FR2668673A1 - Applicateur resonnant haute-frequence ou micro-onde pour traitement thermique de materiau plan en defilement continu. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un applicateur résonnant haute-fréquence ou micro-onde pour le traitement thermique d'un matériau plan (4). Cet applicateur comporte un condensateur plan entre les plateaux duquel se déplace le matériau et une self dont la longueur (1) est identique à la dimension des plateaux du condensateur mesurée transversalement. La self est par exemple constituée d'une bande métallique en forme d'arc de cercle (10), dont la face interne est rainurée longitudinalement.
Description
i
APPLICATEUR RESONNANT HAUTE-FREQUENCE OU MICRO-ONDE POUR
TRAITEMENT THERMIQUE DE MATERIAU PLAN EN DEFILEMENT CONTINU
La présente invention concerne un applicateur résonnant haute-fréquence ou micro-onde, c'est-à-dire un dispositif capable d'appliquer un rayonnement électromagnétique dans la gamme de fréquence des hautes fréquences ou des micro-ondes sur un matériau plan en défilement continu, notamment un matériau textile, un papier ou un non- tissé Elle concerne plus particulièrement un applicateur comportant un condensateur entre les plateaux duquel
le matériau plan se déplace.
Il est déjà connu de soumettre un matériau plan en défilement à l'action d'un rayonnement électromagnétique en le faisant passer entre les plateaux d'un condensateur, par exemple pour le sécher ou le chauffer Cependant l'utilisation de tels applicateurs soulève des difficultés; en particulier il est difficile d'obtenir une bonne uniformité du traitement dans le sens transverse du matériau; par ailleurs la régulation du traitement est très délicate, surtout lorsque les caractéristiques
du matériau varient en fonction de la température du matériau.
Un applicateur de ce type est alimenté par un générateur dont les paramètres de fonctionnement sont imposés par le constructeur Pour obtenir des conditions de stabilité suffisantes, il est toujours nécessaire de disposer entre le générateur fournissant l'énergie électromagnétique et l'applicateur un circuit électromagnétique supplémentaire, communément appelé boîte d'adaptation Le plus souvent ces boîtes d'adaptation sont constituées de selfs et de capacités et ne comportent pas d'éléments résistifs qui sont susceptibles de dissiper de la chaleur et de ce fait diminuent le rendement
énergétique total de l'installation.
Cependant le demandeur a remarqué que, malgré la présence d'une boîte d'adaptation destinée à réguler l'adaptation des impédances du générateur et de l'applicateur, il pouvait se produire un phénomène d'emballement thermique Ce phénomène se
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produit en particulier lorsque la constante diélectrique du matériau à traiter présente une forte variation en fonction de la température, même lorsque l'intensité du champ électrique appliqué
audit matériau est constante.
On a déjà cherché à éviter ce phénomène d'emballement thermique en mesurant la température du produit et en réduisant le champ électrique appliqué Mais cette solution se heurte à des difficultés de mise en oeuvre dues à l'inertie des servo
mécanismes qui sont nécessaires.
Le but que s'est fixé le demandeur est de proposer un applicateur qui pallie tous les inconvénients constatés, en ce qu'il permet d'obtenir l'uniformité du traitement dans le sens transverse du matériau et en ce qu'il est auto-régulant, c'est-à-dire qu'il corrige de lui-même les conditions de son fonctionnement dues aux variations des caractéristiques du
matériau à traiter.
Ce but est parfaitement atteint par l'applicateur selon l'invention Il s'agit d'un applicateur résonnant haute-fréquence ou micro-onde pour le traitement d'un matériau plan qui comporte de manière connue un condensateur plan entre les plateaux duquel se déplace ledit matériau plan Selon l'invention cet applicateur comporte une self,constituant avec la capacité du condensateur le circuit oscillant et dont la longueur est identique à la dimension des plateaux du condensateur mesurée transversalement
par rapport au sens de déplacement du matériau.
Cette particularité structurelle de la self rend le fonctionnement de l'applicateur indépendant de sa largeur, c'est-à-dire de cette dimension transverse des plateaux du condensateur En effet on sait que la valeur de la self à air ou auto-inductance d'un bobinage à spires jointives est donnée par la formule L =GG 71 f R dans laquelle R est le rayon du bobinage, 1 la longueur de la bobine et Ao la perméabilité du vide On sait aussi que la
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capacité d'un condensateur plan dont les plateaux sont rectangulaires est donnée par la formule: O e dans laquelle O est la permettivité du vide, 1 et d respectivement la largeur et la longueur d'un plateau et e
l'écartement entre les deux plateaux.
