Brevet FR2606933A1 — publié le 19880520

La présente invention concerne une lampe à incan- descence et, plus particulièrement, une lampe à incandes- cence renfermant un filament en tungstène et contenant un gaz inerte en même temps que du mercure métallique vapori- sable. Pendant les longues durées de fonctionnement typique des lampes à incandescences, pendant une longue durée, une partie du tungstène du filament s'évapore et se dépose sur la paroi de la lampe. Ce dépôt provoque typiquement le noircissement de la paroi de l'ampoule, ce qui a pour effet de diminuer le flux lumineux sortant de la lampe et donc de réduire le nombre de lumens par watts ou rendement de la lampe. On sait qu'on peut sensiblement réduire le noircis- sement de la paroi d'une ampoule provoqué par un filament du type tungstène en prévoyant une atmosphère du type gaz halogène pour entourer le filament du type tungstène et assurer un cycle de régénération (transport) qui a pour effet de renvoyer le tungstène évaporé au filament et de maintenir les parois de l'ampoule à l'état de propreté, d'o une amélioration du rendement de la lampe à incandescence. Les lampes à incandescence utilisant une atmo- sphère halogène sont bien connues et décrites, par exemple, dans les brevets des Etats-Unis 2 883 571, 3 497 754, ainsi que dans le brevet du Royaume Uni 952 938. Bien que l'atmo- sphère halogène fonctionne très efficacement comme agent de - 2 transport, elle a aussi un effet néfaste à cause de sa réaction avec les fils intérieurs supportant le filament en tungstène dans la lampe. Pour éviter un tel effet néfaste, les fils d'entrée sont généralement en matériau relativement bon marché, tel que le molybdène et le tungstène. L'atmo- sphère halogène a également l'inconvénient que, pendant la fabrication de la lampe halogène, on doit prendre des pré- cautions pour éviter que des impuretés gazeuses n'entrent à l'intérieur de la lampe, ce qui aurait pour effet de dé- grader le cycle de régénération halogène-tungstène. Il est souhaitable de réduire le taux du dépôt du tungstène sur les parois des lampes du type à incandescence de manière à éviter l'utilisation d'un agent de transport de l'halogène et permettre l'emploi de fils intérieurs moins chers, par exemple en nickel, en fer nickelé, et, également afin de faciliter le processus de fabrication de la lampe du type à incandescence. Par conséquent, la présente invention a pour objet un moyen grâce auquel les parois de l'ampoule d'une lampe du type à incandescence restent propres sans utilisation d'un agent de transport d'halogène. Selon la présente invention, une lampe à incandes- cence contenant du mercure pressurisé, de meilleur rende- ment, comporte une enveloppe renfermant un filament en tungstène, un gaz inerte, une quantité prédéterminée de mercure vaporisable, et un dégazeur d'oxygène (getter). La lampe à incandescence pressurisée au mercure comporte une enveloppe transmettant la lumière dans laquelle sont disposés le filament de tungstène, le dégazeur d'oxy- gène, et renferme un gaz inerte en même temps que le mercure métallique vaporisable. Le gaz inerte a une pression de remplissage légèrement inférieure à environ 0,1 MPa pour faciliter la fabrication mais cette pression peut être plus grande; il est choisi dans le groupe constitué de l'argon, de l'azote, du kripton et du zénon. Il est souhaitable que -3- la pression du mercure soit aussi élevée que possible de manière à supprimer l'évaporation du tungstène du filament et cette pression est déterminée par la température des points froids de la lampe. Une température des points froids d'environ 450 ou plus est nécessaire pour obtenir avantageusement une pression de fonctionnement du mercure de 0, 5 MPa ou plus. Le dégazeur d'oxygène est choisi dans le groupe constitué du titane, du zirconium, du tantale, du phosphore et du bore. La suite de la description se réfère à la figure annexée qui représente: Une source lumineuse pressurisée au mercure, de meilleur rendement, trouvant des applications dans divers types de lampes à incandescence. Dans la figure, on a illustré une lampe à incan- descence 10 pressurisée