Brevet FR2778525A1 — publié le 19991112

La présente invention concerne les générateurs à haute fréquence et se rapporte plus particulièrement à un générateur à haute fréquence utilisable no- tamment avec une torche à plasma dans laquelle le gaz traité est soumis à un champ à haute fréquence. Le brevet FR 89 02 512 décrit un brûleur à plasma inductif à haute fré- quence, destiné au traitement d'effluents toxiques ou non. Ce brûleur est soumis à un champ à haute fréquence déclenchant le plasma sur le produit même à traiter. Il comporte une pièce mobile ou une injection latérale permettant de régler le flux de l'air de confinement, I'allumage de la torche étant réalisé par un dispositif électrostatique, un diaphragme réglable permettant de modifier la pres- sion interne de la torche, un analyseur spectral associé à un calculateur régulant la puissance du générateur, une aspiration à la sortie permettant de diminuer la pres- sion interne, un échangeur permettant la récupération des calories excédentaires. Les générateurs à haute fréquence sont utilisés depuis longtemps pour le chauffage par induction, pour le chauffage par pertes électriques, pour la pro- duction de flammes de plasma à partir d'un jet gazeux et/ou liquide et autres. De tels générateurs sont habituellement conçus pour répondre aux be- soins d'une application précise mais ils ne sont pas adaptés pour l'ensemble des applications précitées. Leur coût de construction est élevé du fait des composants utilisés tels que les condensateurs à haute tension, à faibles pertes ou non, les lignes de transmission de puissance et au moins deux diodes de puissance. L'invention vise à remédier aux inconvénients précités des générateurs à haute fréquence connus en créant un générateur à haute fréquence qui puisse être utilisé dans de nombreuses applications, notamment celles mentionnées plus haut tout en présentant un faible prix de revient par rapport aux générateurs à haute fréquence connus. Elle a donc pour objet un procédé de traitement à haute fréquence d'un produit solide, liquide ou gazeux consistant à faire passer le produit dans une in- ductance alimentée par un générateur à haute fréquence, caractérisé en ce que l'inductance comporte des spires non jointives et en ce qu'il consiste à soumettre le produit à un traitement électrostatique sous l'effet de l'impédance capacitive entre les spires de l'inductance puis à soumettre le produit à un traitement inductif sous I'effet de l'impédance inductive de ladite inductance. L'invention a également pour objet une inductance de traitement de produits destinés à la mise en oeuvre du procédé tel que défini cidessus, com- prenant plusieurs spires qui forment un passage pour un produit à traiter, carac- térisée en ce que le pas des spires et/ou leur diamètre et/ou la section du fil for- mant l'inductance sont fonction de la fréquence du signal d'alimentation de l'in- ductance. L'invention a également pour objet un générateur à haute fréquence pour le traitement par un signal à haute fréquence d'un produit solide, liquide ou gazeux, caractérisé en ce qu'il comporte une seule lampe oscillatrice de puis- sance connectée à une ligne d'alimentation à haute tension, un circuit oscillant à constante répartie dont les caractéristiques L,C déterminent la fréquence d'os- cillation souhaitée du générateur, ledit circuit oscillant étant connecté à l'aide de la lampe oscillatrice par l'intermédiaire d'un condensateur d'isolation vis à vis de la composante continue de l'alimentation à haute tension, la ligne d'alimentation à haute tension étant reliée à la cathode de la lampe par l'intermédiaire d'un élément de détermination de la tension et de la phase du signal à haute fré- quence faisant partie d'un circuit de réaction complexe connecté entre le circuit oscillant et la cathode de la lampe oscillatrice. L'invention a de plus pour objet un dispositif de traitement à haute fré- quence d'un produit liquide, solide ou gazeux comprenant au moins une induc- tance de traitement entourant un conduit tubulaire destiné à être traversé par un courant du produit à traiter, ladite inductance étant alimentée par un générateur à haute fréquence, caractérisé en ce que l'inductance est une inductance telle que définie ci-dessus et le générateur à haute fréquence est un générateur tel que défini ci- dessus, I'inductance étant reliée au générateur haute fréquence par un cadre couplé par mutuelle induction, au circuit oscillant, deux lignes d'adaptation reliant le cadre à l'inductance et un condensateur d'accord formant avec l'induc- tance un