Die besten Wärmeübertragungsflüssigkeiten für die Flüssigkeitskühlung

Once you’ve determined liquid cooling is the solution, do you know what heat transfer fluid to use? One of the most important factors when choosing a liquid cooling technology for your application is the compatibility of the heat transfer fluid with the wetted surfaces of the cooling components (like liquid cold plates or heat exchangers) or system and your application. Die Kompatibilität der Wärmeübertragungsflüssigkeit ist entscheidend für die Gewährleistung der langfristigen Zuverlässigkeit des Systems. Einige andere Anforderungen an eine Wärmeübertragungsflüssigkeit können hohe Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärme, niedrige Viskosität, niedriger Gefrierpunkt, hoher Flammpunkt, geringe Korrosivität, geringe Toxizität und thermische Stabilität 1 beinhalten. Basierend auf diesen Kriterien sind die heute am häufigsten verwendeten Kühlmittel für Flüssigkeitskühlanwendungen:

• Wasser
• Entonisiertes Wasser
• Inhibierte Glykol- und Wasserlösungen
• Dielektrische Flüssigkeiten

Durch die Auswahl einer kompatiblen Paarung von Wärmeübertragungsflüssigkeit und benetzten Materialien minimieren Sie das Korrosionsrisiko und optimieren die thermische Leistung. Kupfer ist kompatibel mit Wasser und Glykol-/Wasserlösungen und Aluminium ist kompatibel mit Glykol-/Wasserlösungen, dielektrischen Flüssigkeiten und Ölen. Bei einer Verwendung von entionisiertem Wasser oder anderen korrosiven Flüssigkeiten wird jedoch im Allgemeinen rostfreier Stahl empfohlen, da er korrosionsbeständiger ist als andere Metalle. (Siehe Tabelle 1.) Die meisten Kühlsysteme sind mit Wasser oder Glykol-/Wasserlösungen kompatibel, erfordern jedoch spezielle Leitungen für die Kompatibilität mit entionisiertem Wasser oder einer dielektrischen Flüssigkeit wie z. B. Polyalphaolefin (PAO).

Tabelle 1

Wasser ist aufgrund seiner hohen Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit eine der besten Optionen für Flüssigkeitskühlungsanwendungen. Es ist auch mit Kupfer kompatibel, das eines der besten Wärmeübertragungsmaterialien für Ihren Flüssigkeitspfad ist. Wasser für Flüssigkeitskühlung kommt aus verschiedenen Quellen. Leitungswasser zum Beispiel kommt aus einer öffentlichen Wasseraufbereitungsanlage oder einem Brunnen. Der Vorteil der Nutzung von Werks- oder Leitungswasser besteht darin, dass es leicht verfügbar und kostengünstig ist. Bei Betriebs- oder Leitungswasser ist es wichtig zu beachten, dass es wahrscheinlich unbehandelt ist und daher wahrscheinlich Verunreinigungen enthält. Diese Verunreinigungen könnten zu Korrosion im Flüssigkeitskühlkreislauf führen und/oder Flüssigkeitskanäle verstopfen. Daher wird die Verwendung von Wasser guter Qualität empfohlen, um die Korrosion zu minimieren und die thermische Leistung zu optimieren.

Die Fähigkeit von Wasser, Metall zu korrodieren, kann je nach seiner chemischen Zusammensetzung erheblich variieren. Chlorid zum Beispiel ist häufig in Leitungswasser enthalten und kann korrosiv sein. Betriebs- oder Leitungswasser sollte in Flüssigkeitskühlkreisläufen nicht verwendet werden, wenn es mehr als 25 ppm Chlorid enthält. Der Kalzium- und Magnesiumgehalt im Wasser muss ebenfalls berücksichtigt werden, da Kalzium und Magnesium auf Metalloberflächen Kesselstein bilden und die thermische Leistung der Bauteile verringern können. (Siehe Tabelle 2.)

Tabelle 2

Wenn Sie feststellen, dass Ihr Betriebs- oder Leitungswasser einen hohen Prozentsatz an Mineralien, Salzen oder anderen Unreinheiten enthält, können Sie das Wasser entweder filtern oder sich für den Kauf von gefiltertem oder entonisiertem Wasser entscheiden. Wenn Ihr Betriebs- oder Leitungswasser relativ rein ist und die empfohlenen Grenzwerte erfüllt, wird im Allgemeinen immer noch empfohlen, als zusätzlichen Schutz ein Korrosionsschutzmittel hinzuzufügen. Phosphat ist ein wirksames Korrosionsschutzmittel für rostfreien Stahl und die meisten Aluminiumkomponenten. Es ist auch für die pH-Kontrolle wirksam. Ein Nachteil von Phosphat ist jedoch, dass es mit Kalzium in hartem Wasser ausfällt. Für Kupfer und Messing ist Tolyltriazol ein gängiges und hochwirksames Korrosionsschutzmittel. Für Aluminium bieten organische Säuren wie 2-Ethylhexansäure oder Sebacinsäure Schutz.

