#  工业激光器循环制冷系统

## 介绍

工业激光器应用于切割、焊接、微加工、增材制造和钻孔等多个领域，无论是何种应用，都会产 生大量热量。工业激光技术有多种不同类型，区别在于激光的功率密度及其用途。但各种激光系 统的共性在于都需要对电源和激光光学系统进行高级冷却，这些组件的温度稳定性对于确保激光 系统的性能和满足客户需求至关重要。

几十年来，工业激光系统一直在使用冷水机进行冷却。然而，新的行业制冷剂限制和性能要求促 使工业激光制造商采用更环保、更高效、免维护的冷水机解决方案。高效且环保的 Nextreme 循 环冷水机平台能够安静地将温度敏感部件冷却到环境温度以下，以确保最佳的激光性能，并能以 具有竞争力的成本帮助激光器厂家提供整体解决方案。

![Industrial-laser-machine](/sites/default/files/inline-images/bigstock-Sparks-Fly-Out-Machine-Head-Fo-286149265_2.jpg)

*用于切割硬质材料的工业激光器需要能够确保激光束稳定的冷却解决方案。*

## 应用概述

高效率来冷却激光器是一项重大挑战。例如，光纤激光器由于具有其特定的排列，比其他介质具有更好的冷却特性，从而能够将热量扩散到更大表面积上。离子激光器的特点是在激光照射过程中会产生巨大热量，需要复杂的冷却措施。二氧化碳（CO2）激光在光谱的远红外和微波区域发射热能。为了确保激光器的正常运行和长期性能，冷却系统需要快速而高效地散去热量。

根据系统的尺寸和配置，废热可能由冷却液排出或直接传输到空气中。对于产生热量超过几百瓦的激光系统，需要一种液体冷却液。冷却液通过冷水机或传热系统循环将热量从敏感激光部件上泵走，并保持恒定的工作温度。

某些冷却液解决方案需要采用具有更大脉动（pulsation）的冷却系统泵。脉动泵仍可提供所需的系统冷却，但会在冷却系统内产生振动。在激光系统中，这与热不稳定性类似，容易导致激光束聚焦程度降低，性能变差，而这些在切割和雕刻应用中却非常重要。工业激光器通常用于切割钢材等硬质材料，基本上，激光束都是通过聚焦来熔化所操作的材料。激光器经高效冷却后，其激光束可用于创建更精细、更准确的切割或雕刻。而如果激光束工作在最佳温度范围之外，则其聚焦程度会变差，从而导致比较粗糙和不精确的切割或雕刻。

## 应用挑战

工业激光系统的液体冷却系统在设计、实施和维护等方面存在诸多挑战。如果工业激光系统出现故障，可能需要中断整个制造过程，从而极大地影响生产，并导致巨大的额外制造成本。因此，冷水机组系统的稳定性和免维护运行对于确保生产的更长正常运行时间至关重要。

如前所述，温度稳定性对于工业激光器电源和激光器光学部件都很关键。根据激光器系统的类型和具体应用，所产生的热量可能远远超过千瓦级。为了获得最佳性能，尽管在室温下环境温度可能在 23°C ～ 35°C 之间波动，激光器光学部件通常需要稳定在 20°C ± 0.1°C 的温度下工作。

工业激光系统的小型化促使 OEM 将更多的电子产品集成在更小的体积内，这使热通量密度进一步提高，并增加了设备的热负荷，若要使激光电源和光学部件达到更高的效率和性能，采用工业激光冷却解决方案则更加必要和更为重要。为了能够以更紧凑的外形满足所需的冷却能力，热管理解决方案必须具有较高性能系数 （COP），以便使系统冷到却远低于环境的温度。系统产生的废热必须得到有效管理和消散，以提高激光性能，同时降低功耗，并提供更安静的运行（产生更低的噪音和振动）。

具备较高噪音和振动的机器设备会造成不舒适，甚至是危险的工作环境，设备冷却系统在制造车间的噪音分贝控制中可发挥重要作用。新的工业激光系统需要安静运行的热管理解决方案。在激光系统需要改装冷却装置时，噪声也是一个重要考虑因素。

许多国家的政府机构已经制定了相应法律和法规，要求OEM逐步淘汰传统使用的能够破坏臭氧层、并导致全球变暖的制冷剂。以往的压缩机冷却系统使用对环境有害的R134a 和 R404A等HFC制冷剂，现代压缩机系统则使用各种天然制冷剂，包括R744（二氧化碳）、R717（氨）、R290（丙烷）、R600a（Iso-丁烷）和R1270（丙烯）等。虽然这些天然制冷剂对环境来说比较友好，但它们也有包括易燃性等自身问题。

