Brevet FR2315758A1 — publié le 19770121

La présente invention concerne un interrupteur thermique perfectionne qui se ferme lors dtun échauffement à une température donnée, et qui peut supporter sans détérioration une température beaucoup plus élevée que la température de fermeture. On utilise souvent de tels interrupteurs dans les lampes à décharge à forte intensité, dans lesquelles on les dispose dans ltespace entre le tube à arc intérieur en silice fondue et ltenveloppe extérieure en verre. Dans les lampes à halogénure métallique, dans lesquelles le remplissage comporte du mercure et des hallogénures de différents métaux comprenant le sodium, 1 t électrolyse de la silice fondue dans la région comprise entre le starter et électrode principale adjacente constitue une difficulté. Le brevet des Etats Unis nO 3 226 597 a fourni une solution à ce problème, largement adoptée dans lTindustrie des lampes. Cette solution consiste en un interrupteur bimétallique situé dans ltespace entre le tube à arc et l'enveloppe extérieure et qui relie en court-circuit lité lectrode d1 amorçage adjacente à ltélectrode principale après échauffement de la lampe à la température de fonctionnement. Dans les lampes à 'halogénure métallique, on a utilisé de façon générale des enveloppes extérieures dégazées, pour réduire les pertes de chaleur provenant du tube à arc en silice fondue. La conduction à partir du tube à arc et lténergie rayonnante provoquent ltéchauffement de ltinterrupteur thermique, en sorte que la température de l'interrupteur dépend de la puissance de la lampe et est pratiquement indépendante de la position ou de ltorien- tation dans laquelle la lampe fonctionne. Un simple élément de commutation en forme de U pourrait être agencé de manière à compenser les variations de température normalement rencontrées dans la gamme des puissances de fonctionnement des lampes, sans dépasser les limites thermiques et mécaniques des matériaux bimétalliques disponibles dans le commerce.Un tel matériau, souvent dénommé "métal thermostat", est un composite, se présentant habituellement sous la forme dune bande, dTune lame ou d'une feuille, constituée de deux ou dtun plus grand nombre de couches métalliques possédant des coéfficients de dilatation différents, reliées ensemble de façon permanente. On utilise habituellement un alliage nickel-fer pour le composant à faible coefficient de dilatation et un acier nickel-chrome pour le composant à fort coefficient de dilatation. Lorsque la température augmente, les longueurs relatives des deux composants varIent, ce qui provoque le cintrage ou ltincurvation du matérieu. Diverses considérations relatives aux performances à long terme, aux économies de traitement pour éviter les frais de dégazage, et aux considérations de sécurt-e dans le cas de lampes, physiquement de grandet taille, rendent maintenant souhaitable le remplissage de l'enveloppe protectrice extérieure avec un gaz. Une conséquence de ce fait est l'introduction de la variable du chauffage par ccnvection dans les performances de la lampe, qui a une forte influence sur la température de fonctionnement de lté- liement bimétallique. Pour des raisons pratiques de commodité de montage et de fabrication, on place normal ment l'élément bimétallique à 1textrémité du tube à arc, qui comporte l'électrode dtamorçage. Dans les lampes remplies dgun gaz, on dispose le tube à arc de telle manière que llélectrode damoreage se trouve audessus de lui.Dans ces conditions le chauffage par convection de ltinterrupteur bimétallique pendant le fonctionnement est fortement influencé par la position de fonctionnement ou l'orienta tion de la lampe, depuis la position horizontale à la position verticale. I1 stensuit que ltinterrupteur doit fonctionner dans une plage de température beaucoup plus étendue que précédemment, lorsque la variation de puissance seule était le facteur déterminuant Dans un interrupteur bimétallique, qui est normalement fermé et s'ouvre lors de son échauffement et dans lequel il nty a pas de restriction quant à une déformation supplémentaire, un chauffage excessif ne doit pas entraîneur de difficulté particulière. Cependant, quand l'interrupteur est normalement ouvert et se ferme lors de son échauffement, de telle manière que la fermeture du contact impose une limitation au mouvement de 11 élément bimétallique, des variations excessives de températures peuvent soumettre le matériau bimétallique à une