Brevet FR2479561A1 — publié le 19811002

L'invention concerne des lampes à décharge à vapeur métallique sous haute pression avec ampoules en céramique d'alumine; elle a, plus particulièrement trait à des lampes d'éclairage universelles de ce type destinées à fonction- ner sous de fortes vibrations. Les lampes à vapeur de sodium à forte intensité que concerne principalement l'invention comportent un tube à arc mince et tubulaire, en céramique, qui est générale- ment monté dans une, ampoule en verre extérieure. Le tube à arc est en oxyde réfractaire transmetteur de lumière et résistant au sodium aux températures élevées; parmi les matériaux convenant pour cet usage, on trouve l'alumine polycristalline à forte densité ou le saphir synthétique. Le milieu de remplissage se compose de sodium et de mercure qui renforce l'efficacité lumineuse, avec un gaz rare pour faciliter l'amorçage. Les extrémités du tube sont scellées par des organes de fermeture dans lesquels sont réalisées des connexions aux électrodes thermo-ioniques de ce tube qui peuvent être constituées par une bobine en tungstène activé par un matériau émetteur d'électrons. L'ampoule qui enferme le tube à arc en céramique comporte généralement à une extrémité un culot à vis auquel sont raccordées les électrodes du tube à arc. La lampe à vapeur de sodium sous haute pression contient un excédent d'amalgame mercure-sodium; autrement dit, elle contient plus d'amalgame qu'il n'en est vaporisé lorsque la lampe atteint sa condition de fonctionnement stable. Grâce à cet excédent, la pression de vapeur est dé- terminée par la température la plus basse de tous les points du tube à arc et la quantité fournie n'est pas critique. Une partie de cet excédent est nécessaire pour remplacer l'amal- game perdu, à mesure que la lampe vieillit, par électrolyse par exemple au travers les parois d'alumine. L'endroit o l'amalgame se rassemble dans une lampe dépend de l'équilibre thermique et de l'effet de pesanteur. Dans les lampes comportant un queusot métallique scellé, en saillie, ce queusot peut constituer un réservoir pour l'excédent d'amalgame à l'extérieur du tube à arc lui- même. Cette disposition a l'avantage de placer l'excédent d'amalgame dans un endroit à l'abri de la chaleur directe de l'arc et de l'électrode, de sorte que le noircissement du tube à arc à mesure que la lampe vieillit n'a qu'un effet minime sur la pression de la vapeur de sodium et sur la tension de la lampe. L'utilisation d'un réservoir exté- rieur facilite également un réglage précis de l'équilibre thermique dans la lampe puisqu'on peut alors, par exemple, traiter par projection de particules abrasives une partie de la paroi extérieure du tube métallique afin de réguler les pertes de chaleur à partir de ce tube. Si l'équilibre thermique réalisé fait que le réser- voir se retrouve être le point le plus froid, l'excédent d'amalgame s'y condensera. L'attraction capillaire tend à retenir l'amalgame là o il se rassemble, et si la lampe fonctionne dans une position telle que le réservoir en cons- titue le point le plus bas, la pesanteur facilitera égale- ment le maintien de cet amalgame. Mais des chocs mécaniques ou des fortes vibrations peuvent provoquer la projection d'une gouttelette d'amalgame vers la partie chaude du tube à arc, notamment lorsque la lampe est dans une position telle que le réservoir en constitue le point le plus haut. La gouttelette vaporisée provoquera une montée brusque de la pression de vapeur, et l'accroissement correspondant de la tension de la lampe peut être suffisamment important pour éteindre cette lampe. Lorsquè l'extinction de la lampe est ainsi provoquée (désexcitation), elle ne peut être ré-amorcée avant de s'être refroidie, ce qui peut prendre de une à dix minutes selon la température ambiante. Dans les cas extrêmes, on a pu constater que la gouttelette, relative- ment froide, avait provoqué des fissures thermiques dans le tube à arc, là o elle avait été projetée. On a proposé diverses structures d'extrémité de lampe à vapeur métallique