Brevet FR2482781A1 — publié le 19811120

La présente invention concerne un dispositif à lampe à décharge et elle porte plus particulièrement sur un dispositif à lampe à décharge petit, polyvalent et à rendement élevé qui fournit une puissance lumineuse importante. On trouve dans le commerce divers dispositifs a lampe à décharge pour les applications domestiques et industrielles et ces dispositifs diffèrent naturellement les uns des autres en ee qui concerne les performances, la structure, la forme et les dimensions, _n fon tion de l2utilWsation a laquelle ils sont destinéso Les dispositifs à lalpe soiú conçus, úabriqués, sélectionnés et utilisés de manière a beneéficier de leurs avantages et à réduire au minimum leurs inconvénients plour les applications industrielles9 on utilise généralement le dispositif à lampe en relation avec la production et le traitement industriels de produits comestibles et des considérations économiques s'appliquent donc également à l'utilisation du dispositif à lampe qu'on considère comme faisant partie des moyens de production utilisés Un dispositif à lampe présentant d9excellentes performances pour uneapplication particulière peut ne pas être très souhaitable au point de vue économique. Par exemples il existe dans le commerce des lampes à décharge pour un dispositif de stérilisation qui émettent des rayons dans la gamme comprise entre 200 et 300 nm ayant une bonne efficacité de stérilisationo Les lampes caractéristiques utilisées pour cette application consomment une puissance de quelques dizaines de watts0 Il existe des lampes qui consomment de l'ordre de 200 watts, mais qui nécessitent une longueur de lampe atteignant 2 mètreso Ceci impose l'utilisation de plusieurs dispositifs à lampe dans les applications industrielles pratiques conduisant ainsi à des combinaisons volumineuses de matérielo Plus précisément, si on désire effectuer une stérilisation rapide en utilisant des niveaux élevés de rayons à 200-300 nm avec une consommation de puissance 2 24827_ 1 qui soit iblkilowatt, il est nécessaire d'utiliser une combinaison de cinq grands dispositifs à lampe, ce qui représente certainement un inconvénient lié aux dispositifs de l'art antérieur, du point de vue économique. Il existe un marché important pour les lampes de stérilisation et il semble qu'aient été effectuées récemment des études destinées au perfectionnement et au développement de ces lampes. On ne peut cependant pas dire qu'on ait réalisé un dispositif à lampe à décharge convenant parfaitement aux applications industrielles. Un but principal de l'invention est de réaliser un dispositif à lampe à décharge, petit et à performances élevées, ayant une forme et une structure relativement simples. L'invention a également pour but de réaliser un dispositif à lampe à décharge à mercure à basse pression convenant aux applications industrielles. Une caractéristique fondamentale du dispositif de l'invention consiste en ce que la lampe à décharge contenue dans le dispositif à lampe comprend deux. groupes d'électrodes, chaque groupe consistant en une anode et une cathode qui sont respectivement connectées à la cathode et à l'anode d'un redresseur à semiconducteur, et en ce que la décharge est réalisée alternativement entre l'anode d'un premier groupe et la cathode d'un second groupe et entre l'anode du second groupe et la cathodedu premier groupe, à travers un milieu de décharge. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma explicatif d'un dispositif à lampe à décharge à mercure à basse pression comportant les caractéristiques fondamentales de l'invention La figure 2 est un schéma explicatif d'un circuit de superposition de haute tension qu'on peut ajouter au transformateur du dispositif; La figure 3 est un schéma explicatif d'une partie d'un autre dispositif à lampe à décharge comportant les caractéristiques fondamentales de l'invention La figure 4 est un schéma explicatif montrant la structure des électrodes utilisées; La figure 5 est un schéma explicatif d'un autre dispositif à lampe à décharge comportant les caractéristi- ques fondamentales de l'invention; et