Le sujet de cette invention est un applicateur de micro-ondes dont la fonction particulière est de faire converger un faisceau de micro-ondes issu d'un guide d'ondes vers une zone sensiblement ponctuelle. Une application essentielle de ces appareils est la scarification superficielle du béton afin d'ôter une croûte susceptible d'être contaminée : en convergeant sous cette croûte, les micro-ondes produisent un échauffement local suffisant pour évaporer l'eau contenue dans le béton et faire naître une pression qui effrite la croûte. Il suffit alors de déplacer l'applicateur en lignes parallèles pour strier le béton par bandes. Le brevet français 2 759 239 proposait une solution pour obtenir cette convergence des micro-ondes à partir d'un faisceau divergent, non focalisé, à la sortie d'un guide d'ondes : l'applicateur comprenait une enveloppe à face interne ellipsoïdale réfléchissant les micro-ondes, dans le fond de laquelle le guide de micro-ondes débouchait et qui comprenait une ouverture à l'opposé de ce fond, orientée vers la paroi de béton, ainsi qu'un réflecteur central disposé dans l'enveloppe autour du premier foyer de l'ellipsoïde et présentant une face réfléchissant les micro-ondes et dirigée vers le fond de l'enveloppe. Cette disposition provenait de l'idée d'exploiter les propriétés géométriques de l'ellipse et notamment qu'une onde successivement réfléchie par un foyer puis le contour d'une ellipse parvient forcément au second foyer. Ainsi, l'enveloppe réfléchissante était en forme de portion d'ellipse et le réflecteur central était situé au premier foyer de cette ellipse et avait une forme sensiblement circulaire pour reproduire autant que possible une réflexion sur un point. Le rayonnement successivement réfléchi par le réflecteur central puis par l'enveloppe sortait de celle-ci et convergeait en effet au deuxième foyer de l'ellipse, sous la croûte de béton. Il était prévu de focaliser soit véritablement sur un point, avec une enveloppe en ellipsoïde et un réflecteur sphérique, ou sur une ligne -ce qui était préféré en pratique afin de scarifier le béton par larges bandes- si l'enveloppe était formée de sections elliptiques semblables entre elles et si le réflecteur central était cylindrique.
Cet applicateur était toutefois insuffisant en ce que la portion centrale du faisceau de micro-ondes, émise bien parallèlement au guide d'ondes, était réfléchie sur une portion du réflecteur central qui lui était normale, si bien qu'elle était renvoyée vers le guide de micro-ondes et ne parvenait pas à sa destination. Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient et de faire participer la totalité des micro-ondes à l'échauffement du foyer de convergence.
Le document EP 0 967 841 A décrit, lui, un applicateur de micro-ondes où un cône assure une diffusion des ondes dans un volume à chauffer.
L'applicateur de l'invention est d'un genre qui présente un plan de symétrie et comprend une enveloppe à face intérieure réfléchissante présentant un fond et une ouverture opposés, le guide de micro-ondes débouchant dans le fond de l'enveloppe, et un réflecteur central, disposé dans l'enveloppe et comprenant une face dirigée vers le guide de micro-ondes et profilée de manière que les micro-ondes soient réfléchies par ladite face du réflecteur puis par la face intérieure de l'enveloppe en convergeant sensiblement vers un foyer situé devant l'ouverture de l'enveloppe, et il est caractérisé en ce que ladite face du réflecteur central comprend, sur les côtés du plan de symétrie du guide de micro-ondes, une première facette, centrale, et une deuxième facette, latérale, et la face intérieure de l'enveloppe comprend, de chaque côté du plan de symétrie du guide de micro-ondes, une première facette, centrale, une deuxième facette puis une troisième facette, les facettes étant modelées de façon qu'une première portion des micro-ondes parvienne au foyer après avoir été réfléchie par la deuxième facette du réflecteur central puis la deuxième facette de l'enveloppe, et une deuxième portion des micro-ondes parvienne au foyer après avoir été réfléchie par la première facette du réflecteur central, la première facette de l'enveloppe puis la troisième facette de l'enveloppe.
L'élément le plus original de l'invention est donc que la portion centrale du rayonnement subit une triple réflexion sur l'enveloppe avant d'arriver au foyer.
Certaines formes particulières des facettes peuvent être proposées : ainsi, la deuxième facette du réflecteur central peut être courbe et convexe et la deuxième facette de l'enveloppe elliptique ; ou la première facette du réflecteur central est plane, la première facette de l'enveloppe est circulaire et concave et la troisième facette de l'enveloppe est plane.
