Brevet FR2195066A1 — publié le 19740301

L'invention se rapporte à des lampes à décharge à haute pression du type contenant de la vapeur de mercure et des halogénures métalliques. L'addition d'un ou plusieurs halogénures métalliques vaporisables à du mercure, comme décrit dans le brevet des Etats Unis nO 3 234 421, permet d'améliorer radicalement une lampe à vapeur de mercure à haute pression de type courant à la fois en ce qui concerne la restitution des couleurs et le rendement. Cependant le spectre de rayonnement émis par cette lampe se compose essentiellement des raies des différents métaux superposées sur un fond continu faible et n'équivaut pas à la lumière du jour naturelle. On connait des lampes à décharge d'arc de haute intensité d'un type à rayonnement moléculaire. Ces lampes contiennent comme remplissage du mercure, un gaz inerte d'amorçage, du chlorure d'étain SnC12, de l'iodure d'étain SnI2 et un excès d'étain. Au cours de la décharge, des molécules sont réparties à des niveaux d'énergie très étroitement espacés dans différents états électroniques entre lesquels peuvent se produire des transitions de rayonnement. Les raies très étroitement espacées qui caractérisent une émission moléculaire à basse pression sont pratiquement masquées à des températures et pressions élevées de sorte qu'il se produit un spectre continu très large sur lequel sont superposées les raies atomiques de l'étain et du mercure. L'invention a pour but de fournir une lampe à rayonnement moléculaire dont la puissance lumineuse peut être modifiée sans changement de la tenipérature de couleur. Une lampe à arc à rayonnement moléculaire suivant l'invention , comprend un tube à arc pourvu d'un remplissage de mercure, de chlorure d'étain et d'iodure d'étain en quantités qui sont essentiellement complètement vaporisées dans la zone limite inférieure d'une certaine gamme de puissances d'entrée. la lampe contient également un excès d'étain et un gaz inerte tel que l'argon afin de faciliter son amorçage.Cette lampe constitue par conséquent une lampe à limitation quantitative et elle présente la propriété intéressante d'avoir une température de couleur pratiquement constante lors d'une augmentation de la puissance d'entrée à partir de la zone limite inférieure de la gamme. les facteurs contribuant à l'établissement de cette caractéristique souhaitable sont les pressions de vapeur élevées des halogénures d'étain par comparaison à celles des autres halogénures métalliques couramment utilisés dans des lampes du même type. Ainsi par exemple la pression de vapeur de NaI à 10000 K est de 6,0 x 10 4 atmosphère tandis que celle du SnCla est de 3,7 et celle du SnI2 est de 1,23 à la même température.A la différence de la lampe d halogénure d'étain de l'invention, la température de couleur d'autres lampes à halogénures métalliques, en particulier celles contenant de l'iodure de sodium, varient considérablement lors de la modification de la puissance d'entrée. Egalement le gradient de tension de telles lampes varie avec la puissance d'entrée. On a trouvé que, lorsque la puissance d'entrée variait dans une gamme ou rapport de 1 à 5, la puissance lumineuse de la lampe augmentait approximativement linéairement avec la puissance d'entrée sans modification visible de couleur. En faisant varier les quantités des substances de remplissage, et en particulier le rapport du chlore à l'iode, on peut choisir des températures de couleur spéci fiques comprises entre 3000 et 60000 E avec des rendements de lampe situés dans la gamme allant de 50 à 75 lumens par watt. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la fig. I est une vue latérale d'une lampe de haute intensité à enveloppe extérieure suivant l'invention ; la fig. 2 est un graphique donnant des courbes de puissance relative en lumens et de tension de lampe en volts en fonction la puissance d' entrée dans la zone de transition entre une température de couleur variable et une température de couleur constante;; la fig. 3 est un graphique donnant des courbes similaires pour une lampe fonctionnant exclusivement dans la zone de température dc couleur constante la fig. 4 est un graphique donnant des courbes de température d couleur en fonction du remplissage en halogénure d'étain pour différents rapports chlore/iod dans le rmplissagel Sur la Fig. 1, on a représenté une lampe à arc à vapeur de chlorure d'étain 1 à laquelle l'invention est appliquée et qui est d'unc construction et d'un aspect similaires aux lampes à vapeur de mercure t à halogénures métalliques connues sous la dénomination commerciale de "Multi-Vapor". La lampe comprend une enveloppe extérieure vitreuse 2 en forme d'allipsoide pourvue d'un col 3 obturé par un queusot rentrant 4 au travers duquel passent des fils rigides de traversée 5,6 . Les fils de traversée sont reliés par leurs extrémités extérisures