Brevet FR2498012A1 — publié le 19820716

La présente invention concerne une réceptacle de décharge pour lampes de sodium à haute pression, dont l'ampoule est réa- lisée en une matière transparente (par exemple de l'oxyde d'aluminium). Les extrémités du tube sont obturées hermétique- ment, sans utilisation d'un tube d'aspiration, par deux élé- ments obturateurs qui sont de préférence des tampons réalisés en céramique. Des conducteurs électriques sont engagés hermé- tiquement dans le tube et ils sont chacun reliés à une élec- trode, de préférence à l'aide d'une broche. Dans le volume intérieur du tube ainsi fermé, il est prévu un remplissage constitué par un gaz rare et des additifs métalliques - de préférence du sodium, du mercure et/ou de cadmium. Le réceptacle de décharge conforme à l'invention peut être utilisé dans des applications d'éclairage de différentes natures. Ce réceptacle de décharge constitue un composant de lampes à vapeur de sodium à haute pression d'un rendement élevé. Grâce à l'invention, on est assuré d'une longue durée de service des lampes à vapeur de sodium à haute pression également dans le cas d'une préparation et d'une technologie de fabrication pas tout à fait précise, l'invention permettant également de garantir l'uniformité et la stabilité des para- mètres de la lampe. Lors de la fabrication de réceptacles de décharge de lampes à vapeur de sodium à haute pression, les extrémités du tube sont fermées hermétiquement par des tampons transpa- rents ou translucides, qui constituent les éléments obturateurs. Dans le tampon, on encastre de façon étanche au gaz des conduc- teurs électriques qui sont reliés à des électrodes placées dans la cavité interne du tube. Le matériau de base du tube est de 2 2498012 l'oxyde d'aluminium et une partie du tampon obturateur peut également être fabriquée en oxyde d'aluminium et elle peut aussi contenir des parties métalliques. Les composants en oxyde d'aluminium sont liés entre eux et aux composants mé- talliques des conducteurs électriques d'alimentation par une fritte de verre d'un point de fusion élevé, qui assure également l'obturation hermétique. A l'intérieur du tube, on dispose une charge de remplissage, qui contient un gaz rare et des additifs métalliques correspondants, en parti- culier, du sodium, du mercure et/ou du cadmium. Lors de la mise en service de lampes à vapeur de sodium à haute pression qui comportent un réceptacle de décharge gazeuse, il se produit entre les électrodes, sous l'action d'une tension correspondante engendrée dans le gaz rare, un effet de percement ou claquage qui fait en sorte que la tension d'alimentation et l'élément formant ballast (dans le cas le plus simple une self-série) produisent dans la lampe un arc électrique de décharge. Sous l'action de cet arc électrique de décharge, la pression de vapeur des additifs métalliques existant dans le réceptacle de décharge (par exemple du sodium, du mercure et/ou du cadmium) augmente et la tension de percement est également augmentée. Ce processus se poursuit jusqu'à l'établissement d'un état stationnaire. dans cette condition, les additifs métalliques sont déjà liquéfiés. Leur pression gazeuse, qui est de l'ordre de grandeur de 105 Pa, est déterminée par le choix de la composition des additifs métalliques placés dans-le réceptacle de décharge. Pour des valeurs- prédéterminées de la géométrie du réceptacle de décharge (température ambiante, circuit de DC courant d'excitation et tension d'alimentation), les paramètres 3 2498012 électriques et optiques de la décharge sont principalement définis par les valeurs de pression des additifs métalliques. Lors de la fabrication de réceptacles de décharge de lampes à vapeur de sodium à haute pression, on utilise deux méthodes différentes pour introduire la charge de remplissage dans la lampe et pour réaliser l'obturation du tube. Lors de la fabrication d'un réceptacle de décharge sans tube d'aspiration, conformément au brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3 243 635 et au brevet de Grande Bretagne No. l 065 023, on fabrique un produit intermédiaire dans lequel il est prévu, entre le volume intérieur du réceptacle de décharge et la zone environnante, un tube débouchant dans le tampon obturateur, comportant une paroi mince en métal et dont le coefficient de dilatation thermique est proche de celui de l'oxyde d'aluminium (et qui est