Brevet FR2625366A1 — publié le 19890630

La présente invention concerne des lampes à arc à décharge de haute intensité, sans électrodes, et, plus par- ticulièrement, une enveloppe nouvelle de l'arc ayant une distribution plus uniforme de la température et une suscep- tibilité réduite aux endommagements provoqués par la tempe- rature. On sait que les lampes à arc à décharge de haute intensité, sans électrodes, alors qu'elles présentent un rendement raisonnable, souffrent d'un certain nombre de pro- blêmes, dont la convection du gaz interne pendant le fonc- tionnement, avec comme conséquence un chauffage non uni- forme, et souvent excessif, de l'enveloppe de l'arc. Ce chauffage non uniforme de 1'enveloppe peut en provoquer l'endommagement. Il est hautement souhaitable de disposer d'une enveloppe de l'arc ayant une configuration qui réduit son chauffage par l'arc à plasma toroidal qu'elle contient. Selon la présente invention, l'arc en forme de tore d'une lampe à arc à décharge de haute intensité, sans électrodes, est renfermé dans une enveloppe en matériau pra- tiquement transparent, enveloppe qui a une forme, dans un plan vertical, constituée d'une partie tronconique, le som- - 2 - 2625366 met étant situé vers le bas par rapport à la paroi latérale inclinée de la partie conique utilisée. De préférence, les surfaces supérieure et inférieure de l'enceinte ont une forme convexe dans la direction de l'extérieur et sont réunies régulièrement à la paroi latérale tronconique de Il'enveloppe. Dans un mode de réalisation actuellement préféré, la paroi latérale a la forme d'un tronc de cône double, chaque section tronconique ayant un sommet situé à l'extérieur de l'enveloppe de l'arc et les extrémités des sections de grand diamètre étant réunies ensemble, afin de permettre à la lampe de fonctionner avec la base dirigée vers le bas ou avec la base dirigée vers le haut. En conséquence, la présente invention a pour objet une enveloppe nouvelle pour renfermer une décharge à arc sans électrodes et pour réduire le chauffage dû à l'arc. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en coupe verticale d'une lampe à décharge de haute intensité sans électrodes, comportant une enveloppe pour l'arc de l'art antérieur; figure 2, une vue en coupe verticale d'une lampe à décharge de haute intensité ayant une enveloppe pour. l'arc présentant une section sphérique; figure 3, une vue en coupe verticale d'une lampe à décharge à arc de haute intensité, comportant une enveloppe pour l'arc avec une paroi latérale en forme de tronc de cône, selon la présente invention; figure 4, une vue en coupe verticale d'une lampe à décharge à arc de haute intensité, ayant une enveloppe avec *une paroi latérale constituée de sections tronconiques réunies selon un autre mode de réalisation de la présente invention. En liaison tout d'abord avec la figure 1, une lampe 10 à décharge de haute intensité, sans électrodes, de - 3 - 2625366 l'art antérieur (telle que la lampe décrite dans le brevet des Etats-Unis n 4 705 987, qu'on incorpore ici à titre de référence) comporte une enveloppe 11 sous vide de l'arc, hermétiquement fermée, qui a la forme d'un tube pratiquement cylindrique en matériau transparent sur le plan optique. Une chemise extérieure (non représentée), constituée également d'un matériau transparent sur le plan optique, peut être prévue pour protéger l'enveloppe 11 contre le refroidisse- ment par convection et également pour isoler thermiquement l'enveloppe d'une bobine contiguë d'excitation 16 à haute fréquence. L'enveloppe de l'arc, constituée généralement de quartz et en forme de boîte à pilules, peut comporter, à l'opposé de sa surface supérieure 11a, une partie 11b convexe dans la direction du haut afin de réduire la conden- sation des ingrédients 12 remplissant l'intérieur de l'enveloppe. L'arc 14 produisant la lumière est typiquement un plasma induit par HF de forme toroïdale, situé dans le plan horizontal. La décharge 14 de l'arc est provoquée par une bobine 16, généralement ayant la forme d'un solénoïde. Comme l'enveloppe est