au mercure selon l'un des modes de réalisation de la présente invention. La lampe 10 comporte une enveloppe 12 qui peut être en verre translucide relativement épais, d'environ 1,0 mm d'épaisseur. L'enveloppe 12 peut être constituée d'un tube en verre ayant un diamètre extérieur compris entre environ 5 mm et environ 10 mm. L'enveloppe 12 peut être en verre à haute température, à faible pourcentage de sodium, du type dit 180 qu'on se procure auprès de la société dite General ELectric Glass Department de Cleveland, Ohio, qui permet les hautes températures de paroi nécessaires à la vaporisation du mercure et fournit aussi avantageusement les pressions élevées de fonctionnement. Dans l'enveloppe 12 transmettant la lumière, représentée dans la figure, est disposé spatialement, dans le sens transversal, un filament en tungstène 14. Le fila- ment 14 peut être également disposé suivant l'axe de l'enve- loppe 12. En outre, la lampe 10 représentée dans la figure comme étant un agencement à une seule extrémité, muni de deux fils intérieurs 16 et 18 sortant de cette même extra- - 4 - mité de l'enveloppe 12, peut également se présenter sous la forme d'une lampe à extrémité double dans laquelle les fils intérieurs 16 et 18 sortent aux extrémités opposées de l'enveloppe. On choisit en premier lieu les paramètres du filament 14, tels que le nombre de spires du fil en tung- stène, le pas des spires, la longueur et le diamètre du fil, en fonction de la tension d'alimentation désirée pour le fonctionnement de la lampe 10. Le filament 14, représenté dans la figure, est monté entre la paire de fils intérieurs 16 et 18 qui entrent, s'étendent et sortent de la tige d'étanchéité 20 de l'enveloppe 12. Les fils intérieurs 16 et 18 sont constitués d'un matériau relativement bon marché tel que le nickel, et le fer nickelé. Comme on l'a discuté dans les premiers para- graphes de la présente description, l'utilisation de ces fils relativement peu coûteux dans la lampe 10 présente des avantages vis-à-vis des lampes au tungstène de l'art anté- rieur qui comportent un gaz halogène nécessitant des fils intérieurs en matériau relativement cher, tel que le molyb- dène et le tungstène. Ces fils intérieurs relativement chers sont rendus nécessaires par l'utilisation d'un gaz halogène à l'intérieur de l'enveloppe comme agent de transport per- mettant de renvoyer au filament le tungstène évaporé. En outre, le gaz halogène nécessite la prise de précautions pendant le processus de fabrication de manière à éviter que des impuretés gazeuses n'entrent dans le volume intérieur de la lampe, ce qui aurait pour effet de dégrader les perfor- mances du cycle de régénération tungstène-halogène. La présente invention évite d'avoir à recourir à ces fils intérieurs chers et facilite le processus de fabri- cation de la lampe en éliminant l'emploi d'un additif halo- gène et prévoit à sa place du mercure métallique vaporisable qui fonctionne à une pression relativement élevée comme agent de transport dans la lampe 10. - L'enveloppe transmettant la lumière contient un gaz inerte, du mercure métallique vaporisable et un dégazeur d'oxygène. Le gaz inerte a une pression de remplissage légèrement inférieure à 0,1 MPa; plus particulièrement, la pression est comprise entre environ 78 kPa et environ 91 kPa pour faciliter la fabrication, et ce gaz est choisi dans le groupe constitué de l'argon, du kripton, du zénon et de l'azote. La lampe peut contenir le gaz inerte à une pression supérieure à 0,1 MPa pour obtenir une pression totale plus élevée pendant la marche. La pression du mercure à l'intérieur de la lampe doit être aussi élevée que possible et est déterminée par les températures des points froids de la lampe. Une tempéra- ture des points froids supérieure à 450 C est souhaitable pour obtenir une pression de fonctionnement du mercure de 0,5 MPa ou davantage. Les températures des points froids se produisent à l'intérieur de l'enveloppe 12 aux endroits éloignés du filament, par exemple aux emplacements des parties supérieure et inférieure de l'enveloppe 12. Pour une enveloppe ayant un volume de 1 cm et une température des points