Brevet FR2349954A1 — publié le 19771125

La présente invention concerne des lampes à vapeur de sodium à haute pression et en particulier, un procédé amélioré de fabrication de ces lampes et les lampes perfectionnées réalisées par ce procédé. Des lampes vapeur de sodium à haute pression, qui sont un type connu de lampes électriques à décharge à vapeur saturante, sont connues des spécialistes. Celles luron trouve dans le commerce sont remplies de grandes quantités de sodium et de mercure, et des fractions de ces éléments s'accumulent dans la phase liquide sous forme d'amalgame aux points les plus froids du tube où jaillit l'arc (tube à arc) de la lampe. Pour ces lampes, les caractéristiques de fonctionnement, en particulier la tension d'arc, tendent à fluctuer en fonction des facteurs qui influent sur la température du point le plus froid de ce tube. Un exemple d'un tel facteur est la tension de la source. La théorie indique qu'on peut remédier à l'inconvénient cidessus en limitant les quantités de sodium et de mercure à celles qui sont effectivement vaporisées. A ce sujet, il est possible de calculer la quantité maximale admissible de sodium et de mercure, c'est-à-dire la quantité maximale de ces substances qui ne donnera pas lieu à une condensation dans les conditions de travail Malgré ce qui précède, personne n'a été capable de déterminer et d'indiquer le poids approprié des charges (c'est-à-dire du sodium et du mercure) à utiliser pour obtenir une lampe à décharge pratique, avec un rendement élevé, un rendu des couleurs acceptahle, une longue durée de service et une tension d'arc stabilisée convenable en utilisant un régulateur économique. Ceci est attribuable au fait que le poids approprié des charges est très petit et que le sodium est un élément chimiquement actif. I1 est tres difficile de prélever et d'introduire avec précision une quantité aussi petite de sodium chimiquement actif sans qu'il soit souillé par d'autres constituants de l'atmosphère tels que l'oxygène et la vapeur d'eau Il est en même temps très difficile de fDrmer une très petite goutte de mercure en opérant à l'échelle industrielle puisque le mercure a une tension superficielle élevée et une grande triasse volumique La présente invention a pour objet de remédier à l'inconvénient susmentionné de la technique antérieure en limitant les quantités de sodium et de mercure introduites dans une lampe à Vapeur de sodium entre 0,007 et 0,054mg de sodium et entre 0,054 et 0,6 mg de mercure par centimètre cube du volume du tube où jaillit l'arc (tube à arc) > réalisant ainsi une lampe à vapeur de sodium à haute pression utilisable en pratique et satisfaisant à toutes les conditions à remplir par une lampe à décharge électrique de grande intensité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre,donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, ainsi que des dessins annexés dans lesquels. - la figure 1 est une vue en élévation latérale et coupe partielle d'un tube à arc au sodium à haute pression selon l'invention, au cours d'un stade intermédiaire de sa fabrication, - la figure 2 est une vue en élévation latérale et coupe partielle d'un tube à arc terminé selon l'invention, - la figure 3 est une coupe effectuée selon la ligne A-A de la figure 2, - la figure 4 est un graphique représentant la relation entre le courant et la tension pour des tubes à arc au sodium à haute pression, de la technique antérieure et selon l'invention. En référence à la figure 1, un tube 1 en céramique transparente pour la lumière, qui peut être en alumine polycristalline ou en saphir monocristallin, est fermé à ses extrémités par des disques 2, 2' en une alumine semblable. Les disques 2, 2' ont des ouvertures axiales correspondantes à travers lesquelles passent des tubes de pompage 3, 3' en niobium. Une électrode 4 en tungstène est placée près de l'extrémité intérieure d;e chacun des tubes