Brevet FR2344960A1 — publié le 19771014

L'invention due à Alan Gorge Chalmers, Franc Lawrence Whittaker et David Osborn Wharmby est relative à des lampes à décharge électrique et plus particulièrement à des lampes à de charte a' haute pression destinées en général à l'éclairage0 De telles lampes fonctionnent avec une atmosphè-e de vapeur de mercure et de gaz rare à faible pression conjointement avec l'halogénure vaporisé d'au mcins un autre élément. Le gaz rare n'est nécessaire que pour faciliter le déclenchement de l'amorçage de la lampe. Les décharges à haute pression dans des vapeurs dthalogé- nure d'étain présentent des spectres continus avec un petit nombre de raies atomiques. Ces décharges fournissent habituellement un excellent rendu des couleurs et, dans le cas des chlorures et des bromures, un rendement lumineux élevé, mais leurs coordonnées de chromaticité se trouvent généralement du cbté du vert de la courbe correspondant au radiateur intégral. Les décharges dans des mélanges d'halogénures d'étain ont été utilisées pour fournir une couleur apparente plus agréable sans perte appréciable de rendement. La couleur apparente est déterminée en partie par les quantités relatives de chlore et d'iode présentes dans la vapeur.Des réactions chimiques intervenant au cours du fonctionnement de la lampe tendent à faire varier la composition de la vapeur, ce qui rend difficile le maintien d'une couleur apparente constante. Pour de nombreuses applications d'éclairage intérieur, il est souhaitable d'obtenir une couleur apparente différente de celle que l'on peut obtenir avec les décharges à lthalogénure d'étain et, plus particulièrement, une température de couleur correspondante inférieure et des coordonnées de chromaticité plus proches de la courbe correspondant au radiateur intégral. On a découvert que l'on pouvait obtenir une lampe à décharge à haute pression perfectionnée, qui fonctionne avec les vapeurs d'un ou de plusieurs halogénures d'étain et d'un ou plusieurs halogénures de sodium, conjointeent avec une atmosphère de vapeur de mercure et un gaz rare. Dans une telle lampe, des combinaisons complexes très volatiles contenant à la fois du sodium et de l'étain et l'halogène ou les halogènes sont formées et fournissent dans l'arc des concentrations d'halogénure de sodium et de sodium plus élevées que celles qui peuvent autre obtenues par évaporation d'halogénure de sodium seul. Les lampes conformes à l'inventIon peuvent aInsi cotre défi nles comme des lampes à décharge électrique å haute pression, comprenant une enveloppe transparente scellée et des électrodes d'arc et contenant un remplissage comprenant du mercure, un gaz rare et > au moins en fonctionnement, une combinaison complexe volatile d'halogénure d'étain et de sodium. Les lampes, selon un mode de réalisation préférentiel > utilisent comme halogènes soit du chlore et de l'iode, soit du brome et de l'iode, soit du brome seul. L'enveloppe ou tube à arc peut autre contenue dans une enveloppe extérieure transparente, d'une manière connue. Lorsque la combinaison complexe d'halogénure peut être préparée et manipulée comme s le, la combinaison elle-mdme peut être introduite dans l'enveloppe de la lampe, au cours de la fabrication de celle-ci. Selon une variante, cu à titre supplé- mentaire, toutefois, les éléments en question peuvent ttre introduits dans l'enveloppe sous n'importe quelle forme avanta use. L'invention s'applique ainsi à n'importe quelle lampe à décharge contenant un remplissage de mercure, de gaz rare, d'halogène, d'étain et de sodium en proportions appropriées pour la formation d'une quantité appréciable d'un ou plusieurs halogénures volatiles d'étain et de sodium.De tels remplissages sont cités à titre dexemple dans les modes de réalisaticn pratiques décrits ci-dessous. Les lampes à décharge à haute pression conformes à l'invention surmontent certaines des difficultés inhérentes à la couleur apparente des décharges à halogénure d'étain,tout en conservant et, dans certains cas, en augmentant > le rendementde ces lampes. On a trouvé que les propriétés de ces décharges diffèrent de celles des halogénures d'étain ou des halogénures de sodium et qu'elles présentent certaines propriétés avantageuses, que ne présentent pas les décharges à halogénure d'étain, avec ou sans mercure, ou les décharges à halogénure de sodium seul. Au moins certaines de ces propriétés résultent de > formation de combinaisons complexes d'halogénures d'étain et d'halogénures de métal alcalin. Une telle combinaison est constituée par NaSnC13 dont les molécules peuvent se présenter à la fois en phase liquide et en phase vapeur. D'autres combinaisons comple xes d'halogénures d'étain et d'halogénures