alcaline pour éviter la projec- tion de gouttelettes d'amalgame hors du réservoir dans des conditions de fonctionnement défavorables. Dans le brevet des E.U.A. no 4 035 682, un écran à mailles fines, retenu par frottement dans le queusot, interdit le passage de gout- telettes. Les gouttelettes projetées sur l'écran se vapori- sent lentement et se recondensent, Dans le brevet des E.U.A. n0 4 065 691, le pincement du queusot en un point intermé- diaire ne laisse que des canaux étroits de communication avec le réservoir. Les canaux permettent le passage de l'a- malgame sous forme de vapeur, mais interdisent son passage sous forme liquide. Ces mesures se sont révélées suffisamment intéressantes pour que soit entreprise la fabrication de lam- pes d'éclairage universelles à vapeur de sodium pour toute application. Mais les lampes fabriquées ne conviennent pas pour des installations soumises à de fortes vibrations: ponts autoroutiers, docks de chargement, ou proximité de ma- chines lourdes. L'invention a pour objectif une lampe d'éclairage universelle en céramique, nouvelle et perfectionnée, du type venant d'être évoqué, capable de supporter de très fortes vibrations sans accroissement de tension et désexcitation provoqués par l'expulsion de gouttelettes d'amalgame hors du réservoir et dans le tube à arc, ou'vers des parties plus chaudes du queusot. Conformément à l'invention, on prévoit, dans le queu- sot métallique extérieur, une partie réservoir ou enceinte de volume suffisant pour contenir la totalité de l'excédent d'amalgame, et dans laquelle l'attraction capillaire entre les parois et la charge d'amalgame est au moins deux fois celle de la pesanteur. L'attraction capillaire est amenée au niveau souhaité en donnant à la plus petite dimension de l'enceinte une valeur inférieure à une valeur déterminée par la composition de la dose d'amalgame et la nature du métal constituant l'enceinte, soit la mouillabilité de ce métal par l'amalgame. Dans un exemple de réalisation recommandé, le queu- sot est un tube en niobium à parois minces dont le diamètre interne est de l'ordre de 2,61 mm. L'enceinte, ou réservoir, est simplement formée en aplatissant la partie d'extrémité du tube de manière à lui donner des dimensions intérieures de 0,916 mm sur 5,08 mm environ. L'enceinte étroite résul- tante fournira donc un volume de réservoir de l'ordre de 4,65 mm3. Ce volume convient à une charge d'amalgame mercure- sodium pouvant atteindre 40 mg environ et l'attraction ca- pillaire est supérieure à 2G. Les doses normales dans les lampes à vapeur de sodium sous haute pression se situent entre 20 et 30 mg, et les rapports sodium/mercure se situent entre 12/100 et 30/100 en poids. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent: figure 1, une lampe à vapeur de sodium sous haute pression, utilisable comme lampe d'éclairage universelle sous de fortesvibrations; 15. figure 2, une vue agrandie de l'organe de ferme- ture d'extrémité et du réservoir extérieur; figure 3, une vue en coupe du réservoir faite selon la ligne 3-3 de la figure 2; figure 4, un graphique illustrant l'effet de l'a- platissement par pincement sur la sensibilité aux vibrations de la lampe. On a représenté figure 1 une lampe à vapeur de sodium sous haute pression de 400 W conforme à l'invention. Elle se compose d'une ampoule extérieure transparente 2 pourvue d'un culot à vis Goliath classique 3 fixé au point le plus bas de la tige. La tige 4 est traversée par deux fils d'amenée robustes 5,6 dont les extrémités extérieures sont raccordées à la partie filetée 7 et à l'oeillet 8 du culot. Le tube à arc 9 placé au centre de l'ampoule exté- rieure se compose d'une longueur de tube en céramique trans- mettrice de lumière, par exemple en alumine polycristalline translucide ou en alumine monocristalline claire et transpa- rente. L'extrémité inférieure du tube à arc est fermée par un bouchon en alumine 10 que traverse de manière étanche un fil en niobium 11 supportant l'électrode inférieure (non représentée). L'organe de fermeture