DE10127416A1 - Lichthärtgerät sowie Lichtquelle - Google Patents
Lichthärtgerät sowie LichtquelleInfo
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Abstract
Ein Lichthärtgerät weist eine Lichtquelle, die eine Mehrzahl von LEDs aufweist, die von einer gemeinsamen Stromquelle gespeist sind, und eine Kühlvorrichtung auf, die hinter der Lichtquelle angeordnet ist und für deren Kühlung bestimmt ist. Die LED-Anordnung ist auf der Stirnfläche eines Kühlkörpers gelagert, der Anschlüsse wie eine Halogen-Glühlampe aufweist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Lichthärtgerät, gemäß dem Oberbe
griff von Anspruch 1 sowie eine Lichtquelle gemäß dem Ober
begriff von Anspruch 17.
Ein deratiges Lichthärtgerät ist beispielsweise aus der US-PS 5 420 768
bekannt. Bei dieser Lösung ist eine Mehrzahl von
Leuchtdioden auf einem gemeinsamen Basiskörper angebracht. Das
von den Leuchtdioden emittierte Licht wird einem Lichtleiter
zugeleitet und kann beispielsweise zur Lichthärtung von hier
für geeigneten polymerisierbaren Massen eingesetzt werden,
beispielsweise im Dentalbereich.
Ferner ist es vorgeschlagen wurden, eine Kühlung des Basis
körpers für die Leuchtdioden in geeigneter Weise vorzunehmen.
Es ist auch bereits vorgeschlagen wurden, als Basiskörper
einen Kühlkörper zu verwenden, wozu beispielsweise auf die
Deutsche Patentanmeldung 101 04 579 zu verweisen ist. Gemäß
diesem Vorschlag ist ein Kühlkörper vorgesehen, der auf seiner
Basisfläche zahlreiche LEDs lagert. Der Kühlkörper ist von
Rippenkörpern umschlossen, und das austretenden Licht wird
einem Lichtleiter zugeleitet, teilweise nachdem es von dem
vorderen, als gegen ausgebildeten Rippenkörper, reflektiert
worden ist.
Diese Lösung bietet zwar grundsätzlich einer recht guten
Kühlung der LED-Anordnung.
Wenn allerdings zur Erzielung einer maximalen Lichtausbeute
die Basisfläche des Kühlkörpers mit eng aneinandergereihten
LED-Chips bestückt ist, wird der Kühlkörper bei intensiver
Außenkühlung zu heiß, so daß gemäß der vorgeschlagenen Lösung
ein bestimmter Abstand zwischen den LED-Chips eingehalten
wird. Die Chips umgebende Freifläche dient zugleich als
Reflektionsfläche, um die von dem innen verspiegelten
Gegenkonus (der dem vorderen Rippenkörper entspricht)
zurückgeworfene Strahlung erneut zu reflektieren und dem
Lichtleiter zuzuleiten.
Diese Lösung führt überraschend dazu, das gerade der vordere
Rippenkörper recht heiß wird, so daß bereits eine
Wasserkühlung vorgeschlagen wurde. Mit einer Wasserkühlung
läßt sich zwar der Kühleffekt deutlich steigern, jedoch erhöht
sie das Gewicht eines Lichthärtgeräts, das als Handgerät dann
unhandlich schwer wird.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Lichthärtgerät gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine
Lichtquelle gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 17 zu schaffen,
die hinsichtlich des Lichtwirkungsgrads, also das Verhältnis
zwischen abgegebener Lichtleistung und abgegebener Abwärme,
verbessert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet überraschend die
Möglichkeit, trotz Reduktion der Basisfläche, die für die
Aufnahme der LED-Chips zur Verfügung steht, den Wirkungsgrad
zu verbessern. Durch die Anordnung an der Stirnfläche können
die LED-Chips dem Lichtleiter direkt benachbart angeordnet
sein und Licht dort einleiten. Der Kühlkörper weitet sich
bevorzugt von der Stirnfläche ausgehend nach hinten auf, so
daß die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Masse
und Fläche - betrachtet gegenüber dem Querschnitt der
Stirnfläche drastisch vergrößert ist. Erfindungsgemäß
besonders günstig ist es, daß durch die Anordnung an der
Stirnfläche, also dem Lichtleiter unmittelbar benachbart,
Reflexionsflächen nicht vorgesehen sein müssen. Bei den
bislang bekannten Lösungen mit auf dem Kühlkörper
aufgebrachten LED-Chips wird das Licht zum großen Teil
Reflexionsflächen zugeleitet, dort reflektiert und nach ggf.
