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Technisches Gebiet
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Die
technische Lösung betrifft einen Leuchtkörper,
insbesondere für industrielle oder andere Beleuchtungszwecke,
der als Lichtquelle eine lichtemittierende Diode ausnutzt, die auch
als LED benannt wird.
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Stand der Technik
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Derzeitige
Leuchtkörper verwenden als Lichtquelle Glühlampen,
sei es klassische Glühlampen oder Halogenbirnen, aber auch
Leuchtröhren und Entladungslampen.
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In
letzter Zeit beginnt man dank dem auf dem Gebiet von lichtemittierenden
Dioden, weiter LED, erzielten Fortschritt auch diese Elemente als
Lichtquellen für Leuchtkörper zu verwenden, da
sie für die Umwandlung der elektrischen Energie ins Licht
(lm/W) eine höchste Wirksamkeit von allen kommerziell erreichbaren
Lichtquellen haben.
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Es
existiert eine ganze Reihe von Leuchtkörpern, die diese
Technologie verwenden. Man gibt auch Lichtquellen mit Systemen von
mehreren LEDs, die mit Sockeln von üblichen Glühlampen
versehen sind, d. h. z. B. mit E27, E14, sodass diese sparsamen
Lichtquellen anstatt der Birne eingeschraubt werden können.
Diese Lichtquellen nutzen das durch lichtemittierende Dioden generierte
Licht nur sehr unwirtschaftlich aus, da die LEDs das Licht im Winkel von
ca. 100°–140° mit einem bedeutenden Maximum in
der Achse ausstrahlen.
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Es
besteht eine ganze Reihe von Patenten, die sich um das Ausstrahlen
von Licht in Leuchtkörpern mit LEDs bemühen. Als
ein Beispiel eines möglichen Weges dieser Lösung
kann man z. B. das Dokument
WO/2009/055374 erwähnen,
wo ein Leuchtkörper mit einer Reihe von LEDs beschrieben
ist, die in einem speziell geformten Reflektor angeordnet sind.
Diese Lösung der Anpassung des Lichtstroms löst
jedoch das Problem der effektiven Ausnutzung des ausgestrahlten
Lichts nur teilweise, da die LEDs strahlen das größte
Teil des Lichtstroms im Winkel ca. 30–40° aus,
und für die Korrektion der Richtung von Lichtstrahlen in
diesem Winkel stellt ein Reflektor keine günstige Lösung
dar. Das Ergebnis von Applikation des Reflektors auf das durch LEDs
ausgestrahlte Licht ist eine Strahlungscharakteristik mit einem
bedeutenden Maximum in der Mitte und mit einer steilen Abnahme der
Intensität des Lichts in Richtung zu Rändern.
Dieses Ergebnis kann als ein unbefriedigendes bewertet werden, da
das Ziel eines optimalen Leuchtkörper ist, die ganze geforderte
Fläche gleichmäßig zu beleuchten.
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Man
kann dieses Ziel durch die Verwendung eines vor der LED angeordneten
optischen Elements erreichen. Das optische Element kann bei geeigneter Konstruktion
eine in wesentlichen gleichmäßige Lichtverteilung
auf der beleuchteten Fläche sicherstellen. Es ist notwendig,
die Konstruktion von LED-Leuchtkörpern mit dem Schutz gegen
das Eindringen von Staub auszuführen, da die Schicht auf der
Oberfläche von LED wörtlich den Staub anzieht und
es kommt schrittweise zu einer Absenkung des Lichtstroms; die Wichtigkeit
dieses Problems ist durch die lange Betriebszeit von LEDs multipliziert, sogar
in der Ordnung von Zehntausenden Betriebsstunden. Es existiert ein
verhältnismäßig breites Sortiment von
Kunststofflinsen, die oft direkt durch die Hersteller von LEDs angeboten
werden, jedoch ist es notwendig alle diese Linsen mit einem Schutzdeckel gegen
das Eindringen von Staub zu versehen. Der Nachteil dieser Lösung
beruht auf der Tatsache, dass sie bedeutsam die resultierende Wirksamkeit
des Leuchtkörpers herabsetzt, da das Licht beim Durchgang
jede Trennungsfläche nur teilweise durchtritt, ein Teil
des Lichts wird reflektiert und bleibt immer ungenützt.
