CN103234131A - 高出光效率的光耦合剂辅助冷却led灯方法及灯具装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高出光效率的光耦合剂辅助冷却LED灯方法及灯具装置。本发明对原来近乎无散热能力的出光封装表面施以流动的无色透明散热流体，作为LED灯具常规散热的补充散热方法，从LED器件的出光封装表面直接带走热量，实现LED器件的两侧及其四周同时散热，增大了LED器件的有效散热面积，提高了散热效果；同时大幅度地提升了LED器件封装表面的出光率。

Description

高出光效率的光耦合剂辅助冷却LED灯方法及灯具装置

技术领域

本发明属于照明光学领域，涉及到LED灯冷却与光采集方法与器材，特别是高出光效率的光耦合剂辅助冷却LED灯方法及灯具装置。

背景技术

LED以其光效高成为重要的照明光源，并有向更高的发光效率改进的余地而受到国内外的重视。但LED属于点光源，封装与白炽灯有极大的不同。为了有效地引出光线，LED投射灯用LED灯珠与相匹配的专用带凹球形状的光学收集-聚光装置，有效地收集了向四方发射的大功率LED光，并经光学聚光装置的折射及反射，以小角度出射，投射到很小的面积，故照度不均匀，灯具发光面的亮度过高，产生眩光，只能用于局部照明。

目前白炽灯已处于淘汰阶段。LED有每个器件的工作电压低，相对电流大，对温度十分敏感，怕热的特点，一旦PN结温升高，其发光效率和实际使用寿命均大幅度降低。使用时需要将各个器件正负极串联或者并联使用。为了散热，需要降低器件与外界散热器的热阻。目前通行的方法是将多个大功率LED器件直接贴片到金属电路板的表面上，然后将金属电路板或者大功率LED集成光源直接与散热器以最小热阻的方式固定在一起。

一般的电路板是制作在绝缘基材上的，金属焊点之间保持电隔离状态。而纯金属是导体，金属电路板制作必须保持焊点之间的绝缘性。现有技术采用在金属板的表面涂覆一层不透光的耐热绝缘层，然后在绝缘层的表面印刷银浆导电电极，这种电路板多用于大功率器件，特别是表面贴装的大功率器件，它与散热器连结方便，热阻小。将这种结构的金属电路板用于照明，因为其本身的表面反射率不高，直接增加了光损耗。LED发出的光经灯具后，会引入不可忽视的光损失。

现有的LED灯都背负巨大的散热器，很多LED灯的散热器采用专用铝型材加工而成，它扩大了散热体的表面积。LED灯的散热器温度一般低于100℃，在这样的温度下，散热的三大途径对流、辐射、传导中的辐射效率很低，散热片直接对空气的传导散热有限，而对流对散热器的降温作用贡献显著。

降低光源的眩光历来采用毛玻璃、瓦楞状玻璃折射或者乳白色灯罩，变高亮度、点光源为面光源。人们采用各种设计改进LED灯具，提高光效。目前认识到提高LED灯具光效需要光学技术和热物理技术的参与。

发明内容

针对LED光源的功率密度越来越大，LED电路多采用单侧散热，并且存在白光LED荧光粉附近的封装材料容易变黄的缺陷，本发明对原来近乎无散热能力的出光封装表面施以流动的无色透明散热流体，作为LED灯具常规散热的补充散热方法，从LED器件的出光封装表面直接带走热量，实现LED器件（大功率LED灯珠或者大功率LED集成光源）的两侧及其四周同时散热，增大了LED器件的有效散热面积，提高了散热效果。所述的无色透明散热流体构成了LED出光封装外的透光介质，它兼具散热用对流流体和光耦合剂的双重作用，在本发明中称其为散热流体/光耦合剂；LED芯片-LED出光封装-散热流体/光耦合剂-空气构成了折射率n递减的光传播系统。

