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Entwurf einer Kühlschleife für ein Hochleistungssystem

Fluessigkuehlschleife
Abbildung 1 – Eine Flüssigkühlschleife umfasst normallerweise eine Kühlplatte, Tank Pumpe, Wärmetauscher sowie ein Rohrsystem oder Schläuche.

Die Komplexität von eingebetteten Systemen nimmt immer weiter zu, da sie eine immer grössere Anzahl von Sensoren und Signalen verarbeiten und analysieren müssen. Die Folge dieser zusätzlichen Rechenleistung ist häufig eine höhere und konzentriertere Verlustleistung der elektronischen Komponenten. Da diese übermässige Wärme die Zuverlässigkeit des Systems gefährdet, reicht die herkömmliche Luftkühlung für viele Anwendung nicht mehr aus. Viele Ingenieure kehren deshalb zur Flüssigkühlung zurück, um die Verlustleistungen effektiv abzuführen.

Die mit flüssiggekühlten Systemen verbundene Komplexität kann einschüchternd auf diejenigen wirken, die sich zum ersten Mal mit diesen Technologien auseinandersetzen müssen. Obwohl sich die Auswahl von einzelnen, thermischen Komponenten relativ einfach gestaltet, gibt es viele Gesichtspunkte und Nuancen, die leicht übersehen werden können. Sie umfassen Materialkompatibiltät, Korrosionschutz, Kondensationskontrolle, Aufstellungsposition des Kühlsystems, die Verwendung von Standardprodukten vs. kundenspezifischen Komponenten, Verbindungen, Anschlussstücke sowie Wartung und Service.

Ein Flüssigkühlsystem besteht typischerweise aus einer Kühlplatte, einer Pumpe, einem Wärmetauscher  sowie einem Rohr- oder Schlauchsystem (siehe Abbildung 1). Die Platine generiert überschüssige Wärme, die auf die thermisch leitfähige Platte transferiert wird und anschliessend in die, in der Kühlplatte fliessende, Kühlflüssigkeit übergeht. Normalerweise entspricht die Bahn der Kühlflüssigkeit den Hot Spots der Platine. Die aufgeheizte Kühlflüssigkeit wird anschliessend durch den Wärmetauscher gepumpt, der die gespeicherte Verlustleistung an die Umgebungsluft, oder, im Fall eines Plattenwärmetauschers, an eine andere Kühlflüssigkeit abgibt. Die abgekühlte Kühlflüssigkeit fliesst im Anschluss durch das Rohr- oder Schlauchsystem zurück zur Kühlplatte, was den Kühlkreislauf schliesst. Unter normalen Betriebsbedinungen fliesst die Flüssigkeit kontinuierlich durch das Kühlsystem und hält die Platine ständig auf dem gewünschten Temperaturniveau.

Materialkompatibilität

Da alle eingesetzten Materialien und die Kühlflüssigkeit in der Flüssigkühlschleife als System zusammenarbeiten sollen, müssen sie miteinander kompatibel sein und gemeinsam ausgewählt werden. Kupfer eignet sich für die meisten Anwendungen, da es eine exzellente thermische Leitfähigkeit besitzt und kompatibel mit den gängigsten Flüssigkeiten ist. Aluminium ist kompatibel mit Flüssigkeiten wie zum Beispiel Polyalphaolefin (PAO), Öl, Ethylene-Glykol-Wasser Gemischen sowie FluorinertTM. FluorinertTM ist eine elektrisch isolierende Inert- Perfluorocarbon Flüssigkeit, welche von 3M hergestellt und in vielen elektronischen Kühlanwendungen eingesetzt wird. Edelstahl ist kompatibel mit den meisten Flüssigkeiten, einschliesslich korrosiven Flüssigkeiten wie zum Beispiel entionisiertes Wasser. Die unterschiedlichen Flüssigkeiten sind kompatibel mit verschiedenen, serienmässigen Kühlplatten- und Wärmetauschermaterialien (Siehe Abbildung 2).

 Eignung von Materialien,
Kühlflüssigkeiten und
Technologien
Wasser Ethylene Glycol
Wasser
Entionisertes Wasser Öl Deelektrische Flüssigkeiten (FluorinertTM) Polyalphaolefin (PAO)
Kupferröhren x x        
Edelstahlröhren x x x      
Flachröhren oder Lamelen aus Aluminium   x   x x x
Flachröhren, geätzte und hartgelöete Kühlplatten aus Kupfer x x   x x x
Hartgelotete Kühlplatten aus Nickel     x  

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Abbildung 2 – Unterschiedliche Flüssigkeiten sind kompatibel mit einer Anzahl 
von serienmässigen Kühlplatten- und Wärmetauschermaterialien.

