Brevet FR2541043A1 — publié le 19840817

La présente invention concerne une lampe à vapeur de sodium haute pression comprenant une enveloppe inté- rieure en céramique d'alumine, et plus particulièrement, une lampe à vapeur de sodium haute pression dans laquelle un tube à arc intérieur est muni d' une paire d'élec- trodesthermoioniques àune au moins desquelles est fixé un getter d'oxygène ce qui maintient le rendu de couleur de la lampe. Les lampes à vapeur de sodium haute pression ont trouvé une large utilisation pendant la dernière décennie pour des applications d'éclairage commerciales, en parti- culier l'éclairage extérieur Ces lampes sont décrites dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N O 3 248 590. Les lampes à vapeur de sodium haute pression comprennent, classiquement, une enveloppe intérieure allongée tubulaire en oxyde réfractaire transmettant la lumière résistant au sodium à hautes températures, et formée de façon conve- nable d'alumine polycristalline de haute densité Le tube à arc en céramique est généralement supporté dans une enveloppe extérieure vitreuse ou ampoule pourvue à une extrémité d' un culot à vis classique Les électrodes de l'enveloppe intérieure sont reliées à des bornes du culot,c'est-à-dire le contact central et le contact de la coque de ce culot L'espace entre les enveloppes intérieure et extérieure est généralement sous vide afin de conserver la chaleur. Le rendu de couleur des lampes à vapeur de sodium haute pression standard peut être amélioré en augmentant la pression partielle du sodium dans la chambre à arc de l'enveloppe intérieure formée d'alumine polycristalline. Un rendu de couleur amélioré des lampes à vapeur de sodium haute pression standard peut nécessiter que la chambre à arc en alumine polycristalline fonctionne avec deux à trois fois la pression partielle interne de sodium par rapport aux lampes standard classiques En outre,pour une telle pression de sodium accrue, la température de paroi entre les bouts d'électrode dans la chambre à arc peut être accrue de 1000 C par rapport à la lampe standard afin de corriger la réduction d'efficacité lumineuse qui accom- pagne normalement le fonctionnement à une pression de sodium accrue. On a classiquement développé les lampes à vapeur de sodium haute pression en augmentant la température de fonctionnement du réservoir d'amalgame de sodium situé typiquement à l'une des électrodes thermoioniques à l'intérieur du tube à arc et thermiquement relié à celle -ci Comme cela est bien connu dans la technique des lampes à vapeur de sodium haute pression, à des pressions dans le tube à arc de deux à trois fois plus élevées que celles des tubes à arc des lampes de sodium haute pression de couleur standard, la pression supplémentaire élargit la raie de résonance du sodium et des rayonnements con- tinus aux longueurs d'ondes du bleu et du vert, ce qui effectivement accroît la température de couleurs corré- lées de plusieurs centaines de degrés Kelvin, et l'indice de rendu des couleurs de la lampe à vapeur de sodium haute pression est ainsi souhaitablement accru jusqu'à un domaine compris entre 6 00 et 85. Les tubes à arc de lampes à vapeur de sodium haute pression améliorés peuvent être le siège de pertes de sodium indésirables provoquées par des réactions chimiques de sources d'oxygène dans le tube à arc créées par des impuretés introduites dans le tube àarc pendant le proces- sus de fabrication de lampes àvapeur de sodium perfec- tionnées Ces impuretés indésirables agissent, typiquement de manière non souhaitable,sur la performance de la lampe comme cela apparaît par une tension accrue du tube à arc, une efficacité lumineuse réduite de la lampe à vapeur de sodium haute pression, un décalage de la couleur vers la partie rouge du spectre électromagnétique visible au cours de la vie de la lampe Ce déplacement de couleur vers le rouge est particulièrement gênant lorsque la lampe à vapeur de sodium haute pression est utilisée dans des applications