circuit résonnant à la fréquence du circuit oscillant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés donnée uniquement à titre d'exemple et sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de traitement de produits comportant un générateur à haute fréquence suivant l'invention, et - la figure 2 est une vue schématique plus détaillée de l'inductance qui fait partie du dispositif de traitement de la figure 1. Sur la figure 1, on a représenté un dispositif de traitement à haute fré- quence de produit liquide, solide ou gazeux, notamment de destruction de pro- duits toxiques ou non qui comporte un conduit tubulaire 1, par exemple en quartz, relié à une source d'effluents à traiter non représentée, autour duquel est enroulée une inductance 2 à spires non jointives et dont la fonction sera décrite en détail par la suite. Selon une variante, ce conduit peut entourer l'inductance. Selon une autre variante, le dispositif peut être dépourvu de conduit, le trajet du produit à traiter étant alors défini par l'intérieur de l'inductance 2. L'inductance 2 est alimentée par un générateur à haute fréquence dé- signé par le numéro de référence générale 3 et qui comporte une lampe oscilla- trice 4 telle qu'une triode de puissance ou encore une tétrode, connectée aux bornes d'une ligne à haute tension. La cathode 5 de la lampe 4 est reliée à la borne négative de la ligne d'alimentation à haute tension connectée à la masse, par une ligne 6 de lon- gueur égale à une fraction inférieure ou égale au quart de la longueur d'onde du signal à haute fréquence à générer, par exemple une ligne quart d'onde X/4 for- mée par une plaque métallique plane, de préférence en aluminium. L'anode 7 de la lampe 4 est connectée à la borne positive de la ligne d'alimentation à haute tension par l'intermédiaire d'une self de blocage 8. La grille 9 de la lampe 4 est connectée à la borne négative de la ligne d'alimentation à haute tension par l'intermédiaire d'un circuit de grille formé d'une self de blocage 10 reliée en série à un circuit formé d'un condensateur 11 d'une résistance 12 branchés en parallèle. L'anode de la lampe 4 est en outre connectée par l'intermédiaire d'un condensateur d'isolation 14 à un circuit oscillant 15 à constante répartie. Le condensateur d'isolation 14 isole le circuit oscillant de la compo- sante continue de la ligne d'alimentation à haute tension. Le circuit oscillant à constante répartie 15 est formé d'un corps tubu- laire creux 16 en métal, de forme parallélépipédique sans fond, une extrémité ouverte du corps 16 dirigée vers la ligne quart d'onde 6 connectée à la cathode 5 de la lampe 4 étant prolongée par une plaque 17 formant élément de ligne, dis- posée en regard de la ligne 6. Un condensateur 18 connecté par des contacts mobiles 19,20 respectivement à la ligne 6 et à la plaque 17 forme un circuit de contre-réaction. Le condensateur 18 peut être remplacé par une capacité formée di- rectement entre les plaques 6 et 17 judicieusement rapprochées avec interposi- tion éventuelle d'un diélectrique dont la permabilité relative peut être utilisée comme paramètre de réglage de la capacité. Le périmètre du corps 16 constitue l'inductance du circuit oscillant et les surfaces en regard les unes des autres deux à deux du corps forment la ca- pacité dudit circuit. En regard de la face ouverte du corps 16 du circuit oscillant à cons- tante répartie 15 opposée à la ligne 6 est disposé un cadre métallique 22 relié par deux lignes 24 fixées au moyen de plots isolants 25 à un blindage 26 repré- senté en traits mixtes, aux bornes de l'inductance 2. Le cadre est couplé au corps tubulaire 16 par mutuelle induction. Les éléments 6,16,17,22 et 24 sont réalisés en aluminiun, ce qui leur confère un prix de revient attractif et autorise une mise en forme aisée. Cependant, d'autres métaux ou alliages de métaux peuvent être utili- sés, notamment un acier inoxydable. Il peut également être envisagé de réaliser ces pièces par dépôt d'une couche électriquement conductrice sur un support isolant ou conducteur. Un condensateur 27 de réglage de circuit LC pour assurer la réso- nance avec le circuit oscillant à constante répartie 15 est connecté entre les li- gnes 24 de liaison du cadre 22 avec l'inductance 2. Ce condensateur est un condensateur à air constitué de deux plaques circulaires disposées en regard l'une de l'autre. Il est placé à l'intérieur du blin- dage 26. Le condensateur de contre-réaction 18 connecté par l'intermédiaire des contacts mobiles 19,20 aux lignes 6 et 17 est réglable le long de ces lignes soit manuellement, soit