BE847224A - Lampe a vapeur de metal alcalin a haute pression, - Google Patents

Description

  Lampe à vapeur de métal alcalin à

  
haute pression.

  
Priorité de deux demandes de brevet déposée s aux Etats-Unis d'Amérique le 14 octobre 1975 sous le n[deg.] 622 099 et le

  
 <EMI ID=1.1>  La présente invention concerne des lampes à vapeur métallique à haute pression et plus particulièrement des lampes à vapeur de métaux alcalins utilisant des enveloppes en céramique à base d'alumine.

  
Le brevet des Etats Unis n[deg.] 3.248.590, décrit des lampes à vapeur de métaux alcalins de haute intensité du type de celle de la présente invention. Ces lampes utilisent une enveloppe tubulaire allongée en céramique.transparente à la lumière,résistant au sodium à haute température, de façon appropriée, de l'alumine polycristalline de haute densité ou du saphire synthétique. Le remplissage

  
se compose d'un amalgame de sodium et de mercure en même temps qu'un gaz rare pour faciliter 1''amorçage. Les extrémités du tube d'alumine sont scellées par des éléments de fermeture appropriées permettant le branchement à des électrodes thermo-ioniques qui peuvent se composer d'une structure en métal réfractaire activé par un matériau émetteur d'électrons. Le tube de céramique est supporté dans une enveloppe vitreuse extérieure ou ampoule, généralement pourvue à une extrémité d'un culot à vis classique.

  
Les électrodes du tube à arc sont reliées aux bornes du culot

  
 <EMI ID=2.1> 

  
Les lampes à vapeur de sodium haute pression comportent des

  
 <EMI ID=3.1> 

  
l'efficacité. La pratique courante depuis la commercialisation des lampes à vapeur de sodium haute pression a été de mettre sous vide l'ampoule extérieure, d'introduire rapidement un "getter"de façon commode du baryum ou un alliage d'aluminium et de baryum et de sceller la lampe. Le getter est fourni sous forme d'une poudre qui est comprimée dans des bagues à canaux enflammée par couplage avec une énergie de radio-fréquence. Ces anneaux de getter sont par exemple représentés dans le brevet des Etats Unis n[deg.] 3.384.798.

  
Les "getters" de baryum enflammables que l'on a utilisé jusqu'à présent présentent plusieurs inconvénients. Ils sont relativement coûteux et nécessitent un montage et un alignement manuel fastidieux. Il faut suivre un programme d'inflammation par radiofréquence, précis et difficile. Les bagues à canaux sont structurellement faibles et peuvent provoquer occasionnellement une panne de la lampe par court-circuitage à la suite de chocs et de vibrations. Le baryum a une mauvaise absorption de l'hydrogène et ceci peut contribuer au pompage du sodium et à l'élévation de la tension. L'inflammation du baryum dépose une couche opaque sur l'extrémité inférieure de l'ampoule extérieure, ce qui absorbe une petite mais non négligeable proportion de la lumière émise fréquemment de l'ordre de 8%.

  
L'invention a donc pour but de fournir un getter amélioré pour ce type de lampe que l'on peut utiliser au lieu du getter

  
de baryum ou comme un supplément à ce dernier lorsque des conditions de vide sévères sont requises.

  
Selon la présente invention, on réalise une structure de getter métallique comprenant une partie métallique fonctionnant dans une gamme de hautes températures et une autre partie métallique fonctionnant dans une gamme de températures inférieures, ces deux parties étant soient liées ensemble ou réunies par un élément intermédiaire. Pour la partie haute température, on choisit les métaux parmi ceux du groupe VB de la classification périodique

  
des éléments et ce sont le vanadium, le niobium et le tantale.

  
On peut choisir les métaux de la partie basse température soit dans le groupe VB soit dans le groupe IVB et ce sont le titane,

  
le zirconium et l'hafnium. L'élément intermédiaire peut être un métal de l'un ou l'autre groupes. Ces métaux ont une affinité élevée pour des produits contaminants, tels que l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone et la vapeur d'eau. De préférence, on utilise le niobium pour la partie haute température et le titane pour la partie basse température.

