Brevet FR2775552A1 — publié le 19990903

La présente invention concerne de manière générale le chauffage d'un matériau, en vue par exemple d'un traitement de ce matériau. Plus spécifiquement, I'invention concerne un dispositif de chauffage d'un matériau absorbant à l'aide d'un champ micro-onde. Selon une application particulière de l'invention, le matériau est un élastomère (caoutchouc) à vulcaniser. Plusieurs dispositifs de chauffage par micro-ondes d'un matériau absorbant diélectrique/magnétique pour le traitement de ce matériau sont connus. Ces dispositifs appliquent un champ électromagnétique micro-onde sur le matériau à chauffer. Le champ électrique/magnétique de ce champ micro-onde interagit alors avec le matériau, de sorte que des pertes diélectriques/magnétiques se produisent dans ce dernier. Un premier type de dispositif de chauffage par micro-ondes consiste essentiellement en un guide d'ondes associé à une source micro-onde. Le champ électromagnétique micro-onde produit par la source micro-onde est dirigé vers le matériau à chauffer par le guide d'ondes. L'efficacité du chauffage obtenue avec ce type de dispositif est relativement faible, du fait que le champ micro-onde appliqué à travers le matériau se présente sous forme d'ondes progressives, dont la puissance ne peut excéder celle délivrée par la source micro-onde. Selon un second type de dispositif de chauffage par micro-ondes, un résonateur métallique est prévu pour produire un champ électromagnétique de résonance qui est appliqué sur le matériau à chauffer. Le résonateur métallique est excité par une source micro-onde. Ce résonateur consiste en une cavité résonnante métallique à l'intérieur de laquelle est placé le matériau à chauffer. Ce type de dispositif permet un chauffage efficace du matériau, puisque le champ micro-onde utilisé pour le chauffage est un champ résonnant, dont l'intensité est plus élevée que celle du champ d'excitation fourni par la source micro-onde. Toutefois, il est nécessaire d'assurer un guidage précis du matériau à chauffer de façon à positionner ce dernier au centre de la cavité, c'est-à-dire à l'endroit où le champ micro-onde est le plus intense. Les cavités résonnantes métalliques sont de plus relativement encombrantes. Egalement, il est difficile, avec des cavités résonnantes, de réaliser un chauffage sélectif de certaines parties du matériau. La présente invention vise à fournir un dispositif de chauffage d'un matériau par micro-ondes capable de remédier aux inconvénients précités. A cette fin, un dispositif de chauffage par micro-ondes d'un matériau absorbant en vue par exemple d'un traitement de ce matériau, est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un résonateur diélectrique, excité par un moyen d'excitation micro-onde, pour produire un champ électromagnétique micro-onde destiné à chauffer au moins une partie du matériau. Le champ électromagnétique micro-onde précité est donc un champ résonnant, qui permet de chauffer le matériau avec un rendement plus élevé que celui obtenu avec les dispositifs de chauffage n'utilisant pas de résonateur. En outre, par rapport aux dispositifs de chauffage par micro-ondes comprenant un résonateur métallique, le dispositif selon l'invention offre une plus grande souplesse d'utilisation. En particulier, selon l'invention, le matériau à chauffer peut être placé à l'extérieur dudit au moins un résonateur diélectrique puisque ce dernier, contrairement aux résonateurs métalliques, produit un champ électromagnétique extérieur. De cette manière, il est possible de réaliser un chauffage sélectif du matériau, c'est-à-dire de sélectionner avec une grande précision des zones particulières à chauffer dans le matériau. Le dispositif selon l'invention ne nécessite pas de moyens de guidage compliqués pour positionner le matériau à chauffer à l'intérieur d'une cavité. Les dimensions d'un résonateur diélectrique peuvent être nettement réduites par rapport aux dimensions d'un résonateur métallique, si bien que l'encombrement du dispositif selon l'invention peut être rendu moins important que celui des dispositifs à résonateur métallique de la technique antérieure. Avantageusement, un convoyeur est prévu pour amener