Domaine technique
[0001] La présente invention concerne une lampe à plasma comportant un bulbe en quartz contenant au moins un élément de la colonne du soufre du tableau de classification périodique des éléments chimiques et des moyens pour générer et entretenir un plasma dans ledit bulbe.
Technique antérieure
[0002] Parmi les lampes ayant un bon rendu des couleurs, les lampes à décharge, fluorescentes, à halogènes ou encore à halogénures métalliques, ont toutes une efficacité lumineuse bien supérieure à celle des lampes à incandescence. C'est pourquoi elles ont pris une grande partie du marché bien qu'elles contiennent des substances toxiques, notamment du mercure dans la plupart des cas. Le risque de rejet toxique à large échelle qui en résulte est reconnu pour être un danger environnemental de première importance.
Dans la Communauté Européenne, les appareils contenant du mercure font l'objet d'une réglementation stricte visant à les limiter, voire à les interdire, à compter du 1<er> juillet 2006 (Directive 2002/95/CE du parlement européen et du conseil du 27 janvier 2003, Décision de la commission du 18 août 2005, Décision de la commission du 13 octobre 2005). En ce qui concerne les systèmes d'éclairage, leur retrait progressif du marché se fait à condition qu'une technologie de substitution exempte de toxique émerge. Cette disposition légale génère donc un marché potentiel de taille considérable.
[0003] Une nouvelle technologie d'éclairage, exempte de polluant, basée sur l'émission lumineuse de vapeurs diatomiques de certains éléments de la colonne dite VIA du tableau de Mendeleïev, c'est-à-dire du tableau périodique des éléments chimiques, est en développement dans divers pays tels que l'Allemagne, la Corée du Sud, le Japon, les Pays-Bas, la Russie, la Suisse, les USA. La relaxation des molécules recomposées après dissociation produit un rayonnement lumineux important. A la pression de plusieurs bars, le spectre de l'émission s'étale de façon continue de 370 à 900 térahertzs et son maximum se trouve dans le domaine visible.
L'énergie est apportée par induction électromagnétique, généralement avec un magnétron rayonnant aux environs de 2,45 gigahertzs, afin d'éviter le contact avec des électrodes et ainsi de prolonger la durée de vie du bulbe. La dissociation moléculaire étant ainsi obtenue par chauffage, on constate en plus l'émission d'un rayonnement de Planck dans l'infrarouge. La substance active, qui est condensée à froid, est placée dans un bulbe rempli d'un gaz neutre. A la résonance, une décharge électrique se forme, ce qui permet d'évaporer la substance active. Le plasma moléculaire luminescent se forme alors. Plus haute est sa température, meilleure est son efficacité lumineuse. La tenue en température du bulbe détermine donc l'efficacité du système. C'est pourquoi le bulbe est en quartz fondu.
La première lampe commercialisée, appelée SOLAR-1000 (brevet US 5 404 076), est pourvue de surcroît d'un dispositif qui maintient son bulbe en rotation à environ 2500 t/min (brevet US 448 533, 1982). La substance active employée est du soufre ou du sélénium. L'efficacité lumineuse de cette lampe dépasse 110 Lm/W à pleine puissance (1400 W). Mais si la rotation du bulbe est arrêtée, son efficacité lumineuse diminue nettement. En l'absence de ventilation, la puissance injectée doit de plus être réduite de moitié dans le cas du soufre, faute de quoi le bulbe fond. L'observation indique que la faculté qu'a le plasma à absorber les microondes croît avec la température, en tout cas jusqu'à une certaine limite. Cette rétroaction positive entraîne un risque d'avalanche thermique.
Il peut se former une poche de surchauffe qui en venant au contact du bulbe entraîne sa rupture. La rotation du bulbe permet d'éviter cela en brassant le plasma par convection thermique, l'accélération centripète développée étant en effet largement supérieure à la gravitation dans la majeure partie du bulbe, pour la lampe SOLAR-1000.
[0004] Toutefois, cette solution est trop contraignante car la partie mécanique abaisse le rapport durée de vie sur coût. De nombreuses publications décrivent des inventions visant à pallier ce défaut. Tous les lancements commerciaux à grande échelle ont cependant échoué jusqu'à présent.
Ces avancées technologiques ne sont pas encore suffisantes car, soit le dispositif comporte encore un mouvement, par exemple pour forcer le passage de l'air autour du bulbe (brevets US 0 030 453 A1 et US 0 101 191 A1), soit le bulbe contient des adjuvants polluants (brevets US 6 157 141, DE 10 127 961 A1), soit le bulbe est statique et le champ électrique tournant (brevets US 5 227 698, US 6 476 557 B2, US 6 476 557 B1, US 6 873 119 B2, US 5 367 226) mais ce champ polarisé est obtenu au prix d'un accroissement de la complexité de la structure de la cavité résonante et l'impossibilité de placer le bulbe à l'extérieur de ladite cavité via un couplage électromagnétique.
Exposé de l'invention
[0005] La présente invention a pour objet de pallier les inconvénients des systèmes connus. Plus précisément, elle permet d'éviter de faire appel à un mouvement mécanique sans pour autant nécessiter de quelconques adjuvants, ni de placer le bulbe à l'intérieur d'une cavité résonante.
[0006] A cet effet, la lampe à plasma selon l'invention, telle que définie en préambule, est caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens pour générer une onde ultrasonore dans le bulbe.
[0007] De façon avantageuse, ledit bulbe de la lampe est enfermé dans une cage de Faraday. Ladite cage de Faraday est de préférence formée par un réflecteur fermé par un conducteur électrique, ledit conducteur électrique comportant au moins une fenêtre constituée d'une feuille de matière transparente recouverte d'une mince couche de matériau électriquement conducteur.
