EP0122840B1 - Perfectionnements apportés aux applicateurs à micro-ondes, notamment au dispositif de couplage d'une onde électro-magnétique sur un matériau absorbant - Google Patents

Perfectionnements apportés aux applicateurs à micro-ondes, notamment au dispositif de couplage d'une onde électro-magnétique sur un matériau absorbant Download PDF

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EP0122840B1
EP0122840B1 EP84400633A EP84400633A EP0122840B1 EP 0122840 B1 EP0122840 B1 EP 0122840B1 EP 84400633 A EP84400633 A EP 84400633A EP 84400633 A EP84400633 A EP 84400633A EP 0122840 B1 EP0122840 B1 EP 0122840B1
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    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
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    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/72—Radiators or antennas

Definitions

  • the present invention relates to a microwave applicator for heating dielectric or multi-dielectric materials which may include a metallic element in any form.
  • the present invention relates to an electromagnetic energy transfer applicator between a microwave source and a material to be heated, in particular of the slow wave type and cooperating with a coupling device between the microwave source and the material. to be heated, as well as with a possible scrolling device for said material to be heated, in particular constituted by a propulsive-lifting device with gaseous or liquid fluid, or any other scrolling device known per se, which applicator is characterized in that said device coupling consists of a main multi-dielectric structure having a dielectric permittivity gradient and radiating an evanescent wave in the presence of said material to be heated when the latter is placed at a distance less than a wavelength relative to this multi-structure dielectric which main multi-dielectric structure (A) cooperates with one or more multi-dielectric structures ues secondary (B), which are arranged at a distance not exceeding a wavelength relative to the main structure (A) and which are excited by the latter in the presence of said material to be heated (10), which material to be heated has
  • the secondary structure or structures are arranged symmetrically with respect to the material to be heated.
  • the main multi-dielectric structure is rigid and with circular symmetry so as to heat a fluid material.
  • said multi-dielectric structures are staggered in the mass of the fluid material to be heated.
  • the main multi-dielectric structure is flexible so as to adapt to the shape of the material to be heated, even of very large volume, or to wrap around the latter.
  • the main multi-dielectric structure and the secondary multi-dielectric structure form a two-wire line which can be wound around the material to be heated.
  • the dielectric permittivity of the fluid used is such that it does not disturb the coupling.
  • the frequency of the electromagnetic energy is between 0.3 GHz and 300 GHz.
  • the multi-dielectric structure being of the slow wave type, the wave which leaves this structure is said to be evanescent, that is to say that it is a wave whose fields do not connect, therefore the wave does not propagate according to Maxwell's equations.
  • the propagation of such a wave does not exceed a wavelength in the air.
  • the remaining energy is therefore very low at a short distance, which is advantageous for the construction of the ovens.
  • the device shown in FIG. 1 comprises a set of two multi-dielectric structures A and B spaced apart by a wavelength p.
  • the electromagnetic energy source 1 excites the structure A composed of two dielectrics 2 and 3, the element 2 of which has a permittivity lower than that of the element 3.
  • the main incident wave 4 in the absence of material to be heated, is reflected at 6 until the auxiliary charge 8. Part 5 of the wave 4 propagates in the space between the two structures A and B.
  • the structure B is not excited.
  • FIG. 2 represents the assembly A and B with a material 10 to be heated, which is included in the volume delimited by the two internal faces 9 of the structures A and B and whose permittivity is greater than that of the element 3.
  • this body 10 therefore modifies the propagation in the structure A in such a way that the evanescent wave 5 crosses the material to be heated 10 and enters the structure B to undergo a reflection 11.
  • the incident wave continues to propagate by successive reflections by repeating the phenomenon of coupling on the material.
  • FIG. 3 shows an example of application with a propellant-air lift box 14.
  • the air jets exiting at 15 lift and propel the profile 16 in the longitudinal axis of the structure without disturbing the coupling; the adjusting members 13 allow to adjust the coupling on structure B (cf. figure 4).
  • FIG. 5 represents a structure combined with a liquid drive system 17 which may for example be an oil, the material 18 being in suspension.
  • a liquid drive system 17 which may for example be an oil, the material 18 being in suspension.
  • FIG. 6 represents a structure combined with a propulsion system in a fluidized bed of solid particles 18 transporting materials to be heated 16.
  • FIG. 7 represents a structure 19 immersed in a closed metal box 20 filled with a material to be heated 21.
  • FIG. 8 represents a grouping of structures 22 staggered in a duct 23 without specification and where the material to be heated 24 circulates.
  • FIG. 9 represents a flexible structure 25 surrounding a bulky object to be heated, for example the freezing of fruit trees.
  • the structure represented by the arrangement of FIGS. 1 to 4 can be applied to the heating of the extruded rubber profiles with a view to their vulcanization or polymerization or crosslinking, or even to electric cables.
  • Figure 8 allows the heating of very large volumes without special shielding precautions, for example the drying of grains moving by gravity in any duct.
  • FIG. 9 represents the heating of a tree or a greenhouse by a flexible structure 25.
  • the energy coupling is carried out only on the regions close to 26 of the object to be heated 24 less than a length d 'wave.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Description

