CH615551A5 - Applicator for delivering electromagnetic energy - Google Patents

Abstract

The applicator comprises a generator (7) able to deliver electromagnetic energy in the form of microwaves, coupled to a waveguide (G) in which is placed a cylinder (M) of dielectric material to be treated. The right cross-section of the guide (G) assumes the shape of a rectangle, each large side of which has a central arc which points its concavity towards the inside of the rectangle. The applicator makes it possible to obtain a more homogenous field in the dielectric allied with a satisfactory working cross-section. It exhibits few reflections. Use in the treatment of foodstuffs, the heating of insulating materials, concrete, rubber and the desorption of filters. The dielectric can moreover be a flowing fluid. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne un applicateur contenant un générateur apte à fournir de l'énergie électromagnétique sous forme de micro-ondes. Elle trouve une application de choix dans les procédés et réacteurs dits applicateurs qui traitent une matière confinée dont l'un au moins des constituants est un diélectrique en phase liquide, solide ou même gazeuse, par des ondes électromagnétiques hautes fréquences ou micro-ondes de 1 MHz à 40 GHz et, de préférence, de 500 MHz à 4 GHz, en vue de lui fournir une énergie électromagnétique, ou de la chauffer. The present invention relates to an applicator containing a generator capable of supplying electromagnetic energy in the form of microwaves. It finds an application of choice in the processes and reactors called applicators which treat a confined material of which at least one of the constituents is a dielectric in liquid, solid or even gaseous phase, by high frequency electromagnetic waves or microwaves of 1 MHz to 40 GHz and, preferably, from 500 MHz to 4 GHz, in order to supply it with electromagnetic energy, or to heat it.

Un applicateur comprend essentiellement un guide d'ondes électromagnétiques en matière conductrice de l'électricité dont l'entrée est couplée à un générateur de telles ondes. Le guide sert aussi de réceptacle ou de tunnel pour la matière à traiter ou contient un tel réceptacle ou est prolongé par celui-ci. An applicator essentially comprises an electromagnetic waveguide made of electrically conductive material, the input of which is coupled to a generator of such waves. The guide also serves as a receptacle or tunnel for the material to be treated or contains or is extended by such a receptacle.

Un applicateur de ce genre est utilisé dans les domaines les plus divers, allant du traitement des produits alimentaires, au chauffage de matières isolantes, de matières plastiques, du béton, du caoutchouc, de minérais en passant par la réalisation de polymérisations, de désorptions, de séchages, de séparations ou autres réactions physiques et chimiques qui impliquent l'un des constituants de la matière ou ont lieu entre les constituants de celle-ci. An applicator of this kind is used in the most diverse fields, ranging from the treatment of food products, to the heating of insulating materials, plastics, concrete, rubber, minerals through the carrying out of polymerizations, desorptions, drying, separation or other physical and chemical reactions which involve one of the constituents of the material or take place between the constituents of the latter.

La forme du guide d'onde dépend de la quantité de matière à traiter, des caractéristiques diélectriques de cette matière, de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique qui est appliqué, ainsi que des variations de ces paramètres en cours de traitement. The shape of the waveguide depends on the quantity of material to be treated, on the dielectric characteristics of this material, on the wavelength of the electromagnetic radiation which is applied, as well as on the variations of these parameters during treatment.

En général, qu'ils s'agissent d'applicateurs du type à défilement ou à cavité résonnante multimode, le volume de la matière à traiter est faible par rapport aux dimensions de l'enceinte dans laquelle elle se trouve. In general, whether they are applicators of the scrolling type or multimode resonant cavity, the volume of the material to be treated is small compared to the dimensions of the enclosure in which it is located.

Lorsque la section vraie sVe , s étant la section droite réelle de la matière et e sa constante diélectrique, est inférieure au dixième de la section du guide d'onde, le champ électromagnétique, imposé par les parois métalliques du guide ou de l'enceinte, prend une valeur constante dans toute la section de la matière. Mais dès que la section vraie atteint le cinquième de la section du guide, la champ n'est plus homogène. When the true section sVe, s being the real cross section of the material and e its dielectric constant, is less than one tenth of the section of the waveguide, the electromagnetic field, imposed by the metallic walls of the guide or of the enclosure , takes a constant value throughout the section of the material. But as soon as the true section reaches the fifth of the guide section, the field is no longer homogeneous.

