DE102011014772B4

DE102011014772B4 - Medizinische Vorrichtung mit einem Gehäuse und einem Wärme abgebenden Bauteil

Info

Publication number: DE102011014772B4
Application number: DE102011014772.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Weber Bernd Claus; Martina Detert; Julian Gayer; Thomas Goll; Ludwig Goller
Original assignee: Richard Wolf GmbH
Current assignee: Richard Wolf GmbH
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2022-04-14
Anticipated expiration: 2031-03-24
Also published as: DE102011014772A1

Abstract

Medizinische Vorrichtung mit einem Gehäuse (16), einem darin angeordneten Wärme abgebenden Bauteil (2) und einer das Bauteil (2) und zumindest einen Bereich (60) der Außenseite des Gehäuses (16) thermisch verbindenden Wärmeabfuhreinrichtung (22), die zumindest eine Schichtstruktur (23) in Wärmeabfuhrrichtung (W) aufweist, welche zumindest eine erste Wärmeleitschicht (78; 88; 98; 138) sowie eine an der vom Bauteil (2) abgewandten Seite der ersten Wärmeleitschicht (78; 88; 98; 138) flächig und Wärme leitend angebundene zweite Wärmeleitschicht (79; 89; 99; 139) aufweist, welche einen thermischen Gesamtwiderstand in Wärmeabfuhrrichtung (W) aufweist, dessen Wert in der gleichen Größenordnung liegt oder größer ist als der thermische Gesamtwiderstand quer zur Wärmeabfuhrrichtung (W) der ersten Wärmeleitschicht (78; 88; 98; 138) ist, wobei bei der ersten Wärmeleitschicht (78; 88; 98; 138) zumindest in einem thermisch an dem Bauteil (2) angebundenen Bereich die lokalen thermischen Widerstände (rth,Pl,xy,1, rth,Pl,xy,2, rth,Pl,xy,3, ..., rth,Pl,xy,n) quer zur Wärmeabfuhrrichtung (W) der ersten Wärmeleitschicht (78; 88; 98; 138) jeweils kleiner als der lokale thermische Widerstand (rth,Sch,z,1, rth,Sch,z,2, rth,Sch,z,3, ..., rth,Sch,z,n) in Wärmeabfuhrrichtung (W) des sich in Wärmeabfuhrrichtung (W) anschließenden Bereichs der zweiten Wärmeleitschicht (79; 89; 99; 139) sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des lokalen thermischen Widerstands rth, PI, xy, 1, rth, PI, xy, 2, rth, PI, xy, 3, ..., rth, PI, xy, nin Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung (W) der ersten Wärmeleitschicht (78; 88; 98; 138) und des lokalen thermischen Widerstands rth, Sch, z, 1, rth, Sch, z, 2, rth, Sch, z, 3, ..., rth, Sch, z, nin Wärmeabfuhrrichtung (W) des sich in Wärmeabfuhrrichtung (W) anschließenden Bereichs der zweiten Wärmeleitschicht (79; 89; 99; 139) mit zunehmender Entfernung vom Bauteil (2) in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung (W) zunimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine medizinische Vorrichtung mit einem Gehäuse und einem Wärme abgebenden Bauteil.
Medizinische Vorrichtungen weisen oftmals ein Gehäuse und innerhalb des Gehäuses ein oder mehrere Wärme abgebende Bauteile, beispielsweise Leistungsbauteile, LEDs (Light-Emitting Diodes, Leuchtdioden), Mikroprozessoren oder dergleichen, auf. Beispielsweise sind Endoskopgeräte oder Komponenten von Endoskopgeräten, etwa Leuchtsysteme, Handgriffe oder Kameraköpfe derartige medizinische Vorrichtungen. Zur Erhöhung der Effizienz, der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit des Wärme abgebenden Bauteils ist es regelmäßig erforderlich, die abgegebene Wärme abzuführen. Dazu sind bei solchen medizinischen Vorrichtungen Wärmeabfuhreinrichtungen vorgesehen, welche die Wärme vom Wärme abgebenden Bauteil an die äußere Umgebung des Gehäuses abführen.
Es sind medizinische Vorrichtungen bekannt, bei welchen die Wärmeabfuhr aus dem Gehäuse im Wesentlichen auf Wärmekonvektion beruht. Dazu ist das Gehäuse mit Öffnungen versehen, durch welche Luft in das Gehäuse hinein gelangen und nach Erwärmung durch das Wärme abgebende Bauteil wieder aus dem Gehäuse hinaus gelangen kann. Durch derartige Öffnungen können jedoch auch leicht Verunreinigungen und/oder Keime in das Gehäuse gelangen. Eine Reinigung und eine Desinfektion solcher medizinischen Vorrichtungen gestaltet sich aufwendig. Der Einsatz solcher medizinischen Vorrichtungen ist somit bei bestimmten, insbesondere hygienekritischen, Anwendungen problematisch.
Bei einigen dieser medizinischen Vorrichtungen sind Lüfter vorhanden, die zunächst kühle Luft von außerhalb der medizinischen Vorrichtung ansaugen und nachfolgend die durch das Bauteil erwärmte Luft wieder aus dem Gehäuse heraus blasen. Solche Lüfter bedingen beim Betrieb der medizinischen Vorrichtungen Vibrationen und störende Geräusche. Diese sind bei bestimmten Anwendungen störend. Weiterhin kann ein Ausfall des oder der Lüfter einen Ausfall der gesamten Vorrichtung nach sich ziehen, was das Ausfallrisiko erhöht.
Es sind auch medizinische Vorrichtungen bekannt, bei welchen die Wärmeabfuhreinrichtung einen an das Bauteil angebundenen Kühlkreislauf mit einem Kühlkörper umfasst. Der Kühlkörper weist dabei Kühlrippen auf, über die die vom Bauteil abgegebene Verlustwärme abgeführt werden kann. Häufig sind solche Kühlrippen an der Außenseite des Gehäuses angeordnet. Die Kühlrippen sind jedoch schwierig zu reinigen und zu desinfizieren. Auch sind derartige Lösungen in hygienekritischen Anwendungen nachteilig. Bei innerhalb eines geschlossenen Gehäuses angeordneten Kühlkörpern hingegen ist die Wärmeabfuhrleistung der Wärmeabfuhreinrichtung entweder stark begrenzt oder aber vom Anwender berührbare Komponenten können sehr heiß werden. Beide Umstände können den Einsatz derartiger Vorrichtungen erschweren.
Weiterhin sind medizinische Vorrichtungen bekannt, bei welchen eine Graphitfolie mit stark anisotropen Wärmeleitfähigkeiten eine Wärmespreizung bewirkt, sodass die abzuführende Wärme über einen großen Bereich des Gehäuses der medizinischen Vorrichtung verteilt wird. Graphitfolien sind jedoch insbesondere bei den zur Wärmespreizung erforderlichen starken Foliendicken teuer. Ferner lässt sich Graphitfolie mit hoher Foliendicke nur schwer verarbeiten. Auch die Anbindung von dicken Folien an unebene Gehäusewände gestaltet sich schwierig. Graphitfolien lassen sich darüber hinaus mit der Gehäusewand nur schwer mit dem geforderten geringem thermischen Widerstand und der geforderten Zeit-, Temperatur- und Feuchtigkeitsstabilität verbinden.
Aus DE 10 2008 062 675 A1 zählt es zum Stand der Technik, die Wärme einer Lampe mit Elektronik über den metallischen Sockel der Lampe abzuleiten.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus US 2007/0 191 684 A1 bekannt, bei welcher die Wärme einer Leuchtdiode im distalen Ende eines Endoskops über eine Wärmeabfuhreinrichtung mit Schichtstruktur erfolgt. Eine solche Schichtstruktur ist dort aus einer ersten aus Kupfer bestehenden Wärmeleitschicht und einer zweiten aus Silikonkautschuk bestehenden Wärmeleitschicht gebildet, wodurch erreicht wird, dass eine gleichmäßige Wärmeabgabe über die Fläche erfolgt und keine „hotspots“ entstehen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine hinsichtlich der Wärmeabfuhr verbesserte medizinische Vorrichtung zu schaffen, die zuverlässig, geräuscharm und ausfallsicher ist, einen hygienischen Betrieb erlaubt sowie eine kostengünstige Herstellung.
Diese Aufgabe wird mit einer medizinischen Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Die erfindungsgemäße medizinische Vorrichtung umfasst zumindest ein Gehäuse, ein darin befindliches und Wärme abgebendes Bauteil und eine das Bauteil und zumindest einen Bereich der Außenseite des Gehäuses thermisch verbindende Wärmeabfuhreinrichtung. Die Wärmeabfuhreinrichtung besteht zumindest aus einer Schichtstruktur in Wärmeabfuhrrichtung. Die Schichtstruktur weist zumindest eine erste Wärmeleitschicht sowie eine an der vom Bauteil abgewandten Seite der ersten Wärmeleitschicht flächig und Wärme leitend angebundene zweite Wärmeleitschicht auf. Die zweite Wärmeleitschicht weist einen thermischen Gesamtwiderstand in Wärmeabfuhrrichtung auf, dessen Wert in der Größenordnung des Wertes für den thermischen Gesamtwiderstand quer zur Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht liegt oder größer ist. Dabei sind bei der ersten Wärmeleitschicht, zumindest in einem thermisch an dem Bauteil angebundenen Bereich, die lokalen thermischen Widerstände quer zur Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht jeweils kleiner als der lokale thermische Widerstand in Wärmeabfuhrrichtung des sich in Wärmeabfuhrrichtung anschließenden Bereichs der zweiten Wärmeleitschicht.
