Brevet FR2502843A1 — publié le 19821001

L'invention concerne, d'une manière générale, les lampes à décharge de forte intensité, du type à halo- génure métallique, dont la charge se compose de mercure et d'halogénures métalliques émetteurs de lumière. Elle a, plus particulièrement, trait à des lampes miniatures du type contenant du mercure et des iodures de sodium et scandium, et dont l'intervalle d'arc est court. Les lampes à halogénure métallique virent le jour lorsqu'on ajouta les halogénures de divers métaux émetteurs de lumière dans une lampe à vapeur de mercure haute pression, afin d'en modifier la couleur et d'en augmenter l'efficacité; on peut en trouver une description dans le brevet E.U.A. n0 3 234 421. Depuis, les lampes à halogénure métallique ont été largement utilisées à des fins commerciales et indus- trielles, ainsi que pour l'éclairage public. On trouvera la description de leur fabrication et de leur fonctionnement pages 8 à 34 du "IES Lighting Handbook", 5e édition 1972, publié par la "Illuminating Engineering Society". Une lampe à halogénure métallique fonctionne géné- ralement avec une charge de mercure dont pratiquement la totalité est vaporisée et avec un excédent non vaporisé dont la majeure partie consiste en des iodures métalliques sous forme liquide. Les iodures de sodium, scandium et thorium ont été utilisés de préférence dans la charge. Les condi- tions de fonctionnement et la forme géométrique de l'am- poule de la lampe doivent définir, notamment aux extrémités, des températures suffisamment élevées pour vaporiser une quantité importante des iodures, particulièrement l'iodure de sodium. Il est généralement nécessaire qu'en fonctionne- ment, les températures minimum soient de l'ordre de 700'C. On a décrit, dans le brevet E.U.A. no 4 161 672, des tubes à arc miniatures à halogénure métallique dont l'enveloppe à parois minces est en silice fondue, avec scellements d'extrémité de petites dimensions et qui présen- tent un rendement élevé dans des volumes de décharge de 1 cm ou moins. Ces tubes à arc miniatures sont particulièrement intéressants comme source de lumière principale dans les dispositifs d'éclairage destinés aux mêmes fonctions que les lampes à incandescence courantes. Pour de telles appli- cations, il est notamment souhaitable que la température de couleur soit faible et comparable à celle des lampes à incandescence qui est de l'ordre de 29000K. La température de couleur des lampes à halogénure métallique courantes contenant une dose de NaI/ScI3/ThI4 est généralement d'en- viron 4200'K, ou plus pour une lampe claire. En appliquant sur l'enveloppe extérieure un luminophore favorisant la par- tie basse du spectre, la température de couleur effective peut être abaissée à 3800'K, mais cela réduit le rendement et on se trouve bien loin de l'objectif poursuivi. Il est possible d'abaisser la température de couleur des lampes contenant de l'iodure de sodium en aug- mentant la concentration relative du sodium dans l'arc. Cet objectif est atteint en modifiant les paramètres de structure tels que les dimensions du tube à arc, les rap- ports longueur/diamètre et les longueurs d'électrode. L'effet de ces modifications de structure doit être d'ac- croître la température du bain d'halogénure afin d'augmen- ter la pression de sodium et de définir une lampe à tempé- rature de couleur plus faible. Etant donné la nature réac- tive des halogénures métalliques utilisés, l'accroissement de la température moyenne de paroi augmente la vitesse des processus de réaction chimique délétère, ce qui peut se traduire par une mauvaise tenue et une courte durée de vie de la lampe. Ces effets non souhaitables sont aggravés par le faible volume d'enveloppe dans les lampes miniatures. On peut aussi, pour abaisser la température de couleur dans les lampes contenant de l'iodure de sodium, établir, dans l'espace de décharge, une densité du mercure suffisamment élevée pour élargir la raie D du sodium (589 nm) dans la zone rouge du spectre. Mais, dans une lampe minia- ture à halogénure métallique, un tel mécanisme est loin d'aboutir aux 2900'K souhaités. On cherche à améliorer la tenue d'une lampe à cathode thorium-tungstène. Une telle électrode est formée en faisant fonctionner une cathode en tungstène, générale- ment une tige en tungstène sur laquelle est enroulé un fil en tungstène, dans une atmosphère contenant de l'iodure de thorium. Dans des conditions correctes, il se forme, sur l'extrémité libre de la tige, un point de thorium à partir de la dose d'iodure de thorium (ThI4) contenue dans la lampe. Ce thorium joue