Brevet FR2815512A1 — publié le 20020419

DISPOSITIF DE CHAUFFAGE D'UN MATERIAU PAR APPLICATION DE MICRO-ONDES La présente invention concerne un dispositif de chauffage d'un matériau par application d'énergie microondes comprenant un générateur de micro-ondes et des moyens de diffusion de cette énergie dans une zone de travail. L'invention concerne notamment, mais non exclusivement, les fours à micro-ondes électroménagers destinés à la cuisson des aliments. Les dispositifs de chauffage d'un matériau par application d'énergie micro-ondes se heurtent au problème de la répartition de l'intensité de l'énergie micro-ondes dans la zone de travail. En effet il est difficile d'obtenir une répartition homogène de l'énergie microondes. De plus, les réflexions des micro-ondes entraînent la présence d'ondes stationnaires avec des zones où l'intensité de l'énergie micro-ondes est faible, et par conséquent où le chauffage est peu important. Une première solution utilisée dans les fours à micro-ondes consiste à placer un brasseur d'ondes appelé"stirrer" dans le champ de micro-ondes. Un stirrer classique comporte une hélice rotative dont les pales brassent et réfléchissent de manière aléatoire les ondes dans la cavité du four. Une autre solution couramment employée de nos jours consiste à placer l'aliment sur un plateau rotatif de manière à ce qu'il traverse successivement les zones de faible et haute énergie micro-ondes. Ces solutions ne sont pas pleinement satisfaisantes, notamment dans la région centrale de la cavité où on n'obtient pas une énergie suffisante. Ainsi, il est pratiquement impossible de réaliser une pizza sans utiliser un accessoire spécial permettant une meilleure répartition des ondes. Ces solutions ne permettent pas non plus de modifier la répartition de l'énergie micro- ondes en fonction du type d'aliment ou au cours du déroulement de la cuisson. De plus le moteur et le mécanisme d'entraînement d'un plateau rotatif entraînent un surcoût de fabrication non négligeable. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en contrôlant la répartition de l'énergie micro-ondes dans la zone de travail et en commandant la répartition des ondes stationnaires. Selon l'invention, au moins une antenne du type à plaque adaptée à capter les micro-ondes est placée dans la zone de travail, ladite antenne étant reliée à une ligne de propagation d'ondes électromagnétiques de longueur L de manière à assurer la propagation des microondes captées par l'antenne, l'extrémité de ladite ligne de propagation étant adaptée à réfléchir au moins une partie de ces ondes vers l'antenne. L'antenne réémet alors les micro-ondes réfléchies à l'extrémité de la ligne de propagation avec un déphasage déterminé par rapport aux micro-ondes incidentes. Ce déphasage, déterminé par la longueur L de la ligne de propagation, peut être choisi de manière à obtenir une superposition constructive des ondes incidentes et des ondes réémises. Grâce à cette disposition, on peut intensifier l'énergie micro-ondes dans une région choisie de la zone de travail, afin notamment d'obtenir une répartition générale plus homogène des micro-ondes. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention la longueur de la ligne de propagation est variable entre la longueur L et une longueur L+AL grâce à au moins un actionneur modifiant la position de l'extrémité de la ligne de propagation. Cette disposition permet de modifier l'intensité de l'énergie micro-ondes dans une région donnée en fonction des besoins de chauffage. Par exemple, dans le cas de la cuisson d'un aliment, on modifie la longueur de la ligne de propagation L en fonction de la nature de l'aliment, de sa forme, de sa position dans la zone de travail ou de l'état d'avancement de la cuisson. Cette disposition permet aussi de faire varier la position des ondes stationnaires au cours de l'opération de chauffage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe verticale d'un four comprenant un dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes réalisé suivant l'invention ; - les figures 2a et 2b sont des vues de dessus de deux formes d'antenne à plaque mises en oeuvre pour réaliser l'invention ; - la figure 3 représente un graphique d'un relevé d'élévation de température d'un bac à 25 cases placé dans un four à micro-ondes de l'art antérieur. - la figure 4 représente le même graphique de relevé effectué dans le four précédent auquel on a ajouté le dispositif de l'invention. - la figure 5 illustre une autre réalisation d'un dispositif de chauffage dans laquelle on a schématisé une vue en perspective d'une sole d'une enceinte de cuisson comprenant