fabriqué dans la plupart des cas en niobium ou en alliage de niobium), le tube d'aspiration précité assurant la liaison. Le réceptacle de décharge est perforé par le tube d'aspiration, et ensuite, la charge de remplissage nécessaire est introduite. On effectue ensuite l'obturation hermétique de la partie extérieure du tube d'aspiration. Dans un réceptacle de décharge agencé de cette manière, la tubulure d'aspiration, c'est-à-dire la partie d'alimentation en courant, constitue le point froid, c'est-à-dire la zone du réceptacle de décharge qui est soumise à la plus basse température. Les additifs métalliques s'accumulent en cours de marche dans cette zone. La fabrication de réceptacles de décharge comportant un tube d'aspiration est relativement coteuse. 4 2498012 Un autre inconvénient consiste en ce qu'on doit utiliser des dispositifs compliqués, de sorte que l'utilisation du tube d'aspiration rend plus difficile l'établissement des conditions initiales d'une fabrication en série. Pour simplifier la fabrication de ces lampes, on a mis au point des réceptacles de décharge ne comportant pas de tube d'aspiration et dans lesquels l'introduction de la charge de remplissage et l'obturation hermétique de la lampe sont ef- fectués par un procédé différant de celui indiqué ci-dessus. L'une des extrémités du tube-enveloppe est pourvue d'une partie d'introduction de courant qui est obturée hermétiquement par le tampon obturateur, et ensuite le réceptacle de décharge pré-conditionné de cette manière est tourné vers le bas par son extrémité fermée. Ensuite, on introduit dans le tube- enveloppe les additifs métalliques, et on met en place à partir du haut les éléments formant l'obturation. Ensuite, on répartit un matériau ayant la nature d'une fritte de verre en quantité et suivant une disposition telle que ce matériau puisse fluer après fusion dans l'intervalle encore ouvert. Ensuite, on chauffe l'ensemble décrit ci-dessus - en effec- tuant éventuellement un chauffage simultané de plusieurs ensembles - dans une chambre correspondante à son extrémité supérieure, l'extrémité inférieure déjà fermée (o se rassem- blent les additifs métalliques- par effet de gravité) étant maintenue à une température suffisamment basse pour que la pression de vapeur des additifs métalliques soit encore négligeable. Dans la chambre, on établit d'abord un vide, puis on crée une atmosphère se composant d'un gaz rare et correspondant à celle qui doit ultérieurement être créée dans 2498012 le réceptacle de décharge. Pour que l'extrémité supérieure du réceptacle de décharge ne soit pas encore hermétiquement fermée, on fait en sorte que la pression de gaz et la composition cor- respondent à ce qui existe dans lachambre. Ensuite, on règle la température à une valeur suffisamment élevée pour que la fritte de verre assure l'obturation des intervalles lors de sa fusion. Ensuite, la température diminue et l'extrémité supérieure du réceptacle de décharge est hermétiquement obturée. Le volume de gaz existant dans le réceptacle de décharge peut être réglé par la pression établie dans la chambre. On connait de nombreux types de systèmes ne comportant pas de tubes d'aspiration et qui diffèrent les uns des autres principalement en ce qui concerne la nature et le type d'agen- cement de l'alimentation en courant. Ainsi, dans le brevet allemand No. l 639 096. on a décrit un mode de réalisation dans lequel on utilise un tube de niobium fermé à son ex- trémité intérieure. Dans le brevet hongrois HU No. 159 714, on dépose sur la surface d'un tampon en céramique une couche métallique qui est, le cas échéant, constituée de plusieurs fils de niobium branchés électriquement en parallèle les uns avec les autres, ou bien on utilise un seul fil de niobium qui est disposé coaxialement par rapport au tube à décharge. Une caractéristique commune des solutions sans tube d'aspiration consiste en ce que le point froid déjà cité, et en correspondance en cours de marche la zone de fusion des additifs métalliques, sont placés sur la paroi du réceptacle de décharge, c'est-à-dire généralement en un endroit qui est recouvert par de la fritte de verre après obturation. 