Dans le cas présent, on branche d'une façon distribuée la self et la capacité sur toute la longueur 1 de la self, selon la
largeur de même dimension 1 du condensateur.
Le carré de la fréquence de résonance du circuit
oscillant est égal à l'inverse du produit LC.
w 2 = 1 LC par le calcul on en déduit que: Uj 2 = 1 e P-o- o QE 7 d R 2 La fréquence de résonance de l'applicateur selon
l'invention est indépendante de la largeur 1 des plateaux.
On peut en théorie considérer qu'un applicateur d'une largeur donnée est constitué d'une succession d'applicateurs élémentaires de petites dimensions, ayant la même fréquence de résonance, et n'ayant pas d'interactions entre eux Ainsi les courants électromagnétiques dans les plateaux du condensateur et dans la self circulent parallèlement au sens du défilement du matériau plan, dans chaque applicateur élémentaire, et le traitement du matériau est parfaitement uniforme sur toute la
largeur dudit matériau.
Cependant préférentiellement la face interne du plateau du condensateur faisant office d'électrode de masse est rainurée dans le sens de défilement Cette disposition particulière permet de renforcer l'indépendance des applicateurs élémentaires indépendants. La particularité structurelle de l'applicateur permet de plus d'obtenir l'auto-régulation recherchée En effet lorsque les caractéristiques du matériau, passant entre les plateaux du condensateur, fluctuent, il s'ensuit des variations de la valeur de la capacité du condensateur et par conséquent de la fréquence de résonance du circuit oscillant Corrélativement la tension électrique appliquée aux bornes du condensateur va varier et
compenser les fluctuations considérées.
De préférence la self est constituée d'une bande métallique en forme d'arc de cercle, prolongeant transversalement le plateau
du condensateur faisant office d'électrode chaude.
La bande métallique recourbée en forme d'arc de cercle est
assimilable à une bobine à spire jointive.
On peut aussi rainurer la face interne de la self, afin de
renforcer l'indépendance des applicateurs élémentaires.
Selon le mode préféré de l'invention l'applicateur comporte deux condensateurs plans, dont les plateaux faisant office d'électrodes chaudes sont dans le même plan et reliés par les extrémités de la bande métallique en arc de cercle, constituant
la self.
Dans le cas o la self est constituée d'une bande métallique résonance la bande intérieure métallique métallique à exercer se déforme La être réglÉ -n arc de cercle, on peut régler la fréquence de de l'applicateur grâce à des moyens de déformation de métallique, permettant de faire varier la section de la self Il s'agit par exemple d'une plaque qui est en contact avec la face externe de la bande et qui est équipée d'un système de coulissement, apte une contrainte sur la bande telle que l'arc de cercle
uniformément sur toute la longueur de la self.
fréquence de résonance de l'applicateur peut également le grâce à des moyens de réglage de l'écartement des
plateaux du condensateur.
Un autre moyen de réglage du champ électromagnétique sur le matériau peut consister en des barres montées transversalement sur les faces des plateaux du condensateur tournées vers le matériau; de telles barres sont aptes à faire varier l'intensité du champ électromagnétique et de le concentrer sur le produit à E traiter Elles sont particulièrement utiles lorsque le matériau à
traiter est de faible épaisseur.
De préférence l'alimentation de l'applicateur est assurée par un générateur connecté grâce à une bride coaxiale d'une part à une première bande métallique de section progressive prolongeant le plateau du condensateur faisant office d'électrode de masse et d'autre part à une seconde bande métallique de section progressive dont l'extrémité formant bande de couplage est placée parallèlement et en regard d'une autre bande de couplage prolongeant en surélévation le plateau du condensateur faisant office d'électrode chaude, les deux bandes de couplage
faisant office de capacité de couplage.
Dans le mode préféré de réalisation, l'applicateur comporte deux condensateurs dont les plateaux faisant office d'électrodes chaudes sont reliés par une self; il est possible de mettre en série plusieurs applicateurs de ce type, et aussi d'augmenter le nombre de self se succédant à des capacités dans le sens de défilement du matériau Cette solution a pour avantage d'augmenter le temps de traitement et de répartir dans le sens du défilement l'énergie totale disponible, notamment si on est limité par la
tension maximale appliquée.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la
description qui va être faite du mode préféré de réalisation d'un
applicateur résonnant à deux capacités reliées par une self distribuées sur la même longueur dans le sens transverse, illustré par le dessin annexé dans lequel: La figure 1 est une vue schématique en perspective de l'applicateur selon l'invention traversé par un matériau plan,et La figure 2 est un diagramme représentant le schéma électrique
correspondant.