le matériau à proximité dudit au moins un résonateur diélectrique, et notamment dans la zone du champ électromagnétique extérieur produit par ledit au moins un résonateur diélectrique. Le dispositif de chauffage peut ainsi être intégré dans une chaîne de production en ligne > > . A titre d'exemple, le matériau à chauffer se présente sous la forme d'un extrudat, en partie composé d'un élastomère. Le chauffage du matériau permet alors de vulcaniser ce dernier, qui peut ensuite être utilisé, par exemple, pour la fabrication de joints d'étanchéité. De préférence, le dispositif selon l'invention comprend plusieurs résonateurs diélectriques couplés magnétiquement entre eux, l'un au moins des résonateurs diélectriques étant excité par le moyen d'excitation micro-onde. Une plus grande puissance peut ainsi être récupérée depuis le moyen d'excitation micro-onde. En effet, la puissance qui peut être transmise depuis le moyen d'excitation micro-onde à un résonateur diélectrique donné sans risque de détérioration de celui-ci est limitée par le seuil de claquage du résonateur. Grâce à la présence de plusieurs résonateurs diélectriques couplés, la puissance fournie par le moyen d'excitation micro-onde est répartie entre ces résonateurs, et peut donc etre augmentée. Un moyen peut être prévu pour régler la distance entre deux résonateurs adjacents donnés parmi lesdits résonateurs diélectriques couplés magnétiquement. Ce moyen de réglage, typiquement mécanique, permet d'ajuster la fréquence de résonance de l'ensemble résonateur formé par les résonateurs diélectriques couplés. En particulier afin d'obtenir un rendement de chauffage optimal, le moyen de réglage peut être utilisé pour accorder précisément la fréquence de résonance de l'ensemble résonateur sur la fréquence d'émission du moyen d'excitation micro-onde. Selon une application alternative du moyen de réglage, il est possible, en faisant varier sensiblement la fréquence de résonance de l'ensemble résonateur, de modifier la puissance de chauffage apportée au matériau. Le moyen d'excitation micro-onde comprend typiquement une source micro-onde pour produire un champ électromagnétique d'excitation, et un moyen de transmission pour transmettre le champ électromagnétique d'excitation depuis la source micro-onde vers ledit au moins un résonateur diélectrique. Le moyen de transmission est par exemple un guide d'ondes dans lequel des plongeurs métalliques sont introduits partiellement afin d'adapter l'impédance entre la source micro-onde et ledit au moins un résonateur diélectrique. Par ailleurs, en pratique, le (ou les) résonateur(s) diélectrique(s) qui est excité par le moyen d'excitation micro-onde est disposé en regard d'une fenêtre ménagée sur une face de sortie du moyen de transmission. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue de face en coupe schématique d'un dispositif de chauffage par micro-ondes d'un matériau selon l'invention; - la figure 2 est une vue de dessous schématique d'une partie du dispositif de la figure i et - les figures 3 et 4 illustrent respectivement en vue de dessous et de face des résonateurs diélectriques couplés magnétiquement inclus dans le dispositif de la figure 1; En référence à la figure 1, le dispositif de chauffage par micro-ondes selon la présente invention comprend principalement une source micro-onde 1, du type magnétron, un guide d'ondes rectangulaire 2, un ensemble de résonateurs diélectriques couplés 3, et un convoyeur 4. Les éléments l à 3 constituent un applicateur micro-onde. Le convoyeur 4 permet de faire défiler un matériau, ou produit, à chauffer MT suivant une direction prédéterminée DR, par exemple horizontale. en regard de l'applicateur micro-onde 1-3 et plus particulièrement de l'ensemble de résonateurs 3. Le dispositif de chauffage selon l'invention comporte également des moyens de support (non représentés) pour maintenir l'applicateur micro-onde 1-3. Le matériau MT est un matériau absorbant, c'est-à-dire un matériau capable d'absorber de l'énergie électrique et/ou magnétique. Selon une application particulièrement appropriée de la présente invention, le matériau MT est un élastomère à vulcaniser, qui se présente sous la forme d'un extrudat. Pour