[0008] Lesdits moyens pour générer une vibration ultrasonore du plasma de la lampe peuvent comporter une source stroboscopique dont la fréquence de battement se situe approximativement entre 15 kilohertzs et 200 mégahertzs. Ladite source stroboscopique est avantageusement munie d'une optique de collimation réflective ou réfractive pour focaliser son flux à l'intérieur dudit bulbe, cette optique de collimation étant de préférence intégrée au réflecteur de la lampe.
[0009] Les moyens pour générer une vibration ultrasonore du plasma peuvent également consister à utiliser un bulbe pourvu au moins de deux volumes communicants reliés par un canal. Dans cette forme de réalisation, ledit bulbe comporte une collerette soudée autour du canal et recouverte d'une couche mince de céramique à fort pouvoir de réflexion du rayonnement du plasma.
[0010] Dans la forme de réalisation préférée de la lampe, lesdits moyens pour générer des ondes électromagnétiques et entretenir le plasma comportent un magnétron.
[0011] De façon avantageuse, cette lampe comporte un circuit résonant passif branché entre le magnétron et l'alimentation électrique haute tension continue dudit magnétron. Ce circuit résonant a de préférence au moins une fréquence de résonance sensiblement comprise entre 15 kilohertzs et 200 mégahertzs.
[0012] Dans une variante de réalisation de la lampe, ce circuit résonant passif peut être remplacé par un modulateur actif agencé pour injecter une oscillation électrique, dont la puissance spectrale occupe au moins une bande entre 15 kilohertzs et 200 mégahertzs, entre le magnétron et l'alimentation haute tension continue dudit magnétron. Ce modulateur peut être alimenté par ladite alimentation haute tension continue par l'intermédiaire d'un pont diviseur à résistances. Lorsqu'il est alimenté par le secteur électrique, il peut être couplé à la haute tension par l'intermédiaire d'un transformateur à haute isolation ou d'une dérivation capacitive à haute isolation.
[0013] Dans une autre variante, la lampe peut comporter un commutateur commandé par optocouplage et agencé pour ajouter une oscillation électrique, dont la puissance spectrale occupe au moins une bande entre 15 kilohertzs et 200 mégahertzs, entre le magnétron et l'alimentation haute tension continue dudit magnétron. Ce commutateur peut être placé en série dans une dérivation résonante branchée en aval de ladite alimentation électrique haute tension continue du magnétron.
[0014] Dans une autre variante, la lampe à plasma peut comporter un élévateur de fréquence radiofréquence disposé entre le secteur électrique et un élévateur de tension qui alimente ledit magnétron.
Description sommaire des dessins
[0015] La présente invention sera mieux comprise en référence à la description de divers modes de réalisation et aux dessins annexés dans lesquels:
<tb>la fig. 1 <sep>représente une vue schématique d'un premier mode de réalisation de la lampe à plasma selon l'invention,
<tb>la fig. 2 <sep>représente une vue schématique d'une première variante du premier mode de réalisation tel que représenté par la fig. 1,
<tb>la fig. 3 <sep>représente une vue schématique d'une deuxième variante du premier mode de réalisation tel que représenté par la fig. 1,
<tb>la fig. 4 <sep>représente une vue schématique d'une troisième variante du premier mode de réalisation tel que représenté par la fig. 1,
<tb>la fig. 5 <sep>représente une vue schématique d'une quatrième variante du premier mode de réalisation tel que représenté par la fig. 1,
<tb>la fig. 6 <sep>représente une vue schématique d'une cinquième variante du premier mode de réalisation tel que représenté par la fig. 1,
<tb>la fig. 7 <sep>représente une vue schématique d'une sixième variante du premier mode de réalisation tel que représenté par la fig. 1,
<tb>la fig. 8 <sep>représente, en perspective coupée, un deuxième mode de réalisation de la lampe à plasma selon l'invention,
<tb>les fig. 9, 10 et 11<sep>représentent respectivement en coupe et en projection le bulbe d'un troisième mode de réalisation de la lampe à plasma selon l'invention, et
<tb>la fig. 12 <sep>représente sur un graphique des mesures de la puissance spectrale du rayonnement d'une lampe micro-onde à plasma de soufre, divisée par la puissance absorbée par le magnétron, pour la lampe selon le mode de réalisation de la fig. 3, et dans le cas où le plasma n'est pas modulé.
Manière(s) de réaliser l'invention
[0016] En référence à la fig. 1, la lampe à plasma 10, selon un premier mode de réalisation de l'invention, comporte un bulbe 11 et une alimentation haute tension continue (H.T.C) 12, raccordée au secteur électrique 13, et qui délivre une tension qui est assez élevée pour alimenter un magnétron 14. Celui-ci est couplé à un résonateur hyperfréquence 15. Le bulbe 11 de la lampe 10 comporte une tige en quartz 16, pour le tenir, qui est montée sur un système de couplage à l'extérieur du résonateur hyperfréquence 15. Le couplage du magnétron 14 au résonateur 15 est réalisé par un iris ou une antenne 17.
La lampe 10 comprend un réflecteur 18, notamment un réflecteur métallique, qui entoure le bulbe 11 et qui est fermé par un conducteur électrique 19 laissant passer la lumière sous la forme d'au moins une fenêtre constituée d'une feuille de matière transparente recouverte d'une mince couche de matériau électriquement conducteur tel qu'une céramique dopée, par exemple du ITO ou du FTO. Cette disposition forme une cage de Faraday et a pour fonction d'éviter la fuite du rayonnement micro-ondes.
[0017] Un circuit passif résonant radiofréquence 20, type LC par exemple, est inséré entre l'alimentation 12 et le magnétron 14. Ainsi, lorsque le circuit passif résonant radiofréquence 20 est excité par l'instabilité du magnétron 14, il ajoute à la haute tension continue (H.T.C) une onde électrique, dont la puissance spectrale se trouve majoritairement entre 15 kilohertzs et 200 mégahertzs, pour former une haute tension modulée (H.T.M). L'anode 14a du magnétron 14 étant liée à la terre, la modulation doit être branchée sur la cathode 14b du magnétron 14, dans la branche haute tension du circuit. Cette disposition oblige à isoler fortement le modulateur, ce qui rend avantageux l'emploi d'un circuit passif au niveau constructif. En contrepartie, cette solution ne permet pas de commander la modulation.
