Brevet FR2478374A1 — publié le 19810918

L'invention concerne, d'une manière générale, les lampes fluorescentes fonctionnant avec une densité de cou- rant de décharge très élevée, et utilisant une ampoule transmettant la lumière qui peut être mise sous vide et est revêtue d'un matériau fluorescent, l'ampoule contenant un milieu gazeux pouvant être ionisé pour exciter des atomes de mercure qui émettent des rayonnements ultraviolets ainsi que des rayonnements visibles de couleur bleue. Dans un tel type de lampe fluorescente, le milieu gazeux est ionisé par couplage électromagnétique avec une source d'énergie haute fréquence, de préférence de l'ordre de 50 à 500 kHz. Un noyau en ferrite placé, soit à l'intérieur, soit à l'exté- rieur de l'ampoule, permet de réaliser ce couplage électro- magnétique, et la source d'énergie haute fréquence peut être un circuit oscillant à l'état solide fournissant une ten- sion relativement faible. Une lampe de ce type comporte une ampoule transmettant la lumière, pouvant être mise sous vide et revêtue de luminophore, avec un milieu gazeux contenant de la vapeur de mercure et émettant des rayonnements ultra- violets ainsi que des rayonnements visibles de couleur no- tamment bleue lorsqu'il est excité par un champ électrique. Les caractéristiques de structure de telles lampes sont dé- crites dans les brevets des E.U.A. n0 4 017 764 et 4 176 296, ainsi que dans d'autres brevets E.U.A. cités en référence dans cet exposé. Les principes de fonctionnement de telles lampes sont décrits dans les brevets des E.U.A. no 3 500 118 et 3 521 120. Ce type de lampe est compact avec une ampoule en forme de globe ayant le même volume qu'une lampe à incan- descence, la lampe fonctionnant sans électrodes, la décharge étant induite par le noyau magnétique avec une densité de courant de décharge très élevée. Ces lampes sont destinées à remplacer les lampes à incandescence pour obtenir une meilleure production de lumière blanche. Dans le brevet des E.U.A. n0 3 521 120, par exemple, on décrit une lampe fluo- rescente sans électrodes de 30W dont l'efficacité lumineuse est de 40 lumens par watt à une température de fonctionne- ment de 400C, avec un revêtement fluorescent classique de fluorophosphate de calcium, l'efficacité lumineuse étant environ trois fois celle d'une lampe à incandescence avec le même flux lumineux. On sait également depuis longtemps que la température de fonctionnement d'une lampe fluorescente classique de forme tubulaire et à basse pression de mercure peut avoir un effet significatif sur l'efficacité lumineuse. Dans ces lampes fluorescentes classiques, le point le plus froid sur la paroi de l'ampoule détermine dans une large mesure la carac- téristique de fonctionnement et constitue l'emplacement o le mercure en excès se condense. La température du "point froid" règle la pression de la vapeur de mercure à l'inté- rieur de l'ampoule en augmentant ou diminuant la quantité de rayonnements ultraviolets pouvant exciter le revêtement fluorescent. Ces lampes fluorescentes classiques sont géné- ralement conçues pour un flux lumineux maximum à une tempé- rature du point froid de l'ordre de 420C, la pression de mercure étant de l'ordre de 7 millitorr à cette température. Au-dessus de cette valeur, il y a trop de vapeur de mercure dans l'ampoule, et une partie des rayonnements ultraviolets est ré-absorbée de manière efficace avec une réduction ré- sultante de l'excitation du luminophore par unité de puis- sance d'entrée. Il n'est pas rare non plus de constater une perte d'efficacité lumineuse pouvant atteindre 15-25% et plus lorsque de telles lampes fonctionnent au-dessus de la tempé- rature optimum du point froid. Toutefois, les rayonnements visibles de la vapeur de mercure traversant la paroi revê- tue de luminophore de l'ampoule de ces lampes classiques constituent normalement moins de 10% des rayonnements totaux émis, et le point de couleur blanche de l'émission de la lampe ne varie pas de manière appréciable avec la tempéra- ture du point froid. En opposition avec ce qui vient d'être décrit