Brevet FR2538951A1 — publié le 19840706

La présente invention concerne les lampes à dé- charge d'arc à vapeur métallique haute pression et, plus particulièrement, la commande de la distribution des espèces d'ions métalliques à l'intérieur du tube à décharge d'arc. Les lampes à décharge d'arc de forte puissance comprennent une catégorie de lampes dont la puissance lumi- neuse rayonnée provient d'une décharge d'arc à plasma à l'intérieur d'un tube L'un des éléments de cette catégorie est la lampe à vapeur de sodium haute pression La présente invention concerne plus particulièrement ce type de lampe à décharge de forte puissance Par conséquent, ce type de lam- pe sera plus complètement décrit ci-après Cependant, un au- tre type de lampe à décharge de forte puissance d'un emploi courant et classique est la lampe aux halogénures métalli- ques Dans ce type de lampe, le tube à décharge d'arc com- prend un halogénure métallique, par exemple de l'iodure de sodium, qui est vaporisé et dissocié pendant le fonctionne- ment de la lampe On peut donc en conclure que tant les lam- pes à décharge d'arc à vapeur métallique que les lampes à décharge d'arc à halogénure métallique sont bien connues dans l'art antérieur Cependant, la lampe de la présente in- vention peut être mieux définie comme lampe à métal plus ha- logénure métallique (métal/halogénure métallique) Dans la description qui va suivre, on verra que de telles lampes à -2- métal plus halogénure métallique présentent des caractéris- tiques uniques que l'on ne rencontre pas dans les lampes à décharge d'arc de forte puissance de l'art antérieur On verra également que la lampe de la présente invention présente une distribution ra diale maîtrisée des atomes des éléments métalliques vapori sés. S'agissant de la lampe au sodium haute pression, on a constaté que la caractéristique d'auto-absorption des atomes de sodium plus froids qui sont répartis de préférence à proximité des parois plus froides du tube à arc, a pour effet de limiter le rendement de la lampe En particulier, le rayonnement de la raie D du sodium produit à l'intérieur de la zone centrale chaude à plasma du tube à arc est faci- lement absorbé par les atomes de sodium plus froids présents près des parois du tube Ce phénomène est connu dans l'art des lampes et plusieurs chercheurs se sont penchés sur le problème Par exemple, dans un article ayant pour titre "Analysis of Factors Affecting Efficacy of High Pressure Sodium Lamps" (Analyse des facteurs ayant un effet sur le rendement des lampes au sodium haute pression) de Waymuth et Wyner dans le vol 10, pages 237-244, de la -Revue "Journal of the Illuminating Engineering Society" (juillet 1981), on suggère de réduire la densité du sodium à proximité de la paroi d'un tube à arc en maintenant la paroi chaude, par l'emploi d'un matériau ayant un faible pouvoir émissif dans l'infrarouge pour constituer cette paroi Dans la demande de brevet français N O 82 15049 on a décrit l'utilisation de films réfléchissant l'infrarouge que l'on dépose sur la par- tie intérieure de la chemise extérieure pour maintenir une température de paroi élevée afin de réduire au moins par- tiellement les effets de la réabsorption du rayonnement par les atomes métalliques plus froids qui ont tendance, de pré- férence, à s'accumuler à proximité des parois plus froides d'un tube à arc plutôt qu'à l'intérieur de la zone centrale chaude de décharge à plasma D'autres chercheurs ont égale- -3- ment examiné les effets du diamètre d'un tube à arc sur le rendement de la lampe et ont inclus dans leur étude l'auto-absorption du rayonnement par l'atome de sodium Ce- pendant, sauf le réglage de la température de la paroi d'un tube à arc, il n'y a dans l'art antérieur aucune autre sug- gestion pour la maîtrise de ce phénomène d'absorption. Selon un mode de réalisation recommandé de la pré- sente invention, une lampe à décharge d'arc de forte puis- sance comprend une enveloppe extérieure transmettant la lu- mière, un tube à décharge d'arc transmettant la lumière avec des électrodes à ses extrémités opposées et un moyen assu- rant des liaisons électriques avec les électrodes En outre, et cela est plus important, la lampe à décharge d'arc de la présente invention comprend un milieu de décharge vaporisa- ble à l'intérieur du tube à arc, ce milieu comportant un certain