Brevet FR2654255A1 — publié le 19910510

La présente invention concerne, d'une façon générale, des dispositifs de lampes à décharge de haute intensité et elle a trait, plus particulièrement, à une lampe à décharge à haute intensité dans laquelle le mercure n'est pas présent dans les matières de remplissage se trouvant dans la lampe à arc. La lampe à décharge à haute intensité est utilisée à grande échelle et de plus en plus, en dehors du domaine de l'éclairage, dans un autre domaine ne faisant pas appel à l'éclairage, comme par exemple les machines et les dispositifs utilisés dans les bureaux et le commerce comportant un système d'affichage, les appareils de projection d'images, etc D'une façon générale, on forme le dispositif de lampe à décharge à haute intensité en disposant une lampe à arc à l'intérieur d'une enveloppe transmettant la lumière tandis que l'on enferme dans la lampe à arc du mercure, un gaz rare et des halogénures métalliques et en disposant aux deux extrémités de la lampe à arc une paire d'électrodes qui sont reliées, de préférence par l'intermédiaire d'une mince feuille métallique, à des fils conducteurs auxquels peut être connecté un circuit extérieur Avec un tel dispositif de lampe à décharge à haute intensité, il est possible d'obtenir une source de lumière blanche présentant un rendement élevé et un bon rendu des couleurs En outre, alors que l'on a utilisé de plus en plus la lampe à haute intensité dans les types récents de machines et de dispositifs de bureaux et de commerces équipés d'un système d'affichage, d'appareils de projection d'images, etc, il est, dans ces cas, couramment nécessaire que de tels dispositifs de lampe à décharge à haute intensité se révèlent excellents en ce qui concerne la reproductibilité de la couleur de la lumière. Il est demandé, d'autre part, que la lampe à décharge puisse s'allumer avec la même tension que celle appliquée aux lampes existantes pour que l'on puisse utiliser le circuit d'allumage existant et, à cette fin, on a tendance, dans le cas o la lampe à arc a de petites dimensions, à augmenter la quantité de mercure de remplissage enfermée dans la lampe à arc Toutefois, si on augmente la quantité de mercure de remplissage, on est confronté au problème d'une détérioration de la reproductibilité de la couleur de la lumière. Compte-tenu de ce problème, pour améliorer la propriété de rendu de la couleur, on a éliminé dans la lampe à décharge à haute intensité la présence du mercure. Par exemple, dans le brevet US NO 4 810 938 on a décrit une lampe à décharge à haute intensité utilisant des halogénures métalliques et du gaz Xe comme matière de remplissage dans l'ampoule transmettrice de lumière de la lampe à décharge, mais en y omettant le mercure Selon cette lampe à décharge à halogénure métallique du brevet US qui n'utilise pas de mercure, il est possible d'améliorer la reproductibilité de la couleur de la lumière dans une certaine mesure en raison de l'absence du mercure, mais elle présente encore l'inconvénient de ne pas procurer d'une façon suffisante la reproductibilité de la couleur de la lumière qui est demandée dans le domaine autre que le domaine de l'éclairage, tel que celui des machines et des dispositifs à système d'affichage, et autres machines de dispositifs analogues, étant donné que le brevet précité mentionne l'absence de mercure mais ne vise pas à améliorer notablement le triangle de reproduction des couleurs dans le système de coordonnées de chromaticité. Un objet principal de la présente invention est donc la réalisation d'un dispositif de lampe à décharge à haute intensité qui supprime l'inconvénient précité et qui permet de satisfaire à la reproductibilité de la couleur de la lumière demandée dans le domaine autre que le domaine de l'éclairage, comme par exemple celui des machines et des dispositifs de bureau et du commerce à système d'affichage, les appareils de projection d'images, etc en élargissant de façon suffisante le triangle de reproduction des couleurs présenté dans le système de coordonnées de chromaticité. Conformément à la présente invention, on peut atteindre cet objectif au moyen d'un dispositif de lampe à décharge à haute intensité formé avec un gaz rare et des halogénures métalliques enfermés dans une lampe à arc dans laquelle a lieu une décharge par arc, les matières formant des halogénures complexes étant en outre enfermées dans la lampe à arc. D'autres objets et avantages de la présente invention apparaîtront clairement à la lecture de la description donnée ci-après en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe verticale du dispositif de lampe à décharge à haute intensité selon la présente invention; la figure 2 montre le spectre d'émission du dispositif de lampe de la figure 1 selon la présente invention; la figure 3 montre le spectre d'émission du dispositif selon un exemple comparatif dans lequel le mercure est ajouté au dispositif de la figure 1; la figure 4 est un diagramme montrant la distribution de la transmittance spectrale avec un filtre de couleur rouge; la figure 5 est un diagramme montrant la distribution de la transmittance spectrale avec un filtre de couleur verte; la figure 6 est un diagramme montrant la distribution de la transmittance spectrale avec un filtre de couleur bleue; la figure 7 est un graphique montrant la plage de reproduction de couleurs du dispositif de lampe de la figure 1 par rapport à celle d'un exemple comparatif dans lequel du mercure est utilisé; la figure 8 représente le spectre d'émission du dispositif de lampe à décharge à haute intensité selon la présente invention; la figure 9 est un graphique montrant la plage de reproduction de couleurs du dispositif de lampe de la figure 8 par rapport à celle de l'exemple comparatif dans lequel du mercure est utilisé; la figure 10 représente le spectre d'émission du dispositif de lampe à décharge à haute intensité selon la présente invention; la figure 11 est un schéma synoptique d'un circuit d'allumage de lampe à haute fréquence utilisé dans la présente invention; et la figure 12 est un schéma synoptique d'un circuit d'allumage de lampe à haute fréquence utilisé dans un exemple comparatif. Exemple i En se référant à la figure 1, on voit que l'on y a représenté un dispositif de lampe à décharge à haute intensité selon la présente invention, ce dispositif 10 de lampe comprenant une lampe à arc Il en quartz et pourvue, à ses deux extrémités, d'une paire d'électrodes 12 et 12 a disposées en face l'une de l'autre Ces électrodes 12 et 12 a sont reliées respectivement à de minces feuilles métalliques 14 et 14 a, telles que des feuilles de molybdène, de préférence, qui sont enfermées de façon étanche dans des enveloppes 13 et 13 a, les minces feuilles métalliques 14 et 14 a étant reliées électriquement à des fils conducteurs de support, 15 et 15 a, jouant également le rôle d'élément de support pour la lampe à arc 11 de telle sorte que cette lampe il soit fixée mécaniquement par les fils métalliques 15 et 15 a Ces fils de support 15 et 15 a sont agencés pour être reliés à un circuit extérieur (non représenté) tel qu'un circuit d'éclairage, par l'intermédiaire d'un culot 17 monté sur une extrémité de l'ampoule 16. A l'intérieur de la lampe à arc 11 sont enfermés de façon étanche du gaz Xe sous une pression de 133,3 mb et des halogénures métalliques, à savoir Na I( 8 mg)-Tl I( 1,5 mg)- In I( 0,5 mg) Le spectre d'émission de cet exemple est représenté sur la figure 2 et, comme il apparaîtra clairement si on le compare avec celui de la figure 3 montrant un spectre d'émission d'un dispositif de lampe dans lequel Ar, sous une pression de plusieurs dizaines de millibars, remplace Xe et dans lequel sont ajoutés 40 mg de mercure, il est possible de limiter le spectre d'émission autre que le spectre d'émission de Na (longueur d'onde principale: 589 N 1; orange), Tl (longueur d'onde principale: 535 nm; vert) et In (longueur d'onde principale: 451 nm; bleu) Ici, les triangles de reproduction de couleurs du dispositif de lampe selon l'exemple 1 présentant un spectre d'émission tel que celui représenté sur la figure 2 et du dispositif de lampe témoin selon l'exemple comparatif présentant un spectre d'émission tel que celui de la figure 3 sont donnés comme indiqué sur les coordonnées de chromaticité de la figure 7, des filtres (formés par des films déposés sous vide, pour les couleurs rouge, verte et bleue) de transmittances spectrales telles que celles représentées sur les figures 4-6 étant utilisés. Sur la figure 7, on peut voir que le triangle de reproduction de couleurs en traits interrompus désigne l'exemple comparatif, tandis que l'autre triangle de reproduction de couleurs en trait plein désigne l'exemple 1 de la présente invention et que le triangle de reproduction de couleurs peut être agrandi de façon remarquable dans le cas de la présente invention, c'est-à-dire qu'il est possible d'améliorer de façon suffisante grâce à cette dernière la reproductibilité de la couleur de la lumière. On s'est également aperçu que, bien que l'exemple comparatif exige une puissance de 250 W pour obtenir un flux lumineux de 18 000 