également le rôle d'un bon émetteur d'électrons constamment renouvelé par un cycle de transfert impliquant que l'halogène présent ramène à la cathode tout thorium perdu par un processus quelconque. On trouvera la description d'une cathode en thorium-tungstène et son mode de fonctionnement dans l'article "Electric Discharge Lamps" de John F. Waymouth, M.I.T. Press, 1971, Chapitre 9. Il n'y a plus transfert correct du thorium lorsqu'en cours de fonc- tionnement, il y a présence d'iode en excès ou libre dans l'atmosphère de la lampe. On y remédie en ajoutant un getter sous forme d'un métal dont l'énergie libre de transformation en composé iodure doit être plus négative que celle de HgI2, mais moins négative que celle de ThI4; les getters proposés sont les métaux Cd, Zn, Cu, Ag, In, Pb, Mn, Sn et Tl. Il se trouve que, dans les lampes miniatures à halogénure métallique, c'est-à-dire dans les lampes dont le volume d'enveloppe est inférieur à 1 cm3 et dont l'inter- valle d'arc a une longueur inférieure à 1 cm, l'addition de cadmium ou de zinc pour constituer le getter renforce tellement le cycle de transfert du thorium que la cathode se déforme et que la longueur de l'intervalle d'arc se modifie. Dans une lampe à intervalle d'arc court et gra- dient de tension élevé, cela entraîne une modification relativement importante, qui ne peut être tolérée, dans la chute de tension d'arc. L'invention se propose de résoudre le problème ainsi posé en éliminant de la lampe l'iodure de thorium. Il se trouve, par ailleurs, que la température de couleur est amenée aux 2900'K souhaités lorsqu'on ajoute du cadmium ou du zinc métallique dans les tubes à arc miniatures contenant de l'iodure de sodium et de l'iodure de scandium avec du mercure en quantité suffisante pour élargir la raie D du sodium dans la zone rouge du spectre. Cet objectif est atteint sans modifications corres- pondantes de la structure du tube ou augmentation de la tem- pérature de paroi. En variante, on peut utiliser l'additif pour maintenir une température de couleur souhaitée avec une température de paroi réduite. Le cadmium ou le zinc peuvent être ajoutés dans un rapport molaire de 0,04 à 1 par rapport à l'iodure de scandium. On a déterminé que l'addition de cadmium ou de zinc à la dose d'halogénure métallique ne contribue que légèrement au rayonnement visi- ble par rayonnement direct de ces éléments, mais agit dans le sens d'une modification de l'équilibre entre les rayon- nements sodium et scandium dans la zone visible du spectre, en réduisant la quantité d'iodure de scandium disponible pour l'arc, ce qui accroît le rapport effectif NaI/ScI3. Un examen attentif des pressions de vapeur des métaux men- tionnés montre que celles du cadmium et du zinc à 11000K sont suffisamment élevées pour que ces métaux jouent un rôle important dans les réactions en phase gazeuse et, par ce mécanisme, réduisent utilement la température de couleur. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent: figure 1, une vue agrandie d'un tube à arc miniature à halogénure métallique, conforme à l'invention; figure 2, un graphique illustrant l'effet d'une addition de cadmium sur la température de couleur; figure 3, un graphique illustrant l'effet d'une addition de cadmium -sur le flux lumineux; 30. figure 4, un graphique illustrant l'effet d'une addition de cadmium sur la maintenance. On a donc représenté figure 1 le tube à arc 1 d'une lampe à halogénure métallique sous pression élevée, ce tube étant du type correspondant aux nouvelles lampes miniatures à halogénure métallique décrites dans le brevet E.U.A. no 4 161 672. Ce tube à arc est normalement enfermé dans une ampoule extérieure qui l'isole de l'atmosphère. 256ÈU43 Le tube est en quartz ou en silice fondue et comporte une partie centrale ellipsoidale 2 qui peut être formée par dilatation d'un tube en quartz, ainsi que des cols 3, 3' formés par déformation ou scellement sous vide du tube sur des feuilles en molybdène 4, 4' faisant partie des dispositifs d'amenée de courant des électrodes. L'enceinte de décharge formée par la partie centrale a un volume inférieur à 1 cm 3; ce volume peut être compris entre 0,11 et 0,19 cm3 pour un tube à arc de 32 W dont le plus petit diamètre dans sa partie centrale est de l'ordre de 0,65 cm. Les conducteurs 5, 5' soudés aux feuilles en molybdène sortent des cols et les tiges d'électrode 6, 6' soudées sur des côtés opposés de ces feuilles s'étendent dans les cols et se prolongent dans la partie centrale. La lampe repré- sentée est destinée à fonctionner en courant unidirection- nel, et la tige 6' dont l'extrémité 