从战场到工业界：干式激光冷却技术的跨界突破
作者：Laurynas Ukanis, Deividas Andriukaitis, Lukas Rimgaila, and Jim Burnett
随着激光器在工业、科研、医疗和军事领域的应用不断拓展，终端用户对系统冷却要求的关注度日益提升。所有激光器都需要某种形式的热管理，具体采用何种方式，取决于激光器的设计及其工作环境：例如，若热负荷存在波动，用户就必须考虑激光器热负荷的变化范围与变化速率。
图｜相关论文（来源：EKSPLA）
无论规模大小、功率高低，过热都会导致激光器效率下降、波长漂移，并缩短其使用寿命。在温度公差范围较宽的稳定环境中运行的低功率激光器，通常可采用简单的风冷方式。而高功率系统或温度公差要求严格的系统，则需要更先进的冷却方案。如今，激光器系统的整机效率介于 0.1% 至近 80% 之间，功率水平也跨度极大 —— 测量和打标应用中仅需毫瓦级功率，而重型制造业中则需数千瓦级功率。
因此，冷却设计并非次要考量因素，而是确保所有系统在各类应用中实现可靠运行与稳定性能的核心关键。
核心考量因素
用户在选择最优冷却方案时，必须评估多项参数。其中最关键的考量包括：激光器最高允许温度、温度公差（±X.XX °C）、环境空气温度或可用的工厂供水温度，以及冷却负荷 —— 即必须移除的多余热量。
历史上，激光器制造商仅向系统集成商提供基本的冷却要求：冷却液温度、流量和压力。冷却系统的选择则由终端用户自行决定，而独立式液体冷却机是当时最受欢迎的选择。
传统冷却机采用单速压缩机搭配大型储液罐的设计，以在负荷波动和压缩机循环运行期间稳定冷却液温度（图 1）。尽管这种机制有效，但会导致系统体积庞大，占据宝贵的占地面积。此外，泵送液体回路还可能在可靠性和维护方面引发诸多问题：储液罐会因水分蒸发需要补充；水管连接处容易泄漏，可能损坏激光器或电子设备；冷却液中滋生的藻类会影响性能；而泵体故障最终会导致整个系统无法运行。
图 1 ：典型的泵送回路液体冷却机。该类系统采用单速压缩机搭配大型储液罐的设计，以在负荷波动和压缩机循环运行期间稳定冷却液温度。
图｜来源：Aspen Systems LLC
这些问题可能给激光器制造商带来保修纠纷，因为冷却系统故障很容易扩散为激光器系统故障。
被动冷却与主动冷却
无水冷却：迈向工厂车间的创新方案
从本质上看，直接制冷剂冷却（DRC）技术攻克了泵送液体回路的可靠性难题。该技术无需通过储液罐和泵循环冷却水，而是让制冷剂直接流经与激光器接触的冷板（图 4）。
图4：直接制冷剂冷却（DRC）完整系统概览（上图）与示意图（下图）。设计一侧（上图）的冷板与激光器相连，另一侧则将带辅助电子设备的压缩机集成至激光电源单元中。示意图（下图）中已移除泵送液体回路，冷凝器单元与冷板之间通过柔性制冷剂管路连接，可在不移动压缩机单元的情况下对激光器进行操作。该冷板与 EKSPLA FemtoLux 激光器相互隔离。
图｜相关论文（来源：Aspen Systems LLC and EKSPLA）
由于无需用水，这种方式彻底消除了泄漏和藻类滋生的风险。此外，它还能实现更小的占地面积，与水冷系统相比能效提升约 50%，维护需求极低，且通过等温相变传热可实现冷板温度均匀一致（图 5）。
图 5 ：干式制冷剂冷却（又称干冷）与直接膨胀式冷却的对比。相比之下，干式制冷剂冷却的能效比液体冷却设计高出 50%。
图｜相关论文（来源：Aspen Systems LLC）
在对比测试中，相同条件下直接制冷剂系统的耗电量仅为液体冷却机的一半。压缩机的使用寿命通常是泵体的 3 至 5 倍。
同时，温度控制极为简便：变速压缩机会根据负荷需求进行调节，在激光器的整个工作范围内将温度稳定在 ±0.1 °C 以内（图 6）。