Die Wärmeleitschicht bzw. das Material der Wärmeleitschicht, insbesondere das Material der ersten Wärmeleitschicht, weist vorteilhaft quasi isotrope Wärmeleiteigenschaften auf, d. h. eine Wärmeleitfähigkeit, welche sich in beliebigen unterschiedlichen Raumrichtungen in ihrer Größe um weniger als eine Größenordnung, d. h. um weniger als einen Faktor 10, unterscheidet.
Unter einer vom Wärme abgebenden Bauteil abgewandten Seite der ersten Wärmeleitschicht im Sinne dieser Erfindung ist eine thermisch vom Wärme abgebenden Bauteil abgewandte Seite der ersten Wärmeleitschicht zu verstehen, d. h. ihre bei der Wärmeabfuhr stromabwärts des Wärmestroms gelegene Seite.
Dabei bedeutet im Rahmen dieser Anmeldung eine zweite Wärmeleitschicht mit einem thermischen Gesamtwiderstand in Wärmeabfuhrrichtung, dessen Wert in der Größenordnung des Wertes für den thermischen Gesamtwiderstand quer zur Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht liegt, einen thermischen Gesamtwiderstand der zweiten Wärmeleitschicht in Wärmeabfuhrrichtung, der sich von dem thermischen Gesamtwiderstand der ersten Wärmeleitschicht quer zur Wärmeabfuhrrichtung um weniger als einen Faktor 10 unterscheidet.
Die während des Betriebes der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung vom Wärme abgebenden Bauteil abgegebene Wärme gelangt über die thermische Anbindung der Wärmeabfuhreinrichtung zunächst zur ersten Wärmeleitschicht der Wärmeabfuhreinrichtung. An ihrer vom Bauteil abgewandten Seite wird die Wärme nachfolgend an die zweite Wärmeleitschicht weiter geführt. Die zweite Wärmeleitschicht ist thermisch mit zumindest einem Bereich des Gehäuses verbunden, über dessen Außenseite die Wärme an die äußere Umgebung des Gehäuses der medizinischen Vorrichtung abgeführt wird.
Die, verglichen mit den lokalen thermischen Widerständen quer zur Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht, jeweils größeren thermischen Widerstände in Wärmeabfuhrrichtung der sich in Wärmeabfuhrrichtung anschließenden Bereiche der zweiten Wärmeleitschichtbewirken bewirken bei der Wärmeabfuhr eine Wärmespreizung innerhalb der Schichtstruktur. Infolge des jeweils größeren lokalen thermischen Widerstandes der zweiten Wärmeleitschicht in Wärmeabfuhrrichtung staut sich die Wärme in Wärmeabfuhrrichtung in der Schichtstruktur auf. Der Wärmestrom wird daher innerhalb der ersten Wärmeleitschicht aufgrund der dort quer zur Wärmeabfuhrrichtung geringeren lokalen thermischen Widerstände räumlich aufgespreizt. Vorteilhaft weisen erste und zweite Wärmeleitschicht jeweils eine größere Erstreckung quer zur Wärmeabfuhrrichtung auf als das Wärme abgebende Bauteil und/oder die räumliche Erstreckung einer ggf. an dem Bauteil auftretenden Temperaturspitze (zweckmäßig bemessen als räumliche Halbwertsbreite einer solchen Temperaturspitze). Die Wärme wird dabei innerhalb der ersten Wärmeleitschicht über eine gegenüber dem Bauteil oder der räumlichen Erstreckung der Temperaturspitze größere Fläche in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung verteilt. Die derart aufgespreizte Wärme tritt nachfolgend durch die zweite Wärmeleitschicht hindurch und erreicht den thermisch an die Wärmeabfuhreinrichtung angebundenen Bereich des Gehäuses. Vorzugsweise ist die zweite Wärmeleitschicht dazu flächig und wärmeleitend mit dem Gehäuse bzw. einem Bereich des Gehäuses verbunden. Infolge der Wärmespreizung kann die Wärmeabfuhreinrichtung daher die Wärme über einen großen Flächenbereich des Gehäuses gleichmäßig verteilen.
Die Verteilung der Wärme über einen vergrößerten Flächenbereich des Gehäuses führt zu einer Absenkung der maximalen Temperatur an der Außenseite des Gehäuses, d. h. eine durch das Wärme abgebende Bauteil gebildete oder an diesem auftretende räumliche Temperaturspitze quer zur Wärmeabfuhrrichtung wird durch die Wärmespreizung während der Wärmeabfuhr quer zur Wärmeabfuhrrichtung verbreitert oder ganz entfernt. Auf diese Weise kann die Wärme an dem thermisch an die Wärmeabfuhreinrichtung angebundenen Bereich des Gehäuses über einen großen Flächenbereich der Außenseite des Gehäuses gleichmäßig an die äußere Umgebung der medizinischen Vorrichtung abgegeben werden. Durch die Vermeidung von Temperaturspitzen („hot spots“) an der Außenfläche des Gehäuses der medizinischen Vorrichtung wird ferner eine sichere Handhabbarkeit der medizinischen Vorrichtung gewährleistet. Bei einer vorgegebenen Maximaltemperatur an der Außenseite des Gehäuses der medizinischen Vorrichtung kann ferner eine erhöhte Wärmemenge je Zeiteinheit über das Gehäuse abgeführt werden.
Bei der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung ist infolge der Schichtstruktur der Wärmeabfuhreinrichtung eine effiziente Wärmeabfuhr ohne das Erfordernis aktiver, d. h. eigens mit Energie zu versorgender Komponenten, beispielsweise von Lüftern, Kühleinrichtungen oder dergleichen, gewährleistet. In dieser Hinsicht bildet die Schichtstruktur vielmehr eine völlig passive Struktur. Die Entbehrlichkeit aktiver Komponenten, die jeweils ein eigenes Ausfallrisiko aufweisen, erhöht die Ausfallsicherheit der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung. Da die Wärmeabfuhreinrichtung ferner keine Öffnungen des Gehäuses zum Ein- und/oder Auslass von Luft erfordert, kann das Gehäuse geschlossen ausgebildet sein. Auf diese Weise sind Verschmutzungen oder eine Verkeimung innerhalb des Gehäuses liegender Bereiche der medizinischen Vorrichtung vermeidbar. Ferner kann eine einfache Desinfektion oder Reinigung der medizinischen Vorrichtung durch Oberflächenreinigung bzw. -desinfektion des Gehäuses erfolgen.
Bei der Wärmeabfuhreinrichtung der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung bildet die Schichtstruktur mit bezüglich der Wärmeabfuhrrichtung anisotropem makroskopischem Aufbau folglich ein Wärmespreizelement. Die Schichtstruktur erlaubt dabei insbesondere zur Herstellung der ersten Wärmeleitschicht den Einsatz von Materialien mit zumindest größenordnungsmäßig isotropen Wärmeleitfähigkeiten und daher insbesondere von leicht verarbeitbaren Materialien. Die erfindungsgemäße medizinische Vorrichtung ist daher in der Regel insoweit einfach und kostengünstig herstellbar.
Zweckmäßigerweise umfasst der Bereich der ersten Wärmeleitschicht, in welchem die lokalen thermischen Widerstände quer zur Wärmeabfuhrrichtung jeweils kleiner als die lokalen thermischen Widerstände in Wärmeabfuhrrichtung des sich in Wärmeabfuhrrichtung anschließenden Bereichs der zweiten Wärmeleitschicht sind, nicht allein einen thermisch an das Bauteil angebundenen Bereich der ersten Wärmeleitschicht. Vorteilhaft kann auch ein dem Bauteil naher Bereich der Schichtstruktur mit den genannten lokalen thermischen Widerstandsverhältnissen ausgebildet sein. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erstrecken sich die genannten lokalen thermischen Widerstandsverhältnisse über den gesamten Bereich der ersten Wärmeleitschicht.
Besonders bevorzugt ist dabei die Wärmeleitfähigkeit der ersten Wärmeleitschicht derart isotrop, dass sich die Wärmleitfähigkeit in unterschiedlichen Raumrichtungen um weniger als einen Faktor 10 unterscheidet. Zweckmäßigerweise ist die Wärmeleitfähigkeit der ersten Wärmeleitschicht nicht allein hinsichtlich ihrer Größenordnung, sondern auch hinsichtlich ihres Betrages isotrop.
Bei der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung ist die erste Wärmeleitschicht bevorzugt wärmeleitend an das Wärme abgebende Bauteil angebunden. In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist die erste Wärmeleitschicht mittels eines Kühlkreislaufs, insbesondere mittels einer Heatpipe oder eines Wärmerohres, an dem Wärme abgebenden Bauteil angebunden. In diesem Fall kann das Wärme abgebende Bauteil von der Schichtstruktur quasi beliebig beabstandet sein.
Zweckmäßigerweise entspricht der thermische Gesamtwiderstand der zweiten Wärmeleitschicht in Wärmeabfuhrrichtung hinsichtlich der Größenordnung dem thermischen Gesamtwiderstand der ersten Wärmeleitschicht quer zur Wärmeabfuhrrichtung. Die Wärmespreizwirkung der Schichtstruktur bestimmt sich bei der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung maßgeblich nach dem Verhältnis des Gesamtwiderstandes der zweiten Wärmeleitschicht in Wärmeabfuhrrichtung und des Gesamtwiderstandes der ersten Wärmeleitschicht quer zur Wärmeabfuhrrichtung. Infolge dieser Ausbildung der Gesamtwiderstände der ersten und der zweiten Wärmeleitschicht wird mittels der Schichtstruktur eine effiziente Wärmespreizung erzielt.
