Dispositif à décharge électrique à courant alternatif. La présente invention concerne un dis positif à décharge électrique à courant alter natif, comprenant deux anodes à surface re lativement grande, ce dispositif pouvant être rempli par exemple d'une ou plusieurs va peurs de métaux solides à la température ordinaire ou d'un mélange d'une ou plusieurs de ces vapeurs avec un gaz pour amorcer une décharge, ce gaz appartenant de préfé rence à la série des gaz rares.
On a trouvé que le dispositif suivant l'in vention peut être réalisé de manière à per mettre l'emploi avantageux d'une vapeur fa cilement condensable telle que celle d'un métal alcalin, par exemple du sodium.
On a déjà proposé des lampes à décharge luminescente à, vapeur de sodium et il est connu qu'un grand nombre de ces lampes a été établi, particulièrement pour l'emploi de courant continu. en vue d'obtenir le rende ment lumineux requis. On a toutefois cons taté que les lampes établies jusqu'à main- tenant donnent un rendement insuffisant lorsqu'elles sont alimentées de courant alter natif.
De telles lampes à vapeur de sodium fournissent, lorsqu'elles sont alimentées d'un courant continu d'environ 0,25 ampère par cm= de surface d'anode, un débit relative ment élevé eu lumens par watt. Quand on a essayé d'arranger ces lampes pour l'emploi avec du courant alternatif, on a trouvé qu'on obtenait seulement environ un tiers de l'in tensité lumineuse avec la même intensité de courant, le rendement étant rapporté à l'éner gie requise par la décharge luminescente à elle seule.
Pour se rendre compte du but poursuivi dans le développement du présent dispositif, on peut partir du fait qu'une lampe à vapeur de sodium s'est trouvée, à l'essai, présenter un rendement maximum pour une alimenta tion totale d'environ 80 watts, le rendement décroissant après que ce maximum est atteint. L'existence d'un rendement maximum s'explique par le fait que le rendement lumi neux de la décharge à travers la vapeur de sodium croît lors du décroissement de la den sité de courant, ce qui paraît être une consé quence de la réabsorption de la lumière par les vapeurs de sodium.
On a trouvé que si une lampe à sodium est placée derrière un écran avec un trou dans celui-ci de façon qu'on peut mesurer le débit en lumière de la lampe, et si l'on place une autre lampe à sodium allumée en face dudit trou, on ne peut apercevoir que la lumière de la lampe devant l'écran et non pas la lumière totale fournie par les deux lampes. La lampe se trouvant devant l'écran absorbe pratique ment toute la lumière de celle qui se trouve derrière l'écran.
Une grande partie de la lumière fournie par les lampes à sodium provient de très près de la surface de l'ampoule. Il serait donc avantageux, si l'on pouvait maintenir la lampe assez chaude dans ces conditions, de maintenir un courant de par exemple un dixième d'ampère au lieu de par exemple cinq ampères, comme d'usage, ce qui permet trait, vraisemblablement, d'obtenir un rende ment lumineux de 200 lumens par watt ou davantage pour la décharge à elle seule.
La lampe suivant l'invention se rapproche de cette condition, attendu que, grâce à l'arran gement prévu, on est à même de disposer d'une faible densité de courant, la répartition convenable de la chaleur étant aussi rendue plus facile, ce qui permet d'obtenir un dispo sitif à courant alternatif fonctionnant avec un rendement relativement élevé.
Lorsqu'un dispositif à courant alternatif est construit avec deux anodes constituées chacune comme dans les meilleurs dispositifs à courant continu; on a trouvé que le meil leur rendement était d'environ 30 lumens par watt. Dans le dispositif suivant l'invention, on a employé deux anodes dont chacune est divisée en deux ou plusieurs éléments d'a node, avec le résultat qu'on peut obtenir un rendement d'environ 50 lumens par watt.
Des formes d'exécution de l'objet de l'in vention sont représentées, à titre d'exemple, au dessin annexé, dans lequel: La fig. 1 montre une première forme d'exécution de la lampe avec deux paires d'anodes concentriques et une cathode chaude, en élévation latérale, l'enveloppe étant repré sentée en coupe verticale; La fig. 2 en montre une coupe transver sale suivant la ligne II-II de la fig. 1; La fig. 3 en montre une coupe transver sale suivant la ligne III-III de la fig. 1;
La fig. 4 montre une coupe verticale d'une seconde forme d'exécution de la lampe avec deux paires d'électrodes disposées aux extrémités opposées d'une enveloppe et une cathode chaude disposée centralement; La fig. 5 en est une coupe transversale suivant la ligne V-V de la fig. 4; La fig. 6 est une coupe similaire à la fig. 5, mais montrant une paire d'anodes en forme de sections de spirale disposées l'une dans l'autre; La fig. 7 montre en coupe une paire d'a nodes formées de fils ou tiges courbées de façon à former plusieurs parties rectilignes en différents plans;
La fig.'8 est une vue partielle schémati que d'une construction semblable à celle qui est représentée à la fig. 4, la direction du courant étant indiquée en lignes pointillées; La fig. 9 est une vue d'une construction présentant la même disposition d'anodes que celle montrée à la fig. 4, mais comportant des connexions transversales entre les anodes afin d'obtenir un chemin de courant comme indiqué en pointillé; La fig. 10 est une coupe suivant la ligne X-X de la fig. 9;
La fig. 11 est une coupe similaire à la fig. 1.0 d'une lampe à, cathode à chauffage indirect; La fig. 12 est une coupe verticale d'une autre forme d'exécution, dans laquelle plu sieurs anodes sont disposées de façon à en tourer la cathode, pour fournir une large zone de luminescence; La fig. 7.3 montre un schéma de con nexion de la cathode et des anodes dans la forme d'exécution suivant la fig. 12.
