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MÉMOIRE DESCRIPTIF
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DÉPOSÉ A L'APPUI DE BREVET
D'UNE DEMANDEFORMÉE PAR N. V. PHILIPS'GLOEILAMPENFABRIEKEN pour Lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression. Demande de brevet aux Pays-Bas n 8202778 du 9 juillet 1982 e en sa faveur.
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"Lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression"
L'invention concerne une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression comportant une enceinte à décharge en verre, dans laquelle se produit la décharge, lors du fonctionnement de la lampe, et qui contient du mercure et un gaz précieux, alors qu'au moins une partie de la paroi intérieure de ladite enceinte à décharge est munie d'une couche transparente continue, au moins pratiquement homogène, mince, qui résiste à l'action de la décharge.
Dans les lampes à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression, il est connu de prendre des dispositions pour contrecarrer le noircissement de parties de la paroi intérieure d'une enceinte à décharge qui sont en contact avec la décharge. Un tel noircissement, qui se produit par interaction de mercure et de verre, est indésirable et provoque non seulement une réduction du rendement lumineux mais également un aspect inesthétique de la lampe, notamment du fait que le noircissement se produit d'une façon irrégulière, par exemple sous forme de taches sombres ou de points sombres.
Le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3,377, 494 propose de munir la paroi intérieure de l'enceinte à décharge d'une couche transparente continue pratiquement homogène mince en dioxyde d'étain ou en dioxyde de zirconium, par exemple pour contrecarrer le noircissement de la paroi intérieure en verre de l'enceinte à décharge.
Contrairement à une couche granuleuse protectrice constituée par un oxyde métallique réfractaire (comme l'oxyde d'aluminium ou le dioxyde de silicium) qui est composée d'un très grand nombre de petites particules et qui doit être assez épaisse afin d'éviter l'interaction entre le mercure et la paroi du verre, dans la lampe selon le susdit brevet des Etats-Unis d'Amérique, un contact direct entre la paroi en verre et la décharge de la vapeur de mercure est évité par la présence d'une couche transparente continue homogène mince.
Conformément à l'invention, par suite de la présence de la couche transparente, il suffit d'utiliser, dans l'enceinte à décharge, une couche luminescente relativement mince permettant d'obtenir une économie notable de la quantité de matériau luminescent, comparativement aux lampes non munies d'une couche protectrice transparente.
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On a constaté que notamment dans une couche transparente contenant du dioxyde de titane, le rayonnement ultra-violet d'une longueur d'onde jusqu'à environ 350 nm est absorbé dans une forte mesure ; de plus, on a constaté que le rayonnement de résonance du mercure d'une longueur d'onde de 254 nm peut être absorbé à peu près complètement. Cela est notamment désavantageux dans le cas d'application de la couche aux lampes n'émettant que du rayonnement desdites longueurs d'onde. A titre d'exemples de telles lampes, on peut citer les lampes germicides et les lampes émettant un rayonnement ultraviolet de longueur d'onde relativement longue, comme les lampes destinées aux lits solaires.
L'invention vise à fournir une lampe dans laquelle le noircissement et la décoloration de la paroi en verre de l'enceinte à décharge sont réduits au minimum alors que le rendement lumineux ou le rendement de rayonnement de la lampe reste à un niveau aussi élevé que possible pendant toute la durée de vie.
Conformément à l'invention, une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression du genre mentionné dans le préambule est caractérisée en ce que la couche transparente contient au moins un oxyde d'yttrium, scandium, lanthane, gadolinium, ytterbium et/ou lutetium.
Les susdits oxydes peuvent être appliqués d'une façon simple sous forme d'une couche transparente homogène continue très mince sur la paroi en verre d'une enceinte à décharge. Cela s'effectue par exemple par rinçage de l'enceinte à décharge avec un composé organométallique (comme un acétylacétonate) dans un solvant organique, de façon qu'après séchage et frittage, il se forme la couche désirée. De plus, la couche peut être appliquée à l'aide d'un procédé selon lequel un composé métallique passe à l'aide d'un gaz transporteur (comme l'air) et de chauffage par une enceinte à décharge et se dépose sur la paroi. On a constaté que les couches des susdits oxydes résistent convenablement à l'action d'une atmosphère de mercure-gaz précieux régnant dans l'enceinte à décharge d'une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression.