La cathode 14b du magnétron 14 est couplée à un circuit de chauffage 21 qui est alimenté par le secteur électrique 13 à travers un premier filtre antiparasite 22. Un second filtre antiparasite 23 est par ailleurs monté entre le secteur électrique 13 et l'alimentation haute tension 12. Une auto-inductance de stabilisation du courant 24 est montée entre l'alimentation haute tension 12 et le circuit passif résonant 20.
[0018] En référence à la fig. 2, la lampe à plasma représentée 30, qui est une variante de réalisation de celle illustrée par la lampe à plasma 10 de la fig. 1, comporte un certain nombre de composants qui sont identiques à ceux de la lampe à plasma 10 et qui portent les mêmes numéros de référence. Un modulateur actif radiofréquence 31 est inséré entre l'alimentation 12 et le magnétron 14 de manière à ajouter à la haute tension continue (H.T.C) une composante ondulante et former ainsi la haute tension modulée (H.T.M). La majeure partie de l'énergie de l'onde produite par le modulateur radiofréquence 31 se situe dans une ou plusieurs bandes situées entre 15 kilohertzs et 200 mégahertzs, déterminées par un oscillateur 32, du type Hartley par exemple. Le modulateur 31 est alimenté en basse tension continue.
Cette alimentation est prise sur la haute tension par un pont diviseur 34, réalisé avec deux résistances, respectivement R1 et R2. Un régulateur de tension 33 est en outre inséré entre le pont diviseur 34 et le modulateur 31.
[0019] La lampe à plasma 40, illustrée par la fig. 3, est une variante de réalisation des lampes 10 et 30 illustrées par les fig. 1et 2, et comporte un certain nombre de composants qui sont identiques à ceux de ces lampes et qui portent les mêmes numéros de référence. Dans cette réalisation, le bulbe 11 est disposé à l'intérieur de la cavité du résonateur hyperfréquence 15 couplé au magnétron 14. Dans cette variante, le modulateur radiofréquence 31 n'est pas mis au potentiel de la haute tension continue (H.T.C), il est alimenté par le secteur électrique 13. Le modulateur 31 est couplé à la haute tension continue (H.T.C) par un transformateur de haute isolation 41 ou 42 placé soit directement sur la ligne d'alimentation du magnétron 14, soit sur une dérivation capacitive 43.
Dans cette alternative, une résistance de sécurité 44 de valeur élevée peut être ajoutée en parallèle à la dérivation. Que le transformateur soit dans l'une ou l'autre des positions 41 ou 42, il peut être profitable de lui adjoindre un condensateur d'accordage en parallèle, respectivement 45 ou 46.
[0020] La lampe à plasma 50, représentée par la fig. 4, qui est une variante de réalisation de celle illustrée par la fig. 3, comporte un certain nombre de composants qui sont identiques à ceux de cette lampe et qui portent les mêmes numéros de référence. Dans cette variante, le modulateur 31 est couplé à la haute tension continue (H.T.C) par une auto-inductance de couplage basse tension 51 branchée en série sur la partie basse tension d'un condensateur 52 formant une dérivation capacitive. Entre l'auto-inductance de couplage basse tension 51 et le condensateur 52 est injecté le courant alternatif radiofréquence que débite le modulateur 31. Pour que celui-ci passe dans la ligne haute tension, le produit de la résistance dynamique du magnétron 14 par la capacité du condensateur 52 doit être supérieur à l'inverse de la fréquence de modulation.
[0021] Les fig. 5 et 6 représentent respectivement deux variantes de lampes à plasma 60 et 70 correspondant à la première forme de réalisation de l'invention. Toutefois certains composants restent identiques à des composants des variantes décrites ci-dessus et portent par conséquent les mêmes numéros de référence. Dans ces réalisations, le modulateur 31 est supprimé, mais la haute tension continue (H.T.C.) est hachée par un commutateur optocouplé 61 commandé par un oscillateur 32. Celui-ci produit une onde électrique dont l'énergie se situe en grande partie entre 15 kilohertzs et 200 mégahertzs.
[0022] Dans la variante selon la fig. 5, toute la haute tension continue (H.T.C) est hachée, le commutateur optocouplé 61 est placé en série en aval de l'alimentation haute tension continue 12.
[0023] Dans la version illustrée par la fig. 6, le commutateur optocouplé 61 est placé en série dans une dérivation résonante 71, un circuit LC par exemple, branchée en aval de l'alimentation 12. N'est hachée que la partie de la haute tension continue (H.T.C) qui est prélevée par un pont diviseur capacitif formé de deux capacités, respectivement 72 et 73. De préférence, on branche un éclateur 74 en parallèle avec le condensateur 72 pour le protéger.
[0024] Dans les cinq variantes illustrées par les fig. 1, 3, 4, 5 et 6, il peut être utile d'insérer en série une auto-inductance de stabilisation du courant 24 à la sortie de l'alimentation haute tension 12 pour stabiliser le courant débité. Dans les six formes de réalisation selon les fig. 1 à 6, la haute tension modulée ou hachée (H.T.M) est connectée à la cathode du magnétron 14 pour l'alimenter. L'alimentation haute tension continue 12 peut comporter une régulation à découpage pour contrôler la puissance de la lampe. Dans ce cas, il est préférable d'insérer un filtre antiparasite 23 en amont de l'alimentation 12.