remplie de xénon gazeux à une pression d'environ 26 MPa, en dehors des autres ingrédients, il y a une densité gazeuse appréciable et un gaz chaud circule généralement par convection pendant le fonctionnement. Le noyau de la décharge 14 peut être isothermique à une tempé- rature d'environ 5 000 K, de sorte que le gaz chauffé s'élève dans le champ de gravitation, et suivant des trajets en forme d'arc, représentés par les flèches A, a tendance à entrer dans la zone de la partie supérieure 11a de l'enveloppe en haut et à l'intérieur de la zone contiguë à l'arc 14, puis à se diriger vers le bas en passant par la partie médiane de l'enveloppe pour revenir à la partie infé- rieure de l'arc. Alors que la partie 11b, ayant une convexité dirigée vers le haut, empêche la condensation des ingrédients de l'arc à cette partie inférieure, plus froide, du volume intérieur de l'enveloppe, on verra néanmoins -4- qu'une partie appréciable (ombrée) lic de la paroi supé- rieure lla de l'enveloppe reçoit une grande partie de l'énergie de l'arc, par contact avec le gaz de convection 12, et est portée à une température supérieure au reste de l'enveloppe; ce gradient élevé de température provoque sou- vent l'endommagement de l'enveloppe. Comme représenté en figure 2, on a fait l'essai d'une lampe 20 comportant une enveloppe 22 de forme sensi- ble' Sphérique. Une bobine d'excitation 24 en forme de V (décrite et revendiquée dans la demande de brevet des Etats- Unis d'Amérique n 13 8005, qu'on incorpore ici à titre de référence) est contiguë, mais sans être en aboutement, à la surface extérieure 22a de l'enveloppe. La surface intérieure 22b renferme un matériau 12 sensiblement gazeux dans lequel est formé l'arc 14. L'arc forme un tore, dont la section est sensaDiement circulaire, ou quelque peu elliptique (avec le grand axe disposé verticalement). Le gaz 12 se dirige vers le haut, hors de l'arc, et change de direction, comme cela est représenté par les flèches B, à un endroit proche du sommet de la sphère, de sorte que le gaz de refroidissement descend en passant par le centre de la sphère et revient à la partie inférieure de l'arc. Cette convection du gaz four- nit apparemment un bon mélange des composants du gaz 12 de maintien de l'arc et contribue à l'obtention d'un rendement lumineux élevé. Cependant, la partie 22c de l'enveloppe qui est disposée approximativement dans le plan horizontal médian de la sphère, et en étroite proximité avec la décharge 14 de l'arc, est chauffée directement et plus for- tement par l'arc; une autre partie en anneau 22d de l'enveloppe est de fait la portion la plus chaude de l'enveloppe par suite de l'élévation des gaz chauffés à proximité de la partie supérieure des trajets B de convec- tion des gaz. Les gaz chauds, par observation visuelle, maintue.nent généralement les surfaces les plus en haut de l'enveloppe exemptes d'ingrédients condensés. De plus, par -5 -2625366 observation, il se produit un endommagement en forme d'anneau sur l'intérieur de l'enveloppe en quartz à la par- tie de l'enveloppe qui est la plus proche de l'arc, en par- ticulier lorsqu'une lampe à décharge de haute intensité fonctionne à puissance élevée. On suppose que l'endommagement du corps en quartz qu'on observe visuelle- ment est dû au moins à du quartz à silicate de sodium; l'intégrité structurelle de l'enveloppe est donc compromise dans cette configuration. Selon la présente invention, une lampe 30 (figure 3) comporte un mode de réalisation actuellement préféré d'une enveloppe 32 soumise à des contraintes thermiques réduites. L'enveloppe de l'arc comporte une partie 32a de paroi latérale, ou partie centrale, se présentant sous la forme d'une section d'un tronc de cône imaginaire 32b ayant un sommet 32c à l'extérieur, et au dessous de l'enveloppe 32. Ainsi, la portion tronconique de l'enveloppe, ou section 32a, a une section transversale sensiblement circulaire autour de l'axe 32' du cône et dans un plan pratiquement parallèle à un plan médian 36 (formant le plan central de la bobine d'excitation 24), et avec l'extrémité