Brevet FR2472265A1 — publié le 19810626

L'invention concerne des lampes à décharge à vapeurs métalliques de haute intensité qui fonctionnent en présence d'un excès de métal non vaporisé, et plus particulièrement, des lampes aux halogènures métalliques contenant un excès d'halogènures métalliques sous forme liquide. Les lampes aux halogénures métalliques sont apparues avec l'addition d'halogénures de différents métaux émettant de la lumière à la lampe à vapeur de mercure haute pression dans le but de modifier sa couleur et d'augmenter son effi- cacité de fonctionnement, comme dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N 3.234.421. Comme on a pu utiliser ensuite commercialement ces lampes aux halogénures métalliques pour l'éclairage en général; leur structure et leur mode de fonc- tionnement sont décrits dans IES Lighting Handbook, 5e édi- tion, 1972, publié par l'Illuminating Engineering Society, pages 8-34. La lampe aux halogénures métalliques fonctionne généralement avec une charge de mercure compèietement vaporisé et un excès non vaporisé constitué essentiellement d'iodures métalliques sous forme liquide. Le remplissage le plus recommandé comprend les io- dures de sodium, de scandium et de thorium. Les conditions de fonctionnement et la forme géométrique de l'enveloppe de la lampe doivent permettre l'établissement de températures suffisamment élevées, en particulier aux extrémités, pour va- poriser une quantité importante des iodures et particulière- ment de Na t. Il faut en général pour cela des températures minimum de l'ordre de 700 C en fonctionnement. On peut faci 1 ement calculer la quantité de NaI admis- sible à l'état de vapeur dans un volume donné à une tempéra- ture donnée, par exemple de 750 C. Toutefois la charge de NaI que l'on introduit dans la plupart des lampes de fabri- cation commerciale est de nombreuses fois et par exemple de fois ou plus supérieure à la quantité calculée. Bien que la plus grande partie du NaI ajouté reste sous forme conden- sée à l'intérieur du tube à arc, la quantité participant a la décharge d'arc s'accroît à un taux décroissant, avec la quantité totale introduite dans le tube. Dans Electric Dis- charge Lamps, (Lampes électriques à décharge), TAIT Press., 1971, Chapitre 8, paragraphe 8.4, Effets of Arc Tube Geometry (Effets de la structure géométrique des tubes à arc), John F. Waymouth réfléchit à ce phénomène et propose, comme expli- cation reposant sur la nature non isotherme de l'ampoule, que l'étalement d'un film de condensation au delà du point de température minimum vers des températures plus élevées augmenterait la pression de Na7I. Il fournit également une autre explication dans laquelle il envisage que la pression de NaI serait déterminée par un processus dynamique et non par un processus d'équilibre; les courants de convection apportent des gaz qui sont beaucoup plus chauds que la paroi au-delà de la surface du film de condensation, faisant s'éva- porer le NaI- en excès pour le faire passer à travers l'arc avant qu'il se condense ailleurs. Quelquesoit l'explication adoptée, Waymouth conclue qu'il est souhaitable d'avoir un film de condensation qui soit aussi étendu que possible pou'r obtenir la pression ma- ximum de NaI dans le gaz pour une quantité donnée de NaI. ajouté. Il est en particulier souhaitable que le produit de condensation soit réparti sur toute la partie cylindrique du tube à arc, et étalé en couche aussi mince que possible, et qu'il ne soit pas condensé auX extrémités o peuvent exis- ter des creux ou des poches qui peuvent en emmagasiner de grandes quantités pour une surface spécifique peu élevée. Pour obtenir ce résultat, Waymouth veut que le tube à arc soit conçu de manière telle que les températures des extré- mités soient plus élevées que celle de la partie médiane, de manière à ce que l'iodure en excès se condense dans la par- tie médiane du tube à arc. On a observé que le produit de condensation ne forme pas un vrai film, dans le sens d'une couche continue, sur la surface interne du tube à arc de quartz, mais qu'il a tenden- ce à rester sous la forme de