Brevet FR2481845A1 — publié le 19811106

L'invention concerne des lampes à décharge à vapeur de métal alcalin sous haute pression utilisant des enveloppes de céramique d'alumine; elle a, plus particulièrement, trait à des lampes d'éclairage universelles de ce type, à vapeur de sodium, destinées à fonctionner dans des conditions o elles sont soumises à des chocs et vibrations. Les lampes à vapeur de sodium à haute intensité que concerne principalement l'invention comportent un tube à arc mince et allongé, en céramique, qui est généralement monté dans une ampoule en verre extérieure. Le tube à arc est en oxyde réfractaire transmetteur de lumière et résistant au so- dium aux températures élevées; parmi les matériaux convenant pour cet usage, on trouve l'alumine polycristalline à forte densité et 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'é- lectrons. 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 en est vaporisé lorsque la lam- pe atteint sa condition de fonctionnement stable. Grâce à cet excédent, la pression de vapeur est déterminée par la tempé- rature de fonctionnement la plus basse dans le tube, et la quantité fournie n'est pas critique. Dans les lampes à grande longévité, il est courant de prévoir une quantité d'amalgame suffisante pour que les variations dans le temps du rapport sodium/mercure, dues à des pertes de sodium au travers du tu- be, soient négligeables. On prévoit généralement en fabrica- tion 15 à 30 mg d'amalgame avec une teneur en sodium comprise entre 10 et 30 % en poids. L'excédent d'amalgame dans le tube se condense en un point froid dont l'emplacement est déterminé par l'équilibre 248 1845 thermique dans la lampe. Si l'orientation de la lampe est telle que le point froid se trouve en bas, la pesanteur faci- litera le maintien du condensat en un emplacement déterminé. Mais les lampes d'éclairage universelles sont vendues pour fonctionner dans n'importe quelle orientation ou attitude, et, en raison de la quantité d'amalgame généralement introduite dans le tube, les lampes sont sensibles aux chocs et aux vi- brations. Un choc peut déplacer temporairement tout ou partie de l'excédent d'amalgame vers un emplacement plus chaud, pro- voquant un accroissement brusque de la pression de fonctionne- ment du sodium et du mercure, cet accroissement de pression entraînant une montée de la chute de tension aux bornes du tube à arc. Cette montée peut être suffisante pour excéder la tension d'entretien du ballast, auquel cas la lampe s'é- teint. Lorsque la lampe s'éteint ainsi (par désexcitation), elle ne peut être ré-amorcée avant d'avoir été refroidie, ce qui peut prendre de une à dix minutes selon la température ambiante. Dans les cas extrêmes o des vibrations entraînent la projection d'une gouttelette d'amalgame vers une zone très chaude à l'avant de l'extrémité d'électrode, le choc thermi- que sur la céramique chaude peut être suffisant pour la fis- surer. Les conditions d'utilisation des lampes considérées sont notamment très dures, en ce qui concerne chocs et vibra- tions, sur les ponts autoroutiers, les docks de chargement, à proximité de machines lourdes et sur les installations ferro- viaires. Dans certaines lampes, on prévoit un queusot métallique scellé, saillant extérieurement au tube à arc, et formant ré- servoir pour l'excédent d'amalgame sodium-mercure. Dans de telles lampes, la sensibilité aux vibrations peut être rédui- te par pincement du queusot extérieur en un point intermédiai- re. Le pincement ne laisse que des canaux étroits de communi- cation avec la partie formant réservoir, permettant le passa- ge de l'amalgame sous forme de vapeur, mais interdisant son passage sous forme de liquide, comme décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique, N0 4.065.691. Mais il existe d'au- tres structures de lampe céramiques sans queusot métallique extérieur qui ne peuvent donc utiliser cette particularité 248 1845 pour réduire la sensibilité aux vibrations. Dans les lampes comportant à leurs deux extrémités un scellement de conduc- teur (brevet des Etats Unis d'Amérique N0 4.034.252), sans ré- servoir d'amalgame, l'excédent d'amalgame se rassemble dans le tube à arc proprement dit, généralement à une extrémité que l'équilibre thermique définit comme point froid. Si la lampe fonctionne orientée de telle sorte que ce point froid se trouve en haut, la lampe est extrêmement sensible aux chocs et aux vibrations. L'invention a pour objectif de définir des moyens pour réduire la sensibilité aux vibrations des lampes en cérami- que à vapeur de métal