volume de mercure et de gaz inerte d'amorçage, comme cela est plus particulièrement décrit ci-après, ainsi qu'un ou plusieurs éléments métalliques vaporisables disposés à l'intérieur du tube à arc en même temps qu'un halogénure (autre qu'un fluorure) des éléments métalliques En particu- lier, dans un mode de réalisation recommandé de la présente invention, le sodium, constitue l'élément métallique et l'halogénure est un iodure En fonctionnement, la presque totalité de l'iodure de sodium au centre de l'arc à plasma est dissociée, mais aucune partie de l'iodure de sodium se trouvant au droit de la paroi du tube à arc ne l'est Comme l'halogénure métallique se trouvant à proximité de la paroi du tube à arc n'absorbe pas de préférence le rayonnement produit au centre du tube à décharge, il n'y a pas de perte importante du rendement de la lampe En outre, le réglage du rapport entre la pression partielle du sodium et la pression partielle de l'iodure de sodium peut maintenant servir à commander réellement -la distribution radiale des atomes de sodium Dans des modes de réalisation recommandés de la pré- sente invention, on inclut un moyen permettant d'obtenir une -4- température du réservoir du tube de décharge d'arc supérieu- re à la valeur classique, pour tenir compte des températures plus élevées nécessitées généralement par la vaporisation de l'halogénure métallique. Par conséquent, un autre mode de réalisation de la présente invention comprend un procédé de commande de la distribution radiale d'un élément métallique vaporisé dans un tube de lampe à décharge d'arc de forte puissance par in- corporation à l'intérieur du tube d'une quantité choisie d'un halogénure, autre qu'un fluorure, de l'élément métallique En effet, les fluorures sont fâcheux dans les lampes à cause de leur grande tendance à attaquer et éroder le matériau du tube à décharge d'arc et ses électrodes. La présente invention a pour buts de: réaliser une lampe à décharge d'arc de forte puissance qui présente un meilleur rendement; réaliser un moyen permettant de commander la distribution radiale d'un ou plusieurs éléments métalliques vaporisés à l'intérieur d'un tube à décharge d'arc; réduire les effets de l'auto-absorption des rayonnements qui se produit à l'intérieur de certaines lam- pes à décharge de forte puissance; réaliser un type perfectionné de lampe à déchar- ge de forte puissance, qu'on appellera dans la description lampe à métal plus halogénure métallique ou lampe métal/ha- logénure métallique. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue en élévation de côté d'une lampe classique à vapeur de sodium haute pression selon la présente invention; Figure 2, une vue en élévation de côté d'une lampe semblable à celle représentée en figure 1, sauf toute- fois qu'elle comporte des écrans réfléchissants d'extrémité retenant la chaleur - - Figure 3, une vue en élévation de côté, sembable à la figure 1, sauf qu'elle illustre la présence d'un moyen séparé de chauffage de réservoir monté aux extrémités du tube à décharge d'arc; Figure 4, une illustration détaillée d'une vue en élévation de côté en coupe d'un support isolant à montage vertical du type représenté en figure 3; Figure 5, une courbe représentant la -variation de la température du plasma en fonction de la distance par rapport au centre du tube à arc; Figure 6, un graphique représentant la densité des atomes de sodium (également fonction de la distance par rapport au centre du tube à arc), la courbe A représentant cette fonction pour des lampes à vapeur métallique classiques et la courbe B pour certaines lampes de la pré- sente invention. La figure 1 représente une lampe classique à arc au sodium haute pression ou, plus généralement, une lampe classique à vapeur métallique haute pression La configura- tion représentée en figure 1 peut être également employée dans la présente invention qui est généralement axée sur la nature spécifique du milieu gazeux de décharge En particu- lier, la figure 1 représente une lampe à décharge d'arc de forte puissance comprenant une enveloppe extérieure 11 transmettant la lumière Cette enveloppe extérieure est de préférence constituée par un matériau tel que du verre ré- sistant à la chaleur ou du quartz La lampe représentée com- prend également un tube de décharge d'arc 10 transmettant la lumière, aux extrémités