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Wärme-/Kühl-Management

Kühlmittel für Flüssigkeits-Kühlsysteme

15. Dezember 2014, 14:41 Uhr | Von Harald Adelmann

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Einflussgröße elektrochemische Korrosion

Bei der Verwendung von verschiedenen Materialien in einem Kühlkreislauf kann es im Zusammenwirken mit der Kühlflüssigkeit, die als Elektrolyt wirkt, zu einer elektrochemischen Korrosion kommen. Wenn man in diesem Zusammenhang die Werte aus der elektrochemischen Spannungsreihe (Bild 2) zugrunde legt, so erhält man für Aluminium einen Wert von –1,66 V und für Kupfer einen Wert von +0,345 V.

Hätte man beide Materialien in einem Kühlkreislauf, so würde das unedlere Metall, also das Aluminium, als Anode wirken. Bei einem Potenzialunterschied von ca. 2 V würde sich das Aluminium durch die Abgabe von Ionen langsam auflösen und somit zu Korrosion führen. Das Beispiel zeigt, wie wichtig es ist sich im Vorfeld über die Materialzusammensetzung im Zusammenspiel mit den Kühlflüssigkeiten zu informieren. Ein weiterer wichtiger Punkt zu diesem Thema wäre die Erosionskorrosion. Dieses Problem soll aber in einem weiteren Beitrag im Zusammenhang mit der Betrachtung von Strömungen und Strömungsführung erklärt werden.

Kombination verschiedener Werkstoffe

In der Praxis gibt es oft Anwendungen, in denen aus vielerlei Gründen nur Brauchwasser als Kühlmittel zur Verfügung steht. Als weitestgehend korrosionsbeständig bei der Verwendung von Brauchwasser gilt Kupfer als Kühlerwerkstoff. Wirtschaftlich gesehen muss man aber beim Einsatz von reinem Kupfer als Kühlkörpermaterial einige Nachteile in Kauf nehmen.

Abgesehen von der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit von 380 W/mK (Aluminium erreicht nur einen Wert von ca. 200 W/mK ) hat Kupfer einen ca. doppelt so hohen Preis pro kg wie Aluminium und ist obendrein auch noch etwa dreimal so schwer. Das Problem kann aber gelöst werden indem man Aluminium und Kupfer kombiniert.

Mit einer speziellen Methode werden in einem Aluminiumkühlkörper mit stranggepressten oder tieflochgebohrten Kühlkanälen Kupferrohre eingeformt. Bei einer anderen Bauart wird zum Beispiel in eine Aluplatte eine Nut eingefräst und in diese dann eine Kupferrohrschlange eingepresst und mit einer darüber liegenden Aluleiste verschlossen. Durch die Verwendung dieser besonderen Technik wird ein durchgehender Kühlkreislauf aus Kupfer erreicht und der Gewichts- und Kostenvorteil von Aluminium als Basisplattenwerkstoff genützt. Besteht also der gesamte Kühlmittelkreislauf aus Kupfer oder aus Materialien, die im Sinne der der elektrochemischen Spannungsreihe zusammenpassen, so werden Korrosionsprobleme vermieden.

In ganz speziellen Fällen – beispielsweise in der Laser-Industrie – verwendet man als Kühlmittel deionisiertes Wasser ohne Zusätze. Deionisiertes Wasser ist ein sehr aggressives Kühlmedium, das sich mit Ionen aus dem Kupfer oder Aluminium anzureichern versucht und dadurch zu erheblichen Schäden im Kühlkreislauf führen kann. Für diese Anwendungen werden im gesamten Kühlmittelkreislauf Edelstahlrohre statt Kupferrohre verwendet.

Edelstahl ist zwar korrosionsbeständig, hat aber den Nachteil, dass es ein vergleichsweise schlechter Wärmeleiter ist. Der Einsatz ist deshalb nur dann zu empfehlen, wenn es keine andere Lösungsmöglichkeit gibt.
Der nächste Schritt bei der Konstruktion von Flüssigkeitskühlern ist die Auswahl der richtigen Bauart. Welche Bauarten unter den vorgegebenen wirtschaftlichen Rahmenbedingungen sowie dem zur Verfügung stehenden Kühlmittel möglich sind, wird in einem weiteren Beitrag erläutert.