Leitlinien


   für die optimale
Kühlwasserversorgung
   in Laseranlagen
Leitlinien
            Zur Erstellung einer optimalen
                Kühlwasserversorgung
          zur Kühlung von Laser...
Inhaltsverzeichnis




Teil I – Grundlagen ..................................................................................
Teil III – passiv gekühlte Laserdioden............................................. 29

9.  Grundsätzliche Kriterien, die ...
Nitrit ......................................................................................................................
Teil I – Grundlagen

0. Zielstellung

Ziel dieser Leitlinien ist es, die Anforderungen an das Kühlsystem und die
Wasserqua...
werden Elektronen und Löcher über dem pn-Übergang injiziert. Die schmale Zone, in
der diese Inversion erzeugt wird, bezeic...
1 Laserdiodenbarren
2 Wärmesenke (gleichzeitig der p-Kontakt des Diodenlasers)
3 Isolationsbuchsen
4 Deckelblech (gleichze...
Der vertikale Abstand zweier Laserdiodenbarren (pitch) ist abhängig von der Dicke
der verwendeten MKWS. Standard ist ein p...
umgewandelt. Dennoch stellt die anfallende thermische Verlustleistung von ca. 50 %
ein erhebliches Kühlproblem dar.
Die Au...
Passive Wärmesenken bieten dem Anwender ein unkompliziertes Handling und
ermöglichen die Realisierung einfacher Kühlanordn...
In der Mikrokanalebene beträgt die Breite der Kanäle ca. 40 ... 400 μm. Die Höhe
beträgt typischerweise 300 μm. Der optima...
Problem 3:
Bei Einsatz von „normalem“ Wasser (z.B. Trink- oder Nutzwasser) befinden sich u.a.
Chloride im Wasser (ca 200mg...
(d.h. ein Kühlsystem ohne Kühlmittelschleife) die Aufgabe erfüllen. In einem
   solchen System strömt entweder Luft über d...
7. Wählen Sie eine für Ihre Anwendung geeignete Pumpe aus.
   Ein Flüssigkühlsystem wird normalerweise mit einer Drehschie...
Teil II – aktiv gekühlte Laserdioden

6. Grundsätzliche Kriterien, die für einen langfristigen und sicheren
   Betrieb ein...
Bei der Verwendung von deionisiertem Wasser ist jedoch Vorsicht angesagt. Die so
geringe Anzahl an Ionen ist auch dafür ve...
6.3.      Ionenaustauscher
Ionenaustauscher sind Geräte, mit denen im Wasser gelöste Ionen durch andere
Ionen ersetzt werd...
6.4    Ionenaustauscher in der Praxis

Beim Einsatz von Ionenaustauschern in der Praxis ist ihr genereller Nachteil zu
ber...
6.5    Stabilisierung des Kühlkreises durch Vorsättigung der DI-
          Patrone
In Kühlkreisläufen mit ungeregeltem Lei...
6.6    Regeneration von DI-Patronen
Die Ionenaustauscherharze haben eine begrenzte Aufnahmekapazität. Sind sie
gesättigt (...
Diese Wärmeübertragungsanwendungen können aber bei unbehandeltem Wasser
durch Korrosion innerhalb es Systems zu Verringeru...
a) starke Korrosion nach 1000 h bei einem niedrigen Leitwert von 1 µS/cm
           und hohem Sauerstoffgehalt im Wasser.
...
Für eine galvanische Zelle sind 3 Elemente erforderlich:

      zwei elektrochemisch unterschiedliche Metalle,
      ein...
wärmeübertragenden Ölen grundsätzlich erheblich niedriger ist als die von
wasserbasierten Kühlmitteln.

Bei der Kühlung de...
Bei einem Querschnitt ab < 300 x 300µm kann somit schon eine erhöhte Erosion
einsetzen und ist deshalb zu vermeiden.
Gemei...
7.4.1 Korrosionsschutz durch Realisierung eines
                   geschlossenen Kühlwasserkreislaufes
In Analogie zu den ...
Wird nicht oxidiertes Aluminium in reines Wasser getaucht, bildet sich ein weißer
Hydroxidfilm, der mehr oder weniger glei...
Ablagerungen zu rechnen ist. Diese lassen sich aber zum größten Teil durch
       eine Filterung aussondern.
       Die De...
Teil III – passiv gekühlte Laserdioden
        1
9       Grundsätzliche Kriterien, die für einen langfristigen
        und...
Die empfohlenen Durchflussraten sollten sich im Bereich von 1- 2 m/s
       befinden.
       Bei niedrigen Strömungsgeschw...
10.1 Korrosionsursachen- und Einflussfaktoren
Zu den entscheidenden Einflussfaktoren, die eine Korrosion beeinflussen zähl...
10.1.6 Korrosionswirkungen
Durch die verschiedene Korrosionsarten entstehen bei Betrieb mit unbehandelten
Kühlwasser die n...
   Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion
       Die mikrobiologische Korrosion ist ebenso eine lokale Korrosion, die z.B...
11.    Metallurgien in geschlossenen Systemen

Die häufigsten Metalle, die in Kühlkreisen eingesetzt werden, sind Eisen- u...
11.1 Kupfer – Korrosion und Beständigkeit

Kupfer wird auf Grund seiner hervorragenden Wärmeleiteigenschaften bevorzugt in...
11.3 Verzinkter Stahl – Korrosion und Beständigkeit
Da Eisen und Stahl besonders Korrosionsanfällig sind (Rostbildung durc...
   Sehr wichtig ist die Integration einer Filtration bzw. Teilfiltration zur Entfernung
       von:
          - suspendie...
korrosiven Angriffen geschützt werden. Man spricht hierbei von chemischen
Inhibitoren. Man unterscheidet je nach Wirkung z...
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
LeitlinienküHlwasser
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

LeitlinienküHlwasser

8,567

Published on

0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total Views
8,567
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
93
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

