Brevet FR2530076A1 — publié le 19840113

_-1 _ "Lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression" L'invention concerne une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression comportant une enceinte à décharge en verre, dans laquelle se produit la décharge, lors du fonctionnement de la lampe, et qui contient du mercure et un gaz précieux, alors qu'au moins une partie de la paroi intérieure de ladite enceinte à décharge est munie d'une couche transparente continue, au moins pratiquement homogène, mince, qui résiste à l'action de la décharge. Dans les lampes à décharge dans la vapeur de mercure à bas- se pression, il est connu de prendre des dispositions pour contrecar- rer le noircissement de parties de la paroi intérieure d'une enceinte à décharge qui sont en contact avec la décharge Un tel noircisse- ment, qui se produit par interaction de mercure et de verre, est in- désirable et provoque non seulement une réduction du rendement lumi- neux mais également un aspect inesthétique de la lampe, notamment du fait que le noircissement se produit d'une façon irrégulière, par exemple sous forme de taches sombres ou de points sombres. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3,377,494 propose de munir la paroi intérieure de l'enceinte à décharge d'une couche transparente continue pratiquement homogène mince en dioxyde d'étain ou en dioxyde de zirconium, par exemple pour contrecarrer le noircis- sement de la paroi intérieure en verre de l'enceinte à décharge. Contrairement à une couche granuleuse protectrice consti- tuée par un oxyde métallique réfractaire (comme l'oxyde d'aluminium ou le dioxyde de silicium) qui est composée d'un très grand nombre de petites particules et qui doit être assez épaisse afin d'éviter l'in- teraction entre le mercure et la paroi du verre, dans-la lampe selon le susdit brevet des Etats-Unis d'Amérique, un contact direct entre la paroi en verre et la décharge de la vapeur de mercure est évité par la présence d'une couche transparente continue homogène mince. Conformément à l'invention, par suite de la présence de la couche transparente, il suffit d'utiliser, dans l'enceinte à décharge, une couche luminescente relativement mince permettant d'obtenir une éco- nomie notable de la quantité de matériau luminescent, comparativement aux lampes non munies d'une couche protectrice transparente. -2- On a constaté que notamment dans une couche transparente contenant du dioxyde de titane, le rayonnement ultra-violet d'une longueur d'onde jusqu'à environ 350 nm est absorbé dans une forte mesure; de plus, on a constaté que le rayonnement de résonance du mercure d'une longueur d'onde de 254 nm peut être absorbé à peu près complètement Cela est notamment désavantageux dans le cas d'applica- tion de la couche aux lampes n'émettant que du rayonnement desdites longueurs d'onde A titre d'exemples de telles lampes, on peut citer les lampes germicides et les lampes émettant un rayonnement ultra- violet de longueur d'onde relativement longue, comme les lampes des- tinées aux lits solaires. L'invention vise à fournir une lampe dans laquelle le noir- cissement et la décoloration de la paroi en verre de l'enceinte à décharge sont réduits au minimum alors que le rendement lumineux ou le rendement de rayonnement de la lampe reste à un niveau aussi élevé que possible pendant toute la durée de vie. Conformément à l'invention, une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression du genre mentionné dans le préam- bule est caractérisée en ce que la couche transparente contient au moins un oxyde d'yttrium, scandium, lanthane, gadolinium, ytterbium et/ou lutetium. Les susdits oxydes peuvent être appliqués d'une façon sim- ple sous forme d'une couche transparente homogène continue très mince sur la paroi en verre d'une enceinte à décharge Cela s'effectue par exemple par rinçage de l'enceinte à décharge avec un composé organo- métallique (comme un acétylacétonate) dans un solvant organique, de façon qu'après séchage et frittage, il se forme la couche désirée De plus, la couche peut être appliquée à l'aide d'un procédé selon le- e quel un composé métallique passe à l'aide d'un gaz transporteur (com- me l'air) et de chauffage par une enceinte à décharge et se dépose sur la paroi On a constaté que les couches des susdits oxydes résis- tent convenablement à l'action d'une atmosphère de mercure-gaz pré- cieux régnant dans l'enceinte à décharge d'une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression De plus, elles satisfont con- venablement aux exigences de perméabilité de la lumière et du rayon- nement Les