Brevet FR2683420A1 — publié le 19930507

DISPOSITIF POUR L'APPLICATION DE MICRO-ONDES EN VUE DU TRAITEMENT DsUN MATERIAU La présente invention concerne un dispositif pour l'application de micro-ondes en vue du traitement d'un matériau. Ce traitement peut être un séchage, un collage, une cuisson, etc... Par la suite, on désignera sous le terme de micro-ondes, les ondes dont les fréquences sont comprises entre 100 MHz et 100 GHz. Plus précisément, le dispositif selon l'invention permet d'effectuer un traitement thermique d'un matériau. De préférence, ce matériau se présente sous la forme de feuilles et peut être en toute matière comme du bois, une matière synthétique, une pellicule photographique, du papier, du verre, des produits agro-alimentaires, des poudres, des plantes, etc... Il est déjà connu, notamment par le brevet FR-A-2 523 797, de sécher de l'encre déposée sur une feuille de papier en faisant passer celle-ci dans une cavité dans laquelle règne un champ électromagnétique créateur de microondes. Le dispositif selon ce document comporte une source de micro-ondes, un guide d'ondes et une cavité résonnante dans laquelle le matériau à sécher défile. La cavité résonnante est de section rectangulaire et présente une fente longitudinale ménagée sur chacune de deux faces opposées. Le matériau à traiter pénètre à l'intérieur de la cavité par l'une de ces fentes et ressort traité par la fente opposée. Un moyen de transport, tel que tapis roulant, supporte et entraîne la matière à traiter pendant tout son trajet en dehors et à l'intérieur de la cavité. Un tel dispositif est adapté pour sécher l'encre déposée sur des feuilles défilant à grande vitesse comme cela est le cas pour la réalisation d'un journal, par exemple. Cependant, de tels dispositifs présentent de nombreux inconvénients et notamment des fuites de micro-ondes au niveau des fentes. Pour diminuer de telles fuites, la hauteur des fentes doit être limitée. Une autre solution aurait été d'augmenter le niveau d'énergie à l'intérieur de la cavité, de façon à compenser les fuites. Cette solution n'est généralement pas retenue car elle entraine un dépassement des normes règlementant les fuites admises et peut entraîner une déformation des champs et donc de lthomogénéité du traitement. La limitation en hauteur des fentes d'accès et de sortie de la cavité est cependant un inconvénient majeur puisque dans le brevet FR-A-2 523 797 cette hauteur est limitée au maximum à 2,5.10-2 m. Or, il est nécessaire que dans ces fentes puissent passer non seulement le matériau à traiter mais encore le tapis roulant ou un quelconque autre moyen de transport de ces produits à traiter. En outre, lorsqu'une cavité résonnante est de section rectangulaire, il est en général nécessaire de placer entre le guide d'ondes (qui est également de section rectangulaire mais plus petite) et la cavité, un élément de transition de forme tronconique à base rectangle. Cet élément doit s'évaser progressivement jusqu'à présenter la section de la cavité résonnante. Lorsqu'un tel élément est omis, le transfert des micro-ondes du guide d'ondes vers la cavité se réalise mal ; une partie de l'énergie est réfléchie vers le générateur et le rendement de l'ensemble du dispositif s'en trouve amoindri. Un tel élément est cependant délicat à réaliser puisque sa forme et ses dimensions doivent être respectées avec précision. La présente invention a pour but de pallier l'ensemble de ces inconvénients et notamment de créer un dispositif pour l'application de micro-ondes présentant des fentes de hauteur moins limitée afin de pouvoir traiter des matériaux de plus forte épaisseur que jusqu'à présent. De même, la présente invention vise à créer un dispositif pour l'application de micro-ondes, simple à réaliser, économique et ne nécessistant pas la création d'éléments aux formes spécifiques. A cet effet, la présente invention concerne un dispositif pour l'application de micro-ondes en vue du traitement d'un matériau, ledit dispositif étant du type comportant - un générateur de micro-ondes, - un guide d'ondes, adapté pour recevoir les micro-ondes créées par le générateur et pour transmettre ces micro-ondes à travers un iris de couplage vers une cavité résonnante de forme allongée, et - la cavité résonnante dans laquelle règne un champ électromagnétique présentant des noeuds et des ventres d'intensité, la cavité étant munie de deux fentes symétriques situées en vis-à-vis selon la direction allongée de la cavité et adaptées pour