LeitlinienküHlwasser

  1. 1. Leitlinien für die optimale Kühlwasserversorgung in Laseranlagen
  2. 2. Leitlinien Zur Erstellung einer optimalen Kühlwasserversorgung zur Kühlung von Laseranlagen, die auf der Basis des Einsatzes von Hochleistungsdiodenlaser (HDL) beruhen. Verfasser: Gunter Lüth Herausgeber: Termotek AG Im Rollfeld 6 76532 Baden-Baden Germany Fon: +49 (0) 7221 9711-0 Fax: +49 (0) 7221 9711-111 E-Mail: info@termotek-ag.com Internet: www.termotek-ag.com
  3. 3. Inhaltsverzeichnis Teil I – Grundlagen .............................................................................................. 5 0. Zielstellung .......................................................................................................... 5 1. Kühlmedium Wasser ........................................................................................... 5 2. Funktionsprinzip einer Laserdiode....................................................................... 5 2.1. Diodenlaserbarren............................................................................................... 6 2.2. Einzelelemente eines Diodenlasers .................................................................... 6 2.3. Diodenlaserstacks ............................................................................................... 7 3. Wärmesenken ..................................................................................................... 8 3.1. Leistungsbilanz.................................................................................................... 8 3.2. Passive Wärmesenken........................................................................................ 9 3.3. Aktive Wärmesenken......................................................................................... 10 4. Anforderungen an aktiv gekühlte Diodenlaser und Stacks ................................ 11 5. Zehn Entscheidungsregeln für die Flüssigkühlung, die der Kühlhersteller und der Laserentwickler gemeinsam überprüfen sollten (3) .............................. 12 Teil II – aktiv gekühlte Laserdioden................................................. 15 6. Grundsätzliche Kriterien, die für einen langfristigen und sicheren Betrieb eines Rückkühler zur Wärmeabfuhr an aktiv gekühlten Laserdiodenbarren, die auf einer (mehreren) MKWS montiert sind, einzuhalten sind....................... 15 6.1. Deionisiertes Wasser......................................................................................... 15 6.2. Welchen Leitwert soll deionisiertes Wasser haben? ......................................... 16 6.3. Ionenaustauscher .............................................................................................. 17 6.4 Ionenaustauscher in der Praxis ......................................................................... 18 6.5 Stabilisierung des Kühlkreises durch Vorsättigung der DI-Patrone .................. 19 6.6 Regeneration von DI-Patronen.......................................................................... 20 6.7 Transport von DI- Patronen ............................................................................... 20 6.8 Beeinflussung der Standzeit der DI-Patrone durch Kohlendioxidaufnahme (CO2)............................................................................ 20 7. Korrosion in Kühlsystemen und deren Vermeidung .......................................... 20 7.1 Chemische Korrosion ........................................................................................ 21 7.2 Elektrochemische Korrosion.............................................................................. 22 7.3 Erosionskorrosion.............................................................................................. 24 7.4 Verringerung der Kupferkorrosion durch Entzug des freien Sauerstoffs im Wasser .............................................................................................................. 25 7.4.1 Korrosionsschutz durch Realisierung eines geschlossenen ............................ Kühlwasserkreislaufes ................................................................................... 26 7.5 Korrosionsschutz bei Kupfer und Aluminium in einem....................................... 26 gemeinsamen Laserkühlkreis............................................................................ 26 8. Beeinflussung des Kühlmediums durch Algen .................................................. 28 Seite 2 von 60
  4. 4. Teil III – passiv gekühlte Laserdioden............................................. 29 9. Grundsätzliche Kriterien, die für einen langfristigen und sicheren Betrieb eines Rückkühlers zur Wärmeabfuhr an passiv gekühlten Laserdiodenbarren einzuhalten sind. ............................................................................................... 29 9.1 Herausforderungen, die bei der Behandlung von passiv gekühlten Lasersystemen beachtet werden müssen ......................................................... 29 10. Korrosion in Kühlsystemen................................................................................ 30 10.1 Korrosionsursachen- und Einflussfaktoren .................................................... 31 11. Metallurgien in geschlossenen Systemen ......................................................... 34 11.1 Kupfer – Korrosion und Beständigkeit............................................................ 35 11.2 Aluminium – Korrosion und Beständigkeit ..................................................... 35 11.3 Verzinkter Stahl – Korrosion und Beständigkeit............................................. 36 12. Physikalische und chemische Behandlung des Wassers in geschlossenen Kühlsystemen.................................................................................................... 36 12.1 Physikalische Behandlungsmethoden ........................................................... 36 12.1.1 Systemreinigung und Passivierung ............................................................ 37 12.2 Chemische Behandlungsmethoden ............................................................... 37 12.2.1 Anodische Inhibitoren................................................................................. 38 12.2.2 Kathodische Inhibitoren.............................................................................. 39 12.2.3 Biozidprogramme ....................................................................................... 40 13. Einsatz und Anwendungen von Inhibitoren in der Praxis................................... 41 14. Frostschutz für inhibierte Kühlflüssigkeiten........................................................ 42 15. Standzeit der Kühlmedien.................................................................................. 43 16. Zusammenfassung der Anforderungen an aktiv und passiv gekühlte Diodenlaser ....................................................................................................... 43 16.1 Aktiv gekühlte Diodenlaser ............................................................................... 44 16.2 Passiv gekühlte Diodenlaser ............................................................................ 45 17. Wer ist Termotek? ............................................................................................. 46 Teil IV - Begriffsbestimmungen ....................................................... 48 Algen ………………………………………………………………………………………..48 Algizid ………………………………………………………………………………………..48 Aluminiumhydroxid ................................................................................................... 48 Aluminiumoxid .......................................................................................................... 48 Basen ………………………………………………………………..………………………49 Biozide ……………………………………………………………………………………..49 Enthärtung………………………………………………………………………………… 49 Enthärtung durch Ionenaustauscher......................................................................... 49 Entkeimung............................................................................................................... 49 Entsalzung................................................................................................................ 50 Filtration …………………………………………………………………………………… 50 Glykole ……………………………………………………………………………………..50 Inhibitor ……………………………………………………………………………………..50 Phosphat ........................................................................................................... 51 Tolyltriazol ......................................................................................................... 51 Silikat................................................................................................................. 51 Seite 3 von 60
  5. 5. Nitrit ................................................................................................................... 51 Propylenglykol ................................................................................................... 51 Kaliumhydroxid .................................................................................................. 51 Chromate........................................................................................................... 51 Molybdat............................................................................................................ 51 PSO (Bernsteinsäure) ....................................................................................... 51 Ionen …………………………………………………………………………………… 52 Anionen ............................................................................................................. 52 Kationen ............................................................................................................ 52 Ionentauscher........................................................................................................... 52 Mischbettionenaustauscher............................................................................... 52 Korrosion .................................................................................................................. 53 Elektrochemische Korrosion.............................................................................. 53 Chemische Korrosion ........................................................................................ 53 Korrosionsschutz ...................................................................................................... 54 Kupfer …………………………………………………………………………………… 54 Leitfähigkeit .............................................................................................................. 55 pH-Wert ………………………………………………………………………………….. 55 Rost …………………………………………………………………………………….. 