Brevet FR2489040A1 — publié le 19820226

Lampe électrique avec ampoule de forme ellipsoidale Il existe différents types de lampes particuliers pour des applications spéciales. Une telle application spé- ciale nous est fournie par les feux de circulation, dans ceux- ci la lampe est montée dans un appareil qui est situé habi- tuellement au dessus de la ligne de vision horizontale. On étudie par conséquent le filament d'une telle lampe pour que lorsque celle-ci est en place dans son appareillage, lalumière soit rayonnée plutôt vers le bas que vers le haut, o elle se dissiperait en pure perte. On utilise dans une telle lampe un filament en forme de "W", avec la partie inférieure du W dis- posée en dessous du plan médian central d'une ampoule de forme sphérique. Pour les applications à la signalisation, la lampe peut être réalisée en verre clair et associée à un filtre, tel qu'un filtre en verre de couleur, placé devant de manière à ne laisser passer que la couleur appropriée, c'est à dire rouge, verte ou orange. Dans d'autres types de lampes, c'est la lampe elle-même qui est colorée, habituellement avec une peinture co- lorée par un pigment organique, déposée à la surface de l'am- poule de la lampe. Des recherches ont aussi été effectuées en vue d'a- méliorer le rendement des lampes à incandescence en appliquant sur l'ampoule de la lampe un revêtement transparent pour la lumière visible et réfléchissant pour les infra-rouges ("miroir à chaleur). On donne souvent à l'ampoule d'une telle lampe une forme optique particulière, de sorte que le revêtement disposé à l'intérieur renvoie une grande partie de l'énergie infra- rouge produite sur le filament lui-même pour élever la tempé- rature de fonctionnement de celui-ci. Il en résulte une dimi- nution de la puissance nécessaire pour chauffer le filament à sa température de service et le rendement de la lampe s'en trouve augmenté d'autant. Le revêtement miroir à chaleur laisse aussi passer une grande partie de l'énergie dégagée par le filament dans le domaine visible. Un tel type de lampe est présenté, par ex- emple, dans le brevet U.S. no 4 160 909 attribué à Thorington, et al., ainsi qu'à l'auteur de la présente demande; dans ladite lampe le revêtement est constitué par une structure composite réalisée avec trois pellicules élémentaires de TiO2/Ag/TX-02 respectivement et il est en mesure de laisser passer enimyenne soixante pour cent et plus de l'énergie rayonnée dans le do- maine visible et de réfléchir quelque soixante pour cent ou plus de l'énergie émise dans lesï infra-rouges. Il a également été proposé d'autres types de telles lampes, utilisant diffé- rents types de revêtements autres que celui qui est décrit dans le brevet. Thorington, et al. Dans d'autres documents on trouve la description de lampes à incandescence utilisant un autre type de revêtement, à savoir une structure composite constituée par une pellicule de matière isolante insérée entre deux pellicules d'argent. Dans des lampes du type utilisant un revêtement ré- fléchissant la chaleur, un filament constituant une source ponctuelle, disposé exactement au centre optique d'une ampoule sphérique, par exemple, constituerait une solution idéale pour que la quantité maximale de l'énergie infra-rouge réfléchie par le revêtement revienne frapper le filament. Un filament formant une source ponctuelle n'est cependant pas réalisable et on se contente donc d'un filament "compact". On utilise le terme "compact" pour définir un filament de forme allongée dont le rapport entre la longueur et le diamètre est cependant choi- si relativement petit. A l'intérieur de l'ampoule, un tel fi- lament est en général monté verticalement, par rapport au culot de la lampe. L'utilisation d'une telle lampe avec un revêtement formant miroir à chaleur et un filament "compact", dans un con- texte particulier comme c'est le cas pour des feux de circula- tion, laisserait quelque peu à désirer du point de vue du ren- dement. Malgré l'accroissement du rendement global, obtenu avec le revêtement, la lumière émise par le filament ne suivrait pas une direction préférentielle orientée vers le bas. Egalement du point de vue de la durée de vie utile, aussi bien pour les lampes destinées à des applications