  • La présente invention concerne un applicateur à micro-ondes destiné au chauffage des matériaux diélectriques ou multi-diélectriques pouvant comporter un élément métallique sous quelque forme que ce soit.
  • Dans les applications du chauffage à micro-ondes on utilise, en combinaison:
    • - une source de micro-ondes, généralement constituée par un magnétron,
    • - un dispositif de couplage, notamment un guide d'ondes, et
    • - un applicateur, qui assure le transfert d'énergie entre la source de micro-ondes et le corps à chauffer.
  • Les applicateurs existants sont regroupés en quatre types principaux:
    • - applicateurs à cavité ou à résonateur, qui sont utilisés pour la cuisson d'aliments et d'autres applications industrielles;
    • - applicateurs à onde progressive, dans lesquels le matériau à chauffer, sous forme de feuilles ou de fils, traverse un guide d'ondes fendu à section transversale rectangulaire;
    • - applicateurs à onde lente, dans lesquels le matériau à chauffer se déplace à proximité d'une ligne de propagation ouverte interagissant avec le champ électrique extérieur inhomogène de la ligne, et
    • - applicateurs à onde libre, qui est pratiquement constitué par une antenne qui transmet l'énergie électromagnétique à des pièces de grandes dimensions, que l'on ne peut pas placer dans une enceinte fermée.
  • Dans les applicateurs, notamment à onde lente, il est connu de réaliser le défilement du produit à chauffer par un système de convoyage par tapis, par vis d'Archimède, par vibreur, et par sustentation et propulsion aérodynamique (cf. le Brevet U.S. n° 3 549 848).
  • Dans le chauffage à micro-ondes on sait utiliser également les propriétés des gradients de permittivité des diélectriques pour former des structures présentant un gradient de permittivité, ainsi que décrit dans "Journal of Microwawe Power" 10 (1) 1975.
  • Les principaux inconvénients de ces systèmes résident dans le mode d'interaction de l'onde électromagnétique avec le matériau diélectrique à chauffer: en effet, le matériau diélectrique introduit dans le champ électro-magnétique perturbe celui-ci et désadapte la ligne au générateur. Pour répondre à ce problème on est obligé, soit de compliquer les applicateurs en introduisant des organes d'adaptation automatique, soit de sacrifier le rendement en utilisant des circulateurs à ferrite.
  • D'autre part, la fuite d'énergie électro- magnétique par les ouvertures, dans le cas de traitement thermique continu, pose de gros problèmes.
  • De plus, il est difficile de chauffer efficacement un matériau diélectrique comportant un élément métallique.
  • En outre, étant donné que chaque application définit les critères de choix de l'applicateur le plus approprié dans la combinaison susdite, il est nécessaire d'adapter spécifiquement l'applicateur, ce qui rend très coûteuse sa mise au point pour obtenir un bon rendement.
  • La présente invention a pour objet un applicateur de transfert d'énergie électromagnétique entre une source de micro-ondes et un matériau à chauffer, notamment du type à onde lente et coopérant avec un dispositif de couplage entre la source de micro-ondes et le matériau à chauffer, ainsi qu'avec un éventuel dispositif de défilement dudit matériau à chauffer, notamment constitué par un dispositif propulso-sustentateur à fluide gazeux ou liquide, ou tout autre dispositif de défilement connu en soi, lequel applicateur est caractérisé en ce que ledit dispositif de couplage est constitué par une structure multi-diélectrique principale présentant un gradient de permittivité diélectrique et rayonnant une onde évanescente en présence dudit matériau à chauffer lorsque ce dernier est disposé à une distance inférieure à une longueur d'onde par rapport à cette structure multi-diélectrique laquelle structure multi-diélectrique principale (A) coopère avec une ou plusieurs structures multi-diélectriques secondaires (B), qui sont disposées à une distance ne dépassant pas une longueur d'onde par rapport à la structure principale (A) et qui sont excitées par cette dernière en présence dudit matériau à chauffer (10), lequel matériau à chauffer présente une permittivité diélectrique supérieure à celle du diélectrique immédiatement adjacent.