[0025] En référence à la fig. 7, la lampe à plasma représentée 80 comporte un certain nombre de composants qui sont identiques à ceux des lampes précédemment décrites et qui portent les mêmes numéros de référence. La lampe 80 comporte notamment un élévateur de fréquence 81 produisant une onde radiofréquence. L'amplificateur de cet élévateur de fréquence 81, qui est alimenté par le secteur électrique monophasé 13, transfère la majeure partie de la puissance électrique absorbée dans une ou plusieurs bandes situées entre 15 kilohertzs et 200 mégahertzs, déterminées par l'oscillateur radiofréquence 32. L'onde radiofréquence ainsi produite (R.F.) traverse un transformateur radiofréquence élévateur de tension 82 pour produire une haute tension radiofréquence (H.T.R.F.). Celle-ci est connectée à la cathode du magnétron 14.
La tension est assez élevée pour alimenter le magnétron 14 après avoir été semi-redressée par une diode radiofréquence haute tension 83. L'élévateur de fréquence 81 peut comporter une régulation à découpage pour contrôler la puissance de la lampe. Dans ce cas, il est préférable d'insérer un filtre antiparasite 23 en amont de l'élévateur de fréquence 81.
[0026] Dans toutes les variantes décrites ci-dessus, le flux électromagnétique microonde qu'injecte le magnétron 14 dans le résonateur hyperfréquence 15 est haché ou modulé de manière à générer une vibration ultrasonore du plasma, ce qui engendre une onde acoustique dans le bulbe 11. Si la cathode 14b du magnétron 14 nécessite un chauffage 21, un filtre antiparasite 22 est de préférence branché en amont de celui-ci pour éviter de parasiter le secteur électrique 13.
[0027] La fig. 8 illustre un deuxième mode de réalisation de la lampe à plasma selon l'invention qui est indépendant de l'alimentation électrique du générateur des ondes électromagnétiques. Dans ce cas, la lampe à plasma 90 comporte une source auxiliaire stroboscopique de rayonnement optique 91 visant le bulbe 11. Le magnétron 14 peut alors être alimenté par une simple alimentation haute tension continue 12, la vibration ultrasonore du plasma étant obtenue par absorption du rayonnement issu de la source stroboscopique 91. Celle-ci est constituée d'un bulbe à décharge ou d'une ou plusieurs diodes LED ou LASER alimentées par une alimentation à impulsion 92, dont la puissance spectrale occupe au moins une bande approximativement entre 15 kilohertzs et 200 mégahertzs, déterminée par l'oscillateur 32.
De préférence, la source stroboscopique 91 est munie d'une optique de collimation réflective 93 ou réfractive 94 qui focalise son flux à l'intérieur du bulbe 11. De préférence, cette optique est intégrée au réflecteur du luminaire 18.
[0028] Les fig. 9, 10 et 11illustrent le bulbe 11 d'un troisième mode de réalisation de la lampe à plasma selon l'invention qui est, comme celle décrite en référence à la fig. 8, indépendante de l'alimentation électrique du générateur des ondes électromagnétiques. Dans cette variante, le plasma est auto-oscillant et il n'est pas nécessaire de moduler le flux d'énergie qui permet de l'entretenir. La vibration ultrasonore du plasma est obtenue en employant un bulbe 11 à deux volumes communicants 11a et 11b identiques de rayon R. Ce bulbe en quartz 11 est disposé au bout de la tige en quartz 16. Une collerette 110 en quartz est soudée autour du col de passage ou canal 112 ménagé entre les deux volumes 11a et 11b, ledit col ayant de préférence une largeur inférieure ou égale aux trois quarts du rayon R des volumes 11a et 11b.
La collerette 110 est recouverte d'une couche mince de céramique, par exemple de l'oxyde d'aluminium, permettant de réduire le couplage optique entre les deux volumes 11a et 11b. Ceux-ci sont de préférence symétriques l'un par rapport à l'autre et la longueur du canal 112 de passage d'un volume à l'autre est choisie un peu inférieure à leur rayon moyen (R) de façon à ce qu'il y ait interférence constructive entre les vibrations acoustiques qui se développent dans l'un et dans l'autre des volumes 11a et 11b en résonance. Avec des volumes 11a et 11b d'un centimètre de diamètre moyen, la fréquence de résonance s'établit aux environs de 50 kilohertzs dans le cas où la substance active est du soufre.
[0029] La fig. 12 est un graphique qui représente la puissance spectrale du rayonnement d'une lampe micro-onde à plasma de soufre, divisée par la puissance absorbée par le magnétron. Pour ces essais, un magnétron modèle Panasonic 2M244-M1 a été utilisé. Les mesures ont été faites en régime stationnaire pour une puissance absorbée de 660 W y compris le chauffage de la cathode. Le bulbe utilisé est sphérique, son volume intérieur est de 11 cm<3>et il est rempli avec du soufre à 1,47 mg/cm<3>. De plus, il est statique et fonctionne en absence de tout refroidissement forcé. Le spectre 121 est obtenu sans forcer de vibration ultrasonore du plasma. Sa puissance spectrale est maximum à environ 680 THz (longueur d'onde dans l'air à 440 nm), la lumière est donc bleutée.
Le spectre 122 est obtenu avec le dispositif selon le premier mode de réalisation de l'invention décrit en référence à la fig. 3, donc avec le même bulbe. Sa puissance spectrale est maximum à 581 THz (longueur d'onde dans l'air à 516 nm), la lumière est blanche. La courbe 123 représente la fonction d'efficacité lumineuse relative spectrale en vision photopique, telle que définie par la Commission Internationale de l'Eclairage (CIE), multipliée par le maximum du spectre obtenu avec le dispositif selon l'invention 122. On observe que le décalage spectral approche le maximum de l'émission de celui de la sensibilité de l'oeil. Le dispositif selon l'invention augmente l'efficacité lumineuse de 41 à 84 Lm/W, la consommation d'énergie étant comptée aux bornes du magnétron. L'indice de rendu de couleur défini par la CIE passe de 89 à 81.
La lampe est donc apte aux emplois les plus divers, en intérieur comme en extérieur.
