Brevet FR2460541A1 — publié le 19810123

I "Lampe à d-esrea e àer à!f e à f!E ar d 'lagre au tant a1e" L'invention concerne une lampe à incandescence à l'ha- logène présentant une ampoule étanche au vide perméable à la lumière, qui est remplie d'un gaz inerte contenant du bro- me et de l'hydrogène, dans laquelle est disposé un filament en tungstène entre des entrées de courant traversant la paroi de l'ampoule et qui contient du tantale comme substance fixa- trice d'oxygène. Une telle lampe est connue du brevet des Etats-Unis d'Amérique NI 3 829 729. Selon ce brevet, le tantale fixe tant l'oxygène que l'hydrogène. Lorsque le fixateur est dis- posé à un endroit atteignant en régime une température de 300 à 450QC, l'effet fixateur pour le brome serait négligea- ble. Du fait, que, dans une lampe à incandescence à l'halo- gène munie de b-m.e, cette dernière substance présente une fonction esse'Liielle, il faut éviter que le fixateur n'eArxed le brome Pu mélange gazeux. De ce fait, il faut respecter ri- goureusement la température de fonctionnement indiquée du fi- xateur. Toutefois, dans de nombreuses lampes, il n'est guère possible de disposer le fixateur en un point à si basse tem- pérature. Selon le susdit brevet des Etats-Unis d'Amérique, le tantale fixe simultanément l'hydrogène dès la température relativement basse mentionnée ci-dessus. Or, l'hydrogène constitue également un composant essentiel du mélange gazeux dans une lampe à cycle de tungstène-brome. Le brome est une substance agressive, qui porte le tungstène de la températu- re la plus basse à la température la plus élevée, ce qui im- plique un transport de tungstène des parties relativement froides du filament, par exemple des bras du filament ou des spires extrêmes de ce dernier, vers les parties à tempé- rature plus élevée, c'est-à-dire les spires plus éloignées des extrémités. Ce transport aboutit entre autres à la forma- tion de dendrites sur les spires sur lesquelles est déposé le tungstène, et de ce fait à un court-circuit des spires et la surcharge du filament. La durée de vie de lampes pré- sentant une assez longue durée de vie calculée, par exemple de quelques centaines à deux mille heures, est ainsi nota- blement réduite. La fonction de l'hydrogène dans une lampe à cycle tungstène-brome consiste à maintenir le brome, pendant le fonctionnement de la lampe, essentiellement sous forme d'hy- drobromure, notamment aux endroits à température plus basse. Les parties en tungstène plus froides de la lampe sont ainsi protégées contre l'attaque du brome. L'oxygène est un composant nuisible du gaz d'une lampe à cycle de tungstène-brome contenant de l'hydrogène, du fait qu'il réagit avec l'hydrogène en formant de l'eau, qui provoque, dans un processus cyclique, un transport de tungs- , tène d'un point à température plue élûe 'Vesun point à tepé- rature plus basse et qui contrarie ainsi le cycle tuzgstème- brome. De plus, l'oxygène prélève, par fixation de l'hydro- gène sur la fonction protectrice mentionnée ci-dessus. L'o- xygène peut être introduit dans le gaz de la lampe par dé- composition d'oxyde ou sous forme d'eau après désorption de la paroi de l'ampoule. La capacité d'une substance fixatrice doit suffire pour fixer l'oxygène dégagé pendant la durée de vie de la lampe. De ce fait, la capacité doit être supérieure à celle néces- saire pour fixer la quantité initiale d'oxygène présente dans la lampe par suite d'un processus de nettoyage impefait pendant la réalisation de'la lampe. D'autre part, la Capeité du fixateur doit être suffisamment petite pour ne pas fixer, dans une mesure nuisible, de l'hydrogène et du brome, subs- tances qui sont en outre présentes dans une mesure notable- ment plus grande que l'oxygène et qui risquent donc d'occu- per facilement le fixateur. En effet, l'affinité du tantale pour l'oxygène, le brome et l'hydrogène ne diffère que de très peu. L'invention vise à fournir une lampe à incandescence à l'halogène munie