gouttelettes discrètes. On a trouvé que l'augmentation possible de la surface du produit de condensation conformément aux recommandations de Waymouth, est très limitée. On rencontre également d'autres difficul- tés lorsque beaucoup de produit de condensation recouvre les parois de l'enveloppe autour de la partie médiane du tube à arc, par exemple, sous la forme d'une bande équatoriale espa- cée des deux électrodes. Dans la band-e, les gouttelettes de produit de condensation relativement grosses diminuent la transmission et peuvent provoquer un vacillement lorsqu'elles se forment et se déplacent. L'apparition d'éclairs de lumière rougeâtre - particulièrement pendant l'échauffement-constitue une autre difficulté. Il semble que ces éclairs soient dus à la vaporisation rapide de gouttes d'halogénures métalli-_ ques de la dose qui se forment dans la bande équatoriale et tombent dans la région des extrémités plus chaude. Ces diffi- cultés sont particulièrement aiguës dans les tubes à arc aux halogénures métalliques miniatures d'un centimètre cube ou moins, comme ceux que décrit le brevet des Etats Unis d'Amé- rique no 4.161.672. L'invention a pour objet d'établir à l'intérieur d'une lampe à décharge aux halogénures métalliques, un film de condensation qui soit plus étendu et plus continu que cela n'avait été possible jusqu'à ce jour, et qui, de préférence, s'étende sur toute la surface intérieure de l'enveloppe de décharge. Ce film augmente l'efficacité et améliore le rendu des couleurs en fournissant la quantité efficace maximum d'halogénures métalliques, et en particulier de NaI en pha- se vapeur à la décharge. Ce film présente encore l'avantage d'exercer un effet filtrant que l'on peut utiliser pour abais- ser la température de couleur de la lumière émise. Conformément à l'invention, on met au point un moyen as- socié à la surface intérieure de l'enveloppe de décharge qui favorise la formation et l'étalement d'un film de condensa- tion liquide sur cette surface. La formation d'un film conti- nu est favorisée quand sa présence diminue l'énergie super- ficielle totale. Un film aura tendance à se former si la som- me de l'énergie superficielle à l'interface paroi-dose liqui- de et de l'énergie superficielle à l'interface dose liquide- vapeur est inférieure à l'énergie superficielle à l'interface paroivapeur.En supposant: c = facteur de rugosité de 1-a surface de la paroi, ep-d = énergie par unité de surface à l'interface paroi-dose eV.d = énergie par unité de surface à l'interface dose-vapeur ep-V = énergie par unité de surface à l'interface paroi- vapeur; On peut exprimer algébriquement l'équation voulue de la ma- nière suivante: c. ep-d + edv c as.socié à la surface intérieure peut être une couche superfi- cielle ou un revêtement qui apporte une rugosité ou une irré- gularité à la surface de façon à ce que la diminution de la- surface spécifique apparente par recouvrement avec un film liquide uniforme soit favorisée du point de vue énergétique. Ce moyen peut également être un revêtement qui permette d'ob- tenir une surface chimiquement différente à l'intérieur de l'enveloppe, qui soit mieux mouillée par la dose d'iodure mé- tallique. Ou on peut encore utiliser un revêtement rendant la surface rugueuse qui soit également favorable chimique- ment à la formation d'un film. Il est souhaitable que la for- ce d'entraînement soit au moins suffisante pour faire s'écou- ler le liquide de condensation à une vitesse qui permette de remplir tout point de la surface ayant subi une perte par évaporation, et éviter ainsi l'apparition de zones nues. Bien que l'on puisse rendre la surface intérieure ru- gueuse par des-moyens mécaniques, comme le sablage, on préfè- re recouvrir la surface intérieure de l'enveloppe avec une fumée d'un oxyde réfractaire, et par exemple avec de la fu- mée de silice. On chauffe ensuite de l'extérieur l'enveloppe recouverte de fumée au chalumeau pour fritter partiellement le film dans la paroi et rendre la fumée plus compacte pour qu'elle présente une structure plus rugueuse. La surface ré- sultante provoque l'étalement du produit