de pompage 3, 3'. Les disques de fermeture, les tubes de pompage et le tube d'alumine sont réunis de façon étanche l'un à l'autre à l'aide d'un verre pour scellements. Le sodium et le mercure sont introduits dans le tube 1 où jaillit l'arc, par le tube de pompage 3 d'une manière décrite ci-après, de façon à avoir 0,007mg/ml à 0,054 mg/ml de sodium et 0,054 mg/ml à 0,6 mg/ml de mercure dans le tube à arc. Pour un rendement particulièrement élevé et une longue vie de la lampe, les quantités de sodium et de mercure introduites dans ce tube sont de préférence comprises respectivement, entre 0,007 mg et 0,018 mg et O,lmg et 0,6mg par centimètre cube du volume du tube où jaillit l'arc. Toutefois, la "quantité" susmentionnée représente les quantités de chaque substance agissant comme un milieu pour décharge électrique quand la lampe est allumée, sans être perdue par combinaison avec d'autres substances. On a trouvé très avantageux d'utiliser la décomposition par la chaleur de l'azothydrure de sodium (NaN3) pour remplir le tube à arc avec la quantité spécifiée de sodium à l'état pur. L'azothydrure de sodium, qui est une poudre blanche et est stable dans les conditions ambiantes, se décompose en sodium libre et azote (N2) quand il est chauffé à 400 C. Il est possible d'introduire une quantité contrblée de sodium tres pur dans le tube à arc en produisant cette dernière réaction dans ce tube après l'avoir isolé de l'atmosphère extérieure. Il est très difficile de produire de très petites particules de mercure d'un poids déterminé. Toutefois, la décomposition par la chaleur de l'alliage titane-mercure (Ti-Hg) ou de 1 l'alliage aluminium-zirconium-titane- mercure (Al-Zr-Ti-Hg) décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n" 3 203 901 et existant maintenant dans le commerce sous la marque "Mercury Dispenser" peut être effectivement utilisée. Le deuxième alliage peut être obtenu sous forme de poudre ou de pièce moulée et le mercure s'en sépare à une vitesse prédéterminée quand il est chauffé jusqu'à 700 C. La réaction de décomposition à chaud de cet alliage se produit aussi à l'intérieur du tube à arc de sorte qu'une quantité prédéterminée de mercure peut Stre introduite dans ce tube. L'alcool méthylique est de préférence utilisé comme solvant approprié pour l'azothydrure de sodium (NaN3), afin de faciliter l'opération de séchage qui suite bien que NaN3 soit aussi soluble dans l'eau. A titre d'exemple, on dissout 0,5g de NaN3 dans 100 ml d'alcool méthylique et on utilise 0,04ml de la solution obtenue pour un tube à arc de 400 W. La solution est tout d'abord introduite dans un récipient de chargement, ou injecteur 8. Cet injecteur 8 peut être en une matière réfractaire, telle que l'acier inoxydable, en forme de tambour ou de tube allongé dont une extrémité est fermée. Après élimination par séchage de l'alcool méthylique (solvant), il reste exactement 0,2 mg (500 x 0,04/100) de NaN3 dans l'injecteur 8. On place ensuite, dans le récipient 8, lOmg de "Mercury Dispenser", constitué par l'alliage Al-Zr-Ti-Hg pour former un mélange 9 avec NaN3. On introduit ensuite le récipient 8 dans le tube de pompage 3 et on ferme son extrémité ouverte par soudage et pression. L'autre tube de pompage 3' est relié à un ensemble de pompage (non représenté) pour faire le vide à l'intérieur du tube à arc. L'extrémité du tube de pompage 3 où se trouve le récipient 8 est chauffée à 4000C et NaN3 se décompose en Na et N2 libres (2 NaN32Na + 3N2). On produit ainsi 0,07 mg de Na à partir de 0,2 mg de NaN3, et l'azote libre produit en même temps est évacué par le tube de pompage 3'. Un chauffage ultérieur à 700"C du tube 3 de pompage sépare 2 mg de mercure du "Mercury Dispenser".On vaporise le sodium et le mercure ainsi obtenus pour les chasser du tube 3, mais on les condense dans le tube à arc en maintenant ce dernier froid pendant ltopération. Un gaz d'amorçage, par