D'autres caractéristiques, aspects et avantages de l'invention seront à présent décrits au moyen des figures suivantes :
Se référant aux figures 1, 2 et 3, on voit que l'applicateur comprend un guide de micro-ondes 1 et une embouchure 2 composée d'une enveloppe 3 et d'un réflecteur central 4 retenu à l'enveloppe 3 par des moyens d'attaches 5. Le guide des micro-ondes 1 débouche dans une ouverture 6 opérée dans le fond de l'enveloppe 2, qui comprend encore une ouverture 7 principale beaucoup plus large à sa partie opposée. Cette ouverture 7 principale est en utilisation usuelle placée devant une matière 8 telle qu'une paroi de béton qu'on souhaite soumettre à la chaleur. Les micro-ondes, qui proviennent du guide 1, sont susceptibles de le quitter en se dispersant dans un angle d'ouverture assez important, pouvant être de 30°, de chaque côté d'un plan 9 de symétrie de l'applicateur.
La face interne de l'enveloppe 3 réfléchit les micro-ondes, de même qu'une face dirigée vers le guide de micro-ondes 1 du réflecteur central 4. Cette dernière face comprend deux facettes de chaque côté du plan 9 : une première facette 10, centrale et oblique, qui touche au plan 9, et une deuxième facette 11 latérale, également oblique et qui va jusqu'au bord du réflecteur central 4. La face intérieure de l'enveloppe 3 comprend quant à elle trois facettes : une première facette 12 adjacente au guide de micro-ondes 1, une deuxième facette 13 prolongeant la précédente, et une troisième facette 14 prolongeant la précédente et allant jusqu'au bord de l'ouverture principale 7. Le rayonnement proche du plan 9 et parvenant à la première facette 10 du réflecteur central 4 est d'abord réfléchi vers la première facette 12 de l'enveloppe 3, puis vers la troisième facette 14 avant d'aboutir près d'un point 16 de convergence devant l'embouchure 2. Le rayonnement plus incliné et parvenant à la deuxième facette 11 du réflecteur central 4 parvient au point 16 après une réflexion unique contre la deuxième facette 13 de l'enveloppe 3.
Cette deuxième facette 13 de l'enveloppe 3 peut garder la forme elliptique, caractéristique de l'applicateur connu ; la deuxième facette 11 du réflecteur central 4 peut prendre des formes diverses, mais on a constaté que les facettes planes étaient souvent insuffisantes puisqu'il fallait leur donner, pour intercepter tout le rayonnement du guide 1, une largeur assez importante sans toutefois intercepter la portion du rayonnement déjà réfléchi traversant l'espace entre les facettes 12 et 14 de l'enveloppe 3. C'est pourquoi une forme incurvée et convexe, toujours plus inclinée vers le point 16 en s'approchant du bord du réflecteur 4, est préconisée.
En revanche, la première facette 10 du réflecteur central 4 peut parfaitement être plane, de même que la facette 14 de l'enveloppe 3 sur laquelle la portion correspondante du rayonnement est réfléchie. C'est ici la troisième facette 14 qu'on choisit de construire plane, alors que la première facette 12 de l'enveloppe 3 est concave, courbée en arc de cercle, afin de rendre le rayonnement convergent. Pour cette raison, la concavité de la facette 13 de l'enveloppe 3 doit être plus importante que la convexité de la deuxième facette 11 du réflecteur central 4.
On souligne que l'enveloppe 3 comme le réflecteur central 4 sont symétriques par rapport au plan 9. Les facettes 12, 13 et 14 de l'enveloppe 3 peuvent être jointives ou non. Les simulations effectuées ont montré que presque tout le rayonnement parvenait effectivement au voisinage du point 16 de convergence. On peut se reporter à la figure 3 pour observer un exemple complet de focalisation du rayonnement.
La figure 1 illustre certains autres aspects de l'invention. En particulier, on voit que l'embouchure 2 s'étend à section constante dans la direction de profondeur, si bien que le point 16 de focalisation sera en réalité une ligne dont le déplacement dans une direction perpendiculaire, produit par un mouvement de l'applicateur, balaiera une bande 17 du béton 8. L'enveloppe 3 est fermée par des joues latérales 18 dont l'une est représentée en arrachement.
Le guide d'ondes 1 peut comprendre un adaptateur d'impédance 19 sous forme d'un tronçon de guide d'onde 20 percé de trous 21 parallèles pour recevoir des chevilles ou stubs 22 qui obstruent partiellement l'ouverture, et dont l'impédance capacitive ou selfique compense la partie réactive de la charge (c'est à dire du béton où les ondes sont focalisées). D'autres écrans pourraient convenir.