De plus, elles satisfont convenablement aux exigences de perméabilité de la lumière et du rayonnement. Les oxydes conformes à l'invention constituent une sélection comprenant notamment plusieurs oxydes de métaux des terres rares. Des
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couches munies d'oxydes des métaux conformes à l'invention conviennent particulèrement aux lampes à décharge dans le mercure à basse pression, du fait qu'elles sont incolores et ne présentent guère d'absorption de rayonnement utile (comme rayonnement ultraviolet et de la lumière visible).
Il y a lieu de noter que le brevet allemand 1.764. 126 décrit une lampe à décharge dans la vapeur de sodium à basse pression comportant une enceinte à décharge, dont la paroi intérieure est munie d'une couche homogène perméable à la lumière de sodium et résistant à la vapeur de sodium qui, selon ce brevet, peut être constituée par l'un des oxydes d'yttrium et/ou des terres rares. Toutefois, une telle lampe n'émet que de la lumière d'une longueur d'onde spécifique dans le domaine visible. Des problèmes spéciaux résultant de l'action du rayonnement ultra-violet à courte longueur d'onde sur la couche ne se produisent pas dans cette lampe.
On a constaté que dans une couche transparente conforme à l'invention, il ne se produit guère d'absorption du rayonnement de résonance engendré dans l'enceinte à décharge de mercure d'une longueur d'onde de 254 nm. Dans les lampes à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression destinées aux buts de rayonnement où essentiellement du rayonnement d'une longueur d'onde 254 est émis (lampes germicides) et dont la paroi intérieure de l'enceinte ne doit être munie que de la couche transparente conforme à l'invention, on a constaté que même après un grand nombre d'heures de fonctionnement de la lampe, il ne se produit guère le noircissement ni une décoloration de la paroi en verre. Compartivement à la lampe connue, le rendement de rayonnement de ladite lampe restait à un niveau élevé.
L'invention peut également avantageusement être appliquée aux lampes présentant une enceinte à décharge tubulaire, dont la paroi intérieure est munie d'une couche réflectrice présentant une fente longitudinale. Dans de telles lampes, une couche luminescente est au moins présente sur la couche réflectrice. Dans une forme de réalisation spéciale, cette couche réflectrice s'étend sur toute la périphérie de la paroi intérieure de l'enceinte à décharge. Fait étonnant, on a constaté que dans le cas d'application d'une couche transparante conforme à l'invention sur la paroi en verre, au moins à l'endroit de la fente longitudinale, on obtient un rendement très
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élevé de la lumière du rayonnement pendant une longue durée de fonctionnement.
L'invention peut également être appliquée avantageusement aux lampes dont toute la paroi intérieure est recouverte d'un matériau luminescent. La couche transparente se trouve entre la couche luminescente et la paroi en verre. La paroi en verre peut être protégée de façon efficace contre l'action de la décharge. On l'a surtout constaté dans le cas de lampes munies d'une enceinte à décharge courbée (par exemple une lampe décrite dans le brevet français No 2 479
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562, où la couche luminescente n'est pas continue à l'endroit des parties courbées de l'enceinte à décharge et il se produit une charge de paroi relativement élevée.
Des essais ont révélé que lors du fonctionnement de la lampe, le rendement lumineux reste à un niveau élevé.