本发明的光学体系是通过基础光学研究分析了LED灯珠出光介质的边界折射、反射与全反射规律，利用LED灯珠出光封装与外部介质的光耦合，降低界面之间的反射率，扩大与出光光通量有关的LED出光封装内侧的有效入射角——全反射临界角，增大出射球冠相对面积和视界，从而提高LED灯出光效率；此处所述的“视界”为：从出光封装外侧看到的出光封装内部（与出光封装表面法线）的极限夹角及其对应的边界；本发明方法的另一部分为利用散热流体/光耦合剂的流动性，对LED器件的出光封装表面对流散热，将LED出光面的热量通过散热流体/光耦合剂输送到散热外壳和散热器；利用本方法形成的灯具装置的相关零部件及其结构。

本发明的光学基本工作原理基于透明介质的光反射率R和透射率T关系，以及光介质的折射定律。由此导出与本发明相关的概念、基本功能和技术措施。

透明介质表面的反射率R的计算公式

                                                 （1）

根据式（1），当玻璃等透明介质的折射率n’=1.5，而空气的折射率n=1.0，计算结果为R=0.040，即玻璃平板每个表面反射率约为4.0%，无色透明的白玻璃板的透射率T只有92.16%左右，故折射率n’=1.5的无色白玻璃板的总反射率Rt_白玻璃板=1－T=1－92.16%=7.84%。大功率LED灯珠或者大功率LED集成光源出射光最终进入空间（空气，折射率n=1.0），大功率LED灯珠或者大功率LED集成光源的出光封装材料的折射率n’，多采用折射率n’介于1.4～1.5、可见光范围内透光率大于99%的有机硅，反射率符合式（1），计算表明有机硅与空气界面的反射率介于2.78%（有机硅折射率n’=1.4）～4.0%（n’=1.5）之间。折射定律

n’sin i’=n sin i                                         （2）

由等式关系得：折射率大的一侧入射角或者出射角小。根据式（2），从LED管芯发射的光，在出光封装表面与法线的夹角（LED芯片侧的入射角）不能超过全反射的临界角45.58°（n’=1.4）～41.81°（n’=1.5），大于临界角的光线将发生全反射，并在大功率LED灯珠的内球面发生多次全反射或者大功率LED集成光源的表面发生全反射，以致光能损失殆尽。根据球冠面积S_S的计算公式，S_S=2πR²(1－cos i’)，其中i’是球冠中心（轴）与球心到球冠边沿的夹角；引入相对球冠面积S_R=球冠面积S_S：半球面积S_h，相对球冠面积

S_R=(1－cos i’)                                            （3）

其中i’是球冠中心（轴）与球心到球冠边沿的夹角。

LED灯珠内部光束照射出光封装表面的任意一点O的入射角i’与此对应。

LED出光封装折射率n’=1.4的全反射临界角45.58°，相对球冠面积

S_R=(1－cos 45.58°)=30.0%，

LED出光封装折射率n’=1.5的全反射临界角41.81°，相对球冠面积

S_R=(1－cos 41.81°)=25.5%。

通过以上分析计算发现，大功率白光LED出光封装胶的有效出光面积受到全反射临界角的影响，在30.0%～25.5%之间，实际出光封装内荧光粉向大部分方向的辐射超出了全反射临界角，超出全反射临界角的光只能从LED出光封装表面反射回去；若出光封装为球面，则LED光线在出光封装内球面反复反射损失掉，而不能形成有效出光；对平面型的大功率LED集成光源，出光封装反射回去的光线被粗糙的衬底吸收和反射。