L'applicateur résonnant haute-fréquence ou micro-onde 1 est constitué d'un plateau supérieur 2 et d'un plateau inférieur 3 parallèles et en regard l'un de l'autre, entre lesquels se déplace un matériau plan 4 Ce matériau est par exemple un tissu, une étoffe à mailles, un non-tissé, un papier, un film plastique A l'entrée et à la sortie de l'applicateur 1, le matériau 4 est supporté par deux rouleaux respectivement 5,6, positionnés en sorte que le matériau soit à plat entre ces deux rouleaux 5,6 et
sans contact avec les deux plateaux 2,3 et parallèles à ceux-ci.
Le plateau supérieur 2 est une plaque métallique rectangulaire dont la largeur 1, c'est-à-dire la dimension mesurée dans le sens transverse au déplacement du matériau selon la flèche D, est au moins égale et de préférence supérieure à la
laize du matériau 4.
La face interne du plateau supérieur 2, tournée vers le matériau plan 4, présente des rainures longitudinales, illustrées
sur la figure 1 par des lignes pointillées 7.
Le plateau inférieur 3 de même dimension globale que le plateau supérieur 2 est composé de deux tronçons rectangulaires 8,9 reliés entre deux par une bande métallique 10 recourbée en arc
de cercle vers l'extérieur du plateau 3.
Des barres transversales 18 sont fixées, par vissage, sur les faces internes, tournées vers le matériau plan 4, du plateau supérieur 2 et des tronçons inférieurs 8,9, soit en vis-à-vis
soit en quinconce comme cela est représenté sur la figure 1.
Le bord transversal avant du plateau supérieur 2 est prolongé par une première bande métallique Il dont la largeur diminue progressivement jusqu'à une dimension permettant la connexion à une bride 12 coaxiale reliée à un générateur haute fréquence ou micro-onde non représenté C'est la masse de la bride
coaxiale 12 qui est connectée à la première bande métallique 11.
L'électrode centrale 13 de la bride coaxiale 12 est en contact avec une bande supérieure de couplage 14 par l'intermédiaire d'une seconde bande métallique 15 La bande supérieure de couplage 14 est une plaque métallique rectangulaire placée en avant du plateau supérieur 2, de faible longueur et de largeur équivalente à celle 1 du plateau supérieur 2 Elle affleure le matériau plan 4, parallèlement à celui-ci La seconde bande métallique 15 relie l'électrode centrale 13 à la bande
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supérieure de couplage 14 Sa largeur diminue progressivement depuis la bande supérieure de couplage 14 qu'elle prolonge
jusqu'à l'électrode centrale 13.
Le tronçon supérieur avant 8 est prolongé par une bande inférieure de couplage 16 qui est une plaque métallique en surélévation par rapport à la face interne dudit tronçon 8 Cette bande inférieure de couplage 16 fait face à la bande supérieure de couplage 14, étant séparée de celle-ci par un écartement suffisant
pour permettre le passage du matériau-plan 4.
Ainsi les deux tronçons 8,9 inférieurs sont les électrodes chaudes de deux condensateurs, dont les électrodes de masse sont constituées par le plateau supérieur 2; la bande métallique en
arc de cercle 10 constitue la self du circuit oscillant.
L'alimentation en énergie des électrodes chaudes se fait grâce au couplage entre la bande supérieure de couplage 14 alimentée par le générateur et la bande inférieure de couplage 16, les deux bandes supérieure et inférieure 14,15 formant une
capacité de couplage.
L'applicateur 1 possède deux systèmes de réglage de la fréquence de résonance Le premier est un système de déformation de la bande métallique en arc de cercle 10 formant la self; il comprend une plaque métallique 17 prenant appui sur une génératrice extérieure de l'arc de cercle, et des moyens de coulissement, par exemple des jeux de tiges filetées et d'écrous permettant de déplacer verticalement ladite plaque 17 d'une hauteur déterminée et réglable Un tel déplacement entraîne corrélativement une déformation de l'arc de cercle et par conséquent une variation de la section de la self On comprend que cette variation de la surface de ladite section de la self fait
varier la fréquence de résonance.
Le second système de réglage de la fréquence de résonance de l'applicateur est un système de réglage de l'écartement du plateau supérieur 2 par rapport aux deux tronçons inférieurs 8,9 fixes Il s'agit par exemple d'un jeu de vérins fixé sur un bâti et dont les tiges sont solidaires du plateau supérieur 2, ayant
plusieurs positions de réglage possibles.