de condensation par effet de mèche. On a découvert que la répartition uniforme de la dose ou du produit de condensation abaisse la tempéra- ture de couleur, par suite de l'élargissement et de l'auto- inversion de la raie du sodium par la pression, et parce qu'il agit également comme un filtre corrigeant la couleur. La suite de la description se réfère aux figures anne- xées qui représentent.respectivement: Fig. 1, une lampe à arc à halogénures métalliques mi- niature, conforme à l'invention; Fig. 2, le schéma du procédé de dépôt de fumée à l'in- térieur du tube & arc, Figs.3 et 5 des photographies agrandies de lampes à arc à halogénures métalliques miniatures, dans des conditions de fonctionnement, la première ne comportant pas le revêtement favorisant la formation et l'étalement d'un film conforme à l'invention et la dernière le comportant; Fig. 4, un croquis reproduisant à grands traits les principaux caractères de la photographie de la Fig. 3; et Fig. 6, un diagramme chromatique comparant les perfor- mances de la lampe, avec et sans le revêtement favorisant la formation et l'étalement d'un film. On a représenté Fig. 1 un tube à arc miniature 1 dont la partie centrale constituée par l'ampoule 2 porte une cou- che superficielle interne 3 provoquant l'étalement par capil- larité au produit de condensation liquide en un film - conformément à l'invention. On peut former l'ampoule 2 par dilatation d'un tube de quartz, d'une manière connue, puis on dépose ensuite à l'intérieur de l'ampoule, une fumée d'un oxyde de métal approprié, par exemple de SiO2.- On produit avantageusement la fumée de silice par com- bustion du chlorotrimiéthylsilane dans une flamme d'oxygène- gaz. Si on se réfère à la Fig. 2, représentant un monta- ge approprié pour une utilisation en laboratoire, on intro- duit le gaz d 'illumination par le tube 3 et on le fait bar- boater dans le chlorotriméthylsilane liquide 5 dans le bécher bouché 6. Le gaz entraine la vapeur de chlorotrimétylsilane à. l'extérieur par le tube 7 traversant le raccord en T 8 et le tube externe 9. On introduit de l'oxygène par le tube latéral 1l au raccord en T, et il pénètre ensuite dans le conduit annulaire entre le tube externe 9 et la conduite interne 7. Le tube externe 9 pénètre par le col 12 dans l'ampoule 2 du tube à arc. On allume le gaz d'illumination et le chlorotriméthylsilane qui brûlent dans l'oxygène en produisant une petite flamme 13. Pour l'ampoule représentée, on règle le débit du gaz de manière à ce que la taille de la flamme soit comprise entre environ 2 et 3 millimètres. Les produits de combustion sont constitués par de la vapeur d'eau et par une fumée blanche de SiO2 qui recouvre l'inté- rieur de l'ampoule; on fait tourner l'ampoule et on lui don- ne un mouvement de va et vient axial lorsqu'on la recouvre intérieurement de fumée pour obtenir un revêtement uniforme. Lorsqu'on l'a recouverte intérieurement de fumée, on chauffe immédiatement l'ampoule pour entraîner à l'extérieur la vapeur d'eau qui pourrait endommager le film de fumée fra- gile. On chauffe ensuite de l'extérieur l'ampoule recouverte de fumée au chalumeau pour fritter partiellement le film l dans la paroi de l'ampoule et rendre la fumée plus compacte pour qu'elle présente une structure plus rugueuse. Il faut surveiller étroitement la température de l'ampoule pendant le chauffage au chalumeau puisqu'une flamme trop chaude fon- drait complètement la fumée dans la paroi de silice fondue, tandis qu'une flamme trop froide ne produisait pas la densi- fication et la fixation voulue. On utilise ensuite l'ampoule revêtue dans un tube à arc, de manière connue. Un revêtement d'alumine présente l'avantage supplémen- taire, par rapport au revêtement de silice d'être plus faci- lement mouillé par la dose d'halogénures métalliques. On a appliqué ce type de revêtement en produisant alternativement des fumées de silice et d'alumine à l'intérieur de l'ampoule dé quartz. On a produit la fumée de silice par focalisation d'un rayon laser au bout d'une tige de silice insérée dans l'ampoule par un col. On projetait avantageusement le rayon