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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beleuchtung einer Druckkammer, beispielsweise einer Unterdruckkammer, auch als Vakuumkammer bezeichnet.
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Anliegen ist es, den druckspezifischen Bereich im Kammerinneren für die Prozessbeobachtung, -kontrolle, -aufzeichnung etc. zu beleuchten.
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Es ist allgemein bekannt, Objekte, wie auch Bereiche im Innern von Vorrichtungen, durch Strahlungsquellen, beispielsweise Glühlampen, lichtemittierend Halbleiter oder gar Laserstrahlung, zu beleuchten. Die einfachste Möglichkeit ist es dabei, die Strahlungsquelle, sofern es Baulichkeit und Funktion der zu beleuchtenden Bereiche ermöglichen, unmittelbar in diese einzubringen.
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Im Fall druck- bzw. vakuumtechnischer Anlagen ist eine solche Einbringung von Licht- bzw. Strahlungsquellen nicht ohne Problematik, da nicht nur die Leuchtmittel dem Druck bzw. Unterdruck sowie dem Bearbeitungszweck, dem die Anlage dient, ausgesetzt sind, sondern die Anordnung, Befestigung, Stromzuführung für die Leuchtmittel müssen diesen verwendungsspezifischen Anforderungen auch entsprechen. Insbesondere sind bei vakuumtechnischen Anwendungen die Ausgasungen organischer Materialien störend und deswegen zu minimieren.
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So sind spezielle Lampen verfügbar (beispielsweise Produktreihe JEVAlux® SHL, http://jevatec.de/index.php/de/vakuumtechnik/beleuchtung/jevalux-shl), auch als einfach und robust aufgebaute Rezipientenbeleuchtung vorgestellt. Eine solche Halogenleuchte kann einfach an den gewünschten Platz in der Vakuumkammer gestellt werden und leuchtet den Raum gut aus. Eine praktische und wartungsfreundliche Glashaube schützt das Leuchtmittel vor Ablagerungen und Verschmutzungen durch die Bearbeitungsprozesse.
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Nachteilig ist, dass diese Lampe Platz in der Kammer benötigt sowie dass deren Reinigung, Wartung und Austausch einen Eingriff in den Vakuumbereich erfordert, wodurch der Vakuumbetrieb und somit die Verwendung der Bearbeitungsanlage unterbrochen werden müssen. Die Lampen besitzen einen breiten festen Spektralbereich, der bei farbsensiblen Prozessen störend sein kann. Außerdem wärmt die beleuchtende Halogenlampe (wie jede intern in der Kammer angeordnete Lampe) den Arbeitsbereich in der Vakuumkammer auf. Lampe und Keramikfassung erwärmen sich stark, da die Wärmeableitung im Vakuum verringert ist. Der Wärmeeintrag ist insbesondere bei Tieftemperaturanwendungen unerwünscht. Die besagte Wärmestrahlung kann darüber hinaus zu verstärkter Desorption aus der Leuchte selbst sowie von Einbauten und den Kammerwänden führen, die insbesondere ein Hochvakuum verschlechtert. Ein erhöhter Lichtbedarf führt zwangsläufig zu größerem Wärmeeintrag.
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Bekannt sind auch Lampen, welche über einen Wandungsflansch in die Vakuumkammer eingebracht werden (beispielsweise JEVAlux® FHL http://jevatec.de/index.php/de/vakuumtechnik/beleuchtung/jevalux-fhl). Der Flansch, an welchem die Lampe mechanisch befestigt ist, beinhaltet auch die Zuführung der elektrischen Lampenanschlüsse.
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In Bezug auf die in der Vakuumkammer angeordnete Halogenlampe gilt prinzipiell das Vorbeschriebene. Außerdem ist auch hier für Reinigung, Wartung und Austausch der Lampe in den Vakuumbetrieb einzugreifen, wodurch der Vakuumbetrieb und somit die Verwendung der Bearbeitungsanlage nachteilig unterbrochen werden müssen.
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Es ist ebenfalls hinreichend bekannt, die Beleuchtungslampe außerhalb der Kammer anzuordnen und den Kammerinnenraum durch ein lichtdurchlässiges Fenster zu bestrahlen (beispielsweise
KR 101085816 B1 ).
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Damit wird der Nachteil des angesprochenen Energieeintrags durch den Lampenbetrieb im Wesentlichen gemindert, sofern das Fenster eine hohe Wärmeisolation ermöglicht. Auch muss bei Austausch der Lampe nicht der Vakuumbetrieb unterbrochen werden. Allerdings ist in komplexen Vakuumanlagen der Platz für derartige Fenster beschränkt. Außerdem ist insbesondere bei Kammern mit Flanschen an üblicherweise angeschweißten Rohrstutzen eine möglichst homogene Ausleuchtung des relevanten Vakuumbereiches kaum gewährleistet.