chauffer le matériau MT, I'applicateur micro-onde 1-3 produit un champ électromagnétique micro-onde 5 (représenté à la figure 1 par les lignes de champ du champ électrique correspondant), à travers lequel le matériau MT est transporté par le convoyeur 4. Le champ électromagnétique 5 est produit par I'ensemble de résonateurs 3 en réponse â un champ d'excitation transmis depuis une antenne 10 du magnétron I vers l'ensemble résonateur 3 via le guide d'ondes 3 L'ensemble de résonateurs diélectriques couplés 3 est composé, selon la réalisation montrée à la figure 1, d'un résonateur central 30, centré par rapport à une face de sortie 20 du guide d'ondes 2, et de deux résonateurs périphériques 31 et 32 adjacents au résonateur central 30. Chaque résonateur 30 à 32 présente une forme cylindrique, comme montré aux figures 1 et 4. Les lignes du champ électrique micro-onde produit par le résonateur 30 à 32 sont ainsi circulaires autour du résonateur (Cf. figure 1), tandis que les lignes du champ magnétique microonde correspondant forment chacune une boucle autour d'une partie périphérique du résonateur (Cf. figure 3). Les résonateurs 30 à 32 sont alignés suivant une direction qui est de préférence parallèle à la direction DR de défilement du matériau MT sous l'applicateur 1-3, et sont chacun séparés d'un résonateur adjacent par une distance non nulle. Les faces planes des résonateurs 30-32 sont perpendiculaires à la face de sortie 20 du guide d'ondes 2 et au plan défini par le convoyeur 4. Les distances respectives dl et d2 (Cf. figure 2) entre les résonateurs adjacents 30, 31 et les résonateurs adjacents 30, 32 parallèlement à la direction d'alignement des résonateurs sont réglables, mais restent suffisamment petites pour qu'un couplage magnétique ait lieu entre les résonateurs. Les figures 3 et 4 illustrent le couplage magnétique entre les résonateurs 30-32, et notamment le couplage entre les champs magnétiques micro-onde respectifs (désignés par 300-320) produits par ceux-ci. Les résonateurs diélectriques 30 à 32 sont excités par la source micro-onde 1 via le guide d'ondes 2. Plus précisément, le champ micro-onde d'excitation produit par la source 1 et émis par son antenne 10 est transmis par le guide d'ondes 2 au résonateur diélectrique central 30 à travers une fenêtre 21, ménagée sur la face de sortie 20 du guide d'ondes 2 et en regard du résonateur central 30. Les dimensions de la fenêtre 21 sont de préférence déterminées de sorte que le champ micro-onde d'excitation arrive sur le résonateur central 30 avec un angle de Brewster, afin d'éviter toute réflexion de ce champ au niveau de la fenêtre 21. Le champ micro-onde d'excitation excite le résonateur central 30, qui à son tour excite, par couplage magnétique, ses deux résonateurs adjacents 31 et 32. La fréquence de résonance des résonateurs diélectriques 30 à 32 dépend d'une part des caractéristiques intrinsèques de chacun de ces résonateurs, et d'autre part des distances dl et d2. Lesdites caractéristiques intrinsèques des résonateurs 30 à 32 et la plage de variation des distances dl et d2 sont choisies de façon que la fréquence de résonance des résonateurs reste à tout moment sensiblement égale à la fréquence d'émission du magnétron l. A titre d'illustration, les dimensions de la section transversale (parallèle à la face de sortie 20) du guide d'ondes 2 et de la fenêtre 21 sont respectivement de 86 mm x 43 mm et de 20 mm x 40 mm. Le diamètre et la hauteur d'un résonateur donné 30 à 32 sont respectivement égaux à 21 mm et 1 1 mm. Un moyen d'adaptation d'impédance associé au guide d'ondes 2 est par ailleurs prévu pour adapter l'impédance entre le magnétron 1 et l'ensemble de résonateurs couplés 3. Le moyen d'adaptation d'impédance est par exemple constitué par des plongeurs métalliques 22, jouant le rôle d'un condensateur, introduits partiellement à travers une face latérale 23 du guide d'ondes 2 dans une partie sensiblement centrale de celui-ci, comme montré à la figure 1. Selon l'invention, les distances dl et d2 entre résonateurs adjacents sont réglables grâce respectivement à deux mécanismes mécaniques identiques 61 et 62, représentés schématiquement à la figure 2, associés aux résonateurs