  
Dans une réalisation recommandée, la partie intermédiaire

  
est un connecteur en niobium s'étendant d'un couvercle en niobium du tube à arc vers une partie en titane qui pour des raisons de commodité forme un des supports de conducteur dans l'ampoule extérieure. Le couvercle de niobium fonctionne dans une gamme de température allant de 500 à 1.100[deg.]C, tandis que la partie en titane fonctionne dans une gamme de température allant de 200 à 500[deg.]C environ et sert comme un réservoir pour le stockage des produits contaminants.

  
Selon une autre réalisation de l'invention que l'on recommande pour des lampes de plus grandes tailles, la partie fonctionnant dans la gamme de températures inférieures est en titane, mais n'a  <EMI ID=4.1> 

  
le long d'un élément structurel classique et sert de getter  de la manière décrite précédemment. 

  
La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement :
Figure 1, une lampe à vapeur de sodium haute pression incorporant la présente invention, et prévue pour fonctionner culot en haut, Figure 2, une vue en détail d'une lampe similaire prévue pour fonctionner culot en bas, et  figure 3, une vue en détail d'une autre lampe prévue pour fonctionner culot en bas incorporant la présente invention.

  
On a représenté sur la figure 1, une lampe à vapeur de sodium haute pression de 400 watts incorporant une réalisation recommandée

  
de l'invention:.-La lampe 1, comprend une ampoule extérieure 2 en

  
verre au col de laquelle est fixé un culot à vis mogul , standard

  
3 . L'ampoule extérieure comporte un pied à pincement réentrant 

  
4 à travers lequel passe de manière classique, une paire de con-  ducteurs d'amenée de courant massifs 5,6 dont les extrémités extérieures sont reliées 5 la douille filetée 7 et à l'oeillet 8 du culot. 

  
Le tube à arc 9 situe au centre dans l'ampoule extérieure

  
se compose d'un tube allongé en céramique à base d'alumine qui

  
 <EMI ID=5.1> 

  
et translucide. Les extrémités du tube sont fermées par des couvercles 10, 11 métalliques, si-adaptant étroitement au coefficient de dilatation thermique de la céramique à base d'alumine à laquelle

  
 <EMI ID=6.1> 

  
 <EMI ID=7.1> 

  
mais le tantale convient également. Le couvercle d'extrémité in-

  
 <EMI ID=8.1> 

  
 <EMI ID=9.1> 

  
 <EMI ID=10.1> 

  
 <EMI ID=11.1> 

  
dans lequel .l'excès d'amalgame de sodium se condense sous forme d'un- liquide pendant le fonctionnement de \la lampe. On- recommande  d'utiliser le niobium pour le queusot métallique, le tantale ! 

  
 <EMI ID=12.1>  mais qui n'est pas ouvert à l'intérieur du tube à arc. Pour cette raison, on appelle le tube 13 " faux queusot" et

  
c'est pourquoi il n'a pas besoin d'être scellé hermétiquement à son extrémité extérieure. Les parties des tubes 12 et 13 qui se prolongent à l'intérieur dans le tube à arc supportent les électrodes. L'électrode supérieure 14 représentée se compose d'un

  
fil de tungstène bispiralé 15 sur une tige de tungstène 16 qui est soudée dans l'extrémité fermée du faux queusot. Le fil bispiralé de l'électrode peut être activé avec Ba2CaW06 contenu dans les interstices entre les spires. Le remplissage dans la lampe se compose d'un gaz inerte de façon convenable, du xénon si l'on souhaite une efficacité maximale, ou en variante, un mélange de Penning tel que du néon avec un pourcentage fractionnaire d'argon si un fonctionnement à plus faible efficacité et démarrage plus facile est acceptable. Une charge métallique classique peut se composer d'environ 25 milligrammes d'amalgame renfermant environ

  
9 à 30 % en poids de sodium, le reste étant du mercure.