La couche transparente dans une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression conforme a l'invention contient de préférence un oxyde d'yttrium et/ou de gadolinium. Une telle couche présente un coefficient de transmission relativement élevé pour le rayonnement ultraviolet et pour la lumière visible. De plus, on a constaté qu'une couche contenant lesdits oxydes n'est guère hygroscopique et adhère convenablement à la paroi intérieure d'une enceinte à décharge. De plus, il est assez simple d'appliquer la couche, (par exemple avec de l'acétylacétonate d'yttrium), ce qui réduit notablement les frais, notamment dans un processus de fabrication en grandes séries pour les lampes à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression.
La description ci-après, en se référant aux dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.
La figure 1 montre en coupe longitudinale une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression tubulaire, dont l'enceinte à décharge est exempte de matériau luminescent et
La figure 2 montre une telle lampe dans laquelle la paroi intérieure de l'enceinte à décharge est munie, outre d'une couche transparente, également d'une couche luminescente.
La figure 1 représente une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression comportant une enceinte à décharge tubu-
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laire 1, aux extrémités de laquelle sont disposées les électrodes 2 et 3. Une décharge est entretenue entre ces électrodes, lors du fonctionnement de la lampe. L'enceinte à décharge contient de la vapeur de mercure et un gaz précieux, par exemple de l'argon (pression environ 400 Pa). Sur la paroi intérieure en verre de l'enceinte à décharge est présente une couche transparente continue pratiquement homogène mince 4, qui résiste à l'action de la décharge. La lampe représentée sur le dessin est une lampe destinée à des buts d'irradiation (lampe germicide) qui émet essentiellent du rayonnement d'une longueur d'onde de 254 nm.
D'une façon générale, de telles lampes sont utilisées pour détruire des bacilles, bactéries indésirables etc. dans des espaces comme dans des lieux tels que les hôpitaux Dans des formes de réalisations pratiques de la lampe, ladite couche transparente présente une épaisseur d'environ 5 nm jusqu'à environ 200 nm.
Dans le cas d'une épaisseur supérieure à 200 nm, il se produit une trop grande absorption du rayonnement engendré dans l'enceinte à décharge. Dans le cas d'une épaisseur de couche inférieure à environ 5 nm, il se produit toujours l'interaction entre la décharge et la paroi de verre.
On a effectué plusieurs essais avec des lampes (15 W, diamètre intérieur de l'enceinte à décharge 25 mm, longueur de l'enceinte à décharge environ 50 cm, argon 400 Pa), dont l'enceinte à décharge est munie d'une couche transparente contenant un oxyde conforme à l'invention. La couche transparente fut obtenue par rinçage de la paroi intérieure de l'enceinte à décharge avec un liquide contenant un compos organo-métallique (par exemple de l'acétylacétonate d'yttrium) dans un solvant organique (par exemple ether monoéthylique d'éthylène glycol). La couche se forme après séchage et frittage (par exemple jusqu'à environ 6000C). Les résultats desdits essais sont mentionnés dans le tableau I ci-dessous. Dans tous les cas, l'épaisseur de la couche d'oxyde était de 50 à 150 nm.
Le tableau I mentionne le rendement de rayonnement (en UV-Watts) et (entre parenthèses) le rendement de rayonnement relatif pour une lampe par rapport à 100 heures par lampe par rapport à 100 heures de fonctionnement. De plus, le tableau I mentionne le résultat de la lampe connue non munie d'une couche transparente protectrice.
