Brevet FR2465313A1 — publié le 19810320

On connait l'utilisation d'un revêtement transmettant les rayons visibles et réfléchissant les rayons infrarou- ges, appliqué sur l'enveloppe d'une lampe à incandescence de manière à réfléchir l'énergie infrarouge vers le fila- ment et augmenter sa température de fonctionnement, et réduire de ce fait la quantité d'énergie consommée par le filament à une température désirée. Une approche typique de ce problème consiste à utiliser des enveloppes sphériques deprécision optique et un filament compact disposé au centre optique de l'enveloppe. Une lampe de ce type est décrite dans le brevet US 4.160.929 accordé le 10 Juillet 1979 à l'auteur de la présente demande. D'un point de vue pratique, il n'est pas possible de réaliser une source ponctuelle ou un filament sphérique. En général, on a constaté qu'un filament allongé, soit bispi- ralé, soit trispiralé, monté soit horizontalement soit verticalement par rapport à une enveloppe sphérique, cons- titue le mode de réalisation le plus pratique d'une lampe destinée à être pourvue d'un revêtement réfléchissant les rayons infrarouges. Cependant, quand on utilise un réflec- teur sphérique de précision optique en conjonction avec un filament non sphérique tel qu'un filament allongé, une partie des radiations renvoyées par le réflecteur sur l'enveloppe est perdue du fait des aberrations aux extrémi- tés du filament. Lorsque cette radiation est perdue au cours d'une réflexion, elle est pratiquement perdue pour toutes les réflexions qui suivent sur le revêtement réflé- chissant de l'enveloppe, à moins qu'on utilise un type quelconque de mécanisme de récupération. La présente invention concerne une lampe à incandes- cence perfectionnée dans laquelle l'enveloppe est de forme ellipsoldale et pourvue d'un revêtement pour réfléchir l'énergie infrarouge. Le filament se présente sous forme d'un cylindre allongé centré à l'intérieur de l'enveloppe réfléchissante. L'enveloppe ellipsoXdale est constituée de manière que ses deux foyers soient situés sur l'axe du filament et à des distances prédéterminées de chaque extrémité du filament pour réduire les pertes par aberra- tion. En ayant recours à cette approche du problème, on peut réduire les pertes par aberration d'environ la moitié par rapport à une sphère contenant le même filament cylin- drique. De même, l'utilisation d'un élément ellipsoldal concentre les radiations IR renvoyées en deux points situés à des distances prédéterminées des extrémités du filament, plutôt qu'en un unique point. Ceci rend le gradient de température plus uniforme. L'invention sera maintenant expliquée plus en détail avec référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en élévation et en coupe d'une lampe à incandescence de l'art antérieur, la figure 2 est une vue latérale de la lampe de la figure 1, montrant les effets des aberrations, la figure 3 est une vue en élévation d'une enveloppe ellipsoldale montrant les principes de l'invention, et la figure 4 est une vue en coupe de la lampe de la figure 3, montrant l'emplacement o est fixé le filament. La figure 1 représente un type de lampe à incandescence j0 de l'art antérieur. La lampe comprend une enveloppe 11, qui est de préférence d'une forme optique souhaitée, la forme illustrée étant sphérique à l'exception de la partie de base. La lampe comprend un dispositit pour renvoyer 1' éner- gie infrarouge (IR) produite par le filament quand ce filament est porté à incandescence. La lampe 10 est revêtue sur la partie principale de sa surface sphérique, soit à l'intérieur soit à l'extérieur, d'un revêtement 12 forte- ment transparent pour l'énergie de longueur d'onde visible et fortement réfléchissant pour l'énergie de longueur d'onde infrarouge. Un revêtement approprié est décrit dans le brevet US 4.160.929 mentionné ci-dessus. On peut d'ail- leurs utiliser d'autres revêtements. Un filament 22 est monté sur une paire de fils de traversée 18, 20, maintenus dans une tige ou arbre 17. Les fils de traversée 18, 20 sortent de l'arbre en étant reliés à des contacts électriques 14, 16 prévus sur un culot 13. L'arbre 17 comprend aussi un passage tubulaire (non repré- senté) par lequel on peut faire le vide à l'intérieur de l'enveloppe de la lampe, et la remplir, si on le désire, avec