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Lampe électrique à incandescence comportant un corps incandes- cent réfractaire.
La durée de service d'une lampe à incandescence à corps incandescent réfractaire est déterminée principalement, pour une'charge donnée, par la vitesse à laquelle la matière constitutive du corps incandescent se vaporise.
Le corps incandescent d'une lampe à incandescence usuelle est un filament chauffé par le courant électrique qui le parcourt. Du fait que le filament n'est pas exactement cylindrique, il comporte des parties qui sont plus épaisses que les autres. La température de service des parties relati- vement minces est alors supérieure à celle des parties plus @
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épaisses de sorte que ces dernières parties se vaporisent moins fortement. Comme la vitesse de vaporisation est pro- portionnelle à environ la quarantième puissance de la tempé- rature absolue, il est clair qu'aux points relativement min- ces la vaporisation a lieu à une vitesse telle qu'à la fin de la vie de la lampe le diamètre des parties relativement épaisses n'est réduit que légèrement.
Aussi, pour la lampe normale à atmosphère gazeuse le pourcentage de vaporisation, c'est-à-dire le pourcentage en poids du filament qui s'est vaporisé à la fin de la durée de service, n'est que de 2 à 4%. Si l'on pouvait chauffer le corps incandescent de façon plus uniforme, par exemple par chauffage indirect, il serait possible d'atteindre un pourcentage de vaporisation bien plus élevé et, par conséquent d'augmenter considérable- ment la charge de la lampe, et par suite l'économie.
La lampe électrique réalisée conformément à l'in- vention comporte un corps incandescent établi en une ma- tière dont le point de fusion est supérieur à 3000 K et cons- titué par un corps creux qui forme une enveloppe opaque d'une chambre de décharge ayant une capacité de décharge as- sez élevée pour que le corps chauffé de façon indirecte, au moins la partie la plus chaude, rayonne une quantité d'éner- gie totale d'au moins 80 watts par cm2.
L'utilisation d'un corps incandescent creux et chauffé de façon indirecte présente l'avantage que la tempé- rature du corps ne dépend plus de la section. Sur toute sa surface le corps se vaporise d'une façon bien plus uniforme de sorte que théoriquement on peut atteindre un pourcentage de vaporisation de 100%. En pratique il est impossible:de réaliser un tel pourcentage parce qu'on doit toujours tenir compte de variations locales dans l'épaisseur de la paroi, variations'qui se révèlent au cours du fonctionnement par
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un éclatement local de la paroi. Vis-à-vis des lampes nor- males, le haut pourcentage de vaporisation permet d'obtenir, pour une charge donnée de la lampe une durée de service bien plus longue.
Inversement, pour une même durée de service donnée, il est possible de porter la charge de la lampe, c'est-à-dire la température du corps incandescent et, par conséquent, l'économie, à une valeur bien plus élevée. De plus, la lumière émise par la lampe pr.ésente un spectre con- tinu.
On connaît déjà des modes de construction dans les- quels un corps métallique est disposé à l'intérieur d'un tube à décharges. Ce corps est transparent ou perforé et, porté à l'incandescence, il sert à ajouter un spectre continu au spectre linéaire de la lumière produite par la décharge.
Le corps métallique ne forme donc pas une enveloppe opaque du trajet de décharge mais il sert plutôt à améliorer par son incandescence la lumière rayonnée par la décharge. Dans la lampe qui fait l'objet de l'invention la décharge sert exclusivement au chauffage du corps incandescent. La lumière de la décharge demeure complètement ou sensiblement invisible.
Le corps incandescent creux peut présenter la forme d'un tube, d'une sphère, d'un ellipsoïde ou analogue. Le corps peut être en tungstène, en rhénium, en un carbure ou azoture réfractaire ou en une matière analogue. Si l'on veut établir le corps incandescent en tungstène, on prépare celui- ci en phase gazeuse sur un noyau réfractaire, par exemple, en molybdène, ce qui peut être effectué dans une atmosphère de WCl6 ou de WCl6 + H2. Si 1?on part d'un noyau constitué par un cristal unique, par exemple du molybdène monocristal- lin, le corps incandescent préparé sur ce noyau, consiste éga- lement en un cristal unique. Un corps de ce genre est plus
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imperméable aux gaz et peut mieux résister à des pressions qu'un tube constitué par plusieurs cristaux.
