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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung. In
dem momentanen Stand der Technik sind vielfältige Arten von Beleuchtungsvorrichtungen
oder -systemen bekannt, in welchen die Lichtquelle zusammengesetzt
ist aus der Flamme eines Brenners, die zugeführt wird durch einen flüssigen oder
gasförmigen
Treibstoff, siehe z.B.
US-A1-5601357 .
Obwohl weit verbreitet, sind diese bekannten Vorrichtungen irgendwie
ineffektiv aufgrund der hohen Emission infraroter Strahlung und aufgrund
des Fehlens einer Steuerung über
die Dosierung von Reagenzmaterialien wie Treibstoff und Oxidationsmittel.
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Aufgrund
des Obigen, ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Lichtquelle
neuen Konzepts herzustellen, in welcher Emission infraroter Strahlung
minimiert ist, obwohl direkte Verbrennung als Energiequelle verwendet
wird.
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Ein
anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Lichtquelle herzustellen,
in welcher die Steuerung der Dosierung von Reagenzmaterialien, wie
Treibstoff und Oxidationsmittel, elektronisch erreicht werden kann.
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Ein
anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Lichtquelle herzustellen,
in welcher eine räumliche Trennung
der Treibstoff-Brennstoff-Reaktionszone möglich ist, in welcher Lichtemission
hervorgebracht wird.
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Eines
oder mehrere dieser Ziele werden erreicht entsprechend der vorliegenden
Erfindung durch eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtquelle,
die nach dem Prinzip von Beschränkung
in einem Volumen der chemischen Reaktion zwischen zumindest einem
Treibstoff und einem Brennstoff funktioniert, wobei zumindest eine
Passage für
die Emission von dem Volumen des Lichts, entwickelt durch die Reaktion,
bereitgestellt ist, mit einer photonischen Kristallstruktur, wel che
angeordnet ist entsprechend der Passage, um Emission von der Passage
zumindest eines Teils der infraroten Strahlung zu verhindern oder
zu beschränken
und um gleichzeitig Emission von sichtbarer Lichtstrahlung zu erlauben.
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Weitere
Ziele, Kennzeichen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus der unteren Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen ersichtlich
werden, die rein als nichtlimitierendes Beispiel bereitgestellt
sind, in welchen:
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1 eine
teilweise Schnittseitenansicht einer Beleuchtungsvorrichtung mit
direkter Verbrennung ist, erhalten entsprechend den Regeln der vorliegenden
Erfindung.
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Die
beigefügte
Figur zeigt eine Lichtquelle mit direkter Verbrennung, erhalten
entsprechend den Regeln der vorliegenden Erfindung; in dem Beispiel ist
diese Lichtquelle als Beleuchtungsvorrichtung in der Form einer
tragbaren Lampe als Ganzes bezeichnet mit 1.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst ein hohles Gehäuse 2, hergestellt
z.B. aus Plastik, Metall oder Glasmaterial, geschlossen an einem
Ende durch eine erste, im Wesentlichen flache Endwand, durch 3 bezeichnet.
An dem gegenüberliegenden
Ende ist eine konkave Wand 4 in Richtung der Innenseite
des Körpers 2,
mit welcher verbunden ein Reflektor ist, z.B. der parabolischen
Art oder der Freiformart, schematisch bezeichnet mit 5;
der Reflektor 5 kann z.B. hergestellt sein durch Beschichtung
der Wand 4, wenn sie aus Plastikmaterial hergestellt ist,
mit einer reflektierenden Beschichtung in einer einfachen Schicht
oder mehreren Schichten, mit einer im Vorhinein bekannten Technik;
als ein Beispiel kann die vorherige Schicht in der Form von Schichten
aus Aluminium oder Silber sein.
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Auf
dem Reflektor 5 ist ein flaches, Primates oder linsenförmiges transparentes
Element positioniert, bezeichnet durch 6; das transparente
Element 6 kann z.B. aus Glas gemacht sein. Innerhalb des Gehäuses 2,
zwischen der Bodenwand 3 und der Wand 4 (oder
zwischen der Bodenwand 3 und dem Reflektor 5,
wenn der letztere die Wand 4 ersetzt), sind verschiedene
funktionale Komponenten der Vorrichtung 1 positioniert.