Une variante avantageuse consiste à placer latéralement, au voisinage de l'ouverture principale 7, une jupe J en matériau à faible permittivité et très faibles pertes, fixée sur l'applicateur autour de l'ouverture 7 de manière à délimiter entre l'applicateur et l'objet sur lequel les micro-ondes sont focalisées un espace dans lequel les déchets de l'écroutage sont retenus.
Un perfectionnement de cette jupe consiste à la doter d'un orifice latéral d'aspiration M des gravats et de la vapeur d'eau éventuelle, à l'aide de moyens d'aspiration non représentés car connus de l'homme du métier.
Une autre variante avantageuse, cumulable avec les précédentes, consiste à relier un ou plusieurs trous 21 à un tuyau 23 d'une source de gaz 24 dont le but est de créer une pression positive dans l'embouchure 2 afin de chasser les débris de béton et la poussière qui pourraient y être projetées grâce à un écoulement dirigé vers l'ouverture 7. Il est encore avantageux que le réflecteur central 4 couvre entièrement l'orifice du guide d'ondes 1 pour aider à le protéger des projections.
Un autre perfectionnement, pouvant être cumulé aux précédents, est l'utilisation d'un bouchon 25 transparent aux micro-ondes mais qui obstrue le guide d'ondes 1 pour empêcher l'intrusion des débris de béton. Il peut être construit en Téflon ou en une autre matière diélectrique (quartz, mica, etc ...).
La figure 2 représente l'applicateur doté d'une jupe J en matériau à faible permittivité et très faibles pertes, fixée sur l'applicateur autour de l'ouverture 7, et munie d'un orifice d'aspiration latéral M. Les déchets d'écroutage retenus par la jupe (J) peuvent alors être évacués par des moyens d'aspiration non représentés car connus.
Selon un autre perfectionnement, également représentés en figure 2, l'applicateur doté d'une jupe munie de l'orifice d'aspiration M, est aussi pourvu de moyens anti-placage destinés à maintenir approximativement constante la distance H entre l'applicateur et l'objet sur lequel les micro-ondes sont focalisées, malgré l'aspiration.
Les moyens anti-placage peuvent être, par exemple, constitués de rouleaux ou de billes montés sur la jupe J.
L'injection de gaz, généralement de l'air, par le tuyau 23 et un ou plusieurs trous 21 peut être cumulé avec l'aspiration par le ou les orifices latéraux d'aspiration M. Ces deux fonctionnalités, initialement destinées au nettoyage des déchets, ont en outre un effet favorable sur le fonctionnement de l'invention. En contribuant à refroidir la surface du béton, elles augmentent le gradient thermique et favorisent ainsi l'éclatement du matériau. Plus généralement, l'adjonction à l'invention selon une quelconque des revendications 1 à 11 de moyens de refroidissement de la surface à écrouter constitue une amélioration significative. Dans notre réalisation préférentielle, ce refroidissement est assuré par l'utilisation conjointe du soufflage et de l'aspiration.
Enfin, on doit remarquer que l'absorption de la chaleur par le béton est d'autant meilleure que les réflexions à sa surface sont limitées. L'angle de Brewster, pour lequel la réflexion des micro-ondes est inexistante, est égal à environ 68° dans le cas du béton (pris entre la direction d'incidence des ondes et la normale à la surface du béton). Il est donc utile qu'une grande partie du rayonnement soit proche de ces conditions. Comme l'incidence correspondante est plutôt rasante, on est conduit à modeler les facettes 12, 13 et 14 de l'enveloppe 3 avec des changements de direction successifs afin que l'enveloppe 3 ait une forme plus étrécie à l'ouverture 7 qu'avec les profils elliptiques du brevet antérieur.
L'invention est également applicable dans tous les cas, industriels ou médicaux, où l'on cherche à focaliser des micro-ondes dans une zone de petites dimensions située à faible distance à l'avant d'un applicateur. On rappelle à cet effet que, selon la dénomination communément retenue, les micro-ondes correspondent à la bande de fréquence s'étendant entre 300 MHz et 300 GHz. On ne sortirait donc pas du cadre de l'invention en faisant varier cette fréquence dans la plage ci-dessus. On ne sortirait pas non plus du cadre de l'invention en adaptant les dimensions de l'applicateur pour que les ondes pénètrent dans le nouveau matériau dans lequel on souhaite focaliser les micro-ondes selon l'angle de Brewster de ce matériau.