Brevet FR2783665A1 — publié le 20000324

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 ú" qui mesure des pertes diélectriques et à la fréquence ou à la pulsation co du champ électrique. On a donc la relation suivante: Pa = ú".E2. Co, 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-1. 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. Le brevet français 96 10 848 décrit un appareil de chauffage comprenant un élément d'application pourvu de deux électrodes reliées à un générateur, et destiné à appliquer à une pièce devant être chauffée un champ électrique créé par la tension électrique qui est adaptée 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. Toutefois, on s'est aperçu que les résultats obtenus ne correspondaient pas toujours aux calculs de modélisation, notamment à ceux concernant le champ électromagnétique. Il peut en résulter une dégradation de la qualité de la polymérisation de la pièce. 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 et prédéterminé. La présente invention a pour objet de proposer un appareil de chauffage haute fréquence fournissant un champ électromagnétique convenablement réparti dans la pièce à chauffer. 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 disposée entre les électrodes et devant être chauffée, un champ électrique créé par ladite tension électrique. Le dispositif de chauffage 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. Le dispositif de chauffage comprend des moyens pour répartir le champ électromagnétique de façon transverse par rapport au sens de la piece à la fois pour le champ électrique et pour le champ magnétique. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend des moyens pour répartir les courants de façon longitudinale. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend des moyens pour que les tensions le long du périmètre des sections normales à l'axe de propagation soient en phase. Avantageusement, le dispositif comprend une alimentation répartie en plusieurs lignes coaxiales dans un même plan normal à la propagation, lesdites lignes coaxiales étant reliées à une électrode centrale. L'alimentation peut comprendre quatre lignes. L'alimentation peut comprendre un répartiteur à lignes couplées. Dans un mode de réalisation de l'invention, les lignes joignant le répartiteur et les points d'alimentation d'une électrode sont de longueur égale. Dans un mode de réalisation de l'invention, les lignes sont couplées électriquement et magnétiquement à une ligne principale centrale dans le répartiteur. Les extrémités des lignes disposées dans le répartiteur peuvent être court-circuitées mutuellement. Avantageusement, le dispositif comprend au moins un groupe d'impédances de shunt réparties dans un plan normal à l'axe longitudinal de la pièce. Le calcul de-la configuration du champ magnétique suppose que la répartition dudit champ magnétique dans le sens longitudinal de la pièce, soit une onde électromagnétique transverse à la fois pour le champ électrique et magnétique. Cette structure du champ électromagnétique est perturbée par tous les obstacles que constituent les changements de section de la pièce et les insertions d'éléments de fixation que l'élément d'application peut comporter. Compte tenu des dimensions de la pièce dans le sens de la longueur, qui sont généralement importantes par rapport à la longueur d'onde et surtout compte tenu du périmètre qui est également important par rapport à la longueur d'onde, les perturbations du champ électromagnétique par les obstacles ne sont plus localisées dans les plans o les obstacles sont présents, mais affectent des zones larges dans la cellule. En effet, lorsque la longueur de la pièce est importante par rapport à la longueur d'onde, les équations de Maxwell présentent de nombreuses solutions susceptibles de combinaisons linéaires entre elles. Dans le cas o les équations de Maxwell ne présentent qu'une solution, une perturbation reste localisée et conduit à revenir à ladite solution. Au contraire, lorsque les équations de Maxwell présentent de nombreuses solutions, une perturbation risque de conduire à une répartition du champ électromagnétique résultant d'une recombinaison linéaire différente des solutions à ces équations de Maxwell. Il s'ensuit que la cellule doit avoir une répartition de champ électromagnétique de type transverse malgré la présence de ces obstacles. Pour les mêmes raisons, il faut alimenter l'élément d'application en s'assurant que les courants imposés circulent selon une structure favorisant le mode de propagation transverse seulement. Or, la propagation transverse dans une structure coaxiale de longueur infinie, impose que les courants dans les parois soient parfaitement longitudinaux et que la répartition des tensions le long du périmètre des sections normales à l'axe de propagation donne des tensions en phase. Ces deux critères, de courants longitudinaux et d'égalité des phases des tensions le long des sections normales à l'axe de propagation, sont des conditions nécessaires et suffisantes. