Brevet FR2137813A1 — publié le 19721229

1. 2137813 La présente invention est relative aux dispositifs à décharge sous atmosphère gazeuse et elle concerne plus particulièrement un ensemble perfectionné/ constitué par un boîtier et une douille, pour lampe à arc court à optique incorporée. 5 Les lampes à optique incorporée à arc court nécessitent pour fonctionner une tension relativement faible, par exemple de 10 à 50 Volts, mais elles nécessitent pour leur amorçage, des tensions très élevées, par exemple de 10 à 35 KV ou plus, en fonction de données telles que la conception de la lampe, la pression in-10 terne, le type d'atmosphère gazeuse, et l'âge de la lampe. Cette tension d'amorçage élevée est nécessaire aux extrémités de l'intervalle d'éclatement entre les électrodes afin d'ioniser le gaz se trouvant dans cet intervalle. Comme on l'a indiqué ci-dessus, après l'amorçage, l'ionisation se poursuit sous une faible tension. 15 Dans une lampe de type quelconque, différents compo sants conducteurs de l'électricité se trouvent au marie potentiel que l'une ou l'autre des électrodes. Il est par conséquent nécessaire de prévoir une isolation suffisante entre les différentes paires d'éléments qui se trouvent à des potentiels différents. 20 Cette isolation doit être prévue de telle sorte qu'elle empêche une décharge électrique entre les composants conducteurs lorsque la tension d'amorçage est appliquée, excepté, comme indiqué plus haut, aux bornes de l'intervalle d'éclatement entre les électrodes. Dans les lampes à arc de la technique antérieure, telles 25 que celle décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3 502 929 et dans les demandes de brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 109 527 et 109 537 déposées toutes deux le 25 Janvier 1971, on utilise un cylindre en céramique ayant une face constituant une partie de l'extérieur de la lampe. Les lampes de ce type présentent 30 des limitations importantes quant à leur fonctionnement. L'une de ces limitations consiste en ce qu'au cours du fonctionnement les cylindres en céramique sont tout d'abord sous contrainte en raison du fait que la pression élevée qui règne dans la lampe tend à écarter les éléments de la lampe. Des normes de 35 sécurité concernant les contraintes appliquées aux éléments en céramique n'ont pas été déterminées pour des uiilisations de ce type et la contrainte doit par conséquent être maintenue au-dessous de valeurs de sécurité évidentes. Une seconde limitation importante est due au fait que 40 des parties de l'extérieur de la lampe qui sont voisines du cylin 72 16997 2. 2137813 dre en céramique se trouvent à des potentiels différents. Si la lampe est actionnée dans un environnement capable de transporter un courant, par exemple sous la pluie ou sous l'eau, il peut facilement se produire un arc en travers du cylindre en céramique, 5 en particulier à la tension élevée d'amorçage- D'une façon analogue, il est dangereux de manipuler la lampe pendant l'amorçage de l'arc Une troisième limitation importante a pour origine la technique nécessaire pour assurer l'étanchëité de l'isolateur en 10 céramique par rapport aux éléments d'extrémité en métal. L'isolateur en céramique est habituellement métallisé et sa partie métallisée est alors brasëe sur les éléments en métal au moyen de cuivre ou d'un alliage qui fond à des températures raisonnables de brasage. Sous l'action des forces appliquées par la pression inter-15 ne du gaz, le joint brasé est soit soumis à une traction soit soumis à un cisaillement. En raison de la très faible résistance au fluage du cuivre et des alliages de brasage habituellement utilisés, la contrainte admissible dans le joint doit être maintenue très faible, ce qui a pour résultat une température de fonctionnement 20 du joint, qui est extrêmement limitée. Il en résulte des limitations de sécurité importantes pour la lampe et des limitations de son emploi dans beaucoup d'applications. Une quatrième limitation principale a pour origine les limitations quant