7 est en forme de boule suffit pour constituer l'anode. La cathode comporte une hélice creuse en tungstène 8 resserrée sur l'extrémité de la tige 6 et dont l'extrémité libre se termine par une courte pièce rapportée en forme de pointe. L'invention s'applique également aux lampes fonctionnant en courant alternatif. L'enveloppe est remplie d'argon ou d'un autre gaz inerte servant de gaz d'amorçage, sous une pression de l'ordre de quelques centaines de pascals à quelques dizaines de milliers de pascals et contient une charge constituée par du mercure et les halogénures métalliques NaI et ScI3. On a observé qu'avec des concentrations en NaI de 0,005 à 0,5 gramme par cm et des concentrations en ScI3 de 0,0008 à 0,008 gramme par cm3, l'addition de cadmium abaisse la température de couleur effective pour ces gammes de valeurs. Pour tirer avantage de l'effet de réduction de la température de couleur da à l'élargisse- ment de la raie du sodium, on pourrait utiliser une con- centration en mercure de 0,015 à 0,05 gramme par cm3. La charge caractéristique d'un tube à arc de 32 W dont le volume est de l'ordre de 0,15 cm3 se compose de 5.10-3 g È284S de Hg, de 0,52.10 3 g de ScI3 et de 3,48.10-3 g de NaI; ce qui correspond à des concentrations de 0,033 g/cm3 de Hg, 0,Q035 g/cm de ScI3 et 0,023 g/cm3 de NaI. La pression de remplissage de l'argon est de l'ordre de 16.10 3 pascals. On a représenté figure 2 dans quelle mesure la température de couleur sera abaissée par addition, confor- mément à l'invention, de cadmium métallique dans des tubes à arc contenant de l'iodure de sodium et de l'iodure de scandium; la température de couleur est donnée en degrés Kelvin en fonction du rapport molaire cadmium-tri-iodure de scandium. Les données utilisées pour établir le graphi- que de la figure 2 dépendent des densités relatives du remplissage de la lampe, et non de la forme spécifique ou de la géométrie des tubes à arc. Ces données sont consti- tuées par trois dimensions de partie centrale du tube, quatre valeurs différentes pour les doses d'halogénure métallique, six doses différentes de mercure, et trois concentrations différentes pour l'amalgame Hg/Cd. On remarquera qu'un rapport molaire Cd/ScI3 d'environ 0,5 donne une température de couleur de 2900'K correspondant approximativement à la température de couleur d'une lampe à incandescence. L'effet sur la température de couleur n'est pas éliminé par la présence de thorium dans les lam- pes du type décrit. Mais la quantité de thorium doit être limitée pour éviter la déformation de l'électrode. La petite quantité de thorium qui peut être introduite acci- dentellement dans l'atmosphère de la lampe, du fait qu'on utilise pour les électrodes un fil de tungstène thorié, est acceptable. L'effet bénéfique du cadmium sur la température de couleur s'accompagne d'une certaine perte d'efficacité. On a représenté figure 3, la variation en pourcentage du flux lumineux due à l'addition de cadmium dans le tube à arc. On peut définir comme suit la variation du flux lumineux: 284S A Lumens avec Cd - Lumens sans Cd x 100 AL - Lumens sans Cd On remarquera que, par rapport aux mêmes tubes sans cadmium, le niveau du flux lumineux diminue à mesure qu'augmente le rapport Cd/ScI3. C'est là un facteur de limitation à la quantité de cadmium qui peut être utilement ajoutée. L'examen des figures 3 et 4 permet de mettre en évidence l'amélioration apportée à la maintenance en raison de l'addition de cadmium. On voit figure 3 que la perte de flux lumineux après 100 h est nulle lorsque le rapport Cd/ScI3 est de l'ordre de 0,5. Ce point est utilisé figure 4 comme origine commune pour les deux courbes relatives à un tube sans cadmium et un tube avec cadmium. On voit que le cadmium introduit une réelle amélioration de la mainte- nance, la divergence s'accentuant avec le temps. Par exem- ple, dans une lampe avec cadmium, l'accroissement en pour- centage du flux lumineux est supérieur à 5% après 2000 h, par rapport à une lampe sans cadmium. Seule, une gamme limitée de températures de couleur est intéressante dans le domaine de l'éclairage en général. Plus particulièrement, des températures de couleur inférieures à 2400'K environ n'ont que peu d'inté- rêt commercial, et le rapport Cd/ScI3 nécessaire pour obte- nir une telle valeur est de l'ordre de 1. On peut voir figure 3 qu'à cette valeur de rapport correspond, après h, une perte de flux lumineux de 5%. Ces deux facteurs déterminent en conséquence une limite utile supérieure de l'ordre de 1 pour le rapport molaire Cd/ScI3, dans les lampes conformes à l'invention. Une limite utile