Brevet FR2260866A1 — publié le 19750905

La présente invention concerne une lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression dans laquelle un tube en alumine translucide contient un halogénure de scandium et du scandium à 11 état libre comme substance lumineuse, associé avec un gaz tampon et un gaz rare de déclenchement. Dans les dernières années, les tubes translucides en alumine ont été développés comme enceintes durables contre les vapeurs de métaux alcalins à haute température et haute pression. Par exemple, une lampe à vapeur de sodium à haute pression, utilisant une luminescence produite par décharge dans une vapeur de sodium à haute pression, a déjà été réalisée au moyen de tels tubes.Une telle lampe à vapeur de sodium à haute pression est capable d'émettre une lumière blanche jaunaAtre ayant un spectre continu dans toute la zone visible en choisissant la pression de vapeur de mercure dans la lampe entre 100 et 200 Torr, et son rendement en couleur est cons il dérablement amélioré en comparaison des lampes à vapeur de sodium à basse pression de l'art antérieur , caractérisées en ce qu1elles ont une luminescence principale dans le jaune en raison du spectre de la raie D du sodium.Mais, bien que perfectionnée, cette lampe à vapeur de scdium à haute pression a une température de couleur d'environ 2.1000K et un indice de rendement de couleur d'ensemble d'environ 30, et son rendement de couleur n1 est pas tout-à-àit suffisant pour un éclairage d'application générale. En conséquence, dans le but de perfectionner ce rendement en couleur, on a développé les lampes à décharge à haute pression contenant des halogénures métalliques comme substances lumineuses en plus du sodium, par exemple, des halogénures de métaux tels que de l'indium, le thallium, l'étain, le scandium le dysprosium. Mais, quand de tels halogénures métalliques sont soumis à des hautes températures et à des hautes pressions dans les ampoules des lampes, les constituants métalliques de ces halogénures métalliques qui sont enfermés dans des lampes à décharge à haute pression tendent à réagir et à se combiner avec les substances des parois des ampoules. En conséquence, de telles lampes décharge à haute pression sont sujettes à des inconvénients, à savoir clou'après un laps de temps long, la couleur lumineuse change et que l'augmentation d' halogène séparé dans l'ampoule amène des déclenchements de mauvaise qualité et une extinction soudaine de la lumière, empêchant ainsi l'application de telles sources comme sources d'éclairage d' application générale. Un objet de la présente invention est de prévoir des lampes à décharge à vapeur métallique à haute pression ayant une durée de vie longue, et une caractéristique de décharge stable avec un rendement en couleur élevé dépassant généralement un indice de rendement en couleur de 55 qui est adapté à l'utilisation comme source d'éclairage d'application générale. Une telle lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression fournit un perfectionnement par rapport à la lampe contenant du scandium comme substance lumineuse et tend à maintenir longtemps le phénomène de luminescence du scandium. Ces objets et les caractéristiques de la présente inven tión seront exposés en détail dans la description suivante, faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesque-ls : La figure 1 est une vue de czoté en coupe d'une lampe à décharge mettant en oeuvre la présente invention; et La figure 2 représente des exemples typiques de caractéristiques lumineuses d'une-lampe à décharge selon la présente invention. Une lampe à décharge selon la présente invention comprend un tube en alumine translucide commé ampoule lumineuse qui comprend du mercure comme gaz tampon, un gaz rare, par exemple du xénon, comme gaz d'allumage et également un halogénure de scandium, de préférence un iodure de scandium, comme substance lumineuse. La demanderesse a découvert qu'une lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression comprenant dans son tube d'alumine translucide de l'halogénure de scandium selon une quantité de 1,8 x 10-7 à 9,27 x 10-6 molécule-gramme par cm) du volume interne du tube et au moins 3,1 fois cette quantité d'halogénure de scandium en rapport atomique de scandium