commerciales et industrielles pour des inté- rieurs sensibles à la couleur De plus, on a empiriquement déterminé que les lampes à vapeur de sodium haute pression de couleur présentent un déplacement de couleur plus grand, principalement lié au contenu spectral rouge que la lampe standard pour la même quantité de perte de sodium due aux réactions chimiques internes. Le brevet des Etats Unis d'Amérique no 3 485 343 décrit des réactions chimiques non souhaitables liées au tube à arc de lampe à vapeur de sodium haute pression Ce brevet décrit la réaction du sodium avec de petites quantités d'oxygène et d'eau qui peuvent être présentes dans un tube à arc, ce qui, à son tour favorise la réaction avec l'alumine du tube à arc se traduisant en une élimina- tion non souhaitable de sodium libre de l'intérieur du tube à arc Ce brevet décrit encore l'utilisation d'un getter de l'oxygène formé par dopage d'un métal avec environ 2 à 20 %en poids d'un cation métallique ayant une valence plus quatre tel que l'alliage 90 % yttrium, 10 % thorium Ce getter d'oxygène à base d'alliage yttrium- thorium est un matériau relativement coûteux Il serait souhaitable de trouver un getter de l'oxygène qui soit un matériau relativement peu coûteux de sorte que les réactions chimiques non souhaitables qui affectent le rendu de couleur voulu puissent être éliminées d'une manière rela- tivement peu coûteuse. En conséquence, la présente invention a pour but de fournir un moyen pour améliorer le rendu de couleur de lampes à vapeur de sodium haute pression de sorte que le déplacement de couleur de celles-ci provoqué typiquement par des réactions chimiques non souhaitables entre la dose de sodium et les sources d'oxygène contenues de façon non souhaitable dans le tube à arcsoit ainsi réduit L'inven- tion a aussi pour but de fournir des moyens pour réduire les réactions chimiques non souhaitables de lampe à vapeur de sodium haute pression de couleur perfectionnée, de telle sorte que l'indice de rendu des couleurs reste pra- tiquement constant pendant la vie de la lampe. La présente invention concerne des lampes à vapeur de sodium haute pression à rendu de couleur amélioré ayant un getter d'oxygène pour réduire les pertes de sodium typiquement créées dans les tubes à arc de ces lampes. En conséquence, selon une réalisation de la présente invention, on fournit une lampe à vapeur métallique haute pression à rendu de couleur amélioré comprenant une enveloppe vitreuse extérieure et un tube à arc contenu dans cette enveloppe extérieure Une paire d'électrodes thermoioniques est scellée au tube à arc Le tube à arc contient une charge de métal vaporisable ayant une pres- sion partielle de sodium comprise entre 100 et 400 torrs et du gaz xénon à une pression comprise entre environ 10 et 400 torrs Le tube comporte en outre un getter d'oxy- gène qui est fixé à au moins une des électrodes thermo-j. ioniques Le getter d'oxygène est un métal choisi dans le groupe du zirconium, vanadium, titane, yttrium, et thorium et leurs alliages à l'exclusion de ceux de l'yttrium. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue de face d'une lampe à décharge à vapeur de sodium haute pression selon la présente inven- tion; Figure 2, une vue en coupe, légèrement agrandie, du tube à arc de la figure 1 selon une réalisation de la présente invention; Figure 3, une vue en coupe légèrement agrandie du tube à arc de la figure 1 montrant une autre réalisation de la présente invention; Figure 4, une lampe à vapeur de sodium haute pres- sion partiellement arrachée pour montrer le tube à arc bifilaire; Figure 5, une vue en coupe du tube àarc de la lampe à vapeur de sodium haute pression de la figure 4; et, Figure 6, un diagramme de chromaticité de la Commission Internationale de l'Eclairage montrant une amélioration type de la température de couleur de la lampe à vapeur de sodium haute pression réalisée par la présente invention. On a représenté à la figure 1, une lampe à vapeur de sodium haute pression 10 