Das Verhältnis von reflektierten und durchgehenden Licht
hängt sehr viel von der Qualität der Oberfläche
ab, bei gängigen Gläsern und Kunststoffen stellen
diese Verluste ca. 15–20% dar. Durch die Zugabe von Schutzdeckel
wird die Wirksamkeit so um ca. 25–40% verringert, da das
Licht die Trennungsflächen Luft/Deckelmaterial und Deckelmaterial/Luft
durchtreten muss. Die Anordnung eines gängigen optischen
Systems mit LEDs und mit einer erhöhten Abdeckung ist veranschaulicht
weiter.
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Wesen der technischen Lösung
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Die
oben angeführten Nachteile werden durch den Leuchtkörper
nach dieser technischen Lösung gelöst. Der Leuchtkörper
umfasst einen Grundkörper, der vorteilhaft durch einen
Kühler gebildet ist. Auf diesem Grundkörper wird
eine Lichtquelle angeordnet, die durch mindestens eine LED gebildet
wird, welche vorteilhaft auf einer Leiterplatte mit hoher Leitfähigkeit
bestückt ist. Das Wesen der technischen Lösung
beruht auf der Tatsache, dass oberhalb der Lichtquelle ein Deckel
gegen das Eindringen von Staub oder Wasser angeordnet ist, der ein
integral darin ausgebildetes optisches Glied zum Gleichrichten des
Lichtstroms aus der Lichtquelle umfasst, wobei das optische Glied
oberhalb der Lichtquelle angeordnet ist. Es ist besonders vorteilhaft,
den Deckel dicht auf dem Grundkörper zu befestigen, wodurch eine
perfekte Abdichtung erreicht und jedes Eindringen von Staub oder
Feuchtigkeit in den Raum der Lichtquelle vermieden und dadurch eine
Absenkung des daraus ausnutzbaren Lichtstroms verhindert wird. Dank
der Tatsache, dass der Deckel ein darin integral angepasstes optisches
Glied umfasst, werden Verluste beim Durchgang aus einem optischen Milieu
in ein anderes optisches Milieu vermieden.
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Der
Leuchtkörper ist vorteilhaft mit einem Deckel versehen,
dessen optisches Glied durch eine asphärische Linse gebildet
wird. Deren Scheitel ist mit einem besonderen Vorteil oberhalb der
Mitte der Lichtquelle angeordnet.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Deckel
im unteren Teil mit einem Flansch versehen, dessen unterer Rand
ist zum Auflegen auf den Grundkörper geformt, und zwischen
diesem Flansch und dem Grundkörper ist eine Dichtung angebracht.
Besonders vorteilhaft ist dann in der unteren Seite des Sockels
eine Kreisnute zum Einlegen einer Dichtung ausgebildet, wobei die
Dichtung ein O-Ring ist, wobei der O-Ring zwischen dem unteren Rand
des Flansches und dem Grundkörper angeordnet ist. Mit besonderem
Vorteil ist dann der Deckel des Leuchtkörpers zu dem Grundkörper
mit einem Ring befestigt, der den Flansch zu dem Grundkörper drückt
und mit Öffnungen für Schrauben zur Befestigung
zu dem Grundkörper versehen ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausbildung hat der Leuchtkörper nach dieser technischen
Lösung den Flansch mit dem Grundkörper verklebt,
wobei die Klebemasse an der unteren Seite des Flansches angebracht
ist und gleichzeitig die Dichtung bildet. Eine vorteilhafte Ausbildung
der Klebemasse stellen z. B. Kontaktklebemittel dar, Silikonkitte
und Silikonklebemittel usw. Es ist wichtig, dass das Klebemittel
eine abgedichtete Verbindung des Deckels mit dem Grundkörper
sicherstellt.