La forme d'exécution du dispositif repré sentée aux fi-. 1 à 3 comporte une ampoule 1 dans laquelle un tube d'entrée ? scellé au col de l'ampoule porte un bloc 3. Dans celui-ci sont fixés les fils d'entrée ou con ducteurs 4, 5, 6 et 7. Les fils 4 et :5 passent par le bloc 3 et sont reliés aux extrémités opposées d'un élément de chauffage en forme d'une bobine hélicoïdale 8 dont la construc tion sera décrite plus loin.
Les fils d'entrée 6 et 7 passent par le bloc 3 et sont fixés à des bouts de tige 9' et 10' qui sont fixés à leur tour aux tiges de support il.' et 12'. Les bouts 9' et 1.0' sont disposés de façon à constituer des poin tes pour amorcer la décharge luminescente. lies pointes d'amorçage 9' et 10' sont repré sentées sous forme de pièces métalliques en saillie, mais elles pourraient aussi être cons tituées par des surfaces nues des tiges de support disposées l'une en face de l'autre. c'est-à-dire que les tiges de support 11' et 1.2' peuvent être recouvertes d'une douille isolante, comme représenté, à l'exception d'une partie de chaque tige, en face de la cathode, qui peut être nue pour servir d'élec trode d'amorçage.
La tige de support 11' a une électrode relativement petite 13', en forme de mince anneau cylindrique, fixée à sa partie infé rieure et une électrode relativement grande 14' fixée à son extrémité supérieure. Ces électrodes, qui sont électriquement reliées en tre elles, constituent les éléments dont l'en semble forme l'une des anodes du dispositif.
La tige de support 12' a une électrode relativement grande<B>15"</B> fixée à son extré mité inférieure et une électrode relativement petite 16" fixée à son extrémité supérieure. Ces électrodes qui sont également reliées électriquement entre elles constituent les élé ments dont l'ensemble forme l'autre anode du dispositif.
Afin de renforcer l'ensemble des éléments d'anode, les tiges 9' et 10' s'étendent à tra- vers les électrodes supérieures et sont reliées par un accouplement isolant 17'. Les tiges <B>il'</B> et 12' sont isolées au moyen de douilles, par exemple en corindon ou en magnésie, pla cées sur des parties entre les pointes d'amor- ça.ge et les électrodes. Aux fig. 1 à 3, les électrodes sont cylindriques et coaxiales. On pourrait, toutefois, employer d'autres formes pour les électrodes, comme représenté dans les autres figures.
Etant donné qu'il est nécessaire de main tenir dans le dispositif une température rela tivement élevée pour maintenir le sodium à l'état de vapeur, il est désirable de munir l'ampoule 1 d'une chambre à vide 18' qui l'entoure, ce qui peut être réalisé en forme d'un récipient à double paroi établi de façon à entourer l'ampoule. Le récipient est main tenu en place par une garniture 19' qui sert à, obturer l'entrée de l'interstice entre la chambre à vide 18' et l'ampoule 1 pour y . empêcher le passage d'air frais. La chambre 18' représentée aux fig. 1 à 3 peut aussi être employée dans les autres constructions repré sentées.
Le dispositif peut être alimenté au moyen d'un transformateur 20'. L'enroulement pri maire 21' du transformateur est relié à des conducteurs \??' et 23' alimentés par une source de courant non représentée, livrant l'énergie sous une tension de réseau usuelle, de, par exemple, 110 à 115 volts. Le trans formateur est muni dans cette construction d'un enroulement secondaire 24' afin d'ob tenir ainsi une tension relativement basse pour l'élément de chauffage 8. D'une part, l'enroulement 24' est relié par l'intermédiaire d'un conducteur \?5' au fil d'entrée 4 de l'élé ment de chauffage 8 et, d'autre part, au moyen d'un conducteur 26' au fil d'entrée 5 de l'élément de chauffage.
Une tension rela tivement élevée, de par exemple 30 à 50 volts pour chaque moitié de l'enroulement, est fournie par l'enroulement secondaire 27' qui est relié d'une part par l'intermédiaire d'un conducteur 28' au fil d'entrée 6 conduisant :a, l'anode 13', 14'; d'autre part, l'enroulement ?7' est relié par l'intermédiaire d'un condue- leur 29' au fil d'entrée 7 conduisant le cou rant à l'anode 15", 16".
Il est désirable d'aplatir l'onde du cou rant alternatï.f afin d'obtenir un fonctionne ment efficace, ce qui peut être réalisé comme ici au moyen d'une bobine de self 30', bien qu'il serait aussi possible d'employer dans le même but, par exemple, un transformateur à fuite. En aplatissant ainsi l'onde du courant alternatif, on peut réduire la durée des in tervalles sans décharge luminescente, entre les alternances, et par là lé vacillement de la lumière.
Dans la construction représentée à la fig. 1, les éléments d'anode à potentiels op posés 13' et 15" entourent le tube d'entrée, ce qui permet d'obtenir une ampoule ne com portant pas de poches qui pourraient subir un refroidissement donnant lieu à des con densations de vapeurs. Dans d'autres cons tructions décrites par la suite, il est néces saire de prévoir une poche fermée renfermant le tube d'entrée. Dans la construction repré sentée à la'fig. 1, on peut éviter la poche et on obtient un dispositif plus compact.
On a trouvé, toutefois, qu'il est désirable, en vue d'empêcher un chauffage exagéré du bloc 3, de recouvrir le bloc 3 et le tube d'entrée 2 d'une douille protectrice 31' en nickel ou au tre métal protecteur afin de rendre uniforme la température pour éviter des différences de celle-ci qui pourraient faire sauter le bloc ou le tube d'entrée.
