Brevet FR2867940A1 — publié le 20050923

La présente invention concerne la fusion de déchets industriels ou domestiques dans des gammes de températures comprises entre 500 degrés et 2500 degrés centigrades en utilisant un champ radiofréquence. D'une façon générale, les installations haute fréquence (HF) industrielles fonctionnent dans des gammes de fréquences situées à 6,78 MHz, 13,56 MHz et 27,12 MHz et comprennent en général un générateur d'ondes haute-fréquence, une ligne de transmission d'énergie, un applicateur, une boîte d'adaptation dont la fonction est d'accorder l'impédance du circuit. La présente invention concerne la réalisation d'un dispositif utilisant les propriétés io conjointes des cavités de résonance (1) alliées aux propriétés des guides d'ondes (8) pour entraîner la fusion thermique des matériaux dans des gammes de fréquence allant de 400 MHZ à 2500 MHZ. L'utilisation conjointe de ces éléments confère au dispositif des propriétés particulières en terme d'orientation du champ électromagnétique ainsi que de l'adaptation des impédances 15 ramenées de l'applicateur (9) vers le générateur de puissance HF. Dans l'état actuel de la technique, les générateurs HF de puissance sont souvent conçus à partir d'un montage auto-oscillateur qui comprend un circuit oscillant ainsi qu'un interrupteur rapide et une source de haute tension continue. Le circuit oscillant est excité par des impulsions provenant d'un tube à vide. Ce tube électronique peut être un magnétron, un klystron, un tube à ondes progressives, un simple tube émetteur de radiofréquences. En régime établi, la fréquence de fonctionnement est stabilisée autour de la fréquence de résonance du circuit oscillant. Un couplage de sortie, analogue à un transformateur, prélève la puissance du circuit 25 oscillant pour la transmettre à l'applicateur. Pour limiter les dérives en fréquence et pour des raisons de rendement, le circuit oscillant doit posséder un coefficient de surtension Q élevé. On ne dépasse guère des valeurs de 100 pour "Q", car le courant réactif augmente avec Q, ce qui majore rapidement les pertes. C'est pourquoi, la présente invention substitue à la conception classique en circuit LC à éléments localisés, une conception en cavité résonnante (1) dont la particularité est de privilégier un mode de propagation du champ électrique convenant parfaitement à l'application visée. D'une façon classique, tout générateur HF est caractérisé par quatre grandeurs fondamentales: la puissance utile, le rendement, la fréquence et l'impédance nominale. É La puissance utile du générateur dépend essentiellement de la source haute tension continue (1 000 à 25 000 Volts) et du point de fonctionnement du tube lui-même. É Le rendement du générateur, entre puissance HF et réseau, est surtout déterminé par le point de fonctionnement du tube. Ce rendement dépend de l'impédance vue par le tube entre anode et cathode, de la polarisation de la grille, et du couplage entre la grille et le circuit oscillant. É La fréquence du signal de sortie et sa stabilité sont liées à la conception du circuit oscillant: fréquence de résonance, surtension. É L'impédance nominale du générateur est égale à l'impédance de l'applicateur qui, reliée à la sortie du générateur, permet au tube de travailler au point de fonctionnement choisi. Or, dans une installation HF industrielle, l'impédance que présente l'applicateur est fonction lo des caractéristiques du matériau à traiter. Toute variation de celles-ci va entraîner un décalage de la fréquence de résonance de l'applicateur car le matériau n'absorbe qu'une partie de l'énergie émise par le générateur. L'énergie non absorbée est consommée en partie dans les selfs de montage (chauffage) ou remonte vers le générateur, créant ainsi un phénomène d'onde stationnaire, responsable de flashes et de perturbations par is rayonnement. La présente invention pallie cet inconvénient en introduisant dans le montage un ou plusieurs éléments passifs montés sur un système amovible dont la valeur variable est ajustée par des actionneurs selon les paramètres liés au comportement du tube lui-même. Ainsi la montée en puissance de l'énergie rayonnée dans l'applicateur suit la variation de l'impédance nominale du produit à traiter tout en assurant la protection du tube HF Ce dispositif assure le transfert graduel de toute l'énergie issue du générateur HF vers le produit situé dans l'applicateur. La notion d'adaptation d'impédance est essentielle, car elle permet d'assimiler les conditions à respecter sur un montage haute fréquence ou micro-onde pour garantir une transmission optimale de l'énergie du générateur à sa charge et assurer ainsi la survie des éléments du dispositif. On dit qu'un système est adapté en impédance si le coefficient de réflexion de