根据反射率公式（1）的关系，本发明利用两介质的折射率差Δn越小，反射率R越低，为了降低甚至消除大功率LED灯珠或者大功率LED集成光源在两介质界面的反射损失，在LED灯珠或者大功率LED集成光源出光封装之外添加散热流体/光耦合剂，所述的散热流体/光耦合剂的折射率接近LED灯珠或者大功率LED集成光源的出光封装介质的折射率，造成①减小LED灯珠内外两种透光介质的折射率差Δn（对应公式（1）的分子部分），使LED灯珠或者大功率LED集成光源的出光封装表面的反射率急剧降低，提高其透光率；②根据折射公式（2），改变光疏媒质的折射率n，将引发光密媒质侧的入射角或者出射角的变化；据此推算出，从光密媒质侧发出的光束在介质表面发生全反射的临界角i_c’随光疏媒质的折射率n变化，当光疏媒质的折射率n增高时，光密媒质内的全反射临界角i_c’变大，如n’=1.5的玻璃内的光束全反射临界角i_c’，当光疏媒质的折射率n=1.0（空气），光密媒质内的全反射临界角i_c’=41.81°，当光疏媒质换成折射率n=1.33的水后，光密媒质内的全反射临界角i_c’=62.46°，对应的相对球冠面积S_R=1－cos 62.46°=53.76%；若选择无色透明的蓖麻油，如印度供货的蓖麻油折射率n=1.478～1.479（20℃），当其与n’=1.5的玻璃匹配后，玻璃内的全反射临界角i_c’=80.17°～80.40°，全反射临界角i_c’形成的球冠表面积占半球面的83.15%（相对表面积），是玻璃与空气全反射临界角i_c’形成的球冠面积的3.26倍；入射角i’=80°～90°的自然光在玻璃表面的反射率高达40%～100%，这部分带状区域相对半球面的17.36%面积。

根据附图1曲线Ⅲ，在入射角i=80°～90°（低掠射角）下，自然光的反射率R=40%～100%，加权平均反射率70%左右，故继续扩大全反射临界角对光的透射效率影响已小。将此分析推广用到LED灯珠或者大功率LED集成光源，LED光线在出光封装表面发生折射和反射，超过全反射临界角i_c’的光线只能反射回去而不可能发生出光现象；提高大功率LED灯珠或者大功率LED集成光源外围介质的折射率n，可以扩大LED出光封装内的全反射临界角i_c’，从而提高出光封装界内发光体的有效发射角及对应的出光球冠的相对面积，使LED内部超过全反射临界角i_c’的环形面积变小，从而大幅度地提高大功率LED芯片的出光效率。添加散热流体/光耦合剂后，LED出光封装到散热流体/光耦合剂两个介质之间的反射率可大幅度地降低，例如，前述折射率n=1.478～1.479（20℃）的蓖麻油和折射率n’=1.5的玻璃之间的反射率降低到0.005%。

此外根据计算式（1）推算，若折射率n=1.5、1.33、1.0递减，出射光在n=1.5、1.33之间的界面的反射率R1=0.361%，在n=1.33、1.0界面的反射率R2=2.00%，总透光率T=（1－0.361%）（1－2.00%）=97.6%，低于折射率n=1.5、1.0界面的反射率R=4.0%，也就是说在折射率n=1.5、1.0之间插入中间折射率介质后，总反射率降低了。根据此计算获得的反射率规律，本发明就是要创造LED灯外折射率逐渐降低的低反射率的条件，提高LED灯具的出光率。

本发明依据上述理论推导和分析计算，以及相应的实验验证，获得了光耦合法提高LED的出光效率，减少灯具器材界面反光率，本发明使用低粘滞系数的无色透明散热流体/光耦合剂，所述的散热流体/光耦合剂折射率1.3～1.55。使得LED出光封装内的全反射临界角从与空气界面相对应的45.58°（LED出光封装折射率n’=1.4）～41.81°（LED出光封装折射率n’=1.5）扩展到LED出光封装内的全反射临界角接近90°；相应的界面上的任意一点对应的相对出光球冠面积从25.46%～30.0%扩展到接近100%（半球面）。

