FR2872673A3 - Radiateur infrarouge a eclairement uniforme - Google Patents
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Abstract
Ce radiateur infrarouge comprend un corps (12) fermé par une lentille (16), la lentille (16) comporte des lenticules (32), de préférence de forme parabolique. La répartition de l'intensité du rayonnement est meilleure.
Description
RADIATEUR INFRAROUGE À ÉCLAIREMENT UNIFORME
DOMAINE TECHNIQUE
io L'invention se rapporte aux lampes à incandescence et plus particulièrement à des lampes de ce genre utilisées comme radiateurs infrarouges.
ARRIÉRE-PLAN DE L'INVENTION Les radiateurs infrarouges directionnels sont disponibles communément sous la forme de lampes BR40 ou R-40 ayant des ampoules en verre tendre. Il est connu, en outre, de faire des lampes de ce genre dans le format PAR38 à partir d'éléments de réflecteur et de lentille en verre dur pressé. On utilise souvent ces lampes dans des applications pour l'agriculture ou pour l'industrie dans lesquelles on souhaite qu'une surface plate relativement grande soit chauffée de façon uniforme. Mais les radiateurs infrarouges disponibles actuellement n'assument pas bien, en général, la fonction souhaitée, parce que les lampes ont une répartition de puissance qui n'est pas uniforme en ayant une intensité maximum de rayonnement sur l'axe s'abaissant à 50 % d'un pic dans environ 15 degrés de l'axe de la lampe. L'angle du faisceau de rayonnement dans des cas de ce genre est d'environ 30 degrés.
Les modèles habituels de radiateurs infrarouges de ce genre reposent sur les lampes habituelles conçues à des fins d'éclairage général et utilisent pour la plus grande part les mêmes éléments afin de maintenir les coûts bas. Les lampes BR40 et R-40 donnent un certain étalement du faisceau en utilisant une surface intérieure givrée, de sorte que l'étalement maximum du faisceau est très limité. Les lampes PAR38 peuvent incorporer des éléments optiques à la fois dans le réflecteur et la lentille et permettent de régler bien mieux la répartition du faisceau de rayonnement. Les lampes PAR38 pour l'éclairage général et les radiateurs infrarouges disponibles utilisent un réflecteur qui donne seulement peu d'étalement du faisceau. La plus grande partie de l'étalement est effectuée par la lentille qui est formée typiquement d'une pluralité de saillies sphériques ou de lenticules. Pour des lampes PAR 38 à filament à incandescence ayant une bonne conception du rayon des lenticules sphériques et une bonne disposition, on peut obtenir un étalement du faisceau de presque 50 degrés. Des optiques de ce genre donnent un pic plat plutôt large avec un abaissement de 50 % du pic au-delà d'un axe de 25 degrés. Il n'est pas possible d'obtenir une grande surface d'éclairage uniforme sur une surface plate en utilisant des optiques lo classiques à lentille ayant des lenticules sphériques. En outre, ce type de répartition de la lumière n'est pas exigé normalement ou n'est pas souhaité normalement dans des applications d'éclairage général.
Même avec une lampe à rayonnement isotrope, l'éclairage sur une surface plane normal à l'axe de la lampe n'est pas uniforme et s'abaisse substantiellement en fonction de la distance du centre en raison de la loi inversement proportionnelle au carré et de la loi en cosinus de l'éclairage. Pour une source ponctuelle, l'éclairage sur une surface est décrit par E = I/D2Écos (3 (Équation 1) dans laquelle I = intensité du rayonnement, D = distance à la source, E = éclairage, r3 = angle par rapport à la normale.
On peut voir par cette équation que pour une intensité uniforme l'éclairage s'abaisse en fonction du cos2 de l'angle avec la normale. Pour certaines applications, il est souhaitable d'avoir un éclairage uniforme ou une surface plate circulaire définie par un angle solide de 50 degrés. Un radiateur infrarouge d'un type habituel ayant l'étalement du faisceau le plus grand possible a au moins une diminution de 60 % de l'éclairage entre le centre et le bord. La plupart des radiateurs infrarouges disponibles dans le commerce ont une variation bien plus grande. Cela se traduit par une répartition de température qui n'est pas uniforme sur la surface cible dans une zone de 0,6 stéradian.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
La présente invention vise à pallier les inconvénients de la technique antérieure.