laser à travers l'autre col. Puis on a remplacé la tige de silice par une tige d'alumine et on a produit de la fumée d'alumine de la même manière. De cette manière, on fixait fortement l'alumine à la paroi lors du frittage ultérieur, la silice servant apparemment de liant. La fumée d'alumine, utilisée seule, forme après le frittage une croute qui manque d'adhérence. Le revêtement d'alumine change la nature chimi- que de la surface d'une manière qui favorise le mouillage et la formation d'un film lorsqu'elle est mise au contact d'un halogénure métallique comme l'i-odure de sodium. Dans la lampe finie représentée Fig. 1, on a fait les scellements en écrasant grace à un ramollissement thermique, et si on le souhaite, en s'aidant du vide, le quartz des cols 12, 12' sur les parties foliées en molybdène 14, 14' des montages électrodes-fils d'amenée de courant. Les conduc- teurs 15, 15' soudés aux parties foliées se prolongent à l'extérieur des cols tandis que les tiges des électrodes 16, 16' soudées aux côtés opposés des parties foliées pénètrent à travers les cols à l'intérieur de l'ampoule. La lampe est destinée à fonctionner en courant continu et la tige 16' terminée par une perle 17 suffit pour constituer l'anode. La cathode comprend une spirale creuse de tungstène 18 ajus- tée sur l'extrémité de la tige 16 et se terminant, à son ex- trémité distale.par une masse ou capuchon 19 que l'on peut former en refondant quelques tours de la spirale. Un tube à arc à halogénures métalliques classique des- tiné à une lampe de 35 watts peut présenter un diamètre d'ampoule d'environ 0,7 cm et un volume de décharge compris entre environ 0,1 et 0, 15 centimètres cube. Un remplissage approprié pour l'enveloppe comprendra de l'argon ou un autre gaz inerte à une pression de plusieurs dizaines de torrs, servant de gaz d'amorçage, et une charge constituée par du mercure et par les halogénures métalliques NaI-, ScI3 et ThI4. On peut introduire la charge dans le tube à arc par un des cols avant de le sceller sur la seconde électrode. On monte habituellement le tube à arc représenté à l'inté- rieur d'une ampoule protectrice externe (non représentée) comprenant un culot aux contacts duquel sont reliés les fils d'amenée de courant 15, 15'. La couche de fumée frittée à l'intérieur de l'ampoule 2 exerce un effet de mèche qui permet l'étalement de la do- se ou du produit de condensation liquide sous la forme d'un film continu. On pourra facilement constater l'efficacité de la cou- che en comparant la Fig. 3 o l'ampoule ne comporte pas de couche de fumée frittée avec l-a Fig. 5 o cette couche est présente. Les deux figures sont des photographies des ima- ges produites sur un écran en focalisant la lumière émise par les lampes en fonctionnement à travers une lentille convergente. Dans la Fig. 3 o il n'y a pas de couche, le produit de condensation ne forme pas un film continu mais il forme au contraire des gouttelettes discrètes qui ont tendance à persister. Certaines gouttelettes grossissent, lorsque da- vantage de produit de condensation rejoint la masse, comme par exemple les gouttelettes 21 et 22 représentées Fig. 4. Le poids d'une grosse gouttelette peut éventuellement la faire rouler vers le bas le long de la paroi, à l'extrémité du tube. La vaporisation soudaine de la gouttelette, si elle touche la tige chaude de l'électrode peut provoquer un éclair rougeâtre, et le déplacement des gouttelettes peut provoquer un certain vacillement. Dans la Fig. 5, o on a utilisé une couche de fumée de silice conformément à l'invention, un film de condensation continu recouvre pratiquement toute la surface interne de l'ampoule. Les grosses gouttelettes de condensation se sont réparties dans le film. Le film améliore la vaporisation de la dose, ce qui entraîne la diminution voulue de la tempé- rature de couleur. Dans la Fig. 6, on a indiqué la grandeur et le sens du déplacement du spectre émis, au moyen des coordonnées tri- chromatiques ICI. Les deux cercles hachurés représentant la moyenne ou la gamme de variation de la réponse spectrale, à deux niveaux de puissance, de 18 watts