froids de 450 C, 16, 7 mg de mercure produisent une pression de fonctionnement de 0,5 MPa, et pour la même enveloppe ayant une température des points froids de 510 C, il faut 31 mg de mercure pour obtenir une pression de fonc- tionnement de 1 MPa. La quantité du mercure se trouvant à l'intérieur de la lampe doit également être telle qu'elle se vaporise complètement pendant le fonctionnement de sorte qu'aucun mercure liquide condensé n'est présent qui, dans le cas contraire, serait à l'origine de problèmes potentiels de formation d'arcs entre les fils intérieurs de la lampe. En outre, l'enveloppe 12 contient un dégazeur d'oxygène 22 choisi dans le groupe constitué du titane, du zirconium, du tantale, du phosphore et du bore. Si on choi- sit un dégazeur 22 dans le groupe constitué du titane, du -6- zirconium, du tantale, et du bore, il peut avoir la forme d'une pastille fixée à l'un ou l'autre des fils intérieurs ou aux deux fils, dans la mesure o il est monté dans les limites de l'enveloppe 12; dans la figure, on l'a repré- senté comme étant fixé au fil intérieur 18. Si l'on choisit du phosphore pour constituer le dégazeur 22, celui-ci peut être placé à l'intérieur de l'enveloppe sous forme d'une bouillie qu'on ajoute au filament 14. Pour le fonctionnement de la lampe 10, il est nécessaire d'éliminer ou de rendre minimum le transport du tungstène entre le filament et la paroi de l'ampoule par le cycle bien connu de l'eau, et cela peut s'effectuer par addition de dégazeurs connus tels que le titane, le zirco- nium, le phosphore et le bore. En général, on ajoute ces dégazeurs suivant des quantités de l'ordre du milligramme, qui sont fonction du volume de la lampe 10. Pour les lampes envisagées dans la présente invention, il est souhaitable que la quantité de dégazeur soit de l'ordre de 0,1 mg à 1,0 mg. La lampe à incandescence 10 de la présente inven- tion contenant le mercure à haute pression dans l'enveloppe 12 réduit les formations d'arcs entre les fils intérieurs qui risquent de rendre la lampe 10 inutilisable. Ces condi- tions de formation d'arcs, sans les avantages présentés par la présente invention, sont des plus prononcées lorsque la lampe fonctionne avec une alimentation dépassant 120 volts et sont réduites lorsque la tension de fonctionnement est abaissée à une valeur d'environ 10 volts. Le problème de la formation d'arcs qu'on remarque particulièrement aux ten- sions élevées peut être amoindri en choisissant des gaz inertes relativement lourds tels que le kripton et le z6non auxquels on ajoute de l'azote. La lampe 10 de la présente invention contient également du mercure à haute pression et supprime l'évaporation du tungstène à partir du filament et par conséquent réduit le taux de noircissement de la paroi 7- de l'enveloppe 12. Dans une toute première recherche, on essaya de calculer la vitesse d'évaporation du tungstène, et plus particulièrement la vitesse d'arrivée aux parois de la lampe pressurisée au mercure du tungstène évaporé à partir du filament, et ce calcul révéla qu'une situation inhabituelle se produit dans une telle lampe en ce sens que l'ingrédient mercure qui agit en gaz tampon est plus lourd que les espèces diluées de tungstène s'évaporant à partir du fila- ment. Ces découvertes faites pendant les essais de la lampe se traduirent par l'impossibilité de déterminer, à l'aide d'une technique de transmission de la lumière, la vitesse approximative d'évaporation du tungstène dans ce genre d'environnement. La contribution de la concentration ou de la diffusion thermique au transport du tungstène entre le filament et les parois de l'enveloppe est liée à la différence de température entre le filament sous tension et les parois de l'enveloppe. La contribution et le signe, contribution positive ou négative, du transport dû à la diffusion thermique étaient inconnus à l'origine. Après de nouvelles recherches, on détermina que le mercure, qui est plus lourd que le tungstène évaporé, agis- sait en gaz tampon et qu'il se produisait apparemment un transport à gradient ascendant. Ce transport était inattendu en ce sens qu'on prévoyait un transport du tungstène à