Brevet FR2473786A1 — publié le 19810717

LD-7156 L'invention concerne, d'une manière générale, les lampes à incandescence dont le filament est constitué par un bobinage multiple; elle a, plus particulièrement, trait à une lampe à incandescence dont le filament est constitué par un bobinage triple formé à partir d'un fil monobrin, sans noyau, avec, pour le deuxième et/ou le troisième bo- binage, des rapports d'enroulement M/d inférieurs à 1, M étant le diamètre du mandrin sur lequel est formé le bobi- nage et d étant le diamètre de la bobine à partir de la- quelle on forme ce bobinage. Il est dit, dans le brevet des E.U.A. 1 180 159 (Langmuir), que l'efficacité lumineuse d'une lampe à incan- descence est plus élevée lorsque le filament de cette lampe est bobiné. Les pertes de chaleur, par conduction et convec- tion, d'un filament bobiné de 0,25 mm de diamètre sont sen- siblement égales à celles d'un filament non bobiné de 0,075mm de diamètre, mais la surface émettrice de lumière du filament bobiné est alors environ trois fois plus grande que celle du filament non bobiné. Or, le flux lumineux est proportionnel à la surface émettrice de lumière, et, en conséquence, l'ef- ficacité lumineuse d'une lampe à filament bobiné est meil- leure pour une puissance d'entrée donnée. Les filaments bo- binés peuvent être courts, mais leur diamètre est important car un fil de diamètre d ne peut pas, sans préparation par- ticulière, être bobiné autour d'un mandrin dont le diamètre M est plus petit que d. Par suite, le rapport d'enroulement M/d d'un filament bobiné est toujours supérieur à 1. Les filaments formés à partir d'un bobinage bobiné et décrits dans le brevet E.U.A. 1 247 068 (Benbow) ont une meilleure efficacité lumineuse; il s'agit de filaments avec de grandes longueurs de fil, se présentant sous forme d'une bobine courte, mais de grand diamètre extérieur. La configuration globale du filament dépend égale- ment de la distance S séparant les spires adjacentes du fi- lament bobiné ou formé à partir d'un bobinage bobiné. La distance de séparation S est réduite de telle sorte que le rapport pas/diamètre S/D se situe normalement dans la gamme des valeurs 1,4-1,8, D étant le diamètre du fil ou du bo- binage. Il faut une distance de séparation S minimum pour un écartement adéquat entre spires adjacentes, évitant que ces spires viennent en courtcircuit lorsque le bobinage est bobiné. Une distance de séparation maximum réduit la possibilité que les filaments s'emmêlent. On a suggéré, comme un prolongement logique de la technique utilisant un bobinage bobiné pour constituer un filament, de former des bobinages triples pour accroître l'efficacité lumineuse des filaments, mais on n'a pas jus- qu'à présent réalisé pratiquement un filament sous forme d'un bobinage triple, à partir d'un fil de tungstène de 0,1125 mm ou moins. Lorsqu'on bobine une troisième fois un filament se présentant sous la forme d'un bobinage bobiné, on obtient un filament encore plus grand, de forme peu com- mode, et qui n'améliore pas beaucoup l'efficacité de la lampe. Par ailleurs, la troisième opération de bobinage ré- duit la longueur du filament et nécessite une nouvelle con- figuration des conducteurs d'amenée de courant. Des fils plus résistifs et plus fins (de diamètre inférieur à 0,1125 mm) ne présentent pas la rigidité suffi- sante pour permettre, sans problèmes, la formation d'un bo- binage triple. Une triple opération de bobinage condense la longueur et la masse du filament. Et les fils fins utilisa- bles pour former un filament n'ont pas jusqu'à présent été capables de supporter correctement cette concentration. Des filaments constitués par un bobinage triple ont été fabri- qués avec des noyaux permanents à l'intérieur du bobinage d'origine afin de donner, à ce bobinage une rigidité suffi- sante. Ces filaments à noyau ne sont pas réellement des fi- laments à triple bobinage; ce sont plutôt des filaments à bobinage bobiné dont la surface a été accrue, mais qui n'a- méliorent pas beaucoup le rendement de la lampe pour autant que le premier bobinage soit court-circuité par le