un gaz. Des gaz convenant à cet usage sont constitués par exemple par l'argon, un mélange d'argon et d'azote, ou un gaz de poids molléculaire plus élevé tel que le krypton. La lampe peut également fonctionner comme une lampe du type à vide. Quand la tension est appliquée à la lampe, le filament 22 devient incandescent et produit de l'énergie aussi bien dans la gamme visible que dans la gamme infrarouge. La répartition spectrale exacte du filament dépend de la résistance de ce filament. Les températures de fonctionne- ment typiques des filaments sont comprises dans la gamme allant d'environ 26501K à 29001K, bien que le fonctionne- ment à une température de 20001K seulement ou atteignant 30500K soit également possible.Lorsque la température de fonctionnement du filament augmente, la répartition spec- trale se décale vers le rouge, et produit donc plus d'éner- gie infrarouge. Le revêtement 12, en combinaison avec la forme optique de la lampe, sert à renvoyer vers le filament une partie substantielle, de préférence aussi importante que possible, c'est-à-dire d'environ 85% ou plus, de l'énergie IR produi- te par le filament. Quand l'énergie est réfléchie vers le filament, elle augmente la température de fonctionnement et diminue de ce fait la puissance (consommation en watts) nécessaire au fonctionnement du filament à cette tempéra- ture. La figure 2 montre comment sont produits les effets d'aberration à partir des extrémités du filament. Cette figure est une coupe de la lampe le long de l'axe longitu- dinal de l'enveloppe. En vue de l'explication, on considé- rera que l'enveloppe est une sphère fermée dans cette direction. On supposera que le filament 22 a une longueur et que le centre C de ce filament est situé au centre optique de l'enveloppe sphérique. Le filament se présente également sous la forme générale d'un cylindre de diamètre D. Considérant les rayons ayant leur origine à une extrémité O du filament en un point situé hors de l'axe, lorsque le filament est porté à incandescence, ces rayons sont produits - effectivement sur une série d'angles qui couvrent une surface sphérique. Deux rayons R1 et R2 de ce type sont représentés dirigés en formant un angle pratiquement aigu par rapport à l'axe du filament. Deux autres rayons repré- sentés, S1 et S2, sont produits en formant un angle plutôt obtus par rapport à l'axe longitudinal du filament. Comme le montre-la figure, le point image des rayons R et R2 est situé près du point image I2f qui est à l'extérieur du filament, alors que les points image des rayons S1 et S2 sont à proximité du point image Il qui est à l'extrémité du filament. On peut démontrer que pour tous les rayons partant du point terminal O, les points image d'un grand nombre de ces rayons est situé dans une région à l'exté- rieur de l'extrémité du filament opposée à l'extrémité O. L'énergie infrarouge qui n'est pas renvoyée sur le filament est perdue, à moins qu'elle ne soit recaptée. Une analyse similaire peut être effectuée pour les rayons émis de l'extrémité du filament qui est opposée à O. On présentera ci-dessous une analyse permettant de calculer ces pertes terminales. Les pertes totales par aberration proviennent d'une distorsion de l'image associée aux côtés, ou à la surface externe du filament, de même qu'à ses extrémités. Les pertes sur les côtés surviennent du fait que la géométrie du filament n'est pas précisément conforme à la forme de l'enveloppe, de sorte que le front d'onde des rayons pro- venant des côtés du filament ne correspond pas non plus exactement à l'enveloppe et qu'il existe un certain degré d'aberration quand ils sont renvoyés vers le filament. On peut voir que les pertes par aberration L prove- nant des côtés d'un filament allongé centré sur le centre optique d'une sphère à précision optique de rayon R sont les suivantes: T R Ec Ac.Ac.Ae) o: e représente la longueur du filament, R représente le rayon du cylindre du filament, Ac représente l'aire de surface du cylindre qui est fonction du diamètre du filament, AE représente la surface terminale du filament, Ec représente le pouvoir de rayonnement du cylindre, E représente le pouvoir de rayonnement de l'extrémité du filament. Pour un filament de 13,0 mm de longueur contenu dans une enveloppe de verre sphérique G-25 de 80 