aux contacts d'un culot fileté 8 et par leurs extrémités intérieures au tube à arc intérieur 9. le tube à arc est constitue d'un verre similaire à du quartz ou de silice fondue et il porte à ses extrémités opposées des électrodes principales à décharge par arc 11, 12 ainsi qu'une électrode auxiliaire d'amorçage 13, fixées par scellement. Les électrodes sont supportées sur des conducteurs de traversée qui comprennent des plaquettes minces de molybdène 14 hermétiquement scellées au travers des extrémités aplaties ou pincées du tube à arc. les électrodes principales 11, 12 comprennent chacune un double onroulement de fil de tungstène placé autour d'un noyau en tungstène. Le tub à arc est supporté dans l'enveloppe extérieure par une monture en doux parties, à savoir la partie 15 à l'extrémité deculot et la partie 16 à l'extrémité de dôm. Chaque partie comprend deux tiges portantes s'étendant longitudinalement et reliées entre elles par des plaquettes métalliques 17 qui viennent se fixer autour des extrémités pincées du tube à arc. La partie de monture corrXspondant à l'extrémité de culot est soudée sur lW fil de traversée 6 et sert de conducteur pour l'électrode principale 11. La partie de monture correspondant à l'extrémité de dôme porte une bague élastique 18 qui est en contact avec une tubulure rentrante 19 de l'extrémité a dôme de l'enveloppe. L'électrode principale 12 est reliée au fil de traversée 5 par un fil incurvé 21. L'électrode d'amorçage 13 est reliée au fil de traversée 5 par l'intermédiaire d'une résistance de limitation de courant 22. il est prévu aux extrémités du tube à arc des revêtements thermiquement réfléchissants 23, formés de préférence de Zr02, pour assurer un échauffement approprié. En variante à la structure à double enveloppe représentée sur le dessin, une lampe suivant l'invention peut utiliser un tube à arc à une seule enveloppe comportant des moyens appropriés de régulation thermique. Pour la mise au point de l'invention, on a effectué des expériences sur les tubes à arc tels que celui de la Fig. 1 destinés à des lampes de 400 watts et présentant un diamètre extérieur de 22,5 mn, un diamètre intérieur de 20 mn et un intervalle entre électrodes ou distance d'éclatement d'arc de 45 mm.Les dosages des lampes ont été déterminés de façon à obtenir une pression partielle de mercure de 1 atmosphère sur la paroi du tube à arc pour une température de 8500 K. On a choisi cette température de paroi relativement basse pour faire en sorte qu'il existe une quantité minimale de mercure à l'état liquide à la températurU de paroi de 10000 K existant normalement lorsque la lampe fonctionne à une puissance de 400 watts. On a utilisé comme équation de calcul de la dose de mercure simplement la loi des gaz parfaits PV = NRT, avec T = 8500 K. On a calculé les doses de chlorure d'étain et d'ioduré d'étain en utilisant l'expression où : D = quantité néccssaire de SnXw =n grammcs, MSnX = poids moléculaire de SnX2 en grmmnes/mole, 2 PSnX2 = pression partielle désirée en newtons/m2 A = nombre d'Avogrado k = constante de Boltzmann T c w T = températures de noyaux et de paroi. w L'équation a été obtenue en supposant une répartition parabolique des températures et un rapport de mélange constant ainsi que des températures de 55000 K pour T c et 1000 K pour Tw . On a ajouté un excès étain aux doses pour que le nombre total de moles d'étain dans la lampe soit égal à celui du chlore et de l'iode monoatomiques afin d'empêcher l'action corrosive du chlore. En référence à la Fig. 2 , la courbe de puissance lumineuse A présente une croissance qui est approximativement linéaire avec la puissance d'entrée. la température de couleur B part d'une valeur élevée et diminue jusqu'à une puissance d'entrée d'environ 350 watts au delà de laquelle elle reste constante. La tension de lampe ou chute d tension dans l'arc C reste également constante au dessus d'une puissance d'entrée d'environ 350 watts. En conséquence la Fig. 2 montre clairement que, pour des valeurs de la puissance d'entrée dépassant 350 watts, la lampe produit une température de couleur constante indépendamment de la puissance d'entrée. La limite supérieure de la puissance d'entrée est définie par la température à laquelle la paroi d'enveloppe commence à se ramollir, c'est-à-dire environ 10500 C pour de la silice vitreuse. les résultats précités indiquent qu'on peut obtenir une température de couleur constante en concevant la lampe de manière que, pour la puissance d'entrée minimale appropriée pour maintenir la décharge d'arc, la température de paroi de la lampe en son point le plus froid soit suffisamment élevée pour vaporiser pratiquement la totalité du mercure et de l'halogénure métallique existant. L'excès d'étain qui est souhaitable pour modérer la réactivité du chlore est présent sous forme liquide mais sa vapeur