Bevorzugt ist der Gesamtwiderstand der zweiten Wärmeleitschicht in Wärmeabfuhrrichtung gleich dem oder größer als der Gesamtwiderstand der ersten Wärmeleitschicht quer zur Wärmeabfuhrrichtung.
Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung der thermische Gesamtwiderstand der Schichtstruktur aus erster und zweiter Wärmeleitschicht möglichst klein, insbesondere kleiner als der Gesamtwiderstand weiterer an dem Wärme abgebenden Bauteil angebundener Komponenten der medizinischen Vorrichtung, welche keine Bestandteile von Wärmeabfuhreinrichtungen der medizinischen Vorrichtung sind. Bei geringem thermischen Gesamtwiderstand der Schichtstruktur ist die durch die Wärmeabfuhreinrichtung abführbare Wärmemenge je Zeiteinheit besonders groß. Vorteilhaft sind die thermischen Gesamtwiderstände der ersten Wärmeleitschicht quer zur Wärmeabfuhrrichtung und der zweiten Wärmeleitschicht in Wärmeabfuhrrichtung, zumindest hinsichtlich der Größenordnung und vorzugsweise auch hinsichtlich des Betrags, gleich groß.
Die erste und/oder zweite Wärmeleitschicht im Sinne der Erfindung kann dabei auch jeweils einen Teil einer quer zur Wärmeabfuhrrichtung vergrößerten Schicht bilden, wobei Teile dieser vergrößerten Schicht nicht oder nur mit einem vernachlässigbar geringen Beitrag in die Wärmeabfuhr eingebunden sind. Dabei ist unter dem Begriff „Wärmeleitschicht“ jeweils lediglich derjenige Teil dieser vergrößerten Schicht zu verstehen, der nicht vernachlässigbar gering in die Wärmeabfuhr eingebunden ist.
Bevorzugt weist bei der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung die zweite Wärmeleitschicht bzw. deren Material eine, zumindest hinsichtlich der Größenordnung, isotrope Wärmeleitfähigkeit auf. In dieser Weiterbildung der Erfindung kann die zweite Wärmeleitschicht durch einfach verarbeitbare und kostengünstige Materialien gebildet sein; auch hinsichtlich der zweiten Wärmeleitschicht ist die medizinische Vorrichtung dann einfach und kostengünstig herstellbar.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung ist die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Wärmeleitschicht in Wärmeabfuhrrichtung um eine oder mehrere Größenordnungen geringer als die Wärmeleitfähigkeit der ersten Wärmeleitschicht in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung. Aufgrund der um eine oder mehrere Größenordnungen geringeren Wärmeleitfähigkeit kann die zweite Wärmeleitschicht eine besonders geringe Erstreckung in Wärmeabfuhrrichtung (nachfolgend auch als Dicke bezeichnet) aufweisen und zugleich eine hinreichend hohe Spreizwirkung der Schichtstruktur gewährleisten. Die zweite Wärmeleitschicht und somit auch die Schichtstruktur der Wärmeabfuhreinrichtung sind dann besonders raumsparend ausbildbar.
Bei der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung nimmt das Verhältnis des lokalen thermischen Widerstands in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht zu dem lokalen thermischen Widerstand in Wärmeabfuhrrichtung des sich in Wärmabfuhrrichtung anschließenden Bereichs der zweiten Wärmeleitschicht mit zunehmender Entfernung vom Bauteil in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung zu. Auf diese Weise ist in Bereichen mit großer Entfernung vom Wärme abgebenden Bauteil in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung die Wärmespreizwirkung der Schichtstruktur geringer ausgeprägt als in Bereichen nahe dem Wärme abgebenden Bauteil. Mit anderen Worten, es erfolgt eine räumlich differenziertere Wärmespreizung. So ist in den in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung weiter entfernten Bereichen die Volumendichte der vom Bauteil abgegebenen Wärme durch die bereits nahe dem Bauteil erfolgte Wärmeabfuhr sowie durch die entfernt vom Bauteil größere zur Verfügung stehende Fläche quer zur Wärmeabfuhrrichtung verhältnismäßig gering. Die Wärmespreizwirkung ist in dieser Weiterbildung der Erfindung in Bereichen mit hoher Volumendichte der abgeführten Wärme höher als in Bereichen mit geringer Volumendichte.
Die Reduktion der Wärmespreizwirkung mit zunehmender Entfernung vom Wärme abgebenden Bauteil in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung wird derart realisiert, dass das Temperaturprofil quer zur Wärmeabfuhrrichtung an der Außenfläche des Gehäuses nivelliert wird oder zumindest nahezu nivelliert wird. D. h. der Wärmestrom in Wärmeabfuhrrichtung und auch die Temperaturen an der Außenfläche des Gehäuses in unterschiedlichen Entfernungen vom Bauteil in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung werden jeweils einander angeglichen. Auf diese Weise werden Temperaturspitzen an der Außenseite des Gehäuses verbreitert. Insbesondere wird daher auch die an der Außenseite des Gehäuses auftretende Maximaltemperatur gesenkt. Dies erleichtert die Handhabbarkeit der medizinischen Vorrichtung deutlich. Alternativ kann bei einer vorgegebenen Wärmeabfuhrleistung der an die Wärmeabfuhreinrichtung thermisch angebundene Bereich der Außenseite des Gehäuses mit verringerter Fläche ausgebildet sein. Bei einer vorgegebenen Maximaltemperatur an der Außenseite des Gehäuses kann bei der medizinischen Vorrichtung ferner die Wärmeabfuhrleistung erhöht werden.
Vorzugsweise ist der lokale thermische Widerstand in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht an jedem Ort zumindest eines dem Bauteil nächsten Bereichs der ersten Wärmeleitschicht jeweils geringer als der lokale thermische Widerstand in Wärmeabfuhrrichtung des sich in Wärmeabfuhrrichtung anschließenden Bereichs der zweiten Wärmeleitschicht.
Bevorzugt nimmt dabei der lokale thermische Widerstand in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht mit zunehmender Entfernung vom Bauteil in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung zu. Der lokale thermische Widerstand in Wärmeabfuhrrichtung der zweiten Wärmeleitschicht bleibt dabei mit zunehmender Entfernung vom Bauteil in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung unverändert oder nimmt in dieser Richtung ab.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nimmt der lokale thermische Widerstand in Wärmeabfuhrrichtung der zweiten Wärmeleitschicht mit zunehmender Entfernung vom Wärme abgebenden Bauteil in Richtung quer zur Wärmeabfuhreinrichtung ab, wobei der lokale thermische Widerstand quer zur Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht mit zunehmender Entfernung vom Wärme abgebenden Bauteil quer zur Wärmeabfuhrrichtung unverändert bleibt oder in dieser Richtung zunimmt.
In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung nimmt der lokale thermische Widerstand quer zur Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht mit zunehmender Entfernung vom Wärme abgebenden Bauteil quer zur Wärmeabfuhrrichtung ab, wobei der lokale thermische Widerstand in Wärmeabfuhrrichtung der zweiten Wärmeleitschicht derart stark abnimmt, dass das Verhältnis des lokalen thermischen Widerstands in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht und des lokalen thermischen Widerstands in Wärmeabfuhrrichtung des sich in Wärmabfuhrrichtung anschließenden Bereichs der zweiten Wärmeleitschicht mit zunehmender Entfernung vom Wärme abgebenden Bauteil quer zur Wärmeabfuhrrichtung zunimmt.
Weiterhin kann in einer Weiterbildung der Erfindung der lokale thermische Widerstand in Wärmeabfuhrrichtung der zweiten Wärmeleitschicht mit zunehmender Entfernung vom Wärme abgebenden Bauteil quer zur Wärmeabfuhrrichtung zunehmen, wobei der lokale thermische Widerstand quer zur Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht derart stark zunimmt, dass das Verhältnis des lokalen thermischen Widerstands in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht zu dem lokalen thermischen Widerstand in Wärmeabfuhrrichtung des sich in Wärmabfuhrrichtung anschließenden Bereichs der zweiten Wärmeleitschicht mit zunehmender Entfernung vom Wärme abgebenden Bauteil quer zur Wärmeabfuhrrichtung zunimmt.
Bevorzugt hängt der lokale thermische Widerstand in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht und/oder der lokale thermische Widerstand der zweiten Wärmeleitschicht von der Entfernung in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung vom Wärme abgebenden Bauteil ab.
Vorzugsweise sind dabei die erste und/oder die zweite Wärmeleitschicht jeweils aus mehreren Komponenten mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten zusammengesetzt ausgebildet, wobei sich der lokale Volumenanteil der Komponenten einer oder beider Wärmeleitschichten in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung ändert. Zweckmäßigerweise weist jeweils eine Komponente der ersten und/oder zweiten Wärmeleitschicht Durchbrechungen auf, welche sich zumindest auch in Wärmeleitrichtung erstrecken und welche mit einer weiteren Komponente der jeweiligen Wärmeleitschicht ausgefüllt sind.
Die Änderungen der lokalen thermischen Widerstände der ersten und/oder der zweiten Wärmeleitschicht wie sie vorstehend beschrieben sind erfolgen dabei vorzugsweise kontinuierlich mit zunehmender Entfernung vom Bauteil in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung. Alternativ erfolgt die Änderung der lokalen thermischen Widerstände der ersten und/oder der zweiten Wärmeleitschicht mit zunehmendem Abstand stufenweise, d. h. sprunghaft. Insbesondere erfolgen die Änderungen mit lediglich einem Sprung in einem vorgegebenen Abstand von dem Wärme abgebenden Bauteil quer zur Wärmeabfuhrrichtung.