exemple du xénon sous 20 mm Hg, est introduit par le tube de pompage 3'. On pince ensuite les tubes 3, 3' des longueurs convenables et on les ferme. Bien qu'il soit évident pour les spécialistes qu'on peut modifier les opérations du procédé ci-dessus et leur ordre, l'introduction du mercure et du sodium dans le tube à arc est réalisée en utilisant de l'azothydrure de sodium et du "Mercury Dispenser", avec un réglage quantitatif précis et sans contamination par les impuretés de l'atmosphère. I1 est absolument nécessaire que la totalité du sodium et du mercure soit complètement vaporisée pour une lampe à vapeur de sodium à haute pression du type à vapeur non saturée. Pour cela, les conditions de température dans le tube a arc doivent être régulées. En particulier les extrémités du tube à arc, qui en sont les points les plus froids, doivent être maintenues à une température suffisamment élevée pour assurer la vaporisation complète des substances introduites. On utilise un manchon thermiquement isolant pour obtenir ce résultat. Le manchon utilisé dans l'invention est plus simple, et très efficace, comparé aux manchons thermiquement isolants classiques, tels ceux constitués seulement par une plaque métallique entourant les extrémités du tube, au par un enduit thermiquement isolant. Le manchon thermiquement isolant utilisé dans le cas présent comprend une matière de garnissage isolante réfractaire placée de manière à entourer les extrémités du tube à arc. On peut utiliser comme matière de garnissage la laine de quartz et la laine de céramique qui sont vendues séparément ou associées. Une feuille de ces matières est facile à couper en morceaux de dimensions convenables. Pour mettre en place cette matière de garnissage, on utilise des bandes minces de métal de façon que les extrémités opposées de cette bande entourant la matière de garnissage soient fixées l'une à l'autre par exemple par soudure par points de manière à appliquer une pression convenable au tube à arc par l'intermédiaire de la matière de garnissage. I1 va de soi qu'il est inutile d'utiliser un organe spécial pour fixer le manchon thermiquement isolant au tube à arc, puisque le manchon exerce une pression suffisante pour se maintenir de lui-même sur le tube à arc. Puisque la matière de garnissage est électriquement, ainsi que thermiquement, isolante, l'extrémité du tube à arc est convenablement isolée thermiquement et le point le plus froid à l'intérieur de ce tube est maintenu à une température suffisamment élevée pour assurer une vaporisation complète des substances introduites. De plus, le manchon isolant selon l'invention ne lachera pas le tube et ne s'écaillera pas, comme cela est courant avec les manchons classiques. En référence aux figures 2 et 3, des feuilles 5 et g d'une d'une matière de garnissage réfractaire et isolante sont placées autour des extrémités du tube à arc 1. Ensuite, on enroule des bandes de métal 6, 6' autour de la matière 5, 5' de garnissage. Les extrémités latérales respectives opposées 7, 7' des bandes métalliques 6, 6' sont réunies et fixées l'une à l'autre par soudage par points de manière à maintenir solidement le tube à arc 1 par les bandes métalliques 6, 6' et par l'intermédiaire des matières de garnissage 5, 5'. Le manchon isolant thermiquement est ainsi fixé au tube à arc. Les bandes 6, 6' peuvent être en une tôle mince d'un métal réfractaire tel que le nickel, le molybdène, le tantale ou l'acier inoxydable. La longueur du tube à arc couverte par la plaque thermiquement isolante peut être de 5 à 8 mm pour obtenir un calorifugeage satisfaisant qui sera amélioré si la plaque isolante est allongée de façon à dépasser des extrémités du tube à arc 1, entourant ainsi les tubes de pompage 3 et 3'. Le tube à arc terminé est ensuite fixé mécaniquement à l'intérieur d'une ampoule ou chemise extérieure par des moyens connus et ensuite les connexions électriques