par un dispositif approprié, asservi ou non à l'une ou l'autre des caractéristiques du générateur. La forme de l'inductance 2 doit être adaptée à la nature des produits à traiter. Cette inductance va donc être décrite plus en détail en référence à la fi- gure 2. Les spires 30 non jointives de l'inductance 2 espacées les unes des autres d'une distance e peuvent être considérées comme formant une succes- sion de capacités. Chaque espace e est le siège d'un champ électrique élevé. Dans le cas du traitement de matière pulvérulente circulant dans le conduit tubulaire 1, lorsque la tension est appliquée à l'inductance 2 par le géné- rateur à haute tension et multipliée par le coefficient de qualité Q du circuit, il ap- paraît entre chaque grain de poudre de la matière pulvérulente circulant dans le conduit 1 un champ électrique suffisamment élevé pour provoquer une décharge électrique dont l'effet thermique élève la température d'un ensemble de grains. Lorsque la température est suffisamment élevée, le magma des grains devient conducteur et le couplage précédent de type électrostatique devient électromagnétique et s'exerce sur un barreau conducteur constitué par l'ensem- ble des grains préchauffés. Pour que le système fonctionne, il est apparu expérimentalement que les conditions suivantes doivent être respectées. L'inductance 2 doit comporter plusieurs spires 30 puisque c'est la ca- pacité répartie entre spires qui génère le phénomène capacitif. La capacité ré- partie est fonction de la distance e entre spires, du diamètre d du conducteur utilisé pour constituer l'inductance 2, du nombre n de spires 30 et du diamètre D de l'inductance. L'inductance 2 et sa capacité d'accord 27 formant un circuit LC classi- que doivent avoir un coefficient de surtension Q élevé. C'est la surtension ainsi obtenue qui permet l'ionisation entre les grains. Le choix du nombre de spires de l'inductance 2 permet de diviser la tension entre les spires à une valeur V/n, V étant la tension aux bornes de l'inductance 2 et n étant le nombre de spires 30. La fréquence à laquelle travaille le générateur à haute fréquence est optimale lorsqu'elle est comprise entre 50 et 100 MHz, mais des résultats pro- bants sont obtenus à des fréquences moins élevées comprises entre 10 et 20 MHz. La réalisation de l'inductance 2 a donné de bons résultats dans le cas d'une longueur L de la bobine formant l'inductance 2 égale à une 1,5 fois son diamètre D et pour un écartement e entre spires de l'ordre de 5 mm pour des matériaux de faible granulométrie à 20 mm pour des matériaux de granulométrie plus élevée. La section du conducteur formant la bobine peut être circulaire, carrée ou rectangulaire. Dans le cas d'un conducteur en forme de fil, un diamètre d compris entre 2 et 20 mm donne des résultats satisfaisants. Un conducteur en forme de bande peut également être utilisé. Pour des produits tels que des boues contenant de l'eau ou un liquide ionisé conducteur, un couplage dans le domaine de fréquence de l'ordre de 60 à MHz permet l'évaporation de liquide dans un premier temps et la fusion des matières sèches dans un second temps, dans la mesure o les matières sèches sont ou deviennent conductrices par effet thermique ou non. Les réglages sont pratiquement les mêmes que pour les matières pul- vérulentes à ceci près que le rendement s'améliore avec l'augmentation de la fréquence. On a constaté peu de résultats à 20 MHz et de bons résultats à 90 MHz. L'écartement optimal entre spires 30 est de l'ordre de 2 à 3 mm. Il doit être suffisant pour éviter les décharges entre spires 30. Pour le traitement des gaz les conditions d'exploitation de l'inductance 2 associées au générateur à haute fréquence suivant l'invention sont les sui- vantes. Le passage des gaz dans le conduit tubulaire 1 entouré par l'induc- tance 2 fait appel aux mêmes propriétés que le passage des matières pulvéru- lentes. Après application de la puissance au générateur à haute fréquence 3, il se produit un champ électrique intense entre les spires 30 de l'inductance 2, ce champ électrique étant fonction du coefficient de surtension et de la capacité ré- partie entre spires. L'amorçage se fait par étincelage entre l'une des spires 30 et un corps conducteur placé à proximité de celle-ci. Ensuite, l'étincelle constituant un micro- plasma conducteur, le couplage électromagnétique intervient sur ce microplasma et provoque une réaction en chaîne intéressant tout l'espace intérieur de la bo- bine 2 non soumis à un refroidissement. Il est possible d'adjoindre à l'inductance 2 des inductances