contrainte dépassant sa limite dlé- lasticité ce qui entraîne une déformation permanente de l'inter- rupteur. Lorsque llinterrupteur se déforme, il peut ne plus se fermer à la température de fermeture prévue. Une lampe à halogénure métallique, dans laquelle ltinterrupteur ne se ferme pas, peut s'arrenter de fonctionner par suite d'une électrolyse au bout de quelques heures de service. Le but de la présente invention est de fournir un interrup teur thermique de conception nouvelle et perfectionné, particulièrement approprié pour une lampe à arc possédant une enveloppe extérieure remplie de gaz et qui doit permettre des variations étendues de température au-delà de la température de fermeture de llinterrupteur. Conformément à la présente invention 1 interrupteur thermique associe un élément bimétallique à un élément élastique qui transmet et amplifie éventuellement le mouvement du contact. La flexion de l'élément bimétallique fournit un mouvement suffisant pour la fermeture à température prévue. Une flexion supplémentaire de l'élément bimétallique par suite dtune température excessive est compensée par une flexion de 1' élément élastique dans le sens d'une compensation du mouvement de l'élément bimétallique, ce qui évite une contrainte excessive et une déformation permanente de 1 'élément bimétallique. Suivant une réalisation recommandée, on fixe une lame bimétallique au conducteur d'amenée de courant de l'électrode principale, et l'on fixe un conducteur élastique rectiligne à I'extrémitE libre-de la lame bimétallique, ce conducteur élastique prend une position tangentielle par rapport à l'arc que forme la lame lors de l'élévation de la température. Lorsque la tangente rencontre le conducteur d'entrée de l'électrode d'amorçage, la fermeture électrique est réalisée. Si-la température augmente audelà de la température de fermeture, le conducteur élastique fléchit simplement pour compenser un cintrage supplémentaire de la lame bimétallique sans dépasser la contrainte de travail admissi ble, que ce soit de la lame bimétallique ou du conducteur élastique. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement Figure 1, une vue de côté en élévation d'une lampe à halogénure métallique, munie dtun interrupteur thermique conforme à la présente invention , Figure 2, une vue en perspective à plus grande échelle, de llinterrupteur monté sur llextrémité-supérieure du tube à arc, Figures 3,4 et 5, des vues de profil successives de llinter- rupteur dans trois positions correspondant à la température ambiante, la température de fermeture et une température excessive; Figures 6, 7 et 8 des vues en plan dlun interrupteur thermique dans une variante en forme de spirale, et ce pour une succession correspondante de températures. La figure 1 représente une lampe à arc à vapeur dthalogénure metallique 1 classique, dans laquelle on peut mettre en oeuvre l invention et qui comprend une enveloppe extérieure en verre 2 de forme tubulaire bombée comportant un col 3 fermé par un queusot ré-entrant 4. Des,fils d'amenée de courant rigides 5, 6 traversant le queusot ont leurs extrémités extérieures reliées aux contacts d'un culot à vis 7, et possèdent des raccords s'étendant de leurs extrémités intérieures au tube à arc intérieur 8.Le tube à arc est en silice fondue et comporte, scellées intérieurement à ses extrémités opposées, des électrodes principales 10, 11 de décharge drarc, plus une électrode d' amorçage auxiliaire 12. Lës électrodes sont supportées par des conducteurs d'amenez de courant qui comportent des éléments de feuilles métalliques de molybdène 13 intermédiaires minces, scéllés hermétiquement dans les extrémités aplaties ou pincées du tube à arc. Un montage subdivisé ou à deux éléments (14 à l'extrémité culot et 15 à l'extrémité bombée) supporte le tube à arc dans 1' enveloppe extérieure. Chaque élément comporte deux tiges supports longitudinales reliées par des barrettes métalliques 16, qui enserrent les extrémités pincées du tube à arc. L'élément de montage de l'extrémité culot est soudé au conducteur d'amenée de courant 5 et sert de conducteur pour l'électrode principale 10. L'élément de montage de l'extrémité bombée est maintenu dans llextrémité tubulaire de l'enceinte par deux languettes élastiques 17. Un fil courbe 18 relie 11électrode principale 11 au conducteur d'entrée 6. Une résistance 19 limitant le courant relie l'électrode d' amorçage 12 au conducteur d'entrée 6. La construction