本发明包括大功率LED灯珠连同金属电路板PCB，或者大功率LED集成光源，散热器，密封反射腔，无色透明的散热流体/光耦合剂。散热器包括散热片、热传导体和导热底板，在所述的热传导体上开有多个对流进风口；所述的对流进风口的通道在热传导体内呈由外向内倾斜；所述的导热底板表面反射率85%以上，导热底板局部开有槽沟，槽沟深入导热底板平面，沿径向与纬向排布；大功率LED灯珠的正电极引脚和负电极引脚焊接在金属电路板上，带大功率LED灯珠的金属电路板的背面位于散热器导热底板下方，金属电路板的背面与散热器导热底板之间为导热胶薄层，或者大功率LED集成光源背面贴装在散热器导热底板上，大功率LED集成光源背面与散热器导热底板之间为导热胶，其正电极和负电极分别引出，接LED驱动电源对应的正极和负极；散热器导热底板、散热器导热底板侧面的第一螺纹、带大功率LED灯珠的金属电路板或者大功率LED集成光源、外壳及与散热器导热底板第一螺纹配套的第二螺纹、 “O”型密封圈、密封胶、光散射板以及散热流体/光耦合剂组成了密封的反射腔体，所述的金属电路板的基板外表面的基板绝缘层，线路间隔离层和阻焊层均透明绝缘，其电路面的表面反光率85%以上；所述的外壳内壁光亮，反射率85%以上，所述的光散射板设置有多层透光材料组成的散射层，分别为粗砂层的出光面和强散射效应微晶玻璃或者结晶高透光材料，透射光损失率低于20%；灯具的外壳与散热器导热底板用螺纹连接组成完整的LED灯具外壳；所述的散热流体/光耦合剂为折射率1.3～1.55的低粘滞系数、高导热率的液体，粘度小于10mm²/s；优先选用有良好的散热性和流动性，粘度小于等于3mm²/s的材料作为散热流体/光耦合剂。

本发明在LED器件的双侧散热，增大了LED器件的散热表面积，并用增进对流的散热器增大实际有效散热的表面积，快速导出LED器件产生的热量，缩短热传导路径和减少传导的层次，提高LED灯具的整体出光率。无色透明的散热流体/光耦合剂可选择折射率n=1.4的低粘滞系数的二甲基硅油，折射率n=1.32～1.40的醇类，n=1.33的水等，目前大功率LED灯出光封装多采用有机硅，与散热流体/光耦合剂的材质匹配；散热流体/光耦合剂还可以根据LED出光封装的实际折射率选用折射率1.5的苯基端氢硅油，或者其他有机溶剂、无机溶液。密封反射腔体可以在常见的LED灯的基础上，改进LED器件安装室，增加“O”型密封圈、密封胶，只要能保证散热流体/光耦合剂不泄漏就行了。

本发明材料易得，工艺成熟，实施方便，实现方式多样化，成本低廉，而具有良好的降低LED器件结温的作用，提高LED灯具出光效率的效果显著，符合绿色照明、节能减排的要求。

附图说明

附图1为本发明引用的n=1.0和n’=1.5的透明介质界面反射率曲线图。

附图2为本发明关于球冠的几何关系图及全反射临界角对应球冠示意图。

附图3为本发明的LED灯的主要结构示意图。

附图4为本发明的金属电路板结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图阐述本发明。

本发明依据的计算理论及其推导：

附图1为本发明引用与依据的n=1.0和n’=1.5的透明介质界面反射率曲线图，材料取自母国光、战元令编《光学》（人民教育出版社，1978.9第一版）的图12-13。图中的曲线Ⅰ、曲线Ⅱ、曲线Ⅲ分别对应：平行于入射面振动（偏振光）的反射率Rp，垂直于入射面振动（偏振光）的反射率Rs和自然光的反射率R，纵轴代表反射率R，横轴为入射角i。通常的非偏振光（自然光）对应曲线Ⅲ。由图1可见，入射角i在40°以内的反射率 R几乎不变，反射率取决于公式：

                                                 （1）

式（1）中n’、n分别为界面两侧的不同介质的折射率。一般玻璃的折射率n’=1.5左右，而空气的折射率n=1.0，计算得到的反射率R=0.040(4.0%)。

折射定律

n’sin i’=n sin i                                        （2）

根据式（2），折射率大的一侧入射角或者出射角小。从LED管芯发射的光，在出光封装表面与法线的夹角——入射角（LED芯片侧）不能超过全反射的临界角45.58°（出光封装折射率n’=1.4）～41.81°（出光封装折射率n’=1.5），大于临界角的光线将发生全反射，并沿圆周（球面）发生多次全反射直至光能损失殆尽。