Si l'on veut disposer un volume donné relativement important de matière diélectrique dans le guide, cela peut nécessiter des dimensions de guide trop importantes, incompatibles avec les contraintes de résistance des matériaux et d'encombrement. Lorsque ce volume doit absorber et désorber une certaine quantité de gaz ou fluide à un débit donné, les contraintes de dimensionnement du guide, imposées par l'obtention d'un champ de valeur constante sur toute la section de la matière, peuvent s'avérer gênantes ou même incompatibles avec les lois du génie chimique relatives au bon écoulement du fluide. On ne peut donner au guide la section importante que nécessiterait une bonne homogénéité du champ électrique dans la matière diélectrique. If a relatively large given volume of dielectric material is to be placed in the guide, this may require guide dimensions that are too large, incompatible with the constraints of resistance of materials and bulk. When this volume must absorb and desorb a certain amount of gas or fluid at a given flow rate, the dimensioning constraints of the guide, imposed by obtaining a field of constant value over the entire section of the material, may prove to be troublesome or even incompatible with the laws of chemical engineering relating to the good flow of the fluid. The guide cannot be given the large section that would require good homogeneity of the electric field in the dielectric material.

L'invention a reconnu ces difficultés et y pallie par un applicateur comprenant un générateur apte à fournir de l'énergie électromagnétique sous forme de micro-ondes, couplé à un guide d'ondes dans lequel est placé un cylindre de matière diélectrique à traiter dont deux dimensions perpendiculaires entre elles de la section droite apparente représentent chacune de 0,25 à 4 fois la longueur d'onde dans le vide fournie par le générateur, caractérisée en ce que la section droite du guide affecte la forme d'un rectangle dont les deux grands côtés présentent un arc central tournant sa concavité vers l'intérieur du rectangle. The invention has recognized these difficulties and overcomes them with an applicator comprising a generator capable of supplying electromagnetic energy in the form of microwaves, coupled to a waveguide in which is placed a cylinder of dielectric material to be treated, of which two dimensions perpendicular to each other of the apparent cross section each represent from 0.25 to 4 times the wavelength in vacuum provided by the generator, characterized in that the cross section of the guide assumes the shape of a rectangle whose two long sides have a central arc turning its concavity towards the inside of the rectangle.

Le réacteur peut se présenter sous la forme particulière d'un cylindre à section droite quelconque, telle que circulaire, rectangulaire ou plus complexe. Lorsque la matière est pulvérulente, sous forme de billes, bâtonnets, granulés, poudre ou liquide, on donne cette forme à son réceptacle notamment à une cartouche en matière diélectrique. La matière peut être aussi simplement maintenue dans le guide par des plaques assorties de rainures ou tout autre procédé convenant à l'étan-chéité du circuit des fluides. Les dimensions de chacun des éléments de la section droite définissent, compte tenu des valeurs prises par les paramètres déjà cités, un mode de propagation des ondes électromagnétiques bien connu, c'est-à-dire dont on connaît les composantes axiales et par cela les composantes transversales des champs électromagnétiques associés à la propagation. La matière est disposée aux endroits où le champ électrique est intense, en général au centre de la structure composite si le mode dominant fondamental pour la propagation dans le réacteur est retenu. Là où le champ électrique est faible, l'espace peut être laissé vide ou garni de bourre inerte. The reactor can be in the particular form of a cylinder of any cross section, such as circular, rectangular or more complex. When the material is powdery, in the form of balls, sticks, granules, powder or liquid, this shape is given to its receptacle, in particular to a cartridge of dielectric material. The material can also be simply held in the guide by plates with grooves or any other method suitable for the etan-cheity of the fluid circuit. The dimensions of each of the elements of the cross section define, taking into account the values taken by the parameters already mentioned, a well-known mode of propagation of the electromagnetic waves, that is to say of which the axial components are known and by that the transverse components of the electromagnetic fields associated with propagation. The material is placed at the places where the electric field is intense, in general in the center of the composite structure if the dominant dominant mode for the propagation in the reactor is selected. Where the electric field is weak, the space can be left empty or filled with inert stuffing.