Pour le rhé- nium les procédés utilisés sont analogues à ceux décrits pour le tungstène. Si l'on veut établir le corps incandes- cent en carbure tantalique on peut réaliser ceci d'une ma- nière analogue en le préparant en une phase gazeuse consistant en du chlorure tantalique, du méthane et de l'hydrogène. Si l'on veut établir le corps en azoture borique, il doit être produit par pressage.
La décharge peut avoir lieu en présence d'un gaz inerte tel que l'argon, le néon ou l'hélium ou d'une vapeur d'un métal tel que le mercure, le thalium, le plomb ou le cadmium ou bien d'un mélange de gaz et de vapeur.
Comme au cours du fonctionnement de la lampe le corps incandescent atteint une température élevée, il doit être placé dans une atmosphère inerte. On peut utiliser à cet effet les gaz usuels tels que l'azote, l'argon, le krypton ou le xénon ou leurs mélanges sous une pression infé- rieure ou supérieure à 1 Atm. Il est aussi possible, toute- fois, de disposer le tube en tungstène à l'intérieur d'un récipient en verre ou en quartz qui contient, en plus d'un gaz inerte, par exemple de l'argon, une goutte ou un morceau d'un métal tel que le mercure ou le cadmium. Lorsque le métal se vaporise il se produit dans ce récipient une atmosphère sous pression élevée qui entrave fortement la vaporisation du tungstène.
Pour simplifier ce dernier mode de réalisation, il est aussi possible de disposer le corps incandescent à l'in- térieur d'un tube à décharges de telle façon que ce corps entoure complètement la décharge à la manière d'un écran sans
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que la communication libre entre le creux du corps'incan- descent et l'intérieur du tube à décharges en soit suppri- mée. Notamment dans ce cas il est avantageux d'établir le corps incandescent en carbure tantalique. Si le corps in- candescent est disposé à l'intérieur d'une ampoule remplie de gaz ou de vapeur sous pression élevée, il est avantageux d'entourer cette ampoule d'une seconde ampoule.
On comprendra mieux l'invention en se référant au dessin annexé qui en représente, à titre d'exemple, quel- ques modes de réalisation.
La figure 1 représente un corps incandescent sui- vant l'invention comportant une paroi tubulaire en tungstène.
La figure représente un corps incandescent réali- sé conformément à l'invention et présentant la forme d'un ellipsoïde.
La figure 3 montre une lampe à incandescence sui- vant l'invention comportant deux chambres complètement sé- parées l'une de,l'autre.
La figure 4 représente une lampe à incandescence suivant l'invention qui ne comporte qu'une seule chambre.
La figure 5 représente une lampe à incandescence suivant l'invention munie d'un corps incandescent analogue â celui de la figure 1.
Le corps incandescent représente sur la figure 1, est constitué par un tube cylindrique 10 en tungstène scel- lé aux extrémités dans un verre sensiblement exempt d'alcali et auquel est scellé à son tour du quartz 11 à travers le- quel passent les électrodes 12 et 13 en tungstène également par l'intermédiaire du verre exempt d'alcali mentionné ci- dessus. Les électrodes peuvent être revêtues de la manière usuelle.d'une matière à fort pouvoir émissif -électronique.
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La figure 2 représente un corps incandescent si- milaire mais qui diffère en ce que le corps creux 14 pré- sente la forme d'un ellipsoïde. Aux extrémités, ce corps est également scellé dans du verre pouvant très bien résister à la chaleur. Dans ce cas également des électrodes 12 et 13 en tungstène passent vers l'extérieur.
Le corps en tungstène sert d'enveloppe pour la décharge établie entre les électrodes. Ce corps est chauffé à l'incandescence par la décharge et émet alors de la lumière.