Le dispositif représenté peut être muni de pointes d'amorçage 9' et 10' comme repré senté à la fig. 1 ou être exempt de pointes comme représenté dans les autres figures. Il est toutefois préférable de prévoir les poin tes d'amorçage pour obtenir un amorçage ra pide avec des faibles tensions et elles peu vent être prévues dans toutes les autres cons tructions représentées.
Dans la construction représentée à la fig. 1, l'enroulement 24' sert à chauffer le filament; à peine celui-ci atteint sa tempéra ture d'émission, il se produit une décharge préalable entre les pointes d'amorçage 9' et 10' et le filament, à travers le néon ou autre gaz rare prévu à cet effet. De bons résultats ont été obtenus par exemple en employant du néon sous une pression de 11/2 ou 2 mm de colonne de mercure. On peut aussi em ployer de l'argon, en choisissant alors une pression deux ou trois fois plus faible.
Les vapeurs de sodium dans l'ampoule atteignent alors rapidement la densité nécessaire pour donner lieu à la décharge luminescente pré vue à la tension de travail du dispositif.
Lorsqu'une décharge a été amorcée, elle continue entre les éléments d'anode 13' et 1-l' et la cathode 8 pendant une demi-période et entre les éléments d'anode 15" et 16" et la cathode 8 pendant l'autre demi-période du courant alternatif.
Grâce au fait que les anodes sont divisées en éléments 13', 14' et, respectivement, 15", 16", il est possible, comme susmentionné, de faire travailler le dispositif avec une densité de courant très faible. Avec un courant par exemple de cinq ampères, le courant se répar tit de façon que, grâce à la surface relative ment grande des électrodes, la densité de cou rant reste assez petite pour que le résultat poursuivi soit atteint.
Les fig. 4, 5 et 8 montrent une autre forme d'exécution avec une ampoule 10 ayant un col 11, un bloc 12 et un tuyau d'évacua tion 13. L'enveloppe est munie d'une ca thode 14 qui peut être constituée par un fila ment enroulé en tungstène revêtu d'une ma tière thermioniquement active afin de fournir un flux d'électrons abondant. Des supports conducteurs 15 et 16 pénètrent dans l'am poule et sont fixés aux extrémités du fila ment afin de le supporter dans sa position centrale à l'intérieur de l'ampoule et de lui amener le courant. Ces supports sont isolés à l'aide de douilles 15' et 16' en verre ou autre matière appropriée.
Le dispositif est muni de paires d'élé ments d'anode 17, 18 et 19, 20. Les éléments d'anode 17 et 18 sont montés sur des bras 23 et 24 respectivement, s'étendant à partir d'une pièce de support conductrice 21 qui est isolée sur toute sa longueur, sauf, bien entendu, les endroits de prise de courant, au moyen d'une douille 22 en verre ou une autre matière électriquement non-conductrice. Ces éléments sont disposés symétriquement par rapport au plan horizontal passant par la cathode 24. L'élément 17 est situé dans la partie inférieure de l'ampoule et l'élément 18 dans la partie supérieure afin d'obtenir une répartition uniforme de la décharge à incan descence.
Les éléments d'anode 19 et 20 sont mon tés sur des bras 2 7 et 28 respectivement fixés sur une pièce de support conductrice 25. Cette pièce de support est isolée comme la pièce 21 par une douille isolante 26 similaire à, la douille 22. Ces éléments d'anode sont aussi disposés symétriquement par rapport au plan horizontal de la cathode 14. Dans la construction représentée, les éléments d'a node 18 et 20 sont situés dans la partie su périeure de l'ampoule, dans un même plan. Cette disposition des électrodes par rapport à la cathode assure une grande et uniforme répartition de la décharge luminescente et l'amène à la surface de l'ampoule afin d'ob tenir le meilleur rendement lumineux.
L'ampoule peut être remplie de vapeurs d'un métal alcalin tel que par exemple le sodium, potassium, caesium ou rubidium. Le sodium est toutefois le plus avantageux. Toutefois, parce que sa vapeur se condense facilement, pour empêcher les vapeurs d'at teindre les parties plus froides du col de l'ampoule, on a prévu une cloison de sépara tion '?9, par exemple en fibre. Cette cloison peut avoir un conduit tubulaire 31 pour l'évacuation.
Le dispositif est alimenté au moyen d'un transformateur<B>32.</B> L'enroulement primaire 32' du transformateur est relié aux conduc teurs 33 et 34 recevant le courant alternatif d'une source appropriée non représentée. Le transformateur est muni d'un enroulement secondaire 35 fournissant le courant au fila ment. D'une part, cet enroulement secondaire est relié, par l'intermédiaire d'un conducteur 36, à un fil d'entrée 37 relié au support cou. ducteur de filament 15. D'autre part, l'en -oulement 35 est relié, par l'intermédiaire 38. à un fil d'entrée 39, relié à son tour au sup port de filament 16.
Un enroulement secondaire 41 à. tension relativement élevée, de, par exemple 40 à, 50 volts, pour chaque moitié de cet enroule ment, est relié, d'une part, par l'intermédiaire d'un conducteur 42,à un fil d'entrée 43 con duisant au support 21. relié aux éléments d'anode 17 et 18. D'autre part, l'enroule ment 41 est relié par l'intermédiaire d'un conducteur 44 à. un fil d'entrée 45 condui sant au support 25 relié aux éléments d'a node 19 et 20.
