Brevet FR2147094A1 — publié le 19730309

La présente invention concerne d'une manière générale les lampes à décharge et vise notamment une lampe à décharge à arc long, à faible presssion, et à rendement amélioré. - Les lampes à décharge électriques sont largement utilisées, surtout en extérieur pour ltéclairage d'endroits tels que parcs de stationnement, stades d'athlétisme et analogues. Dans la conception de lampes à décharge, ltun des buts majeurs est dtobtenir en fonctionnement un coefficient d'efficacité lumineuse optimum, exprimé en lumens par watt d'énergie électrique appliqué à la lampe. Une efficacité lumineuse accrue permet à l'utilisateur d'obtenir la quantité de lumière désirée moyennant une dépense d'énergie électrique moindre. On connait de nombreux types de lampes à décharge, couramment employés aux fins indiquées. Un type de lampe à décharge largement adopté pour l'éclairage en extérieur, en grande partie parce que la couleur de la lumière émise évoque agréablement la lumière du jour, est la lampe au xénon à arc long. On entend par "lampe à arc long", dans le présent mémoire et dans les revendications annexées, une lampe dans laquelle l'espacement entre électrodes est supérieur au diamètre que ltenveloppe tubulaire présente au voisi nage de ltentrefer. Toutefois, les lampes au xénon à arc long fonc- tionnant sous pression relativement faible n'ont qutun coefficient d'efficacité lumineuse médiocre, typiquement compris entre 20 et 25 lm/w.On peut porter ce coefficient, pour des lampes au xénon, dans la gamme de 40 à 50 lm/w en portant à plusieurs atmosphères la pression du xénon de remplissage et en prévoyant un arc court. Du fait des hautes pressions nécessaires pour obtenir ces efficacités lumineuses accrues, le fonctionnement de ces lampes aux xénon à arc court est dangereux par suite du risque important d'explosion. Avec les lampes au xénon à arc long connues, il faut utiliser un ballast extérieur pour faire apparattre une résistance positive et rendre sdr le fonctionnement de la lampe, ce qui augmente beaucoup tant le coût que le volume de la lampe, à moins qu'on n'étudie et quton ne règle l'espacement des électrodes et la pression de remplissage. Bien que les lampes au xénon soient préférées pour ltéclairage en extérieur parce quelles évoquent le mieux, on l'a dit, la lumière naturelle du jour, on emploie aussi actuellement pour lté- clairage en extérieur d'autres lampes à décharge, telles que lam pes au mercure comportant des additifs. Dans ces lampes, on.combine au mercure des additifs destinés à améliorer la coloration par lew cure gazeuse dont la teneur en mercure dépasse nettement 5 moles so- Ces lampes au mercure et aux additifs ont une caractéristique de résistance négative et exigent la présence d'un ballast, indésirable pour les raisons sus-exposées.On ajoute à l'occasion du mercure aux lampes à vapeur de sodium, autre type de lampes à déchar- ge à caractéristique de résistance négative couramment utilisé, pour entretenir la décharge jusqu'à ce que le sodium soit chaud au point de fournir des vapeurs de sodium en quantité suffisante pour former le constituant majeur de l'atmosphère de décharge, et afin de contribuer à équilibrer la coloration de la lumière émise par les vapeurs de sodium présentes dans cette atmosphère. Un autre type de lampe à décharge d'usage courant est la lampe au xénon et au mercure dans laquelle le mercure et le xénon sont combinés à doses sensiblement égales, le xénon jouant surtout le rdle de gaz d'amorçage. Quand le fonctionnement de cette lampe se stabilise, c'est le mercure qui joue le rôle de milieu de décharge. Ces lampes, comme celles à vapeurs de mercure et de sodium, exigent la présence de ballasts encombrants et relativement coûteux destinés à régler la tension et l'intensité pour compenser la caractéristique d'impédance négative de la lampe. En fonctionnement avec une caractéristique de résistance négative, l'intensité augmente quand la tension baisse, ce qui rend le fonctionnement instable. Les ballasts contribuent aussi à régler le fonctionnement initial de la lampe pour supprimer les très fortes surintensités qui surviendraient en leur absence jusqu'à apparition de pressions de gaz suffisantes dans les zones de décharge de la lampe. Les surintensités excessives détachent du métal des électrodes métalliques.Le métal ainsi détaché se dépose ensuite sur l'enveloppe tubulaire, ce qui réduit le pouvoir éclairant de la lampe et endommage gravement les électrodes Jusqu'à rendre finalement la lampe inutilisable. Les lampes de ce type sont en outre inférieures à celles au