55 Sauerstoffsättigung................................................................................................... 56 Säure …………………………………………………………………………………… 56 Umkehrosmose ........................................................................................................ 56 UV- Licht................................................................................................................... 56 Wasser …………………………………………………………………………………. 57 Trinkwasser ....................................................................................................... 57 Reinstwasser..................................................................................................... 58 Nutzwasser........................................................................................................ 58 VE-Wasser: (Vollentsalztes Wasser)................................................................. 59 Demineralisiertes Wasser.................................................................................. 59 Destilliertes Wasser........................................................................................... 59 Wasserchemie.......................................................................................................... 59 Wärmesenken .......................................................................................................... 60 Passive Wärmesenken...................................................................................... 60 Aktive Wärmesenken......................................................................................... 60 Quellennachweis (1) Herco Wassertechnik GmbH (2) Allgemeine Nutzerinformation - Jenoptik Laserdiode Jena (3) Zehn Entscheidungsregeln für die Flüssigkühlung, die der Kühlhersteller und der Laserentwickler gemeinsam überprüfen sollten Laser Focus World Juli 2002 (4) Reliability of Water Cooled High Power Diode Laser Modules Verfasser: Georg Treusch u.a. – Spectra Physics (5) Technischer Support: Lytron- galvanic- corrosion (6) Nalco – Kühlwasserseminar, Oktober 2008 Seite 4 von 60
  6. 6. Teil I – Grundlagen 0. Zielstellung Ziel dieser Leitlinien ist es, die Anforderungen an das Kühlsystem und die Wasserqualität zur Kühlung von Laseranlagen so darzustellen, dass es gelingt, unter den verschiedenen Einsatzbedingungen von Diodenlasern und Materialien ein geeignetes Kühlmedium auszuwählen. Dabei soll dargestellt werden, ob durch die Verwendung von speziellen Zusätzen eine Entstehung von Korrosion als auch von Algen- und Bakterienbildung gezielt vermieden werden kann, um somit eine hohe Lebensdauer abzusichern. Insbesondere werden in diesem Zusammenhang die unterschiedlichen Anforderungen und Besonderheiten herausgearbeitet, die sich beim Einsatz des Kühlmittels für aktive oder passiv gekühlte Hochleistungslaserdioden ergeben. 1. Kühlmedium Wasser Unabhängig von der Laserleistung hat sich für die Abführung der anfallenden Wärme am Laser die Kühlung mit Wasser bewährt. Die Anwendung von Wasser in seiner reinen Form bringt aber auch erhebliche Probleme mit sich und muss deshalb beim Einsatz grundsätzlich behandelt werden (De-Ionisierung, Korrosionsschutz, Frostschutz etc.). Da die Anforderungen an die Vielzahl der Laser unterschiedlich sind, muss sich dieses auch im Kühlkonzept einschließlich der Zusammensetzung und der speziellen Eigenschaften des Wassers widerspiegeln. Grundsätzlich ist festzustellen: Die Wasserchemie ist noch immer keine durchgehende Wissenschaft. Deshalb gibt es so viele Pseudoaussagen, die nur teilweise durch Versuche oder gar nicht untersetzt sind. Die folgenden Ausführungen sollen den Anwender helfen, die für seinen speziellen Fall wichtigen Analysen und Schlussfolgerungen zu treffen, um das richtige Material und die erforderliche Wasserqualität auszuwählen und zu testen. Des Weiteren ist es für die richtige Kühlmediumauswahl wichtig, den Aufbau und die Funktion der Hochleistungsdiodenlaser in ihrer Betriebsweise und den technischen Anordnungen zu verstehen. 2. Funktionsprinzip einer Laserdiode Unter einem Diodenlaser versteht man einen aus einer oder mehreren Laserdioden bestehenden, mit elektrischem Strom gepumpten Halbleiterlaser. In der einfachsten Form besteht ein Diodenlaser aus nur einer Laserdiode, ggf. mit Kollimations- und Fokussieroptik. Solche Laser werden mit Leistungen bis einige Watt gefertigt und sind auf einer Wärmesenke montiert. Bei einer Laserdiode stellt der pn-Übergang zwischen zwei hochdotierten n- und p- Materialien das aktive Medium dar. Wenn eine Vorwärtsspannung von etwa der Größe der Spannung des Bandabstandes an den pn-Übergang angelegt wird, Seite 5 von 60
  7. 7. werden Elektronen und Löcher über dem pn-Übergang injiziert. Die schmale Zone, in der diese Inversion erzeugt wird, bezeichnet man als aktive Zone. Wird die Vorwärtsspannung über die Schwellspannung erhöht, ist in geeigneten Halbleitermaterialien, z. B. GaAs eine hohe Wahrscheinlichkeit für eine strahlende Rekombination vorhanden. Bei einer hinreichenden Konzentration der injizierten Ladungsträger ergibt sich eine optische Verstärkung. Die kristallinen Endflächen des Halbleiters bilden die Spiegel des Resonators. Diodenlaser weisen einen sehr hohen elektrisch-optischen Wirkungsgrad von ηel.- opt. = 50 % auf. Typische kommerziell erhältliche Wellenlängen sind 808 nm, 940 nm und 980 nm. 2.1. Diodenlaserbarren Einzelchips bestehen aus einem einzelnen Emitter und werden üblicherweise in Produkten der Telekommunikation z. B. zur Signalübertragung oder in Produkten der Konsumgüterindustrie z. B. CD- und DVD-Playern eingesetzt. Da einzelne Laserdioden nur bis zu Leistungen von einigen Watt gefertigt werden können und stark divergierende Laserstrahlung abgeben, werden oft mehrere Laserdioden elektrisch und optisch zusammengefasst. Man verwendet sogenannte Barren, die auf einem streifenförmigen Chip mehrere Einzelemitter nebeneinander enthalten. Diese werden elektrisch parallel auf einer Wärmesenke montiert. Solche auch als submount bezeichneten Diodenlaser haben folgende typischen Parameter:  Betriebsstrom: 30 … 100A cw, ca. 150A gepulst  Schwellstrom: 3,5 … 15A  Optische Ausgangsleistung: bis 80W cw  Typische Wellenlänge: 808 … 980nm  Spannung: ca. 2V Die 10 … 30 Einzelemitter eines solchen Barrens emittieren jeweils einen Laserstrahl, der in einer Richtung ca. 40° (fast axis) und in der anderen Richtung ca. 12° (slow axis) Abstrahlwinkel hat. Um die Einzelstrahlen zusammenzufassen, werden sie nach der Kollimation der fast axis (mit mikrooptischer Zylinderlinse) geometrisch mittels einer weiteren Mikrooptik gedreht und nebeneinander angeordnet. Anschließend wird die sogenannte slow- axis- Kollimation durchgeführt. 2.2. Einzelelemente eines Diodenlasers Ein Diodenlaser besteht im elementarsten Fall aus den in Abb. 1, dargestellten Elementen. Der unmontierte Laserdiodenbarren ist von seiner Funktion her eine Licht emittierende Diode. Bis auf eine Ausnahme besitzt er alle notwendigen technischen Vorraussetzungen, um als Laser betrieben zu werden: Im unmontierten Zustand kann keine Verlustleistung abgeführt werden. Ein Betrieb des Laserdiodenbarrens ist nicht möglich. Das fertig konfektionierte Bauteil Diodenlaser hingegen kann als Strahlquelle im Sinne eines gebrauchsfertigen Bauelements betrachtet werden. Seite 6 von 60
  8. 8. 1 Laserdiodenbarren 2 Wärmesenke (gleichzeitig der p-Kontakt des Diodenlasers) 3 Isolationsbuchsen 4 Deckelblech (gleichzeitig der n-Kontakt des Diodenlasers) 5 n-Kontaktfolie 6 Isolationsfolie zwischen n-Kontakt und p-Kontakt ___________________________________________________________________ Abb. 1 Aufbau eines Diodenlasers (2) 2.3. Diodenlaserstacks Zur Steigerung der Leistung bei begrenztem Strom werden mehrere Diodenlaser (Barren) zu so genannten Stacks gestapelt (Abb.2). Damit können auf kleinstem Bauraum optische Leistungen bis in den kW-Bereich erzeugt werden. Standard sind Stacks mit 4, 6, 8, 10, 12 oder 25 Submounts mit einer optischen Leistung von 50 W cw bzw. 100 W qcw je Submount. Die hierbei eingesetzten Submounts müssen aufgrund der hohen Packungs- und Leistungsflussdichte mit sogenannten Mikrokanalwärmesenken (MKWS) mit Wasser gekühlt werden. Seite 7 von 60
  9. 9. Der vertikale Abstand zweier Laserdiodenbarren (pitch) ist abhängig von der Dicke der verwendeten MKWS. Standard ist ein pitch von 1,75 mm oder 2 mm. ___________________________________________________________________ Abb. 2 Diodenlaserstacks (2) Die maximale Anzahl von Submounts in einem Stack ist auf Grund von Restriktionen in der Kühlwasserversorgung begrenzt. In einem Diodenlaserstack sind alle Submounts wasserseitig parallel geschaltet, wogegen die Laserbarren elektrisch in Reihe geschaltet sind. Der erforderliche Kühlmittelvolumenstrom erhöht sich linear mit der Zahl der Submounts. Da der Durchmesser der Versorgungsbohrungen nur begrenzt vergrößert werden kann und die maximale Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers limitiert ist, ist damit auch der maximale Volumenstrom limitiert. Der maximal vertretbare Volumenstrom ermöglicht den sicheren Betrieb von ca. 12 Submounts. 3. Wärmesenken Eine Wärmesenke ist ein thermodynamisches Umfeld, oder als konstruktiver Begriff, ein Wärmeübertragungskörper, welcher eine hohe Wärmekapazität besitzt und dadurch in der Lage ist bei hoher Wärmaufnahme einen quasi- stationären Temperaturzustand zu halten. Die Wirksamkeit einer Wärmesenke als Bauteil wird durch hohe Wärmekapazität und hohe (Durch-) Leitfähigkeit des Materials charakterisiert. Dabei unterscheidet man je nach konstruktiver Anordnung zwischen passiv und aktiv betriebenen Wärmesenken. 3.1. Leistungsbilanz Diodenlaser sind die effizienteste künstliche Lichtquelle überhaupt. Die aufgebrachte elektrische Leistung wird mit einem Wirkungsgrad von ca. 50 % in optische Leistung Seite 8 von 60
  10. 10. umgewandelt. Dennoch stellt die anfallende thermische Verlustleistung von ca. 50 % ein erhebliches Kühlproblem dar. Die Aufspreizung und Ableitung der Verlustleistung und damit die Konstanthaltung einer Betriebstemperatur im Emitter von ca. + 55 °C ist die Aufgabe der Wärmesenke. Die Wärmesenke bedarf ihrerseits einer entsprechenden Gegenkühlung, die vom Anwender zu realisieren ist. Die Verlustleistung in einem Diodenlaser mit 40 W Ausgangsleistung beträgt typischerweise ebenfalls 40 W. Die thermische Leistungsdichte an der Unterseite des Barrens errechnet sich bei einer typischen Abmessung von 10 mm Breite und 1 mm Resonatorlänge zu: 40W W Pv = = 4 x 106 2 10mm x 1mm m Diese Leistungsdichte ist um etwa einen Faktor 100 höher als die eines modernen Computerprozessors. 3.2. Passive Wärmesenken Passive Wärmesenken basieren ausschließlich auf dem Prinzip der Wärmeleitung und werden daher aus einem thermisch gut leitfähigen Material hergestellt. Meist werden hochreines Kupfer oder spezielle Kupferlegierungen eingesetzt. Mit einer einfachen, passiven Wärmesenke in Form eines Kupferquaders können optische Ausgangsleistungen von ca. 20 . . . 30 W im kontinuierlichen Betrieb (continous wave, cw) erreicht werden. Eine Steigerung der Ausgangsleistung lässt sich mit einem optimierten Design wie z.B. in Abb. 3 dargestellt, erreichen. Die verbesserte Wärmespreizung ermöglicht die Steigerung der optischen Ausgangsleistung eines passiven Diodenlasers auf 40 W cw. Abb. 3 Moderner passiver Hochleistungsdiodenlaser (2) Seite 9 von 60