concer- nant les caractéristiques de fonctionnement des lampes clas- siques tubulaires, la partie de la puissance totale rayonnée par la partie visible du rayonnement de la décharge s'accroit lorsque la densité de courant de la décharge dans le mercure augmente. On pense que cela est dû à une saturation partielle de l'émission ultraviolette des atomes de mercure alors que l'émission visible augmente d'une manière sensiblement plus linéaire. En conséquence, pour des densités de courant très élevées, les rayonnements visibles de la décharge peuvent atteindre 25 à 35% de l'émission visible totale. De plus, le rendement de conversion de l'énergie électrique en rayonne- ments visibles continue à s'accroître bien au-dessus de la pression précédemment mentionnée de 7 millitorr pour la vapeur de mercure. L'efficacité lumineuse totale pour une telle lampe atteint en conséquence une valeur maximale pour une pression de vapeur de mercure et une température du point froid qui sont beaucoup plus élevées. Il en résulte également que l'efficacité lumineuse globale de la lampe décroît à mesure que s'accroît la densité de courant. Et ce qui est encore plus important, le point de couleur de la lampe dépend dans une large mesure de la densité de courant de la décharge et de la température du point froid. Il est également connu d'utiliser des combinaisons de luminophores différents dans les lampes classiques de forme tubulaire, sous forme d'un mélange des constituants de ces luminophores, ou sous forme de couches multiples de lumino- phores ou de mélanges de luminophores. Dans le brevet des E.U.A. no 4 075 532 par exemple, on décrit un mélange utili- sant un premier luminophore avec une bande d'émission relati- vement étroite dont le maximum se trouve dans la région des ondes courtes du rayonnement visible (bleu) et un second lu- minophore avec une bande d'émission relativement large dans la région 570600 nm (jaune) du spectre visible, ce qui conduit à une amélioration de l'efficacité lumineuse pour ce type de structure de lampe fluorescente. On peut égale- ment citer, comme combinaison de luminophores émettant en lumière blanche avec une meilleure efficacité que les lam- pes fluorescentes classiques de forme tubulaire, type "de luxe", celle décrite dans le brevet des E.U.A. n0 4 079 287 et qui est constituée par un luminophore d'halo-apatite de strontium et un luminophore d'oxyde d'yttrium activé à l'europium. On peut de même citer, comme combinaison diffé- rente de luminophores émettant en lumière blanche chaude avec une efficacité élevée, celle décrite dans le brevet des E.U.A. n0 4 088 923 et qui est constituée par un mélange de deux luminophores d'aluminate de magnésium à structure cris- talline hexagonale, activé avec des ions de terres rares spécifiques, et d'un troisième luminophore d'oxyde d'yttrium activé à l'europium trivalent. La couleur blanc chaud généralement recherchée pour ces lampes afin de remplacer directement les lampes à incan- descence, avec une efficacité lumineuse beaucoup plus élevée, ne peut pas être obtenue avec des halophosphates classiques tels que le luminophore d'halo-apatite de calcium ou même avec les combinaisons de luminophores les plus récemment développées utilisant divers composants luminophores d'halo- phosphate au-dessus d'un certain niveau de densité de cou- rant de décharge. En premier lieu, ces luminophores manquent de points de couleur pouvant être ajustés pour compenser les forts rayonnements visibles de la vapeur de mercure émis par ces lampes fluorescentes à forte densité de courant pour obtenir une émission en couleur blanc chaud. Si la tempéra- ture du point froid est réduite en dessous de la température de fonctionnement précédemment mentionnée afin d'obtenir un point de couleur blanc proche de la couleur blanc chaud, on constate une diminution inacceptable de l'efficacité lumi- neuse. On constate également une plus forte dégradation du flux lumineux au cours de la vie de ces lampes, par rapport aux lampes fluorescentes utilisant les mêmes halophosphates, cet effet étant beaucoup