mm, lorsque E c = 0,55 et lorsque Ee est d'approximativement 1, les pertes latérales Lc qui sont calculées sont d'environ 3,1%. Ceci signifie que cette quantité de l'énergie infrarouge ne sera pas renvoyée sur le filament et sera perdue. La figure 3 représente une enveloppe ellipso!dale constituée pour réduire les pertes terminales, alors que la figure 4 est une vue en élévation schématique de la forme de l'enveloppe ellipsoldale et de l'emplacement du centre du filament. Sur la figure 4 et pour faciliter l'explica- tion, l'enveloppe est supposée totalement ellipsoîdale. Les mêmes références numériques déjà utilisées sur la figure 1 sont utilisées sur la figure 3. Comme on peut le voir, l'enveloppe 42 est de forme ellipsoldale, c'est-à- dire qu'elle est constituée par une ellipse tournée sur 3600 pour produire un ellipsoïde. L'enveloppe comprend un culot 13 avec une tige et un passage tubulaire. Le filament à incandescence 22, qui est de préférence bispiralé ou trispiralé, est traité comme un cylindre dont l'axe est disposé le long de l'axe principal de l'ellipse. L'envelop- pe 42 est revêtue à l'intérieur ou à l'extérieur d'un revêtement 12 qui réfléchit les infrarouges et laisse passer les rayons visibles. Si on se reporte à la figure 4, l'enveloppe 42 est constituée par rapport au filament de manière que l'empla- cement des foyers de l'ellipse soient disposés de manière à rendre minimale la somme des aberrations d'extrémités et des aberrations latérales. Dans un ellipsoïde, des rayons émis à proximité de l'un des foyers situés le long de la longueur du filament sont renvoyés par le revêtement dis- posé sur la paroi de l'enveloppe vers des points associés situés près des foyers sur le côté opposé, considérant le centre C comme ligne de division, du filament à partir duquel les rayons sont émis. Habituellement, il faut une seule réflexion-interne. Cependant, l'énergie visible traverse le revêtement selon une quantité déterminée par la transmittance du revêtement, lorsqu'elle vient frapper pour la première fois ce revêtement. Les rayons émis en des endroits proches des foyers n'ont pas d'aberration. Cependant, il y a toujours une aberration aux extrémités du filament, due à la distorsion. Dans une enveloppe réfléchissant les rayons infrarou- ges, qu'elle soit sphérique ou ellipsoldale, l'image d'un rayon émis à une extrémité du filament et selon un angle e par rapport à l'axe du filament, se forme à une certaine distance S à l'arrière de l'extrémité opposée donnée par l'équation: 2(J/2cosLO C2) La distance entre l'extrémité du filament et le centre est de J/2. Ainsi, pour une certaine gamme d'angles des rayons émis à chaque extrémité du filament, il y a une perte, les rayons ne formant pas l'image sur l'extrémité opposée du filament après réflexion sur le revêtement. On peut démon- trer que les rayons situés à l'intérieur de l'angle formé entre 1 et 82 sont perdus pour le filament. En d'autres termes, les rayons provenant de l'extrémité de gauche du filament entre les deux angles coniques ne sont pas inter- ceptés par le filament. On peut calculer la perte d'extrémité LE comme suit: LE =. (10$ 66 -.cos O2) f EeAe k J o les autres grandeurs ont été définies ci-dessus. Pour un filament de 13 mm de longueur contenu dans une enveloppe G-25 de 80 mm de diamètre, O1 et e2 sont d'en- viron 10,80 et 64,30. La perte par aberration d'extrémité LE est d'environ 6,8% et la perte par aberration sur les côtés est d'environ 3, 1%, comme déjà mentionné, ce qui donne un total de 9,9%. Ceci constituerait la perte dans une enceinte sphérique o le filament allongé serait centré pratiquement avec précision. Quand on désire déterminer les dimensions de l'ellipse de manière à minimiser les pertes par aberration, on consi- dère que pour une ellipse qui n'est pas trop excentrique, l'aberration d'extrémité dépend de la distance la séparant de l'un des foyers, de la même manière que l'aberration dépend de la distance séparant la fin du filament du centre de la sphère. Cette aberration sphérique dépend du carré de la distance à partir du centre, et on suppose que l'aberra- tion dépend du carré de la distance à partir du plus proche des deux foyers situé à une distance - X du centre de l'ellipse. La perte par aberration elliptique L est alors considérée comme la somme des pertes d'extrémité et des pertes latérales: ( 2 X) xz2 2 L- te) _L ___(4_ o L0 = perte le long du cylindre. Les termes - X) et X dans les parenthèses provien- nent des l'aberration latérale à une certaine distance du centre de l'ellipse et en direction du centre de l'ellipse. Quand X = 0, l'ellipse devient une sphère et L = LE + Lco ainsi qu'on le désire. 