Brevet FR2512272A1 — publié le 19830304

La présente invention concernne des lampes à vapeur de sodium haute pression et plus particulièrement, une con- figuration qui améliore leur efficacité. Une lampe à vapeur de sodium est une source lumineu- se à décharge de haute intensité dans laquelle le flux lumi- neux est entièrement produit dans la colonne de décharge d'arc le flux lumineux est le résultat du passage du courant électrique à travers un milieu de décharge gazeux, ionisable contenu dans un tube à arc interne qui est maintenu à une température relativement élevée Cette température se situe habituellement entre environ 1400 K et environ 1500 K A cause de cette température élevée ces lampes sont habituel- lement entourées par une enveloppe extérieure, transmettant la lumière, qui fonctionne à la fois comme écran isolant et protecteur Classiquement, la région entre le tube à arc sous pression et l'enveloppe extérieure est, soit sous vide partiel,soit contient un gaz inerte comme l'argon Le sodium ionisable contenant des canposés assurant la décharge d'arc est maintenu dans le tube à arc Le tube à arc est classi- quement une structure cylindrique ayant des électrodes à l'une et l'autre extrémité Les lampes au sodium haute pres- sion sont particulièrement souhaitables à cause de leur ren- dement énergétique élevé Elles sont particulièrement utiles dans l'industrie et l'éclairage public o la couleur du flux lumineux du spectre de la lampe n'est pas critique mais o néanmoins on souhaite des niveaux élevés d'intensité lumi- neuse. Une considération importante dans la conception des lampes à vapeur de sodium haute pression est le paramètre de "charge de la paroi" Le chargement de la paroi est un paramètre de la lampe mesuré en puissance par unité de sur- face (par exemple, en watts par centimètre carré) C'est la puissance fournie à la lampe divisée par la surface de la paroi intérieure du tube à arc C'est un paramètre impor- tant car il a un effet important sur la température de la paroi du tube à arc On peut encore en apprécier l'impor- tance par le fait que c'est la température de la paroi du tube à arc qui possède un impact important sur l'efficaci- té globale de la lampe, mesurée en lumens par watt En con- séquence, il est hautement souhaitable de concevoir des lampes à vapeur de sodium haute pression capables de main- tenir une température prédéterminée optimale de la paroi du tube à arc. Dans certaines autres lampes, incluant plus parti- culièrement les lampes à incandescence, on utilise des re- vêtement réflecteurs des infrarouge (IR) pour réfléchir le rayonnement infra-rouge sur le filament de la lampe pour le maintenir à une température élevée sans avoir à fournir, pour ce faire, de l'énergie électrique supplémentaire Bien que ces revêtements tendent a réfléchir le rayonnement in- fra-rouge, ils transmettent néanmoins la lumière aux lon- gueurs d'ondes visibles Il apparaît qu'un inconvénient im- portant des lampes à incandescence ayant cette configuration est la nécessité critique de focaliser le rayonnement infra- rouge réfléchi dans le volume étroit occupé par le filament de la lampe. Dans un domaine non lié aux lampes à incandescence, J.F Weymouth et E F Wyner indiquent qu'on obtient une amé- lioration importante de l'efficacité des lampes à vapeur de sodium haute pression en utilisant des tubes à arc de grands diamètre (Voir "Analyses of factors affecting Efficacy of High pressure Sodium Lamps" (analyse des facteurs affectant l'efficacité des lampes à vapeur de sodium haute pression) par J F Weymouth et E F Wyner Journal of the IES, vol 10 No 4 page 237 ( 1981) Par exemple, les tubes à arc des lam- pes à vapeur de sodium haute pression classiques actuelles ont typiquement un diamètre interne de 5 à 7 mm environ. Leur diamètre interne de 10 à 18 mm environ peut accroître l'efficacité de lampe à vapeur de sodium, si l'on trouve des moyens pour maintenir les températures des parois des tubes à arc dans le domaine souhaité compris entre 1400 K et 1500 K environ La difficulté pour y parvenir vient du fait qu'un diamètre accru du tube signifie nécessairement- que la surface de la paroi intérieure du tube à arc est également accrue, d'une manière linéaire, avec le diamètre accru Cet accroissement de la surface de la paroi du