Brevet FR2751055A1 — publié le 19980116

FOUR ELECTRIQUE DE CUISSON La présente invention concerne un four électrique de cuisson comportant au moins une source d'énergie micro-ondes pour délivrer à une enceinte de cuisson des ondes hyperfréquences, par l'intermédiaire d'un guide d'ondes. Un problème généralement rencontré dans la cuisson en mode micro-ondes réside dans l'obtention d'une bonne répartition de l'énergie micro-ondes dans l'enceinte de cuisson. En effet, il est connu qu'un régime d'ondes stationnaires s'établit dans l'enceinte de cuisson pendant le fonctionnement du four. I1 en résulte que les champs électriques des modes excités dans l'enceinte présentent des ventres et des noeuds de tension auxquels correspondent respectivement des points dits chauds et des points dits froids à différents endroits de l'enceinte. De nombreuses solutions ont déjà été proposées pour améliorer la cuisson ou le réchauffage d'un produit (aliment solide ou liquide) par l'énergie micro-ondes. Un premier type de solutions consiste à prévoir, dans l'enceinte de cuisson, un agitateur d'ondes de manière à modifier constamment le régime d'ondes stationnaires établi dans l'enceinte, et déplacer ainsi les points chauds et les points froids. Une autre méthode très largement utilisée à l'heure actuelle consiste à placer le produit à réchauffer ou à cuire sur un plateau tournant. Le déplacement relatif du produit et des points chauds permet ainsi d'uniformiser la cuisson. Des améliorations dans la répartition de l'énergie micro-ondes ont également été obtenues en prévoyant d'alimenter l'enceinte de cuisson en énergie micro-ondes par le biais de deux ouvertures pratiquées dans l'une des parois de l'enceinte de cuisson. Les figures 1 et 2 illustrent schématiquement les parties internes d'un four connu fonctionnant selon ce principe : sur ces figures, on a représenté une enceinte de cuisson 1 délimitée par une paroi de fond 10, une paroi de voûte 11, une paroi de sole 12 et deux parois latérales 13 et 14. La paroi latérale 13 comporte deux ouvertures horizontales 130 et 131 superposées selon la verticale de la paroi 13, pour l'introduction de l'énergie micro-ondes. Les ondes sont générées par l'antenne d'un magnétron (non représentés), et transmises à l'enceinte de cuisson par l'intermédiaire d'un guide d'ondes 2. Le guide d'ondes 2 présente la forme générale d'un parallélépipède rectangle dont l'axe longitudinal est vertical. Le guide est délimité transversalement par deux surfaces planes rectangulaires 20 et 21, perpendiculaires à l'axe longitudinal du guide et séparées d'une distance d prédéterminée définissant la longueur 1 du guide. Ces deux surfaces définissent des plans de références sur lesquels les ondes guidées sont réfléchies. Les deux surfaces 20 et 21 sont reliées entre elles à angle droit par deux surfaces 22,23 rectangulaires, parallèles à la paroi latérale 13, chaque surface présentant deux bordures b1,b2,b3,b4 de longueur d. La surface 22 la plus éloignée de la paroi latérale 13 présente un prolongement latéral 24 muni d'un accès 25 pour recevoir les ondes générées par l'antenne du magnétron. La surface 23 constitue le plan de sortie des ondes guidées et comporte à cet effet deux ouvertures 230 et 231 placées en regard des ouvertures 130 et 131. Dans certaines réalisations connues, le plan de sortie du guide d'ondes est directement constitué par une partie de la paroi latérale de l'enceinte. La présente invention concerne une amélioration à la structure telle que décrite précédemment, permettant d'obtenir une meilleure répartition de l'énergie à l'intérieur de l'enceinte de cuisson. Plus précisément, la présente invention a pour objet un four électrique de cuisson comprenant une enceinte de cuisson, une source d'énergie micro-ondes et un guide d'ondes de forme sensiblement parallélépipédique délimité transversalement par deux surfaces sensiblement rectangulaires situées dans deux plans parallèles séparés d'une distance prédéfinie, la sortie des ondes guidées s'effectuant par au moins deux zones situées dans un plan de sortie perpendiculaire aux deux surfaces et délimité par deux bordures parallèles reliant les deux surfaces, caractérisé en ce que lesdites bordures ont une longueur