Bevorzugt nimmt bei der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung die Dichte, d. h. die lokale makroskopische Dichte und/oder die Dicke in Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht und/oder der zweiten Wärmeleitschicht mit zunehmender Entfernung vom Bauteil in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung ab.
Insbesondere nimmt die Dichte der zweiten Wärmeleitschicht als lokale makroskopische Dichte mit zunehmender Entfernung vom Bauteil in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung ab. Bevorzugt ist die zweite Wärmeleitschicht zu diesem Zweck mit einer Mehrzahl von Durchbrechungen versehen, die sich, zumindest auch, in Wärmeabfuhrrichtung erstrecken, wobei sich Vorsprünge der ersten Wärmeleitschicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit durch diese Durchbrechungen der zweiten Wärmeleitschicht hindurch erstrecken. Die lokale makroskopische Dichte der zweiten Wärmeleitschicht nimmt dann mit höherem lokalen Flächenanteil der Querschnittsflächen der Durchbrechungen der zweiten Wärmeleitschicht senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung zur die Durchbrechungen einschließenden Querschnittsfläche der zweiten Wärmeleitschicht ab.
Dabei nimmt bevorzugt die Querschnittsfläche der einzelnen Durchbrechungen mit zunehmendem Abstand vom Wärme abgebenden Bauteil quer zur Wärmeabfuhrrichtung zu. Alternativ oder zusätzlich nimmt die lokale Anzahl der Durchbrechungen je Flächeneinheit quer zur Wärmeabfuhrrichtung mit zunehmendem Abstand zu.
Alternativ oder zusätzlich kann die erste Wärmeleitschicht mit zumindest auch in Wärmeabfuhrrichtung verlaufenden Durchbrechungen versehen sein, durch welche sich Vorsprünge der zweiten Wärmeleitschicht mit geringerer Wärmeleitfähigkeit hindurch erstrecken. Bevorzugt nehmen dabei die Querschnittsflächen der Durchbrechungen mit zunehmendem Abstand vom Wärme abgebenden Bauteil quer zur Wärmeabfuhrrichtung zu. Alternativ oder zusätzlich nimmt bevorzugt die lokale Anzahl der Durchbrechungen je Flächeneinheit quer zur Wärmeabfuhrrichtung mit zunehmendem Abstand zu.
Vorzugsweise ist bei der medizinischen Vorrichtung die erste Wärmeleitschicht, zumindest teilweise, durch Metall, insbesondere Kupfer und/oder Aluminium und/oder eine Aluminium und Kupfer aufweisende Legierung, gebildet. Auf diese Weise weist die erste Wärmeleitschicht eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit und somit auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit quer zur Wärmeabfuhrrichtung auf.
In einer bevorzugten Weiterbildung der medizinischen Vorrichtung ist die zweite Wärmeleitschicht zumindest teilweise durch einen Feststoff, insbesondere einen Kunststoff, vorzugsweise Silikon, und/oder Epoxidharz oder zumindest teilweise durch ein Gas oder Gasgemisch, insbesondere Luft, gebildet. Damit lässt sich eine gegenüber der ersten Wärmeleitschicht geringe Wärmeleitfähigkeit der zweiten Wärmeleitschicht insbesondere in Wärmeabfuhrrichtung gewährleisten.
Zweckmäßigerweise weist bei einer aus einem Feststoff gebildeten zweiten Wärmeleitschicht der Feststoff eine Keramikbeimischung auf. Über die Konzentration der Keramikbeimischung ist die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Wärmeleitschicht präzise einstellbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bildet bei der medizinischen Vorrichtung die zweite Wärmeleitschicht zumindest einen Bereich des Gehäuses der medizinischen Vorrichtung. Zweckmäßigerweise ist dieser Bereich des Gehäuses tragend ausgebildet und mit der ersten Wärmeleitschicht thermisch verbunden und insbesondere mit der ersten Wärmeleitschicht beschichtet. In einer zweckmäßigen alternativen Weiterbildung der Erfindung ist die erste Wärmeleitschicht tragend und der Bereich des Gehäuses mit dieser ersten Wärmeleitschicht thermisch verbunden und vorteilhaft als Beschichtung, insbesondere als Kunststoffbeschichtung, der ersten Wärmeleitschicht ausgebildet.
Alternativ ist die zweite Wärmeleitschicht Wärme leitend und flächig mit zumindest einem Bereich des Gehäuses verbunden.
Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung das Gehäuse geschlossen ausgebildet, vorteilhaft auch kühlrippenfrei.
Alternativ zu einer kühlrippenfreien Ausbildung weisen die an die Wärmeabfuhreinrichtung angebundene Außenseite des Gehäuses oder an die Wärmeabfuhreinrichtung angebundene Bereiche der Außenseite des Gehäuses der erfindungsgemäßen medizinischen Vorrichtung Rillen oder Kühlrippen auf. Solche Kühlrippen oder Rillen vergrößern die in die Wärmeabgabe eingebundene Oberfläche des Gehäuses. Ferner können die Rillen oder Kühlrippen die Strömungsverhältnisse der Umgebungsluft zur Wärmeabgabe von der Oberfläche des Gehäuses verbessern.
Vorteilhaft ist ein, insbesondere endoskopisches, Gerät oder eine seiner Komponenten als medizinische Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgebildet. So ist bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten endoskopischen Handgriff oder Kamerakopf eine Wärmeabfuhr besonders einfach möglich.
Die Wärmeabfuhr gemäß der Erfindung erfolgt besonders gut bei einer medizinischen Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei der das wärmeerzeugende Bauteil ein Leistungsbauteil und/oder ein/e LED/LED-Array und/oder einen Prozessor ist.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße medizinische Vorrichtung zumindest an einem über die Wärmeabfuhreinrichtung thermisch mit dem Wärme abgebenden Bauteil verbundenen Bereich der Außenseite des Gehäuses einen oder mehrere Abstandshalter auf. Zweckmäßigerweise bilden ein oder mehrere sich von der Außenseite des Gehäuses erstreckende Vorsprünge diese Abstandshalter. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass zumindest der mit dem Wärme abgebenden Bauteil über die Wärmeabfuhreinrichtung thermisch verbundene Bereich der Außenseite des Gehäuses nicht verdeckt wird. Eine Wärmeabfuhr durch die Wärmeabfuhreinrichtung ist somit zuverlässig sichergestellt. Beispielsweise kann die medizinische Vorrichtung in dieser Weiterbildung der Erfindung mit weiteren Vorrichtungen während des Betriebes gestapelt oder an diesen anliegend angeordnet sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind bei der medizinischen Vorrichtung mehrere Wärmeabfuhreinrichtungen der oben beschriebenen Art vorgesehen. Zweckmäßigerweise verbinden diese Wärmeabfuhreinrichtungen das Wärme abgebende Bauteil jeweils thermisch mit unterschiedlichen Bereichen der Außenseite des Gehäuses. In dieser Weiterbildung der Erfindung ist eine zuverlässige Wärmeabfuhr auch dann gewährleistet, wenn einer dieser Bereiche der Außenseite des Gehäuses, beispielsweise durch weitere Vorrichtungen, verdeckt ist. In diesem Falle können eine oder mehrere weitere, an nicht verdeckten Bereichen der Außenseite des Gehäuses thermisch angebundene Wärmeabfuhreinrichtungen die Wärmeabfuhr zuverlässig übernehmen. Ferner ist so der in die Wärmeabfuhr eingebundene Bereich des Gehäuses auf einfache Weise vergrößert.