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Der
Leuchtkörper hat nach seiner weiteren Ausbildung an dem
Grundkörper eine aufbereitete Gruppe von lichtemittierenden
Dioden, die axialsymmetrisch eine bei der anderen angebracht sind,
wobei das optische Glied oberhalb dieser Dioden axialsymmetrisch
im Hinblick auf deren Mitte angeordnet ist.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Leuchtkörper
durch eine Aufstellung von mit gegenseitigem Abstand angeordneten
lichtemittierenden Dioden gebildet, wobei oberhalb jeder Diode ein
Deckel mit dem optischen Glied angebracht ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausbildung hat der Leuchtkörper
das optische Glied mit seiner unteren Seite dicht an der lichtemittierenden
Diode oder in Berührung mit dieser angeordnet.
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Nach
noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung hat der Leuchtkörper
zum Zwecke der Minimalisierung von optischen Verlusten den Raum
zwischen der unteren Seite des optischen Glieds und der lichtemittierenden
Diode mit einem Stoff ausgefüllt, der mindestens analogische
optische Eigenschaften wie das Material des optischen Glieds aufweist.
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Der
Leuchtkörper kann, nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung,
mit einer Aufhängung zum Kippen des Leuchtkörpers
in verschiedene Seiten versehen werden. Der Leuchtkörper
kann weiter durch eine Gruppe von lichtemittierenden Dioden gebildet
werden, wobei diese lichtemittierenden Dioden mindestens in zwei
Reihen oder in Form einer Matrix angeordnet sind. Es ist jedoch
selbstverständlich möglich, auch eine weitere
Anordnung zu haben, z. B. eine kreisförmige oder in Form
eines anderen Musters, gemäß dem Bedarf für
die Beleuchtung.
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Nach
einem weiteren Aspekt dieser technischen Lösung wird ein
System von oben beschriebenen Leuchtkörpern vorgelegt,
wo die einzelnen Leuchtkörper in Reihen oder in einer Matrix
angeordnet sind, wobei sie gegenseitig unabhängig zum Zwecke
des selbstständigen Ausschwenkens jedes Leuchtkörpers
angefasst sind.
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Übersicht der Figuren in den
Zeichnungen
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1 zeigt
eine Ausführung des Leuchtkörpers nach dem Stand
der Technik.
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2 veranschaulicht
dann eine vorteilhafte Ausführung des Leuchtkörpers
nach dieser technischen Lösung.
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3 zeigt
ein System von Leuchtkörpern, die in zwei Reihen angeordnet
sind.
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4 zeigt
ein System von Leuchtkörpern, die in der Matrix 4×4
angeordnet sind.
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Ausführungsbeispiele
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Der
Leuchtkörper nach dem Stand der Technik ist in 1 veranschaulicht
und besteht aus einem Grundkörper 1, an welchem
ein selbstständiges Gleichrichtungsglied 8 des
Lichtstroms aus einer Lichtquelle 2 angebracht ist. Oberhalb
dieser ist ein Abdeckungsglas 7 angeordnet, das die Abdeckung des
ganzen Systems gegen das Eindringen von Staub oder Wasser sicherstellt.
