité diélectrique tid oldale coopérant avec une ligne de transmission du type guide métallique, lequel applicateur est caractérisé en ce que le dispositif de couplage entre la ligne de transmission métallique et la cavité diélectrique toroidale est multiple et directionnel et comporte entre chaque couplage une structure en matériau ferri te polarisé magnétiquement. Selon une disposition avantageuse de ce mode de réalisation, les structures ferrites et leurs aimants sont des disques noyés dans la cavité diélectrique toroïdale et refroidis par des échangeurs thermodynamiques ponctuels encore dénommés caloducs. Selon un mode de réalisation, l'ensemble de l'applicateur est coaxial avec l'axe d'écoulement du produit. Selon une autre réalisation particulièrement avantageuse, un cylindre en métalplacé coaxialement avec la cavité réalise la formation d'un tube de matière à chauffer. Selon une autre disposition, plusieurs ensembles de cavités diélectriques toroidales coaxiales avec le produit sont juxtaposées. Quand la cavité diélectrique est remplie avec le produit à chauffer l'énergie électro-magnétique distribuée par le guide métallique est répartie suivant des fentes de couplage, celles-ci sont disposées à la demande à partir des résultats du calcul. L'excitation d'un mode de propagation hybride est générée par chaque porte dans une portion de la cavité diélectrique, une partie de l'énergie électro-magnétique est absorbée par le produit à chauffer; la résonnance induite dans la cavité diélectrique par les couplages successifs est annulée par les structures ferrites qui dévient l'onde réfléchie sur le produit. Un mode hybride est un mode composé de deux ondes planes supperposées il comporte simultanément des composantes longitudinales Hz et Ez non nulles. Ces caractéristiques permettent d'obtenir une onde progressive entre deux couplages. L'avantage d'une telle disposition sur tous les dispositifs connus est que l'énergie distribuée par le guide métallique sur la cavité diélectri- que est directive et dosée et que les structures ferrites disposées dans la cavité diélectrique évitent la formation d'ondes stationnaires par résonarlce évitant la création de gradiant de températeure importants. Il y a lieu de souligner également que - La configuration des champs électriques restent en mode de surface et donc n'induisent pas de courant à proximité des masses métalliques. - On remarque également que cette disposition permet la reprise des efforts de pression radiale exercée par la matière sur la cavité diélectrique de dimension réduite. - Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortirons de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de de ription qui va suivre qui se réfère aux dessins dans lesquelS - La figure la représente l'applicateur vu de face. - La figure lb représente une coupe transversale de la figure la, selon l'invention, comportant la source, le guide métallique, la cavité diélectrique toroïdale. - La figure 2 coupe transversale de l'ensemble de l'applicateur avec un cylindre métallique coaxial destiné à réduire l'épaisseur de la matière à chauffer quand les pertes diélectriques sont très élevées. - La figure 3 représente une coupe transversale d'un applicateur com portant deux cavités diélectriques juxtaposées, toroïdales dont 1' une est coaxiale avec un cylindre métallique. - La figure 4 représente un élément de couplage entre le guide métal lique et la cavité diélectrique en combinaison avec la structure ferrite. - La figure 5 représente le dispositif ponctuel de refroidissement de la structure aimants ferrite par un élément caloduc. - La figure 6 représente l'applicateur incorporé dans une tête d' extrudeuse. Il doit être bien entendu toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. L'ensemble de l'applicateur représenté sur la figure la comprend la source d'énergie micro-ondes 1 le guide d'onde métallique 2, avec un court circuit 3, la cavité diélectrique 4, ainsi que les fentes de couplage 5, entre chaque fente une structure en matériau ferrite 6, constitue l'élément antirésonant. La figure lb représente une coupe transversale de la figure la. La section du guide métallique 2, avec la cavité toroïdale 4, les fentes de couplages 5 et la zone d'interaction du champ électrique de surface 8 avec le produit à chauffer 9, qui s'écoule suivant la flèche F et limité par la surface cylindrique 10. La figure 2 représente l'applicateur en coupe transversale selon 1' invention avec un cylindre métallique coaxial 7, destiné à former un tube de matière à chauffer 9, dans la zone d'interaction 8. La figure 3 représente un exemple d'application avec deux sources micro-ondes distinctes; la et lb, la distance D, séparant les deux cavités diélectriques 4a et 4b n'est pas critique, elle peut etre inférieure à une longueur d'onde. La matière à chauffer s'écoule suivant F. La cavité diélectrique 4 a est coaxiale avec un cylindre métallique 7. La figure 4 représente la fente de couplage directif 5, mettant en communication le champ électro-magnétique 1, du guide métallique 2, avec la cavité diélectrique 4, une structure ferrite 6 dévie l'onde réfléchie EMR sur le produit à chauffer 9. La figure 5 représente le refroidissement des structures aimants 11 ferrites 6, par des caloduc 12. La figure 6 représente en coupe l'applicateur incorporé dans une extrudeuse 14, dont la vis 15, pousse la matière à chauffer 9 dans la zone d' interaction 8, conformée en tube par le poinçon métallique coaxial 7; le guide d'onde métallique 2 est constitué par la partie 13 de l'extrudeuse et de la tête 16, la cavité toroïdale 4 est assemblée et maintenue entre les pièces 13 et 16; la matière chauffée après son passage dans la zone d'interaction 8, est mise en forme par la filière 17. Les ferrites 6, avec leurs aimants 11 sont refroidis par les caloduc 12. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite. Elle en embrasse au contraire, toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière sans s' écarter du cadre ni de la portée de la présente invention. REVENDICATIONS 1 - La présente invention a pour objet un applicateur de transfert d'énergie électro-magnétique sur un produit absorbant circulant sous pression dans une enceinte métallique quelconque et notamment une cavité diélectrique toroïdale coopérant avec une ligne de transmission du type guide métallique, lequel applicateur est caractérisé en ce que le dispositif de couplage entre la ligne de transmission métallique et la cavité diélectrique torordale est multiple et directionel et comporte entre chaque couplage une structure en matériau ferrite polarisé magnétiquement. 2 - La cavité diélectrique toroldale selon revendication 1 comportant des disques en ferrite polarisés magnétiquement dans le sens axial. 3 - Applicateur selon la revendication 7 et 2 comportant un dispositif de refroidissement des disques de ferrite et des aimants par échangeur thermo-dynamique. 4 ,Applicateur selon revendication 1 à 3 caractérisé en ce que un cylindre métallique coaxial 7 avec la cavité diélectrique est disposé dans la zone d'interaction du champ électro-magnétique avec la matière à chauffer. 5 - Applicateur selon revendication 1 à 4 caractérisé en ce que plusieurs ensembles de cavités diélectriques toroldales coaxiales avec le produit sont Juxtaposées. 6 - Applicateur selon revendication 1 à 4 caractérisé en ce que un applicateur comporte deux ou plusieurs cavités diélectriques toroidales dont l'une ou plusieurs sont coaxiales avec un cylindre métallique. 7 - Applicateur selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le guide d'onde métallique 2 est constitué par l'usinage des deux pièces 13 et 16 de la tête d'extrudeuse. 8 - Applicateur selon les précédentes revendications caractérisé en ce que la cavité diélectrique toroldale est assemblée et maintenue par les deux pièces 13 et 16 de l'extrudeuse.