à l'état libre permet d'atteindre complètement l'objet susmentionné. Une lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression selon la présente invention est construite de sorte que les électrodes de décharge sont conservées aux deux extrémités du tube d alumine translucide, à l'intérieur duquel est enfermé du mercure comme gaz tampon de façon à maintenir une pression-comprise entre 2 et 10 atmosphères pendant que la lampe est allumée. Avec le mercure, un gaz rare de déclenchement, par exemple du xénon, est enfermé dans le tube à une pression d'environ 20 Torr à la température ambiante pendant la phase de remplissage. Le xénon peut être remplacé par un autre gaz rare connu, par exemple, du néon, de l'argon, etc.. Parmi les halogénures de scandium utilisés comme substances lumineuses, I'iodure de scandium est le plus adapté, mais des bromures ou des chlorures peuvent également être utilisés. Pour obtenir une autre amélioration dans le rendement en couleur de la lampe de la présente invention, il est utile d'enfermer une quantité appropriée d'un halogénure d'au moins l'un des éléments sélectionnés parmi le groupe des métaux alcalins (Na, Li, Cs), le groupe du titane (Ti, Zr), le groupe du vanadium (V, Nb) et le groupe des terres rares (Dy, La, Tm, Sm, Ho, Th, Hf) comme substance lumineuse, outre les quantités spécifiées d'halogénure de scandium et de scandium à l'état libre. Une description détaillée du mode de réalisation de la lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression selon la présente, invention va être faite dans ce qui suit. La figure 1 est une vue latérale en coupe d'une lampe à décharge mettant en oeuvre la présente invention, dans laquelle aux deux extrémités d'un tube en alumine translucide 1, des tubes en niobium 2 et 3 servant de conducteurs d'amenée aux électrodes, respectivement, sont hermétiquement scellés ; et ce tube renferme principalement un composé d'iodure de scandium (SeI) et de scandium à l'état libre (Sc). Le tube d'alumine 1 est choisi pour avoir un diamètre interne compris entre 15 et 20 mm et un volume interne compris entre 12,4 et 22 cm3. Les surfaces des tubes en niobium d'amenée de courant aux électrodes 2 et 3 à l'intérieur du tube sont hermétiquement scellées par un ciment connu résistant aux halogènes, et des bobines de tungstène sont utilisées comme électro des de décharge 4 et 5 dont la distance t a (c'est-à-dire la lon- gueur de l'arc) est choisie pour eAtre de 50 mm. Dans le but d'étudier systématiquement les caractéristiques de ces lampes à décharge, plusieurs telles lampes ont été préparées, qui étaient identiques, en ce que chacune comprenait un tube d'alumine 1, de diamètre interne de 15 mm et d'un volume de 15 cm) et comprenant 30 mg de mercure et 20 Torr (à la température ambiante) de xénon. Cependant, différentes quantités sélectionnées d'iodure de scandium (ScI3) et de scandium à l'état libre (Sc) é- taient ajoutées de façon variable allant de 0,5 à 70 mg et de 0 à 40 mg, respectivement. Alors, ces lampes ont été respectivement allumées dans des conditions normalisées sous 400 watts et leurs caractéristiques de décharge ont été examinées.En conséquence, les faits suivants ont été mis en lumière (1) Quand la quantité d'addition de ScI) est augmentée, une lumi nescence colorée dans le rouge augmente, mais d'autre part, la tension de ré-allumage (c'est-à-dire la tension minimale capa ble de ré-allumer la lampe immédiatement après une extinction) s 'élève et avec l'augmentation de la quantité de Soi3, le phé nomène d'extinction (ctest-à-dire une extinction soudaine inat tendue pendant un allumage) tend à devenir fréquent meme pen dant des durées d'éclairage courtes. (2) Quand la quantité d'addition de scandium à l'état libre augmen te la lampe à décharge tend à maintenir sa caractéristique ini tiale souhaitable pendant un temps d'utilisation long. La tendance (1) susmentionnée, ctest-à-dire l'augmentation de la luminescence colorée dans le rouge, indique que, avec une augmentation de Scie, la force du spectre lumineux de Sc augmente, et, en conséquence,-lacomposante de radiation dans le rouge augmente pour fournir un rendement en couleur élevé de source lumineuse. part, la température élevée et la pression de vapeur élevée