du montage en deux éléments, représentée, peut-être conforme à la description du brevet des iEtats Unis nb 3 558 951. Dans une lampe à halogènure métallique correspondant à celle réprésentée, et produite et mise en vente par la General Electric Company, le tube à arc renfermé de l'argon à une pression dtenvi- ron 25 torrs, une quantité de mercure essentiellement vaporisée lors du fonctionnement et exerçant une pression partielle de 1 à 15 atmosphères, une quantité dtiodure de sodium en plus de celle vaporisée à la température de fonctionnement, plus des quantités inférieures d'iodure de thallium et d'iodure d1indium.Sinon, le tube à arc peut contenir de ltiodure de scandium et de l'iodure de thorium, ou bien de l'iodure de thallium et de l'iodure d'in doum. Ltenveloppe extérieure est remplie d'un gaz inerte, de fa çon appropriée de l'azote à une pression d'environ 2 atmosphère. La présente invention concerne plus particulièrement la construction dtun interrupteur thermique 20 qui établit un court-circuit entre l'électrode auxiliaire 12 et l'électrode principale 10, après échauffement de la lampe. On obtient un tel courtcircuit conformément au brevet des Etats-Unis no 3 226 597 dans le but d'empêcher 1 t électrolyse de la silice fondue dans la ré- gion des conducteurs d'amenée de courant des électrodes 10 et 12. Comme le montre plus clairement la figure 2, ltinterrupteur 20 comprend une lame bimétallique 21 possédant une extrémité de base 22 recourbée à angle droit et soudée sur le conducteur d'amenée de courant 23 de l7'électrode principale 10. Un conducteur rectiligne élastique 24 en forme de fil est fixé sur l'extrémité libre ou la plus éloignée de l'élément bimétallique au moyen d'une petite pince 25 soudée sur ce dernier et longe la face de l'élément bimétallique qui devient convexe lors de l'échauffement.Le conducteur 24 devient alors tangent à l'arc formé par l'élément bimétallique, et sa disposition est telle qu'il entre en contact avec le conducteur dramenée de courant de l'électrode auxiliaire 12 lors de sa rotation dans un plan perpendiculaire -à l'axe du tube à arc. tes figures 3, 4 et 5 illustrent le mode de fonctionnement de ltinterrupteur. A la température ambiante comme on l'a illustré sur la figure 3, l'élément bimétallique 21 est rectiligne ou possède une courbure légèrement inverse et son orientation est telle que lors de son échauffement, il s'écarte, par cintrage, du conducteur dlamenée de courant 26 de l'électrode d'amorçage. Lors de l'élévation de la température, l'élément bimétallique prend la forme dtun arc de cercle tel que représenté en 21 a sur la figure 4. Le conducteur rectiligne 24 en forme de fil, fixé en 25 à l'extrémité libre de l'élément bimétallique, conserve une position tangentielle par rapport à ltarc lors de l'élévation de la température.Quand la tangente touche finalement le conducteur d'amenée de courant 26 de lXéQéctrod dfamorçage, comme représenté en 24 a sur la figure 4, on obtient la fermeture électriqueii Si la température augmente au-dessus de la température de fermeture, 1' élément bimétallique continue à s'infléchir comme représenté en 21 b sur la figure 5 et le conducteur élastique ssinfléchit dans le même sens qutindique en 24 b, de manière à compenser la flexion supplémentaire. La température de fermeture dépend de la flexibilité de 11 élément bimétallique, cXestrå-dire de la variation de courbure en réponse à une variation de te;npérature, et on choisit les longueurs de la lame bimétallique et du conducteur élastique en rapport avec l'intervalle initial à fermez Le conducteur élastique possède une taille permettant le passage d'un courant adéquat, et un moment fléchissant tel que la lame bimétallique n'est pas soumise à une contrainte excessive à la température maximale à laquelle l'interrupteur pourrait être exposé.Naturellement, il faut choisir la diamètre (ou l'épaisseur) et le matériau du conducteur élastique tels que, pqur la température et la flèche maximales, il ne subisse pas une contrainte dépassant sa limite dlélasticité. On a trouvé que des métaux - thermostats usuels, de dimensions pratiques pour l'utilisation en lampe, permettent de respecter facilement ces contraintes de conception. Suivant la forme de réalisation recommandée des figures 1 à 5, un élément bimétallique d'environ 20 millimètres de long effectue un déplacement suffisant psur réaliser la fermeture de llinter- valle représenté, pour la