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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lampengehäuse zur Befestigung auf einem Ende eines Leuchtenmastes mit einer innerhalb des Lampengehäuses angeordneten Platine, die eine Vielzahl von Wärme erzeugenden Leuchtdioden zur Beleuchtung aufweist, wobei das Lampengehäuse aus wärmeleitfähigen Material mit einer Kühlstruktur gebildet ist, wodurch die entstehende Wärme von den Leuchtdioden zum Lampengehäuse ableitbar ist.
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Die moderne Lampentechnologie setzt zunehmend Leuchtdioden in der Gebäude- oder Straßenbeleuchtung ein, da diese Technik ein großes Potenzial für Energieeinsparung bietet. Leuchtdioden sind robuster als herkömmliche Leuchtmittel, haben eine hohe Energieeffizienz, eine lange Lebensdauer, geringe Abmessungen und niedrige Betriebsspannungen. Leuchtdioden setzen ca. 30% der elektrischen Energie in Licht um, aber immer noch 70% der elektrischen Energie werden in Wärme umgesetzt. Diese muss abgeführt werden, denn hohe Temperaturen beeinträchtigen die Lebensdauer des Halbleiters und verändern seine Eigenschaften. Beim praktischen Einsatz der Leuchtdioden muss vor allem ein gutes thermisches Management berücksichtigt werden, um Alterungs- und Schädigungsprozesse im Halbleiter zu vermeiden. Die bekannten Straßenlaternen mit Leuchtdioden zeigen unterschiedliche Varianten von Kühlkörpern, die jedoch entweder relativ aufwändig oder von ihrer Wärme ableitenden Wirkung her unzureichend sind.
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In der Patentschrift
US 2011/0038154 A1 ist ein System für die Beleuchtung und Wärmeabgabe beschrieben, das ein Metall-Lampengehäuse umfasst, in dem eine Leiterplatte mit einer Vielzahl von Leuchtdioden untergebracht ist. Dabei weist das Lampengehäuse eine Vielzahl von Kegel- und Richtungs-Kühlrippen längs der Oberseite auf, für eine schnelle Wärmeabfuhr von den Leuchtdioden an die Atmosphäre. Ein Netzteil wird mit einer unabhängigen Kühlkörperoberfläche für die Wärmeableitung außerhalb der Leuchteneinheit angeordnet. Nachteilig sind so das Netzteil und andere elektronische Komponenten, wie beispielsweise Vorschaltgeräte, in einem separat angepassten Gehäuse mit einer Kühlkörperoberfläche untergebracht, was eine aufwändige Konstruktion des Lampengehäuses je nach Art und Anzahl der zusätzlichen elektronischen Komponenten erforderlich macht. Ein zusätzlicher Nachteil ist darin zu sehen, dass zur Verbindung der separierten elektronischen Komponenten zusätzliche Verbindungskabel erforderlich sind, die eine weitere Quelle von Störungen und Ausfällen des Beleuchtungssystems darstellen.
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Aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2010 010 263 U1 ist eine Beleuchtungseinrichtung, insbesondere für den Außenbereich, mit einem Lampen- oder Leuchtengehäuse bekannt, das ein scheibenförmiges Trägerelement umfasst, mit einer Vielzahl unterseitig daran angeordneter Halbleiterleuchtelemente. Dabei stehen die Halbleiterleuchtelemente mit der Rückseite jeweils in Wärme übertragendem Kontakt mit dem Trägerelement. Das Trägerelement besteht aus strukturiertem Metall, insbesondere Aluminiumlegierung, und bildet einen Kühlkörper. Der Kühlkörper hat die Aufgabe, Verlustwärme durch Wärmeleitung von den Wärme erzeugenden Halbleiterleuchtenelement wegzuleiten und diese dann durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abzugeben. Nachteilig ist das Trägerelement mit dem Kühlkörper innerhalb des geschlossen Leuchtengehäuses angeordnet, so dass lediglich ein begrenzter Wärmeaustausch mit dem geringen und nicht strömenden Luftvolumen des Leuchtengehäuses erfolgt. Jedoch ist kein Wärmeübergang zum wärmeleitfähigen Metall des Lampengehäuses vorgesehen, das eine Kühlung durch die vorbei strömende Umgebungsluft bewirken kann.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Lampengehäuse mit Wärmeableitungsstruktur anzugeben, bei dem die Wärmeableitung der Leuchtdioden und zusätzlicher elektrischer Komponenten über ein einstückiges Lampengehäuse an die Atmosphäre erfolgt und dabei der Wärmetransport über Wärme ableitende und Wärme spreizende Kühlstrukturen innerhalb des Lampengehäuses wirkungsvoll verläuft.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß Anspruch 1 wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Kühlstruktur im Inneren des Lampengehäuses mindestens einen Ringsteg zwischen der Platine und dem Lampengehäuse umfasst. Der Ringsteg dient als primäre Wärmeübertragungsfläche dazu, die Wärme von der Platine abzuleiten und auf die äußere Fläche des Lampengehäuses zu übertragen. Von dem Ringsteg aus erstreckt sich eine Vielzahl von Rippen zur äußeren Fläche des Lampengehäuses. Diese Rippen dienen als sekundäre Wärmeübertragungsflächen dazu, die Wärme vom Ringsteg auf die äußere Fläche des Lampengehäuses optimal zu übertragen und dabei zu verteilen. Die Wärmeableitung und damit Kühlung erfolgt dann über das ganze Lampengehäuse an die umgebende Atmosphäre.
