Brevet FR2599890A1 — publié le 19871211

La présente invention se rapporte à une enveloppe en silice fonduepour une lampe à décharge, et plus particulièrement à une enveloppe en silice fondue appropriée à une utilisation pour produire une lampe à décharge sans ozone. De nombreuses lampes à décharge menées par les lampes au xénon et les lampes à vapeur de mercure rayonnent de la lumière qui contient un rayon ultra-violet ayant une longueur d'onde de 200 nm ou moins. Un rayon ultra-violet ayant une longueur d'onde de 200nm ou moins force l'oxygène, qui est contenu dans l'air, à réagir de façon à former de l'ozone. L'ozone est nocif pour les corps humains. En conséquence, sa formation doit être évitée à l'exception que l'ozone est positivement utilisé pour le nettoyage, la stérilisation ou analogue. En effet, il est nécessaire d'empêcher un rayon ultra-violet ayant une longueur d'onde de 200nm ou moins d'être émis par une lampe à décharge.Dans ce but, les enveloppes des lampes à décharge sont formées de ce que l'on appelle du verre de silice fondue sans ozone qui ne permet pas la transmission des rayons ultra-violets ayant des longueurs d'onde de 200 nm et moins. Un verre de silice fondue dopé de TiO2 et contenant des atomes de Ti qui y sont dispersés peut, par exemple, être utilisé comme verre de silice fonduesans ozone. Si une enveloppe faite d'un verre de silice fondue, où des atomes de Ti ne sont pas régulièrement dispersés et où la diffusion des atomes de Ti et par conséquent non uniformes, est utilisée pour la fabrication d'une lampe au xénon à titre d'exemple, des efforts de traction doivent se produire dans une couche de surface interne de la paroi de l'enveloppe par les rayons ultra-violets rayonnés par l'arc de la décharge. Par suite, des fissures se produisent dans l'enveloppe en une courte période de temps, donc la durée utile de la lampe au xénon est réduite. Dans certains cas, une contrainte s'est développée dès quelques heures d'éclairement, avec pour résultat une fracture des enveloppes après éclairement pendant environ 100 heures. Le problème ci-dessus ne se pose pas si l'on utilise une enveloppe faite en verre de silice fondue de haute qualité, sans ozonejavec des atomes de Ti qui y sont uniformément dispersés. Il est cependant nécessaire de faire fondre Ti02 et Si02 à une température élevée pendant plusieurs heures afin de produire un verre de silice fondue avec des atomes de Ti qui y sont uniformément dispersés. Sa production est par conséquent très longue et fastidieuse et son prix est en conséquence élevé. En gardant les problèmes ci-dessus en vue, la présente invention a pour objet de former une enveloppe en silice fondue qui puisse être produite facilement, ait une bonne durabilité, empêche complètement la transmission des rayons ultra-violets ayant des longueurs d'onde de 200 nm et moins et soit par conséquent appropriée à une utilisation dans une lampe à décharge sans ozone. Selon un aspect de cette invention, on prévoit ainsi une enveloppe en silice fonduepour une lampe à décharge, où la concentration en Ti dans une gamme de 1 um- IDU m à partir de la surface interne de la paroi de l'enveloppe est de 0,5 % - 7 % en termes de Ti02 et le produit de la concentration moyenne totale en Ti et de l'épaisseur de la paroi de l'enveloppe est compris entre 3,7 %)um et 42 %y m. La présente invention apporte de nombreux avantages. Par exemple, elle a permis de produire facilement une enveloppe en silice fondue appropriée à une utilisation dans une lampe à décharge sans ozone ayant une bonne durabilité et pouvant absorber complètement des rayons ultra-violets ayant des longueurs d'onde de 200 nm et moins. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages decelle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels - la figure 1 est un diagramme curviligne montrant les caractéristiques de transmission des rayons ultra-violets d'une enveloppe en silice fondueselon la présente invention, la longueur d'onde étant indiquéeen abscisses et la trans mittance en ordonnées - la figure 2 illustre schématiquement l'étape de production de l'enveloppe en silice fondue ; et - la figure 3 est un diagramme curviligne montrant la concentration en TiO2 en ordonnées en fonction de la profondeur à partir de la surface interne de la paroi de l'enveloppe, en abscisses. Les épaisseurs de paroi des enveloppes des lampes à décharge sont généralement d'environ 2 - 5 mm. Dans des enveloppes en silice fondue sans ozone conventionnelles, TiO2 est dispersé à une concentration d'ordre de 100 ppmdans toutes les enveloppes. Ure diffusion non uniforme des atomes de Ti a cependant tendance à se produire du fait de la nature de leur procédé de production. Comme on peut le comprendre par les caractéristiques ci-dessus