courantes que pour celles qui sont utilisées dans les feux de circulation un filament compact est moins intéressant qu'un filament en forme deC ou circulaire, qui est le type de filament habituellement utilisé dans les lampes pour les applicationscourantes. De tels filaments en forme de C sont montés sur trois supports, un à chaque ex- trémité, le troisième au centre, et ils sont tout à faitsolides. Si l'on utilisait des filaments en forme de C ou circulaires, à l'intérieur d'une ampoule de forme sphérique pourvue d'un revêtement réfléchissant pour les infra-rouges, la lampe n'aurait pas un bon rendement puisque la totalité du filament se trouverait à- une certaine distance du centreoptique de l'ampoule et que la réflexion de l'énergie infra-rouge vers le filament ne se ferait pas dans des conditions optimales. Le but visé par la présente invention est donc de réaliser un nouveau type de lampe à incandescence avec une am- poule pourvue d'un revêtement réflecteur pour les infra-rouges et transparent pour la lumière visible (miroir à chaleur), à l'intérieur de laquelle on utilise un filament en forme de C ou circulaire. L'ampoule a une forme particulière, celle d'un ellipsoïde de révolution obtenu par rotation de l'ellipse gé- nératrice autour de son petit axe, les deux foyers de ladite ellipse donnant ainsi naissance à un nombre infini de foyers disposés sur un cercle appelé le cercle focal. Le filament est disposé sur le cercle focal ou à proximité de celui-ci, de sorte qu'il reçoit l'énergie renvoyée par le revêtement réflecteur de la chaleur. Cette lampe peut être utilisée soit avec un revête- ment réflecteur thermique laissant passer la lumière dans toute l'étendue du spectre visible, soit avec un revêtement conçu puar fournir une couleur déterminée. Dans ce dernier cas on améliore doublement le rendement de la lampe, d'une part grâce à la ré- flexion des infra-rouges qui améliore le rendement d'utilisation de l'énergie, et d'autre part du fait que le revêtement à trans- parence sélective dans la couleur désirée a un rendement supé- rieur à celui d'une couche de pigment et que l'on obtient ainsi une réduction de l'énergie nécessaire pour obtenir une intensité lumineuse donnée dans la couleur particulière désirée. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortent de la description ci-dessous, qui se réfère au dessin dont les différentes figures représentent respectivement: Fig. 1A, une vue en élévation et en coupe partielle, d'un exemple de lampe selon la présente invention; Fig. 1B, une vue en plan de la lampe de la Fig. 1A; Figures 2 et 3, des vues en plan d'autres réalisa- tions de lampes selon la présente invention avec différents types de filaments et de variantes du revêtement utilisé; et Fig. 4, une vue en élévation d'une autre réalisation d'une lampe selon la présente invention. En nous référant aux figures 1A et lB nous pouvons voir une lampe à incandescence 10 avec une ampoule 12 en verre calcique, en pyrex ou en quelque autre qualité de verre conve- nable, dont la nature exacte n'est nullement critique pour l'ob- jet de la présente invention, pour autant que ce verre est en mesure de laisser passer la lumière dans la partie du spectre visible que l'on désire utiliser. Vue en élévation, l'ampoule 12 a la forme d'une ellipse. Ainsi qu'on le précise plus loin, il est possible que pour certains cas on ait exagéré dans les dessins la forme elliptique de l'ampoule. L'ellipse a deux foyers repérés fi et f2. L'ellipsoïde est engendré par rotation de 1'- ellipse visible dans la fig. lA autour d'une ligne C-C qui se confond avec le petit axe de l'ellipse, perpendiculaire au milieu du segment de droite fi - f2. Dans la fig. 1A, le grand axe de l'ellipse se situe dans le plan horizontal, perpendiculaires à C - C. Pendant la rotation de l'ellipse, les deux foyers fl, f2 décrivent le cercle FC visible dans la figure 1B. FC est ainsi le cercle formé par un nombre infini de points focaux conjugués. Disposé sur la totalité de la paroi de l'ampoule, ou sur une grande partie de celle-ci, soit à l'intérieur soit à l'extérieur de celle-ci mais de préférence à l'intérieur, nous avons un revêtement 14 fait d'une matière qui est réfléchis- sante pour l'énergie infra-rouge