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Objet en matière translucide, et procédé pour sa fabrication.
L'invention concerne des objets en matière translucide, en particulier des objets en verre revêtus d'une couche de ma- tière qui diffuse la lumière. Ces objets s'utilisent en éclairage, par exemple, comme ampoules de lampes à incandescence. L'inven- tion concerne en outre des procédés et des dispositifs pour la fabrication de ces objets.
Jusqu'à présent, les ampoules diffuses étaient réalisées en verre opalin, un verre qui est rendu diffus par l'addition de fluorures ou de phosphates. Ce verre est coûteux et de plus, il absorbe beaucoup de lumière. C'est ainsi que, dans les ampou- les, suffisamment diffuses pour masquer la source lumineuse, le filament par exemple, cette absorption atteint 25 à 30%. En outre, cette absorption n'est pas uniforme, car l'ampoule n'a pas la même épaisseur partout, de sorte que la lumière rayonnée est /faible et irrégulièrement répartie..
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Il existe aussi des ampoules diffuses recouvertes exté- rieurement d'une couche d'émail. Ces revêtements sont eux-aussi assez coûteux et absorbent aussi beaucoup de lumière (les émaux blancs en absorbant au moins 10%). En outre, ces couches exté- rieures s'encrassent rapidement. L'application de ces couches d'émail sur l'intérieur de la paroi de la lampe n'a guère donné de résultats, car l'absorption subsiste et la lampe s'encrasse intérieurement.
L'ampoule diffuse la plus couramment utilisée est celle dont l'intérieur de la paroi est dépoli par morsure à l'acide.
Sa fabrication est très bon marché; de plus cette lampe assure une bonne diffusion tout en ne provoquant qu'une faible absorp- tion.
L'invention permet entre autres d'améliorer encore la diffusion et de réduire l'absorption, ces résultats pouvant être obtenus de façon très simple et à peu de frais.
Suivant l'invention, la couche diffuseuse est consti- tuée par de très petites particules de bioxyde de silicium.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant,bien entendu, partie de l'invention.
La fig.1 est une vue en élévation d'un dispositif utilisé pour recouvrir intérieurement une ampoule d'une couche diffuseuse.
La fig.2 montre en coupe un brûleur utilisable dans ce dispositif.
La fig.3 montre une autre forme d'exécution d'un tel dispositif, tandis que la fig.4 montre en coupe, et plus grande échelle le brû- leur utilisé dans ce dispositif.
La fig.5 montre partiellement en élévation et partielle- ment en coupe une lampe à incandescence munie d'une couche diffu-
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seuse conforme à l'invention.
Les figs.6 et 7 donnent des caractéristiques de certai- nes propriétés de ces lampes à incandescence.
La fig.8 montre partiellement en élévation et partielle- ment en coupe une autre forme d'exécution d'une lampe conforme à l'invention.
La fig. 9 représente schématiquement, partiellement en élévation et partiellement en coupe, un appareil d'éclairage conforme à l'invention.
La fig.10 montre une courbe qui donne la relation entre la grandeur de ces particules et leur fréquence d'existence dans une couche conforme à l'invention.
L'exposé des particularités et des propriétés de la couche constituée, conformément à l'invention, de petites parti- cules de silicium, sera précédé d'une description de la réalisa- tion d'une telle couche. Conformément à l'invention, la couche peut être obtenue en produisant une fumée constituée par de très petites particules de bioxyde de silicium et en captant ces par- ticules sur un objet, par exemple sur l'intérieur de l'ampoule d'une lampe à incandescence électrique.
La fumée peut résulter d'une décomposition chimique, par exemple de la combustion d'un composé de silicium.
La densité de la couche appliquée ou son poids par cen- timètre carré, dépendra évidemment de la nature et de l'état de la surface ainsi que de la composition de l'objet recouvert.
En outre, les propriétés de diffusion et d'absorption de la couche dépendent des dimensions des particules de bioxyde de silicium.
Il s'est avéré que la densité de couches fortement diffu- seuses,mais n'absorbant que peu de lumière, peut être comprise entre 0,08 et 3 Grammes de bioxyde de silicium par cm2.
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Il s'est en outre avéré que, pour obtenir ces bonnes propriétés, il est désirable que le diamètre moyen des parti- cules soit compris entre 0,2 et 0,6 micron. Les diamètres des particules mêmes est alors essentiellement compris entre 0.9 micron et 30 A (1 micron = 10000 Dans des lampes à incandes- cence électriques, munies de telles couches, qui assurent une diffusion satisfaisante et ne provoquent qu'une absorption mi- nime, les diamètres des particules étaient compris entre moins de 30 et 7050 .
Par diamètre moyen, on entend ici la grandeur moyenne des particules rapportée à la surface, donc le diamètre imagi- naire que devraient avoir toutes les particules d'un certain échantillon, pour obtenir la même surface et le même volume que les particules de l'échantillon. Ce diamètre moyen est donné par Inéquation: d3=@nd3 de n d2 dans laquelle n est le nombre de particules d'une certeine ca- tégorie - classées par ordre de grandeur - et d le diamètre caractéristique de cette catégorie.