au refroidissement de la lampe. Des éléments en 25 céramique ayant une résistance élevée doivent être utilisés du fait des impératifs de résistance précités. Ces organes en céramique présentent une conductibilité thermique relativement faible, qui limite le taux d'évacuation de chaleur dans la zone de la lampe dans laquelle se trouve l'élément en céramique. Des céramiques 30 ayant une conductibilité thermique élevée telles que BeO ne sont pas utilisées en raison de leur résistance beaucoup plus faible. La plus grande partie de la chaleur, dans ces lampes, est évacuée par conduction par l'intermédiaire de l'élément en métal disposé à l'opposé de la fenêtre. En outre, les procédés de dissipation de 35 chaleur sont également limités. Si un dispositif de refroidissement est fixé directement sur l'élément en métal, ce dispositif doit alors être très soigneusement placé par rapport au support de la lampe, de façon que l'isolation de l'impulsion d'amorçage à haute tension soit maintenue. De même, les surfaces en métal soumises à 40 la tension élevée sont exposées à un refroidissement par l'air am- 72 a'699? 3. 2137813 lpiant, ce qui constitue une pratique indésirable dans de nombreuses .applications, par exemple lorsque de l'air, qui peut être électri-. quement conducteur (par suite d'une teneur élevée en humidité ou en sel) doit être utilisé pour refroidir la lampe. Si la lampe com-porte une enceinte ëtanche pour la protéger de l'air de refroidis-, sement ambiant électriquement conducteur, des moyens doivent alors être prévus pour conduire la chaleur et l'évacuer de l'enceinte. Il en résulte un trajet de transfert de la chaleur relativement long et inefficace. 10 Un autre inconvénient que présentent les lampes de la , technique antérieure est la nécessité que les liaisons électriques ' , des deux électrodes soient espacées d'une distance notable. L'invention a pour objet un ensemble de lampe perfectionné comportant un.boîtier et une douille, pour une lampe a arc 15 court à optique incorporée. Le cylindre en céramique fournissant l'isolation électrique entre les électrodes, et constituant un court trajet de refroidissement pour l'une des électrodes, est disposé à l'intérieur de l'ensemble constitué par la lampe et sa douille. La partie extérieure de la lampe se trouve à un seul po-20 tentiel, et à l'exception de la fenêtre, peut être entièrement métallique. Un passage étanche constitué par un joint labyrinthe est formé lorsque la lampe est introduite dans sa douille, empêchant tout effet de décharge entre les liaisons électriques des deux électrodes,. 25 La disposition interne des isolateurs céramiques signi fie que ces isolateurs sont placés initialement sous une contrainte, de compression ou de cisaillement en cours de fonctionnement, ce qui est souhaitable pour un fonctionnement plus sûr. La partie externe métallique peut mieux supporter les contraintes de trac-30 tion. Cet agencement procure également des avantages qui consistent en une meilleure capacité de refroidissement, en une résistance plus élevée pour pouvoir enfermer un gaz sous une pression plus élevée si on le désire, et en une capacité de fonctionnement à une température plus élevée en raison du fait que les contraintes admis-35 sibles pour les alliages aux températures élevées sont bien établies par les tables donnant les valeurs normalisées ASME. Un potentiel extérieur unique rend possible d'amorcer et de faire fonctionner la lampe dans un environnement quelconque, y compris sous l'eau. Il permet également d'utiliser une seule douille pour les 40 liaisons électriques avec les deux électrodes. 72 16997 4. 2137813 D'autres caractéristiques de 1'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre faite en se référant au dessin annexe donné uniquement à titre d'exemple et dans lequel : les Fig. 1A et 1B sont respectivement une vue de dessus 5 et une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation d'une lampe à arc court suivant l'invention, sans la douille ; la Fig. 2 est une vue partielle en coupe transversale du mode de réalisation de la lampe à arc de la Fig. 1, introduite dans une douille suivant l'invention. 