oxydes conformes à l'invention constituent une sélection comprenant notamment plusieurs oxydes de métaux des terres rares Des 3- couches munies d'oxydes des métaux conformes à l'invention convien- nent particulèrement aux lampes à décharge-dans le mercure à basse pression, du fait qu'elles sont incolores et ne présentent guère d'absorption de rayonnement utile (comme rayonnement ultraviolet et de la lumière visible). Il y a lieu de noter que le brevet allemand 1 764 126 dé- crit une lampe à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression comportant une enceinte à décharge, dont la paroi intérieure est mu- nie d'une couche homogène perméable à la lumière de sodium et résis- tant à la vapeur de sodium qui, selon ce brevet, peut être constituée par l'un des oxydes d'yttrium et/ou des terres rares Toutefois, une telle lampe n'émet que de la lumière d'une longueur d'onde spécifique dans le domaine visible Des problèmes spéciaux résultant de l'action du rayonnement ultra-violet à courte longueur d'onde sur la couche ne se produisent pas dans cette lampe. On a constaté que dans une couche transparente conforme à l'invention, il ne se produit guère d'absorption du rayonnement de résonance engendré dans l'enceinte à décharge de mercure d'une lon- gueur d'onde de 254 nm Dans les lampes à décharge dans la-vapeur de mercure à basse pression destinées aux buts de rayonnement o essen- tiellement du rayonnement d'une longueur d'onde 254 est émis (lampes germicides) et dont la paroi intérieure de l'enceinte ne doit être munie que de la couche transparente conforme à l'invention, on a constaté que même après un grand nombre d'heures de fonctionnement de la lampe, il ne se produit guère-le noircissement ni une décoloration de la paroi en verre Compartivement à la lampe connue, le rendement de rayonnement de ladite lampe restait à un niveau élevé. L'invention peut également avantageusement être appliquée aux lampes présentant une enceinte à décharge tubulaire, dont la-pa- roi intérieure est munie d'une couche réflectrice présentant une fen- te longitudinale Dans de telles lampes, une couche luminescente est au moins présente sur la couche réflectrice Dans une forme de réali- sation spéciale, cette couche réflectrice s'étend sur toute la péri- phérie de la paroi intérieure de l'enceinte à décharge Fait éton- nant, on a constaté que dans le cas d'application d'une couche trans- parante conforme à l'invention sur la paroi en verre, au moins a l'endroit de la fente longitudinale, on obtient un rendement très -4- élevé de la lumière du rayonnement pendant une longue durée de fonc- tionnement. L'invention peut également être appliquée avantageusement aux lampes dont toute la paroi intérieure est recouverte d'un maté- riau luminescent La couche transparente se trouve entre la couche luminescente et la paroi en verre La paroi en verre peut être proté- gée de façon efficace contre l'action de la décharge On l'a surtout constaté dans le cas de lampes munies d'une enceinte à décharge cour- bée (par exemple une lampe décrite dans le brevet français No 2 479 562, o la couche luminescente n'est pas continue à l'endroit des parties courbées de l'enceinte à décharge et il se produit une charge de paroi relativement élevée. Des essais ont révélé que lors du fonctionnement de la lam- pe, le rendement lumineux reste à un niveau élevé. La couche transparente dans une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression conforme à l'invention contient de préférence un oxyde d'yttrium et/ou de gadolinium -Une telle couche présente un coefficient de transmission relativement élevé pour le rayonnement ultraviolet et pour la lumière visible De plus, on a constaté qu'une couche contenant lesdits oxydes n'est guère hygrosco- pique et adhère convenablement à la paroi intérieure d'une enceinte à décharge De plus, il est assez simple d'appliquer la couche, (par exemple avec de l'acétylacétonate d'yttrium), ce qui réduit notable- ment les frais, notamment dans un processus de fabrication en grandes séries pour les lampes à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression. La description ci-après, en se référant aux dessins an- nexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien com- prendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 montre en coupe longitudinale une lampe à dé- charge dans la vapeur de mercure à basse pression tubulaire, dont l'enceinte à décharge est exempte de matériau luminescent et La figure 2 montre une telle lampe dans laquelle la paroi intérieure de l'enceinte à décharge est munie, outre d'une couche transparente, également