Die meisten Kühlflüssigkeiten benötigen einen niedrigen Anteil an Zusätzen, um Korrosion vorzubeugen und die Pumpe zu „schmieren”. Allerdings kann die Effektivität eines Korrosionsschutzes durch den Einsatz von inkompatiblen Materialien im System eingestellt werden. Daher muss der Materialeinsatz ebenfalls abgewägt werden. Je nach eingesetztem Kühlmittel können zusätzlich Biozide, Algizide und PH regulierende Mittel das System instandhalten.

Korrosionschutz

Korrosion kann auf verschiedene Weise zu Problemen führen. Neben der Materialkorrosion, die zu Lackagen führen kann, kann korrodiertes Material an anderen Stellen im System zu Blockagen von Flüssigkeitspassagen und Filtern führen. Das kann den Druckabfall erhöhen und somit den Durchfluss reduzieren. Ferner können Ablagerungen auf aktiven Wärmetransferoberflächen einen zusätzlichen thermischen Widerstand verursachen, der die Temperatur ansteigen lässt.

Sowohl galvanische Korrosion als auch Erosionskorrosion müssen in einer Kühlschleife minimiert werden. Galvanische Korrosion tritt auf, wenn verschiedene Metalle einen elektrischen Kontakt in der Gegenwart eines Elektrolyts, z.B. einer leitfähigen Flüssigkeit, haben. Die meisten auf Wasser basierenden Flüssigkeiten sind zu einem gewissen Grad elektrotytisch.  Um galvanischer Korrosion vorzubeugen, sollte die gesamte Kühlschleife mit ähnlichen Materialen ausgestattet sein. Idealerweise sollte das gleiche Metall im ganzen System eingesetzt werden. Alternativ kann eine nicht leitfähige Kühlflüssigkeit eingesetzt werden.
Das galvanische Potential von sämtlichen Materialien im System sollte vorsichtig gegeneinander abgewägt werden. Das schliesst nicht nur die primären thermischen Komponenten ein, sondern auch alle Verbindungen, Anschlussstücke, Ventile und Kontaktstellen im Flüssigkeitsweg.

Erosionskorrosion ist die Beschleunigung der Korrosionsrate eines Metall aufgrund der relativen Bewegung einer Flüssigkeit über eine Metalloberfläche. Es tritt häufig in Rohrbögen, Rohrengstellen und anderen Strukturen auf, die die Flussrichtung oder –geschwindigkeit beeinflussen. Erosionskorrosion ist verbreitet in weichen Metalllegierungen, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium. Methoden zur Minimierung von Erosionskorrosion schliessen die Winkelvergrösserung von Rohrbögen, die schrittweise (und nicht abrupte) Vergrösserung des Rohrdurchmessers und die Verbesserung der Flüssigkeitswege durch Entgratung, d.h. das Abschleifen von Unregelmässigkeiten, ein. Andere Methoden sind die Verringerung des Anteils am gelösten Sauerstoff, Regelierung des pH Wertes und den Wechsel des Rohrmaterials zu einem anderen Metall oder einer anderen Legierung. (Bitte finden Sie nähere Informationen zu diesen Themen in Lytrons Anwendungshinweisen “Erosionskorrosion in Kühlsystemen ” und “ Vermeidung von galvanischer Korrosion “.)

Kondensation

Neben der Minimierung des Korrosionsrisikos sollte man sich der Vermeidung von Kondensation annehmen. Einer der Risiken beim Einsatz von Kühlmitteln unterhalb der Raumtemperatur ist die Bildung von Kondensation auf kalten Oberflächen. Die Kondensation kann auf elektronische Komponenten tropfen oder sich am Boden des Systems sammeln und Korrosion verursachen. Um Kondensation verzubeugen können die Oberflächen, die oberhalb des Taupunktes betrieben werden, isoliert oder mit höheren Kühlflüssigkeitstemperaturen betrieben werden.

Leckagen und Kondensation sind in optimal entwickelten und betriebenen Kühlsystemen eher unwahrscheinlich. Allerdings kann man zusätzlich den Effekt von jeglichen potentiellen Lackagen reduzieren, indem man den Tank und die Kühlschleife unterhalb der Elektronik anbringt. Somit tropfen oder spritzen Leckagen oder Kondensation nicht auf die Elektronik, was zu Kurzschlüssen führen könnte. Eine andere Option ist die Installation eines Flüssigkeitsschutzes oder einer Barriere über den Hochspannungskomponenten des elektrischen Systems.

Beim Design einer Kühlschleife gibt es im Vorfeld die Auswahlmöglichkeit von Standard- oder kundenspezischen Komponenten. Beide haben sowohl Vor- als auch Nachteile. Standardprodukte sind einerseits jederzeit verfügbar, wenn Ersatz benötigt wird. Kundenspezifische Komponenten sind andererseits hinsichtlich der Bauform, der Leistung und der Spezifikation des zu kühlenden Bauteils, optimiert. Sie können allerdings auch mit längeren Lieferzeiten und höheren Kosten verbunden sein.

