FR2465312A1 - Filament a fort pouvoir rayonnant pour lampes a incandescence a conservation d'energie pourvues d'enveloppes renvoyant les radiations infrarouges - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UNE LAMPE A INCANDESCENCE 10 POURVUE D'UN REVETEMENT 12 QUI RENVOIE L'ENERGIE INFRAROUGE VERS LE FILAMENT 22 POUR DIMINUER LA QUANTITE DE PUISSANCE CONSOMMEE PAR LA LAMPE ET MAINTENIR LE FILAMENT A UNE TEMPERATURE DE FONCTIONNEMENT PREDETERMINEE. UN ESPACEMENT FRACTIONNEL PREDETERMINE EST RESERVE ENTRE LES SPIRES, AVEC POUR RESULTAT UN POUVOIR RAYONNANT SUPERIEUR A 0,5 A 2000K. LE FILAMENT A EGALEMENT UN RAPPORT PREDETERMINE LONGUEURDIAMETRE POUR LE RENDRE COMPACT ET AMELIORER SON POUVOIR RAYONNANT ET LA CAPTURE DES RADIATIONS INFRAROUGES REFLECHIES, ET POUR EN REDUIRE LES PERTES PAR ABERRATION. LE FILAMENT PEUT ETRE UN ENROULEMENT BISPIRALE OU TRISPIRALE ET IL PEUT ETRE STABILISE PAR UNE RECRISTALLISATION SECONDAIRE.

Description

Les lampes à incandescence classiques comprennent un filament en un

matériau réfractaire tel que du tungstène

pur ou dopé, électriquement chauffé. Quand elles fonction-

nent à la température à laquelle le filament devient in-

candescent, ou au-dessus, elles émettent de l'énergie de lon-

gueur d'onde visible et de l'énergie dans la gamme infrarouge.

Dans une lampe du type à incandescence, l'énergie infra-

rouge est irradiée de la lampe et perdue sous forme de chaleur. Les filaments de la lampe sont généralement du type à enroulement hélicoïdal, bispiralé ou trispiralé, monté soit sur un dispositif en U, soit sur une monture

allongée horizontale ou verticale.

On a proposé des lampes à incandescence utilisant un revêtement réfléchissant les radiations infrarouges (IR) en

combinaison avec une enveloppe de forme optique pour réflé-

chir l'énergie IR vers le filament. L'énergie reçue par le filament élève sa température de fonctionnement et diminue donc la quantité d'énergie nécessaire au chauffage du filament jusqu'à sa température de fonctionnement. Il en

résulte une diminution de la quantité totale de la puissan-

ce consommée par la lampe pour produire la même quantité de

lumière, ce qui détermine une économie d'énergie.

Dans la conception d'un filament d'une lampe à incan-

descence classique, les radiations infrarouges réfléchies et renvoyées ne Jouent aucun r5le. La forme des filaments des lampes classiques ne doit en général que respecter des spécifications et des paramètres tels que la tension de fonctionnement, la consommation en watts, la quantité de lumens demandée par watt, la température de fonctionnement,

et la durée de vie souhaitée. A partir de ces considéra-

tions, on calcule la résistance du filament et on constitue

la filament en conséquence.

On a constaté que les filaments classiques, par exemple

ceux du type bispiralé pour des lampes de 100 watts et au-

dessous, ne conviennent pas à une lampe à incandescence utilisant un revêtement réfléchissant les radiations. Ces filaments ont un rapport longueur/diamètre relativement important (environ 19:1 pour un filament de 100 watts) et en raison de leur longueur importante, il y a un fort gradient de température entre la partie centrale du fila- ment et ses extrémités. Ce gradient limite la durée de vie du filament à celle qui est caractéristique de la partie centrale chaude alors qu'il limite simultanément l'émission

de lumière à une valeur caractéristique de la valeur mo-

yenne plus faible de la température du filament. Ce gra-

dient de température est fortement réduit dans l'environne-

ment d'une lampe-qui ne réfléchit pas les rayons IR, o il ne modifié pas essentiellement le rapport durée de vie/

émission de lumière.