n'a pas d'influence importante dans le processus de génération de lumière. Dans ces conditions, la composition de l'atmosphère ou du remplissage de l'enveloppe de la lampe qui intervient dans la génération de lumière varie seulenent légèrement en fonction de la température ou de la puissance d'entrée et il en résulte une ten- pérature de couleur constante.Une lampe à halogénure d'étain conçue pour produire une température de couleur constante suivant l'invention présente également les avantages caractéristiques suivants : augmentation assez rapide de lapflsoenoe d'éclairement en lumens en fonction de la puissance d'entrée, grande efficacité et possibilité de fonctionner dans une large gamme de niveaux de la puissance d'entrée. La Fig. 3 représente des courbes caractéristiques d'une lampe particulière suivant l'invention utilisant un tube de 10 mn de diamètre intérieur et de 6,0 cm de distance entre électrodes et contenant un remplissage établissant une pression de vapeur de mercure de 1,0 atmosphère, une pression de vapeur totale de 2,0 atmosphères et un rapport du nombre total de moles de chlore au nombre total de moles d'iode de 0,5.On a supposé que les pertes correspondent à peu près à 10% de la puissance d'entrée ; on a calculé le champ électrique (correspondant à la tension de lampe) en admettant une perte d'électrode de 15 volts, cn soustrayant cette perte de la tension de lampe et en divisant le résultat par l'écartement des électrodes de 6,0 cm. On a représenté sur la Fig. 5 les courbes donnant l'intensité du champ électrique A, la température de couleur B et la puissance lumineuse en lumens C en fonction de la puissance d'entrée par unité de longueur.Lorsqu'on fait varier la puissance d'entrée dans une gamme comprise entre 20 et 100 watts par cm (ce qui correspond approximativement à une puissance totale fournie à la lampe comprise entre 120 et 600 watts), on obtient approximativement une augmentation quintuple de la puissance lumineuse ssns aucune modification de la tompératuro de couleur. Ds lamp@s à halogénures d'étain à température de couleur constante nécessitent d maintenir les paramètres suivants dans les gammes indiquécs ci-dessous Diamètre intérieur - de 7,5 à 20 mm Rapport longueur/diamètre - 1 ,5 à 5,0 Moles Cl/Moles I - d 0,5 à 5 Quantité de Hg - 2,0 à 10,0 ng par cm Quantité de SnCl2 - 0,2 à 1,5 mg par cm Quantité du SnI2 - 0,5 à 2,0 ng par cm Quantité d'étain - un excès jusqu'à 5ng/c- On peut obtenir des températures d couleur spécifiquement comprises entre 3000 et 6000o K en faisant varier les proportions des ingrédients de remplissege et en particulier le rapport du chlore à l'iode comme indiqué sur la Fig. 4 . les lampes conçues suivant l'invention peuvent produire une puissance lumineuse de sortie variant de 1 à 5 pour une tompérature de couleur constante. Au contraire des lampes à incandescenc présentent un décalage de la température decouleur de plusieurs centaines de degrés dans une gamme e de puissances d'entrée beaucoup moins grande. D'autre part, les lampes à incand@scence sont limitées à des tompératures de couleur inférieures (35000 K ou moins) où un décalage de la température de couleur d'un nombre donné de degrés est proportionnellement plus grand et est par conséquent plus décelable et perturbateur. Naturellement, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation déccrits et représentés qui n'ont été choisis qu'à titre d'exemples. REVENDICATIONS 1. Lnpe à arc à rayonnement moléculaire de haute intensité et présentant une température de couleur constante dans une large gomme de puissances d'entrée, comprenant une enveloppe (9) allongée et tnansparente à la lumière, des électrodes à décharge par rc (11, 12) scellées dans des extrémités opposées de ladite enveloppe et ayant un écartement prédéterminé, ladite enveloppe contenant un remplissage d'entretien de décharge caractérisé en ce que ledit remplissage comprend, par centimètre d'écartement des électrodes (11, 12),des quantités de 2,0 et 10,0 milligrammes de mercure, de 0,2 à 1,5 milligrammes de SnC12 et de 0,5 à 2,0 milligrammes de SnI2, les quantités respectives de ces ingrédients étant choisies de façon à obtenir une vaporisation essentiellement complète à la limite inférieure de la gamme des puissances d'entrée de la lampe dans laquelle la température de couleur est cnnstante. 2. Lampe suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le remplissage contient en outre une quantité d'étain supUrieure à celle vaporisée en fonctionnement. 3. Lampe suivant l'une des revendications précédentes, ca ractérisée en ce que le rapport du chlore à l'iode est compris entre 0,5 et 1,0. 4. Lampe suivant l'une des revendications pr6cédentes, ca ractérisée en ce que la puissance d'entrée de la lampe varie dans le rapport de 1 à 5 pour une température de couleur sensiblement constante.