Brevet FR2804826A1 — publié le 20010810

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DISTRIBUTION MAITRISEE DE L'ÉNERGIE MICRO ONDES APPLIQUÉE A UN PRODUIT CONTENU DANS RÉCIPIENT . présente invention a trait à un procédé de distribution maîtrisée d'une énergie micro-ondes appliquée à un produit et plus précisément un procédé permettant une distribution homogène du champ électrique d'une onde électromagnétique en micro-ondes dans un produit, solide, liquide ,fluide ou visqueux, gazeux contenu dans un récipient transparent ou semi-transparent aux ondes avec éventuellement une partie métallique comme par exemple un pot en verre avec un couvercle métallique. Le procédé de l'invention s'applique par exemple, bien que non exclusivement, au traitement très rapide par flash micro-ondes de produits non liquides, par exemple visqueux, qui nécessitent des fluctuations de la répartition de champ les plus petites possibles, afin d'éviter l'apparition de zones très chaudes dans le produit, qui peut alors être détérioré et de zones peu traitées. Le désavantage des applicateurs micro-ondes est la difficulté d'obtention d'une répartition de champ uniforme, en particulier pour des produits de forte permittivité. Ainsi, plus le traitement micro-ondes est court et puissant et plus ces disparités de champ vont provoquer des écarts de température importants dans le produit traité. Le but de l'invention est précisément de pallier cet inconvénient en proposant un procédé. d'application de micro-ondes permettant une distribution maîtrisée, homogène de l'énergie, micro-ondes. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'application micro- ondes à un produit contenu dans un récipient à paroi transparente micro- ondes, à l'ai d'un applicateur couplé à un générateur micro ondes et présentant forme adaptée à celle du récipient en vue d'homogénéiser la distribution de l'énergie micro-ondes dans la masse dudit produit, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer les micro-ondes à travers un écran non transparent aux micro-ondes disposé en regard de la paroi du récipient et comportant un diaphragme de contour déterminé en fonction de la nature et de la morphologie du récipient et de la nature du produit, en sorte d'obtenir sensiblement en tous points de la masse du produit une température constante. Suivant un mode de mise en #uvre préféré du procédé, le contour du diaphragme est défini par modélisation de la cavité contenant l'espace occupé par le récipient dans l'applicateur micro-ondes à l'aide d'un code de calcul numérique utilisant la méthode FDTD (méthode des différences finies dans le domaine temporel), ledit espace étant repéré à l'aide de mailles ou cellules élémentaires en chacune desquelles sont déterminées les composantes de champ électrique et magnétique, en tenant compte de la nature des diverses parois dudit récipient et de son contenu. Suivant mode opératoire, ledit diaphragme embrasse une partie de la surface externe dudit récipient et plusieurs applications de micro-ondes sont successivement effectuées à travers ledit diaphragme sur différentes parties de ladite surface du récipient. Les différentes applications micro-ondes peuvent âtre effectuées par rotation du récipient autour de son axe dans l'applicateur. En variante, les différentes applications micro-ondes peuvent être effectuées défilé du récipient successivement dans une pluralité d'applicateurs micro-ondes équipés chacun d'un écran autour du récipient, dont le diaphragme est positionné en sorte qu'au cours du déplacement dudit récipient des zones successives de la masse-du produit soient exposées au rayonnement micro-ondes. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, comprenant un applicateur couplé à un générateur micro-ondes, présentant un axe de symétrie et de forme et dimension correspondant à celle du récipient contenant le produit à traiter, caractérisé en ce qu'entre les parois dudit et dudit récipient est interposé un écran métallique mince enveloppant totalement le récipient et percé d'une fenêtre constituant ledit diaphragme. Suivant un mode de réalisation, ledit écran métallique mince est une feuille amovible plaquée contre un manchon métallique rigide enveloppant ledit récipient et percée d'une ouverture couvrant au moins un tiers de la surface de la paroi latérale du récipient, ledit écran étant positionné de façon à ce que le diaphragme soit en regard de ladite ouverture. Les récipients peuvent être cylindriques ou avoir d'autres formes l'applicateur étant conformé en conséquence. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels # Figure 1 est une vue en perspective d'un applicateur micro-ondes conventionnel utilisable pour la mise en couvre du procédé de l'invention ; # Figure 2 est une vue en perspective d'un écran cylindrique percé diaphragme, destiné à l'applicateur de la figure 1 ; # Figure 3 est une vue en développé de l'écran de la figure 2 ; # Figure 4 est une vue en perspective d'un ensemble comprenant un écran cylindrique percé d'une fenêtre rectangulaire et une feuille souple percée d'un diaphragme, rapportée sur l'écran ; # Figure 5 illustre un mode de réalisation d'un diaphragme dans une feuille souple destinée à un récipient cylindrique, et # Figure 6 représente en perspective un dispositif constitué d'une succession en cascade d'applicateurs pour un traitement au défilé de récipients selon une variante de mise en couvre du procédé. La figure 1 représente schématiquement un applicateur micro-ondes conventionnel comprenant un guide d'ondes latéral 1 relié à générateur micro-ondes (non représenté). Le guide d'ondes 1 est relié à une chambre d'application cylindrique 2 dans l'axe de laquelle est ménagé un passage cylindrique 3 pour un récipient cylindrique 4 contenant un produit à traiter. Le récipient 4 est exemple un pot de verre fermé par un couvercle métallique 5. Conformément à l'invention, le passage 3 est muni d'un écran cylindrique 6, représenté en figure 2 dont les dimensions sont adaptées à celle de la chambre d'application 2 et des orifices de passage 3. L'écran 6 est monté fixe ou amovible sur l'applicateur forme un manchon de diamètre juste suffisant pour permettre le passage du récipient 4 au travers de l'applicateur, le temps nécessaire au traitement à l'intérieur de ce dernier. A cet effet, l'écran 6 est percé d'un diaphragme 7 qui sera disposé en regard du guide d'ondes 1. L'écran est en matériau métallique bon conducteur électrique et de faible épaisseur, inférieure au millimètre. Comme illustré par la figure 3 représentant l'écran 6 développé, le diaphragme, adapté au récipient 4, est symétrique. La figure 4 illustre une variante dans laquelle l'écran 6 de la figure 2 est constitué de deux parties amovibles à des fins de facilité de changement de la forme du diaphragme 7 selon la nature du produit contenu dans le récipient 4 et/ou du type de traitement à effectuer. Le diaphragme 7' est dans cette variante réalisé dans une feuille métallique rectangulaire souple ou flexible 8, susceptible d'être plaquée, de manière amovible facilement, sur un manchon métallique 9 de même longueur et diamètre que l'écran 6. La feuille 8 est plaquée sur le manchon rigide 9 en regard d'une ouverture ou fenêtre rectangulaire 10 pratiquée dans la paroi dudit manchon 9. Les dimensions de cette fenêtre 10, s'étendant par exemple sur un tiers au moins de la circonférence du manchon 9, sont telles que le diaphragme 7', quels que soient son étendue, ses dimensions ou son profil, s'inscrive toujours à l'intérieur du rectangle 10 lorsque la feuille 8 sera plaquée contre le manchon 9. Ce dernier peut être fixé de manière définitive sur l'applicateur 2, la fenêtre 10 étant en regard et dans l'axe du guide d'ondes 1. La feuille 8 a les mêmes caractéristiques, nature et épaisseur notamment, que l'écran 6 de la figure 2. La feuille 8 est rapportée sur le manchon 9 par tous moyens appropriés, l'ensemble étant disposé dans l'applicateur 2 entre les deux orifices de passage 3. a représenté symboliquement en 11 sur la figure 1, le manchon à diaphragme selon l'invention, constitué du dispositif de la figure 2 ou de celui de la figure 4, à travers lequel le récipient 4 passera pour son traitement micro-ondes. forme du diaphragme (7, 7') permet le traitement sélectif d'une partie ou zone du produit contenu dans le récipient 4. Les dimensions de ce diaphragme et son dessin sont obtenus en utilisant un code de calcul numérique spécifique conçu pour l'application micro-ondes considérée. La largeur du diaphragme peut être fonction de la hauteur ce qui permet de prendre en compte les dissymétries du récipient et de réaliser une application du champ électrique sur la