inférieure pour l'addition de cadmium est déterminée par les variations de couleur résul- tant des processus de réaction chimique et des facteurs de transformation agissant sur la dose d'halogénure. On a trouvé qu'un minimum de 0,04 mole de CD par mole de ScI3 est nécessaire pour éviter ces problèmes. On peut expliquer comme suit l'abaissement de 2Sd 84a la température de couleur concomitant de l'amélioration de la maintenance des tubes selon l'invention. L'addition de Cd dans une lampe contenant du ScI3 se traduit par la formation de CdI2 et de Sc par la réaction: 3/2Cd(g) + ScI3(g) ' 3/2CdI2(g) + Sc(g), (1) (g) indiquant l'état gazeux. L'expression d'équilibre pour la réaction (1) est la suivante: 3/2 (PCdI2) ( Sc) 2 S K = (2) ep 3/ 2 (Pcd) (Psci3) P représentant la pression du composant, correctement mesu- rée en atmosphères. Le jeu d'équations est analogue pour l'addition de zinc. A 1100 K, qui est approximativement la tempéra- ture de paroi en fonctionnement pour un tube à arc minia- ture à halogénure métallique, la valeur de la constante d'équilibre K est de 1,3 x 10-9 pour le système cadmium, eg8 et de 3,8 x 10 pour le système zinc. Le scandium formé par la réaction (1) précipite sur les parois du tube à arc puisque la pression de vapeur du scandium à 1100 K n'est que 2 x 10 11 atmosphères. Pour le tube à arc miniature de 32 W représenté figure 1, les quantités caractéristiques initiales de NaI, ScI3 et Cd sont les suivantes: NaI = 3, 48 x 10-3 g ou 2,32 x 10 5 moles ou12x o ScI3= 0,52 x 10-3 g ou 1,22 x 106 moles Cd = 5,65 x 105 g ou 5,03 x 107 moles Si tout le cadmium était converti en CdI2, la perte résultante de ScI3 ne serait pas suffisante pour abaisser la pression de ScI3 en dessous de la pression de vapeur du ScI3 pur dans le bain. Puisqu'on connaît les valeurs d'utilisation pour PSc et PSCI dans l'équation (2), on peut calculer la quantité de CdI2 qui sera formée. Pour le tube à arc miniature précédemment mentionné, la quantité de CdI2 formée est d'environ 4,38 x 10-7 moles de ScI3* On trou- vera dans le tableau I ci-dessous les quantités initiales et finales des éléments réactifs. TABLEAU I Dose initiale A 11000K NaI 2,32 x 10 moles 2,32 x 10 moles -6 9,7 0 oe ScI3 1,22 x 106 moles 9,5 x 107 moles Cd 5,03 x 10 moles 0,9 x 10 moles CdI2 0 4,4 x 10 moles NaI/ScI3 19 24,4 Sc 2,0 x 10 ilatmosphères - Les conclusions suivantes peuvent être apportées en considérant les concentrations données dans le tableau I. 1. L'addition de cadmium dans un tube à arc contenant de l'iodure de sodium et du tri-iodure de scan- dium entraîne l'accroissement du rapport NaI/ScI3 de 19 à 24,4 ce qui se traduit par un glissement vers des tempéra- tures de couleur plus basses (plus chaudes) sans accroisse- ment des températures de paroi. 2. Il reste du cadmium simple en phase gazeuse lorsque la réaction chimique donnée dans l'équation (1) a atteint son état stable. Le cadmium en excès réduit le niveau d'iode libre à proximité des parois en silice par formation d'iodure de cadmium, et interdit le transfert d'iodure de silicium vers les électrodes. Ainsi les améliorations pratiques apportées par l'invention en ce qui concerne la température de couleur et la tenue de la lampe, bien que fortuites et non escomp- tées, s'appuient sur des phénomènes physico-chimiques. REVENDICAT IONS 1. Lampe miniature à halogénure métallique et arc de décharge d'intensité élevée, avec enveloppe de silice fondue (2) définissant un volume inférieur à 1 cm et conducteurs d'amenée de courant (5-4,5'-4') scellés dans les extrémités (3,3') de l'enveloppe et électrique- ment raccordés à des électrodes en tungstène (6,6') qui définissent entre elles, dans cette enveloppe, un inter- valle d'arc inférieur à 1 cm, caractérisée en ce que l'en- veloppe contient une charge de maintien de la décharge constituée par du mercure, de l'iodure de sodium et du tri-iodure de scandium, avec un gaz inerte d'amorçage, l'enveloppe ne contenant pratiquement pas de thorium sauf celui qui peut être introduit par l'utilisation de tungs- tène thorié pour les électrodes, du cadmium ou du zinc étant introduit dans l'enveloppe dans un rapport molaire de 0,04 à 1 par rapport au tri-iodure de scandium. 2. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la concentration en NaI est de 0,005 à 0,5 g par cm, la concentration en ScI3 étant de 0,0008 à 0,008 g par cm 3. Lampe selon la revendication 2, caractérisée en ce que la concentration en mercure est de 0,015 à 0,05 g par cm 4. Lampe selon la revendication 3, caractérisée en ce que le rapport molaire CD ou Zn/ScI3 est de l'ordre de 0,5.