opposées duquel sont disposées inté- rieurement des électrodes Le tube 10 a classiquement une forme cylindrique et doit résister à l'attaque des matériaux utilisés dans le milieu de décharge gazeux renfermé par le tube En particulier, le tube 10 est de préférence en maté- riau céramique réfractaire, tel que l'alumine, plus spécia- lement en alumine polycristalline frittée Ce matériau s'est 6 - avéré très résistant à l'attaque des éléments métalliques tels que le sodium Le tube de décharge d'arc a classique- ment un diamètre intérieur compris entre environ 4 et 18 mm. Cependant, un diamètre compris entre environ 8 et 10 mm constitue une plage davantage recommandée pour la lampe et le procédé de la présente invention Enfin, s'agissant du tube à arc 10, on peut remarquer qu'il peut, en fait, être constitué d'un matériau cristallin tel que le saphir Néan- moins, l'utilisation d'un tel matériau est généralement très coûteuse, sauf pour des applications o l'importance du coût peut être compensée par les avantages qu'offre un tel maté- riau On notera également que le volume entre le tube à dé- charge 10 et l'enveloppe extérieure 11 est généralement sous vide de manière à éviter les pertes calorifiques à partir du tube qui réduisent le rendement. Tandis que l'enveloppe extérieure 11 et le tube à arc 10 constituent la structure mécanique principale d'une lampe selon la présente invention, celle-ci renferme d'au- tres structures qui permettent le branchement électrique et le support du tube En particulier, un fil conducteur 14 de support constitue une partie d'un moyen de raccordement des électrodes du tube à arc à des connexions extérieures par l'intermédiaire d'un culot Edison à vis classique 20 De mê- me, un fil conducteur de support 15 est classiquement relié électriquement à l'un des deux contacts métalliques exté- rieurs du culot 20 Le support 15 s'étend verticalement à travers la zone sous vide de la lampe et 'est de préférence soudé à une rondelle, ou bague, hexagonale d'entretoisement 13 qui est disposée autour d'un t 8 ton 12 formé à l'extrémité de l'enveloppe extérieure Il pour servir de support au tube En outre, pour tenir compte des effets de la dilatation thermique se produisant dans le fonctionnement de la lampe, un autre support 27 comporte une boucle de dilatation 22 Le fil conducteur de support 27 est de préférence soudé par points à la bague 13 et à un fil latéral de support 21, qui 7 - est, à son tour soudé de préférence par points à une partie de raccordement 24 du tube, laquelle peut servir également de réservoir d'amalgame ou d'halogénure De même, à l'extré- mité côté base de la lampe représentée en figure 1, un sup- port latéral 16 est soudé par points au fil 14 et à une par- tie inférieure de raccordement 24 de manière à non seulement supporter le tube 10, niais encore à alimenter les électro- des en courant électriques Ainsi, le trajet du courant dans sa traversée du milieu gazeux de décharge est classiquement constitué des parties suivantes: le fil conducteur de sup- port 14, le support latéral inférieur 16, la partie infé- rieure de raccordement 24, l'électrode inférieure du tube , le milieu gazeux de décharge renfermé dans le tube 10, l'électrode supérieure du tube 10, la partie supérieure de raccordement 24, le fil latéral de support 21, le support vertical 27 (y compris la boucle de dilatation thermique 22), la bague de support 13, et le fil conducteur de support Les fils conducteurs 14 et 15 sont reliés séparément soit à la connexion 17 du culot à vis,é soit au plot exté- rieur central 19 Les constacts extérieurs 17 et 19 sont sé- parés par un matériau isolant 18 De cette façon, des moyens sont prévus pour le raccordement électri que aux électrodes à l'intérieur du tube à arc 100 De plus, une lampe classique, telle que représentée en figure 1, con prend de préférence un revêtement en "getter" 23 qui est disposé sur la partie intérieure de l'enveloppe extérieure 11 de manière à faciliter le maintien du v ide dans le volume compris entre le tube 10 et l'enveloppe extérieure l. La description de la lampe représentée en figure 1 venant d'être faite est typique d'une lampe classique à va- peur métallique haute pression, telle qu'une lampe à vapeur de sodium haute pression C'est à ce type général de lampe que s'applique plus particulièrement la présente