En ce qui concerne la conception du filament d'une lampe à incandescence pourvue d'un mécanisme réfléchissant les radiations IR, on a constaté que le pouvoir rayonnant du filament jouait un r8le significatif en ce qui concerne les caractéristiques de conservation d'énergie de la lampe; De plus, la géométrie physique du filament, qui détermine

dans une certaine mesure son pouvoir rayonnant, est impor-

tante du fait que des filaments de grand diamètre exigent

un centrage optique moins précis pour recevoir les radia-

tio-strR réfléchies par le mécanisme de renvoi.

Selon la présente invention, il est proposé un filament à incandescence pour une lampe pourvue d'un mécanisme de

renvoi des radiations infrarouges sous forme d'un revête-

ment réfléchissant. Le mode de réalisation préféré du filament est du type bispiralé ou trispiralé et son pouvoir

rayonnant est d'au moins 0,5 à 20000K, a'ors -ue son iiamè-

tre est minimal par rapport au diamètre 1e 'enveloDDe le

la lampe de façon à rendra maximale la quant:t- ie radia-

tions IR qui est renvoyée et réfLéchôe sur ie f-lanent àr

minimiser les problèmes de centrage 1u f 3amenr. J 'La-

ment présente également u-: rapport i13n.:uc 'mlut. r,n1t! l'on choisit Four miaxinfi teLsr r ?cO r. À. i cs 2-, a L'invention sera maintenant.' Lt..' us '!i 1.., référence aux dessins ci-annexes dans les,: la figure 1 est une vue en élévation d'une lamFp i incandescence selon l'invention, la figure 2 est une vue d'une partie d'un filament bispiralé, la figure 3 est une vue en coupe d'une partie d'un filament monospiralé illustrant certaines caractéristiques de la radiation de l'énergie produite par le filament, la figure 3A est un diagramme représentant le parcours suivi par les rayons, et la figure 4 est un graphique représentant le pouvoir rayonnant d'une filament en fonction de l'espace entre les spires. La figure 1 représente un type de lampe à incandescence

réalisée selon l'invention. La lampe comprend une enve-

loppe 11, de préférence présentant une forme optique dési-

rée, la forme illustrée étant sphérique à l'exception de la

partie de base. D'autres formes optiques appropriées peu-

vent être utilisées, par exemple ellipsoldales ou hyperbo-

liques. La lampe comprend un mécanisme pour renvoyer l'é-

nergie IR produite par le filament quand il est porté à incandescence. Dans le mode de réalisation préféré, la lampe est revêtue sur la majeure partie de sa surface sphérique, à l'intérieur ou à l'extérieur, d'un revêtement 12 fortement transparent à l'énergie de longueur d'onde visible et fortement réfléchissant de l'énergie de longueur d'onde IR. Un revêtement approprié est décrit dans le brevet US 4.169.129 accordé le 10 Juillet 1979 à l'auteur

de la présente demande.

Un filament 22 est monté sur une paire de fils de traversée 18, 20 maintenus dans une tige ou arbre 17. Les fils de traversée 18, 20 sortent de l'arbre en étant reliés

à des contacts électriques 14, 16 prévus sur un culot 13.

L'arbre 17 comprend aussi un passage tubulaire (non repré-

senté) par lequel on peut faire le vide à l'intérieur de l'enveloppe de la lampe, et la remplir, si on le désire, avec un gaz. Des gaz convenant à cet usage sont constitués par exemple par l'argon, un mélange d'argon et d'azote, ou un gaz de poids molléculaire plus élevé tel que le krypton

ou un mélange de krypton et d'azote. La lampe peut égale-

ment fonctionner comme une lampe du type à vide.

Quand la tension est appliquée à la lampe, le filament 22 devient incandescent et produit de l'énergie aussi bien dans la gamme visible que dans la gamme infrarouge. La

répartition spectrale exacte du filament dépend de sa-

température de fonctionnement moyenne, qui dépend de son c8té de la résistance de ce filament. Les températures de fonctionnement typiques des filaments sont comprises dans la gamme allant d'environ 26501K à 29000K, bien que le fonctionnement à une température de 20000K seulement ou atteignant 30501K soit également possible. Lorsque la température de fonctionnement du filament augmente, la répartition spectrale se décale vers le rouge, et produit

donc plus d'énergie infrarouge.

