Brevet FR2522441A1 — publié le 19830902

L'invention concerne des lampes fluorescentes et, plus particulièrement, des lampes fluorescentes contenant un tube intérieur à décharge en arc L'invention concerne égale- ment une lampe à combinaison fonctionnant par fluorescence et par décharge en arc dont le flux lumineux, notamment en ce qui concerne la couleur, peut varier entre la lumière émanant de l'arc et la lumière émanant du luminophore. La plupart des besoins actuels sont assurés par des lampes à incandescence peu efficaces Le prix des lampes à incandescence est relativement peu élevé, et elles sont fabri- quées en grandes quantités en faisant appel à une technologie connue; mais le coût croissant de l'énergie électrique a récem- ment modifié la situation économique Si l'on considère notam- ment le coût de fonctionnement des lampes à incandescence et leur durée de vie relativement courte, on peut estimer que ce ne sont pas des lampes économiques dans certains cas, surtout si on les capare à des lampes à rendement élevé et longue durée de vie Différentes conceptions et géométries ont été étudiées afin d'assurer les besoins en lampes hautement efficaces à longue durée de vie. Les lampes classiques, avec rayonnement visible formé à partir d'un revêtement luminophore à l'intérieur d'un tube à décharge sous vide partiel, sont efficaces et ont une longue durée de vie; mais elles n'ont pas la géométrie néces- saire pour une utilisation avec des montages et luminaires classiques. Il existe une lampe potentielle de remplacement, la lampe à champ électrique solenoldal, dont le fonctionnement est similaire à celui d'une lampe fluorescente, mais dans la quelle un ballast électronique commande un noyau de ferrite placé dans un milieu a décharge en arc, afin de former un rayonnement ultraviolet qui heurte le revêtement luminophore de la paroi du tube, ce qui permet d'obtenir le rayonnement souhaité Ces lampes sont petites, compactes et avec un bal- last électronique approprié peuvent aisément remplacer les lampes à incandescence classiques dans la plupart des montages. Il ne s'agit toutefois pas d'une lampe à arc avec source principale de lumière provenant d'une décharge en arc; il s'agit plutôt d'une lampe fluorescente dont la source de lu- mière principale est le rayonnement issu d'un matériau lumi- nophore. Une autre possibilité importante de remplacement - des lampes à incandescence est la lampe HARLAC développée par la demanderesse HARLAC est une marque de fabrique de la Com- pagnie General Electric, Cleveland, Ohio Il s'agit d'une lampe dont la sortie lumineuse n'est dûe qu'au rayonnement électromagnétique visible dans le tube à décharge lui-même, ce tube étant entouré d'une ampoule extérieure de protection et d'isolation thermique Dans la lampe HARLAC, le spectre de couleur nominal en sortie n'est fonction que des éléments constituant le tube à arc et des conditions de fonctionnement dans ce tube. Une autre possibilité récente de remplacement des lampes à incandescence est donnée par les lampes à décharge "repliées"; il s'agit d'une lampe fluorescente classique dont le tube à décharge est replié ou configuré de manière à défi- nir un long trajet de décharge. La demande de brevet E U A 288 822, décrit une lampe fluorescente compacte à excitation par arc Dans cette demande on décrit la combinaison d'une lampe fluorescente et d'une lampe à décharge en arc dont la configuration, très avantageuse, permet d'isoler physiquement et de séparer le luminophore du plasma de l'arc de décharge lui-même On uti- lise notamment dans cette lampe des halogénures d'argent, de rhénium et de cuivre pour obtenir le rayonnement ultraviolet utile Dans la présente invention, on utilise un mélange d'halogénures de thallium et de mercure pour produire le flux lumineux d'un tube à arc dont les propriété spectrales sont très différentes de celles obtenues avec la lampe décrite dans la demande ci-dessus Dans la présente invention ce sont les propriétés spectrales, particulières et originales, du flux lumineux du tube à arc qui en permettent l'utilisation avec certains matériaux luminophores, de sorte que l'on puis- se fabriquer une lampe avant un excellent rendu de la couleur. On sait, par exemple, qu'un arc dans de l'iodure de thallium- mercure a une coloration verte se situant à environ 535 nano- mètres Cependant une lampe présentant cette coloration ne se- rait toutefois pas acceptable pour remplacer une lampe à in- candescence L'arc dans de l'iodure de