noyau. On se propose, par la présente invention, de résou- dre les problèmes posés par la réalisation d'un filament formé par un triple bobinage, ce triple bobinage étant formé sans noyau, le diamètre du filament étant sensiblement égal au diamètre du bobinage bobiné préalablement formé, et l'ef- ficacité lumineuse de ce filament étant améliorée. En outre, il est possible pour former le filament conforme à l'invention, d'utiliser un fil fin et très résis- tif sans rencontrer les problèmes précédemment mentionnés. Le filament conforme à l'invention n'est pas limité par un problème de pas maximum ou de distance de séparation entre spires, pour le premier bobinage, et on peut, en con- séquence, déterminer librement la longueur du filament. Le filament pour lampe à incandescence conforme à l'invention sans noyau, est constitué par un triple bobi- nage à partir d'un fil monobrin fibreux enroulé autour d'un premier mandrin pour obtenir un premier bobinage; ce pre- mier bobinage, avec ce premier mandrin, est ensuite enroulé autour d'un deuxième mandrin pour obtenir un bobinage bo- biné. Le bobinage bobiné, avec les deux mandrins, est en- suite enroulé autour d'un troisième mandrin pour obtenir un triple bobinage ayant la configuration du filament souhaité. Le diamètre du deuxième et/ou du troisième mandrin est in- férieur au diamètre du bobinage précédemment obtenu. Le filament est fritté et recuit, et les mandrins sont dissous pour obtenir un filament de lampe à incandescence constitué par un triple bobinage sans noyau. Pour réaliser le filament conforme à l'invention, on utilise un rapport d'enroulement M/D inférieur à 1 pour le deuxième et/ou le troisième bobinage. On obtient ainsi des bobinages plus petits, plus serrés et plus efficaces, et ces bobinages ont une rigidité suffisante pour supporter les longueur et masse concentrées du triple bobinage. Dans un exemple de réalisation recommandé, pour au moins l'un des bobinages, on utilise un rapport d'enroulement inférieur à 1. On peut notamment utiliser des rapports d'enroulement réduits lorsque le fil est un fil de tungstène fibreux, sou- ple par essence, et dont le diamètre est de 0,1125 mm ou moins. Avec un rapport d'enroulement réduit, on donne de la rigidité à ce fil souple, et on obtient, en conséquence, une configuration rigide pour le triple bobinage. Les filaments constitués par un triple bobinage conformément à l'invention sont normalement stables, et, dans un exemple de réalisation recommandé, ont une configu- ration symétrique, sensiblement sphérique ou cylindrique. Cette configuration symétrique est notamment appropriée à la configuration symétrique des ampoules de lampes, par exemple, des lampes réflectrices infrarouges dont l'ampoule est revêtue d'un matériau réfléchissant les radiations in- frarouges formées par le filament, vers ce filament, pour en améliorer la tenue en température et accroître l'effi- cacité de la lampe. En outre, dans un exemple de réalisation recommandé, le filament à rapport d'enroulement réduit a la forme d'une bobine 220-240V compatible avec les appareillages actuels de fabrication de lampes conçus pour des bobines 120 V. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent: 20. figure 1, une illustration de lampe à incandes- cence dont le filament est constitué par un triple bobinage; figure 2, une vue illustrant un fil enroulé autour d'un premier mandrin pour former un filament bobiné; figure 3, une vue illustrant le filament bobiné de la figure 2 enroulé autour d'un deuxième mandrin pour former un filament constitué par un double bobinage; figure 4, une vue illustrant le double bobinage de la figure 3 enroulé autour d'un troisième mandrin pour former un filament constitué par un triple bobinage; et 30. figure 5, une vue en perspective d'un filament constitué par un triple bobinage. On a représenté figure 1 une lampe à incandescence dont l'ampoule translucide 12 est hermétiquement scellée dans un culot métallique 14. Deux fils d'amenée et de support 15 et 16 sont rigidement disposés à l'inté- rieur de l'enveloppe 12 par le queusot 17. Un filament 18 