invention. Entre autres, comme décrit précédemment, on a trouvé qu'il y a une réabsorption du rayonnement entraînant une perte de 8 - rendement par les atomes de sodium plus froids présents à proximité de la paroi du tube à arc Le rayonnement qui est absorbé est produit près du centre du tube à décharge d'arc à la suite de la formation du plasma de vapeur de sodium ionisée En particulier, à cet égard, on se reportera aux figures 5 et 6 dont on fera ultérieurement l'analyse Dans la présente invention, des expériences ont confirmé que la présence d'un halogénure métallique, tel que l'iodure de so- dium, dans le tube à arc d'une lampe à vapeur de sodium, a pour effet de réduire sensiblement le phénomène de réabsorp- tion En particulier, l'iodure de sodium au centre de l'arc à plasma est dissocié, mais aucune partie de l'iodure proche de la paroi du tube ne l'est Ainsi, les atomes de sodium se trouvant normalement à proximité de la paroi du tube et qui réabsorbent le rayonnement provenant de la zone centrale à plasma ne sont plus présents Au contraire, dans la présente invention, l'iodure y est présent et ne soulève aucune pro- blème de réabsorption Par conséquent, on voit qu'en réglant la quantité d'halogénure métallique ajoutée au tube à arc et, par exemple, la température du réservoir du tube, on peut commander la pression partielle de vapeur de l'halogé- nure métallique En particulier, on voit qu'il est souhaita- ble de régler le rapport entre la pression partielle de va- peur métallique et la pression partielle de l'iodure métal- lique De cette façon on peut contrôler la distribution radiale des atomes et des ions de sodium. De plus, on remarquera plus particulièrement que l'utilisation d'iodure de sodium dans une lampe à vapeur de sodium, selon la présente invention, se prête aussi facile- ment à l'incorporation de certains additifs qui contribuent au flux lumineux spectral de la lampe et améliorent sa cou- leur Plus particulièrement, on peut ajouter de l'iodure de thallium A la suite de cette addition, la réaction réversi- ble suivante se produit dans le tube à arc. TI + Na Na I + Tl Cependant, on notera que la réaction réversible précédente implique que l'addition d'iodure au milieu de remplissage du tube provoque la réaction de droite à gauche Cela améliore le flux lumineux spectral du métal dont on a ajouté l'iodu- re Dans la présente invention, l'effet bénéfique de l'iodu- re de sodium sur le rendement se produit indépendamment de la présence d'autres iodures, tels que l'iodure de thallium. Comme mentionné ci-dessus, le tube à arc employé dans la lampe de la présente invention doit résister à l'at- taque des éléments métalliques utilisés De plus, l'halogé- nure métallique ajouté au tube à décharge d'arc selon la présente invention doit être un halogénure autre qu'un fluo- rure, car on sait que les fluorures attaquent les matériaux généralement utilisés ou pouvant être utilisés dans les tu- bes à décharge d'arc. Selon la pratique classique concernant les lampes à vapeur métallique, on dispose également de préférence une quantité finie de mercure à l'intérieur du tube, cette quan- tité étant suffisante pour produire une pression partielle de vapeur pouvant atteindre environ 1 x 106 Pa dans les conditions normales de fonctionnement de la lampe Cepen- dant, bien que certainement souhaitable, l'incorporation de mercure n'est pas absolument nécessaire dans la pratique de la présente invention De plus, comme pour le mercure, on dispose également de préférence à l'intérieur du tube à arc une quantité finie d'un gaz inerte d'amorçage, cette quantité étant suffisante pour produire une pression partielle de vapeur comprise entre environ 130 et 26 x 103 Pa aux conditions normales de fonctionnement de la lampe On choisit généralement le gaz inerte d'amorçage parmi des gaz tels que l'argon, le krypton, le xénon ou le néon La vapeur métallique employée dans les lampes selon la présente invention est celle de métaux alcalins tels que le sodioum, le césium, le rubidium et le potassium. La figure 2 représente un mode de réalisation re- - commandé de lampe métal/halogénure de métal En particulier la lampe de la figure 2 comprend des écrans thermiques en molybdène 30 disposés autour des extrémités du tube à arc Comme l'halogénure de sodium nécessite une température supérieure à celle du