de l'extrémité supérieure est également constitué par un bouchon en céramique 12 que traverse un tube en niobium à paroi mince 13. Ce tube sert de queusot au cours de la fabrication de la lampe, ainsi que d'amenée de courant et de réservoir extérieur pour l'ex- cédent d'amalgame sodium-mercure dans la lampe finie. Les bouchons en céramique sont scellés dans les extrémités du tube, et les conducteurs en niobium 11 et 13 sont scellés dans les bouchons par une composition de scellement au verre composée d'alumine et de calcium fondus sur place. Les deux électrodes sont formées aux deux extrémités du tube à arc comme est formée l'électrode 14 illustrée fi- gure 2 à l'extrémité supérieure de ce tube. L'électrode 14 se compose d'un fil en tungstène 15 bobiné en deux couches superposées sur un corps en tungstène 16. Ce dernier est serti ou soudé en 17 sur l'extrémité du tube en niobium 13 qui est intérieure au tube à arc. Une ouverture 18 permet le passage de l'amalgame entre le queusot et le tube à arc. Les électrodes sont activées par des oxydes métalliques, par exemple du tungstate de dibaryum-calcium, retenus dans les interstices entre les spires du bobinage. La lampe illus- trée étant de 400 W, le tube à arc a, par exemple, 112 mm de long et 7 mm de diamètre intérieur. La-charge de remplissage est constituée par 25 mg d'amalgame avec 25% de sodium et % de mercure en poids, le gaz d'amorçage étant constitué par du xénon sous une pression de 20 torrs. Mais l'invention peut bien entendu s'appliquer à toute autre lampe à vapeur de sodium sous haute pression de puissance différente pourvu qu'elle comporte une structure analogue de réservoir extérieur. Le tube à arc est monté à l'intérieur de l'ampoule de manière à permettre les dilatations thermiques différentiel- les. Une tige support robuste 19, traversant pratiquement toute la longueur de l'ampoule, est soudée au conducteur d'amenée 6 au niveau de la tige et ancrée par une bride élastique 20 placée sur le mamelon 21 de la partie supérieure de l'ampoule. Le tube à arc est supporté tout d'abord par le connecteur 22 soudé entre le tube en niobium 13 et la tige support 19. A la partie inférieure, le fil d'amenée axial 11 traverse un fourreau isolant 23 supporté, à partir de la tige 19, par une attache métallique 24. L'ouverture du fourreau permet le mouvement axial de l'amenée 11, et un conducteur souple 25 assure le raccordement électrique entre cette amenée et le conducteur d'amenée 5. Les diffé- rences de dilatation thermique sont donc compensées par le mouvement axial de l'amenée 11 dans le fourreau et par le fléchissement de la courbe donnée au conducteur 25. Les lampes telles que celle qui vient d'être décrite et qui se trouvent dans le commerce sont caractérisées par un pincement intermédiaire du tube réservoir qui évite le déplacement de l'amalgame; mais elles sont sujettes à des augmentations brusques de tension et sont éventuellement désexcitées lorsqu'elles sont soumises à de fortes vibra- tions. Cette situation s'aggrave encore lorsque l'orienta- tion ou l'attitude de la lampe dans sa monture est telle que cette lampe est en position horizontale ou que le réser- voir se trouve au point le plus haut. La pesanteur et les vibrations dépassent très aisément la tension superficielle qui maintient normalement l'amalgame liquide en place. L'amalgame est donc projeté vers les zones à température plus élevée du queusot ou du corps du tube à arc, l'amalgame rapidement vaporisé provoquant une augmentation brusque de tension et une éventuelle désexcitation. On a tenté de résoudre ce problème en réduisant le poids d'amalgame introduit dans le tube à arc, mais cette solution ne constitue qu'un perfectionnement marginal si l'on considère la tolérance aux vibrations. Par ailleurs, la durée de vie de la lampe est potentiellement réduite puis- qu'on disposé de moins de sodium pour remplacer les pertes résultant de divers procédés de "nettoyage" et de la diffu- sion normale au travers des parois en alumine du tube à arc. Il est une solution