6 2498012 D'après l'expérience, les solutions qui ne font pas inter- venir un tube d'aspiration permettent une production simple, correcte et économique de sorte qu'elles ont été adoptées dans une large mesure. Cependant, au cas o les matériaux utilisés, la préparation et la fabrication ne sont pas soumis à un contrôle extrêmement serré, il peut arriver, le cas échéant, que la dispersion initiale des paramètres électriques et optiques des lampes (sans tube d'aspiration) et également leur paramètre de stabilité augmentent de telle sorte que le pourcentage de lampes dont la durée de service est considérablement raccourcie par rapport à la valeur moyenne augmente dans des proportions indésirables. Le point de départ de la présente invention a été basé sur l'hypothèse que les phénomènes indésirables mentionnés ci-dessus et intervenant dans des systèmes sans tube d'aspi- ration sont en relation avec les caractéristiques de construction des lampes, dans le sens qu'elles dépendent de la position du point froid et de la position de la zone fondue dans des cas o des processus de deux tubes différents peuvent également jouer un rôle. L'un des processus dérive du fait que la fritte de verre et la zone de métal en fusion peuvent entrer directement en contact l'une avec l'autre. Il est bien connu que la fritte de verre utilisée dans ce but est fortement hydroscopique et possède un caractère basique, de sorte qu'elle est très sensible à l'humidité, au gaz carbonique et, en cours de fabrication, à des impuretés-. Il en résulte que la capacité de résistance de la fritte de verre par rapport au sodium 7 2498012 peut être fortement réduite également par une très faible teneur en impuretés et que cette diminution de la capacité de résistance par rapport au sodium - qui existe dans la zone fondue-- a une plus grande importance que la même réduction de résistance par rapport au sodium dans la phase vapeur. A cause de la réaction chimique se produisant entre la fritte de verre et le sodium, la composition de la zone fondue et les propriétés de la fritte de verre varient, notamment l'aptitude de la transmission de la lumière, la résistance, l'allongement thermique, etc. Tous ces facteurs ont une influence fondamentale sur les propriétés du réceptacle de décharge, et par conséquent sur les paramètres des lampes. Lors processus résulte des propriétés de construction des systèmes réalisés sans tube d'aspiration, pour la raison que, par comparaison aux systèmes qui sont équipés d'un tube d'aspiration, le thermocontact entre le point froid et l'élec- trode placée à proximité est relativement faible, de sorte que la conduction de chaleur est également réduite. Dans les systèmes à tube d'aspiration, la température du point froid pour une géométrie donnée de la structure et dans le cas de conditions extérieures correspondant à une convection de chaleur - est déterminée en premier lieu par la température de l'électrode, qui dépend essentiellement des paramètres concernant la décharge d'arc électrique (répartition de température et allongement). Dans le cas d'une variation, par exemple lorsque l'énergie de sortie d'électrode augmente, la répartition de température et l'allongement de l'arc électrique pour obtenir l'émission 2 2498012 électronique nécessaire à la décharge lumineuse doivent éga- lement augmenter, de sorte que le faisceau ionique émis par la cathode est automatiquement également augmenté. La conséquence obligatoire de ce phénomène consiste dans l'augmentation de température du point froid, et par consé- quent de la pression gazeuse des additifs métalliques. L'augmentation de la pression de vapeur a pour conséquence que la tension de claquage du tube à décharge devient également plus grande (la caractéristique de décharge d'arc est décalée). La tension d'alimentation - qui est constante - est plus répartie vers le réceptacle de décharge et moins vers le circuit de courant de ballast et, pour cette raison, bien que la puissance consommée soit augmentée, le courant fourni à la décharge diminue; il se produit ainsi un couplage négatif de réaction qui s'affaiblit par lui-même. Ce couplage de réaction intervient également dans des systèmes sans tube d'aspiration mais - à cause de la diminution du thermocontact entre l'électrode et le point froid - seulement à un faible degré. Un autre couplage de réaction intervient cependant dans une plus forte proportion, à savoir la dépendance de la température du point froid par rapport à la température de plasma car, dans de tels systèmes, le point froid a en point de mire la décharge et l'énergie produite par cette dernière échauffe