L'invention vise aussi à améliorer les radiateurs infrarouges.
L'invention vise enfin à procurer un radiateur infrarouge qui fait disparaître l'abaissement de l'éclairage en fonction du cos2 de l'angle avec la normale.
On y parvient par un radiateur infrarouge comprenant un corps formant réflecteur fermé par une lentille et ayant une source de rayonnement infrarouge placée dans le corps, la lentille ayant une pluralité de lenticules qui sont formées pour procurer une intensité rayonnante sensiblement uniforme dans un cône de 50 sur une surface plane à distance de la lentille, l'intensité rayonnante variant comme l'inverse de (cos 13)2.
io De préférence: - les lenticules ont une forme parabolique, - les lenticules ont une forme définie comme de révolution autour d'un axe d'une ligne se conformant à Y = X2/4a, a étant la distance focale de la parabole, is les lenticules ont une forme définie comme étant de révolution autour d'un axe d'une ligne se conformant à Y = X2/4a, a étant la distance focale de l'arc et N étant supérieur à 1 et inférieur ou égal à 2.
DESCRIPTION SUCCINCTE DES DESSINS
La Figure 1 est une vue en élévation en coupe d'un radiateur infrarouge utilisant un mode de réalisation suivant l'invention.
La Figure 2 est une vue en coupe à plus grande échelle de lenticules qui peuvent être utilisées avec l'invention.
La Figure 3 est une vue en plan d'un agencement de lenticules.
La Figure 4 est un graphique donnant la répartition relative de l'intensité du rayonnement d'une pluralité de lampes utilisant l'invention.
La Figure 5 est un graphique de la répartition des températures.
MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ DE L'INVENTION Pour mieux faire comprendre l'invention, ainsi que ses autres buts, avantages et aptitudes, on se reportera à la description qui va suivre en liaison avec les dessins annexés.
En se reportant maintenant plus particulièrement aux dessins, il est représenté à la Figure 1 une vue en coupe d'un mode de réalisation de l'invention comprenant un radiateur 10 infrarouge ayant un corps 12 scellé à une lentille 16. Au moins une partie de la partie 11 intérieure formant réflecteur du corps 12 a une configuration parabolique. La partie 11 intérieure formant réflecteur peut être revêtue d'aluminium ou d'autres matériaux réfléchissants. Une source de rayonnement infrarouge, telle qu'un filament 14 de tungstène, est placée près du point focal de la partie 11 formant réflecteur de forme parabolique, de façon à ce qu'une partie substantielle de la puissance rayonnée ait une direction parallèle à l'axe 18 de la lampe. La source 14 de rayonnement est supportée par des fils 20, 22 d'entrée qui sont brasés ou fixés d'une autre façon à des férules 24, 26 métalliques scellées hermétiquement au corps 12 du réflecteur.
io De la puissance électrique est conduite par les férules 24, 26 aux fils 20, 22 d'entrée en allant d'une source non représentée au filament 14 en tungstène. Le volume 28 enfermé par le corps contient normalement un gaz inerte, tel que de l'azote ou de l'argon ou l'un de leurs mélanges. De l'air est évacué et l'atmosphère inerte est fournie par un tube 30 d'évacuation qui est ensuite scellé pour ménager un joint hermétique. Un culot métallique typique, tel qu'un culot à vis d'Edison, est ensuite fixé au bas du corps 12 et câblé aux férules et sert de conducteur pour l'alimentation électrique.
La lentille 16 est munie sur sa surface intérieure d'une pluralité de lenticules. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les lenticules ont une configuration parabolique. On peut décrire ces lenticules comme étant de révolution autour d'un axe de la ligne définie par Y = X2/4a (Équation 2), a étant la distance focale de la parabole.
On peut employer des formes de lenticules autres que paraboliques. C'est ainsi, par exemple, que des formes de lenticules entre paraboliques et coniques peuvent procurer aussi la répartition d'intensité qui est souhaitée. On peut définir des formes de ce genre par la relation Y = XN/4a (Équation 3), dans laquelle N est supérieur à 1 et est inférieur ou égal à 2.
On peut mettre les lenticules 32 suivant un réseau sur la surface intérieur de la lentille suivant un réseau hexagonal étroitement tassé ; mais on peut obtenir une configuration d'éclairage plus uniforme et arrondie en mettant les lenticules en anneaux concentriques comme représenté à la Figure 3.
