[发明专利]高出光效率的光耦合剂辅助冷却LED灯方法及灯具装置

说明书

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

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