constitué par un bobinage triple est bloqué entre les extrémités intérieures des fils 15 et 16 qui supportent donc et raccordent électriquement ce filament. Les extré- mités opposées des fils 15 et 16 traversent le queusot 17 et sont électriquement raccordées, comme il est connu, à des contacts (non représentés) formés sur le culot 14. Dans l'exemple représenté (montage CCC-6), le filament est hori- tal, mais le filament 18 peut, bien entendu, être agencé différemment et être vertical par exemple (montage CCC-8). On a représenté figure 2 un premier bobinage 20 formé à partir d'un fil métallique réfractaire 21 dont le diamètre est égal à d et qui est enroulé autour d'un premier mandrin 23 dont le diamètre est égal à Mi. Dans un exemple de réalisation recommandé, le fil 21 est un fil en tungstène fibreux à un seul brin dont le diamètre est au plus de 0,1125mm Dans un exemple de réalisation recommandé, le mandrin 23 est en molybdène et son diamètre Ml se situe dans la gamme des valeurs ld-3d, d étant le diamètre du fil 21. Le premier bo- binage 20 a donc un diamètre Dl égal à 2d+Ml. On a représenté figure 3 le premier bobinage 20 en- roulé autour d'un deuxième mandrin 25 pour former un fila- ment constitué par un bobinage 27. Dans un exemple de réali- sation recommandé, le deuxième mandrin est en molybdène, et son diamètre M2 se situe dans la gamme des valeurs Ml-1,8Dl. Le diamètre D2 du filament 27 est donc égal à 2D1+M2. On a représenté figure 4 le filament 27, constitué par un bobinage bobiné, enroulé autour d'un troisième man- drin 31 pour former un filament 33 constitué par un triple bobinage. Dans l'exemple de réalisation recommandé, le man- drin 33 est en molybdène, et son diamètre M3 se situe dans la gamme des valeurs M2-1,8D2. Le diamètre D3 du filament 33 est donc égal à 2D2+M3. Le filament 33, constitué par un triple bobinage est représenté en perspective figure 5. La partie 1 déli- mite la longueur de fil non bobiné 21, la partie B délimite la longueur de fil bobiné 20, la partie C délimite la partie du bobinage bobiné 27, et la partie D délimite la partie constituée par le triple bobinage 33. Dans un exemple de réalisation recommandé, le triple bobinage qui constitue le filament comporte et supporte rigidement une grande longueur de fil fortement résistif sous forme d'un bobinage de fai- bles dimensions extérieures. L'émission lumineuse de la lampe à incandescence dépend en premier lieu de la nature du filament 18 qu'elle comporte. Le filament 18 est caractérisé par son efficacité lumineuse, rapport du flux (lumen) à la puis- sance consommée par ce filament (W). L'efficacité lumineuse de la lampe dépend de l'efficacité lumineuse du filament et de l'atmosphère de cette lampe. Les filaments bobinés ont une meilleure efficacité que les filaments non bobinés, et les filaments à double ou multiple bobinage ont une meilleure efficacité que les filaments constitués par un seul bobinage pour autant que la surface émettrice du filament ait été accrue sans accroissement sensible de la dissipation ther- mique de ce filament. Un filament à triple bobinage conforme à l'invention présente une surface émettrice de lumière ac-- crue sans que soient sensiblement accrues ses pertes thermi- ques; son efficacité est donc accrue. On utilise dans la lampe une atmosphère sous pression, dans d'autres exemples de réalisation, pour retarder l'évaporation du tungstène et donner aux lampes une grande longévité. Le flux lumineux de la lampe est également en rela- tion directe avec la résistance du filament ou le wattage à une tension donnée. Un filament de 60 W, à 120 V, a, par exemple, une résistance de 240 ohms lorsqu'il est chaud. La résistance de filament R est établie en choisissant une lon- gueur de fil métallique réfractaire de diamètre connu et dont la résistivité, à une température donnée, est définie comme la résistance d'un échantillon de matériau de longueur égale à l'unité par unité de section transversale. La résis- tance R du filament est établie en choisissant la longueur et la section ou le diamètre du fil 21 ainsi que la composi- tion du