Brevet FR2521979A1 — publié le 19830826

On connait depuis un certain temps les verres d'alumino- silicates utilisés comme enveloppe pour les lampes à incandes- cence fonctionnant à des températures de 500 C et plus De même on connait bien les verres d'aluminosilicates appropriés pour un scellement hermétique direct avec le molybdène pour la fabrication d'autres dispositifs électriques tels que les tubes électroniques Bien que les verres de l'art antérieur permettent un fonctionnement de lampe aux températures élevées souhaitées, on rencontre encore de nombreux problèmes à la fois pendant la fabrication et pendant le fonctionnement ultérieur des lampes avec les verres actuels Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 310 413 décrit un verre d'aluminosilicates constitué essen- tiellement en pour cent en poids par: 53,5 à 59,5 % de Si O 2, 13-16,5 % de A 1203, 4-9 % de B 203, 8,5-15 % de Ca O, 0,5-0 % de Mg O et 5,5-11,5 % de Ba O, qui a une température de liquidus inférieure à environ 1125 C et une viscosité d'environ 30 000 poises ou plus à cette température pour empêcher la dévitrification du verre quand on le scelle directement au molybdène On attribue l'amélioration souhaitée à la faible teneur en Mg O tandis que la faible viscosité indésirable à la température de liquidus résulterait d'un excès de Si O 2, A 1203, Mg O, Ca O ou Ba O comme de quantités moindres de Si O 2, A 1203, B 203, Ca O ou Ba O On pense qu'il est nécessaire d'avoir une teneur en Mg O comprise dans la gamme 1-4 % pour obtenir un coefficient de dilatation thermique linéaire de 46 x 10 7 cm/cm/ C entre O et 300 C Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 302 250 décrit un verre d'aluminosili- cates utilisable dans les lampes à halogène-tungstène qui deman- dent un scellement hermétique direct aux conducteurs d'entrée en 2521979- molybdène, constitué essentiellement de 64-68 % de Si O 2, 11-14 % de Ca O, 16,5-18,5 % de A 1203 et 2-6,5 % de Sr O + Ba O consistant en 0-4 % de Sr O et 0,5 % de Bao On demande de plus que ce verre présente une température de liquidus en dessous de 13000 C avec une viscosité de 30 000 poises à cette tempéra- ture pour éviter la dévitrification du verre quand on forme initialement le tube en verre utilisé dans la fabrication des lampes Un point de déformation d'au moins 7500 C est aussi nécessaire pour éviter les contraintes dans les scellements verre-métal pendant le fonctionnement de la lampe On a besoin d'un peu de Ba O dans ce verre pour éviter des températures de liquidus excessives bien qu'une quantité supérieure à 5 % en poids donne des points de déformation trop bas et des coeffi- cients de dilatation thermique trop élevés. On a découvert qu'on améliorait à la fois la fabrication et le fonctionnement des lampes à incandesoe=e ayant des tempé- ratures d'utilisation de 5000 C et plus et qui comportent un scellement hermétique direct au molybdène en utilisant une com- position de verre particulière constituée essentiellement par des oxydes avec les pourcentages en poids approximatifs suivants: 52-60 % de Si O 2, 11-17 % de A 1203, 11-16 % de Ba O, 8-12 % de Ca O et 3-7 % de B O 3 avec de faibles quantités d'impuretés éventuel- les, de fondants résiduels et d'agents d'affinage Ce verre permet un scellement aux conducteurs d'amenée à des températures plus basses ce qui contribue à éviter d'endommager ces parties métalliques On a aussi obtenu un rapprochement des coefficients de dilatation dans le scellement verremétal pour toute la gamme des températures de fonctionnement des lampes La teneur sensiblement plus élevée en Ba O dans le présent verre procure plusieurs avantages importants Il s'est avéré que la viscosité du verre à la température de liquidus augmente avec une teneur en Ba O plus élevée, ce qui permet de travailler le verre à des températures au-dessus de la température de liquidus à laquelle on rencontre un problème de dévitrification Egalement, on abaisse plus la température de liquidus avec le Ba O qu'avec les autres oxydes de métaux alcalino-terreux, diminuant encore plus ainsi l'apparition de la dévitrification quand on travaille le verre La teneur accrue en Ba O du verre élève en outre le point de ramollissement et le point de déformation si on compare à nouveau avec les autres oxydes de