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Besonders vorteilhaft weist die Platine für eine gleichmäßige thermische Ausbreitung und Ableitung der entstehenden Wärme an den Leuchtdioden einen Kern oder eine Auflage aus Aluminium, Kupfer oder Legierung auf. Der Kern oder die Auflage führt die entstehende Wärme von den Leuchtdioden ab und verteilt diese gleichmäßig über die gesamte Platine. Damit ist das Wärmemanagement von Beginn an in der Baugruppe mit den Wärme erzeugenden Leuchtdioden integriert. Diese Wärmeableitung auf der Platine ermöglicht eine höhere Packungsdichte der Leuchtdioden, längere Laufzeiten und größere Ausfallsicherheiten.
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Um den Wärmeübergang zu begünstigen, wird die Kontaktfläche des Ringstegs zur daran befestigten Platine plan bzw. zweidimensional eben hergestellt. Verbleibende Unebenheiten der Oberflächen führen zu Lufteinschlüssen, die den Wärmeübergangswiderstand aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Luft verschlechtern. Um diesen Widerstand möglichst gering zu halten und unabhängig von der Oberflächen-Bearbeitungsqualität eine optimale thermische Kontaktierung zu gewährleisten, wird zwischen der Platine und dem umlaufenden Ringsteg ein gut Wärme leitendes Wärmeleitmaterial zum Ausgleich der Unebenheiten eingebracht. In der Praxis wird vor der Montage entweder eine dünne Schicht Wärmeleitpaste aufgetragen oder Wärmeleitpads verwendet. Es kommen Scheiben aus Glimmer, Keramik, Silikongummi oder speziellem Kunststoff Polyimid zum Einsatz.
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Die zu kühlende Platine wird durch Schrauben, Klammern oder Kleben am Ringsteg befestigt, so dass neben der mechanischen Befestigung auch eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit erreicht wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Ringsteg mehrere Bohrungen auf, in die Fixierelemente wie z.B. Schrauben oder Klammern zur Befestigung der Platine montiert sind.
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Zur Wärmeübertragung an die Umgebung und damit Kühlung wird das Lampengehäuse bevorzugt aus wärmeleitfähigen Leichtmetallen wie Aluminium, Kupfer oder einer Legierung hergestellt. Aufgrund der guten thermischen Leitfähigkeit der Metalle wird die zu kühlende Platine zum Lampengehäuse als Kühlkörper thermisch gut leitend montiert. Hierzu wird ein Wärme leitendes Dielektrikum als Wärmeleitmaterial eingebracht, wie beispielsweise keramikgefülltes Thermosilikon. Es verfügt über eine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Durchschlagsfestigkeit. Die Fertigung des Lampengehäuses aus wärmeleitfähigen Leichtmetallen im Druckgussverfahren ermöglicht, dass das Lampengehäuse einstückig mit komplexen Kühlstrukturen herstellbar ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Lampengehäuse aus thermisch leitfähig modifiziertem Kunststoff hergestellt wird. Dabei wird die Wärmeleitfähigkeit durch das Einbringen von Pulvern oder Fasern in eine Polymermatrix im Vergleich zu ungefüllten Polymeren um ein Vielfaches erhöht. Als Füllstoffe kommen sowohl elektrisch leitfähige metallische aber auch elektrisch isolierende keramische Werkstoffe zum Einsatz, wie beispielsweise Kohlenstoffnanoröhrchen, Diamant, Kupfer, Bornitrid oder Aluminium. Wärmeleitfähige Kunststoffe sind aufgrund ihrer flexiblen Verarbeitungsprozesse, ihrer elektrischen Isolationseigenschaften und ihres niedrigen spezifischen Gewichts eine attraktive Alternative zu wärmeleitfähigen Metallen. Gerade die Möglichkeit der Herstellung des einstückigen Lampengehäuses aus thermoplastischen wärmeleitfähigen Kunststoffen im Spritzgussverfahren eröffnet völlig neue Möglichkeiten in der Wahl der äußeren Gestalt und der Konstruktion Wärme leitender Kühlstrukturen.
