Brevet FR2528625A1 — publié le 19831216

La présente invention se rapporte, d'une maniera générale, à un procédé pour fabriquer une lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression et concerne plus parti cul ièrement la fabrication d'une lampe à vapeur de sodium à haute pression utilisant un tube de céramique en alumine. Les lampes 3 décharge à vapeur métallique à haute pression, telles que les lampes a vapeur de sodium à haute pression, sont utilisées en raison de leur grande luminosité et de leur rendement lumineux élevé. ne lampe à vapeur de sodium à haute pression comporte général-ment un tube de céramique en une alumine polycristalline translucide à haute densité (un tube à arc), qui est particulièrement bien adapté pour la vapeur de sodium, meme à haute température. Chaque extrémité du tube de céramique est ferme hermétiquement par un capuchon fabriqué en niobium, en utilisant une soudure de verre comme adhésif. Il existe des lampes à vapeur de sodium à haute pression pour des applications generales dont la puissance se situe entre 70 W et 1 kW. Le diamètre intérieur du tube de céramique augmente généralement en même temps que la puissance, c'est à dire, qu'il est de 7,25 mm pour 400 W, de 12 mm pour 1 kW. Toutefois, l'épaisseur de la paroi du tube de céramique reste presque constante, c'est à dire, reste comprise entre environ 0,5 mm et 1,5 mm et se situe habituellement autour de 0,75 mm à 1 mm, ce qui permet d'obtenir une bonne transmission de la lumière, indépendamment de la puissance. Récemment, une demande est apparue pour des lampes électriques dont la puissance depasse 1 kW, notamment pour des lampes de 4 kW ûu plus. Pour des lampes électriques d'une telle puissance, en particulier, pour une lampe dont la puissance est supérieure à 4 kw, le diamètre intérieur du tube de céramique doit entre supérieure à 20 mm.Toutefois, 1 'é- paisseur de la paroi du tube de céramique doit toujours rester aux ervirons de 1 mm, ctest à dire, le même que pour une lampe dont la puissnce est inierieur, à 1 kW, afin de maintenir une bonne trinsmi.sion de la lumière Or, lorsqu'on fabrique des tubes de céramique ayant un diamètre intérieur aussi grand, il est difficile de donner à celut-ci une section circulaire, celle-ci ayant plutôt tendance à être elliptique. Cette tendance à l'ellipticité augmente avec le diamètre intérieur.On considère que ceci est dO au fait iiue le rapport de l'épaisseur de la paroi (environ 1 mm) sur le diamètre intérieur (plus de 20 mm), est relativement petit comparativement à celui d'un tube de céramique classique. De ce fait, le tube de céramique peut subir des déformations thermiques au cours de la cuisson, et peut dégénérer en une forme elliptique. Le degré d'ellipticité varie avec les conditions de fabrication. En conséquence, quand on soude le capuchon d'extrémité circulaire en niobum à la partie d'extrémité elliptique du tube, Itépaisseur de la couche de verre utilisée comme soudure n'est pas uniforme du fait que l'intervalle entre le tube de céramique et le capuchon d'extrémité est irrégulier.Or, la couche de soudure de verre irrégulière est soumise à des contraintes thermiques inégales au cours de la réplétion des allumages et des extinctions de la lampe et quand celle-ci est maintenue allumée pendant une longue periode de temps. Les contraintes thermiques qui se développent dans la région de la soudure se traduisent par la formation de petites fissures dans la soudure de verre. La croissance de ces fissures finit par produire des fuites dans la région soudée et se traduit finalement par une déterioration ou une panne de la lampe. Comme remède, il a été suggéré de donner à la paroi du tube de céramique, une épaisseur supérieure à celle d'un tube de céramique usuel. Toutefois, ceci se traduit par une détérioration de la transmission, à cause de l'augmentation de l'épaisseur de la paroi, tandis que la forme de la section 'est pas améliorée de façon suffisante. Comme autre remède, il a éte proposé de traiter la parti d'extrémité du tube de céramique elliptique de façon à lui donner une section circulaire. Mais étant donne que ltepaisseur de la paroi était d'environ 1 mm avant le traitement et est devenue plus mince au cours de ce dernier, il est clair que les parties die-:tremité traitées deviennent trop faibles et se fissurent facilement. En