mehrfacher weiterer Reflexionen schließlich dem Lichtleiter
zugeleitet. Untersuchungen im Zusammenhang mit der Erfindung
haben gezeigt, daß durch die Reflexionen nicht nur der
Lichtwirkungsgrad reduziert wird, sondern daß dort auch eine
erhebliche Verlustwärme entsteht, die abgeführt werden muß.
Erfindungsgemäß ist es demgegenüber vorgesehen,
reflexionsfrei unter direkter Lichtbeaufschlagung zu
arbeiten. Die von den LED-Chips abgegebene Wärmestrahlung wird
zugleich auch über den Lichtleiter emittiert, so daß die
erfindungsgemäße Lösung auch für Polymerisationsmassen
geeignet sind, die auch auf Wärmestrahlung ansprechen.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß die Mehrfach-LED-
Anordnung als eine Art "Heißer Fleck" in dem Lichthärtgerät
konzentriert Licht sowie die hierbei anfallende Verlustwärme
abgibt. Durch die großflächige Wärmeverteilung über den
konusförmigen Kühlkörper läßt sich gewährleisten, daß das
Lichthärtgerät insgesamt nicht zu stark erwärmt wird.
Hinzu kommt, daß durch die erfindungsgemäß besonders hohe
Lichtausbeute auch eine rasche Durchhärtung möglich ist. Die
Härtungszeit kann bspw. gegenüber einer handelsüblichen
Halogen-Glühlampen-Härtung um beispielsweise die Hälfte
reduziert werden. Durch die verkürzte Härtezeit spielen
andererseits auch die Wärmekapazität des Kühlkörpers eine
Rolle, die zur Absenkung des Temperaturniveaus führt. Dies
bedeutet praktisch, daß während der Härtezeit die
Temperaturerhöhung außen am Lichthärtgerät unmerklich ist, und
daß die Kühlvorrichtung auch über den Abschluß des
Härtevorgangs hinaus die Kühlung vornimmt, so daß das
Temperatur über die Zeit betrachtet eingeebnet wird.
Erfindungsgemäß besonders günstig ist es jedoch, daß die LED-
Anordnung in Kombination mit dem Kühlkörper auch als Ersatz
für die Reflektor-Halogen-Glühlampe eines handelsüblichen
Lichthärtgeräts eingesetzt werden kann. Mit dieser Lösung läßt
sich die Lichtleistung wesentlich erhöhen und die Lebensdauer
und damit auch die Zuverlässigkeit des Lichthärtgeräts wird
automatisch gesteigert. Die bislang problematische Härtung
beim Durchbrennen einer Glühlampe, die dazu führt, daß der
Patient mit halb gehärteter Füllung oder dergl. warten muß,
läßt sich vermeiden. Bislang wurden häufig zur Vermeidung der
ungünstigen Situation, daß eine Weiterhärtung einer
halbgehärteten Füllung oder eines anderen Dentalrestaurts
nicht möglich ist, sicherheitshalber zwei Lichthärtgeräte in
der Zahnartztpraxis vorgehalten, so daß die Fertighärtung mit
dem Ersatzgerät vorgenommen werden konnte. Erfindungsgemäß
läßt sich dies vermeiden, nachdem die LED-Anordnung eine
drastisch erhöhte Lebensdauer hat und ein vollständiger
Ausfall praktisch ausgeschlossen ist. Dies liegt auch in der
Mehrfach-Anordnung von LED-Chips begründet, denn wenn
tatsächlich einmal ein Chip ausfällt, wird die Lichtleistung
um beispielsweise 5% reduziert, was ohne weiteres durch eine
erhöhte Härtezeit ausgelichen werden kann.
Es versteht sich, daß die Anzahl der LED-Chips in weiten
Bereichen an die Erfordernisse anpassbar ist. Bei runden
Fassungen für den Lichtleitstab kann beispielsweise eine
Anordnung von 5 mal 5 LED-Chips gewählt werden, so daß
insgesamt 25 Chips vorliegen, oder es können hier die in den
Ecken vorgesehen Chips weggelassen werden, so daß 21 Chips
vorliegen. Bevorzugt sind die Chips in dichtester Packung
angeordnet und sind dem Eingang des Lichtleitstabs unmittelbar
benachbart.