métaux alcalino-terreux con- tribuant ainsi à diminuer les contraintes du scellement tout en augmentant les températures de fonctionnement des lampes>spé- cialement des lampes à halogène à cycle régénératif. Dans une forme recommandée de lampe, on réalise une lampe à incandescence ayant une enveloppe de verre transparent, com- portant un filament incandescent résistif relié à deux conducteurs d'amenée en molybdène qui sont scellés hermétiquement à l'en- veloppe de verre et dans laquelle l'amélioration est constituée par une composition de verre qui comprend essentiellement des oxydes avec les pourcentages en poids approximatifs suivants 52-60 % de Si O 2, 11-17 % de A 1203, 11-16 % de Ba O, 8-12 % de Ca O et 3-7 % de B 203 avec de faibles quantités d'impuretés éventuel- les, de fondants résiduels et d'agents d'affinage, ce verre ayant une température de liquidus qui ne dépasse pas environ 11700 C, un point de ramolissement situé approximativement dans la gamme comprise entre 900-9300 C, un point de déformation situé appro- ximativement dans la gamme comprise entre 650-6800 C, un point de travail situé approximativement dans la gamme comprise entre 1180-12400 C et un coefficient moyen de dilatation thermique linéaire pour la gamme de température 0-3000 C compris entre -50 x 10 7 cm/cm/0 C On peut ajouter de faibles quantités de métaux alcalins à ce verre, jusqu'à environ 3 % en poids, pour réduire la tendance au recuit du verre quand on forme un joint hermétique pendant la fabrication des lampes à incandescence autres que les lampes à halogène à cycle régénératif pour les- quelles l'incorporation d'un oxyde de métal alcalin conduit à des difficultés de fonctionnement Dans ce dernier type de lampes à incandescence, on peut, cependant incorporer au présent verre des quantités facultatives d'ions absorbant les rayons ultraviolets jusqu'à environ 0,5 % en poids de sorte que l'on puisse envisager l'utilisation d'oxydes métalliques classiques tels que Ti O 2, Ce O 2, Sb 203 et'V 205. Dans une réalisation particulièrement recommandée d'une lampe à halogène à cycle régénératif de la présente invention, la lampe améliorée comporte une enveloppe en verre transparent, comportant un filament incandescent résistif relié à deux con- ducteurs d'amenée en molybdène qui sont scellés hermétiquement à l'enveloppe de verre, l'enveloppe de verre comportant une composition de verre qui comprend essentiellement des oxydes avec les pourcentages en poids approximatifs suivants 52-60 % de Si O 2, 11-17 % de A 1203, 11-16 % de Ba O, 8-12 % de Ca O et 3-7 % de B 203 avec de faibles quantités d'impuretés éventuelles, de fondants résiduels et d'agents d'affinage, ce verre ayant une température de liquidus inférieure à 11700 C, un'point de ramol- lissement situé approximativement dans la gamme comprise entre 9000 et 9300 C, un point de déformation situé approximativement dans la gamme comprise entre 6500 et 6800 C, un point de travail situé approximativement dans la gamme comprise entre 11800 et 1240 'C et un coefficient moyen de dilatation thermiquelinéaire pour la gamme de température de GO à 3000 C compris entre envi- ron 45 et 50 x 10 7 cm/cm/0 C, avec les conducteurs d'amenée en molybdène réunis à des conducteurs d'entrée de diamètre plus grand ayant des propriétés de dilatation thermique plus grandes dans la région du scellement hermétique Ces conducteurs de plus grand diamètre de la lampe perfectionnée servent à fournir des supports mécaniques adéquats à la lampe La réunion de conduc- teurs de différentes tailles à l'endroit du scellement herméti- que permet d'avoir un scellement hermétique sur seulement avec les conducteurs de diamètre plus petit puisqu'il n'est pas né- cessaire que les conducteurs de plus grand diamètre qui s'éten- dent à partir du joint et font saillie vers l'extérieur de l'enveloppe de verre de la lampe, soient hermétiquement scellés au verre Puisqu'on évite de cette manière le scellement direct des conducteurs de diamètre plus grand, il n'y a plus besoin que ces conducteurs de diamètre plus grand aient des propriétés de dilatation thermique appropriées pour le scellement direct à l'enveloppe de verre de la lampe et on peut utiliser des métaux moins coûteux que le molybdène pour ces composants. En conséquence, des alliages ferreux