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Die Beleuchtung durch eine lichttransparente Scheibe/Sichtfenster (wie in der
DE 1 022 9083 A oder in der
DE 43 09 108 A1 gezeigt) ist für Flächenbeleuchtungen weit verbreitet. Für eine lichtstreuende Wirkung der Scheibe wird zumindest eine der Scheibenoberflächen angeraut, so dass diese noch lichttransparent ist.
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Zur Herstellung derartiger lichtstreuender Wirkungen auf der Scheibenoberfläche oder im Scheibenmaterial sind zahlreiche insbesondere mechanische, optische oder chemische Verfahren bekannt. In der
DE 1 022 9083 A wird unter anderem auf optisch trübende Dispersoide, auf photochemische Verfahren, Aufdampfen und Einbringung von dispersoiden Materialien bei der Scheibenherstellung, insbesondere bei Kunststoffscheiben, verwiesen, um nur einige Fertigungsmethoden zu nennen. Selbst bei Verwendung von Dispersoiden, von denen im auffallenden Licht eine zusätzliche Leuchtwirkung ausgeht, ist die Ausleuchtung hinter der Scheibe stark vom Verhältnis des Streueffektes und der verbleibenden Lichttransparenz der Scheibe geprägt. Je weiter der Ausleuchtungsbereich von der Scheibe entfernt ist, desto weniger ist eine vollständige und homogene Ausleuchtung gewährleistet und desto höher sind die Anforderungen an die Beleuchtungsstärke der Lichtquelle und ggf. an die Fenstergröße, die aber in der Praxis bei Vakuumanlagen aus mehreren Gründen beschränkt ist.
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Für die Beleuchtung schwer zugänglicher Stellen werden seit Jahren Lichtleitkabel eingesetzt (z. B.
DE 1 806 718 B zur Beleuchtung von Fahrzeuginstrumententafeln oder auch
DE 2 131 924 A zur Beleuchtung von Tastaturen bzw. Tastatursymbolen, um nur einige Verwendungen zu nennen). Bei solchen Beleuchtungen steht kaum die Forderung nach möglichst hoher und gleichmäßiger/homogener Ausleuchtung gesamter Bereiche und konstruktiver Räume. Insbesondere sollen hier mit einer Mehrzahl von Lichtleitkabeln (Faserbündeln) lokal unterschiedliche Stellen von nur einer (in der Regel ortsfesten) Strahlungsquelle beleuchtet werden.
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Lichtleitkabel werden auch zur Beleuchtung von Hohlräumen, insbesondere für medizinische Untersuchungen, eingesetzt (beispielsweise
DE 3 323 365 C2 für Katheter), wobei zur Strahlprofil-Homogenisierung zusätzlich Faser-Schwinger, Spiegel mit Schuppenstruktur, Faser-Verbieger, Mattscheiben oder Kombinationen dieser Mittel verwendet werden.
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Um in der Medizin Hohlräume zu beleuchten (unter anderem für die Untersuchung und/oder Behandlung von Tumoren bzw. Tumorherden), ist es bekannt, diese Hohlräume vollständig oder teilweise über ein Katheter mit einem Streumedium (beispielsweise Fettemulsionen in Verdünnung mit physiologischer Kochsalzlösung) zu füllen und in dieses Streumedium zur Beleuchtung ein oder mehrere Lichtleitfasern einzuführen (z. B.
DE 3 323 365 C2 ). Die Verwendung solcher Streumedien ist für Vakuumbearbeitungsanlagen keinesfalls geeignet.
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Bekannt ist auch eine Vielzahl von Vorrichtungen mit Lichtleitkabeln, die beispielsweise zur Beleuchtung von Reaktorbehältern (beispielsweise
DE 3 600 635 C2 ) Verwendung finden. Dabei taucht die Lichtquelle direkt in das Behälterinnere ein, weshalb sich auch die Bezeichnung ”Tauchbeleuchtung” geprägt hat. Auch hier ist der zu beleuchtende Raum, wie nachteilig vorgenannt, mit einem Medium befüllt.
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Aus der
DE 2 315 220 A ist es auch bekannt, Lichtleitfasern derart zu behandeln, dass sie Licht in Richtungen abstrahlen, die sich von ihrer Oberfläche nach außen erstrecken. Eine solche Art der Behandlung ist beispielsweise auch offenbart in ”
IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 24 Nr. 3, S. 1447–1348, 1981. Danach wird eine Lichtröhre mit Einkerbungen versehen, die als Spiegel wirken und das Licht im Winkel zum generellen Lichtweg nach außen reflektieren.