La lumière de la décharge est invisible ou à peu près invi- sible en raison de l'opacité du corps en tungstène. La dé- charge sert ici à chauffer le corps creux en tungstène et cela de telle façon qu'aux points les plus chauds le corps rayonne une quantité totale d'énergie d'au moins 80 watts par cm2.
Si la lampe à incandescence est établie pour des tensions faibles, il est possible de remplir la chambre entourée par le corps incandescent, d'un gaz rare, par exem- ple du néon, de l'argon, du krypton ou du xénon sous pression élevée. Il est aussi possible d'introduire dans cette cham- bre une goutte ou un morceau d'un métal tel que le mercure, le cadmium, le thallium ou le plomb, qui se vaporise au cours du fonctionnement de la lampe. Il est nécessaire de prévoir, en plus de ce métal, un gaz, par exemple, de l'ar- gon, sous pression faible.
Selon un mode de construction réalisé en pratique, le tube en tungstène de la figure 1 a un diamètre interne de 2 mm et un diamètre externe de 3 mm. La longueur du tube est de 14 mm et les électrodes 12 et 13 sont disposées à l'inté- rieur du tube à une distance de 8 mm l'une de l'autre. Le corps incandescent contient-une goutte de mercure et de l'ar-
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gon sous faible pression. Pour une tension alternative de l'arc de 30 volts et pour un courant de 5 ampères la va- peur acquiert une pression de 1 atm. environ. Pour une dé- charge ainsi produite un tube en tungstène rayonne en moyenne sur toute sa surface une quantité totale d'énergie de 100 watt/cm2.
Si l'on veut obtenir des rayonnements d'énergie encore plus forts, on peut utiliser comme source de chauffage une décharge à vapeur de mercure sous pression éle- vée, par exemple une pression supérieure à 10 atm.
Le verre destiné au scellement des électrodes en tungstène, peut être un verre pratiquement exempt d'alcali et dont le coefficient de dilatation linéaire est compris entre 10.10-7 et 30.10-7. ce verre pouvant avoir, par exem- ple, la composition suivante:
83.1% SiO2
6. 1% B2O3
7. 1% Al2O3 3.7% CaO
Ce verre sert à entourer les conducteurs d'alimenta- tion des électrodes; il adhère très bien au tungstène et garantit un passage hermétique de ces conducteurs. Aux extr.é- mités, le tube en tungstène est également muni d'un rebord constitué par le verre précité et auquel le quartz est en- suite soudé par fusion.
La figure 3 montre le corps incandescent de la figu- re 1 qui est scellé dans une ampoule .20 en quartz ou en verre dur. Dans ce mode de construction également on a utilisé le verre précité pour la sortie des électrodes en tungstène.
L'espace compris entre l'ampoule 20 en quartz et le corps in- candescent 10 en tungstène peut être rempli d'un gaz indif- férent à l'action du tungstène, par exemple de l'azote, de
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l'argon, du krypton ou du xénon, ou des mélanges de ces gaz. Il est aussi possible de prévoir dans cet espace, en plus d'un gaz rare, une goutte ou un morceau d'un métal tel que le mercure ou le cadmium. Au cours du fonctionnement, ce métal se vaporise et produit une atmosphère indifférente à l'action du tungstène.
La figure 4 représente une lampe dont la construc- tion diffère de celle de la lampe de la figure 3. Dans ce mode de construction, le coprs incandescent est constitué par un cylindre 21 en carbure tantalique qui est supporté, au moyen de doigts 22 en tungstène, dans des rainures 23 prévues dans une ampoule en quartz 24. Aux extrémités de cette ampoule, les électrodes 25 et 26 en tungstène entrent dans cette dernière également à travers du verre spécial dé- crit ci-dessus, ces électrodes étant disposées de façon que la lumière de la décharge soit arrêtée presque complètement par le cylindre opaque 21. Ce cylindre devient incandescent par suite du chauffage par la décharge et émet de la lumière.