Dans certaines lampes conformes l'invention, il exis- te entre la grandeur des particules et leur fréquence d'existen- ce une relation telle que représentée sur la fige 10, obtenue en portant en ordonnées le pourcentage de particules d'une catégo- rie et en abscisses, le diamètre caractéristique de cette caté- gorie. De plus amples détails au sujet de cette analyse figurent dans "Chamot & Mason, "Handbook of Chemical Microscopy", volume I, 2ème édition, pages 416-419 (édité par John Wiley & Sons Inc, en 1938).
Le diamètre moyen arithmétique des particules est évi- demment plus petit que le diamètre moyen d3 défini ci-dessus - qui lui, est rapporté à la surface.
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Dans les couches réalisées par un procédé conforme à l'invention, les particules de dimensions plus petites que la longueur d'onde de la lumière visible, donc plus petites qu'en- viron 4000 , sont en nombre prépondérant.
A l'aide du microscope électronique, on a déterminé la grandeur des particules qui assurent une diffusion maximum pour une absorption minimum. Ces observations ont prouvé que les par- ticules de bioxyde de silicium sont essentiellement sphériques et s'obtiennent dans la forme non cristalline ou amorphe.
Il s'est avéré possible d'obtenir une diffusion si forte que la brillance maximum d'une ampoule en verre clair munie d'une couche conforme à l'invention soit comprise entre une frac- tion d'un pourcent et quelques pourcent de la brillance maximum de la lampe nue. Par contre, si l'ampoule a été dépolie d'avance intérieurement par morsure à l'acide, la brillance maximum ne constitue qu'une petite fraction d'un pourcent de la brillance maximum de la lampe non traitée.
La grandeur des particules est influencée entre autres par les facteurs suivants: concentration du composé de silicium, température de la flamme ou de l'ambiance directe de celle-ci, densité de la fumée, vitesse de refroidissement des produits de. , combustion gazeux ou de la fumée et concentration de l'oxygène dans le gaz qui entretient la combustion ou teneur en oxygène de ce gaz.
Les particules de bioxyde de silicium fournies par la décomposition de la combinaison de silicium et.captées sur la surface de l'objet constituent une couche bien adhérente ne comportant aucun composé nuisible, même pas de l'eau fixée par voie chimique. Bien que la couche puisse être enlevée avec les doigts, l'adhérence est cependant plus que suffisante pour supporter des vibrations ou une manipulation assez rude, de sor- te qu'il est superflu d'utiliser un liant qui pourrait amener dans la lampe des impuretés nuisibles. Cependant, conformément à
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l'invention, on peut améliorer l'adhérence en exposant la couche pendant un certain temps à l'effet d'un courant.
Il est bon d'utiliser des composés de silicium ne com- portant pas d'autres atomes que du silicium, du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène, par exemple de l'orthosilicate d'éthyle qui constitue un liquide huileux. D'autres composés utilisables sont par exemple le silicométhane, le silicoéthane, le silicopropane,. le silicobutane, le silicopentane, le bisi- loxane, le silicate de méthyle, le silicone de méthyle, le té- tracilicane de méthyle, l'éthoxytrisilicane de méthyle et des produits analogues dont l'énumération donnée ci-dessus n'est donc nullement limitative.
En général,, il n'est pas désirable d'utiliser des com- posés comportant un trop grand nombre de substances organiques car celles-ci peuvent provoquer un dépôt de carbone. Certains composés gazeux tels que l'hydrure de silicium, les silicanes ou les silanes qui ne comportent que du silicium et de l'hydrogène, peuvent s'enflammer spontanément au contact de l'air ou de l'oxygène. C'est pouquoi,lors de Inapplication d'une couche dans une ampoule, il est bon de disposer dans l'ampoule un brû- leur approprié et lorsqu'une telle combinaison est mise en pré- sence d'oxygène, elle s'enflamme. On peut régler la densité de la couche en réglant 1-'amenée du composé.
Suivant un autre procédé, on peut imprégner une mèche d'un composé liquide volatil, par exemple de silicate d'éthyle et brûler le composé à l'intérieur de l'ampoule en présence d'un afflux d'air ou d'oxygène qui sert à entretenir la combus- tion et à évacuer les produits de la combustion, sauf le bioxyde de silicium.
Lorsque la couche est utilisée dans les ampoules de lampes, on obtient de bons résultats avec des ampoules en verre clair et de meilleurs résultats encore lorsqu'on utilise une am-
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poule dépolie intérieurement, par exemple par morsure à l'acide comme décrit dans le brevet américain n .1.687.510.
Comme l'indique la fig.l, le brûleur ou la mèche peut consister en une boule ou en un bouchon de laine de verre en- roulé à l'extrémité d'un fil 2. On plonge le bouchon dans le silicate d'éthyle et on introduit le fil 2 dans un tube 3 à travers lequel on souffle du gaz contenant de l'oxygène. De préférence, on amènera de l'oxygène pur plutôt que de l'air pour favoriser une combustion complète et une subdivision des parti- cules rouges, ce qui évite la précipitation en flocons du bioxyde de silicium. On allume le bouchon que l'on coiffe de l'ampoule 4; on fait tourner cette ampoule sur un support tubulaire creux 5 qui entoure le tube 3, et qui se termine à la partie supé- rieure par un mince col élastique qu'entoure l'ampoule.
