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Die
Erfindung betrifft ein Handgerät
zur Beleuchtung einer zu untersuchenden oder zu behandelnden Stelle
gemäß dem Patentanspruch
1.
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Ärztliche/zahnärztliche
Handinstrumente mit einer Beleuchtungseinrichtung oder dentale Aushärtungsvorrichtung
mit Licht sind seit langem bekannt. Beispielsweise ist aus der
DE 698 16 716 T2 ein zahnärztliches
Handstück
mit einem Hauptteil, das einen Turbinenkopf, eine Kupplung und eine
Lichtquelle zur Beleuchtung der Behandlungsstelle im Mund des Patienten
enthält,
bekannt. Um eine Halogenlampe mit einem Faden zu vermeiden ist die Lichtquelle
eine in dem Turbinenkopf angeordnete Halbleitereinrichtung. Das
optische Halbleiterbauelement kann eine Licht emittierende Diode
(LED), insbesondere eine sichtbares Licht emittierende Diode (VLED),
sein, welche eine lange Lebensdauer, etwa mindestens 10.000 Stunden,
aufweist. Die VLED ist in dem unteren distalen Bereich des Halses
nahe dem Kopf angeordnet und elektrisch an eine externe Versorgungsquelle
angeschlossen. Hierzu ist die VLED an Leitungsdrähten angeschlossen, die durch den
Turbinenkopf zu Kontakten am proximalen Ende des Turbinenkopfs verlaufen.
Die Kontakte sind wiederum an Kontakte in der Kupplung angeschlossen, um
eine elektrische Verbindung zwischen dem Turbinenkopf und der Kupplung
zu schaffen. Im unteren distalen Endbereich des Halses ist ein auf
die VLED ausgerichtetes Projektionsfenster vorgesehen, so dass von
der VLED emittiertes Licht auf die Spitze des Werkzeuges gerichtet
wird, um die Behandlungsstelle im oralen Hohlraum eines Patienten
zu beleuchten. Alternativ kann die VLED auch im Kopf des Handstücks angeordnet
sein, wobei in diesem Fall das Lichtprojektionsfenster auf die VLED
ausgerichtet an dem Kopf angeordnet ist, so dass die Beleuchtung
der Behandlungsstelle wie oben beschrieben bewirkt werden kann.
Dadurch dass die Beleuchtungseinrichtung im Kopf oder Hals des Handstücks zur
direkten Beleuchtung der Behandlungsstelle angeordnet werden kann,
entfällt
die Notwendigkeit teurer optischer Fasern, wie einem Faserstab oder
Glasfasern, und die Dämpfung
des Lichts wird minimiert. Ferner wird der Aufbau des Handstücks vereinfacht und
die Kosten werden verringert.
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In
Weiterbildung hierzu ist aus der
EP 1 093 765 A2 eine Beleuchtungseinrichtung
für ein
zahnärztliches
oder medizinisches Instrument bekannt, welche eine Vielzahl von
LEDs und zugehörige
Halter aufweist. Die LEDs sind dabei so angeordnet, dass auch eine
seitliche Beleuchtung ohne Schattenwurf ermöglicht wird.
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Eine ähnliche
Beleuchtungseinrichtung für ein ärztliches
oder zahnärztliches
Handinstrument ist aus der
DE 10 2004 006 805 A1 bekannt. Um zusätzliche
Informationen in das Blickfeld des Behandlers einzublenden, beispielsweise
anzuzeigen, ob an einer zu behandelnden Stelle Karies vorhanden
ist, sind Mittel zum Beimischen farbigen Lichts zu dem Beleuchtungskegel
vorgesehen. Die Beimischung farbigen Lichts zu der Grundbeleuchtung
ist bei Verwendung ausreichend heller Leuchtkörper für den Behandler deutlich wahrzunehmen
und gestattet damit, ihn ergonomisch mit der Zusatzinformation zu versorgen.
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Beispielsweise
reflektieren Zähne,
wie auch der benachbarte Mund-/Rachenbereich
das einfallende Licht und machen seine Farbe für den Behandler leicht erkennbar.
Bevorzugt ist die Beleuchtungseinrichtung durch eine weißes Licht
emittierende Lichtquelle, insbesondere eine weiße Leuchtdiode gebildet. Alternativ
umfassen die Mittel zum Beimischen farbigen Lichts zumindest eine
farbige Leuchtdiode, wobei auch bei Einsatz nur einer einzigen Farbe
durch eine unterschiedliche Intensität der beigemischten Farbe verschiedene
Informationen dargestellt werden können. Eine weitere Möglichkeit
um unterschiedliche Informationen darzustellen bzw. um die Menge
der darstellbaren Informationen zu erhöhen, besteht darin, mehrere
Leuchtdioden in verschiedenen Farben vorzusehen oder es kann eine mehrfarbige
Leuchtdiode vorgesehen sein, die in einer ersten Betriebsart weißes Licht
zur Beleuchtung der zu untersuchenden oder zu behandelnden Stelle emittiert,
und die in einer zweiten Betriebsart Licht emittiert, dem zur Anzeige
zusätzlicherer
Informationen gegenüber
der ersten Betriebsart farbiges Licht beigemischt ist. Auch können Mittel
zur lokal begrenzten Beimischung farbigen Lichts zu dem Beleuchtungskegel
vorgesehen werden, wodurch die zu untersuchende oder zu behandelnde
Stelle farbneutral, also weiß oder
weißlich
beleuchtet und die farbkodierte Zusatzinformation in deren unmittelbarer Nähe, nämlich noch
innerhalb des Beleuchtungskegels dargestellt wird. Insbesondere
weist das Handinstrument ein Gehäuse
mit einem Handstück
auf, an dessen distalem Ende der Beleuchtungskegel austritt. Hierfür enthält das Handstück bevorzugt
einen Lichtleiter, der das Beleuchtungslicht und das farbige Licht
zur Anzeige zusätzlicher
Informationen zu dem distalen Ende des Handstücks führt. Alternativ weist das Gehäuse zur
Anzeige zusätzlicher
Informationen für
einen Bediener des Handinstruments einen beleuchtbaren Segmentbereich
auf. Bevorzugt ist dabei, wenn der beleuchtbare Segmentbereich ein
am distalen Ende des Handstücks
angeordnetes Leuchtsegment, insbesondere einen am distalen Ende
des Handstücks
angeordneten Leuchtring umfasst. Auch kann der beleuchtbare Segmentbereich weiter
zum proximalen Ende des Handstücks
hin oder an einem an das Handstück
angrenzenden Schlauch angeordnet werden, wo er für den Bediener aus dem Augenwinkel
heraus zu erkennen ist.
