Brevet FR2242836A1 — publié le 19750328

La présente invention concerne l'application particulierre d'une décharge en arc sans électrode à la formation d'un rayonnement à haute intensité dans les bandes du visible, de l'ultraviolet et de f ltinSrarouge. L'invel7tion concerne en outre un dispositif particulier intégré pour rassembler, diriger et projeter efficacement une telle énergie rayonnante, aussi bien à des fins d'éclairage que de chauffage rayonnant, ainsi que leurs combinaisons. Il existe deux types de base de dispositifs lumineux. Cependant, il n'existe pas de délimitation nette entre ces types. Un premier type est constitué par un système qui-est limité optiquement par un amorçage ou une série d'amorçages e-t quton appelle systeme "limité par distribution".Comme exemple d'un système de ce type, on peut citer des dispositifs et projecteurs à faisceau étroit ainsi que des dispositifs similaires. t'autre type de système lumineux est optiquement limité par la source elle-mee et il est appelé système "limité par la source". Comme exemples de/systèmes limités par la source, on peut citer les projecteurs et les luminaires industriels. La forme de réalisation préférée selon la présente invention est constituée par un système limité par distribution ; il existe cependant des formes de réalisation de l'invention limitées par la source. Les plasmas d'induction à haute fréquence (arcs sans électrode) n'ont pas encore trouvé d'application intéressante comme source d'éclairement. Les études les plus connues portant sur ltarc sans électrode ont révélé l'utilisation d'un débit de gaz nécessaire à la stabilité de la décharge, mais la perte de puissance subie par le système de décharge dans la Invention forcée du plasma à haute enthalpie provenant de la décharge, dégrade sérieusement l'efficacité avec laquelle un arc sans électrode, amorcé dans un gaz en déplacement, peut rayonner.On a trouvé récemment aucun débit de gaz n'était pas nécessaire pour la stabilité de la décharge ; par conséquent, une dissipation par résonance n'a pas lieu d'exister dans un arc sans électrode. La décharge stationraire résultante dissipe de l'énergie électrique et équilibre cette dernière vis-à--vis des effets de paroi conducteurs, du rayonnement et dune circulation par con- vectioninterne relativement faible dans un récipient de décharge ge scellé.On a calculé des rendements de conversion de rayonnement (ctest-à-dire puissance HF sur puissance rayonnée) aussi élevés que 90 % pour de tels systèmes, et l'on a mesuré des rendements de l'ordre de 65 % dans des prototypes utilisant du xénon comme gaz de décharge. La présente invention permet d'approcher la limite théorique pour le rendement en production de rayonnement et permet la fabrication de luminaires nouveaux et utiles, ainsi que de dispositifs hybrides éclairement/chauffage. Les caractéristiques et avantages de l'ainvention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente une vue en perspective partielle d'un dispositif à arc de plasma sans électrode, montrant une sphère de quartz disposée axialement par rapport à une bobine à haute fréquence, l'arc de plasma étant destiné à former une source lumineuse blanche à l'intérieur de la sphère la figure 2 représente une section transversale d'un dispositif de production d'un rayonnement à arc sans électrode, sous la forme d'une source de lumière blanche -la figure 3 est un schéma d'un circuit de limitation de la grandeur et de la fréquence destiné à régulariser les para mètree la décharge de l'arc à plasma la - la figure 4 représente un schéma simplifié, montrant un circuit à tube à vide destiné à l'alimentation du dispositif de la figure 3 ; et la figure 5 représente un schéma de circuit simplifié, montrant un circuit à ltétat solide pour l'alimentation du dispositif représenté sur la figure 4. La décharge sans électrode décrite ci-après est constituée par une décharge gazeuse intervenant à l'intérieur du volume d'un solénolde porteur d'un courant à haute fréquence. Le champ magnétique alternatif dirigé axialement à l'intérieur du solénoïde induit un champ électrique alternatif azimutal conformément à la loi de Faraday,et des courants azimutaux, portés par ce champ, chauffent ohmiquement le gaz et maintiennent une ionisation à l'intérieur de la décharge. La décharge peut être formée dans un gaz en l'absence de débit de masse central, condi- tion sous laquelle- il est auto-stabilisant par équilibre des forces électrodynamiques et thermodynamiques.Cet équilibre constitue une ccndition d'existence de l'arc sans électrode, basée sur principe de production d'entropie minimum et il est indépendant des conditions limites d'effets de parois de T'enceinte de décharge ; par conséquent, la décharge ntest pas liée aux parois ou autres limites physiques, mais prend la forme d'une section circulaire normale à la direction du champ d'induction et elle est suspendue à l'intérieur du récipient de décharge près de la position axiale à laquelle le champ drinduction présente la grandeur maximum.Par application de la puissance de maintien de décharge minimale requise et en l'absence de gravité et dref- fets