Le revêtement 12, en combinaison avec la forme optique de la lampe, sert à renvoyer vers le filament une partie substantielle, de préférence aussi importante que possible,

c'est-à-dire d'environ 85% ou plus, de l'énergie IR pro-

duite par le filament. Quand l'énergie est réfléchie vers le filament, elle augmente la température de fonctionnement et diminue de ce fait la puissance (consommation en watts)

nécessaire au fonctionnement du filament à cette tempéra-

ture. La conception du filament pour une enveloppe renvoyant les radiations IR doit présenter des caractéristiques

spéciales dépendant des performances attendues du filament.

En général, il y a trois contraintes physiques qui doivent être considérées dans la conception des filaments. Tout d'abord, le filament doit être prévu pour présenter un pouvoir rayonnant maximal de manière à rendre maximales les économies d'énergie. Selon la loi de Kirchoff, le pouvoir rayonnant et le pouvoir d'absorption des radiateurs, tels qu'un filament, sont égaux. Un pouvoir rayonnant élevé implique un pouvoir d'absorption élevé et qui fait qu'une

proportion importante de la radiation réfléchie est utili-

sée pour chauffer le filament. Ceci sera considéré en plus

grand détail ci-dessous.

Selon une seconde considération concernant le filament,

son diamètre doit être aussi important que cela est prati-

que pour minimiser les effets d'un mauvais centrage dans

l'environnement qui réfléchit les radiations infrarouges.

Ceci signifie que le filament doit être de préférence disposé au centre optique de l'enveloppe de la lampe. En conséquence, plus le diamètre du filament est faible, plus il est difficile à centrer. La troisième considération concernant le filament vise le rapport longueur/diamètre qui doit être aussi petit que possible pour minimiser les pertes par aberration provenant de l'environnement réfléchissant. En outre, il faut que la longueur soit aussi courte que possible pour minimiser les pertes de gaz du filament. Par comparaison avec un filament d'une lampe à incandescence classique, l'environnement réfléchissant les radiations IR peut réduire l'énergie nécessaire pour atteindre la température de fonctionnement

du filament jusqu'à environ 60%.

On souhaite également minimiser la longueur du filament en raison du fort gradient de température entre le centre

du filament et ses extrémités dans un environnement réflé-

chissant. Par exemple, on peut démontrer qu'un filament à incandescence ordinaire de 100 watts et fonctionnant sur volts, et ayant un diamètre externe de 1,0 mm et une longueur de 29,5 mm présente un gradient de température de 1250C en fonctionnement normal et de 9000C quand il est

chauffé aux températures de fonctionnement moyennes compa-

rables dans une enceinte sphérique argentée et réfléchis-

sante de 7,62 cm de diamètre. Par contraste, un filament compact de diamètre externe de 1,6 cm et d'une longueur de 13 mm présente un gradient similaire de 1251C dans une

enveloppe sphérique transparente (non pourvue d'un revête-

ment réfléchissant l'énergie IR) et un gradient inférieur à

environ 6000C quand il s'agit d'un réflecteur sphérique.

Les pertes par aberration aux extrémités du filament sont considérées comme responsables du gradient de température que l'on minimise en utilisant un filament compact. Alors qu.e ces gradients de température sont excessifs pour un fonctionnement normal de la lampe, on peut les réduire en

constituant le réflecteur de façon appropriée.

Comme mentionné ci-dessus, le filament doit présenter un pouvoir rayonnant E aussi élevé que possible du fait que ceci signifie qu'il présente un pouvoir d'absorption élevé vis-à-vis de l'énergie IR. La figure 2 représente un filament bispiralé 22 réalisé selon l'invention et dans lequel le filament enroulé hélicoldalement se présente sous la forme d'un enroulement cylindrique hélicoïdal. L'enroulement primaire du filament est le fil droit qui a été enroulé hélicoldalement à l'origine. L'enroulement secondaire est l'enroulement du filament résultant formé en

enroulant hélicoldalement l'enroulement primaire.

La figure 3 est une vue en coupe d'un enroulement du filament. Le filament d'ensemble est un corps cylindrique enroulé hélicoldalement. Quand il est enroulé, une section de l'enroulement peut être considérée comme un modèle d'un

nombre infini de cylindres placés bout à bout.