et 35 watts, pour des lampes du type représenté Fig. 1, mais ne comportant pas de moyen favorisant la formation d'un film de condensa- tion liquide. La réponse spectrale d'une lampe comportant un revêtement de fumée de silice frittée est représente par les deux points à l'intérieur d'un triangle et on a égale- ment indiqué les rendements lumineux correspondants. La li- gne courbe en traits pleins représente, d'une manière clas- sique, le lieu géométrique du corps noir, et les lignes in- clinées moins appuyées, les lieux géométriques correspon- dants des températures de couleur de 40000 K, 35000-K et 30000 K. Le déplacement de la réponse spectrale vers la droite le long du lieu géométrique du corps noir vers une température de couleur plus basse provoqué par le revêtement est particulièrement évident pour une faible puissance. Pour une faible puissance, la température de couleur a tendance à être trop élevée à causede la pression inadéquate de la va- peur d'iodure de sodium. Le déplacement indiqué vers une température de couleur plus basse est plus prononcé au ni- veau plus bas, lorsqu'il est le plus nécessaire. Le déplacement provient de l'élargissement et de l'auto- inversion par la pression de l'émission du sodium, et le film d'halogénure réparti uniformément se comporte également comme un filtre corrigeant la couleur. Dans des lampes comportant le film continu de dose li- quide à l'intérieur de l'enveloppe, que la présente inven- tion rend possible, le vacillement disparait complètement pendant l'amorçage - lorsqu'on coupe le courant, la dose d'halogénures répartie se condense et cristallise sur toute la surface intérieure de l'ampoule. Lorsqu'on rallume ensui- te la lampe, la fusion et la vaporisation se produisent ré- gulièrement et uniformément et le film de condensation li- quide se reforme promptement. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Lampe à décharge à vapeurs métalliques de haute inten- sité comprenant une enveloppe scellée dont les parois trans- mettent la lumière, des électrodes (16, 16') supportant une décharge à l'intérieur de l'enveloppe, et un remplissage, à l'intérieur de l'enveloppe produisant une vapeur dans la- quelle une décharge électrique produit de la lumièrey, le remplissage comprenant une dose de selsmétalliques en une quantité supérieure à la quantité vaporisée pendant le fonc- tionnement de la lampe cette dose étant liquide à la tempé- rature des parois à l'intérieur de l'enveloppe pendant le fonctionnement, lampe caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen associé à la surface intérieure des parois de l'en- veloppe pour favoriser la formation et l'étalement d'un film de condensation liquide sur celle-ci. 2 - Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen favorisant la formation d'un film permet à la somme de l'énergie superficielle à l'interface paroi-dose liquide et de l'énergie superficielle à l'interface dose liquide-vapeur d'être inférieure à l'énergie superficielle à l'interface paroi-vapeur. 3 - Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen favorisant la formation d'un film est une cou- che superficielle qui augmente la surface spécifique inté- rieure de l'enveloppe. 4 - Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen favorisant la formation d'un film est un revê- tement de la surface intérieure de l'enveloppe qui présente sur sa partie apparente, une surface spécifique qui diminue lorsqu'un film liquide se forme sur lui. - Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen favorisant la formation d'un film est un revê- tement de particules fines d'oxyde réfractaire adhérent à la surface intérieure de l'enveloppe. 6 - Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen favorisant la formation d'un film est un revê- tement produit en amenant une fumée de particules d'oxyde réfractaire en contact avec la surface intérieure de l'en- veloppe pour qu'elle y forme un film, et en frittant ensui- te partiellement le film pour le rendre plus compact, pour qu'il présente une structure plus rugueuse, et pour amélio- rer son adhérence à l'enveloppe. -