Brevet FR2767016A1 — publié le 19990205

La présente invention concerne un dispositif de production d'énergie hyperfréquence pour utilisation dans un four à micro-onde et, plus particulièrement, un dispositif de production d'énergie hyperfréquence d'une structure simple pourvu d'un moyen de conversion de tension. On a représenté en figure 1 un four à micro-onde comprenant un boîtier 1, une unité d'alimentation 2 ayant un transformateur haute tension (non représenté) et un condensateur haute tension (non représenté), un magnétron cylindrique 10 pour produire une énergie hyperfréquence et une chambre de cuisson 3 pour contenir dans celle-ci des aliments. Comme représenté en figure 2, le magnétron est un tube sous vide bi-pôle cylindrique et comprend typiquement une cathode 11 agencée au centre de celui-ci, deux aimants 12a, 12b disposés respectivement au-dessus et en dessous de celui-ci, une anode 13 agencée autour de la cathode 11 et une antenne 14 reliée à l'anode 13. Lorsqu'une tension de fonctionnement, par exemple, de 4KV, est appliquée à une borne d'entrée 15 à partir de l'unité d'alimentation 2, la cathode 11 est chauffée pour émettre des électrons. Les électrons émis sont reçus par l'anode 13. Les aimants 12a, 12b produisent des flux magnétiques qui sont, à leur tour, guidés par des éléments de guidage 16a, 16b pour passer à travers une cavité 17 qui est définie entre la cathode 11 et l'anode 13. Les électrons émis par la cathode 11 sont tout d'abord déviés par un champ magnétique formé dans la cavité 17 de sorte qu'ils tournent entre la cathode 11 et l'anode 13 avant d'aller vers l'anode 13 et d'être reçus à celle-ci. Tourner les électrons entre la cathode 11 et l'anode 13 résulte en un circuit résonant qui est construit dans l'anode 13, le circuit résonant produisant des ondes ultra-courtes à émettre par l'antenne 14. Les ondes ultra-courtes émises sont guidées à la chambre de cuisson 3 par un guide d'onde 5 et ensuite répandues dans la chambre de cuisson 3 par un mélangeur-agitateur 6. Les ondes ultra-courtes répandues sont incidentes sur des aliments contenus dans la chambre de cuisson 3 de sorte que la cuisson des aliments peut être accomplie. Dans un tel four à micro-onde, puisque le mouvement des électrons est contrôlé par la force combinée d'à la fois les champs électrique et magnétique, un certain nombre d'aimants sont exigés, qui, à leur tour, rendent le four à micro-onde structurellement compliqué. De plus, puisque le dispositif de production d'énergie hyperfréquence utilisé dans le four à micro-onde conventionnel est du type bi-pôle, il est impossible de contrôler la production de l'énergie hyperfréquence. C'est, de ce fait, un but principal de l'invention de réaliser un dispositif de production d'énergie hyperfréquence d'une structure simple et pourvu d'un moyen de conversion de tension. Selon un aspect de la présente invention, on réalise un dispositif pour produire une énergie hyperfréquence, le dispositif comprenant: un élément de chauffage; une cathode montée au-dessus de l'élément de chauffage pour émettre des électrons; une première grille, prévue au-dessus de la cathode, pour contrôler et focaliser la circulation d'électrons émis par la cathode, la première grille ayant un certain nombre de fentes pour convertir des électrons de la cathode en faisceaux d'électrons; une structure à piège ou d'arrêt, positionnée entre la cathode et la première grille, pour servir de capacité de blocage, o la cathode, la première grille et la structure à piège définissent une cavité d'entrée fonctionnant en un circuit résonant; une résistance, dont une extrémité est reliée à la première grille et l'autre extrémité est reliée à la cathode, pour induire une tension de polarisation sur la première grille; une seconde grille prévue au-dessus de la première grille et ayant un certain nombre de fentes à travers lesquelles passent les faisceaux d'électrons passant à travers les fentes de la première grille; une anode pour recevoir les électrons passant à travers les fentes de la seconde grille, o la seconde grille et l'anode définissent une cavité de sortie pour produire une énergie hyperfréquence de telle manière que la cavité de sortie est électriquement isolée de la cavité d'entrée; un moyen de conversion de tension pour redresser une tension d'entrée alternative et fournir une tension de commande continue à la cathode et à l'anode, le moyen de conversion de tension comprenant un réseau de diodes et de condensateurs agencé pour former un pompage à diode et une antenne agencée dans l'anode pour extraire l'onde ultra-courte de la cavité de sortie. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 représente une vue schématique d'un four à micro-onde conventionnel; - la figure 2 décrit une vue en coupe d'un magnétron du four à micro-onde de la figure 1; - la figure 3 représente une vue schématique d'un four à micro- onde selon la présente invention; - la figure 4 représente une vue en coupe d'une structure du dispositif de production d'énergie hyperfréquence selon la présente invention; - la figure 5 représente une vue en perspective d'une cathode incorporée dans le dispositif de production d'énergie hyperfréquence selon la présente invention; - la figure 6 représente une vue en perspective de grilles incorporées dans le dispositif de production d'énergie hyperfréquence selon la présente invention; - la figure 7 illustre une vue en coupe d'une structure à piège incorporée dans le dispositif de production d'énergie hyperfréquence selon la présente invention; - la figure 8 décrit un circuit équivalent du dispositif de production d'énergie hyperfréquence en figure 4; - la figure 9 montre un graphe caractéristique de tension de la première grille incorporée dans le dispositif de production d'énergie hyperfréquence selon la présente invention; - la figure 10 représente un circuit d'un doubleur de tension sur les deux alternances pour redresser une tension alternative d'entrée et fournir une tension de commande continue à l'anode et à la cathode; et - la figure 11 représente un circuit d'un quadrupleur de tension sur les deux alternances pour redresser une tension alternative d'entrée et fournir une tension de commande continue à l'anode et à la cathode. En se référant à la figure 3, un four à micro-onde selon la présente invention comprend un boîtier 21, un dispositif 100 pour produire une énergie hyperfréquence, une unité d'alimentation 105 montée au dispositif 100 et une chambre de cuisson 22 pour contenir dans celle-ci des aliments. En se référant à la figure 4, le dispositif de production d'énergie hyperfréquence 100 selon la présente invention comprend un moyen de chauffage 110 comme élément de chauffage, une cathode 120, une première grille 130, une seconde grille 140, une anode 150 et un moyen de conversion de tension 200 pour redresser une tension d'entrée alternative et fournir une tension de commande continue à la cathode 120. De plus, le vide est maintenu à l'intérieur du dispositif 100. Le moyen de chauffage 110 est composé d'un filament et la cathode 120 est positionnée au-dessus du moyen de chauffage 110. La cathode 120 ayant une forme en rondelle (voir figure 5) émet des électrons d'agitation thermique ou électrons thermiques lorsque le moyen de chauffage 110 est chauffé. La première grille 130 pour contrôler et focaliser les électrons émis par la cathode 120 est disposée au-dessus de la cathode 120. La première grille a une forme en disque formée d'un certain nombre de fentes 135 (voir figure 6). Entre la cathode 120 et la première grille 130, une structure à piège 160 est prévue. La première grille 130, la structure à piège 160 et la cathode 120 définissent une cavité d'entrée 170 fonctionnant comme un circuit résonant. La seconde grille 140 est montée au-dessus de la première grille 130 et comporte un certain nombre de fentes 145 à travers lesquelles passent des faisceaux d'électrons via les fentes 135 de la première grille 130. L'anode 150 est montée au-dessus de la seconde grille 140 et a une forme cylindrique. La seconde grille 140 et l'anode 150 définissent une cavité de sortie 180 pour produire une énergie hyperfréquence. La cavité de sortie 180 est électriquement isolée de la cavité d'entrée 170. En particulier, la seconde grille 140 est située à une distance de la première grille 130 de manière que les faisceaux d'électrons passant à travers les fentes 135 de la première grille 130 produisent une énergie hyperfréquence dans la cavité de sortie 170 effectivement avant qu'ils deviennent