fil métallique réfractaire. Le fil fin 21 permet de réaliser au choix des fila- ments de longueur normale fortement résistants pour des lampes haute tension 220 V ou des filaments de longueur plus faible pour des lampes 120 V. Le filament constitué par un triple bobinage conformément à l'invention permet d'utiliser un fil fin conduisant à un bobinage plus petit et plus serré, le rapport d'enroulement étant inférieur à 1 pour le deuxième et/ou le troisième bobinage. Un rapport d'enroulement réduit donne plus de rigidité au filament bobiné 20 et conduit à la réalisation d'un triple bobinage rigide en fil fin qui ne s'affaisse pas. Une distance de séparation minimum doit être prévue entre spires adjacentes pour éviter que ces spires soient en court-circuit. La distance de séparation S (figures 2 et 3) est mesurée entre les points- milieu des spires adjacentes le long de l'axe du filament. La distance de séparation S est établie en formant le bobinage avec un nombre donné de spires par unité de longueur. Le rapport pas/diamètre Pr dépend de la distance de séparation S et du diamètre D du fil ou du bobinage; il est égal à S/D. Pour le premier bobinage, D est égal au diamètre d du fil; pour le deuxième bobinage, D est le diamètre de la première bobine réalisée, soit 2d+Ml, Ml étant le diamè- tre du premier mandrin. Les rapports pas/diamètre pour les fils bobinés ou les bobines bobinées se situent dans la gamme de valeurs 1,4 à 1,8. Un rapport pas/diamètre minimum est nécessaire pour qu'il y ait une distance minimum entre spires adjacentes et pour éviter des courts-circuits dans les premiers bobi- nages lorsqu'ils sont bobinés. Un rapport pas/diamètre supérieur à 1,8 n'est géné- ralement pas acceptable, car il conduit à une grande dis- tance de séparation entre spires adjacentes et à des fila- ments dont les spires s'emmêlent. Dans un filament constitué par un triple bobinage conformément à l'invention, le plan du premier bobinage est sensiblement parallèle à l'axe du filament. Lorsque le fi- lament 33 est infléchi le long de son axe, la distance de séparation de ses spires s'accroît, alors que la distance de séparation entre les spires du bobinage constituant la première bobine 20 n'est pratiquement pas affectée. En con- séquence, la distance de séparation ou pas du premier bobi- nage, dans un filament constitué par un triple bobinage, n'est pas susceptible de conduire à un emmêlement de ce filament. Par suite, dans le filament conforme à l'inven- tion, la distance de séparation Si pour le premier bobinage - est un paramètre dont le choix n'est pas pratiquement limité, de sorte que l'on peut envisager, pour une géométrie donnée du filament, un grand nombre de longueurs différentes de fil. Par exemple, on peut donner sensiblement la même géométrie (diamètre et longueur) à un filament pour lampe 110 V et à un filament pour lampe 220 V, en définissant simplement des distances de séparation S ou pas d'enroulement différents pour les deux filaments. Et notamment, le pas d'enroulement pour le premier bobinage peut être supérieur à 2 sans affec- ter le fonctionnement du filament. Le diamètre total du triple bobinage est déterminé par les rapports d'enroulement M/D, D étant le diamètre du bobinage ou du fil enroulé, et M étant le diamètre du man- drin utilisé. Pour le premier bobinage, D est le diamètre du fil d. Il était généralement techniquement accepté jusque là qu'on ne pouvait pas bobiner un fil de diamètre d autour d'un mandrin de diamètre M inférieur à d. Dans la mesure o l'élasticité du tungstène et celle du molybdène sont sensi- blement les mêmes, une machine à bobiner- automatique enroule un fil de petit diamètre autour d'un mandrin de plus grand diamètre. Si l'on met le mandrin sous tension, il est possi- ble d'enrouler un fil de plus grand diamètre sur un mandrin de plus faible diamètre, mais, dès que la tension est relâ- chée, le bobinage se contracte et s'emmêle. On a donc cru jusqu'à présent que les bobines devaient être enroulées au- tour de mandrins de diamètre plus grand que le diamètre du- fil ou du bobinage, et que les bobinages