un réseau d'antennes de type plaque. Comme représenté à la figure 1, le dispositif de chauffage d'un matériau par application d'énergie microondes comprend un générateur de micro-ondes 1 et des moyens de diffusion 2 de cette énergie dans une zone de travail 3. Le générateur de micro-ondes 1 est un magnétron dont l'antenne 4 rayonne dans un guide d'onde 5 qui permet de diffuser l'énergie micro-onde dans la zone de travail 3 par l'intermédiaire d'une ouverture 6. Le magnétron 1 est relié à une alimentation en courant 7 de type connu. Bien entendu, on peut utiliser d'autres types de générateur de micro-ondes, et notamment des générateurs à état solide, sans sortir du cadre de l'invention. Pour réaliser un appareil électroménager de cuisson des aliments on utilise un générateur de microondes à 2,45 GHz de fréquence, mais on peut mettre en oeuvre l'invention avec des générateurs travaillant à d'autres fréquences et notamment à 915 MHz pour des applications industrielles Selon l'invention, au moins une antenne 10 du type à plaque adaptée à capter les micro-ondes est placée dans la zone de travail 3, ladite antenne étant reliée à une ligne de propagation d'ondes électromagnétiques 11 de longueur L de manière à assurer la propagation des microondes captées par l'antenne, l'extrémité 12 de ladite ligne de propagation étant adaptée à réfléchir au moins une partie de ces ondes vers l'antenne 10. Les antennes à plaque, appelées"patch antenna"en anglais, sont bien connues. Elles comprennent généralement une ou plusieurs plaques rayonnantes 13 sensiblement planes en matériau conducteur disposées parallèlement à une surface conductrice 14 reliée à la masse, appelée plan de masse. L'isolation entre la plaque rayonnante, formant l'antenne proprement dite, et le plan de masse peut être réalisée par un matériau diélectrique ou de l'air. Le plus souvent la plaque rayonnante est rectangulaire, mais comme nous le verrons par la suite on peut utiliser d'autres formes. Les dimensions de la plaque rayonnante doivent être adaptées pour capter les micro-ondes émises dans la zone de travail. Pour cela les dimensions longitudinale et transversale de la plaque sont de préférence comprises entre A/4 et A, A étant la longueur d'onde des micro-ondes diffusées dans la zone de travail. Naturellement cette antenne adaptée à capter des micro-ondes peut aussi émettre des micro-ondes à la même fréquence. La ligne de propagation électromagnétique 11 comprend généralement un conducteur 15 disposé à proximité d'une surface 16 reliée à la masse. L'isolation entre les deux peut être réalisée par un matériau diélectrique ou de l'air. L'extrémité 12 de la ligne de propagation est adaptée pour assurer une bonne réflexion des ondes électromagnétiques. Pour cela, l'extrémité 12 peut être laissée libre dans l'air. Mais de manière préférentielle l'extrémité est en contact avec une surface 17 perpendiculaire à la ligne de propagation et reliée à la masse. On obtient ainsi une réflexion d'une partie importante des ondes électromagnétiques vers l'antenne. Cette réflexion est différente de celle qui se produit sur la paroi 20 de l'enceinte. En effet, dans le cas de la paroi de l'enceinte l'absence de conducteur implique que le champ électrique réfléchi est en opposition de phase avec le champ électrique incident, ce qui entraîne une perte importante d'énergie. L'antenne 10 est reliée à la ligne de propagation 11 en réalisant un point de contact 21 entre la plaque rayonnante 13 et le conducteur 15 de la ligne de propagation. Sa position est choisie de manière à assurer une bonne transmission à la ligne de propagation 11 des ondes électromagnétiques captées par l'antenne 10. De manière préférentielle le point de contact 21 est situé sur la face inférieure de la plaque rayonnante 13 entre son centre et sa périphérie, comme on le voit mieux aux figures 2a et 2b. L'antenne 10 ainsi placée dans la zone de travail capte les micro-ondes incidentes arrivant à sa surface et les transmet à la ligne de propagationll. A l'extrémité 12 de la ligne de propagation les ondes sont réfléchies vers l'antenne. L'antenne 10 réémet alors ces ondes dans la zone de travail 3 avec un certain déphasage AO par rapport aux ondes incidentes donné par la formule suivante : A Le choix de la longueur L détermine donc le déphasage AO entre l'onde incidente et l'onde réémise. Si on choisit L de manière à ce que les ondes incidentes et les ondes réémises soient en opposition de phase on obtient une superposition destructive des ondes et donc une diminution de l'énergie micro-onde dans la région de l'antenne. Par contre si on choisit L de manière