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Die
Nummern 7 und 8 kennzeichnen zwei Tanks, jeweils
zum Beinhalten eines Treibstoffs und eines Brennstoffs. Es muss
bemerkt werden, dass die Verbrennungsmischung, die zum Betrieb der
Vorrichtung 1 nötig
ist, aus zwei Gasen (wie Wasserstoff oder Acetylen oder Sauerstoff)
oder einem Gas und einer Flüssigkeit
(wie Sauerstoff und Methanol) zusammengesetzt sein kann.
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Die
Tanks 7 und 8 kommunizieren mittels jeweiliger
Kanäle 7a und 8a mit
jeweiligen Einlässen
einer Einspritzvorrichtung, als Ganzes bezeichnet mit 9,
bereitgestellt, um die Verbrennungsmischung herzustellen und sie
in eine Homogenisierungszone oder -kammer der Mischung zuzuführen, mit 10 bezeichnet,
welche ein poröses
Material beinhaltet.
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An
dem gegenüberliegenden
Ende der Homogenisierungskammer 10 zu dem Ende, welches mit
der Einspritzvorrichtung 9 verbunden ist, ist ein Auslass
definiert, an dem Level von diesem ist ein röhrenförmiger Anhang 11,
geneigt wie eine Düse und
im Schnitt gezeigt, wobei der Anhang 11 durch eine Öffnung geht,
die in der konkaven Wand 4 definiert ist und welche in
den Reflektor 5 führt.
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In
dem Beispiel sind zwei Elektroden, bezeichnet mit 12, bestimmt,
um mit Elektrizität
versorgt zu sein, um einen Sprungfunken zu produzieren, um die Mischung
zu zünden,
die aus der Homogenisierungskammer 10 kommt; für diese
Zweck haben die Elektroden 12, aus Metall, jede einen jeweiligen
Abschnitt, der nicht gezeigt ist, der auf die Grenzfläche zwischen
der Homogenisierungskammer 10 und dem Düsenanhang 11 gerichtet
ist, um es dem elektrischen Funken zu erleichtern, die Mischung
zu zünden;
dieser Funken wird erzeugt mittels eines elektronischen Steuersystems,
schematisch mit 13 bezeichnet, gespeist mittels einer passenden
Batterie, in der Figur nicht gezeigt; das elektronische System 13 betreut ebenso
die Steuerung der Einspritzvorrichtung 9, für die Zwecke,
die unten ersichtlicher werden.
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Die
Homogenisierungskammer 10 muss vorzugsweise beständig gegen
chemische Mittel und hohe Temperaturen sein und minimale Wärmeverluste
garantieren. Für
diesen Zweck kann die Kammer 10 hergestellt werden unter
Verwendung eines neuen, äußerst widerstandsfähigen keramischen
Materials namens SiC·nSi3N4·xC, mit
den externen Wänden,
die beschichtet sind mit Zirkonoxid, gedopt mit Thallium- und Yttriumoxiden,
welche als eine thermische Barriere funktionieren; diese Beschichtung,
teilweise geschnitten gezeigt, wird mit 14 bezeichnet.
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Eine
gewöhnliche
Verbrennungskammer reduzierter Größe neigt dazu, Rekombination
der aktiven Radikalspezies zu begründen, was die Wahrscheinlichkeit
der Reaktion, gelöscht
zu werden, erhöht.
Aus diesem Grund, entsprechend der Erfindung, ist die Verbrennungskammer 11 ebenso
ausgestattet mit Katalysatoren einer vorher bekannten Art, abzielend
auf Verhinderung der Rekombination.
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Das
Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Auswählschalter der vorher bekannten
Art, bereitgestellt, um An-/Ausschalten der Vorrichtung 1 mittels des
Systems 13 zu steuern; das letztere ist besonders gestaltet,
um die Impulsfrequenz der Zündung und
des Einspritzens der Verbrennungsmischung innerhalb der Kammer 10 zu
steuern, die Frequenz kann, wenn nötig, unter Verwendung des Auswählschalters 15 eingestellt
werden. Für
diesen Zweck sind die Elektroden 12, die Einspritzvorrichtung 9 und der
Auswählschalter 15 passend
verbunden mit dem Steuersystem 13 mittels elektrischer
Leiter, in der Figur nicht gezeigt.
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Entsprechend
einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine photonische
Kristallstruktur auf der Höhe
der Auslassöffnung
der Homogenisierungskammer 10 angeordnet; in dem Beispielfall
in der Figur ist daher diese photonische Kristallstruktur, bezeichnet
mit 16, eingeführt
in den Düsenanhang 11.