L'enroulement 35 sert à chauffer le filament en provoquant ainsi une décharge préalable par suite de la présence d'une quantité de néon ou d'un autre gaz rare prévu à cet effet, après quoi les vapeurs de sodium se dégagent et une décharge se produit à travers ces vapeurs entre les élé ments d'anode 17 et 18 et la cathode pen dant une demi-période et entre les éléments d'anode 19 et 20 et la cathode pendant l'au tre demi-période. En vue de donner à l'onde du courant alternatif une forme telle que le courant arrivant à la cathode soit continu, on a prévu une bobine-tampon 40 reliée par l'intermédiaire du conducteur 35' au point milieu de l'enroulement secondaire 35 et par l'intermédiaire du conducteur 41' au centre de l'enroulement secondaire 41.
La disposition d'électrodes représentée aux' fig. 4 et 8 donne des résultats satisfai sants; mais si on le désire, la disposition peut être modifiée comme représenté aux fig. 9 et 10, où une pièce isolante 46 sert à porter une pièce de connexion conductrice 47 qui relie électriquement l'élément d'anode 20 avec la pièce de support conductrice 21 et une pièce de connexion 48 qui relie électriquement l'élé ment d'anode 18 à la pièce de support 25. Avec cette disposition, un courant passe pendant une demi-période entre les éléments 17 et 20 et la cathode 14, et pendant l'autre demi- période, le courant passe entre les éléments 18 et 19 et la cathode 14.
Les éléments d'anode représentés aux fig. 4 et 5 comportent une bande ondulée 49 en forme d'un tube aplati courbé suivant des surfaces d'arc, les ondulations servant à aug snenter l'aire; et autant que faire se peut, les éléments d'anode de la forme d'exécution des fig. 1 à 3 peuvent aussi être ondulés. Si on le désire, toutefois, on peut prévoir des élec trodes comme représenté à la fig. 6, qui sont constituées par des tiges ou bandes étroite de métal formées en spirale.
Une autre cons truction d'éléments d'anode est représentée à la fig. 7, suivant laquelle les anodes 52 sont constituées par des tiges ou fils recourbés, comprenant des parties rectilignes en regard les unes des autres. Les différentes formes d'éléments d'anode représentées sont toutes destinées à donner une décharge largement répartie.
La fig. 11 montre une variante, dans la quelle un filament de chauffage 53 est dis posé dans une douille 54 qui peut être recou verte d'une matière thermioniquement active. La cathode est ainsi du type à chauffage indirect et peut être employée lorsqu'une plus grande production d'électrons est dési rable.
La fig. 12 montre une autre forme d'exé cution de dispositif avec des anodes com prenant chacune un plus grand nombre d'élé ments, toujours en vue d'obtenir une bonne répartition de la décharge luminescente dans tout le dispositif, donnant lieu à un fonc tionnement à faible densité de courant. Le dispositif suivant la fig. 12 comporte une ampoule sensiblement sphérique 55 dont le col 56 est fixé de façon étanche sur un pied en verre ou une autre matière isolante s'éten dant dans l'ampoule et ayant à son extré mité une tête 58.
I:n filament 59 est supporté sur des fils de support fixés dans cette tête. Le filament consiste en une bobine hélicoïdale de fil de tungstène dont les extrémités sont reliées à des conducteurs d'entrée 61 et 62. Sur cette tête sont fixés, de façon à s'étendre radiale- ment, des fils de supports 63 se terminant par des éléments d'anode sphériques 64.
La construction des différents éléments d'anode et de leurs supports est similaire, mais leurs connexions électriques sont établies de façon qu'une partie de ces éléments constitue l'a node qui sert à conduire le courant pendant une moitié de la période et le reste constitue l'anode qui sert à conduire le courant pen dant l'autre moitié de la période.
La fig. 13 montre la disposition schéma tique des éléments d'anode et de leurs con nexions. Les deux ensembles d'éléments d'a node sont reliés au moyen de conducteurs 65 et 66 à un transformateur du même genre que ceux représentés aux fig. 1 et 4. Dans la disposition représentée à la fig. 13, les cir cuits sont tels que pendant une moitié de la période ce sont les éléments<I>A,</I> B, <I>D,</I> E et F, constituant l'une des anodes, qui fonctionnent et pendant l'autre moitié de période, les élé ments<I>G, II, I, J,</I> Ii et<I>L,</I> qui constituent ainsi l'autre anode.
Il est évident que par cette construction on obtient une grande et uniforme réparti tion de la décharge luminescente. Les diffé rentes constructions représentées aux fig. 1 à 13 peuvent être munies de chambres à vide comme représenté à la fi-. 1, afin de con server la chaleur et de maintenir la tempéra ture nécessaire à l'intérieur de l'ampoule.
Pour l'exécution pratique d'un dispositif selon la fig. 4, on peut employer une am poule ayant un diamètre d'environ 63 mm et une longueur de 10 cm mesurée à partir de la partie de col rétrécie jusqu'à l'autre extré mité de l'ampoule. Cette ampoule peut avoir, comme représenté, une forme générale cylin drique et arrondie à l'extrémité en face du col. L'ampoule peut être établie en un verre quelconque résistant au sodium.
On peut employer un filament qui de mande au fonctionnement deux volts et huit ampères pour obtenir des résultats satisfai sants. Ce filament peut être réalisé en en roulant un fil de nickel de 0,15 mm de dia mètre sur un fil de tungstène de 0,4 mm. Le fil de tungstène ainsi enveloppé est alors en roulé à la forme d'une hélice d'environ six tours ayant un diamètre intérieur d'environ 3 mm. On peut varier, bien entendu, ces di mensions, pour obtenir l'intensité et la ten sion désirée. Les extrémités de la bobine de fil de tungstène enveloppé servent de bornes et sont reliées aux conducteurs d'entrée de. la lampe. L'enroulement de nickel sert de support pour la masse thermionique.