d'une couche luminescente. La figure 1 représente une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression comportant une enceinte à décharge tubu- -5- laire 1, aux extrémités de laquelle sont disposées les électrodes 2 et 3 Une décharge est entretenue entre ces électrodes, lors du fonc- tionnement de la lampe L'enceinte à décharge contient de la vapeur de mercure et un gaz précieux, par exemple de l'argon (pression envi- ron 400 Pa) Sur la paroi intérieure en verre de l'enceinte à déchar- ge est présente une couche transparente continue pratiquement homogè- ne mince 4, qui résiste à l'action de la décharge La lampe représen- tée sur le dessin est une lampe destinée à des buts d'irradiation (lampe germicide) qui émet essentiellent du rayonnement d'une lon- gueur d'onde de 254 nm D'une façon générale, de telles lampes sont utilisées pour détruire des bacilles, bactéries indésirables etc. dans des espaces comme dans des lieux tels que les hôpitaux Dans des formes de réalisations pratiques de la lampe, ladite couche transpa- rente présente une épaisseur d'environ 5 nm jusqu'à environ 200 nm. Dans le cas d'une épaisseur supérieure à 200 nm, il se produit une trop grande absorption du rayonnement engendré dans l'enceinte à dé- charge Dans le cas d'une épaisseur de couche inférieure à environ nm, il se produit toujours l'interaction entre la décharge et la paroi de verre. On a effectué plusieurs essais avec des lampes ( 15 W, dia- mètre intérieur de l'enceinte à décharge 25 mm, longueur de l'encein- te à décharge environ 50 cm, argon 400 Pa), dont l'enceinte à déchar- ge est munie d'une couche transparente contenant un oxyde conforme à l'invention La couche transparente fut obtenue par rinçage de la paroi intérieure de l'enceinte à décharge avec un liquide contenant un compos organo-métallique (par exemple de l'acétylacétonate d'yt- trium) dans un solvant organique (par exemple ether monoéthylique d'éthylène glycol) La couche se forme après séchage et frittage (par exemple jusqu'à environ 6000 C) Les résultats desdits essais sont mentionnés dans le tableau I ci-dessous Dans tous les cas, l'épais- seur de la couche d'oxyde était de 50 à 150 nm Le tableau I mention- ne le rendement de rayonnement (en UV-Watts)et (entre parenthèses) le rendement de rayonnement relatif pour une lampe par rapport à 100 heures par lampe par rapport à 100 heures de fonctionnement De plus, le tableau I mentionne le résultat de la lampe connue non munie d'une couche transparente protectrice. -6- TABLEAU I v lampe durée de \sans couche contenant contenant ontenant fonctionnement \transparente Y 203 Gd 20 e 203 0 h 4,6 W( 117 %)4,6 W( 107 % 1 4,5 W( 107 %) 4,5 W( 110 %) h 3,9 W( 100 %)4,3 W( 100 %) 4,2 W( 100 %) 4,1 W( 100 %) 1000 h 3,4 W( 88 %) 4,1 W( 95 %)4,OW( 95 %) 3,9 W( 95 %) 500 h 2,9 W( 74 %) 3,9 W( 90 %)3,8 W( 90 %) 3,8 W( 93 %) lampe durée dcontenant contenant contenant fonctionneme La 203 Mo 203 Lu 203 0 h 4,5 W( 107 %)4, 5 W( 107 %)4,5 W(lo 7 %) h 4,2 W( 100 %)4,2 W( 100 %)4,2 W( 100 %) 1000 h 3,9 W( 93 %) 4,1 W( 98 %)4,0 W( 95 %) 2000 h 3,7 W( 88 %) 3,9 W( 93 %)3,8 W( 90 %) De ce tableau il ressort que le rendement de rayonnement lampes conformes à l'invention reste à un niveau élevé, même a- près une longue durée de fonctionnement L'attaque de la paroi en verre par le mercure et, de ce fait, la réduction du rendement lumi- neux, ne se produisent guère dans la lampe conforme à l'invention. La lampe selon la figure 2 contient également une eneeinte -30 à décharge tubulaire 1, des électrodes 2, 3 et la eouche transparente 4 Du côté opposé à la décharge, cette couche est munie d'une eouche en matériau luminescent 5 Cette couche s'étend sur toute la surface de la couche transparente Pour plusieurs essais, la couche lumines- cente 5 étant constituée par un mélange de trois luminophores, notam- ment de l'aluminate de cérium-magnésium activé à l'aide de therbium et émettant une luminescence verte, de l'aluminate de baryum-magné- sium activé à l'aide d'europium bivalent et émettant une luminescence t 7- bleue et de l'oxyde d'yttrium activé à l'aide d'europium trivalent et émettant une luminescence rouge En présence d'une couche transparen- te conforme à l'invention entre ladite couche luminescente 5 et la paroi en verre de l'enceinte à décharge, on a constaté, fait éton- nant, que dans le cas d'un faible poids en poudre du matériau lumi- nescent (comparativement aux lampes non munies d'une couche lumines- cente), il ne se produit qu'une faible réduction du rendement lumi- neux Par poids en poudre, il y a lieu d'entendre le-poids total du matériau luminescent