Erfindungsgemäß besonders günstig ist es, daß bei
handelsüblichen Lichtleitgeräten keine weiteren Modifikationen
am Lichthärtgerät selbst vorgenommen werden müssen, um die
erfindungsgemäße Lichtquelle anstelle der Reflektor-Halogen-
Glühlampe einzusetzen. Hierzu weist der Kühlkörper bevorzugt
an seinem rückwärtigen Ende zwei elektrische Kontaktstifte
auf, die den Kontaktstiften einer Halogen-Glühlampe
entsprechen. Die Kühlung erfolgt in der einer Halogen-
Glühlampe entsprechenden Weise durch Kontakt mit den
Rippenkörpern, die die Halogen-Glühlampe ansonsten umgeben.
Bevorzugt werden die beiden Rippenkörper so fest miteinander
verbunden, daß eine sichere Anlage gewährleistet ist, so daß
die Wärmeableitung gewährleistet ist.
Auch wenn grundsätzlich eine Wasserkühlung der Rippenkörper in
Betracht kommt, so daß die Rippen sich innenliegend
erstrecken, ist es bevorzugt, eine Luftkühlung mit einem
Gebläse vorzusehen, was zu Gewichtsvorteilen führt.
Besonders günstig ist es auch, daß das Temperaturmanagement
eines handelsüblichen Lichthärtgeräts ohne Modifikationen
weiterverwendet werden kann. Üblicherweise wird das Gebläse
eingeschaltet, sobald die Temperatur einen gewissen
Schwellwert überschreitet. Aufgrund des verbesserten
Wirkungsgrades liegt eine geringere Wärmeentwicklung vor, so
daß das Gebläse entsprechend verzögert einschaltet.
Die erfindungsgemäße Lösung ist sowohl für Netzspannungs-
Versorgung als auch für Versorgung mit einen Akkumulatorsatz
geeignet. Durch den recht hohen Wirkungsgrad wird die
Lebensdauer der Akkumulatoren verlängert.
Erfindungsgemäß ist es besonders günstig, wenn die LED-
Anordnung aus Chips von mindestens zwei unterschiedlichen
Typen aufgebaut ist, deren Emmisionsmaximum bei
unterschiedlichen Wellenlängen liegt. Hiermit kann den
Besonderheiten auch von Zweikatalysatorsystemen Rechnung
getragen werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist es ferner vorgesehen, den
Kühlkörper hohl auszubilden und im Inneren eine
Steuerschaltung für die LED-Chips aufzunehmen. Bei einer
entsprechenden Modifikation der Software oder ggf. auch der
Hardware des Handgeräts als Lichthärtgerät ist auch möglich,
die beiden LED-Chiparten sequenziell einzuschalten, auch wenn
lediglich zwei Stromversorgungskontakte vorgesehen sind.
Hierzu kann bspw. eine Impulssteuerung vorgesehen sein, die
über die in dem Kühlkörper integrierte Steuerschaltung
zwischen den Chipsätzen umschaltet.
Es versteht sich, daß beliebige Modifikationen der
erfindungsgemäßen Lösung möglich sind, ohne den Bereich der
Erfindung zu verlassen. So kann der Kühlkörper bei Bedarf auch
auch als Basiskühlkörper ausgebildet sein, der über
entsprechende Adapter in gute Wärmeleitverbindung mit den
Rippenkörpern von Lichthärtgeräten verschiedener Hersteller
bringbar ist. Auch ist es möglich, den Wärme-Übergangswiderstand
zwischen Kühlkörper und Rippenkörper durch den Einsatz von an
sich bekannter Wärmeleitpaste zu verbessern.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen
Lichthärtgeräts, wobei eine Gehäusehälfte weggelassen
ist und der Gegenrippenkörper abgenommen ist; und
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung einer erfindungsgemäßen
Lichtquelle für den Einsatz in der Ausführungsform des
in Fig. 1 dargestellten Lichthärtgeräts.