Le fil de nickel enroulé sur le noyau de tungstène peut être revêtu d'une couche d'un mélange de carbonates composés, par exem ple, de quantités égales de carbonates de ba- rium et de strontium, dans le liant usuel formé d'une solution de nitrocellulose dans de l'acé- t:ate d'amyle.
Il est désirable que l'émissivité électronique du filament soit aussi élevée que possible et de bons résultats ont été obtenus avec des lampes dont le fil de tungstène en veloppé de fil de nickel était revêtu d'azo- ture de barium. Différents types de cathodes â, chauffage indirect (fig. 11) ont aussi été utilisés avec succès.
Les éléments d'anode (fig. 1. à 3) peuvent affecter la foi-trie d'anneaux en ruban de mo- lybdéne de<B>0.121</B> min d'épaisseur: les éléments d'anode des fi* 4, :5. f> peuvent aussi être en ruban de molybdène de la même épaisseur, On pourra disposer ces éléments à une dis tance de 9 à l ? rnm de l'extrémité de l'am- poule, ou de la cloison ?9 (fig. 4).
Les fils de support du système intérieur (le la lampe peuvent être recouverts de verre résistant au sodium ou d'isolateurs en corin don ou magnésie de façon que la décharge se produise sur les électrodes et non pas sur les supports.
Il est avantageux d'employer les pointes < l'amorçage comme représenté<B>à</B> la fi-.<B>1, ce</B> qui permet le fonctionnement de ces lampes avec des tensions relativement basses, de, par exemple, 45 volts pour chaque moitié de ? 7 (fig. 1).
Dans les formes d'exécution suivant les fi-. 4 et 12, une cloison métallique \39 est scellée transversalement dans le col de l'am poule, à une certaine distance des électrodes inférieures. Lorsqu'on emploie une telle cloi son de séparation. celle-ci peut être fixée à. l'aide d'un ciment constitué, par exemple, par (lu silicate de sodium et du kaolin. De préfz- rence, la cloison de séparation est fixée dans la partie la plus rétrécie du col de l'ampoule.
La cloison peut être munie d'un orifice ou d'un petit tube<B>31,</B> comme montré aux fig. 4 et 11, qui forme un conduit pour établir le vide.
A titre de renseignement, on donne les indications suivantes au sujet du procédé de fabrication préféré pour des lampes de ce genre.
Le vide dans la lampe sera établi par une évacuation soigneuse et lente, particulière ment lorsque le disque est fixé avec un ci ment au silicate de sodium afin d'éliminer la vapeur d'eau du silicate de sodium par le chauffage pendant l'évacuation.
La lampe sera recuite à fond, après quoi on chauffera le filament à. une température suffisamment élevée pour décomposer les car bonates et les azotures, les gaz étant évacués de la manière usuelle. Les anodes sont ordi nairement chauffées en vue de la dégazéifi- cation par un chauffage à induction ou par un bombardement ionique dans une atmo sphère de néon à très faible pression.
En pratique, le sodium peut être intro duit dans l'ampoule par exemple en plaçant le sodium dans de petits flacons de verre qui sont brisés après l'évacuation de la lampe.
Afin de faire fonctionner la lampe aux meilleures conditions de tension, il est sou vent nécessaire d'envoyer à la lampe un cou rant supérieur à 5 ampères pendant une courte période de temps afin de vaporiser le sodium et d'éliminer des gaz résiduels qui pourraient encore y subsister comme impure tés. On a trouvé qu'une lampe suivant fig. 4 et 5 construite de la manière susdécrite fonc tionnait le mieux avec une puissance absor bée totale de 60 watts; c'est-à-dire si 15 watts sont utilisés pour chauffer le filament, 45 watts sont utilisés dans la décharge.
AC electric discharge device. The present invention relates to a positive AC electric discharge device comprising two anodes with relatively large surface area, this device being able to be filled, for example, with one or more va feurs of metals which are solid at ordinary temperature or with a mixture. one or more of these vapors with a gas to initiate a discharge, this gas preferably belonging to the series of rare gases.
It has been found that the device according to the invention can be produced in such a way as to allow the advantageous use of an easily condensable vapor such as that of an alkali metal, for example sodium.
Sodium vapor glow discharge lamps have already been proposed and it is known that a large number of such lamps have been established, particularly for the use of direct current. in order to obtain the required light output. However, it has been observed that the lamps established so far give insufficient efficiency when supplied with native alternating current.
Such sodium vapor lamps provide, when supplied with a direct current of about 0.25 amps per cm = of anode area, a relatively high lumen per watt output. When attempts were made to arrange these lamps for use with alternating current, it was found that only about one-third of the light intensity was obtained with the same current intensity, the efficiency being related to the energy. gie required by glow discharge alone.
In order to realize the aim pursued in the development of the present device, it can be assumed that a sodium vapor lamp was found, in the test, to present a maximum efficiency for a total power supply of about 80 watts, the efficiency decreasing after this maximum is reached. The existence of a maximum efficiency is explained by the fact that the light efficiency of the discharge through the sodium vapor increases with the decrease in the current density, which appears to be a consequence of the reabsorption of light by sodium vapors.
It has been found that if a sodium lamp is placed behind a screen with a hole in it so that the light output of the lamp can be measured, and if another lit sodium lamp is placed opposite from said hole, we can only see the light of the lamp in front of the screen and not the total light provided by the two lamps. The lamp in front of the screen absorbs practically all of the light from the one behind the screen.
Much of the light provided by sodium lamps comes from very close to the surface of the bulb. It would therefore be advantageous, if we could keep the lamp hot enough under these conditions, to maintain a current of for example a tenth of an ampere instead of for example five amps, as usual, which allows trait, probably , to achieve a light output of 200 lumens per watt or more for the discharge alone.