l'onde électromagnétique est nul. Cette définition est valable quel que soit le type de ligne d'alimentation y compris dans la présente invention l'utilisation d'une cavité (1) conjuguée à un guide d'onde (8).. Lorsque le coefficient de réflexion est nul, le niveau de puissance réfléchie est nul; toute l'énergie issue de la source est absorbée par l'applicateur et il n'y a pas de phénomène d'ondes stationnaires. Dans la présente invention, l'impédance du guide d'onde (8) est choisie de telle sorte que l'image des impédances d'entrée et de sortie soit globalement égales. A ce paramètre lié à l'impédance du guide d'onde s'ajoute la longueur elle-même du guide d'onde. Ces deux paramètres convenablement ajustés conditionnent l'adaptation des impédances. En particulier l'applicateur (9) peut être principalement réactif et dans ce cas l'image d'impédance d'entrée sera choisie comme étant elle même réactive. La relation existant entre ces deux impédances va conditionner le choix du guide d'onde (8). Dans la présente invention, pour réaliser un tel accord, le guide d'onde (8) est construit 5 selon un mode de résonance égal à un nombre entier de quart de la longueur d'onde de l'onde radiofréquence. Le mode de propagation de l'onde HF dans la cavité (1) est choisi pour privilégier le captage de la composante électrique TE sur la composante magnétique TM. De cette manière le captage du champ électrique dans la cavité sera principalement soumis io à la composante électrique apportant ainsi l'énergie nécessaire au matériau présent dans l'applicateur (9). Cette cavité est couplée au tube électronique lui-même par tout moyen de couplage tels que iris, fentes, antennes... Dans une application particulière, le tube électronique est constitué d'un magnétron couplé à la cavité par un brin conducteur (6a) résonnant en antenne. Le guide d'onde (8a) a pour fonction de conduire cette énergie dans le matériau placé dans l'applicateur (9a). Sachant que les déchets domestiques et industriels sont faiblement conducteurs et se comportent comme des isolants,il est impératif de soumettre de tels matériaux à un champ électrique particulièrement important. Ce champ est obtenu à l'intérieur de l'applicateur (9a), lequel se comporte comme une cavité résonnante à fort coefficient de surtension. De ce fait il apparaît à l'intérieur de l'applicateur (9a) un fort champ électrique apte à entraîner la fusion thermique des déchets. La présente invention offre la possibilité d'ajuster également les dimensions de la cavité (1) en motorisant le panneau mobile (3) car celui ci est monté sur un panneau à glissières (4). La fréquence d'accord de l'ensemble s'ajuste également par le dimensionnement du condensateur (2) en motorisant une de ses parois (5). Dans une application particulière, une partie des éléments d'accord (7a) entre la cavité (1 a) et l'applicateur (9a) peuvent être installés dans le guide lui-même (8a) lorsque ce dernier est construit selon une géométrie parallélépipédique ou cylindrique. Ce système réalise une adaptation d'impédance entre la charge à fondre située dans l'applicateur (9a) et le tube électronique. Cette adaptation d'impédance est maintenue pendant le déroulement de la fusion des matériaux par l'ensemble des dispositifs (7a, 5a) de régulation du taux d'ondes stationnaires. Un système de refroidissement de l'applicateur (9a) limite la montée en température du dispositif. Les fumées sont évacuées par des fentes (10a) ménagées dans la paroi adéquate du guide lui-même ((8a). Le captage du champ électrique dans la cavité (1) peut se faire par tout moyen habituel selon le type de cavité choisi. Selon que la cavité est ouverte, semi-ouverte, réentrante ou non, le mode de prélèvement est réalisable par fente articulée sur un guide d'onde ou bien directement par antenne, panneau, self, boucle de captage.. Dans la présente invention une application particulière est montrée avec une cavité ouverte (1) dans laquelle le captage est réalisé par une boucle de captage (6). Afin de ramener une impédance acceptable sur la boucle de captage (6), un condensateur réglable (7) est monté en parallèle sur la boucle de captage (6). Le guide d'onde (8) peut être réalisé de différentes manière: ligne bifilaire, guide solide de toute géométrie parallélépipédique ou cylindrique ou mixte. Le guide d'onde doit privilégier le mode de propagation TE, le mode TE101 convenant parfaitement. io Dans la présente invention, le guide d'onde utilisé (8) est réalisé avec une ligne bifilaire (8) dont la longueur est un multiple impair du quart de la longueur d'onde de l'onde HF. Dans la présente invention, l'impédance de construction du guide d'onde (8) est donc directement liée à l'image de l'applicateur (9) lue en début du guide (8). Pour affiner l'adaptation