permettre le défilement du matériau à l'intérieur de la cavité. Le dispositif selon 1 invention se caractérise par le fait que la cavité résonnante présente une section circulaire et fonctionne selon le mode TEm1p (avec m impair et m et p entiers positifs). Un tel dispositif à cavité résonnante circulaire permet ainsi de se placer dans le mode de fonctionnement du type TEm1p avec m impair et m et p entiers positifs, et de ce fait, les lignes de courant développées dans les parois de la cavité sont parallèles aux fentes. Un tel mode de réalisation présente l'avantage de permettre une plus grande hauteur pour les fentes destinées au passage du matériau à traiter puisque les fuites de micro-ondes par ces fentes sont limitées par rapport à l'art antérieur. Le dispositif selon l'invention permet ainsi de traiter des matériaux de plus forte épaisseur pouvant aller jusqu'à 3,5.10-2 m, ce qui représente une augmentation de 40 % de l'épaisseur par rapport aux dispositifs connus à ce jour. En outre, la transmission des micro-ondes entre le guide d'ondes à section rectangulaire et la cavité circulaire est directe et sans perte d'énergie. De ce fait aucun élément de transition aux formes étudiées n'est nécessaire. Le dispositif selon l'invention est ainsi facile à réaliser et économique, et il présente des performances au moins égales sans augmentation de la quantité d'énergie mise en jeu. La direction de défilement du produit à traiter est de préférence perpendiculaire à la direction allongée de la cavité. Cependant, pour augmenter le temps de passage dans la cavité, c'est-à-dire également la capacité de traitement de cette cavité, la direction allongée de la cavité peut être inclinée (de préférence de 450) par rapport à la direction de défilement du matériau. On augmente ainsi de Wrz le temps de passage du matériau dans la cavité. De manière à pouvoir traiter des matériaux quelconques, il est à noter que la longueur de la cavité résonnante qui est liée au mode de propagation des ondes à son intérieur est réglable. De ce fait, quel que soit le matériau traité, il est possible de régler la longueur de la cavité de façon à toujours travailler en mode TEm1p (avec m impair et m et p entiers positifs). A cet effet, la cavité résonnante est munie à son extrémité opposée à celle portant l'iris de couplage d'un disque déplaçable selon la direction allongée de la cavité (ce coulissement s1 effectue sans contact avec la paroi de la cavité afin d'éviter les arcs électriques) et adapté pour définir la longueur de cette cavité. Pour éviter toute perte d'énergie en raison de la présence des fentes, celles-ci sont munies sur leurs faces externes à la cavité, d'un moyen d'absorption de l'énergie. Ce moyen est avantageusement réalisé sous la forme de guide d'ondes à la coupure. Un des avantages de l'invention est notamment que le dispositif selon l'invention peut être couplé à un ou plusieurs autres dispositifs identiques. Ce couplage s'effectue au niveau des cavités résonnantes à travers lesquelles défile le matériau. Chaque cavité résonnante est alors placée de telle sorte qu'un matériau sortant d'une première cavité pénètre dans une seconde cavité et ainsi de suite. On peut ainsi mettre en "série" plusieurs dispositifs selon l'invention ; les générateurs de micro-ondes pouvant être placés alternativement à l'une ou l'autre des extrémités des cavités. Le champ électromagnétique régnant à l'intérieur d'une cavité présente des ventres et des noeuds d'intensité. Il en résulte que les matériaux défilant à l'intérieur d'une cavité présentent des zones de plus fort et de plus faible chauffage. De ce fait, le séchage du matériau pourrait ne pas etre uniforme. Avantageusement, dans le cas où deux cavités sont mises en série, en décalant de > /4 (S est la longueur d'onde interne des micro-ondes) chaque cavité par rapport à celle qui la suit, on déplace les points chauds de cette cavité par rapport à la cavité suivante. Ainsi, on peut obtenir une répartition homogène de la chaleur sur toute la largeur du matériau à traiter, lorsque ce matériau est passé par toute la série de cavités. Bien entendu, cette mise en série de plusieurs dispositifs selon l'invention peut se faire avec un défilement du produit perpendiculaire à la direction allongée de la cavité ou de façon inclinée par rapport à cette direction. Il est à noter que tous les matériaux métalliques utilisés pour la réalisation des cavités ou des guides d'ondes sont non magnétiques. D'autres