tube à arc signifie une charge de paroi réduite Weymouth et Wyner proposent de résoudre ce problème en utilisant un tube à arc comprenant un matériau tel que l'oxyde d'yttrium qui a une émissivité plus faible que les tubes à arc classi- ques en alumine polycristalline, en particulier dans la ré- gion infra-rouge du spectre Cependant, l'utilisation d'o- xyde d'yttrium est coûteuse et par conséquent, l'utilisa- tion d'oxyde d'yttrium comme matériau de tube à arc n'est pas économique. Le brevet des EUA No 3 662 203 décrit une lampe à vapeur de sodium haute pression Ce brevet enseigne qu'il est souhaitable de disposer l'enveloppe extérieure près du tube à arc de sorte que le rayonnement infra-rouge issu de l'enveloppe extérieure soit rayonné à nouveau pour frapper le tube à arc afin de maintenir les températures du réser- voir Nécessairement, à cause des températures élevées ( 5000 C) régnantes, l'enveloppe extérieure doit se composer de verre de quartz coûteux De plus, ce brevet enseigne qu'il est souhaitable d'employer des tubes à arc ayant des diamètres intérieurs allant jusqu'à 25 mm Ces diamètres sont trop grands pour une production efficace de lumière dans les lampes à vapeur de sodium haute pression En outre, l'espace entre le tube à arc et l'enveloppe extérieure est suffisamment faible pour surchauffer les revêtement réflec- teurs des infra-rouges qui sont appliqué sur l'enveloppe extérieure. Le brevet des EUA N O 3 400 288 décrit une lampe à vapeur de sodium avec un revêtement réflecteur des infra- rouges Cependant ce brevet ne concerne que des lampes à vapeur de sodium basse pression pour lesquelles des varia- tions du diamètre du tube à arc ne provoquent pas de varia- tions de l'efficacité comparables à celles des lampes à va peur de sodium haute pression En bref, les mécanismes de production de la lumière sont différents De plus, ce bre- vet n'indique nulle part une quelconque appréciation du diamètre du tube à arc encore moins l'optimisation au moyen de variations du diamètre du tube à arc. Le brevet des EUA No 3 931 536 décrit une lampe à vapeur de sodium dans laquelle on utilise un réflecteur di- chrolque situé sur la partie extérieure de l'enveloppe ex- térieure pour réfléchir sélectivement un rayonnement ayant certaines longueurs d'ondes et transmettre un autre rayonne- ment Cependant, il n'y a aucune appréciation que l'on puisse utiliser ces revêtements dans des lampes ayant des tubes à arc de grand diamètre Egalement, il n'y a aucun enseigne- ment dans ce brevet d'une gamme voulue de diamètre internes du tube à arc. D'autres brevets d'intérêt général du domaine des lampes sont les brevets des EUA N O 3 221 198; 3 374 377; 3 325 662; 3 963 951; et 4 071 798 Certains de ces brevets montrent des revêtements réflecteurs utilisés dans des lam- pes à décharge, mais ces revêtements n'englobent pas ceux de la variété réflectrice des infra-rouges et transmettent la lumière visible. De plus on a décrit des films et épaisseurs de film optimaux pour les revêtements réflecteurs de la présente in- vention En particulier, on recommande -des films ayant une épaisseur de 150 30 manomètres. Le brevet des EUA No 3 949 259 décrit un filtre transmettant la lumière et thermiquement réfléchissant qui est supporté sur un substrat transparent et qui est à base d'oxyde d'indium dopé à l'étain. Dans la discussion suivant l'article "Heat Conserva- tion System for Arc Lamps" (système pour la conservation de la chaleur dans les lampes à arc) de C S Liu dans l'édition de Juillet 1979 du Journal of the IES (page 220) J G Bok conclut qu'il n'est pas possible de fabriquer une lampe à décharge de haute intensité plus efficace en utilisant une couche réflectrice des infra-rouges Dans la même discussion, E F Wyner indique également des raisons pour ne pas utiliser des tubes à arc de plus petites dimensions. En bref, on voit qu'il est souhaitable d'accroitre l'efficacité des lampes à vapeur de sodium haute pression en augmentant le diamètre intérieur du tube à arc; mais on voit également de façon concommittante que ceci se traduit par une charge de paroi réduite et une réduction réelle d'efficacité à moins de trouver des moyens pour compenser la température réduite de la paroi du tube à arc. Selon une réalisation recommandée de la présente invention, on