alcalin du type dans lequel l'excédent d'amalgame se condense à l'intérieur du tube à arc en céra- mique lui-même. Conformément à l'invention, cet objectif est atteint en formant, à une extrémité du tube à arc en céramique, une en- ceinte de retenue d'amalgame définie par une cloison métalli- que qui, avec la paroi d'extrémité ou fermeture, permet de créer un compartiment étroit de volume suffisant pour conte- nir la totalité de l'excédent d'amalgame. La dimension trans- versale du compartiment, soit l'espace entre la paroi d'extré- mité et la cloison, est choisie de valeur suffisamment faible pour créer, dans ce compartiment, une attraction capillaire ou force exercée sur l'amalgame qui est plusieurs fois supé- rieure à la force de la pesanteur. La cloison se prolonge pra- tiquement jusqu'aux parois latérales de tube à arc, mais n'a pas besoin de former un joint hermétique. Une petite ouvertu- re formée dans la cloison est souhaitable pour permettre à l'amalgame d'entrer dans le compartiment et d'en sortir sous forme de vapeur. Dans un exemple de réalisation recommandé, la cloison est constituée par un disque métallique mince en niobium ou en molybdène s'adaptant étroitement dans le tube à arc et pourvu d'une ouverture centrale que traverse l'amenée d'élecH trode. Le disque est écarté de la fermeture d'extrémité par une entretoise mince et maintenu contre cette dernière par une boucle de fil qui forme isolation thermique entre l'élec- trode proprement dite et le joint dans la fermeture d'exttémité. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent: Fig. 1, le tube à arc en céramique d'une lampe à vapeur de sodium sous pression élevée conforme à l'invention, l'ex- trémité supérieure-étant en coupe pour illustrer le comparti- ment de retenue d'amalgame, Fig. 2, un graphique illustrant la sensibilité aux chocs des lampes classiques, et Fig. 3, un graphique illustrant la réduction de sensibi- lité due à l'invention. Le tube à arc 1 conforme à l'invention convient pour une lampe à vapeur de sodium sous pression élevée de 400 W. Il se compose d'une enveloppe tubulaire en céramique transmettrice de lumière, par exemple en alumine polycristalline transluci- de, ou en alumine monocristalline claire et transparente. Les extrémités du tube sont fermées par des fermetures d'extrémi- tés constituées par des bouchons en céramique d'alumine 2,2' que traversent de manière étanche des fils d'amenée en nio- bium 3 supportant les électrodes. Les bouchons de céramique sont scellés aux extrémités du tube et les conducteurs en nio- bium sont scellés dans les bouchons au moyen d'une composition de scellement vitreuse composée d'alumine et de calcium fondus sur place. On a illustré figure 1 l'électrode de l'extrémité supé- rieure du tube à arc, l'autre électrode étant sensiblement identique. L'électrode se compose d'un fil de tungstène 4 bo- biné en deux couches superposées sur une ige en tungstène 5. Comme on le voit, la couche extérieure est à spires jointives, mais la couche intérieure peut être à spires non jointives, un matériau émetteur d'électrons, par exemple le matériau Ba2CaWO6, étant retenu entre les spires. L'extrémité intérieu- re du fil d'amenée 3 est fortement recourbé radialement après avoir traversé l'ouverture pratiquée dans le bouchon 2, puis forme une boucle 6 qui se termine par une partie dirigée inté- rieurement et vers le bas pour être soudée en 7 sur la tige 5 de l'électrode. La particularité de la boucle 6, qui forme isolation thermique entre l'électrode et le joint d'amenée et sert également de plan de support pour le bouchon 2 avant scellement, est décrite plus en détails dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N' 3.992.642. On forme, conformément à l'invention, un compartiment de retenue d'amalgame à l'extrémité du tube à arc o l'équi- libre thermique situe le point froid, soit à l'extrémité su- périeure du tube illustré figure 1. Un disque métallique 8, en molybdène par exemple, forme une cloison très proche de la paroi d'extrémité, soit très proche de la face inférieure du bouchon de céramique 2. La dimension transversale de ce compartiment, soit la distance entre la paroi d'extrémité et la cloison, est choisie dans la gamme pour laquelle sont créées des forces d'attraction capillaires pour l'amalgame sodium-mercure, soit choisie égale à 1 mm ou moins, la dimen- sion recommandée étant de 0,6 mm. Le fil 3 d'amenée en nio- bium traverse l'ouverture centrale du disque 8, le disque re- posant sur la boucle 6. Une rondelle- 9 entoure le fil d'ame" née traversant le compartiment