Bei der medizinischen Vorrichtung gemäß der Erfindung können ferner zusätzlich zu einer oder mehreren Wärmeabfuhreinrichtungen der oben beschriebenen Art eine oder mehrere weitere sonstige Wärmeabfuhreinrichtungen, wie sie etwa aus dem Stand der Technik bekannt sind, vorgesehen sein. In diesem Fall können die eine oder mehreren Wärmeabfuhreinrichtungen wie sie oben beschrieben sind, die Ausfallsicherheit und damit die Zuverlässigkeit der medizinischen Vorrichtung erhöhen.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist die Schichtstruktur mehr als zwei Wärmeleitschichten auf, die bzw. deren Materialien jeweils zumindest hinsichtlich der Größenordnung isotrope Wärmeleitfähigkeiten aufweisen und in Wärmeabfuhrrichtung eine nach der Wärmeleitfähigkeit absteigend geordnete Schichtfolge bilden.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:

1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Lichtquellengeräts mit einer Wärme abgebenden Hochleistungsleuchtdiode und einem Gehäuse in einer geschnittenen Darstellung,
2 ein erfindungsgemäßes Lichtquellengerät gemäß 1 mit einer nicht zur Erfindung gehörenden Wärmeabfuhreinrichtung mit einer Schichtstruktur mit einer ersten und einer zweiten Wärmeleitschicht in einer Prinzipskizze im Schnitt längs der Wärmeabfuhrrichtung,
3 die Schichtstruktur des Lichtquellengeräts gemäß 2 in einer längs der Wärmeabfuhrrichtung geschnittenen Prinzipskizze mit einem thermischen Ersatzschaltbild,
4 die Schichtstruktur des Lichtquellengeräts gemäß 3 mit einem vereinfachten thermischen Ersatzschaltbild,
5 ein nicht zur Erfindung gehörendes Ausführungsbeispiel der Schichtstruktur des Lichtquellengeräts gemäß 1 bis 4 in einer Prinzipskizze im Schnitt längs der Wärmeabfuhrrichtung,
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schichtstruktur des nicht zur Erfindung gehörenden Lichtquellengeräts gemäß 1 bis 4 mit einer durch einen Bereich der Gehäusewand gebildeten zweiten Wärmeleitschicht in einer Prinzipskizze im Schnitt längs der Wärmeabfuhrrichtung,
7 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Schichtstruktur des Lichtquellengeräts gemäß 1 bis 4 mit einer ortsabhängigen Strukturierung der zweiten Wärmeleitschicht in einer Prinzipskizze im Schnitt längs der Wärmeabfuhrrichtung,
8 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Schichtstruktur des Lichtquellengeräts gemäß 1 bis 4 mit einer ortsabhängigen Dicke der zweiten Wärmeleitschicht in einer Prinzipskizze im Schnitt längs der Wärmeabfuhrrichtung,
9 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Schichtstruktur des Lichtquellengeräts gemäß 1 bis 4 mit einer ortsabhängigen Dicke der zweiten Wärmeleitschicht in einer Prinzipskizze Schnitt längs der Wärmeabfuhrrichtung,
10 ein weiteres nicht zur Erfindung gehörendes Ausführungsbeispiel der Schichtstruktur des Lichtquellengeräts gemäß 1 bis 4 mit einer ortsabhängigen Dicke der ersten Wärmeleitschicht in einer Prinzipskizze im Schnitt längs der Wärmeabfuhrrichtung,
11 eine gegenüber 10 vereinfachte Ausgestaltung der Schichtstruktur des Lichtquellengeräts gemäß 1 bis 4 mit ortsabhängiger Dicke der ersten Wärmeleitschicht in einer Prinzipskizze im Schnitt längs der Wärmeabfuhrrichtung,
12 eine weitere gegenüber 10 vereinfachte Ausgestaltung der Schichtstruktur des Lichtquellengeräts gemäß 1 bis 4 mit einer ortsabhängigen Dicke der ersten Wärmeleitschicht in einer Prinzipskizze im Schnitt längs der Wärmeabfuhrrichtung,
13 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Schichtstruktur des Lichtquellengeräts gemäß 1 bis 4 mit einer ortsabhängigen Dicke der ersten und der zweiten Wärmeleitschicht in einer Prinzipskizze im Schnitt längs der Wärmeabfuhrrichtung,
14 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Lichtquellengeräts gemäß 1 bis 13 mit zwei Wärmeabfuhreinrichtungen mit je einer Schichtstruktur in einer Prinzipskizze im Schnitt längs der Wärmeabfuhrrichtung und
15 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Gehäuse des Lichtquellengeräts gemäß 1 bis 14 mit Abstandshaltern in einer Prinzipskizze im Schnitt längs der Wärmeabfuhrrichtung.

Nachfolgend werden zunächst der grundlegende Aufbau und die generelle Wirkungsweise der medizinischen Vorrichtung anhand der 1 bis 4 beschrieben. Die in 5 bis 15 dargestellten Ausführungsbeispiele werden anschließend hinsichtlich der Ausgestaltungen im Einzelnen erläutert.
Die in 1 gezeigte medizinische Vorrichtung ist eine Lichtquelle 1 eines Endoskopsystems. Die Lichtquelle 1 weist ein Gehäuse 16 auf, in welchem ein Wärme abgebendes Bauteil in Gestalt einer Hochleistungsleuchtdiode (HB-LED, High-Brightness LED) 2 angeordnet ist. Das Wärme abgebende Bauteil kann auch als LED-Array 2 ausgebildet sein. Das durch die Hochleistungsleuchtdiode 2 abgegebene Licht wird in an sich bekannter Weise über eine strahlformende Optik 3 und über ein 30 Faserbündel 4 an ein Endoskop 5 geführt und dort in ein weiteres Faserbündel eingekoppelt.
Die in 1 beispielhaft dargestellte medizinische Vorrichtung ist hier ein Lichtquellengerät 1 mit einem Wärme abgebenden Bauteil in Form einer Hochleistungsleuchtdiode. Es versteht sich, dass dies beispielhaft für jedes beliebige medizinische Gerät oder Gerätekomponente mit einem Wärme abgebenden Bauteil, wie beispielsweise einen Mikroprozessor oder anderen elektrischen oder elektronischen, mechanischen oder sonstigen Wärme erzeugenden Bauteil steht.
Das Lichtquellengerät 1 weist wie in 2 dargestellt eine Wärmeabfuhreinrichtung 22 auf, die die Hochleistungsleuchtdiode 2 mit einem Bereich 60 der Gehäusewand 6 des Gehäuses 16 thermisch verbindet. Die Wärmeabfuhreinrichtung 22 umfasst einen wärmeleitend an die Hochleistungsleuchtdiode 2 angebundenen Metallblock 7, der die Hochleistungsleuchtdiode 2 mit einer Schichtstruktur 23 verbindet.
Anstelle des Metallblocks 7 kann auch eine Heatpipe 7, ein Wärmerohr 7 oder ein anderer geeigneter Wärmeüberträger zur wärmeleitenden Verbindung von Hochleistungsleuchtdiode 2 und Schichtstruktur 23 vorgesehen sein. Die Hochleistungsleuchtdiode 2 kann auch direkt wärmeleitend mit der Schichtstruktur 23 in Kontakt stehen.
Die Schichtstruktur 23 ist an der von der Hochleistungsleuchtdiode 2 abgewandten Seite des Metallblocks 7 angeordnet und umfasst eine erste Wärmeleitschicht in Gestalt einer Platte 8, welche sich in der Ausführung gemäß 2 mit ihren Flachseiten 24 und 25 parallel (oder wie anhand nachfolgender Ausführungsbeispiele ggf. erläutert nahezu parallel) zum Bereich 60 der Außenseite der Gehäusewand 6 erstreckt. Eine Flachseite 24 der Platte 8 steht mit dem Metallblock 7 wärmeleitend in Kontakt. An der dieser Flachseite 24 abgewandten Flachseite 25 der Platte 8 ist eine zweite Wärmeleitschicht 9 flächig und wärmeleitend angeordnet. Die zweite Wärmeleitschicht 9 ist flächig und wärmeleitend im Bereich 60 an der Innenseite der Gehäusewand 6 des Gehäuses 16 angeordnet.
Die von der Hochleistungsleuchtdiode abgegebene Wärme wird über den Metallblock 7 an die Platte 8 geleitet. Von der Platte 8 gelangt die abgeführte Wärme über die zweite Wärmeleitschicht 9 an die Gehäusewand 6 und wird an dem Bereich 60 der Außenseite der Gehäusewand 6 an die äußere Umgebung des Lichtquellengeräts 1 abgeführt. Die Wärmeabfuhrrichtung W der Wärmeabfuhreinrichtung 22 verläuft dabei senkrecht zur Gehäusewand 6 des Gehäuses 16 des Lichtquellengeräts 1.
Die Platte 8 besteht in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel aus Aluminium und weist in alle Richtungen und somit auch senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Platte 8 kann auch aus Kupfer oder einer Aluminium und/oder Kupfer aufweisenden Legierung oder einem anderen geeigneten Werkstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen.
Die zweite Wärmeleitschicht 9 ist eine Silikonfolie mit konstanter Dicke. Die Silikonfolie ist dabei beidseitig, also an ihrer der Platte 8 zugewandten Seite 26 und an ihrer der Gehäusewand 6 zugewandten Seite 27, haftend. Das Material der Platte 8 weist in Wärmeabfuhrrichtung W eine verglichen mit dem Material der zweiten Wärmeleitschicht 9 um mehrere Größenordnungen höhere Wärmeleitfähigkeit auf. Die Erstreckung der zweiten Wärmeleitschicht 9 in Wärmeabfuhrrichtung W, nachfolgend auch als Dicke bezeichnet, ist dabei im Vergleich zur Dicke der Platte 8 derart ausgebildet, dass der thermische Gesamtwiderstand der zweiten Wärmeleitschicht 9 in Wärmeabfuhrrichtung W in derselben Größenordnung liegt wie der thermische Gesamtwiderstand der Platte 8 in Richtung quer dazu. Die zweite Wärmeleitschicht 9 kann auch als ebene Kunststoffplatte ausgebildet, deren Flachseiten 26 und 27 sich parallel zur flächigen Erstreckung der Gehäusewand 6 erstrecken. Auch kann eine Klebstoffschicht oder eine Luftschicht konstanter Dicke die zweite Wärmeleitschicht 9 bilden.
Die Schichtstruktur 23 bildet ein Wärmespreizelement, das die von der Hochleistungsleuchtdiode 2 abgeführte Wärme senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W räumlich aufspreizt. Diese Wirkungsweise der Schichtstruktur 23 wird nachfolgend anhand der 3 und 4 beschrieben.
Dabei sind in den 3 und 4 in der Wärmeabfuhreinrichtung 22 des Lichtquellengeräts 1 schematisch Ersatzschaltbilder für die thermischen Widerstände der Schichtstruktur 23 und Pfeile für den Verlauf des Wärmeflusses durch die Schichtstruktur 23 hindurch gezeigt.