à obtenir une superposition constructive des ondes incidentes et des ondes réémises, on obtient une intensification de l'énergie micro-ondes dans la région de l'antenne, donc une capacité supérieure de chauffage du matériau. Bien entendu tous les choix de la longueur L entre ces deux situations sont possibles. De manière avantageuse la forme de l'antenne à plaque 10 a une forme adaptée à émettre un champ à polarisation circulaire. Il existe diverses formes d'antennes à plaque permettant d'obtenir un tel champ. Ces antennes sont en général caractérisées par des dimensions longitudinale et transversale sensiblement égales, comme le montre les figures 2a et 2b représentant deux formes d'antenne à polarisation circulaire 10, 10'. La première forme d'antenne 10 représentée à la figure 2a est carrée avec deux coins opposés coupés 22,23. La deuxième forme d'antenne 10'représentée à la figure 2b est circulaire avec deux encoches rectangulaires 22', 23' diamétralement opposées. Le champ créé par ce type d'antenne effectue un mouvement de rotation et permet une bonne répartition de l'énergie micro-ondes dans la zone de travail. Grâce à un tel dispositif on peut modifier de manière sûre la répartition de l'énergie micro-ondes dans la zone de travail, soit en intensifiant cette énergie, soit en la diminuant. Cette invention peut être utilisée pour de nombreux dispositifs de chauffage par micro-ondes et notamment pour les appareils électroménagers de cuisson des aliments tels que les fours. Pour réaliser un tel four, comme schématisé à la figure 1, la zone de travail 3 est délimitée par une enceinte de cuisson 26 étanche aux micro-ondes dont la paroi 20 reliée à la masse comprend au moins une voûte 27 et une sole 28, et par une porte, non représentée, d'introduction des aliments. Ladite enceinte 26, le générateur de micro-ondes 1 et des moyens de programmation 29 du fonctionnement du générateur 1 sont logés dans un carter 30 formant le boîtier du four. Pour les moyens de programmation 29 on peut utiliser tous les dispositifs connus pour ce type d'appareil électroménager. Il peut s'agir d'une simple minuterie ou d'un système de programmation plus complexe commandant la puissance et les cycles de fonctionnement du générateur de micro-ondes en fonction du type et de l'état de l'aliment à cuire. Dans ce cas les moyens de programmation 29 sont reliés à des touches, non représentées, permettant de sélectionner le programme approprié. De manière préférentielle l'antenne 10 est séparée de l'aliment à cuire par une protection 31 transparente aux micro-ondes. On évite ainsi toutes projections sur l'antenne 10 qui pourraient l'endommager ou modifier ses caractéristiques. Présentement, la protection 31 est réalisée par une plaque en verre s'étendant parallèlement à la sole. 28. Bien entendu, l'invention n'exclut pas l'usage d'un plateau tournant disposé au-dessus de la protection 31. Comme représenté à la figure 1, on utilise une partie 14 de la paroi de l'enceinte 26 pour réaliser le plan de masse de l'antenne 10, ceci permet de minimiser l'encombrement de l'antenne 10 dans l'enceinte de cuisson et de réduire les coûts de fabrication. L'isolation entre la plaque rayonnante 13 et le plan de masse 14 est assurée par une lame d'air qui permet de supporter des puissances importantes et qui garantit une meilleure longévité qu'un matériau diélectrique. La plaque rayonnante 13 de l'antenne peut être maintenue à une distance d de la partie 14 de la paroi de l'enceinte 26 par des supports isolants. Mais dans le mode de réalisation préféré, on utilise un seul support conducteur 32 s'étendant d'un point 33 électromagnétiquement neutre de l'antenne, à la partie 14 de la paroi. Ce point électromagnétiquement neutre correspond généralement au centre géométrique de l'antenne comme le montre les références 33 et 33'des figures 2a et 2b. Ainsi le montage de l'antenne est simplifié. La longueur L de la ligne de propagation 11 est calculée pour que la superposition des micro-ondes diffusées dans l'enceinte et des micro-ondes réémises par l'antenne réalise une répartition homogène des microondes dans l'enceinte 26. Suivant une caractéristique particulièrement intéressante de l'invention, la longueur de la ligne de propagation'11 est variable entre la longueur L et une longueur L+AL grâce à au moins un actionneur 35 modifiant la position de l'extrémité 12 de la ligne de propagation. Comme on peut le voir à la figure 1, l'extrémité 12 de la ligne peut passer de la position 36 à la position 37 représentée en pointillés. Grâce à cette disposition on obtient différentes répartitions de l'énergie micro-ondes