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Der
Leuchtkörper nach dieser technischen Lösung ist
nach 2 durch einen Grundkörper 1 gebildet,
an welchem eine Lichtquelle 2 befestigt ist, die hier durch
eine lichtemittierende Diode mit hoher Lichtstärke gebildet
ist. Der Grundkörper 1 ist gemäß dieser
Ausführung vorteilhaft aus Aluminium hergestellt und mit
Rippen zur Abführung der Wärme aus der lichtemittierenden
Diode versehen ist, da für die Lebensdauer der lichtemittierenden
Diode es vorteilhaft ist, deren möglicherweise beste Kühlung
sicherzustellen. Auch wenn es sich um eine vorteilhafte Ausführung
handelt, diese Ausbildung des Grundkörpers 1 ist
für das Wesen der technischen Lösung nicht grundsätzlich
und hier nicht als ein begrenzendes Beispiel deren Ausführung
erwähnt ist. Mit dem Grundkörper 1 wird
nämlich der eigene Körper des Leuchtkörpers
gemeint, zu dem die Lichtquelle 2 und vorteilhaft auch
der Deckel 4 mit dem optischen Glied 3 befestigt
ist. Der Grundkörper 1 kann nach dieser technischen
Lösung aus einem Stück gebildet werden, jedoch
z. B. auch aus mehreren miteinander verbundenen Teilen. Es ist auch
möglich, mehrere selbstständige Grundelemente
in ein Ganzes zusammenzustellen, sodass dadurch ein kompakter Grundkörper 1 mit
beliebiger Menge von Lichtquellen 2 gebildet wird. Die
Grundelemente können nach dieser Ausführung z.
B. Baukastenelemente sein, was ein einfaches Zusammenstellen des
kompakten Grundkörpers 1 ermöglicht.
Es gibt eine ganze Reihe von Möglichkeiten für
die Ausbildung des Grundkörpers 1, sowie auch
eine Menge von Möglichkeiten für die Befestigung
der Lichtquelle 2 oder des Deckels 4 mit dem optischen
Glied 3 dazu, jeder Konstrukteur kann diese sicherlich
entwerfen und deswegen ist es nicht notwendig, sich hier mit diesen
Möglichkeiten zu beschäftigen. Es ist wichtig
zur Kenntnis zu bringen, dass eine konkrete Ausführung
des Grundkörpers 1 oder Befestigung der lichtemittierenden
Diode als der Lichtquelle 2, beziehungsweise auch des Deckels
mit dem optischen Glied 3 dazu keinesfalls das Wesen dieser
technischen Lösung beeinflusst und deswegen kann nicht
außerhalb des Schutzumfangs führen, der in einzelnen
Schutzansprüchen enthalten ist. Es ist ebenfalls wichtig
der Tatsache bewusst zu werden, dass die Lichtquelle 2 kann
nicht nur durch eine lichtemittierende Diode gebildet werden, sondern auch
durch mehrere lichtemittierende, bei sich zusammenstellte Dioden.
Die Lichtquelle 2 ist gemäß einer besonders
vorteilhaften Ausführung durch eine lichtemittierende Diode
gebildet werden, die auf einer Leiterplatte mit hoher Leitfähigkeit
bestückt ist. Die Leiterplatte ist mit Vorteil zu dem Grundkörper 1 befestigt
und stellt die Speisung der lichtemittierenden Diode mit Betriebsspannung
sicher.
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Oberhalb
der Lichtquelle 2 ist ein optisches Glied 3 befestigt,
welches das Licht aus der Lichtquelle 2 gleichrichtet.
Wie schon erwähnt, eine besonders vorteilhafte Ausführung
des optischen Glieds 3 stellt eine asphärische
Linse mit kardioider Charakteristik dar, was weiter beschrieben
wird. Wie es aus 1 ersichtlich ist, ist das optische
Glied 3 ein integrales Teil des Deckels 4 für
die lichtemittierende Diode 2 und schützt sie
z. B. gegen Staub oder Spritzwasser oder feuchtes Milieu. Der Deckel 4 ist
in seinem unteren Teil mit einem Flansch 5 versehen, wobei
zwischen dem Flansch 5 und dem Grundkörper 1 eine
Dichtung 6 angeordnet ist. Der Deckel 4 kann nach
einer vorteilhaften Ausbildung an den Grundkörper durch
einen Ring mit Öffnungen für Schrauben befestigt
werden, der an den Deckel aufgesteckt ist und, wie es in üblicher
Praxis gewöhnlich ist, mittels Schrauben zu dem Grundkörper
befestigt. Mit Vorteil ist in dem Flansch 5 eine Nut ausgebildet, in
die die Dichtung 6 eingelegt ist. Die Dichtung ist besonders
vorteilhaft durch einen O-Ring gebildet. Es ist jedoch auch möglich,
in einer anderen Ausführung des Grundkörpers 1 die
Dichtung 6 z. B. am äußeren Umfang des
Flansches 5 anzuordnen, wobei der Deckel 4 in
diesem Falle in den Grundkörper 1 eingelegt wird.