mais transparente pour l'éner- gie lumineuse du spectre visible, soit dans toute l'étendue de celui-ci, soit dans une partie déterminée de ce spectre seule- ment. On appelle une telle matière un miroir à chaleur (heat miror). Des exemples de tels revêtements sont décrits dans le brevet U.S. 4 160 909 précité, o l'on trouve en particulier la description d'un revêtement composite + constitué par une pellicule de métal insérée entre deux pellicules élémentaires de matière isolante. Dans le revêtement de ce brevet, le métal est de l'argent et la matière diélectrique est du bioxyde de titane ou du fluorure de magnésium. Un tel revêtement est en mesure de laisser passer la lumière dans la quasi totalité du spectre visible tout en réfléchissant l'énergie infra-rouge. Il est souhaitable qu'un tel revêtement ait une transparence élevée dans la partie visible du spectre (qu'il laisse passer en moyenne 60 pour cent ou davantage) et un pouvoir réfléchis- sant élevé pour les infra-rouges (60 pour cent et plus en moyenne). Un autre type de revêtement est ce que l'on appelle le revêtement "étalon" dans lequel une pellicule de matièreiso- lante telle que du bioxyde de titane ou du fluorure de magnésium est insérée entre deux pellicules élémentaires métalliques, en argent par exemple. Un "revêtement étalon" peut aussi être étudié pour ne laisser passer la lumière que dans une partie déterminée du spectre visible, rouge bleue ou verte par exemple, ou bien dans une bande plus étendue pour obtenir de la lumière "blanche". Tandis que dans la fig. 1 le revêtement 14 est dis- posé sur la totalité de la surface de l'ampoule, il serait bon de noter que l'utilisation de ce genre de revêtement particulier n'est nécessaire que dans la zone à partir de laquelle il faut envoyer de la lumière. Dans ce cas, le reste de la paroi de 1'- ampoule peut être revêtu d'une matière telle que de l'argent, de l'or ou du cuivre, réfléchissant aussi bien l'énergie du spec- tre visible que celle des infra-rouges. A sa partie inférieure l'ampoule 12 comporte un ori- fice autour duquel est formée une partie en forme de goulot 18. Un pied 20, à l'intérieur duquel se trouve le queusot 22, est fixé à ce goulot et pénètre à l'intérieur de la lampe. Deuxfils conducteurs 24.et 26 s'étendent vers le haut, à partir du pied, et sont reliés aux extrémités d'un filament 30 qui sera décrit plus loin avec plus de détails. Un fil isolé 28 s'étend aussi vers le haut, à partir du pied 20, et il sert de support pour le filament. Le filament 30 est recourbé, en forme de C ou en forme de cercle, il est supporté par les fils métalliques 24,26, 28 et ses extrémités sont reliées électriquement aux fils con- ducteurs 24 et 26. Le filament peut être d'un type classique quelconque, par exemple spiralé ou bi-spiralé, en n'importe quel matériau convenable, par exemple en tungstène purou allié. Les fils conducteurs 24 et 26 sortent à travers le pied et sont reliés l'un à un culot métallique 32, représenté à titre d'exemple sous la forme d'un culot à vis, et l'autre à un plot de contact 34 disposé à la partie inférieure du culot. Si on le désire, on peut disposer sur le pied un ré- flecteur 36 épousant la forme de l'ampoule, pour compléter approximativement la forme optique de la surface réfléchissante de l'ampoule, de manière que la lumière émise par le filament n'aille pas se perdre et disparaître dans la partie du culot qui entoure le goulot. Il suffit que ce réflecteur 36 ne ré- fléchisse que les infra-rouges, puisque la lumière visible ne peut pas sortir à travers le culot. A l'intérieur de l'ampoule on fait le vide, à travers le queusot 22, que l'on coupe et scelle de la manière habituelle avant de mettre en place le culot 32 sur la partie en forme de goulot. Avant de sceller ainsi l'ampoule, on peut introduire dans la lampe quelque gaz de remplissage approprié, par exemple de l'argon, du krypton ou des mélanges de gaz différents, déter- minés selon les caractéristiques de la lampe à réaliser. Alors que dans les figures on a représenté pour l'am- poule 12 un système de culot plus ou moins classique, il est bien entendu que d'autres types de culots peuvent aussi être utilisés. Le filament pouvant être monté, par exemple, sur une pastille de