Flüssigkeitskühlung und die zwingende Notwendigkeit chemischer Kompatibilität

Kühlmittel und Komponentenwerkstoffe sowie deren Wechselwirkungen

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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

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
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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