Weiter ist es auch möglich die Verbindung des Rings, der
den Deckel 4 an dem Grundkörper 1 festhält,
abzudichten usw. Es ist auch möglich den Deckel 4 mit
dem Grundkörper 1 zu verkleben, z. B. mit Silikon,
und weitere Möglichkeiten. Es ist wichtig, dass bei der
Verbindung des Deckels 4 mit dem Grundkörper 1 kein
Staub oder Feuchtigkeit in den Raum, wo die Lichtquelle 2 angeordnet
ist, eindringen kann, was zum Verkürzen der Lebensdauer und/oder
zum Absenken des ausgestrahlten Lichtstroms führen könnte.
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Der
Entwurf des optischen Glieds 3 selbst, mit Vorteil der
Entwurf der asphärischen Linse, hängt von vielen
Faktoren ab, unter anderen auch von dem geforderten Strahlungswinkel,
der geforderten Strahlungscharakteristik, der Größe
und Konstruktion von LED, und es ist deshalb nicht geeignet sich
hier damit zu beschäftigen. Die Berechnung der Krümmung
der asphärischen Linse nach gegebenen Forderungen wird
sicherlich jeder Fachmann, der sich mit dieser Thematik beschäftigt,
entwerfen. Hier ist es wichtig, die Eigenschaft der lichtemittierenden
Diode in Erwägung zu ziehen, die am stärksten
in ihrer Mitte ausstrahlt. Deshalb ist es vorteilhaft eine asphärische Linse
mit kardioider Charakteristik zu verwenden, wodurch diese Mitte
unterdrückt wird und eine gleichmäßige
Beleuchtung im ganzen ausgestrahlten Winkel sichergestellt wird.
Neben der asphärischen Linse ist es jedoch möglich
auch ein anderes geeignetes optisches Glied zu verwenden, das die
geforderte Verteilung des Lichtstroms sicherstellen wird. Das kann
z. B. eine normale Linse oder eine Fressnelsche Linse, ein Diffraktionsgitter
u. ä. sein. Auch deren Entwurf kann jeder Fachmann, des
sich mit der Thematik von Durchgang des Lichtstroms durch optische
Glieder beschäftigt, sicherstellen. Es ist wichtig, dass
das optische Glied 3 in den Deckel 4 der Lichtquelle 2 eingegliedert
wird, also dass es ein Teil dieses Deckels 4 bilden und
so den Schutz der lichtemittierenden Diode in der Lichtquelle 2 gegen
das Eindringen von Staub oder Feuchtigkeit sicherstellen wird, was
die ausgestrahlte Licht herabsetzen würde, und gleichzeitig
dass es auch die geforderte Anpassung der Charakteristik des Lichtstroms
aus der Lichtquelle 2 ermöglicht, ohne dass die
Verluste beim Durchgang durch den Deckel 4 und optisches
Glied 3 höher werden. Nach einer vorteilhaften
Ausführung bildet das optische Glied 3 in wesentlichen
das größere Teil des Deckels 4 der Lichtquelle 2.
Hier ist es wichtig der Tatsache bewusst zu werden, dass es kann
eine ganze Reihe von Ausführungen des Deckels 4 mit
dem optischen Glied 3 existieren, und sodass es nicht möglich
ist, alle diese Ausführungen hier zu erwähnen.