incorporant la présente invention et correspondant à une lampe classique de 250 watts Une lampe à vapeur de sodium haute pression com- prend généralement une enveloppe extérieure vitreuse 12 qui, avec un culot Goliath à vis standard 13, fixé à l'extrémité de la tige est représentée dans la partie supérieure de la figure 1 Un pincement de tige réentrant 14 supporte une paire d'amenées de courant relativement fortes 15 et 16, traversant la tige 14 et ayant les extrémi- tés extérieures reliées à la coque de vissage 17 et aux oeillets 18 de la base. La lampe 10 comporte une enveloppe intérieure ou tube à arc 19 située au centre dans l'enveloppe exté- rieure 12 Le tube à arc 19 est constitué d'une longue céramique transmettant la lumière faite de céramicue d'alumine polycristalline qui est translucide Le tube à arc 19 contient une charge de métaux vaporisables ayant une pression partielle de sodium comprise entre environ 100 et 400 torrs et du gaz xénon en une pression comprise entre 10 et 400 torrs. L'extrémité supérieure du tube à arc 19 est fermée par un bouchon de scellement en céramique d'alumine 20 à travers lequel passe de manière étanche un conducteur en niobium 21 qui supporte une électrode supérieure (représentée plus clairement en figures 2 et 3 que l'on va décrire) dans le tube à arc 19 De même, l'extrémité inférieure du tube à arc 19 a une fermeture qui se com- pose d'un bouchon de scellement en céramique 22 que traverse un tube de niobium à paroi mince 23 Les bouchons de scellement en céramique 20 et 22 sont décrits en détail dans le brevet des Etats Unis d'Amérique no 4 065 691 Le tube en niobium 23 sett à la fois de conducteur d'amenée pour le tube à arc 19 et de ré- servoir pour le stockage du métal alcalin et du mercure en excès contenus dans le tube à arc 19 La tige de l'électrode inférieure (représentée aux figures 2 et 3) du tube à arc 19 saille dans le tube 23 du réservoir et est fixée en place par sertissage du tube en niobium du réservoir autour de l'électrode inférieure à l'endroit 24,comme représenté sur la figure 1. Le tube à arc 19 de la lampe à vapeur de sodium haute pression 10 de la figure 1 et un tube à arc bifi- laire 62 de la lampe à vapeur de sodium haute pression 60 de la figure 4 que l'on décrira tous deux par la suite, sont d'un intérêt important en ce qui concerne la présente invention Plus particulièrement, pour une réalisation de la présente invention,l'agencement des getters d'oxygène et 42 autour des tiges d'électrodes 48 et 50 contenus dans le tube à arc 19 est d'un intérêt particulier à la présente invention et un tel agencement est représenté à la figure 2. La figure 2 est une -vue en coupe, légèrement agran- die du tube à arc 19 de la figure 1 Les électrodes 44 et 46 comprennent chacune un matériau émissif à faible fonction de travail tel que du tungstate de dibaryum et de calcium qui est formé dans les enroulements bobinés autour des ti- ges d'électrode 48 et 50 respectivement. La figure 2 montre encore les getters d'oxygène 40 et 42 de la présente invention comme étant bobinés autour des tiges d'électrode 48 et 50, respectivement Bien que la figure 2 montre chacune des tiges d'électrode 48 et 50 comme ayant des getters d'oxygène 40 et 42, il faut noter que, en accord avec la mise en oeuvre de l'invention, seu- lement un getter d'oxygène 40 et 42 est nécessaire avec l'une ou l'autre des électrodes 44 ou 46. Les getters d'oxygène 40 et 42 sont de préférence formés uniquement de zirconium, bien que d'autres métaux tels que le vanadium, le titane, l'yttrium ou le thorium soient également utilisables De plus, ces getters d'oxygène 40 et 42 peuvent aussi être un alliage formé à partir de combi- naison de zirconium, vanadium, titane et thorium Les get- ters d'oxygène 40 et 42, formés des métaux choisis, réagis- sent chimiquement avec les sources de gaz oxygène pendant le fonctionnement de la lampe pour empêcher une réaction de l'oxygène avec le sodium dans l'amalgame de sodium. Les getters d'oxygène 