sodium métallique pour maintenir les pressions de vapeur désirées de l'iodure de sodium, ces écrans retenant la chaleur sont placés à cette fin autour des extrémités du tube. La figure 3 représente un autre mode de réalisa- tion recommandé de lampe métal/halogénure de métal haute pression selon l'invention Plus particulièrement, la lampe de la figure 3 comprend des bobines électriques de chauffage par résistance 41 disposées autour d'un cylindre résistant à la chaleur 40 constitué d'un matériau qui peut, par exemple, être semblable à celui du tube 10, ou être un autre matériau céramique Alors qu'on a représenté deux de ces bobines dans la lampe de la figure 3, on remarquera qu'il est possible de n'utiliser qu'une seule bobine Comme représenté dans la fi- gure, les bobines sont reliées électriquement de manière à être en série avec la décharge d'arc produite entre les électrodes du tube 10 Pour réaliser cette liaison électri- que en série, on peut employer des supports isolants 42, ou faire appel à des agencements similaires Le support isolant 42 sert à soutenir le tube à décharge 10 en étant fixé au fil 25 de raccordement au tube, ce type de raccordement pou- vant être employé dans le cas o un réservoir extérieur n'est ni souhaité ni requis à l'une des extrémités du tube ou à ses deux extrémités Le support isolant 42 est typique- ment soudé par point aux fils 25 et au support conducteur 15 et sert donc à maintenir le tube 10 Cependant, il assure également une fonction d'isolement électrique de manière à permettre la liaison des bobines chauffantes 41 en série avec la décharge se produisant à l'intérieur du tube 10 Une représentation d'un mode de réalisation d'une telle structure de support isolante fait l'objet de la figure 4, il - o l'on peut voir que des éléments de support électrique séparés 42 a et 42 c sont placés à l'intérieur d'une perle en verre ou en céramique 42 b qui sert à maintenir un isolement électrique entre les parties, métalliques de support 42 a et 42 c. Une plus grande compréhension du problème soulevé par la réabsorption dans les lampes à vapeur métallique et de la solution présentée ici peut être obtenue en examinant les figures 5 et 6 La figure 5 est une courbe de la tempé- rature du plasma en fonction de la position diamètrale dans le tube à arc, le centre de la courbe correspondant au cen- tre du tube à arc, et les points extrêmes à la surface ex- trême de la paroi du tube La figure 5 montre que la tempé- rature du plasma passe par une valeur maximum d'environ 45001 K au centre du tube et que cette température de plasma (vapeur ionisée) tombe à approximativement 15000 K à la paroi du tube Plus important encore, la courbe A de la figure 6 montre que la densité des atomes de sodium, dans le cas d'une lampe classique au sodium haute pression, passe par une valeur minimum près du centre du tube, mais croît sui- vant un facteur d'environ 2 ou 3 lorsqu'on se rapproche de la surface intérieure de la paroi du tube C'est la présence d'atomes de sodium à proximité de la surface de la paroi du tube qui contribue d'une manière plus significative au pro- blème de l'absorption du rayonnement que permet de résoudre la présente invention La courbe B de la figure 6 montre la distribution des atomes de sodium dans une lampe comprenant de l'iodure de sodium comme milieu de décharge On notera par conséquent que l'incorporation de sodium et d'iodure de sodium dans le milieu de décharge rend possible la maîtrise et l'optimisation de la distribution radiale des atomes de sodium ou, en général, des éléments à vapeur métallique Par exemple, un milieu gazeux de décharge comprenant x Na y Na I permet l'obtention d'une distribution des atomes de sodium entre les courbes A et B de la figure 6. 