<Desc/Clms Page number 1>
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..
<Desc/Clms Page number 2>
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-
<Desc/Clms Page number 3>
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.
<Desc/Clms Page number 4>
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.
<Desc/Clms Page number 5>
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
<Desc/Clms Page number 6>
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-
<Desc/Clms Page number 7>
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
<Desc/Clms Page number 8>
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-
<Desc/Clms Page number 9>
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.
<Desc/Clms Page number 10>
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
<Desc/Clms Page number 11>
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
<Desc/Clms Page number 12>
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
<Desc/Clms Page number 13>
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.