gradient descendant entre le filament chaud et la paroi froide, qui aurait augmenté la vitesse de dépôt du tungstène évaporé sur les parois de l'enveloppe. Cependant, l'inter- action unique entre mercure et tungstène diminua la vitesse d'arrivée du tungstène évaporé aux parois de l'enveloppe 12. On a d'autre part contasté que dans les lampes pressurisées au mercure de la présente invention qui ne comportent pas un additif halogène, un dégazeur effectif d'oxygène, tel que ceux décrits précédemment, a pour effet de réduire encore le transport de tungstène entre le fila- ment et la paroi de l'enveloppe, lequel se produit sinon par un transfert par cycle d'eau, créé par des impuretés compor- tant de l'oxygène, en particulier par l'eau (H20) ou le gaz carbonique (CO2) qui peuvent être entrés à l'intérieur de l'enveloppe 12. La combinaison de l'interaction mercure-tungstène et du dégazeur d'oxygène, tous deux entrant dans le cadre de la présente invention, a pour effet de réduire la vitesse de dépôt du tungstène évaporé sur la paroi de l'enveloppe 12 et donc de prolonger la durée de vie de la lampe 10 en matière d'efficacité de son fonctionnement. Dans la pratique de la présente invention, on a procédé à l'essai de deux lampes comportant de l'argon et du mercure, suivant les quantités précédemment décrites, et un dégazeur d'oxgène. Dans la préparation de l'essai, on s'at- tendait à ce que les lampes à tester, qui avaient été trai- tées dans le but de réduire au minimum la contamination par l'oxygène et par conséquent le transfert par cycle d'eau, soient sujettes à un noircissement des parois de l'enveloppe après une durée d'environ 50 heures. C'est avec surprise que l'on constata que les lampes fonctionnaient de manière satisfaisante pendant une durée supérieure à 700 heures sans être victimes d'un noircissement visible des parois de l'enveloppe intérieure. On remarquera maintenant que la présente invention fournit une lampe à incandescence pressurisée au mercure qui apporte un moyen permettant de réduire ou même d'éliminer le noircissement des parois de la lampe sans qu'il soit néces- saire de faire appel à un gaz halogène. - 9 - REVENDICATIONS 1. Lampe à incandescence pressurisée au mercure, caractérisée en ce qu'elle comprend: une enveloppe transmettant la lumière (12); un filament en tungstène (14) ayant des paramètres choisis en conformité avec la tension de fonctionnement désirée de la lampe et disposé spatialement à l'intérieur de l'enveloppe au moyen d'une paire de fils intérieurs (16, 18); un gaz inerte renfermé par l'enveloppe et ayant une pression de remplissage d'environ 78 kPa à environ 91 kPa ou davantage, ce gaz inerte étant choisi dans le groupe constitué de l'argon, de l'azote, du kripton et du zénon; un métal vaporisable de mercure enfermé à l'inté- rieur de l'enveloppe ayant une quantité déterminée par la température des points froids de l'enveloppe, cette tempéra- ture dépassant 450 C de manière à obtenir une pression de fonctionnement du mercure de 0,5 Mpa ou davantage; un dégazeur d'oxygène (22) à l'intérieur de l'en- veloppe choisi dans le groupe constitué du titane, du zir- conium, du tantale, du phosphore et du bore. 2. Lampe à incandescence pressurisée au mercure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paire de fils intérieurs (16, 18) est constituée d'un métal compris dans le groupe des métaux suivants: nickel et fer nickelé. 3. Lampe à incandescence pressurisée au mercure selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enve- loppe (12) est formée d'un verre ayant une caractéristique de fonctionnement élevée et présentant un diamètre extérieur compris entre environ 5 mm et environ 10 mm. 4. Lampe à incandescence pressurisée au mercure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le poids du dégazeur (22) est compris entre environ 0,1 mg et environ 1 mg en fonction du volume de la lampe. 5. Lampe à incandescence pressurisée au mercure selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enveloppe (12) a une volume d'environ 1 cm3, et en ce que la quan- tité de mercure est comprise entre environ 16,7 mg et envi- ron 31 mg.