Il se forme alors une épaisse fumée blanche constituée par du bioxyde de silicium, de la vapeur d'eau et de l'acide carbonique; le bioxyde de silicium est précipité, sur la paroi intérieure de l'ampoule, sous forme d'une mince couche bien adhérente tandis que la vapeur d'eau et l'acide carbonique sont évacués par l'in- térieur du support 5. La densité de la couche peut se régler en enlevant l'ampoule après un certain temps ou en faisant en sorte que le bouchon 1 contienne une quantité déterminée de silicate d'éthyle.
Pour une lampe à incandescence de 100 watts, dont l'ampoule a un volume d'environ 170 cm3 et une surface de pa- roi d'environ 175 cm2, l'obtention d'une couche de densité'sa- tisfaisante nécessite 1,5 à 2 g de silicate d'éthyle, pour autant que celui-ci brûle entièrement dans l'ampoule. Il suffit d'amener environ 100 cm3 d'oxygène par seconde et la vitesse de rotation de l'ampoule doit être d'environ 70 tours par minute.
Comme le montre la fig.l, le support creux 5 est porté par un palier 6, et est entraîné par une courroie 7 et une
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poulie 8. Le tube 6 est supporté d'une manière réglable par un bras 9 qui, tout comme le palier 6, est fixé sur un socle 10.
De préférence, le tube 3 est placé à une hauteur telle que le bouchon 1 se trouve approximativement au centre de l'ampoule.
La fig.2 montre une variante de ce dispositif; le bou- chon 1 y est remplacé par un godet 11, par exemple métallique, dont une saillie 12, prévue sur le fond, s'emboîte dans une gaine métallique 13 prévue à l'extrémité d'une tige 14, qui est supportée dans le tube 3. Le godet 11 contient une substance poreuse appropriée, par exemple de la poudre, et on peut utili- ser à cet effet le bioxyde de silicium qui se dépose à l'exté- rieur du tube. On verse le silicate d'éthyle dans le godet et on l'allume de la manière indiquée précédemment. Cet agencement permet de se contenter d'une plus petite quantité de silicate,, par exemple 1/2 g au lieu de 2 g comme dans le cas du dispositif représenté sur la fig.1.
Les figs.3 et 4 montuantune autre forme d'exécution du dispositif. Le brûleur y est constitué par un certain nombre de godets empilés 15,assez semblables à celui de la fig.2, avec cette différence cependant, que le fond de ces godets est ouvert.
Les fonds ouverts 16 constituent ici un certain nombre de cloi- sons. Le godet inférieur s'emboîte 'dans l'extrémité d'un tube assez mince 17 qui traverse la canalisation d'amenée d'oxygène 3. A sa partie inférieure, le tube 17 est raccordé à un tube 18, qui est lui-même raccordé à l'évacuation 19 d'un réservoir 20 dans lequel le niveau du liquide est constant. Ce niveau du com- posé combustible de silicium 21 dans le réservoir 20 se trouve, de préférence, au-dessus de l'extrémité du brûleur 15, et l'afflux de liquide vers le brûleur se règle, par exemple, à l'aide d'un robinet 22 inséré dans la. conduite d'évacuation 19.
L'oxygène est amené par un T 23 qui entoure le tube 17 et qui est fixé, à l'aide d'un manchon en caoutchouc 24, à l'ex-
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trémité Inférieure du tube 3. Un second manchon 25 relie le T au tube 17 de sorte que l'oxygène circule autour du tube 17.
Dans ce dispositif, représenté sur la fig.3, le-brûleur 15 fonctionne d'une manière permanente. La circulation d'oxygène 'autour du brûleur provoque une flamme assez courte qui se produit au godet supérieur et dont on peut régler la grandeur en modifiant la vitesse d'amenée de l'oxygène et du liquide.
Le bioxyde de silicium a tendance à se déposer au bord du brûleur 15 sous forme d'une gaine conique ou cylindrique.
On peut gratter ce dép8t. Dans le cas d'ampoules de lampes de 100 watts, il suffit d'amener 72 gouttes ou environ 3 cm3 de liquide par minute et environ 80 cm3 d'oxygène par seconde.
Chaque ampoule peut être exposée pendant environ 15 secondes à la fumée.
Les procédés décrits ci-dessus peuvent être facilement adaptés à la production en grande série sur une machine auto- matique munie d'un certain nombre de têtes correspondant à l'un des dispositifs montrés sur les fig.l, 2 ou 3 et disposées sur un plateau rotatif. L'opérateur desservant le dispositif n'a qu'à remplacer périodiquement les bouchons 2 ou les godets 11.
La fig.5 montre une lampe à incandescence de 100 W dont l'ampoule 4, en verre clair ou en verre dépoli intérieurement, peut être recouverte intérieurement d'une couche de bioxyde de silicium finement divisé 26.
