Brevet FR2786850A1 — publié le 20000609

_1.- BREVET D'INVENTION L'éclairage par fibres optiques verre ou plastique et leurs dérivés, et notamment les FOP (fibres optiques plastique), se généralise de plus en plus. Dans les applications les plus importantes, qui se situent dans les domaines de la signalétique, du balisage des voies, des rails et des parkings, de l'éclairage industriel et routier, de l'éclairage de sécurité et de l'éclairage de façade, les principaux avantages recherchés concernent: - la suppression des risques de vandalisme; - l'obtention d'une lumière froide (sans accompagnement de chaleur); - le fait que les générateurs puissent être posés dans des milieux innondables; - la réalisation, éventuellement simultanée et à l'aide d'un seul générateur, d'un éclairage à 2 ou plusieurs sorties, d'une part par des éléments de câble à points lumineux à FOP isolés ou compactés dans une seule extrémité (embout unique) et d'autre part, par des éléments de câbles à FOP diffusant latéralement la lumière; - l'utilisation de sources de lumière à faible consommation électrique et à forte dissipation thermique interne permettant de réduire la température à l'entrée des câbles ou des faisceaux de lumière; - la mise en oeuvre de sources de lumière dont le niveau de bruit acoustique, principalement dû aux systèmes de ventilation est réduit au maximum. Des générateurs de lumière destinés à l'éclairage par FOP sont maintenant commercialisés, mais aucun ne présente, dans l'état de l'art actuel, l'ensemble des propriétés énumérées plus haut et notamment l'étanchéité IP68 20 mètres. Les générateurs actuels sont constitués généralement par une lampe halogène, à iodures métalliques, ou Xénon (1) associée à un réflecteur (3) qui renvoie la lumière après passage dans une optique de focalisation appropriée (2), dans la direction o est placé le faisceau ou le câble à FOP chargés de transmettre la lumière en un ou plusieurs points aux endroits souhaités. Un des inconvénients majeurs de ce type de générateur est que le meilleur compromis entre la puissance lumineuse transmise par le câble et l'élévation de température à l'entrée du câble est difficile à obtenir. Il peut en résulter des détériorations de la FOP, car les températures mises enjeu peuvent rapidement dépasser 85 C. -2- Ces générateurs sont donc nécessairement équipés de filtres anticaloriques (17) qui absorbent en même temps que l'énergie calorifique infrarouge une partie significative de la lumière visible. Pour éviter le risque de vieillissement des fibres plastiques, un filtre UV (ultra-violet) est parfois nécessaire. Par ailleurs, un ou plusieurs ventilateurs (6) sont nécessaires pour évacuer la chaleur engendrée à l'intérieur du générateur. Ces ventilateurs créent un bruit acoustique souvent indésirable dans certaines applications tandis que les trous et auvents d'aération nécessaires au bon fonctionnement des ventilateurs excluent l'utilisation des générateurs en milieux très humides tels les ruissellements. Ces ouvertures laissent souvent "filtrer" une partie de la lumière parasite émise par la lampe, créant ainsi une lumière parasite non désirée. De plus, la sortie unique de la lumière de ces générateurs ne permet pas généralement l'utilisation d'un faisceau multicâbles de grand diamètre et ne peut être optimisée à la fois pour une transmission de la lumière par câbles à diffusion latérale et par câbles à 1 5 transmissions ponctuelles de la lumière. Les générateurs de lumière, objet de l'invention, permettent, grâce à une nouvelle utilisation des lampes sources de lumière, associées à des systèmes de refroidissement perfectionnés, de palier les inconvénients relevés avec les générateurs existants et ainsi de satisfaire aux nouvelles exigences des utilisateurs. La figure n 1 montre le schéma général d'un générateur étanche double sortie et la figure n 2 celui d'un générateur étanche simple sortie, objets de l'invention. Le générateur suivant l'invention est constitué d'une infrastructure