thallium-mercure n'est donc pas en lui-même un matériau suffisamment utile pour des lampes d'application générale. Dans un article de Reiling paru dans le "Journal of the Optical Society of America" ( 1964), volume 54, page 532, il est dit, et cela a été confirmé par la présente invention, qu'on peut obtenir un rendement pouvant atteindre environ lumens par watt dans un tube à arc à iodure de thallium/ mercure Le rayonnement lumineux émanant de cette décharge se situe pratiquement entièrement aux environs de 535 nanomètres et est défini par les modifications d'état de transition dans l'atome de thallium Cependant la présente invention a mis en évidence que le flux lumineux rayonné à 352 et 378 nanomètres plus d'autres rayonr Ments ultraviolets est égal ou supérieur au flux lumineux de la lumière verte de 535 nanomètres L'inven- tion tire avantage de ces autres émissions spectrales du rayonnement dû au thallium pour exciter un ou plusieurs revê- tements luminophores placés sur une ampoule extérieure entou- rant le tube à arc qui fournit le flux lumineux rayonné basé sur le thallium Il s'agit donc d'une lampe originale dans laquelle on obtient des quantités de lumière émanant de l'arc et du luminophore qui sont comparables, à l'opposé des lampes fluorescentes classiques ou des lampes au mercure corrigées en couleur précédemment utilisées. Pour permettre la comparaison, on rappellera que les sources lumineuses les plus efficaces actuellement dispo- nibles, sont les lampes à décharge dans du sodium à basse pression qui sont des sources monochromatiques fonctionnant avec des rendements de l'ordre de 175 lumens par watt Par ailleurs, les lampes à décharge en arc dans du sodium haute pression ont un rendu des couleurs relativement mauvais et fonctionnent avec un rendement de 125 lumens par watt environ. Enfin, les lampes à décharge en arc dans du mercure avec un halogénure métallique présentent un bon rendu des couleurs et ont un rendement pouvant atteindre 110 lumens par watt environ Malgré le prix sans cesse croissant de l'énergie électrique qui s'accompagne de moindres exigences en ce qui concerne la couleur, une lampe efficace à longue durée de vie reste, néanmoins, fortement souhaitable si elle possède de bonnes caractéristiques de-rendu de la couleur Des essais et calculs concernant la lampe conforme à l'invention indi- quent un rendement pouvant atteindre 135 ou 140 lumens par watt, avec la possibilité qu'une optimisation ultérieure quant à la température et aux proportions des matériaux pour- rait vraisemblablement augmenter le rendement jusqu'à environ lumens par watt En outre, bien que le tube à arc de la présente invention contienne un ou plusieurs halogénures mé- talliques, ces derniers ne réagissent pas chimiquement avec les composants de ce tube à arc, et en conséquence la présen- te invention a comme avantage significatif une longue durée de vie de lampe. Selon une réalisation recommandée de la présente invention, une lampe fluorescente à décharge en arc comporte un tube à arc étanche aux gaz, transmetteur de lumière ultra- violette, avec des électrodes placées à ses extrémités oppo- sées La lampe comporte, de plus, une enveloppe extérieure entourant le tube à arc et transmettrice de lumière visible. Cette enveloppe a un revêtement luminophore, et des conduc- teurs électriques de raccordement aux électrodes du tube à arc la traversent Enfin, dans le tube à arc, se trouve un milieu de décharge vaporisable qui est fait d'un mélange de mercure et d'halogénure de thallium Dans une réalisation recommandée, l'halogénure utilisé est de l'iodure de thallium. On peut, de plus, augmenter le rendement de la lampe en ajoutant de l'iodure de sodium dans le milieu de décharge Et, pour un meilleur rendu de la couleur du flux du tube à arc, on peut également inclure dans le milieu de décharge une cer- taine quantité d'un halogénure d'indium tel que de l'iodure d'indium. L'invention a donc pour objet d'améliorer le rende- ment avec une meilleure traduction de la couleur, dans une lampe fluorescente à décharge en arc. L'invention a également pour objet la réalisation d'une lampe ou source lumineuse pouvant remplacer la lampe à incandescence classique tout en ayant un meilleur rendement et une plus longue durée de vie. Enfin, l'invention a pour objet la réalisation d'une lampe dans laquelle on obtient aisément un bon compro- mis entre le rendement de la lampe et les caractéristiques de rendu de la couleur. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent: Figure 1, une vue en élévation latérale et coupe par- tielle d'une lampe conforme à l'invention, et Figure 2, une vue en élévation latérale et coupe par- tielle du tube à arc représenté figure 1. On a représenté figure 1 une réalisation de la présente invention dont l'ampoule extérieure 12 et le tube à arc 20 ont la forme et les dimensions générales de la lampe HALARC précédemment mentionnée On peut toutefois donner à la lampe conforme à l'invention une large gamme de dimensions et formes. L'ampoule extérieure ou enveloppe 12 de la lampe 10 représentée figure 1 porte un revêtement luminophore inté- rieur 14 L'ampoule extérieure 12 est de préférence étanche aux gaz, et elle transmet la lumière visible L'ampoule exté- rieure peut être fixée au culot 17 en utilisant un procédé classique de scellement du verre. L'enveloppe 12 entoure un tube à arc 20 qui est plus particulièrement décrit en se référant à la figure 2 Le tube à arc 20 constitue une source de rayonnement sur des longueurs d'onde spécifiques qui se situent généralement entre 350 et 660 nanomètres Selon la température de fonctionnement de la lampe, le tube à arc 20 peut être en verre relativement dur ou relativement doux Ce tube est supporté dans l'ampoule 12 au moyen de conducteurs d'électrode rigides 18 et 19 que l'on a représenté fiqure 1 Les conducteurs 18 et 19 sont électri- quement et mécaniquement reliés aux conducteurs 16 qui tra- versent le culot 17 Dans une réalisation recommandée, l'am- poule 12 comporte un culot en verre épais 17 traversé par les conducteurs 16 et qui sert aussi de support stable pour fixer le tube à arc 20 dans l'ampoule 12 Comme il est bien connu de la technique, les conducteurs 16 sont constitués ou sont revêtus par une composition métallique à laquelle on peut ai- sément faire adhérer le verre du support 17 On peut donc, de la sorte, garantir l'étanchéité aux gaz de l'enveloppe exté- rieure 12 Comme il est connu également de la technique, les conducteurs 16 sont couplés à un ballast électronique appro- prié qui fournit la tension d'amorçage et de fonctionnement de la lampe. On a représenté de manière plus détaillée figure 2 le tube à arc 20 qui est constitué par un tube à arc 22 étanche aux gaz et transmetteur de lumière, avec à chaque extrémité, une électrode 24 De préférence, le tube à arc transmet la lumière qui se situe dans les longueurs d'onde comprises entre 350 et 660 nanomètres Les extrémités actives des électrodes 24 peuvent constituer des élargissements des tiges de l'électrode ou peuvent prendre d'autres formes, par exemple, celle d'un court enroulement en spirale entourant les extrémités des tiges d'électrode comme il est classique dans les lampes à décharge de forte intensité Pour former un scellement étanche aux gaz, une partie des conducteurs 18 et 19 est consituée par une plaquette métallique 21 tout par- ticulièrement choisie pour former une liaison étanche aux gaz et adhésive à la fois avec le métal des conducteurs d'élec- trode et avec le verre du tube à arc La plaquette 21 est faite classiquement de molybdène. Une caractéristique importante de la lampe conforme à l'invention est la présence, dans le tube à arc, d'un mi- lieu de décharge vaporisable particulier Dans la lampe con- forme à l'invention notamment, ce milieu est constitué par un mélange de mercure et d'halogénure de thallium tel que l'iodure de thallium Par exemple, ce milieu peut être intro- duit dans le tube à arc 20 sous forme d'une pastille 30 d'io- dure de thallium avec une gouttelette 6 de mercure Le spec- tre lumineux particulier de ce milieu est caractérisé en ce qu'il présente une forte raie spectrale à 535 nanomètres (lu- mière verte) On a également trouvé que ce milieu de décharge présente aussi un flux lumineux rayonné élevé à 352 et 378 nanomètres plus d'autres rayonnements du spectre proches de l'ultraviolet, ces rayonnements étant égaux ou supérieurs à ceux qui se situent à 535 nanomètres En conséquence, confor- mément à l'invention, on place de préférence un revêtement luminophore 14 sur l'ampoule 12 afin d'obtenir une lumière pratiquement "blanche" Puisqu'il n'existe pas une seule lon- gueur d'onde de lumière complémentaire à la lumière à 535 na- nomètres de manière à obtenir cette lumière blanche, on re commande l'utilisation, si l'on souhaite de bonnes caracté- ristiques de rendu de la couleur, de luminophores émettant dans la région bleue du spectre à environ 450 nanomètres et dans la région rouge à environ 610 