Pour perturber le moins possible la répartition de l'énergie électromagnétique, il vaut mieux se dispenser de tout organe rapporté de maintien en position du cylindre dans le guide. Avantageusement, le cylindre est maintenu dans le guide par le contact d'une partie de sa paroi extérieure avec une partie de la paroi intérieure du guide, l'une de ces parties formant une discontinuité de forme avec le reste de la paroi de l'élément auquel elle appartient. To disturb the distribution of electromagnetic energy as little as possible, it is better to dispense with any added member for holding the cylinder in position in the guide. Advantageously, the cylinder is held in the guide by the contact of a part of its outer wall with a part of the inner wall of the guide, one of these parts forming a discontinuity in shape with the rest of the wall of the element to which it belongs.

De préférence, le cylindre a une section droite circulaire facile à obtenir et permettant de l'introduire sans tâtonnement ni positionnement préalable particulier dans le guide. Preferably, the cylinder has a circular cross section which is easy to obtain and which makes it possible to introduce it without trial and error or particular prior positioning in the guide.

Mais le guide doit présenter le moins possible de points anguleux ou autres, aptes certes à positionner le cylindre, mais néfastes pour l'obtention d'une bonne répartition de l'énergie. On a obtenu des résultats particulièrement satisfaisants lorsque la section droite du guide affecte la forme d'un rectangle dont chaque grand côté présente un arc tournant sa concavité vers l'intérieur du rectangle. Il vaut mieux que les deux arcs soient s However, the guide must have as few angular or other points as possible, certainly capable of positioning the cylinder, but harmful for obtaining a good distribution of energy. Particularly satisfactory results have been obtained when the cross section of the guide assumes the shape of a rectangle, each large side of which has an arc rotating its concavity towards the inside of the rectangle. It is better that the two arcs are s

10 10

1S 1S

2« 2 "

25 25

30 30

35 35

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45 45

50 50

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sur un même cercle ou, le cas échéant, une même ellipse ou un même ovale. De préférence, l'un des arcs est moins long que l'autre. L'un des arcs peut s'étendre sur le quart à la moitié de la longueur du rectangle. on the same circle or, where applicable, the same ellipse or the same oval. Preferably, one of the arcs is shorter than the other. One of the arcs can extend over a quarter to half the length of the rectangle.

Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple: In the appended drawings given solely by way of example:

Les fig. 1A à 1C illustrent l'invention. Figs. 1A to 1C illustrate the invention.

La fig. 1 est une vue à l'échelle de la section droite du guide composite pour un réacteur ou applicateur suivant l'invention. Fig. 1 is a scale view of the cross section of the composite guide for a reactor or applicator according to the invention.

La fig. 2 est une vue en coupe longitudinale d'un réacteur suivant l'invention. Fig. 2 is a view in longitudinal section of a reactor according to the invention.

La fig. 3 est une vue partielle à échelle agrandie suivant la ligne III-III de la fig. 2. Fig. 3 is a partial view on an enlarged scale along line III-III of FIG. 2.

La fig. 4 est une vue partielle en coupe d'un autre réacteur suivant l'invention. Fig. 4 is a partial sectional view of another reactor according to the invention.

Les fig. 5 et 6 sont des vues suivant les lignes V-V et VI-VI de la fig. 4. Figs. 5 and 6 are views along the lines V-V and VI-VI of FIG. 4.

On a réalisé le guide d'ondes de la fig. 1 de la manière suivante: The waveguide of FIG. 1 as follows:

On veut le coupler à un générateur fournissant des ondes de fréquence 2450 MHz et on veut qu'il contienne une matière diélectrique de permittivité égale à 2,5. We want to couple it to a generator providing waves with a frequency of 2450 MHz and we want it to contain a dielectric material with a permittivity of 2.5.