multibloc (chaque bloc étant isolé thermiquement les uns des autres) mécanique extérieure (16) comprenant l'ensemble des éléments constitutifs du générateur. Le matériau travaillé en alliage d'aluminium extrudé permet d'évacuer les calories avec des ailettes type radiateur. Une seule lampe (1) est utilisée, sans réflecteur, et peut ainsi notamment, rayonner son énergie lumineuse en avant et en arrière dans le plan horizontal vers deux sorties opposées et symétriques situées sur le même axe. La lumière émise rayonnant par exemple vers la sortie droite, traverse un filtre anticalorique (17) et des optiques de focalisation (2). Si nécessaire, et pour des raisons d'efficacité thermique et optique optimales, les optiques de focalisation (2) peuvent être choisies et disposées de manière à assurer un maximum de concentration de lumière dans un -3-. barreau (15) réalisé en matériau optique transparent et jouant le rôle d'adaptateur d'indice optique et d'isolation thermique. Ce barreau peut être traité antiréflexion. Pour des raisons de simplification de la figure n 1, le système de refroidissement proprement dit est montré en coupe A-A. Un ventilateur (6) assure une aération efficace grâce à une circulation d'air (12) dans un circuit en chicane (18), assurant le maximum de refroidissement de l'ensemble des blocs connectique. Le générateur, objet de l'invention, fonctionne aussi sans ventilation (6) pour les connectiques en fibre de verre. L'invention sera mieux comprise par les explications qui suivent. Dans la plupart des générateurs commercialisés, les lampes sont utilisées en association avec un réflecteur métallique. Un tel ensemble permet d'obtenir dans une direction déterminée un maximum d'intensité du flux lumineux délivré par la lampe. Cependant, dans le cas notamment des lampes aux iodures métalliques, o le réflecteur parabolique, élyptique ou de forme complexe avec micro facette est souvent un élément séparé de la lampe, et dont on choisit des dimensions et ensuite le positionnement en fonction du type de lampe utilisé, l'efficacité du réflecteur est souvent très faible. A titre d'exemple non limitatif, l'emploi d'un réflecteur associé à une lampe General Electric MBI /T/40 n'augmente que d'environ 20 % le flux lumineux émis par la lampe seule et dans les meilleures conditions de réglage du couple lampe-réflecteur. L'objectif essentiel de l'invention est, comme il est montré sur la figure n 1, d'utiliser un tel type de lampe (1), sans réflecteur, qui rayonne la lumière émise d'une manière quasiomnidirectionnelle. Par ailleurs, des optiques de focalisation (2) permettent de concentrer une partie de la lumière dans au moins deux directions, par exemple opposées. Cette lumière est reçue par deux faisceaux (4) de câbles à FOP dont la fonctionnalité peut être très différente. Si un seul type de câble à diffusion latérale de la lumière est utilisé, l'éclairement longitudinal du câble sera très amélioré en raccordant les deux extrémités de ce câble à chacune des deux sorties du générateur. Des filtres anticaloriques (17) sont placés directement en face de la lampe (1), entre celle-ci et les optiques de focalisation (2). L'efficacité d'une telle disposition est très inférieure à celle obtenue en plaçant les filtres anticaloriques (17) entre les deux lentilles (2). -4- En effet, à l'extérieur, les lentilles (2) peuvent être traités avec une pellicule anti- reflets déposée sur les faces pour améliorer la transmission du flux lumineux et éviter les échauffements de la lampe dus aux réflections parasites. Par ailleurs, selon la figure n 3, les filtres (17), peuvent être placés devant ou derrière le barreau mélangeur (15) qui absorbera les rayons infrarouges émis et protégera les faisceaux de fibre (19), notamment plastique. De façon à diminuer au maximum l'élévation de température à l'entrée des câbles optiques, une ventilation forcée est assurée par un ventilateur (6). Selon un autre objet de l'invention, le bruit de ce ventilateur est