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Es ist jedoch ein Nachteil aller dieser Beleuchtungsvorrichtungen in einem Medium, dass das durchstrahlte Medium-Volumen, in welchem noch dazu Fotoreaktionen ablaufen können, nicht gleichmäßig ausgeleuchtet wird, das das Licht von dem sich beispielsweise in Flüssigkeits- oder Dampfphase befindlichen Medium absorbiert wird und den größten Teil des Mediums gar nicht erreicht. Im Übrigen ist dieses Tauchverfahren, wie bereits angemerkt, für Vakuumbearbeitungsanlagen nicht geeignet.
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Es wäre auch denkbar, einen Bereich oder Raum unmittelbar durch lichtemittierende Strahlungselemente (LEDs oder LED-Arrays) zu beleuchten. Die organischen Ausgasungen kommerziell verfügbarer Leuchtdioden sind für Vakuumanwendungen, insbesondere im Hoch- und Ultrahochvakuumbereich, nicht akzeptabel. Darüber hinaus bereitet die Entwärmung der Leuchtdioden im Vakuum zusätzliche Schwierigkeiten. Für Ultrahochvakuumanlegen mit Ausheiztemperaturen bis zu 400°C sind Leuchtdioden grundsätzlich ungeeignet.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Innenraum einer Druckkammer, beispielsweise einer Vakuumkammer, mit einer möglichst einfachen, robusten, ausgasarmen und universell verwendbaren Vorrichtung ohne maßgeblichen Wärmeeintrag in die Druckkammer, ohne Beeinträchtigung der Funktion der Kammer, insbesondere mit einem Minimum an Platzbedarf, sowie anwendungsspezifisch definiert und aufwandgering änderbar, wie auch wartungsarm, zu beleuchten.
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Die Art der Beleuchtung (beispielsweise homogene oder nicht- bzw. nicht in der Gesamtstrahlung homogene Beleuchtung, Wahl von Helligkeit, Spektralbereich, kontinuierlichem oder impulsförmigem Betrieb) soll dabei mit möglichst wenig Ein- oder Umrüstaufwand für den Anwender und weitgehend ohne Unterbrechung bzw. Einschränkung der eigentlichen Funktion der Druckkammer gewählt werden können. Darüber hinaus soll die Beleuchtungseinrichtung gut handhabbar und aufwandgering zu reinigen sein.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Beleuchtung einer Druckkammer, enthaltend zumindest eine außerhalb derselben angeordnete Strahlungsquelle, deren Lichtstrahlung über ein für diese Lichtstrahlung optisch durchlässiges Element durch die Wandung der Druckkammer in deren Innenraum fällt, dadurch gelöst, dass ein in die Wandung der Druckkammer druckdicht einbringbarer Flansch vorgesehen ist, der intern einen drucksicher aufgenommenen und im eingebauten Zustand des Flansches aus der Wandung in die Druckkammer ragenden sowie extern von dieser durch die zumindest eine Strahlungsquelle beleuchteten Lichtführungskörper aufweist, welcher wenigstens in einem Teilbereich einen auf den zu beleuchtenden Innenraum der Druckkammer wirkenden Lichtstreubereich besitzt.
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Der Flansch wird vorzugsweise zum Zweck eines möglichen Wiederausbaus (Umrüstung, Wartung, Austausch) mittels einer lösbaren Verbindung druckdicht in der Wandung der Druckkammer aufgenommen. Für die vakuumtechnischen Anwendungen wird der Flansch in standardisierten Maßen als Kleinflansch (KF) für Hochvakuumanwendungen oder Conflatflansch (CF) für Ulttrahochvakuumanwendungen ausgeführt.
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Der druckdicht im Flansch eingebrachte Lichtführungskörper besteht vorzugsweise aus einem beständigen sowie leicht zu reinigenden Zylinder, insbesondere aus Silikat- bzw. Quarzglas oder aus Kristall, und dient zur verlustarmen Lichtdurchführung von der zumindest einen externen Beleuchtungsquelle, insbesondere einem oder mehrerer unmittelbar an der Flanschaußenseite angeordneten lichtemittierendem Halbleiter, durch den Flansch hindurch in den Innenraum der Druckkammer. Damit befindet sich die Beleuchtungsquelle außerhalb der Druckkammer. Die Strahlungswärme im Beleuchtungsbetrieb wirkt sich nicht auf die Atmosphäre in der Druckkammer aus; ein Wärmeeintrag in die besagte Atmosphäre ist durch die externe Beleuchtung minimiert. Insbesondere ist es zweckmäßig, die zumindest eine Beleuchtungsquelle unmittelbar in einem äußeren Gehäuseteil des Flansches anzuordnen und über eine Steckverbindung elektrisch anzuschließen.