amènent le métal scandium dans ScI3 dans le tube 1 à réagir avec le compo- sant d'alumine du tube 1 et à diminuer les composants Sc. La diminution des composants Sc correspond au phénomène d'affaiblissement de la force du spectre de Sc dans la caractéristique lumineuse pendant une phase d'éclairage, et coopère également avec le fait que, en même temps qu' une diminution du composant Sc, -de l'iode séparé dans le tube augmente en quantité et la tension de ré-allumage augmente graduellement. également, en examinant précisément la réaction entre l'alumine et Sc, il est évident que, avec une augmentation de la quantité d'additif de SCIE, son taux de réaction augmente, et il est supposé que plus la pression de vapeur du Sc devient haute, plus la vitesse de réaction devient élevée. D'autre part, la tendance (2) susmentionnée, ctest-à-dire le maintien long de a caractéristique initiale, indique que le Sc ajouté réagit avec l'iode séparé pendant l'allumage et agit pour maintenir constante la pression de vapeur de ScI3 dans le tube. La pression de vapeur du Sc à ltétat libre est considérablement plus petite que celle de ScI3, et, en conséquence, le Sc existant à l'état libre dans le tube s évapore difficilement seul. Mais, puisque Sc réagit avec 11 iode gazeux à haute température, l'existence de quantités excessives de Se à l'état libre agit pour maintenir constante la pression de vapeur de ScI3 dans le tube à décharge et en même temps, pour empêcher l'apparition d'iode à l'état libre dans le tube. Au vu des faits susmentionnés, pour obtenir une lampe à décharge ayant des performances suffisamment bonnes pour un usage pratique, il est nécessaire de déterminer avec précision les quantités maximales et minimales d'additifs ScI) et de Sc à 11 état libre, respectivement. Selon des études empiriques faites par la demanderesse, chaque quantité d'additif doit être comprise entre 1,80 x 10-7 et 9,27 x 10-6 molécule-gramme par cm3 du volume inerte de l'ampoule pour le SeI) et d'au moins 3,1 fois cette quantité de ScI3 en rapport atomique pour le Sc à l'état libre (c'est-à-dire comprise entre au moins 5,58 x 10-7 et 2,98 x 10-5 atome-gramme). Si la quantité d'additif 5013 est inférieure au minimum (1,80 x 10-7 molécule-gramme), la radiation spectrale de Sc est insuffisante pour améliorer le rendement en couleur et l'indice de rendement en couleur d'ensemble devient inférieur à 55 au plus, ce qui n'est pas suffisant pour une source d'éclairage général. D'autre part, si la quantité d'additif ScI3 dépasse la maximum (9,27 x lO 6 moléeule-gramme), la corrosion de l'électrode par l'iode est importante, ce qui est susceptible de raccourcir la durée de vie de la lampe à décharge. Quand la quantité d'additif 5c à l'étant libre est inférieur à 3,1 fois celle de 5cI3 en rapport atomique, la lampe pré sente~une atténuation du spectre de radiation de Sc après une durée relativement courte, par exemple 500 heures. Contrairement, dans le cas où cette proportion est supérieure à 3,1 fois, le spectre de radiation de Sc ne s'atténue pas pendant plus de 3.000 heures. En conséquence, la demanderesse a conclu empiriquement que cette valeur de 3,1 fois signifie une certaine valeur -critique pour la caractéristique spectrale.La raison peut en être induite comme suit dans la valeur de pression du Sc pendant la durée d'éclairage, lté- tat d'équilibre entre le Sc solide ayant réagi avec l'alumine de la paroi du tube et le Sc à l'état vapeur dans le tube à décharge est atteint environ 500 heures après l'éclairage de la lampe. A ce stade, la quantité de Sc ayant réagi correspond à 3,1 fois celle du Sc dans le ScI) en rapport atomique, et après que l'état d'équilibre ait été atteint, la quantité de Sc libre qui est perdue par réaction avec l'alumine diminue de façon notable. Selon des expériences intensives effectuées par la demanderesse, une lampe à décharge capable de maintenir des caractéristiques de lampe ayant un rendement lumineux supérieur à 70 lm/W et un indice de rendement de couleur d'ensemble supérieur à 70 pendant une période dépassant 6.ooo heures a été réalise en sélectionnant de façon déterminée les quantités d'addition de Sc13 dans la gamme de 5,4 x 10 7 à 4,6 x lO 6 molécule-gramme par cm3 de gaz inerte dans l'ampoule