Sur les figures 2, 3 et 3A, on a noté plusieurs dimen-

sions comme suit: l = longueur d'ensemble du cylindre R = rayon entre le centre du cylindre et le point central de l'enroulement D = distance entre spires adjacentes d = diamètre du fil de l'enroulement s = espace fractionnel entre spires adjacentes, o s = d D Dans le filament, E représente le pouvoir rayonnant du o fil nu formant l'enroulement primaire et E représente le

pouvoir rayonnant du filament enroulé complet.

Quand le filament parvient à incandescence et produit de l'énergie radiante, p représente la probabilité qu'un rayon émis de l'intérieur de l'enroulement s'échappera entre les spires. Pour un enroulement en ruban plat ayant

un espacement fractionnel s, p serait égal à s. Dans l'en-

roulement cylindrique représenté, les rayons émis par les parties externes des spires de l'enroulement s'échappent mais la probabilité de l'échappement des rayons produits de

l'intérieur est complexe.

On a constaté que les facteurs déterminant le pouvoir rayonnant du filament sont constitués par l'espacement fractionnel s entre les spires de l'enroulement et le rapport entre la distance D entre les centres de spires adjacentes et le rayon R de l'enroulement, à savoir D/R. Un autre facteur est constitué par le rapport entre le rayon R

de l'enroulement et sa longueur 1.

On peut, en se reportant aux figures 3 et 3A, expliquer le rapport entre les diverses dimensions du filament et son pouvoir rayonnant. L'analyse est donnée pour un unique enroulement, mais elle peut être appliquée à l'enroulement primaire et secondaire d'un filament bispiralé ou d'un

enroulement trispiralé.

Dans une partie quelconque d'un fil hélicoïdal, les rayons sont émis dans toutes les directions. La radiation P provenant d'une section transversale quelconque d'une spire de l'enroulement est divisée en trois zones. Celles-ci sont les suivantes: 1. Zone I - la radiation se dirige vers l'extérieur et

s'échappe directement.

2. Zone II - la radiation vient frapper les spires adjacentes avant de s'échapper. Une seule réflexion a lieu

avant l'échappement.

3. Zone III - la radiation circule vers l'intérieur et

est captée avant de s'échapper.

Chacune de ces zones est représentée par des références

numériques correspondantes sur le dessin.

La zone II est subdivisée en zone lia o la réflexion laisse le rayon passer en dehors de l'enroulement et la zone IIb o la réflexion envoie le rayon à l'intérieur de l'enroulement. La capture de la radiation dans la zone III doit tenir

compte de la forme des enroulements qui l'enferment.

On peut démontrer que la probabilité d'échappement varie avec l'angle x du fait que l'ouverture projetée diminue quand c< augmente. La probabilité d'échappement par angle unitaire at" est de: n F(n - on.4)(

o c est la constante de Stephan Bolzman.

La probabilité d'échappement pour un passage unique d'un rayon est en moyenne de P(i&n) pour un angle T172-6 et dépend de s. Cette probabilité peut être calculée. En général, quand l'espacement fractionnel s augmente, la probabilité d'échappement qui est fonction de s, p(e),

augmente également.

On peut démontrer que la sortie de radiations P de la lampe est de: Pz (:q4 () o T est la température, AS la surface de l'enroulement

et q4 la probabilité d'échappement de l'intérieur delazonemij.

Le pouvoir rayonnant effectif E est défini à partir de: p. E Ac T4 (3)

o Ac est la surface d'un cylindre de fixation fermé imagi-

naire renfermant l'enroulement.

On peut en dériver: L'équation 4 montre que le pouvoir rayonnant de

l'enroulement est fonction de l'espacement fractionnel s.

L'analyse est valable pour l'enroulement primaire, et elle peut être appliquée à un enroulement bispiralé ou à un

enroulement trispiralé.

La figure 4 représente la relation entre le pouvoir rayonnant final E et l'espacement fractionnel s pour un certain nombre de fils de filament de pouvoir rayonnant initial E0 compris entre 0,3 et 1,0. On peut voir que lorsque l'espacement fractionnel diminue, c'est-à-dire quand les spires du filament sont rapprochées les unes des

autres, le pouvoir rayonnant E augmente.

D'un point de vue pratique, il y a une limite à la diminution de l'espacement fractionnel. Ceci vient du fait que si les spires sont rapprochées trop fortement les unes des autres, la flexion due au courant de fuite réduit la

durée de vie du filament par court-circuit.

