Brevet FR2753038A1 — publié le 19980306

Dispositif de chauffage haute fréquence. La présente invention concerne le domaine des appareils de chauffage diélectrique capables d'apporter de l'énergie à un matériau que l'on veut chauffer et éventuellement polymériser. On utilise notamment de tels appareils pour la polymérisation de résines thermodurcissables en plaçant une pièce en résine entre les électrodes d'un condensateur et en appliquant une tension haute fréquence, d'amplitude suffisante. On connaît dans l'art antérieur des générateurs haute fréquence dont la puissance atteint plusieurs kW. Ces générateurs fonctionnent à des fréquences autorisées par les règlements. Pour la France, on utilise en général les bandes de 13,56 MHz et de 27,12 MHz. L'énergie par unité de volume Pa apportée au matériau ou absorbée par celui-ci est proportionnelle au carré du champ électrique E auquel il est soumis, à un coefficient " qui mesure des pertes diélectriques et à la fréquence ou à la pulsation (o du champ électrique. On a donc la relation suivante: Pa = " . E2 o, E étant défini en volt/m. Cette énergie Pa élève la température du matériau. Pour un temps donné At, un élément de masse volumique p et de capacité calorifique Cp, l'élévation de température AT est donnée par la relation suivante: AT = Pa.At.Cp~l. p-1. Cette relation s'applique jusqu'au déclenchement de la réaction de polymérisation. Dès que la polymérisation se déclenche, l'élévation de température s'accélère, la polymérisation étant une réaction chimique exothermique. Cette accélération de l'élévation de température est d'autant plus importante que la pièce est massive. Si on veut que la pièce se polymérise de façon homogène et éviter que les contraintes mécaniques qui naissent au cours de polymérisation se révèlent après refroidissement comme des points fragiles ou des points d'initiation à leur rupture à l'effort, il faut régler le champ électrique qui règne dans le matériau avec soin. Ceci est d'autant plus difficile que la pièce à réaliser est grande et que son épaisseur varie puisque le champ électrique s'exprime fondamentalement par la tension entre les électrodes du condensateur que divise la distance entre les électrodes ou l'épaisseur de la pièce. Dans un appareil ordinaire, dont les électrodes épousent la forme de la pièce, la tension entre les électrodes est constante. Si l'on veut, par exemple, polymériser des pièces de longueur importante par rapport à leur épaisseur et dont l'épaisseur au centre est le double de celle des extrémités, le champ électrique au centre de la pièce est deux fois plus faible qu'aux extrémités. La puissance locale qui est proportionnelle au carré du champ électrique sera donc quatre fois plus faible au centre qu'aux extrémités. Les extrémités de la pièce atteignent rapidement la température de polymérisation. Au contraire, pour obtenir une bonne polymérisation au centre de la pièce, il faut chauffer les extrémités jusqu'à une température qui peut dépasser ce que peut supporter le matériau. L'invention a pour objet de remédier aux inconvénients des appareils de l'art antérieur et de proposer un appareil capable d'effectuer un chauffage constant, c'est-à-dire une énergie dissipée dans la pièce constante par unité de volume, quelle que soit les variations d'épaisseur de ladite pièce. La présente invention a pour objet de proposer un appareil de chauffage haute fréquence dont la tension entre les électrodes peut être réglée en fonction de ltépaisseur de la pièce à chauffer et plus généralement en fonction des coordonnées géométriques d'un point de la pièce. Le dispositif de chauffage haute fréquence, selon l'invention, est du type comprenant un générateur de tension électrique et un élément d'application pourvu de deux électrodes reliées au générateur, destiné à appliquer à une pièce devant être chauffée un champ électrique créé par ladite tension électrique. Le dispositif comprend des moyens pour adapter la tension appliquée à une portion donnée de la pièce aux coordonnées géométriques de ladite portion de la pièce chauffée. On peut ainsi faire varier la tension locale en fonction de l'épaisseur de la pièce, obtenir une réaction de polymérisation simultanée de toute la pièce et améliorer les caractéristiques mécaniques de la pièce ainsi obtenue. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend un électrode centrale de forme allongée, et une électrode extérieure formant un boîtier entourant ladite électrode centrale. Avantageusement, le boîtier est pourvu d'une fente longitudinale dans laquelle est disposé un dispositif de mesure du champ électrique entre les deux électrodes. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend un matériau diélectrique disposé entre les électrodes, formant une capacité continue entre lesdites électrodes. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend une impédance de couplage disposée entre le générateur et l'élément d'application. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend deux impédances disposées entre les extrémités des électrodes. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend au moins une impédance centrale disposée entre les électrodes. Avantageusement, le dispositif comprend des impédances variables disposées entre les électrodes. Dans un mode de réalisation de l'invention, une électrode est pourvue de dentelures destinées à former des impédances régulièrement espacées. De préférence, l'élément d'application est mis en résonance dans le but de limiter l'énergie dissipée en dehors de la pièce à chauffer. La présente invention a également pour objet un procédé de chauffage haute fréquence d'une pièce selon lequel on applique à un point de ladite pièce un champ électrique dont la Valeur dépend des coordonnées géométriques dudit point. On définira, en général, deux axes orthogonaux avec un champ électrique qui dépendra de l'abscisse et de l'ordonnée du point. Dans le cas d'une pièce allongée, le champ électrique peut être constant sur l'un des axes, par exemple en ordonnée, et ne dépendra que de la position du point sur l'abscisse le long d'un axe défini par rapport à la pièce. La présente invention a également pour objet l'utilisation du procédé défini ci-dessus au chauffage ou à la polymérisation de pièces en matériau plastique, de tout matériau diélectrique, de tout matériau composite, notamment comprenant des composants métalliques. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation particuliers pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels ia figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une partie du dispositif de chauffage selon l'invention; la figure 2 est une vue en coupe transversale du même dispositif de chauffage; la figure 3 est un schéma électrique illustrant le fonctionnement du dispositif de chauffage selon l'invention; et les figures 4 à 9 montrent plusieurs profils de tension en fonction de l'abscisse, que l'on peut obtenir grâce au dispositif de chauffage selon l'invention. Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, l'appareil de chauffage et de polymérisation comprend une électrode extérieure 1 qui forme une enveloppe et une électrode intérieure 2 entre lesquelles est disposée une pièce 3 à polymériser, par exemple en résine thermodurcissable. La pièce 3 est de forme allongée et les électrodes extérieure 1 et intérieure 2 sont de forme adaptée à la pièce 3. L'appareil comprend un générateur de tension, non représenté, capable de fournir une tension selon une fréquence de plusieurs dizaines de MHz aux électrodes extérieure 1 et intérieure 2 auxquelles il est relié. L'appareil comprend un système de mesure 4 du champ électrique que l'on peut déplacer le long d'une fente longitudinale la de l'électrode extérieure 1. En supposant que les extrémités de l'électrode intérieure 2 sont reliées par des court-circuits à l'électrode extérieure 1 et que les électrodes sont reliées au générateur par l'intermédiaire d'un condensateur de liaison 8, de quelques dizaines de pF, la ligne constituée par l'électrode 2, est en résonance à la fréquence de 27 MHz avec une tension maximum au centre de l'électrode intérieure 2 et une tension nulle à ses extrémités. Le profil de la tension le long de l'abscisse de la ligne est une sinusoïde définie par la relation suivante: V(x)= sin n;x/L; L est la longueur de l'applicateur. A0 est la longueur d'onde de mode de propagation de la fréquence du générateur et la condition de résonance est L = Ai2. On obtient ainsi une distribution de tension qui n'est pas constante le long de la pièce 3 à polymériser. On peut prévoir de remplir l'espace entre les électrodes extérieure 1 et intérieure 2 d'une bourre diélectrique de constante diélectriqùe '. On réduit alors la longueur d'onde du mode de propagation A0 par un facteur Si on veut obtenir un applicateur pour polymériser une pièce dont la tension aux extrémités ne doit pas être nulle on n'utilisera alors que la partie centrale de l'applicateur. On peut également munir les extrémités de l'électrode intérieure 2 de selfs 5, 6 dont les valeurs seront équivalentes aux impédances supprimées par le raccourcissement de l'applicateur, sans changer le profil de tension appliqué à la pièce 3. Le profil de la tension appliquée à la pièce 3 est alors une sinusoïde tronquée Le fonctionnement électrique du dispositif de chauffage est illustré par la figure 3. Les électrodes extérieure et intérieure sont représentées de façon schématique par les lignes référencées 1 et 2. Les extrémités des lignes 1 et 2 sont pourvues d'impédances 5 et 6. Une impédance 7 est branchée au centre des lignes 1 et 2 et une impédance de couplage 8 est disposée entre la ligne 1 et le générateur non représenté. On peut ainsi obtenir des profils de tension variés comme le représentent les courbes 9, 10 et 11 de la figure 4. La courbe 9 présente un maximum de tension VM au centre de la pièce, la courbe 10 a deux maxima V'M, V"M et un minimum Vm au centre, la courbe 1 1 a un maximum VM au centre et deux minima. Si par exemple, on prévoit une impédance 5 valant jLo, constituée par une self et une impédance 6 de valeur nulle, en notant Z0 l'impédance caractéristique de cette ligne, on obtiendra une tension au point x =0 de valeur égale à VM sin 2N (au/2 - L)/A0. Le profil de la tension est un arc d sinusoïde dont A0 est une demi-période et la condition de résonance est L1GO = Z0 tg 2 z LITA0. La figure 5 illustre comment il faut choisir A0 pour obtenir un profil de tension V(x) plus pointu qu'une courbe sinusoïdale dont les deux parties de part et d'autre de l'abscisse L/2 sont elles-mêmes des arcs de sinusoïde. On prévoit alors des profils sinusoïdaux de part et d'autre de cette abscisse centrale. Lorsque les courbes correspondant à ces profils sont positionnées, les rapports V(0)/VM = V(L)/VM définissent