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Bevorzugt werden Hochleistungsleuchtdioden in Straßenlampen und Leuchten für den Einsatz in Außenbereichen eingesetzt, da sie durch ihre höhere Lichtausbeute zuverlässig eine gute Ausleuchtung erzeugen. Vorteilhaft weist die Hochleistungsleuchtdiode einen Wärme leitenden Reflektor auf, zur effektiven Ableitung der erzeugten Wärme vom Leuchtdioden-Chip hin zur Platine, welche ihrerseits einen Wärme ableitenden Kern oder Auflage besitzt und Wärme ableitend auf den einen oder mehreren Ringstegen aufliegt. Derartige Leuchtdioden sind in unterschiedlichen Leuchtstärken verfügbar und können unterschiedliche Spektralbereiche des abgestrahlten Lichts liefern, wobei geeignete Weißtöne des Lichts bevorzugt werden.
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Vorzugsweise sind die Leuchtdioden jeweils auf einer gemeinsamen Platine als Träger montiert und mit den Leiterbahnen elektrisch leitend verbunden. Dabei sind mehrere Gruppen mit jeweils seriell geschalteten Leuchtdioden geschaltet. Es können Schaltelemente vorgesehen sein, die bei einem Durchbrennen einer Leuchtdiode diese überbrücken. So werden die verbleibenden in Serie geschalteten Leuchtdioden einer Gruppe nicht beeinträchtigt.
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Besonders vorteilhaft sind die Leuchtdioden im Wesentlichen im Bereich des Wärme ableitenden Ringstegs unterseitig auf der Platine montiert und elektrisch mit den Leiterbahnen kontaktiert. Dadurch kann die Wärme über die Kontaktfläche der Platine auf kürzestem Weg zum Ringsteg abgeleitet werden. Dabei ist die thermische Kontaktierung der Platine mit dem Ringsteg vorzugsweise unter Verwendung eines geeigneten Wärmeleitmaterials hergestellt. Auf diese Weise ist eine optimierte und schnelle Wärmeabfuhr von den Leuchtdioden über den Ringsteg zum Lampengehäuse ermöglicht.
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Vorteilhaft bildet der Ringsteg nicht nur eine Wärmeübertragungsfläche für die Leuchtdioden, sondern bildet gleichzeitig einen Hohlraum zur Aufnahme weiterer elektronischer Komponenten. In diesem Hohlraum weist das Lampengehäuse vorteilhaft ein innen liegendes Profil auf, an dem notwendige Vorschaltgeräte für die Leuchtdioden und/oder elektrische Peripheriebaugruppen wie Transformatoren befestigt werden können. Dadurch kann die Wärme der elektronischen Komponenten über das Profil auf kürzestem Weg an das Lampengehäuse und von dort an die Atmosphäre abgeleitet werden. Auch diese flächige thermische Kontaktierung zwischen der elektronischen Komponente und dem Profil kann unter Verwendung eines Wärmeleitmaterials hergestellt sein, das für einen möglichst geringen Wärmeübergangswiderstand sorgt.