de grand dia- mètre de la paroi latérale en pente se trouvant généralement vers le haut. L'extrémité de grand diamètre de l'enveloppe est recouverte d'une première section d'extrémité 32d, ou section supérieure, de forme généralement concave lorsqu'on la regarde à partir de l'intérieur de l'enveloppe, alors que l'extrémité de petit diamètre, ou extrémité inférieure de la section 32a à paroi inclinée est fermée par une section d'extrémité 32e dirigée vers le bas, section inférieure, ayant une forme généralement concave lorsqu'on la regarde également à partir de l'intérieur de l'enveloppe. Les sec- tions d'extrémité supérieure et inférieure 32d et 32e, res- pectivement, sont réunies régulièrement aux parois latérales en pente de la partie 32a de manière à former un volume intérieur fermé hermétiquement qui contient le matériau 12 -6- de maintien de l'arc. Le tore 24 excité en haute fréquence a son plan sensiblement dans le plan médian 36, plan 36 qui est situé au droit, ou 1égèrement au dessous, du plan médian 32f des parties 32a de la paroi inclinée. Ainsi, la paroi intérieure de l'enveloppe de l'arc est détachée de l'arc et du volume intérieur 38 se trouvant immédiatement au-dessus de l'arc, de sorte que les gaz chauds quittant l'arc s'éloignent réellement des parois de l'enveloppe. Par consé- quent, le chauffage des parois de l'enveloppe par les gaz chauds quittant immédiatement le tore 14 de l'arc est non seulement moins prononcé, mais encore plus uniforme. Le gaz chaud, se déplaçant par convection suivant les trajets représentés par les flèches C, est de plus davantage éloigné de la section supérieure 32d de l'enveloppe, d'o la réduc- tion de la température de cette portion supérieure. Il en résulte une distribution plus uniforme de la température de l'enveloppe pour une dissipation donnée de la puissance dans la décharge à arc. En liaison maintenant avec la figure 4, un autre mode de réalisation actuellement préféré d'une lampe à décharge 40 de haute intensité comporte une enveloppe 42 dans laquelle la totalité de la partie intermédiaire 42a est constituée d'une paire de sections tronconiques 42a- 1 et 42a-2, avec leurs extrémités de grand diamètre en aboutement et leurs extrémités de petit diamètre opposées l'une à l'autre. Ainsi, une première partie supérieure de paroi, inclinée, 42a-1 est formée par une portion d'un cône imagi- naire 42b-1 ayant un centre 42c-1 situé vers le haut et au- delà d'une portion supérieure de couronnement 42d-1 de l'enveloppe (et avantageusement sur l'axe vertical 42' de l'enveloppe). D'une façon similaire, une seconde partie de paroi inférieure, inclinée, 42a-2 est formée en tant que portion d'un cône imaginaire 42b-2 ayant un sommet 42c2 situé généralement dans la direction du bas et au-delà de la partie inférieure de couronnement 42d-2 de l'enveloppe (et - 7 -2625366 aussi avantageusement sur l'axe 42' de l'enveloppe). La bobine 24 d'excitation à haute fréquence pour la décharge de l'arc présente un plan central 46, qui est également le plan passant par le centre de l'arc toroidal de décharge, situé au dessous du plan central 42e, de préférence sensiblement circulaire de la paroi de l'enveloppe au droit de son dia- mètre maximum. Ainsi, il y a de nouveau un volume 48 au dessus de l'arc 14, dont au moins une partie a un rayon su- périeur à celui de la décharge 14; dans ce volume 48, les parois de l'enveloppe sont généralement à l'écart de l'écoulement des gaz chauds, représenté par les flèches D, de sorte que les parois 42a de l'enveloppe et les parties de couronnement 42d sont soumises à des températures plus faibles, avec une distribution de la température plus uni- forme, pour une puissance donnée dissipée dans l'arc 14. L'enveloppe 42 est constituée spécifiquement de deux parties tronconiques de paroi 42a, dirigées dans des sens opposés (dans de la direction du haut et du bas), pour permettre le montage de la lampe 40 avec sa base soit vers le haut soit vers le bas, et d'autoriser le fonctionnement de la lampe dans l'une ou l'autre de ces orientations. Plus