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Die
photonischen Kristallen zugrundeliegende Theorie hat ihren Ursprung
in den Arbeiten von Yablonovitch und übersetzt in die Möglichkeit,
Materialien herzustellen mit Kennzeichen, die die Eigenschaften
von Photonen beeinflussen, so wie Halbleiterkristalle die Eigenschaften
von Elektronen beeinflussen. Yablonovitch bewies, dass Materialien
mit Strukturen mit einer periodischen Variation in dem Brechungsindex
die Natur der photonischen Modi innerhalb ihnen drastisch modifizieren.
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Detaillierter,
die Elektronen, welche sich in einem Halbleiterkristall bewegen,
fühlen
die Wirkung eines periodischen Potentials, welches durch die Kerne
der Atome, aus welchen der Kristall besteht, erzeugt wird; diese
Interaktion fuhrt zu der Bildung einer Serie erlaubter Energiebänder, getrennt
von verbotenen Energiebändern
(Bandspalte).
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Ein
gleiches Phänomen
tritt auf für
die Photonen in den photonischen Kristallen, welche im Allgemeinen
sich zusammensetzen aus Blöcken
transparenten, dielektrischen Materials, welches eine geordnete
Serie von Mikrohohlräumen
enthält,
in welchen Luft oder andere Mittel mit einem sehr unterschiedlichen
Brechungsindex zu dem Index der Gasmatrix gefangen ist. Der Kontrast
zwischen den Brechungsindizes führt
zur Beschränkung
von Photonen mit spezifischen Wellenlängen innerhalb der Hohlräume des
photonischen Kristalls.
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Die
Beschränkung,
welche die Photonen (oder die elektromagnetischen Wellen) spüren, der Effekt
von, aufgrund des Kontrasts zwischen den Brechungsindizes der porösen Matrix
und den Hohlräumen,
begründet
die Bildung von Bereichung erlaubter Energien, getrennt durch Regionen
verbotener Energien. Der letztere wird photonischer Bandspalt genannt.
Diese Tatsache führt
zu den zwei Grundeigenschaften von photonischen Kristallen:
- i) durch Steuerung der Dimensionen, des Abstands
zwischen den Hohlräumen
und dem Unterschied zwischen den Brechungsindizes ist es möglich, Ausbreitung
und spontane Emission von Photonen bestimmter Wellenlängen zu
verhindern;
- ii) wie in dem Fall von Halbleitern, wo da Dotierungsverunreinigungen
innerhalb des photonischen Bandspaltes (PBG) sind, ist es möglich, erlaubte
Energielevel zu erzeugen.
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Durch
angebrachtes Auswählen
der Werte der Parameter, welche die Eigenschaften der Kristalle
bestimmen, ist es daher möglich,
Ausbreitung und spontane Emission von infraroter Strahlung spezifischer
Wellenlängen
zu verhindern und gleichzeitig Ausbreitung und spontane Emission
von sichtbarer Strahlung zu erlauben.
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Betrieb
der Vorrichtung 1 entsprechend der Erfindung ist wie folgt.
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Die
Tanks 7 und 8 enthalten normalerweise einen Treibstoff
und einen Brennstoff, welcher, wie erwähnt, aus zwei Gasen oder einem
Gas und einer Flüssigkeit
bestehen kann. Durch die Kanäle 7a und 8a kann
der Treibstoff und der Brennstoff die Einspritzvorrichtung 9 erreichen,
die typischerweise aus einem Mikroventil der Tintenstrahl- oder
Blasenstrahlart bestehen, um miteinander gemischt zu werden und
in die Homogenisierungskammer 10 geleitet zu werden.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird Einspritzen der Verbrennungsmischung in die Homogenisierungskammer 10 mit
Impulsen erzeugt.
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Einspritzen
mit Impulsen erlaubt eine bessere Steuerung über eine Dosierung von Treibstoff
und Oxidationsmittel, um stöchiometrische
Verbrennung zu regeln, in welcher der Treibstoff und die Oxidationsmittel
ohne arme oder reiche Reaktionsprodukte reagieren entsprechend dem
Oxidationsmittel-zu-Treibstoff-Verhältnis.