supérieure à la distance séparant les deux surfaces, de façon à optimiser le nombre de modes transverses électriques et/ou magnétiques excités à l'intérieur de l'enceinte de cuisson dans des plans d'excitation parallèles au plan de sortie. L'invention ainsi que les avantages qu'elle procure seront mieux compris au vu de la description suivante faite en référence aux figures annexées dans lesquelles - la figure 1 est une vue schématique en perspective de l'association d'une enceinte de cuisson et d'un guide d'ondes selon l'art antérieur - la figure 2 est une vue en coupe selon un plan vertical passant par le milieu du guide d'ondes de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique en perspective de l'association d'une enceinte de cuisson et d'un guide d'ondes selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention ; - la figure 4 est une vue en élévation de la paroi latérale de l'enceinte de la figure 3 portant le guide - les figures 5a et 5b montrent schématiquement le nombre de champs transverses électriques et/ou magnétiques excités respectivement dans le cas d'un guide d'ondes selon l'art antérieur et dans le cas du guide d'ondes selon l'invention - la figure 6 illustre une vue en élévation du côté entrée d'un guide d'ondes selon un mode de réalisation possible conforme à l'invention - la figure 7 illustre une vue en élévation du plan de sortie du guide de la figure 6 - la figure 8 est une coupe selon la ligne C-C de la figure 6 ; - la figure 9 est une section du guide selon la ligne A-A de la figure 6 - la figure 10 est une section du guide selon la ligne B-B de la figure 6. Les figures 1 et 2 ont déjà été décrites dans la présentation de l'état de la technique. Pour les figures suivantes, les mêmes références seront utilisées pour représenter les éléments communs. Comme on le voit sur les figures 3 et 4 relatives à un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le guide d'ondes 2' est de forme sensiblement parallélépipédique délimité transversalement par deux surfaces 20',21' de forme sensiblement rectangulaire, et longitudinalement par deux surfaces 22' et 23' formant, à l'instar des surfaces 22 et 23 de la figure 1, les surfaces d'entrée et de sortie du guide d'ondes. A la différence cependant du guide d'ondes 2 de la figure 1, et selon une caractéristique essentielle de la présente invention, les bordures b'1,b'4 et b'2,b'3 délimitant respectivement les plans d'entrée 23' et de sortie 22' du guide, en reliant les surfaces 20' et 21', ont une longueur 1 supérieure à la distance d séparant lesdites surfaces 20',21'. Le guide d'ondes 2' n'a donc plus la forme d'un parallélépipède droit, mais d'un parallélépipède oblique dont l'axe longitudinal, parallèle auxdites bordures, est incliné par rapport à un axe orthogonal aux surfaces d'extrémités 20' et 21'. Il en résulte que, pour une même distance d séparant les deux surfaces 20' et 21', le guide d'ondes 2' selon l'invention possède une longueur 1 supérieure à celle du guide d'ondes 2 de la figure 1, ce qui permettra d'optimiser, comme cela va maintenant être expliqué, le nombre de modes transverses électriques et/ou magnétiques excités à l'intérieur de l'enceinte de cuisson 1, dans des plans d'excitation parallèles au plan de sortie 23' du guide. A titre d'exemple non limitatif, on suppose dans la suite que les dimensions de l'enceinte de cuisson sont fixées à 33 cm pour la largeur, 34,4 cm pour la profondeur, et 21,2 cm pour la hauteur. Compte tenu de ces dimensions, on dénombre en théorie 205 modes d'excitation possibles dans l'enceinte de cuisson. En réalité, un mode dans une cavité se comporte comme un filtre passe-bande dont la bande passante est d'environ 140 MHz en charge pour une fréquence centrale de 2450 MHz. On peut démontrer dans ces conditions que seulement quinze modes peuvent être excités dans l'enceinte de cuisson. Si l'on note TEmnp et TMmnp les modes transverses respectivement électriques et magnétiques avec m oscillations sur la largeur de l'enceinte, n oscillations sur la hauteur et p oscillations sur la profondeur, ces quinze modes sont les suivants - TE033 à 2493 MHz, - TE215 et TM215 à 2465 MHz, - TE224 et TM224 à 2423 MHz, - TE232 et TM232 à 2468 MHz, - TM330 à 2522 MHz, - TE404 