directement la surface de la zone de fusion des additifs métalliques. Lorsqu'on fait en sorte que l'énergie de sortie de l'électrode augmente ou bien que la tension de claquage du tube à décharge soit augmentée pour une autre raison, l'énergie absorbée et en correspondance l'énergie rayonnée par le plasma augmentent, de sorte que la pression de vapeur de la zone de fusion est augmentée 9 2498012 - à cause de la transmission d'énergie par rayonnement entre le plasma et la surface de la zone de fusion d'additifs métalliques - de sorte que la tension de claquage devient également supérieure. On se rend compte facilement que ce processus constitue à proprement parler un couplage de réaction positif. La relation entre les couplages de réaction de deux natures - négative et positive - dépend - en tenant compte de la température de la zone de fusion des additifs métalliques - du degré d'influence de la température de l'électrode ou du plasma. Le processus de couplage de réaction positif peut avoir une influence particulièrement grande dans les systèmes sans tube d'aspiration comportant une injection de courant par fil de niobium car, dans de tels systèmes, le contact thermique entre les électrodes et le point froid est particulièrement bas. Il est évident que l'instabilité qui se manifeste dans le réceptacle de décharge devient de plus en plus grande en correspondance au couplage de réaction positif. L'invention a en conséquence pour but de fournir un réceptacle de décharge utilisable avec des lampes à vapeur de sodium à haute pression et dont la fonction est d'éliminer les inconvénients précités pour des types de lampes compor- tant des réceptacles de décharge sans tube d'aspiration. La présente invention concerne un réceptacle de décharge dont l'ampoule est réalisée à partir d'un tube transparent. Les extrémités du tube sont obturées hermétiquement sans utilisation d'un tube d'aspiration à l'aide de deux éléments obturateurs formés par des tampons réalisés en céramique; 2498012 un fil d'alimentation en courant est fixé dans le tube par obturation hermétique de celui-ci, ce fil d'alimentation en courant est relié avantageusement à une électrode pouvant être connectée à l'aide d'une broche, et il est prévu dans le volume intérieur du tube fermé un remplissage contenant un gaz rare et des additifs métalliques, de préférence du sodium, du mercure et/ou du cadmium. Dans le cadre de la présente invention, il est prévu au moins dans un tampon obturateur un évidement relié au volume intérieur du tube fermé et formant dans la condition de fonctionnement le O point le plus froid de la surface de délimitation du volume intérieur u réceptacle de décharge, Le volume dudit évidement étant supérieur ou égal au volume des additifs métalliques à l'état fondu. Avec une telle solution, la paroi de l'évidement du tambour obturateur correspondant constitue la zone à plus basse température du réceptacle de décharge, de sorte que les conditions de marche, ainsi que les paramètres du récep- tacle de décharge peuvent être réglés d'une manière plus stable et meilleure, l'évidement peut avantageusement avoir la forme d'un cylindre et/ou la forme d'un évidement annu- laire ou d'un trou borgne, qui est disposé symétriquement par rapport à l'axe du tube et, le cas échéant, symétriquement par rapport au conducteur d'alimentation en courant. Entre l'évidement et l'intérieur du tube, on peut également prévoir une liaison se présentant sous la forme d'orifices capillaires, par exemple dans le cas o l'inter- valle existant entre la broche d'électrode, qui pénètre dans l'évidement, et le tampon obturateur est utilisé. il 2498012 D'autresavantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels:- la Fig. l représente en coupe l'une des extrémités du réceptacle de décharge conforme à l'invention; la Fig. 2 représente en coupe l'extrémité du réceptacle de décharge correspondant à un autre exemple de réalisation de l'invention; la Fig. 3 représente en coupe une extrémité d'un autre exemple de réalisation du réceptacle de décharge selon l'invention, o un orifice capillaire de transition est formé entre l'évidement et le volume intérieur du réceptacle de décharge. La Fig. l représente une extrémité du réceptacle de décharge selon l'invention, en vue en coupe schématique, un conducteur d'alimentation en courant associé à l'élec- trode 8 étant disposé dansun tube l hermétiquement fermé. Le conducteur d'alimentation en courant est disposé essen- tiellement coaxialement par rapport à l'axe longitudinal du réceptacle de décharge et l'électrode 8 est reliée à une broche 10 par un joint soudé 12 à angle obtus. Le conducteur d'alimentation en courant est un fil l1 réalisé en niobium et qui est traversé par un tampon obturateur 2 utilisé comme élément de fermeture. Entre le fil il et le tampon obturateur 2, il est prévu une liaison à hermiticité permanente qui est constituée par une masse de brasure vitrifiée formée par de la fritte de verre fondue. 