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Wie
erwähnt,
in einer möglichen
Ausführungsform,
wird Einspritzung der Verbrennungsmischung erzeugt durch eine Einspritzvorrichtung ähnlich zu
denen, die in Tintenstrahlköpfen
für Drucker verwendet
werden, der Tintenstrahl- oder Blasenstrahlart, gut vorbekannt ebenso
aus Verwendung in verschiedenen Bereichen (siehe z.B.
US-A-5,437,255 , verwandt
zu der Verwendung eines Einspritzsystems der Art bezeichnet für innere
Verbrennungsmaschinen).
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Insbesondere
sind aktuelle Generationen von Einspritzvorrichtungen der Tintenstrahlart,
sowohl thermisch und piezoelektrisch, gekennzeichnet durch ein extrem
hohes Leistungsniveau in Bezug auf Qualität, Zuverlässigkeit und niedrige Kosten.
Typische Kennzeichen dieser Systeme sind die Tatsache, dass sie
verwendet werden können
sowohl mit flüssigen
Mischungen und mit gasförmigen
Mischungen, Steuerung über
die Tropfengröße, die
Einspritzzeit und den Mischungsfluss der zwei Komponenten. Die typische
Frequenz, die beigemessen werden kann, kann zwischen einigen Hertz
zu einigen dutzenden von tausenden von Hertz variieren, mit der Möglichkeit,
Flüssigkeitsquantitäten von
ungefähr
einem Picoliter für
jeden Impuls einzuspritzen.
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Um
begrenzte Verbrennung an dem Auslass der Kammer 10 zu beginnen,
betreibt der Nutzer der Vorrichtung 1 den Auswählschalter 15 zum
Starten mittels des Steuerungssystems 13 einer Sequenz von
Freigaben für
die Mischung von der Einspritzvorrichtung 9 zu der Kammer 10,
mit einer entsprechenden Anzahl elektrischer Funken zwischen den
Elektroden 12, bevorzugt verzögert, um Einspritzsynchronisation
zu optimieren.
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Weiterhin
in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, folgend dem ersten Funken der Einspritzsequenz und
Frequenz des eingespritzten Treibstoffs-Brennstoffs, garantiert Selbstzündung der Impulse.
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Daher
findet in der Einlasszone des Anhangs 11, in welcher der
photonische Kristall 16 positioniert ist, Verbrennung mit
Impulsen statt, die eine Abfolge von ein zelnen Verbrennungen von
Strahlungen von Mischungen ist, die einer nach dem anderen eingespritzt
werden; die erste Verbrennung kann gestartet werden durch einen
jeweiligen Funken zwischen den Elektroden 12 und gekennzeichnet
durch die Entwicklung eines jeweiligen Lichtblitzes, während von der
zweiten Verbrennung Zündung
stattfinden kann als ein Ergebnis lokalen Erhitzens der vorher erwähnten Einlasszone,
und insbesondere als ein Ergebnis eines Einspritzens eines Impulses
von Treibstoff-Brennstoff in ein Gebiet, in welchem Verbrennung
des vorherigen Impulses noch nicht beendet ist. Die Frequenz dieser
Verbrennungen und Blitze wird abhängen von der Einstellung, welche
unter Verwendung des Auswählschalters 15 gemacht
wurde. Es muss ebenso erkannt werden, dass in dem Fall niedriger
Frequenz es für
einen spezifischen Funken nötig
sein kann, jedem Impuls zu entsprechen.
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Wie
erwähnt,
ist eine photonische Kristallstruktur 16 bereitgestellt
innerhalb des hohlen Anhangs 11; diese Struktur 16 entsprechend
der Erfindung hat einen photonischen Bandspalt im nahen infraroten
Bereich. Auf diese Art wird die Eigenschaft des photonischen Kristalls 16 ausgenutzt,
Emission und Ausbreitung infraroter Strahlung zu verhindern, da
dies den größeren Teil
emittierter Strahlung darstellt, die durch die chemische Reaktion
einer Verbrennung mit Lichtemission emittiert wird. Aus diesem Zweck
kann die photonische Kristallstruktur 16 z.B. auf Silikonoxid,
Titanoxid oder Aluminiumoxid basieren und erhalten werden durch
chemische Synthese unter Verwendung der „Selbstanordnung" und „Verlorenes-Wachs"-Technologien.
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Der
Lichtstrahl, welcher aus dem Anhang 11 emittiert werden
kann, trifft den Reflektor 5, welcher die sichtbare Lichtstrahlung
außerhalb
der Vorrichtung 1 durch das Element 6 reflektiert
in flachem, primatem oder linsenförmigem transparenten Glas.