附图2为本发明关于球冠的几何示意图以及全反射临界角对应球冠的示意图。公知球冠面积S_S＝2πRH，其中R为球心到球表面的半径长度，H为球冠的高度，如附图2的几何关系。根据其几何关系，球冠高度H=R（1－cos i’），其中i’是z轴（球冠中心轴）与球心O到球冠底边的连线形成的夹角，故球冠面积计算公式S_S=2πR²(1－cos i’)；引入相对球冠面积S_R=球冠面积S_S：半球面积S_h，则相对球冠面积

S_R=(1－cos i’)                                             （3）

其中i’是z轴（球冠中心轴）与球心O到球冠底边的连线形成的夹角。这样，球冠表面积直接表达成球心到球冠底边连线与中心轴的夹角i’的关系。

LED灯珠内光束照射出光封装介质表面，入射角i’为出光封装表面法线与LED光束的夹角。LED出光封装材料扮演了光密媒质，LED外为空气（光疏媒质），根据折射定律公式（2），发生全反射的临界角为：空气侧的夹角i=90°，按式（2），出光封装内部的全反射临界角i_c’由sin i_c’=nsin i/n’决定。对LED出光封装（出光口）表面上的任意一点O，由内而外的入射角i’，由于白光LED封胶内有YAG荧光粉，会产生漫射光，出光封装胶在固化时产生应力、微气泡，造成出光封装带有漫射特征。作过出光封装表面任意一点O的切平面，如附图2过球心的水平剖面所示，以O为球心的邻域作半球面，任意方向的入射光束沿径向运行轨迹，与切平面法线方向的夹角i’。根据反射定律，反射光与入射光成镜像，反射角与入射角大小相等，如附图2的反射虚线箭头所指。LED出光封装内的全反射临界角i_c’，如附图2的Rdi’环带围成对应的球冠，则全反射临界角i_c’围成了一个有确定相对面积的球冠。大于全反射临界角i_c’的光线均不可能出现在视界内。此处所述的“视界”为：从出光封装外侧看到的出光封装内部（与出光封装表面法线）的极限夹角及其对应的边界。

目前，大功率LED器件的出光封装材料大量采用具有良好透光性和耐温200℃的有机硅（树脂），其折射率n’在1.4～1.5之间，如201二甲基硅油的n’=1.40，苯基端氢硅油分n’=1.50和1.51不同牌号，含氢MQ硅树脂的n’=1.30～1.48，苯基端氢硅树脂折射率n’有1.44、1.45、1.49、1.50、1.51有多种牌号。若大功率LED灯珠或者大功率LED集成光源的出光封装材料折射率n’=1.4，对应的全反射临界角45.58°，其相对球冠面积

S_R=(1－cos 45.58°)=30.0%，

若大功率LED灯珠或者大功率LED集成光源的出光封装材料折射率n’=1.5，对应的全反射临界角41.81°，相对球冠面积

S_R=(1－cos 41.81°)=25.5%。

由以上分析计算发现，大功率白光LED或者大功率LED集成光源透光封装胶的有效出光相对面积受到全反射临界角i_c’的影响，在30.0%～25.5%之间，LED出光封装表面任意一点O的邻域，只有落在球冠表面上的点发出的光才可能通过O点出射，其中该邻域上的大多数辐射都超过了全反射临界角i_c’，它们到达O点的辐射只能在球面内反复反射损耗掉了。引入“视界”的概念，以全反射临界角为界，“视界”以下的LED光永远无法溢出LED封装。故扩大全反射临界角，也就扩大了视界，可从LED出光封装内引出更多的光辐射。本发明基于LED芯片内部大部分的光辐射无法通过出光封装引出封装界外的事实，另辟蹊径扩大视界，提高LED的出光率。