objets, caractéristiques, et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui suit, à titre de simple illustration de l'invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective montrant un dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe verticale selon la ligne II-II de la figure 1, et - la figure 3 est une vue en perspective de trois dispositifs selon l'invention montés en série. Selon la forme de réalisation représentée aux figures 1 et 2, le dispositif 10 selon l'invention comporte une source de micro-ondes 11 émettant des ondes électromagnétiques par exemple de 800 W (ou de 1200 W, ou de 2000 W) restituées à 2450 MHz, vers un guide d'ondes 12, relié à un dispositif de couplage 13 présentant un iris 30 de diamètre d (fig. 2), dirigeant les micro-ondes vers l'intérieur d'une cavité résonnante 14. Cette cavité résonnante 14 présente une section circulaire de diamètre f constant et de longueur L, et est réalisée en inox de faible épaisseur (fig. 2) et non magnétique. Chacune des extrémités de la cavité 14 reçoit un disque de fermeture métallique 15 et 16 non magnétique. Le disque 15 est muni d'une ouverture 17 en son centre formant l'iris 30 et adaptée pour laisser passer les micro-ondes en provenance de la source 11. Le disque 16 est, quant à lui, muni d'un alésage fileté 18 en son centre et reçoit dans cet alésage un moyen de fixation 19, par exemple une tige filetée. Une première extrémité 19a de cette tige dépasse vers l'extérieur de la cavité et une seconde extrémité 19b de cette tige est solidaire d'un disque d'accord 20 métallique et non mangétique situé à l'intérieur de la cavité 14. Le diamètre D de ce disque magnétique est légèrement inférieur au diamètre de la cavité, de sorte que ce disque coulisse à l'intérieur de la cavité sans contact et sans créer d'arc électrique. Une molette 21 est fixée à l'extrémité 19a de la tige. Deux fentes 22 et 23 respectivement (de sortie et d'accès) sont ménagées l'une en regard de l'autre dans la paroi cylindrique de la cavité résonnante 14 et sont adaptées pour permettre le passage d'un moyen de transport 24 (visible à la figure 3) constitué par exemple par un tapis roulant en un matériau commercialisé sous la marque téflon ou en un autre matériau non polaire. Ces fentes présentent une hauteur h (fig. 2). Les dimensions de la cavité résonnante 14 et des différents éléments constituant le dispositif sont par exemple les suivantes, dans le cas d'un produit peu absorbant = = 0,250 m h = 0,035 m L = 0,970 m (pour p = 12) d = 0,060 m D = 0,249 m. Dans ce cas, la longueur minimale des fentes lmin est égale à 0,080 m, la grandeur maximale étant quelconque. De préférence, la longueur minimale lmin des fentes est de > /2 ( > est la longeur d'onde interne). La source de micro-ondes présente une puissance fixe ou variable par exemple 800 W, 1200 W ou 2000 W restitués à 2450 MHz. Pour toute autre fréquence, les dimensions seraient corrélées (homothétie). Chacune des fentes d'accès et de sortie (23, 22) est munie d'un piège à ondes 35 disposé au niveau des fentes et à l'extérieur de la cavité résonnante 14. Avec un tel dispositif, on obtient un séchage à 100 % de l'encre d'une feuille en faisant défiler cette feuille jusqu'à 1 m/s (ceci dans le cas de huit générateurs de 1200 W). Le mode de fonctionnement d'une telle cavité est un mode transverse électrique TEm1p où m est un entier positif impair et p un entier positif. Le fait que m soit impair implique que dans les parois de la cavité, les lignes de courant se développent de façon parallèle aux fentes réalisées. On évite ainsi des fuites de micro-ondes directement par les fentes. Cependant, si la hauteur des fentes devenait plus grande (supérieure à 0,035 m dans l'exemple indiqué), des pertes semblables à celles existant avec une cavité à section rectangulaire pourraient apparaître. Il est à noter que le matériau (ici une feuille de papier) à traiter défile dans la cavité selon une direction perpendiculaire à la direction allongée de la cavité. En variante (non représentée), il est possible de donner à la direction du défilement du matériau une inclinaison par rapport à la direction allongée de la cavité. De préférence, cette inclinaison est de 450, ce qui a pour conséquence de multiplier par 2 la longueur du trajet du matériau à travers la cavité. On augmente ainsi la capacité de séchage du dispositif sans faire varier la vitesse de défilement, ce qui permet, pour une vitesse de défilement donnée, de multiplier par u/ 2 la