verre qui constitue le culot et pouvant être soudée directement dans l'orifice de l'ampoule, les contacts d'alimen- tation étant prévus sur le culot pastille de verre. Ainsi qu'on l'a expliqué, la forme de l'ampoule 12 est engendrée par la rotation d'une ellipse autour d'un axe C. Si l'on considère l'ellipse représentant la-forme de la section transversale de l'ampoule, cette ellipse a deux foyers, situés aux points fi et f2 tels qu'ils sont représentés dans la fig.lA. Tout rayon de lumière partant d'une partie du filament située sur un point focal, fi par exemple, va se diriger vers un point de la paroi de l'ampoule qui laissera sortir la lumière visible. La partie infra-rouge de l'énergie du rayon est renvoyée par le revêtement 14 au point focal f2 opposé. Si une autre partie du filament se trouvait au point focal f2, l'énergie infra-rouge issue du point fi se trouverait réfléchie vers le point focal f2, les seules pertes étant celles qui sont dues à l'absorption par le revêtement 14. -2489040 Si l'on a fait tourner l'ellipse pour réaliser la forme ellipsoidale globale de l'ampoule, on donne naissance à un nombre infini de points focaux, tous répartis sur un cercle FC dont le centre est au point C. Un filament circulaire ayant le même diamètre que le cercle des points focaux et disposé sur ce cercle, a un excellent rendement du fait que l'énergie rayon- née à partir d'une partie quelconque de ce filament, située sur le cercle focal, est réfléchie par le revêtement de l'ampoule et renvoyée au point focal qui, sur le cercle, est diamétrale- ment opposé au point d'origine de.cette énergie. On peut montrer que dans une ampoule du type consi- déré, les pertes dues à l'aberration sont relativement faibles. Examinons le cas d'un filament spiralé qui a la forme d'un cer- cle de rayon R. Le rayon d'une spire de ce filament est défini comme égal à r, et le filament est disposé sur le cercle focal, ce dernier étant coaxial avec le centre de l'enroulement de ra- yon r. Supposons que dans l'ampoule de forme ellipsoidale de la fig. 1, S est la distance entre le filament et le cercle focal adjacent. En recourant à certaines approximations on peut montrer que le facteur de réflexion f résultant de l'aberration, c'est à dire égal à la fraction des rayons émis d'un point quel- conque du filament qui revient sur le filament après un parcours simple, c'est à dire après une seule réflexion sur l'ampoule, a pour valeur approximative f 4 R r 7r 2S2 si r est petit. Ce facteur de réflexion f est voisin de l'unité si S = 2 /Rr Pour des valeurs de S inférieures à cette valeur, les approxi- mations simples adoptées ne sont pas valables, mais f se rap- proche de l'unité d'autant plus que S est plus petit. On peut donc admettre que les pertes par aberration demeurent faibles, pour autant que l'on a: S il Si l'on utilise une ampoule de forme sphérique, le cercle focal se réduit à un point situé au centre de la sphère. Dans ce cas, pour un filament normal en forme de C, S est grand et f est petit. C'est ainsi que lorsque l'on utilise des fila- ments en forme de C à l'intérieur d'une ampoule de forme sphé- rique munie d'un revêtement réfléchissant, on obtient des pertes par aberration très élevées. On évite de telles pertes en uti- lisant une ampoule en forme d'ellipsolde, comme le prévoit la présente invention, le filament étant partout disposé au voi- sinage du cercle focal, ce qui permet d'obtenir pour S une valeur suffisamment petite. La fig. 2 montre une autre réalisation de l'inven- tion. Ainsi qu'on l'a déjà mentionné précédemment, dans certaines applications particulières telles que des lampes pour feux de circulation, il est seulement nécessaire de diriger la lumière vers l'extérieur et quelque peu vers le bas, lorsque l'appa- reillage contenant la lampe est situé assez haut au dessus du sol. Dans la fig. 2 le filament 50 a la forme d'un demi-cercle, qui serait orienté vers le bas de l'appareillage lorsque la lampe est mise en place. Comme il n'y a pas lieu de rayonner de la lumière à travers la moitié supérieure de l'ampoule, ou à travers certaines autres parties analogues, il n'est pas né- cessaire que le revêtement de ces parties, qui n'ont pas besoin de laisser passer la lumière, soit