L'espace à l'intérieur de l'ampoule 24 peut être rempli d'un gaz rare ; peut prévoir, en outre, une goutte d'un métal tel que le mercure ou un des autres métaux précités.
La figure 5 représente une lampe à incandescence comportant une ampoule 27 de construction normale. A l'in- térieur ae l'ampoule est disposé un corps incandescent ana- logue à celui de la figure 1, qui est supporté au moyen de fils conducteurs 28 et 29. L'ampoule 27 peut être remplie d'un gaz inerte tel que l'azote, l'argon, le krypton, le xénon ou un mélange de ces gaz. Au lieu du corps incandescent de la figure 1, on peut aussi monter à l'intérieur de l'am- poule une lampe à incandescence analogue à celle représentée sur les figures 3 et 4.
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Lorsque'la lampe est mise en fonctionnement, il y a danger que la décharge s'établisse partiellement entre les électrodes et la paroi du corps incandescent. Pour éviter ceci, on peut s'y prendre de plusieurs façons. On peut recouvrir le corps incandescent intérieurement d'une matière pouvant résister à la chaleur, par exemple, un oxyde rfrac- taire possédant des propriétés d'isolement, tel que l'oxyde de thorium ou le carbure tantalique. Il est aussi possible. de donner à l'extérieur du corps une forme convexe, par exemple, celle d'une sphère ou d'un ellipsoïde, ce qui a pour résultat que l'arc saute moins rapidement sur la paroi.
Finalement il est possible d'établir le corps incandescent en une matière mauvaise conductrice de l'électricité telle que le carbure tantalique ou l'azoture borique.
Pour pouvoir être raccordées au réseau d'éclaira- ge ou à une autre source de courant, les lampes de la cons- truction indiquées ci-dessus doivent être connectées de la manière connue en série avec une impédance, par exemple une bobine de réactance.
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Electric incandescent lamp with a refractory incandescent body.
The service life of a refractory incandescent body lamp is determined primarily, for a given load, by the rate at which the material of the incandescent body vaporizes.
The incandescent body of a conventional incandescent lamp is a filament heated by the electric current which passes through it. Because the filament is not exactly cylindrical, it has parts which are thicker than the others. The operating temperature of the relatively thin parts is then higher than that of the more @ parts.
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thick so that the latter parts vaporize less strongly. As the rate of vaporization is proportional to about the fortieth power of absolute temperature, it is clear that at relatively thin points vaporization takes place at such a rate that at the end of the life of the lamp the diameter of the relatively thick parts is reduced only slightly.
Also, for the normal gas atmosphere lamp the vaporization percentage, i.e. the percentage by weight of the filament which vaporized at the end of the service life, is only 2 to 4% . If one could heat the incandescent body more uniformly, for example by indirect heating, it would be possible to achieve a much higher percentage of vaporization and, therefore, to considerably increase the load of the lamp, and hence the economy.
The electric lamp produced in accordance with the invention comprises an incandescent body made of a material whose melting point is greater than 3000 K and constituted by a hollow body which forms an opaque envelope of a discharge chamber. having a sufficiently high discharge capacity so that the indirectly heated body, at least the hottest part, radiates a total amount of energy of at least 80 watts per cm 2.
The use of a hollow and indirectly heated incandescent body has the advantage that the body temperature is no longer dependent on the section. Over its entire surface, the body vaporizes in a much more uniform way, so that theoretically a vaporization percentage of 100% can be achieved. In practice it is impossible: to achieve such a percentage because we must always take into account local variations in the thickness of the wall, variations which are revealed during operation by
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a local bursting of the wall. Compared to normal lamps, the high vaporization percentage makes it possible to obtain, for a given lamp load, a much longer service life.
Conversely, for the same given service life, it is possible to bring the load of the lamp, that is to say the temperature of the incandescent body and, therefore, the economy, to a much higher value. In addition, the light emitted by the lamp has a continuous spectrum.
