Flüssigkeitskühlung und die zwingende Notwendigkeit chemischer Kompatibilität

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Die Leistungsstärke in elektronischen Systemen steigt weiter an, womit auch die Nachfrage nach extremer Kühlleistung - einer, die Flüssigkeitskühlung zwingend erfordert – zunimmt. Jetzt untersuchen Systementwickler und Anwender von Flüssigkühlung mehr denn je innovative Werkstoffkombinationen, wie z.B. moderne Kunststoffe, spezielle Elastomere, Metalllegierungen und technisch relevante Flüssigkeiten, um Effizienz, Nachhaltigkeit und Zuverlässigkeit des Thermal Managements zu optimieren.

Ganz gleich, ob es sich um den Entwurf eines geschlossenen Kühlsystems, eines Ein- oder Zweiphasen-Immersionssystems oder eines Direct-to-Chip Kühlsystems handelt, die Kompatibilität von Komponentenwerkstoffen ist für die Leistung entscheidend. Dieser technische Leitfaden enthält allgemeine Hinweise für die Auswahl der richtigen Zusammensetzung Ihrer Flüssigkühlung.

Bei der Auswahl von Komponenten sollte immer ein ganzheitlicher Denkansatz Vorrang haben

Eine Vielzahl von Subsystemen und Komponenten bildet das Grundgerüst, das für den erfolgreichen und zuverlässigen Betrieb jedes Kühlsystems entscheidend ist.

Jede Systemkomponente hat das Potenzial mit anderen Komponentenwerkstoffen zu reagieren. Daher erfordern die Wechselwirkungen und Abhängigkeiten von Werkstoffen während der Entwicklung und Spezifikation eine detaillierte Analyse.

Kühlmittel sind von besonderem Interesse, nicht nur als primäres System der Wärmeübertragung, sondern weil sie in Kontakt mit allen medienberührenden Werkstoffen innerhalb eines bestimmten Kühlsystems kommen und im Wesentlichen alle Komponenten „verbinden“. Einige Flüssigkeiten können bei Kontakt mit bestimmten Werkstoffen Korrosion oder Biofouling begünstigen, was zu einer Beeinträchtigung oder zu einem Ausfall des Kühlsystems führen kann. Daher ist es wichtig zu verstehen, um welche Werkstoffe es sich handelt und welche Wechselwirkungen sie haben könnten. Insbesondere bei der Beurteilung der chemischen Kompatibilität und der potenziellen Permeations- oder Diffusionsverluste müssen kritische Verbindungspunkte – wie z.B. Schlauchverbindungen, Verteileranschlüsse und Schnellkupplungen – identifiziert und auf Zuverlässigkeits- und Leistungsrisiken hin untersucht werden.

Insgesamt sollten Sie bei der Materialauswahl ganzheitlich denken. Berücksichtigen Sie alle Systemkomponenten und mögliche Auswirkungen der Arbeitsumgebung, der Betriebstemperatur und des -drucks, des Mediums und der mechanischen Belastung, die sich negativ auf die Leistung auswirken können.

In diesem Leitfaden werden Kühlmittel erwähnt, die häufig in Flüssigkeitskühlanwendungen eingesetzt werden; zudem erhalten Sie einen Überblick über die Konstruktionswerkstoffe. Abschließend werden wir Ihnen Hinweise zur potenziellen Verträglichkeit dieser Flüssigkeiten und Materialien geben, wenn diese zusammen verwendet werden.

Download des Technischen Leitfadens (PDF-Datei) mit Angaben über Material- und Kühlmittelkompatibilität

Erschließen von Kühlmittelalternativen

Offensichtlich steht die Auswahl eines Kühlmittels beim Entwurf eines Flüssigkeitskühlsystems im Fokus. Aus Kompatibilitätsgründen ist es wichtig zu erkennen, dass die Flüssigkeit praktisch jede Komponente verbindet, während sie durch das Flüssigkeitskühlsystem zirkuliert. Mit der Tabelle des technischen Leitfadens erhalten Sie einen kurzen Überblick über eine Reihe von Flüssigkeiten, die typischerweise zur Kühlung von Elektronik verwendet werden.