et sert d'entretoise entre cloison et paroi d'extrémité. La rondelle est, de préférence, faite d'un fil de niobium de dimension appropriée pour défi- nir l'écartement ou dimension transversale souhaitée; par exemple, ce peut être une longueur de fil appropriée confor- mée en un anneau qui définit un écartement de 0,6 mm. Lorsque l'ensemble constitué par le bouchon d'extrémité, l'électrode et le disque de cloisonnement 2 est prêt à être scellé dans l'extrémité du tube céramique, il est supporté dans l'extrémité ouverte de ce tube par une petite pièce transversale (non représentée) soudée par point au conduc- teur d'amenée 3 juste au-dessus du bouchon. La composition de scellement est placée sur le bouchon céramique, sous forme de pâte, et l'ensemble est chauffé à la température de fusion de la composition ou de frittage du verre; la fritte fondue est attirée par effet capillaire dans l'espace entre le tube céra- mique et le bouchon et entre le bouchon et le conducteur d'a- menée, une partie pouvant venir en contact avec le bord exté- rieur du disque de cloisonnement et sceller ce dernier après refroidissement, au moins en partie. Pour cette raison, le disque de cloisonnement 8 devra être en un matériau adapté à l'alumine du tube; sinon, le coefficient de dilatation de ce matériau sera de préférence inférieur à celui de l'alumine. On a utilisé pour le disque du niobium et du molybdène qui se sont révélés appropriés. Avant de sceller l'ensemble constitué par le second bou- chon d'extrémité et la seconde électrode dans l'autre extrémi- té du tube céramique, on introduit dans ce tube une charge d'amalgame sodium-mercure. L'opération de scellement s'effec- tue dans une enceinte contenant un gaz inerte, ce gaz étant celui choisi comme gaz d'amorçage de la lampe. La pression du gaz inerte est telle qu'on retrouvera la pression souhaitée dans le tube à arc scellé. Une partie du tube à arc peut être refroidie pour éviter la vaporisation de l'amalgame pendant qu'est chauffée l'extrémité dans laquelle on scelle un bouchon, soit électriquement, soit par rayonnements. Le tube à arc l de la figure i est généralement monté dans une lampe, soit dans une ampoule extérieure en verre pourvue d'un culot à vis à une extrémité. L'ampoule est mise sous vide ou remplie d'un gaz inactif avant scellement, des amenées de courant, raccordées aux électrodes du tube à arc, traversant le queusot de l'ampoule pour être soudés respecti- vement au contact d'extrémité et au corps du culot. On se re- portera au brevet des Etats Unis d'Amérique N0 4.034.252 pour une description complète de la lampe. La lampe universelle obtenue peut être montée dans sa douille dans n'importe quelle orientation ou attitude. Le tube à arc ayant une structure symétrique peut aisé- ment être conçu avec un équilibre thermique situant le point froid à l'une ou l'autre des extrémités indifféremment, quelle que soit l'orientation de la lampe fixée dans sa douille; dans ce cas, on prévoit un disque de cloisonnement à chaque extrémité du tube. En fonctionnement, l'enceinte de retenue d'amalgame à l'extrémité la plus basse du tube à arc est cel- le qui est utilisée, ce qui réduit efficacement la sensibili- té de la lampe aux vibrations. En variante, la lampe peut être conçue pour que le point froid se situe à une extrémité déter- minée du tube, ce dernier n'ayant alors qu'un seul comparti- ment de retenue d'amalgame. On peut juger de l'efficacité des moyens mis en oeuvre conformément à l'invention pour réduire la sensibilité de la lampe aux chocs et aux vibrations en examinant les figures 2 et 3 et en comparant les élévations de tension de lampes soumi- ses à des essais de chocs par chute sur du sable. Pour ces essais, on a utilisé des mêmes lampes avec scellement de conducteur à chaque extrémité, et on a comparé des lampes pourvues, confor- mément à l'invention, d'un compartiment de retenue d'amalgame avec des lampes ne comportant pas ce compartiment. Dans les lampes conformes à l'invention, la distance transversale du compartiment était de 0,6 mm, et l'amalgame contenait 17 % à % en poids de sodium. La machine utilisée pour les essais comporte une plateforme de chute guidée par des rails verti- caux, avec un nombre variable de blocs en bois fixés sur sa face inférieure et pénétrant dans du sable à l'intérieur d'u- ne boîte. L'amplitude et la durée de la décélération sont dé- terminées par la hauteur de la chte et le nombre de blocs utilisés. Au cours de ces essais, deux blocs ont été utilisés, correspondant à une décélération de 20 ms ou durée du