12 - D'après ce qui précède on remarquera que la pré- sente invention prévoit un nouveau type de lampe à décharge de forte puissance En particulier, on a pu constater que, alors que dans le passé on a utilisé des lampes à vapeur mé- tallique telles que des lampes au sodium ainsi que des lam- pes employant des halogénures métalliques, la présente in- vention représente un nouveau type de structure de lampe qu'on vient de décrire sous la variante lampe métal/halogé- nure de métal Les avantages particuliers présentés par la lampe de la présente invention comportent le fait que la présence d'halogénure métallique, avec la vapeur métallique, réduit la densité des atomes métalliques dans le voisinage de la paroi du tube à arc Cela a pour conséquence que la lampe présente une concentration plus élevée d'atomes d'halogénure métallique qui ne se traduit pas par la réab- sorption du rayonnement produit à l'intérieur du plasma cen- tral chaud En particulier, on a pu constater que la présen- te invention s'applique plus particulièrement à la construc- tion de lampe sodium/iodure de sodium De plus, la présente invention permet également l'incorporation à l'intérieur du tube à décharge de certains additifs permettant d'améliorer la couleur. 13 - R E V E N D I C A T I O N S 1 Lampe à décharge d'arc de forte puissance, ca- ractérisée en ce qu'elle comprend: une enveloppe extérieure ( 11) transmettant la lumière, un tube ( 10) de décharge d'arc transmettant la lumière, comportant des électrodes qui sont montées à ses extrémités opposées; une certaine quantité de mercure disposée à l'intérieur du tube d'une valeur suffisante pour produire une pression partielle de vapeur atteignant 1 x 106 Pa aux conditions normales de fonctionnement; une quantité finie d'un gaz inerte d'amorçage disposée à l'intérieur du tube, d'une valeur suffisante pour- produire une pression partielle de vapeur comprise entre en- viron 130 Pa et environ 26 103 Pa aux conditions normales de fonctionnement de la lampe; au moins un élément métallique vaporisable dépo- sé à l'intérieur du tube comme amalgame; un halogénure, autre qu'un fluorure, de cet élé ment métallique, disposé à l'intérieur du tube, ce tube ré- sistant à l'attaque du métal; et un moyen de raccordement électrique ( 14, 16; 21, 22) aux électrodes. 2 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube de décharge d'arc est constitué d'un matériau résistant au sodium. 3 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube de décharge d'arc est constitué d'une cérami- que réfractaire. 4 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube de décharge d'arc est constitué d'alumine polycristalline frittée. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube de décharge d'arc est constitué d'alumine. 14 - 6 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube ( 10) de décharge d'arc a un diamètre inté- rieur compris entre environ 4 et 18 mm. 7 Lampe selon la revendication 6, caractérisée en ce que le tube ( 10) de décharge d'arc a un diamètre inté- rieur compris entre environ 8 et 10 mm. 8 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le gaz inerte d'amorçage est choisi dans le groupe constitué par l'argon, le krypton, le xénon, et le néon. 9 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément métallique est choisi dans le groupe cons- titué par le sodium, le césium, le rubidium et le potassium. Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que I'halogénure du métal est l'halogénure de sodium. 11 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen de raccordement électrique supporte éga- lement le tube à arc à l'intérieur de l'enveloppe extérieure. 12 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des écrans termiques ( 30) disposés autour des extrémités du tube à arc. 13 Lampe selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un moyen de chauffage ( 41) d'au moins l'une des extrémités du tube de décharge d'arc. 14 Lampe selon la revendication 13, caractérisée en ce que le moyen de chauffage ( 41) est constitué de résis- tances électriques disposées autour des extrémités du tube à arc. Lampe selon la revendication 14, caractérisée en ce que les résistances chauffantes ( 41) sont reliées électriquement en série avec la décharge d'arc. 16 Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre du thallium comme élément métallique vaporisable disposé à l'intérieur du tube. 17 Procédé de commande de la distribution radiale d'un élément métallique vaporisé dans un tube à arc de lampe - à décharge de forte puissance, caractérisé en ce qu'il com- prend l'incorporation à l'intérieur du tube ( 10) d'une quan- tité choisie d'un halogénure, autre qu'un fluorure, de l'élément métallique en même temps que ce dernier. 18 Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'élément métallique est le sodium. 19 Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'halogénure est l'iodure de sodium.