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Vorzugsweise weist das Lampengehäuse außen an der Kante mehrere umlaufende Kühlrippen auf. Diese Kühlrippen dienen zur Vergrößerung der Oberfläche des Lampengehäuses, um die Wärmeübertragung an die Umgebungsluft und damit die Kühlung zu verbessern. Durch die Vergrößerung der Oberfläche zur umgebenden Luft als Kühlmedium wird also die abgeführte Wärmemenge erhöht, wobei die Kühlrippen das Gewicht und die äußeren Abmessungen des Lampengehäuses nur geringfügig erhöhen. Vorteilhaft erhöhen die Kühlrippen durch den gezielten Einsatz an der Außenkante die mechanische Festigkeit des Lampengehäuses und reduzieren die Schallabstrahlung durch Unterdrückung von Oberflächenschwingungen.
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Das Lampengehäuse weist unterseitig eine umlaufende Ringnut auf, in die eine transparente Abdeckung mit einer Dichtungslippe eingesteckt und mittels Fixierelementen befestigt wird. Somit dient die Abdeckung zum wasserdichten Abschluss gegen schädliche Witterungseinflüsse, so dass es als robuste und dauerhafte Außenleuchte geeignet ist.
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Die Lösung der Aufgabe erstreckt sich auch auf eine Außenleuchte, mit einem Leuchtenmast und einem daran angeordneten erfindungsgemäßen Lampengehäuse. Dies schließt auch eine einstückige Ausbildung mit ein. Insbesondere handelt es sich hierbei um eine Straßenleuchte.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen beispielhaft erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine vorteilhafte Ausführungsform des Lampengehäuses mit Mastansatzstück in Isometrieansicht.
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2 das Lampengehäuse in Draufsicht.
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3 eine Schnittansicht des Lampengehäuses entlang der Linie A-A in der 2.
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4 das Lampengehäuse in Untersicht.
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5 eine Schnittansicht des Lampengehäuses entlang der Linie B-B in der 4.
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6 das Lampengehäuse mit Leiterplatte in Isometrieansicht.
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1 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lampengehäuses 1 in einer isometrischen Ansicht. Leuchtmittel, elektrische Leitungen, Abdeckung und Leuchtenmast sind in dieser Darstellung der Übersichtlichkeit halber nicht mit eingezeichnet.
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Das Lampengehäuse 1 ist mit einem Mastansatzstück 2 gelenkig verbunden, das von oben auf einen Leuchtenmast aufgesteckt und an diesem befestigt wird. In dem Lampengehäuse sind Leuchtmittel, insbesondere Leuchtdioden, und elektrische Leitungen bzw. Platinen eingebaut und durch eine Abdeckung vor schädlichen Witterungseinflüssen geschützt. Die Leuchtdioden strahlen das Licht direkt nach unten ab, und dienen so der Ausleuchtung L von Verkehrsbereichen, insbesondere Strassen und anderen Verkehrswegen.
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2 zeigt das Lampengehäuse 1 in Draufsicht. Im Inneren des Lampengehäuses 1 sind eine Platine 8 mit den Leuchtdioden und zusätzliche elektrische Komponenten 12, wie beispielsweise Netzteil oder Vorschaltgerät, angeordnet.
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3 zeigt das Lampengehäuse 1 in einer Schnittansicht gemäß dem in 2 angegebenen Schnittverlauf A-A. An der Außenkante weist das Lampengehäuse 1 umlaufende Kühlrippen 13 und im Inneren einen umlaufenden Ringsteg 5 auf. Der Ringsteg 5 ist derart geformt, dass ein Hohlraum zur Aufnahme weiter Komponenten 12 gebildet ist. Unterseitig ist eine innen liegende Platine 8 mit mehreren Leuchtdioden 9 auf dem Ringsteg 5 Wärme ableitend montiert. Vom Ringsteg 5 erstreckt sich eine Vielzahl von Rippen 6 zur äußeren Fläche des Lampengehäuses 1 bis hin zur Außenkante.
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Das Lampengehäuse 1 weist unterhalb der Oberseite ein Profil 11 auf, an dem zusätzliche elektrische Komponenten 12 montiert sind. Über das Profil 11 des Lampengehäuses 1 stehen diese Komponenten 12 direkt mit dem Lampengehäuse 1 in thermischer Verbindung und können so ihre Wärme an die Atmosphäre ableiten. Dabei sind die Komponenten 12 in dem Hohlraum angeordnet, der von dem Profil 11 des Lampengehäuses 1, dem Ringsteg 5 und der Platine 8 mit den Leuchtdioden 9 begrenzt ist. Dadurch sind vorteilhaft zur elektrischen Verbindung der Komponenten 12 mit der Platine 8 kurze Brücken bzw. kurze Verbindungsleitungen einsetzbar, die geschützt im Inneren des Lampengehäuses 1 angeordnet sind.