conséquence, l'un des buts de la présente invention est de fournir un procédé pour fabriquer une lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression comportant un tube de céramique ayant un diamètre intérieur relativement grand (supérieur à 20 mm). Selon la présente invention, un procédé pour fabriquer une lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression consiste à former un tube de céramique ayant une partie de paroi renforcée ou épaissie à une partie d'extrémité ; à traiter cette partie de paroi renforcée pour lui donner une section circulaire ; et, à sceller ou à souder un capuchon d'extrémité à la partie de paroi renforcée ainsi traitée, en utilisant une soudure de verre. D'autres caracteristiques et avantages de 1 'inven- tion ressortiront de la description qui va suivre, en reférence au dessin annexé, sur lequel LaSfigure 1 est une vue latérale agrandie, partiellement en coupe, d'un tube de céramique pour une lampe à vapeur de sodium à haute pression conforme à la présente invention. La figure 2 est une vue en coupe agrandie de l'une des extremités d'un tube de céramique ayant une partie de paroi renforcée, La figure 3 est une vue en bout d'un tube de céramique de la figure 2, La figure 4 est une vue en coupe agrandie de l'une des extremités d'un tube de céramique après l'usinage, et, La figure 5 est une vue en bout du tube de la figure 4, et, Les figures 6 à 8 sont des vues en coupe illustrant des variantes d'exécution du procédé selon l'invention. En se référant maintenant au dessin, sur lequel les mêmes références numériques désignent des composants identiques ou équivalents sur les diverses figures et en considérant plus particulièrement la figure 1, on voit une lampe à vapeur de sodium à haute pression. L'enveloppe 1 dans laquelle se forme l'arc est constituée par un tube 10 en une céramique d'alumine polycristalline à haute densité dont les extrémités ont été traitées mecaniquement confor mément à la présente invention de façon à présenter une section circulaire, comme il est expliqué plus en détail par la suite. Les extrémités du tube de céramique 10 sont fermées par des capuchons métalliques 12, en niobium ayant la forme d'un dé à coudre qui ont été soudés hermétiquement à celui-ci au moyen d'une soudure de verre 14. Des électro des 16 sont montées aux extremités du tube de céramique 10. Chaque électrode 16 est constituée par un filament de tung sténe enroulé autour d'un bâtonnet de tungstène serti ou soudé dans l'extrémité du tube de niobium 18, lui-même soudé sur le capuchon d'extrémité 12. Le tube de niobium 18 est utilisé, au cours de la fabrication de la lampe, comme tube de pompage. Après le remplissage avec le gaz et après que l'amalgame de mercure et de sodium a été introduit dans 1 'ampoule de céramique 1, les tubes de niobium 18 sont hermétiquement pincés et servent ensuite de réservoir pour l'amalgame condensé de mercure et de sodium. Dans le procédé de fabrication du tube de céramique 10 destiné a. une lampe de 4 kW, comme représenté sur les figures 2 et 3, l'enveloppe de céramique d'alumine polycristalline 1 est réalisée de façon à comporter à chaque extrémité, une partie de paroi renforcée 201, qui est plus epaisse que la partie centrale principale contribuant à 1 'éclai- rage. Le diamètre intérieur est d'environ 24 mm et l'épaisseur de la paroi de la partie centrale principale et des parties de paroi plus épaisses 201 sont respectivement d'environ 1 mm et 3 mm. La forme de la section des parties de paroi renforcée 201, même lorsqu'elles ont une épaisseur d'environ 3 mm, n'est pas circulaire mais elliptique et la différence entre les diamètres maximum et minimum est supérieure à 0,5 mm. Ensuite, on soumet la partie d'extrémité de chaque tube de céramique 10 ayant des parties de paroi renforcées 201, à un traitement mécanique. On meule la surface extérieure de la partie de paroi épaisse 201 pour lui donner une section circulaire au moyen d'une meule, par exemple, au moyen d'une meule diamantée comme celles normalement utilisées pour meuler des objets de céramique. Les figures 4 et 5 montrent l'une des parties de paroi épaisses 201 après l'étape du meulage. Les lignes en tirets indiquent le pourtour de la partie de paroi épaisse 201 avant le meulage. La différence entre le diamètre maximum et le diamètre minimum après le traitement de