les impédances 5,6 qu'il faut placer aux extrémités comme précédemment et l'impédance centrale 7 assure que la fréquence de résonance du dispositif est la fréquence de fonctionnement choisie de façon à dissiper le maximum de chaleur dans la pièce 3. Au contraire lorsque l'on souhaite un profil de tension plus aplati qu'une sinusoïde, comme le représente la figure 6, on prévoit alors des arcs de sinusoïde légèrement décalés de longueur d'onde Ao de telle sorte que le rapport V(0)/VM = V(L)/VM détermine comme précédemment la valeur des impédances 5,6 à mettre aux extrémités. L'impédance centrale 7 est là encore choisie pour que la fréquence de résonance du dispositif soit bien égale à celle du générateur. La figure 7 illustre un cas où le profil de tension présente deux maxima et un minimum au centre de la pièce à chauffer. On dispose là encore des sinusoïdes qui épousent au mieux la courbe souhaitée. On peut encore réaliser un profil de tension tel qu'illustré sur la figure 8 avec certains points où la tension est pratiquement nulle. La figure 9 illustre un autre cas de profil que l'on peut obtenir grâce à l'invention. La tension électrique souhaitée présente des paliers vers les extrémités. On décale alors les impédances 5, 6 précédemment placées aux extrémités, vers le centre de la ligne. La longueur d'onde Ao est là encore définie par les arcs des courbes sinusoïdes qui s'approchent au mieux du profil souhaité. La valeur des impédances 5 et 6 se calcule à partir de l'amplitude relative de la tension du palier et l'impédance centrale 7 assure comme précédemment la condition de résonance. n est intéressant de réaliser des lignes dont la longueur d'onde A0 est donnée quelconque a priori. On sait que A0 est égal à la longueur d'onde dans le vide c/to pour un dispositif vide (c étant la vitesse de la lumière dans le vide). Cette longueur d'onde est divisée par ""e' si le dispositif est rempli d'un diélectrique de permittivité c'. On peut encore réduire artificiellement la longueur d'onde d'une ligne en disposant des obstacles régulièrement à des distances faibles devant la longueur d'onde initiale en formant une dentelure sur l'une des électrodes. On peut encore ajouter des impédances parallèles supplémentaires ou brancher le générateur en un point autre que le centre des lignes. On peut aussi utiliser des impédances de valeurs variables de façon à s'adapter à la pièce devant être chauffée ou à compenser l'évolution de la permittivité du matériau au cours de sa polymérisation. Ces impédances variables peuvent être commandées automatiquement pour offrir plus de souplesse d'utilisation. Grâce à l'invention, on obtient un appareil de chauffage et de polymérisation dont la tension peut être réglée de façon précise selon les coordonnées géométriques d'un point de la pièce et on améliore la qualité des pièces traitées dans l'appareil. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage haute fréquence, du type comprenant un générateur de tension électrique et un élément d'application pourvu de deux électrodes (1, 2) reliées au générateur, destiné à appliquer à une pièce (3) devant être chauffée un champ électrique créé par ladite tension électrique, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour adapter la tension appliquée à une portion donnée de la pièce aux coordonnées géométriques de ladite portion de la pièce à chauffer. 2. Dispositif selon 1 revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend une électrode centrale (2) de forme allongée, et une électrode extérieure (1) formant un boîtier entourant ladite électrode centrale. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le boîtier est pourvu d'un fente longitudinale (la) dans laquelle est disposé un dispositif de mesure (4) du champ électrique entre les deux électrodes. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un matériau diélectrique disposé entre les électrodes, formant une capacité continue entre lesdites électrodes. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une impédance de couplage (8) disposée entre le générateur et l'élément d'application. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend deux impédances (5,6) disposées entre les extrémités des électrodes. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une impédance centrale (7) disposée entre les électrodes. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend des impédances variables disposés entre les électrodes. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un électrode est pourvue de dentelures destinées à former des impédances régulièrement espacées. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'élément d'application est mis en résonance. 11. Procédé de chauffage haute fréquence d'une pièce (3), caractérisé par le fait que l'on applique à un point de ladite pièce un champ électrique dont la valeur dépend des coordonnées géométriques dudit point. 12. Utilisation du procédé selon la revendication 11 au chauffage ou à la polymérisation de pièces en matériau plastique. 13. Utilisation du procédé selon la revendication 1 1 au chauffage ou la polymérisation de tout matériau diélectrique. 14. Utilisation du procédé selon la revendication 11 au chauffage ou la polymérisation de tout matériau composite. 15. Utilisation du procédé selon la revendication 11 au chauffage ou la polymérisation de tout matériau composite comprenant des composants métalliques.