revêt l'enveloppe extérieure d'une lampe à va- peur de sodium haute pression avec un matériau réfléchis- sant les infra-rouges Le revêtement réflecteur peut se com- poser d'un matériau tel que In 203 Sn ou Sn O 2:F ou d'autres matériaux convenables qui réfléchissent les infra-rouges mais transmettent la lumière visible Dans cette réalisation, le diamètre intérieur du tube à arc est compris entre l Omm environ et 18 mm environ La gamme recommandée pour le dia- mètre intérieur du tube à arc est de 12 mm environ à 14 mm environ Dans une autre réalisation de la présente invention, le revêtement réflecteur des infra-rouges est très transpa- rent aux longueurs d'ondes inférieures à 1 pm environ Dans encore une autre réalisation recommandée, l'enveloppe exté- rieure est de forme approximativement cylindrique afin de se conformer à la forme du tube à arc lui-même. En conséquence la présente invention a pour but d'accroître l'efficacité des lampes à vapeur de sodium haute pression; de maintenir la température de la paroi du tube à arc d'une lampe à vapeur de sodium haute pression à ou près d'une température optimale; de fournir une lampe haute pression avec une charge de paroi réduite; de fournir une lampe ayant un revêtement réflecteur des infra-rouges sur l'intérieur de l'enveloppe extérieure afin de faciliter l'utilisation d'alumine polycristalline classique comme matériau du tube à arc. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue de côté partiellement en coupe d'une lampe selon une réalisation recommandée de l'inven- tion; et Figure 2, un graphe de l'efficacité en fonction du diamètre du tube à arc. La figure 1 représente une réalisation d'une lampe selon l'invention La lampe comprend un tube à arc cy- lindrique 20 contenant un milieu de décharge ionisable, tel que du sodium métallique ou autre métal alcalin Le tube à arc 20 se termine par des capuchons d'extrémité conducteurs 22 et 24 qui forment un joint étanche au gaz La tube à arc a de préférence un diamètre interne compris entre 10 mm environ et 18 mm environ et de préférence compris entre 12 et 14 mm environ La dimension du tube à arc est importante pour obtenir lés résultats voulus. Le tube à arc est mécaniquement supporté dans l'en- veloppe intérieure il par l'électrode de conduction 16 et aussi indirectement par l'électrode de conduction 18 qui fournit du courant électrique au tube à arc par le capuchon d'extrémité 22 Pour le support mécanique, une partie de l'électrode 18 est entourée autour du téton 17 de l'envelop- pe extérieure 11 Pour fournir un moyen de compensation de la dilatation thermique, on utilise une barrette souple de support 19 pour relier l'électrode 18 au capuchon d'extré- mité 22 afin d'effectuer à la fois une liaison mécanique et électrique La lampe peut être aussi pourvue avec un culot 12272 à vis Edison classique 14 De plus, l'espace 15 entre l'en- veloppe extrême 11 et le tube à arc 20 est de préférence sous vide Cependant, on peut également utiliser des gaz inertes comme l'argon. On notera particulièrement le revêtement réflecteur des infra-rouges 30 déposé sur la paroi intérieure de l'en- veloppe extérieure cylindrique 11 Ce revêtement qui peut comporter un ou plusieurs de ces matériaux, plus particuliè- rement décrits ci-dessus, agit essentiellement pour laisser passer le rayonnement de longueurs d'ondes visibles tout en réfléchissant le rayonnement infra-rouge sur le tube à arc On a indiqué précédemment que l'emploi de ces revêtements réflecteurs ne serait pas utile pour améliorer l'emploi de lampes à vapeur de sodium haute pression Cependant, ils sont néanmoins efficaces dans les cas o le diamètre du tu- be à arc 20 est accru Cette augmentation du diamètre du tu- be à arc est faite pour accroître l'efficacité de la lampe mais à moins de prendre certaines mesures pour compenser la charge de paroi réduite, qui résulte de l'augmentation de la surface de la paroi intérieure du tube à arc, augmen- ter le diamètre intérieur du tube à arc n'améliore pas, par lui-même l'efficacité de la lampe Selon la présente inven- tion, le revêtement réflecteur des infra-rouges agit pour focaliser et réfléchir le rayonnement infra-rouge sur la paroi du tube à arc, la maintenant ainsi à une température de 1400 K environ à 1500 K environ Dans la présente