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In
letzter Zeit sind dentale Aushärtungsvorrichtungen
entwickelt worden, die mehrere Lichtquellen verwenden, wobei eine
solche Konstruktion eine Vielzahl von LEDs, die auf einer oder mehreren
Wärmesenken
angebracht sind, einschließt.
Um wirksam Wärme
von der Spitze der dentalen Aushärtungsvorrichtung
abzuführen,
die von einer oder mehreren LEDs erzeugt wird, umfasst diese gemäß der
DE 10 2004 061 551
A1 ein längliches
Gehäuse
mit einem nahen Ende und einem fernen Ende, eine an dem fernen Ende
des Gehäuses
angebrachte Lichtquelle, elektronische Schaltkreise, die zumindest
teilweise innerhalb des Gehäuses
zwischen dem nahen Ende und dem fernen Ende angeordnet sind, einen
metallischen Wärmesenkebereich,
der Lichtquelle benachbart und sich innerhalb eines Teilbereichs
des Gehäuses
erstreckend und einen Wärmesenkebereich auf
Polymerbasis, dem metallischen Wärmesenkebereich
benachbart und sich innerhalb eines weiteren Teilbereichs des Gehäuses erstreckend.
Der thermisch leitende Bereich auf Polymerbasis umgibt zumindest
teilweise die elektronischen Schaltkreise und erstreckt sich innerhalb
eines Bereichs des Stabgehäuses,
der während
der Benutzung von dem Benutzer ergriffen wird. Der thermisch leitende
Bereich der Wärmesenke
auf Polymerbasis kann den elektronischen Schaltkreisen der dentalen
Aushärtungsvorrichtung
benachbart sein, ohne Probleme durch elektrische Leitfähigkeit
(z. B. einen Kurzschluss der elektronischen Schaltkreise) zu verursachen,
die eine metallische Wärmesenke
verursachen würde.
Anders als Metalle, kann wärmeleitendes
Polymer bei einer relativ niedrigen Temperatur (z. B. Raumtemperatur)
in den Stabhohlraum eingeführt
werden, um so die Schaltkreise einzuschließen, ohne sie zu beschädigen. Da
die Wärmesenke
sich im wesentlichen über
die gesamte Länge
des Stabs erstrecken kann, kann sie wirksam Wärme von der Spitze der dentalen Aushärtungsvorrichtung
hinunter zu dem Bereich des Stabs abführen, der von dem Benutzer
ergriffen wird. In Weiterbildung ist der metallische Bereich der
Wärmesenke
von dem Stabgehäuse
durch eine Luftlücke getrennt.
Die Luftlücke
stellt eine Isolierung zur Verfügung,
die zu einer geringeren Wärmediffusion
von dem Stabgehäuse
der dentalen Aushärtungsvorrichtung
in den Bereich um die Spitze der Aushärtungsvorrichtung führt, woraus
eine kühlere
Spitze resultiert. Zudem kann zumindest ein Teilbereich des wärmeleitenden
Polymerbereichs der Wärmesenke
sich in einem direkten Kontakt mit dem Stabgehäuse befinden, damit das Stabgehäuse nach
Wahl Wärme von
dem Mund des Patienten und zu dem Teil des Stabgehäuses abführt, der
von dem zahnärztlich
Behandelnden ergriffen wird. Der metallische Bereich der Wärmesenke
kann Aluminium, Messing, Kupfer, Stahl, Silber oder andere thermisch
leitende Metalle oder ein auf zumindest einem Metalloxid basierendes keramisches
Material oder eine Kombination davon umfassen. Der Wärmesenkebereich
auf Polymerbasis kann eines oder mehrere Polymere (z. B. Epoxy oder
Silikon), die hinreichend thermisch leitend sind, um Wärme von
dem metallischen Wärmesenkebereich
weiter abzuleiten, umfassen. Der Wärmesenkebereich auf Polymerbasis
kann sich in einem festen, flüssigen,
gelartigen oder einem anderen gewünschten physikalischen Zustand
befinden. In einer Weiterbildung ist das Polymer oder das Kunstharz
mit einem wärmeleitenden
Füllstoff
(z. B. Karbonfasern, Graphitpartikeln, keramischen Materialien und ähnlichem)
gefüllt,
um die thermische Leitfähigkeit
des Wärmesenkebereichs
auf Polymerbasis zu erhöhen.
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Es
ist auch bekannt, Chips zur Lichtabgabe auf einen metallischen Körper aufzukleben.
Zwar ist bei einer derartigen Lösung
der Wärmewiderstand zwischen
Chip und Kühlkörper geringer
als bei Integration in einem Kunststoffgehäuse/Kunststoffmodul, dennoch
wirkt auch hier die Klebstoffschicht als Wärmesperre, so dass die Gefahr
der Überhitzung
des oder der Chips besteht. Um dies zu vermeiden ist aus der
EP 1 228 738 A1 eine
dentale Aushärtungsvorrichtung
bekannt, bei welcher die Halbleiter-Strahlungsquelle als eine Anordnung
von Einzel-Strahlungsquellen ausgebildet ist, die auf einem gemeinsamen
Basiskörper
aufgelötet
sind. Die entstehende Strahlungswärme auf dem Chip wird über die
Wärmeleitverbindung
sofort auf einen recht großen
Basiskörper
abgeleitet, welcher dann zwar erwärmt wird dieser jedoch gut
gekühlt
werden, nachdem er eine große
Oberfläche
aufweisen kann. Insbesondere ist es vorgesehen, jeden Chip in einer
Mulde in dem Basiskörper
gegenüber
der Oberfläche
versenkt anzuordnen. Diese Lösung
hat einen noch weiter verbesserten Lichtwirkungsgrad zur Folge.