Les ampoules conformes à l'invention présentent une propriété particulière: on peut modifier fortement l'épaisseur ou la densité de la couche appliquée, tout en conservant un éclairage très régulier, beaucoup plus régulier que celui ob- tenu avec des ampoules en verre opalin. En outre, la couche n'affecte pas le fonctionnement de la lampe et les ampoules noircissent moins rapidement que celles en verre clair ou dé- polies intérieurement.
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L'absence d'absorption est prouvée par des essais de durée sur des la.mpes à incandescence de 100 W, 120 V. Pendant ces essais on relevée pour une ampoule dépolie intérieurement de la manière décrite dans le brevet américain n .1.687.510, une efficacité lumineuse de 16/17 lumens par watt, tandis que pour une ampoule dépolie intérieurement et recouverte d'une couche de bioxyde de silicium, on relevé 16,50 lumens par watt.
Lors d'autres essais, la moyenne,pour un certain nombre de lam- pes dépolies intérieurement, fut de 16,55 tandis que, pour des lampes dépolies intérieurement et recouvertes d'une couche de silicium, la valeur moyenne de Inefficacité lumineuse fut de 16,41 lumens par watt. Dans un troisième essai, tant pour les lampes à ampoule en verre clair que pour celles à ampoule inté- rieurement dépolies et celles à ampoule intérieurement dépolies et recouvertes d'une couche de bioxyde de silicium, on releva comme efficacité lumineuse initiale 15,06 lumens par watt. Ceci prouve qu'on peut fabriquer des ampoules entièrement diffuses sans pertes de lumière.
La couche réalisée par le procédé spécifié ci-dessus a un poids de 40 à 80 mg. Bien qu'une telle couche présente une excellente diffusion, en particulier lorsqu'elle est appliquée sur une ampoule dépolie intérieurement, on a réalisé, à titre d'essai, des lampes munies de couches de bioxyde de silicium particulièrement épaisses, pour déterminer le moment où se pro- duirait de l'absorption. A cet effet, on répéta le traitement à sept reprises, et on obtint ainsi des couches d'un poids com- pris entre 280 et 560 mg, ce qui correspond à une densité de 1,5 à 3 g par cm2. On constata que pour six lampes, à ampoules dépo- lies intérieurement, le nombre moyen de lumens par lampe était de 1699 et l'efficacité lumineuse moyenne de 16,60 lumens par watt.
Pour des lampes à ampoules en verre clair, comportant sept couches de bioxyde de silicium, le nombre total moyen de lumens
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était de 1606 et le nombre de lumens par watt de 15,73. Pour 6 lampes, à ampoule dépolie intérieurement et comportant sept couches, ces valeurs étaient respectivement de 1616 lumens et de 15,79 lumens par watt. Ces résultats prouvent que les pertes totales sont en moyenne de 93 lumens ou 5,5% dans le cas d'am- poules claires recouvertes et de 83 lumens ou 4,9% dans le cas d'ampoules recouvertes dépolies intérieurement. La perte moyenne en lumens par watt était respectivement de 0,87 et 0,81 ou
5,3 et 4,9%.
La surface effective de la paroi, c'est-à-dire de la partie de l'ampoule au-dessus du plan S-S sur la fig.5,est d'environ 175 cm2, de sorte que, pour un poids total de 40 à
80 mg, la densité de la couche est de 0,2 à 0,6 mg par cm2. De bons résultats peuvent ependant déjà s'obtenir avec une couche de 20 mg, ce qui correspond donc à une densité de 0,1 mg par cm2.
La forte diffusion,que présentent les lampes conformes à l'invention, est montrée sur la fig.6, par les courbes de brillance de lampes de 100 watts à filament de tungstène du type représenté sur la fig.5; ces courbes traduisent les résultats des mesures de la brillance vue suivant une direction horizon- taie et exprimée en bougies par cm2; cette grandeur est portée en ordonnées tandis qu'en abscisses, on a porté la distance exprimée en cm, jusqu'au sommet de la lampe. Ces mesures peuvent s'effectuer dans le plan vertical passant par l'axe de la lampe et des fils d'alimentation.
La courbe A est relative à une am- poule dépolie intérieurement, la courbe B à une ampoule claire recouverte de bioxyde de silicium, la courbe C à une ampoule dont la paroi est intérieurement dépolie et recouverte d'une couche de bioxyde de silicium. Cette courbe montre que, dans le second cas, la brillance maximum est environ égale à 38% de celle obtenue dans le premier cas et que celle obtenue dans le troisième cas n'est que de 6% de celle obtenue dans le premier
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cas. Dans le second cas, la brillance maximum est donc environ égale à un tiers et dans le second cas elle n'est que de un seizième de la brillance obtenue dans le premier cas, sans qu'il en résulte un recul perceptible de Inefficacité lumineuse.
Comme la brillance maximum de lampes à ampoule dépolie intérieurement est inférieure à 4,5% de celle des lampes à ampoule claire, il en résulte que la brillance maximum des lampes dans le second et le troisième cas (courbes B et C) est inférieure à 2%, res- pectivement 0,3% de celle de lampes à ampoules claires, ce qui est confirmé d'ailleurs par des essais.