图 6 : 变速压缩机的典型制冷量范围，展示其在不同温度区间的性能表现。
图｜相关论文（来源：Aspen Systems LLC）
工业级直接制冷剂冷却（DRC）技术
艾斯本技术有限公司（Aspen Systems）已在军事应用中部署微型压缩机超过 15 年。将该技术整合至工业激光系统则是一项全新挑战，对系统设计与工程实现提出了严苛要求。工业环境看似不像许多军事和国防系统的运行环境那样极端严苛，但却存在独特的环境条件范围。微型压缩机此前在军事通信设备、地面车辆高能定向能系统、运输箱以及直升机等场景中成效显著，而这些场景与工业生产环境差异巨大。
EKSPLA 公司希望将保障军事关键任务系统运行的技术优势，应用于工业激光领域 —— 本质上，是将经过战场验证的性能迁移至实验室和生产车间。为实现这一目标，该公司将直接制冷剂冷却（DRC）原理应用于其 FemtoLux 系列工业飞秒激光器。
1.DRC 系统核心构成与工作原理
集成于 FemtoLux 平台的 DRC 系统包含四大核心组件：压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。高压制冷剂被输送至直接安装在冷板（兼作蒸发器）上的膨胀阀。制冷剂膨胀后，以低温低压液体状态进入冷板，在冷板内循环时吸收激光头的多余热量，并通过等温相变从液体转化为蒸汽。生成的蒸汽返回压缩机，被压缩为高温高压气体后流经冷凝器，在此处重新凝结为液体形态，并向周围环境释放热量。
2.系统优势：灵活性、可靠性与高效性
制冷剂回路具备极高的集成灵活性，这一特性使激光头可安装在加工设备内部，甚至能搭载于移动工作台上。回路系统由集成在电源单元内的压缩机、冷凝器，以及通过 3 米长铠装柔性管路连接的膨胀阀 / 冷板组件构成。为方便使用，集成过程中可将冷板与激光头分离。
变速压缩机的采用，确保了系统在不同环境下的可靠运行。通过根据环境条件调整制冷量，系统仅移除所需的热负荷，从而避免了因温差（ΔT）引发的性能问题。
该方案还充分考虑了潜在的维护相关问题。例如，制冷剂循环回路在工厂进行密封处理，省去了水冷系统常见的补水、更换过滤器和 / 或冲洗等维护工作。此外，系统的平均无故障时间（MTBF）超过 90,000 小时，可连续运行十多年而无需停机。
不仅如此，在制冷量相同的情况下，集成式 DRC 解决方案的耗电量约为传统水冷机的一半。由于省去了泵体、储液罐等 bulky 组件，电源单元结构紧凑；压缩机本身的体积和重量也较传统同类产品减小了 10 倍。带冷板的激光头重量仅为 32 千克，而集成了压缩机和冷凝器的电源单元仅为系统增加 15 千克重量。
性能与集成体验
EKSPLA 专为工业微加工应用设计了 FemtoLux 系列（图 4）。针对这类应用场景，该系列激光器在 1030 nm 波长下可提供高达 50 W 的输出功率，脉冲宽度为 <400 飞秒至 1 皮秒，重复频率范围从单脉冲到 2 MHz。测试中，该系列激光器实现了超过 25,000 小时的稳定运行。其他特性详见图 4。
对于系统集成商而言，干式冷却功能的加入是一项重大创新。集成并采用成熟的工业激光器 DRC（干式冷却）解决方案，彻底摆脱了水冷和风冷的局限性。此外，冷却板的简易安装设计全面简化了激光头的集成流程，而紧凑的电源单元则确保了安装的便捷性。
除了操作简便外，应用实验室的大量可行性研究已证实，FemtoLux 适用于多种微加工任务。这些任务包括支架切割、半导体加工以及精密工业加工。FemtoLux 系统已在全球范围内安装使用，包括对运行时间和可靠性有严苛要求的场景，例如 24/7 不间断生产线。
圆满闭环，超越不止
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