d'un fixateur pour de l'oxygène, présent sous forme élémentaire ou sous forme d'eau, soit très sélec- tif et actif dans une très large gamme de température. Conformément à l'invention, ce but est atteint, dans les lampes du genre mentionné dans le préambule, du fait que le fixateur d'oxygène est constitué par du tantale, qui est allié avec du tungstène dans un rapport en poids compris entre 10/90 et 90/10. Ily a xu de ter que la denudede bevt nfzçais n 79.24.25B du aiB.09.79 u nom de la damdem&ite dixc e à l'alogèe contenant de l'hydrobromure dans lequel est utilisé un alliage de taa- tale avec du platine ou du tantale avec du palladium comme fixateur d'oxygène. Cet alliage de tantale et les autres al- liages mentionnés dans la susdite demande de brevet fran- çals présentent une chaleur de formation négative élevée(d-f viron 80 kJ/g.at.). De ce fait, l'oxygène peut réagir avec le tantale dans l'alliage, mais pas dans l'hydrobromure. En revanche, les alliages de tungstène/tantale présen- tent une chaleur de formation négative très faible (environ kJ/g/at.) et, de ce fait, il n'y a pas lieu de s'a!x-ffie à une sélectivité de l'alliage. Néanmoins, on a constaté non seulement une très grande sélectivité du fixateur dans la lampe conforme à l'invention, mais également que Xrse- tivité du fixateur sur l'oxygène est supérieure à celle du tantale pur. Cette augmentation est supérieure à 30 %. D'au- tre part, la réactivité de l'alliage sur le brome ou l'hy- drobromure n'est que de 1/4 à 1/20 de celle du tantale pur, alors qu'il ne semble pas que de l'hydrogène soit prélevé sur le mélange gazeux de la lampe. De plus, du brevet des Etats-Unis d'Amérique NI 3 748 519, on connaît une lampe remplie d'un gaz inerte ds laquelle est utilisé un fixateur d'oxygène constitué par, en poids, 92,5 % de tantale et 7,5 % de tungstène. Du fait que cette lampe ne présente pas de composants gazeux pour lesquels le tantale présente la même affinité que pour l'o- xygène, il n'est pas nécessaire d'utiliser un fixateur sé- lectif dans la lampe connue. Ainsi il n'y a nulle indication dans ce brevet de la fonction selon laquelle le fixateur utilisé exercerait un effet sélectif. Comme il ressort de ce qui suit, le fixateur connu présente en outre une sélec- tivité notablement inférieure à celle des fixateurs utili- sés dans les lampes à cycle de brome-tungstène conformes à l5 l'invention. Le fixateur de tantale allié avec du tungstène ou du molybdène peut exercer son effet dans une très large gamme de température. D'une façon générale, lors du fonctionne- ment de la lampe, le fixateur présente une température com- prise entre 300 et 15000C. Dans le cas o la température du fixateur est supérieure à environ 700-C, la lampe contient, comme gaz inerte, un gaz rare ou un mélange de gaz rares). Dans le cas des températures inférieures à environ 7001C, l'azote constitue également un gaz inerte. Le fixateur de tantale allié peut être présent dans la lampe sous forme de fil, feuille, poudre, pillule ou toute autre forme. Etant donné la sélectivité du fixateur, il suf- fit que la capacité du fixateur empêche les effets nuisibles dus à un dégagement d'oxygène des pièces de la lampe. Pour chaque genre de lampe, la quantité minimum de fixateur né- cessaire peut être déterminée au cours d'une petite série d'essais, entre autres en fonction de la qualité desprlces- sus de nettoyage utilisés pour la lampe et ses pièces. Le fixateur peut être réalisé de plusieurs façons. C'est ainsi que les composants de l'alliage peuvent ftma m6- langés, à l'état pulvérulent, après quoi la poudre est com- primée et frittée et ensuite fondue, par exemple dans un En de décharge. Une autre possibilité consiste à recouvrir un substrat en l'un des deux composants d'une couche de l'auite composant, par exemple par évaporation, pulvérisation, cdWt 3 chimique de vapeur, suivie d'une diffusion mutuelle des Mu- ches à température élevée. Une troisième méthode consiste