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Das Lampengehäuse ist unterseitig mit einer transparenten Abdeckung 4 gegen schädliche Witterungseinflüsse abgeschlossen. Die Abdeckung 4 wird mittels einer Dichtungslippe in die umlaufende Ringnut 3 des Lampengehäuses 1 eingesteckt und mit Fixierelementen befestigt.
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4 zeigt das Lampengehäuse 1 in Untersicht. An der Außenkante sind die in 3 detailliert beschrieben Kühlrippen 13 und die Ringnut 3 angeordnet, die das Lampengehäuse 1 entsprechend dem ovalen Umfang umlaufen. Der oval geformte Ringsteg 5 ist im Inneren des Lampengehäuses 1 gebildet. Der Rundsteg 5 umfasst mehrere Bohrungen 10 zur Befestigung der Platine mit den Leuchtdioden. Zwischen dem Ringsteg 5 und der Außenkante des Lampengehäuses 1 verlaufen eine Vielzahl von Rippen 6 sternförmig, die als Wärmeübertragungsflächen die Wärme vom Ringsteg 5 auf die äußere Fläche des Lampengehäuse 1 optimal verteilen. Die Wärmeableitung erfolgt dann über das ganze Lampengehäuse 1 an die Atmosphäre.
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Das Lampengehäuses 1 umfasst im Hohlraum des Ringstegs 5 ein Profil 11, an dem zusätzliche elektronische Komponenten montiert sind. Derart leiten diese Komponenten ihre Wärme auf kürzesten Weg an das Lampengehäuse 1 und von dort an die Umwelt ab. Wärmeleitmaterial zwischen der Unterkante des Profils 11 und den Komponenten sorgen für einen möglichst geringen Wärmeübergangswiderstand.
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5 zeigt das Lampengehäuse 1 in einer Schnittansicht gemäß dem in 4 angegebenen Schnittverlauf B-B. An dem, in 3 und 4 detailliert beschriebenen, Ringsteg 5 ist die Platine 8 mit den Leuchtdioden 9 befestigt. Um den thermischen Kontaktwiderstand zwischen der Platine 8 und der Unterkante des Ringstegs 5 möglichst gering zu halten und eine optimale thermische Kontaktierung der unterschiedlichen Oberflächen zu gewährleisten, ist ein Wärmeleitmaterial 7 mit sehr gut Wärme leitenden Eigenschaften eingebracht.
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Vorteilhaft sind die Leuchtdioden 9 im Wesentlichen im Bereich des Ringstegs 5 auf der Unterseite der Platine 9 angeordnet. Derart erfolgt die Wärmeableitung auf schnellsten Weg von der Leuchtdiode 9 über die Platine 8 und das Wärmeleitmaterial 7 auf den Ringsteg 5 und von dort über die Rippen 6 auf das Lampengehäuse 1. Das ganze Lampengehäuse 1 tauscht dann die Wärme mit der umströmenden Atmosphäre aus.
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Die umlaufenden Kühlrippen 13 an der Außenkante dienen zur Vergrößerung der Oberfläche des Lampengehäuses 1, um die Wärmeübertragung an die Umgebung und damit die Kühlung zu verbessern.
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6 zeigt das Lampengehäuse 1 mit der Platine 8 und Leuchtdioden 9 in isometrischer Ansicht. Die Platine 8 ist entsprechend dem ovalen Umfang des Lampengehäuses 1 in ovaler Form ausgebildet, so dass die Platine 8 mit den Leuchtdioden 9 im Inneren des Lampengehäuses 1 untergebracht ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lampengehäuse
- 2
- Mastansatzstück
- 3
- Ringnut
- 4
- Abdeckung
- 5
- Ringsteg
- 6
- Rippe
- 7
- Wärmeleitmaterial
- 8
- Platine
- 9
- Leuchtdiode, LED
- 10
- Bohrung
- 11
- Profil
- 12
- Komponente
- 13
- Kühlrippen
- A, B
- Schnittlinie
- L
- Ausleuchtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20110038154 A1 [0003]
- DE 202010010263 U1 [0004]