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Es ist vorteilhaft, den Lichtführungskörper und die Strahlungsquelle zum Zweck einer effektiven Lichteinkopplung über ein an sich bekanntes Dispersionsmedium zu fügen.
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Als praktikable Anwendungsgestaltungen erscheinen die Zylinderform des Lichtführungskörpers sowie dessen robuste und beständige Ausbildung aus Glas oder Kristall, wodurch der Lichtführungskörper gut zu reinigen ist. Denkbar wären jedoch auch Ausführungen aus lichttransparentem Kunststoff, sofern dieser für die anwendungsspezifischen Bearbeitungsprozesse im Innern der Druckkammer geeignet bzw. beständig ist, wie auch andere Geometrien des Lichtführungskörpers.
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In zumindest einem (bei Montage in den Innenraum der Druckkammer ragenden) Teilbereich weist der Lichtführungskörper zum Zweck einer lichtstreuenden Wirkung der vom ihm aus in die Druckkammer eindringenden Beleuchtung eine Mattierung auf, im einfachsten Fall eine an sich bekannte physikalisch, optisch bzw. chemisch hergestellte Oberflächenaufrauhung. Auch andere an sich bekannte Materialbeeinflussungen, beispielsweise hervorgerufen durch Laserbestrahlung oder auch durch Einbringung dispersoider Stoffe bei der Herstellung, sind möglich.
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Durch die Lichtstreuung wird eine gute und weitgehend gleichmäßige Ausleuchtung der Druckkammer ermöglicht.
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Auch der Lichtstreubereich des Lichtführungskörpers beschränkt sich nicht auf die besagte Zylinderform und kann in der Praxis je nach bezweckter Beleuchtung beispielsweise auch kegel-, kolben-, bzw. kugelförmig ausgebildet oder durch Anfasungen etc. geprägt sein.
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Die baulich robuste und kompakte Beleuchtungsvorrichtung ist wartungsarm und außerdem durch den aufwandgering ein- und ausbaufähigen Flansch mit dem Lichtführungskörper gut handhabbar und schnell zu reinigen sowie für spezielle Effekte zur Beleuchtung der Druckkammer austauschbar. Die gute und schnelle Handhabbarkeit sorgt ferner für eine möglichst kurzfristige Vorbereitung oder Unterbrechung der Kammer-Vakuumfunktion hinsichtlich der angesprochenen Ein-, Um- und Ausrüstaufwendungen für die Druckkammer. Durch die zumindest eine extern von der Druckkammer angeordnete Beleuchtungsquelle und deren Steuerung können Wechsel der Beleuchtungselemente und Veränderungen beleuchtungsspezieller Strahlungscharakteristiken (Änderungen der Helligkeit, des Beleuchtungsspektrums, permanente oder impulsförmige Beleuchtung etc.) ohne Unterbrechung des Druckzustandes der Kammer auf einfachste Weise durchgeführt werden.
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Es wird mit der Erfindung eine gute und, falls erwünscht, eine homogene Gesamtausleuchtung bei kleinstem Raumbedarf für die konstruktive Gestaltung der Druckkammer und für die Kammerwandung gewährleistet, ohne für eine externe Bestrahlung großflächige Sichtfenster in die Wandung einbringen zu müssen und ohne die Bearbeitungsprozesse der Druckkammer (auch für kleine Kammervolumina) zu beeinträchtigen.
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Die Vorrichtung kann vorteilhaft für in der Vakuumtechnik etablierte Flanschstandards hergestellt werden, so dass die Vorrichtung für derartige Anlagen problemlos eingesetzt und nachgerüstet werden kann.
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Die vorgeschlagene Beleuchtungseinrichtung verfügt ein Minimum an medienberührenden Materialien, so dass Ausgasungsprozesse in die Druckkammer auf ein unumgängliches Maß beschränkt sind.