Pour un guide rectangulaire avec un fonctionnement en mode TEio fondamental, on peut partir d'un guide de 72 X 34 mm (Fig. 1 A). On peut le remplir complètement sans que les modes supérieures puissent se propager. La section utile est alors de 24 cm2, mais le champ n'est pas homogène. For a rectangular guide with operation in fundamental TEio mode, one can start from a guide of 72 X 34 mm (Fig. 1 A). It can be filled completely without the higher modes being able to propagate. The useful section is then 24 cm2, but the field is not homogeneous.

En ne mettant de la matière qu'au centre du guide, on constate que l'on peut augmenter légèrement ses dimensions. On peut adopter œ = 4,3 cm, h = 4,3 cm, a = 8,5 cm (fig. 1B). La section utile n'est que de 18 cm2. By putting material only in the center of the guide, we see that we can slightly increase its dimensions. We can adopt œ = 4.3 cm, h = 4.3 cm, a = 8.5 cm (fig. 1B). The useful section is only 18 cm2.

Si l'on adopte le guide circulaire plein de matière selon le mode TEn (fig. 1C), le rayon du guide à choisir est de 2,8 cm. La section utile est de 22 cm2; mais le champ n'est pas homogène. Dans les régions R non hachurées, le champ est pratiquement nul. If we adopt the circular guide full of material according to TEn mode (fig. 1C), the radius of the guide to choose is 2.8 cm. The useful section is 22 cm2; but the field is not homogeneous. In the non-hatched R regions, the field is practically zero.

En superposant les fig. 1B et 1C, c'est-à-dire pratiquement en déformant le fig. 1B pour lui donner la forme de la superposition, on arrive à la section illustrée à la fig. 1 de 4,2 cm de hauteur et de 8 cm de largeur, le diamètre du cercle étant de 6 cm. La section utile atteint 29 cm2. Le champ y est homogène. Cette forme de guide est favorable à l'écoulement des gaz dans la matière. By superimposing figs. 1B and 1C, that is to say practically by deforming FIG. 1B to give it the form of the superposition, we arrive at the section illustrated in FIG. 1 of 4.2 cm in height and 8 cm in width, the diameter of the circle being 6 cm. The useful section reaches 29 cm2. The field is homogeneous. This form of guide is favorable for the flow of gases in the material.

La fig. 1 illustre la disposition de la matière M diélectrique à traiter débordant le contour d'un guide G rectangulaire standard. Le mode de propagation retenu est un mode transverse électrique qui se note 10 selon la notation bien connue des spécialistes hyperfréquences. Il est dérivé de celui qui se propage dans les guides rectangulaires standards. La surépaisseur diélectrique centrale, qui résulte de l'insertion du cylindre diélectrique M, répartit d'une façon plus homogène l'énergie électromagnétique à propager que dans le cas d'une section Fig. 1 illustrates the arrangement of the dielectric material M to be treated extending beyond the contour of a standard rectangular guide G. The propagation mode used is a transverse electric mode which is rated 10 according to the well-known notation of microwave specialists. It is derived from that which propagates in standard rectangular guides. The central dielectric allowance, which results from the insertion of the dielectric cylinder M, distributes the electromagnetic energy to be propagated more homogeneously than in the case of a section

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purement rectangulaire ou circulaire. Le matériau diélectrique, par sa forme circulaire, est favorable à l'écoulement des fluides. purely rectangular or circular. The dielectric material, by its circular shape, is favorable for the flow of fluids.

Le réacteur illustré aux fig. 2 et 3 sert à traiter et à contenir un tamis moléculaire adsorbant. The reactor illustrated in FIGS. 2 and 3 is used to treat and contain an adsorbent molecular sieve.