  11. 11. Passive Wärmesenken bieten dem Anwender ein unkompliziertes Handling und ermöglichen die Realisierung einfacher Kühlanordnungen. 3.3. Aktive Wärmesenken Aktive Wärmesenken basieren auf dem Prinzip des konvektiven Wärmeübergangs. Dabei wird die Wärme vom Barren auf einen dünnen, meist metallischen, Grundträger und von diesem auf ein, den Kühler durchströmendes, flüssiges Kühlmittel übertragen. Die einfachste Form einer aktiven Wärmesenke stellt eine Metallplatte mit Kühlbohrung dar. Üblicherweise wird, auf Grund der Umweltverträglichkeit und der hohen Wärmekapazität, Wasser als Kühlmittel eingesetzt. Die höchste Kühleffizienz besitzen aktive Wärmesenken in der Ausführung als sogenannte Mikrokanalwärmesenken (MKWS). In Abb. 4 sind MKWS dargestellt. Sie sind aus einzelnen Schichten aufgebaut. Diese Schichten leiten das Kühlmedium definiert und optimiert unter die Montagefläche des Diodenlaserbarrens. ___________________________________________________________________ Abb. 4 Mikrokanalwärmesenke (2) Seite 10 von 60
  12. 12. In der Mikrokanalebene beträgt die Breite der Kanäle ca. 40 ... 400 μm. Die Höhe beträgt typischerweise 300 μm. Der optimale Durchfluss pro MKWS beträgt, je nach Bauform, ca. 0,3 l/min, verteilt auf ca. 20 bis 30 Kanäle. Bedingt durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit in den Mikrokanälen sind ideale Vorraussetzungen für den konvektiven Wärmeübergang vom Kupfer auf das Kühlmedium gegeben. Derzeit werden HDL auf MKWS mit einer optischen Ausgangsleistung von typischerweise 50W im kontinuierlichen Betrieb bei industrierelevanten Lebensdauern angeboten. MKWS werden überall dort eingesetzt, wo höchste Leistungsdichten in Kombination mit hohen optischen Ausgangsleistungen verlangt werden. 4. Anforderungen an aktiv gekühlte Diodenlaser und Stacks Während bei passiv gekühlten Diodenlasern die Anforderungen an das Kühlwasser relativ gering sind, muss bei aktiv gekühlten Diodenlasern auf der Basis von MKWS gewährleistet sein, dass die Qualität des Kühlwassers zu jedem Zeitpunkt folgende Bedingungen erfüllt:  Leitfähigkeit: 3 ... 10 μS/cm  Partikelgröße: < 15 μm  es dürfen keine Materialien im Kühlkreislauf verarbeitet werden, die in Kombination mit Kupfer galvanische Elemente bilden, wie z. B. Aluminium, Zink, Messing.  Kunststoffe müssen chlorfrei und frei von auswaschbaren Zusätzen, insbesondere Weichmachern sein (DI-Wasser geeignet, empfohlen wird lebensmittelgeeignet).  bei Verwendung von Edelstahl sind die Legierungen X5CrNi 1810 oder X6CrNiMoTi 17122 zu verwenden. Prinzipiell sind schwefelfreie V4A Legierungen einzusetzen Der maßgebliche Vorteil von Mikrokanalwärmesenken (MKWS) ist auch gleichzeitig deren maßgebliches Problem. Eine effiziente Kühlung wird dadurch erreicht, dass Kühlwasser mit hoher Geschwindigkeit direkt unter dem Halbleiterbarren vorbeiströmt. Die Kupferschicht zwischen Barren und Kühlwasser ermöglicht so einen geringen thermischen Widerstand. Dadurch ergeben sich aber mehrere Problemfelder: Problem 1: Da der Halbleiterbarren mit der Anode direkt auf der Wärmesenke aufgelötet ist, liegt an der Wärmesenke ein elektrisches Potential von ca. 2 V an. Bei der Verwendung von Nutzwasser würden mehrere Wärmesenken über die vorhandene Leitfähigkeit kurzgeschlossen werden. Aus diesem Grund muss deionisiertes Wasser verwendet werden. Dieses deionisierte Wasser verhält sich zu einer Reihe von Materialien sehr aggressiv. Problem 2: Die hohen Strömungsgeschwindigkeiten führen zu einer Erosion in den Mikrokanälen. Dadurch werden diese mit der Zeit ausgewaschen, verlieren ihre Wirkung und verschlechtern dadurch die Effizienz der Wärmesenke und der Laserdiode. Seite 11 von 60
  13. 13. Problem 3: Bei Einsatz von „normalem“ Wasser (z.B. Trink- oder Nutzwasser) befinden sich u.a. Chloride im Wasser (ca 200mg/l). Die Chloride im Wasser stammen aus dem Boden, aus Industrie- und Hausabfällen und aus dem Gebrauch von Tausalzen für Eis auf den Straßen. Übermäßige Chloridkonzentrationen in einem Wasser beschleunigen, wenn sie zusammen mit sauren pH- Werten auftreten, die Korrosion von Metallen in dem System. Deshalb ist der Einsatz bei aktiver Kühlung nicht zugelassen. Bevor ich mich aber nun zu einem konkreten Ausführungprofil eines Rückkühles zum Kühlen von aktiven Laserdioden -stacks zuwende, möchte ich auf nachfolgende grundsätzliche Entscheidungskriterien für eine Flüssigkeitskühlung hinweisen. Diese wurden bereits 2002 erstellt, haben aber auch heute noch ihre prinzipielle Gültigkeit. 5. Zehn Entscheidungsregeln für die Flüssigkühlung, die der Kühlhersteller und der Laserentwickler gemeinsam überprüfen sollten (3) Ein effektives Kühlsystem kann potentielle Leistungs- und Wartungsprobleme vorbeugen, die durch überschüssige Verlustleitung in Lasern entstehen können. Ein Flüssigkühlsystem besteht aus einer Wärmequelle, dessen Verlustleistung von einer Kühlflüssigkeit aufgenommen wird und aus Kühlkomponenten, die die gespeicherte Wärme der Flüssigkeit wieder abgeben. Die Quelle könnte eine Kühlplatte mit bestückten elektronischen Komponenten oder aber der Laserkopf selbst sein. Die Kühlkomponente könnte ein Wasser-zu-Luft-Wärmetauscher, ein Plattenwärmetauscher oder aber ein Kühlsystem, wie zum Beispiel ein Rückkühler sein. Die Entwicklung einer Kühlstrategie kann eine aufwendige Aufgabe sein. Detailfragen können leicht übersehen werden und zu einer ungeeigneten Kühllösung führen. Die folgende Liste kann als Leitfaden zur Auswahl des richtigen Kühlsystems dienen: 1. Überprüfen Sie die Verlustleistung des Lasers. Bestimmen sie die gesamte, benötigte Verlustleistung für den Betrieb des Lasers. 2. Offene oder geschlossene Kühlsysteme. Offene Kühlsysteme sind sehr einfach – Leitungswasser fließt durch den Laser und strömt anschließend in den Abfluss. Die Verwendung von großen Wassermengen und dessen Entsorgung in das öffentliche Abwassersystem kann mit erheblichen Kosten verbunden sein. In vielen Gebieten sind die öffentlichen Einspeisungen begrenzt und/oder werden streng von den Kommunen bezüglich der Nutzung und von den Ländern bzw. vom Bund seitens der Entsorgung kontrolliert. Ferner können im Wasser gelöste Mineralien und Chemikalien das System nachteilig beeinflussen. Im Gegensatz dazu zirkulieren umweltfreundliche, geschlossene Systeme, wie zum Beispiel Umluftkühlsysteme oder Rückkühler, kontinuierlich die Kühlflüssigkeit. Die Anschaffungskosten solcher geschlossener Systeme sind normalerweise höher, aber die Amortisationszeit ist überraschend kurz – ca. 9 Monate für einen Rückkühler und noch kürzer für ein Umluftkühlsystem. 3. Wählen Sie ein Umluftkühlsystem oder Rückkühler anhand der benötigten Temperaturstabilität aus. Wenn der Temperatursollwert oberhalb der Umgebungstemperatur oder des Betriebswassers/Stadtwassers liegt und eine präzise Temperaturkontrolle nicht benötigt wird, kann ein passives Kühlsystem Seite 12 von 60
  14. 14. (d.h. ein Kühlsystem ohne Kühlmittelschleife) die Aufgabe erfüllen. In einem solchen System strömt entweder Luft über die Kühlrippen eines Luft-Wasser- Wärmetauschers oder Wasser durch einen Plattenwärmetauscher. Die jeweilige Komponente entzieht der Kühlflüssigkeit die Wärme, die zuvor von der Wärmequelle aufgenommen wurde. Wenn allerdings die Sollwerttemperatur unterhalb der Umgebungsluft liegt oder aber die Temperaturstabilität systemkritisch ist, muss ein Rückkühler verwendet werden. Ein Rückkühler gleicht im Groben einem Kühlschrank, allerdings entzieht er die Wärme aus einer Kühlflüssigkeit und nicht aus der Luft. Rückkühler weisen normalerweise eine Temperatursollwertstabilität von 0,1ºC auf. 4. Schlüsselfertige Kühlsysteme sind Einzelkomponenten für die Selbstmontage eines kundenspezifischen Systems vorzuziehen. Ein komplettes Kühlsystem ist vollständig ausgestattet, inklusive einer Pumpe und einem Tank, während Eigenbausysteme die Integration dieser Komponenten abverlangen. Kühlsysteme, die kein Kühlmittel benötigen, bieten mehr Designflexibilität bei der Auswahl und Integration der einzelnen Komponenten in einen existierenden Bauraum. Allerdings muss der Entwickler sehr viele Annahmen treffen, wenn er kein Entwicklungsexperte von Kühlsystemen ist. Ein schlüsselfertiges System stellt sicher, dass die Komponenten aufeinander abgestimmt und auf die Gesamtleistung zugeschnitten ist. Wenn ein Rückkühler (Kühlsystem mit Kühlmittel) benötigt wird, ist ein schlüsselfertiges Standardsystem grundsätzlich die beste Option, da sich die Integration mit dem Laser sehr viel einfacher gestaltet. Kühlsysteme mit Kühlmittelschleife sind zu komplex für die Selbstmontage beim OEM-Kunden. Ferner schreiben Bundesgesetze den Umgang mit Kühlmittel nur von ausgebildeten Technikern vor, was den Trend zu schlüsselfertigen Systemen antreibt. 5. Wiegen Sie die Vor- und Nachteile von serienmäßigen und kundenspezifischen Systemen auf. Verwenden Sie ein Standardsystem wann immer es möglich ist, auch wenn es ein paar Funktionen mehr bietet. Kundenspezifische Systeme führen unweigerlich zu längeren Vorlaufzeiten und höheren Kosten. Wenn spezielle Optionen benötigt werden, können kundenspezifische Systeme allerdings einen größeren Nutzen haben. 6. Verstehen Sie den Unterschied zwischen Leitungswasser und entionisiertem Wasser. Leitungswasser erscheint als preiswerte Alternative, allerdings enthält es Mineralien und Chemikalien, dessen Ablagerungen kleine Anschlussstücke, Röhren und Mikrokanäle blockieren und somit die Kühlleistung mindern können. Entionisiertes (DI) Wasser kann das Ablagerungspotential sowie die elektrische Leitfähigkeit mindern. Allerdings ist entionisiertes Wasser extrem korrosiv und neigt zur Kontamination. Es schließt die Verwendung von Buntmetallen aus und fordert den Einsatz von korrosionsresistenten Materialien, beispielsweise Edelstahlröhren in Wärmetauschern, Nickel in Verdampfern und Spezialanschlussstücke in Kühlsystemen. Entsprechend sollte in Anwendungen, in denen der Temperatursollwert unter 15ºC liegt, oder in Kühlschleifen, die Flüssigkeitswege aus Aluminium besitzen, Ethylen-Glykol dem Wasser beigemengt werden, um Korrosion und Frost vorzubeugen. Verwenden Sie grundsätzlich ein Algizid wie Chloramine-T, um Algenwachstum in Ihrem System zu verhindern. (Anmerkung: Dieses gilt nur für passive gekühlte Diodenlaser) Seite 13 von 60