précisément, lorsqu'on retourne l'enveloppe 42 sens dessus- sens dessous par rapport à la bobine d'excitation 24, on obtient prati- quement la même configuration pour l'enveloppe de l'arc. Alors qu'on vient de décrire des modes de réalisa- tion de l'enveloppe d'une lampe à décharge de haute inten- sité sans électrodes, avec une distribution plus uniforme de la température, on peut leur apporter diverses modifications et variantes qui apparaitront au technicien. Par exemple, l'enveloppe peut être constituée d'un matériau sensiblement transparent ou translucide, selon nécessité, comprenant, sans que cela soit limitatif, du quartz, une alumine cris- talline (telle qu'un saphir), une alumine polycristalline (tel que le matériau dit Lucalox), etc... - 8 -2625366 REVENDICATIONS 1) Enveloppe (32) en matériau pratiquement trans- parent pour renfermer un milieu gazeux de support d'arc, caractérisée en ce qu'elle contient: une partie de paroi latérale inclinée (32a) ayant une forme généralement définie par une section d'un cone ayant un centre (32c) situé à l'extérieur de l'enveloppe, la section conique étant tron- quée par des premier et second plans d'extrémité opposés, (32d, 32e), une première partie d'extrémité enfermant de façon sensiblement hermétique le premier plan d'extrémité de la paroi latérale, une seconde partie d'extrémité enfermant de manière sensiblement hermétique le second plan d'extrémité de ia paroi latérale. 2) Enveloppe selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que les premier et second plans d'extrémité sont pratiquement parallèles. 3) Enveloppe selon la revendication -2, caractéri- sée en ce que les plans d'extrémité pratiquement parallèles entre eux sont également sensiblement perpendiculaires à l'axe de rotation (32') de la partie de paroi latérale. 4) Enveloppe selon la revendication 1, caractéri- sée en ce qu'au moins la première ou la seconde partie d'extrémité a une forme concave, cette forme étant vue depuis l'intérieur de l'enveloppe. ) Enveloppe selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que l'enveloppe est constituée d'une substance choisie parmi le quartz, l'alumine cristalline et l'alumine polycristalline. 6) Lampe à arc à décharge de haute intensité sans électrodes, caractérisée en ce qu'elle comprend: une enve- loppe 132) en matériau pratiquement transparent ayant (a) une M a zie de paroi latérale inclinée (32a) avec une forme généralement définie par une section d'un cône ayant son sommet (32c) situé à l'extérieur de l'enveloppe, la section -9 - 2625366 conique étant tronquée par des premier et second plans d'extrémité opposés, (b) une première partie d'extrémité (32d) renfermant de façon sensiblement hermétique le premier plan d'extrémité- de la paroi latérale, et (c) une seconde partie d'extrémité (32e) renfermant de façon sensiblement hermétique le second plan d'extrémité de la paroi latérale, un milieu gazeux (12) de maintien d'arc remplissant l'enveloppe, et un moyen à haute fréquence (24) pour pro- duire un arc toro dal émetteur de lumière à l'intérieur de l'enveloppe. 7) Lampe selon la revendication 6, caractérisée en ce que les premier et second plans d'extrémité sont sensi- blement parallèles l'un à l'autre. 8) Lampe selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'arc a un plan central (36) qui est sensiblement horizontal et n'est pas plus haut qu'un plan imaginaire (32f) parallèle aux plans d'extrémité et situé à midistance de ceux-ci. 9) Lampe selon la revendication 8, caractérisée en ce que les plans d'extrémité sensiblement parallèles sont également sensiblement perpendiculaires à l'axe de rotation (32') de la partie de paroi latérale. ) Lampe selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'enveloppe est constituée d'une substance choisie parmi le quartz, l'alumine cristalline et l'alumine poly- cristalline. 11) Lampe selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'au moins l'un des premier et second plans d'extrémité est de forme concave, lorsqu'on les regarde depuis l'intérieur de l'enveloppe. 