nécessaires sont effectuées pour produire une lampe à vapeur de sodium à haute pression selon l'invention, d'apparence semblable à celle des lampes classiques. La figure 4 représente le courant dans la lampe en fonction de la tension appliquée à celle-ci pour une lampe classique de 400 w à vapeur de sodium à haute pression et pour une lampe de 400 W réalisée de la maniere décrite ci-dessus. La courbe b eorrespond à la lampe classique et on voit que la tension aux bornes de cette lampe augmente quand le courant danscette lampe croit, et le taux d'augmentation croit avec le courant. fln référence à la courbe a, qui représente la caractéristique d'une lampe selon l'invention, la tension aux bornes de cette lampe augmente plus rapidement aux faibles courants que pour la lampe classique. Cependant, la tension aux bornes de ladite lampe cesse d'augmenter quand le courant croit au-delà du point C, et reste à peu près constante. Ceci est attribuable au fait que la pression de la vapeur se maintient à peu près constante après la vaporisation totale du mercure et du sodium introduits. Le point D, défini par 100 V appliqués à la lampe et un courant de 4,3 A dans celle-ci, indique le point de fonctionnement d'une lampe ayant une puissance de sortie de 400 W. La tension Vsa aux bornes de la lampe pour une pression de vapeur non saturante varie en fonction des quantités de sodium et de mercure présentes dans le tube à arc. La tension Vsa augmente en même temps que la quantité de sodium, ceci étant accompagné d'un changement des caractéristiques spectrales et du rendement, alors qu'une augmentation de la quantité de mercure ne modifie pas sensiblement la caractéristique spectrale. Cependant elle augmente aussi la tension Vsa aux bornes de la lampe. I1 est donc préférable de choisir d'abord la quantité de sodium pour obtenir un rendu des couleurs et un rendement pratiquement acceptables et de déterminer ensuite la quantité de mercure de façon à obtenir une tension Vsa convenable. La tension Vsa économique aux bornes de la lampe est comprise 'entre 70 et 140 V, de préférence entre 90 et 130 V. 3 Le volume du tube à arc de 400 W est d'environ 5,6 cm dans l'exemple ci-dessus. Par conséquent, les quantités de sodium et de mercure dans ce tube étaient respectivement de 0,0126 mg et de 0,357mg par centimètre cube de volume de ce tube. La quantité de sodium par centimètre cube est-de préférence de 0,007 à- 0,054-mg par centimètre cube étant donné que le rendement est exagérément bas pour des quantités plus faibles et que la durabilité du tube à arc diminue pour des quantités de sodium plus grande. L'intervalle indiqué ci-dessus de 0,007 à 0,054 mg donne presque le même rendu des couleurs que les lampes classiques. En règle générale, la quantité de mercure choisie est à peu près inversement proportionnelle à la quantité de sodium, afin. d'obtenir une tension Vsa convenable aux bornes de la lampe. Cette tension Vsa aux bornes de la lampe est respectivement trop faible ou trop élevée, quand la quantité de mercure est inférieure à 0,054 mget supérieure à 0,6 mg par centimètre cube de volume du tube, pour un fonctionnement économique. Pour des concentrations plus élevées du mercure, la teinte de la lumière émise est souvent rose, on ignore exactement pourquoi. On suppose que le gradient de concentration des atomes de sodium varie lorsque la concentration des atomes de mercure est grande ou que le spectre d'émis sion change à cause de la formation de molécule Hg-Na. Les quantités les plus à préférer de sodium et de mercure pour obtenir un rendement élevé et une longue vie utile sont comprises respectivement entre 0,007 et 0,018 mg et entre 0,1 et 0,6 mg, par centimètre cube de volume du tube La tableau ci-après indique les résultats d'essais dans lesquels les lampes de 400 W remplies de différentes quantités de sodium et de mercure ont fait ltobjet de mesures pour une