  15. 15. 7. Wählen Sie eine für Ihre Anwendung geeignete Pumpe aus. Ein Flüssigkühlsystem wird normalerweise mit einer Drehschieber-, Zentrifugal-, oder Turbinenpumpe ausgestattet. Drehschieberpumpen bieten eine konstante Durchflussmenge, ungeachtet vom Druckabfall im System. Sie können beim Einsatz von kleinen Rohrdurchmessern, 90º Bögen und langen Schläuchen im System sinnvoll sein, da diese Komponenten zu einem höheren flüssigkeitsseitigen Druckabfall führen. Demgegenüber hängt die Durchflussmenge einer Zentrifugal- oder Turbinenpumpe vom Systemdruckabfall ab. Zentrifugalpumpen sind für Systeme mit kleinem Druckabfall konzipiert, während Turbinenpumpen für Anwendungen mit höherem Druckabfall geeignet sind. Obwohl die Anschaffungskosten von Zentrifugal- und Turbinenpumpen höher im Vergleich zu Drehschieberpumpen sind, bieten sie eine viel höhere Lebensdauer – typischerweise 27000 Stunden gegenüber den 7000 Stunden von Drehschieberpumpen. 8. Kontrollieren Sie den Durchfluss und den Druck. Strömungsventile kontrollieren den Durchfluss der Kühlflüssigkeit während Druckventile den Druck regeln. In beiden Fällen reduziert ein Ventil den Durchfluss bzw. den Druck, in dem es die Strömung umleitet bevor es zur Anwendung fließt. Das hilft Leckagen vorzubeugen, die durch Überdruck auftreten können und regelt den Durchfluss zur Anwendung. Wenn ein Kühlsystem eine ungenügende Durchflussmenge oder einen mangelnden Druck liefert, ist höchstwahrscheinlich die Pumpe zu klein für das System. 9. Bestimmen Sie, wie die Wärme der Kühlflüssigkeit entzogen werden soll. In luftgekühlten Systemen strömt kühle Luft über die Kühlrippen des Wärmetauschers und entzieht auf diese Weise die Wärme der Kühlflüssigkeit. Alternativ kann die Wärme von der Kühlflüssigkeit an eine zweite Kühlschleife abgegeben werden - typischerweise Betriebswasser mit Hilfe eines Plattenwärmetauschers. Rückkühler können ebenso luft- oder wassergekühlt sein. Obgleich die überschüssige Wärme an Luft oder an eine Flüssigkeit abgegeben werden kann, muss eine Entscheidung getroffen werden, wo die Wärme oder das heiße Wasser entsorgt wird. 10. Wählen Sie eine Steuereinheit aus, die Ihren gegenwärtigen und zukünftigen Anforderungen entsprechen. Steuereinheiten können sich deutlich bezüglich der Funktionen und Funktionsweisen unterscheiden. Die meisten Umluftkühlsysteme besitzen keine Steuereinheit. Ein einfacher Rückkühler wird typischerweise eine Temperaturanzeige besitzen, den Durchfluss und Druck messen und einfache Sollwerteinstellungen bieten. Rückkühler im mittleren Segment werden typischerweise über Alarmmeldungen bei zu geringen und zu hohen Temperaturen, automatische Fehlermeldungen/Ansteuerung sowie weitere programmierbare Funktionen verfügen. Rückkühler des oberen Segments werden Computerschnittstellen haben, die eine automatische Ansteuerung und Datenerfassung ermöglichen. Es macht Sinn sicherzustellen, dass die Steuereinheit über alle Funktionen verfügt, die in Zukunft benötigt werden. Auf lange Sicht wird der Kühler eine bessere Leistung bieten und weniger kosten. Seite 14 von 60
  16. 16. Teil II – aktiv gekühlte Laserdioden 6. Grundsätzliche Kriterien, die für einen langfristigen und sicheren Betrieb eines Rückkühler zur Wärmeabfuhr an aktiv gekühlten Laserdiodenbarren, die auf einer (mehreren) MKWS montiert sind, einzuhalten sind. Die optimale Kühlung von Laserdiodenbarren auf MKWS stellen an den Lasergeräteentwickler und an den Kühlungshersteller die höchsten Anforderungen bezüglich des Einsatzes der Materialen und der Anforderungen an der Stabilität der Parameter. Die Termotek-AG ist als Kühlungshersteller auf diesem Gebiet Marktführer und hat für jeden Anwendungsbereich die erforderlichen Lösungen. Wie bereits aus den vorangegangenen Abschnitten ersichtlich ist, besteht die Besonderheit der Kühlung mittels MKWS darin, dass der p-Kanal des Laserdiodenbarrens direkten elektrisch leitenden Kontakt zur Wärmesenke und damit auch zum Wasser hat. Sind also mehrere Barren zu einem Stack aufgebaut, so sind alle Laserdioden über das Kühlwasser kurzgeschlossen, wenn dieses leitfähig ist. Um diesen Kurzschluss zu vermeiden, ist es somit zwingend erforderlich, zur Kühlung des Stacks deionisiertes Wasser mit geringem Leitwert einzusetzen. 6.1. Deionisiertes Wasser Leitungswasser erscheint als preiswerte Alternative, allerdings enthält es Mineralien und Chemikalien die zur Korrosionsbildung neigen und dessen Ablagerungen kleine Anschlussstücke, Röhren und Mikrokanäle blockieren und somit die Kühlleistung mindern können. Deshalb sollte es für Flüssigkeitskühlsysteme nur in Ausnahmefällen verwendet werden. Deionisiertes Wasser hat jedoch bessere chemische und elektrische Eigenschaften, wodurch es noch besser zum Kühlen geeignet ist, insbesondere wenn es im Flüssigkeitskreislauf Mikrokanäle passiert oder empfindliche Elektronikteile eingesetzt werden. Wie der Name schon sagt, ist die für die Leistungsmerkmale verantwortliche Konzentration an Ionen in deionisiertem Wasser sehr gering.  Dadurch treten 1. keine Mineralablagerungen auf, die den Fluss des Kühlmittels behindern können und so zu verminderter Kühlleistung und Betriebsleistung der Laseranlage führen können  Durch die geringe Leitfähigkeit des Kühlmittels können bei aktiven Wärmesenken elektrische Kurzschlüsse der Laserdioden vermieden werden  Der Einsatz verschiedener Metalle im Kühlkreis (z.B. Kupfer und Aluminium ) sollte aber, wenn irgend möglich, vermieden werden, damit die Gefahr von elektrochemischer Korrosion (auch galvanische Korrosion genannt) weitgehend vermieden wird. Seite 15 von 60
  17. 17. Bei der Verwendung von deionisiertem Wasser ist jedoch Vorsicht angesagt. Die so geringe Anzahl an Ionen ist auch dafür verantwortlich, dass das Kühlmittel ungewöhnlich ätzend ist. Als sogenanntes „universales Lösungsmittel“ ist deionisiertes Wasser eines der aggressivsten bekannten Lösungsmittel. Tatsache ist, dass es mehr oder weniger alles auflöst, was ihm ausgesetzt ist. Von daher müssen alle im Kühlkreis eingesetzten Materialien (im Kühler als auch in der Laseranlage) Korrosionsbeständig sein. Im Handel und auch im allgemeinen Sprachgebrauch taucht deionisiertes Wasser unter verschiedenen Bezeichnungen auf (s.a. Begriffsbestimmungen). Für den Einsatz in mit MKWS bestückten Diodenlaser darf nur destilliertes Wasser oder Reinstwasser eingesetzt werden. Dadurch ist sicher gestellt, dass sich keine Mineralien, keine Verschmutzungen und keine Mikroorganismen (z.B. algenbildende Bakterien) befinden. Beim Kauf in Baumärkten oder Apotheken ist darauf zu achten, dass das Wasser entweder der VDE 0510 entspricht oder nach DIN ISO 3696 (Analysenwasser) ausgewiesen ist (muss auf dem Behälter stehen!). 6.2. Welchen Leitwert soll deionisiertes Wasser haben? Die Frage, welche Leitfähigkeit muss das eingesetzte deionisierte Wasser haben, muss in erster Instanz vom Laserhersteller beantwortet werden. Die verschiedenen Hersteller fordern einen Bereich von >1 bis <20 µS/cm. Destilliertes Wasser hat eine typische Leitfähigkeit von 0,5 bis ca 5µS/cm und passt somit in den Anforderungsbereich. Da aber im Betriebsfall laufend Ionen ausgelöst werden, erhöht sich der Leitwert und muss ständig korrigiert werden. Dieses kann nur durch Integration eines Ionentauschers in Verbindung mit einer kontinuierlichen Leitwertregelung erfolgen. Egal, wie niedrig der Leitwert eingestellt wird, es wird immer ein Strom fließen, der zu einer elektrochemische Korrosion in den Kupferwärmesenken führt. Bei einem Leitwert von 2 µS/cm (das entspricht einem Widerstand im Wasser von 500 kΩcm) fließt dann ein Strom von ca 4 µA zwischen zwei Wärmesenken, wenn diese einen Abstand von 10 mm haben. Da der Abstand in den vertikalen Stacks geringer ist (z.B. bei der Jenoptik nur 1,75 mm), erhöht sich der Strom um mehr als das 5-fache auf ca. 20 µA. Dieser Strom führt dann zur elektrochemischen Korrosion an den 0- Ringen und in den Mikrokühlkanälen. Diese Korrosion führt mittelfristig zu Leckagen. Eine Verringerung der elektrochemischen Korrosion kann nur erfolgen durch:  Reduzierung des Leitwertes im Wasser (mit dem Risiko einer erhöhten Rate der chemischen Korrosion)  Erhöhung des Abstandes zwischen den Wärmesenken (z.B. Vertikale Stacks mit Distanzstücken zwischen den Wärmesenken oder Einsatz von Horizontalen Stacks) Es gibt Untersuchungen, die bestätigen, dass mit abnehmendem Leitwert unter 1 µS/cm das deionisierte Wasser besonders aggressiv gegenüber Kupfer wird (4) und zu zusätzlichen Auswaschungen führt. Deshalb wird in der Praxis bei vertikalen Stacks mittlerweile der Leitwert bei 2 – 3 µS/cm eingestellt und geregelt. Seite 16 von 60
  18. 18. 6.3. Ionenaustauscher Ionenaustauscher sind Geräte, mit denen im Wasser gelöste Ionen durch andere Ionen ersetzt werden. Meist handelt es sich dabei um Säulen, die mit einem Ionenaustauschmaterial, dem Ionenaustauscherharz gefüllt sind und von der zu behandelnden Lösung durchströmt werden. Die zu ersetzenden Ionen werden am Ionenaustauschermaterial gebunden, das seinerseits dabei Ionen in die Lösung abgibt. Dem Prinzip der Ionenaustauscher ist allgemein, dass einige Ionen stärker an den Ionenaustauscher gebunden sind als andere. Dabei werden höher geladene Teilchen stärker angezogen. Zum Beispiel wird Na+ im Ionentauscher durch Ca²+ verdrängt, aber auch Ca²+ durch Al³+. Das „stärkere“ Ion vertreibt das schwächere Ion aus dem Ionentauscher. Das unerwünschte Ion, dass aus der Lösung entfernt werden soll, wird also immer stärker angezogen als die im ungeladenen Zustand vorhandenen Ionen, die beim Austausch abgegeben werden. Ein Ionenaustauscher kann nur solange funktionieren, wie Ionen vorhanden sind, die verdrängt werden können. Dann spricht man von Sättigung des Austauschers und er muss gewechselt oder regeneriert werden. Wenn dieser Punkt versäumt wird, steigt einerseits die Ionenanzahl und damit die Leitfähigkeit der Lösung. Andererseits werden dann schon ausgetauschte Ionen wieder in die Lösung geschoben, wenn Ionen mit höherer Ladung vorhanden sind (so kann z.B. dann Al³+ wieder Cu²+ freisetzen). Je nachdem welcher Art Ionen ausgetauscht werden, unterscheidet man zwischen Kationenaustauscher und Anionenaustauscher. Verbrauchte Harze müssen zur Regeneration abgegeben werden. Bei der Regeneration werden diese mit NaOH und HCI regeneriert und stehen danach wieder zur Verfügung. Überall dort, wo man vollentsalzenes Wasser haben möchte, wird zur De-Ionisierung von Wasser dabei in der Regel ein Mischbett- Ionenaustauscherharz eingesetzt. Neben ungelösten Verunreinigungen (Partikel, Organika, Keime, Bakterien) befinden sich in den meisten Wässern gelöste Ionen (Salze und Metalle) in unterschiedlich hohen Konzentrationen. Dabei liegen Metalle und Wasserstoff als Kationen (positive Ladung), Säurereste und Hydroxytionen als Anionen (negative Ladung) vor. Diese im Wasser gelösten Kationen (z.B. Al3+, Cu2+, Mg2+, Ca2+, Na+, K+) werden von den Kunstharzen gegen H+- Ionen, die Anionen (z.B. Cl-, No32-, SO42-) gegen OH- -Gruppen ausgetauscht. (siehe Abb. 5). Das Resultat ist vollentsalzenes Wasser, in der Praxis auch oft als demineralisiertes- oder VE-Wasser bezeichnet. _____________________________________________________________ Abb. 5 Prinzip „Mischbett- Ionenaustausch“ (vereinfachte Darstellung) (1) Seite 17 von 60