périphériques 31 et 32. Chaque mécanisme 61, 62, lorsqu'il est actionné, rapproche ou écarte le résonateur périphérique 31, 32 du résonateur central 30. Les résonateurs périphériques 31 et 32 sont à cet effet montés à coulissement parallèlement à leur direction d'alignement. Une variation de l'une au moins des distances dl et d2 entraîne une variation correspondante de la fréquence de résonance de l'ensemble de résonateurs couplés 3. Le dispositif de chauffage selon la présente invention peut être utilisé pour chauffer sélectivement certaines parties du matériau MT. Le positionnement du matériau MT sur le convoyeur 4 peut en effet être ajusté par rapport aux résonateurs 30 à 32, en fonction des zones du matériau que l'on souhaite plus particulièrement chauffer. Egalement, le convoyeur 4 peut être remplacé par un plateau mobile dans au moins deux directions, afin d'augmenter la précision du guidage du matériau par rapport aux résonateurs. Le dispositif de chauffage selon la présente invention a été décrit avec trois résonateurs diélectriques couplés à titre d'exemple seulement. il apparaîtra clairement à l'homme du métier qu'un nombre différent de résonateurs peuvent être utilisés. En particulier, le dispositif de chauffage peut comprendre seulement le résonateur central 30, les résonateurs périphériques 31 et 32 étant supprimés. Bien que la présente invention soit particulièrement adaptée pour la vulcanisation d'élastomères, le dispositif selon l'invention peut servir à chauffer d'autres matériaux absorbants, tels que des matériaux thermo-transformables, par exemple du type polyesters, etc. Le matériau à chauffer MT est de préférence sous forme solide ou liquide. Lorsque le matériau MT est liquide, celui-ci est amené devant l'applicateur microonde par le convoyeur 4 dans un réceptacle approprié, transparent aux microondes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage par micro-ondes d'un matériau absorbant (MT) en vue par exemple d'un traitement de ce matériau, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un résonateur diélectrique (3), excité par un moyen d'excitation microonde (1, 2), pour produire un champ électromagnétique micro-onde (5) destiné à chauffer au moins une partie du matériau (MT). 2. Dispositif conforme à la revendication 1, dans lequel le matériau (MT) est placé à l'extérieur dudit au moins un résonateur diélectrique (3). 3. Dispositif conforme à la revendication 1 ou 2, comprenant en outre un convoyeur (4) pour amener le matériau (MT) à proximité dudit au moins un résonateur diélectrique (3). 4. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit au moins un résonateur diélectrique (3) consiste en plusieurs résonateurs diélectriques (30-32) couplés magnétiquement entre eux, l'un au moins (30) desdits résonateurs diélectriques étant excité par le moyen d'excitation microonde 2). 5. Dispositif conforme à la revendication 4, comprenant en outre un moyen (6" 62) pour régler la distance (dl, d2) entre deux résonateurs adjacents donnés parmi lesdits résonateurs diélectriques couplés magnétiquement (30-32). 6. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ledit moyen d'excitation micro-onde comprend une source micro-onde (1) pour produire un champ électromagnétique d'excitation, et un moyen de transmission (2) pour transmettre le champ électromagnétique d'excitation depuis la source micro-onde (1) vers ledit au moins un résonateur diélectrique (30). 7. Dispositif conforme à la revendication 6, dans lequel ledit moyen de transmission est un guide d'ondes (2), dans lequel des plongeurs métalliques (22) sont introduits partiellement pour adapter l'impédance entre la source micro-onde (1) et ledit au moins un résonateur diélectrique (30). 8. Dispositif conforme à la revendication 6 ou 7 lorsqu'elle dépend au moins de la revendication 4, dans lequel le (ou les) résonateur(s) diélectrique(s) (30) qui est excité par le moyen d'excitation micro-onde est disposé en regard d'une fenêtre (21) ménagée sur une face de sortie (20) du moyen de transmission (2). 9. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel ledit matériau (MT) comprend un élastomère, et ledit traitement comprend la vulcanisation de l'élastomère.