The lamp according to the invention comes close to this condition, given that, thanks to the arrangement provided, it is possible to have a low current density, the suitable distribution of heat also being made easier, this which makes it possible to obtain an alternating current device operating with a relatively high efficiency.
When an alternating current device is constructed with two anodes each formed as in the best direct current devices; the best output was found to be about 30 lumens per watt. In the device according to the invention, two anodes have been employed, each of which is divided into two or more node elements, with the result that an output of about 50 lumens per watt can be obtained.
Embodiments of the object of the invention are shown, by way of example, in the accompanying drawing, in which: FIG. 1 shows a first embodiment of the lamp with two pairs of concentric anodes and a hot cathode, in side elevation, the envelope being shown in vertical section; Fig. 2 shows a dirty cross section along the line II-II of FIG. 1; Fig. 3 shows a dirty cross section along the line III-III of FIG. 1;
Fig. 4 shows a vertical section of a second embodiment of the lamp with two pairs of electrodes disposed at opposite ends of a shell and a centrally disposed hot cathode; Fig. 5 is a cross section taken along the line V-V of FIG. 4; Fig. 6 is a section similar to FIG. 5, but showing a pair of anodes in the form of spiral sections arranged one inside the other; Fig. 7 shows in section a pair of nodes formed of wires or rods curved so as to form several rectilinear parts in different planes;
Fig.'8 is a partial schematic view of a construction similar to that shown in fig. 4, the direction of the current being indicated in dotted lines; Fig. 9 is a view of a construction having the same arrangement of anodes as that shown in FIG. 4, but comprising transverse connections between the anodes in order to obtain a current path as indicated in dotted lines; Fig. 10 is a section taken along the line X-X of FIG. 9;
Fig. 11 is a section similar to FIG. 1.0 of an indirectly heated cathode lamp; Fig. 12 is a vertical section of another embodiment, in which several anodes are arranged so as to turn the cathode, to provide a large zone of luminescence; Fig. 7.3 shows a connection diagram of the cathode and the anodes in the embodiment according to fig. 12.
The embodiment of the device represented in fi-. 1 to 3 has a bulb 1 in which an inlet tube? sealed to the neck of the bulb carries a block 3. In this one are fixed the input wires or conductors 4, 5, 6 and 7. The wires 4 and: 5 go through the block 3 and are connected at the ends opposites of a heating element in the form of a helical coil 8, the construction of which will be described later.
Input wires 6 and 7 pass through block 3 and are attached to rod ends 9 'and 10' which are in turn attached to support rods 11. and 12 '. The ends 9 ′ and 1.0 ′ are arranged so as to constitute points for initiating the glow discharge. The primer tips 9 'and 10' are represented in the form of projecting metal parts, but they could also be constituted by bare surfaces of the support rods arranged one opposite the other. that is, the support rods 11 'and 1.2' can be covered with an insulating sleeve, as shown, with the exception of a part of each rod, opposite the cathode, which can be naked to act as a bootstrap code.
The support rod 11 'has a relatively small electrode 13', in the form of a thin cylindrical ring, attached to its lower part and a relatively large electrode 14 'attached to its upper end. These electrodes, which are electrically connected to each other, constitute the elements of which one seems to form one of the anodes of the device.
The support rod 12 'has a relatively large <B> 15 "</B> electrode attached to its lower end and a relatively small 16" electrode attached to its upper end. These electrodes, which are also electrically connected to one another, constitute the elements, the whole of which forms the other anode of the device.
In order to reinforce all of the anode elements, the rods 9 'and 10' extend through the upper electrodes and are connected by an insulating coupling 17 '. The <B> il '</B> and 12' rods are insulated by means of sockets, for example of corundum or of magnesia, placed on parts between the priming tips and the electrodes. In fig. 1 to 3, the electrodes are cylindrical and coaxial. One could, however, employ other shapes for the electrodes, as shown in the other figures.
Since it is necessary to maintain a relatively high temperature in the device in order to maintain the sodium in the vapor state, it is desirable to provide the ampoule 1 with a vacuum chamber 18 'which surrounds it. , which can be made in the form of a double-walled container established to surround the bulb. The container is hand held in place by a gasket 19 'which serves to seal the entrance to the gap between the vacuum chamber 18' and the ampoule 1 for y. prevent the passage of fresh air. The chamber 18 'shown in FIGS. 1 to 3 can also be used in the other constructions shown.
The device can be supplied by means of a transformer 20 '. The primary winding 21 'of the transformer is connected to conductors \ ??' and 23 'supplied by a current source not shown, delivering energy at a usual network voltage, for example, 110 to 115 volts. The transformer is provided in this construction with a secondary winding 24 'in order thus to obtain a relatively low voltage for the heating element 8. On the one hand, the winding 24' is connected by means of a conductor \? 5 'to the input wire 4 of the heating element 8 and, on the other hand, by means of a conductor 26' to the input wire 5 of the heating element.
A relatively high voltage, for example 30 to 50 volts for each half of the winding, is supplied by the secondary winding 27 'which is connected on the one hand via a conductor 28' to the wire. 'inlet 6 leading: a, the anode 13', 14 '; on the other hand, the winding 7 'is connected via a conductor 29' to the input wire 7 leading the current to the anode 15 ", 16".
It is desirable to flatten the wave of the alternating current in order to obtain efficient operation, which can be achieved as here by means of a coil of choke 30 ', although it would also be possible to 'use for the same purpose, for example, a leakage transformer. By flattening the wave of the alternating current in this way, one can reduce the duration of the intervals without glow discharge, between the vibrations, and hence the flickering of light.