nanomètres On peut placer en plus ou en variante une petite quantité d'iodure d'indium dans le tube à arc afin que ce dernier émette lui-même un rayonnement de couleur bleue Si l'on souhaite optimiser, non les caractéristiques de rendu de la couleur, mais le rendement de la lampe, il est recommandé d'utiliser un luminophore émet- tant entre 560 et 610 nanomètres et/ou de l'iodure de sodium comme élément rayonnant du tube à arc. Conformément à l'invention, le tube à arc 20 con- tient donc également une petite quantité de mercure, sous for- me, par exemple, de la goutte 26 placée dans ce tube La quan- tité de mercure choisie est généralement suffisante pour main- tenir une pression de vapeur partielle de mercure de l'ordre de 0,1 à 20 bars aux températures de fonctionnement En outre, dans la lampe conforme à l'invention, on ajoute une quantité d'halogénure de thallium en fonction du volume, suffisante pour obtenir une pression de vapeur partielle de l'ordre de 0,0013 à 0,13 bars environ, qui correspond à des températures de fonctionnement du réservoir se situant entre 500 et 9000 C environ Ces quantités sont notamment comprises entre 0,05 mg/cm 3 et 2 mg/cm 3 du volume du tube à arc On choisit la quantité de mercure à ajouter de manière à obtenir une pression de vapeur de mercure partielle comprise entre 0,1 et 20 bars environ Il est de plus également souhaitable d'in- troduire de petites quantités d'argon ou d'un autre gaz rare dans le tube à arc afin de faciliter l'amorçage de la lampe. Mais ces gaz rares peuvent être ajoutés à d'autres fins en quantité dépendant de la fonction souhaitée Pour l'argon et comme il est classique, on utilise des pressions de vapeur de l'ordre de 0,0026 à 0,13 bars pour améliorer les caractéris- tiques d'amorçage de la lampe. Dans la présente lampe, il est souhaitable puisque reflux lumineux de l'arc a une raie spectrale verte significa- tive, pour de bonnes caractéristiques de traduction de la couleur, de prévoir, sur l'ampoule extérieure, des revêtements luminophores émettant un rayonnement bleu sur des longueurs d'onde de l'ordre de 460 nanomètres et un rayonnement rouge sur des longueurs d'onde de l'ordre de 610 nanomètres En conséquence, on recommande l'utilisation de systèmes lumino- phores doubles, notamment dans le cas o l'on n'utilise pas d'iodure d'indium dans le tube à arc pour obtenir le rayon- nement bleu En particulier, le vanadate d'yttrium dopé à l'europium (YVO 4:Eu) est intéressant dans la lampe conforme à l'invention puisqu'il émet sur 610 nanomètres Ce lumino- phore est également utilisé dans les lampes au mercure corrigées en couleur Mais, son spectre d'excitation ne cor- respond pas idéalement au flux lumineux ultraviolet du aux transitions d'état électroniques du thallium Par suite, d'autres luminophores activés à Eu+++, tels que les borates, les aluminates, les silicates et les phosphates sont aussi souhaitables comme luminophores utiles dans la présente in- vention Les luminophores activés au dysprosium fournissent également un rayonnement dans les régions rouge et bleue du spectre Cependant on notera que le rayonnement ultraviolet du thallium est à une longueur d'onde considérablement plus élevée que le rayonnement de résonance du mercure à 254 et nanomètres Par suite, la perte quantique de la conversion du rayonnement ultraviolet en lumière visible, à l'aide de luminophores, est bien moindre que dans le cas du mercure, de sorte que l'on peut atteindre des rendements inhabituels aussi élevés que 150 lumens par watt ou plus. Lors d'une vérification des principes de base de l'invention, on a essayé un milieu vaporisable constitué par du mercure et de l'iodure de thallium On a obtenu un rende- ment de 110 lumens par watt dans la région verte du spectre. On a par ailleurs, démontré par calcul qu'en utilisant, comme luminophore, du vanadate d'yttrium dopé à l'europium, en combinaison avec ce tube à arc et ce milieu ionisable, on obtenait 25 lumens par watt supplémentaires, du fait de la conversion du rayonnement ultraviolet du tube à arc à 352 et 378 nanomètres en rayonnement à 610 nanomètres émanant du lu- minophore Ces résultats démontrent que la lampe conforme à l'invention, telle que décrite par cet exemple de réalisation, a un rendement de 135 lumens par watt, tout en donnant une lumière dont la couleur n'est que légèrement différente du blanc On peut compter, de plus, sur un rendement de l'ordre de 150 lumens par watt en optimisant le volume du tube à arc, la température