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In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Vorrichtung angeführt, der Schutzumfang der Erfindung ist jedoch nicht auf diese beschränkt.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand einer in der Zeichnung dargestellten Beleuchtungsvorrichtung für eine Vakuumkammer näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1: Prinzipdarstellung der Beleuchtungsvorrichtung in dreidimensionaler Ansicht
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2: Prinzipdarstellung der Beleuchtungsvorrichtung in zweidimensionaler Seitenansicht
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3: Schnittdarstellung der Seitenansicht gemäß 2
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4: Prinzipdarstellung der in die Wandung einer Vakuumkammer eingebrachten Beleuchtungsvorrichtung
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Die für eine Vakuumkammer vorgesehene Beleuchtungsvorrichtung ist separat (ohne Vakuumkammer) in 1 als 3D-Ansicht sowie in 2 als zweidimensionale Seitenansicht abgebildet. Ein Flansch 1, der vorzugsweise in Bauart und Größe als genormter Flansch für diesbezügliche Vakuumeinrichtungen ausgeführt und aus Übersichtsgründen konstruktiv nicht explizit dargestellt ist, nimmt in seinem Innern einen Lichtführungskörper 2 aus massivem zylindrischen Glas druckdicht auf.
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In Bezug auf die bestimmungsgemäße Vakuumkammer ist außenseitig an den Flansch 1 ein Flanschgehäuse 3 angesetzt, welches zumindest eine Beleuchtungsquelle und deren Ansteuerelektronik (vgl. 3) enthält. Der Innenraum des Flanschgehäuses 3 ist durch einen Gehäusedeckel 4 an dessen hinterer Stirnseite zugänglich.
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Die im Flanschgehäuse 3 untergebrachte Beleuchtungsquelle (siehe LED 5 in 3) strahlt auf die Stirnfläche des im Flansch 1 aufgenommen Lichtführungskörpers 2, wobei das eingestrahlte Licht in dessen Innern zu seinem anderen (im eingebauten Zustand der Beleuchtungsvorrichtung in der Vakuumkammer befindlichen) Ende geleitet (vgl. 4) und dort über einen Lichtstreubereich 6 in die Umgebung (Vakuumkammer) abgegeben wird. Der Lichtstreubereich 6 besteht im gezeigten Beispiel aus einer Oberflächenaufrauhung des als Glaszylinder ausgeführten Lichtführungskörpers 2. Eine solche Aufrauhung kann, wie bereits vorbeschrieben, in an sich bekannter Weise z. B. physikalisch, optisch oder chemisch generiert werden und sorgt für einen möglichst gleichmäßigen räumlichen Lichtaustritt aus dem Lichtführungskörper 2 und damit für eine weitgehend homogene Ausleuchtung des Innenraums der Vakuumkammer.
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Zur besseren Anschaulichkeit ist die in 2 gezeigte Seitenansicht in 3 nochmals als Schnittansicht gezeigt. Aus dieser geht hervor, wie der Lichtführungskörper 2 im Flansch 1 mittels einer druckdichten Verbindung 7 aufgenommen ist und die LED 5 über ein Dispersionsmedium 8 in die rechte Stirnseite des Lichtführungskörpers 2 einstrahlt.
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Ferner ist im Flanschgehäuse 3 noch eine Platine 9 mit der Ansteuerelektronik für die LED 5 untergebracht. Aus Übersichtsgründen sind die elektrischen Anschlussverbindungen für die LED 5 und die Platine 9 nicht explizit dargestellt.
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4 zeigt die Beleuchtungsvorrichtung im eingebauten und in eine Wandung 10 der Vakuumkammer montierten Zustand. Zur Aufnahme normgerechter Flansche besitzen Vakuumkammern jeweils an der entsprechenden Wandungsöffnung ein mit der Wandung 10 verbundenes Ansatzrohr 11. In diese wird der aufzunehmende Flansch 1 eingeschoben und mittels einer Klemmzwinge 12 durch eine Flügelschraube 13 arretiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flansch
- 2
- Lichtführungskörper
- 3
- Flanschgehäuse
- 4
- Gehäusedeckel
- 5
- LED
- 6
- Lichtstreubereich
- 7
- druckdichte Verbindung
- 8
- Dispersionsmedium
- 9
- Platine
- 10
- Wandung der Vakuumkammer
- 11
- Ansatzrohr
- 12
- Klemmzwinge
- 13
- Flügelschraube
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 101085816 B1 [0009]
- DE 10229083 A [0011, 0012]
- DE 4309108 A1 [0011]
- DE 1806718 B [0013]
- DE 2131924 A [0013]
- DE 3323365 C2 [0014, 0015]
- DE 3600635 C2 [0016]
- DE 2315220 A [0017]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Produktreihe JEVAlux® SHL, http://jevatec.de/index.php/de/vakuumtechnik/beleuchtung/jevalux-shl [0005]
- JEVAlux® FHL http://jevatec.de/index.php/de/vakuumtechnik/beleuchtung/jevalux-fhl [0007]
- IBM Technical Disclosure Bulletin”, Vol. 24 Nr. 3, S. 1447–1348, 1981 [0017]