plus prononcé avec une densité de. courant de décharge élevée. Il est souhaitable en conséquence de définir un luminophore amélioré permettant à une lampe fluorescente à densité de courant de décharge élevée, telle qu'une lampe sans électrodes, de fonctionner avec une effi- cacité lumineuse acceptable pendant toute sa vie et de four- nir plusieurs points de couleur blanche d'émission par ré- glage de la température du point froid en fonctionnement. Il se trouve qu'on peut utiliser une combinaison particulière de luminophores dans une lampe fluorescente à densité de courant de décharge élevée du type évoqué, afin d'obtenir une émission en lumière blanche de température de couleur plus faible pour une densité de courant de décharge donnée, et sans dépréciation de l'efficacité lumineuse. Le point de couleur de la lampe fluorescente conforme à l'in- vention peut être réglé, et on prévoit des moyens de. réglage de la pression de vapeur de mercure dans la lampe pour régler la température de couleur de fonctionnement de cette lampe. La combinaison de luminophores conforme à l'invention permet de plus le réglage du point de couleur d'émission de la lampe par variation de la température du point froid, afin d'obte- nir des températures de couleur allant de 2600'K environ à 4500'K environ. Ces perfectionnements s'appliquent à une lampe fluorescente à densité de courant de décharge élevée, telle qu'une lampe sans électrodes, comportant une ampoule transmettant la lumière et pouvant être mise sous vide, l'ampoule étant revêtue d'un luminophore et contenant de la vapeur de mercure pouvant être ionisée par un champ électri- que, pour une émission de rayonnements ultraviolets et de rayonnements visibles de couleur globale bleue; le lumino- phore est en fait un mélange constitué par un oxyde de terre rare activé à l'europium et par un luminophore émet- tant dans une bande étroite verte, tel que l'aluminate de magnésium activé au cérium et au terbium, à structure cris- talline hexagonale, cette combinaison conduisant à une émis- sion composite en lumière blanche. On estime également inté- ressant l'utilisation de silicate de zinc activé au manganèse comme luminophore émettant dans une bande étroite verte cen- trée sur une fréquence de l'ordre de 527 nm. Le spectre d'é- mission souhaité pour le constituant émettant en lumière verte se situe dans une bande d'émission principale étroite dont la longueur d'onde moyenne, dans la partie verte du spectre, se situe entre 525 et 570 nm. En modifiant la température du point froid en fonc- tionnement de cette lampe améliorée, on règle l'émission de couleur bleue résultant des rayonnements de vapeur de mercure 2478"74 qui s'échappent de la lampe, de sorte qu'on peut obtenir efficacement une couleur blanc chaud d'émission ainsi que d'autres points de couleur blanche. On peut obtenir de la sorte des efficacités lumineuses de 70 lumens par watt et plus au point de couleur blanche souhaité, la dégradation de cette efficacité n'excédant pas ce qui est commerciale- ment admis après plusieurs milliers d'heures de fonctionne- ment de la lampe. On peut de plus remarquer que ce lumino- phore amélioré peut fournir une température de couleur sou- haitée pour un fonctionnement avec une densité de courant de décharge plus élevée par rapport aux luminophores commer- ciaux précédemment utilisés. On connaît des luminophores à base d'oxyde de terre rare activés à l'europium pouvant être mis en oeuvre dans une lampe conforme à l'invention; par exemple, les luminophores décrits dans le brevet des E.U.A. no 3 301 791 présentent un bon rendement quantique même à des températures élevées de l'ordre de 200-3000C ainsi qu'une efficacité lumineuse supérieure lorsqu'ils sont excités par des rayonnements ultraviolets émis par décharge dans de la vapeur de mercure. On trouvera, entre autres, dans le brevet des E.U.A. n0 4 088 923 précédemment mentionné, la description des luminophores pouvant être utilisés pour la mise en oeuvre de l'invention, à base d'aluminate de ma- gnésium et de terre rare activé au cérium et