Sehen Sie sich zunächst die Betriebs- und Lagertemperaturen an. Bestimmen Sie Flüssigkeiten, die mit ihren Eigenschaften für Ihre Anwendungsumgebung geeignet sind, ob z. B. auch ihr Siedepunkt die erforderliche thermische Belastung und Wärmeeffizienz erfüllt, ohne den kritischen Wärmefluss zu überschreiten. Prüfen Sie während Lagerung und Transport die Niedrigtemperatureigenschaften, wie auch die Umwelteinflüsse, insbesondere mit technisch ausgereiften Dielektrika wie Fluorchemikalien sowie Kältemitteln. Es ist oftmals notwendig, die Umweltauswirkungen der Flüssigkeit während des gesamten Lebenszyklus zu verstehen, so z. B. wie sie hergestellt wird und wie ihre möglichen Auswirkungen während des Betriebs sind. Dazu gehört auch das Eindringen in die Anlage oder Atmosphäre und die Berücksichtigung der Anforderungen an die Rückgewinnung von Flüssigkeiten am Ende ihres Lebenszyklus.

Kühlmittel

Kühlmittel - Flüssigkeiten, die häufig in der Elektronikkühlung verwendet werden
Wasser	Ausgezeichnete Wärmeübertragung, niedrige Viskosität, nicht entflammbar und preisgünstig. Relativ eingeschränkter Betriebsbereich; problematisch nahe dem Gefrier- oder Siedepunkt. Empfindlich für biologisches Fouling (Belagsbildung), das die Wärmeübertragung hemmt. Kann Verunreinigungen und einhergehende Korrosion bedeuten; die Entionisierung kann anfänglich reduziert werden, obwohl Verunreinigungen im Laufe der Zeit durch medienberührende Oberflächen entstehen können.
Ethylenglykol (EG)	Kontrolliert biologisches Wachstum, senkt den Gefrierpunkt und erhöht den Siedepunkt bei Verwendung mit Wasser, bei einer Konzentration von 10% bis 90% EG. Preisgünstiger als Kühlmittel oder Dielektrika. Wasser kann dennoch Korrosion fördern und das Kühlmittel im Laufe der Zeit zersetzen. Sehr giftig, erfordert sorgfältige Handhabung.
Propylenglykol (PG)	Kontrolliert biologisches Wachstum bei Verwendung mit Wasser, bei einer Konzentration von 10% bis 90 % PG. Preisgünstiger als Kühlmittel und Dielektrika. Geringere Wärmeleitfähigkeit und höhere Viskosität als EG. Wasser kann dennoch Korrosion fördern und das Kühlmittel im Laufe der Zeit zersetzen. Geringere Toxizität ermöglicht einfachere Handhabung und Entsorgung.
Mineralöl	Geruchlos, nicht toxisch und chemisch träge. Kein Verdampfen, keine Volatilität. Ermöglicht Tauchanwendungen. Mögliche Unverträglichkeit mit Kupfer oder einigen anderen Elastomeren.
Kühlmittel	Leicht und mit ausgezeichneten Wärmeleiteigenschaften. Unverträglich mit einigen Kunststoffen und Elastomeren. Teurer als Wasser, EG, PG oder Mineralöl. Beispiele sind R-1234yf und R-1336.
Dielektrika	Nicht leitende, technische Flüssigkeiten, die ein vollständiges Eintauchen der Elektronik in einphasige, zweiphasige oder Direct-to-Chip Anwendungen ermöglichen. Niedrige Siedepunkte. Hohe chemische Stabilität. Teurer. Mögliche Unverträglichkeit mit Thermoplasten oder stark plastifizierten Elastomeren.

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl von Flüssigkeiten das Ozonabbau- und das Erderwärmungspotenzial, insbesondere in Bezug auf Kühlmittel und Dielektrika. In den letzten zehn Jahren haben die Richtlinien der Weltgesundheitsorganisation die Bedeutung dieser Parameter verstärkt, was die Entwicklung von umweltfreundlicheren Alternativen, wie 3M Novec^™, HFE-Kühlmitteln und umweltverträglicheren Hydrofluorolefin-Kühlmitteln der vierten Generation wie R-1234 oder R-1336 zur Folge hatte.