10 ' Les Fig. 1A et 1B montrent une lampe à arc court à opti que incorporée suivant l'invention, retirée de la douille réalisant les liaisons électriques nécessaires. L'une des électrodes représentée comme étant la cathode 10, est fixée dans la partie avant de la lampe voisine de la fenêtre 11. Le support de la cathode 10 15 est représenté comme étant du type décrit de façon détaillée dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 143 377 déposée le 14 MAI 1971. La cathode 10 est soutenue par des bras de support transversaux ou entretoises 12 qui sont disposés en butée avec la cathode 10 dans un manchon 13 comportant des fentes. Les extrémités 20 opposées des bras de support 12 sont fixées sur une bague 14, sur des pattes (non représentées) qui sont découpées dans la partie inférieure 15 de cette bague. Ces pattes sont décrites de façon détaillée dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 143 377 précitée. Un réflecteur 16 est suspendu à la bague 14 et 25 présente des fentes 17 pour recevoir les bras de support 12. L'importance des différentes surfaces de la bague 14 est décrite de façon détaillée dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 143 165 déposée le 13 MAI 1971. En résumé, ces surfaces permettent une mise en position de référence précise de l'extrémité de la 30 cathode 10 par rapport au foyer du réflecteur 16 et par rapport au reste de la lampe. L'extérieur de la partie avant de la lampe est constitué par un boîtier cylindrique 18 réalisé en un alliage métallique présentant une résistance élevée, tel qu'un acier inoxydable. La bague 35 14 est fixée sur le boîtier 18 par une surface 19 qui est usinée dans le boîtier 18 et qui est perpendiculaire à l'axe de cette bague. Cette surface 19 détermine la mise en place du reste des éléments de la lampe par rapport à la pointe délia cathode 10, comme mentionné ci-dessus. Une fenêtre 11 est fixée sur une couronne 20 40 au moyen d'un anneau d'étanchéité 21 ayant dans son ensemble une 72 16997 5. 2137813 forme en B. La couronne 20 est fixée sur le boîtier 18 pour compléter le sous-ensemble avant de la lampe. Des couronnes ou anneaux tels que la couronne 20 et l'anneau d'étanchéité 21 sont commodes pour soutenir la fenêtre 11 en raison du fait que l'anneau 5 d'étanchéité 21 se trouve placé sous une contrainte très faible produite par le gaz sous pression élevée qui exerce une poussée sur la fenêtre 11. Cette contrainte s'exerce sur la fenêtre 11 elle-même ainsi que sur la couronne 20. L'anneau d'étanchéité 21 peub par conséquent être mince et par suite diminuer l'effet de con-10 trainte provoqué par la dilatation radiale de la fenêtre 11 lorsque celle-ci s'échauffe pendant le montage et le fonctionnement de la lampe. Une seconde électrode, qui dans ce cas est une anode., est soutenue dans la partie arrière de la lampe. Dans cet exemple, 15 l'ensemble d'anode comprend trois parties : une partie cylindrique avant 22 qui est constituée par l'anode en tungstène et qui délimite l'intervalle d'éclatement ou de formation d'arc entre les électrodes, une partie inférieure cylindrique 23 qui procure des surfaces pour la fixation des autres composants de la lampe et à 20 partir de laquelle la chaleur est dissipée d'une façon qui sera décrite dans la suite, et une partie arrière cylindrique 24 à laquelle est appliquée l'énergie électrique. L'anode est soutenue sur l'axe d'un cylindre 25 en céramique par une bague métallique 26 et des éléments 27 de transfert de chaleur. Ces éléments 27 25 sont décrits de façon détaillée dans la demande de brevet des Etats Unis d'Amérique N° 135 472 déposée le 19 AVRIL 1971. Dans le présent exemple, les éléments 27 sont en cuivre et présentent dans leur ensemble une forme conique . Ces éléments 27 se déforment afin de diminuer les contraintes provoquées par la dilatation et 30 la contraction différentielles de l'anode en