Entonisiertes Wasser ist Wasser, dessen Ionen entfernt wurden, einschließlich Natrium, Kalzium, Eisen, Kupfer, Chlorid und Bromid. Der Entionisierungsprozess entfernt schädliche Mineralien, Salze und andere Verschmutzungen, die Korrosion oder Kesselsteinbildung verursachen können. Verglichen mit Leitungswasser und den meisten Flüssigkeiten hat entonisiertes Wasser eine hohe Widerstandsfähigkeit. Entionisiertes Wasser ist ein hervorragender Isolator, weshalb es bei der Fertigung elektrischer Bauteile verwendet wird, bei denen Teile elektrisch isoliert werden müssen. Mit zunehmendem Widerstand des Wassers nimmt jedoch auch seine Korrosivität zu. Entionisiertes Wasser hat einen pH-Wert von etwa 7,0, wird aber schnell sauer, wenn es der Luft ausgesetzt wird. Das Kohlendioxid in der Luft löst sich im Wasser auf, wobei Ionen eingeführt werden und ein saurer pH-Wert von etwa 5,0 entsteht. Bei Verwendung von nahezu reinem Wasser ist die Verwendung eines Korrosionsschutzmittels erforderlich. Bei der Verwendung von entionisiertem Wasser in einem Umlaufkühler ist eine spezielle, hochreine Rohrleitung erforderlich. Die Fassungen sollten vernickelt und die Verdampfer vernickelt und gelötet sein. When using deionized water in cold plates or heat exchangers, stainless steel tubing is recommended.

The two types of glycol most commonly used for liquid cooling applications are ethylene glycol and water (EGW) and propylene glycol and water (PGW) solutions. Ethylenglykol hat wünschenswerte thermische Eigenschaften, einschließlich eines hohen Siedepunkts, eines niedrigen Gefrierpunkts, einer Stabilität über einen großen Temperaturbereich und einer hohen spezifischen Wärme- und Wärmeleitfähigkeit. Außerdem hat es eine niedrige Viskosität und damit reduzierte Pumpanforderungen. Obwohl EGW wünschenswertere physikalische Eigenschaften besitzt als PGW, wird PGW in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Toxizität ein Problem darstellen könnte. PGW ist allgemein als sicher für den Einsatz in der Lebensmittel- oder lebensmittelverarbeitenden Industrie anerkannt und kann auch in geschlossenen Räumen³ verwendet werden.

Auch wenn die Wärmeleitfähigkeit von EGW nicht so hoch wie die von Wasser ist, bietet es einen Frostschutz, der während des Gebrauchs oder des Transports von Vorteil sein kann. Tatsächlich ist Ethylenglykol die Chemikalie, die in Kfz-Frostschutzmitteln verwendet wird. However, automotive glycol should not be used in a cooling system or heat exchanger because it contains silicate-based rust inhibitors. Diese Hemmstoffe können gelieren und faulen, wodurch die Wärmetauscheroberflächen überzogen werden und sich ihr Wirkungsgrad verringert. Silicates have also been shown to significantly reduce the lifespan of pump seals. While the wrong inhibitors can cause significant problems, the right inhibitors can prevent corrosion and significantly prolong the life of a liquid cooling loop. Inhibierte Glykole können von Unternehmen wie Dynalene, Houghton Chemical oder der Dow Chemical Company erworben werden und werden gegenüber nicht inhibierten Glykolen dringend empfohlen.

Wenn die Konzentration von Glykol in der Lösung steigt, nimmt die thermische Leistung der Wärmeübertragungsflüssigkeit ab. Am besten sollte die kleinstmögliche Konzentration an inhibiertem Glykol verwendet werden, die notwendig ist, um Ihre Anforderungen an den Korrosions- und Frostschutz zu erfüllen. Dow Chemical empfiehlt eine Mindestkonzentration von 25–30 % EGW⁴. Bei dieser Mindestkonzentration dient das Ethylenglykol auch als Bakterizid und Fungizid. Bei Umlaufkühlern führt eine Lösung von 30 % Ethylenglykol nur zu einem Abfall der thermischen Leistung von 3 % gegenüber der alleinigen Verwendung von Wasser, bietet aber sowohl Korrosionsschutz als auch Frostschutz bis -15 °C (5 °F).