xénon par la coloration de la lumière quelles émettent. De plus, les lampes aux vapeurs de mercure et de sodium et celles au mercure et au xénon exigent normalement des composants accessoires destinés à surélever, pour assurer leur fonctionnement, la tension de 120 V dont on dispose normalement, ce qui accroc encore leur encombrement et leur colt. La présente invention a pour buts de proposer - une lampe à décharge à arc long ayant un bon rendement ; - une lampe à décharge à gaz sous pression faible dotée d'un haut coefficient d'efficacité lumineuse ; - une lampe à décharge au xénon à arc long capable de fonction ner avec une haute efficacité sous pression modérée, de l'ordre d'une atmosphère - une lampe à décharge à arc long, à haute efficacité, du gen re décrit, dont le fonctionnement sûr n'exige par la présence d'un ballast extérieur et qu'on puisse alimenter directement par la ten sion alternative normale du secteur. Dans la lampe à décharge à arc long suivant ltinvention, on ajoute une dose relativement faible d'un corps métallique ou dtun sel métallique dissociable susceptible de vaporisation dans une enveloppe de lampe à arc long contenant un gaz inerte qui présente une caractéristique d'impédance positive dans les conditions de fonctionnement de la lampe.On constate que si l'on maintient la dose d'additif métallique ou de fraction métallique du sel disso ciable en deçà d'une valeur préfixée, paijexemple en deçà de 5 moles % du total de gaz remplissant la lampe, on peut aecroftre notable ment l'efficacité lumineuse, c'est-à-dire le rendement de conver sion de l'énergie électrique appliquée à la lampe en énergie lumi neuse fournie par celle-ci, et éviter toutefois ltapparition d'une caractéristique de résistance négative, ce qui constitue un progrès notable par rapport aux lampes suivant la technique anterieure. Comme indiqué, on obtient cette efficacité lumineuse améliorée en faisant fonctionner la lampe à arc long avec une caractéristique de résistance positive, ce qui évite la nécessité de ballasts ou analogues encombrants et cofteux. Suivant un mode de réalisation de l'invention qu'on décrira ci-après, le gaz de remplissage ou charge gazeuse contient du mercure vaporisable présent à raison de moins de 5 moles % dans du xénon sous pression faible. On constate qu'on peut au moins doubler le coefficient d'efficacité lumineuse de la lampe, c'est-à-dire le porter entre 40 et 50 lm/w avec une telie lampe, alors que seul un rendement de 20 à 25 lmyw peut être actuel lement obtenu avec des lampes au xénonà arclong et à pression faible par ailleurs analogues. On va maintenant décrire un mode de réalisation de l'invention en se référant au dessin annexé, sur lequel : la la figure 1 est, en élation un vue de détail en coupe !une lampe à décharge à arc-long à laquelle on peut avantageusement appliquer l'invention ; la figure 2 est un diagramme tension/intensité illustrant la caractéristique de résistance positive existant pendant fonctionnement de la lampe suivant l'invention, avec remplissage à 50 torrs et 10 mg de Hg. L'invention porte donc sur une lampe à décharge à arc long perfectionnée, à haute efficacité lumineuse. La figure 1 illustre l'application de l'invention à une lampe à décharge, désignée par la référence générale 10, comportant une enveloppe tubulaire allonée 12 sous vide pour arc long, en quartz. Une lampe à arc long a habituellement 30 cm ou plus de long et présente un espacement entre électrodes supérieur au diamètre de l'alésage de ltenveloppe. Deux électrodes 14, dont une seule est représentée et qui présente toutes deux une tête d'électrode 16 à faible travail d'extraction ou de sortie, qui la prolonge axialement vers intérieur de Iten- veloppe tubulaire, sont scellées aux deux extrémités de l'envelop- pe dtune manière qu'on décrira ci-dessous en détail. Suivant ltinvention, on introduit à ltintérieur de l'enveloppe 12 un pourcentage molaire relativement faible d'un métal ou sel métallique vaporisable et un pourcentage molaire nettement supérieur d'un gaz inerte. Suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention qui procure à la lampe un haut rendement, on utilise du mercure comme métal vaporisable et du xénon comme gaz inerte.On constate que lorsqu'on utilise une charge de gaz inerte comportant du mersure à raison d'environ 0,5 à 5,0 moles Outre qu'elle fournit de la lumière avec un meilleur rendement, une lampe à décharge à charge gazeuse formée de xénon additionné d'une dose de mercure faible, telle qu'indiquée ci-dessus, fournit ane lumière de haute qualité comparable à celle d'une lampe au xénon