4L L'aberration minimale est donnée en déterminant- = 0. Quand on résout cette équation, on aboutit à: dK X _ _ (Lr+L),() dû Iz + 2Lc. Si LE = 0, X est a mi-chemin entre l'extrémité du filament et le centre. Les foyers sont donc situés en X qui est à une distance du quart de la longueur du filament à partir de l'extrémité de ce filament. En cet emplacement des foyers, l'aberration elliptique est le quart de l'aber- ration d'un filament contenu dans une enveloppe sphérique. Si Lc = 0 X est alors à l'extrémité du filament et il n'y a pas d'aberration elliptique. Ainsi, l'aberration sphérique est réduite par un facteur d'un quart ou moins à l'intérieur de l'ellipse. Dans un exemple pratique, X = 0,76 ( l'on constate avec une sphère. Comme mentionné, l'utilisation d'un ellipsoïde ayant deux foyers présente les avantages additionnels provenant du fait que la radiation IR réfléchie est concentrée en deux points, qui sont les foyers, plutôt qu'en un unique point quand il s'agit d'une géométrie sphérique. Ceci permet de répartir la température plus régulièrement le long de la longueur du filament. En outre, l'énergie ren- voyée est concentrée en deux points plutôt qu'en un seul et il y a moins de défocalisation entre eux. Du fait que le rendement lumineux d'un-filament est fonction de la tempé- rature, et diminue aux positions les plus froides, plus la répartition de la température est régulière et plus l'émis- sion de lumens est importante. De même, des gradients de température inégaux ont pour conséquence une réduction de la durée de vie des filaments et un gradient de température plus régulier permet d'éviter cet inconvénient. REVENDICATIONS 1. Lampe électrique à incandescence comprenant: une enveloppe de forme ellipsoidale pourvue d'une partie de base ou culot, un filament à incandescence monté à l'intérieur de l'enveloppe, des moyens pour fournir de l'énergie électrique au filament et le porter à incandescence de façon à obtenir de l'énergie aussi bien dans la gamme infrarouge que dans la gamme visible, des moyens de coopération avec l'enveloppe pour ren- voyer par l'enveloppe et vers le filament une partie subs- tantielle de l'énergie infrarouge produite, et pour trans- mettre vers l'enveloppe une partie substantielle de l'éner- gie produite par le filament dans la gamme visible, caractérisé en ce que le filament (22)est allongé et monté le long de l'axe principal de l'ellipsolde de l'enveloppe(42) les foyers de l'ellipsoïde étant disposés sur le filament en des points permettant de réduire les pertes par aberra- tion latérale et d'extrémité du filament. 2. Lampe électrique à incandescence selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que chacun des foyers est situé à une certaine distance entre une extrémité respec- tive du filament et environ la moitié de la distance jus- qu'au centre du filament. 3. Lampe électrique à incandescence selon la revendica- tion 2, caractérisée en ce que chacun des foyers est dispo- sé à une extrémité respective du filament pour rendre minimales les pertes latérales. 4. Lampe électrique à incandescence selon la revendi- cation 2, caractérisée en ce que chacun des foyers est disposé à environ la moitié de la distance comprise entre une extrémité respective du filament et le centre du fila- ment. 5. Lampe électrique à incandescence selon la revendi- cation 2, caractérisée en ce que chacun des foyers est situé à environ les trois quarts de la distance séparant le centre du filament de chaque extrémité respective. 6. Lampe électrique à incandescence selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de coopération sont constitués par un revêtement appliqué sur la paroi de l'enveloppe 7. Lampe électrique à incandescence selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que chacun des foyers est situé à une distance telle qu'on obtient une répartition plus uniforme de la température le long du filament.