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Procède de chauffage par la haute fréquence de matières diélectriques
L'invention se rapporte au traitement de matières, et plus spécialement au chauffage haute-fréquence de matières non conductrices.
Il est connu que les matières non conductrj.ces peuvent être chauffées en les disposant entre les armatures d'un conden- sateur auxquelles est appliqué un courant haute-fréquence. Ce pro- cédé donne un chauffage plus uniforme de la matière et est quel- que peu plus rapide qu'un simple chauffage. Cependant sauf pour de très petits articles, le matériel exigé est très compliqué et coûteux et la consommation en courant électrique est très élevée.
L'objet principal de la présente invention est de pré- voir un procédé et un appareil pour le traitement de matières en haute-fréquence qui soient plus efficaces et plus rapides que ceux précédemment utilisés, en employant un appareil plus simple et exi- geant moins de puissance.
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Un autre objet de l'invention est de prévoir un procé- dé et un appareil qui soient efficaces dans le traitement des ré- sines ou autres traitements de matières suivant lesquels la ma- tière est soumise à l'énergie haute-fréquence de façon telle qu' elle soit traitée ou "cuite" sans chauffage prolongé lequel dans de nombreux cas, le détruirait, ou tout au moins l'endommagerait.
Un objet supplémentaire de l'invention est de prévoir un appareil pour l'application de l'énergie haute-fréquence dans lequel les éléments électroniques peuvent être soumis à des tensions et à des puissances plus élevées et de loin que dans les générateurs haute-fréquence habituels.
Un objet supplémentaire de l'invention est de prévoir un procédé et un appareil qui seront capables, tout en fonc- tionnant de façon économique, de traiter des objets sensiblement plus grands que ceux qui l'ont été jusqu'à présent. Un autre ob- jet de l'invention est de prévoir un procédé au moyen duquel des pièces de bois, et spécialement de bois résineux, pourront être collées tout en employant peu ou même pas du tout d'adhésif.
Ainsi des planches de pin peuvent être plaquées par l'intermé- diaire de la résine contenue dans le pin.
L'invention est susceptible de nombreuses applications et, dans son aspect le plus général, elle est applicable dans tous les cas où le traitement haute-fréquence est recommandé. Elle est spécialement utile, cependant dans le traitement des matières plastiques telles que caoutchoucs et résines artificielles, à la stérilisation et au collage des bois résineux. Il y a bien enten- du, beaucoup d'autres champs d'application de l'invention.
L'invention envisage en général de soumettre une ma- tière non conductrice disposée dans un circuit haute-fréquence aux pulsations espacées d'un générateur radio haut±fréquence de puissance élevée. On a trouvé qu'un traitement très efficace peut être obtenu par exemple, en utilisant des impulsions de l'ordre de
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1,5 micro-secondes, à une fréquence de 200 par seconde et que de telles impulsions peuvent avec un simple appareil donner une tension de 18. 000 volts et une puissance de sortie de 200 KWs à la fréquen- ce de 3.000 mégacycles. Dans un tel cas, la puissance d'entrée n'excède pas 600 Watts.
Des objets supplémentaires et des anvantages de l'inven- tion apparaitront plus pleinement une fois pris en considération les dessins joints au texte.
Dans les dessins:
La figure 1 est un schéma montrant une alimentation sus- ceptible de convenir lors de la mise en application pratique de l'invention.
La figure 2 est un schéma d'un circuit oscillant et à impulsion montrant l'application de l'invention.
La figure 3 est un schéma d'une méthode différente d'u- tilisation des oscillations pulsées produites par le circuit de la figure 2.
La figure 4 est une représentation graphique des impul- sions de puissance.
Le dispositif montré en 1 est du type classique de trans- formateur et de doubleur de tension. Il renferme un transformateur en 2 alimentant deux diodes 4,6 (type 705 A) et un deuxième trans- formateur 8. Le transformateur 2 alimente les cathodes des deux tubes 4 et 6. La plaque du tube 4 est reliée à la cathode du tu- be 6, une déviation de cette branche est reliée au secondaire du transformateur 8. I,a cathode du tube 4 et la plaque du tube 6 sont reliées à travers les résistances de charge 10 à une bran- che 12 contenant les condensateurs 13, 14/le milieu de la branche étant relié à l'autre borne du secondaire du transformateur 8 et au milieu d'une autre branche 16. La branche 16 est placée aux bornes de la branche 12 et contient les résistances de fuite 18.
Une borne de la branche 16 (la borne inférieure sur le dessin) est
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reliée au montage oscillant à impulsions .qui sera décrit.