Les figures 6A et 6B sont un schéma explicatif d'une partie d'un autre dispositif à lampe à décharge comportant les caractéristiques fondamentales de l'invention. On va maintenant considérer la figure 1 qui est un schéma utile à l'explication d'un dispositif à lampe à décharge à mercure à basse pression comportant les- caractéristiques fondamentales de l'invention. Les référen- ces la, 2a et 3a désignent respectivement une cathode à chauffage direct, une anode et un redresseur à semiconduc- teur appartenant à un premier groupe d'électrodes, et les références lb, 2b et 3b désignent respectivement une cathode à chauffage direct, une anode et un redresseur à semiconduc- teur appartenant à un second groupe d'électrodes. L'anode et la cathode de chaque groupe sont connectées à la cathode 4 et à l'anode 5 du redresseur à semiconducteur. Les anodes - 2a, 2b et les cathodes la, lb sont scellées dans les extrémités 6a et 6b du tube 6. Le tube 6 contient une faible quantité de mercure ou de mercure et d'argon. La référence 7 désigne. une bobine d'arrêt destinée à restreindre la circulation du courant. La référence 8 désigne un transformateur qui comporte des enroulements secondaires 8a, 8b et 8c. Les enroulements secondaires 8a et 8b font respectivement fonction de sources d'alimentation pour les cathodes à chauffage direct la et lb0 L'enroulement secondaire 8c est connecté aux anodes 2a et 2b appartenant respectivement aux premier et second groupes, dans le but de produire une décharge luminescente. L'enroulement primaire 8d du transformateur 8 est connecté à un réseau électrique 9 à 100 ou 200 V4z. La décharge nécessaire s'effectue dans le dispositif à lampe de la manière suivante: Le courant circule dans la direction de la flèche 4 2482731 pendant le premier demi-cycle et dans la direction de la flèche 11 pendant le demi-cycle suivant du courant alternatif. La décharge est maintenue par répétition de cette circulation de courant. Le sens du courant est opposé au sens de la circulation des électrons. La décharge est ainsi réalisée alternativement entre l'anode du premier groupe et la cathode du second groupe et entre l'anode du second groupe et la cathode du premier groupe, à travers le même milieu de décharge. Les avantages fondamentaux du dispositif à lampe à décharge décrit ici sont les suivants: (1) L'anode et la cathode sont habituellement fabriquées sur la base de principesde conception différents. Conformément à l'invention, l'anode et la cathode peuvent être conçues en se basant uniquement sur un principe de conception s'appliquant respectivement à une anode et une cathode, ce qui permet par exemple de réaliser un dispositif à lampe à décharge au mercure à basse pression et à courant élevé. En outre, il devient plus facile de concevoir l'électrode de façon qu'elle ait une longue durée de vie ou une tension d'amorçage faible. (2) La lampe à décharge dans une vapeur métallique avec un arc long conçue selon le type classique à courant continu tend à manifester la présence d'ions métalliques dirigés vers la cathode, ce qui donne une luminescence non uniforme. L'invention supprime un tel défaut de l'appareil de l'art antérieur. Les exemples donnés ci-dessous permettront de comprendre plus clairement ces avantages du dispositif de l'invention. Un tube ayant un diamètre intérieur de 10 mm et une longueur d'arc de 300 mm est réalisé en quartz exempt d'ozone, et on enferme hermétiquement dans ce tube une quantité de mercure faisant apparaître une pression de vapeur de 6 x 10 3 mm de Hg pendant la décharge, ainsi que de l'argon correspondant à une pression de 0,3 mm de Hg. Le dispositif à lampe à décharge obtenu est du type à basse pression et il consommeapproximativement 200 W avec une tension d'environ 59 V et un courant de 4 Ao La cathode est conçue de façon à fournir la meilleure émission d'électrons possible, par l'emploi d'un filament de tungstène revêtu de béryllate de baryum - strontium - calcium (BaSrCa)BeOo L'anode est conçue de façon à etre suffisamment durable et à résister suffisamment aux impulsions de courant d'électrons élevée grace à l.utilisa- tion