  
La lampe représentée est destinée à fonctionner culot en haut et le queusot 12 est relié rigidement par un connecteur filaire court
17 pour supporter la tige latérale 18 qui est attachée au conducteur d'amenée de courant 5 à l'extrémité de la lampe comportant le pied et reliée au mamelon réentrant 19 dans l'extrémité en forme de dôme de l'ampoule par une agrafe 20 en contact avecelle. On prévoit

  
 <EMI ID=13.1> 

  
 <EMI ID=14.1> 

  
annulaire ou en forme de P 21 fixé à la tige de support 22 qui a son tour est soudée au conducteur d'amenée 6. Une bande métallique souple 23 soudée par points au faux queusot et à la tige de support
22 assure un bon contact électrique avec l'électrode supérieure. La tige de support 22 est fixée par la bande 24 qui s'enroule autour de l'isolateur 25 à travers lequel passe la tige.

  
Selon 1'invention, on réalise un getter amélioré pour ce type de lampe qui évite les désavantages de 1'inflammation du baryum. Le getter utilise des métaux des groupes VB et IVB de la classification périodique et se compose d'une première partie fonctionnant dans une- gamme de températures élevées et d'une seconde partie fonctionnant dans une gamme de températures inférieures. Dans la réalisation recommandée, représentée pour un fonctionnement de lampe avec culot-en haut, la première partie se compose du couvercle d'extrémité 11, du faux queusot 13 et d'une partie de

  
la bande métallique souple 23, qui sont tous réalisés en niobium

  
et fonctionnent dans la gamme de hautes températures comprise entre
500 et 1100[deg.]C. La seconde partie se compose de l'autre partie de

  
la bande métallique 23, et de la tige de support 22 qui sont faites de titane et fonctionnent dans la gamme de températures allant de
200 à 500[deg.]C. La bande souple sert comme élément intermédiaire recouvrant les deux gammes. Avant que l'on ait réalisé la présente invention-, la tige dé support 22 était généralement faite d'alliage nickel-fer ou d'autres métaux ne servant pas de getters. La

  
tige de support peut être faite de zirconium qui la-rend un getter efficace. Cependant, Zr est difficile à souder et peut s'enflammer brusquement lorsqu'on le soude dans l'air.

  
Les détails de la figure 2 montrent une réalisation recommandée pour un fonctionnement culot en bas. Le tube à arc 9 et ses connecteurs sont inversés par rapport à l'ampoule extérieure 2 de sorte que le queusot 12 soit à l'extrémité comportant le pied à pincement. Dans cette disposition, le connecteur 17 de niobium est soudé au queusot 12 en niobium à une extrémité et à la tige de support en titane 22 à l'autre extrémité. Le montage d'accommodation de la dilatation thermique correspondant à celui illustré sur la figure 1 est prévu à l'extrémité opposée.

   Dans cette réalisation, la première partie fonctionnant dans la gamme de température plus élevée comporte le couvercle d'extrémité 10, le queusot 12 et la partie du connecteur 17, tous réalisés en niobium, tandis que la seconde partie fonctionnant dans la gamme de températures inférieures se compose d'une partie du connecteur en niobium 17 et de la tige de support 22 qui est faite de titane.

  
Stout et Gibbons dans le Journal of Applied Physics, Vol.26

  
 <EMI ID=15.1> 

  
Titanium", recommande d'utiliser -le titane sur un gradient de tem-

  
 <EMI ID=16.1> 

  
contaminant gazeux tels que l'oxygène, la vapeur d'eau et l'hydrogène. Cependant, on a trouvé que dans une lampe telle celle présentement décrite, une structure de getter comprenant une partie en niobium

  
 <EMI ID=17.1>  utiliser le titane seul comme élément structurel aux températures plus élevées, à cause de la croissance des grains et de la recristallisation. Egalement la vaporisation du titane peut présenter un problème aux températures supérieures à 1000[deg.]C. En outre, le titane ne s'adapte pas au coefficient de dilatation thermique de la céramique à base d'alumine et subit un changement de phase à environ
880[deg.]C de sorte qu'il n'est pas approprié pour la fabrication du couvercle d'extrémité 11. Cependant, on peut l'utiliser pour la bande métallique souple 23 de la figure 1, ou pour fabriquer le connecteur 17 dans la construction de la figure 2. Le niobium est de beaucoup supérieur pour les joints terminaux, car son coefficient de dilatation thermique est proche de celui de la céramique à base d'alumine.