lb au point blanc, l'exemple 1 n'exige que 230 W pour obtenir le même flux lumineux, de sorte que l'on peut atteindre une économie d'énergie de 10 %. On a peu atteindre les même résultats dans le cas o du Kr sous une pression de 266,6 mbars était utilisé à la place de Xe. Exemple 2 Du gaz Xe sous une pression de 133,3 mbars, avec Li I ( 9 mg), Tl I ( 1,5 mg) et In I ( 0,5 mg) ont été enfermés dans la même lampe à arc 11 que dans l'exemple 1 Le spectre d'émission dans le cas de cet exemple 2 est tel que celui représenté sur la figure 8 et les triangles de reproduction de couleurs des dispositifs de lampes respectifs de cet exemple 2 présentant le spectre d'émission représenté sur la figure 8 et de l'exemple comparatif présentant le spectre d'émission de la figure 3 sont donnés sur la figure 9, les filtres déposés sous vide pour les couleurs rouge, verte et bleue ayant les transmittances spectrales des figures 4-6 étant utilisés, de la même manière que pour la figure 7 Comme il est clair d'après la figure 9, on s'est aperçu qu'il est possible d'améliorer encore la reproductibilité des couleurs dans cet exemple 2 par rapport au cas de l'exemple 1. Exemples 3 et 4: La lampe à arc il utilisée dans les exemples 1 et 2 était formée avec des céramiques à base d'alumine transmettrice de lumière. Alors que dans les exemples 1 et 2, la puissance d'émission de lumière rouge de 589 nm avec Na et de 671 nm avec Li s'est détériorée après plusieurs centaines d'heures à partir du début de l'allumage par suite de la diffusion d'un cation de métal alcalin de faible rayon dans la paroi en quartz de la lampe à arc pendant l'éclairage, l'utilisation de céramiques à base d'alumine d'une structure plus dense que celle du quartz dans les présents exemples 3 et 4 a limité avec succès cette diffusion de Na et de Li dans la paroi de la lampe à arc Les résultats des mesures ont montré qu'aucune détérioration dans la puissance d'émission du rouge ne pouvait être décelée même après un éclairage prolongé de 6000 heures. Exemple 5: Dans la même lampe à arc 11 que celle de l'exemple 1, on a enfermé du gaz Xe sous une pression de 200 mb conjointement avec Na I ( 8 mg), Tl I ( 1, 8 mg), In I ( 0,6 mg) et Al C 13 ( 2 mg) Le spectre d'émission de cet exemple 5 est représenté sur la figure 10 et on s'est aperçu d'après ce spectre que, du fait que Na I et Al C 13 constituent un halogénure complexe, le rendement d'émission de Na pour une longueur d'onde de 589 nm se trouve accru au point d'être 1,5 fois plus grand que dans le cas de l'exemple 1 pour une même puissance d'entrée Par conséquent, on s'est aperçu que pour obtenir les mêmes coordonnées de chromaticité de blanc que dans l'exemple 1, une valeur de puissance d'entrée aussi faible que 200 W suffit contrairement aux 230 W nécessaires dans l'exemple 1, car la température de la paroi de la lampe à arc il est limitée à une valeur faible et on peut obtenir une économie d'énergie remarquable. On pourrait obtenir les mêmes résultats même si on enfermait dans la lampe à arc Na Cl et Na Br ou Li I, Li Cl et Li Br à la place de Na I Il est également possible d'atteindre les mêmes résultats dans le cas o l'on enferme Ah I 3 et Al Br 3 ou Sn C 12, Sn I 2 et Sn Br 2 à la place de Al C 13. Exemple 6: Une lampe à arc sans électrode avec les mêmes matières de remplissage que dans l'exemple 5 a été allumée au moyen du système d'allumage 20 du système d'application de tension de haute fréquence représenté sur la figure 11, ce circuit d'allumage 20 comprenant une bobine 21 d'alimentation en énergie enroulée autour de la lampe à arc elle-même et un circuit 24 d'adaptation d'impédance comprenant des condensateurs 22 et 22 a et une bobine 23 reliée à la bobine 21 d'alimentation en énergie Un oscillateur 27 de haute fréquence était relié au circuit 24 d'adaptation d'impédance par l'intermédiaire d'un amplificateur de puissance 25 et d'un interrupteur 26 A des fins de comparaison avec le présent exemple, on a effectué, avec un circuit d'allumage connu, l'allumage de la lampe à arc 11 comportant des électrodes comme dans il l'exemple 5 de l'agencement de la figure 1 et on a soumis les deux lampes à arc ainsi allumées à une mesure de la relation entre le temps d'éclairage et le flux lumineux. Exemple comparatif 1: On a enfermé dans la même lampe à arc sans électrode que celle de l'exemple 6 du gaz 'Ar sous une pression de plusieurs dizaines de mb ainsi que du Hg ( 40 mg), du Na I ( 8 mg), du Tl I ( 1,5 mg) et du In I ( 0,5 mg) et on a allumé cette lampe à arc au moyen du circuit d'allumage 20 du système