dans l'enceinte. De manière avantageuse, l'actionneur 35 est relié aux moyens de programmation 29 qui comportent des moyens de commande 39 dudit actionneur et des moyens de mémorisation 38 des différentes longueurs de la ligne de propagation adaptées au déroulement des différents programmes de cuisson. Par exemple, pour effectuer une décongélation on peut désirer une intensité plus importante d'énergie micro-ondes au centre de l'aliment, tandis que pour cuire un gâteau il est préférable d'avoir une répartition homogène de l'énergie micro-ondes. La répartition de l'énergie micro-ondes peut aussi être modifiée en fonction de la forme ou de la position de l'aliment. En fonction du programme sélectionné par l'utilisateur, les moyens de programmation 29 sélectionnent parmi les longueurs mémorisées la longueur L appropriée à ce programme. Cette valeur est alors transmise par les moyens de commande 39 comme consigne à l'actionneur 35. Les moyens de programmation 29 peuvent aussi faire varier de manière cyclique la longueur de la ligne de propagation 11 au cours de l'opération de chauffage. Cette disposition permet de déplacer les ondes stationnaires qui apparaissent dans l'enceinte et on peut alors se passer de l'emploi d'un plateau tournant. Bien entendu tous les algorithmes de commande de la variation de longueur de la ligne de propagation sont possibles. La variation de longueur AL nécessaire pour couvrir toutes les configurations de réparation de l'énergie micro-ondes souhaitées est inférieure ou égale à un quart de la longueur d'ondes A, soit 3 cm pour une fréquence de 2,45 GHz des micro-ondes diffusées dans l'enceinte. Dans le mode préféré de réalisation, la ligne de propagation 11 est une ligne coaxiale de section transversale circulaire, utilisant l'air comme isolant entre son conducteur 15 et un blindage tubulaire périphérique formé d'au moins la surface 16. L'extrémité 12 de-la ligne est réalisée par un piston annulaire conducteur 41 occupant l'espace situé entre le conducteur central 15 et le blindage 16 de la ligne. Ce piston 41 est déplaçable le long de la ligne coaxiale 11 par l'intermédiaire de l'actionneur linéaire 35. La face antérieure 17 du piston 41 ainsi agencé dans la ligne de propagation 11 forme une surface reliée à la masse contre laquelle une partie importante de l'onde électromagnétique est réfléchie et qui constitue l'extrémité de la ligne. Ce dispositif est particulièrement intéressant car il permet de faire varier de manière continue la longueur de la ligne de propagation et il est relativement simple à mettre en oeuvre. Mais bien entendu on peut utiliser d'autres moyens, par exemple on peut utiliser une ligne coaxiale télescopique ou un moyen de connexion de la ligne de longueur L à une portion de ligne de longueur AL. L'antenne 10 peut être agencée dans n'importe quelle région de l'enceinte 26 où règne un champ électromagnétique. Mais elle est de préférence agencée dans la région centrale de la sole 28. En effet comme on peut le voir sur la figure 3 l'énergie micro-ondes est généralement faible au-dessus de cette région A, B, C, D, E, F avec un four à micro-ondes de l'art antérieur. En agençant une antenne 10 selon l'invention dans la région centrale de la sole 28 on obtient une énergie de chauffage plus intense dans la région A, B, C, D, E, F comme on peut le voir sur la figure 4. Selon un autre de mode de réalisation de l'invention, représenté à la figure 4, l'enceinte 26 de cuisson comprend un réseau 50 de n antennes à plaque Al, A2,..., An respectivement reliées à des lignes de propagation 51, 52,..., 65 de longueurs Ll, L2,..., Ln. Dans le cas représenté ce réseau est constitué de 25 antennes disposées en carré. Ce réseau 50 peut être disposé parallèlement à tous cotés de la paroi 20 de l'enceinte de cuisson 26. Les différentes longueurs Ll, L2,..., Ln des lignes de propagation sont calculées de manière à obtenir une superposition constructive des micro-ondes réémises en un point 49 de l'enceinte, appelé point de focalisation, où on obtient une énergie micro-ondes particulièrement importante. De préférence, ce réseau d'antennes peut constituer la sole d'un four et est protégé par exemple par un écran transparent aux microondes. Ces antennes Al, A2,..., An peuvent être reliées à des lignes de propagation de longueur variable, telles que précédemment décrites. De manière avantageuse les longueurs Ll, L2,..., Ln des lignes de propagation 51, 52,..., 65 peuvent varier grâce à des actionneurs 71, 72,..., 85 modifiant la position de leur extrémités, de manière à déplacer le point de focalisation 49 au cours de l'opération de cuisson. Grâce à cette disposition on peut balayer le volume de l'aliment et assurer ainsi une cuisson homogène. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage d'un matériau par application d'énergie micro-ondes comprenant un générateur de microondes (1) et des moyens de diffusion (2) de cette énergie dans une zone de travail (3) caractérisé en ce qu'au moins une antenne (10) du type à plaque adaptée à capter les micro-ondes est placée dans la zone de travail (3), ladite antenne étant reliée à une ligne de propagation d'ondes électromagnétiques (11) de longueur L de manière à assurer la propagation des microondes captées par l'antenne, l'extrémité (12) de ladite ligne de propagation étant adaptée à réfléchir au moins une partie de ces ondes vers l'antenne (ja). 2. Dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes selon la revendication l, caractérisé en ce que l'antenne du type à plaque a une forme adaptée à émettre un champ électromagnétique à polarisation circulaire. 3. Dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'extrémité (12) de la ligne de propagation (11) est en contact avec une surface (17) reliée à la masse. 4. Dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la zone de travail est délimitée par une enceinte de cuisson (26) étanche aux micro-ondes dont la paroi (20) reliée à la masse comprend au moins une voûte (27) et une sole (28), et par une porte d'introduction des aliments, ladite enceinte (26), le générateur de micro-ondes (1) et des moyens de programmation (29) du fonctionnement du générateur étant logés dans un carter (30) formant le boîtier d'un four. 5. Dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'antenne (10) est séparée des aliments à cuire par une protection (31) transparente aux micro-ondes. 6. Dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le plan de masse de l'antenne (10) est constitué par une partie (14) de la paroi de l'enceinte' (26). 7. Dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la plaque rayonnante (13) de l'antenne (10) est maintenue à une distance d de la paroi de l'enceinte (26) par un support conducteur (32) s'étendant d'un point (33) électromagnétiquement neutre de l'antenne à la paroi. 8. Dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la longueur L de la ligne de propagation est calculée pour que la superposition des micro-ondes diffusées dans l'enceinte (26) et des microondes réémises par l'antenne (10) réalise une répartition homogène des micro-ondes dans l'enceinte. 9. Dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que la longueur de la ligne de propagation est variable entre la longueur L et une longueur L+AL grâce à au moins un actionneur (35) modifiant la position de l'extrémité (12) de la ligne de propagation (11). 10. Dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'actionneur (35) est relié aux moyens de programmation (30) qui comportent des moyens de commande (39) dudit actionneur et des moyens de mémorisation (38) des différentes longueurs de la ligne de propagation adaptées au déroulement des différents programmes de cuisson. 11. Dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la variation AL de la longueur de la ligne de propagation est inférieure ou égale à un quart de la longueur d'onde des micro-ondes diffusées dans l'enceinte de travail. 12. Dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la ligne de propagation d'ondes électromagnétiques (11) est une ligne coaxiale dont l'extrémité (12) est réalisée par un piston annulaire conducteur (41) occupant l'espace situé entre son conducteur central (15) et son blindage périphérique (16) et déplaçable le long de la ligne coaxiale par l'intermédiaire d'un actionneur linéaire (35). 13. Dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que l'antenne est agencée dans la région centrale de la sole (28). 14. Dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que l'enceinte de cuisson (26) comprend un réseau (50) de n antennes à plaque (Al, A2,..., An) respectivement reliées à des lignes de propagation (51, 52,..., 65) de longueurs Ll, L2,..., Ln, ces longueurs étant calculées de manière à obtenir une superposition constructive des micro-ondes réémises en un point (49) de l'enceinte appelé point de focalisation. 1 15. Dispositif de chauffage par application d'énergie micro-ondes selon la revendication 14, caractérisé en ce que les longueurs Ll, L2,..., Ln, des lignes de propagation (51, 52,..., 65) peuvent varier grâce à des actionneurs (71, 72,..., 85) modifiant la position de leur extrémités, de manière à déplacer ledit point de focalisation (49) cours de l'opération de cuisson.