d'une tige de tungsteneo Ainsi, le dispositif à lampe décharge de l invention présente une longueur reduite qui correspond eanviron à 1/6 de celle du dispositif de type classique, et un rayonnemîent ultra-violet notablement acc u On sait que l'emploi d'une intensité électrique accrue dans une lampe à décharge à mercure à basse pression provoque une augmentation du rayonnement ultraviolets mais aucun des principes de conception classiques n'a permis de réaliser un dispositif à lampe à décharge à mercure à basse pression qui soit petit et présente une longue durée de vie Ceci ressort de facon évidente du fait que toutes les lampes de stérilisation et les lampes fluorescentes à mercure à basse pression qui sont disponibles dans le commerce fonetionnent avec une intensité inférieure à 2 Ao Une comparaison du dispositif à lampeAà décharge a mercure à basse pression de l'invention et d9une lampe de stérilisation classique de 200 Y, en considérant une longueur d'arc de 1 cm à 253,7 nm, montre que le dispositif de l'invention procure une intensité démission plusieurs dizaines de fois supérieure à celle de la lampe classique et qu'il présente au point de vue économique dans les applications industrielles, une supériorité qui est pratiquement au-delà de toute comparaison Comme l'exemple décrit ci-dessus permet de le comprendre, le dispositif à lampe à décharge à mercure à basse pression de l'invention offre, entre autres, les avantages supplémentaires suivants: (3) On peut obtenir facilement un dispositif petit et à longue durée de vie capable de fonctionner à plusieurs dizaines d'ampères. (4) On peut obtenir un dispositif à lampe à décharge puissant pour la production d'ozone en utilisant un tube réalisé en verre au quartz qui offre une bonne transparence aux rayons à 184,9 nm. (5) On peut obtenir un dispositif à lampe à décharge puissant, ne produisant pas d'ozoneen utilisant un tube réalisé en verre au quartz exempt deoz-one ou en verre dur pour lampe à stérilisation. Le verre au quartz exempt d'ozone et le verre pour lampe de stérilisation sont tous disponibles dans le commerce et de nombreux articles -et documents techniques indiquent leurs caractéristiques de transmission spectrale. En plus des matières mentionnées ci-dessus, on peut utiliser pour le tube des céramiques transmettant la lumière, comme de l'alumine polycristalline, de la marque "Lucalox"- On peut commander la pression de vapeur de mercure pendant la décharge luminescente en agissant sur la quantité de mercure enfermé dans le tube au cours de la fabrication de la lampe à décharge, ou en maintenant à une température prédéterminée le réservoir de mercure qui peut être fixé à l'ampoule. La cathode chaude utilisée peut 9tre du type à chauffage indirect. Tous ces éléments sont connus et traités dans la littérature technique. On peut utiliser un dispositif à lampe fluorescente produisant une luminescence intense, dont le tube est revêtu d'une matière fluorescente, de façon interne ou externe. Le dispositif à lampe à décharge à mercure à basse pression ne présente pas d'aussi bonnes caractéristi- ques de démarrage que le dispositif classique, mais on peut supprimer cet inconvénient en employant une technique classique. Le dispositif de l'invention nécessite une tension élevée de 600 - 800 V au démarrage. Le transfor- mateur 8 peut être conçu de façon à satisfaire les exigences de puissance, de courant et de tension pour le fonctionnement normal, et un circuit de superposition de haute tension, représenté sur la figure 2, peut être 24re2731 ajouté à l'enroulement secondaire 8c du transformateur0 Le circuit ajouté est conçu de façon que son interrupteur SW ne soit fermé qu'au démarrage du dispositif. Le démarrage du dispositif à lampe à décharge peut être réalisé par exemple au moyen d'une électrode d'amorçage fixée à proximité immédiate de la surface externe du tubecomme dans le cas de la lampe éclair à décharge classique0 Lorsqu'on utilise une telle électrode d'amorçage avec le dispositif décrit ci-dessus, on constate que la tension d'amorçage nécessaire est de 5 à 10 kV. On peut utiliser une