formés devaient avoir un rapport d'enroulement supérieur à 1, se situant notamment dans la gamme de valeurs 1,4 à 1,8. Le filament constitué par un triple bobinage conformément à l'invention est formé à partir d'un fil dont le diamètre est au plus de 0,1125 mm, et les rapports d'en- roulement utilisés pour réaliser les deuxième et/ou troi- sième bobinages sont avantageusement inférieurs à 1. Les deuxième et/ou troisième bobinages sont formés autour d'un mandrin dont le diamètre est plus petit que celui du bobi- nage d'origine. Le diamètre du mandrin peut être réduit à la valeur du diamètre interne du bobinage enroulé ou à celle du diamètre du mandrin sur lequel a été précédemment formé ce bobinage. Des rapports d'enroulement inférieurs à 1 condui- sent à la formation de bobinages plus petits, plus serrés, dont la rigidité et la résistance sont améliorées. Des rap- ports d'enroulement inférieurs à 1 permettent d'utiliser un fil 21 fin (au plus 0,1125 mm de diamètre), attendu que des bobinages plus petits et plus serrés donnent de la ré- sistance au fil 21 normalement souple et évitent un affais- sement du filament obtenu. En conséquence, la combinaison d'un fil fin et de rapports d'enroulement inférieurs à 1 conduit à la réalisation pratique de filaments 33 constitués par un triple bobinage, avec des résistances pré-établies, sous diverses configurations, y compris des configurations à géométrie symétrique caractérisées par des diamètres exté- rieurs minima. On peut notamment réaliser un filament à triple bobinage pour lampe à incandescence 220 V ayant sen- siblement le même diamètre et la même longueur qu'un fila- ment classique formé d'un bobinage bobiné pour lampe 110 V. En variante, on peut réaliser un filament à triple bobinage pour lampe à incandescence 110 V, avec une géométrie sensi- blement sphérique adaptée à celle d'ampoules de lampes spé- ciales, par exemple les lampes à réflecteur infrarouge. Le filament constitué par un triple bobinage conformément à l'invention a été décrit, de manière concise, quant à ses dimensions et les opérations d'enroulement par lesquelles il est fabriqué. Le diamètre Di du premier bobinage est égal à (2d+Ml). Le diamètre D2 du deuxième bobinage (bobi- nage bobiné) est égal à 2D1+M2, ou (4d+2d+1+M2). Le diamètre D3 du troisième bobinage (triple bobinage) est égal à 2D2+M3, ou (8d+4M1+2M2+M3). Pour effectuer la triple opération d'enroulement conforme à l'invention, on utilise des deuxième et troisième mandrins dont les diamètres M2 et M3 sont respectivement in- férieurs aux diamètres des bobinages formés, Dl et D2. Les techniques de bobinage actuellement connues dé- finissent, comme rapport absolu minimum d'enroulement, un rapport de 1. On sait aussi qu'il y a cassures excessives de fil et de mandrin lorsque le rapport d'enroulement est inférieur à 1,2. Un rapport d'enroulement de 1,4 est géné- ralement utilisé pour un grand nombre de bobinages. Un triple bobinage réalisé avec des rapports d'enroulement égaux à 1,4 utilise un premier mandrin dont le diamètre Mi est égal à 1,4d, un deuxième mandrin dont le diamètre M2 est égal à 4,76d et un troisième mandrin dont le diamètre M3 est égal à 16,2d. Le diamètre D3 du triple bobinage réa- lisé avec des rapports d'enroulement de 1,4 est égal à 39,32d. Si les rapports d'enroulement sont égaux à 1, va- leur estimée jusqu'à présent minimale, les premier, deuxième et troisième mandrins auront respectivement des diamètres égaux à d, 3d et 9d, et le diamètre minimum D3 du triple bobinage sera égal à 27d. Pour réaliser le triple bobinage conforme à l'inven- tion, on utilise des second et troisième mandrins dont le diamètre est inférieur au diamètre du bobinage enroulé. En conséquence, dans un exemple de réalisation recommandée, on obtient un triple bobinage dont le diamètre est inférieur à 27d, valeur limite théorique établie d'après les concepts antérieurs. Le diamètre minimum du triple bobinage décrit dans cet exposé est calculé en prenant, pour diamètres des deuxième et troisième mandrins, des valeurs égales au dia- mètre intérieur des bobinages enroulés pour