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Tube à décharges électriques.
La présente invention apporte un perfectionnement aux tubes à décharges électriques à vapeur de mercure destinés à l'émission de lumière, qu'on peut utiliser avantageusement pour l'éclairage de chemins, de places, d'ateliers, de bouti- ques, de magasins, pour l'éclairage domestique et autres usages analogues.
Un tube à décharges électriques conforme à l'inven- tion comprend des électrodes à incandescence solides chauffées, de préférence, par la décharge, et renferme du gaz (de préfé- rence, du gaz rare) et du mercure, le diamètre intérieur du tube en matière très réfractaire, de préférence en quartz, étant
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inférieur à 7 mm et la charge spécifique (c'est-à-dire la consommation d'énergie par cm de longueur du trajet de dé- charge) étant compris entre 15 et 135 watts/cm. Cette charge spécifique, la dissipation de la chaleur du tube à décharges et la forme de ce dernier sont dans un rapport tel que la pression de la vapeur de mercure dépasse 10 atm. pendant le fonctionnement.
A l'opposé d'autres sources lumineuses de même puis- sance les tubes conformes à l'invention ont de très faibles dimensions, un petit volume, un faible poids et les frais de fabrication sont très réduits, un tube à décharges de 100 watts, par exemple, ayant un poids d'environ 3 g. De plus les tubes à décharges ont un rendement élevé, même pour de faibles puissances, tandis que d'autres sources lumineuses telles que les lampes à incandescence, ont un rendement défavorable pour de faibles puissances.
Ces pressions élevées de la vapeur de mercure offrent l'avantage que le spectre de la lumière émise par le tube à décharges convient mieux aux usages d'éclairage que ne le fait celui des tubes à décharges à vapeur de mercure utilisés à présent pour ces usages, dans lesquels la pression de la vapeur de mercure est à peu près 1 atm. au cours du fonctionne- ment. Aux pressions élevées de la vapeur de mercure dévelop- pées dans le tube conforme à l'invention, la lumière émise présente un spectre continu assez prononcé, qui comprend beau- coup de rouge, de sorte que la lumière, en plus des rayons bleus et verts, contient aussi des rayons rouges prononcés.
La couleur de la lumière est d'autant meilleure que la pres- sion de la vapeur de mercure est plus élevée, de sorte que dans certaines conditions on choisira des pressions supérieu- res, par exemple, à 12, 15 ou 20 atm.
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Aux pressions de vapeur de mercure dépassant 10 atm les tubes faisant l'objet de l'invention donnent également de très bons rendements, et de plus il se présente le phéno- mène particulier qui va être décrit en se référant à la fi- gure 1 du dessin. Sur cette figure le rendement du tube à décharges, à savoir le nombre de lumen de la lumière visible par unité (watts) de l'énergie consommée par le tube, est représenté comme fonction de la pression de la vapeur de mer- cure en atm. pour une consommation d'énergie constante par cm de longueur du trajet de décharge, c'est-à-dire pour une charge spécifique constante du tube.
Il ressort de cette fi- gure que pour les pressions dépassant 10 atm. le rendement n'augmente que légèrement, mais qu'il décroît rapidement en cas de pressions inférieures à 10 atm.
La charge spécifique des tubes faisant l'objet de l'invention est inférieure à 135 watts/cm et adaptée à la dis- sipation de chaleur du tube. Avec cette charge spécifique on n'a pas besoin de refroidir le tube à l'eau ou par d'autres moyens artificiels analogues. Plus la charge spécifique d'un tube déterminé est élevée, plus la pression de la vapeur de mercure est également élevée. Dans la plupart des cas la va- leur de la charge spécifique agit sur la durée de service, qui est en général d'autant plus faible que la charge spécifique est plus élevée. Aussi il ne faut pas considérer cette limite supérieure de la charge spécifique comme la charge spécifique maximum admissible dans chaque cas en pratique.