D'essais effectués sur des lampes de 100 watts, du même type que celui-ci décrit ci-dessus:, sauf qu'elles comportent des ampoules claires, il ressort que leur brillance maximum moyenne est de 1289 bougies par cm2. Il en résulte que la bril- lance maximum de lampes à ampoules claires recouvertes de bioxyde de silicium et d'ampoules dépolies intérieurement, aussi recou- vertes de bioxyde de silicium, est d'environ 0.9% respectivement 0,15% de celle des lampes à ampoules claires.
La fig.7 montre la distribution spectrale du rayonne- ment, perpendiculairement au plan passant par les fils d'alimen- ta,tion de la lampe de 100 watts à filament de tungstène avec et sans recouvrement de bioxyde de silicium. La courbe B concerne une lampe dépolie intérieurement,la courbe E une lampe dépolie intérieurement et recouverte d'une couche de bioxyde de sili- cium, tandis que la courbe F concerne une lampe à ampoule claire recouverte d'une couche de bioxyde de silicium. On voit nette- ment que la distribution spectrale est pratiquement la même dans les trois cas.
L'effet d'une variation de l'amenée d'oxygène,, donc de la forme de la flamme, sur la grandeur des particules est montré par les résultats obtenus à l'aide d'ampoules de lampes de 100 watts, recouvertes à l'aide du dispositif montré sur les fig.3
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et 4. Dans un cas, la quantité de silicate d'éthyle était de 120 gouttes par minute, et la quantité d'oxygène de 468 cm3 par seconde, tandis que l'ampoule restait exposée pendant 30 secon- des à l'action de la fumée. La quantité déposée était de 41 mg; les particules avaient un diamètre moyen de 2400 pour un dia- mètre maximum de 4500 et un diamètre minimum inférieur à 40 .
Dans un autre cas, la quantité de silicate d'éthyle était de 120 gouttes par minute, la quantité d'oxygène de 107 cm3 par seconde et la durée d'exposition de 30 secondes; le poids de la couche déposée était de 40 mg et le diamètre moyen des particu- les était de 4300 pour un diamètre maximum de 7150 et un diamètre minimum de 100 . La dernière ampoule était plus diffuse que la première et comportait en fait une quantité de bioxyde de silicium plus grande que celle nécessaire pour obtenir une bonne diffusion.
Dans le cas d'une ampoule réalisée à l'aide du disposi- tif tel que montré sur la fig.l, la grandeur moyenne des parti- cules était de 3400 î pour un maximum de 6000 et un minimum de 30 .
La fréquence de l'existence de particules d'une grandeur déterminée est approximativement indiquée sur la fig.10.
La fig. 8 montre une application de l'invention à une lampe à décharge dans la vapeur de mercure à haute pression décrite dans le brevet américain n .2.094.694. L'ampoule 31 ren- ferme une lampe à arc au quartz 32.
La fig.9 montre l'application de l'invention à un verre de protection 33 qui entoure une lampe 34. Dans ce cas, la couche de bioxyde de silicium 35 peut être appliquée sur la surface intérieure du verre de protection 33 avec intervention d'un liant approprié tel qu'un vernis clair, du verre soluble etc. pour éviter l'enlèvement par frottement de la couche.
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Object in translucent material, and process for its manufacture.
The invention relates to objects made of translucent material, in particular glass objects coated with a layer of material which diffuses light. These objects are used in lighting, for example, as light bulbs for incandescent lamps. The invention further relates to methods and devices for manufacturing such objects.
Until now, diffuse bulbs have been made of opaline glass, a glass which is made diffuse by the addition of fluorides or phosphates. This glass is expensive and in addition, it absorbs a lot of light. Thus, in the bulbs, sufficiently diffuse to mask the light source, the filament for example, this absorption reaches 25 to 30%. Also, this absorption is not uniform, because the bulb is not the same thickness everywhere, so the radiated light is / weak and unevenly distributed.
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There are also diffuse bulbs covered on the outside with a layer of enamel. These coatings are themselves quite expensive and also absorb a lot of light (white enamels absorbing at least 10%). In addition, these outer layers clog quickly. Applying these layers of enamel to the inside of the lamp wall has hardly given any results, since absorption remains and the lamp becomes dirty internally.
The most commonly used diffuse bulb is the one with the inside of the wall frosted by acid bite.
Its manufacture is very cheap; moreover, this lamp ensures good diffusion while causing only weak absorption.
Among other things, the invention makes it possible to further improve the diffusion and reduce the absorption, these results being able to be obtained very simply and at little cost.
According to the invention, the diffusing layer consists of very small particles of silicon dioxide.
The description of the appended drawing, given by way of non-limiting example, will make it clear how the invention can be implemented, the features which emerge both from the text and from the drawing, of course, forming part of the invention.
Fig.1 is an elevational view of a device used to internally cover a bulb with a diffusing layer.
Fig. 2 shows a section of a burner that can be used in this device.
FIG. 3 shows another embodiment of such a device, while FIG. 4 shows in section, and on a larger scale, the burner used in this device.
Fig. 5 shows partially in elevation and partially in section an incandescent lamp provided with a diffused layer.
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seuse according to the invention.
Figures 6 and 7 give characteristics of certain properties of these incandescent lamps.