considérablement réduit par l'emploi d'un système de ventilation constitué par un circuit d'aspiration et d'évacuation d'air réalisé par des conduits disposés en chicane. Cet aménagement mécanique particulier est destiné à modifier le trajet normal de la circulation d'air du système de ventilation au profit des surfaces les plus chaudes ou les plus sensibles comme celles des extrémités des câbles optiques. Le refroidissement pourra être amélioré si besoin est avec une sonde à effet pelletier (20) placée dans chaque caisson du générateur soit sur les faces soit sur le barreau mélangeur (4). Selon l'invention, une amélioration sensible est obtenue pour ces conduits en chicane à la fois du point de vue du bruit acoustique et de la dissapation thermique. A titre d'exemple non limitatif de l'invention, un générateur à 2 sorties comprend une lampe 150W sans réflecteur du type GE MBI 150/T/40. Ce générateur est prévu pour recevoir à chacune de ses 2 sorties un faisceau de 20 câbles à FOP d'une longueur de 2 m. Le diamètre unitaire des FOP est de 1 mm. Le faisceau est constitué par 260 FOP soient 13 FOP par câble élémentaire. Le diamètre utile de chaque câble est d'environ 4 mm. Le diamètre utile du faisceau à la sortie du générateur est de 18 mm et de 12 mm en compacté. L'intensité lumineuse moyenne mesurée dans l'axe en sortie de chaque câble de 4 mm de diamètre utile est de 110 candelas pour 20 câbles et 4400 candelas pour l'ensemble des 2 sorties. A titre de comparaison, le nombre de candelas mesurés avec le même type de faisceau à 20 câbles 4 mm raccordé sur la sortie d'un générateur classique actuel équipé du même type de lampe, mais munie d'un réflecteur n'est que de 2540 candelas soit une diminution de lumière d'environ 60 % par rapport au générateur objet de l'invention à deux sorties. -5- Avec les générateurs classiques actuels et en utilisant les mêmes types de ventilateurs et filtres anticaloriques proposés dans notre nouvelle version de générateur selon l'invention, mais avec une disposition différente, la température à l'entrée des câbles à FOP est de 60 C maximum. Cette température est réduite à 50 C avec la nouvelle disposition et structure de refroidissement en chicane selon l'un des objets de l'invention. Elle peut être maintenue au- dessous de 50 C avec la sonde à effet pelletier. Le niveau de bruit acoustique des nouveaux générateurs, objets de l'invention, est toujours inférieur à 44 dba et peut atteindre 25 dba. Cette valeur est réduite d'au minimum 10 à 20dba par rapport à celle mesurée sur les générateurs commercialisés connus non étanches. Selon l'invention, le système retenu pour améliorer l'évacuation thermique d'après les figures 1 et 2 permet, grâce à la disposition en deux étages séparés, de séparer les flux d'air. Avec cette disposition, la platine d'alimentation n'est pas échauffée par le flux d'air issu de la lampe et inversement le flux d'air circulant le long de la platine d'alimentation n'ajoute pas d'échauffement dans l'axe du rayonnement lumineux. Selon l'invention, figure n 1, le système de refroidissement permet la séparation mécanique des blocs optiques (9), de la platine d'alimentation (5). Un capteur de température placé à proximité du culot de la lampe permet la coupure d'alimentation de celle-ci en cas d'élévation de température supérieure au seuil de 50 C sur les embouts de câble optique (3). Toujours selon l'invention, les faces de barreau mélangeur (15), les lentilles (2) peuvent être traitées sur les faces recevant le flux lumineux pour réduire les réfections. Ceci permet de gagner selon les lois physiques 4 % par face traitée. Ce procédé permet d'améliorer le rendement de 12 à 16 % suivant le type de lentille et de lampe utilisé. Toujours selon l'invention, les lampes peuvent être remplacées par des sources lasers pour les applications de balisage à longue distance. Selon les figures 4 et 5, le connecteur (4) peut être prolongé par une lentille de verre notamment d'indice nl Toujours selon l'invention, le