diffusés. Une énergie cinétique des électrons modulée dans sa densité dans la cavité d'entrée 170 est convertie en énergie hyperfréquence dans la cavité de sortie 180 et ensuite l'énergie hyperfréquence est émise par rayonnement vers la chambre de cuisson 22 par une antenne 155, agencée dans l'anode , pour extraire une onde ultra-courte. Entre la cavité d'entrée 170 et la cavité de sortie s'étend une structure de contre-réaction 190 qui refournit une partie de l'énergie dans la cavité de sortie 180 à la cavité d'entrée 170 afin d'induire également un circuit résonant. La structure de contre- réaction 190 a une forme en tige. En se référant à la figure 7, la structure à piège comprend une plaque métallique 162 supportée par un support de grille 164 entre la première grille 130 et la cathode 120 et un matériau diélectrique 166 dans la cavité d'entrée 170. La plaque métallique 162 est isolée électriquement de la cathode 120. La structure à piège sert comme condensateur de blocage pour faire passer un courant de surface pour produire une énergie hyperfréquence dans la cavité d'entrée 170 à travers elle et bloquer un courant continu. On a représenté en figure 8 un circuit équivalent du dispositif de production d'énergie hyperfréquence 100 de la figure 4. Le moyen de chauffage 110 est électriquement relié à l'unité d'alimentation 105. L'anode 150 et la cathode sont reliées respectivement à une borne positive et une borne négative d'une source de courant continu de commande 200 pour produire une gamme de tensions entre 300V à 500V. La seconde grille 140 a un potentiel identique à celui de l'anode 150 puisque la seconde grille 140 est en une seule pièce avec l'anode 150. Cependant, la première grille 130 est en une seule pièce avec la cathode 120 mais la première grille 130 a un potentiel différent de celui de la cathode 120 à cause de la structure à piège ou d'arrêt 160. Par ailleurs, on a également prévu une résistance d'ajustage 210 comme résistance dont une extrémité est reliée à la première grille 130 et l'autre extrémité est reliée à la cathode 120. La résistance d'ajustage 210 sert à induire une tension de polarisation, par exemple de -60V, sur la première grille 130. La première grille 130 a une tension de polarisation nulle lorsque le dispositif de production d'énergie hyperfréquence 100 est initialement mis en service. En figure 9, une première courbe 220 représente la quantité de changement de courant circulant sur l'anode , une seconde courbe 230 représente le changement de tension de polarisation appliquée dans la première grille 130 et une troisième courbe 240 illustre une forme d'onde résonante de l'onde ultra-courte dans la cavité d'entrée 170. Le moyen de conversion de tension 200 comprend un doubleur de tension 201 sur les deux alternances ou un quadrupleur de tension 202 sur les deux alternances qui comprend un réseau de diodes et de condensateurs agencé pour former un pompage à diodes. En se référant à la figure 10, le doubleur de tension 201 sur les deux alternances comprend deux diodes reliées en série Dl, D2 et deux condensateurs C1, C2 reliés en parallèle aux diodes D1, D2. Une borne de tension d'entrée alternative A est reliée à une jonction entre les deux diodes D1, D2 et l'autre borne de tension d'entrée alternative B est reliée à une jonction entre les condensateurs C1, C2. La sortie du doubleur de tension est prélevee à travers les condensateurs Cl, C2, la jonction entre le condensateur C1 et la diode D1 étant reliée à l'anode tandis que la jonction entre la condensateur C2 et la diode D2 est reliée à l'anode. Pendant un cycle moitié positif d'une tension alternative de 220V, du courant circule de la borne d'entrée A à travers la diode D1 pour charger le condensateur C1 et ensuite à la borne d'entrée B. D'une manière similaire pendant un cycle moitié négatif, du courant circule de la borne d'entrée B à travers la diode D2, chargeant le condensateur C2 et à la borne d'entrée A. La tension de sortie continue est maintenant la somme des tensions auxquelles les condensateurs C1 et C2 se chargent. Des condensateurs de dimension appropriée pour Cl et C2 sont choisis afin de produire la tension de sortie continue de 500- 700V et minimiser l'ondulation résiduelle de la tension de sortie. En