inven- tion, ceci est fait sans utilisation coûteuse de tubes à arc en oxyde d'yttrium De plus, dans la présente invention, le tube à arc 20 est fait d'alumine classique. Comme également indiqué sur la figure, l'enveloppe extérieure 11 a typiquement une forme cylindrique pour plus ou moins se conformer à la forme cylindrique du tube à arc Ceci s'oppose à l'enveloppe extérieure ovoïde classique- ment utilisée, que l'on peut aussi utiliser mais qui n'est pas aussi efficace. L'étendue du revêtement réflecteur des infra-rouges de préférence,comprend pratiquement toute la paroi de l'en- veloppe extérieure qui est coaxiale avec le tube à arc Ce- ci assure qu'une quantité maximale de rayonnement infra-rou- ge réfléchi atteind la paroi du tube à arc, maintenant donc sa température. Le revêtement réflecteur des infra-rouges réfléchit de préférence vers le tube à arc 20 pratiquement tout rayon- nement électromagnétique ayant une longueur d'onde supérieu- re à 3 pm Ceci assure le passage de la lumière visible sou- haitable et l'utilisation du rayonnement infra-rouge qui est produit par la lampe pour maintenir la température appro- priée de la paroi du tube à arc, en dépit du plus grand dia- mètre intérieur du tube à arc lui-même. Du fait que le revêtement réflecteur des infra-rou- ges peut être endommagé par un excès de chaleur, il est sou- haitable d'espacer lé tube à arc 20 de l'enveloppe extérieu- re 11 La distance souhaitée entre ces deux structures est d'au moins 10 mm. La figure 2 illustre la variation approximative de l'efficacité de la lampe, mesurée en lumens par watt, en fonction du diamètre intérieur du tube à arc Cependant, on notera que la courbe représentée figure 2 ne reflète pas la variation de l'efficacité dans des lampes avec un revêtement réflecteur Néanmoins, dans la présente invention, l'inter- valle recommandé pour de paramètre est compris entre 12 mm et 14 mm, un intervalle de 10 mm à 18 mm étant également presque aussi souhaitable. On fait de préférence fonctionner la lampe à vapeur de sodium haute pression à une pression interne de sodium comprise entre 1329 pa ( 10 torr) et 13289 pa ( 100 torr) en- viron Aussi, la lampe peut contenir du xénon comme gaz d'amorçage à une pression à température ambiante comprise entre 1329 Pa ( 10 torr) et 26579 ( 200 torr) environ On peut également ajouter du mercure de façon à maintenir une pres- sion de vapeur de mercure comprise entre 66447 ( 500 torr) et 199342 Pa ( 1500 torr) dans les conditions de fonction- nement. De ce qui précède on notera que la lampe de l'inven- tion fournit une source lumineuse très efficace On a égale- ment vu que la charge de paroi réduite des lampes à tube à arc de grand diamètre est amplement compensée par le revê- tement réflecteur des infra-rouges On a vu aussi que le rayonnement infra-rouge, qui compte pour une part importan- te de la puissance d'entrée pour le rayonnement de lampes à décharge de haute intensité, est efficacement utilisé pour maintenir le tube à arc à une température appropriée. R E V E N D I C A T I O N S 1 Lampe à vapeur de métal haute pression caracté- riséeen ce qu'elle comprend un long tube à arc, sous pression, transmettant la lumière visible ( 20) ayant des électrodes ( 16,18) disposées à ses extrémités opposées et un diamètre intérieur compris entre 10 et 18 mm; un composé de métal alcalin ionisable disposé dans ce tube à arc, et une enveloppe extérieure ( 11), sous vide, transmettant la lumière visible entourant le tube à arc et portant un revêtement réflecteur des infra-rouges ( 30), grâce à quoi le rayonnement infra- rouge est réfléchi vers le tube à arc. 2 Lampe selon la revendication 1 caractérisésen ce que le métal alcalin est le sodium. 3 Lampe selon la revendication 1 caractériséeen ce que le tube à arc possède un diamètre intérieur compris en- tre 12 et 14 mm. 4 Lampe selon la revendication 1 caractériséeen ce que le revêtement réflecteur des infra-rouges réfléchit les rayonnements électromagnétiques ayant une longueur d'onde supérieure à 3 pm. Lampe selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour mécaniquement supporter le tube à arc dans l'enveloppe et compenser la dilatation thermique du tube à arc. 6 Lampe selon la revendication 1 caractérisée en ce que le tube à arc et l'enveloppe sont cylindriques.