et de Sc à l'état libre selon au moins 4,2 fois celle de 5013 en rapport atomique. Comme premier exemple, une lampe du même type que le type susmentionné ayant un diamètre interne de 15 mm, un volume interne de 15 cm3 et une distance entre les électrodes de 50 mm, et remplie de mercure (30 mg), de ScI3 (6,8 mg), de Sc (lo mg) et de xénon (20 Torr à température ambiante) maintient les caractéristiques de lampe susmentionnées (rendement lumineux supérieur à 70 lm/W, indice de rendement de couleur d'ensemble supérieur à 70) pendant 10.000 heures. Cette lampe fournit également une excellente performance à savoir qu'aucun changement de couleur lumineuse n' est observé . Dans ce cas, l'addition de 10 mg-de Sc à l'état libre correspond à l'addition d'environ 14 fois les 6,8 mg de 5013 en rapport atomique. Même si l'addition de Sc selon une quantité supérieure à 30 fois les 6,8 mg en rapport atomique de ScI) était faite, aucun perfectionnement dans l'effet ne serait obtenu, mais plutôt, du métal libre provoquerait une ombre qui nuirait à l'effet lumineux. Autre perfectionnement par d'autres additifs Le rendement en couleur de la lampe à décharge selon la présente invention peut être encore perfectionné en ajoutant d'autres halogénures métalliques au 5013 et au Sc susmentionnés contenus dans le tube. Mais, dans ce cas, les additifs d'halogénures mé métalliques qui peuvent être ajoutés sont limités à ceux qui résistent à la réduction par l'aluminium qui s'évapore de la paroi du tube d'alumine pendant l'éclairage. Pour cette raison, l'iodure de thallium (TlI), l'iodure d'indium (In13) > l'iodure d'étain (SnI2), etc. utilisés dans un tube en quartz fondu classique d'une lampe à halogénure métallique ne peuvent pas être utilisés.La force de rayonnement du spectre pour de tels halogénures métalliques s 'at- ténue pendant l'éclairage et amene la couleur lumineuse de la lampe à se décaler. En raison de ces faits la demanderesse a recherché des additifs d'halogénures métalliques et a trouvé que des additifs d'halogénures métalliques du groupe alcalin, du groupe du titane, du groupe du niobium et du groupe des terres rares étaient adaptés. A titre d'autres exemples numériques de lampes à décharge de 400 watts standard, chaque tube d'alumine ayant un diamètre interne de 15 mm et un volume interne de 15 cm3 contient les quantités données de 30 mg de mercure, de 20 Torr (à température ambiante), de xénon, de 6,8 mg de ScI3, de 3 à 10 mg de Sc à l'état libre (environ 4,2 à 14 fois la quantité de ScI3 en rapport atomique) et des additifs d'halogénures métalliques tels que listés dans le tableau suivant. Les propriétés de rendement en couleur et les rendements de lampe des lampes ont été mesurés et ces résultats sont représentés dans le tableau. TABLEAU Caractéristiques de lampe initiales Lampe Additif(s) d'halogénure(s)métallique(s)Indice de Rendement n (quantité en mg) rendement de la lampe n couleur (lm/W) général I NaI (10-20) 75 70 2 Lii (10-20) 74 67 3 TiI4 (10-20) 79 65 4 ZrI4 10-20 78 65 5 NbI5 10-20 72 7o 6 HoI3 ( 5-15) 75 67 7 nyl ( 5-15) 73 68 8 Tmi3 (5 -15) 74 69 9 rhI43 ( 3-20) 75 69 10 NaI (10-20) + TiI4 (10-20) 83 66 11 NaI (10-20) + ZrI4 (10-20) 82 67 12 NaI (10-20) + NbIS (10-20) 78 69 13 NaI (10-20) + Sm (10-20) 78 70 14 NaI 10-20) + DyI3 (10-20) 78 70 15 NaI (10-20) + TmI3 (ll002200)) 69 16 NaI 10-20 + Hol3 10-20) 80 68 17 NaI 10-20 + LiI3 10-20) 79 69 18 NaI(10-20)+TiI(10-20)+LiI(10-20) 88 63 19 NaI(10-20)+TiI4(10-20)+DyI+(5-15) 84 65 Les quantités en mg représentées entre parenthèses désignent les gammes convenables pour ces lampes. Lampes n 1 à 9 : additif d'une seule sorte lampes n 10 à 17 : additifs de deux sortes Lampes n 18 et 19 : additifs de trois sortes. A partir des mesures précédentes, les observations suivantes ont été faites (1) Tandis qu'une lampe comprenant une addition de seulement 6,5 mg de ScI3 et de 2,9 mg de Sc à l'état libre a un indice de rendement en couleur général d'environ 70, cette valeur d'in dice est améliorée dans une gamme comprise entre 72 et 88 par les autres additifs d'halogénures métalliques représentés dans le tableau. (2) L'addition d'additifs d'halogénures métalliques du groupe al calin, est souhaitable, car elle fournit l'avantage de stabi liser les