Methods of construction are already known in which a metallic body is placed inside a discharge tube. This body is transparent or perforated and, when heated, it serves to add a continuous spectrum to the linear spectrum of the light produced by the discharge.
The metallic body therefore does not form an opaque envelope of the discharge path but rather serves to improve by its incandescence the light radiated by the discharge. In the lamp which is the object of the invention, the discharge serves exclusively for heating the incandescent body. The light from the discharge remains completely or substantially invisible.
The hollow glowing body may have the shape of a tube, sphere, ellipsoid or the like. The body may be of tungsten, rhenium, a refractory carbide or azide or the like. If it is desired to make the glowing body tungsten, this is prepared in the gas phase on a refractory core, for example, of molybdenum, which can be carried out in an atmosphere of WCl6 or WCl6 + H2. Starting from a nucleus consisting of a single crystal, for example single crystal molybdenum, the incandescent body prepared on this nucleus also consists of a single crystal. A body like this is more
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impermeable to gases and can withstand pressures better than a tube consisting of several crystals.
For rhenium, the processes used are analogous to those described for tungsten. If it is desired to make the incandescent body as tantalum carbide this can be done in a similar manner by preparing it in a gas phase consisting of tantalic chloride, methane and hydrogen. If one wants to establish the body in boric azide, it must be produced by pressing.
The discharge can take place in the presence of an inert gas such as argon, neon or helium or of a vapor of a metal such as mercury, thalium, lead or cadmium or else of a mixture of gas and steam.
As the incandescent body reaches a high temperature during the operation of the lamp, it must be placed in an inert atmosphere. The usual gases such as nitrogen, argon, krypton or xenon or their mixtures at a pressure lower or higher than 1 Atm can be used for this purpose. It is also possible, however, to arrange the tungsten tube inside a glass or quartz container which contains, in addition to an inert gas, for example argon, a drop or a piece of a metal such as mercury or cadmium. When the metal vaporizes, an atmosphere under high pressure is produced in this container which greatly hinders the vaporization of the tungsten.
To simplify the latter embodiment, it is also possible to place the incandescent body inside a discharge tube such that this body completely surrounds the discharge in the manner of a screen without.
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that the free communication between the hollow of the incandescent body and the interior of the discharge tube is eliminated. In this case in particular, it is advantageous to establish the incandescent body of tantalic carbide. If the incandescent body is arranged inside an ampoule filled with gas or vapor under high pressure, it is advantageous to surround this ampoule with a second ampoule.
The invention will be better understood by reference to the accompanying drawing which shows, by way of example, some embodiments thereof.
FIG. 1 represents an incandescent body according to the invention comprising a tubular wall made of tungsten.
The figure shows an incandescent body produced in accordance with the invention and having the shape of an ellipsoid.
FIG. 3 shows an incandescent lamp according to the invention comprising two chambers completely separate from each other.
FIG. 4 represents an incandescent lamp according to the invention which has only one chamber.
FIG. 5 represents an incandescent lamp according to the invention provided with an incandescent body similar to that of FIG. 1.
The incandescent body shown in FIG. 1 is constituted by a cylindrical tube 10 of tungsten sealed at the ends in a glass substantially free of alkali and to which is in turn sealed quartz 11 through which the electrodes 12 pass. and tungsten also through the alkali-free glass mentioned above. The electrodes may be coated in the usual manner with a material with high electronic emissivity.
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Figure 2 shows a similar incandescent body, but which differs in that the hollow body 14 has the shape of an ellipsoid. At the ends, this body is also sealed in glass that can withstand heat very well. In this case also tungsten electrodes 12 and 13 pass outwards.
The tungsten body serves as an envelope for the discharge established between the electrodes. This body is heated with incandescence by the discharge and then emits light.
The light from the discharge is invisible or almost invisible due to the opacity of the tungsten body. The discharge is used here to heat the hollow tungsten body, so that at the hottest points the body radiates a total amount of energy of at least 80 watts per cm2.