Nahtstellen, Anschlussstücke und Steckverbindungen

Die Anzahl der Verbindungsstellen in einer Kühlplatte oder einem Wärmetauscher ist wichtig. Je höher die Zahl der gelöteten Nahtstellen, desto höher das Risiko von Leckagen. Es ist äusserst wichtig, dass der Lieferant solcher Komponenten über hochqualifizierte Lötprozesse verfügt, sicherstellt, dass die richtigen Testprozeduren verfolgt werden und unnötige Verbindungen vermeidet.

Abbildung 3 – Eine Aluminiumkühlplatte mit einer goldfarbenen, chemischen Konversationsbeschichung
und kundenspezifischer Oberflächentopographie zur Kühlung einer Platine.

Um Leckagen zu vermeiden, muss ferner sichergestellt werden, dass das richtige Anschlusstück ausgewählt und korrekt eingesetzt wird. Ein lecksicherer Anschluss kann mit einer Wulst am Rohrende hergestellt werden. Ein Schlauch wird über die Wulst gezogen und mit einer Schlauchschelle befestigt. Ein Rohrsystem ist einem Schlauchsystem vorzuziehen. Allerdings können Schläuche in Umgebungen eingesetzt werden, in denen die Systeme Schock und Vibrationen ausgesetzt sind. Auch können Komponenten mit geraden Rohranschlussstücken ausgestattet werden, die in das System geschweisst oder mit  selbst schliessenden, drehfesten Anschlussstücken versehen werden. Bei einer Schnellverschlusskupplung, die nicht “tropfensicher“, ist müssen sie beim Verschlissen und Öffnen  mit gelegentlichen Tropfen rechnen (Bitte finden Sie nähere Informationen hierzu in Lytron’s Anwendungshinweis, Auswählen einer Schnellverschlusskupplung “). Eine andere Option ist der Einsatz von zuverlässigen Dichtringen, die den Materialspezifikationen der “Society of Automotive Engineers (SAE)” entsprechen oder nach militärischen Spezifikationen hergestellt werden. Diese Verbindungen sind in vielen Materialien und Grössen verfügbar und bieten eine leckfreie Dichtung.

Wartung und Service

Obwohl Wartung und Service wahrscheinlich das letzte ist, woran Ingenieure beim Design eines Flüssigkühlsystems denken, sollte man dennoch diese Überlegungen bereits beim Entwurf mit einbeziehen, um jegliche Probleme bei der Langzeitanwendung zu minimieren.  Verschiedene Fragen sollten gestellt werden. Beispielsweise ob die Pumpe geschmiert werden muss oder ob die Kühlflüssigkeit diese Funktion erfüllen kann? Muss der Tank komplett gefüllt werden? Welche Komponenten sollen im Feld austauchbar sein?  Was ist der zu erwartende Wartungszyklus? Wie hoch sollte die Lebenszeit der Pumpe sein? Wie wird das System im Fall eines Pumpenwechsels befüllt und gestartet? Andere Fragen betreffen die Beteiligung des Endanwenders und was dieser unternehmen muss, um das System wieder in Betrieb zu setzen. Erfordert es den Ausbau der Elektronik mit Kühlplatte oder nur der Elektronik? Können beide einfach ausgebaut und ersetzt werden, indem man eine neue Baugrppe einrasten lässt?  Muss die Kühlplatte befüllt geliefert werden, um den problemlosen Austausch zu gewährleisten? Falls ja, kann das Gefrieren Bedenken auslösen, da die Komponenten im Falle von Luftfracht sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden. Diese Gesichtspunkte sollten sowohl vom Entwicklungsteam als auch von den Mitarbeitern der Ablaufplanung und des Service in Betracht gezogen werden. Wenn Sie alle betroffenen Funktionsbereiche mit einbeziehen, können sie einen reibungslosen Betrieb des Systems in der Zukunft sichern.

Materialkompatibilität, Schutz vor Korrosion, Kondensationskontrolle, Anordnung der Kühlschleife im System, Standardprodukte vs. kundenspezifische Komponenten, Nahtstellen, Anschlussstücke, Verbindungen, Schläuche sowie die Anforderungen an Wartung und Service müssen beim Design eines serienmässigen oder kundenspezifischen Flüssigkühlsystems betrachtet werden. Ein flüssiggekühltes Kühlsystem kann Ihnen eine effektive Abfuhr der Verlustleistung bei einem geringen Risiko bieten, wenn es richtig in das System integriert wird. Heute kühlen bereits tausende Kühlplatten und Wärmetauscher Elektronik in einigen der anspruchvollsten Anwendungen in der Hochtechnologie.  

Erschienen im RTC Magazin, Juli 2006