Dazu zeigt das Ersatzschaltbild der 3 die lokalen thermischen Widerstände r_th, _Pl, _z, ₁, r_th, _Pl, _z, ₂, r_th, _Pl, _z, ₃, ..., r_th, _Pl, _z, _n der Platte 8 in Wärmeabfuhrrichtung W, die lokalen thermischen Widerstände r_th, _Pl, _xy, ₁, r_th, _Pl, _xy, ₂, r_th, _Pl, _{xy, 3}, ..., r_th, _Pl, _xy, _n der Platte 8 senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W, sowie die lokalen thermischen Widerstände r_th, _Sch, _z, ₁, r_th, _Sch, _z, ₂, r_th, _Sch, _z, ₃, ..., r_th, _Sch, _{z, n} der zweiten Wärmeleitschicht 9 in Wärmeabfuhrrichtung W. Die lokalen thermischen Widerstände r_th, _Pl, _z, ₁, r_th, _Pl, _z, ₂, r_th, _Pl, _z, ₃, ..., r_th, _Pl, _z, _n der Platte 8 in Wärmeabfuhrrichtung W sind gegenüber den lokalen thermischen Widerständen r_th, _Sch, _z, ₁, r_th, _Sch, _z, ₂, r_th, _Sch, _z, ₃, ..., r_th, _Sch, _z, _n der zweiten Wärmeleitschicht 9 in Wärmeabfuhrrichtung W aufgrund der deutlich höheren Wärmeleitfähigkeit des Materials der Platte 8 gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des Materials der zweiten Wärmeleitschicht 9 vernachlässigbar. Aus dem gleichen Grund ist der thermischen Gesamtwiderstand R_th, _Pl, _z, _ges der Platte 8 in Wärmeabfuhrrichtung W gegenüber dem thermischen Gesamtwiderstand R_th, _Sch, _z, _ges der zweiten Wärmeleitschicht 9 in Wärmeabfuhrrichtung W vemachlässigbar. Damit reduziert sich das Ersatzschaltbild der 3 auf dasjenige der 4.
Die lokalen thermischen Widerstände r_th, _Pl, _xy, ₁, r_th, _Pl, _xy, ₂, r_th, _Pl, _xy, ₃, ..., r_th, _Pl, _xy, _n senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W der Platte 8 sind zudem im Vergleich zu den lokalen thermischen Widerständen r_th, _Sch, _z, ₁, r_th, _Sch, _z, ₂, r_th, _Sch, _z, ₃, ..., r_th, _Sch, _z, _n der zweiten Wärmeleitschicht 9 zumindest in der Nähe der Hochleistungsdiode 2. deutlich geringer, sodass sich die von der Hochleistungsleuchtdiode 2 abgeführte Gesamtwärmeleistung dQ/df innerhalb der Platte 8 in Richtung senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W räumlich verteilt und somit senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W aufspreizt. Nachdem die Wärme die zweite Wärmeleitschicht 9 passiert hat, verteilt sich diese daher über einen vergrößerten Bereich 60 der Außenfläche des Gehäuses 6 des Lichtquellengeräts 1. Über diesen vergrößerten Bereich 60 der Außenfläche der Gehäusewand 6 werden besonders viele lokale, d. h. jeweils auf eine Flächeneinheit des Bereichs 60 bezogene Wärmeleistungen dq₁/dt, dq₂/dt, dq₃/dt, ..., dq_n/dt durch Konvektion und Strahlung an die äußere Umgebung des Lichtquellengeräts 1 abgegeben. Diese vielen lokalen Wärmeleistungen dq₁/dt, dq₂/df, dq₃/dt, ..., dq_n/dt ergeben zusammen genommen eine hohe Gesamtwärmeleistung dQ/dt bei der Wärmeabfuhr.
In einem Zahlenbeispiel erstreckt sich der mit der Hochleistungsleuchtdiode 2 verbundene Bereich 60 der Außenseite des Gehäuses 16 über 1000 cm². Die erste Wärmeleitschicht 8 ist als 5 mm dicke Aluminiumplatte und die zweite Wärmeleitschicht als 2 mm dicke Luftschicht ausgeführt, wobei die Wärmeleitfähigkeiten von Luft und Aluminium sich um vier Größenordnungen unterscheiden.
Nachfolgend werden anhand der 5 bis 13 weitere Ausführungsbeispiele für die Ausbildung der Schichtstruktur 23 des Lichtquellengeräts 1 gemäß den 1 bis 4 beschrieben.
Bei der in 5 dargestellten Schichtstruktur 23 ist die zweite Wärmeleitschicht 9 durch eine Luftschicht 59 gebildet. Die in 5 als Platte 58 gezeigte Platte 8 ist im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen an ihrer von der Hochleistungsleuchtdiode 2 abgewandten Flachseite 25 nicht eben ausgebildet, sondern weist an dieser Flachseite 25 Vorsprünge 57 auf, welche sich in Wärmeleitrichtung W mit entlang der Wärmeabfuhrrichtung W konstantem Flächenquerschnitt f_b senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung erstrecken. Die freien Enden der Vorsprünge 57 liegen an der Innenseite der Gehäusewand 6 an. Die Luftschicht 59 erstreckt sich innerhalb des von der Platte 58, den Vorsprüngen 57 und der Gehäusewand 6 begrenzten Raumbereichs. Die Wärmeleitfähigkeit der Luftschicht 59 ist dabei um vier Größenordnungen geringer als die Wärmeleitfähigkeit des Materials der Platte 58. Die Wärmeübertragung von der Platte 58 zur Gehäusewand 6 erfolgt zu einem geringen Anteil über die Luftschicht 59 und zu einem erheblich größeren Anteil über die an der Gehäusewand 6 anliegenden Vorsprünge 57. Der thermische Gesamtwiderstand der thermischen Anbindung von Platte 58 und Gehäusewand 6 hängt dabei maßgeblich vom Verhältnis der Summe der zur Wärmeabfuhr W senkrechten Flächenquerschnitte f_b der Vorsprünge 57 zum Flächenquerschnitt f_nb der Luftschicht 59 senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W ab; ferner hängt der thermische Gesamtwiderstand der thermischen Anbindung von Platte 58 und Gehäusewand 6 von der Erstreckung d_Sch, _z der Vorsprünge 57 in Wärmeabfuhrrichtung W ab.
In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel nehmen die Anzahl der Vorsprünge 57 je Flächeneinheit und/oder die Größe der Flächenquerschnitte f_b der Vorsprünge 57 mit zunehmendem Abstand von der Hochleistungsleuchtdiode 2 zu, um das mit wachsendem Abstand von Hochleistungsleuchtdiode 2 geringer werdende Temperaturniveau in der Platte 58 beim Wärmetransport in Richtung W auszugleichen. Mit der Schichtstruktur dieses Beispiels kann die Wärmespreizung daher räumlich differenzierter erfolgen. Wird die Zunahme der Anzahl der Vorsprünge 57 je Flächeneinheit und/oder die Zunahme der Größe der Flächenquerschnitte f_b der Vorsprünge 57 mit zunehmendem Abstand von der Hochleistungsleuchtdiode 2 in einer ausgewählten Weise / in einer entsprechenden Weise realisiert, gelingt nicht nur eine einfache Wärmespreizung mit einer Verbreiterung der räumlichen Temperaturspitze, sondern eine Nivellierung oder zumindest eine annähernde Nivellierung der Temperatur an der Außenfläche der Gehäusewand 6.
Die Freiräume zwischen den Vorsprüngen 57 der Platte 58 sind in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel durch Sandstrahlen der von der Hochleistungsleuchtdiode 2 abgewandten Flachseite 25 der Platte 58 gebildet, dadurch sind auch die Vorsprünge 57 an ihren zur Anlage an der Gehäusewand 6 bestimmten Stirnseiten aufgeraut. Die erste Wärmeleitschicht 8 ist also durch den unteren Teil der Platte 58 gebildet, wohingegen die zweite Wärmeleitschicht 9 durch die Vorsprünge 57 und die luftgefüllten Ausnehmungen gebildet ist.
Bei der in 6 dargestellten Schichtstruktur 23 ist die zweite Wärmeleitschicht 9 im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen durch einen Bereich der Gehäusewand 6 des Gehäuses 16 selbst gebildet. Die in 6 die erste Wärmeleitschicht 8 bildende Platte 68 liegt dabei wärmeleitend an der Gehäusewand 6 an. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei die Gehäusewand 6 aus Kunststoff ausgebildet, wobei die Platte 68 aus Aluminium besteht. Alternativ kann die Gehäusewand 6 aus gut wärmeleitendem Material bestehen, an dessen Innenseite der die zweite Wärmeleitschicht bildende Bereich der Gehäusewand 6 als Kunststoffbeschichtung der Gehäusewand oder der Platte 68 ausgebildet ist. Da die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff um Größenordnungen geringer als die der Platte 68 gewählt werden kann, stellt sich auch hier der vorbeschriebene Effekt ein.
Die nachfolgend beschriebenen 7 bis 13 zeigen Ausführungsbeispiele mit Schichtstrukturen, mittels welchen eine räumlich differenziertere Wärmespreizung erfolgen kann. Vorzugsweise sind diese Schichtstrukturen so ausgebildet, dass das Verhältnis des lokalen thermischen Widerstands in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung der ersten Wärmeleitschicht zu dem lokalen thermischen Widerstand in Wärmeabfuhrrichtung des sich in Wärmeabfuhrrichtung anschließenden Bereichs der zweiten Wärmeleitschicht mit zunehmender Entfernung von der Hochleistungsleuchtdiode 2 in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung zunimmt und zwar vorzugsweise derart, dass in der Folge die lokale Wärmeabfuhrleistung dq_n/dt über den gesamten Bereich 60 der Außenfläche des Gehäuses 6 homogen bzw. nahezu homogen ist und daraus resultierend eine homogene bzw. nahezu homogene Temperaturverteilung in diesem Bereich 60 vorliegt.