  19. 19. 6.4 Ionenaustauscher in der Praxis Beim Einsatz von Ionenaustauschern in der Praxis ist ihr genereller Nachteil zu berücksichtigen, dass sie nur in der Lage sind, die Salzfracht im Wasser zu reduzieren, aber alle andere Wasserinhaltstoffe wie Pestizide oder chlorierte Kohlenwasserstoffe jedoch nicht zurückhalten. Darüber hinaus besteht eine extrem hohe Gefahr der Verkeimung sowie eine kontinuierliche, verfahrensbedingte Ablösung feinster Abriebpartikel aus dem Harz. Deshalb ist der Einsatz von demineralisiertem Wasser wie oben beschrieben, zur Kühlung von MKWS, wegen der Gefahr, dass sich noch ungelöste Partikel im Wasser befinden können, nicht zugelassen. Für eine optimale Kühlung mit langer Standzeit ist es somit erforderlich möglichst reines destilliert Wasser mit geringem Leitwert einzusetzen. Hiermit wird erreicht, dass chemische und elektrochemische Korrosionsprozesse soweit wie möglich unterdrückt werden. Um im Kühlwasser eine geringe Leitfähigkeit zu erreichen, muss man die im Wasser vorhandenen Ionen und die Ionen, die durch Auslösung an Metallen im Kühlkreislauf entstehen, wie schon oben ausgeführt, binden. Als beste Lösung zur Absorption dieser Ionen hat sich bisher die Verwendung eines Mischbettharzes – z.B. Amberlite MB20 (1) – gezeigt. Dieses Harz ist ein ionisch ausgeglichenes gebrauchsfertiges Mischbettharz mit einer Mischung aus einem stark sauren Kationentauscher und einem stark basischem Anionentauscher im Verhältnis 40/60. Amberlite wurde speziell zur Herstellung von Reinwasser entwickelt und ist bis 60°C einsetzbar. Das Harz besteht aus kleinen Kügelchen in Bersteinfarbe bis braun. Hiermit wird eine Patrone, die aus DI- resistentem Material besteht, befüllt und im Kühlkreis so angeordnet, dass der Strömungsfluss von unten nach oben erfolgt. Als negativer Nebeneffekt hat sich aber in speziellen Laserkühlanlagen herausgestellt, dass mit sehr niedrigem Leitwert das Medium aggressiver wird und zunehmend Ionen aus den Materialen – hier besonders Kupfer- flächenmäßig herauslöst. Die Aggressivität (besonders in Verbindung mit gelöstem freien Sauerstoff im Wasser) setzt ab < 2μS/cm verstärkt ein, während ab >20μS/cm mit verstärkter elektrochemischer Korrosion und seinen Auswirkungen zu rechnen ist. Aus diesen Kriterien heraus stellen z.B. die Laserdiodenhersteller die Forderung, ihre Laserdioden nur mit DI-Wasser im Bereich von 3μS/cm bis 10μS/cm zu betreiben. Die Umsetzung dieser Anforderung ist nur mit einer Leitwertregelung realisierbar, die zusätzlich mit einer Überwachungsfunktion ausgerüstet ist, damit spätestens bei einer Leitfähigkeit >20μS/cm zwingend ein Austausch der DI-Patrone erfolgt. Eine entsprechende Lösung wird bereits bei der Termotek AG seit längerer Zeit angeboten. Wird die Regelung über eine Bypassregelung realisiert, erhöht sich dadurch zusätzlich die Standzeit der DI-Patrone. Seite 18 von 60
  20. 20. 6.5 Stabilisierung des Kühlkreises durch Vorsättigung der DI- Patrone In Kühlkreisläufen mit ungeregeltem Leitwert stellt sich innerhalb kurzer Zeit ein sehr niedriger Leitwert (< 1µS/cm) ein. Deshalb versuchen einige Laserhersteller den niedrigen Leitwert durch eine Vorsättigung der DI-Patrone zu umgehen. Diese sogenannte Vorsättigung ist sicher möglich aber aus folgenden Gründen nicht zu empfehlen:  Die Vorsättigung erfolgt in der Regel mit nur einem Ionenanteil und führt somit garantiert zu einem Ungleichgewicht innerhalb der Patrone und damit zu einer geringeren Kapazität und u.U. zu einer pH- Wert Verschiebung.  Die DI-Patrone hat das Bestreben das Wasser über eine lange Zeit auf einen niedrigen Leitwert zu halten. Legt man zur Bestimmung der Gesamtkapazität eine Grenzleitfähigkeit von 20μS/cm zugrunde, so ergeben sich folgende Entsalzungsraten (siehe auch Abb. 6)  60% unter 0,1μS/cm  75% unter 1μS/cm  90% unter 10μS/cm  100% unter 20μS/cm Abb. 6 Kapazität eines Ionenaustauschers (1) Wenn die Patrone durch Vorsättigung bereits auf 5 μS/cm gebracht wird, sind damit auch gleichzeitig 85% der Gesamtkapazität der DI-Patrone aufgebraucht, d.h. das nur noch eine Restkapazität von 15% vorhanden ist und somit die Standzeit der Patrone bis zur vollen Sättigung wesentlich verringert wurde. Unabhängig davon bleibt aber die Forderung zur Leitwertüberwachung, da sonnst das System bei Vollsättigung der Patrone wieder in einen gefährlichen Bereich kommt. Seite 19 von 60
  21. 21. 6.6 Regeneration von DI-Patronen Die Ionenaustauscherharze haben eine begrenzte Aufnahmekapazität. Sind sie gesättigt (erschöpft), können sie durch die Umkehrung des Beladungsvorganges mit geeigneten Regeneriermitteln wieder aktiviert werden. Dies geschieht (z.B. beim Amberlite MB20) bei Kationentauschern mit Säure, vor allem mit HCl oder H2SO4 und bei Anionentauschern mit Lauge, meist mit NaOH. Da die Harze für die Regeneration entmischt werden müssen, ist eine Regeneration bei kleinen Mischbettionentauschern vor Ort nicht praktikabel. Weiterhin ist bei der Regeneration von Kationen- bzw. Anionentauscherharz zu bedenken, dass hier mit konzentrierten Chemikalien gearbeitet werden muss: Es ist eine spezielle Schutzarbeitskleidung ist zu tragen, die Vorschriften des WHG (Wasserhaushaltsgesetz) sind zu beachten, da es sich um wassergefährdende Stoffe handelt. Die Regenerate müssen vor dem Einleiten in das Kanalnetz neutralisiert werden. In der Praxis wird die Regeneration bei Fachbetrieben in stationären Anlagen gegen Bezahlung durchgeführt. Im Allgemeinen übernehmen aber auch die Hersteller (z.B. HERCO) die Regenerierung der Mischbettharze. Man kann auf diesem Wege mit mehreren DI-Patronen im Umlauf im Rahmen der Ersatzteilbereitstellung durch Regeneration der Patronen zusätzliche Kosten sparen. 6.7 Transport von DI- Patronen DI-Patronen sind im trockenen Zustand unbegrenzt lagerfähig und stellen im Rahmen der gültigen Transportvorschriften kein Gefahrgut dar. Im feuchten Zustand kann beim Transport durch Frosteinwirkung die Patrone zerstört werden. Hier ist es sinnvoll, die Patrone auszubauen, mit Pressluft am offenen Ausgang auszublasen und zu trocknen. Dann können keine Probleme entstehen. 6.8 Beeinflussung der Standzeit der DI-Patrone durch Kohlendioxidaufnahme (CO2) Durch Kontakt des Kühlwassers zur Luft nimmt dieses automatisch CO2 auf. Dieses führt wiederum im Wasserkreislauf zur Bildung von Kohlensäure. Kohlensäure ist aggressiv und greift z.B. Aluminiumoxid an. Die Materialien werden stärker angegriffen und die gelösten Ionen können zusätzlich Bis zu 90% zur Sättigung der DI-Patronen beitragen und beeinflussen somit mehr die Standzeit der DI- Patrone als alle anderen gelösten Ionen im Kühlkreis. Es ist in diesem Zusammenhang zu prüfen, ob es nicht sinnvoll ist, die Konstruktion der Gesamtkühlung incl. Laserkreis so auszulegen, dass es nur eine Beatmungs- öffnung zur Luft gibt und diese ist dann mit einem CO2-Filter zu versehen (1). 7. Korrosion in Kühlsystemen und deren Vermeidung In Kühlsystemen wird auf Grund seiner hervorragenden Wärmeleiteigenschaften Wasser zur Wärmeübertragung verwendet. Seite 20 von 60
  22. 22. Diese Wärmeübertragungsanwendungen können aber bei unbehandeltem Wasser durch Korrosion innerhalb es Systems zu Verringerung der thermischen Eigenschaften führen. Die Ursachen sind Ablagerungen auf der Wärmeübertragungsfläche sowie verminderte Strömung durch Korrosionsablagerungen in verengten Strömungsrohren oder Filtern. Als Korrosion bezeichnet man dabei die allmähliche Umwandlung eines Stoffes durch Einwirkung anderer Stoffe aus seiner Umgebung. Man spricht von einer chemischen oder elektrochemischen Reaktion zwischen Materialien, in der Regel zwischen einem Metall und seiner Umgebung, wobei eine messbare Veränderung am Metall eintritt. Eine weitere Veränderung an Metallen, insbesondere an Kupfer, kann durch Erosionskorrosion infolge zu hoher Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenzen erfolgen. 7.1 Chemische Korrosion Chemische Korrosion im Kühlkreislauf ist das Ergebnis einer Reaktion zwischen Kühlmedium und Metall. Alle Metalle zeigen eine Tendenz zum Oxidieren. Die Intensität der chemischen Korrosion hängt von dem Umfeld, der chemischen Zusammensetzung und von der Temperatur ab. Speziell bei den aus Kupfer bestehenden MKWS erfolgt die Oxidation von innen heraus, da durch das DI- Wasser keine Passivierung des Kupfers erfolgt. Das Metall wird kontinuierlich aufgelöst, solange die Ionenkonzentration im Wasser niedrig ist. Die Auflösungsrate ist am stärksten bei einer hohen Konzentration von gelöstem Sauerstoff im Wasser, verbunden mit einem niedrigen Leitwert (s.u.). Alle Metalle reagieren mit Wasser und Sauerstoff und produzieren Metallhydroxide: M + H2O  M(OH)2 Der pH- Wert und der Ionengehalt (Leitvermögen) des Wassers mit der Strömungsgeschwindigkeit und die Dicke der Genzschicht zur Wasser- Kupferschnittstelle beeinflussen die Entwicklungsrate von Metallhydroxiden. Abb. 7 zeigt die Querschnitte von geöffneten korrodierten Wärmesenken nach kurzer Betriebszeit bei unterschiedlichem Leitwert und gelöstem Sauerstoff wie folgt: Abb. 7 Querschnitt von geöffnete Mikrokanalwärmesenken nach einem Korrosionstest bei Spektra Physics (4) Seite 21 von 60