En rapport avec les conditions auxquelles le tube doit satisfaire et ses dimensions on peut facilement calculer dans chaque cas par quelques essais combien la charge spécifique doit demeurer en dessous de cette limite afin d'obtenir un tube à décharges qui Il remplit les conditions requises et qu'on peut utiliser d'une
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manière simple sans refroidissement à l'aide de liquides ou par d'autres moyens artificiels. Afin d'augmenter la durée il est à recommander de donner à la charge spécifique une valeur inférieure, par exemple, à 120 ou 100 watts/cm.
Bien qu'on puisse s'attendre à ce que pour les grands diamètres intérieurs, parmi ceux entrant en ligne de compte, la charge spécifique soit supérieure à celle qu'on obtient pour les diamètres inférieurs, on a constaté que la charge spécifique maximum admissible ne dépend que très peu du diamètre intérieur.
Pour une charge déterminée du tube à décharges la pression de la vapeur de mercure dépend aussi de la forme du tube, cette pression étant en premier lieu fonction de la température développée à l'endroit le plus froid de l'espace de décharge. Cette température la plus basse est influencée à son tour par la forme du tube à décharges et la dissipation de chaleur.
Du fait que le diamètre intérieur du tube à décharges est inférieur à 7 mm on obtient une petite source lumineuse compacte ayant un faible volume. Ce faible diamètre permet aussi en pratique d'utiliser des pressions élevées de la vapeur de mercure, et grâce au faible volume les conséquences d'une explosion éventuelle du tube à décharges sont maintenues entre des limites inoffensives. Le faible diamètre intérieur du tube conjointement avec les électrodes à incandescence solides favorise le fonctionnement stable du tube à décharges. La position du trajet de décharge qui ne s'étend pas sur toute la section du tube, mais est étranglé, est d'autant plus stable, que le diamètre intérieur du tube est plus petit.
Une augmentation de la pression de la vapeur de mercure a un effet contraire et augmente le mouvement irrégulier de la dé-
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charge à l'intérieur du tube ce qui constitue une des raisons pour lesquelles on choisit de préférence un diamètre intérieur plus petit pour des pressions plus élevées de la vapeur de mercure.
Il est avantageux de donner au diamètre intérieur une valeur inférieure à 5 ou 4 mm, ce qui permet d'utiliser des pressions plus élevées que pour un tube plus large. De cette manière on obtient une amélioration de la couleur de la lumière émise et en outre une décharge plus stable.
Comme on l'a déjà dit plus haut, la charge spécifique est supérieure à 15 watts/cm. Pour des valeurs moindres, il est non seulement difficile en pratique de créer une pression de la vapeur de mercure dépassant 10 atm., mais en outre le rendement est moindre. Ce dernier est fonction de la charge spécifique, et pour des pressions de la vapeur de mercure dépassant 10 atm. il ne dépend que peu de la pression de la vapeur de mercure et du diamètre intérieur du tube. La figure 2 du dessin montre, à titre d'exemple, l'allure de cette fonction (lumen par watt en fonction de watt par cm) pour un tube à décharges déterminé conforme à l'invention. Cette courbe indique les valeurs moyennes du rendement.
Les valeurs mesurées pour divers tubes peuvent être situées légèrement audessous ou au-dessus de la courbe représentée, aussi en dépendance de la pression de la vapeur de mercure et du diamètre du tube. Un des avantages du tube conforme à l'invention est qu'on peut également obtenir de très bons rendements avec des puissances moindres. Plus la charge spécifique est élevée, par exemple supérieure à 20, 25, 55 ou 50 watts par cm, plus le rendement est élevé.
On peut déterminer d'une manière simple les pressions de la vapeur de mercure développées dans le tube à l'aide de @
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la chute de tension spécifique dans le trajet de décharge, à savoir la chute de tension par unité de longueur de ce trajet. Cette chute de tension spécifique est, entre autres, fonction de la pression de la vapeur de mercure.