   Le queusot 12 et le faux queusot 13 peuvent être faits de tantale en variante à la fabrication- en niobium, auquel cas la chaine du getter comprendrait le couvercle d'extrémité

  
en niobium, le tube de tantale, la bande de tantale, ou le connecteur de tantale et la tige de support en titane.

  
Lorsqu'on utilise du titane comme getter à des températures inférieures à 400[deg.]C, il peut se former un oxyde superficiel qui empêchera l'absorption de l'hydrogène gazeux. En utilisant, selon l'invention, un autre matériau, à savoir le niobium, lié au tantale et en utilisant un fonctionnement à températures supérieures, on évite cette limitation de sorte que l'absorption de l'hydrogène

  
a lieu à la température supérieure. L'hydrogène absorbé par le niobium peut être transporté par diffusion vers le titane à la température inférieure. Dans la lampe représentée, le couvercle d'extrémité en niobium 11 et le tube métallique 13 sont en contact avec l'atmosphère gazeuse dans le tube à arc. L'hydrogène dans l'espace de la décharge affecte de façon néfaste la performance de la lampe lors du démarrage et de son fonctionnement. La structure d'extrémité en niobium fonctionnant en tant que première liaison dans la chaîne de getter peut éliminer l'hydrogène de l'espace de décharge et le déplacer par diffusion le long de la bande métallique souple 23 vers la tige de support en titane 22 où il-est stocké en même temps que d'autres produits contaminants.

  
Il est important d'utiliser du titane de haute pureté pour la tige 22 afin d'accroître son aptitude à la sorption. Un matériau approprié est le titane correspondant Va. la classification de l'American Welding Society A 5.16.70 ERTi-1 dans lequel les impuretés maximales permises sont 0,03% de carbone, 0,10% d'oxygène, 0,005% d'hydrogène, 0,012% d'azote et 0,10% de fer.

  
L'expérience a montré que la soudure ou le joint entre le conducteur d'amenée 6 qui est normalement réalisé en nickel ou en alliage de nickel-fer et la tige de support en titane 22 est souvent fragile. Dans des lampes sujettes à de considérables vibrations et particulièrement dans les lampes plus lourdes et de plus grandes tailles telles que des lampes de 1000 watts, la soudure peut être trop faible et peut se briser. En conséquence, dans ces lampes,

  
le getter de titane doit fonctionner de la même façon que décrit précédemment, mais sans remplir aucun rôle structurel.

  
On a représenté sur la figure 3, une disposition convenable pour un guetter de niobium n'ayant pas de rôle structurel. Cette figure 3 représente l'extrémité inférieure d'une lampe à vapeur de sodium haute pression de 1000 watts désignée dans le commerce par la référence LU-1000. Lorsque la structure est inchangée par rapport à celle de la figure 2, on a conservé les mêmes numéros

  
de référence pour identifier les pièces correspondantes. L'extrémité inférieure du tube à arc est supportée par un queusot en niobium clos 12 auquel est soudé une bande de niobium 31. Cette bande est soudée à une extrémité à une courte tige de fer-nickel

  
32 et entoure un isolateur 33 à son autre extrémité en vue d'un support supplémentaire. L'isolateur 33 est supporté par une tige allongée 18 qui est vissée à celui-ci. Dans cette construction,

  
les conducteurs d'amenée massifs, 5, 6, la tige courte 32 et la tige allongée 18 sont toutes en alliage nickel-fer et servent d'éléments structuraux et de conducteurs de courant. Le getter