au terbium, qui présentent des caractéristiques de fonctionnement corres- pondantes. Des performances satisfaisantes à température élevée sont des qualités nécessaires pour autant que la lampe fluorescente à densité de courant de décharge élevée fonctionne avec une température d'ampoule relativement éle- vée. On peut représenter par la formule suivante la classe de ces matériaux luminophores recommandés: Ce 1xTbxMgAll019' x se trouvant approximativement dans la gamme 0,2-0,5. Ces luminophores ont tous une structure cristalline hexagonale et sont notamment décrits, avec leur préparation, dans la demande de brevet allemand publiée n 7 214 862. Les luminophores utilisables à base d'oxyde de terre rare activé à l'europium peuvent également être représentés par une formule structurale comme suit: (EuaR (1-a))203' R étant un élément de terre rare choisi entre l'yttrium et le gadolinium, et a se trouvant approximativement dans la gamme 0,02-0,07. Dans un exemple recommandé de réalisation, on obtient un point de couleur d'émission adjacent ou intérieur à l'o- vale "blanc chaud" avec un mélange uniforme d'environ 25-30% d'oxyde d'yttrium activé à l'europium et de 70-75% en poids d'aluminate de magnésium activé au cérium et au terbium, donnant une efficacité de 70 lumens par watt au démarrage des essais dans une lampe sans électrodes de 35W, avec dépas- sement par la suite des spécifications d'efficacité établies pour ce type particulier de lampe. Le procédé de commande de cette structure de lampe, permettant de faire varier le point de couleur blanche d'émission, est décrit en détails dans ce qui suit. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent: figure 1, une vue en coupe longitudinale partielle d'une réalisation recommandée de lampe conforme à l'inven- tion, avec noyau magnétique placé en totalité à l'intérieur de l'ampoule; et 25. figure 2, un diagramme de chromaticité (X,Y) con- forme aux normes de la C.I.E. illustrant les principes de fonctionnement de la lampe conforme à l'invention. On a représenté figure 1 une lampe à champ électri- que sinusoïdal classique, avec un noyau placé en totalité à l'intérieur de l'ampoule contenant le milieu de décharge gazeux. L'ampoule 11, qui est en verre et a sensiblement la forme d'un globe ou d'une goutte d'eau, est formée selon les techniques connues dans ce domaine. Une partie de l'ampoule définit un fond lia que traversent deux tiges-supports métal- liques 15 soudées de manière classique au verre en formant des scellements étanches 16. Un enroulement en matériau élec- triquement conducteur 17, pouvant être isolé avec un tissu en fibre de verre-par exemple, est raccordé entre les tiges- supports métalliques 15 et lié à un noyau magnétique en forme de tore 18 qui est ainsi supporté à l'intérieur de l'ampoule. Dans cet exemple, les extrémités d'enroulement 17a sont orientées de manière que l'axe du noyau 18 soit perpendiculaire au plan des tiges-supports. La configuration de l'enroulement est déterminée par la tension d'entrée de fonctionnement de la lampe. Classiquement, on choisit les enroulements de manière qu'ils fassent un tour sur le noyau par 5 V de tension d'entrée appliquée sur l'enroulement. L'ampoule contient un gaz ionisable 19 qui peut être chimi- quement identique à celui utilisé dans les lampes fluores- centes classiques et peut être constitué par un mélange d'un gaz rare, tel que du krypton et/ou de l'argon, et de vapeur de mercure. La face interne de l'ampoule il et la surface extérieure du noyau 18 sont revêtues d'un matériau constitué par une combinaison 20 de luminophores conforme à l'inven- tion. Lorsque le revêtement fluorescent est stimulé par les rayonnements ultraviolets émis par décharge dans la vapeur de mercure, des rayonnements visibles de couleur légèrement jaune sont émis avec un rendement élevé. De plus, dans cette structure de lampe, le milieu gazeux peut émettre des rayon- nements légèrement bleus constituant environ 25-35% de l'é- mission lumineuse totale dans les lampes de conception cou- rante de 35W. Un puits thermique 21, métallique