former les deuxième et troisième bobinages, soit égales au diamètre des mandrins sur lesquels ont été formés les premier et deuxième bobinages. Le diamètre minimum du premier mandrin Ml est,. comme on le sait, égal du diamètre d du fil utilisé. Mais, la valeur limite inférieure pour les diamètres M2 et M3 des deuxième et troisième mandrins n'est pas Dl et D2, comme il avait été précédemment suggéré, mais MI dont la valeur limite inférieure est égale à d. En conséquence, la valeur limite inférieure pour le diamètre total du filament à triple bobinage conforme à l'invention est égale à 15d. Il en résulte que l'invention permet de réaliser des filaments à triple bobinage pour lampes à incandescence, sous une forme adaptée à diverses configurations d'ampoule. Bien que la description ait été faite en se référant à la lampe à incandescence illustrée figure 1, il est clair que le filament à triple bobinage conforme à l'invention peut être utilisé dans nombre de lampes dont le culot et l'am- poule ont des formes différentes, y compris les lampes mi- niatures et sous-miniatures. R E V E N D I C A T I O N S 1. Lampe à incandescence (10) pourvue d'un culot (14) électriquement conducteur-dans lequel est hermétique- ment scellée une ampoule (12) en matériau transmetteur de lumière, d'un filament (18) et de moyens (15, 16) de raccor- dement électrique et de support de ce filament dans l'am- poule, caractérisée en ce que le filament est constitué par un triple bobinage (33) électriquement raccordé et sup- porté par les moyens précités (15, 16), au moins l'un des bobinages qui constitue ce filament ayant un rapport d'en- roulement M (diamètre intérieur du bobinage)/D (diamètre du fil ou du bobinage utilisé)pour formér ce bobinage infé- rieur à 1, de préférence inférieur à 0,9. 2. Lampe à incandescence selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fil (21) utilisé pour réaliser le filament a un diamètre au plus égal à 0,1125 mm. 3.-Lampe à incandescence selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins deux des bobinages (27, 33) du filament à triple bobinage ont des rapports d'enroule- - ment inférieurs à 1. 4. Lampe à incandescence selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier bobinage (20) du filament à triple bobinage a un rapport pas/diamètre supérieur à 1,8 de préférence supérieur à 2. 5. Filament (18), caractérisé en ce qu'il est cons- titué par un triple bobinage (33) formé par enroulement d'un fil de tungstène (21), enroulement du premier bobinage (20) ainsi obtenu, et enroulement du deuxième bobinage (27) ainsi obtenu, et en ce que le diamètre du fil de tungstène est égal à d et le diamètre du filament est inférieur à 27d. 6. Filament selon la revendication 5, caractérisé en ce que d est au plus égal à 0,1125 mm. 7. Filament selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport pas/diamètre est au moins égal à 1,8. 8. Filament selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport pas/diamètre du premier bobinage est de l'ordre de 1,8, le rapport d'enroulement des deuxième et troisième bobinages étant de l'ordre de 0,9 9. Filament (18)caractérisé en ce qu'il est constitué par un bobinage multiple, formé à partir d'un fil métallique réfractaire (21) dont le diamètre est au plus de 0,1125 mm, plusieurs mandrins étant successivement utilisés pour réaliser le bobinage multiple, au moins l'un des mandrins ayant un diamètre inférieur au diamètre du bobinage enroulé sur ce mandrin. 10. Filament selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est constitué par un double bobinage (27), deux mandrins étant successivement utilisés pour réaliser le double bobi- nage, le deuxième mandrin ayant un diamètre inférieur à la somme de la valeur du diamètre du premier mandrin plus deux fois la valeur du diamètre du fil. il. Filament (18) selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est constitué par un triple bobinage (33), trois mandrins étant successivement utilisés pour réaliser le triple bobinage, au moins l'un des mandrins ayant un diamètre inférieur au diamètre du bobinage enroulé sur ce mandrin.