température minimale de fonctionnement de la lampe. Quant au conducteur en fil élastique 24, un fil de tungstène mince d'environ 0,0381 cm de diamètre convient en ce qui concerne son aptitude à conduire le courant et possède une élasticité suffisante pour empecher une contrainte excessive de ltélé- ment bimétallique après la fermeture à la température de fonctionnement. Dans l'interrupteur bimétallique en forme de U de la technique antérieure, l'excès de température au delà de la température de fermeture était limité à environ 560 C et d-es variations de température plus importantes soumettaient lgelément bimétallique à une contrainte dépassant ses limites d' élasticité, ce qui provoquait une déformation permanente. Mais dans une lampe du type représenté, dans laquelle llenveloppe extérieure renferme un gaz, en vue d'assurer la fermeture de llinterrupteur dans la position la plus défavorable pour l'échauffement, il faut prendre des dispositions pour un échauffement excessif pouvant atteindre 3000C. Ceci est aisément réalisé avec l'interrupteur représenté, mettant en oeuvre la présente invention. Bien que l'élément bimétallique que l'on ait représenté soudé par une extrémité, au conducteur d'amenée de courant 23, tandis que son extrémité la plus éloignée est soudée sur le conducteur en forme de fil élastique, un tel sondage nlest pas essentiel et des liaisons mécaniques serties suffiraient, étant donné que ltim- pédance du circuit est élevée et que des conductances de contact modérées conviennent pour le fonctionnement. t'interrupteur thermique représenté sur les figures 6 à 8 est une variante de l'invention permettant une construction plus compacte. I1 comprend un conducteur plat élastique 31 recourbé en spirale et soudé par une extrémité au conducteur d'amenée de courant 23. On a soudé en 33 à l'extrémité libre du conducteur 31 une lame bimétallique 32 qui prolonge la courbe de la spirale en direction du conducteur d'amenez de courant 26. ta figure 6 montre l'état de l'interrupteur à la température de repos ou ambiante, dans lequel l'élément bimétallique 32 est replié sur lui-même vers la gauche et nta pas de contact avec le conducteur d'entrée 26, llinterrupteur étant ouvert. Lors de l'élévation de la température, l'élément bimétallique commence à se déplier et à se redresser comme représenté en 32 a sur la figure 7, jusque à ce quil entre en contact ayec le conducteur d' amenée de courant 26. A ce moment ltinterrupteur est fermé, et il nly a encore jusqu' alors pratiquement aucun mouvement du conducteur élastique 31 a.Si l'orientation de la lampe est telle que la température de l'interrupteur continue à augmenter, ltélément bimétallique continue à se dérouler et peut se redresser complètement comme représenté en 32 b sur la figure 8, ou peut meme prendre une courbure opposée. Etant donné que l'extrémité libre de l'élément bimétallique touche déjà le conducteur d'entrée 26, le mouvement supplémentaire est simplement absorbé par le conducteur élastique en spirale qui, comme illustré sur la figure 8, se déplace de lui-meme de la position initiale dessinée en tirets à celle représentée par des traits pleins en 31 b. La combinaison représentée d'un élément bimétallique avec un ressort hélicoïdal permet de compenser des variations très importantes de température après la fermeture, sans soumettre soit 1télément bimétallique, soit le ressort hélicoïdal à une contrainte dépassant les limites d'élasticité et qui provoquerait une déformation permanente de l'interrupteur. REVENDICATIONS 1 - Interrupteur thermique normalement ouvert, permettant des variations importantes de température au-delà de la température de fermeture projetée, caractérisé en ce qu'il comprend un élément bimétallique et un élément conducteur élastique, fixés ensemble à une première extrémité, tandis que la seconde extrémité de l'un des éléments est fixée à un premier conducteur fixe, ces éléments étant agencés de telle manière que la seconde ext ré- mité de ltautre des éléments vient en contact avec un second conducteur fixe lors de l'échauffement de l'interrupteur à la température de fermeture, un déplacement supplémentaire de 1 élément bimétallique, dû q une variation de température au-delà de la température de fermeture, étant absorbé par la torsion du conducteur élastique, grSce à quoi ni l'élément bimétallique, ni le conducteur élastique ne sont soumis à une contrainte dépassant leur limite d'élasticité. 