supplé- mentaires connectées en parallèle aux bornes du générateur à haute fréquence et disposées le long du conduit tubulaire 1 de confinement du produit à traiter. Un tel agencement permet d'obtenir des flammes de plasma de lon- gueurs très importantes. On a constaté par expérience que les inductances sont judicieuse- ment disposées si l'espace entre deux inductances correspond à un diamètre D de l'inductance. On a également déterminé expérimentalement les conditions de fonc- tionnement suivantes - gamme de fréquence de 20 à 100 MHz, - diamètre des inductances de 20 mm à 250 mm, - nombre de spires: de 4 à 18 spires. Quatre spires correspondent à la fréquence de 100 MHz et 20 spires correspondent à la fréquence 20 MHz. Grâce à l'invention, le traitement de gaz combustibles fortement dilués peut être envisagé sans utilisation d'un catalyseur du type céramique ou mousse de platine, la mise en oeuvre étant simplifiée et le coût d'exploitation réduit. En revenant maintenant à la figure 1, on voit que le condensateur de contre-réaction 18 associé à la capacité propre de la lampe 4 permet par dépla- cement de ses contacts mobiles le long des lignes 6 et 17 le réglage du point de fonctionnement du générateur à haute fréquence. Le circuit oscillant 15 à constante répartie constitué d'un corps paral- lélépipédique 16 en métal conducteur de préférence en aluminium permet d'ob- tenir à faible coût des caractéristiques LC qui dépendent de la géométrie et des dimensions dudit corps et qui déterminent la fréquence d'oscillation souhaitée comprise de préférence entre 20 et 100 MHz. Le générateur à haute fréquence qui fait partie du dispositif de traite- ment représenté à la figure 1 permet de traiter indifféremment des produits qui demandent des couplages électrostatiques, des couplages électromagnétiques ou bien un couplage électrostatique élevé en début de processus et un couplage électromagnétique élevé en cours du processus de traitement combiné ou non avec un couplage électrostatique. Avec un produit solide, liquide ou gazeux, la température de flamme obtenue grâce au dispositif et au procédé de l'invention peut être réduite par rapport à celle des systèmes antérieurs, car il est possible de créer une flamme de grande longueur et de grand diamètre. On a pu obtenir expérimentalement es flammes de longueur supérieure à 30m et de diamètre supérieur à 100mm. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement à haute fréquence d'un produit solide, liquide ou gazeux consistant à faire passer le produit dans une inductance (2) alimentée par un générateur à haute fréquence (3), caractérisé en ce que l'inductance (2) comporte des spires non jointives, et en ce qu'il consiste à soumettre le produit à un traitement électrostatique sous l'effet de l'impédance capacitive entre les spi- res de l'inductance puis à soumettre le produit à un traitement inductif sous l'effet de l'impédance inductive de ladite inductance. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la fré- quence du signal d'alimentation est fonction de la nature du produit soumis au traitement. 3. Inductance de traitement de produits destinée à la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, comprenant plusieurs spires (30) qui forment un passage pour un produit à traiter, caractérisée en ce que l'écartement (e) des spires (30) et/ou leur diamètre (D) et/ou le diamètre (d) du conducteur formant l'inductance sont fonction de la fréquence du signal d'ali- mentation de l'inductance. 4. Inductance suivant la revendication 3, caractérisée en ce que l'écartement (e) entre les spires (30) de celle-ci est compris entre 2 et 20 mm. 5. Inductance suivant l'une des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que le diamètre (D) des spires est compris entre 20 et 250 mm. 6. Inductance suivant l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que le diamètre (d) du fil constituant l'inductance est compris entre 2 et 20 mm. 7. Générateur à haute fréquence connecté pour alimenter une induc- tance suivant l'une des revendications 3 à 6, pour le traitement par un signal haute fréquence d'un produit solide, liquide ou gazeux, caractérisé en ce que ce qu'il comporte une seule lampe oscillatrice de puissance (4) connectée à une ligne d'alimentation à haute tension, un circuit oscillant à constante répartie (15) dont les caractéristiques L,C déterminent la fréquence d'oscillation souhaitée du générateur, ledit circuit oscillant (15) étant connecté à l'anode de la lampe os- cillatrice (4) par l'intermédiaire d'un condensateur (14) d'isolation vis à vis de la composante continue de l'alimentation à haute tension, la ligne d'alimentation à haute tension étant reliée à la cathode (5) de la lampe (4) par l'intermédiaire d'un élément (6,17,18) de détermination de la tension et de la phase du signal à haute fréquence, faisant partie d'un circuit de réaction complexe connecté entre le cir- cuit oscillant (15) et la cathode (5) de la lampe oscillatrice (4). 