La figure 3 montre sur une échelle logarithmique l'allure de la chute de tension spécifique en volts par cm. comme fonction de la pression de la vapeur de mercure en atm. pour les intensités de courant de 0,1, 0,2 et 0,4 amp. respectivement de courant continu pour un tube à décharges ayant un diamètre intérieur de 1 mm. On peut calculer la chute de tension spécifique en soustrayant de la tension de régime la somme de la chute cathodique et anodique (pour des électrodes à oxyde s'élevant à 15 volts environ) et en divisant le reste par la longueur du trajet de décharge.
Les figures 4, 5 et 6 représentent les mêmes fonctions pour des tubes à décharges ayant un diamètre intérieur de 2, 3 et 5 mm respectivement.
En général il est recommandé de faire fonctionner le tube à décharges dans une position verticale ou sensiblement verticale, qui permet d'utiliser des pressions et des charges spécifiques supérieures à cellesutilisables dans une position horizontale du tube, car dans cette dernière position on court le risque de courbure de la décharge, qui se rapprocherait alors trop étroitement du côté supérieur de la paroi du tube, risque qui est d'autant plus grand que la pression de la vapeur de mercure est plus élevée.
Afin de 'favoriser une distribution uniforme de la température à l'intérieur du tube à décharges il est avantageux, si on emploie la position verticale, de rendre la distance entre l'électrode supérieure et l'extrémité supérieure de l'espace de décharge plus grande que la distance entre l'électrode inférieure et l'ex-
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trémité inférieure de l'espace de décharge.
Dans la plupart des cas on ne peut pas sceller directement les fils d'alimentation des électrodes dans la paroi en quartz ou en une matière analogue. Afin de rendre le tube à décharges très résistant à la pression et la température élevées auxquelles il est soumis pendant le fonctionnement, et cela sans augmenter la longueur du tube, il este- commandé de ne prévoir qu'une seule matière de transition entre les fils d'alimentation et la matière constitutive de la paroi. A cet effet convient notamment le verre exempt d'alcali ayant, par exemple, la composition suivante :
EMI7.1
<tb>
<tb> 88,3 <SEP> % <SEP> de <SEP> Sio2
<tb> 8,4 <SEP> % <SEP> de <SEP> B2O3
<tb> 2,9 <SEP> % <SEP> de <SEP> A1203
<tb> 0,4 <SEP> % <SEP> de <SEP> CaO.
<tb>
Cette variété de verre se prête d'une part à être scellée au quartz et d'autre part à ce qu'on y scelle les fils de tungstè- ne d'une manière étanche à l'air.
Eu égard à la température élevée du tube à déchar- ges il est souvent recommandable d'entourer les parties des fils d'alimentation des électrodes faisant saillie du tube d'une matière résistante à la chaleur telle que l'oxyde de magnésium ou l'alundum, sur une longueur relativement grande (plus de 1 cm). De préférence, on fixe le tube à décharges à un culot en une matière résistante à la chaleur, telle que la porcelaine.
Il est souvent à recommander d'entourer le tube à décharges d'une enveloppe en verre qui offre une certaine protection en cas de rupture éventuelle du tube à décharges.
Par un choix judicieux de la forme et en donnant à la paroi une forte épaisseur on peut augmenter la résistance mécanique
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de cette enveloppe. Le tube à décharges peut aussi être entouré éventuellement d'un guipage de brins métalliques ou d'un fil enroulé en forme d'hélice et fait, par exemple, en nickelchrome. Ce guipage ou se fil peut être relié éventuellement à l'une des électrodes, ce qui facilite l'amorçage. On peut aussi utiliser l'enveloppe en verre pour l'interception de rayons indésirables tels que des rayons ultraviolets.
Afin d'abaisser la dissipation de chaleur par les extrémités du tube on peut munir ces extrémités, sur le côté extérieur de la paroi du tube, de couches métalliques réfléchissantes, par exemple en platine. Ces couches peuvent être utilisées,si l'on désire une certaine puissance pour le tube, pour régler la tension voulue à laquelle correspond une pression déterminée de la vapeur de mercure. On part alors d'un tube à décharges, dans lequel la température la plus basse.se trouve derrière les électrodes et dans lequel cette température la plus basse est tellement faible qu'en cas de charge du tube à la puissance voulue, la tension est inférieure à la tension voulue.