à 2519 MHz, - TE422 et TM422 à 2463 MHZ, - TE502 à 2434 MHz, - TM510 à 2380 MHz et - TE511 et TM511 à 2419 MHz. Dans le mode de réalisation préférentiel où le guide d'ondes est placé sur l'une des parois latérales de l'enceinte, par exemple la paroi 13, les zones de sortie du guide sont réparties sur la hauteur. Pour être véritablement excité, un mode de l'enceinte situé dans les plans d'excitation parallèles au plan de sortie doit avoir l'un des ses ventres de tension en regard d'une zone de sortie du guide d'ondes. Par conséquent, tous les modes de la forme TEmop ou TMmop qui ne présentent pas de ventres sur la hauteur, ne pourront pas être excités. En outre, les modes dont la fréquence centrale est trop éloignée de la fréquence 2450 MHZ seront très faiblement couplés. On peut démontrer que les modes finalement dominants, qu'il conviendrait d'exciter, sont les modes TE033, TE215, TM215 TE232, Tu232 TE422, TM422. Les figures 5a et 5b permettent d'établir une comparaison entre le nombre de modes transverses électriques et/ou magnétiques excités en utilisant respectivement une structure de guide d'ondes de l'art antérieur et une structure de guide d'ondes selon la présente invention. Sur ces deux figures, la référence P indique un plan d'excitation des modes parallèles au plan de sortie des guides d'ondes. Ce plan d'excitation présente les mêmes dimensions que la paroi latérale 13 de l'enceinte de cuisson. A l'intérieur de ce plan P, on a indiqué la position des ventres de tension pour les différents modes transverses électriques qu'il conviendrait d'exciter. Ces positions sont indiquées par des points pour le mode TE033, par des croix pour le mode TE232, par des rectangles pour le mode TE422 et par des losanges pour le mode TE215. Sur la figure Sa, on a superposé au plan d'excitation P le plan de sortie 23 d'un guide d'ondes du type de celui représenté sur la figure 1 avec deux zones de sortie sous forme de deux ouvertures rectangulaires 230 et 231, réparties le long et centrées sur l'axe longitudinal vertical. On rappelle que le plan de sortie est délimité en hauteur par les deux surfaces 20 et 21, et présente deux bordures latérales b1 et b4 reliant à angle droit les deux surfaces. Sur cette figure 5a, on constate que les zones de sortie 230 et 231 sont en regard de deux ventres de tension du mode TE033. Par conséquent, seul ce mode va pouvoir être excité dans le plan P avec la structure du guide selon l'art antérieur. Sur la figure 5b, le plan de sortie 23' du guide d'ondes selon l'invention est délimité par deux bordures b'1 et b'4 reliant les surfaces 20' et 21' sur une longueur 1 supérieure à la distance d séparant les deux surfaces. Avec une répartition des ouvertures 230, 231 selon la hauteur identique à celle de la figure 5a, on constate que les ouvertures sont à présent placées en regard de deux ventres du mode TE033, de deux ventres du mode TE422 et de deux ventres du mode TE232. Le guide d'ondes schématisé sur la figure 5b permet donc d'exciter trois modes transverses électriques. Grâce à l'invention, on a donc optimisé le nombre de modes excités dans le plan d'excitation P, et par conséquent la répartition d'énergie à l'intérieur de l'enceinte. Il est possible d'améliorer encore le nombre de modes excités en prévoyant, selon l'invention, une troisième ouverture 232, comme représenté en pointillés sur la figure 5b, cette ouverture 232 étant placée en regard d'un ventre du mode TE215. Sur la figure 5b, les ouvertures oblongues 230, 231 et 232 présentent un axe longitudinal s'étendant parallèlement aux surfaces 20' et 21' d'extrémité du guide. Du fait de l'inclinaison de l'axe longitudinal du guide, une onde qui part de l'antenne du magnétron ne parcourt pas la même distance pour atteindre l'une ou l'autre extrémité d'une même ouverture. Il en résulte une différence de phase entre les extrémités d'une ouverture. La non-cohérence en phase des ondes aux extrémités d'une ouverture a pour conséquence que le champ électrique rayonné vers l'enceinte au travers de cette ouverture n'est pas maximal. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, on incline les ouvertures oblongues 230 à 232 par rapport à un axe transversal du plan de sortie 23' parallèle aux surfaces d'extrémité 20' et 21', de façon à réduire la différence de distance à parcourir pour une onde depuis l'antenne jusqu'aulx deux extrémités d'une même ouverture. La cohérence de l'onde incidente sur l'ouverture s'en trouve améliorée, de même que la puissance rayonnée. La cohérence est parfaite dans le cas où les ouvertures sont inclinées de manière à présenter un axe longitudinal orthogonal à l'axe longitudinal du guide. En pratique, l'angle d'inclinaison sera choisi dans un secteur angulaire délimité par un axe transversal du plan 23', parallèle aux surfaces 20',21', et par un axe transversal du plan 23', perpendiculaire à l'axe longitudinal du guide. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, les ouvertures oblongues du plan de sortie du guide, pratiquées soit directement dans la paroi de l'enceinte, soit dans une paroi du guide, présentent la forme d'une ellipse (voir figure 7). En effet, on peut montrer que le champ EF rayonné à travers une ouverture oblongue s'exprime par la relation U EF = - (1) a dans laquelle U représente la tension électrique en travers de l'ouverture et a représente la largeur de l'ouverture oblongue. Il est communément admis que la tension U évolue comme une arche de sinusoïde sur la longueur de l'ouver- ture. Dans le cas d'une ouverture rectangulaire, la largeur a est constante sur toute la longueur de l'ouverture. Par conséquent, d'après la relation (1), le champ rayonné EF suit exactement la même loi que la tension. En utilisant une ouverture de forme elliptique, la largeur a est quasi-nulle aux extrémités de l'ouverture et va croissante vers le centre. Il en résulte que le champ EF reste sensiblement constant sur la longueur de l'ouverture. L'énergie rayonnée est donc supérieure dans le cas d'une ouverture elliptique. Nous allons décrire à présent, en référence aux figures 6 à 10, une structure de guide d'ondes conforme à la présente invention, et particulièrement adaptée à un four électrique susceptible de recevoir des produits à chauffer sur deux niveaux distincts, un niveau inférieur correspondant par exemple sensiblement au niveau de la sole du four, et un niveau dit supérieur correspondant par exemple à la mi-hauteur de l'enceinte de cuisson. Dans l'exemple non limitatif représenté, le plan de sortie 23' du guide d'onde est directement dans la paroi latérale 13 de l'enceinte de cuisson, de sorte que la figure 7 illustre seulement les délimitations du plan de sortie 23' par rapport aux ouvertures 230, 231 et 232. Les surfaces 20' et 21' d'extrémité du guide sont espacées d'une distance d sensiblement égale à 165 mm, alors que les bordures b'2,b'3 ou b'41b'1, séparées d'une distance sensiblement égale à 86 mm, présentent une longueur 1 d'environ 178 mm. Lorsque le guide est placé sur la paroi latérale de l'enceinte de façon à ce que les surfaces d'extrémités 20' et 21' s'étendent parallèlement aux parois de sole et de voûte de l'enceinte de cuisson, l'axe longitudinal du guide est donc incliné d'environ 22 degrés par rapport à la verticale. Le centre de l'ouverture 25 pour l'entrée des ondes dans le guide est situé sensiblement à une distance de 94,5 mm, en projection orthogonale, de la surface d'extrémité 20'. L'ouverture 25 présente une section circulaire de diamètre sensiblement égal à 30,6 mm. La distance du plan de sortie 23' au plan d'entrée 22' est d'environ 21 mm. La distance du plan de sortie 23' à l'extrémité du prolongement 24 est d'environ 41 mm. Les dimensions précédentes permettent l'obtention d'un guide d'ondes non résonnant. La sortie des ondes s'effectue au niveau de trois ouvertures elliptiques 230 à 232 (figure 7). L'ouverture intermédiaire 232 est avantageusement située à proximité du niveau supérieur de cuisson. De cette façon, l'ouverture intermédiaire 232 permet de créer, d'une part avec l'ouverture supérieure 230 et d'autre part avec l'ouverture inférieure 231, deux zones d'interférences assez bien décorrélées l'une de l'autre, et donc moins sensibles aux charges disposées sur chacun des deux niveaux de cuisson. L'axe longitudinal des ouvertures 230 à 232 est par exemple incliné de 11,5 degrés par rapport à un axe transversal au plan de sortie 23' et parallèle aux surfaces 20' et 21'. Ce choix permet