FIG. 8 shows partially in elevation and partially in section another embodiment of a lamp according to the invention.
Fig. 9 schematically shows, partially in elevation and partially in section, a lighting apparatus according to the invention.
FIG. 10 shows a curve which gives the relationship between the size of these particles and their frequency of existence in a layer according to the invention.
The description of the peculiarities and properties of the layer constituted, according to the invention, of small silicon particles, will be preceded by a description of the production of such a layer. According to the invention, the layer can be obtained by producing a smoke consisting of very small particles of silicon dioxide and by capturing these particles on an object, for example on the inside of the bulb of a lamp. electric incandescent.
Smoke can result from chemical decomposition, for example from the combustion of a silicon compound.
The density of the applied layer or its weight per square centimeter will obviously depend on the nature and condition of the surface as well as on the composition of the object covered.
Further, the diffusion and absorption properties of the layer depend on the dimensions of the silicon dioxide particles.
It has been found that the density of strongly diffused layers, but which absorb only little light, can be between 0.08 and 3 grams of silicon dioxide per cm 2.
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It has further been found that in order to obtain these good properties it is desirable that the average particle diameter be between 0.2 and 0.6 microns. The diameters of the particles themselves are then essentially between 0.9 microns and 30 A (1 micron = 10000 In electric incandescent lamps, provided with such layers, which ensure satisfactory diffusion and cause only minimal absorption, particle diameters ranged from less than 30 to 7050.
By average diameter is meant here the average size of the particles relative to the surface area, therefore the imaginary diameter that all the particles of a certain sample should have, in order to obtain the same surface area and the same volume as the particles of sample. This average diameter is given by Inequation: d3 = @ nd3 of n d2 in which n is the number of particles of a certain category - classified by order of magnitude - and d the characteristic diameter of this category.
In certain lamps according to the invention, there exists between the size of the particles and their frequency a relation such as shown in figure 10, obtained by plotting on the ordinate the percentage of particles of a category. and on the abscissa, the characteristic diameter of this category. Further details about this analysis can be found in "Chamot & Mason," Handbook of Chemical Microscopy ", Volume I, 2nd Edition, pages 416-419 (edited by John Wiley & Sons Inc, in 1938).
The arithmetic mean diameter of the particles is obviously smaller than the mean diameter d3 defined above - which is referred to the surface.
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In the layers produced by a process in accordance with the invention, the particles of dimensions smaller than the wavelength of visible light, and therefore smaller than about 4000, are predominant in number.
Using the electron microscope, we determined the size of the particles that provide maximum scattering for minimum absorption. These observations have shown that silicon dioxide particles are essentially spherical and occur in the non-crystalline or amorphous form.
It has been found possible to obtain such a strong diffusion that the maximum brightness of a clear glass bulb provided with a layer in accordance with the invention is between a fraction of one percent and a few percent of the maximum brightness of the naked lamp. On the other hand, if the bulb has been frosted in advance internally by acid bite, the maximum brightness is only a small fraction of one percent of the maximum brightness of the untreated lamp.
The size of the particles is influenced, among other things, by the following factors: concentration of the silicon compound, temperature of the flame or of the direct environment thereof, density of the smoke, rate of cooling of the products. , gaseous combustion or smoke and the concentration of oxygen in the gas that sustains combustion or oxygen content of that gas.
The silicon dioxide particles provided by the decomposition of the combination of silicon and captured on the surface of the object form a well-adherent layer containing no harmful compounds, not even chemically fixed water. Although the layer can be removed with the fingers, the adhesion is however more than sufficient to withstand vibrations or rather rough handling, so that it is superfluous to use a binder which could cause damage to the lamp. harmful impurities. However, in accordance with
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According to the invention, the adhesion can be improved by exposing the layer for a period of time to the effect of a current.
It is good to use silicon compounds which have no other atoms than silicon, carbon, hydrogen and oxygen, for example ethyl orthosilicate which is an oily liquid. . Other compounds which can be used are, for example, silicomethane, silicoethane, silicopropane ,. silicobutane, silicopentane, bisiloxane, methyl silicate, methyl silicone, methyl t- tracilican, methyl ethoxytrisilican and similar products, the enumeration of which given above is therefore in no way limiting.
In general, it is not desirable to use compounds having too many organic substances as these can cause carbon deposition. Certain gaseous compounds such as silicon hydride, silicanes or silanes which only contain silicon and hydrogen, can spontaneously ignite on contact with air or oxygen. Therefore, when applying a layer in an ampoule, it is good to have a suitable burner in the ampoule and when such a combination is put in the presence of oxygen, it ignites. . The density of the layer can be controlled by controlling the feed of the compound.
According to another method, one can impregnate a wick with a volatile liquid compound, for example of ethyl silicate and burn the compound inside the bulb in the presence of an influx of air or oxygen which is used to maintain combustion and to remove combustion products, except silicon dioxide.
When the coating is used in lamp bulbs, good results are obtained with clear glass bulbs and even better results when using an am-
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hen frosted internally, for example by acid bite as described in US Pat. No. 1,687,510.