Die Mulde ist bevorzugt innen verspiegelt und wirkt als Mikro-Reflektor,
wobei die Oberfläche
des lichtabgebenden Chips im Brennpunkt des so gebildeten Mikroreflektors
angeordnet sein kann. Die zur Seite emittierte Strahlung lässt sich
auf diese Weise focussieren, so dass die Lichtverluste durch Fehlleitung
der Strahlung deutlich reduziert sind. In diesem Zusammenhang ist
es auch möglich,
verschiedene Farben der Emissionsspektren der Einzelchips vorzusehen
und je eine Einzelsteuerung vorzunehmen. Beispielsweise kann auch gezielt
Rotlicht abgegeben werden, wenn mittels des Lichthärtgeräts eine
Wärmebehandlung
durchgeführt werden
soll. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung, die gerade auch
für Hochleistungschips
geeignet ist, lässt
sich die sogenannte Flip-Chip-Technik
einsetzen. Hierbei erfolgt die Kontaktierung auf der Unterseite
des Chips und die Lichtabgabe auf der Oberseite. Bei dieser Lösung ist
die Verwendung von gebondeten Anschlussdrähten entbehrlich, nachdem eine
direkte Kontaktierung beispielsweise durch Auflöten erfolgen kann. Weiterhin
ist es vorgesehen, die Wärme
von dem Basiskörper über eine
sogenannte Heatpipe nach hinten zu leiten. Dort kann sie praktisch
von der Umgebungsluft abgeführt
werden, so dass bei dieser Lösung
sogar gebläselos
gearbeitet werden kann. Der Basiskörper kann an sich zweischichtig
aufgebaut sein, und zwar mit einer metallischen Oberflächenschicht
und einer keramischen Basis. Dabei kann noch eine recht große Wärmekapazität erzielt
werden, vor allem, wenn die metallische Oberflächenschicht den Keramikkörper und/oder
Siliziumkörper
vollständig
umhüllt.
Den Basiskörper
kann im wesentlichen kalottenförmig
ausbildet werden, und zwar mit einer Form, die exakt in die Fassung
für eine
bislang verwendete Halogen-Glühlampe
mit Reflektor passt. Die Fassung weist an ihrer Außenseite
Kühlrippen
auf, und bevorzugt ist der Basiskörper dann über Wärmeleitpaste mit der Fassung
verbunden. Ein Austausch ist während
der Lebensdauer des Lichthärtgeräts in der
Regel nicht erforderlich, nachdem LED-Chips eine ausgesprochen lange Lebensdauer
aufweisen, so dass sich Einsparungen bei den Wartungskosten gegenüber den
Lichthärtgeräten mit
Halogen-Glühlampe ergeben.
Schließlich
ist es vorgesehen, die abgegebene Lichtstrahlung durch einen Prismenkörper auf eine
querschnittsreduzierte Fläche
zu intensivieren. Dieser Prismenkörper ist so gestaltet, dass
er die von den Einzel-Strahlungsquellen im Außenbereich des Basiskörpers emittierte
Lichtstrahlung zur Mitte hin verlagert, so dass sie nahezu verlustfrei
in den Lichtleitstab eingeleitet werden können. Auch kann der Prismenkörper außen von
einem Kühlkörper umgeben
sein, der an seinem Außenumfang
Längsrippen aufweist,
die die Wärmeabfuhr
verbessern.
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Schließlich ist
eine ähnliche
dentale Aushärtungsvorrichtung
mit einem röhrenförmigen Gehäuse und
mit verschiedenen Mitteln zur Kühlung
der Lichtquellen aus der
WO 2004/0011848 A2 bekannt, wodurch die LEDs
mit 4-facher Leistung
betrieben werden können.
Allen beschriebenen Ausführungsformen
ist die Kombination aus metallischen Wärmesenkebereich und damit in
Kontakt stehende Heatpipe gemeinsam. Im Einzelnen wird bei einer
Ausführungsform
Kühlmittel
(beispielsweise Wasser) vom Wärmesenkebereich
mittels einer Pumpe über
Kanäle
der Heatpipe in die Hochleistungs-LED geleitet. Bei einer weiteren
Ausführungsform
weist die Heatpipe eine Doppelfunktion auf, nämlich einerseits eine elektrische Verbindung
zwischen Batterie und an dem freien Ende der Heatpipe angeordneten
Hochleistungs-LED herzustellen und anderseits die Wärme der
LED nach hinten zum Wärmesenkebereich
zu leiten. Bei einer weiteren Ausführungsform ist für ein Array
aus LEDs eine Wärmesenke
aus Kupfer vorgesehen, welche einen Hohlraum ausgestaltet, bei welcher
die Heatpipes in den Hohlraum eingeführt werden und der Dampf sich
dann im Holraum niederschlägt.
Bei einer weiteren Ausführungsform
ist das LED-Gehäuse
auf einem leitenden Substrat angeordnet, welches mit einer Heatpipe
verbunden ist. Bei weiteren Ausführungsformen
ist zur Verbesserung der Kühlleistung
ein Gebläse
für den
Wärmesenkebereich
vorgesehen oder die Heatpipe selbst ist an einem Ende als Kondensator
(kaltes Ende) ausgestaltet und wird vom Gebläse gekühlt. Bei einer weiteren Ausführungsform
ist zwischen Heatpipe und röhrenförmigem Gehäuse der
dentalen Aushärtungsvorrichtung,
vorzugsweise zwischen Mitte und anderem freien Ende, ein bei Erwärmung den
physikalischen Zustand (von fest nach flüssig) änderndes Material vorgesehen,
beispielsweise Paraffin oder Kupferwolle.