Un filament destiné à une lampe classique a un pouvoir rayonnant d'environ 0,46. Les filaments de la présente invention ont un pouvoir rayonnant compris entre environ

0,5 et 0,8, à une température supérieure à environ 20000K.

On a démontré que cette gamme de pouvoirs rayonnants accrus a permis d'économiser l'énergie entre environ 5% et 20% pour une lampe du type réfléchissant les rayons IR; par comparaison avec un filament classique ayant un pouvoir rayonnant d'environ 0,46. Au-dessus d'un pouvoir rayonnant de 0,7, l'espacement entre spires devient si étroit qu'il se pose un problème de flexion, même après exposition à une température élevée pour provoquer une recristallisation et une croissance de grains. On peut obtenir des pouvoirs

rayonnants plus élevés en prévoyant un espacement frac-

tionnel entre spires de l'enroulement dans une gamme com-

prise entre 0,2 et 0,3 environ. Le même espacement frac-

tionnel peut être utilisé pour des enroulements bispiralés

ou trispiralés. Lorsque l'espacement fractionnel est déter-

miné pour l'enroulement primaire de manière a obtenir un pouvoir rayonnant maximal, on peut utiliser de préférence

le même espacement fractionnel lorsqu'on réalise l'enrou-

lement bispiralé ou trispiralé.

Comme décrit ci-dessus, on peut faire que le filament utilisé pour une lampe réfléchissant l'énergie IR ait un diamètre aussi important que possible pour minimiser le problème de centrage quand le filament est disposé au centre optique de l'enveloppe. Dans un filament typique destiné à une lampe classique de 100 watts, le diamètre est d'environ 1,0 mm. Ce diamètre est suffisamment faible pour qu'il n'y ait pas de problème de centrage et en tenant

compte de la vitesse élevée de la fabrication. En consé-

quence, il est souhaitable d'augmenter le diamètre. Là encore, le diamètre maximal est limité par le problème de flexion. Dans une lampe de ce type, on a constaté qu'on

pouvait obtenir une amélioration substantielle si le dia-

mètre externe de l'enroulement bispiralé avait un diamètre minimal d'environ 1,3 mm. Ceci apporte une marge de 30% plus importante pour éviter une erreur de centrage. Dans une telle lampe, la limite supérieure du diamètre de l'enroulement bispiralé est d'environ 1,6 mm. Au-dessus de ces dimensions, on constate un problème considérable de

flexion pour le diamètre du fil utilisé pour le filament.

Les problèmes de centrage sont plus importants pour les lampes à faible consommation en watts du fait que les diamètres du filament sont plus faibles. Les problèmes de centrage sont moins graves pour les lampes de plus grand diamètre du fait qu'on utilise des filaments de plus grand

diamètre. Les problèmes concernant la flexion sont égale-

ment plus réduits pour les lampes à plus forte consommation

du fait que les dimensions du fil sont plus importantes.

Par comparaison avec les filaments de lampes classiques de même consommation en watts, on préfère que le diamètre du filament soit augmenté d'environ 30 à 60% pour des lampes ayant une consommation en watts atteignant 500 watts, et dont le diamètre du filament est compris entre environ 6,3 mm et 12,8 mm. Au-dessus de ce diamètre, il est utile de compacter le filament (c'est-à-dire de réduire son

rapport longueur/diamètre) pour augmenter son pouvoir -

rayonnant, mais le centrage mécanique ne constitue pas une limitation. Dans les lampes à faible voltage, o on utilise

des filaments plus lourds, le compactage du filament cons-

titue toujours un avantage dans un environnement qui ren-

voie les radiations IR.

Les mêmes dimensions du diamètre sont également vala-

bles pour un filament trispiralé.

Comme mentionné ci-dessus, le filament doit également être rendu compact en longueur pour réduire les pertes

d'extrémité, les pertes de gaz et le gradient de température.

Un filament destiné à une lampe classique de 100 watts a une longueur d'environ 19 mm. Ceci produit un gradient

excessif dans la mesure o il s'agit d'une lampe réfléchis-

sant l'énergie IR.

Comme dans le cas du pouvoir rayonnant et du diamètre,

la longueur minimale du filament est limitée par la flexion.