d'obtenir un bon compromis entre une bonne puissance restituée et un bon équilibrage de température sur les deux plateaux. Le positionnement en hauteur des ouvertures est de préférence choisi également en fonction de la position des ventres de tension des modes de la forme TEmnp ou TMmnp l'entier n, correspondant aux oscillations sur la hauteur, étant égal à 1,2 ou 3. On constate en outre que les ouvertures 230, 231 et 232 représentées sur la figure 7 présentent des tailles différentes. Ceci permet avantageusement de maximiser la puissance totale restituée tout en respectant les contraintes d'adaptation d'impédance. REVENDICATIONS 1. Four électrique de cuisson comprenant une enceinte de cuisson (1), une source d'énergie micro-ondes et un guide d'ondes (2') de forme sensiblement parallélépipédique délimité transversalement par deux surfaces (20',21') sensiblement rectangulaires situées dans deux plans parallèles séparés d'une distance (d) prédéfinie, la sortie des ondes guidées s'effectuant par au moins deux zones (230,231) situées dans un plan de sortie (23') perpendiculaire aux deux surfaces et délimité par deux bordures parallèles (b'1,b'4) reliant les deux surfaces, caractérisé en ce que lesdites bordures ont une longueur (1) supérieure à la distance (d) séparant les deux surfaces (20',21'), de façon à optimiser le nombre de modes transverses électriques et/ou magnétiques excités à l'intérieur de l'enceinte de cuisson dans des plans d'excitation parallèles au plan de sortie. 2. Four électrique de cuisson selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur (1) est déterminée de façon à ce que les zones (230,231) pour la sortie des ondes guidées soient positionnées en regard d'un maximum de ventres de tension relatifs auxdits modes. 3. Four électrique de cuisson selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'en- ceinte de cuisson (1) est délimitée par une paroi de fond (10), une paroi de voûte (11), une paroi de sole (12) et deux parois latérales (13,14), caractérisé en ce que le guide d'ondes (2) est positionné de façon à ce que le plan de sortie (23') soit parallèle aux parois latérales (13,14). 4. Four électrique de cuisson selon la revendica tion 3, caractérisé en ce que l'enceinte de cuisson (1) est adaptée à recevoir des produits à chauffer sur deux niveaux distincts, dits inférieur et supérieur, et en ce que le plan de sortie du guide d'ondes comporte une troisième zone de sortie (232) intermédiaire située à proximité du niveau supérieur. 5. Four électrique de cuisson selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ouvertures (230,231,232) pour la sortie des ondes sont réparties selon la hauteur en fonction de la position des ventres de tension des modes transverses électriques et/ou magnétiques. 6. Four électrique de cuisson selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une paroi (13,23') re liant les deux surfaces (20 t (20',21') dans le plan de sortie du guide d'ondes, et en ce que les zones pour la sortie des ondes guidées sont réalisées par des ouvertures oblongues (230,231,232) s'étendant transversalement par rapport à un axe longitudinal de la paroi parallèle auxdites bordures (b'1,bt4), et présentant un centre géométrique situé sur ledit axe longitudinal de la paroi. 7. Four électrique de cuisson selon la revendication 6, caractérisé en ce que les ouvertures oblongues (230,231,232) ont un axe longitudinal présentant un angle d'inclinaison compris dans un secteur angulaire délimité par un axe transversal de la paroi (13,23') parallèle aux deux surfaces (20',21') et par un axe transversal de la paroi (13,23') perpendiculaire à l'axe longitudinal du guide. 8. Four électrique de cuisson selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que les ouvertures oblongues (230,231,232) présentent la forme d'une ellipse. 9. Four électrique de cuisson selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les ouvertures oblongues présentent des tailles différentes. 10. Four électrique de cuisson selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance (d) séparant les deux surfaces (20',21') est sensiblement égale à 165 mm, et en ce que la longueur des bordures (b'1,b'4) reliant les deux surfaces est sensiblement égale à 178 mm.