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In
neuerer Zeit werden zunehmend LED-Chips als Lösung für Allgemeinbeleuchtung oder
für Kfz-Scheinwerfer
eingesetzt, da die industrielle Verarbeitung von bedrahteten LEDs
aufwändig und
teuer ist. Beispielsweise betrifft die
DE 20 2006 006 336 U1 bei
einer ersten Ausgestaltung den Aufbau eines Hochleistungs-LED-Pakets,
welches aus einer Linse, einem Lampenschirm, einer LED-Chipgruppe,
einem Metall-Kühlkörper und
einer wärmeleitfähigen Basis
aufgebaut ist. Weiterhin ist die wärmeleitfähige Basis für die Aufnahme
des Metall-Kühlkörpers mit
einer mittleren Fassung ausgeführt,
wobei sich zwischen dieser mittleren Fassung und dem Metall-Kühlkörper eine Isolierschicht befindet.
Der Metall-Kühlkörper, die Isolierschicht,
die wärmeleitfähige Basis
und der Lampenschirm sind so miteinander zusammengesetzt, das sie
einen integralen Metallkörper
bilden, bei dem die Abwärme
von der LED-Chipgruppe schnell abgeleitet wird. Das dabei ausgestrahlte
Licht wird fokussiert und mit dem Lampenschirm und der Linse in
einem gewünschten
Projektionswinkel erneut ausgerichtet. Bei einer zweiten Ausgestaltung
des Hochleistungs-LED-Pakets sind ein Metall-Kühlkörper und eine wärmeleitfähige Basis in
Form eines Streifens ausgeführt.
Auf der oberen Fläche
des Metall-Kühlkörpers sind
der Länge
nach mehrere LED-Chips angeordnet, die elektrisch verbunden sind
und deren verlängert
ausgeführter
Träger
sich nach unten und aus der wärmeleitfähigen Basis
erstrecken. Am oberen Teil des Metall-Kühlkörpers ist ein Lampenschirm
montiert. Bei einer dritten Ausgestaltung ist die LED-Gruppe der
Länge nach angeordnet
und diese in einem rechteckigen Lampenschirm einer Tischlampe oder
in einem Träger
eines Scheinwerfers mit einer Schraube montiert. Bei allen diesen
Ausgestaltungen sind der Metall-Kühlkörper, die Isolierschicht, die
wärmeleitfähige Basis und
der Lampenschirm so miteinander zusammengesetzt, das sie einen integralen
Metallkörper
bilden, bei dem die Abwärme
von den LED-Chips in üblicher Weise
in der Fläche
schnell abgeleitet wird. Schließlich
ist bei einer vierten Ausgestaltung des Hochleistungs-LED-Pakets,
dieses aus mindestens einem lichtemittierenden Dioden-Chip aufgebaut,
der auf einer Außenfläche eines
Metall-Kühlkörpers mit
einer hohen Wärmeleitfähigkeit
befestigt ist. Der Aufbau besteht weiter aus einer wärmeleitfähigen Basis,
auf der der Metall-Kühlkörper befestigt
ist. Zwischen dem Metall-Kühlkörper und
der wärmeleitfähigen Basis befindet
sich eine Isolierschicht. Dank dem dreifachen Aufbau werden sowohl
die mechanische Robustheit als auch der Bereich für die Ableitung
der Abwärme
deutlich verbessert, wobei die im Metall-Kühlkörper erzeugte Abwärme schnell
zur wärmeleitfähigen Basis verteilt
und danach abgeleitet wird. Zusammenfassend ist dem aus der
DE 20 2006 006 336
U1 bekannten Aufbau eines Hochleistungs-LED-Pakets mit
den bekannten Aufbauten von LED-Chips gemeinsam, dass der (oder
die) LED-Chips auf
einem Träger
befestigt ist (sind), der in sich oder in Verbindung mit einem zusätzlichen Körper als
mehr oder weniger optimale Wärmesenke in üblicher
Weise in der Fläche
wirkt.
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Weiterhin
ist aus der
DE
10 2006 017 718 A1 eine Leuchte für eine Fahrzeuganwendung mit
mindestens einem elektrooptischen Wandler, Leiterbahnen für die Stromversorgung
des elektrooptischen Wandlers und Kühleinrichtung (Gehäuse oder
auf die Innenwandung des Gehäuses
aufgebrachte Schicht) bekannt. Bei einer ersten Ausführungsform
ist die Kühleinrichtung
durch das Gehäuse
in dem Bereich des elektrooptischen Wandlers realisiert. Bei einer zweiten
Ausführungsform
besteht die Kühleinrichtung
aus einer gut Wärme
leitenden Schicht, die zwischen der Innenwandung. des Gehäuses und
der Rückseite
des elektrooptischen Wandlers angeordnet und welche fest mit der
Innenwandung des Gehäuses
verbunden ist. Hierbei sind die als Schicht ausgebildete Kühleinrichtung
und die zu dem elektrooptischen Wandler führenden Leiterbahnen in MID-Technik
(MID = Moulded Interconnect Devices) hergestellt. Unter einem elektrooptischen
Wandler im Sinne der
DE
10 2006 017 718 A1 ist eine üblicherweise als LED (Light
Emitting Diode) bezeichnetes Halbleiterbauelement zu verstehen,
das bei Stromdurchfluss Licht erzeugt. Im einzelnen wird bei der ersten
Ausführungsform
der elektrooptische Wandler mit dem Gehäuse verklebt, während seine
elektrischen Anschlüsse
mit den Leiterbahnen verbunden, insbesondere verlötet sind.
Die Leiterbahnen sind ebenfalls unmittelbar auf dem Boden und auf
der Innenwandung des Gehäuses
angeordnet. Die Leiterbahnen bestehen aus einem elektrisch gut leitenden Material,
wie insbesondere Kupfer, und dienen der Stromzufuhr zu dem elektrooptischen
Wandler. Die dem elektrooptischen Wandler abgewandten Endstücke der
Leiterbahnen sind mit Steckverbindern verbunden, die beispielsweise
eine Verbindung zu dem Bordnetz eines Fahrzeugs ermöglichen.