12 2498012 Dans le tampon obturateur, il est prévu un évidement 9 de forme partiellement annulaire et partiellement cylindrique qui est orienté symétriquement par rapport au fil 11, conformément à la présente invention, ledit évidement étant profilé et ayant un volume tel qu'il puisse recevoir le volume d'additifs métalliques se trouvant dans la condition de fusion. La répartition des parties cylindrique et annu- laire de l'évidement 9 dépend de l'éloignement des surfaces 14, 15 le long de l'axe du réceptacle de décharge car, pour l'établissement de la liaison hermétique et solide, la zone de la brasure vitrifiée 13 13 doit avoir une longueur minimale. La liaison hermétique et solide établie entre le tampon obturateur 2 et le tube 1 est créée d'une manière connue par une brasure vitrifiée 5. La Fig. 2 représente un mode de réalisation d'une ex- trémité du réceptacle de décharge conforme à l'invention, o le conducteur d'alimentation passe dans deux trous 6, 6', qui sont ménagés au travers du tampon obturateur 2 et dont l'étanchéité hermétique est assurée à l'aide d'une brasure vitrifiée, les tronçons de fil 3, 4 étant réunis extérieure- ment par torsion. Ces tronçons de fil 3, 4 sont constitués, en vue d'améliorer leur capacité de déformation, par des fils d'un alliage de niobium contenant 1% de zirconium. Du point de vue électrique, les- tronçons de fil 3, 4 sont branchés parallèlement entre eux. Le fil de niobium est relié au conducteur dtalimentation en courant 7 par un joint soudé assurant la liaison avec la broche 10 de l'électrode 8. La liaison hermétique entre le tampon obturateur 2 et le tube 1 formé de céramique-oxyde d'aluminium est également assuré -13 2498012 dans ce cas par une brasure vitrifiée. L'évidement 9 conforme à l'invention se présente également, dans cet exemple de réalisation, sous la forme d'un trou cylindrique ménagé dans le tampon obturateur 2 dans la direction de l'axe longitudinal du réceptacle de décharge. Si l'évidement 9 n'existait pas, l'additif métallique, qui se trouve à l'état fondu pendant la marche de la lampe, se placerait, d'après les expériences de l'inventeur, dans la zone du bord intérieur du tampon obturateur, c'est-àdire à l'endroit o celui-ci est en contact avec le tube 1. Cette zone est, d'une part, recouverte de la fritte de verre et, d'autre part, elle est soumise à la température produite par le plasma. La température régnant dans l'évidement du tampon obturateur 2 est, conformément à la présente invention, plus basse que la température de la zone citée en premier, de sorte que le point froid peut se placer dans cet évidement et les additifs métalliques peuvent se condenser dans celui-ci. Le volume de l'évidement 9 doit être dimensionné de manière qu'il soit toujours supérieur au volume de la masse liquéfiée d'additifs métalliques se trouvant dans le réceptacle de décharge, de sorte que l'évidement 9 peut toujours recevoir la totalité du volume d'additifs se trouvant dans la phase fondue. Dans l'évidement 9, la masse en fusion n'est pas en contact avec la fritte de verre et elle est totalement protégée du rayonnement thermique du plasma. Un autre mode de réalisation particulièrement avantageux de la présente invention a été représenté sur la Fig. 3. La structure indiquée sur cette Fig. 3 est presque identique à celle de la Fig. 2, à la différence que, dans ce cas, la broche 10 de l'électrode 8 pénètre d'un faible degré dans l'évidement 9 en forme d'alvéole, de sorte que l'intervalle d'adaptation existant entre la paroi cylindrique de l'évidement 9 et la broche 10 établit une ouverture capillaire de jonction entre l'évidement 9 et le volume intérieur du réceptacle de décharge. Cet agencement permet d'obtenir, d'une manière simple et particulièrement avantageuse, une grande ouverture de transition