In the construction shown in FIG. 1, the op-potential anode elements 13 'and 15 "surround the inlet tube, resulting in a bulb without pockets which could undergo cooling giving rise to vapor condensation. In other constructions described later, it is necessary to provide a closed pocket enclosing the inlet tube. In the construction shown in Fig. 1, the pocket can be avoided and a device is obtained. more compact.
It has been found, however, that it is desirable, in order to prevent excessive heating of the block 3, to cover the block 3 and the inlet tube 2 with a protective sleeve 31 'made of nickel or the protective metal. in order to make the temperature uniform to avoid differences in it which could blow up the block or the inlet tube.
The device shown can be provided with starting points 9 'and 10' as shown in FIG. 1 or be free of spikes as shown in the other figures. However, it is preferable to provide the starting points to obtain a rapid starting with low voltages and they can be provided in all the other constructions shown.
In the construction shown in FIG. 1, winding 24 'serves to heat the filament; as soon as the latter reaches its emission temperature, a preliminary discharge takes place between the starting points 9 'and 10' and the filament, through the neon or other rare gas provided for this purpose. Good results have been obtained for example by using neon under a pressure of 11/2 or 2 mm of mercury column. We can also use argon, then choosing a pressure two or three times lower.
The sodium vapors in the bulb then quickly reach the density necessary to give rise to the glow discharge provided for at the working voltage of the device.
When a discharge has been initiated, it continues between anode elements 13 'and 1-l' and cathode 8 for half a period and between anode elements 15 "and 16" and cathode 8 for 1. other half-period of alternating current.
Owing to the fact that the anodes are divided into elements 13 ', 14' and, respectively, 15 ", 16", it is possible, as mentioned above, to operate the device with a very low current density. With a current of, for example, five amps, the current is distributed in such a way that, thanks to the relatively large surface area of the electrodes, the current density remains small enough for the desired result to be achieved.
Figs. 4, 5 and 8 show another embodiment with an ampoule 10 having a neck 11, a block 12 and an evacuation pipe 13. The casing is provided with a cathode 14 which can be constituted by a Tungsten wound filament coated with a thermionically active material to provide an abundant electron flow. Conductive supports 15 and 16 penetrate into the bulb and are fixed to the ends of the filament in order to support it in its central position inside the bulb and to bring current to it. These supports are insulated using sockets 15 'and 16' of glass or other suitable material.
The device is provided with pairs of anode elements 17, 18 and 19, 20. The anode elements 17 and 18 are mounted on arms 23 and 24 respectively, extending from a support piece. conductor 21 which is insulated over its entire length, except, of course, the socket outlets, by means of a socket 22 made of glass or other electrically non-conductive material. These elements are arranged symmetrically with respect to the horizontal plane passing through the cathode 24. The element 17 is located in the lower part of the bulb and the element 18 in the upper part in order to obtain a uniform distribution of the discharge. incan descence.
The anode elements 19 and 20 are mounted on arms 27 and 28 respectively fixed on a conductive support piece 25. This support piece is insulated like the piece 21 by an insulating sleeve 26 similar to the sleeve 22. These anode elements are also arranged symmetrically with respect to the horizontal plane of the cathode 14. In the construction shown, the node elements 18 and 20 are located in the upper part of the bulb, in the same plane. This arrangement of the electrodes relative to the cathode ensures a large and uniform distribution of the luminescent discharge and brings it to the surface of the bulb in order to obtain the best light output.
The bulb can be filled with vapors of an alkali metal such as, for example, sodium, potassium, cesium or rubidium. Sodium is however the most advantageous. However, because its vapor condenses easily, to prevent the vapors from reaching the cooler parts of the neck of the bulb, a partition wall 9, for example of fiber, has been provided. This partition may have a tubular duct 31 for the evacuation.
The device is supplied by means of a transformer <B> 32. </B> The primary winding 32 'of the transformer is connected to the conductors 33 and 34 receiving the alternating current from a suitable source not shown. The transformer is provided with a secondary winding 35 supplying the current to the filament. On the one hand, this secondary winding is connected, via a conductor 36, to an input wire 37 connected to the neck support. filament carrier 15. On the other hand, the winding 35 is connected, via 38. to an input wire 39, which in turn is connected to the filament support 16.
A secondary winding 41 to. relatively high voltage, for example 40 to 50 volts, for each half of this winding, is connected, on the one hand, by means of a conductor 42, to an input wire 43 leading to the support 21. connected to the anode elements 17 and 18. On the other hand, the winding 41 is connected via a conductor 44 to. an input wire 45 leading to the support 25 connected to the node elements 19 and 20.
The winding 35 serves to heat the filament thereby causing a preliminary discharge due to the presence of a quantity of neon or other rare gas provided for this purpose, after which the sodium vapors are given off and a discharge takes place. produced through these vapors between the anode elements 17 and 18 and the cathode during one half-period and between the anode elements 19 and 20 and the cathode during the other half-period. In order to give the wave of the alternating current a form such that the current arriving at the cathode is direct, a buffer coil 40 is provided, connected through the intermediary of the conductor 35 'at the midpoint of the secondary winding 35. and through the conductor 41 'at the center of the secondary winding 41.
The arrangement of electrodes shown in FIG. 4 and 8 give satisfactory results; but if desired, the arrangement can be changed as shown in Figs. 9 and 10, where an insulating piece 46 serves to carry a conductive connection piece 47 which electrically connects the anode element 20 with the conductive support piece 21 and a connection piece 48 which electrically connects the anode element. anode 18 to the support piece 25. With this arrangement, a current flows for a half-period between the elements 17 and 20 and the cathode 14, and during the other half-period, the current flows between the elements 18 and 19 and cathode 14.