[0030] Quel que soit le mode de réalisation de la lampe selon l'invention, la vibration ultrasonore du plasma engendre une onde acoustique dans le bulbe, ce qui génère les phénomènes suivants:
Expansion du plasma. La gravitation n'imprime pratiquement plus aucun effet sur la forme du plasma et celui-ci s'étend à la majeure partie du volume du bulbe. Ainsi l'excitance du bulbe est uniformisée, ce qui est favorable à l'efficacité du luminaire.
Brassage du plasma. Par ce biais, l'onde acoustique élève le seuil de température à partir duquel apparaît l'avalanche thermique.
Décalage spectral de l'émission optique.
Le décalage spectral provient de ce que l'émission optique est due au retour des molécules diatomiques d'un certain état électronique excité au niveau électronique fondamental et que chaque niveau d'énergie électronique est une fonction distincte de la distance inter-atomique. Dans le cas présent, l'écart entre les deux niveaux électroniques est une fonction décroissante de l'énergie vibratoire des molécules diatomiques. Selon le principe de Franck-Condon, l'énergie vibratoire ne change pas au cours d'une transition. L'énergie du photon, qui est égale au saut d'énergie électronique, diminue donc avec l'énergie vibratoire des molécules. Or l'absorption de l'onde acoustique dans un gaz est le fait de l'excitation des vibrations dans les molécules polyatomiques.
Donc en vertu de ce qui précède, l'absorption de l'onde acoustique décale l'émission optique dans le sens décroissant de l'énergie des photons, c'est-à-dire dans le sens décroissant de la fréquence.
Accroissement du rendement thermodynamique du plasma, qui est le rapport du rayonnement optique sur le flux d'énergie micro-onde absorbée, et, par conséquent, accroissement aussi de l'efficacité lumineuse de la lampe. L'effet de ce phénomène est visible sur les mesures représentées sur la fig. 12. Sachant que le rendement du magnétron était de 70%, on constate que le rendement thermodynamique passe de 41% à 63% grâce au dispositif selon l'invention. Ce phénomène est lié au fait que la relaxation des vibrations dans une molécule polyatomique est nettement plus lente que la relaxation des autres modes d'énergie interne, la rotation et la translation.
Le temps de relaxation vibrationnelle est de l'ordre 10 microsecondes. Donc, lorsque la période de l'onde acoustique est proche de cette valeur, l'absorption acoustique introduit un déphasage important de l'énergie vibratoire des molécules, c'est-à-dire un écart entre leur niveau d'énergie effectif et celui qu'elles auraient à l'équilibre thermodynamique local. L'absorption acoustique est maximale à l'opposition de phase, de même que la vitesse de variation de l'énergie interne des molécules diatomiques dans le bulbe. Il s'ensuit une augmentation de la dissociation moléculaire, du peuplement de l'état électronique excité et donc également de la production de photons optiques.
Confinement acoustique du plasma.
Une mise en résonance acoustique du bulbe peut engendrer des impulsions de température plus fortes au coeur du plasma qu'en périphérie, dans les couches en contact avec le bulbe. L'énergie réfléchie sur les parois converge en effet au centre du bulbe. Ainsi la résonance accentue la modulation thermique du plasma en son coeur.
Technical area
The present invention relates to a plasma lamp comprising a quartz bulb containing at least one element of the sulfur column of the periodic table of chemical elements and means for generating and maintaining a plasma in said bulb.
Prior art
Among lamps with good color rendering, discharge, fluorescent, halogen or metal halide lamps, all have a much higher luminous efficiency than incandescent lamps. As a result, they have taken a large part of the market despite containing toxic substances, most notably mercury. The resulting risk of large-scale toxic release is recognized as a major environmental hazard.
In the European Community, devices containing mercury are subject to strict regulation to limit or even prohibit them, as from 1 July 2006 (Directive 2002/95 / EC of the European Parliament and of the Council of 27 January 2003, Decision of the Commission of 18 August 2005, Decision of the Commission of 13 October 2005). With regard to lighting systems, their gradual withdrawal from the market is conditional on the emergence of a non-toxic alternative technology. This legal provision therefore generates a potential market of considerable size.
[0003] A new lighting technology, free of pollutants, based on the light emission of diatomic vapors of certain elements of the so-called VIA column of the Mendeleev table, that is to say the periodic table of the chemical elements, is developing in various countries such as Germany, South Korea, Japan, the Netherlands, Russia, Switzerland, USA. The relaxation of the molecules recomposed after dissociation produces a significant light radiation. At the pressure of several bars, the spectrum of the emission spreads continuously from 370 to 900 terahertz and its maximum is in the visible range.
The energy is provided by electromagnetic induction, usually with a magnetron radiating around 2.45 GHz, to avoid contact with electrodes and thus extend the life of the bulb. Molecular dissociation thus being obtained by heating, there is additionally the emission of Planck radiation in the infrared. The active substance, which is cold condensed, is placed in a bulb filled with a neutral gas. At resonance, an electric discharge is formed, which makes it possible to evaporate the active substance. The luminescent molecular plasma is then formed. The higher its temperature, the better its luminous efficiency. The temperature resistance of the bulb therefore determines the effectiveness of the system. This is why the bulb is made of fused quartz.
The first commercialized lamp, called SOLAR-1000 (US Pat. No. 5,404,076), is additionally provided with a device that keeps its bulb in rotation at about 2,500 rpm (US Patent 448,533, 1982). The active substance used is sulfur or selenium. The luminous efficiency of this lamp exceeds 110 Lm / W at full power (1400 W). But if the rotation of the bulb is stopped, its luminous efficiency decreases sharply. In the absence of ventilation, the injected power must be reduced by half in the case of sulfur, otherwise the bulb melts. The observation indicates that the plasma's ability to absorb microwaves increases with temperature, at least up to a certain limit. This positive feedback leads to a risk of thermal avalanche.
It can form an overheating pocket that comes into contact with the bulb causes its rupture. The rotation of the bulb makes it possible to avoid this by stirring the plasma by thermal convection, the developed centripetal acceleration being indeed much greater than the gravitation in the majority of the bulb, for the SOLAR-1000 lamp.