d'application de tension haute fréquence représenté sur la figure 11 On a mesuré la relation entre le temps d'éclairage et le flux lumineux en ce qui concerne cette lampe à arc. Exemple comparatif 2: On a allumé une lampe à arc comportant des électrodes et les mêmes matières de remplissage que celle de l'exemple comparatif précédent 1 au moyen du même circuit d'allumage que dans l'exemple précédent 5 et on a effectué la mesure de la relation entre le temps d'éclairage et le flux lumineux. Exemple comparatif 3: On a enfermé dans la même lampe à arc comportant des électrodes telles que celles représentées sur la figure 1 du gaz Ar sous une pression de plusieurs dizaines de mb ainsi que du Hg ( 40 mg), du Na I ( 14 mg) et du Sc I 3 ( 4 mg) et on a soumis cette lampe à arc à un allumage au moyen du circuit d'allumage connu et on a mesuré la relation entre le temps d'éclairage et le flux lumineux. Exemple comparatif 4: On a soumis à un allumage, au moyen du circuit d'allumage de la figure il utilisé dans l'exemple précédent 6, une lampe à arc sans électrode contenant les mêmes matières de remplissage que celle de l'exemple comparatif 3 et on a mesuré la relation entre le temps d'éclairage et le flux lumineux. La vitesse de détérioration du flux lumineux en fonction du temps d'éclairage, telle que mesurée pour les exemples précédents 5 et 6 ainsi que pour les exemples comparatifs 1 à 4, est indiquée dans le tableau ciaprès: TABLEAU Temps d'éclairage (h) O 100 1 000 3 000 6 000 Dispositif Exemple 5 115 100 80 65 50 "l 6 105 100 95 90 85 Exemple comp 1 103 100 97 92 87 2 105 100 95 85 75 3 110 100 87 70 60 " " 4 105 100 95 90 85 Il est clair, d'après le tableau ci-dessus, que l'on peut réaliser un dispositif de lampe à décharge de très bonne qualité si on enferme dans la lampe à arc sans électrodes des matières luminescentes qui constituent un halogénure complexe comme dans l'exemple 6 et si on allume cette lampe à arc avec un circuit d'allumage tel que celui représenté sur la figure 11. On s'est aperçu que, d'une façon générale, la détérioration du flux lumineux est moins fréquent dans le dispositif de lampe du type lampe sans électrodes que dans le cas de la lampe comportant des électrodes Il en est ainsi en raison du fait que, dans la lampe à arc comportant des électrodes, il se produit une réaction entre l'halogénure métallique et le quartz qui forment la lampe à arc en produisant Si I, une autre réaction entre ce Si I produit et le tungstène W formant les électrodes ayant lieu et produisant un alliage de Si et de W à bas point de fusion et cet alliage adhérant à la paroi du tube en obscurcissant cette paroi et en diminuant la transmission de la lumière Lorsque, en particulier, les matières luminescentes enfermées dans la lampe à arc constituent l'halogénure complexe pour améliorer le rendement lumineux, il se produit une réaction intense entre le chlore et les électrodes avec pour conséquence un obscurcissement considérable, la structure sans électrodes de la lampe à arc étant alors des plus désirable. D'autre part, il existe en ce qui concerne la simplification du circuit d'allumage du type à application de tension haute fréquence une différence remarquable entre la lampe à arc comportant les matières de remplissage selon la présente invention et l'autre lampe à arc comportant les matières de remplissage comprenant le mercure comme dans les exemples comparatifs On va expliquer maintenant le circuit d'allumage 30 de la figure 12 Ce circuit d'allumage 30 comprend un circuit 34 d'adaptation d'impédance relié à une bobine 31 d'alimentation en énergie enroulée autour de la lampe à arc et comportant des condensateurs variables 32 et 32 a ainsi qu'une bobine 33 à inductance variable, un circuit 38 pour détecter une différence de puissance d'entrée/sortie, un amplificateur de puissance 35, un interrupteur 36 et un oscillateur 37 de haute fréquence Un circuit 39 de commande de servo-moteur est relié au circuit 38 de détection de différence de puissance d'entrée/sortie, de manière que des servo-moteurs , 40 a et 40 b servant à régler la capacité électrostatique et l'inductance des condensateurs variables 32 et 32 a ainsi que la bobine 33 d'inductance variable soit commandée par le circuit 39 Lorsque l'on ferme l'interrupteur 36, un shunt électrostatique est appliqué à la bobine 31 d'alimentation en énergie, un claquage est provoqué par ce champ dans la lampe à arc et l'allumage commence Etant donné qu'un shunt électrique est créé en même temps dans la direction de la bobine 31 proportionnellement au rapport