de fonctionnement et la composition des cons- tituants. Lors d'autres vérifications des principes de l'in- vention, on a fabriqué un tube à arc dont le milieu de dé- charge vaporisable était constitué par du mercure, de l'iodu- re de thallium et de l'iodure de sodium Dans ce tube on a mesuré un rendement de 63 lumens par watt du au rayonnement du thallium à 535 nanomètres et de 56 lumens par watt dûi au rayonnement du sodium à 590 nanomètres Un rendement supplé- mentaire de 3 lumens par watt était d aux constituants sup- plémentaires rayonnant entre 390 et 510 nanomètres L'effet résultant de ces trois constituants du rendement ( 63 lumens, 56 lumens et 3 lumens par watt) conduit à un rendement glo- bal de 122 lumens par watt, ce chiffre ayant été confirmé par mesure Donc, sans faire état des contributions possibles dans la région ultraviolette, on peut estimer que le tube à arc de la lampe conforme à l'invention fournit, par lui-même, un rendement de l'ordre de 120 lumens par watt Mais, pour un rendu correct de la couleur, il est généralement souhaitable d'utiliser un ou plusieurs luminophores sensibles au rayonne- ment ultraviolet du thallium entre 350 et 390 manomètres, afin de reformer un rayonnement visible aux alentours de 610 nanomètres et obtenir une coloration rouge d'équilibrage Les calculs démontrent que, dans ces conditions, un revêtement luminophore peut avoir une contribution de 20 lumens supplé- mentaires par watt, ce qui donne à la lampe un rendement global de 140 lumens par watt, avec de bonnes caractéristi- ques de rendu de la couleur, et avec la possibilité de porter, 252244 1 par optimisation, ce rendement à 150 lumens par watt. De ce qui précède, on peut déduire que l'invention permet d'obtenir une lampe à rendement élevé et longue durée de vie, pouvant remplacer la classique lampe à incandescence. On peut voir, de plus, que les constituants du tube à arc peuvent être choisis, à l'intérieur de gammes spécifiques, pour fournir la possibilité au choix d'un compromis entre le rendement et un meilleur rendu de la couleur On remarquera, en outre, que la lampe conforme à l'invention est originale, puisqu'il s'agit d'une lampe combinée à tube à arc et fluo- rescence, combinant les meilleurs caractéristiques de chaque type, et dans laquelle le matériau luminophore est isolé de la décharge en arc On dispose donc d'une large gamme pour le choix des matériaux luminophores utilisables sur l'ampoule extérieure, et on élimine, de plus, toute possibilité de réaction entre le luminophore et le tube à arc lui-même Enfin, bien qu'on utilise, dans la lampe conforme à l'invention, un ou plusieurs halogénures métalliques, ces halogénures ne réa- gissent pas chimiquement avec les composants du tube à arc, et par conséquent on obtient une lampe à durée de vie exception- nelle. Il est bien entendu que la description qui précède a été faite à titre d'exemple non limitatif, et que des va- riantes peuvent être envisagées sans, pour cela, sortir du cadre de l'invention et des revendications annexées. REVENDICATIONS 1 Lampe fluorescente à décharge en arc, caractéri- sée en ce qu'elle comporte un tube à arc ( 20,22) étanche aux gaz, transmet- teur de lumière ultraviolette et visible, pourvu d'électro- des ( 24) placées à chacune de ses extrémités, une ampoule extérieure ( 12) transmettrice de lu- mière visible qui entoure le tube à arc ( 22), cette ampoule portant au moins un revêtement luminophore ( 14) sensible à la lumière ultraviolette, et étant pourvue de conducteurs électriques ( 16) qui la traversent et sont reliés ( 18, 19) aux électrodes du tube à arc, et un milieu de décharge vaporisable placé dans le tube à arc, ce milieu étant un mélange de mercure ( 26) et d'halogénure de thallium ( 30). 2 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'halogénure est de l'iodure de thallium. 3 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le milieu de décharge contient, de plus, de l'iodure de sodium. 4 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le luminophore contient du vanadate d'yttrium dopé à l'europium. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le luminophore contient un luminophore choisi dans le groupe des borate, aluminate, silicate et phosphate dopés à l'europium. 6 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le luminophore contient un luminophore dopé au dyspro- sium. 7 Lampe selon la revendication 1, caractérisé en ceque le milieu de décharge contient en outre de l'iodure d'indium.