ou autre, est placé de manière à être en bon contact thermique avec une zone appropriée de l'ampoule 11, de sorte que par réglage de l'en- vironnement thermique de ce puits, on peut régler sa tempé- rature et en faire ainsi le point le plus froid de l'ampoule. Par réglage de la température de ce puits thermique, on peut régler la pression de la vapeur de mercure dans le milieu gazeux 19. En modifiant la température du puits thermique, on peut donc régler le rapport entre l'énergie des rayonnements jaunes émis par le luminophore 20 et l'énergie des rayonne- ments bleus émis directement par décharge visible dans la vapeur de mercure. La source d'énergie électrique haute fréquence 22 est montée à l'extérieur de l'ampoule, de préférence dans l'embase de la lampe, et le noyau 18 est soumis au champ magnétique créé par circulation du courant envoyé dans l'en- roulement 17 par l'intermédiaire des tiges-supports 15. Le noyau induit un courant électrique dans le gaz 19, ce qui ionise ce gaz et provoque l'émission de rayonnements ultra- violets, en premier lieu sur une longueur d'onde de 254 et 185 nm, le luminophore 20 étant ainsi excité et provoquant lui-même l'émission, dans le gaz 19, des rayonnements de mercure sur des longueurs d'onde visibles de 405, 436, 546 et 578 nm. Comme il est caractéristique dans les lampes à décharge classiques, le gaz ionisé présente une charge élec- trique d'impédance négative qui peut détruire une source d'énergie à faible impédance non protégée. Aussi une impé- dance de charge 24 peut-elle être montée, par exemple, en série entre la source d'énergie 22 et une tige-support 15; son impédance positive est suffisante pour compenser l'im- pédance négative du milieu gazeux, et la charge d'impédance positive qu'elle constitue pour la source d'énergie assure un fonctionnement stable. En variante, on peut prévoir des moyens limiteurs de courant dans la source d'énergie 22 pour créer une fonction de compensation de charge active. On trouvera une description plus détaillée d'une telle lampe à champ électrique sinusoïdal dans le brevet des E.U.A. n0 4 017 764 précédemment mentionné. On a mis en évidence les améliorations obtenues en ce qui concerne le comportement à l'émission de la structure de lampe ci-dessus utilisée avec une combinaison de lumino- phores conforme à l'invention; à cette fin, on a construit plusieurs lampes de 35W, et on a comparé les variations du point de couleur d'émission en fonction des variations de la température du point froid en fonctionnement. Ces lampes ont été montées avec un poids moyen de revêtement de lumino- phores de l'ordre de 4 mg par cm2 de zone revêtue, le milieu gazeux étant constitué par du krypton à environ 500 millitorr 2478J74 de pression, avec environ 10 mg de mercure amalgamé à un alliage de bismuth, d'étain et de plomb destiné à abaisser la pression de vapeur de mercure pour une température de point froid donnée, et inséré sous la zone du point froid. La combinaison de luminophores particulière utili- sée lors des essais se composait d'un mélange uniforme de 74 parties en poids d'un premier luminophore répondant à la formule structurale suivante: Ce0 7Tb0,3MgA111 09 et de 26 parties en poids d'un deuxième luminophore répon- dant à la formule structurale suivante: (Eu0 05Y 095)2 3 le mélange étant appliqué de manière usuelle sur la surface intérieure de l'ampoule de la lampe dont le diamètre est de 8,89 cm. On a représenté figure 2 une variation des points de couleur mesurée lors du fonctionnement des lampes essayées, par la méthode connue de la C.I.E. (Commission Internationale de l'Eclairage). La figure 2 représente donc une partie du diagramme de chromaticité C.I.E. y compris la ligne des lieux géomé- triques du corps noir, avec certains ovales de couleur blan- che de définition A.N.S.I. (Institut national américain de normalisation) utilisés comme normes de couleur pour les lampes de type fluorescent, ainsi que certains points de couleur mesurés sur les lampes en essai. On a également inclu- dans ce diagramme les points de couleur pour les