## 冷却技术比较

传统上工业激光系统采用带压缩机的制冷系统，它能够提供高性能系数。例如，如果需要冷却 3 kW 的热负荷，带压缩机的标准冷却系统通常需要大约 1kW 的供电即可提供适当的冷却，与传统热电制冷技术相比，这种冷却方式效率更高。

带压缩机的系统所需能源较少，因此也往往比液体-空气热交换器等替代技术体积更小。另一方面，热电设备虽然体积较小，但效率较低。此外，液体-空气热交换器不能像压缩机和热电系统一样，将设备冷却到环境温度以下。

用于冷却整个建筑的中央冷却系统设施也可用于冷却工业激光系统，但是，这种方式不能保证恒定的温度和流速。另外，使用大型中央冷却控制系统也难以满足所有工业冷却要求。

## Laird Thermal Systems解决方案

Laird Thermal Systems 的 Nextreme 循环冷水机组平台能够为工业激光应用提供可靠、精确的温度控制。与传统带压缩机的系统相比，Nextreme利用高性能变频电机，能够实现低噪音运行，同时降低高达50%的能耗。Nextreme 冷水机采用环保 的R513A 制冷剂，与传统HFC制冷剂相比，在提供同等性能时，其所产生的全球变暖潜能值 （GWP） 仅为一半。

在温度稳定性方面，冷水机组平台的精度为±0.1°C，设备通过加热和冷却流体以保持设定的温度，这提供了非常高的灵活性。工业激光系统能够极大地受益于精确的温度控制，确保激光电源和激光光学部件的最佳性能。Nextreme Chiller 平台采用 LCD 触控显示屏，在设计的各个方面体现了对最终用户的考虑，允许用户控制温度设定点、冷却液类型、流量和报警设置，同时冷却液液位可通过前面板指示器窗口轻松监控。

为了达到最长工作时间，Nextreme Chiller 具有可选的"热插拔"5 微米水滤清器，用于过滤冷却液回路中的颗粒，这意味着在维护期间无需关断设备。光学液位传感器无需使用移动部件，与使用机械浮子开关的冷水机组相比能够提高可靠性并延长正常运行时间。当液位低于可接受的操作条件时，可编程警报会提醒用户。为了防止在高压条件下运行而损坏设备，冷水机组可感测供应液压力，并在超过低压或高压限制时提醒用户。

Nextreme Chiller 系列有1600W、2800W 和 4900W等三种标准型号，所有这些型号都可以通过配置来满足特定应用的要求。.

**Nextreme冷水机**

![Nextreme冷水机](/sites/default/files/inline-images/NRC-family-image-_0.jpg)

Nextreme™ 循环冷却器有两种选择：性能和价值。性能冷却器配备优质组件，有三种标准版本：1600、2400 和 4900 瓦特。基于性能冷却器系列的设计，价值系列提供了与性能系列相同的易用性、高可靠性和低维护特性，但通过材料（黄铜代替不锈钢）、更简单的组件（单速压缩机代替可变速压缩机）和不同的控制系统（开关代替传感器）降低了成本。Nextreme 价值冷却器系列有三个标准型号，分别为 1200、2400 和 4500 瓦特。所有这些型号都可以配置以满足特定的应用需求。 NRC400/1200/2400/5000 不附带电源线，必须单独订购。请查看各个数据表以获取特定型号的电源线选项。

## 结论

由于功率密度持续提高，而外形尺寸不断缩小，为工业激光系统提供合适的冷却方案具有越来越大的挑战。然而，今天的压缩机已经比十年前更加高效。紧凑型冷水机组系统可提供更高的性能系数，实现更高效率和更低功耗，从而能够最大限度地提高工业激光系统的正常工作时间，并优化系统性能。与以前的版本相比，多功能 Nextreme 循环冷水机组平台能够通过更小尺寸、更轻重量来提供安静的运行。与基于空气热交换器和热电设备相比，冷水机组平台具有更高的效率和可靠性，这使得激光器能够更好地聚焦，实现更高性能，确保更精确地进行切割、焊接、微加工、钻孔等操作。

欲了解有关 Nextreme 冷却机组平台的更多信息，请访问 [lairdthermal.com/nextreme-chiller](/cn/products/liquid-cooling-systems/nextreme-recirculating-chillers)

![Industrial-Laser-Nextreme-Chiller](/sites/default/files/2021-06/Industrial-Laser-Nextreme-Performance-Series_0.png)

**Download PDF:**

[工业激光器循环制冷系统

 ](/sites/default/files/ckfinder/files/resources/Application-Notes/Recirculating-Chillers-Industrial-Lasers/Nextreme-Chiller-Industrial-Lasers-cn.pdf)

#### Applications

#### Product Section

[Liquid Cooling Systems](/products/liquid-cooling-systems)

**Original URL:** https://tark-solutions.com/cn/thermal-technical-library/application-notes/recirculating-chillers-industrial-lasers