tungstène 23, des éléments 27 en cuivre et des cylindres 25 en céramique. Une enveloppe 28 en un alliage de métal ayant une résistance élevée entoure le cylindre 25 en céramique et est fixé sur ce dernier, cette enveloppe étant en une matière ayant approximativement le même coefficient 35 de dilatation thermique que la céramique, tel qu'un alliage de fer, de nickel et de cobalt vendu sous la marque déposée "KOVAR". La chaleur de l'anode est partiellement dissipée par 11intemmédiaire du cylindre 25 en céramique et de l'enveloppe 28 à la partie externe de la lampe d'où cette chaleur peut être évacuée par un dis-40 positif de refroidissement (non représenté). Une bague d'étanchéi- 72 16997 6. 2137813 té 29, par exemple réalisée en "KOVAR" est utilisée pour assurer l'étanchéité de la bague métallique 26 par rapport au cylindre 25 en céramique. Cet agencement procure le joint hermétique entre l'ensemble d'anode et le cylindre en céramique. Les liaisons sur 5 les faces interne et externe des bagues 27 ne nécessitent pas d'être hermétiques mais simplement conductrices de la chaleur. L'importance des parties s'étendant vers l'arriére de l'ensemble d'anode 24, du cylindre 25 et de l'enveloppe 28 ainsi que du siège 31 d'une bague circulaire, est décrite en référence 10 à la douille représentée à la Fig. 2. La partie du cylindre 25 qui s'étend vers l'avant contribue à isoler électriquement l'ensemble d'anode des parties extérieures de la lampe. Les parties arrière et avant de la lampe sont reliées en fixant l'enveloppe métallique 28 â un boîtier métallique 18. ^5 L'air est extrait et la lampe est remplie d'un gaz sous pression par l'intermédiaire d'un embout 3 0 fermé par une partie pincée et scellée. La lampe étant ainsi assemblée avec sa douille l'extérieur de la lampe à l'exception de la fenêtre 11 est entièrement métallique. 20 sait qu'une contrainte de cisaillement peut être transformée en des composantes de traction et de compression. Le but de l'invention est de diminuer la composante de traction en raison de la résistance très élevée à la compression des matières céramiques et de la résistance à la traction comparativement bien 25 plus faible (et moins sûre). L'invention a également pour but d'utiliser la résistance à la traction de la céramique, non pas uniquement pour supporter la pression interne du gaz mais également pour supporter principalement les contraintes thermiques qui se produisent lorsque la chaleur se propage dans la céramique. Lorsque la 30 chaleur se propage dans la céramique, malgré la conductibilité thermique élevée de la céramique utilisée, une différence de température se produit entre les zones d'entrée de la chaleur et la zone de sortie de la chaleur. En raison de la dilatation de la céramique avec une augmentation de température et de la nature non duc-35 tible de la céramique, des contraintes de traction internes se produisent en raison du gradient de température. Il est nécessaire de distinguer la contrainte se produisant en raison des coefficients différents de dilatation du manchon 28 et de la céramique 25, de la contrainte appliquée au man-40 chon 28 par la pression interne s'exerçant contre l'ensemble d'ano- 72 16997 7. 2137813 de et L'énergie électrique pour l'électrode avant 10 est fournie à l'extrémité arrière de l'enveloppe 28, comme on le décrira dans la suite, d'où cette énergie traverse le boîtier 18, la bague 20 14 et les supports 12 pour atteindre l'électrode avant 10. Ceci signifie que la partie extérieure de la lampe se trouve à un seul potentiel et par conséquent que la lampe peut fonctionner dans une atmosphère conductrice d'électricité, ce qui était impossible avec les lampes de la technique antérieure. 