de métal alcalin existent également. Une propriété de ces combinaisons complexes, qui est mise à profit dans l'invention, est leur grande volati lité. Par exemple, en fonction des données de pressions de vapeur, il existe à peu près 2.1014. molécules/cm3 de NaCl en équi libre avec du chlorure de sodium liquide à 953 K (680 C).En équilibre avec NaSnCl3 liquide, à la mEme température, il existe à peu près 1018 rolécules/cm3 de NaSnCl3. Lorsque NaSnC13 se dissocie dans la décharge, il fournit des molécules de NaCl. Ainsi, il existe jusqu'd 104 fois plus de molécules de NaCl disponibles dans la phase vapeur, et la pression partielle des atomes de sodium et des molécules contenant du sodium est fortement augmentée par ce moyen. Pour obtenir une concentration de 1018 molécules/cm3 de NaCl par volatilisation de NaCl il faudrait que la phase liquide soit à une température comprise entre 1.000 et 1.100 C ce qui restreint beaucoup le choix des matériaux utilisés pour la construction des tubes à arc. Une autre propriéte avantageuse des lampes conformes à l'invention, qui est probablement liée à la formation de combinaisons complexes. est que dans certains cas la couleur apparente dé la décharge est relativement insensible aa rapport molaire de l'halogénure de sodium à l'halogénure d'étain. Dans certains modes de réalisation pratiques préférentiels de l'invention, le tube à décharge est réalisé en silice fondue transparente ou en alumine polycristalline ou monocristalline. La charge de puissance sur la paroi est de l'ordre de 10 à 100 W/cm2 et la température du point le plus froid de la lampe est supérieure à 5000C. Le tube à décharge est rempli des constituants suivants. qui peuvent dtre introduits en utilisant une sélection appropriée de gaz rares (Ne, Ar, Kr, Xe), d'halogénures d'étain, d'halogénures de mercure. d'halogénures de sodium, d'étain métallique, de sodium sétallique. de mercure, d'halogé- nures complexes d'étain et de sodium, d'halogènes sous forme élémentaire ou d'autres sources appropriées des éléments considérés : 1. gaz rare ou mélange de gaz rares à une pression totale de 5 à 100 Torrs (à 200C). 2. Etain compris entre 5 et 100 micromoles/cm3. 3. Un ou plusieurs des halogénures de sodium : NaCl, NaBr, Nal, pourfournir une quantité totale d'halogénure de sodium-comprise entre 1 et 250 micronoles/ci3. 4. Atomes dthalogènes supplémentaires (qui doivent comprendre 3 Cl ou Br) compris entre 5 et 100 micromeles/ci , avec a) un rapport atomique Cl/I compris entre 0,5 et 5 ou b) un rapport atomique Br/I compris entre 0,5 et 5 ou c) la présence de brome seulement. 5. Mercure compris entre 10 et 150 micromoles/cm3. L'invention est expliquée plus en détail ci-après. à l'aide de certains de ses modes de réalisation. considérés à titre illustratif mais nullement limitatif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1 et 2 sont des vues latérales de tubes à décharge, de formes différentes, utilisables pour la mise en oeuvre de l'invention. Dans la lampe représentée sur la figure 1, un tube en silice 11 à décharge est fermé à ses deux extrémités par des pincements 12 qui assurent des scellements hermétiques autour des conducteurs de courant 13. Ces conducteurs de courant sont connectés à des électrodes de tungstène 14 qui peuvent contenir une substance émettrice d'électrons. La décharge s'effectue entre ces électrodes. Le tube à décharge présente un diametre intérieur de 6 mm et les pointes des électrodes de tungstène sont séparées de 20 mm. Le volume du tube, d'une manière caractéristique, peut être de 1 cm3. Un tube à décharge analogue, représenté sur la figure 2, a un volume de 4,3 cm3, un diamètre intérieur de 15 mm au centre et des électrodes séparées de 20 R. Une électrode auxiliaire 16 peut astre incorporée au tube pour faciliter son amorçage. Les extrémités du tube sont réalisées sous une forme telle que la température de la région la plus froide soit aussi élevée que possible. Dans ces deux modes de réalisation, les -températures des extrémités du tube à décharge peuvent également être augmentées à l'aide d'un revêtement de zircone déposé sur les extrémités du tube ou à 1 'aide de tout autre moyen approprié. Dans ces deux modes de réalisation, le tube à décharge peut autre monté dans un type classique d'ampoule de verre dur (comme le montre par exemple la figure 2), de préférence avec un bati de support d'un type connu pour empocher la migration du sodium à travers le tube à décharge. Les exemples suivants illustrent la mise en oeuvre pratique de l'invention. EXEMPLE 1. Un tube à décharge du genre représenté sur la figure 1 a été rempli des éléments composants suivants Hg2Cl2 ....................... 