Neben der thermischen Stabilität und chemischen Kompatibilität sollte man auch die Toxizität, die Entflammbarkeit und die Reinheitsanforderungen des Kühlmittels, die Umweltbelastung und auch die Kosten berücksichtigen. Und natürlich sollten Sie beim Vergleich der Kühlmitteltypen und -optionen alle Werkstoffe berücksichtigen, mit denen die Flüssigkeit im gesamten System in Kontakt kommen kann.

Größenbestimmung von Konstruktionsmaterialien

Elektronik-Kühlsystemkomponenten bestehen im Allgemeinen aus drei Arten von Polymeren – Standardkunststoffen, technischen Kunststoffen und Elastomeren – und vier Arten von Metalllegierungen – Aluminium, Messing, Kupfer und Edelstahl. Die Tabelle im Leitfaden bietet einen umfassenden Vergleich der Komponentenwerkstoffe eines Flüssigkeitskühlsystems.

Polymerstärken

Polymereinschränkungen

Elastomere

Elastomere können so konstruiert werden, dass sie ein breites Spektrum an Leistungsanforderungen erfüllen. Elastomere sind Polymere, die die Eigenschaft der Viskoelastizität aufweisen – sie sind gummiartig und flexibel - und werden hauptsächlich für den Flüssigkeitstransport verwendet, so bei Komponenten wie Rohren und Schläuchen und bei Dichtungskomponenten, wie O-Ringen und Dichtungen. Um zu verstehen, wie sich Elastomere tendenziell verhalten, können wir uns ansehen, wie sie hergestellt werden.

Die Vulkanisierung oder der Aushärtungsprozess erzeugt permanente Querverbindungen in langen Polymerketten von Elastomeren. Diese Ketten stellen sicher, dass bei Be- und Entlastung die Elastomerkomponente in ihre ursprüngliche Position zurückkehrt. So wird ein Elastomer beispielsweise als O-Ring in einer Schnellkupplung weiterhin dicht bleiben.

Auf höchster Sicherheitsstufe erfordert die Spezifikation von Elastomeren für die Verwendung in Flüssigkeitskühlungsanwendungen eine detaillierte Analyse und Bewertung des ausgewählten Kühlmittels, um Verträglichkeit und langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Für Diskussionszwecke können einige gängige Materialkombinationen, die in diesen Anwendungen auftreten können,.....

Download des Technischen Leitfadens mit Angaben über Material- und Kühlmittelkompatibilität

......als hydriertes Nitril, Ehtylen-Propylen oder EPDM und Chloropren identifiziert werden. HNBR hat eine hervorragende chemische Beständigkeit, ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, einschließlich Zugfestigkeit für einen breiten Temperaturbereich und kann für ausgezeichnete Beständigkeit in Hochdruckanwendungen hergestellt werden. EPDM weist ausgezeichnete Heißwasser- und Dampfbeständigkeit auf. Es ist jedoch weniger widerstandsfähig gegen Kohlenwasserstoffe; daher ist es nicht wirklich gut für jede Kältemittelanwendung geeignet.

Chloropren – allgemein als Neopren bekannt – ist sehr beständig gegen viele Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die als Kühlmittel verwendet werden. Es ist kostengünstig, weist jedoch moderate chemische Beständigkeit und begrenzte Temperaturbeständigkeit auf.

Einige zusätzliche Punkte, die man bei der Spezifizierung von Elastomeren beachten muss, sind die Härte (das Durometer), der Wärmewiderstand und die Robustheit, sowohl bei Dauerbelastung als auch bei periodischem Einsatz. Natürlich muss auch die Zusammensetzung berücksichtigt werden, da sie direkt mit der chemischen Kompatibilität zusammen hängt.

Metalllegierungen

Alles in allem konzentriert sich alles auf die Chemische Kompatibilität

Mit einem grundlegenden Verständnis der Flüssigkeiten, Kunststoffe und Metalle, die in einer bestimmten Flüssigkeitskühlung angewendet werden, kann die chemische Kompatibilität von Systemkomponenten auf der Grundlage ihrer Zusammensetzung bewertet werden, um einen zuverlässigen, langfristigen Betrieb zu gewährleisten.

Während Polymere und Metalle in jeder beliebigen Kombination wirksam sein können, ist es wichtig, medienberührende Konstruktionswerkstoffe von Strukturwerkstoffen zu unterscheiden.......

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