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TABLEAU I
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<tb>
<tb> lamp
<tb> durée <SEP> de <SEP> sans <SEP> couche <SEP> contenant <SEP> contenant <SEP> contenant
<tb> fonctionnement <SEP> transparente <SEP> Y2O3 <SEP> Gd2O3 <SEP> Sc2O3
<tb> Oh <SEP> 4, <SEP> 6W <SEP> (117%) <SEP> 4,6W <SEP> (107%) <SEP> 4,5W <SEP> (107%) <SEP> 4,5W <SEP> (110%)
<tb> 100 <SEP> h <SEP> 3, <SEP> 9W <SEP> (100%) <SEP> 4,3W <SEP> (100%) <SEP> 4,2W <SEP> (100%) <SEP> 4, <SEP> 1W <SEP> (100%)
<tb> 1000 <SEP> h <SEP> 3,4W <SEP> (88%) <SEP> 4, <SEP> 1W <SEP> (95%) <SEP> 4, <SEP> 0W <SEP> ( <SEP> 95%) <SEP> 3,9W <SEP> ( <SEP> 95%) <SEP>
<tb> 500 <SEP> h <SEP> 2, <SEP> 9W <SEP> (74%) <SEP> 3,9W <SEP> (90%) <SEP> 3,8W <SEP> ( <SEP> 90%) <SEP> 3, <SEP> 8W <SEP> (93%)
<tb> lampe
<tb> durée <SEP> de <SEP> contenant <SEP> contenant <SEP> contenant
<tb> fonctionnement <SEP> La2O3 <SEP> Mo2O3 <SEP> Lu2O3
<tb> 0 <SEP> h <SEP> 4,5W <SEP> (107%) <SEP> 4,5W <SEP> ( <SEP> 107%) <SEP> 4,5W <SEP> (1o7%)
<tb> 100 <SEP> h <SEP> 4,2W <SEP> (100%) <SEP> 4,2W <SEP> (100%) <SEP> 4,2W <SEP> (100%)
<tb> 1000 <SEP> h <SEP> 3, <SEP> 9W <SEP> ( <SEP> 93%) <SEP> 4, <SEP> 1W <SEP> (98%) <SEP> 4, <SEP> 0W <SEP> ( <SEP> 95%) <SEP>
<tb> 2000 <SEP> h <SEP> 3,7W <SEP> ( <SEP> 88%) <SEP> 3,9W <SEP> ( <SEP> 93%) <SEP> 3, <SEP> 8W <SEP> ( <SEP> 90%)
<tb>
De ce tableau il ressort que le rendement de rayonnement lampes conformes à l'invention reste à un niveau élevé, même après une longue durée de fonctionnement.
L'attaque de la paroi en verre par le mercure et, de ce fait, la réduction du rendement lumineux, ne se produisent guère dans la lampe conforme à l'invention.
La lampe selon la figure 2 contient également une enceinte à décharge tubulaire 1, des électrodes 2,3 et la couche transparente 4. Du côté opposé à la décharge, cette couche est munie d'une couche en matériau luminescent 5. Cette couche s'étend sur toute la surface de la couche transparente. Pour plusieurs essais, la couche luminescente 5 étant constituée par un mélange de trois luminophores, notamment de l'aluminate de cérium-magnésium activé à l'aide de therbium et émettant une luminescence verte, de l'aluminate de baryum-magnésium activé à l'aide d'europium bivalent et émettant une luminescence
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bleue et de l'oxyde d'yttrium activé à l'aide d'europium trivalent et émettant une luminescence rouge.
En présence d'une couche transparente conforme à l'invention entre ladite couche luminescente 5 et la paroi en verre de l'enceinte à décharge, on a constaté, fait étonnant, que dans le cas d'un faible poids en poudre du matériau luminescent (comparativement aux lampes non munies d'une couche luminescente), il ne se produit qu'une faible réduction du rendement lumineux. Par poids en poudre, il y a lieu d'entendre le poids total du matériau luminescent dans toute l'enceinte à décharge. Comparativement à la lampe connue (non munie d'une couche transparente) il s'est avéré possible de limiter le poids en poudre du dit matériau luminescent dans les lampes conformes à l'invention d'environ 25% jusqu'à environ 2 mg/cm2, valeur à laquelle il ne se produit guère une réduction du rendement lumineux.
On a effectué plusieurs essais avec quelques lampes à décharge dans la vapeur de mercure à basse pression (puissance 36W, longueur 1,20m, diamètre interne 25mm, argon 400 Pa) munies d'une couche transparente constituée par de l'oxyde d'yttrium, ainsi que d'une couche luminescente 5 constituée par un mélange des susdites substances luminescentes. On a mesuré le rendement lumineux (en lumens) des lampes et comparé avec le rendement lumineux d'une lampe connue présentant les mêmes dimensions, la même puissance et une couche luminescente constituée par les mêmes substances luminescentes, ces lampes n'étant cependant pas munies d'une couche transparente.