25 La Fig. 2 montre la douille perfectionnée suivant l'in vention avec la lampe introduite dans cette douille. Le contact électrique primaire pour l'électrode avant est réalisé au moyen de griffes 32. Ces griffes peuvent être d'une forme quelconque commode qui satisfait aux impératifs consistant à fournir un bon con-30 tact électrique lorsque l'enveloppe métallique 28 est poussée dans la douille. Suivant l'exemple représenté, les griffes 32 présentent une partie amincie 34 qui leur permet d'agir de façon élastique, afin de rester en contact avec l'enveloppe 28. Les griffes 32 sont fixées sur une bague 33 à laquelle l'énergie électrique est appli-35 quée comme on le décrira plus loin. Le boîtier externe métallique 35 de la douille recouvre l'enveloppe métallique 28 de la lampe. Le boîtier 35 est fixé sur la bague 33 et se trouve par conséquent au même potentiel que celle-ci, formant ainsi pour l'ensemble lampe-douille une enveloppe métallique robuste se trouvant à un potentiel 40 unique. L'enveloppe 28 et le boîtier 35 sont espacés au moyen d'un 72 16997 8. 2137813 joint torique 3 6 disposé contre un siège 31. Ce joint 36 permet à l'intérieur de la douille de demeurer à la pression atmosphérique et d'empêcher une atmosphère conductrice de l'électricité de pénétrer dans la douille comme on l'indiquera dans la .suite. La mise 5 en place des griffes 32 et du joint 36 sont une.question de commodité. Les griffes peuvent par exemple être en contact avec l'intérieur du manchon 28 et le joint torique peut être prévue sur la douille. La liaison électrique avec l'électrode arrière est réa-10 lisée à la partie arrière 24 au moyen d'un manchon métallique flexible 37 fixé sur un cylindre métallique 38. Le manchon 37 est d'une forme quelconque appropriée procurant un bon contact électrique lorsque l'électrode 24 est mise en place. L'énergie électrique est appliquée au cylindre 38 de la façon qui va être décrite dans la 15 suite. Un cylindre 42 en céramique sépare les différents composants qui se trouvent au potentiel de l'électrode avant 10 (par exemple la bague 33, le manchon 28) des organes ou composants se trouvant au potentiel de l'électrode arrière 22 (par exemple le 20 cylindre 38 et l'électrode 24). Si ce cylindre 42 était de forme régulière de façon à venir simplement en butée avec l'extrémité du cylindre céramique 25 de la lampe, une surface ou de façon moins appropriée un intervalle, pourrait exister entre ces cylindres céramiques, réalisant ainsi un trajet facile pour des décharges 25 électriques entre les composants se trouvant à des potentiels différents. Même si les cylindres 25 et 42 présentent des surfaces qui s'adaptent avec précision lorsque la lampe et la douille sont neuves, des saletés peuvent pénétrer dans la douille au cours de l'utilisation ou encore les composants peuvent se déformer légëre-30 ment, laissant ainsi subsister un trajet pour une telle décharge. Par conséquent, un passage en labyrinthe 43 d'une longueur suffisante pour empêcher toute décharge est prévu entre les composants se trouvant aux potentiels différents. Un ou plusieurs prolongements cylindriques 41 sont formés dans le cylindre 42 et des pro-3 5 longements cylindriques 40 complémentaires sont formés dans le cylindre 25. L'espacement axial est déterminé par un support externe (non représenté) fixé sur la douille et la partie avant de la lampe, le passage 43 et le trou 3 9 prévus dans le cylindre 38 procurant un espace pour une dilatation axiale des différents composants. On a 40 représenté au total trois prolongements mais on peut utiliser un 72 16997 9. 2137813 nombre supérieur ou inférieur de ces prolongements pour réaliser la longueur de trajet nécessaire. Par exemple, pour une tension d'amorçage de 15 KV, trois prolongements sont suffisants. Le passage en labyrinthe 43 est rendu étanche par rapport à l'extérieur 5 de la lampe au moyen du joint torique 36, comme indiqué plus haut, de sorte que la pression peut être maintenue dans la douille lorsque la lampe est actionnée dans une atmosphère sous une pression réduite et afin de maintenir l'ensemble isolé d'un atmosphère conducteur de l'électricité. La pression doit être maintenue en rai-10 son du fait qu'une décharge à effort couronne se produit plus facilement sous des pressions plus faibles. Les liaisons électriques pour les deux