simple au problème évoqué qui n'augmente pas sensiblement le coût de la lampe. Elle consiste à réduire la dimension interne la plus faible de la partie extérieure du queusot qui contient l'excédent d'amalgame, dans une mesure telle que l'attraction capillaire accrue est adaptée au niveau supposé des vibrations. Le procédé le plus commode consiste à aplatir la partie d'extrémité du queusot sur une longueur suffisante pour que l'excédent d'amalgame soit contenu dans la partie aplatie formant réservoir. Au cours de la fabrication d'une lampe, on scelle normalement l'extrémité du tube en niobium 13, après avoir introduit la charge d'amalgame, à l'aide de mâchoires de pincement et avec une pression suffisante pour réaliser une soudure à froid en 26. Pour réaliser la lampe conforme à l'invention, il est seulement nécessaire de modifier la forme des mâchoi- res de pincement pour que, outre la soudure, on forme une partie d'extrémité aplatie 27 telle que représentée en coupe transversale figure 3. On a élaboré une procédure d'essai en laboratoire pour mesurer l'effet des vibrations sur la tension. La lampe est montée dans une douille qui l'oriente horizontalement, puis elle est amorcée et amenée à sa température de fonction- nement. Des impulsions mécaniques d'amplitude constante, au rythme d'environ deux impulsions par seconde, sont dirigées sur l'ampoule de la lampe, aux environs de sa partie cen- trale. Ces impulsions sont orientées verticalement et trans- versalement à l'axe de la lampe. Ces impulsions peuvent, par exemple, donner à l'ampoule de la lampe une accélération de pointe de 4G, soit égale à quatre fois celle de la pesanteur. Le calibrage des impulsions est fait avant amorçage de la lampe, au moyen d'un accéléromètre fixé à l'ampoule et pou- vant être remis à zéro. La variation de tension enregistrée est la différence entre la valeur en régime permanent de la chute de tension aux bornes du tube à arc avant application des impulsions, et la valeur de la chute de tension pendant l'application des impulsions. Dans la lampe actuellement commercialisée, le réser- voir extérieur est un tube en alliage de niobium avec 1% de zirconium, dont l'extrémité extérieure est soudée à froid par pincement. Le diamètre extérieur du tube est de 3,11 mm, son épaisseur de paroi est de 0,25 mm de sorte que son dia- mètre intérieur est de 2,61 mm, sauf au niveau de l'extré- mité pincée qui ne peut pas contenir la totalité de l'excédent de la charge d'amalgame de 25 mg. En aplatissant une partie appréciable du tube en deçà de l'extrémité soudée à froid, on crée une enceinte dont la plus petite dimension transver- sale est inférieure à 2,61 mm et qui peut contenir la tota- lité de l'excédent. On a représenté figure 4 la réduction obtenue dans la variation de tension provoquée par les im- pulsions d'accélération 4G à mesure que le réservoir est aplati. Le point A correspond au produit actuellement commer- cialisé; les points B, C, D, E et F correspondent à des plus petites dimensions de réservoir de 2,23 mm, 1,77 mm, 1,14 mm, 0,55 mm et 0,48 mm, respectivement. La courbe 31 qui joint les points A à F indique donc la variation de tension qu'on peut espérer pour un aplatissement progressif du queusot du produit commercialisé dont le diamètre intérieur est de 2,61mm. Les lignes d'enveloppe en pointillé 32 et 33 indiquent la gamme dans laquelle se situent un lot de lampes essayées et donne une information concernant une éventuelle production commerciale. En passant d'une dimension interne de 1,524 mm à 0,508 mm, on accroit la force de retenue capillaire exer- cée sur l'amalgame à plus de 2G, et on réduit la sensibilité à la tension d'environ 30 V à une valeur se situant entre V et 3 V environ. Il s'avère qu'une variation de 5V dans les conditions d'essai correspond à un produit acceptable pour des applications o la lampe est soumise à vibrations. Il est en conséquence recommandé de choisir une dimension interne minimum de l'ordre de 1,10 mm. Une plus grande réduc- tion de la variation de tension