durée de séchage. Le mode de fonctionnement de l'invention est décrit ci-après. Après excitation d'un magnétron utilisé comme générateur de micro-ondes 11, les ondes créées sont guidées dans le guide d'ondes 12, puis passent dans l'iris 30 avant de se répartir dans la cavité résonnante 14. Là, en déplaçant le disque d'accord 20 selon la direction allongée de la cavité (au moyen de la molette 21 et de la tige filetée 19), on définit la longueur L de la cavité de sorte que le champ électromagnétique régnant dans la cavité s'établisse selon le mode TEm1p (avec m impair et m et p entiers positifs). De ce fait, le champ électrique qui s'établit dans les parois de la cavité cylindrique est tel que ses lignes de champ sont parallèles aux fentes 23 et 22 a'accès et de sortie de la cavité. Lorsque l'on opère dans le moue TE1îp (m=1), on se trouve dans le mode fondamental de ce type de cavité. On limite alors au maximum les fuites ae micro-ondes par les fentes. Ce mode de fonctionnement est cependant très délicat à régler. Lorsque l'on opère en mode TE31p (m=3), on se trouve dans le mode de fonctionnement à vide, qui ne peut être utilisé de par sa nature, lorsqu'un matériau est introduit dans la cavité. Les modes de fonctionnement habituels de ce type de cavité sont les modes où m est supérieur ou égal à 3. Une fois le mode de fonctionnement réglé et établi, le matériau à traiter passe dans la cavité, supporté par un tapis convoyeur 24 en matériau non polaire (par exemple en un matériau commercialisé sous la marque téflon) ou un moyen de transport analogue. Lors de son passage dans la cavité, le matériau subit ainsi un chauffage adapté, par exemple pour sécher une encre déposée sur le matériau. Avantageusement, le générateur de micro-ondes (magnétron par exemple) est associé à un moyen de protection. En effet, lorsque le matériau à traiter est peu absorbant ou bien est momentanément absent de la cavité, une partie des ondes émises peut être réfléchie vers le magnétron et l'endommager. Pour pallier cet inconvénient, le magnétron du dispositif selon l'invention est associé à un moyen de protection mesurant en permanence la température de son corps. Dès qu'une valeur de température de consigne est dépassée, l'alimentation du magnétron est coupée par un dispositif de coupure rapide. La remise en marche du magnétron est très rapide (quelques secondes) du fait d'une proximité des consignes marche/arrêt. Dans le présent mode de réalisation (non repésenté), le moyen de mesure de la température est un capteur thermique à très faible constante de temps. Grâce à un tel dispositif, il est possible dans tous les cas de conserver le disque d'accord métallique réfléchissant 20, sans qu'il soit nécessaire de le remplacer par une charge à eau comme c'est habituellement le cas pour des matériaux à traiter peu absorbants. En outre, la dimension de l'iris 30 est déterminée expérimentalement pour que l'énergie réfléchie vers le magnétron soit en moyenne la plus faible possible. Avantageusement, comme cela est représenté à la figure 3, il est possible d'associer une pluralité de dispositifs selon l'invention. Le matériau à traiter, porté par son moyen de transport, pénètre dans ce cas successivement à l'intérieur de chaque cavité. Comme à l'intérieur de chaque cavité le champ électromagnétique présente des noeuds et des ventres d'intensité, il crée des points plus ou moins chauffés. La distance entre deux points "froids" (ou "chauds") correspond à la longueur d'onde interne de la cavité. En décalant l'emplacement de chacun de ces points d'une cavité à l'autre d'une valeur ) On notera que pour diminuer encore les émissions de micro-ondes vers l'extérieur de la cavité, au voisinage des fentes, on munit celles-ci de pièges à ondes et/ou de moyens d'absorption. Comme cela est visible à la figure 3, ces moyens d'absorption sont réalisés sous la forme de guides d'ondes à la coupure, entourant chaque fente. En variante (non représentée), dans le cas où l'on utilise des dispositifs montés en série, les guides d'onde à la coupure des fentes de sortie d'une cavité et d'accès à une cavité suivante sont réunis. On évite ainsi toute fuite de micro-ondes vers l'extérieur. En variante (non représentée), on dispose entre deux cavités successives des rouleaux presseurs adaptés pour presser le matériau lorsque celui-ci sort d'une cavité afin de le coller par exemple. Ces deux rouleaux peuvent être réalisés en métal. Il est à noter que, lorsque le produit à traiter est très peu absorbant, le tapis roulant est adapté pour porter des plaquettes de matériaux, comme par exemple un verre dopé, pour chauffer le produit à traiter. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et englobe toute variante à la portée de l'homme de l'art. Notamment, les matériaux constituant les divers éléments de l'invention peuvent être modifiés et le moyen de transport du matériau à traiter n'est pas limité à celui décrit. REVENDICATIONS 1/ - Dispositif pour l'application de microondes en vue du traitement d'un matériau, ledit dispositif (10) étant du type comportant - un générateur de micro-ondes (11), - un guide d'ondes (12), adapté pour recevoir les micro-ondes créées par le générateur (11) et pour transmettre ces micro-ondes à travers un iris de couplage (30) vers une cavité résonnante (14) de forme allongée, et - la cavité résonnante (14) dans laquelle règne un champ électromagnétique présentant des noeuds et des ventres d'intensité, la cavité étant munie de deux fentes symétriques (22, 23) situées en vis-à-vis selon la direction allongée de la cavité et adaptées pour permettre le défilement du matériau à l'intérieur de la cavité selon un angle d'inclinaison prédéterminé par rapport à la direction allongée de la cavité, ledit dispositif étant caractérisé en ce que la cavité résonnante (14) présente une section circulaire et fonctionne selon le mode TEm1p avec m impair et m et p entiers positifs. 2/ - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que m est supérieur ou égal à 3. 3/ - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la direction allongée de la cavité (14) est perpendiculaire à la direction de défilement du matériau. 4/ - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité résonnante (14) est munie sur son côté opposé à l'iris de couplage (30) d'un disque d'accord (20) mobile sans contact suivant la direction allongée de la cavité, adapté pour définir la longueur L de la cavité. 5/ - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le disque (20) est muni d'un moyen de fixation (19) à un disque de fermeture (16) de la cavité (14). 6/ - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fentes d'accès et de sortie (23, 22) présentent une hauteur maximale h de 0,035 m et une longueur minimale lmin de > /2 (où représente la longueur d'onde interne). 7/ - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fentes d'accès et de sortie (23, 22) sont agencées pour être parallèles aux lignes de courant développées dans les parois de la cavité (14). 8/ - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fentes sont munies de pièges à ondes et/ou de moyens d'absorption adaptés pour limiter les fuites de micro-ondes vers l'extérieur. 9/ - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un second dispositif (10) est couplé au premier, de sorte que ledit matériau défile successivement dans au moins deux cavités successives. 10/ - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque cavité résonnante (14) de chacun de n dispositifs (10) mis en série, est décalée transversalement par rapport au sens de défilement du matériau d'une valeur de r 3K/2n. 11/ - Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les moyens d'absorption sont réalisés sous forme de guides d'ondes à la coupure et relient les unes aux autres les fentes de deux cavités résonnantes successives. 12/ - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de transport du matériau, réalisé en matière non polaire. 13/ - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le moyen de transport du matériau est un tapis convoyeur en un matériau commercialisé sous la marque téflon. 14/ - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de transport du matériau réalisé en un matériau absorbant adapté pour chauffer par contact des matériaux à traiter peu polaires. 15/ - Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'on dispose, entre deux cavités successives, des rouleaux presseurs. 16/ - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur de micro-ondes est un magnétron associé à un moyen de protection adapté pour protéger le magnétron, en l'absence momentanée de matériau à traiter dans la cavité. 17/ - Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que le moyen de protection est un dispositif de coupure rapide de l'alimentation du magnétron adapté pour évaluer la température du corps du magnétron et pour réarmer immédiatement l'alimentation du magnétron, lorsqu'un matériau est présent dans la cavité.