dans l'enroulement d'un fil en tungstène ou en molybdène sur un fil en tantale, suivi d'une diffusion mutuelle des métaux. Les processus de diffusion peuvent être poursuivis jusqu'à obtention d'un matériau homogène ou bien, être inter- rompus avant ce moment de façon qu'il se forme un gradient de concentration d'un métal dans l'autre. Le fixateur présente une bonne conservabilité à l'air à la température ambiante normale, ce qui évite des disposi- tions spéciales, lors de son traitement. Suivant les condi- tions dans lesquelles est réalisé le fixateur, ce dernier peut cependant être déjà imprégné partiellement d'oxygène - et/ou d'azote. Un traitement préalable à température de 11.00C par exemple pendant environ 2 minutes dans une atmos- phère réductrice, par exemple de l'hydrogène assure un netto- yage facile du fixateur. Les lampes conformes à l'invention peuvent être munies d'une ampoule en verre dur, par exemple un verre au borosili- cate ou un verre à l'aluminoborosilicate ou d'une ampoule contenant une teneur en SiO2 d'au moins 95 % en poids comme du verre de quartz ou "Vycor". Les lampes peuvent être du genre "projecteurs" ou être destinées à des buts très divers, comme par exemple la projection, la reproduction et la signa- lisation. La description ci-après, en se référant au dessin anEcé, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien com- prendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 montre une vue d'une première lampe cef'orme à l'invention. La figure 2 montre une vue d'une deuxième lampe conforme à l'invention. La figure 3 est un graphique dans lequel les fixateurs utilisés dans les lampes conformes à l'invention sont compa- rés avec des matériaux de même genre. Sur la figure 1, l'ampoule de verre en quartz 1 présexte deux pincements 2 et 3 dans chacun desquels est insérée une feuille en molybdène 4, 5, respectivement. Aux feuilles 4 et est fixé par soudage, à une extrémité, un bras 8, 9, res- pectivement, du filament 10, alors qu'à l'extrémité opposée est fixée une entrée de courant extérieure 6, 7 respeciumeat. L'ampoule est remplie d'un mélange de gaz rare et d'hydro- 246054 1 bromure. La référence il désigne un fixateur d'oxygène résis- tant à l'hydrobromure. La lampe peut être utilisée dans les projecteurs de voiture. Sur la figure 2, la référence 20 désigne une ampoule en verre dur d'une lampe présentant un pincement 21. L'am- poule est constituée par du verre à l'alumino-borosilicate alcalin. Les entrées de courant 22, 23 et 24 s'étendent her- métiquement à travers le pincement 21 jusque dans l'ampoule 20. A l'entrée de courant 24 est fixé un capot en molybdène 25 qui entoure partiellement le filament 26. Entre les entrées de courant 23 et 24 est disposé un second filament 27. Sur l'entrée de courant 22 est enroulé un fil 28. Entre l'entrée de courant 22 et le fil 28 se trouve un fixateur d'oxygène à l'état pulvérulent. La lampe peut être utilisée dans les projecteurs de voiture pour l'éclairage route et croisement. Sur la figure 3, une ligne ininterrompue représente la réactivité à 360CP du tantale, du tungstène et d'alliages de tantale et de tungstène avec l'oxygène. La réactivité du tan- tale est posée à 100. La ligne interrompue indique la réacti- vité desdits matériaux avec du brome. La réactivité du tan- tale est posée, ici aussi, à 100. Des lampes comme représentées sur la figure 1 furent utilisées pour des essais pour déterminer l'effet du fixateur de tantale allié. Les lampes présentaient un volume de 0,27 cm3 et étaient remplies jusqu'à une pression de 3,5 bars (3,5.10 Pa) d'un mélange de krypton et de bromure de méthylè- ne (100: 0,35 volume/volume) à partir duquel se forma de l'hydrobromure pendant l'allumage. Les lampes présentaient un rendement de 26 lm/W et consommaient à 13,2 V une puissance de 60 W. Lors de la réalisation des lampes, on s'effoiça dld- tenir, entre autres par un processus de pompage rigoureux, des lampes propres, dont la durée de vie correspond àla drée de vie calculée. Pour la plupart des lampes, la qualité élevée fit anrihi- lée par addition d'oxygène au gaz de remplissage. D pls, on ajouta à la plupart des lampes une quantité de matériau fixa- teur. Toutes les lampes furent allumées pour déterminer leur durée de vie. Le tableau ci-après mentionne les diverses lam- pes avec leur durée de vie. T A B L E A U I Série 0 Fixateur Durée de vie 2..