se référant maintenant à la figure 11, le quadrupleur de tension 202 sur les deux alternances comprend quatre diodes reliées en série D3-D6, deux paires de condensateurs C3, C4 et C5, C6 reliés en parallèle aux quatre diodes D3-D6. La jonction entre les diodes D3 et D4 est reliée à la jonction entre les condensateurs C3 et C4, dont les autres bornes sont respectivement reliées à une borne de tension d'entrée alternative B et à la jonction entre les diodes D5 et D6. L'autre borne de tension d'entrée alternative A est reliée à la jonction entre le condensateur C5 et la diode D3. La jonction entre les condensateurs C5 et C6 est reliée à la jonction entre les diodes D4 et D5. Des condensateurs de dimension appropriée pour C1-C4 sont choisis afin de produire une tension de sortie continue de 500-700V et minimiser l'ondulation résiduelle de la tension de sortie lorsqu'une tension d'entrée alternative -120V est appliquée au quadrupleur de tension. En référence aux figures 8, 9, le principe de fonctionnement du dispositif 100 de l'invention sera maintenant décrit en détail. Lorsque le moyen de chauffage 110 est chauffé à une température entre 600 C et 1200 C, la cathode 120 émet des électrons. Puisque la première grille 130 a initialement une tension de polarisation nulle, une portion des électrons émis par la cathode 120 atteint l'anode 150 par l'intermédiaire des fentes 135, 145 de la première grille 130 et de la seconde grille 140 et les électrons restants vont être absorbés dans la première grille 130. Les électrons absorbés dans la première grille 130 induisent une tension de polarisation et un courant de surface circule sur une surface de la cavité d'entrée 170, sa direction de circulation étant changée par la structure à piège 160 qui, à son tour, induit une faible oscillation dans la cavité d'entrée 170. En conséquence de la circulation de courant de surface lorsque suffisamment de courant est accumulé dans la première grille 130, une amplitude de l'oscillation ci- dessus mentionnée augmente, comme cela sera décrit ultérieurement. L'absorption des électrons émis par la cathode 120 dans la première grille 130 amène la première grille 130 à avoir un potentiel négatif. Initialement, le potentiel négatif sur la première grille 130 augmente brusquement puisque, du fait que la première grille 130 a initialement une tension de polarisation nulle, une quantité relativement grande des électrons peuvent devenir absorbés dans celle-ci, la quantité d'électrons étant absorbée dans la première grille 130 diminuant avec le temps. Le potentiel négatif sur la première grille 130 augmente graduellement jusqu'à ce qu'il atteigne une valeur prédéterminée, la valeur étant déterminée par la quantité d'électrons qui peuvent être absorbés dans la première grille 130 en fonction de la résistance d'ajustage 210. En réponse au changement de potentiel, l'amplitude de l'oscillation augmente avec le temps jusqu'à ce que le potentiel sur la première grille 130 atteigne la valeur prédéterminée, à laquelle l'amplitude de l'oscillation devient constante. A cet instant, la première grille 130 a une tension prédéterminée et l'oscillation oscille à une fréquence de résonance déterminée par une structure de résonance de la cavité d'entrée 170. En même temps, en réponse au changement de potentiel de la première grille 130, les électrons émis par la cathode 120 sont continuellement modulés en concentration groupée dans la cavité d'entrée 170 jusqu'à ce que le potentiel sur la première grille 130 atteigne un potentiel de polarisation prédéterminé. Cependant, comme la différence de potentiel entre la première grille 130 et la seconde grille 140 augmente, un champ électrique entre elles augmente également. Lorsque les groupes d'électrons dans la cavité d'entrée passent à travers les fentes 135 de la première grille 130 comme représenté par des lignes en pointillés en figure 8 en conséquence du champ électrique formé entre la cavité d'entrée 170 et la cavité de sortie 180, ils sont convertis en faisceaux d'électrons, les faisceaux d'électrons s'accélérant entre la première grille 130 et la seconde grille 140. Les faisceaux d'électrons accélérés se déplacent vers l'anode 150 à travers les fentes 145 de la seconde grille 140. L'énergie cinétique des