CN103335222B - 一种高出光效率的led灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高出光效率的LED灯。本发明包括LED灯珠、反射腔体和散热板。散热板包括散热片和热传导体，在热传导体上开有多个对流进风口；带LED灯珠的金属电路板位于散热板下方，金属电路带LED灯珠部分与反光罩、光散射板构成反射腔体；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；反光罩呈圆台形状，上圆台的中间为通光圆孔，下圆台为光散射板，光散射板设置有多层散射层；灯具的外壳与金属电路板用螺纹连接组成完整的LED灯具外壳。本发明具有LED灯具内部的金属电路板的表面透光性好，入射光的反射率高，光散射板的透射率高，反光腔体整体出光率高。

Description

一种高出光效率的LED灯

技术领域

本发明属于照明领域，涉及到LED灯具，特别是一种高出光效率的LED灯具。

背景技术

LED由于发光效率高，并有更高的发光效率的改进余地，受到国内外的重视。目前，世界已经进入了淘汰白炽灯阶段。LED有每个器件的电压降低，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板的热阻。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，然后将金属电路板直接与散热板相连的支架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，它与散热板连结方便，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板，很多LED灯的散热板采用专用铝型材加工而成，它扩大了散热体的表面积。LED灯的散热板温度一般低于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，而对流对散热板的降温作用贡献显著。

像LED投射灯的金属电路板上安装的1W大功率白光LED器件的表面呈半球状，通过专用的带半凹球的聚光透镜收集LED灯珠发出的光线，并使其直接进入聚光透镜内部，在聚光透镜光传播途径的表面发生多次全反射，将光导入聚光透镜的投射面，以小角度近乎垂直地照射出来。

LED灯生产已经形成市场供货的产业链，LED灯的零部件已经规模生产，生产灯具的厂商采用OEM组装形式形成批生产。可以直接按需采购用于LED灯的金属电路板、LED贴片、散热板、导光聚光镜、外壳、专用电源等组装。

采用光导形式的聚光透镜形成投射光的模式已经形成了零件模具、成型生产、供货一条龙，聚光透镜有3灯珠、5灯珠、7灯珠、13灯珠，……以及其他形式，若采用最常用的1W LED灯珠，它们分别对应3W、5W、7W、13W，……。尤以3W（3灯珠）LED灯的使用率最高。为了提高聚光透镜的通用性，也有采用n个单聚光透镜组成nW的LED投射灯，通过灯具上的出光口的多寡，调整LED投射灯的功率，但这样一来，组装的复杂程度和难度大幅度上升，随着人工费的上升，制造成本大幅度升高。

发明内容

针对现有LED灯具技术在光学、热传导学方面的不足或缺陷，本发明在保持电气性能的基础上，通过基础的物理学原理、热传导和光学分析研究，改进并获得了高光学反射率的金属电路板，高光效的光散射板，增进对流的散热板起到增大实际有效散热的表面积，缩短热传导路径和减少传导的层次，提高LED灯具的整体出光率的作用。

本发明包括LED灯珠、反射腔体和散热板。散热板包括散热片和热传导体，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；带LED灯珠的金属电路板位于散热板下方，金属电路板带LED灯珠一侧与反光罩、光散射板构成反射腔体；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88%以上；所述的金属电路板直接构成了散热板结构的一部分；所述的反光罩呈圆台形状，上圆台的中间为通光圆孔，下圆台为光散射板，反光罩的反射率为92%以上，所述的光散射板设置有多层透光材料组成的散射层，分别为细砂层的入射面、粗砂层的出光面和介于细砂层入射面、粗砂层出光面之间的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18%；灯具的外壳与金属电路板用螺纹连接组成完整的LED灯具外壳。

本发明的金属电路板构成了PCB电路板，光学反射腔体的一部分，散热板结构的一部分，和灯具的外壳的一部分。

基本工作原理：由介质表面的反射率R的计算公式

玻璃的折射率n’=1.5左右，而空气的折射率n=1.0。玻璃平板每个表面反射率约为4%，无色白玻璃的透射率只有92.1%。常用的乳白色玻璃的透光率远远低于透明玻璃。本发明采用表面反光率88%以上的专用金属电路板B、表面反光率92%以上的反光罩D、透射光损失率低于18%的光散射板G组成反射腔体，将反射腔体内的杂散光、LED照射光散射板G产生的反射光重新反射到出光口，增强了LED灯具的光效。