Les résultats des essais sont mentionnés dans le tableau II. Les essais sont effectués avec des lampes présentant un poids en poudre différent (notamment 2,8 g et 2,1 g de matériau luminescent). Les résultats sont mentionnés dans les deuxième et troisième colonnes (2,8 g) et dans les quatrième et cinquième colonnes (2,1 g).
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TABLEAU II
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<tb>
<tb> lampe <SEP> sans <SEP> couche <SEP> contenant <SEP> sans <SEP> couche <SEP> contenant
<tb> transparente <SEP> Y2O3 <SEP> transparente <SEP> Y2O3
<tb> 2.8 <SEP> g <SEP> de <SEP> 2.8 <SEP> g <SEP> de <SEP> 2,1 <SEP> g <SEP> de <SEP> 2,
1 <SEP> g <SEP> de
<tb> durée <SEP> de <SEP> matériau <SEP> matériau <SEP> matériau <SEP> matériau
<tb> fonctionnement <SEP> luminescent <SEP> luminescent <SEP> luminescent <SEP> luminescent
<tb> 0 <SEP> h <SEP> 3460 <SEP> Lm <SEP> 3460 <SEP> Lm <SEP> 3405 <SEP> Lm <SEP> 3435 <SEP> Lm
<tb> 100 <SEP> h <SEP> 3410 <SEP> Lm <SEP> 3440 <SEP> Lm <SEP> 3370 <SEP> Lm <SEP> 3410 <SEP> Lm
<tb> 1000 <SEP> h <SEP> 3380 <SEP> Lm <SEP> 3410 <SEP> Lm <SEP> 3290 <SEP> Lm <SEP> 3380 <SEP> Lm
<tb> 2000 <SEP> h <SEP> 3310 <SEP> Lm <SEP> 3380 <SEP> Lm <SEP> 3245 <SEP> Lm <SEP> 3370 <SEP> Lm
<tb>
De ce tableau il ressort que le rendement lumineux d'une lampe conforme à l'invention est élevé, même après un grand nombre d'heures de fonctionnement.
De plus, il ressort du tableau que même dans le cas d'un faible poids en poudre (2,2 mg/cm2) le rendement lumineux de la lampe présentant la couche transparente en Y203, le rendement lumineux est relativement élevé pendant une longue durée de fonctionnement.
De plus, des essais sont effectués avec plusieurs lampes (15W, diamètre interne de l'enceinte à décharge 25 mm, longueur 50 cm pression d'argon 4oo Pa) pour lesquels seule une couche transparente contenant de l'oxyde d'yttrium étant présente sur la paroi intérieure de l'enceinte à décharge. Pour plusieurs épaisseurs de couche, le rendement de rayonnement mesuré (Watt U-V, 2000 heures de fonctionnement) est mentionné dans le tableau III.
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TABLEAU III
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<tb>
<tb> épaisseur <SEP> de <SEP> rendement <SEP> de <SEP> rayonnement
<tb> la <SEP> couche <SEP> nm <SEP> (Watt <SEP> U-V)
<tb> 0 <SEP> 3, <SEP> 91 <SEP>
<tb> 8 <SEP> 5,17
<tb> 20 <SEP> 5,11
<tb> 40 <SEP> 5,27
<tb> 80 <SEP> 5,22
<tb>
De ce tableau il ressort que le rendement de rayonnement des lampes munies d'une couche transparente contenant de l'oxyde d'yttrium d'une épaisseur supérieure à 8 mm, comparativement aux lampes sans couche transparente était notablement plus élevé. Le rendement de rayonnement relativement bas de la lampe sans couche de Y2
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03 était provoqué par le noircissement de la paroi de l'enceinte à 3 décharge.