connus comprenant les alliages de type Kovar et d'autres métaux conducteurs utilisés maintenant comme matériaux pour les conducteurs des lampes à incandescence peuvent servir pour les conducteurs de plus grand diamètre de la présente lampe. La description qui suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue en perspective d'une réalisation recommandée d'une lampe à halogène à cycle régénératif selon la présente invention; figure 2, un graphique des dilatations thermiques dans la lampe. En liaison avec la figure 1, on a représenté en perspec- tive un agencement de lampe à cycle tungstène-halogène ayant deux filaments incandescents résistifs 12 et 14 hermétiquement en- fermés à l'intérieur d'une enveloppe transparente 16 en verre selon la présente invention Chacun des filaments 12 et 14 est relié à deux conducteurs 19-20 et 22-24, respectivement, avec les quatre conducteurs scellés hermétiquement à une extrémité de l'enveloppe en verre de la lampe de forme tubulaire On relie cependant l'extrémité la plus extérieure des conducteurs 18, 20, 22, 24 par des moyens classiques tels que le brasage ou la soudure à des conducteurs de plus grand diamètre 26, 28 et 32, respectivement, à l'endroit du scellement hermétique 34 de la lampe Par ce moyen on obtient un scellement direct pincé, étanche au vide des conducteurs intérieurs de plus petit diamètre 18 à 24 tout en procurant un support mécanique adéquat à l'ensemble de la lampe avec les extrémités non reliées des conducteurs de plus grand diamètre 26 à 32 faisant saillie vers l'extérieur de l'enveloppe de verre de la lampe Comme indiqué précédemment, ces conducteurs de diamètre plus grand ne se trouvent pas à l'intérieur de la véritable région de scellement et ne sont donc pas scellés hermétiquement à la lampe On a représenté dans cet agencement de lampe le remplissage clas- sique par gaz inerte qui peut comporter un halogène tel que l'iode, le brome ou un composé organo-halogéné volatile pour produire le cycle tungstène-halogène bien connu. Comme indiqué précédemment, un avantage important obtenu pendant la fabrication des lampes avec le présent verre a lieu quand on scelle le verre aux conducteurs en molybdène, c'est le ramollissement et le scellement du verre avant endommagement des conducteurs. Un autre avantage important obtenu par l'utilisation du verre de la présente invention dans la réalisation de lampe décrite ci-dessus est dû à un rapprochement des dilatations thermiques du verre et des conducteurs en molybdène scellés sur latotalité de la gamme des températures de fonctionnement de la lampe Plus particulièrement, on a représenté figure 2, un graphique comparatif des courbes de dilatation thermique du verre GE 174 de l'art antérieur utilisé commercialement pendant un certain temps pour ce type de lampe, du verre de la présente invention et d'un fil de molybdène Comme on peut le remarquer d'après ces courbes, le verre de la présente invention présente une dilatation plus proche de celle du fil de molybdène pour toute la gamme de température comparé au verre de l'art antérieur On peut particulièrement noter que l'écart est le plus grand pour des températures au-dessus de 300 'C ce qui indique une plus grande possibilité de fissuration ou de fuite dans la zone de scellement verre-métal quand on fabrique ce type de lampe de même que pendant son fonctionnement ultérieur. Les différentes compositions de verre selon la présente invention sont reportées dans le tableau I ci-dessous On peut étirer le verre sous forme de tubes en utilisant des procédés classiquesdans des fours de fusion dans lesquels ont lieu la fusion et l'homogénéisation On a reporté la composition chimique de ce verre en termes de teneur en oxydes en pourcen- tages en poids approximatifs ainsi que le point de déformation, TABLEAU 1 Exemple (% en poids) Si O 2 A 1203 Ba O Ca O B 203 F 2 so 3 Mg O Température de Liquidus ( C) Point de ramollissement (OC) Point de déformation (OC) Coefficient de dila- tation ( 0-300 c) -7 cm/cm/ C Point de travail ( C) GE 174 58,98 ,99 11,26 8,29 3,66 0,45 1,37 43,5 Nol 1 57,18 12,48 ,59 11,06 3,59 0,07 0,03 _ _ N 2 O 3 56,19 12,27 ,59 ,93 4,93 0,05 0,04 __ _ ,91 14,64 ,43 ,84 3,06 0,09 0,03 __ _ 1162 1105 1145 48,8 902 921 671 678 49,6 48,7 N 4 N 5 57,34 11,95 ,28 ,67 4,62 0,09 