transparent pour la lumière. Au lieu de cela on peut utiliser un revêtement 52 de nature dif- férente, par exemple une pellicule épaisse d'un métal tel que de l'argent ou de quelque autre matière ayant un pouvoir réflé- chissant élevé pour les infra-rouges. Dans ce cas, la composan- te infra-rouge des rayons émis par le filament doit subir deux réflexions successives sur la paroi de l'ampoule pour revenir au point du filament dont elle est issue. Il faut bien se rendre compte,qu'en l'absence de la moitié supérieure du filament, un rayon issu d'un point focal fI ne trouve pas de point focal conjugué f2 pour le recevoir et doit par conséquent subir une deuxième réflexion sur la paroi de l'ampoule pour revenir au point fl. L'utilisation d'un revêtement métallique 52 à pouvoir réfléchissant élevé, assure une meilleure efficacité du retour des rayons vers le filament lui-même et vers la moitiéinférieure de l'ampoule qui est pourvue du revêtement 14 réfléchissant les infra-rouges et transparent pour la lumière visible. L'u- tilisation d'une pellicule métallique réduit aussi le coût de l'ampoule. La valeur plus élevée du pouvoir réfléchissant du revêtement uniquement métallique, comparativement à celui du revêtement à couches minces, augmente encore le rendement de la lampe. Si le filament n'est par courbé exactement. selon un cercle ou un arc de cercle, il faut que l'énergie infra-rouge d'un rayon lumineux donné subisse au moins deux réflexions sur le revêtement de la paroi de l'ampoule avant de revenir au point d'origine dudit rayon et non au point focal opposé, sur le cer- cle. Un décalage délibéré du filament peut présenter des avan- tages, dans une certaine mesure, du fait qu'il élimine certains problèmes de fabrication inhérents au centrage précis du fila- ment exactement sur le cercle focal. Le rendement d'une telle lampe serait cependant affecté d'une certaine réduction, dépen- dant du degré de décalage. La partie de l'ampoule revêtue d'une pellicule métal- lique 52 peut, le cas échéant, être la partie supérieure de la lampe de la fig. 1 ou bien, dans d'autres variantes, la partie inférieure de la lampe de la fig. 1 ou la partie inférieure de la lampe de la fig. 2, une telle disposition convenant lorsqu'- on désire que la lumière sorte par la partie supérieure. Avec l'utilisation de telles dispositions, o une certaine partie de l'ampoule est revêtue de métal et non d'un matériau transparant pour la lumière visible et réfléchissant pour les infra-rouges, ladite partie présente un pouvoir réfléchissant plus élevé pour les infra-rouges et ceci tend à compenser la réduction du ren- dement due au décentrage du filament. Il faut noter qu'il n'est pas nécessaire que la to- talité du filament présente la forme d'une courbe continue. La Fig. 3 montre une version modifiée 80 du filament, o l'on a représenté le cercle focal FC en pointillé et o le filament a en gros la forme d'un "W". On peut se rendre compte que la plus grande partie du filament 80 se trouve le long du cercle-focal FC, de sorte que l'on obtient encore des gains considérables. De plus, même les parties qui se trouvent décalées par rapport au cercle focal reçoivent encore une certaine quantité de rayonnement réfléchi, en particulier si le décalage est in- férieur à (2/7Et V Rr. Il faut noter qu'une lampe typique, représentative des réalisations selon l'invention, apparaîtrait à l'oeil avec une ampoule de forme plus ou moins sphérique et les formes d'- ampoules qui sont représentées dans les dessins peuvent être considérées comme quelque peu exagérées. Ainsi, par exemple, dans une lampe dont le filament circulaire aurait un rayon de 18 mm environ, si l'on désire positionner ce. filament sur le cercle focal d'une ampoule en forme d'ellipsoïde, les dimen- sions hors tout de cette ampoule seraient d'environ 59 mm selon la ligne CC de la fig. 1 et d'environ 62 mm selon une ligne perpendiculaire à la ligne CC. Avue d'oeil, l'ampoule d'une telle lampe paraîtrait par conséquent à peu près sphérique. Bien que l'on ait représenté les filaments de ces lampes, disposés dans un plan horizontal alors que le culot est tourné vers le bas, on peut aussi réaliser une ampoule dont le filament s'étend dans un plan vertical avec le culot