根据折射定律公式（2），改变光疏媒质的折射率n，将引发光密媒质侧的入射角或者出射角的变化；据此得出结论：从光密媒质侧发出的光束在介质表面发生全反射临界角i_c’随光疏媒质的折射率n变化，当光疏媒质的折射率n增高时，光密媒质内的全反射临界角i_c’变大，如n’=1.5的玻璃或者高分子透光材料内出射光束的全反射临界角i_c’，当光疏媒质的折射率n=1.0（空气），光密媒质内的全反射临界角i_c’=41.81°，对应的相对球冠面积S_R=1－cos41.81°=25.5%；当光疏媒质换成折射率n=1.33的水后，光密媒质内的全反射临界角i_c’=62.46°，对应的相对球冠面积S_R=1－cos 62.46°=53.76%，视界范围是原来的2.1倍；若选择无色透明的蓖麻油，如印度供货的蓖麻油折射率n=1.478～1.479（20℃），当其与n’=1.5的玻璃匹配后，玻璃内的全反射临界角i_c’=80.17°～80.40°，以全反射临界角为界形成的球冠表面积占半球面的83.15%，是玻璃与空气全反射临界角i_c’形成的球冠面积的3.26倍；入射角i’=80°～90°的带状球面区域相对半球面的面积17.36%，根据附图1，在入射角i=80°～90°的低掠射角下的光疏媒质到光密媒质，n=1.5的玻璃与空气界面的自然光反射率在40%～100%范围变化，估算反射率平均值略大于70%，即使加入玻璃与水的折射率差只有Δn=0.17对反射率的影响的修正，这一区域的平均自然反射率还有50%以上，进一步扩大全反射临界角i_c’对透射效率影响则变小。

将此分析推广用到LED灯珠或者大功率LED集成光源，出光封装内的光线在封装表面发生折射和反射，超过全反射临界角i_c’的光线一直沿球内圆周反射直至损失殆尽或者被衬底吸收；提高LED器件出光封装外围介质的折射率n，扩大LED出光封装界面上任意一点（O）的全反射临界角i_c’，从而提升出光封装界内的有效入射角度及其对应的有效出光球冠的相对面积S_R，达到扩大“视界”的目的，并使LED内部超过全反射临界角的不能出射光的球面积变小，此处所述的LED灯珠外围介质即为本发明的散热流体/光耦合剂D。

当LED出光封装的折射率n’小于等于散热流体/光耦合剂D的折射率n后，在LED出光封装表面（LED芯片侧）将不存在LED光束引起的全反射，使得LED出光封装表面任意一点O的视界变成全平面，这极大地提高大功率LED芯片的出光效率；LED出光封装的出光角度从与空气界面对应的45.58°（n’=1.4）～41.81°（n’=1.5）扩展到最大90°；将LED器件的出光视界范围提升到极限，相对球冠面积从25.46%～30.0%扩展到100%；并降低LED出光封装表面反射率。

附图3为本发明的LED灯的主要结构示意图。图中散热器A，散热器A的导热底板B，散热器A的导热底板B局部开有槽沟S，散热器A的散热片A1，散热器的热传导体A2，散热器A的热传导体A2上开有多个对流进风口A3，散热器A的热传导体A2的根部AB，散热器A的导热底板B与散热片A1、热传导体A2的根部AB之间的连接层F；所述的对流进风口A3的通道在热传导体A2内呈由外向内倾斜，并靠近散热器A的热传导体A2的根部AB；所述的槽沟S深入散热器A的导热底板B局部平面，沿径向与纬向排布，有利于加热后的散热流体/光耦合剂上升，并沿槽沟S向外围对流扩散；散热器A的导热底板B的边缘开有第一螺纹BS，如附图3所示。大功率LED集成光源C黏贴在散热器A的导热底板B上，两者之间夹导热胶薄层（未作标注），若采用大功率LED灯珠C’替代大功率LED集成光源C，须将大功率LED灯珠C’焊接在金属电路板PCB的正面电路焊盘上，金属电路板PCB的正面线路板经过特殊处理呈高反光率，大功率LED灯珠C’连同金属电路板PCB等效于大功率LED集成光源C；密封的反射腔体包括：散热器A的导热底板B（高反射率），大功率LED集成光源C或者带LED灯珠C’的金属电路板PCB，外壳E的内壁，光散射板G等部分，还有“O”型密封圈H、密封胶I和散热流体/光耦合剂D等必要的器材；金属电路板PCB的正面（带线路、高反光）、外壳E的内表面和导热底板B形成了反射体，光散射板G为出光口兼散射光发生器；所述的外壳E的内壁反光率85%以上，所述的导热底板B反光率85%以上。外壳E的内侧开有与第一螺纹BS配套的第二螺纹ES，在散热器导热底板B安装有“O”型密封圈H、当第二螺纹ES拧入散热器A的导热底板B边缘的第一螺纹BS，夹紧了“O”型密封圈H，外壳E的下端嵌入光散射板G，两者连接处用密封胶I密封；外壳E的内表面、散热器导热底板B、大功率LED集成光源C或者带LED灯珠C’的金属电路板PCB、光散射板G 、“O”型密封圈H、密封胶I形成了一个密封的反射腔体，密封的反射腔体内充散热流体/光耦合剂D，散热流体/光耦合剂D与大功率LED集成光源C或者大功率LED灯珠C’的金属电路板PCB的四周直接接触，使用时LED器件直接加热了散热流体/光耦合剂D，散热流体/光耦合剂D向四周扩散、对流，将原来几乎无散热能力的大功率LED灯珠正面与侧面的热量，或者大功率LED集成光源的正面散发的热量带到散热器A的导热底板B的外侧及外壳E，扩大了LED器件的有效散热表面积。