électrons est convertie en énergie hyperfréquence, émettant l'énergie hyperfréquence. L'énergie hyperfréquence est produite par l'antenne 155 et guidée dans la chambre de cuisson 22 par un guide d'onde 23. L'énergie hyperfréquence est ensuite dispersée par un mélangeur-agitateur 24 et est incidente sur des aliments contenus dans la chambre de cuisson 22 de sorte que la cuisson peut être accomplie. Dans un tel dispositif, puisque les première et seconde grilles, en conjonction l'une avec l'autre, focalisent et contrôlent les faisceaux d'électrons, un certain nombre d'aimants peuvent être éliminés et puisque la première grille, la cathode, la structure à piège et la seconde grille, l'anode définissent respectivement la cavité d'entrée et la cavité de sortie, le four à micro- onde a une structure simple. De plus, puisque la première grille est située à une distance de la seconde grille, il est possible de réduire l'influence d'une harmonique et du bruit entre les grilles et il est possible de varier la production ou puissance de l'énergie hyperfréquence en permettant à la résistance d'ajustage de contrôler le potentiel de polarisation de la première grille. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour produire une énergie hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de chauffage (110); une cathode (120), montée au-dessus de l'élément de chauffage, pour émettre des électrons; une première grille (130), prévue au-dessus de la cathode, pour contrôler et focaliser la circulation d'électrons émis par la cathode (120), la première grille ayant un certain nombre de fentes (135) pour convertir des électrons de la cathode en faisceaux d'électrons; une structure à piège (160), positionnée entre la cathode (120) et la première grille (130), pour servir de capacité de blocage, o la cathode (120), la première grille (130) et la structure à piège (160) définissent une cavité d'entrée (170) fonctionnant en un circuit résonant; une résistance (210), dont une extrémité est reliée à la première grille (130) et l'autre extrémité est reliée à la cathode (120), pour induire une tension de polarisation sur la première grille; une seconde grille (140) prévue au-dessus de la première grille (130) et ayant un certain nombre de fentes (145) à travers lesquelles passent les faisceaux d'électrons passant à travers les fentes (135) de la première grille (130); une anode (150) pour recevoir les électrons passant à travers les fentes (145) de la seconde grille (140), o la seconde grille (140) et l'anode (150) définissent une cavité de sortie (180) pour produire une énergie hyperfréquence de telle manière que la cavité de sortie (180) soit électriquement isolée de la cavité d'entrée (170); un moyen de conversion de tension (200) pour redresser une tension d'entrée alternative et fournir une tension de commande continue à la cathode et à l'anode, le moyen de conversion de tension comprenant un réseau de diodes (D1, D2; D3-D6) et de condensateurs (C1, C2; C3- C6) agencé pour former un pompage à diodes; et une antenne (155) agencée dans l'anode pour extraire l'onde ultra-courte de la cavité de sortie. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de conversion de tension (200) comprend deux diodes reliées en série (D1, D2) et deux condensateurs (C1, C2) reliés en parallèle aux diodes D1, D2), une borne d'entrée alternative étant reliée à la jonction entre les diodes et l'autre borne d'entrée alternative à la jonction entre les condensateurs, la sortie du doubleur de tension étant prélevée à travers les condensateurs (C1, C2). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de conversion de tension (200) comprend quatre diodes reliées en série (D3-D6), deux paires de condensateurs (C3, C4) et (C5, C6) reliés en parallèles aux quatre diodes (D3-D6), la jonction entre les diodes (D3) et (D4) étant reliée à la jonction entre les condensateurs (C3) et (C4), dont les autres bornes sont respectivements reliées à une borne de tension d'entrée alternative et la jonction entre les diodes (D5) et (D6), l'autre borne de tension d'entrée alternative étant reliée à la jonction entre le condensateur (C5) et la diode (D3), la jonction entre les condensateurs (C5) et (C6) étant reliée à la jonction entre les diodes (D4) et (D5).