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe transversale d'une partie du dispositif de chauffage, selon l'art antérieur; la figure 2 est une vue en coupe longitudinale du même dispositif de chauffage; la figure 3 est une vue schématique en coupe transversale d'une partie du dispositif de chauffage selon l'invention; la figure 4 est une variante de la figure 3; la figure 5 est une vue schématique en coupe axiale d'un répartiteur à lignes couplées; la figure 6 est une vue schématique en coupe transversale du répartiteur de la figure 5; et la figure 7 est une courbe montrant l'impédance en fonction de la fréquence d'après calcul, et d'après mesures effectuées sur des installations construites selon l'art antérieur et selon l'invention. Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, un appareil de chauffage comprend une électrode supérieure 1 et une électrode inférieure 2, entre lesquelles sont disposées deux pièces 3 à polymériser, par exemple en résine thermodurcissable. Les pièces 3 sont de forme allongée et les électrodes supérieure 1 et inférieure 2 sont de forme adaptée aux pièces 3. L'électrode inférieure 2 comprend trois séparateurs 4, en matériaux isolants, permettant de délimiter en largeur l'espace qu'on laisse aux pièces 3. L'électrode inférieure 2 est alimentée par une ligne coaxiale 5 connectée au milieu de ladite électrode inférieure 2. Sur la figure 1, on a représenté en pointillés l'électrode supérieure 1 dans une position relevée par rapport à l'électrode inférieure 2 et servant au démoulage des pièces 3. L'électrode supérieure 1 est pourvue d'une coque supérieure 6 et l'électrode inférieure 2 est pourvue d'une coque inférieure 7. Les coques 6 et 7 étant prévues pour venir former une enceinte dans laquelle sont disposées les électrodes 1 et 2. Sur la figure 3, est illustré un appareil de chauffage et de polymérisation conforme à l'invention. Cet appareil comprend une alimentation à lignes couplées avec quatre lignes référencées 8 à 11. Bien entendu, l'appareil comprend un générateur de tension, non représenté, capable de fournir une tension selon une fréquence de plusieurs dizaines de MHz aux électrodes supérieure 1 et inférieure 2 auxquelles il est relié. L'électrode inférieure 2 est supportée par une pluralité de colonnes isolantes 2a. Les pièces 3 qui peuvent être des lames de ressort ont une section qui varie dans le sens de la longueur et il est important que le champ électromagnétique appliqué corresponde à une répartition de tension en fonction de la longueur connue entre l'électrode inférieure 2 et l'électrode supérieure 1. Sur la figure 3, les séparateurs 4 sont représentés de largeur égale. Toutefois, on pourrait prévoir un séparateur central de largeur plus faible dans la mesure o il est soumis à des contraintes moindres que les séparateurs latéraux. Il en va de même si le dispositif de chauffage est prévu pour un nombre de pièces 3, supérieur à deux. Le profil de tension en fonction de la longueur, peut être calculé comme il a été décrit dans le brevet français 96 10 848, dont le contenu est incorporé ci-après par référence. Or, le profil de tension est perturbé par la présence des colonnes 2a et par la forme anguleuse de la section des électrodes 1 et 2 et des coques 6 et 7 qui forment un blindage. On s'est aperçu que si on alimente l'appareil par une alimentation unique, tel que les figures 1 et 2 l'indiquent, les courants associés rayonnent presque circulairement autour du point A o la ligne d'alimentation 5 est connectée à l'électrode 2. De ce fait, tous les points de l'électrode 2 situés dans un plan transversal contenant le point A ne sont pas au même potentiel. Le mode de propagation transverse est perturbé par cette alimentation. On peut restaurer une distribution de champ électromagnétique purement transverse en répartissant l'alimentation de l'électrode centrale en quatre points, A1, A2, A3 et A4, comme illustré sur la figure 3. On s'assurera que les tensions d'alimentation aux points A1, A2, A3 et A4, sont bien en phase. La figure 4 est une variante de la figure 3, o l'on répartit la tension dans le plan transversal au moyen d'impédances shunt référencées 12 à 15, réparties en des points Bl, B2, B3 et B4 appartenant à une même section transversale de l'électrode 2. Sur les figures 5 et 6, est représenté le câble coaxial circulaire servant à l'alimentation de l'appareil de chauffage. Sur une hauteur h prédéterminée, par rapport à un plan P, on dispose les quatre lignes 8 à 1 1 parallèlement à une ligne principale 16, toutes les lignes étant court-circuitées dans le même plan P. Les extrémités libres des lignes 8 à 11 sont reliées aux points d'alimentation Al, A2, A3 et A4, voir figure 3. L'énergie électromagnétique qui provient du générateur induit dans les lignes 8 à 1 1 des courants et des tensions égaux. Les lignes 8 à 11 captent chacune une part de cette énergie par couplage électromagnétique. Par raison de symétrie, la