Als Kühleinrichtung
fungiert wenigstens der unmittelbar an den elektrooptischen Wandler
angrenzende Bereich des Gehäuses.
Zu diesem Zweck ist wenigstens dieser Teil des Gehäuses gut
Wärme leitend
ausgebildet. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass Metallpartikel
in das Kunststoffmaterial des Gehäuses eingebracht sind. Im einzelnen
ist bei der zweiten Ausführungsform
eine Kühleinrichtung
vorgesehen, die in Form einer Schicht auf wenigstens einen Teilbereich
der Innenwandung des Gehäuses
aufgebracht ist. In einer Ausführungsvariante
hat die Kühleinrichtung
die Gestalt einer Kugelkalotte, mit Ausnehmungen für die Leiterbahnen.
Die Kühleinrichtung
bedeckt einen großen
Teil der Innenoberfläche des
Gehäuses
und auf der äußeren Oberfläche der Kühleinrichtung
ist der elektrooptische Wandler angeordnet. Die Kühleinrichtung
besteht wiederum aus einem gut Wärme
leitenden Material. In einer dritten Ausführungsform ist die Leuchte
als Blinkleuchte bei einem Motorrad einsetzbar und umfasst ein aus Kunststoff
bestehendes topfförmiges
Gehäuse.
In dem Boden des Gehäuses
ist ein Kühlkörper angeordnet.
Eine Berandungsfläche
des Kühlkörpers schließt bündig mit
der Innenoberfläche
des Bodens ab und trägt
ein Leuchtelement, dessen Verlustwärme abgeführt werden muss. Bei dem Leuchtelement handelt
es sich vorzugsweise um eine Hochleistungs-LED. Der Kühlkörper durchsetzt
den Boden des Gehäuses
und umfasst, zwecks optimaler Wärmeableitung,
Kühlrippen,
welche sich bis an die Außenoberfläche des
Gehäuses
erstrecken. Die Endflächen
der Kühlrippen
liegen dabei formangepasst in der Außenoberfläche des Gehäuses und der Kühlkörper besteht
aus einem gut Wärme
leitenden Material, nämlich
einem Metall, wie Aluminium oder Kupfer oder aus einem hochgefüllten Kunststoff.
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Weiterhin
ist aus der
DE 103
16 512 A1 ein Signalgerät
mit wenigstens einer Leiterplatte, die ein oder mehrere Leuchtdioden
trägt und
mehrere Anschlusskontakte aufweist, bekannt. Dabei sind die Anschlusskontakte
stirnseitig an der Leiterplatte angebracht, wodurch der Aufwand
für den
Anschluss der Leiterplatte an entsprechende Anschlusselemente verringert
wird. Die LED bzw. weitere Bauelemente sind mit der sogenannten
SMD-Technik auf der Leiterplatte aufgebracht. Die zur Ansteuerung
der LED erforderliche Steuerelektronik kann teilweise oder ganz
auf der Leiterplatte oder aber im Sockelelement des Signalgeräts untergebracht
werden. Die Anschlusskontakte können über Federzungen
oder dergleichen ausgebildet werden, wobei wesentlich die stirnseitige
Kontaktierung der Leiterplatte, durch die sich die erfindungsgemäße Vereinfachung
des Fertigungsaufwandes ergibt, ist.
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Um
nicht die Platine selbst als Kühlkörper zu gestalten,
ist aus der
DE
20 2005 012 652 U1 ein Leistungs-LED-Modul mit mindestens
einem Leistungs-LED, einer Platine, welche die LED trägt, und einen
zur Kühlung
der LED angeordneten Kühlkörper aus
Metall bekannt. Im Einzelnen ist die Platine in einem unter der
LED liegenden Bereich mit einem Durchgangsloch versehen, in das
der Kühlkörper an einer
rückseitigen
Kontaktfläche
der LED anliegend eingesetzt ist. Die Dicke des in das Durchgangsloch eingesetzten
flachen zylindrischen Kühlkörpers aus Kupfer
entspricht genau der Dicke der Platine. Der Kühlkörper liegt somit mit seiner
Oberseite, die eine obere Kontaktfläche bildet, an der rückseitigen
Kontaktfläche
der LED an, die der vom Durchgangsloch freigegebenen Unter – bzw. Rückseite
der LED entspricht. Die thermische Kopplung der LED mit dem Kühlkörper erfolgt
durch eine wärmeleitende
Kontaktschicht, bei der es sich um einen Klebstoff zur festen Verbindung
von LED und Kühlkörper, einen
Lack, eine Wärmeleitpaste
oder dergleichen handeln kann. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen ist
die Kontaktschicht elektrisch isolierend ausgebildet. Es ist auch denkbar,
zwischen der LED und dem Kühlkörper mehrere
Schichten vorzusehen, also beispielsweise einen Klebstoff und zusätzlich einen
elektrisch isolierenden Lack. An seiner der LED abgewandten Rückseite
bzw. Unterseite, die bündig
mit der Unterseite der Platine abschließt, liegt der Kühlkörper auf
dem Boden des Gehäuses
auf und ist somit mit dem Gehäuse
ebenfalls thermisch gekoppelt, welches auf diese Weise als zweiter
Kühlkörper dient.
Zwischen den einander zugewandten Kontaktflächen der beiden Kühlkörper, also
zwischen Unterseite des Kühlkörpers und
dem Boden 14 des Gehäuses
ist eine Wärmeleitpaste
oder dergleichen als Kontaktschicht vorgesehen. Die beim Betrieb
der Leistungs-LED
erzeugte Wärme
kann somit über
die obere Kontaktschicht, den ersten Kühlkörper und die untere Kontaktschicht
an das Gehäuse
als zweiten Kühlkörper weitergegeben
werden. Bei weiteren Ausgestaltungen ragt der Kühlkörper in der Montageposition
nach unten über
die Unterseite der Platine hinaus. Beispielsweise weist der Kühlkörper einen
radial nach außen
abgestuften Erweiterungsbereich auf, der den Kühlkörper ringförmig umläuft, so dass dieser einen T-förmigen Querschnitt
aufweist.