  • Selon une disposition avantageuse de ce mode de réalisation, la ou les structures secondaires sont disposées symétriquement par rapport au matériau à chauffer.
  • Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'applicateur conforme à l'invention, la structure multi-diélectrique principale est rigide et à symétrie circulaire de façon à chauffer un matériau fluide.
  • Selon un mode de réalisation avantageux de l'applicateur conforme à l'invention, lesdites structures multi-diélectriques sont disposées en quinconce dans la masse du matériau fluide à chauffer.
  • Selon encore un autre mode de réalisation avantageux de l'applicateur conforme à l'invention, la structure multi-diélectrique principale est souple de manière à s'adapter à la forme du matériau à chauffer, même de très grand volume, ou à s'enrouler autour de ce dernier.
  • Selon un mode de réalisation avantageux de l'applicateur conforme à l'invention, la structure multi-diélectrique principale et la structure multi-diélectrique secondaire forment une ligne bifilaire qui peut être enroulée autour du matériau à chauffer.
  • Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'applicateur conforme à l'invention, dans le cas où il comporte un dispositif propulso-sustentateur à fluide, la permittivité diélectrique du fluide utilisé est telle qu'il ne perturbe pas le couplage.
  • Selon encore un autre mode de réalisation de l'applicateur conforme à l'invention, la fréquence de l'énergie électromagnétique est comprise entre 0,3 GHz et 300 GHz.
  • Quand un matériau diélectrique défile entre l'espace vide compris entre ces structures multi-diélectriques principale et secondaires, une partie de l'onde incidente circulant dans la structure principale pénètre dans le matériau à chauffer, en raison de sa permittivité diélectrique comparativement élevée, et, suivant ses caractéristiques, une fraction de l'énergie est absorbée, tandis que l'autre fraction pénètre dans la ou les structures secondaires et effectue plus loin un trajet identique en subissant un affaiblissement à chaque passage dans le matériau à chauffer.
  • L'avantage d'une telle disposition sur tous les dispositifs de couplage connus, est que l'adaptation du générateur de micro-ondes est toujours très bonne, quel que soit le matériau diélectrique à chauffer et sa position par rapport aux parois, pourvu que sa permittivité diélectrique soit supérieure dans le sens susdit.
  • La structure multi-diélectrique étant du type à onde lente, l'onde qui sort de cette structure est dite évanescente, c'est-à-dire qu'il s'agit d'une onde dont les champs ne se raccordent pas, donc l'onde ne se propage pas suivant les équations de Maxwell. La propagation d'une telle onde ne dépasse pas une longueur d'onde dans l'air. L'énergie restante est donc très faible à courte distance, ce qui est avantageux pour la construction des fours.
  • Il y a également lieu de souligner que:
    • - la configuration des champs électriques dans le volume formé entre les deux structures est hybride et homogène,
    • - le couplage d'énergie est proportionnel à la quantité de matériau à chauffer, et
    • - la combinaison des différents diélectriques dans le volume d'interaction permet de maîtriser le chauffage.
  • Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre qui se réfère aux dessins dans lesquels:
    • - la figure 1 représente un applicateur selon l'invention sans le matériau à chauffer, comportant deux structures multi-diélectriques à gradient de permittivité diélectrique, situées l'une en face de l'autre à une distance ne dépassant pas une longueur d'onde;
    • - la figure 2 représente l'applicateur de la figure 1 en présence du matériau à chauffer;
    • - la figure 3 et la figure 4, coupe transversale de la figure 3, représentent la coopération de l'applicateur selon l'invention avec un dispositif propulso-sustentateur gazeux connu en soi;
    • - la figure 5 représente un applicateur coopérant avec un dispositif propulso-sustentateur liquide;
    • - la figure 6 représente un applicateur coopérant avec un dispositif propulso-sustentateur composé d'un lit de particules solides fluidisées;