Ce montage délivre en B+ une tension continue de 12.000 volts à 60 pps;ce point est relié au point B+ au circuit oscillant et de formation des impulsions de la figure 2. Ce genre de monta- ge est bien connu (voir par exemple "Radar System Fundamentals", Bureau of ships, Navy Department, April 1944, Navyships 900.017 page 180). Le courant est amené à travers la self de choc 20 à la cathode d'une diode de charge 22 (type 705 A). La plaque de ce tube est reliéeà travers la résistance de charge 24 au réseau de formation des impulsions 26. Aux bornes de la résistance 24 se trouve un dispositif à étincelle composé d'un organe tournant 28 mis à la terre et un contact 30 coopérant avec les contacts dispo- sés sur l'organe tournant de manière à provoquer un certain nombre d'étincelles à chaque tour.
L'organe 28 est commandé de toute ma- nière convenable, par exemple, par un moteur synchrone de façon à produire le nombre d'impulsions par seconde désiré dans le procédé.
Le réseau de formation des impulsions 26 contient un condensateur 32 en série avec trois résistances 34 en parallèle, chacune en série avec un condensateur 36, et une self-inductance 38.
La self-inductance 38 est reliée à travers la self-inductance 40 à l'organe tournant 28 et à la terre, et est aussi reliée à un câ- ble coaxial 42 dont la gaine est mise à la terre. Le câble coaxial alimente le primaire d'un transformateur 44. Le transformateur 44 possède deux secondaires 46 et 48 ayant chacun leurs bornes reliées à la cathode d'un magnétron (2 J.32) 50. Les deux connexions sont polarisées par un condensateur 52. Un espace à décharge 54 est par ailleurs disposé aux bornes du secondaire inférieur 48. Les autres bornes des deux secondaires sont reliées au secondaire d'un trans- formateur 56, alimenté sous toute tension convenable telle que 110 volts, 60 pps. Deux condensateurs 58 en série avec un point milieu à la terre sont montés en parallèle sur le secondaire du transfor-
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mateur 56.
On prévoit également, pour empêcher les à-coups, une diode amortisseuse 62 dont la plaque est connectée à la cathode du magnétron et'dont la cathode est insérée dans un circuit d'amor- tissement. Ce circuit amortisseur renferme une self 64, une résis- tance 66 et un condensateur 68.
Le corps du magnétron est mis à la terre. La plaque est reliée par l'internédiaire d'un câble coaxial à l'utilisation, c'est-à-dire que les deux organes constituant le câble (la gaine et le câble intérieur) sont reliés aux deux plateaux 72 entre les- quels est placée la matière à traiter 74. On ménagé dans le câble un plongeur d'accord 76. On s'arrange pour que la borne d'arrivée à vuedes plateaux soit un point nodal.
En fonctionnement, ce dispositif agit de la façon sui- vante:
La puissance d'alimentation fournit au circuit àimpul- sions un courant de haute-tension. Le circuit d'impulsionsproduit des impulsions brèves à puissance élevée, espacées les unes des autres par des intervalles beaucoup plus longs que les impulsions et durant lesquels peu ou pas de courant circule. Ces impulsions sont converties par l'oscillateur en impulsions haute-fréquence.
Ces impulsions haute-fréquence appliquées aux plaques du condensa- teur ont une puissance de pénétration élevée et seront bien plus efficaces dans le traitement des matières que les champs entrete- nus exigeant le même taux d'énergie.
L'invention peut également être appliquée de la manière indiquée figure 3. Ici la sonde 78 du magnétron pénètre dans un guide d'onde convenable 80 qui peut ê'tre contrôlé par un plongeur d'accord 82. A l'intérieur du guide d'onde 80, et relié électrique- ment à un côté du guide d'onde se trouve un plateau 84 entre le- quel et l'autre paroi du guide d'onde on place la matière à trai- ter 90.
Il est visible que dans le domaine de l'invention de
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nombreuses variantes sont possibles. Par exemple bien qu'on ait indiqué un type d'alimentation, un montage à impulsions et un oscillateur, d'autres montages capables de produire des impulsions haute-fréquence de grande puissance peuvent être utilisés.
Par ailleur la grandeur de la puissance appliquée, la fréquence et la durée des impulsions et la fréquence et la puis- sance de sortie de l'oscillateur peuvent varier dans de grandes limites. Pour plusieurs raisons, le fonctionnement le plus effica- ce a lieu pour des intervalles entre impulsions aussi longs que possible vis-à-vis des impulsions elles-mêmes et lorsqu'aucun cou- rant ne circule sauf durant les impulsions. De même, de meilleurs résultats sont obtenus pour des impulsions de force rectangulaire comme montré en figure 4. Cependant des conditions ne sont pas essentielles pour obtenir un fonctionnement beaucoup plus efficace qu'avec les dispositifs du type employé couramment.