12) Enveloppe en matériau sensiblement t ansparent pour renfermer un milieu gazeux (12) de maintien d'arc, caractérisée en ce qu'elle comprend: une portion centrale formée de premier et second plans latéraux en pente (42a-1, 42a-2) ayant chacun une forme généralement définie par une - 10 - section d'un cône ayant son sommet situé à l'extérieur de l'enveloppe (42c-1, 42c-2) et sur un côté opposé de l'enveloppe par rapport au sommet pour l'autre paroi de la paire de parois latérales, chaque section conique étant tronquée par des premier et second plans d'extrémité oppo- sés, le premier plan d'extrémité étant plus grand que le second plan d'extrémité, et avec les premiers plans d'extrémité des première et seconde parois latérales réunis hermétiquement, une première partie d'extrémité (42d-1) ren- fermant de façon sensiblement hermétique le second plan d'extrémité de la première paroi latérale (42a-1), une seconde partie d'extrémité (42d-2) renfermant de façon sen- siblement hermétique le second plan d'extrémité de la seconde paroi latérale (42a-2) 13) Enveloppe selon la revendication 12, caracté- risée en ce que les seconds plans d'extrémité des première et seconde parois latérales sont sensiblement parallèles l'un à l'autre. 14) Enveloppe selon la revendication 13, caracté- *risée en ce que les seconds plans d'extrémité sensiblement parallèles sont également pratiquement perpendiculaires à l'axe de rotation commun (42') des parties de paroi laté- rale. ) Enveloppe selon la revendication 12, caracté- risée en ce qu'au moins l'une des première et seconde par- ties d'extrémité (42d-1, 42d-2) est de forme concave, lorsqu'on la regarde à partir de l'intérieur de l'enveloppe. 16) Enveloppe selon la revendication 12, caracté- risée en ce qu'elle est constituée d'une substance choisie parmi le quartz, l'alumine cristalline et l'alumine poly- cristalline. 17) Lampe à arc à décharge de haute intensité, sans électrodes, caractérisée en ce qu'elle comprend: une enveloppe (42) en matériau sensiblement transparent ayant (a) des première et seconde parois latérales inclinées - 1 1 - (42a-1, 42a-2), chacune ayant une forme généralement définie par une section d'un cône ayant son sommet (42c-1, 42c-2) situé à l'extérieur de l'enveloppe et du côté opposé à l'enveloppe par rapport au sommet pour l'autre paroi de la paire de parois latérales, chaque section conique étant tronquée par des premier et second plans d'extrémité opposés, les premiers plans d'extrémité étant plus grands que les seconds plans d'extrémité, et avec les premiers plans d'extrémité des première et seconde parois latérales réunis hermétiquement l'un à l'autre, (b) une première partie d'extrémité (42d-1) renfermant de façon sensiblement hermétique le second plan d'extrémité de la première paroi latérale; et (c) une seconde partie d'extrémité (42d-2) renfermant de façon sensiblement hermétique le second plan d'extrémité de la seconde paroi latérale, un milieu gazeux (12) de maintien d'arc remplissant l'enveloppe, et un moyen à haute fréquence (26) pour produire un arc toroidal émetteur de lumière à l'intérieur de l'enveloppe. 18) Lampe selon la revendication 17, caractérisée en ce que les premier et second plans d'extrémité des pre- mière et seconde parois latérales sont pratiquement paral- lèles. 19) Lampe selon la revendication 18, caractérisée en ce que l'arc présente un plan central (46) qui est prati- quement horizontal et n'est pas plus haut que les premiers plans d'extrémité réunis. ) Lampe selon la revendication 19, caractérisée en ce que les plans d'extrémité sensiblement parallèles sont également pratiquement perpendiculaires à l'axe de rotation commun (42') des parois latérales. 21) Lampe selon la revendication 17, caractérisée en ce que l'enveloppe (42) est constituée d'une substance choisie parmi le quartz, l'alumine cristalline et l'alumine polycristalline. - 12 - 2625366 -12- 22) Lampe selon la revendication 17, caractérisée en ce qu'au moins l'une des parties d'extrémité est de forme concave, lorsqu'on la regarde depuis l'intérieur de 1' enveloppe.