technique de démarrage classique. Sur la figure 2, la référence 12 désigne un transformateur destiné à produire une haute tension, la référence 13 désigne un condensateur, la référence 14 désigne une alimentation, la référence 15 désigne une résistance et la référence 28 désigne un éclateur à haute tension. La figure 3 représente une partie d'un autre dispositif à lampe à décharge comportant les caractéris- tiques fondamentales de l'invention, dans lequel l'anode et la cathode sont placées l'une près de l'autre, de façon que lorsque la température de l'anode augmente pendant la décharge luminescente, la cathode soit suffisamment échauffée par rayonnement de chaleur à partir de l'anode pour présenter une émission thermo- ionique. Sur la figure 3, les références 16a, 17a, i8a et 19a désignent respectivement une alimentation continue, un premier interrupteur, un second interrupteur et une résistance d'un premier groupe, et les références 16b, 17b, 18b et 19b désignent les éléments correspondants d'un second groupe. Au démarrage du dispositif avec le premier interrupteur fermé et le second interrupteur ouvert, la décharge en continu peut avoir lieu entre l'anode et la cathode de chaque groupe, ceci étant suivi par l'ouverture du premier interrupteur et la fermeture du second, lorsque la cathode est suffisamment chauffée La décharge est maintenue de la même manière que sur 8 2482731 la figure 1 pendant la luminescence. L'exemple représenté sur la figure 3 présente les avantages suivants: (6) Malgré l'utilisation de la tension d'amorçage au démarrage, en association avec le circuit de superposition de haute tension qui est ajouté, la tension nécessaire est relativement faible. (7) Les électrodes et les parties du tube dans lesquelles elles sont scellées sont fabriquées avec une structure simple, ce qui facilite leur conception et leur fabrication. La figure 4 est un schéma explicatif montrant la structure d'électrodes convenant pour l'exemple qui est représenté sur la figure 3. Sur la figure 4, l'anode 2a consiste en un fil de tungstène bobiné à spires serrées de façon à avoir la forme d'un cylindre creux dans lequel est placée la cathode -la. Deux lames minces de métal, 21, constituant un conducteur intermédiaire, sont noyées dans l'extrémité 20 du tube 6 dans laquelle est scellée une extrémité de chaque électrode. Si le tube est conçu de façon que la distance t entre la cathode la et l'anode 2a soit d'environ 1 mm et de façon que le milieu de décharge contienne de l'argon sous une pression de plusieurs millimètres de mercure, la tension-fournie par l'alimentation continue 16a peut ne pas dépasser quelques dizaines de volts. La tension continue nécessaire peut évidemment être obtenue par redressement à partir du réseau alternatif On considère que les descriptions qui précèdent permettent de bien comprendre l'invention, mais il est possible de réaliser diverses formes supplémentaires du dispositif, en association avec d'autres techniques classiques.Par exemple, le tube lui-même est conçu de façon que la vapeur de mercure à basse pression donne une pression de 1 mm de Hg ou moins pendant la décharge luminescente, la lampe fonctionnant à 2 A ou davantage, et l'intensité d'émission résultante à 253, 7 nm est plusieurs fcis supérieure à celle d'une lampe à mercure 9 2482731 classique ayant une pression similaire de 1 mm de Hg ou moins pendant la luminescenceo Ainsi, dans la conception d'un dispositif à lampe au mercure à basse pression, le choix de vapeur de mercure avec une pression de 1 mm de Hg ou moins en tant que milieu de décharge apporte immédiates ment des avantages pratiques au dispositifo On peut ajouter de l'argon dans des proportions de traces en fonction des besoinso On -a maintenant décrir deux applirations do supplémen-taires de linvention en consi érant le figures et 6o Sur la figure 5v le tube 6 est placé dans un tube extérieur 23 qui est supporté par un support 22 Le tube extérieur 23 comporte à chacune de ses extrémités une embase 24. à laquelle sont fixées des broches de coinexion 250 Les broches de connexion 25 sont connectées à l'anode et à la