Das in Fig. 1 dargestellte Lichthärtgerät 10 weist eine
Lichtquelle 12 auf, die zwischen einem Rippenkörper 14 und
einem Gegenrippenkörper 16 eingeschlossen ist. In der
Darstellung gemäß Fig. 1 ist der Gegenrippenkörper abgenommen
dargestellt.
Beide Rippenkörper weisen ineinander übergehende Längsrippen
auf, so daß sie durch eine Luftströmung von vorne nach hinten
gekühlt werden können. Hierzu ist als Kühlvorrichtung 18 ein
Gebläse vorgesehen, das hinter dem Rippenkörper 14 angeordnet
ist.
Der Gegenrippenkörper 16 weist einen Anschluß für ein
Lichtleitelement 20 auf, das sich in an sich bekannter Weise
Lichtleitstab nach vorne erstreckt. Unmittelbar dem Eingang
des Lichtleitelements 20 benachbart, ist eine LED-Anordnung 22
auf einer Stirnfläche 24 eines Kühlkörpers 26 aufgebracht. Die
Aufbringung erfolgt in an sich bekannter Weise in guter
Wärmeleitverbindung, beispielsweise mit Silberlot oder dergl.
Die Stirnfläche 24 weist einen Querschnitt auf, der lediglich
etwas größer als der Querschnitt des Lichtleitstabs ist und
ebenfalls wesentlich kleiner als der maximale Querschnitt des
Kühlkörpers 26, bspw. um den Faktor 5 bis 10.
Der Kühlkörper 26 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
im wesentlichen konisch ausgebildet und weist eine
Mantelfläche 28 auf, deren Gestalt an die Innenfläche des
Gegenrippenkörpers 16 angepaßt ist.
Von einem Bereich maximalen Durchmessers 30 aus erstreckt sich
der Kühlkörper 26 weiter nach hinten in den Rippenkörper 14
hinein, auch wenn dies aus Fig. 1 nicht ersichtlich ist. Dort
läuft er konisch oder ballig zu, und weist eine Formgebung
auf, die der Außenform einer handelsüblichen Halogen-Glühlampe
im wesentlichen entspricht. Diese Form ist ausgelegt, daß sie
zugleich einen minimalen Wärme-Übergangswiderstand gegenüber
dem Rippenkörper 14 bietet.
Der Kühlkörper 26 endet in zwei nicht dargestellten
Steckstiften, die den Steckstiften einer Reflektor-Halogen-
Glühlampe entsprechen. Mit dieser Lösung und zentral durch den
Kühlkörper 26 isoliert hindurchgeführten Anschlußdrähten ist
es möglich, die LED-Anordnung 22 mit der Speisespannung, die
für die Halogen-Glühlampe bestimmt ist, zu versorgen.
Das Lichthärtgerät 10 im übrigen weist an sich bekannte
Bauteile auf, wie beispielsweise eine Elektronikplatine 32,
die die Fassung für den elektrischen Anschluß der Lichtquelle
12 aufnimmt und zugleich eine Tastschalter 34 lagert. Das
Lichthärtgerät 10 weist ferner ein an sich bekanntes
pistolenförmiges Gehäuse 36 auf.
Aus Fig. 2 ist der Aufbau einer Lichtquelle 12 in vergrößerter
Darstellung ersichtlich. Die Lichtquelle weist auf ihrer
Stirnfläche 24 21 LED-Chips 38 auf, die dicht aneinander
angrenzend gelagert sind. Der lichtemittierende Querschnitt
ist der Kreisform durch Weglassen der Eck-Chips zumindest
angenähert, so daß eine reflexionsfreie Einleitung des
emittierten Lichts in das Lichtleitelement 20 möglich ist.
Auch wenn hier eine Anzahl von 21 Chips 38 dargestellt ist,
sind bevorzugt 32 Chips in der Anordnung 6 mal 6, jedoch ohne
die Eck-Chips vorgesehen. Hierdurch läßt sich eine besonders
hohe Lichtleistung abgeben, und die elektrische Belastbarkeit
eines üblichen Lichthärtgeräts mit einer 50 Watt-
Halogenglühlampe läßt sich besser ausnutzen. Bei einer
Durchlaßspannung von 3 Volt pro Chip können dann Gruppen von
je 4 Chips in Reihe geschaltet werden, so daß 8 parallel
geschaltete Chipgruppen vorliegen.