However, this solution is too restrictive because the mechanical part lowers the life-time cost ratio. Many publications describe inventions to overcome this defect. However, all large-scale commercial launches have failed so far.
These technological advances are not yet sufficient because, either the device still comprises a movement, for example to force the passage of air around the bulb (US Pat. No. 0 030 453 A1 and US 0 101 191 A1), or the bulb contains pollutant additives (US Pat. No. 6,157,141, DE 10 127 961 A1), the bulb being static and the rotating electric field (US Pat. Nos. 5,227,698, US 6,476,557 B2, US 6,476,557 B1, US Pat. B2, US 5,367,226) but this polarized field is obtained at the cost of an increase in the complexity of the structure of the resonant cavity and the impossibility of placing the bulb outside of said cavity via electromagnetic coupling.
Presentation of the invention
The present invention aims to overcome the disadvantages of known systems. More specifically, it avoids using a mechanical movement without requiring any adjuvants or placing the bulb inside a resonant cavity.
For this purpose, the plasma lamp according to the invention, as defined in the preamble, is characterized in that it further comprises means for generating an ultrasonic wave in the bulb.
Advantageously, said bulb of the lamp is enclosed in a Faraday cage. Said Faraday cage is preferably formed by a reflector closed by an electrical conductor, said electrical conductor comprising at least one window made of a sheet of transparent material covered with a thin layer of electrically conductive material.
[0008] Said means for generating an ultrasonic vibration of the plasma of the lamp may comprise a stroboscopic source whose beat frequency is approximately between 15 kilohertzs and 200 megahertzs. Said stroboscopic source is advantageously provided with a reflective or refractive collimation optics for focusing its flow inside said bulb, this collimation optics preferably being integrated in the lamp reflector.
The means for generating an ultrasonic vibration of the plasma may also consist of using a bulb provided with at least two communicating volumes connected by a channel. In this embodiment, said bulb comprises a collar welded around the channel and covered with a thin layer of ceramic with high reflectivity of the plasma radiation.
In the preferred embodiment of the lamp, said means for generating electromagnetic waves and maintaining the plasma comprise a magnetron.
Advantageously, this lamp comprises a passive resonant circuit connected between the magnetron and the DC high voltage power supply of said magnetron. This resonant circuit preferably has at least one resonance frequency substantially between 15 kilohertzs and 200 megahertzs.
In an alternative embodiment of the lamp, this passive resonant circuit can be replaced by an active modulator arranged to inject an electrical oscillation, whose spectral power occupies at least one band between 15 kilohertz and 200 megahertz, between the magnetron and the high-voltage power supply of said magnetron. This modulator can be powered by said DC high voltage supply via a resistor divider bridge. When powered by the power mains, it can be coupled to high voltage through a high isolation transformer or a high insulation capacitive bypass.
In another variant, the lamp may comprise a switch controlled by optocoupling and arranged to add an electrical oscillation, whose spectral power occupies at least one band between 15 kilohertzs and 200 megahertz, between the magnetron and the high voltage power supply. continuous said magnetron. This switch may be placed in series in a resonant branch connected downstream of said high voltage direct magnetron power supply.
In another variant, the plasma lamp may comprise a radio frequency frequency elevator arranged between the electrical sector and a voltage booster which supplies said magnetron.
Brief description of the drawings
The present invention will be better understood with reference to the description of various embodiments and the accompanying drawings in which:
<tb> fig. 1 <sep> represents a schematic view of a first embodiment of the plasma lamp according to the invention,
<tb> fig. 2 <sep> is a schematic view of a first variant of the first embodiment as shown in FIG. 1
<tb> fig. 3 <sep> is a schematic view of a second variant of the first embodiment as shown in FIG. 1
<tb> fig. 4 <sep> represents a schematic view of a third variant of the first embodiment as shown in FIG. 1
<tb> fig. 5 <sep> represents a schematic view of a fourth variant of the first embodiment as shown in FIG. 1
<tb> fig. 6 <sep> represents a schematic view of a fifth variant of the first embodiment as shown in FIG. 1
<tb> fig. 7 <sep> represents a schematic view of a sixth variant of the first embodiment as shown in FIG. 1
<tb> fig. 8 <sep> represents, in cut perspective, a second embodiment of the plasma lamp according to the invention,
<tb> figs. 9, 10 and 11 <sep> represent respectively in section and in projection the bulb of a third embodiment of the plasma lamp according to the invention, and
<tb> fig. 12 <sep> represents on a graph measurements of the spectral power of the radiation of a sulfur plasma microwave lamp, divided by the power absorbed by the magnetron, for the lamp according to the embodiment of FIG. 3, and in the case where the plasma is not modulated.
Way (s) to realize the invention
With reference to FIG. 1, the plasma lamp 10, according to a first embodiment of the invention, comprises a bulb 11 and a DC high voltage supply (HTC) 12, connected to the electrical sector 13, and which delivers a voltage which is high enough to This is coupled to a microwave resonator 15. The bulb 11 of the lamp 10 comprises a quartz rod 16, to hold it, which is mounted on a coupling system outside the microwave resonator 15 The magnetron 14 is coupled to the resonator 15 by an iris or an antenna 17.
The lamp 10 comprises a reflector 18, in particular a metal reflector, which surrounds the bulb 11 and which is closed by an electrical conductor 19 allowing the light to pass in the form of at least one window made of a sheet of transparent material coated with light. a thin layer of electrically conductive material such as a doped ceramic, for example ITO or FTO. This arrangement forms a Faraday cage and its function is to avoid the leakage of microwave radiation.
A radio frequency resonant circuit 20, LC type for example, is inserted between the power supply 12 and the magnetron 14. Thus, when the radio frequency resonant passive circuit 20 is excited by the instability of the magnetron 14, it adds to the high-voltage continuous (HTC) an electric wave, whose spectral power is mostly between 15 kilohertzs and 200 megahertz, to form a high voltage modulated (HTM). Since the anode 14a of the magnetron 14 is grounded, the modulation must be connected to the cathode 14b of the magnetron 14, in the high voltage branch of the circuit. This provision makes it necessary to strongly isolate the modulator, which makes it advantageous to use a passive circuit at the constructive level. In return, this solution does not control the modulation.