40 et 42 sont représentés à la figure 2 sous la forme d'un fil bobiné autour des tiges d'électrode 48 et 50 Les getters d'oxygène 40 et 42 peu- vent être, alternativement, placés autour des tiges d'électrode 48 et 50, respectivement, sous la forme d'une feuille. Une seconde réalisation de la présente invention est représentée à la figure 3 La figure 3 est semblable à la figure 2 et utilise autant que possible les mêmes numéros de référence La différence entre la figure 2 et la figure 3 est que le getter d'oxygène relatif à la tige d'électrode 50 est situé dans le tube réservoir en niobium 23 et a le numéro de référence 52 comme représenté à la figure 3 Bien que cela n'a pas été représenté à la figure 3, la mise en oeuvre de la présente invention en- visage la placement d'un getter d'oxygène dans le tube réservoir en niobium 23 et sur chacune des tiges d'électro- de 48 et 50 Le getter d'oxygène 52 peut être inséré dans le tube réservoir en niobium 23 sous la forme d'un fil ou d'une feuille enroulée. Une autre réalisation de la présente invention est un tube à arc intérieur à double bobinage 62 situé au centre de la lampe à vapeur de sodium 60 de la figure 4 et supporté, en partie, par un élément de support 63 Le tube à arc à double bobinage 62 est représenté au moyen d'une vue partielle de la lampe à vapeur de sodium haute pression 60 de la figure 4 La lampe à vapeur de sodium haute pression 60 est du type LU 35 ou LU 50 commercialement disponible auprès de la General Electric Company Le tube à arc à double fil 62 est représenté plus clairement à la figure 5. La figure 5 montre le tube à arc 62, préférablement formé d'alumine polycristalline, comme ayant deux conduc- teurs d'amenée 64, 78 situés à l'opposé l'un de l'autre, formés de fil de niobium. Le conducteur d'amenée 78 traverse et est supporté par le bouchon de scellement 80 La partie intérieure du conducteur 78,repèrée 82,est reliée à une tige 86 par une soudure en bout 84 La partie intérieure 82 du conducteur 78 constitue une traversée en niobium pour le tube à arc 62 La tige 86 est formée de tungstène et possède des bobinages d'électrode 88 entre les spires desquelles se trouve un mélange émissif Le mélange émissif peut être du tungstate de dibaryum et de calcium. Le conducteur d'entrée 64 traverse et est supporté par uni bouchon de scellement en céramique 66 La partie intérieure du conducteur d'amenée 64, référencée 68,est reliée à une tige 72 par une soudure en bout 70 La partie intérieure 68 du conducteur d'amenée 64 constitue une traversée en niobium pour le tube à arc 62 La tige 72 est formée de tungstène et possède des bobinages d'élec- trode 64 semblables aux bobinages d'électrode 88. La figure 5 représente ungetter d'oxygène 76 enroulé autour de la traversée de niobium 68 et de la tige 72 Bien que cela ne soit pas représenté à la figure 5, on peut aussi bobiner un getter d'oxygène autour de la traversée du niobium 82 et de la tige 86,toutesdeux liées au conducteur d'amenée en niobium 78 Le getter d'oxygène 76 est du même métal que décrit précédemment pour les getters d'oxygène 40, 42 et 52. Afin de mieux apprécier la présente invention, on se référera maintenant à des données d'essais comparatifs obtenus entre des lampes à vapeur de sodium haute pression ayant un rendu de couleur amélioré mais se dégradant pro- gressivement et la lampe à vapeur de sodium haute pression de la figure 4 ayant le tube à arcà double fil 62 de la figure 5 de la présente invention qui a un rendu de couleur amélioré maintenu par les getters d'oxygène de la présente invention. Un total de 20 tubes à arc à vapeur de sodium haute pression de 35 watts à couleur améliorée de la conception à double fil ont été construits et testés selon la pratique de cette invention Les chambres des tubes à arc des 20 lampes à vapeur de sodium haute pression avaient un dia- mètre intérieur de 4,5 mm et un intervalle d'arc, c'est-à- dire, l'espace entre les électrodes thermoioniques, de 12,0 mm Les 20 tubes à arc