安装结构：散热板底部与金属电路板背面直接接触，两者用螺丝固定，两者的接触面之间为导热载体层（导热胶），金属电路板背面裸露在灯外大气中，金属电路板与散热板底部结合组成了散热装置的整体，金属电路板正面为贴片安装的灯珠，金属电路板正面放反光罩+光散射板，然后是灯具的外壳，外壳拧入金属电路板外侧的螺纹，外壳与金属电路板一起形成了本发明的硬质LED灯具封闭空间。本发明中，金属电路板起到4大作用：其一为PCB电路板的作用，其二为光学反射腔体的一部分，其三为散热板结构的一部分（背面接触大气），其四是硬质外壳的一部分。

本发明具有LED灯具内部的金属电路板的表面透光性好，入射光的反射率高，光散射板的透射率高，反光腔体整体出光率高；增强的对流散热和提高有效的散热面积，在同等散热面积和散热条件下，散热效率高，可降低散热板和LED PN结的温度，大大减小LED灯的光衰，提高LED灯具的光效。外壳-散热板-金属电路板一体化的设计大大减小了热阻，制作工艺成熟，成本低廉，可以利用现有的产品工艺与生产线，将原有绝缘涂层的材料换成高透光的绝缘材料来实现。

附图说明

附图1为本发明的整体结构示意图。

附图2为本发明的金属电路板结构图。

附图3（a）为本发明的反射腔体主体的侧视图。

附图3（b）为本发明的反射腔体主体的顶视图。

附图4为本发明的光散射板结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图阐述本发明。

附图1为本发明的LED灯整体结构示意图。图中散热板A，散热板A的散热片A1，散热板的热传导体A2，散热板A的热传导体A2上开有多个对流进风口A3；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，散热板底部AB靠近对流进风口A3，如图1所示。散热板底部AB与金属电路板B的背面接触，两者之间为导热载体层F，通过自攻螺丝将散热板底部AB与金属电路板B连为一体；灯珠C焊接在金属电路板B的正面电路焊盘上，金属电路板B的正面线路板经过特殊处理呈高反光率，金属电路板B的边缘开有第一螺纹BS。

反射腔体包括：带LED灯珠C的金属电路板B，反光罩D，光散射板G等部分，金属电路板B的正面（带线路、高反光）、反光罩D形成了反射体，光散射板G为出光口兼散射光发生器。外壳E，外壳E的内侧开有与第一螺纹BS配套的第二螺纹ES，当第二螺纹ES拧入金属电路板B边缘的第一螺纹BS，固定和保护了带LED灯珠C的金属电路板B。金属电路板B，反光罩D，光散射板G等部分组成的发光和反射腔体，外壳E与金属电路板B组合成一个封闭的壳体。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。

下面结合其他附图阐述各个零件的特征。

附图2为金属电路板B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，兼作外壳的一部分。为了获得高反光率的金属电路板B，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。介于底层线路与焊盘3和表面线路与焊盘4之间的是线路间隔离层5，它具有高透光性和绝缘性；金属电路板表面的阻焊层6，具有高透光性和绝缘性。底层线路与焊盘3在金属基板1外表透明的基板绝缘层2之外，表面线路与焊盘4在透明的线路间隔离层5之外，透明的阻焊层6覆盖表面线路与焊盘4的线路部分，但裸露出表面线路与焊盘4的焊盘部分，以及底层线路与焊盘3的焊盘部分。由此组成的金属电路板B的电路面的表面反光率88%以上。

附图2的金属电路板B结合附图1的本发明的LED灯整体结构示意图，金属电路板B在本发明中起到4大作用：其一为PCB电路板的作用，其二为光学反射腔体的一部分（高反光率的金属电路板B的带LED灯珠的正面反射光），其三为散热板结构的一部分（与散热板A的整体组成的散热装置整体，金属电路板B的背面与外界空气接触），其四是硬质外壳的一部分。