On peut augmenter la première tension en recouvrant une partie des extrémités du tube d'une couche métallique réfléchissante et en agrandissant cette dernière jusqu'à ce qu'on arrive à mesurer entre les électrodes, en même temps que l'on maintient constante la charge, la tension voulue correspondant à la pression voulue de la vapeur de mercure.
Les figs. 7 à 11 représentent schématiquement des formes d'exécution de l'invention.
Le tube à décharges 1 représenté sur la fig. 7 est constitué en substance par un tube cylindrique en quartz ayant un diamètre intérieur de 2, 7 mm et un diamètre extérieur de 6,5 mm. Le tube à décharges comprend les deux élec-
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trodes 2 constituées par un fil de tungstène en forme de crochet,sur lequel est enroulé en hélice un fil plus mince de tungstène, ce système de fils étant recouvert d'une substance telle que l'oxyde alcalino-terreux qui est capable d'une forte émission d'électrons. La distance entre les électrodes est de 10 mm.
Ces électrodes à incandescence 2 ne sont pas chauffées par un courant de chauffage séparé, mais par le courant de décharge lui-même et sont portées à la température nécessaire pour l'émission d'électrons.'
Les fils d'alimentation 3 des électrodes à incandescence sont également constitués par des fils de tungstène qui ont, par exemple, une épaisseur de 0,6 mm et traversent la paroi en quartz avec interposition d'une variété de verre de la composition précitée et en substance exempte d'alcali. Le coefficient de dilatation de ce verre exempt d'alcali est tellement faible qu'on peut sceller le verre directement au quartz, tout en assurant un bon raccord avec le fil de tungstène.
Entre ce dernier et le quartz ne se trouve donc qu'une seule matière de jonction à point de ramollissement élevé, ce qui constitue un grand avantage au point de vue de la température et de la pression développées dans le tube à décharges. On peut établir la liaison entre le fil de tungstène et le cylindre en quartz en scellant d'abord sur le fil une couche du susdit;verre exempt d'alcali et en scellant à l'extrémité du cylindre en quartz un capuchon hémisphérique fait de la même espèce de verre. Ce capuchon est percé (L'une ouverture par où on fait passer le fil de tungstène avec la couche de verre y appliquée, puis on scelle le capuchon à cette couche de verre. Les espaces d'électrode situés derrière les électrodes peuvent aussi être très étroits en pointus.
Par un choix judicieux des dimensions de la partie des espaces d'élec-
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trode derrière les électrodes on peut agir sur la pression de vapeur.
Le tube à décharges 1 renferme une quantité de gaz rare tel que l'argon, sous une pression (à la température ambiante) de 10 mm, le tube contenant aussi une certaine quantité de mercure qui fournit la vapeur de mercure pendant le fonctionnement et peut être présent en excès. Bien qu'on puisse limiter la quantité de mercure de telle façon que toute la quantité se vaporise et que la vapeur de mercure soit non saturée pendant le fonctionnement normal, cette limitation de la quantité de mercure n'est pas nécessaire, ce qui simplifie la fabrication du tube à décharges.
On fait fonctionner le tube à décharges au moyen de courant alternatif. Par un choix judicieux de l'impédance en série de la tension d'alimentation, on peut adapter la cha.rge du tube à décharges à la dissipation de chaleur et aux dimensions du tube de telle façon que la pression de la vapeur de mercure dépasse 10 atm. La charge du tube représenté, qui est place en plein air, peut s'élever, par exemple, à 70 watts avec une intensité de courant de 0,4 amp. et une tension entre les électrodes de 240 volts, la pression de la vapeur de mercure s'élévant à peu près à 75 atm.