arcs dans le tube lumineux et de diminuer la tension de ré-allumage améliorant en outre le rendement en couleur. En particulier, l'iodure de sodium (nuai) est très souhaitable quand on considère également le rendement. (3) Le spectre des halogénures métalliques du groupe titane couvre exactement la zone de longueurs d'onde non couverte par la ra diation spectrale du ScI3, et, en conséquence, il est remarqua blement utile pour améliorer le rendement en couleur. Comme cela a été mentionné ci-dessus, comme additifS d'ha- logénuresdans la lampe à décharge selon la présente invention, les iodures sont les plus souhaitables, mais d'autres halogénures, à l'exception des fluorures, en particulier, les bromures et les chlorures sont utilisables. Dans ce cas également, la durée de vie des lampes à décharge est très supérieure en comparaison aux lampes à décharge classiques contenant une quantité raisonnable d'halogénure de scandium. Parmi tous les halogénures, les iodures ont la plus faible réaction pour corroder et user les électrodes métalliques. Dans le cas où un verre de quartz fondu est utilisé comme ampoule, le Sc métallique libre disparaît par une réaction aiguë avec le quartz à haute température et noircit rapidement les tubes. Ainsi de telles lampes ne peuvent fournir les caractéristiques de décharge souhaitées. En figure 2, une caractéristique de lampe à décharge selon l'exemple 1 de la présente invention est représentée par une courbe I, et par contraste, un exemple de caractéristique de lampe à décharge ne contenant pas du tout de Sc à l'état libre est représenté par une courbe II. A partir de cette comparaison, il est évident qu'unie lampe à décharge selon la présente invention a une durée de vie nettement supérieure aux lampes classiques. la présente invention n'est pas limitée aux exemples.de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes.et de modifications qui apparaitront à lthomme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Lampe à décharge à vapeur métallique, à haute pression comprenant une ampoule qui est faite d'un tube d'alumine translucide et qui contient un gaz tampon, des substances lumineuses et des gaz rares de déclenchement, caractérisée en ce que ces substances lumineuses sont formées par un mélange comprenant un halogénure de scandium choisi parmi le groupe comprenant l'iodure-de scandium, le bromure de scandium et le chlorure de scandium, selon une quantité de 1,80 x 10-7 à 9 > 27 x 10-6 molécule-gramme par cm3 du volume interne de ampoule, et du scandium à l'état libre selon une quantité d'au moins 3,1 fois cette quantité d'halogénure de scandium, suivant un rapport en atome. 2 - Lampe à décharge selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'halogénure de scandium est de l'iodure de scandium. 3 - Lampe à décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'halogénure de scandium est du bromure de scandium. 4 - Lampe à décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'halogénure de scandium est du chlorure de scandium. 5 - Lampe à décharge selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé-e en ce que les proportions particulières des quantités sont choisies entre 5,4 x 10 7 et 4.6 x 10-6 molécule- gramme par cm3 de volume interne de l'ampoule pour l'halogénure de scandium et au moins 4,2 fois cette quantité d'halogénure de scandium en rapport atomique pour le scandium métallique à llétat libre. 6 - Lampe à décharge munie d'une ampoule sous forme d'un tube d'alumine translucide comprenant un gaz tampon, des substances lumineuses et un gaz rare de déclenchement, ces substances lumineuses étant caractérisées en ce qu'elles comprennent les composants suivants a) un halogénure de scandium selon une quantité de 1,80 x 10-7 à 9,27 x 10-6 molécule-gramme par cm du volume interne de l'ampoule, b) du scandium métallique à l'état libre selon une quantité égale à au moins ),1 fois la quantité d'halogénure de scandium en rapport atomique, c) une quantité appropriée d'halogénure d'au moins un élément choisi parmi le groupe comprenant le groupe de métaux alcalins le groupe du titane, le groupe du vanadium et le groupe des terres rares. 7 - Lampe à décharge selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'halogénure est un iodure.