The anode elements shown in FIGS. 4 and 5 have a corrugated strip 49 in the form of a flattened tube curved along arcuate surfaces, the corrugations serving to increase the area; and as far as possible, the anode elements of the embodiment of FIGS. 1 to 3 can also be wavy. If desired, however, electrodes can be provided as shown in FIG. 6, which are constituted by rods or narrow bands of metal formed in a spiral.
Another construction of anode elements is shown in FIG. 7, according to which the anodes 52 are formed by bent rods or wires, comprising rectilinear parts facing each other. The various shapes of anode elements shown are all intended to provide a widely distributed discharge.
Fig. 11 shows an alternative, in which a heating filament 53 is arranged in a socket 54 which can be covered with a thermionically active material. The cathode is thus of the indirect heating type and can be used where greater electron production is desired.
Fig. 12 shows another embodiment of the device with anodes each comprising a greater number of elements, again with a view to obtaining a good distribution of the glow discharge throughout the device, giving rise to an operation at low current density. The device according to FIG. 12 comprises a substantially spherical bulb 55, the neck 56 of which is fixed in a sealed manner on a foot made of glass or another insulating material extending into the bulb and having at its end a head 58.
I: n filament 59 is supported on support threads fixed in this head. The filament consists of a helical coil of tungsten wire, the ends of which are connected to input conductors 61 and 62. On this head are fixed, so as to extend radially, support wires 63 ending in spherical anode elements 64.
The construction of the various anode elements and their supports is similar, but their electrical connections are established so that part of these elements constitutes the node which serves to conduct current for half the period and the rest. constitutes the anode which serves to conduct the current during the other half of the period.
Fig. 13 shows the schematic arrangement of the anode elements and their connections. The two sets of node elements are connected by means of conductors 65 and 66 to a transformer of the same type as those shown in FIGS. 1 and 4. In the arrangement shown in FIG. 13, the circuits are such that during half of the period it is the elements <I> A, </I> B, <I> D, </I> E and F, constituting one of the anodes, which operate and during the other half of the period, the elements <I> G, II, I, J, </I> Ii and <I> L, </I> which thus constitute the other anode.
It is evident that by this construction a large and uniform distribution of the glow discharge is obtained. The different constructions shown in figs. 1 to 13 can be provided with vacuum chambers as shown in fi-. 1, in order to conserve heat and maintain the necessary temperature inside the bulb.
For the practical execution of a device according to fig. 4, a bulb having a diameter of about 63mm and a length of 10cm measured from the narrowed neck portion to the other end of the bulb can be employed. This ampoule may have, as shown, a general cylindrical shape and rounded at the end facing the neck. The bulb can be made of any sodium resistant glass.
A filament can be used which operates two volts and eight amps to obtain satisfactory results. This filament can be made by rolling a nickel wire 0.15 mm in diameter on a tungsten wire of 0.4 mm. The thus wrapped tungsten wire is then rolled into the shape of a helix of about six turns having an inner diameter of about 3 mm. These dimensions can of course be varied to obtain the desired intensity and voltage. The ends of the coil of wrapped tungsten wire serve as terminals and are connected to the input conductors of. the lamp. The nickel coil serves as a support for the thermionic mass.
The nickel wire wound on the tungsten core can be coated with a layer of a mixture of carbonates composed, for example, of equal quantities of ba- rium and strontium carbonates, in the usual binder formed of a solution of nitrocellulose in acet: amyl ate.
It is desirable that the electronic emissivity of the filament be as high as possible and good results have been obtained with lamps in which the tungsten wire wrapped with nickel wire was coated with barium azide. Different types of indirect heated cathodes (Fig. 11) have also been used with success.
The anode elements (fig. 1 to 3) can affect the faith of the bands of molybdenum ribbon <B> 0.121 </B> min thick: the anode elements of the fi * 4,: 5. f> can also be made of molybdenum tape of the same thickness. These elements can be placed at a distance of 9 to l? rnm of the end of the bulb, or of the partition? 9 (fig. 4).
The internal system support wires (the lamp can be covered with sodium resistant glass or corin don or magnesia insulators so that the discharge occurs on the electrodes and not on the supports.
It is advantageous to use the tips <starting as shown <B> to </B> the fi. <B> 1, this </B> which allows the operation of these lamps with relatively low voltages, of , for example, 45 volts for each half of? 7 (fig. 1).
In the embodiments according to fi-. 4 and 12, a metal partition \ 39 is sealed transversely in the neck of the hen, at a distance from the lower electrodes. When one uses such a partition its separation. this can be set at. using a cement consisting, for example, of sodium silicate and kaolin. Preferably, the partition wall is fixed in the narrowest part of the neck of the ampoule.
The partition can be provided with an orifice or a small tube <B> 31, </B> as shown in fig. 4 and 11, which forms a conduit to establish the vacuum.
By way of information, the following indications are given concerning the preferred manufacturing process for lamps of this type.
The vacuum in the lamp will be established by careful and slow evacuation, especially when the disc is fixed with sodium silicate cement to remove water vapor from the sodium silicate by heating during evacuation.
The lamp will be fully annealed, after which the filament will be heated to. a sufficiently high temperature to decompose the carbonates and azides, the gases being discharged in the usual manner. The anodes are ordinarily heated for degassing by induction heating or by ion bombardment in a neon atmosphere at very low pressure.
In practice, the sodium can be introduced into the bulb, for example by placing the sodium in small glass vials which are broken after the lamp has been evacuated.
In order to operate the lamp at the best voltage conditions, it is often necessary to send the lamp a current greater than 5 amps for a short period of time in order to vaporize the sodium and remove residual gases which could still subsist there as impure tees. It has been found that a lamp according to fig. 4 and 5 constructed as described above operated best with a total power input of 60 watts; that is, if 15 watts is used to heat the filament, 45 watts is used in the discharge.