所有的大功率LED灯珠C’串联后，通过两根导线引出，外接LED恒流电源的低压直流输出端；大功率LED集成光源C内部已经将电路连接，只要将两根引出线外接LED恒流电源的低压直流输出端；两根引出线穿过的密封反射腔体孔用柔性胶密封。

光散射板G分成1～2层。光散射板G用高透光率的材料制作，如白玻璃单面打磨成磨砂毛玻璃，磨成粗砂毛玻璃的散射效果较好，毛玻璃面作为出光面G2；采用有强散射效应的微晶玻璃、结晶高透光材料作光散射板G的基板G1，禁止使用带高反光的乳白细粉层的散射材料，在微晶玻璃或者结晶高透光材料基板G1上形成磨砂层G2，使所述的多层散射层组成的光散射板G透射光损失率低于20%。

附图4为金属电路板PCB的结构示意图。它可以分成：金属基板1，起到导热基板和支撑的作用。为了获得高反光率的金属电路板PCB，在金属基板1的外表面施以透明的基板绝缘层2，金属基板1与基板绝缘层2的组合等效于普通绝缘的PCB基板部分，但又有高导热率和高透光/高反光的特点。第一线路与焊盘3和第二线路与焊盘4在基板绝缘层2 之上，金属电路板表面的阻焊层5，具有高透光性和绝缘性。透明的阻焊层5覆盖第一线路与焊盘3和第二线路与焊盘4的线路部分，但裸露出第一线路与焊盘3和第二线路与焊盘4的焊盘部分。由此组成的金属电路板PCB的电路面的表面反光率85%以上。

 