La limite supérieure est déterminée par le gradient de température qu'on peut tolérer. On a constaté que pour une lampe qui produirait environ la même émission en lumens qu'une lampe classique de 100 watts dans une ampoule de il dimension G-25, la gamme des longueurs comprise entre environ 11 et 15 mm est acceptable. Mais on comprendra que lorsqu'on allonge le filament, on diminue le pouvoir

rayonnant du fait qu'on augmente l'espacement fractionnel.

En général, le mode de réalisation préféré du filament destiné à une lampe réfléchissant l'énergie IR est soit bispiralé soit trispiralé et linéaire. Si on donne au filament une forme en U ou en C, on augmente le problème de centrage et on rend maximale la quantité d'énergie IR renvoyée au filament. Le filament est de préférence monté verticalement, comme représenté sur la figure 2, bien qu'il puisse être monté horizontalement. Des fils de support peuvent être prévus pour le filament en vue de réduire ses mouvements lors de son transport et pour augmenter sa

résistance à la flexion.

Le mode de réalisation préféré est suffisamment grand en diamètre pour minimiser les problèmes de défauts de centrage et suffisamment court pour que les pertes par aberration ne soient pas excessives. On a constaté comme satisfaisant un rapport longueur/diamètre compris entre

environ 5:1 et 13:1.

Il est également préférable que lorsque le filament est formé, mais avant qu'il soit scellé dans l'enveloppe de la lampe, il soit chauffé à une température provoquant une recristallisation secondaire de sa structure. Ceci augmente

la résistance du filament et réduit le problème de flexion.

Pour obtenir ce résultat, on chauffe le filament sous vide, ou dans une atmosphère protectrice qui est par exemple de

l'argon au-dessus de 20001C.

Le rapport du pouvoir rayonnant et de la longueur du filament vis-à-vis du diamètre s'applique à des lampes de tout wattage dans un environnement réfléchissant l'énergie infrarouge, bien que le filament préféré ait été décrit par comparaison avec une lampe classique de 100 watts, et ce filament préféré est destiné à être utilisé dans une lampe réfléchissant l'énergie IR de façon à produire pratiquement la même puissance lumineuse qu'une lampe classique de 100

watts pour une consommation d'énergie réduite.

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Claims (9)

REVENDICATIONS

1.- Filament pour lampe à incandescence du type réflé-

chissant l'énergie infrarouge produite par le filament et ren-

voyée au filament en vue de réduire la puissance requise pour

maintenir le filament à une température de fonctionnement pré-

déterminée, caractérisé en ce que ledit filament (22) comprend un enroulement d'un fil en un matériau réfractaire ayant un

pouvoir rayonnant dtau moins 0,5 pour une température de fonc-

tionnement située au-dessus d'environ 20000K.

2.- Filament selon la revendication 1, caractérisé en ce que

le diamètre de l'enroulement est d'au moins 1,3 mm environ.

3.- Filament selon l'une des revendications 1 ou 2, caracté-

risé en ce que le rapport entre la longueur du filament et son diamètre est compris dans la gamme située entre environ 5: 1

et 13: 1.

4.- Filament selon l'une quelconque des revendications 1

à 3, caractérisé en ce que l'espacement fractionnel entre les spires de l'enroulement primaire est compris dans la gamme

située entre environ 0,2 et 0,3.

5.- Filament selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement du filament est un enroulement bispiralé et en ce que l'espacement fractionnel entre spires de l'enroulement primaire est compris dans la gamme située entre environ 0,2

et 0,3.

6.- Filament selon la. revendication 1, caractérisé en ce

qu'il a été stabilisé en le soumettant à un chauffage après en-

roulement à une température provoquant une recristallisation secondaire.

7.- Filament selon la revendication 2, caractérisé en ce

qu'il a été stabilisé-en le soumettant à un chauffage après en-

roulement à une température provoquant une recristallisation secondaire.

8.- Filament selon la revendication 3, caractérisé en ce

qu'il a été stabilisé en le soumettant à un chauffage après en-

roulement à une température provoquant une recristallisation

secondaire.

9.- Filament selon la revendication 4, caractérisé en ce

qu'il a été stabilisé en le soumettant à un chauffage après en-

roulement à une température provoquant une recristallisation secondaire.