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Schließlich ist
für bedrahtete
LEDs aus der
DE 195
28 459 C2 ein Leuchtaggregat mit einer Trägerplatte,
die auf der einen Seite mit einer Vielzahl von eingekapselten LEDs
bestückt
ist, und mit einer Wärme
abgebenden Fläche,
die zumindest der einen Seite der Trägerplatte zugeordnet und mit
dieser so verbunden ist, so dass ein guter Wärmeübergang von der Trägerplatte
zur Wärme
abgebenden Fläche gewährleistet
ist, bekannt. Im einzelnen wird der notwendige Betriebstrom über eine
auf der Trägerplatte angeordnete
Schaltung zugeführt
und die Wärme
abgebende Fläche
ist eine Außenseite
einer zusätzlichen
Kühlschicht
oder Kühlplatte,
welche auf der Seite der Trägerplatte
angeordnet ist, die mit den LEDs bestückt ist. In einer zweiten Ausgestaltung
ist auf jeder Seite der Trägerplatte
ein Wärme
gut aufnehmendes und abgebendes Mittel (Frontplatte) angeordnet,
das Wärme
von der Trägerplatte
abführt
und an die Umgebung abgibt. Zwischen jeder der Wärme abgebenden Platten und
der Ober- bzw. Unterseite der Trägerplatte
ist jeweils eine Schicht angeordnet. Die Schichten (Verguss) sollen
einen guten Wärmeübergang
zwischen der Trägerplatte
bzw. den LEDs und den Wärme
abgebenden Platten nicht behindern, gegebenenfalls sogar begünstigten
und gleichzeitig das gesamte Aggregat in sich stabilisieren und den
Durchgang von Feuchtigkeit zwischen beiden Seiten der Trägerplatte
unterbinden und schließlich eine
zuverlässige
Haftung zwischen den Wärme
abgebenden Platten und der Trägerplatte
gewährleisten.
Andererseits sollen die Schichten elektrisch isolieren. Es handelt
sich beispielsweise um Schichten aus elektrisch isolierendem Material,
in das Wärmebrücken eingebaut
sind, die zwar dem Wärmetransport
dienen, die elektrisch isolierende Wirkung aber nicht beeinträchtigen.
Der Schichtwerkstoff kann beispielsweise ein Epoxidharz sein, in
dem die Wärmebrücken von
Partikeln gebildet sind, die wärme-
nicht aber elektrisch leitend sind. Infrage kommen beispielsweise
Korund oder entsprechend ausgelegte Kunststoffe. Die Schichten können aus
entsprechendem Material gefertigt und angelegt sein. Sie können aber
auch an Ort und Stelle hergestellt werden, indem beispielsweise
die für
die Schichten bestimmten Freiräume
als geschlossene Hohlräume
ausgebildet werden, in die die einzelnen Materialkomponenten eingeführt werden
und durch entsprechende Behandlung zu den Schichten zusammengefügt werden.
Es kann sich beispielsweise um Material in Granulatform handeln,
dessen einzelne Partikel durch die Zuführung von Wärme zusammenbacken oder die
durch die Zufuhr von Wärme
so weit erweicht werden, dass sie zu homogenen Schichten ineinander
fließen.
Auch können
die Komponenten in fluidisierter Form eingebracht werden, aufschäumen und anschließend zu
einem starren homogenen Körper erstarren.
Die Frontplatte dient als Grundträger des Aggregates bzw. Leuchtenkörpers und
zu dessen Befestigung in einem Gehäuse. Durch parallele Bohrungen
in der Frontplatte werden die mechanischen und optischen Achsen
der LEDs parallel ausgerichtet. Dadurch entfällt die bisher übliche Einzelausrichtung
von Hand und die Ausrichtung ist für die gesamte Lebensdauer des
Aggregates gewährleistet.
Die Verlustwärme
beim Betrieb der LED-Leuchte wird sowohl an die Frontplatte als
auch den hinteren Kühlkörper geleitet
und dort an die Umgebungsluft abgegeben.
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Wie
die vorstehende Würdigung
des Standes der Technik aufzeigt, sind unterschiedlich ausgestaltete ärztliche/zahnärztliche
Handinstrumente mit einer Beleuchtungseinrichtung oder dentale Aushärtungsvorrichtungen
mit Licht oder die Benutzung von LED-Chips als Lösung für Allgemeinbeleuchtung oder
für Kfz-Scheinwerfer bekannt.
In der Praxis fehlt jedoch ein kostengünstiges und mit handelsüblichen konventionellen
LEDs ausgestattetes Handgerät, welches
ohne die Verwendung von aufwendigen Kühlmitteln, beispielsweise Heatpipes
in Kombination mit Wärmesenken
oder zusätzliche
Kühlung
mit Gebläse
oder Ausgestaltung von Kühlmittelkanälen, einen
Betrieb mit erhöhter
Leistung in einem bestimmten Temperaturbereich ermöglicht.
Besonders bedeutsam ist dies, weil die medizinische Geräte herstellende
Industrie als äußerst fortschrittliche,
entwicklungsfreudige Industrie anzusehen ist, die schnell Verbesserungen
und Vereinfachungen aufgreift und in die Tat umsetzt.