  
34 se prolonge parallèlement à la tige 32. Ce getter est soudé

  
par points à la bande de niobium 31 et comporte une courte partie

  
à angle droit 35 soudée.par points à la tige 32. L'extrémité distale du getter 34 se prolonge au voisinage du couvercle d'extrémité
10 afin de recevoir la chaleur rayonnée par le tube à arc. Cette disposition assure les conditions de température voulues pour un fonctionnement efficace du getter à savoir, l'élément en niobium intermédiaire 31 ( groupe VB) a une température plus élevée et l'élément en titane 34 (groupe IVB) du-getter, a une température inférieure de sorte que l'hydrogène absorbé par le niobium puisse être transporté par diffusion vers le titane. L'élément en titane

  
34 n'a pas de fonction structurelle de sorte que les soudures ou joints entre lui et la bande de titane 31 et la tige de nickel-fer
32 ne subit aucune déformation qui pourrait provoquer une rupture.

  
Lors de la.fabrication de la lampe et avant le premier fonctionnement de la lampe, il est classique pour le titane d'absorber certaines impuretés, par exemple l'oxygène et l'hydrogène, tandis que l'enveloppe de verre extérieure est travaillée avec des flammes. Ces impuretés peuvent inhiber des propriétés de piègeage du titane. Le moyen de rémédier à cet inconvénient, dans le passé était de chauffer le titane au moyen d'un rayonnement fourni à l'extérieur

  
de l'ampoule de la lampe tandis que l'on faisait le vide dans cette lampe avant'son scellement final. Ceci dégageait des gaz volatils

  
et activait la surface du titane en permettant aux oxydes superficiels de se dissoudre dans la masse du matériau. Cependant, l'utilisation d'une structure de getter à deux métaux avec des parties fonctionnant dans des gammes de températures différentes selon la présente invention a réduit le besoin d'un tel traitement et ne le rend que facultatif.

  
Lorsqu'on allume pour la première fois la lampe et ensuite lors du fonctionnement, les divers éléments de la structure de

  
la lampe d&#65533;jagent des impuretés gazeuses qui pourraient être néfastes pour la performance de la lampe. La structure de getter niobium-titane selon l'invention élimine ces impuretés et maintient l'ampoule en verre de la lampe à un degré élevé de vide assurant ainsi la performance attendue de la lampe. De l'analyse des ampoules extérieures des lampes de l'art antérieur utilisant des

  
films de baryum.évaporés en tant que getter ont montré que même

  
avec un réglage soigneux de l'endroit où l'on plaçait l'anneau de getter et de l'orientation de celui-ci, on trouvait une certaine quantité de baryum dans toutes les parties de l'enveloppe. Ce

  
baryum diffusé absorbe la lumière et des essais ont montré que jusqu'à 8% de la lumière provenant de la décharge peut être perdu

  
du fait du remplissage de baryum. On évite de telles pertes en utilisant la présente invention. Dans des lampes à vapeur de sodium haute pression de 400 watts correspondant à la lampe représentée,

  
on a mesuré des efficacités supérieures à 130 lumens par watts et dans la lampe de 1000 watts des efficacités supérieures à 150 lumens par watt. Ces chiffres indiquent des gains de plus de 5% sur les efficacités mesurées, comparées à celles de lampe similaire utilisant le getter enflammé en poudre à base d'alliage d'aluminium et de barvum de l'art antérieur.

Claims (1)

1. R E V E N D I C A T I O N S

   1 - Lampe à décharge dans une vapeur de métal alcalin à

   haute pression, caractérisée en ce qu'elle comprend,

   - une ampoule extérieure vitreuse à laquelle est fixé un culot et une paire de conducteurs d'amenée de courant scellés dans l'ampoule et reliés au culot, cette ampoule étant mise sous vide, - une enveloppe intérieure en céramique à base d'alumine ayant des couvercles de scellement à ses extrémités opposées supportant des électrodes et assurant des connexions avec celles-ci, 'cette enveloppe intérieure renfermant un milieu ionisable comprenant un métal alcalin, - un cadre de montage supportant l'enveloppe intérieure à l'intérieure de l'ampoule extérieure et compre.nant des conducteurs reliant les conducteurs d'amenée de courant aux couvercles de scellement, et, au moins un des couvercles comprenant une partie faite en métal du groupe VB, un connecteur se prolongeant à partir de cette partie en métal du groupe VB vers un élément de getter.

   en métal du groupe IVB et fonctionnant à une température inférieure à celle de la partie en métal du groupe VB, ce connecteur

   étant en métal choisi parmi ceux du groupe VB et du groupe IVB, <EMI ID=18.1>

   pérature et de réservoir pour les produits contaminants.