As shown in fig.l, the burner or the wick may consist of a ball or a plug of glass wool rolled up at the end of a wire 2. The plug is immersed in ethyl silicate and the wire 2 is introduced into a tube 3 through which gas containing oxygen is blown. Preferably, pure oxygen will be supplied rather than air to promote complete combustion and subdivision of the red particles, which avoids the precipitation of the silicon dioxide into flakes. We light the cap which we cover with the bulb 4; this bulb is rotated on a hollow tubular support 5 which surrounds the tube 3, and which ends at the top with a thin elastic neck which surrounds the bulb.
A thick white smoke is then formed consisting of silicon dioxide, water vapor and carbonic acid; the silicon dioxide is precipitated, on the interior wall of the ampoule, in the form of a thin, well-adherent layer while the water vapor and carbonic acid are evacuated through the interior of the support 5. The The density of the layer can be adjusted by removing the bulb after a certain time or by ensuring that the stopper 1 contains a determined amount of ethyl silicate.
For a 100 watt incandescent lamp, the bulb of which has a volume of about 170 cm3 and a wall area of about 175 cm2, obtaining a layer of satisfactory density requires 1, 5 to 2 g of ethyl silicate, as long as it burns completely in the ampoule. It suffices to supply about 100 cm3 of oxygen per second and the speed of rotation of the bulb should be about 70 revolutions per minute.
As shown in fig.l, the hollow support 5 is carried by a bearing 6, and is driven by a belt 7 and a
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pulley 8. The tube 6 is supported in an adjustable manner by an arm 9 which, like the bearing 6, is fixed on a base 10.
Preferably, the tube 3 is placed at a height such that the stopper 1 is located approximately in the center of the ampoule.
Fig.2 shows a variant of this device; the stopper 1 is replaced there by a cup 11, for example metallic, of which a projection 12, provided on the bottom, fits into a metallic sheath 13 provided at the end of a rod 14, which is supported in the tube 3. The well 11 contains a suitable porous substance, for example powder, and for this purpose the silicon dioxide which settles on the outside of the tube can be used. The ethyl silicate is poured into the well and it is ignited in the manner indicated above. This arrangement makes it possible to be satisfied with a smaller quantity of silicate, for example 1/2 g instead of 2 g as in the case of the device shown in fig.1.
Figs.3 and 4 montuantune another embodiment of the device. The burner therein consists of a number of stacked cups 15, quite similar to that of FIG. 2, with the difference, however, that the bottom of these cups is open.
The open funds 16 here constitute a certain number of partitions. The lower cup fits into the end of a fairly thin tube 17 which passes through the oxygen supply line 3. At its lower part, the tube 17 is connected to a tube 18, which is itself connected to the outlet 19 of a tank 20 in which the liquid level is constant. This level of the silicon fuel compound 21 in the reservoir 20 is preferably located above the end of the burner 15, and the flow of liquid to the burner is regulated, for example, by means of a tap 22 inserted into the. discharge pipe 19.
The oxygen is supplied by a T 23 which surrounds the tube 17 and which is fixed, by means of a rubber sleeve 24, to the ex-
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Lower end of tube 3. A second sleeve 25 connects the T to tube 17 so that oxygen circulates around tube 17.
In this device, shown in Fig.3, the burner 15 operates permanently. The circulation of oxygen 'around the burner causes a fairly short flame which occurs in the upper cup and the magnitude of which can be regulated by modifying the speed of supply of the oxygen and the liquid.
Silicon dioxide tends to settle at the edge of the burner 15 in the form of a conical or cylindrical sheath.
We can scratch this deposit. In the case of 100 watt lamp bulbs, it is sufficient to supply 72 drops or about 3 cm3 of liquid per minute and about 80 cm3 of oxygen per second.
Each bulb can be exposed to smoke for approximately 15 seconds.
The processes described above can be easily adapted to mass production on an automatic machine provided with a number of heads corresponding to one of the devices shown in Figs. 1, 2 or 3 and arranged on a turntable. The operator serving the device need only periodically replace the caps 2 or the cups 11.
Fig. 5 shows a 100 W incandescent lamp, the bulb 4 of which, in clear glass or in frosted glass on the inside, can be covered on the inside with a layer of finely divided silicon dioxide 26.
The bulbs in accordance with the invention have a particular property: it is possible to greatly modify the thickness or the density of the applied layer, while maintaining very regular lighting, much more regular than that obtained with opaline glass bulbs. In addition, the coating does not affect the operation of the lamp and the bulbs darken less quickly than those made of clear glass or internally etched.
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The absence of absorption is proved by duration tests on incandescent lamps of 100 W, 120 V. During these tests one noted for a bulb frosted internally in the manner described in the American patent n. 1,687,510. , a luminous efficiency of 16/17 lumens per watt, while for an internally frosted bulb covered with a layer of silicon dioxide, 16.50 lumens per watt were recorded.
In further tests the average for a number of internally frosted lamps was 16.55, while for internally frosted lamps coated with a silicon layer the average luminous efficiency value was 16.41 lumens per watt. In a third test, both for the lamps with clear glass bulb and for those with internally frosted bulb and those with internally frosted bulb and covered with a layer of silicon dioxide, the initial luminous efficiency was 15.06 lumens. per watt. This proves that one can manufacture entirely diffuse bulbs without loss of light.