à vapeur de sodium haute pression de 35 watts à couleur améliorée étaient dosées avec 10 milligrammes d'amalgame à 25 % en poids de sodium, un gaz d'amorçage xénon à une pression de 15 torrs à- la température ambiante Les électrodes thermoioniques des tubes à arc étaient activés avec un tungstate de dibaryum et de calcium afin d'améliorer l'émission thermo- ionique des électrodes Le groupe de 20 lampes à vapeur de sodium haute pression était divisé en 12 lampes à vapeur de sodium haute pression 60 selon la présente in- vention ayant des getters d'oxygène 76 et en 8 lampes à vapeur de sodium haute pression n'ayant pas de getters d'oxygène. Deux des getters d'oxygène 76 pour chacune des -12 lampes à vapeur de sodium haute pression 60 de la présente invention étaient formés par une simple spire de fil de zirconium de 2,05 mm et chaque getter d'oxygène 76 était enroulé autour de la base de chaque tige d'électrode d'une manière similaire à celle représentée à la figure 5 pour le getter d'oxygène 76 et situé entre les bobinages d'élec- trodes 74 et 88 et le bouchon d'extrémité en céramique 66 et 80 Le groupe de 12 tubes à arc 62 de la présente invention et le groupe de 8 tubes à arc n'ayant pas les avantages de la présente invention ont été placés dans des lampes finies et ensuite soumis à des essais de photométrie. Toutes les 20 lampes finies avaient une température de couleur corrélée initiale d'environ 22000 K et un indice de rendu de couleur de 75. On a fait fonctionner toutes les 20 lampes pendant un total de 500 heures à une puissance de fonctionnement de 35 watts Les résultats de ce fonctionnement pendant 500 heures des 20 lampes à vapeur de sodium haute pression sont mieux décrits en référence à la figure 6. La figure 6 est une partie du diagramme de chroma- ticité de la Commission Internationale de l'Eclairage bien connue dans la technique des lampes à vapeur de sodium haute pression L'axe X représenté à la figure 6 avec des positions de 0,490, 0,500, 0,510, 0,520 et 0,530, et l'axe Y de la figure 6 avec des positions 0,400, 0,410, 0,420, 0,430 et 0,440,forment un système de coordonnées au moyen desquelles des variations de la température de couleur correlée de lampes pendant une période peut être représenté La figure 6 montre une courbe 90 représenta- tif d'un corps noir idéal tel qu'il est pratiquement obtenable à partir d'une source lumineuse à incandescence. La figure 6 montre la courbe du corps noir 90 coupée par un ensemble de courbes de températures de couleur correlée de 20000 K, 20650 K, 2200 K, 22300 K, 24000 K, et 2600 K. Les 20 lampes à vapeur de sodium Jhaute pression avant d'être soumises à l'essai de 500 heures avaient-une tempé- rature de couleur correlée initiale d'environ 2200 K, un indice de rendu de couleur de 75 et une position 92 représentée à la figure 6 La position 92 de la figure 6 est située le long de la courbe de température de couleur correlée 22000 K et à une position juste en dessous mais très près de la courbe du corps noir idéal 90. Après avoir soumis les 20 lampes a l'essai de 500 heures, les 12 lampes 60 à rendu de couleur amélioré de la présente invention se sont avérées s'être avanta- geusement décalées de la position de température de couleur correlée 92 vers une position de température de couleur correlée 94, et inversement, les 8 lampes à vapeur de sodium haute pression à couleur améliorée n'ayant pas le getter d'oxygène 76 de la présente invention se sont avérées avoir un décalage indésirable vers le bas de la position de température de couleur correlée 92 à la posi- tion 96, toutes deux sur la figure 6 Ce décalage non souhaitable des lampes à vapeur de sodium haute pression n'ayant pas les avantages de la présente invention,se fait vers la partie rouge du spectre électromagnétique visible et inversement, le décalage souhaitable des lampes à va- peur de sodium haute pression de la présente invention se fait loin de lapartie rouge du spectre électromagnétique visible Le décalage avantageux