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Einen
großen Vorteil der asphärischen Linse in der Funktion
eines Korrektors des Lichtstroms bildet die Möglichkeit,
praktisch jede Strahlungscharakteristik zu erreichen. Wie schon
erwähnt, sehr vorteilhaft aus dem Standpunkt der Beleuchtung
ist eine kardioide Charakteristik, dank der eine gleichmäßige Verteilung
des Lichts auf der ganzen beleuchteten Fläche erzielt werden
kann. Die asphärische Linse kann aus Glas hergestellt werden,
z. B. aus einem Borsilikatglas oder auch aus Polykarbonat oder aus einem
anderen, optisch geeigneten Material. Es ist wichtig zur Kenntnis
zu bringen, dass die optischen Eigenschaften des Materials für
die asphärische Linse nicht so viel für das Wesen
der technischen Lösung grundsätzlich sind.
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In 3 und 4 sind
mögliche Nutzbarmachungen von einzelnen Leuchtkörpern
aus 2 veranschaulicht, welche Leuchtkörper
in 3 als ein System in Reihen und in 4 als
ein System in Matrix angeordnet sind. Wie es aus 3 ersichtlich ist,
sind in dieser Ausführung vier Lichtquellen 2 auf einem
Grundkörper 1 angebracht, wobei jede der Lichtquellen
mit einem selbstständigen Deckel 4 mit optischem
Glied 3 versehen ist. Die Grundkörper 1 können
selbstständig verwendet werden, in der Ausführung
nach 2 sind sie in zwei Reihen angeordnet. Es ist jedoch
auch möglich sie in eine beliebige Menge von Reihen anzuordnen.
In 4 sind dann Grundkörper 1 gezeigt,
die in einer Matrix angeordnet sind. Es ist deshalb selbstverständlich,
dass diese Systeme nicht die einzigen möglichen sind, sondern dass
es sich im Gegenteil nur um eine mögliche Ausführung
aus vielen möglichen Ausbildungen von Systemen handelt.
Wie schon erwähnt, es ist möglich den Grundkörper 1 aus
Grundelementen zusammenzustellen oder es können selbstständige
Leuchtkörper auf einem gemeinsamen Grundkörper
mit vielen Elementen angebracht werden. Der Leuchtkörper kann
dann mit Aufhängungen zum Kippen oder in Falle eines Systems
von selbstständigen Leuchtkörpern kann jeder Leuchtkörper
mit einer selbstständigen Aufhängung für
individuelles Kippen oder für das Kippen in Gruppen versehen
werden. Unterschiedlich kann auch die Zahl von Lichtquellen 2 auf
dem Grundkörper 1 sein. So etwas ist eher jedoch
durch die Beleuchtungs- oder Herstellungsforderungen gegeben. Mit
Rücksicht auf die Offensichtlichkeit der Bildung der Systemen
von Leuchtkörpern nach konkreten Beleuchtungsforderungen
beschäftigt sich damit diese technische Lösung
nicht mehr. Alle solche Systeme fallen jedoch unter diese technische
Lösung.
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Industrielle Ausnutzung
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Der
Leuchtkörper nach dieser technischen Lösung kann
mit Vorteil überall verwendet werden, wo es notwendig ist
die geforderte Beleuchtung sicherzustellen. Es ist möglich,
diese Lösung in der Industrie auszunutzen, z. B. bei der
Beleuchtung von Arbeitsstellen, Werkhallen, Gängen u. ä.,
für die Außenbeleuchtung von Häusern,
Straßen, Gehsteigen usw., aber auch in Haushalten. Es ist
selbstverständlich, dass die Skala von möglicher
Verwendung ist viel breiter und dass die hier genannten Beispiele
keineswegs eine solche Ausnutzung des vorgelegten Leuchtkörpers
begrenzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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