la partie d'extrémité se situe audessous de 0,1 mm. La forme de la section de la surface ex térieure de la partie d'extrémité du tube peut être considéree comme presque circulaire. Après l'étape de meulage de la partie de paroi épaisse 201 du tube de céramique 10, on procède, de manière connue, à l'opération de scellement ; on fixe le capuchon d'extrémité en niobium 12, qui comporte une jupe agrandie, à la surface extérieure traitée de la partie d'extrémité du tube de céramique 10, au moyen de la soudure de verre 14. La soudure de verre 14 produit ainsi une couche uniforme parce que l'intervalle entre la partie d'extrémité du tube de céramique 10 et le capuchon 12 est presque uniforme. Le procédé de fabrication du tube de céramique 10 de la présente invention permet de donner aux parties d'ex trémité de tube de céramique 10 dont le diamètre intérieur dépasse meme 20 mm, des sections circulaires. De plus, l'existence d'une couche de scellement uniforme en verre entre la partie d'extrémité du tube de céramique 10 et le capuchon 12 donne une bonne résistance aux contraintes thermoques. Les résultats d'essais de fuites (proportion des fuites) en utilisant un tube de céramique dont les parties d'extrémité ont été traitées selon la presente invention et d'autres qui n'ont pas été traitées, sont représentés sur le tableau 1 ci-après. Tableau 1 ombre d'heures d'éclairage 100 H 1.000 H 10.000 H Lampe dont le tube de céramique n'a pas eté traité 28 ; 59 % 100 % Lampe dont le tube de céramique 2 été traité. O N 0 % 0 % Comme le montre le tableau 1 ci-dessus, un grand pourcentage de lampes utilisant des tubes de céramique dont les parties d'extrémité n'ont pas été traitées (la forme de la section étant une ellipse), presentent des fuites ; après être restées allumées pendant 10.000 heures, toutes les lampes présentent des fuites dans la rgion de scellement. par contre, les lampes fabriqueés conformément à l'invention et qui utilisent des tubes de céramiques dont les parties d'extrémité ont été traitees, ne présentent aucune fuite après 10.000 heures. D'autres procédés de fabrication des tubes de céramique sont représentés sur les figures 6, 7 et 8. Sur ces figures, les lignes en tirets indiquent le pourtour du tube avant le traitement. Sur la figure 6, la partie de paroi renforcee 601 a eté formée à l'extérieur de la partie d'extrémité d'un tube de céramique 10 ayant un diamètre intérieur d'environ 24 mm et destine à la fabrication d'une lampe de 4 kW. Ensuite, la surface intérieure de la partie de paroi renforcee 601 a été meulée de façon à présenter une section circulaire. Un capuchon en forme de disque ayant un diamètre extérieur sensiblement égal au diamètre intérieur du tube de céramique traité, est fabriqué dans la même matière que le tube, de sorte que quand il a été scelle à celui-ci en utilisant une soudure de verre, il n'y a aucune différence dans les coefficients de dilatation thermique. Dans ces conditions, le capuchon est scellé hermétiquement et solidement à la partie d'extrémité du tube. Sur la figure 7, la partie de paroi renforcée 701 est formée à l'intérieur (contrairement aux figures 2 et 6), à la partie d'extrémité d'un tube de céramique 10 ayant un diamètre interieur d'environ 24 mm destiné à une lampe de 4 kW. Ensuite, on meule la surface extérieure de la partie renforcée 701, de façon à obtenir une section circulaire. Après cela, on fixe un capuchon en niobium ayant une jupe élargie sur la partie d'extrémité en utilisant une soudure de verre. Dans ces conditions, aucune fuite n'apparat à la soudure entre la partie d'extrémité du tube de céramique et le capuchon. Sur la figure 8, la partie de paroi renforcée 801 a été formee à la fois à l'intérieur et à l'extérieur de la partie d'extrémité d'un tube de céramique 10 ayant un diamètre intérieur d'environ 36 mm pour une lampe d'environ 30 kW. Ensuite, on a meulé les surfaces intérieure et extérieure de la partie de paroi renforcée de façon à obtenir des sections circulaires. On a ensuite fixé un capuchon de céramique à l'une, au moins, des surfaces de la partie d'ex trémité traitée en utilisant une soudure de verre. Un capuchon spécial, présentant une fente circulaire pour recevoir la partie d'extrémité meulée peut être fixé aux deux surfaces traitées au moyen d'une soudure de verre. Un joint efficace est ainsi formé entre