附图3为反射腔体主要结构形式。其中附图3（a）为反射腔体主要结构侧视图，光散射板G作为LED灯具的透光隔离、散射光发生部件，光散射板G内部呈毛玻璃效应——透光但不透明。反光罩D侧面呈圆锥面D1，圆锥顶部开孔Db，上部呈圆台形状，反光罩D内表面反射率很高（反射率为92%以上），，反光罩D的底部空间与光散射板G相连。图3（b）展示了顶部的圆锥开孔Db，以及透过圆锥开孔Db看到的光散射板G。附图4为光散射板G结构示意图，将光散射板G分成3层。光散射板G用高透光率的材料制作，如白玻璃打磨成双面磨砂毛玻璃，其中的一面磨细砂作入射面G1，另一面磨粗砂作为出光面G3；采用有强散射效应的微晶玻璃、结晶高透光材料G2，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G2双面磨砂，其中的一面磨细砂作入射面G1，另一面磨粗砂作为出光面G3；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18%。

散热板A包括散热片A1和热传导体A2，在热传导体上开有多个对流进风口A3。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。

本发明的具体实施方法如下：

金属电路板B的金属基板1采用表面抛光的铝板，参考厚度1.2mm以上，按需要的尺寸裁剪成实际需要的金属电路板；在金属基板1的外表面涂覆，施以透明的基板绝缘层2，可采用铝板表面氧化，获得绝缘的透明氧化铝薄层作为基板绝缘层2；在基板绝缘层2上印刷银浆线路图并烧结成为底层线路与焊盘3；在底层线路与焊盘3上涂覆透明的线路间隔离层5，注意裸露出其焊盘部分，透明的线路间隔离层5可选择透光性好的环氧树脂固化或者环氧树脂基漆，环氧树脂固化前可以掺入超高分子量的环氧树脂作为增韧剂；透明的线路间隔离层5的外面印刷银浆线路图并烧结成为表面线路与焊盘4，在其上再覆盖高透光性的阻焊层6，阻焊层6须保证裸露出底层线路与焊盘3和表面线路与焊盘4的焊盘，阻焊层6可选用超高分子量的环氧树脂增韧的环氧树脂固化，如透明的线路间隔离层5的工艺。大多数的金属电路板B只需要一层电路布线就够了，这样，表面线路与焊盘4和底层线路与焊盘3在同一层，不需要透明的线路间隔离层5。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B的电路面的表面反光率88%以上。

散热板制作：散热片A1与热传导体A2—选用一体化的散热专用铝型材，散热板底部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。导热载体层F—导热胶。

反射腔体主体：光散射板G—透光材料制作，如白玻璃，制成双面磨砂毛玻璃，其中的一面磨细砂作入射面G1，另一面磨粗砂作为出光面G3；采用有强散射效应的微晶玻璃、结晶高透光材料G2，在微晶玻璃或者结晶高透光材料G2双面磨砂，其中的一面磨细砂作入射面G1，另一面磨粗砂作为出光面G3；多层散射层组成的光散射板G透射光损失率低于18%，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。反光罩D—选用有一定厚度和刚性、表面绝缘的高反光铝箔压制而成，反光表面平整或者不规则起伏，反射率92%以上。

Claims (3)

1.一种高出光效率的LED灯，包括LED灯珠、反射腔体和散热板，其特征在于：散热板包括散热片和热传导体，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；带LED灯珠的金属电路板位于散热板下方，金属电路板带LED灯珠一侧与反光罩、光散射板构成反射腔体；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88％以上；所述的线路间隔离层介于底层线路与焊盘和表面线路与焊盘之间，底层线路与焊盘在基板绝缘层之外，表面线路与焊盘在透明的线路间隔离层之外，透明的阻焊层覆盖表面线路与焊盘的线路部分，但裸露出表面线路与焊盘的焊盘部分，以及底层线路与焊盘的焊盘部分；所述的金属电路板直接构成了散热板结构的一部分；所述的反光罩呈圆台形状，上圆台的中间为通光圆孔，下圆台为光散射板，反光罩的反射率为92％以上，所述的光散射板设置有多层透光材料组成的散射层，分别为细砂层的入射面、粗砂层的出光面和介于细砂层入射面、粗砂层出光面之间的结晶高透光材料，透射光损失率低于18％；灯具的外壳与金属电路板用螺纹连接组成完整的LED灯具外壳。

2.按权利要求1所述的一种高出光效率的LED灯，其特征在于：金属电路板构成了PCB电路板，光学反射腔体的一部分，散热板结构的一部分，和灯具的外壳的一部分。

3.按权利要求1所述的一种高出光效率的LED灯，其特征在于：采用强散射效应微晶玻璃替换结晶高透光材料。