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Der
Erfindung liegt gegenüber
den bekannten Beleuchtungsmitteln für Handgeräte die Aufgabe zugrunde, diese
derart weiterzuentwickeln, dass dem Benutzer eine kostengünstig herstellbare
Halbleiterbeleuchtung zur Verfügung
gestellt wird, welche einen Betrieb mit erhöhter Leistung in einem bestimmten
Temperaturbereich ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
Beleuchtungsmittel für
ein Handgerät
zur Beleuchtung einer zu untersuchenden oder zu behandelnden Stelle
nach Patentanspruch 1 gelöst,
welches aufweist:
- – eine bedrahtete Leuchtdiode
mit daran befestigter Gehäusehaube
und Grundplatte, aus der die elektrischen Anschlüsse hervorstehen,
- – ein
an die Grundplatte anschließendes
und damit in Kontakt stehendes wärmeleitendes LED-Teil
mit Bohrungen für
das Durchführen
der elektrischen Anschlüsse,
- – ein
dem wärmeleitenden
LED-Teil nachgeordnetes Kupplungsteil mit Ausnehmungen für das Führen der
elektrischen Anschlüsse,
- – eine
den noch vorhandenen Raum zwischen der Grundplatte und dem LED-Teil
einschließlich
der Bohrungen ausfüllende
Wärmleitsubstanz
und
- – eine
Beschichtung oder Benetzung mit einem Wärmeleitlack von zumindest Teilbereichen
der Gehäusehaube,
des Randbereichs der Grundplatte und des wärmeleitenden LED-Teils,
so
dass die Kontaktfläche
zwischen LED-Teil und Leuchtdiode vergrößert ist und die Wärmeableitung
zum LED-Teil auch über
die elektrischen Anschlüsse
erfolgt.
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Das
erfindungsgemäße Beleuchtungsmittel ermöglicht einen
Betrieb mit erhöhter
Leistung in einem bestimmten Temperaturbereich und ist auf der Basis
handelsüblicher
LEDs mit geringen Fertigungskosten herstellbar. Die Ausbreitung von
Wärme erfolgt
durch Wärmestrahlung,
Wärmeleitung
und Wärmeströmung (Konvektion).
Wärmestrahlung
ermöglicht
auch die Abgabe von Wärme
in das Vakuum, sie ist nur von der Temperatur des strahlenden Körpers abhängig und
unabhängig
von der Temperatur der Umgebung. Die Wärmestrahlung hängt von
der Temperatur des Strahlers/Körpers
und auch von der Beschaffenheit seiner Oberfläche ab. Die Wärmeleitung erfolgt
nur in der Materie, d. h. im Körper,
und setzt in ihm ein Temperaturgefälle voraus. Wenn man einem Körper nicht
an einer Stelle dauernd Wärme
zuführt oder
entnimmt, so gleichen sich alle Temperaturunterschiede in ihm mit
der Zeit aus, und zwar durch einen Wärmestrom, der von höherer zu
tieferer Temperatur fließt.
Metalle sind relativ gute Wärmeleiter,
beispielsweise Kupfer mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,93 cal/cm·s·k im Temperaturbereich
zwischen 0°C und
100°C oder
Aluminium mit einer Wärmeleitfähigkeit
von 0,55 cal/cm·s·k im Temperaturbereich
zwischen 0°C
und 200°C,
während
Kunststoffe in der Regel schlechtere Wärmeleiter sind. Der Wärmeübergang
von einem Körper
einer bestimmten Temperatur zu seiner Umgebung wird durch den Wärmeübergangswert
beschrieben und den Wärmedurchgang
durch einen Körper,
beispielsweise eine Platte, beschreibt man durch den Wärmedurchgangswert. Der
Wärmeübergangswert
hängt,
wie bereits vorstehend beschrieben, stark von der Oberflächenbeschaffenheit
ab und der Wärmedurchgangswert
von der Materialstärke/Plattendicke.
Das erfindungsgemäße Beleuchtungsmittel
weist den Vorteil auf, dass auf überraschend
einfache und kostengünstige
Art und Weise das Verhältnis
von Wärmeübergangswert zu
Wärmedurchgangswert
(durch Ausfüllen
des noch vorhandenen Raums zwischen Grundplatte der Halbleiter-Strahlungsquelle
und LED-Teil einschließlich der
Bohrungen mit Wärmleitsubstanz)
derart optimiert wurde, dass eine besonders effektive Wärmeabfuhr
gewährleistet
ist.
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Weiterhin
wird durch Umspritzen zumindest eines Teils der Gehäusehaube
und des Randbereichs der Grundplatte deren Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmekapazität erhöht. Insbesondere
kann eine Wärmespreizung
innerhalb der Körper
(Gehäusehaube,
Grundplatte bzw. LED-Teil) dadurch erfolgen, dass die Grundplatte,
an welcher die Gehäusehaube
bzw. das LED-Teil befestigt ist bzw. anliegt, mindestens einen Bereich
erhöhter
thermischer Leitfähigkeit
aufweist, indem diese als eine Komponente aus einem wärmeleitenden
Kunststoff beim Mehrkomponentenspritzgießen oder durch Umgießen eines
Inserts aus einem wärmeleitenden
Kunststoff oder aus Metall hergestellt ist. Im Einzelnen können zur
Steigerung der thermischen Leitfähigkeit
Kunststoffe mit Metall- oder Keramikpulvern compoundiert werden.
In den Fällen,
wo bei Verwendung von Metallpulver die erhöhte elektrische Leitfähigkeit
des Kunststoffes unerwünscht
ist (wegen Führung
der Anschlüsse
der Halbleiter-Strahlungsquelle), können keramische Füllstoffe
wie Silikatoxid, Aluminiumoxid oder Berylliumoxid benutzt werden.
Gezielt eingebrachte Anisotropien der Wärmeleitfähigkeit mit einer Vorzugsrichtung,
z. B. durch faserförmige
Füllstoffe, dienen
dazu die Wärme
gerichtet durch das Bauteil der Körper (insbesondere Grundplatte
und LED-Teil) abzuleiten. Alternativ dazu ist es möglich, nur
mit einer Spritzgusskomponente zu arbeiten und vorgefertigte Inserts
aus thermisch leitfähigem
Kunststoff oder aus Keramik oder Metall, z. B. Magnesium oder Aluminium,
in den Kunststoff einzubringen.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der
Zeichnung zeigt:
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1a und 1b in
Seitenansicht und in der Perspektive eine erste Ausführungsform
und
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2a und 2b im
Schnitt eine zweite und dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungsmittels.