Dans un autre cas le diamètre intérieur était de 2,3 mm, le diamètre extérieur de 4 mm et la distance séparant les électrodes de 20 mm, la charge s'élévant à 80 watts avec une intensité de courant de 0,39 amp. et une tension entre les électrodes de 250 volts, ce qui correspond à une pression de la vapeur de mercure d'environ 85 atm.
Un tube à décharges ayant un diamètre intérieur et un diamètre extérieur de 4 et de 7 mm respectivement et une distance entre les électrodes de 10 mm, était chargé de 55 watts
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avec une intensité du courant de 0,34 amp. et une tension de régime de 200 volts, la pression de la vapeur de mercure s'élevant à peu près à 80 atm.
Pour des usages spéciaux la longueur du trajet de décharge peut dépasser quelques cm. Dans un tube à décharges conçu pour l'éclairage d'aérodromes, la distance séparant les électrodes était, par exemple, de 200 mm, le diamètre intérieur et le diamètre extérieur ayant respectivement 2, 3 et 6 mm. La charge de ce tube se montait à 1000 watts, l'intensité de courant à 0,5 amp. la tension entre les électrodes à 2500 volts et la pression de la vapeur de mercure à peu près à 30 atm.
La fig. 8 représente un montage approprié du tube montré sur la fig. 7. Les parties 4 des fils d'alimentation du tube à décharges 1 faisant saillie de ce dernier sont entourées de tubes isolants 5 en matière très réfractaire telle que l'oxyde de magnésium et reliées aux capuchons métalliques 6 qui coiffent les extrémités des tubes 5. Un de ces capuchons de contact 6 s'appuie dans la douille de contact 7, tandis que l'autre capuchon de contact s'appuie dans la douille de contact 8 à l'intérieur de la-quelle se trouve le ressort à boudin 9. Les douilles 7 et 8 sont fixées au culot 12 par l'intermédiaire des tiges 10 et 11. Ce culot est établi en matière isolante telle que la porcelaine et comprend les deux contacts 13. Le ressort 9 pousse le tube à décharges vers le haut de manière à serrer ce dernier dans la douille 7.
Si l'on désire enlever le tube on le pousse vers le bas à l'encontre du ressort jusqu'à ce que le capuchon de contact supérieur 6 soit dégagé de la douille 7.
Le tube à décharges est entouré du cylindre 14 en verre dur qui a une épaisseur de 3 mm et est porté par la bague en cuivre 15 qu'on peut fixer au culot 12 à l'aide de la vis 16.
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Le cylindre 14 peut être fait en une variété de verre qui ne laisse pas passer les rayons ultraviolets. Quand on désire utiliser'à la fois les rayons visibles et les rayons ultraviolets, on peut faire le cylindre 14 en une variété de verre transparent à ces derniers rayons. Ce cylindre en verre peut être percé d'ouvertures qui sont ménagées, par exemple, à son extrémité inférieure et à son extrémité supérieure, et servent au passage de l'air se trouvant à l'intérieur du cylindre.
Sur la fig. 9 le tube à décharges 1 est relié, de manière permanente, au culot 17 auquel est fixé,à l'aide de la vis 18, le capuchon métallique 19 qui porte à son tour l'am- poule en verre 20. Le capuchon 19 et l'ampoule 20 peuvent également être percés d'un ou de plusieurs trous.
Dans la réalisation montrée sur la fig. 10 le tube à décharges 1 est monté sur le pincement 21 de l'ampoule en ver- re 22 qui est percée des trous 23. En cas de risque de diffu- sion d'hydrogène à travers la paroi en quartz du tube à dé- charges l'ampoule 22 peut aussi être fermée et vidée d'air ou être remplie de gaz, par exemple d'azote.
Comme le montre la fig. Il le tube à décharges 24 peut également présenter la forme d'un U. Ce tube.est fixé au culot tubulaire 25 qui est fait, par exemple, en porcelaine et auquel est fixé aussi l'ampoule 26 en verre à l'aide de l'anneau métallique 27 cimenté à l'ampoule et de la vis 28.