  23. 23. a) starke Korrosion nach 1000 h bei einem niedrigen Leitwert von 1 µS/cm und hohem Sauerstoffgehalt im Wasser. b) Die Oberfläche ist nach 1000 h nur mit einer dünnen Oxidschicht bedeckt bei ansonsten unveränderten Flächen durch Erhöhung des Leitwertes auf 10 µS/cm. c) Dieses Bild zeigt das Ergebnis an den Wärmesenken nach 1200 h bei geringem Leitwert von 1 µS/cm und einer reduzierten Sauerstoffkonzentration. In diesem Fall konnte nur eine geringfügige Korrosion beobachtet werden. Daraus ergeben sich folgende Schlussfolgerungen:  Ein hoher Sauerstoffgehalt im Wasser mit geringem Leitwert führt zu schneller chemischen Korrosion  Ein geringer Leitwert mit vermindertem Sauerstoffanteil führt zu geringerer Korrosion  Ein hoher Leitwert vermindert chemische Korrosion, erhöht aber, wie später noch erläutert, elektrochemische Korrosion 7.2 Elektrochemische Korrosion Von elektrochemischer Korrosion spricht man, wenn 2 Stoffe (meist Metalle) miteinander reagieren, wobei einer sich auflöst oder stark angegriffen wird. Allgemein gilt bei einem elektrochemischen Korrosionsvorgang, dass die Korrosionsvorgänge auf der Metalloberfläche in Verbindung mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeitsschicht, dem Elektrolyt (meist Wasser) ablaufen. In einem Kühlsystem kann durch unterschiedliche Metalle, die elektrochemisch verbunden sind, eine galvanische Zelle oder Batterie erzeugt werden (Abb. 8). In einer galvanischen Zelle entsteht eine Spannung, wenn zwei Metalle mit unterschiedlichem elektrischem Potential verbunden sind. Das Metall mit dem höheren elektrischen Potential wird zur Anode (z.B. Aluminium), und das mit dem niedrigeren zur Kathode (z.B. Kupfer). Es fließt Strom von der Anode zur Kathode. Die Anode löst sich auf oder korrodiert und bildet Ionen. Diese Ionen werden an das Wasser abgegeben, wo sie in Lösung bleiben oder mit anderen Ionen im Elektrolyt reagieren. Dieser Vorgang ist als galvanische Korrosion bekannt. Abb. 8 Galvanische Zelle oder Batterie (5) Seite 22 von 60
  24. 24. Für eine galvanische Zelle sind 3 Elemente erforderlich:  zwei elektrochemisch unterschiedliche Metalle,  eine elektrische leitende Verbindung zwischen den beiden Metallen und  ein Elektrolyt, der den Fluss der Metallionen ermöglicht. In einem typischen Flüssigkühlkreislauf dienen die Wasseranschlüsse als elektrisch leitende Verbindung und das Kühlwasser als Elektrolyt. In dem oben beschriebenen Beispiel mit Kupfer/Aluminium dient das Aluminium als Anode, das Kupfer als Kathode und die Kühlflüssigkeit ist der Elektrolyt. Mit der Zeit korrodiert das Aluminium und löst sich im Wasser auf. Die Abtragungsrate durch galvanische Korrosion hängt vom elektrischen Potential zwischen den beiden Metallen ab. Die Galvanische Spannungsreihe (Abb. 9) zeigt Metalle geordnet nach ihrem Potential in fließendem Meerwasser. Je weiter die Metalle in der Spannungsreihe von einander entfernt sind, desto größer ist die Korrosionserscheinung, d.h., die Metalle, die am reaktivsten sind, stehen oben, die am wenigsten reaktiven stehen unten. Ebenso spielt die Wasserstoffionenkonzentration eine wesentliche Rolle, denn umso größer die Wasserstoffionenkonzentration (H+) ist, desto stärker ist die Aggressivität des wässrigen Elektrolyten. Magnesium Zink Aluminium (die meisten Arten) Eisen, unlegierter Kohlenstoff und niedrig legierte Stähle Blei, edle Bleilegierungen Weißblech, Zinn-/Bleilot chrombeschichtete Elemente, Chromlegierungen, chromartige Stähle Messing Kupfer Nickel Edelstähle Silber Gold ___________________________________________________________________ Abb. 9 Galvanische Spannungsreihe übernommen aus MIL-STD-889 (5) Die in Kühlsystemen üblichen hohen Temperaturen beschleunigen die galvanische Korrosion. Ein Temperaturanstieg von 10 °C kann die Abtragungsrate durch Korrosion fast verdoppeln. Dem Kühlwasser können Korrosionsinhibitoren zugegeben werden. Dies verzögert eine galvanische Korrosion, verhindert sie aber nicht. Korrosionsinhibitoren verbinden sich mit den Ionen in Lösung und neutralisieren diese. Die Inhibitoren werden bei diesem Vorgang verbraucht und müssen regelmäßig ersetzt werden. Nicht wasserhaltige Kühlmittel wie Öle verhindern eine galvanische Korrosion, da sie keine Ionen unterstützen. Dies geht jedoch auf Kosten der Wärmeleistung, da die Wärmeleitfähigkeit von Seite 23 von 60
  25. 25. wärmeübertragenden Ölen grundsätzlich erheblich niedriger ist als die von wasserbasierten Kühlmitteln. Bei der Kühlung der aktiven MKWS sind die Bedingungen aber etwas anders gelagert. Grundbedingung ist der Einsatz von deionisiertem Wasser mit geringer Leitfähigkeit, bedingt dadurch, dass die aktiven Dioden einseitigen elektrischen Kontakt zum Kühlwasser haben und somit sonst Kurzschluss- Ströme fließen können. Somit ist also der Einsatz von Inhibitoren, die u.U. die Leitfähigkeit erhöhen können, nicht möglich. Durch die gegebene Spannung über den Laserdioden sind aber die gleichen Vorraussetzungen für eine elektrochemische Korrosion analog zu Aluminium und Kupfer (Abstand in der Spannungsreihe Cu +0,345V, Al -1,66V) gegeben. Das Potential zwischen 2 benachbarten Wärmesenken im Stack wird bestimmt durch die Betriebsspannung der Dioden (typisch 1,8V). Bei einem Leitwert des Wassers von 1µS/cm fließt dann ein Strom von ca.10µA zwischen zwei vertikal angeordneten Wärmesenken, wenn diese 1,75mm (Jenoptik) auseinander liegen. Dieser Strom kann schon zur elektrochemischen Korrosion an den 0- Ringen führen. Eine Verringerung der elektrochemischen Korrosion kann nur erfolgen durch:  Reduzierung des Leitwertes im Wasser (mit dem Risiko einer erhöhten Rate der chemischen Korrosion)  Erhöhung des Abstandes zwischen den Wärmesenken 7.3 Erosionskorrosion Erosionskorrosion ist ein Materialabtrag infolge von mechanischen Einwirkungen an der betroffenen Komponente (in unserem Fall an den Mikrokanalwärmesenken) und ein anschließender Materialtransport in strömenden Medien. Die Abtragung erfolgt bevorzugt an „weichen“ Materialien (z.B. Kupfer) über hohe Strömungen und Turbulenzen, so dass Störstellen wie z.B. Kanten, Erhebungen, Vertiefungen oder Umlenkungen besonders gefährdet sind. Erosion an Kupfer setzt z.B. bereits bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 2m/s ein. Für die MKWS der Jenoptik ergibt sich z.B. folgender Wert: Kanalquerschnitt (A): (40 … 400)µm x 300µm = 12 x (10-8 … 10-9) m² Kanäle (n): ca. 25 Volumenstrom (Vo) : 0,3 l/min Damit ergibt sich eine typische Strömungsgeschwindigkeit (v) von: Vo 0,3 l V= = = (1,66 … 16,6)m/s NxA min x 25 x 12 x (10-8 … 10-9) m² Seite 24 von 60
  26. 26. Bei einem Querschnitt ab < 300 x 300µm kann somit schon eine erhöhte Erosion einsetzen und ist deshalb zu vermeiden. Gemeinsam durch diese Erosion und durch chemische Korrosion wird durch den Kupferabtrag die Kanalstruktur der Wärmesenken verändert und dieses beeinträchtigt das Betriebsverhalten der Laserdioden. Der thermische Widerstand der Wärmesenken wird durch den Materialverlust (Reduzierung der Oberfläche) erhöht. Als Resultat erhöht sich die Temperatur und führt damit zur Reduktion der Leistung und zu einer Veränderung der Wellenlänge. Durch die korrodierte Wärmesenke ergibt sich eine Reduzierung des Drucks (Druckabfall) bei konstanter Strömung bevor es dann zum Leck führt. 7.4 Verringerung der Kupferkorrosion durch Entzug des freien Sauerstoffs im Wasser Bei der Sauerstoffkorrosion reagieren die in der Elektrolytlösung gelösten Sauerstoffmoleküle mit Wasser zu Hydroxid- Ionen, die dann mit dem Metall Oxide und Hydroxide bilden können. Der chemische Ablauf der Sauerstoffkorrosion eines metallischen Werkstoffs erfolgt unter Einwirkung bzw. Verbrauch von Sauerstoff, d.h. der Sauerstoff wirkt als Oxidationsmittel. Dieser Mechanismus läuft vornehmlich in alkalischen und neutralen Lösungen ab. Allgemein verläuft die Sauerstoffkorrosion wie jede Redoxreaktion in 2 Schritten: Elektronenabgabe (Oxidation) und Elektronenaufnahme (Reduktion) 1.) Die Reduktion des Sauerstoffs kann mit folgender Formel beschrieben werden: O2 + 2H2O + 4e-  4 OH- 2.) Die Oxidation des Metalls erfolgt unter Abgabe von x Elektronen zum Metall- (Kation), wobei x der chemischen Wertigkeit (Ionenladung, Oxidationszahl) des Metalls entspricht. Für ein einwertiges Metall ergibt sich als Gesamtreaktion somit: 4 Me + O2 + 2H2O  4 Me+ + 4 OH- Bereits mit dem Einfüllen des Kühlwassers kommt Sauerstoff mit in das System (ca. 10mg/l), welches dann mit den unedleren Metallen über eine chemische Reaktion zum Materialabtrag (Korrosion) führt, bis der Sauerstoff aufgebraucht ist. Deshalb ist bei geschlossenen Systemen der Anteil dieser Korrosion sehr gering. Es findet dann ohne Sauerstoff nur noch eine Lochfraß im Verhältnis der Atomgewichte statt. Kritisch wird die Sauerstoffkorrosion bei ständiger Sauerstoffzufuhr über druckfreie Öffnungen (z.B. bei Stillstand des Systems oder bei Lagerung des Systems mit abgelassenem Wasser aber noch feuchtem Material). Im Testbericht von Spektra Physics (4) wurde dieses sehr gut herausgearbeitet, wie z.B. die Kupferkorrosion bei Verwendung von DI- Wasser in Verbindung mit im Wasser gelöstem freien Sauerstoff zunimmt. Seite 25 von 60
  27. 27. 7.4.1 Korrosionsschutz durch Realisierung eines geschlossenen Kühlwasserkreislaufes In Analogie zu den Kühlkreisen z.B. in der Klima- oder in der Heizungstechnik, ist die sicherste Methode, den Sauerstoff aus dem Kühlwasser zu bekommen, die Realisierung eines geschlossenen Kühlwasserkreislaufes. Denn in geschlossenen Kühlsytemen wird der gelöste Sauerstoff mit der Zeit verbraucht und stellt dann kein! Korrosionsrisiko mehr dar. Vorraussetzung für diese Lösung ist:  Es muss konstruktiv abgesichert sein, das in der Betriebs- und Ruhephase des Systems kein Kontakt des Wasserkühlkreises zur Luft besteht.  Es dürfen keine Materialien (Schläuche) eingesetzt werden, durch den Sauerstoff diffundieren kann- am Besten ist, das gesamte System zu Verrohren.  Es ist ein Rücklauf des Wassers aus höher liegenden Kühlkreisbestandteilen beim Abschalten der Pumpe zu vermeiden.  Da die Temperaturen im System sich ändern und damit auch die Ausdehnung des Wassers (Volumenänderung), ist in das gesamte System ein Druckausgleichssystem in Form eines geschlossenen Ausdehnungsgefäßes (z.B. ein Membranausdehnungsgefäß) zu integrieren.  Die gesamten erforderlichen konstruktiven Maßnahmen sind mit dem Anwender abzustimmen, denn sie müssen durchgängig erfolgen.  Bei der Befüllung bzw. davor sollte das Kühlwasser möglichst mit Stickstoff ausgeblasen werden, damit nur noch ein geringer Restanteil von gelöstem Sauerstoff vorhanden ist. Umso schneller erfolgt der Abbau des Restsauerstoffs. Vorteil dieser Variante ist die gleichzeitige Verhinderung der Bildung von Kohlensäure durch den anteiligen CO2- Gehalt in der Luft, der dann nicht mehr vom Kühlwasser aufgenommen werden kann. 7.5 Korrosionsschutz bei Kupfer und Aluminium in einem gemeinsamen Laserkühlkreis Der Einsatz von Kupfer und Aluminium in einem gemeinsamen Kühlkreis sollte wenn immer möglich, vermieden werden, da hier erhebliche Korrosionsprobleme entstehen können. Leider ist dieses technisch nicht immer möglich, deshalb sind beim Einsatz beider Materialien aber zwingend zusätzliche Maßnahmen zum Schutz des gesamten Kühlkreises aus folgenden Gründen erforderlich. Reines Aluminium ist aufgrund seiner natürlichen Tendenz, auf Luft ausgesetzten Oberflächen eine sehr dünne, schützende, wasserhaltige Aluminiumoxidschicht zu bilden, korrosionsbeständig. Dieser Oxidfilm, der aus einer dünnen inneren Sperrschicht und einer dicken, durchlässigeren Außenschicht besteht, ist bei neuem Metall nur ca. 2,5 nm dick und wird mit der Zeit allmählich dicker. Diese Schicht kann aber durch mechanische Einwirkungen leicht zerstört werden (z.B. durch Kratzer oder Kühlbohrungen) und dann ist der natürliche Schutz aufgehoben. Seite 26 von 60