deux luminophores utilisés dans ces lampes avec le point de cou- leur des rayonnements visibles émis par de la vapeur demercure, En établissant ces trois derniers points de couleur sur le diagramme de chromaticité de la figure 2, on a défini de plus une relation effective entre ces points qui détermine l'étendue du glissement du point de couleur en fonction de la variation de la température du point froid de la lampe en fonctionnement. Plus précisément, cette relation effec- tive est établie en localisant d'abord le point de couleur sur la ligne de mélange 25 correspondant à la combinaison des luminophores utilisés, puis en formant une seconde ligne de mélange 26 entre ce point de couleur et celui des rayonne- mentsémis par la vapeur de mercure. Le glissement du point de couleur en fonction de la température du point froid se fait sur, ou à proximité de la ligne 26 qui, ainsi qu'on peut le remarquer, se trouve à proximité de tous les ovales de cou- leur blanche utilisés comme normes. On a également porté sur le diagramme quatre points de couleur pour les lampes en essai fonctionnant à des températures de point froid de 280C, 620C, 680C et 830C, respectivement. Il est donc possi- ble, avec la combinaison de luminophores conforme à l'inven- tion, non seulement d'obtenir des points de couleur se si- tuant à l'intérieur d'un ovale de couleur blanc chaud, mais également de déplacer le point de couleur souhaité vers les autres ovales de couleur, sur une large gamme de températures se situant entre environ 26000K et environ 4500'K. On a donc défini une combinaison particulière de deux luminophores qui permet d'obtenir une température de couleur beaucoup plus faible par rapport aux matériaux luminophores classiques utilisés jusque là dans les lampes fluorescentes du type à forte densité de courant de décharge. 2478-74 R E V E N D I C A T I O N S 1. Lampe fluorescente comportant une ampoule (11) transmettant la lumière et pouvant être mise sous vide, cette ampoule étant revêtue d'un matériau fluorescent (20) et con- tenant un milieu gazeux (19) avec de la vapeur de mercure qui peut être excitée par un champ électrique afin d'émet- tre des rayonnements ultraviolets et des rayonnements visi- bles de couleur globale bleue, caractérisée en ce que le matériau fluorescent est fait d'un mélange uniforme d'un premier luminophore à base d'oxyde de terre rare activé à l'europium et d'un second luminophore à bande d'émission principale étroite sur une longueur d'onde moyennesituée dans la-partie verte du spectre entre 525 et 570 nm, cette combinaison de luminophores fournissant une émission compo- site de couleur blanche. 2. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le point de couleur de l'émission de couleur blanche est ajusté par réglage de la pression de vapeur de mercure dans la lampe. 3. Lampe selon la revendication 2, caractérisée en ce que la pression de vapeur de mercure dans la lampe est réglée par la température du point froid de fonctionnement de cette lampe. 4. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'ampoule (11) a la forme d'un globe, le champ élec- trique étant créé par un noyau magnétique (18). 5. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le second luminophore est à base d'aluminate et répond à la formule: Ce 1XTbxMgAll09, x se situant approximativement dans la gamme 0,2-0,5. 6. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le luminophore à base d'oxyde de terre rare répond à la formule: (Eu aR(1-a)2 03 R étant un élément de terre rare choisi entre l'yttrium et le gadolinium, et a se situant approximativement dans la gamme 0,02-0,07. 7. Lampe selon la revendication 5, caractérisée en ce que le mélange uniforme de luminophores comporte en poids 70-75 parties d'aluminate et 25-30 parties d'oxyde de terre rare répondant à la formule: (Euay(1-a))2 0V a se situant approximativement dans la gamme 0,02-0,07. 8. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le point de couleur de l'émission de couleur blanche se situe à l'intérieur d'un ovale de couleur blanc chaud normalisé. "