    • - la figure 7 représente un applicateur comportant une structure multi-diélectrique à gradient de permittivité diélectrique destinée à chauffer un liquide contenu dans un récipient fermé;
    • - la figure 8 représente un applicateur comportant une pluralité de structures multi-diélectriques secondaires disposées en quinconce dans un conduit traversé par le matériau à chauffer, et
    • - la figure 9 représente un applicateur comportant une structure multi-diélectrique principale souple entourant un objet volumineux à chauffer, notamment pour la mise hors gel d'arbres fruitiers.
  • Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes, sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation.
  • Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend un ensemble de deux structures multi-diélectriques A et B espacées d'une longueur d'onde p. La source d'énergie électro- magnétique 1 excite la structure A composée de deux diélectriques 2 et 3 dont l'élément 2 présente une permittivité inférieure à celle de l'élément 3. L'onde incidente principale 4, en l'absence de matériau à chauffer, se réfléchit en 6 jusqu'à la charge auxiliaire 8. Une partie 5 de l'onde 4 se propage dans l'espace compris entre les deux structures A et B. La structure B n'est pas excitée.
  • La figure 2 représente l'ensemble A et B avec un matériau 10 à chauffer, qui est compris dans le volume délimité par les deux faces internes 9 des structures A et B et dont la permittivité est supérieure à celle de l'élément 3.
  • La présence de ce corps 10 modifie donc la propagation dans la structure A de telle façon que l'onde évanescente 5 traverse le matériau à chauffer 10 et pénètre dans la structure B pour subir une réflexion 11. D'autre part, lors de la première réflexion dans la structure A, l'onde incidente continue à se propager par réflexions successives en répétant le phénomène de couplage sur le matériau.
  • La combinaison des ondes incidentes quittant la structure A et des ondes réfléchies venant de la structure B donne un champ électrique intense dans l'espace d'interaction,même très près des parois métalliques 12.
  • La figure 3 représente un exemple d'application avec un caisson propulso-sustentateur à air 14. Les jets d'air sortant en 15 sustentent et propulsent le profil 16 dans l'axe longitudinal de la structure sans perturber le couplage; les organes de réglage 13 permettent d'ajuster le couplage sur la structure B (cf. la figure 4).
  • La figure 5 représente une structure combinée à un système d'entraînement liquide 17 qui peut être par exemple une huile, le matériau 18 étant en suspension.
  • La figure 6 représente une structure combinée à un système de propulsion en lit fluidisé de particules solides 18 transportant des matériaux à chauffer 16.
  • La figure 7 représente une structure 19 immergée dans une boîte métallique fermée 20 remplie d'un matériau à chauffer 21.
  • La figure 8 représente un groupement de structures 22 disposées en quinconce dans un conduit 23 sans spécification et où circule le matériau à chauffer 24.
  • La figure 9 représente une structure souple 25 entourant un objet volumineux à chauffer, par exemple la mise hors gel d'arbres fruitiers.
  • A titre d'exemple non limitatif, la structure représentée par la disposition des figures 1 à 4 peut s'appliquer au chauffage des profilés caoutchouc extrudés en vue de leur vulcanisation ou polymérisation ou réticulation, ou bien encore aux câbles électriques.
  • La disposition des figures 5 et 6 peut s'appliquer au chauffage continu des matériaux en poudre ou en grains.
  • La disposition de la figure 7 permet le chauffage de matériaux à l'intérieur d'une enceinte métallique fermée de dimensions quelconques, telle que conserves.
  • La disposition de la figure 8 permet le chauffage de très grands volumes sans précaution particulière de blindage, par exemple le séchage de grains se déplaçant par gravité dans un conduit quelconque.
  • La disposition de la figure 9 représente le chauffage d'un arbre ou d'une serre par une structure souple 25. Le couplage d'énergie s'effectue seulement sur les régions proches 26 de l'objet à chauffer 24 inférieur à une longueur d'onde.
  • Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière sans s'écarter du cadre ni de la portée de la présente invention.