pur et, fait important, fonctionne avec une caractéristique d'impédance positive, ce qui évite d'avoir à prévoir un ballast extérieur. De plus, le courant d'amorçage demeure inférieur au double du courant de fonctionnement stable, ce qui est très avantageux pour rendre plus sûr le fonctionnement de la lampe. Dans une structure de lampè -typique à laquelle l'invention est avantageusement applicable, du genre représenté sur la figure 1, l'enveloppe 12 a 71 cm de long (la longueur d'arc étant de 61 cm) et a un diamètre intérieur de 27 mm. Les électrodes 14 sont de préférence en tungstène et la t8te d'électrode 16 est de préférence en tungstène thorié ou autre matériau convenable, à travail dtex- traction faible. L'extrémité extérieure de ltélectrode 14 est brasée sur une cuvette 18, de préférence en molybdène ou tantale. La cuvette 18 est elle-m8me scellée dans l'enveloppe de quartz 12 du fait que le tronçon d'extrémité de celle-ci est rétreint autour du bord biseauté de la cuvette 18. Une structure intérieure en quartz 20, en forme d'vanneau creux, est logée à l'intérieur de la cuvette 18 et imprime à la périphérie de celle-ci une force radiale dirigée vers ltextérieur pour appliquer hermétiquement la cuvette contre le tronçon rétreint de l'enveloppe 12. Une tige en tungstène 22 est fixée à l'électrode 14 d'où elle part axialement vers ltextérieur, traversant le canal central de la structure annulaire 20. On réalise dans la lampe un joint d'étanchéité secondaire en façonnant en 24 un joint dégradé en cloche entre la tige 22 et l'extrémité du tronçon rétreint de l'enveloppe en quartz. Le joint secondaire ainsi formé évite une oxydation indésirable du joint de la cuvette en molybdène. Dans la lampe du modèle représenté sur la figure 1, on maintient les additifs métalli ques dans une région de la lampe dans laquelle la température est assez élevée, quand la lampe fonctionne, pour assurer la vaporisation quasi totale de ces additifs. Comme noté plus haut, le coefficient d'efficacité lumineuse augmente quand la charge gazeuse remplissant l'enveloppe 12 contient du mercure à raison de 0,5 à 5,0 moles fio du xénon formant ïe reste de la charge. Pour une lampe de 6 000 W, la charge gazeuse est ty piquement formée de 10 mg de mercure et de xénon sous pression de 50 torrs. Pendant fonctionnement stable de la lampe, tout le mercure présent dans la charge gazeuse est vaporisé et la température dépasse soeoc en tout point de l'atmosphère de la lampe. La pression de fonctionnement estimée de la lampe est de 530 torrs ; la pression partielle de vapeur de mercure est dtenviron 24 torrs et celle du xénon dtenriron 506 torrs.Le rapport des pressions partielles xénon/vapeur de mercure est d'environ 20/1. Avec une telle atmosphère, la lampe peut avoir un bon fonction moment sous tension alternative de 120 V avec une intensité de 50 + 5 A, de sorte qu'on peut brancher directement la lampe suivant l'invention sur un secteur de distribution de courant alternatif. En outre, comme le montre le diagramme porté sur la figure 2, la lampe fonctionne avec une caractéristique d'impédance positive, c'est-à-dire que l'intensité croit avec la tension d'électrode. Grâce à cette caractéristique de résistance positive que la lampe présente en fonctionnement, le fonctionnement sûr de la lampe n'exige pas de ballast supplémentaire. Ainsi, dans la lampe à décharge suivant l'invention, la simple introduction d'une dose contrôlée de métal vaporisable (mercure dans ltexemple décrit) à raison de moins de 5,0 moles % du gaz inerte (par exemple xénon) de remplissage permet de porter le coefficient d'efficacité lumineuse de la lampe jusqu'à 40 à 50 lm/W. Un tel coefficient d'efficacité représente pratiquement le double de celui de lampes au xénon à arc long connues fonctionnant sous pression comparable, sans que la coloration de la lumière émise par la lampe subisse une dégradation inadmissible. Comme noté plus haut, la lampe à arc long suivant l'invention présente en fonctionnement une caractéristique d'impédance positive et n'exige donc pas de ballast. En outre, on peut la brancher directement sur une ligne classique de distribution de courant alternatif, par exemple sous 120, 208, 240 ou 277 V, au lieu d'avoir à prévoir, ainsi qu'il était jusqu'à présent classique, de montages élévateurs ou abaisseurs de la tension du secteur. Bien que le métal vaporisable cité en particulier soit le mercure, on pourra en variante utiliser dans une lampe à arc long du sodium, du thallium ou des sels tels qu'halogénures, notamment iodures de mercure, sodium, thallium et scandium, à des doses