8. Générateur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le cir- cuit oscillant (15) à constante répartie comporte un corps métallique creux paral- lélépipédique (16) sans fond dont le périmètre constitue l'inductance et dont les surfaces en regard les unes des autres deux à deux forment la capacité, l'une desdites faces latérales dudit élément métallique étant prolongée par un élément de ligne (17) de liaison dudit circuit oscillant (15) audit circuit de réaction. 9. Générateur suivant l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'élément de détermination de la tension et de la phase du signal haute fréquence comporte une ligne (6) d'une longueur égale à une fraction de lon- gueur d'onde du signal à haute fréquence, au plus égale à X/4, connectée entre la cathode (5) de la lampe oscillatrice (4) et la borne négative de la ligne d'ali- mentation à haute tension. 10. Générateur suivant l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le circuit de réaction comporte un condensateur (18) connecté entre ladite ligne (6) de longueur égale à une fraction de longueur d'onde et l'élément de li- gne (17) relié au circuit oscillant (15). 11. Générateur suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le condensateur (18) du circuit de réaction est connecté à la ligne (6) de longueur égale à une fraction de longueur d'onde et à l'élément de ligne (17) relié au cir- cuit oscillant par des contacts (19,20) mobiles le long de ladite ligne (6) et dudit élément de ligne (17). 12. Générateur suivant l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que l'élément de détermination de la tension et de la phase du signal à haute fréquence est une plaque plane (6) en métal, bon conducteur de l'électricité tel que de l'aluminium. 13. Dispositif de traitement à haute fréquence d'un produit liquide, so- lide ou gazeux comprenant au moins une inductance (2) de traitement entourant un conduit tubulaire (1) destiné à être traversé par un courant du produit à traiter, ladite inductance (2) étant alimentée par un générateur à haute fréquence (3), caractérisé en ce que l'inductance (2) est une inductance suivant l'une des re- vendications 3 à 6 et le générateur à haute fréquence (3) est un générateur sui- vant l'une des revendications 7 à 12, I'inductance (2) étant reliée au générateur haute fréquence (3) par un cadre (22) couplé par mutuelle induction, au circuit oscillant (15), deux lignes (24,25) d'adaptation reliant le cadre (22) à l'inductance (2) et un condensateur d'accord (27) formant avec l'inductance un circuit réson- nant à la fréquence du circuit oscillant (15). 14. Dispositif de traitement suivant la revendication 13, caractérisé en ce que les lignes d'adaptation (24,25) et le condensateur d'accord (27) sont montés dans un élément de blindage (26). 15. Dispositif de traitement suivant l'une des revendications 13 et 14, destiné au traitement de produits pulvérulents, caractérisé en ce que la fré- quence de fonctionnement du générateur à haute fréquence (3) est comprise entre 10 et 100 MHz et de préférence entre 50 et 100 MHz. 16. Dispositif de traitement suivant la revendication 15, caractérisé en ce que la longueur (L) de l'inductance (2) est égale à 1,5 fois son diamètre (D) et l'écartement (e) entre spires (30) de l'inductance est compris entre 5 mm pour des matériaux de faible granulométrie et 20 mm pour des matériaux de granulo- métrie plus élevée. 17. Dispositif de traitement suivant la revendication 15, destiné au traitement de produits tels que des boues, caractérisé en ce que pour une fré- quence de fonctionnement du générateur à haute fréquence (3) égale à 90 MHz, l'écartement optimal (e) entre spires de l'inductance est de 2 à 3 mm. 18. Dispositif de traitement suivant l'une des revendications 13 et 14, destiné au traitement de produits gazeux, caractérisé en ce que la fréquence de fonctionnement du générateur à haute fréquence (3) est comprise entre 20 et 100 MHz. 19. Dispositif de traitement suivant la revendication 17, caractérisé en ce que le diamètre de l'inductance (2) est compris entre 20 et 250 mm, le nombre de spires (30) de l'inductance (2) est compris entre 4 et 18 mm.