(heures) A1X - - 601 0A2 267 Pa 270 A 267 Pa Ta 1,75 mg 370 1 267 Pa Ta90W10 1,16 mg 500 B2 267 Pa Ta75W25 3,34 mg 520 1 83 267 Pa 'Ta50W5 1,59 mg 520 B5 S3:267 Pa mg 550 B4 T6 a-a25W75 1,70 - 5 S5 i267 Pa Ta14W86 0,50 mg 480 Du tableau il ressort que la durée de vie d'une lampe ralisée d'une façon très soignée (A1), qui est pratiquement - le à la2 durée de vie calculée, est notabl.-.-nt réduite par la présence d'oxygène (A2). Le tantale cnme fixateur permet d'empêcher partiellement cette réduction (A3). L'uti- lisation d'alliages de tantale et de tungstène de diverses compositions, les indices indiquant les rapports en poids entre les métaux alliés, permet d'éliminer, dans une mesure notable, la réduction de la durée de vie provoquée par la présence d'oxygène (B1 - B4). De plus on constate que a quan- tité de matériau fixateur n'exerce que peu d'influence. Les lampe. B5 étaient munies d'un úixateur obtenu par diffusion d'une couche de tantale d'une épaisseur de 25/um pendant 3 heures à 2500OC dans un fil de tungstène d'un dia- me.re de 1OO/I. On obtint une concentration de tantale dé- croissant à partir de l'extérieur vers l'intérieur dans le tungstène. Des lampes de même genre furent également munies de ma- tériau fixateur qui fut réduit préalablement dans de l'hydro- gène à 1100'C pendant 2 minutes. Les résultats des essais de durée de vie figurent au tableau 2. TABLEAU 2 Du tableau il ressort que les fixateurs alliés nettoyés sont à même d'éliminer entièrement l'effet nuisible de l'oxy- gène (B6 et 87). Il y a lieu de noter que les fixateurs furent conservés à l'air après le traitement à l'hydrogène. Des lampes comparables, munies d'un filament consommant une puissance de 50 W sous 12 V pour obtenir un rendement de 18 lm/W, furent remplies de 5 bars (5.105 Pa) d'un mélange de krypton et de bromure de méthylène (100: 0,05 volume/volume). Les lampes furent essayées pour déterminer leur durée de vie, munies ou non d'un fixateur et d'oxygène. Les résultats sont mentionnés dans le tableau 3 ci-après. TABLEAU 3 Série 0 fixateur Durée de vie (heures) A1 _ _ t 601 A2 267 Pa _ 270 A3 267Pa Ta 1,75 mg 370 B6 267 Pa Ta50W50 3 mg 590 B7 267 Pa Ta90W1 3 mg 619 7_ _90.1 - l_ De ces données, on ne peut pas conclure que le tantale annihile automatiquement l'influence négative exercée par l'oxygène. Les lampes désignées par A6 étaient notablement noircies, ce qui révèle un fonctionnement insuffisant du cy- c5 le brome-tungstène. Le noircissement intense révèle une réduction du diamètre du filament et, de ce fait, une augmen- tation de la résistance et une réduction de l'intensité du courant. L'abaissement de la température qui en résulte e1ili- que la longue durée de vie des lampes. A ce sujet, il y a Â0 lieu de noter que le rendement mentionné des lampes n'est que le rendement au début de la durée de vie pour les lampes noircies. Avec l'alliage de tantale-tungstène, les lampes B8 res- taient limpides. L'effet de l'oxygène fut annihilé pratique- ment par le fixateur. REVENDICATION 1. Lampe à incandescence à l'halogèneprésentant une am- poule étanche au vide perméable à la lumière, qui est lemliLe d'un gaz inerte contenant du brome et de l'hydrogène, dans laquelle est disposé un filament en tungstène entre des en- trées de courant traversant la paroi de l'ampoule et qui con- tient du tantale comme substance fixatrice d'oxygène, carac- térisée en ce que le fixateur d'oxygène est constitué par du tantale, qui est allié avec du tungstène dans un rapport en poids compris entre 10/90 et 90/10. le