The cathode 14b of the magnetron 14 is coupled to a heating circuit 21 which is powered by the electric sector 13 through a first interference filter 22. A second interference filter 23 is also mounted between the electrical sector 13 and the high voltage supply. 12. A current stabilizing self-inductance 24 is connected between the high voltage supply 12 and the resonant passive circuit 20.
[0018] Referring to FIG. 2, the plasma lamp shown 30, which is an alternative embodiment of that illustrated by the plasma lamp 10 of FIG. 1, has a number of components which are identical to those of the plasma lamp 10 and which have the same reference numerals. An active radiofrequency modulator 31 is inserted between the power supply 12 and the magnetron 14 so as to add to the high DC voltage (H.T.C) an undulating component and thus form the modulated high voltage (H.T.M). Most of the energy of the wave produced by the radiofrequency modulator 31 is in one or more bands between 15 kilohertz and 200 megahertz, determined by an oscillator 32, of the Hartley type, for example. The modulator 31 is supplied with low DC voltage.
This power supply is taken on the high voltage by a divider bridge 34, made with two resistors, respectively R1 and R2. A voltage regulator 33 is further inserted between the divider bridge 34 and the modulator 31.
The plasma lamp 40, illustrated in FIG. 3 is an alternative embodiment of the lamps 10 and 30 illustrated in FIGS. 1 and 2, and comprises a number of components which are identical to those of these lamps and which bear the same reference numbers. In this embodiment, the bulb 11 is disposed inside the cavity of the microwave resonator 15 coupled to the magnetron 14. In this variant, the radiofrequency modulator 31 is not put to the potential of the continuous high voltage (HTC), it is supplied by the electrical sector 13. The modulator 31 is coupled to the high-voltage direct (HTC) by a high-insulation transformer 41 or 42 placed either directly on the supply line of the magnetron 14, or on a capacitive branch 43.
In this alternative, a high value safety resistor 44 may be added in parallel to the tap. Whether the transformer is in one of the positions 41 or 42, it may be advantageous to add a parallel tuning capacitor, respectively 45 or 46.
The plasma lamp 50, shown in FIG. 4, which is an alternative embodiment of that illustrated in FIG. 3, has a number of components which are identical to those of this lamp and which have the same reference numbers. In this variant, the modulator 31 is coupled to the high direct voltage (H.T.C) by a low voltage coupling self-inductance 51 connected in series with the low voltage part of a capacitor 52 forming a capacitive bypass. Between the low voltage coupling self-inductance 51 and the capacitor 52 is injected the radiofrequency alternating current delivered by the modulator 31. In order for the latter to pass into the high-voltage line, the product of the dynamic resistance of the magnetron 14 by the The capacitance of the capacitor 52 must be greater than the inverse of the modulation frequency.
Figs. 5 and 6 respectively represent two variants of plasma lamps 60 and 70 corresponding to the first embodiment of the invention. However, some components remain identical to components of the variants described above and therefore have the same reference numbers. In these embodiments, the modulator 31 is suppressed, but the high continuous voltage (HTC) is chopped by an optocoupled switch 61 controlled by an oscillator 32. This produces an electric wave whose energy is largely between 15 kilohertz and 200 megahertzs.
In the variant according to FIG. 5, all the continuous high voltage (H.T.C) is minced, the optocoupled switch 61 is placed in series downstream of the high-voltage DC supply 12.
In the version illustrated in FIG. 6, the optocoupled switch 61 is placed in series in a resonant shunt 71, an LC circuit for example, connected downstream of the supply 12. Only the portion of the high-voltage DC that is picked up by a capacitive divider bridge formed of two capacitors, respectively 72 and 73. Preferably, a spark gap 74 is connected in parallel with the capacitor 72 to protect it.
In the five variants illustrated in FIGS. 1, 3, 4, 5 and 6, it may be useful to serially insert a current stabilizing self-inductance 24 at the output of the high voltage power supply 12 to stabilize the current flow. In the six embodiments according to FIGS. 1 to 6, the modulated or chopped high voltage (H.T.M) is connected to the cathode of the magnetron 14 to feed it. The high-voltage DC supply 12 may include a switching control to control the power of the lamp. In this case, it is preferable to insert a noise filter 23 upstream of the supply 12.
[0025] Referring to FIG. 7, the illustrated plasma lamp 80 comprises a number of components which are identical to those of the lamps previously described and which have the same reference numbers. The lamp 80 comprises in particular a frequency booster 81 producing a radiofrequency wave. The amplifier of this frequency booster 81, which is powered by the single-phase electrical sector 13, transfers most of the electrical power absorbed in one or more bands between 15 kilohertz and 200 megahertz, determined by the radio frequency oscillator 32. The radiofrequency wave thus produced (RF) passes through a voltage booster radiofrequency transformer 82 to produce a radio frequency high voltage (HTRF). This is connected to the cathode of the magnetron 14.
The voltage is high enough to power the magnetron 14 after being semi-rectified by a high-voltage radio frequency diode 83. The frequency booster 81 may include switching control to control the power of the lamp. In this case, it is preferable to insert a noise filter 23 upstream of the frequency booster 81.
In all the variants described above, the microwave electromagnetic flux that the magnetron 14 injects into the microwave resonator 15 is chopped or modulated so as to generate an ultrasonic vibration of the plasma, which generates an acoustic wave in the bulb. 11. If the cathode 14b of the magnetron 14 requires a heating 21, a noise filter 22 is preferably connected upstream of the latter to avoid parasitizing the electrical sector 13.