de variation dans le temps du champ magnétique créé par le courant fourni à la bobine 31, il en résulte que, du fait de la conductivité à l'intérieur de la lampe à arc augmente, le shunt électrique ainsi créé entraîne la circulation d'un courant dans la lampe à arc et de l'énergie électrique est ainsi fournie à la lampe Comme les matières de remplissage dans la lampe à arc comprennent du mercure, dans le cas de l'exemple comparatif, il se forme une décharge dans le mercure et une faible émission apparaît Ensuite, à mesure que l'énergie est consommée dans la lampe, la température de la paroi de celle-ci s'élève et le mercure ou l'halogénure métallique emprisonné s'évapore progressivement et ce métal émet de la lumière. En même temps, la pression de la vapeur de mercure à l'intérieur de la lampe à arc s'élève, ce qui augmente l'impédance, et il se produit progressivement un écart dans l'adaptation d'impédance entre le côté source et le côté lampe à arc, ce qui fait que l'alimentation en énergie de la lampe à arc devient difficile et que l'arc disparaît parfois Pour empêcher ces phénomènes, on contrôle constamment la différence de puissance d'entrée/sortie à l'aide de circuit 38 de détection de différence de puissance d'entrée/sortie de manière que, lorsque la différence détectée de puissance d'entrée/sortie se rapproche d'un niveau auquel à lieu l'extinction dans la lampe à arc, le circuit 39 de commande de servo-moteur commande les servo-moteurs 40, 40 a et 40 b de manière à régler la capacité électrostatique et l'inductance, respectivement, des condensateurs variables 32 et 32 a et de la bobine 33 à inductance variable, grâce à quoi on peut faire en sorte que la différence de puissance d'entrée/sortie soit minimale Toutefois, cet agencement de circuit est extrêmement compliqué et a un prix de revient élevé. De plus, dans le circuit d'allumage de la figure 11, destiné à la lampe à arc selon la présente invention, la fermeture de l'interrupteur 26 entraîne la création d'un champ électrique proportionnel au rapport de variation dans le temps du champ magnétique engendré par le courant circulant à travers la bobine 21 et de l'énergie est fournie à la lampe à arc grâce à la circulation de courant engendrée dans la lampe par le champ électrique, de la même manière que dans le circuit d'allumage 30 de la figure 12. Toutefois, dans la lampe à arc selon la présente invention, l'accroissement de la température de la paroi de la lampe entraîne l'accroissement de la tension de vapeur des matières de remplissage se trouvant dans le tube jusqu'à plusieurs centaines de mb seulement et jamais jusqu'à plusieurs milliers de mb comme c'est le cas lorsque le mercure est inclus Dans ce cas également, la quantité de l'halogénure métallique nécessaire pour l'émission est pratiquement la même que celle en présence du mercure Même si la température de la paroi du tube s'élève, l'impédance dans la lampe à arc ne varie pas et il ne se produit pas d'extinction dû à une désadaptation d'impédance avec le côté source d'énergie On comprendra que le circuit d'allumage destiné à la lampe à arc selon la présente invention n'exige plus le circuit de détection de différence de puissance entrée/sortie, de servo-moteurs et de leur circuit de commande, et que le circuit d'allumage peut, d'une façon considérable, être simplifié et son prix de revient diminué tout en obtenant pratiquement le même niveau de fonctionnement et les mêmes effets que dans les exemples comparatifs précédents. REVENDICATIONS 1 Dispositif ( 10) de lampe à décharge à haute intensité dans lequel un gaz rare et des halogénures métalliques sont enfermés dans une lampe à arc ( 11) dans laquelle a lieu une décharge par arc, caractérisé en ce que des matières qui forment les halogénures complexes sont en outre enfermées dans ladite lampe à arc. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'halogénure métallique précité comprend au moins un halogénure de Li. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la lampe à arc ( 11) est formée avec une céramique. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la lampe à arc ( 11) est une lampe à décharge ne comportant pas d'électrodes. Dispositif ( 10) de lampe à décharge à haute intensité dans lequel un gaz rare et des halogénures métalliques sont enfermés dans une lampe à arc ( 11) dans laquelle a lieu une décharge par arc, caractérisé en ce que des matières qui forment les halogénures complexes sont en outre enfermées dans ladite lampe à arc et que la lampe à arc est agencée pour un allumage à haute fréquence.