des 12 lampes à vapeur de sodium haute pression de la présente invention est repré- senté, en traits interrompus, sur la figure 6 par une flèche 98 et, de façon semblable, le décalage non souhai- table des lampes à vapeur de sodium haute pression qui ne sont pas en accord avec la présente invention est repré- senté, en traits interrompus, sur la figure 6 par une flèche 100. Toutes les 12 lampes 60 de la présente invention et les 8 lampes n'ayant pas la présente invention ont été examinées physiquement après cet essai de 500 heures Les 12 lampes 60 de la présente invention présentaient des extrémités de chambres à arc qui étaient notablement plus propres que les extrémités noircies des lampes à vapeur de sodium haute pression qui n'incorporaient pas la pré- sente invention Les extrémités notablemenit plus propres des chambres d'arc du tube à arc 62 de la présente inven- tion sont bénéfiques en ce qui concerne l'efficacité et l'entretien des lampes à vapeur de sodium haute pression 60. On notera maintenant que la mise oeuvre de la pré- sente invention fournit des lampes à vapeur de sodium haute pression à couleur améliorée 60 et 10 ayant un maintien amélioré de la température de couleur élevée. L'amélioration de maintien de la température de couleur élevée s'obtient par le getter d'oxygène de la présente invention On doit noter que,bien que les données compara- tives soient liées à des lampes à vapeur de sodium haute pression de 35 watts, la présente invention envisage également des lampes à vapeur de sodium ayant des puis- sances beaucoup-plus élevées telles que 1000 watts et inversement des puissances beaucoup plus faibles telles que 15 watts. REVENDICATIONS 1 Lampe à vapeur métallique à haute pression ayant un rendu de couleur amélioré comprenant: une enveloppe extérieure vitreuse ( 12); un tube à arc ( 19) contenu à l'intérieur de l'en- veloppe extérieure ( 12) et dans lequel est scellf une paire de structure d'électrodes thermoionique ( 44, 46, 48, 50), ce tube à arc contenant une charge de métaux vaporisable ayant une pression partielle de sodium comprise entre environ 100 et 400 torrs et du gaz xénon à une pression comprise entre et 400 torrs, et un getter d'oxygène ( 40) fixé à au moins une des structures d'électrodes thermoioniques de ce tube à arc, ce getter d'oxygène se composant d'un métal choisi dans le groupe du zirconium, vanadium, titane, yttrium et thorium, et leurs alliages à l'exclusion de ceux de l'yttrium. 2 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paire de structures d'électrodes thermoioniques ( 48, 50) est reliée à un tube ( 23) servant de réservoir pour le stockage du métal alcalin en excès contenu dans ce tube à arc et que la lampe a disposé à l'intérieur un autre getter d'oxygène ( 42) en un métal choisi dans le même groupe de métaux et d'alliages que le premier getter d'oxygène men- tionné. 3 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un getter d'oxygène supplé- mentaire ( 52) fixé à l'autre structure d'électrode thermoio- nique ( 50) de ce tube à arc, ce getter d'oxygène supplémen- taire ( 52) étant en un métal choisi dans le même groupe de métaux et d'alliages que le premier getter d'oxygène men- tionné. 4 Lampe selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un getter d'oxygène supplé- mentaire fixé à l'autre structure d'électrode thermoionique de ce tube à arc, ce getter d'oxygène supplémentaire étant en un métal choisi dans le même groupe de métaux et d'allia- ges que le premier getter d'oxygène mentionné. Lampe selon la revendication 1, caractérisé en ce que les structures d'électrodes thermoioniques ont cha- cune en outre un conducteur d'amenée en niobium ( 78, 82, 64, 68) s'étendant dans ce tube à arc et prévu pour des con- nexions externes à ce tube à arc, l'autre structure d'élec- trode thermoionique de ce tube à arc ayant fixé à elle un autre getter d'oxygène ( 76) en un métal choisi dans le même groupe de métaux d'alliages que le premier getter d'oxygène mentionné.