cathode dans le tube 6o Dans l'exemple représenté, le dispositif à lampe à décharge est du type dit à "double tube" et le tube 6 est habituellement appelé "tube intérieure, par opposition au tube extérieur 23o Les dispositifs à lampe à décharge classiques du type à "2double tube" sont bien connus dans le domaine du matériel correspondant aux lampes d2éclairage fluorescentes au mercure à haute pression et aux lampes au sodium à basse pression. Certaines des techniques utilisées dans ce matériel classique peuvent être appliquées au dispositif à lampe à décharge de la figure 5, (8) Le tube extérieur peut être revêtu en totalité ou en partie avec une matière fluorescente de façon à permettre l'emploi de ce dispositif en tant que dispositif à lampe fluorescente. (9) Une partie du tube extérieur peut être conçue de façon à faire fonction de réflecteur intensifiant le rayonnement lumineux dans une direction désirée afin d'améliorer l'efficacité de la lumière produite. (10) La surface du tube intérieur ou extérieur peut être revêtue d'une matière fluorescente en bandes 2482731 ou en points de façon à permettre l'utilisation du dispositif pour des usages décoratifs ou des usages multiples. Il existe dans le commerce certaines matières fluorescentes qui produisent une luminescence verte, orange et d'autres couleurs.- Les figures 6A et 6B montrent un autre exemple du dispositif dans lequel des écrans 26a et 26b sont fixés au dessus du tube 6, aux embases 24 fixées aux deux extrémités du tube 6. La figure 6A est une vue de 0 côté avec les écrans représentés en coupe, d'une partie du dispositif vue dans une direction perpendiculaire à la direction longitudinale du tube 6. La figure 6B est une vue en bout de la partie du dispositif qu'on voit depuis l'extrémité du tube 6 à laquelle l'écran 26b est fixé au moyen d'un support 27. Dans cet exemple, le tube 6 est constitué par une partie en quartz exempt d'ozone, 6a, raccordée par un joint progressif 6c à une partie en quartz ordinaire 6b. Le dispositif qui est représenté par cet exemple comporte de nombreuses applications à usages multiples. (11) Ce dispositif est efficace pour stériliser ainsi que pour désodoriser au moyen d'ozone. Si une matière fluorescente est appliquée sur l'écran 26a, le dispositif combine également la fonction d'éclairage. (12) Lorsque les écrans 26a et 26b sont conçus de façon à constituer des réflecteurs efficaces pour les rayons ultraviolets ou visibles, et lorsque seul le tube à quartz exempt d'ozone 6a est revêtu de la matière fluorescente, le dispositif convient pour l'éclairage comme pour la suppression des odeurso Si au contraire le tube à quartz 6b est revêtu d'une matière fluorescente, le dispositif convient à la stérilisation et à l'éclairage. On peut ainsi réaliser diverses applications à usages multiples. (13) On peut employer divers agencements pour réaliser des applications à usages multiples pour le dispositif décrit ci-dessus en (12). Par exemple, l'ensemble du tube 6 peut être constitué par une matière 2L82731 et les écrans 26a, 26b peuvent être conçus de façon à posséder la propriété d'interrompre les rayons émis dans une direction particulière. En outre, n'importe quelle matière fluorescente appropriée peut être appliquée sur n'importe quelle région particulière de l'écran et/ou du tube, en fonction de l'utilisation à laquelle le dispositif est destiné. Comme on vient de le décrire, l'invention offre un dispositif à lampe à décharge entièrement nouveau, utile non seulement pour les applications industrielles mais également pour-les applications domestiques dans lesquelles on utilise un milieu de décharge d'un type différent de celui correspondant aux utilisations industrielles. Les performances, la structure, la forme et les dimensions du dispositif peuvent 9tre modifiées en fonction de l'application prévue. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif à lampe à décharge comportant un tube, caractérisé en ce que deux groupes d'électrodes sont placés dans le tube, chaque groupe consistant en une anode et une cathode, et l'anode et la cathode d'un premier groupe sont respectivement connectées à la cathode et à l'anode d'un premier redresseur à semiconducteur tandis que l'anode et la cathode d'un second groupe sont respectivement connectées à la cathode et à l'anode d'un second redresseur à semiconducteur; et du mercure, au moins, est introduit dansle tube, en tant que milieu de décharge, en une quantité nécessaire pour produire une pression inférieure ou égale à 1 mm de Hg pendant la décharge luminescente, la décharge étant effectuée alternativement entre l'anode du premier groupe et la cathode du second groupe et entre l'anode du second groupe et la cathode du premier groupe, à travers le milieu de décharge contenu dans le tube. 2. Dispositif à lampe à décharge selon la revendication 1, comportant un tube, caractérisé en ce que deux groupes d'électrodes sont placés dans le tube, chaque groupe consistant en une anode et une cathode, l'anode d'un premier groupe est connectée à la cathode d'un premier redresseur à semiconducteur et à la borne positive d'une première source d'alimentation continue, la cathode du premier groupe est connectée à l'anode du premier redresseur à semiconducteur et à la borne négative de la première source d'alimentation continue, l'anode du second groupe est connectée à la cathode d'un second redresseur à semiconducteur et à la borne positive d'une seconde source d'alimentation continue, et la cathode du second groupe est connectée à l'anode du second redresseur à semiconducteur et à la. borne négative de la seconde source d'alimentation continue, la décharge étant effectuée alternativement entre l'anode du premier groupe et la cathode du second groupe et entre l'anode du second groupe et la cathode du premier groupe, à travers le milieu de décharge contenu dans le tube. 3. Dispositif à lampe à décharge selon la revendication 1, comprenant un tube intérieur, caracté- risé en ce que deux groupes d'électrodes sont placés dans le tube intérieur, chaque groupe consistant en une anode et une cathode l'anode et la cathode d'un premier groupe sont respectivement connectées à la cathode et à l'anode d'un premier redresseur a semiconducteur et l'anode et la cathode d-un se: -d groupe sont respectivement connectées à la tithode et à l'anode deun second redresseur à semiconducteur 7 le tube intérieur est enfermé dans un tube extérieur, ce qui forme une structure à double tube et la décharge sîeffectue alternativement entre l'anode du premier groupe et la cathode du second groupe et entre l'anode du second groupe et la cathode du premier groupe, à travers le milieu de décharge qui est contenu dans le tube intérieur. 4. Dispositif à lampe à décharge selon la revendication 1, caractérise en ce qu'un réservoir de mercure est ajouté au tubeo o Dispositif à lampe à décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube est revêtu d'une matière fluorescente sur la surface interne ou externe. 6. Dispositif à lampe à décharge selon la revendication 1, caractérise en ce que le tube est constitué par une matière choisie dans le groupe comprenant le verre au quartz, le verre au quartz exempt d'ozone, le verre dur pour lampe de stérilisation, la céramique transparente ou une combinaison de ces matières 7. Dispositif à lampe à décharge selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube extérieur est revêtu en totalité ou en partie d'une matière fluorescente. 8. Dispositif à lampe à décharge selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une partie du 1 4 tube extérieur fait fonction de réflecteur. 9oDispositif à lampe à décharge selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube intérieur ou extérieur est revêtu en surface d'une matière fluorescente en bandes ou en points. 10. Dispositif à lampe à décharge selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une électrode d'amorçage est ajoutée à proximité immédiate de la surface externe du tube. Dispositif à lampe à décharge selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un circuit de superposition de haute tension est ajouté au circuit dans lequel sont branchées l'anode et la cathode entre lesquelles la décharge a lieu.