À titre d'exemple, une application particulière pour un radiateur infrarouge exige de chauffer uniformément une surface circulaire de 45 cm de diamètre par une lampe ayant une surface de lentille de 45 cm audessus de la surface plate. Suivant l'Équation 1, la répartition idéale de l'intensité du rayonnement aura une intensité maximum à environ 25 degrés à partir de l'axe de la lampe et l'intensité du rayonnement au faisceau au centre sera plus petite d'environ 20 %. Cela n'est qu'une approximation parce que la proximité de la lampe et de la surface éclairée complique la relation. On a trouvé que des lenticules paraboliques d'une distance focale de 5 mm se sont avérées donner la répartition d'intensité qui est souhaitée avec un intervalle entre les rangées de lenticules de 2,6 mm et un intervalle circonférentiel entre les lenticules d'environ 0,28 mm. Les paramètres critiques sont l'exposant N et le rapport de l'inverse de la distance focale 1/a à l'intervalle moyen io entre les lenticules b . Des valeurs de N plus petites se traduisent par une plus grande différence entre l'intensité au pic et l'intensité axiale. Des rapports plus grands de l'inverse de la distance focale à l'intervalle entre les lenticules donnent un angle du faisceau de rayonnement plus large ou une surface d'éclairage uniforme; mais les grands rapports deviennent difficiles à fabriquer. Pour un exposant de 2, la distance a focale est d'environ 0,00215/b. Une plage habituelle d'intervalle entre les lenticules pour des lampes PAR38 est comprise entre environ 1 mm et 10 mm et la longueur focale utile est comprise entre 0,0015/b et 0,005/b.
À titre d'essai, on fait de lentilles PAR38 suivant le mode de réalisation préféré en utilisant des anneaux concentriques en spirale de lenticules paraboliques ayant des distances focales de 5 mm, N = 2 et l'intervalle moyen entre les lenticules au point le plus proche de 2,7 mm. On utilise les lentilles pour faire des radiateurs infrarouges de 175 W, 120 V. La répartition de l'intensité relative de ces radiateurs est donnée à la Figure 4. Le graphique représente la moyenne de six radiateurs et la répartition est raisonnablement proche de la répartition idéale d'intensité définie par l'Équation 1.
Comme autre essai, on mesure aussi la répartition de la chaleur procurée par ces radiateurs en utilisant un réseau de disques noirs en cuivre placé à 50 cm en dessous de la lampe sur une surface isolante du point de vue thermique. L'élévation de la température des disques au-delà de la température ambiante est mesurée en utilisant des thermocouples à fils fins du type K fixés à la face inférieure des disques. On effectue les mesures de température dans une chambre sans courant d'air à 23,3 C après que l'équilibre thermique a été atteint. La répartition de température est représentée à la Figure 5. La température de surface varie de moins de 2 C (-20 %) sur toute la surface à laquelle on attache de l'intérêt et de seulement 1 C (10 %) sur une surface circulaire d'un diamètre de 43 cm.
Des radiateurs infrarouges donnant un éclairement uniforme peuvent être faits en d'autres formes et dimensions et on peut utiliser toutes sources émettant du rayonnement infrarouge et/ou visible. Des formes de réflecteur autres que paraboliques peuvent être aussi efficaces, mais exigeraient des paramètres différents pour les lenticules paraboliques.
Claims (4)
1. Radiateur infrarouge, caractérisé en ce qu'il comprend un corps formant réflecteur fermé par une lentille et ayant une source de rayonnement infrarouge placée dans le corps, la lentille ayant une pluralité de lenticules qui sont formées pour procurer une intensité rayonnante sensiblement uniforme dans un cône de 50 sur une surface plane à distance de la lentille, l'intensité rayonnante variant comme l'inverse de (cos f3)2.
2. Radiateur infrarouge suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les lenticules ont une forme parabolique.
io
3. Radiateur infrarouge suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les lenticules ont une forme définie comme de révolution autour d'un axe d'une ligne se conformant à Y = X2/4a, a étant la distance focale de la parabole.
4. Radiateur infrarouge suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les lenticules ont une forme définie comme étant de révolution autour d'un axe d'une ligne se conformant à Y = X2/4a, a étant la distance focale de l'arc et N étant supérieur à 1 et inférieur ou égal à 2.
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