Claims (9)

1. Applicateur de transfert d'énergie électromagnétique entre une source de micro-ondes (1) et un matériau à chauffer (10), notamment du type à onde lente et coopérant avec un dispositif de couplage entre la source de micro-ondes et le matériau à chauffer, ainsi qu'avec un éventuel dispositif de défilement dudit matériau à chauffer, notamment constitué par un dispositif propulso-sustentateur à fluide gazeux ou liquide, ou tout autre dispositif de défilement connu en soi, lequel applicateur est caractérisé en ce que ledit dispositif de couplage est constirué par une structure multi-diélectrique principale (A) présentant un gradient de permittivité diélectrique et rayonnant une onde évanescente en présence dudit matériau à chauffer lorsque ce dernier est disposé à une distance inférieure à une longueur d'onde par rapport à cette structure multi-diélectrique, laquelle structure multi-diélectrique principale (A) coopère avec une ou plusieurs structures multi-diélectriques secondaires (B), qui sont disposées à une distance ne dépassant pas une longeur d'onde par rapport à la structure principale (A) et qui sont excitées par cette dernière en présence dudit matériau à chauffer (10), lequel matériau à chauffer présente une permittivité diélectrique supérieure à celle du diélectrique immédiatement adjacent.
2. Applicateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la ou les structures secondaires (B) sont disposées symétriquement par rapport au matériau à chauffer (10).
3. Applicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure multi-diélectrique principale est rigide et à symétrie circulaire de façon à chauffer un matériau fluide.
4. Applicateur selon l'une quelconque des revendications 2 et 4, caractérisé en ce que les structures multi-diélectriques (22) sont disposées en quinconce dans la masse du matériau fluide à chauffer (24).
5. Applicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure multi-diélectrique principale est souple de manière à s'adapter à la forme du matériau à chauffer, même de très grand volume ou à s'enrouler autour de ce dernier.
6. Applicateur selon l'une quelconque des revendications 2 et 6, caractérisé en ce que la structure multi-diélectrique principale et la structure multi-diélectrique secondaire forment une ligne bifilaire qui peut être enroulée autour du matériau à chauffer.
7. Applicateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la structure multi-diélectrique principale (A) et la ou les structures multi-diélectriques secondaires (B) comportent une charge auxiliaire terminale (8).
8. Applicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas où il comporte un dispositif propulso-sustentateur à fluide, la permittivité diélectrique du fluide utilisé est telle qu'il ne perturbe pas le couplage.
9. Applicateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la fréquence de l'énergie électromagnétique est comprise entre 0,3 GHz et 300 GHz.
EP84400633A 1983-04-01 1984-03-29 Perfectionnements apportés aux applicateurs à micro-ondes, notamment au dispositif de couplage d'une onde électro-magnétique sur un matériau absorbant Expired EP0122840B1 (fr)

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FR8305428A FR2543778A1 (fr) 1983-04-01 1983-04-01 Dispositif de couplage d'une onde electromagnetique sur un materiau absorbant

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