FIG. 8 illustrates a second embodiment of the plasma lamp according to the invention which is independent of the power supply of the generator of electromagnetic waves. In this case, the plasma lamp 90 comprises a stroboscopic auxiliary source of optical radiation 91 aimed at the bulb 11. The magnetron 14 can then be powered by a simple high-voltage DC supply 12, the ultrasonic vibration of the plasma being obtained by absorption of the radiation. from the stroboscopic source 91. This consists of a discharge bulb or one or more LED or LASER diodes powered by a pulse feed 92, the spectral power of which occupies at least one band approximately between 15 kilohertz and 200 megahertz, determined by the oscillator 32.
Preferably, the stroboscopic source 91 is provided with a reflective collimating optic 93 or refractive optic 94 which focuses its flow inside the bulb 11. Preferably, this optic is integrated in the reflector of the luminaire 18.
Figs. 9, 10 and 11 illustrate the bulb 11 of a third embodiment of the plasma lamp according to the invention which is, like that described with reference to FIG. 8, independent of the power supply of the generator of electromagnetic waves. In this variant, the plasma is self-oscillating and it is not necessary to modulate the energy flow that can maintain it. The ultrasonic vibration of the plasma is obtained by employing a bulb 11 with two communicating volumes 11a and 11b of identical radius R. This quartz bulb 11 is disposed at the end of the quartz rod 16. A collar 110 made of quartz is welded around the neck passage or channel 112 formed between the two volumes 11a and 11b, said collar preferably having a width less than or equal to three quarters of the radius R of the volumes 11a and 11b.
The flange 110 is covered with a thin layer of ceramic, for example aluminum oxide, to reduce the optical coupling between the two volumes 11a and 11b. These are preferably symmetrical with respect to each other and the length of the channel 112 of passage from one volume to another is chosen a little lower than their average radius (R) so that there is constructive interference between the acoustic vibrations which develop in one and the other of the volumes 11a and 11b in resonance. With volumes 11a and 11b of one centimeter in average diameter, the resonant frequency is around 50 kilohertzs in the case where the active substance is sulfur.
Fig. 12 is a graph which represents the spectral power of the radiation of a sulfur plasma microwave lamp, divided by the power absorbed by the magnetron. For these tests, a model magnetron Panasonic 2M244-M1 was used. Measurements were made under stationary conditions for an absorbed power of 660 W including heating of the cathode. The bulb used is spherical, its internal volume is 11 cm <3> and it is filled with sulfur at 1.47 mg / cm <3>. In addition, it is static and works in the absence of any forced cooling. The spectrum 121 is obtained without forcing ultrasonic vibration of the plasma. Its spectral power is maximum at about 680 THz (wavelength in air at 440 nm), so the light is bluish.
The spectrum 122 is obtained with the device according to the first embodiment of the invention described with reference to FIG. 3, so with the same bulb. Its spectral power is maximum at 581 THz (wavelength in air at 516 nm), the light is white. Curve 123 represents the function of spectral relative luminous efficiency in photopic vision, as defined by the International Commission on Illumination (CIE), multiplied by the maximum of the spectrum obtained with the device according to the invention 122. It can be seen that the spectral shift approaches the maximum of the emission of that of the sensitivity of the eye. The device according to the invention increases the luminous efficiency from 41 to 84 Lm / W, the power consumption being counted at the terminals of the magnetron. The color rendering index defined by the CIE goes from 89 to 81.
The lamp is therefore suitable for the most diverse jobs, indoors and outdoors.
Whatever the embodiment of the lamp according to the invention, the ultrasonic vibration of the plasma generates an acoustic wave in the bulb, which generates the following phenomena:
Expansion of the plasma. Gravitation virtually does not affect the shape of the plasma and it extends to most of the bulb volume. Thus the excitance of the bulb is standardized, which is favorable to the efficiency of the luminaire.
Plasma stirring. In this way, the acoustic wave raises the temperature threshold from which the thermal avalanche appears.
Spectral shift of the optical emission.
The spectral shift results from the fact that the optical emission is due to the return of the diatomic molecules of a certain excited electronic state to the fundamental electronic level and that each level of electronic energy is a function distinct from the inter-atomic distance. In the present case, the gap between the two electronic levels is a decreasing function of the vibratory energy of the diatomic molecules. According to the principle of Franck-Condon, vibratory energy does not change during a transition. The energy of the photon, which is equal to the jump of electronic energy, thus decreases with the vibratory energy of the molecules. Now the absorption of the acoustic wave in a gas is the fact of the excitation of the vibrations in the polyatomic molecules.
Therefore by virtue of the above, the absorption of the acoustic wave shifts the optical emission in the decreasing direction of the photon energy, that is to say in the decreasing direction of the frequency.
Increasing the thermodynamic efficiency of the plasma, which is the ratio of the optical radiation to the absorbed microwave energy flux, and, consequently, also increasing the luminous efficiency of the lamp. The effect of this phenomenon is visible on the measurements shown in FIG. 12. Knowing that the efficiency of the magnetron was 70%, it is found that the thermodynamic efficiency goes from 41% to 63% thanks to the device according to the invention. This phenomenon is related to the fact that the relaxation of the vibrations in a polyatomic molecule is much slower than the relaxation of the other modes of internal energy, the rotation and the translation.
The vibrational relaxation time is of the order of 10 microseconds. Therefore, when the period of the acoustic wave is close to this value, the acoustic absorption introduces a significant phase shift of the vibratory energy of the molecules, that is to say a difference between their effective energy level and that that they would have at the local thermodynamic equilibrium. The acoustic absorption is maximal at the phase opposition, as is the rate of variation of the internal energy of the diatomic molecules in the bulb. This results in an increase in the molecular dissociation, the population of the excited electronic state and thus also in the production of optical photons.
Acoustic confinement of the plasma.
An acoustic resonance of the bulb can generate stronger temperature pulses in the plasma core than in the periphery, in the layers in contact with the bulb. The energy reflected on the walls indeed converges in the center of the bulb. Thus the resonance accentuates the thermal modulation of the plasma in its heart.