en bas. Ceci a été représenté dans la fig. 4. Le filament 94 a dans le cas de la figure approximativement la forme d'un C. L'ampoule a été tournée dans une position o le plan du cercle focal se confond avec celui du dessin. REVENDICATIONS 1. Lampe électrique à incandescence comprenant - une ampoule réalisée en une matière transparente pour la lumière visible, - un filament disposé à l'intérieur de ladite am- poule, ledit filament étant porté à l'incandescence par le pas- sage d'un courant électrique afin qu'il produise et rayonne de l'énergie tant dans le domaine visible du spectre que dans le domaine infra-rouge, des dispositions concernant une partie importante de ladite ampoule pour réfléchir l'énergie rayonnée dans le domaine des infra-rouges, une partie au moins de ladite ampoule étant conditionnée pour transmettre l'énergie rayonnée dans la partie visible du spectre, caractérisée par le fait que ladite ampoule (12) a la forme d'un ellipsoïde de révolution obtenu par rotation de l'ellipse génératrice autour de son petit axe et comprenant de ce fait une multitude de foyers disposés sur un cercle (FC), que ledit filament (30) comporte une partie située sur ledit cercle focal ou à proximité immédiate de celui-ci, que l'éner- gie infra-rouge rayonnée par le filament (30) à partir d'un point quelconque du cercle focal est renvoyée grâce auxdites dispositions de manière à être intercepté par ledit filament en un point situé sur ledit cercle focal ou à proximité immé- diate ce celui-ci. 2. Lampe électrique à incandescence selon la reven- dication 1, caractérisée par le fait qu'une partie au moins dudit filament (30) est de forme courbe, ladite partie courbe étant disposée sur ledit cercle focal (FC) ou à proximité immé- diate de celui-ci. 3. Lampe électrique à incandescence selon la reven- dication 2, caractérisée par le fait que ledit filament (30) a la forme d'un cercle dont le tracé se confond avec ledit cercle focal ou se situe à proximité immédiate de celui-ci. 4. Lampe électrique à incandescence selon la reven- dication 1, caractérisée par le fait que ledit filament (30) a une configuration générale en forme de "lWll, les différentes parties dudit filament étant disposées à proximité immédiate dudit cercle focal. 5. Lampe électrique à incandescence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que lesdites dispositions consistent en un revêtement (14) de ladite ampoule avec une partie qui laisse passer la lumière visible, la partie de ce revêtement qui laisse passer la lumière visible s'étendant sur à peu près la totalité de la surface de l'ampoule. 6. Lampe électrique à incandescence selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que lesdites dispositions consistent en un revêtement de ladite ampoule, ce revêtement comportant une partie qui laisse passer la lumière visible et qui est disposée sur une partie de ladite ampoule, les dispositions réfléchissantes intéressant la partie restante de l'ampoule n'étant pas transparentes pour la lumière visible. 7. Lampe électrique à incandescence selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée par le fait que la partie dudit revêtement qui laisse passer la lumière ne laisse passer celle-ci que dans les limites d'une certaine bande de longueurs d'onde définie pour obtenir une couleur prédéterminée. 8. Lampe électrique à incandescence selon l'une quelconque des revendications ci-dessus, caractérisée par le fait que lesdites dispositions (ou le revêtement réfléchissant) sont constitués par un matériau composite réalisé avec une pelli- cule élémentaire de matière isolante insérée entre deux pelli- cules élémentaires métalliques ou bien avec une pellicule élé- mentaire métallique insérée entre deux pellicules élémentaires de matière isolante. 9. Lampe électrique à incandescence selon l'une quelconque des revendications ci-dessus, caractérisée en outre par le fait que ledit filament a une forme générale qui s'a- dapte à une partie au moins dudit cercle focal et disposée vo- lontairement en-dehors dudit cercle focal, l'énergie rayonnée par le filament dans l'infra-rouge à partir d'un point du cercle focal étant renvoyée au même point du filament après au moins deux réflexions sur ledit revêtement réflecteur.