In 7 ist die erste Wärmeleitschicht 8 als Platte 78 aus Aluminium und die zweite Wärmeleitschicht 9 als Lochplatte 79 ausgebildet. Bei dieser Schichtstruktur 23 nimmt das Verhältnis n_th, _Pl, _xy, _n/r_th, _Sch, _z, _n des lokalen termischen Widerstands r_th, _Pl, _xy, _n in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung W der Platte 78 und des lokalen thermischen Widerstands r_th, _Sch, _z, _n in Wärmeabfuhrrichtung W des sich in Wärmabfuhrrichtung W anschließenden Bereichs der zweiten Wärmeleitschicht 9 (Lochplatte 79) mit zunehmender Entfernung von der Hochleistungsleuchtdiode 2 in Richtung senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W zu. Dabei sind die beiden Flachseiten 24, 25 der Platte 78 eben ausgebildet, wohingegen die Lochplatte 79 in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung W strukturiert ausgebildet ist.
Die Lochplatte 79 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus Silikonfolie und umfasst zwei Materialkomponenten, eine erste Materialkomponente, die durch das Silikon 15 der Lochplatte 79 gebildet ist und eine zweite Materialkomponente, die durch die Luft in den Löchern 14 gebildet ist. Die Durchgangslöcher 14 weisen Flächenquerschnitte b_L senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W auf. Die lokalen Flächenquerschnitte b_fM der Silikonfolie 15 quer zur Wärmeabfuhrrichtung W bilden mit den Flächenquerschnitten b_L der Durchgangslöcher 14 lokal ein Verhältnis b_fM/b_L. Infolge der deutlich höheren Wärmeleitfähigkeit von Silikon verglichen mit Luft nimmt der lokale thermische Widerstand der zweiten Wärmeleitschicht 79 mit höheren Verhältnissen b_fM/b_L ab. Der Flächenquerschnitt b_L der Durchgangslöcher 14 nimmt mit zunehmender Entfernung von der Hochleistungsleuchtdiode 2 senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W ab, sodass sich das Verhältnis b_fM/b_L mit zunehmender Entfernung von der Hochleistungsleuchtdiode 2 quer zur Wärmeabfuhrrichtung W erhöht. Alternativ oder zusätzlich zur Reduzierung des Flächenquerschnitts b_L kann sich die Flächendichte der Durchgangslöcher 14 mit zunehmender Entfernung vom Wärme abgebenden Bauteil 2 quer zur Wärmeabfuhrrichtung W reduzieren. Die Lochplatte 79 kann aber auch aus einem anderen Material als Silikon bestehen, beispielsweise aus einem Metall.
Bei der in 8 dargestellten Schichtstruktur ist die zweite Wärmeleitschicht 9 durch eine sich im wesentlichen flächig und senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W erstreckende Silikonfolie 89 gebildet, die zwischen der als durch eine Metallplatte 88 gebildete erste Wärmeleitschicht 8 und der Gehäusewand 6 des Gehäuses 16 eingespannt ist. Die Silikonfolie 89 ist beidseitig haftend ausgebildet. Die Silikonfolie 89 weist eine druck- und somit auch dickenabhängige Wärmeleitfähigkeit auf. Die Wärmeleitfähigkeit wächst mit zunehmendem Druck quer zur flächigen Erstreckung der Silikonfolie 89. Die Silikonfolie 89 ist nahe der Hochleistungsleuchtdiode 2 mit vergleichsweise geringem Druck zwischen Platte 88 und Gehäusewand 6 eingespannt. Mit zunehmender Entfernung von der Hochleistungsleuchtdiode 2 ist die Silikonfolie 89 mit höherem Druck zwischen Platte 88 und Gehäusewand 6 eingespannt. Dazu ist die Platte 88 in diesem Ausführungsbeispiel mit in der Zeichnung nicht dargestellten Schrauben unterschiedlich stark mit der Gehäusewand 6 verschraubt. Infolge dieser Klemmung ist die Silikonfolie 89 fern der Hochleistungsleuchtdiode 2 deutlich stärker in Richtung der Wärmeabfuhrrichtung W gestaucht als nah der Hochleistungsleuchtdiode 2. Die Dicke und der lokale thermische Widerstand der Silikonfolie 89 in Wärmeabfuhrrichtung W nehmen folglich mit zunehmender Entfernung von der Hochleistungsleuchtdiode 2 in Richtung senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W ab.
Bei der in 9 dargestellten Schichtstruktur 23 ist die zweite Wärmeleitschicht 9 durch eine Luftschicht 99 gebildet. Die Dicke dieser Luftschicht 99 in Wärmeabfuhrrichtung W nimmt mit zunehmender Entfernung von der Hochleistungsleuchtdiode 2 in Richtung senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W ab und ist von der Gehäusewand 6 und der in 9 ebenfalls als Metallplatte 98 ausgebildeten ersten Wärmeleitschicht 8 in Wärmeabfuhrrichtung W begrenzt. Die Platte 98 weist nah der Hochleistungsleuchtdiode 2 einen größeren Abstand in Wärmeabfuhrrichtung W zur Gehäusewand 6 auf als fern der Hochleistungsleuchtdiode 2.
Der Abstand der Platte 98 zur Gehäusewand 6 sinkt dabei stufenweise mit zunehmendem Abstand zur Hochleistungsleuchtdiode 2. Dabei weist die Platte 98 Stufen 28 auf, zwischen denen die Flachseiten 24, 25 der Platte 98 eben und parallel zur Gehäusewand 6, also senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W verlaufen. Die Dicke der Platte 98 ist dabei zwischen den Stufen 28 in Richtung senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W konstant. An den Stufen 28 verläuft die Platte 98 in Wärmeabfuhrrichtung W versetzt. Insoweit verlaufen die Flachseiten 24, 25 der Platte 98 abschnittsweise parallel zum Bereich 60 der Außenseite der Gehäusewand 6. Anstelle einer gestuft verlaufenden Platte 98 kann diese auch eine konstante Dicke aber mit zunehmendem Abstand von der Hochleistungsleuchtdiode 2 kontinuierlich abnehmenden Abstand von der Gehäusewand 6 aufweisen. Dann verlaufen die Flachseiten der Platte nicht genau parallel zum Bereich 60 der Außenseite der Gehäusewand 6, sondern weisen von dieser Orientierung geringfügige Abweichungen von typischerweise weniger als 10° auf.
Bei der in 10 dargestellten Schichtstruktur 23 weist die zweite Wärmeleitschicht 9 eine konstante Dicke in Wärmeabfuhrrichtung W auf, jedoch nimmt die Dicke der ersten Wärmeleitschicht 8, die durch eine Platte 108 gebildet ist, mit zunehmender Entfernung von der Hochleistungsleuchtdiode 2 stufenweise ab. Die der zweiten Wärmeleitschicht 9 zugewandte Flachseite 25 der Platte 108 verläuft plan und senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W. Die der Hochleistungsleuchtdiode 2 zugewandte Seite 24 der Platte 108 weist Stufen 29 auf, zwischen welchen sich die Flachseite 24 der Platte 108 plan und senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W erstreckt. Insoweit weicht der Verlauf der Flachseite 24 von einem zum Bereich 60 der Außenseite der Gehäusewand 6 vollständig parallelen Verlauf ab. An den Stufen 29 ist die Oberfläche der Flachseite 24 mit zunehmender Entfernung von der Hochleistungsdiode 2 in Richtung auf die Flachseite 25 der Platte 108 zu versetzt. Dabei ist in dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Stufen 29 vorhanden, alternativ kann die Dickenabnahme der Platte 108 auch kontinuierlich, beispielsweise linear, erfolgen.
Die Schichtstruktur 23 des in 11 dargestellten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von der in 10 dargestellten Schichtstruktur 23 darin, dass die in 11 dargestellte Platte 118 anstelle einer Vielzahl von Stufen 29 lediglich eine einzige Stufe 30 mit gegenüber den Stufen 29 vergrößertem Versatz aufweist. Im Übrigen entspricht das in 11 dargestellte Ausführungsbeispiel dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Die in der in 12 dargestellten Schichtstruktur 23 unterscheidet sich von der in 11 dargestellten darin, dass die erste Wärmeleitschicht 8 nicht einstückig ausgebildet ist. Sie weist stattdessen einen zweiteiligen Aufbau auf und umfasst zum einen eine erste mit ihren Flachseiten senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W orientierte Platte 80 aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie es vorangehend zur Ausbildung der ersten Wärmeleitschicht 8 beschrieben ist. Die Platte 80 grenzt flächig an die zweite Wärmeleitschicht 9 an. Zum anderen umfasst die erste Wärmeleitschicht 8 eine an der der Hochleistungsleuchtdiode 2 nahen Flachseite der Platte 80 flächig angrenzende zweite ebene Platte 70. Die Platte 70 besteht ebenfalls aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie es vorangehend zur Ausbildung der ersten Wärmeleitschicht 8 genannt ist. Die Platte 70 erstreckt sich in Richtung senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W lediglich entlang eines der Hochleistungsleuchtdiode 2 nahen Bereichs, welcher kleiner als die Erstreckung der Platte 80 senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W ist. Somit bildet die Kombination der beiden ebenen Platten 70 und 80 im Ergebnis eine Platte mit einer Stufe 30 aus. Im Übrigen entspricht das in 12 dargestellte Ausführungsbeispiel dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Das in 13 dargestellte Ausführungsbeispiel für die Schichtstruktur 23 weist eine Platte 138 als erste Wärmeleitschicht 8 und eine durch eine Luftschicht 139 gebildete zweite Wärmeleitschicht 9 auf. Die Schichtstruktur 23 erstreckt sich in ihrer Gesamtheit plan und senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W. Die der Luftschicht 139 zugewandte Flachseite 25 der Platte 138 weist dabei Stufen 31 auf. Durch die Stufen 31 ist die Dicke der Platte 138 mit zunehmendem Abstand von der Hochleistungsleuchtdiode 2 in Stufen zunehmend. Damit nimmt die Dicke der von der Platte 138 und der Gehäusewand 6 begrenzten Luftschicht 139 mit zunehmendem Abstand von der Hochleistungsleuchtdiode 2 ab und die Dicke der Platte 138 zu. Daher nimmt zum einen der lokale thermische Widerstand senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W der Platte 138 mit zunehmender Entfernung von der Hochleistungsleuchtdiode 2 ab und zugleich der lokale thermische Widerstand des sich in Wärmeabfuhrrichtung W anschließenden Bereichs der Luftschicht 139 in Wärmeabfuhrrichtung W ab. Der lokale thermische Widerstand des sich in Wärmeabfuhrrichtung W anschließenden Bereichs der Luftschicht 139 in Wärmeabfuhrrichtung W nimmt dabei mit zunehmender Entfernung von der Hochleistungsdiode 2 stärker ab als der lokale thermische Widerstand senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W der Platte 138. Das Verhältnis des lokalen thermischen Widerstands der Platte 138 senkrecht zur Wärmeabfuhrrichtung W zum lokalen thermischen Widerstand der Luftschicht 139 in Wärmeabfuhrrichtung W nimmt dabei mit zunehmender Entfernung von der Hochleistungsleuchtdiode 2 zu.