choc. Le sable utilisé était du sable de silice de grain 30-40, séché au four, soigneusement tenu dans les conditions impo- sées par le fabricant de la machine (Barry Corporation, Modè- le 20 VI, Watertown, Mass.) en ce qui concerne la profondeur, le tassement et la surface. Après chaque chute, le sable a été ratissé de la manière prescrite et soigneusement nivelé, la plateforme abaissée à la surface du sable pour rétablir le point zéro et vérifier le niveau; la plateforme a été ensuite élevée à la hauteur de chute souhaitée. Les lampes ont été montées sur la plateforme, verticale- ment, l'extrémité de point froid en. haut. Pour ces essais, les lampes ont été mises en fonctionnement avec un réflecteur en clinquant autour du culot pour que l'amalgame soit entraî- né rapidement à l'extrémité supérieure du tube à arc; le fonctionnement des lampes étaient restabilisé pendant quel- ques minutes avant chaque chute. La hauteur de chute a été augmentée à chaque essai jusqu'à l'essai pour lequel la lampe s'éteignait. Toute variation de tension due à l'impact a été enregistrée à l'aide d'appareils de mesure classiques; les résultats sont portés figures 2 et 3. Le poids de la charge d'amalgame sodium-mercure est indiqué à la partie supérieure de chaque courbe. Une flèche dirigée vers le haut à l'extré- mité supérieure de la courbe de tension indique que l'accrois- sement de tension éteint la lampe. Les illogismes mis en évi- dence par les courbes s'expliquent par le fait que les gout- tes ou amas d'amalgame suspendus ou piégés sont quelque peu instables en forme et pas toujours uniformes en ce qui concer- ne leur réaction aux forces de dislocation. On voit figure 2 qu'avec une charge d'amalgame de 50 mg, une accélération de 7g provoquera l'extinction de la lampe. Si l'on se reporte à la figure 3, on voit qu'avec un compar- timent de retenue d'amalgame conforme à l'invention, il faut une accélération de 15g pour que la lampe s'éteigne, avec une charge de 55 mg, donc légèrement plus forte. Lorsque la char- ge d'amalgame est réduite à des quantités plus normales, de l'ordre de 35 à 15 mg, les lampes classiques s'éteignent, mais non celles pourvues d'un compartiment de retenue d'amal- game. En fait, on voit figure 3 qu'avec une charge de 15 mg dans une lampe conforme à l'invention, l'augmentation de ten- sion est insignifiante même avec une accélération de-25 g. Une accélération de cette amplitude est supérieure à celle que l'on rencontre en pratique, et, de toute façon briserait la monture de la lampe. On voit donc que le compartiment de retenue d'amalgame conforme à l'invention constitue un moyen commode et économique pour accroître la résistance de la lam- pe aux chocs et aux vibrations à un niveau bien supérieur à celui rendu nécessaire par les conditions de fonctionnement réelles de ce type de lampe. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Lampe à vapeur de métal alcalin comportant un tube allongé (1) en matériau céramique transmetteur de lumière contenant deux électrodes (4) supportées à ses ex- trémités opposées par des fils d'amenée (3) scellés dans des bouchons d'extrémité (2,2') en céramique, un milieu ionisable avec amalgame de métal alcalin et de mercure, enfermé dans le tube en une quantité excédant la quantité excédant la quantité vaporisée pendant le fonction- nement de la lampe, l'équilibre thermique de cette lampe si- tuant le point froid à une extrémité du tube, lampe caracté- risée en ce qu'elle comporte, de plus, un compartiment de retenue d'amalgame à l'extrémité de point froid du tube, constituant réservoir pour l'excédent d'amalgame, ce compartiment étant formé par une cloison métal- lique (8) sensiblement parallèle au bouchon d'extrémité (2), distante de ce bouchon d'une valeur qui maintient l'amalgame sur la face intérieure de ce bouchon sous l'effet des forces d'attraction capillaires. 2 - Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la distance entre la cloison (8) et le bouchon d'extrémi- té (2) est au plus de 1 mm. 3 - Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cloison (8) est constituée par un disque métallique mince pourvu d'une ouverture centrale que traverse le fil d'a- menée (3) scellé dans le bouchon d'extrémité (2), le fil d'a- menée étant recourbé pour former une boucle (6) sous l'ouver- ture, le disque étant en contact avec la boucle sur une de ses faces et maintenu écarté du bouchon d'extrémité par une ron- delle (9) placée sur son autre face. 4 - Lampe selon la revendication 3, caractérisée en ce que le disque est en niobium ou en molybdène.