Il se compose d'un guide d'ondes délimité par le tronçon 1 médian d'un tuyau 2 métallique de section droite indiquée à la fig. 1 et par deux faces d'entrée 3 et de sortie 4 d'une cartouche 5 cylindrique en téflon emplie d'un tamis moléculaire adsorbant. La section droite de la cartouche est circulaire, mais de moindre périmètre que celui de la section droite du tuyau 2 It consists of a waveguide delimited by the middle section 1 of a metal pipe 2 of straight section indicated in fig. 1 and by two inlet 3 and outlet 4 faces of a cylindrical Teflon cartridge 5 filled with an adsorbent molecular sieve. The straight section of the cartridge is circular, but less perimeter than that of the straight section of pipe 2

Le tronçon 6 du tuyau 2 en amont du tronçon 1 est couplé à un magnétron 7. Il est percé de deux ouvertures 8, 9 longitudinales. La distance qui sépare l'ouverture 8 du magnétron 7 est supérieure, d'un quart de la longueur de l'onde dans le tuyau 2 émise par le magnétron 7, à celle qui sépare l'ouverture 9 du magnétron 7. Une source d'air, non représentée, communique avec les ouvertures 8, 9. The section 6 of the pipe 2 upstream of the section 1 is coupled to a magnetron 7. It is pierced with two longitudinal openings 8, 9. The distance between the opening 8 of the magnetron 7 is greater, by a quarter of the length of the wave in the pipe 2 emitted by the magnetron 7, than that which separates the opening 9 from the magnetron 7. A source of air, not shown, communicates with the openings 8, 9.

Entre les tronçons 1 et 6, boulonnés l'un à l'autre, est interposé un coin 10 en téflon. Le sommet 11 du coin 10 est tourné vers le magnétron 7. La base 12 du coin 10 est en contact avec la face d'entrée 3 de la cartouche 5 et a la même dimension que celle-ci. Des canaux 13, sensiblement parallèles à la direction longitudinale du tuyau 2, donc à la direction de propagation, sont ménagés dans le coin 10. Ils mettent l'intérieur du tronçon 6 en communication avec l'intérieur du tronçon 1. Between sections 1 and 6, bolted to each other, is interposed a Teflon wedge 10. The top 11 of the corner 10 is turned towards the magnetron 7. The base 12 of the corner 10 is in contact with the inlet face 3 of the cartridge 5 and has the same dimension as the latter. Channels 13, substantially parallel to the longitudinal direction of the pipe 2, therefore to the direction of propagation, are formed in the corner 10. They place the interior of the section 6 in communication with the interior of the section 1.

Le tronçon 14 du tuyau 2 en aval du tronçon 1 est une terminaison sans réflexion. Il est constitué d'un matériau adsorbant, percé également de canaux longitudinaux sensiblement parallèles, pour l'écoulement des fluides. La chaleur résiduelle de l'énergie micro-onde est évacuée par un serpentin 15 qui traverse la charge. Il contient un coint 16 en téflon ayant des canaux longitudinaux et dont le sommet 17 est dirigé en sens inverse de la direction de propagation des ondes dans le tuyau 2. Le sommet 17 épouse la forme rentrante de l'extrémité 4 de la cartouche 5 la plus éloignée du magnétron 7. L'extrémité ou sommet 17 épouse la face de sortie 4. The section 14 of the pipe 2 downstream of the section 1 is a termination without reflection. It consists of an adsorbent material, also pierced with substantially parallel longitudinal channels, for the flow of fluids. The residual heat of the microwave energy is removed by a coil 15 which passes through the load. It contains a teflon wedge 16 having longitudinal channels and the apex 17 of which is directed in the opposite direction to the direction of propagation of the waves in the pipe 2. The apex 17 follows the re-entrant shape of the end 4 of the cartridge 5 la further away from the magnetron 7. The end or top 17 follows the outlet face 4.

Dans une autre forme de réalisation, la face 4 et le fond 3 sont des grilles support entre lesquelles la matière à traiter est maintenue. In another embodiment, the face 4 and the bottom 3 are support grids between which the material to be treated is maintained.