La fréquence des impulsions peut être quelconque à partir d'environ une par seconde jusqu'à 5000 ou plus. Cependant une pulsation extrêmement rapide ne donne ordinairement aucun avan- tage spécial pour le traitement des matières, et selon l'invention il est préférable d'opérer aux environs de 200 impulsions par se- conde. Pour le traitement de grandes surfaces une fréquence d'im- pulsion plus élevée est désirable. La fréquence de l'oscillateur (la modulation) est de même tout à fait variable, quoique les fré- quences plus élevées, à partir de 1. 000.000 pps et au-dessus donnent plus de puissance de pénétration. Selon l'invention, il est préfé- rable de travailler à l'intérieur de la bande des ondes micrométri- ques et le montage indiqué ici produit des oscillations à la fré- quence de 3.000 mégacycles.
Les fréquences de 10. 000 mégacycles et au-dessus peuvent être utilisées. Comme règle, plus la surface à traiter est grande, plus basse sera la fréquence de modulation optimum.
La quantité de puissance produite pendant les impulsions
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variera, bien entendu avec la matière à traiter. Avec une puissan- ce d'entrée donnée, on peut faire varier la tension en faisant va- rier l'amplitude des impulsions, selon l'épaisseur et la constante diélectrique de la matière, de façon à obtenir un chauffage unifor- me de celle-ci. Cependant la puissance durant les impulsions doit être plusieurs fois celle entre les impulsions, qui n'a pas d'ef- fet utile.
Dans le circuit indiqué en figure 2 la tension sur les plateaux 72 peut être de l'ordre de 18.000 volts ou plus durant les impulsions, avec un fem négligeable entre les impulsions. Les impulsions dans ce dispositif ont une largeur d'environ 1,5 micro- secondes seulement,en sorte que la puissance n'est appliquée que pendant les 0,03 du temps. Des impulsions plus larges, par exem- ple jusqu'à 25 micro-secondes, peuvent être utilisées, en faisant varier convenablement le réseau retardateur du système.
Le montage indiqué ici est capable. de produire 200 im- pulsions par seconde, chacune d'elles ayant une largeur de 1,5 micro- secondes et une puissance de 200 Kws tout enne prélevant à la li- gne qu'une puissance de 600 watts. Avec d'autres dispositifs con- venables, des puissances plus élevées ou plus basses peuvent être créées et appliquées à la matière à traiter.
A cause du fait que l'oscillateur ne fonctionne que pen- dant une petite portion du temps, le magnétron ou autre tube-oscil- lateur jouit d'un long temps disponible pour se refroidir entre les impulsions et il peut donc fonctionner sur haute impédance en fournissant une puissance de sortie beaucoup plus élevée qu'un gé- nérateur à onde entretenue. Ainsi l'appareil tout entier,peut être beaucoup plus simple et plus petit, et par conséquent beaucoup moins coûteux, que les dispositifs classiques donnant des résul- tats comparables ou moindres. Par ailleurs la dépense d'énergie est extrêmement faible en regard des résultats obtenus.
Une application particulièrement intéressante de l'in-
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vention est le collage de planches de bois résineux, au moyen de la résine qui est contenue et sans apport d'adhésif ou d'agglomé- rant, ou tout au moins avec beaucoup moins qu'il n'est normalement nécessaire. Si on dispose deux planches de pin dans le système qui a été décrit, en une seconde elles seront fermement collées l'une contre l'autre. Le même procédé est applicable aux copeaux de bois agglomérés pour former une planche. Le produit résultant est soli- de et peu coûteux.
Si, pour uneraison quelconque, un collage par- ticulièrement solide est nécessaire, on peut utiliser alors un peu d'adhésif additionnel, de préférence une résine synthétique ; mais même alors la résistance contenue dans le bois fournira une part importante du liant, qui sera beaucoup plus solide que celui qui pourrait être obtenu par l'emploi de l'adhésif seul.
On peut également effectuer ce collage à l'aide d'un dispositif fonctionnant en ondes micrométriques entretenues. Un tel procédé n'est cependant pas entièrement satisfaisant, il exige un contrôle exact du temps d'application.
Pour des fonctionnements jusqu'à 600 mégacycles, l'éner- gie est plus facilement et économiquement appliquée en disposant la matière entre deux plateaux. De 600 à 1.000 mégacycles, on pré- fère l'emploi d'un câble coaxial et de plateaux applicateurs comme l'indique la figure 2. Au-dessus de 1.000 mégacy@les la disposition de la figure 3 est également très efficace.