décrites de la présente invention, contrairement aux enveloppes conventionnelles une couche où Ti02 est dispersé à une haute concentration est formée à la profondeur spécifiée avec précision à partir de la surface interne de la paroi d'une enveloppe selon l'invention et la partie majeure restante de la paroi de l'enveloppe peut ne pas toujours nécessiter la diffusion de TiO2.Les présents inventeurs ont trouvé que le problème de la diffusion non uniforme de TiO2 pouvait être evité à la manière ci-dessus lorsque sa diffusion le long de l'enveloppe est prise en considération, conduisant à l'accomplissement de la présente invention. La gamme dans laquelle TiO2 est dispersé à une haute concentration est limitée entre lJum et lO,u m à partir de la surface interne pour les raisons suivantes. En effet, il est difficile de disperser TiO2 uniquement dans une couche plus mince que lji m de manière à remplir les conditions d'un verre de silice fondue sans ozone. Par ailleurs, il est également difficile de disperserTi02 à une haute concentration dans une couche plus profonde que 10 m. De plus, la diffusion de TiO2 à une profondeur au-delà de 10 m est plus ou moins sujette à une diffusion non uniforme. La concentration de Ti02 est déterminée en considérant les caractéristiques souhaitées en tant que verre en silice fonduectns ozone et les limites imposées par une technique de production à employer pour la diffusion efficace de TiO2 à une si haute concentration. Si la concentration moyenne totale de TiD2 et l'épaisseur de la paroi d'une enveloppe se trouvent dans la gamme de 3,7 % Ji m à 42 % m, les caractéristiques de transmission des ultra-violets présentant une absorption complète des rayons ultra-violets de 200 nm et moins peuvent être obtenues comme le montre la figure 1 à titre d'exemple. Si le produit est plus petit que 3,7 % Sm, il est impossible de satisfaire les conditions des verres en silice fondue sans ozone. Tous les produits de plus de 42 % ju m ont pour résultat une absorption des rayons ultra-violets ayant de plus~grandes longueurs d'onde. La concentration en TiO2 a été définie à 0,5 % 7 % dans la plage de profondeur étroite à partir de la surface interne de la paroi de l'enveloppe, parce que cette plage spécifique de profondeur permet une diffusion efficace de TiO2 tout en satisfaisant aux conditions des verres en silice fonduesans ozone. En effet, totte concentration inférieure à 0,5 % pose des difficultés pour répondre aux conditions pour des verres en silice fonduesans ozone.Par ailleurs, il e-st difficile de disperser efficacement TiD2 à une haute concentration supérieure à 7 %, et cela est en pure perte. Certains exemples de production seront décrits cidessous pour expliquer le fait que des enveloppes en silice fondue de cette invention peuvent être facilement et efficacement produites. Afin de disperser TiO2 à une haute concentration dans une couche extrêmement mince à partir de la surface interne de la paroi d'une enveloppe, il est par exemple possible de diffuser Ti02 à tartir de la surface interne ou de cuire une couche de verre de TiO2-Si 02, qui contient TiO2 à une haute concentration, sur la surface interne. D'abord ! on decrira un procédé de diffusion de TiD2 à partir de la surface interne. Une formule de revêtement est préparéeen utilisant du tetraéthoxyde de titane Ti ( OC2H5)42 sous la forme d'un soluté et en ajoutant, en tant que solvant,un mélange d'éthanol comme composant principal et d'un acide carboxylique tel que l'acide acétique en une quantité telle que la concentration de la formule résultant de revêtement soit d'environ 30 g/l en termesde TiO2. Comme cela est illustré sur la figure 2, un tube en silice fonduede départI est placé à l'une de ses extrémités ouvertes dans la formule de revêtement L remplissant un récipient V.L'air est extrait de l'intérieur du tube 1 par son autre extrémité ouverte au moyen d'un aspirateur qui n'est pas illustré sur le dessin, pour ainsi permettre à la formule de revê tement L de monter. En permettant à la formule de revêtement L de descendre tout en contrôlant sa vitesse de descente, la forme de revêtement est appliquée à la surface interne du tube en silice fondue de départ à une certaine épaisseur. Le tube en silice fondue de départ 1 où est appliquée la formule de revêtement, est naturellement séché avec ensuite son préchauffage à environ 1500 C pendant 10 minutes puis son traitement thermique à une température de 2500C ou plus pendant 10 minutes. Par ce processus, il se forme une couche de 0,1 - I)Jm m d'épaisseur à la surface interne. Le processus ci-dessus peut être répété selon la nécessité. Ensuite, TiO2 est forcé à se diffuser dans la paroi du tube en silice fondue par un traitement de cuisson. Cela peut être fait en chauffant le tube