gravitationnels, la forme de la "boule de feu" plasmode est approximativement sphérique. Cependant, en pratique, on observe une décharge légèrement aplatie dans un gaz pur à des pressions supérieures à la pression atmosphérique. Cet effet est davantage prononcé pour les gaz plus lourds (par exemple le xénon) et il peut être attribué à la mobilité de la décharge dans le gaz support non ionisé.On utilise donc souvent des mélanges de gaz de façon à atténuer la mobilité du plasma, gaz tels que le xénon comme agent a tillumlnation dans une atmosphère dtargon, de néoeq ou dthydrogène, car on a trouvé que le gaz présentant le potentiel d'ionisation le plus faible provoque une coupure à l'intérieur d'un tel mélange, tandis que le gaz support présente peu ou aucune participation dans les phénomènes de transport électrique ou rayonnant qui interviennent. L' application d'un excès de puissance de la puissance de maintien de décharge minimal provoque un allongement du plasma, formant une colonne de plasma constrictée, ou un "pincement't thermique. On a trouvé que l'arc sans électrode présente un jeu de caractéristiques de fonctionnement à trois dimensions qui peut entre exploité conformément à l'invention, -pour former une nouvellé source optique présentant des propriétés uniques de fonctionnement très souple.Cette possibilité est basée sur le fait que les paramètres physiques qui srécifielzt en fait l'arc sans électrode, c'est-à-dire les paramètres qui déterminent à la. fois équilibre d'énergie de décharge et les fonctions de dlstribu- tion internes électrique et thermodynamiques, sont constitués par le gaz dans lequel la décharge est formée, sa pression et la grandeur et la fréquence du champ d'induction appliqué à la décharge. Ainsi, pour un gaz de décharge donné à une pression donnée, il est possible d'ajuster la dissipation totale et le profil de température de décharge (par conséquent le rayonnement de décharge et sa température de couleur), en ajustant la grandeur et la fréquence du champ d'induction.Du fait que ces paramètres sont susceptibles d'être ajustés par des moyens entièrement extérieurs à la décharge, la sortie de rayonnement de décharge et la température de couleur sont ajustables extérieurement. Dans la forme de réalisation préférée selon l'invention, le gaz dans lequel est amorcé l'arc sans électrode est renfer- mé à haute pression à l'intérieur d'une enveloppe sphérique scellée 10 réalisée en verre de quartz, désignée ci-après la "source". La source est disposée à l'intérieur d'une cavité optique ment réfléchissante comprenant un réflecteur 22 et une lentille 24, qui est coaxiale avec la bobine d'induction à haute fréquence 18 du générateur d'arc sans électrode. La cavité réfléchissante a une forme et une courbure qui dépendent de l'application que l'on veut donner au dispositif.Dans la descr ption qui va suivre, on suppose que la cavité a une forme sphérique et que la source est disposée concentriquement à ltintérieur de la cavité, de façon telle que le rayonnemeniémis par la source soit renvoyé par réflexion dans la décharge partout où il frappe la paroi réfléchissante. Le choix d'une chambre réflectrice sphérique dans le présente description est indiqué à titre purement illustratif et ne constitue pas une limitation à une application particulière. La caractéristique essentielle de la chambre réflectrice réside dans la présence dune décharge en arc sans électrode à haute pression à une position focale à l'intérieur de ladite chambre.La décharge est maintenue dansdes conditions de pression et de température telles qu'elle soit optiquement dense et, par consé quent, puisse réabsorber son propre ragonnement. Dans ces circonstances, la décharge présente un profil de températures pra tiquement rectangulaire et demande une énergie d'entretien nettement inférieure à celle qui serait demandée en l'absence de chambre réflectrice. la source à haute pression est refroidie par un débit de liquide. Un réfrigérant approprié, Whautre pression, pénètre par le fond de la chambre réflectrice et s'écoule par la source sphérique, extrayant la chaleur de l'enveloppe de la source par conduction, et ressort de la chambre à la partie supérieure. La chaleur est extraite du réfrigérant au moyen d'un mécanisme d'échange de chaleur qui est complètement scellé. La bobine d'in- duction 18 est montée drune façon telle tutelle entoure la chambre réflectrice et elle est refroidie par un débit de liquide pouvant être fourni, soit au moyen d'un dispositif de refroidissement de la source,soit par un dispositif supplémentaire de refroidissement indépendant. La bobine est emprisornée dans un ruban de tissu de verre qui est enroulé sous tension autour de la chambre réflectrice, enveloppant ainsi cette dernière en la comprimant.Ce procédé d'assemblage tend à déplacer les tensions exercées sur la chambre par le réfrigérant à haute pression, qui place lui-mêe la source sphérique sous condition de compression et, ainsiipermet à décharge en arc sans électrode renfermée dans cette-source sphérique de fonctionner à une pression supérieure à celle permise par la résistance à la traction du