même quantité d'énergie ressort de chacune des lignes 8 à 11, si les impédances de l'électrode centrale aux points Al, A2, A3 et A4 sont égales. La condition de phase d'alimentation revient à tester la valeur des impédances mesurées sur chacun des points A1, A2, A3 et A4, pour que l'on puisse alors utiliser quatre câbles coaxiaux de liaison de longueur identique. L'impédance totale présentée par ce répartiteur peut être préadaptée vis-à-vis du générateur, c'est-à-dire présenter une impédance voisine de celle du générateur pour qu'il y ait peu d'énergie réfléchie. Cela peut être réalisé par une variation du diamètre de la ligne coaxiale principale 16 du répartiteur, dont l'extrémité 17 est de diamètre réduit, ou par tous autres moyens connus. Le mode de réalisation exposé ici comprend quatre lignes d'alimentation. Toutefois, on pourrait prévoir un appareil de chauffage pourvu d'un nombre différent de lignes, par exemple deux, six, huit, etc. Sur la figure 7, on peut comparer les impédances d'entrée de l'appareil en fonction du type d'alimentation, et ce afin de montrer l'avantage offert par l'alimentation distribuée à quatre lignes réparties. Ces mesures sont réalisées par un analyseur de réseau dans un domaine de fréquences assez large. Les mesures d'impédances complexes à l'entrée d'un circuit électrique reflètent les courants circulant dans le circuit, parce qu'une impédance complexe définit le rapport de la tension complexe sur le courant complexe. Pour un outil de 1,6 m de longueur, nous avons mesuré l'impédance complexe lorsqu'il est alimenté par une alimentation unique centrale comme on le ferait habituellement. La cellule est en circuit ouvert à ses extrémités, cette impédance complexe varie en fonction de la fréquence. La partie imaginaire de l'impédance complexe présente un pôle à 20 MHz. Le calcul de celle-ci en fonction des paramètres du schéma électrique équivalent de l'appareil déterminés en supposant que la cellule fonctionne en mode transverse pur, est indiqué sur la figure 7 par le signe "+". On voit que les mesures ne coïncident pas avec le calcul. Le pôle apparaît à 38 MHz. A la fréquence de travail de 27,12 MHz, l'impédance calculée est une inductance, alors que l'impédance complexe mesurée avec une seule alimentation est une capacité. Les courants réels dans la cellule ne sont donc pas ceux que l'on calcule en supposant une propagation transverse. Si on alimente la cellule avec une alimentation répartie à deux branches latérales, la mesure de l'impédance complexe d'entrée a une partie imaginaire qui s'approche des points de calcul. Si on alimente la cellule avec une alimentation à quatre branches réparties, la partie imaginaire de l'impédance complexe est alors comparable au modèle. Grâce à l'invention, on dispose d'un appareil de chauffage et de polymérisation adapté à des pièces de longueur importante et de section variable et permettant une modélisation fine du champ électromagnétique et donc de la quantité de chaleur apportée à une portion localisée de la pièce. Bien entendu, cet appareil peut être adapté à des pièces de formes très différentes. Cet appareil permet d'améliorer de façon significative la qualité des pièces ainsi traitées. 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) disposée entre les électrodes et devant être chauffée un champ électrique créé par ladite tension électrique, le dispositif de chauffage comprenant 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, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour répartir le champ électromagnétique de façon transverse par rapport au sens de la pièce à la fois pour le champ électrique et pour le champ magnétique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour répartir les courants de façon longitudinale. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour que les tensions le long du périmètre des sections normales à l'axe de propagation soient en phase. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une alimentation répartie en plusieurs lignes coaxiales (8 à 11) dans un même plan normal à la propagation, lesdites lignes coaxiales étant reliées à une électrode centrale (16). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'alimentation comprend quatre lignes. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait que l'alimentation comprend un répartiteur à lignes couplées. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les lignes joignant le répartiteur et des points d'alimentation d'une électrode sont de longueur égale. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait que les lignes sont couplées électriquement et magnétiquement à une ligne principale centrale dans le répartiteur. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que les extrémités des lignes disposées dans le répartiteur sont court-circuitées mutuellement. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un groupe d'impédances de shunt réparties dans un plan normal à l'axe longitudinal de la pièce.