telles que l'additif métallique représente moins de 5 moles % de la charge gazeuse totale, et obtenir des résultats avantageux sensiblement identiques à ceux décrits ci-dessus. D'autres additifs qu'on pourra utiliser pour équilibrer la distribution des colorations de la lumière émise par la lampe compren nent ltétain, l'aluminium, le scandium, l'indium et leurs seis. On peut adopter des mélanges de métaux, de sels métalliques ou de métaux et de sels métalliques, mais il vaut mieux maintenir la teneur totale en constituants métalliques de la charge gazeuse en deçà de 5 moles W0 pour faire subsister la caractéristique d'impédance positive sans avoir à augmenter la tension alternative de la ligne ni la surintensité initiale. Lorsqu'on porte l'addition de constituants métalliques actifs au-delà de 5 moles %, la caractéristique d'impédance positive subsixte, mais on risque de dégrader sensiblement la coloration de la lumière émise, et la tension nécessaire au fonctionnement stable de la lampe augmente nettement, pour des valeurs données de ltes- pacement entre électrodes et de la pression de la charge gazeuse. On peut encore substituer d'autres gaz inertes, tels que krypton et argon, au xénon cité ci-dessus. On n'a décrit ci-dessus qu'un mode de réalisation de l'invention, mais il est clair qu'on pourra lui apporter diverses modifications et variantes sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Lampe à décharge à arc long du genre comportant une enveloppe sous vide, deux électrodes espacées pénétrant à l'intérieur de ladite enveloppe et une charge gazeuse de remplissage introduite à l'intérieur de ladite enveloppe, caractérisée en ce que ladite charge gazeuse est essentiellement formée dtun pourcentage relativement faible de corps métallique vaporisable et d'un pourcentage relativement important de gaz inerte, de sorte que la lampe fonctionne avec une caractéristique d'impédance positive et avec un coefficient d'efficacité lumineuse supérieur à celui d'une lampe remplie seulement dudit gaz inerte et en émettant une lumière comparable, par sa qualité de coloration, à celle émise en l'absence dudit corps métallique. 2. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le pourcentage dudit corps métallique est égal ou inférieur à 5 moles %0 de ladite charge gazeuse. 3. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le pourcentage dudit corps métallique est compris entre 0,5 et 5,0 moles % de ladite charge gazeuse. 4. Lampe selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit corps métallique vaporisable est choisi parmi le mercure, le thallium, le sodium et les halogénures de mercure, sodium, thallium et scandium. 5. Lampe selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit corps métallique est choisi parmi le mercure, le sodium, le thallium et les iodures de mercure, sodium, thallium et scandium. 6. Lampe selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit métal vaporisable est du mercure et ledit gaz inerte du xénon. 7. Combinaison d'une ligne de distribution de tension standard et d'un tube à décharge à arc long comportant des éléctrodes directement branchées sur ladite ligne, avec suppression du ballast classique, ledit tube à décharge comprenant une enveloppe sous vide à arc long, au moins une électrode pénétrant dans cette enveloppe, et une charge gazeuse introduite dans ladite enveloppe, caractérisée en ce que ladite charge gazeuse établit une caractéristique de résistance positive et est essentiellement formée d'un corps métallique vaporisable présent à raison d'environ 0,5 à 5,0 moles JG du total de charge gazeuse et d'un gaz inerte présent à raison d'environ 99,5 à 95,0 moles '% de ce total. 8. Lampe arc long au xénon et au mercure pour fonctionnement sans ballast, comprenant une enveloppe sous vide relativement longue, au moins une électrode pénétrant dans cette enveloppe et une charge gazeuse introduite dans cette enveloppe, caractérisée en ce que ladite charge gazeuse établit une caractéristique de résistance positive et est essentiellement formée d'un corps métallique vaporisable à raison d'environ 0,5 à 5,0 moles 9o du total de charge gazeuse et d'un gaz inerte à raison d'environ 99,5 à 95,0 moles go de ce total. 9. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce quten fonctionnement, la pression dudit gaz inerte dépasse 500 torrs. 10. Lampe selon la revendication 9, caractérisée en ce que ledit corps métallique se vaporise en quasi-totalité. Il. Lampe selon la revendication 9, caractérisée en ce que le rapport des pressions partielles gaz inerte/vapeur métallique est d'environ 20/1.