face en regard du récipient. Une rotation du récipient à l'intérieur du manchon (6 ou 9) permet d'homogénéiser cette répartition à tout le volume, ce qui permet d'avoir un traitement micro-ondes plus homogène. Un autre mode opératoire consiste à faire transiter les récipients 4 les uns derrières les autres dans succession d'applicateurs comme illustré par la figure 6. cette figure sont représentés plusieurs applicateurs micro-ondes 12 montés cascade, superposés et décalés angulairement régulièrement, les manchons (6 ou 9) porte-diaphragme des divers applicateurs 1 étant alignés verticalement,et reliés par des conduits de liaison 13, en sorte 'en défilant, par déplacement gravitaire par exemple, dans, la succession d'applicateurs 12, chaque récipient, tel que le récipient 4, voit toute sa périphérie irradiée à travers divers diaphragmes, tous identiques bien entendu. La dimension intérieure de l'applicateur 2, sa hauteur et la position de l'écran métallique annulaire (6, 8) avec son diaphragme (7, 7') sont également déterminés le code de calcul qui outre l'homogénéité du traitement (champ électrique température) prend en compte la valeur de la réflexion des ondes vers la source micro-ondes qui peut par la même occasion être minimisée. Ce modèle numérique a été mis au point à l'aide de la méthode FDTD (méthode des différences finies dans le domaine du temps). II permet de visualiser répartitions de champs (composantes Ex, Ey, Hx, Hy, Hz) dans la cavité résonnante ainsi que la température dans le produit. Chaque point de l'espace est repéré à l'aide de mailles (parrallélépipédiques) élémentaires définissant une incrémentation spatiale pour le calcul des champs. chaque cellule, les composantes de champs sont localisées à des endroits précis. Une discrétisation des équations de Maxwell dans le domaine temporel permet d'obtenir un système d'équations conduisant au calcul des composantes des champs E et H. Ces derniers sont évaluées alternativement à '/z pas temps d'écart. La définition géométrique d'une cavité nécessite le respect conditions aux limites. Une définition spécifique des cellules représentant les parois et le dispositif de focalisation de l'onde en métal a donc été effectuée. En plus des informations sur les composantes des champs, chaque cellule porte une information qui définit la nature du matériau compris dans son volume. Le récipient 4, son contenu et son couvercle 5 sont ainsi dessinés à l'aide de cellules. Compte tenu de la précision recherchée sur l'échantillon cylindrique (résolution spatiale fine) et l'optimisation du temps de calcul, un maillage à cellule de taille variable a été envisagé. Un programme informatique calcule de cellules en cellules, de proche en proche, les composantes des champs. Ces données peut être lues et traitées grâce à un programme de visualisation qui a été réalisé à l'aide d'un logiciel de calcul mathématique. Le volume de calcul nécessaire peut-être réalisé avec fiabilité et dans un délai relativement court grâce à l'utilisation d'un super calculateur. La figure 5 illustre le profil d'un diaphragme 7' correspondant à un récipient 4 en verre et à couvercle 5 métallique. Le profil tient compte de l'existence des arrondis en parties haute et basse du pot verre et de la présence du couvercle métallique 5 en partie haute. Les générateurs micro-ondes utilisables conformément l'invention ont par exemple des puissances de 1200, 2000 ou 6000 W à des fréquences de 2450 MHz, 5850 MHz, 896 MHz ou 915 MHz et d'une façon générale, on peut utiliser toutes les fréquences de longueur d'ondes centimétriques ou millimétriques autorisées pour les applications industrielles, scientifiques et médicales. Le procédé de l'invention s'applique particulièrement aux traitements très rapides par flash micro-ondes de produits non liquides; par exemple visqueux, qui nécessitent des fluctuations de la. répartition de champ les plus petites possible. Ceci évite l'apparition de zones très chaudes dans le produit, qui peut alors être détérioré, et de zones peu traitées. L'utilisation de la feuille en métal flexible 8 dans laquelle est percée le diaphragme 7' permet une recoupe expérimentale rapide l'ouverture pour affiner la zone de focalisation au vu des premiers essais. Elle pourra par la suite être avantageusement remplacée par. une seule enceinte métal autour du récipient