Diese können bei Bedarf auch mit unterschiedlichen LED-Chips
bestückt sein, wobei auch über eine in den Kühlkörper
integrierte Steuerschaltung eine selektive Anwahl der
Chipgruppen möglich ist.
Claims (18)
1. Lichthärtgerät, mit einer Lichtquelle, die eine Mehrzahl
von LEDs aufweist, die von einer elektrischen Energiequelle
gespeist sind, mit einer Kühlvorrichtung, die hinter der
Lichtquelle angeordnet ist und für deren Kühlung bestimmt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die LED-Anordnung (22) auf der
Stirnfläche (24) eines Kühlkörpers (26) gelagert ist, der
Anschlüsse wie eine Halogen-Glühlampe aufweist.
2. Lichthärtgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kühlkörper (26) im wesentlichen konusförmig ist und die
LED-Anordnung (22) an der Konusspitze angeordnet ist.
3. Lichthärtgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (26) von Kühlmittel
umströmt ist.
4. Lichthärtgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (12) re
flexionsfrei zu einem Lichtleitelement (20) gelangt.
5. Lichthärtgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (26) in
Wärmeleitverbindung mit einem Rippenkörper (14, 16)
angeordnet ist, der auf seiner Außenseite Kühlrippen aufweist.
6. Lichthärtgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (26) an seiner von
der LED-Anordnung (22) abgewandten Seite eine Form aufweist,
die im wesentlichen der Außenform einer Reflektor-Halogen-
Glühlampe entspricht.
7. Lichthärtgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (26) an seiner von
der LED-Anordnung (22) abgewandten Seite an einem Rippenkörper
(14) in Wärmeleitverbindung anliegt.
8. Lichthärtgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (26) aus Metall
besteht und insbesondere innen hohl ist.
9. Lichthärtgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (26) von Anschluß
leitungen durchtreten ist, die an der von der Lichtquelle
gegenüberliegenden Seite mit zwei Steckstiften verbunden sind,
die in eine Halogenglühlampen-Fassung passen.
10. Lichthärtgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (18) als
Gebläse ausgebildet ist.
11. Lichthärtgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die LED-Anordnung (22) samt
Kühlkörper (26) für eine Speisespannung zwischen 10 und 14 Volt
ausgelegt ist und für den Austausch der Reflektor-
Halogenglühlampe bestimmt ist.
12. Lichthärtgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die LED-Anordnung (22) im
Spektralbereich zwischen 350 und 600 Nanometer emittiert und
daß insbesondere je eine Mehrzahl von LEDs vorgesehen sind,
die Licht mit einem Emissionsmaximum bei einer kürzeren
Wellenlänge und Licht bei einem weiteren Emissionsmaximum bei
einer längeren Wellenlänge abstrahlen.
13. Lichthärtgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) eine Leistung
von mehr als 400 Milliwatt pro qcm, vorzugsweise 800 Milliwatt
pro qcm und insbesondere etwa 1000 Milliwatt pro qcm abgibt.
14. Lichthärtgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (26) einen
Impuls/Pausen-Geber aufnimmt, mit welchem die LED-Anordnung
intermittierend ansteuerbar ist.
15. Lichthärtgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (26) samt LED-
Anordnung (22) in einer Kombination aus einem Rippenkörper
(14) und einem Gegen-Rippenkörper (16) einspannbar ist, die
aneinender befestigbar, insbesondere verschraubbar sind.
16. Lichthärtgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von LEDs auf der
Stirnfläche (24) in Matrixform angeordnet ist, wobei die LEDs
parallel zueinander und in Reihe zueinander zur Festlegung
einer Betriebsspannung zwischen 10 und 14 Volt verschaltet
sind und die Stirnfläche im wesentlichen ausfüllen.
17. Lichtquelle mit einer Mehrzahl von LEDs, dadurch gekenn
zeichnet, daß sie auf einem Kühlkörper (26) angebracht ist,
der Steckanschlüsse und eine Außenform aufweist, die denen
einer handelsüblichen Reflektor-Halogen-Glühlampe mit einer
Nennspannung von 12 Volt entsprechen.
18. Lichtquelle nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch
die kennzeichnenden Merkmale eines der Ansprüche 2 bis 16.
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