2 - Interrupteur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde extrémité de lut élément bimétallique est fixée au premier conducteur fixe, et en ce que le conducteur élastique fixé à la première extremité, la plus éloignée, de l'élément bimétallique s'inverse le long de la face de ltélément bimétallique, qui devient convexe lors de l'échauf- fement. 3 - Interrupteur thermique selon la revendication , carac térisé en ce que le conducteur élastique est en forme de spirale et est fixé à sa seconde extrémité, au premier conducteur fixe, tandis que l'élément bimétallique fixé à la première extrémité du conducteur élastique constitue un prolongement de la spirale et que la seconde extrémité, libre, de l'élément bimétallique est disposée de façon à entrer en contact avec le second conducteur fixe, lorsque 11élément bimétallique se redresse, lors de ltéchauf- fement. 4 - Interrupteur thermique normalement ouvert, permettant des variations importantes de température au-delà de la température de fermeture projetée, caractérisé en ce qui il comprend un élément bimétallique fixé par une première extrémité à un conduc teur fixe, un conducteur élastique solidaire de la seconde extrémité, la plus éloignée, de l'élément bimétallique ét s'étendant le long de la face convexe de l'élément bimétallique lorsque ce dernier se courbe lors d'une élévation de la température, ltélé- ment bimétallique et le conducteur élastique étant disposés de telle manière que l'extrémité libre du conducteur élastique entre en contact avec un second conducteur fixe. pour réaliser la fermeture électrique de l'interrupteur lorsque l'élément bimétallique se courbe, le conducteur élastique se courbant dans le même sens que l'élément bimétallique pour compenser une courbure supplémentaire de l'élément bimétallique, due à un échauffement de ce dernier au-delà de la température de fermeture, grâce à quoi ni l'élément bimétallique, ni le conducteur élastique ne sont soumis à une contrainte dépassant leur limite d'élasticité. 5 - Interrupteur thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce que I élément bimétallique est une lame sensiblement rectiligne, et le conducteur élastique, s'étendant le long de ce dernier et qui devient convexe lors dtun échauffement, s'étend tangentiellement par rapport à l'élément bimétallique et stin- fléchit, suivant une courbe touchant le second conducteur fixe, lors de l'échauffement à la température de fermeture. 6 - Lampe à décharge électrique comportant une enveloppe ex térieure, un tube à arc intérieur placé dans l'enveloppe extérieure et renfermant un milieu ionisable et possédant à ses extrémités opposées des électrodes incluant à une extrémité une électrode principale ainsi qu'unie électrode auxiliaire dtamorçage supportée par des conducteurs d'amenée de courant scellés dans la paroi du tube, et un interrupteur thermique placé dans ladite enveloppe extérieure et composant un élément bimétallique dont l'extrémité de base est fixée à un premier des conducteurs d'amenée de courant, lampe caractérisée en ce que ltinterrupteur thermique comporte un conducteur élastique fixé à l'extrémité la plus éloignée de l'élément bimétallique et s'étendant le long de ce dernier, le conducteur élastique étant situé sur la face convexe de l'élément bimétallique lorsqu'il se courbe lors d'une élévation de la température, l'élément bimétallique et le conducteur étant disposéde telle manière que l'extrémité libre du conducteur entre en contact avec le second des conducteurs d'amenée de courant pour réunir par court-circuit l'électrode principale et l'électrode auxiliaire, lors de la fermeture de l'interrupteur, ce conducteur élastique se courbant dans le meme sens que ltélé- ment bimétallique pour compenser la flexion supplémentaire de l-element bimétallique1 produite par un écha-uffement de c dernier au-delà de la température de fermeture, grâce à quoi ni l'élément bimétallique, ni le conducteur élastique ne sont soumis à une contrainte dépassant leur limite d'élasticité. 7.- Lampe électrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'élément bimétallique es-t une lame sensiblement rectiligne, et en ce que le conducteur élastique, disposé le long de ladite lame et qui devient convexe sous l'effet d'un échauffement, s'étend tangentiellement par rapport à la lame et s'inflechit suivant une courbe touchant le second conducteur d'amenée lors de l'échauffement à la température de fermeture.