électrodes pénètrent dans la lampe par l'intermédiaire de tubes 44 introduits à travers l'enveloppe 35 dans la partie inférieure ou base de la 15 douille. Trois tubes 44 également espacé sont normalement utilisés dans un but de commodité pour le montage externe, mais deux seulement sont utilisés pour les liaisons électriques à savoir, des fils métalliques 47 et 48 fixés sur la bague 33 (électrodes avant) et le cylindre 38 (électrode arrière) respectivement. Le fil 47 peut 20 être fixé sur la douille externe mais il est pratique d'utiliser une liaison intérieure pour une plus grande sécurité et une plus grande fiabilité des contacts électriques. Une isolation électrique est prévue en remplissant les espaces 45 et 49 avec une matière appropriée telle qu'une porcelaine liquide. Un chapeau 46 est dis-25 posé par dessus l'extrémité de la douille afin de protéger l'isolation. Bien que la douille ait été décrite en référence à une lampe amovible, elle peut bien entendu être fixée à demeure sur la lampe. Un joint hermétique peut également être utilisé à la pla-30 ce du joint 36, et des connecteurs souples (manchon 37 et griffes 32) ne sont pas nécessaires. Une enveloppe externe en une seule pièce peut alors être utilisée à la place de l'enveloppe 28 et du boîtier 35 et une électrode arrière 24 unique peut être utilisée, permettant ainsi de supprimer le cylindre 38 séparé. Le même type 35 de contact électrique peut être utilisé bien que la bague 33 puisse être supprimée. On peut également utiliser d'autres types de liaisons électriques avec le dispositif suivant l'invention. Par exemple, le boîtier 35 et le cylindre 38 peuvent en fait être prolongés aus- 40 si loin qu'on le désire sous la forme d'un câble classique qui leur est fixé. 72 16997 10. 2137813 10 15 REVENDICATIONS 1. Lampe à arc caractérisée en ce qu'elle comprend une enveloppe êtanche comprenant une embase et une fenêtre optique disposées à l'opposé de cette embase, une première électrode soutenue à l'intérieur de ladite enveloppe à l'opposé de ladite embase, les parties extérieures de ladite lampe se trouvant au même potentiel électrique que ladite première électrode, une seconde électrode soutenue dans ladite embase, un cylindre en céramique disposé entre ladite seconde électrode et l'extérieur de ladite lampe de façon à former au moins une partie de l'isolement électrique de ladite seconde électrode par rapport à l'extérieur de ladite lampe, un gaz ionisable remplissant au moins l'intervalle d'arc, entre les électrodes et un réflecteur soutenu dans ladite enveloppe. 2. Lampe à arc suivant la revendication 1, caractérisée en ce que tous les composants de la partie extérieure qui ne constituent pas la fenêtre proprement dite, sont métalliques. 3. Lampe à arc suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit cylindre en céramique est constitué par une matière dissipant la chaleur afin de transférer au moins une partie de la chaleur de ladite électrode disposée dans la partie inférieure de la lampe. 4. Lampe à arc suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit cylindre en céramique est disposé de façon que les contraintes s'exerçant sur lui soient principalement des contraintes de compression. 5. Lampe à arc suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite lampe est fixée sur une douille fournissant l'énergie électrique, de façon à délimiter un passage en labyrinthe faisant partie de l'isolation électrique de ladite électrode de l'embase de la lampe par rapport aux parties extérieures de celle-ci. 6. Lampes à arc suivant la revendication 5, caractérisée en ce que ladite douille comprend un cylindre en céramique comportant une ou plusieurs prolongements et ledit cylindre en céramique comprend une ou plusieurs prolongements, lesdits prolongements étant imbriqués de façon à délimiter ledit passage en labyrinthe. 7. Lampe à arc, suivant la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle peut être introduite dans ladite douille et retirée 40 de cette dernière. 20 25 30 35