The layer produced by the method specified above has a weight of 40 to 80 mg. Although such a layer exhibits excellent diffusion, especially when applied to an internally frosted bulb, lamps have been made, as a test, provided with particularly thick layers of silicon dioxide, to determine the timing. where absorption would occur. To this end, the treatment was repeated seven times, and layers with a weight of between 280 and 560 mg were thus obtained, which corresponds to a density of 1.5 to 3 g per cm 2. It was found that for six lamps, with bulbs removed internally, the average number of lumens per lamp was 1699 and the average luminous efficiency was 16.60 lumens per watt.
For lamps with clear glass bulbs having seven layers of silicon dioxide, the average total number of lumens
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was 1606 and the number of lumens per watt was 15.73. For 6 lamps, bulb frosted internally and having seven layers, these values were respectively 1616 lumens and 15.79 lumens per watt. These results prove that the total losses are on average 93 lumens or 5.5% in the case of coated clear bulbs and 83 lumens or 4.9% in the case of coated bulbs frosted internally. The average lumen loss per watt was 0.87 and 0.81, respectively, or
5.3 and 4.9%.
The effective wall area, that is, the part of the bulb above the SS plane in fig. 5, is about 175 cm2, so that for a total weight of 40 at
80 mg, the layer density is 0.2-0.6 mg per cm2. However, good results can already be obtained with a layer of 20 mg, which therefore corresponds to a density of 0.1 mg per cm2.
The strong diffusion exhibited by the lamps according to the invention is shown in fig.6, by the brightness curves of 100 watt tungsten filament lamps of the type shown in fig.5; these curves reflect the results of the measurements of the brightness seen in a horizontal direction and expressed in candles per cm2; this magnitude is plotted on the ordinate while on the abscissa, we plotted the distance expressed in cm, to the top of the lamp. These measurements can be made in the vertical plane passing through the axis of the lamp and the power supply wires.
Curve A relates to an internally frosted bulb, curve B to a clear bulb covered with silicon dioxide, curve C to a bulb whose wall is internally frosted and covered with a layer of silicon dioxide. This curve shows that, in the second case, the maximum brightness is approximately equal to 38% of that obtained in the first case and that that obtained in the third case is only 6% of that obtained in the first.
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case. In the second case, the maximum brightness is therefore approximately equal to one third and in the second case it is only one sixteenth of the brightness obtained in the first case, without this resulting in a perceptible decrease in luminous efficiency.
As the maximum brightness of lamps with internally frosted bulb is less than 4.5% of that of lamps with clear bulb, it follows that the maximum brightness of lamps in the second and third cases (curves B and C) is less than 2%, respectively 0.3% of that of lamps with clear bulbs, which is confirmed moreover by tests.
Tests carried out on 100 watt lamps, of the same type as the one described above:, except that they include clear bulbs, it appears that their average maximum brightness is 1289 candles per cm2. As a result, the maximum brightness of lamps with clear bulbs coated with silicon dioxide and internally frosted bulbs, also coated with silicon dioxide, is about 0.9% respectively 0.15% of that of lamps. with clear bulbs.
Fig. 7 shows the spectral distribution of the radiation, perpendicular to the plane passing through the power wires of the 100 watt tungsten filament lamp with and without silicon dioxide coating. Curve B concerns an internally frosted lamp, curve E an internally frosted lamp covered with a layer of silicon dioxide, while curve F concerns a lamp with a clear bulb covered with a layer of silicon dioxide. We can clearly see that the spectral distribution is practically the same in all three cases.
The effect of a variation in the supply of oxygen, therefore of the shape of the flame, on the size of the particles is shown by the results obtained with the aid of 100 watt lamp bulbs, covered with using the device shown in fig. 3
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and 4. In one case, the amount of ethyl silicate was 120 drops per minute, and the amount of oxygen was 468 cc per second, while the ampoule was left exposed for 30 seconds to the action of. smoke. The amount deposited was 41 mg; the particles had an average diameter of 2400 for a maximum diameter of 4500 and a minimum diameter of less than 40.
In another case, the amount of ethyl silicate was 120 drops per minute, the amount of oxygen was 107 cm3 per second, and the exposure time was 30 seconds; the weight of the deposited layer was 40 mg and the average particle diameter was 4300 for a maximum diameter of 7150 and a minimum diameter of 100. The last bulb was more diffuse than the first and in fact had a larger amount of silicon dioxide than needed to achieve good diffusion.
In the case of an ampoule made using the device as shown in fig. 1, the average particle size was 3400% for a maximum of 6000 and a minimum of 30.
The frequency of the existence of particles of a certain size is approximately indicated in fig. 10.
Fig. 8 shows an application of the invention to a high pressure mercury vapor discharge lamp described in U.S. Patent No. 2,094,694. The bulb 31 contains a quartz arc lamp 32.
Fig.9 shows the application of the invention to a protective glass 33 which surrounds a lamp 34. In this case, the layer of silicon dioxide 35 can be applied to the inner surface of the protective glass 33 with the intervention of 'a suitable binder such as clear varnish, water glass etc. to prevent rubbing off of the diaper.