De part et d'autre de l'applicateur 1, face aux extrémités ouvertes de la bande en arc de cercle 10, sont placées deux plaques métalliques verticales, non montrées sur la figure 1 par souci de clarté; ces plaques ont des dimensions telles qu'elles débordent largement de la self; elles sont connectées au plateau supérieur 2 Ces plaques ont pour rôle d'arrêter le champ
magnétique créé par la self.
Le fonctionnement de l'applicateur s'explique par le schéma électrique équivalent représenté à la figure 2, dans lequel on retrouve l'applicateur proprement dit constitué de la self L correspondant à la bande métallique en arc de cercle 10, et des deux capacités C 1 et C 2, correspondant aux deux tronçons 8,9 et au plateau supérieur 2, branchées entre les extrémités de la self
et la masse.
L'applicateur est connecté au générateur G par la capacité de couplage C 3 correspondant aux deux bandes supérieure et inférieure 14, 16 de couplage Les résistances R 1 et R 2 représentent la transformation du matériau lors du traitement, par exemple l'échauffement du matériau correspond à la puissance dissipée dans chacune des résistances R 1 et R 2 La puissance dissipée dans la résistance r, en série de la self L, représente la puissance dissipée dans l'applicateur et les pertes de celui-ci. Il est facile pour l'homme du métier de déterminer la valeur de chacun des éléments équivalents du circuit, à partir des mesures faites avec un mesureur d'impédance et un analyseur
de réseau.
Par exemple pour déterminer la valeur de la capacité de couplage C 3 il suffit de mesurer l'impédance à l'entrée de l'applicateur lorsque la première capacité est court-circuitée par une plaque métallique qui relie les deux électrodes du condensateur. Par exemple pour déterminer la valeur des capacités C 1 et C 2 il suffit de court-circuiter la self en reliant les deux
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tronçons 8,9 du plateau inférieur 3.
Par exemple pour déterminer la valeur de la self L, on l'obtient en mesurant la fréquence de résonance Par exemple pour déterminer la valeur de la résistance de la self on l'obtient en déterminant la valeur du facteur de surtension du
circuit oscillant en l'absence de matériau plan 4.
Il est nécessaire d'effectuer de telles mesures en cas de modifications du réglage de l'applicateur: écartement des plateaux, nombre de barres transversales, déformation de la
self.
A partir des valeurs ainsi mesurées, et du schéma électrique équivalent, il est possible de calculer par simple application de la loi d'Ohm la tension électrique moyenne qui apparaît entre les électrodes des condensateurs lorsqu'on branche
le générateur, celui-ci délivrant une tension électrique connue.
De plus, le schéma équivalent permet d'effectuer le bilan de puissance et de calculer ainsi la puissance transférée au produit, la puissance consommée dans l'applicateur et la puissance
réfléchie totale par l'applicateur.
Pour le bon fonctionnement de l'applicateur, il est bon de connaître comment le matériau plan 4 à traiter se comporte lors du traitement, et notamment comment sa constante diélectrique va évoluer en fonction de la température En effet le réglage de la fréquence de résonance sera déterminé compte-tenu de ces
informations en sorte d'obtenir l'effet auto-régulateur recherché.
La fréquence de résonance sera choisie soit légèrement supérieure
à la fréquence du générateur soit inférieure à celle-ci.
Supposons qu'une variation des caractéristiques du matériau se produise localement dans un applicateur élémentaire délimité par les plans verticaux passant par deux rainures successives 7 du plateau supérieur Si la fréquence de résonance a été choisie légèrement supérieure à la fréquence du générateur et que cette variation tende à diminuer la valeur de la capacité du circuit oscillant, cela entraînera pour cet applicateur élémentaire une augmentation de la fréquence de résonance du îo 2668673 circuit oscillant et une baisse de la tension appliquées aux bornes du condensateur La puissance fournie au matériau, dans
cet applicateur élémentaire, va diminuer.
Au contraire si la fréquence de résonance du circuit oscillant a été choisie inférieure à la fréquence du générateur, la même fluctuation tend à réduire l'écart entre les deux fréquences et conduit à alimenter le condensateur par une tension électrique supérieure; c'est- à-dire à accroître la puissance
fournie au matériau dans cet applicateur élémentaire.
Chaque applicateur élémentaire ayant un fonctionnement indépendant, l'effet de régulation est local et ne modifie pas le traitement du matériau situé dans les applicateurs élémentaires voisins. Il revient à l'homme du métier, en fonction des caractéristiques physiques et diélectriques du matériau plan à traiter, de déterminer les conditions de fonctionnement de l'applicateur 1 selon l'invention: choix de la fréquence de résonance par rapport à la fréquence du générateur, réglage de la section de la self et /ou de l'écartement entre le plateau supérieur 2 et les tronçons inférieurs 8,9 pour obtenir la fréquence de résonance adéquate, présence ou non des barres transversales 18 permettant de concentrer le champ électrique sur
le matériau plan 4, notamment lorsque celui-ci est peu épais.