本发明的具体实施方法如下：

本发明的散热流体/光耦合剂D—可选水（20℃粘滞系数1.005厘泊，粘度1.007mm²/s），无水乙醇（20℃粘滞系数1.19厘泊，粘度1.51mm²/s），折射率n=1.3～1.55的硅油或者其他不易挥发、无色透明的液体，如25℃折射率n=1.375～1.391，粘度0.65～2mm²/s的KF96L-0.65cs、KF96L-1cs、KF96L-1.5cs、KF96L-2cs二甲基硅油, 25℃折射率n= 1.380～1.390，粘滞系数5mm²/s的201-5二甲基硅油，优先选择粘度小于等于3mm²/s、化学稳定性佳、无腐蚀的化学品。金属电路板PCB—金属基板1采用表面抛光铝板，参考厚度0.5～1mm，按需要的尺寸裁剪成实际需要的金属电路板PCB；在金属基板1的外表面涂覆，施以透明的基板绝缘层2，推荐采用铝板表面阳极氧化，获得绝缘的透明氧化铝层作为基板绝缘层2；在基板绝缘层2上印刷银浆线路图并烧结成为第一线路与焊盘3和第二线路与焊盘4，在其上再覆盖高透光性的阻焊层5，阻焊层5须保证裸露出第一线路与焊盘3和第二线路与焊盘4的焊盘，阻焊层5可选用超高分子量的环氧树脂增韧的环氧树脂固化，当采用环氧树脂材料时，注意选择透光性好的材料，并注意控制环氧树脂固化剂的工艺条件，防止因固化剂或者固化剂的温度使用不当造成环氧树脂变色、变黄。良好的透明绝缘涂层可保证金属电路板PCB的电路面的表面反光率85%以上。散热器A—散热器A整体压铸，导热底板B的侧面边缘加工第一螺纹BS，结构如附图3所示，或者选用通用散热铝型材，散热片A1与热传导体A2—选用一体化的散热专用铝型材，散热片A1与热传导体A2的根部AB打磨平整，对流进风口A3—在热传导体A2的两片散热片A1之间打孔A3，为提高通风流量，采用斜向打孔，可以采用专用夹具多个钻头同时斜向打孔A3获得；导热底板B—压铸，局部开槽沟S，反射率85%以上，侧边缘加工第一螺纹BS。连接层F—导热底板B与散热片A1、热传导体A2的根部AB之间的连接，压焊或者螺纹连接，螺纹连接则层间衬垫导热硅胶（F）；外壳E—采购或者铝型材加工，侧壁边缘为二螺纹ES，内壁反射率85%以上；“O”型密封圈H—采购，耐油橡胶或者高分子材料，密封胶I—采购。光散射板G—透光材料，如微晶玻璃或者结晶高透光材料G1，磨粗砂面作为出光面G2，透射光损失率低于20%，禁止使用高反光的乳白细粉状材料制作光散射板G，防止降低透光率。

Claims (9)

1. 高出光效率的光耦合剂辅助冷却LED灯方法，其特征在于：

大功率LED灯珠或者大功率LED集成光源浸没在散热流体/光耦合剂中，散热器散热LED器件背侧，散热流体/光耦合剂散热LED器件的出光封装面，所述的散热流体/光耦合剂的折射率低于到超过大功率LED灯珠或者大功率LED集成光源出光封装介质的折射率；扩大与出光光通量有关的LED出光封装全反射临界角，增大出射球冠相对面积和视界；降低大功率LED灯珠或者大功率LED集成光源与空气介质的反射率，提升LED灯的出光效率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：散热流体/光耦合剂有良好的散热性和流动性，粘度小于10mm²/s，折射率为1.3～1.55。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于：LED出光封装内的全反射临界角从空气界面的折射率41.81°～45.58°扩展到散热流体/光耦合剂界面的最大90°；相应的出光球冠相对面积从25.46%～30.0%扩展到最大100%。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：散热流体/光耦合剂有良好的散热性和流动性，粘度小于等于3mm²/s。

5.高出光效率的光耦合剂辅助冷却LED灯具装置，包括金属电路板和安装在电路板上的LED灯珠，或者LED集成光源，散热器，反射腔体，其特征在于：密封的反射腔体，反射腔体内密封了散热流体/光耦合剂，反射腔体各内表面的反射率85%以上。

6.根据权利要求5所述的灯具装置，其特征在于：散热器包括散热片、热传导体和导热底板，在所述的热传导体上开有多个对流进风口；所述的对流进风口的通道在热传导体内呈由外向内倾斜；所述的导热底板局部开有槽沟，槽沟深入导热底板平面，沿径向与纬向排布，反射率85%以上。

7.根据权利要求5所述的灯具装置，其特征在于：金属电路板的基板外表面的基板绝缘层和阻焊层均透明绝缘，其电路面的表面反光率85%以上。

8.根据权利要求5所述的灯具装置，其特征在于：散热流体/光耦合剂既是对流散热材料，又是扩大LED光出射视界的光耦合剂。

9.根据权利要求5所述的灯具装置，其特征在于：散热流体/光耦合剂有良好的散热性和流动性，粘度小于等于3mm²/s。

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