quartz. Une ouverture dans la cavité réfléchissante permet à une fraction de l'émission rayonnante totale de quitter la cavité et d'être dirigée sur un système optique de Cassegrain modifié dans lequel elle frappe une surface réfléchissante hyperbolique ou de forme similaire et elle est redirigée sur une surface réfléchissante additionnel1ede courbure convenable pour la formation d'un faisceau optique. Le réfrigérant liquide peut incorporer un matériau absorbant pour des applications spécialisées. Ainsi, un-dispo- sitif d'éclairement à infrarouge complètement habillé demanderait un réfrigérant laissant passer l'infrarouge et absorbant le rayonnement dans l'ultraviolet et dans le visible. Des principes similaires s'appliquent pour les dispositifs d'éclairement à ultraviolet et à lumière blanche. Dans a disposition limitée par la source selon- lWin- vention, la- chambre réflectrice sphérique (ou de forme équivalente) est absente et elle est remplacée par un système de projection optique conventionnel. Dans cette disposition, la bobine d'induction est enroulée autour du réflecteur afin d'éviter des effets de masquage. En outre, on met en oeuvre un refroidissement par convection dans cette disposition. Les tubes à décharge destinés à constituer des sources de plasma en arc sans électrode sont classés en fonction de l'application à laquelle le plasma de décharge est destiné. On indiquera ci-dessous plusieurs exemples de tubes à décharge dans un but purement illustratif. Ces tubes ne constituent que des cas particuliers et ne sont pas destinés à constituer une limitation de la présente invention. Ainsi, le tube à décharge pour une source lumineuse en arc sans électrode ne demande pas de débit, du fait quxun mode de transport d'énergie par convection,s'il en existe un, endommagerait le rendement de la production de rayonnement par décharge.Le tube à décharge le plus simple et fabriqué le plus facilement afin d'être utilisé comme source en arc sans électrode pour une lumière blanche, est une sphère de quartz dans laquelle on a scellé une quantité prédéterminée de gaz d'éclairement. Lorsqutelles ont des dimensions convenables en fonction de. la fréquence et du taux de puissance de fonc -tionnement demandés, de telles sources scellées donnent des plasmas de décharge de forme sensiblement sphérique, qui n'entrent pas au contact des parois du récipient de décharge en quartz. Une telle source 10 et sa bobine 18, ainsi que l'arc de décharge sans électrode 16,sont représentés sur la figure 1. La source de lumière blanche 10 renferme en général un gaz lourd à pression élevée, du xénon par exemple, à plusieurs atmosphères de pression dans les conditions quand elle est X standard. Une source destines a la production de rayonnement ultraviolet peut comprendre un produit au mercure ou un matériau d'amorçage similaire, ou bien du mercure pur initialement à une pression partielle relativement faible, tandis qu'une source infrarouge à arc sans électrode efficace est fournie par la décharge de la vapeur de césium (ou d'un métal alcalin similaire) à une pression d'environ une atmosphère. Du fait de inactivité chimique des métaux alcalins chauds dans le quartz, l'enceinte de décharge destinée à la production d'in- frarouge est plutôt réalisé en saphir (disponible actuellement sous la forme de cylindre seulement) ou en une des céramiques commerciales similaires appropriées. Il est bien entendu que la présente invention nta été décrite et représentée qu'à titre dtexemple préférentiel et qu'on pourra y apporter toute équivalence technique sans sortir de son cadre, qui est défini darn les revendications annexées. REEnIv ATIONS 1 Procédé de production d'un arc de plasma sans électrode sous la forme d'une source lumineuse à haute intensité, procédé caractérisé par le fait que a) on confine un gaz formateur de plasma dans une enceinte sans électrode b) on met ledit gaz formateur de plasma sous pression à au moins une atmcsphère c) on engendre une énergie électromagnétique à haute fréquence extérieurement à ladite enceinte, de façon à former magnétiquement un champ d'induction se développant dans ladite enceinte et dans ledit gaz, ledit gaz étant ionisé sous la forme dùn arc de plasma .suspendu à l'intérieur71adite enceinte, indépendamment des parois de cette dernière ; et d) on met ledit gaz sous pression, on limite la fréquence et la grandeur du champ d'induction de sorte que la décharge dudit arc au plasma soit d'un diamètre moindre que le diamètre de ladite enceinte. 2. Procédé selon larevendication 1-, dans lequel le gaz formateur de plasma est du xénon. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le gaz formateur de plasma est de la vapeur de mercure. 4. Procédé selonXla revendication 1, dans lequel le gaz formateur de plasma est une vapeur de métal alcalin. 5. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la mobilité gravitationnelle du xénon ionisé est contrebalancée par ltutilisation d'un gaz support léger moins dense consistant en argon, néon, hélium ou hydrogène. 6. Dispositif producteur d'arc de plasma sans électrode pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.