dans toute l'enceinte à décharge Comparative- ment à la lampe connue (non munie d'une couche transparente) il s'est avéré possible de limiter le poids en poudre du dit matériau lumines- cent dans les lampes conformes à l'invention d'environ 25 % jusqu'à environ 2 mg/cm 2, valeur à laquelle il ne se produit guère une ré- duction du rendement lumineux. On a effectué plusieurs essais avec quelques lampes à dé- charge dans la vapeur de mercure à basse pression (puissance 36 W, longueur 1,20 m, diamètre interne 25 mm, argon 400 Pa) munies d'une couche transparente constituée par de l'oxyde d'yttrium, ainsi que d'une couche luminescente 5 constituée par un mélange des susdites substances luminescentes On a mesuré le rendement lumineux (en lumens) des lampes et comparé avec le rendement lumineux d'une lampe connue présentant les mêmes dimensions, la même puissance et une cou- che luminescente constituée par les mêmes substances luminescentes, ces lampes n'étant cependant pas munies d'une couche transparente. Les résultats des essais sont mentionnés dans le tableau II Les essais sont effectués avec des lampes présentant un poids en poudre différent (notamment 2,8 g et 2,1 g de matériau luminescent) Les résultats sont mentionnés dans les deuxième et troisième colonnes ( 2,8 g) et dans les quatrième et cinquième colonnes ( 2,1 g). -8- TABLEAU II lampe sans couche contenant sans couche contenant transparente Y 203 transparente Y 203 2.8 g de 2 8 g de 2,1 g de 2,1 g de durée de matériau matériau matériau matériau fonctionneme luminescent luminescent luminescent luminescent O h 3460 Lm 3460 Lm 3405 Lm 3435 Lm h 3410 Lm 3440 Lm 3370 Lm 3410 Lm 1000 h 3380 Lm 3410 Lm 3290 Lm 3380 Ln 2000 h 3310 Lm 3380 Lm 3245 Lm 3370 Li _ De ce tableau il ressort que le rendement lumineux d'une lampe conforme à l'invention est élevé, même après un grand nombre d'heures de fonctionnement De plus, il ressort du tableau que méme dans le cas d'un faible poids en poudre ( 2,2 mg/cm 2) le rendement lumineux de la lampe présentant la couche transparente en Y 203, le rendement lumineux est relativement élevé pendant une longue durée de fonctionnement. De plus, des essais sont effectués avec plusieurs lampes ( 15 W, diamètre interne de l'enceinte à décharge 25 mm, longueur 50 cm pression d'argon 4 oo Pa) pour lesquels seule une couche transparen- te contenant de l'oxyde d'yttrium étant présente sur la paroi inté- 4 F rieure de l'enceinte à décharge Pour plusieurs épaisseurs de couche, le rendement de rayonnement mesuré (Watt U-V, 2000 heures de fonction- nement) est mentionné dans le tableau III. -9- TABLEAU III De ce tableau il ressort que le rendement de rayonnement des lampes munies d'une couche transparente contenant de l'oxyde d'yttrium d'une épaisseur supérieure à 8 mm, comparativement aux lam- pes sans couche transparente était notablement plus élevé Le rende- ment de rayonnement relativement bas de la lampe sans couche de Y 2 0 était provoqué par le noircissement de la paroi de l'enceinte à 3 d décharge. épaisseur de rendement de rayonnement la couche nm (Watt U-V) 0 3,91 8 5,17 5,11 5,27 5,22 -10- REVENDICATIONS 1 Lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression comportant une enceinte à décharge en verre, dans laquelle se produit la décharge, lors du fonctionnement de la lampe, et qui contient du mercure et un gaz précieux, alors qu'au moins une partie de la paroi intérieure de ladite enceinte à décharge est munie d'une couche transparente continue au moins pratiquement homogène mince qui résis- te à l'action de la décharge, caractérisée en ce que la couche trans- parente contient au moins un oxyde d'yttrium, scandium, lanthane, gadolinium, therbium, ytterbium et/ou lutétium. 2 Lampe selon la revendication 2, caractérisée en ce que la couche transparente contient un oxyde d'yttrium et/ou de gadolinium. 3 Lampe selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche transparente est comprise entre environ 5 et 200 nm. 4 Lampe selon la revendication 1, ou 3, caractérisée en ce que du côté opposé à la décharge, la couche transparente est munie d'une couche en matériau luminescent. Lampe selon la revendication 4, caractérisée en ce que le matériau luminescent est constitué par un mélange d'aluminate de ce- rium magnésium activé à l'aide de therbium et émettant une lumines- cence verte, d'aluminate de baryum magnésium activé à l'aide d'euro- pium bivalent et émettant une luminescence bleue et d'oxyde d'yttrium activé à l'aide d'europium trivalent et émettant une luminescence rouge, le poids en poudre du matériau luminescent étant d'environ 2 mg/cmi. tf