des impédances, un condensateur réglable (7) est monté en entrée du guide (8). Dans une application particulière, la motorisation du condensateur réglable (7) est réalisée automatiquement par un actionneur au fur et à mesure des besoins liés aux variations de charges liées au matériau présent dans l'applicateur (9). Cette adaptation suit celles à la fois de la cavité (1) et du condensateur (2) de l'étage de puissance de sortie du tube. Dans une autre application particulière il est, possible de réaliser cette adaptation d'impédance par des stubs placés sur le guide d'onde et dont la longueur varie en fonction de l'adaptation recherchée. Pour des impédances de charge quelconques, le système à trois éléments variables tel que constitué par 3 stubs, réalise une adaptation en agissant sur au moins deux des éléments. Si le guide d'onde est réalisé à partir d'un solide parallélépipédique, les stubs peuvent être constitués par des vis plongeant plus ou moins dans la lumière du guide lui-même (7a) ainsi que par un dispositif mobile d'accord (5a) modifiant la dimension du guide lui-même (2a) fermé à l'extrémité (4a). Ce principe étant établi, la technologie d'adaptation d'impédance utilisée sera choisie en 30 fonction du type de ligne de transmission utilisée. L'applicateur (9) pourra être réalisé selon différentes technologies. Dans le cas d'un guide solide à géométrie parallélépipédique, l'applicateur (9) pourra poursuivre la géométrie du guide et être ménagé de fentes donnant accès au champ électrique dans lequel plongera le matériau à traiter. Dans la présente invention, l'applicateur (9) est réalisé à partir d'une self de dimensions métriques dans laquelle est placé un contenant: cylindrique construit en matériau à très faibles pertes. Ce contenant cylindrique reçoit les déchets à fondre. Dans une application particulière, les déchets pourront être mélangés à du sable afin de réaliser un vitrifiat facilement transportable, aisément stockable et réutilisable ultérieurement. De cette manière les déchets peuvent être entreposés avec une grande sécurité. Dans une autre application particulière, les déchets sont placés dans un container étanche aux propagations des fumées (9a) dans lequel le rayonnement RF est amené par un guide (8a). Les fumées sont évacuées par des fentes (10a) ménagées dans le guide lui-même (8a). L'orientation du champ RF est privilégiée en mode TE dés la sortie du magnétron. Ce io champ se propage à travers la cavité (1a) suivie de son brin de liaison (6a) vers le guide (8a). Enfin l'onde RF atteint le produit placé dans l'applicateur (9a) se comportant comme une cavité résonnante. Les variations de la charge lors du déroulement de la fusion des déchets sont ajustées en amont par une ou des vis (7a) plongeantes réglables en profondeur dans la lumière du guide (8a) et en aval par un dispositif coulissant (5a) sur la portion terminale du guide lui-même (2a). 6- 2867940 REVENDICATIONS 1. Dispositif de fusion des déchets domestiques et industriels mettant en jeu le chauffage diélectrique dans une gamme de températures s'étendant de 500 C à 2500 C, utilisant les propriétés conjointes d'une cavité résonnante et d'un guide d'onde, caractérisé en ce qu'il comporte un applicateur (9a) accordable par un dispositif réglable. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif réglable est réalisé en amont de l'applicateur (9a) par une ou des vis (7a) plongeantes réglables en profondeur dans la lumière du guide (8a) et, en aval de l'applicateur (9a) cet ajustement est réalisé par l'allongement ou le raccourcissement du guide lui-même (8a), cette variation de longueur du guide (8a) est obtenue par tout dispositif coulissant (5a) sur la portion terminale du guide lui-même (2a). 3. Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé en ce que la cavité (3a) utilisée est une cavité ouverte (1a) dont la géométrie privilégie le champ électrique sur le champ magnétique. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit de captage du champ électrique peut être réalisé par une boucle de captage (6) pourvue d'un condensateur réglable d'accord (7) afin d'affiner les accords entre l'applicateur (9) et le tube électronique fournissant la puissance électrique à la charge 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le guide d'onde (8a) peut être réalisé à partir d'une ligne bifilaire (8) dont la longueur est telle que résonnant en nombre impair de quart de longueur d'onde et dont l'impédance caractéristique est adaptée au couplage à réaliser entre l'impédance de charge liée à l'applicateur (9) et l'impédance de travail du tube de puissance. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'applicateur (9a) est réalisé à partir d'un ensemble étanche aux fumées et parcouru par un liquide réfrigérant.