A la fig. 4, le tamis moléculaire 5 est supporté par une grille 3 en téflon. Au contact de la grille 3 et entre celle-ci et le magnétron (se trouvant au bas de la figure, mais non représenté) est interposée une fenêtre 18 métallique épaisse. La grille 3 et la fenêtre 18 sont serrées par des boulons 19 à l'aide de brides 20. La fenêtre 18 compense et corrige la discontinuité, source de réflexion, entre la matière et l'air qui se trouve en amont. In fig. 4, the molecular sieve 5 is supported by a grid 3 in teflon. In contact with the grid 3 and between it and the magnetron (located at the bottom of the figure, but not shown) is interposed a thick metal window 18. The grid 3 and the window 18 are tightened by bolts 19 using flanges 20. The window 18 compensates and corrects the discontinuity, source of reflection, between the material and the air which is upstream.

Une onde issue du magnétron se propage pratiquement sans réflexion dans le tuyau 2. A wave coming from the magnetron propagates practically without reflection in the pipe 2.

Les réacteurs illustrés ont permis de régénérer à température plus basse qu'à l'ordinaire un tamis moléculaire ayant adsorbé du CO2 et de l'eau. The reactors illustrated made it possible to regenerate at a lower temperature than usual a molecular sieve having adsorbed CO2 and water.

3 3

5 5

10 10

15 15

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B B

3 feuilles dessins 3 sheets of drawings

Claims (8)

615 551 615,551 2 2 REVENDICATIONS 1. Applicateur comprenant un générateur (7) apte à fournir de l'énergie électromagnétique sous forme de micro-ondes, couplé à un guide d'ondes (G) dans lequel est placé un cylindre (M) de matière diélectrique à traiter dont deux dimensions perpendiculaires entre elles de la section droite apparente représentent chacune de 0,25 à 4 fois la longueur d'onde dans le vide fournie par le générateur, caractérisé en ce que la section droite du guide (G) affecte la forme d'un rectangle dont les deux grands côtés présentent un arc central tournant sa concavité vers l'intérieur du rectangle. 1. Applicator comprising a generator (7) capable of supplying electromagnetic energy in the form of microwaves, coupled to a waveguide (G) in which is placed a cylinder (M) of dielectric material to be treated, two of which mutually perpendicular dimensions of the visible cross section each represent from 0.25 to 4 times the wavelength in vacuum provided by the generator, characterized in that the cross section of the guide (G) takes the form of a rectangle whose two long sides have a central arc turning its concavity towards the inside of the rectangle. 2. Applicateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la section droite du cylindre (M) est circulaire. 2. Applicator according to claim 1, characterized in that the cross section of the cylinder (M) is circular. 3. Applicateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux arcs sont sur un même cercle. 3. Applicator according to claim 1, characterized in that the two arcs are on the same circle. 4. Applicateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'arc a un angle au centre d'au moins — • 4. Applicator according to claim 1, characterized in that the arc has an angle at the center of at least - • 4 4 5. Applicateur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'un des arcs est moins long que l'autre. 5. Applicator according to claim 3, characterized in that one of the arcs is shorter than the other. 6. Applicateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'un des arcs s'étend sur le quart à la moitié de la longueur du côté du rectangle. 6. Applicator according to claim 1, characterized in that one of the arcs extends over a quarter to half the length of the side of the rectangle. 7. Applicateur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le cylindre (M) s'étend dans la zone de l'arc sur toute la hauteur du guide d'ondes. 7. Applicator according to one of claims 1 to 6, characterized in that the cylinder (M) extends in the region of the arc over the entire height of the waveguide. 8. Applicateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le cylindre (M) est maintenu dans le guide (G) par le contact d'une partie de sa paroi extérieure avec une partie de la paroi intérieure du guide, l'une de ces parties formant une discontinuité de forme avec le reste de la paroi de l'élément auquel elle appartient. 8. Applicator according to claim 1, characterized in that the cylinder (M) is held in the guide (G) by the contact of a part of its outer wall with a part of the inner wall of the guide, one of these parts forming a discontinuity in shape with the rest of the wall of the element to which it belongs.