6,2 mg/cm3 HgI2 ....................... 3,1 mg/cm3 Hg * 18.2 mg/cm3 Sn ....................... 4,9 mg/cm3 NaCl ....................... 0,88 mg/cm3 et aussi Argon ....................... 50 Torrs à la température de la pièce. Ce tube à décharge contenait par conséquent : 41 micromoles/ cm3 d'étain, 15,1 micromoles/cm3 de NaCl, 39, 9 micromoles/cm3 d'autres atomes d'halogènes (Cl,I), selon un rapport atomique Cl/I de 2/1, et 124 micromoles/cm3 de mercure. Zette lampe à décharge pouvait fonctionner avec les caractéristiques suivantes : puissance 260 W, rendement 90 lm/W, température d'halogénures condensés 7000C, coordonnées de chro maticité : X = 0,385, y = 0,387, température de couleur corres- pondante 3.950 K, indice de rendu général des couleurs (CIE) 76. EXEMPLE 2. Un tube à décharge du genre représenté sur la figure 1 a été rempli à l'aide des mimes éléments composants que dans l'exemple 1, sauf que la proportion de chlorure de sodium était de 2,9 mg/cm3 (50 micromoles/cm3). Cette lampe à décharge pouvait fonctionner avec les caractéristiques suivantes : puissance 260 W, rendement 95 lm/W, température d'halogénures condensés : 700 C, coordonnées de cnromaticité : x = 0,385, y = 0,381, température de couleur correspondante : 3.90C K, indice de rendu général des couleurs (CIE) 72. Ces deux exemples montrent que les coordonnées de chromaticité sont très peu sensibles à la proportion de Nazi. EXEMPLE 3. Un tube à décharge du genre représenté sur la figure 2 a été rempli des éléments composants suivants Hg2Cl2 ........................ 0,76 mg/cm3 HgI2 ........................ 0,72 mg/cm3 Hg s 3,03 mg/cm3 Sn ........................ 0,59 mg/cm3 naCl * 0,30 mg/cm3 et aussi Argon ......................... 30 Torrs à la température de la pièce. Ce tube à décharge contenait par conséquent 5X0 micromoles/ cm3 de Sn, 5,1 micromoles/cm de NaCl, 6,4 micromoles/cm3 d'autres atomes d'halogènes (Cl,I), selon un rapport atomique Cl/I de 1/1, et 19,9 micromoles/cm3 de mercure. Cette lampe à décharge poquait fonctionner avec les caractéristiques suivantes ; puissance 253 W, rendement 5C lm/W, température d'halogénures condensés 5900C, coordonnées de chromaticité x = O, 359 > y = C,375, température de couleur correspondante : 4.600 K, indice de rendu général des couleurs (CIE) 56. Elle pouvait aussi fonctionner à une puissance de 400 W avec un rendement de 69 lm/W, des coordonnees de chromaticité x = 0 > 359, y = 0,354, une température de couleur correspondante de 4.5000K et un indice de rendu général des couleurs (CIE) de 65. Il y a lieu de souligner que les résultats de l'invention sont obtenus gracie à la présence d'au moins un halogénure d'étain et de sodium volatil dans la lampe en fonctionnement et que cela n exclut pas la présence d'un excès d'un ou plusieurs éléments composants ou d'halogénure d'étain, ou d'halogénure de sodium. Au contraire, il peut être avantageux de prévoir un excès d'une ou plusieurs de ces substances, ce qui est possible dans les gammes de concentration indiquées ci-dessus. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes REVENDICATIONS 1. Lampe à décharge électrique, comportant une enveloppe transparente scellée et des électrodes à arc, caractérisée en ce que son remplissage comprend du mercure, au moins un gaz raro. de étain, du sodium- et un halogène de manière que soit formée, au moins au cours du fonctionnement de la lampe, au moins une combinaison volatile complexe d'halogénures d'étain et de sodium. 2. Lampe selon la revendication 1 > caractérisée en ce que l'halogène est constitué par du chlore et de l'iode, ou par du brome et de l'iode ou par du brome seul. 3. Lampe selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la quantité d'étain est de 5 à 100 micromoles/cm3. 4. Lampe selon la revendication 3, caractérisée en ce que 3 le remplissage contient 1 à 250 micromoles/cm3 d'halogénure de sodium. 5. Lampe selon la revendication 4, carectérisée en ce que le remplissage contient, en plus de celui apporté par l'halogé- nure de sodium, des halogènes constitués soit par un mélange d'iode et de chlore ou de brome, dans le rapport atomique de 0,5 à 5 pour Cl/I ou Br/I, soit par du brome seul, la quantité totale d'halogènes supplémentaire s'élevant au tpta; à 5 à 100 micromoles/cm3. 6. Lampe selon la revendication 5, caractérisée en ce que la pression de gaz rare est de 5 à 100 Torrs à 20C et la quantité de mercure est comprise entre 10 et 150 micromoles/cm3. 7. Lampe selon l'une quelconque des revendications 1 à 62 caractérisée en ce que l'enveloppe de la lampe est en silice fondue. 8. Lampe selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'enveloppe de la lampe est en alumine polycristalline ou monocristalline.