barreau mélangeur (15) de flux pourra être rapporté au connecteur du faisceau optique (21). -6- Selon la figure 3, le générateur peut être doté de plusieurs trains optiques: de deux trains constitués chacun par 1 réflecteur (3), 1 train de lentille (2), une lampe (1) et 1 filtre anticalorique (17) qui peut être placé entre la lampe (1) et la lentille (2) ou entre les deux lentilles ou plus encore sur la face du connecteur (21) avant l'injection du flux lumineux sur le barreau (4) ou, selon la figure n0 4, après celui-ci sur la face avant du connecteur (21) du faisceau (19). Toujours selon l'invention, figure 3, le générateur étanche peut être doté de deux ou n trains optiques. Focalisant sur le barreau mélangeur (4), le barreau mélangeur peut être traité avec un verre anti-reflets, mais également avec sa ou ses face(s) avant concavée(s) à génométrie sphérique ou asphérique pour permettre une meilleure concentration du flux à l'injection de celui-ci dans le faisceau de fibres en fonction de l'application Eclairage ou Balisage. Le nouveau générateur est submersible. Il est équipable d'un système de passe- couleur avec disque motorisé et dont le défilement est programmable. Enfin, les blocs modulables constitutifs du générateur sont assemblés de manière à éviter tous les ponts thermiques. Les blocs alimentation et optiques sont séparés par une lame d'air ou d'eau en immersion. Les blocs optiques et lampe sont séparés du bloc "connectique" par une feuille de silicone réalisant l'étanchéité à l'eau. -7- REVENDICATIONS: 1) Générateur de lumière pour câbles à fibres optiques, venrre ou plastique et leurs dérivés, caractérinsé par: - sa structure multi-blocs, chaque bloc étant thermiquement isolé des autres: I bloc recevant les optiques et la (ou les) lampe(s), 1 bloc recevant l'alimentation électrique, 1 bloc recevant la connectique pour câb]e de fibres optiques; - son profil à ailettes en fonte d'aluminium ou tout autre matière permettant des échanges thermiques; - sa ventilation forcée au niveau du bloc "connectique" pour les fibres plastiques; - l'absence de ventilation au niveau du bloc connectique pour les fibres en verre; - le balrreau mélangeur permettant aussi le refioidissement pour l'emploi des fibres plastiques et, - un refroidissement complémentaire avec sondes effets Peltier, 2) Générateur de lumière selon la revendication 1) caractérisé en ce qu'il est submersible caractérisé aussi en ce qu'il est équipable d'un disque motorisé passe-couleurs à défilement programmable, et peut être équipé en version "double sortie" par adjonction d'un deuxième bloc >, sont séparés d'une lame d'air ou d'eau en immersion. Ces 2 blocs sont séparés du bloc "connectique" par une feuille de silicone réalisant l'étanchéité à l'eau. Composé de 4 blocs en version "2 sorties", soient 2 blocs "connectique", 1 bloc "lampe" et 1 bloc "alimentation". 4) Générateur de lumière selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que son profil à ailette en alliage d'aluminium extrudé assure un refroidissement optimum de ses différents modules (3 en version "1 sortie", 4 en version "2 sorties") par convection naturelle, le profil faisant office d'échangeur thermique. -8- ) Générateur de lumiére selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le refroidissement de l'embout connecteur de fibres optiques au niveau du bloc "connectique" est assuré par convection forcée à l'aide d'un ventilateur. 6) Générateur de lumière selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le barreau mélangeur peut être indifféremment fixé dans le bloc du générateur ou déporté dans le connecteur du faisceau de fibre. 7) Générateur de lumière selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le bloc optique peut comporter de deux à n trains optiques de focalisation sur un même barreau mélangeur. 8) Générateur de lumière selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le bloc optique peut recevoir chacun des sondes à effet Peltier pour améliorer le rendement.