exigerait un allongement du queusot en niobium, ce qui augmenterait le coût. Une lampe conforme à l'invention comportera donc un queusot dont la partie extérieure sera façonnée pour former une enceinte avec un volume suffisant pour contenir la tota- lité de l'excédent d'amalgame, et dans laquelle l'attraction capillaire exercée par les parois de l'enceinte sur l'amal- game sera supérieure à 2G. L'attraction capillaire est amenée à la valeur souhaitée en rendant la plus petite dimension de l'enceinte inférieure à une certaine valeur déterminée par la composition de la dose d'amalgame et la nature du métal constituant le queusot. Le choix de ce métal étant limité puisqu'il doit être adapté au coefficient de dilatation thermique de l'alumine, on ne peut pas jouer beaucoup sur sa nature pour faire varier l'attraction capillaire. C'est en conséquence sur la plus petite dimension de l'enceinte qu'on doit jouer. Le degré d'aplatissement requis peut être réduit en utilisant un tube d'alésage plus faible. Si l'on utilise par exemple un tube dont la partie d'extrémité a un diamètre interne de l'ordre de 1,10 mm, il n'est pas néces- saire d'aplatir ce tube. De même, au lieu d'aplatir le tube, on peut le déformer intérieurement de manière à le bosseler et à réduire la plus petite dimension interne à la valeur requise sur la partie de ce tube qui peut être utilisée comme enceinte de retenue de l'amalgame. R E V E N D I C A T I O N S 1. Lampe d'éclairage à vapeur métallique alcaline comprenant: une enveloppe tubulaire allongée (9) en matériau céramique transmetteur de lumière contenant deux électrodes respectivement scellées à ses deux extrémités (10,12) oppo- sées; un queusot métallique (13) scellé à une extrémité de l'enveloppe, le queusot comportant un évent (18) ouvrant sur l'intérieur de cette enveloppe, et l'extrémité extérieure (26) de ce queusot étant scellée; un milieu ionisable composé d'un amalgame de métal alcalin et de mercure, contenu dans l'enveloppe en une quan- tité excédant la quantité vaporisée pendant le fonctionnement de la lampe, l'équilibre thermique dans l'enveloppe étant tel que l'extrémité scellée du queusot constitue le point froid de cette enveloppe, caractérisée en ce que la partie la plus à l'extérieur du queusot servant de réservoir (27) pour l'excédent d'amalgame a des dimensions telles que, présentant un volume suffisant pour contenir la totalité de l'excédent d'amalgame, ce réservoir définit, entre ses parois et l'amal- game, une attraction capillaire supérieure à deux fois l'at- traction de la pesanteur. 2. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la plus petite dimension de la partie du queusot formant le réservoir (27) est comprise entre 1,524 et 0,508mm. 3. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que, la plus petite dimension de la partie du queusot formant le réservoir (27) étant comprise entre 1,524 et 0,508 mm, la longueur de cette partie de tube est suffisante pour contenir à 30 mg d'un amalgame sodium-mercure comportant 12 à 30% en poids de sodium. 4. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie la plus à l'extérieur (27) du queusot (13) est aplatie jusqu'à présenter une plus petite dimension trans- versale se situant entre 1,524 et 0,508 mm. 5. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie la plus à l'extérieur (27) du queusot (13) étant aplatie jusqu'à présenter une plus petite dimension transversale se situant entre 1,524 et 0,508 mm, sa longueur est suffisante pour qu'elle puisse contenir 20 à 30 mg d'a- malgame sodium-mercure comportant 12 à 30% en poids de sodium_ 6. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie la plus à l'extérieur (27) du queusot (13) est aplatie jusqu'à présenter une plus petite dimension transversale de l'ordre de 1,10 mm, sur une longueur suffi- sante pour qu'elle puisse contenir 20 à 30 mg d'amal]ame sodium-mercure Comportant 12 à 30% en poids de sodium, afin de réduire à moins de 5 V la variation de tension de la lampe lorsqu'elle est soumise à de fortes vibrations.