la partie d'extrémité du tube de céramique et le capuchon. Selon le procédé de fabrication de la présente invention, le tube de céramique est préalablement forme de façon à présenter à ses extrémités des parties de paroi renforcées, c'est à dire, plus épaisses. Après cela, on traite l'une des surfaces de chaque partie de paroi renforcée de façon à lui donner une section circulaire par une opération de meulage. Un capucho-n est ensuite scelle ou soudé à la partie d'extrémité traitée du tube de céramique selon une technique connue. I Dans ces conditions, la soudure de verre a une épaisseur pratiquement uniforme parce que l'intervalle entre la partie d'extrémité traitée du tube de céramique et le capuchon, est lui-même uniforme. La soudure de verre n'est pas exposée à des dommages partiels dus aux contraintes thermiques résultant du fonctionnement de la lampe. Les fuites et les craquelures de la partie de scellement sont réduites à un minimum et la vie de la lampe est prolongée. La présente invention est particulièrement avan tageuse pour les tubes de céramique dont le diamètre intérieur est superieur à 20 mm et qui sont destinés à être utilisés pour la fabrication de lampes d'une puissance supérieure à 1 kW. Bien que 1 invention ait eté décrite en se référant A des lampes à vapeur de sodium à haute pression, il est bien évident qu'il est également possible de l'appl,quer à la fabrication d'autres lampes à décharge à vapeur métallique à haute pression qui utilise des tubes de céramique contenant d'autres métaux ou d'autres halogénures métalliques. Il est également possible d'utiliser un seul oxyde métallique cristallin, tel qu'un saphir ou un rubis dans le tube à arc en céramique. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux exemples de réalisation représentés et décrits, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T i O N S 1" - Procédé pour fabriquer une lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression qui consiste à former un tube de céramique (10) ayant une partie de paroi renforcée ou epaissie (201) à. une partie d'extrémité ; à traiter cette parti de paroi renforcée pour lui donner une section circulaire ; et, à sceller ou à souder un capuchon d'extrémité (12) à la partie de paroi renforcée ainsi traitée en utilisant une soudure de verre (14). 2" - Procédé de fabrication d'une lame à décharge à vapeur métallique à haute pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube de céramique (10) a un diamètre intérieur supérieur à 20 mm. 3 - Procédé de fabrication d'une lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite partie de paroi renforcée (201) est formée à l'extérieur de la partie d'extrémité du tube de céramique. 4" - Procédé de fabrication d'une lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on meule la surface extérieure de la partie de paroi renforcée (201) pour lui donner une section circulaire. 5. - Procédé de fabrication d'une lampe à décharge a vapeur métallique à haute pression selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on meule la surface intérieure de la partie de paroi renforcée (601) pour lui donner une section circulaire. 6" - Procédé de fabrication d'une lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on forme ladite partie de paroi renforcée à l'intérieur de la partie d'extrémité renforcée du tube de céramique. 7" - Procédé de fabrication d'une lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on meule la surface extérieure de la partie de paroi renforcée pour lui donner une section circulaire. 8" - procédé de fabrication d'une lampe à décharge a vapeur métallique à haute pression selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on meule la surface intérieure de la partie de paroi renforcée pour lui donner une section circu laire. 9" - Procédé de fabrication d'une lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on renforce l'épaisseur de la partie d'extrémité du tube de céramique à la fois intérieurement et extérieurement. 10 - Procédé de fabrication d'une lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on meule la surface intérieure et/ou extérieure de la partie d'extrémité renforcée pour lui donner une section circulaire. 11 - Lampe à décharge à vapeur métallique à haute pression fabriquée par le. procédé spécifié dans l'une quelconque des revendications précédentes.