Die Qualität des in der Glykollösung verwendeten Wassers ist ebenfalls wichtig. Das Wasser sollte die in Tabelle 2 angegebenen Grenzwerte erreichen oder überschreiten, selbst wenn Sie ein inhibiertes Glykol verwenden. Ionen im Wasser können dazu führen, dass der Inhibitor in der Lösung ausfällt, was zu Faulung und Korrosion führt.

While the food industry might be more likely to select PGW over EGW for heat transfer, the power electronics, laser, and semiconductor industries might be more likely to choose dielectric fluids over water. Eine dielektrische Flüssigkeit ist nicht leitfähig und wird daher bei der Arbeit mit empfindlicher Elektronik gegenüber Wasser bevorzugt. Perfluorierte Kohlenstoffe wie die dielektrische Flüssigkeit von 3M, Fluorinert™, sind nicht brennbar, nicht explosiv und über einen großen Betriebstemperaturbereich thermisch stabil. Obwohl entionisiertes Wasser ebenfalls nicht leitfähig ist, ist Fluorinert™ weniger korrosiv als entionisiertes Wasser und kann daher für einige Anwendungen die bessere Wahl sein. Wasser hat jedoch eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 0,59 W/m °C (341 BTU/Stunde/Fuß °F), während Fluorinert™ FC-77 eine Wärmeleitfähigkeit von nur etwa 63 W/m °C (36 BTU/Stunde/Fuß °F) aufweist.⁵ Fluorinert™ ist außerdem viel teurer als entionisiertes Wasser.

PAO is a synthetic hydrocarbon used frequently in military and aerospace applications for its dielectric properties and wide range of operating temperatures. Beispielsweise werden die Feuerleit-Radare der heutigen Düsenjäger mit PAO flüssigkeitsgekühlt. Zum Testen von Kühlplatten und Wärmetauschern, die PAO als Wärmeübertragungsflüssigkeit verwenden, sind auch PAO-kompatible Umlaufkühler erhältlich. PAO hat eine Wärmeleitfähigkeit von 0,14 W/m °C (81 BTU/Stunde/Fuß °F). Obwohl dielektrische Flüssigkeiten also eine risikoarme Flüssigkeitskühlung für Elektronik bieten, haben sie generell eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit als Wasser und die meisten wasserbasierten Lösungen.

Wasser, entionisiertes Wasser, Glykol-/Wasserlösungen und dielektrische Flüssigkeiten wie Fluorkohlenwasserstoffe und PAO sind die am häufigsten in Hochleistungs-Flüssigkeitskühlanwendungen verwendeten Wärmeübertragungsflüssigkeiten. Es ist wichtig, eine Wärmeübertragungsflüssigkeit auszuwählen, die mit Ihrem Flüssigkeitspfad kompatibel ist, Korrosionsschutz oder ein minimales Korrosionsrisiko bietet und die spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung erfüllt. Mit der richtigen Chemie kann Ihre Wärmeübertragungsflüssigkeit eine sehr effektive Kühlung für Ihren Flüssigkeitskühlkreislauf bieten. For more information on liquid cooling technologies and the proper working fluid to use in your system, contact Aavid, Thermal Division of Boyd Corporation.

¹ Mohapatra, Satish C., „Ein Überblick über flüssige Kühlmittel für die Elektronikkühlung“, ElectronicsCooling, Mai 2006, S. 22.

² The Dow Chemical Company, „Die Bedeutung der Verwendung von Wasser guter Qualität in Wärmeübertragungsflüssigkeitslösungen“, www.Dow.com, Formular Nr. 180-01396-1099QRP, Oktober 1999.

³ The Dow Chemical Company, „Wie man die richtige Wärmeübertragungsflüssigkeit auswählt“, Process Heating, Januar 2008, Troy, MI, S. 52.

⁴ The Dow Chemical Company, „Konstruktions- und Betriebsanleitung für DOWTHERM SR-1 UND DOWTHERM 4000 Inhibierte Wärmeübertragungsflüssigkeiten auf Ethylenglykolbasis“, www.Dow.com, Formular Nr. 180-1190-0901 AMS, September 2001, S. 6.

⁵ 3M, „3M Fluorinert™ Elektronik-Flüssigkeit FC-77“, wwww.3M.com, 98-0212-2309-8 (HB), Mai 2000, S. 1.