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Wie
erwähnt,
dank der Anwesenheit der photonischen Kristallstruktur 16,
ist Emission infraroter Strahlung minimiert mit einem folglichen
Anstieg in der Effektivität
der Vorrichtung 1 verglichen mit dem Stand der Technik.
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Die
Erfindung wurde beschrieben mit Bezug zu einer tragbaren Lampe;
jedoch ist es klar, dass dies angewandt werden kann, um jede Art
von Beleuchtungsvorrichtung, -system oder -anlage zu erzeugen.
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Es
ist offensichtlich, dass die als ein Beispiel beschriebene Beleuchtungsvorrichtung
einer Vielzahl von Varianten unterworfen werden kann durch Fachleute,
ohne jedoch den Bereich intrinsischer Neuheit der erfinderischen
Idee zu verlassen.
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In
einer möglichen
Variante der Erfindung kann Zuführen
der Verbrennungsmischung in die Homogenisierungskammer 10 stattfinden
durch Kapillaranziehung, eher als erzeugt werden mittels eines spezifischen
Einspritzers; in dieser Lösung
wird die Einspritzvorrichtung 9 eliminiert, wo der Treibstoff und
der Brennstoff die Kammer 10 direkt erreichen, welche wie
in dem vorherigen Fall mit einem Material mit gesteuerter Porosität gefüllt werden
wird; Imprägnierung
dieses porösen
Materials erlaubt der Mischung, die Hohlräume des photonischen Kristalls 16 zu
erreichen, bei dem Level, bei dem die Elektroden 12 zum
Zünden
der Mischung positioniert werden.
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In
dem vorherigen beispielhaften Fall wird der Auswähler 15 und das Steuersystem 13 betrieben,
um Variation der Frequenz der Zündimpulse
zu erlauben und, wenn vorgesehen, Einspritzen der Verbrennungsmischung;
nichtsdestotrotz ist es klar, dass in anderen Ausführungsformen
der Erfindung diese Frequenz festgestellt sein kann.
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Die
Tanks der Vorrichtung, entweder der portablen Art oder fest installiert,
mögen vorteilhafterweise
nachfüllbar
oder ersetzbar sein.
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In
einer weiteren, komplexeren Gestaltung, kann der Treibstofftank
drei Teilwände
umfassen, die drei Container definieren, in denen drei verschiedene Treibstoffe
positioniert sind, wobei jeder Container ausgestattet ist mit einem
jeweiligen Tintenstrahleinspritzsystem und beinhaltet einen jeweiligen
Treibstoff mit dem Zusatz von nanoskopischen Partikeln oder Clustern,
betrieben, um die aus der Passage 11 emittierte Farbe zu
definieren.
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Verbrennung
der Treibstoffe erzeugt demnach Strahlung einer Farbe, die durch
die Partikelart, die dem Treibstoff zugesetzt ist, bestimmt wird;
diese Partikel oder Cluster von Partikeln sind vorzugsweise agglomeriert,
so dass die Porosität
der Cluster Reaktivität
mit dem Oxidationsmittel erleichtert; die Dimension und Art der
Partikel in dem Cluster definieren demnach die Farbe der dominierenden
Strahlung während
der Verbrennung. Die vorher erwähnten Partikel
können
Aluminium, Silber, poröses
Silikon und andere Arten von Alkalimetallen sein oder Halbleiter,
die für
ihre Emission wahlweise in Bezug zu dem Porositätsgrad oder Dimension bekannt
sind.
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Die
Farbe der emittierten Strahlung wird definiert werden ebenso durch
den Photonischen Kristall 16, als auch durch die Art von
in den Treibstoff eingeführten
Partikeln. Die durch das menschliche Auge wahrgenommene Farbe ist
daher das Ergebnis der RGB-Basisfarben von durch die Reaktionszone (das
ist der Einlass der Passage 11) emittierter Strahlung und
verbleibt in der Reaktionszone entsprechend bestimmbarer Sequenzen
und Zeiten durch Regulierung der Einspritzfrequenz des Treibstoffs der
definierten Farbe.
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Die
Homogenisierungskammer 10 kann ebenso eine Vielzahl von
Lichtauslasspassagen haben, mit dem Level, mit welchem jeweilige
photonische Kristallstrukturen bereitgestellt sind.