enduit à une température de 17200C ou plus, ou de préférence de 18000C ou plus par un brûleur oxhydrique. Ce traitement peut être appliqué simultanément à la formation d'une partie en forme d'ampoule en gonflant le tube 1 tout en maintenant le tube 1 à un état chauffé et fondu par le brûleur oxhydrique. Il est par conséquent inutile d'ajouter un appareil et une étape séparés spécifiquement pour la diffusion. La figure 1 est un diagramme curviligne montrant la transmittance spectrale de la paroi d'une enveloppe en silice fondue pour une lampe à décharge de xénon, qui a été traitée à la manière ci-dessus décrite. L'enveloppe a environ 16 mm de diamètre interne et environ 2 mm d'épaisseur. L'enveloppe a été obtenue en formant une couche mince d'oxyde de titane sur sa surface interne puis en la cuisant à 8000 C pendant 10 minutes. Le produit de la concentration moyenne totale en Ti en termes de TiO2 et de l'épaisseur de la paroi de l'enveloppe est de 22 % )um. Cette enveloppe est utile, par exemple, pour la fabrication d'une lampe à décharge de xénon ayant une consommation de puissance nominale de 1 kW. La figure 3 est un diagramme curviligne montant la relation entre la concentration en TiO2 et la profondeur à partir de la surface interne,dans la paroi de l'enveloppe ci-dessus. Comme cela est apparent par ce dessin, on peut facilement envisager que la concentration en TiO2 soit d'environ 3 % sur une profondeur de 5)um à partir de la surface interne avec sensiblement pas de diffusion de TiO2 à la profondeur de 10jj m à p-artir de la surface interne. La concentration et la profondeur de TiO2 diffusé peuvent être modifiées en contrôlant la concentration de la formule de revêtement L ainsi que son épaisseur revêtue, la température et le temps de cuisson, etc. La diffusion est complétée par le processus ci-dessus. L'application de la formule de revêtement peut être facilement effectuée. Le tra-itement thermique de la couche enduite de la formule de revêtement est accompli à une basse température en une courte période de temps. Par ailleurs, la diffusion de Ti02 est entreprise en même temps que la formation de la partie en forme d'ampoule. Les opérations ci-dessus sont par conséquent très faciles et efficace; On décrira maintenant un procédé de cuisson d'une couche de Si02 amorphe qui contient Ti02 à une haute concentration, sur la surface interne. Un mélange liquide d'alcoolate de titane et d'alcoolate de silicium est préparé en tant que formule de revêtement. Dans cette formule de revêtement, la concentration en titane est contrôlée à 1 - 7 % en termesde TiO2/(SiO2 + TiO2). L'application de la formule de revêtement à la surface interne de l'enveloppe est effectuée de la même manière que celle montrée sur la figure 2. Après avoir séché naturellement l'enveloppe ainsi enduite, elle est séchée à environ 1500C. Le revêtement est appliqué à une épaisseur souhaitée de 1vu m - ID > jm en répétant le processus ci-dessus selon la nécessité. Lors d'un traitement thermique dans l'enveloppe ainsi enduite à une température de 5000C ou plus ou de préférence de 8000C ou plus, une couche de SiO2 amorphe est cuite. Dans cette couche, Ti02 a déjà été dispersé comme cela est requis dans la présente invention.On comprendra que le présent procédé est aussi facile et efficace que le procédé de diffusion ci-dessus décrit. En utilisant une enveloppe en silice fondue produite à la manière ci-dessus décrite, une lampe au xénon a été assemblée puis allumée. Même après passage de 1 000 heures après son éclairement, aucune contrainte ne s'est développée dans l'enveloppe, avec aucune fracture. On peut par conséquent démontrer que sa durabilité est suffisament élevée. Comme ces caractéristiques de transmission des rayons ultra-violets étaient telles que montrées sur la figure 1, des rayons ultra-violets ayant des longueurs d'onde plus courtes que 200 nm et moins ont été absorbés et n'ont pu pénétrer vers l'extérieur. Par conséquent, elle peut fonctionner avec succès en tant que verre en silice fonduesans ozone. Le terme "lampe à décharge" tel qu'utilisé ici n'est pas nécessairement limité à des lampes à xé-non. Il est inutile de dire que des enveloppes selon l-'invention peuvent être utilisées dans diverses lampes décharge comprenant des lampes à décharge de gaz rares,des lampes à décharge de vapeur de métal telles que des lampes à vapeur de mercure et des lampes à décharge éclair REVENDICATION Enveloppe en silice fondue pour une lampe à décharge caractérisée en ce que la concentration en Ti entre lym et lOJum à partir de la surface interne de la paroi de l'enveloppe est de 0,5 % - 7 % en termes de TiO2 et le produit de la concentration moyenne totale en Ti et de l'épaisseur de la paroi de l'enveloppe est compris entre 3,7 %)um et 42 %Jum.