On comprend que du fait de l'effet d'auto-régulation de l'applicateur selon l'invention, il est toujours possible d'ajuster ultérieurement la valeur de la capacité C 3 afin d'ajuster l'impédance globale de l'applicateur et la rendre égale à celle du générateur G Ceci rend inutile la mise en oeuvre d'une boîte d'adaptation, comme cela est généralement prévu entre le
générateur et les applicateurs classiques.
L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation préféré qui a été décrit à titre d'exemple non exhaustif, mais en couvre toutes les variantes En particulier l'applicateur peut comporter plusieurs selfs, par exemple le plateau inférieur sera alors composé de trois tronçons inférieurs comme décrits ci-dessus séparés et reliés entre eux par deux bandes métalliques en arc de cercle faisant office de selfs Cette version permet d'augmenter le temps de traitement et de répartir dans le sens du défilement du matériau plan l'énergie totale disponible; elle est intéressante lorsqu'on est limité par la tension maximale appliquée. Par ailleurs, la forme en arc de cercle de la self n'est pas limitative; elle peut par exemple avoir une forme sensiblement carrée Dans ce cas la variation de la section intérieure de la self sera obtenue par déplacement de sa base,
mobile, le long de ses flancs latéraux fixes.
Enfin de préférence l'applicateur selon l'invention sera installé à l'intérieur d'un caisson électriquement relié à la masse du générateur et faisant office de blindage
électromagnétique.
Claims (7)
1 Applicateur résonnant haute-fréquence ou micro-onde pour le traitement d'un matériau plan ( 4), comportant un condensateur plan entre les plateaux duquel se déplace ledit matériau, caractérisé en ce qu'il comporte une self, constituant avec la capacité du condensateur le circuit oscillant et dont la longueur ( 1) est identique à la dimension des plateaux du condensateur mesurée transversalement par rapport au sens de déplacement du matériau. 2 Applicateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la self est constituée d'une bande métallique en forme d'arc de cercle ( 10), prolongeant transversalement le plateau du
condensateur faisant office d'électrode chaude ( 8 ou 9).
3 Applicateur selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte deux condensateurs plans, dont les plateaux ( 8,9) faisant office d'électrodes chaudes sont dans le même plan et reliés par les extrémités de la bande métallique en arc de cercle ( 10),
constituant la self.
4 Applicateur selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé
en ce qu'il comporte des moyens de déformation de la bande
métallique, aptes à faire varier la section intérieure de la self.
Applicateur selon la revendication 4 caractérisé en ce que les moyens de déformation consistent en une plaque métallique ( 17) qui est en contact avec la face externe de la bande métallique ( 10) et qui est équipée d'un système de coulissement, apte à exercer une contrainte sur la bande telle que l'arc de cercle se déforme
uniformément sur toute la longueur de la self.
6 Applicateur selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé
en ce qu'il comporte des moyens de réglage de l'écartement des
plateaux du condensateur.
7 Applicateur selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé
en ce qu'il comporte des barres ( 18) montées transversalement sur les faces internes des plateaux ( 2,3) du condensateur et aptes à faire varier l'intensité du champ électromagnétique et de le
concentrer sur le matériau plan ( 4).
8 Applicateur selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé
en ce qu'il comporte, pour l'alimentation de l'applicateur 1, un générateur connecté grâce à une bride coaxiale ( 12) d'une part à une première bande métallique ( 11) de section progressive prolongeant le plateau du condensateur ( 2) faisant office d'électrode de masse et d 'autre part à une seconde bande métallique ( 15) de section progressive dont l'extrémité formant bande de couplage ( 14) est placée parallèlement et en regard d'une autre bande de couplage ( 16) prolongeant en surélévation le plateau ( 8) du condensateur faisant office d'électrode chaude, les deux bandes de couplage ( 14,16) faisant office de capacité de couplage. 9 Applicateur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs selfs s'alternant avec des plateaux de
condensateur dans le sens de défilement du matériau.
Applicateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la face interne du plateau ( 2) du condensateur, faisant office d'électrode de masse, est rainurée longitudinalement dans le sens
de déplacement du matériau.
11 Applicateur selon l'une des revendications 1, 2 ou 10
caractérisé en ce que la face interne de la self ( 10) est rainurée
longitudinalement, dans le sens de défilement du matériau.
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Applications Claiming Priority (1)
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