In dem in 14 dargestellten Ausführungsbeispiel des Lichtquellengeräts 1 sind zwei an der Hochleistungsleuchtdiode 2 angebundene Wärmeabfuhreinrichtungen 22 der vorstehend beschriebenen Art vorgesehen. Dabei ist eine Wärmeabfuhreinrichtung 22 mit einem Bereich einer Außenseite 10 des Gehäuses 16 und die andere Wärmeabfuhreinrichtung 22 mit einem Bereich einer weiteren Außenseite 11 des Gehäuses 16 des Lichtquellengeräts 1 verbunden.
Das in 15 dargestellte Lichtquellengerät 1 umfasst zusätzlich zu der einen oder den mehreren in 15 nicht dargestellten Wärmeabfuhreinrichtungen 22 der vorstehend beschriebenen Art Abstandshalter, die sich zum einen als Füße 12 an den Randbereichen einer unteren Gehäusewand (unten in 15) des Gehäuses 16 senkrecht zu dieser Gehäusewand erstrecken. Zum anderen erstrecken sich Abstandshalter 13 von Randbereichen einer oberen Gehäusewand (oben in 15) senkrecht zu dieser nach oben. Die Anordnungen der Abstandshalter 13 korrespondieren dabei mit den Anordnungen der Füße 12 derart, dass die Füsse 12 eines weiteren baugleichen Gehäuses 1 auf die Abstandshalter 13 stellbar sind. Die obere Gehäusewand ist an ihrem zwischen den Abstandshaltern 13 liegenden Bereich mittels einer Wärmeabfuhreinrichtung 22 mit der innenliegenden Hochleistungsleuchtdiode 2 verbunden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch bei Stapelanordnungen solcher Vorrichtungen die Wärmeabfuhr bestimmungsgemäß erfolgt. Zur besseren Wärmeabfuhr kann bei dem vorangehend beschriebenen Lichtquellengerät 1 der Bereich 60 an der Außenseite der Gehäusewand 6 Rillen oder Kühlrippen aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Lichtquellen
2: Hochleistungsleuchtdiode
3: strahlformende Optik
4: Faserbündel
5: Endoskop
6: Gehäusewand
7: Metallblock
8: erste Wärmeleitschicht
9: zweite Wärmeleitschicht
10: Außenseite
11: Außenseite
12: Füße
13: Abstandshalter
14: Durchgangsloch
15: Silikonfolie
16: Gehäuse
22: Wärmeabfuhreinrichtung
23: Schichtstruktur
24: Flachseite
25: Flachseite
26: Flachseite
27: Flachseite
28: Stufe
29: Stufe
30: Stufe
31: Stufe
57: Vorsprung
58: Platte
59: Luftschicht
60: Bereich
68: Platte
70: Platte
78: Platte
79: Lochplatte
80: Platte
88: Platte
89: Silikonfolie
98: Platte
99: Luftschicht
108: Platte
118: Platte
138: Platte
139: Luftschicht
W: Wärmeabfuhrrichtung
rth, Sch, z, 1, rth, Sch, z, 2, rth, Sch, z, 3, ..., rth, Sch, z, n: lokaler thermischer Widerstand
fth, Pl, xy, 1, rth, Pl, xy, 2, rth, Pl, xy, 3, ..., rth, Pl, xy, n: lokaler thermischer Widerstand
rth, Pl, z, 1, rth, Pl, z, 2, rth, Pl, z, 3, ..., rth, Pl, z, n: lokaler thermischer Widerstand
Rth, Sch, z, ges, Rth, Pl, z, ges, Rth, Pl, xy, ges: thermischer Gesamtwiderstand
dQ/df: Gesamtwärmeleistung
dq1/dt, dq2/dt, dq3/dt, ..., dqn/dt: lokale Wärmeabfuhrleistung
dSch, z: Erstreckung
fb, fnb: Querschnittsfläche
bfM, bL: Querschnittsfläche

Claims

Medizinische Vorrichtung mit einem Gehäuse (16), einem darin angeordneten Wärme abgebenden Bauteil (2) und einer das Bauteil (2) und zumindest einen Bereich (60) der Außenseite des Gehäuses (16) thermisch verbindenden Wärmeabfuhreinrichtung (22), die zumindest eine Schichtstruktur (23) in Wärmeabfuhrrichtung (W) aufweist, welche zumindest eine erste Wärmeleitschicht (78; 88; 98; 138) sowie eine an der vom Bauteil (2) abgewandten Seite der ersten Wärmeleitschicht (78; 88; 98; 138) flächig und Wärme leitend angebundene zweite Wärmeleitschicht (79; 89; 99; 139) aufweist, welche einen thermischen Gesamtwiderstand in Wärmeabfuhrrichtung (W) aufweist, dessen Wert in der gleichen Größenordnung liegt oder größer ist als der thermische Gesamtwiderstand quer zur Wärmeabfuhrrichtung (W) der ersten Wärmeleitschicht (78; 88; 98; 138) ist, wobei bei der ersten Wärmeleitschicht (78; 88; 98; 138) zumindest in einem thermisch an dem Bauteil (2) angebundenen Bereich die lokalen thermischen Widerstände (r_th, _Pl, _xy, ₁, r_th, _Pl, _xy, ₂, r_th, _Pl, _xy, ₃, ..., r_th, _Pl, _xy, _n) quer zur Wärmeabfuhrrichtung (W) der ersten Wärmeleitschicht (78; 88; 98; 138) jeweils kleiner als der lokale thermische Widerstand (r_th, _Sch, _z, ₁, r_th, _Sch, _z, ₂, r_th, _Sch, _z, ₃, ..., r_th, _Sch, _z, _n) in Wärmeabfuhrrichtung (W) des sich in Wärmeabfuhrrichtung (W) anschließenden Bereichs der zweiten Wärmeleitschicht (79; 89; 99; 139) sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des lokalen thermischen Widerstands r_{th, PI, xy, 1}, r_{th, PI, xy, 2}, r_{th, PI, xy, 3}, ..., r_{th, PI, xy, n} in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung (W) der ersten Wärmeleitschicht (78; 88; 98; 138) und des lokalen thermischen Widerstands r_{th, Sch, z, 1}, r_{th, Sch, z, 2}, r_{th, Sch, z, 3}, ..., r_{th, Sch, z, n} in Wärmeabfuhrrichtung (W) des sich in Wärmeabfuhrrichtung (W) anschließenden Bereichs der zweiten Wärmeleitschicht (79; 89; 99; 139) mit zunehmender Entfernung vom Bauteil (2) in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung (W) zunimmt.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (78; 88; 98; 138) und/oder zweite Wärmeleitschicht (79; 89; 99; 139) eine, zumindest hinsichtlich der Größenordnung, isotrope Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Wärmeleitschicht (79; 89; 99; 139) in Wärmeabfuhrrichtung (W) um eine oder mehrere, vorzugsweise drei, Größenordnungen geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit der ersten Wärmeleitschicht (78; 88; 98; 138) in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung (W).
Medizinische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte und/oder die Dicke in Wärmeabfuhrrichtung (W) der ersten (138) und/oder der zweiten Wärmeleitschicht (89; 99; 139) mit zunehmender Entfernung vom Bauteil (2) in Richtung quer zur Wärmeabfuhrrichtung (W) abnimmt.
Medizinische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmeleitschicht (78; 88; 98; 138) zumindest teilweise durch Metall, insbesondere Kupfer und/oder Aluminium oder eine Legierung davon gebildet ist.
Medizinische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmeleitschicht (79; 89; 99; 139) zumindest teilweise durch einen Feststoff, insbesondere einen Kunststoff, und/oder zumindest teilweise durch ein Gas oder Gasgemisch, insbesondere Luft, gebildet ist.
Medizinische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmeleitschicht (79; 89; 99; 139) zumindest einen Bereich eines Gehäuses (16) der medizinischen Vorrichtung bildet oder Wärme leitend und flächig mit diesem Bereich (60) verbunden ist.
Medizinische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (16) vorzugsweise kühlrippenfrei und geschlossen ausgebildet ist.
Medizinische Vorrichtung, insbesondere Lichtquellengerät, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein insbesondere endoskopisches, Gerät oder eine seiner Komponenten ist und/oder das Wärme abgebende Bauteil (2) ein elektronisches Leistungsbauteil, insbesondere eine LED oder ein LED-Array ist.