de quelques centièmes de millimètre. Avec ce mode de réalisation, on crée entre l'électrode 8 et le point froid d'une part, un thermocontact amélioré et, d'autre part, cette ouverture capillaire est efficace pour la raison qu'elle permet exclusivement un passage de vapeurs, c'est-à- dire que les forces capillaires ne permettent pas encore aux matières d'addition se trouvant dans la phase fondue de sortir de l'évidement 9 quand le réceptacle de décharge est orienté verticalement en cours de marche et quand l'évidement 9 est ménagé dans l'élément assurant l'obturation de l'extrémité supérieure du réceptacle. Il est ainsi possible que les lampes qui sont munies du réceptacle de décharge agencé conformément à la présente invention puissent fonctionner dans n'importe quelle position, et également dans le cas o l'élément obturateur pourvu de l'évidement 9 est prévu seulement dans une extrémité du réceptacle de décharge. Les électrodes 8 du réceptacle de décharge selon l'inven- tion sont réalisées généralement en tungstène (le cas échéant, en tungstène contenant de l'oxyde de thorium) et elles sont avantageusement pourvues d'une couche émissive. Leur structure est classique et, pour cette raison, elles n'ont été représentées que schématiquement sur les dessins. Bien qu'il puisse exister des documents techniques o on précise que l'agencement du point froid dans l'élément obturateur 2498012 en céramique, conformément à la présente invention, peut effectivement être la cause des influences perturbatrices des processus précités, les essais effectués par l'inventeur ont confirmé le fait que, lors de l'utilisation du réceptacle de décharge conforme à l'invention, la dispersion relative des tensions initiales de génération de décharge a été diminuée environ de moitié et on n'a trouvé aucune lampe dont la durée de service était plus courte que la durée moyenne desdites lampes. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. La solution conforme à l'invention peut évidemment être appliquée à n'importe quelles lampes à vapeur de sodium à haute pression dont le réceptacle de décharge est agencé sans tube d'aspiration. 16 2498012 REVENDICATIONS 1.- Réceptacle de décharge pour lampes à vapeur de sodium à haute pression, dont l'ampoule est fabriquée à partir d'un tube constitué d'une matière transparente et dont les extré- mités sont obturées par une liaison dépourvue de tube d'aspira- tion et faisant intervenir deux éléments obturateurs établis- sant une fermeture hermétique et constitués de préférence de tampons obturateurs céramique, tandis qu'il est prévu dans le tube un fil d'alimentation en courant encastré avec obturation hermétique ainsi qu'une électrode reliée à ce fil de préférence à l'aide d'une broche, un remplissage contenant un IC gaz rare et des additifs métalliques - de préférence du sodium, du mercure et/ou du cadmium - étant placé dans le volume intérieur du tube fermé, réceptacle caractérisé en ce qu'il est prévu au moins dans un tampon obturateur (2) un évidement (9) relié au volume intérieur du tube fermé (1) et formant en cours de marche le point le plus froid de la surface du réceptacle de décharge délimitant le volume intérieur, le volume dudit évidement étant supérieur ou égal au volume des additifs métalliques à l'état fondu. 2.- Réceptacle de décharge selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évidement (9) est agencé symétrique- ment par rapport à l'axe longitudinal du tube (1). 3.- Réceptacle de décharge selon la revendication l ou 2, caractérisé en ce que l'évidement (9) est disposé approximati- vement symétriquement par rapport au fil d'alimentation en courant (11). 4.- Réceptacle de décharge selon l'une quelconque des revendications i à 3, caractérisé en ce que l'évidement (9) 17 2498012 et le volume intérieur du tube (1) sont reliés entre eux par l'intermédiaire de l'intervalle d'adaptation existant entre la partie de l'électrode (8) engagée dans l'évidement (9) et le tampon obturateur (2). 5.- Réceptacle de décharge selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisé en ce que l'évidement (9) est relié avec le volume intérieur du tube (1) par l'intermé- diaire d'un ou plusieurs orifices capillaires. 6.- Réceptacle de décharge selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la dimension radiale maximale de l'in- tervalle d'adaptation ou de l'orifice capillaire est de 0,5 mm.