直接制冷剂冷却（Direct Refrigerant Cooling, DRC）

“干式”冷却（Dry Cooling）

直接制冷剂冷却（DRC）是一种在工业领域经过验证的热管理技术，在家用制冷设备和汽车空调系统等日常技术中已有长期应用历史。与传统的液体冷却不同，它不需要水泵循环系统，而是通过制冷剂直接进行热量传递。

优势（Benefits）

• 军工级可靠性：MTBF（平均无故障时间）90,000 小时

• 无需维护

• 与水冷设备相比功耗降低约 50%

• 安装简单方便

• 通过精确的温度控制，在各种工作条件下实现更高稳定性

• 最环保的冷却技术之一

DRC 的工作原理（How DRC Works）

DRC 的核心理念是消除传统水冷系统的可靠性限制。传统水冷系统需要通过泵、管路和储液罐循环冷却液，而 DRC 则不同：制冷剂直接输送到与激光头接触的冷板（cold plate）。

FemtoLux 的冷却系统由四个关键组件组成：压缩机（Compressor）,冷凝器（Condenser）,膨胀阀（Expansion valve）,蒸发器（Evaporator）。工作过程如下：

1. 高压制冷剂流经安装在冷却板上的膨胀阀

2. 制冷剂膨胀后变为低温低压液体

3. 制冷剂在冷却板中流动时吸收激光头产生的热量

4. 制冷剂发生相变并转化为气体

5. 蒸汽进入压缩机

6. 随后进入冷凝器

7. 热量释放到环境中

8. 制冷剂重新变回液体并进入循环

系统结构与集成

该封闭式制冷剂循环系统具有非常高的系统集成灵活性。

系统结构：

• 压缩机和冷凝器安装在电源模块中

• 冷却板和膨胀阀通过 3 米长的柔性装甲管路连接

这种结构允许激光头安装在材料加工设备内部或安装在运动平台上。系统中的变速压缩机会根据实时热负载自动调节冷却能力，从而避免温度波动影响激光性能。

DRC 系统结构示意，DRC 布局图
（图片由 Aspen Systems Inc. 提供）

DRC 压缩机结构
（图片由 Aspen Systems Inc. 提供）

FemtoLux 激光器使用的 DRC 模块：一侧为安装在激光器上的冷却板。另一侧为安装在电源模块中的压缩机及控制电子系统

简单安装与免维护运行为了方便系统集成：

• 冷却板在系统安装时可以从激光头上拆卸

• 柔性制冷剂管路允许激光头与压缩机分离安装

由于制冷回路在出厂时已经完全密封，因此无需进行传统水冷系统常见的维护工作，例如加水，更换过滤器，系统冲洗。对于系统集成商而言，干式冷却是一项重大进步。消除了水冷和风冷系统带来的设计限制，简化了系统设计，支持更紧凑的设备布局。冷却板接口设计也降低了安装复杂度，而紧凑型电源模块进一步简化系统集成。

紧凑结构

由于没有水泵和储液罐，系统尺寸更小：

• 压缩机体积和重量最多可减少 10 倍

• FemtoLux 激光头（含冷却板）重量：32 kg

• 电源模块（含压缩机和冷凝器）：15 kg

冷却组件

冷却板可从激光头上拆卸

冷却板保护盖

精确温控与高能效：

FemtoLux 30 和 FemtoLux 50 的功耗与输出功率对比
（与其他超快激光器厂商比较）

DRC 冷却技术相比水冷系统具有约 50% 更高的能效。通过相变传热机制，冷却板可以保持高度均匀的温度分布。实验结果表明：在相同工作条件下，DRC 系统的耗电量仅为传统液体冷却机的一半。温度控制同时具备高精度和快速响应。变速压缩机会根据热负载变化持续调整运行状态，使激光器工作温度在整个性能范围内保持 ±0.1 °C 的稳定度。

FemtoLux 使用低全球变暖潜能值（Low-GWP）制冷剂，适用于实验室环境和运输要求。与其他冷却方式相比：功耗约为传统冷水机的一半比热电冷却（TEC）系统节能最高 8 倍与空气冷却不同，DRC 可以在低于环境温度下运行或保持严格稳定的温度设定点。

从军用到工业的可靠性验证

该冷却技术由 Aspen Systems 在过去 15 年中广泛应用于高要求的国防系统，例如：

• 军用通信系统

• 装甲车辆上的定向能武器平台

• 军事运输设备

• 舰船系统

• 直升机设备

该技术的 MTBF（平均无故障时间）超过 90,000 小时，可支持超过 10 年连续运行。

长期测试表明FemtoLux 激光器稳定运行时间已超过25,000 小时。此外，压缩机的使用寿命通常是传统水冷泵的 3–5 倍。

军用制冷系统示例:

Aspen 制冷系统（军用应用）
图片来源：Aspen Systems Inc.

行业报道: EKSPLA 工程师开发的干式冷却技术被作为封面报道刊登在：

《Photonics Spectra》杂志 2025 年 11 月刊,该杂志是全球发行量最大的激光、光学和光子学行业期刊之一。

相关产品:

FemtoLux 3

微焦耳级工业飞秒激光器

• 1030 nm：最高 3 W

• 515 nm：最高 1.2 W

• 单脉冲能量最高 3 μJ

• 脉冲串模式最高 10 μJ

• 300 fs – 5 ps 可调脉冲宽度

• 单发 – 10 MHz 重复频率

• 脉冲串形状主动控制

未完待续，敬请期待下篇“Ekspla公司FemtoLux系列工业级飞秒激光器介绍（五）运行性能曲线和外观图纸

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