   2 - Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que

   le premier couvercle fonctionne dans la gamme de températures

   allant de 500 à 100[deg.]C et l'élément de getter fonctionne dans la gamme de températures allant de 200 à 500[deg.]C.

   3 - Lampe selon la revendication 1, caractérisé en ce que

   ce premier couvercle comporte une partie réalisée en un métal choisi entre le niobium, le tantale et leurs alliages, le connecteur est. réalisé en un métal choisi parmi le niobium, le tantale, le vanadium, le zirconium, le titane et leurs alliages, et l'élément de getter est réalisé en un métal choisi parmi le titane, le zirconium et leurs alliages.

   4 - Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que

   le cadre de montage comprend une tige latérale se prolongeant d'un premier des conducteurs d'amenée vers l'extrémité-opposée de l'ampoule extérieure et une tige de support courte en métal du groupe IVB se prolongeant à partir de l'autre des conducteurs d'amenée et servant en tant qu'élément de getter.

   5 - Lampe selon la revendication 1, caractérisée en &#65533;e que

   le premier couvercle est au moins en partie réalisé en niobium,

   le cadre de montage comprend une tige latérale se prolongeant à partir d'un premier des conducteurs d'amenée vers l'extrémité opposée de l'ampoule extérieure et une tige de support courte en titane se prolongeant à partir de l'autre des conducteurs d'amenée et servant en tant qu'élément de getter, et ce connecteur se prolongeant de la partie en niobium du premier couvercle vers la

   tige de support en titane et étant réalisé en niobium.

   6 - Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que

   le premier couvercle comprend une partie en niobium, un connecteur en niobium relie cette partie à un premier des conducteurs du

   cadre de montage et un élément de guetter en titane, et est relié entre ce connecteur en niobium et le premier conducteur du cadre

   de montage.

   7 - Lampe à décharge dans une vapeur de métal alcalin à haute pression caractérisée en ce qu'elle comprend :

   - une ampoule vitreuse extérieure à laquelle est fixé un culot et une paire de conducteurs d'amenée scellés dans cette ampoule et reliés &#65533;u culot, cette ampoule extérieure étant mise sous vide, - une enveloppe intérieure en céramique à base d'alumine ayant des couvercles de scellement à ses extrémités opposées supportant des électrodes et permettant les connexions de ces dernières, cette enveloppe intérieure renfermant un milieu ionisable comprenant un métal alcalin, - un cadre de montage supportant cette enveloppe intérieure dans l'ampoule extérieure et comprenant des conducteurs reliant les conducteurs d'amenée aux couvercles de scellement, un premier de ces couvercles de scellement étant au moins en partie en un métal choisi entre le niobium et le tantale,

   un connecteur en métal choisi entre le niobium et le tantale et un élément de titane fixé au cadre et fonctionnant à une température inférieure que le premier des couvercles de scellement, ce connecteur se prolongeant de la partie en métal du premier des couvercles vers l'élément-de titane grâce à quoi l'élément de titane sert de getter à faible température et de réservoir pour les produits contaminants. <EMI ID=19.1>

   <EMI ID=20.1>

   longeant à partir d'un premier des conducteurs d'amenée.

   <EMI ID=21.1>

   que l'élément en titane se prolonge le long d'un conducteur du cadre et comporte une première attache à ce conducteur et une autre attache avec le connecteur.

   10 -Lampe selon la revendication 7, caractérisée en ce que-le premier couvercle comprend un tube de métal choisi parmi le niobium et le tantale et en ce que le connecteur est lié à ce tube.

   <EMI ID=22.1>

   que .ce premier couvercle se compose d'un couvercle terminal métal-

   <EMI ID=23.1>

   niobium et le tantale auquel est soudé le connecteur.