puissance de sortie de 400 W. TABLEAU Numéro Quantité en mg/cm Tension aux Courant dans Rendement Couleur bornes de la la lampe lampe Na Hg V A 1m/W Blanc 1 0,0126 0,357 110 4,3 110 jaunâtre 2 0,0126 0,803 153 3,1 92 Rose Blanc 3 0,0315 0,178 120 4,0 105 jaunâtre 4 0,0315 1,07 220 2,2 80 Rose Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par 1?homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de laine vention. REVENDICATIONS 1. Lampe à décharge électrique à vapeur de sodium du type comportant un tube à arc constitué par un tube réfractaire et transparent pour la lumière, contenant du sodium, du mercure et un gaz d'amorçage, caractérisée en ce que les quantités desdits sodium et mercure sont respectivement comprises entre 0,007 et 0,054 mg et 0,054 et 0,6 mg par centimètre cube de volume dudit tube à arc, de manière que la totalité du sodium et du mercure se vaporise pendant le fonctionnement. 2. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la quantité de sodium est comprise entre 0,007 mg/ml et 0,018 mg/ml. 3. Lampe selon la revendication 2, caractérisée en ce que la quantité de mercure est comprise entre 0,1 mg/ml et 0,6 mg/ml. 4. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un manchon thermiquement isolant entourant exté rieurement, en serrant fortement, au moins une des extrémités dudit tube, chacun desdits manchons thermiquement isolants comportant une matière de garnissage isolante réfractaire en contact avec l'extérieur dudit tube, et une bande de métal entourant, en la serrant fortement, ladite matière de garnissage et la fixant audit tube. 5. Lampe selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend un manchon thermiquement isolant entourant extérieurement, en serrant fortement, au moins une des extrémités dudit tube, chacun desdits manchons thermiquement isolants comportant une matière de garnissage isolante réfractaire en contact avec l'extérieur dudit tube et une bande de métal entourant, en la serrant fortement, ladite matière de remplissage et la fixant audit tube. 6. Procédé de fabrication d'une lampe à vapeur de sodium, caractérisé en ce qu'il comprend l'opération ci-après : on introduit dans un tube à arc transparent pour la lumière et réfractaire une quantité de sodium comprise entre 0,007 et 0,054 mg/ml de volume dudit tube et une quantité de mercure comprise entre 0,054 et 0,6 mg/ml dudit volume. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'opération d'introduction d'une quantité déterminée de sodium comprend : la mise en place d'une quantité déterminée de NaN3, de façon qu'il communique avec l'intérieur dudit tube; l'isolement de ce dernier par rapport à l'atmosphère;- le chauffage dudit NaN3 pour le décomposer en sodium et azote et l'extraction de l'azote dudit tube. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'opération d'introduction d'une quantité déterminée de mercure comprend : la mise en place d'un alliage choisi dans le groupe Ti-Hg et Al-Zr-Ti-Hg en un endroit où il communique avec l'intérieur dudit tube et qui est séparé de l'atmosphère extérieure et le chauffage dudit alliage à une température où il libère du mercure. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit NaN3 et ledit alliage sont introduits dans un premier tube extérieur dont une extrémité communique avec l'intérieur dudit tube à arc, l'autre extrémité étant scellée et en ce que le procédé d'introduction comprend les opérations ci-après : on fait le vide dans ltespace intérieur dudit tube à arc à l'aide d'un second tube extérieur dont une extrémité communique avec ltintérieur de ce tube, et on refroidit ledit tube à arc suffisamment pour condenser le sodium dégagé par NaN3 et le mercure dégagé par l'alliage. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les quantités de sodium et de mercure sont respectivement comprises entre 0,007 mg/ml et 0,018 mg/ml et entre 0,1 mg/ml et 0,6 mg/ml.