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1a und 1b zeigen
in Seitenansicht und in der Perspektive eine erste Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Beleuchtungsmittels,
welches insbesondere für
ein Handgerät
zur Beleuchtung einer zu untersuchenden oder zu behandelnden Stelle
eingesetzt werden kann. Dabei ist eine runde LED in bedrahteter
Form dargestellt, Im Einzelnen weist das Beleuchtungsmittel eine
Halbleiter-Strahlungsquelle LED mit Gehäusehaube GH und mit durch eine
Grundplatte GP hindurchgeführte
elektrische Anschlüsse,
ein an die Grundplatte GP anschließendes und damit in Kontakt
stehendes wärmeleitendes
LED-Teil HS mit Bohrungen für
das Durchführen
der elektrischen Anschlüsse,
ein dem wärmeleitenden
LED-Teil HS nachgeordnetes Kupplungsteil SO mit Ausnehmungen für das Führen der elektrischen
Anschlüsse
und eine den noch vorhandenen Raum zwischen Grundplatte GP der Halbleiter-Strahlungsquelle
LED und LED-Teil HS einschließlich
der Bohrungen ausfüllende
Wärmleitsubstanz
WL auf. Werden als Halbleiter-Strahlungsquellen LEDs mit weitgehend
quadratischer Endfläche der
Gehäusehaube
GH eingesetzt (so genannte FormLEDs = rechteckige LEDs), so kann
man diese aneinanderreihen und braucht damit nur eine rechteckige Öffnung in
der Frontplatte des Gerätes/Instrumentes
(Flächen-LEDs,
d. h. Direktmontage hinter der Frontplatte). Dabei kann auch die
Tatsache berücksichtigt
werden, dass die Erkennbarkeit von optischen Informationen nicht
nur vom Lichtstrom der Quelle, sondern bei gleichem Lichtstrom auch
von der Fläche
des Lichtaustritts abhängt.
Insbesondere können
die Rechtecke nahtlos aneinandergereiht werden; beim Einsatz von
Lichtleitern ist zur Vermeidung von Übersprechen ein geringer Abstand
zwischen den rechteckigen Austritten erforderlich.
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Der
LED-Teil HS ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass die in der Halbleiter-Strahlungsquelle LED
entstehende Wärmemenge
schnellstmöglich aufgesaugt
und darin weitergeleitet werden kann. LED-Teil und Kupplungsteil
SO werden insbesondere aus einem Vollmaterial in Frästechnik
oder in Spritzgussverfahren hergestellt, und nicht wie üblich dünnwandig,
so dass durch die höhere
Materialmenge die Wärmekapazität maximiert
wird. Das Kupplungsteil SO wird entsprechend der Vorgaben des Gerätes/Instrumentes
angepasst (ist also von dem Gerät/Instrument
und dessen elektrischen Kontaktierung abhängig). Durch den flachen Aufbau
der Fläche
auf der LED-Seite, berührt
auch eine Standard-LED
den LED-Teil HS auf einer möglichst
großen
Fläche,
wodurch eine bessere Wärmeableitung
zum LED-Teil HS und Kupplungsteil SO hin erzielt wird. Der noch vorhandene
Raum zwischen dem LED-Teil HS und LED (zwei Festkörper berühren sich
nur an drei Punkten) wird durch die Wärmleitsubstanz WL (auch vernetzbar)
ausgefüllt.
Zur besseren mechanischen Festigkeit kann zusätzlich die Halbleiter-Strahlungsquelle
LED bzw. die Grundplatte GP mit dem LED-Teil HS miteinander verklebt werden.
Insbesondere ist das LED-Teil HS so aufgebaut, dass durch die Anbringung
der Wärmleitsubstanz
WL, diese die Möglichkeit
hat in den zwei Bohrungen des LED-Teils HS zu kapillieren und somit
die Kontaktfläche
zwischen Halbleiter-Strahlungsquelle LED noch mal vergrößert wird,
so dass die Wärmeableitung
zum LED-Teil HS auch über
die LED Anschlüsse
erfolgt.
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2a und 2b zeigen
im Schnitt eine zweite und dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungsmittels.
Dabei ist zusätzlich
zumindest der Randbereich am Übergang
zwischen Mantel des wärmeleitenden
LED-Teils HS und Grundplatte GP und/oder Gehäusehaube GH der Halbleiter-Strahlungsquelle
LED mit Wärmeleitlack W
beschichtet oder benetzt. Der Wärmeleitlack
W ist transparent (siehe 2b; wobei
im Vergleich zur in 2a dargestellten Ausführungsform
keine Maskierung erforderlich ist) oder eingefärbt und kann auch als durchgängige umhüllende Schicht
aufgebracht werden (beispielsweise durch Tauchen). Allen Ausführungsformen
gemeinsam ist, dass die erfindungsgemäßen Maßnahmen, welche keinen hohen
Kostenaufwand bedeuten, auch nachträglich auf herkömmliche
Leuchtdioden angewandt werden können,
ohne dass nun bei Betrieb als Hochleistungs-Leuchtdiode die üblicherweise
hohe Lebensdauer von Leuchtdioden verkürzt ist. Insbesondere wird
auf einfache Art und Weise ein Beleuchtungsmittel mit Wärmespreizung
durch Wärmeleitbeschichtung
bzw. Wärmeleitsubstanz
realisiert.
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Im
Rahmen der Erfindung kann zumindest die Gehäusehaube GH von einer Umhüllung umgeben
sein und im dadurch ausgestalteten Zwischenraum ist eine Flüssigkeit
eingefüllt;
die Umhüllung kann
als Kunststoff-Formteil mit einer transparenten Lichtdurchtrittsfläche hergestellt
werden, welches zugleich eine besonders effektive Wärmeabfuhr
gewährleistet;
die Umhüllung
kann aus zwei Halbschalen bestehen, welche durch Klebung miteinander
verbunden werden, wobei das Beleuchtungsmittel infolge der wenigen
zusammenzufügenden
Teile vollautomatisch herstellbar ist; die Flüssigkeit ist transparent (beispielsweise
destilliertes Wasser) oder eingefärbt u. a..