If the incandescent lamp is set for low voltages, it is possible to fill the chamber surrounded by the incandescent body with a rare gas, for example neon, argon, krypton or xenon under pressure. high. It is also possible to introduce into this chamber a drop or a piece of a metal such as mercury, cadmium, thallium or lead, which vaporizes during the operation of the lamp. It is necessary to provide, in addition to this metal, a gas, for example argon, under low pressure.
According to a practical construction mode, the tungsten tube of FIG. 1 has an internal diameter of 2 mm and an external diameter of 3 mm. The length of the tube is 14 mm and the electrodes 12 and 13 are arranged inside the tube at a distance of 8 mm from each other. The glowing body contains a drop of mercury and ar-
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gon under low pressure. For an alternating voltage of the arc of 30 volts and for a current of 5 amperes the vapor acquires a pressure of 1 atm. about. For a discharge thus produced, a tungsten tube radiates on average over its entire surface a total amount of energy of 100 watt / cm2.
If it is desired to obtain even stronger radiations of energy, a mercury vapor discharge under high pressure, for example a pressure greater than 10 atm, can be used as a heating source.
The glass intended for sealing the tungsten electrodes can be a glass practically free of alkali and whose coefficient of linear expansion is between 10.10-7 and 30.10-7. this glass may have, for example, the following composition:
83.1% SiO2
6.1% B2O3
7.1% Al2O3 3.7% CaO
This glass is used to surround the supply conductors of the electrodes; it adheres very well to the tungsten and guarantees a hermetic passage of these conductors. At the ends, the tungsten tube is also provided with a rim formed by the aforementioned glass and to which the quartz is then welded by fusion.
Figure 3 shows the glowing body of Figure 1 which is sealed in a quartz or hard glass bulb .20. Also in this method of construction, the aforementioned glass was used for the outlet of the tungsten electrodes.
The space between the quartz bulb 20 and the tungsten incandescent body 10 can be filled with a gas which is not resistant to the action of tungsten, for example nitrogen.
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argon, krypton or xenon, or mixtures of these gases. It is also possible to provide in this space, in addition to a rare gas, a drop or a piece of a metal such as mercury or cadmium. During operation, this metal vaporizes and produces an atmosphere indifferent to the action of tungsten.
FIG. 4 shows a lamp the construction of which differs from that of the lamp of FIG. 3. In this mode of construction, the incandescent body is constituted by a cylinder 21 of tantalum carbide which is supported by means of fingers 22 in tungsten, in grooves 23 provided in a quartz bulb 24. At the ends of this bulb, the tungsten electrodes 25 and 26 enter the latter also through the special glass described above, these electrodes being arranged so that the light of the discharge is almost completely stopped by the opaque cylinder 21. This cylinder becomes incandescent as a result of heating by the discharge and emits light.
The space inside the bulb 24 can be filled with a rare gas; can also provide a drop of a metal such as mercury or one of the other aforementioned metals.
Figure 5 shows an incandescent lamp comprising a bulb 27 of normal construction. Inside the bulb is disposed an incandescent body analogous to that of FIG. 1, which is supported by means of conducting wires 28 and 29. The bulb 27 may be filled with an inert gas such as this. as nitrogen, argon, krypton, xenon or a mixture of these gases. Instead of the incandescent body of figure 1, it is also possible to mount inside the bulb an incandescent lamp similar to that shown in figures 3 and 4.
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When the lamp is operated, there is a danger that the discharge will be partially established between the electrodes and the wall of the incandescent body. There are a number of ways to avoid this. The glowing body may be covered internally with a heat-resistant material, for example, a refractory oxide having insulating properties, such as thorium oxide or tantalum carbide. It is also possible. to give the outside of the body a convex shape, for example that of a sphere or an ellipsoid, which results in the arc jumping less quickly on the wall.
Finally it is possible to establish the incandescent body in a material which is a poor conductor of electricity such as tantalic carbide or boric azide.
In order to be able to be connected to the lighting network or to another current source, the lamps of the construction indicated above must be connected in a known manner in series with an impedance, for example a reactance coil.