0,05 54,61 14,29 ,06 ,61 ,31 0,09 0,03 __ _ 1134 1086 1162 903 907 49,0 48,6 1205 1195 N. 6 54,93 14,38 14,83 ,47 ,31 0,06 0,02 _ _ 48,1 r Né ro on I-J o le point de ramollissement, la température de liquidus et le coefficient linéaire de dilatation thermique pour les caracté- ristiques physiques optimum pour les applications au scellement des lampes. On remarquera, d'après le tableau précédent, qu'on main- tient la température de liquidus des compositions qui y figurent en-dessous de 1170 'C en conservant la teneur en B 203, A 1203 et Ba O à l'intérieur des gammes spécifiées pour cette composition de verre. Il est évident au vu de la description ci-dessus qu'on a réalisé un nouveau verre de scellement pour les lampes à incan- descence qui offre des avantages significatifs pour le scelle- ment hermétique direct aux conducteurs d'amenée en molybdène. On remarquera aussi que l'on envisage d'apporter de légères modifications autres que celles déjà décrites aux compositions de verre de l'invention telles que l'incorporation facultative d'ions absorbant les ultraviolets, de Mg O ou même d'oxydes de métaux alcalins suivant l'application particulière de la lampe. Il est bien entendu que les divers types de lampes à incandes- cence n'utilisant qu'un seul filament peuvent aussi bénéficier de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Composition de verre de scellement de lampe pour scel- lement sur du molybdène, caractérisée en ce qu'elle comporte essentiellement les oxydes dont les pourcentages en poids sont approximativement les suivants: 52-60 % de Si O 2, 11-17 % d'A 1203, 1116 % de Ba O, 8-l 12 % de Ca O et 3-7 % de B 203 avec de faibles quantités d'impuretés éventuelles, de fondants résiduels et d'agents d'affinage, ce verre ayant une températurede liquidus qui ne dépasse pas environ 1170 C, un point de ramollissement situé approximativement dans la gamme comprise entre 900-930 C, un point de déformation situé approximativement dans la gamme comprise entre 650-680 C, un point de travail situé approxima- tivement dans la gamme 1180-1240 C et un coefficient moyen de dilatation thermique linéaire pour la gamme de température de O à 300 C compris entre 45-50 x 10-7 cm/cm/ C. 2 Composition de verre selon la revendication 1, caracté- risée en ce qu'elle contient en outre jusqu'à environ 3 % en poids d'un oxyde de métal alcalin. 3 Composition de verre selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il contient en outre jusqu'à environ 0,5 % en poids d'ions absorbant les rayons ultraviolets. 4 Lampe à incandescence améliorée ayant une enveloppe en verre transparente ( 16) qui comporte un filament incandescent résistif ( 12,14) relié à deux conducteurs d'amenée en molybdène ( 18, 20, 22, 24) caractérisée en ce que l'amélioration est constituée par une composition de verre qui comporte essentiel- lement les oxydes dont les pourcentages en poids sont approxima- tivement les suivants: 52-60 % de Si O 2, 11-17 % d'A 1203, 11-16 % de Ba O, 8-12 % de Ca O et 3-7 % de B 203 avec de faibles quantités d'impuretés éventuelles, de fondants résiduels et d'agents d'affinage, ce verre ayant une température de liquidus qui ne dépasse pas environ 1170 C, un point de ramollissement situé approximativement dans la gamme comprise entre 900-930 C, un point de déformation situé approximativement dans la gamme comprise entre 650-680 C, un point de travail situé approxima- tivement dans la gamme 1180-1240 'C et un coefficient moyen de dilatation thermique linéaire pour la gamme de température de O à 3000 C compris entre 45-50 x 10 7 cm/cm/0 C/ Lampe selon la revendication 4, caractérisée en ce que le verre contient en outre jusqu'à environ 3 % en poids d'un oxyde de métal alcalin. 6 Lampe selon la revendication 4, caractérisée en ce que le verre contient enoutre jusqu'à environ 0,5 % en poids d'ions absorbant les rayons ultraviolets. 7 Lampe selon la revendication 4, caractérisée en ce que la lampe à incandescence est une lampe à halogène à cycle régénératif. 8 Lampe selon la revendication 4, caractérisée en ce que les conducteurs en molybdène ( 15, 20, 22,24) sont reliés à des conducteurs d'entrée de diamètre plus grand ( 26, 28, 30, 32) qui ont des caractéristiques de dilatation thermique plus élevées dans la zone du scellement hermétique ( 34).