dans laquelle le diaphragme sera percé définitivement (figure 2). Le dispositif pourra être adapté à des récipients de formes diverses dans une cavité de forme spécifique (cavité rectangulaire pour récipient parallélépipédique par exemple). .En variante, il est à noter que le diaphragme 7 7' peut être éventuellement obturé par une lentille ou analogue en matériau transparent aux micro-ondes, notamment en Téflon l . D'une manière générale, l'épaisseur de l'écran 6, 8 ou 9 sera inférieure au dixième de la longueur d'onde du rayonnement micro-ondes. REVENDICATIONS . Procédé d'application de micro-ondes à un produit dans un récipient (4) à paroi transparente aux micro-ondes, à l'aide d'un applicateur (2) couplé à un générateur micro-ondes et présentant une forme adaptée celle du récipient (4) en vue d'homogénéiser la distribution de l'énergie micro-ondes dans masse dudit produit, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer les micro-ondes à travers un écran (6, 8) non transparent aux micro-ondes disposé en regard de la paroi du récipient (4) et comportant un diaphragme (7, 7') de contour déterminé en fonction de la nature et de la morphologie récipient (4) et de la nature du produit, en sorte d'obtenir sensiblement en tous points de la masse du produit une température constante. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le contour du diaphragme (7, 7') est défini par modélisation de la cavité (2) contenant l'espace occupé par le récipient (4) dans l'applicateur micro-ondes à l'aide d'un code calcul numérique utilisant la méthode FDTD (méthode des différences finies dans le domaine temporel) , ledit espace étant repéré à l'aide de mailles ou cellules élémentaires en chacune desquelles sont déterminées les composantes de champ électrique et magnétique, en tenant compte de la nature diverses parois dudrt récipient (4) et de son contenu. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit diaphragme (7, 7') embrasse une partie de la surface externe dudit récipient (4) et plusieurs applications de micro-ondes sont successivement effectuées à travers ledit diaphragme sur différentes parties de ladite surface du récipient (4). 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les différentes applications micro-ondes sont effectuées par rotation du récipient (4) autour de son axe dans l'applicateur (2). 5. Procédé suivant la revendication 3,.. caractérisé en ce que les différentes applications micro-ondes peuvent être effectuées par défilé du récipient (4) successivement dans une pluralité d'applicateurs micro-ondes (12) équipés chacun d'un écran (6, 8) autour du récipient, dont le diaphragme (7, 7') est positionné en sorte qu'au cours du déplacement dudit récipient (4) des zones successives de la masse du produit soient exposées au rayonnement micro-ondes. 6. Dispositif pour la mise en couvre du procédé selon la revendication 1, comprenant un applicateur (2) couplé à un générateur micro-ondes, présentant un axe de symétrie et de forme et dimension correspondant à celles du récipient (4) contenant le produit à traiter, caractérisé en ce qu'entre les parois dudit applicateur (2) et dudit récipient (4) est interposé un écran métallique mince (6, 8) enveloppant totalement le récipient (4) et percé d'une fenêtre constituant ledit diaphragme (7, 7'). 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce ledit écran métallique mince est une feuille. amovible (8) plaquée contre un manchon métallique rigide enveloppant ledit récipient (4) et percée d'une ouverture (10) couvrant au moins un tiers de la surface de la paroi latérale du récipient (4) ledit écran (8) étant positionné de façon à ce que le diaphragme (7') soit en regard de ladite ouverture (10). 8. Dispositif suivant la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il présente un applicateur cylindrique (2) apte à recevoir des récipients cylindriques (4) notamment en verre et munis éventuellement d'un couvercle métallique (5). 9. Dispositif suivant la revendication 6 ou 8, caractérisé en ce que le diaphragme (7, 7') peut être obturé par une lentille ou analogue en matériau transparent aux micro-ondes, notamment du Téflon . 10. Dispositif suivant la revendication 6 ou 9, caractérisé en ce que ledit écran (6, 8) présente une épaisseur inférieure au dixième de la longueur d'onde du rayonnement micro-ondes.