  28. 28. Wird nicht oxidiertes Aluminium in reines Wasser getaucht, bildet sich ein weißer Hydroxidfilm, der mehr oder weniger gleich dick bleibt, sobald sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. Wie dick die Schicht im ausgeglichenen Zustand ist, hängt von der Temperatur ab. Der Film ist in natürlichem Wasser mit einem pH-Wert im neutralen Bereich von 4,5 bis 8,5 stabil. Wasser mit einem niedrigeren pH-Wert (saurer) kann aber Aluminiumlegierungen angreifen und Wasser mit höherem pH-Wert (basischer) greift alle Aluminiumlegierungen an. Die Beständigkeit von Aluminium gegenüber Korrosion in natürlichem frischen Wasser und Leitungswasser hängt auch vom Gehalt an gelösten festen Bestandteilen, Gasen und Kolloid- oder Schwebstoffen ab. Sind beispielsweise Karbonat, Chlorid und Kupfer im Gebrauchswasser, kann dies zu stärkerer Korrosion führen. Außerdem vermindert diese Schicht die Wärmeleistung der Komponenten, indem sich der Druckverlust erhöht, wodurch sich der Durchfluss verringert und sich eine isolierende Wärmeschicht bildet. Bei einer installierten Kühlplatte oder einem Aluminium-Wärmetauscher ist eine Korrosion aufgrund der Wassereigenschaften kaum zu vermeiden. Viele Anwender empfehlen deshalb den Einsatz von Glykol als Korrosionsschutzmitttel dem Kühlwasser zuzugeben. Dieses ist prinzipiell möglich und vermindert auch die Korrosion am Aluminium, kann sie aber nicht aufhalten. Zusätzlich dient der Einsatz von Glykol auch noch dem Vorteil des Frostschutzes und sollte auch nur in diesem Zusammenhang eingesetzt werden. Allerdings birgt der Einsatz von Glykol auch bestimmte Risiken, u.a. kann er als Nahrung für Bakterien dienen und verringert insgesamt die Kälteleistung des Systems. Der Einsatz von Glykol erhöht den Leitwert des Kühlwassers und ist demzufolge bei aktiven Wärmesenken, wo es in erster Linie auf die Einhaltung eines niedrigen Leitwertes ankommt, nicht möglich! Kupfer und Aluminium liegen in der Spannungsreihe um ca. 2V auseinander. Aus diesem Grunde würde bei einem gemeinsamen Einsatz in einem Wasserkühlkreis zwingend elektrochemische Korrosion entstehen (in Abhängigkeit des Leitwertes und des Abstandes der beiden Materialien), die zur Zerstörung des Aluminiums (Lochfraß) führt. In der Praxis haben sich zum Schutz von Aluminium im deionisiertem Wasser mit niedrigem Leitwert (max. 20µS/cm) folgende Methoden bewährt:  Trennung des gemeinsamen Kühlkreises in zwei Kühlkreise. Einer nur für Kupfer mit geregeltem DI- Wasser und der 2. Kreis nur für Aluminium. Bei dieser Methode kann z.B. dann im Aluminiumkreis „normales Wasser“ mit Zusätzen an Inhibitoren und Bioziden eingesetzt werden. Diese Version der Trennung in 2 Kühlkreise wird von immer mehr Herstellen in der Praxis favorisiert.  Geht diese Trennung nicht, war bisher die sicherste Methode, das Aluminium zu chromatisieren. Da aber seit einiger Zeit der Einsatz von Chrom 6 verboten ist, hilft als wirksamer Schutz auch noch das Beizen von Aluminium, obwohl dadurch keine 100%- ige Korrosionsfreiheit erreicht wird und mit Seite 27 von 60
  29. 29. Ablagerungen zu rechnen ist. Diese lassen sich aber zum größten Teil durch eine Filterung aussondern. Die Deionisierpatrone sollte bei dieser Version direkt am Kupferaustritt erfolgen, damit alle Kupferionen sofort neutralisiert werden und nicht mit dem Aluminium in Verbindung kommen.  Da Aluminium außerhalb des neutralen pH- Wertes sowohl im sauren als auch besonders im basischen Bereich angegriffen wird (z.B. auch durch Kohlensäure), sollte zusätzlich eine pH-Wert Messung- (noch besser Regelung) in den Kreis integriert werden. 8. Beeinflussung des Kühlmediums durch Algen Algen sind weitesten Sinne im Wasser lebende eukaryotische, pflanzenartige Lebewesen, die Photosynthese betreiben und damit unabhängig von organischen Stoffen anderer Organismen sind, jedoch nicht zu den eigentlichen Pflanzen gehören. Algen bilden sich vorwiegend da, wo der pH- Wert zu hoch ist und wo Licht zur Photosynthese vorhanden ist (z.B. offene Schwimmbäder). Mit Hilfe des Chlorophylls, dem sogenanntem Blattgrün, erzeugen Algen aus Licht, dem Kohlendioxid und Stickstoffverbindungen der Luft die für ihr Überleben notwendigen Nährstoffe. Dabei entsteht im Wasser durch die Algen das sogenannte Phytoplankton welches sich besonders groß bei den Braunalgen ausbildet. Bezogen auf die Kühltechnik, entsteht dadurch eine schleimartige Struktur die zum Verstopfen von Filtern und von besonders kleinen Kühlkanälen führen kann, und damit entsteht eine Minderung der Kühlleistung. Im Extremfall führt diese zur Überhitzung der Laserdioden bis zu deren Zerstörung. Um von vornherein eine sichere Algenbildung zu verhindern, werden bei unkritischen Kühlsystemen dem Wasser Algizide (z.B. Chlor) zugesetzt. Da diese aber den Leitwert des Kühlwassers erhöhen, sind sie bei Mikrokanalwärmesenken nicht einsetzbar. Hier hilft nur, dass der gesamte Kühlkreis lichtdicht aufgebaut wird, so dass keine Algenbildung durch Photosynthese entstehen kann. Alternativ kann aber auch in den Kühlkreis eine UV- Lichtbestrahlung integriert werden, denn ultraviolette Strahlung (oder UV) ist ein bewährtes Mittel zum Desinfizieren von Wasser, Luft oder festen Oberflächen, die mikrobiell kontaminiert sind. Die desinfizierende Wirkung von UV-Strahlung ist seit den Anfangstagen der biologischen und physikalischen Erforschung von Lichtwellen bekannt. Die UV- Strahlen sind sehr energiereich. Mit Hilfe von Quarzlampen, die mit Quecksilberdampf gefüllt sind, lassen sich desinfizierend wirkende UV-Strahlen, insbesondere der Wellenlänge 254 nm, erzeugen. Derartige Wellenlängen bewirken eine sehr schnelle photochemische Zersetzung der Grundelemente einer Zelle, so dass es bei ausreichender Bestrahlungsdosis zu einer Abtötung und lnaktivierung von Keimen, Bakterien und Viren kommt. Dieses Desinfektionsverfahren ist überaus umweltfreundlich und kostengünstig, da zu seiner Durchführung neben einer UV- Lampe nur elektrische Energie benötigt wird. Seite 28 von 60
  30. 30. Teil III – passiv gekühlte Laserdioden 1 9 Grundsätzliche Kriterien, die für einen langfristigen und sicheren Betrieb eines Rückkühlers zur Wärmeabfuhr an passiv gekühlten Laserdiodenbarren, einzuhalten sind. Der entscheidende Unterschied zwischen aktiv und passiv gekühlten Laserdioden ist, dass es bei den passiv gekühlten Laserdioden keine Potentialverbindung zwischen den Laserdioden und dem Kühlmedium gibt. Somit gelten für die Kühlung dieser Systeme grundsätzlich die gleichen Anforderungen wie an alle mit Wasser gekühlten Wärmesenken. In erster Instanz kann man passiv gekühlte Laserdiodensysteme genauso behandeln wie aktiv gekühlte Lasersysteme und erreicht damit die gleichen Ergebnisse. Da aber der Aufwand bezüglich der einzusetzenden Materialien (Kosten) und der Wasserbehandlung enorm hoch ist, kommen in der Praxis andere Alternativen, auf die ich in der Folge noch eingehen werde, zum Einsatz. 9.1 Herausforderungen, die bei der Behandlung von passiv gekühlten Lasersystemen beachtet werden müssen  Laserkühlsysteme werden in der Praxis als sogenannte prozesskritische geschlossene Systeme (PCCL = Process Critical Closed Loop) betrachtet. Dabei ist ein geschlossenes System so konzipiert, dass das System nur einmal mit Wasser oder einer entsprechenden Kühlflüssigkeit befüllt wird. Dieses System kann über einen langen Zeitraum quasi ohne Wasserverlust, d.h. ohne größere Mengen an Zusatzwasser betrieben werden, hat aber noch eine Befüllöffnung mit Luftkontakt.  Auch in diesen Systemen, die eine lange Standzeit erfordern, sollte kein Brauchwasser eingesetzt werden, sondern es ist vollentsalzenes Wasser zu benutzen. Besser noch ist, wie oben beschrieben, der Einsatz von destilliertem Wasser, Reinstwasser oder Wasser aus der Umkehrosmose, da bei Verwendung dieser Kühlmedien ausgeschlossen wird, dass sich Bakterien oder andere Keime, die zur Korrosion beitragen können, im Kühlmedium befinden.  Der Leitwert des deionisierten Wassers spielt aber nicht die entscheidende Rolle wie bei den aktiv gekühlten Wärmesenken. Deshalb kann auf eine Di- Patrone und auf eine Leitwertregelung verzichtet werden. Eine mögliche elektrochemische Korrosion ist aber weiterhin beim Einsatz verschiedener Metalle möglich und muss deshalb durch entsprechende Inhibitoren verhindert werden.  Verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb eines geschlossenen Systems die durch kleine Öffnungen oder Durchgänge entstehen, können die Lebensdauer und das Verhalten bzgl. Korrosion beeinflussen. Seite 29 von 60
  31. 31. Die empfohlenen Durchflussraten sollten sich im Bereich von 1- 2 m/s befinden. Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten < 0,3 m/s können Belagsbildung und nachfolgend Unterbelagskorrosion entstehen. Diese wiederum erhöhen auch das Potential für Mikrobiologische Prozesse. Niedrige oder längere Zeit keine Strömung führt zum Abbau von Inhibitor- Schutzschichten und nachfolgend zu erhöhten Korrosionsraten. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten > 2 m/s können Erosionskorrosion auf Kupfer oder Aluminium basierenden Legierungen verursachen. ______________________________________________________________ Abb.10 Korrosionsvorgänge durch Strömungsgeschwindigkeit (6)  In geschlossenen Systemen kommen gemischte Werkstoffe sowie verschiedene Metallurgien zum Einsatz. Das können z.B. sein: - Kupfer - Kupferlegierungen (z.B. Messing) - Aluminium - Stahl - Edelstahl - Guseisen - Verzinkter Stahl Ohne besondere Behandlung des Kühlwassers würde beim Einsatz dieser Materialien mit verschiedenen Erscheinungen von Korrosion zu rechnen sein 10. Korrosion in Kühlsystemen Unter Korrosion versteht man die Zerstörung von Metallen durch chemische und physikalische Einflüsse. Beeinflusst wird die Korrosion durch verschiedene konstruktive, fertigungsspezifische und anlagenspezifische Einflussfaktoren, wie im Folgenden zusammengestellt. Seite 30 von 60
  32. 32. 10.1 Korrosionsursachen- und Einflussfaktoren Zu den entscheidenden Einflussfaktoren, die eine Korrosion beeinflussen zählen:  Polarisation  Temperatur (+10°C verdoppeln z.B. die Korrosionsrate)  pH- Wert (optimaler Wert ist für die verschiedenen Metalle unterschiedlich und sollte demzufolge regelmäßig geprüft werden).  gelöste Salze (aggressive Ionen wie Chlorid, Sulfat… kann durch destilliertes Wasser vermieden werden)  Sauerstoffkonzentration  Strömungsgeschwindigkeit  Metallurgie  Mikroorganismen  Ablagerungen Die häufigsten Ursachen für eine Korrosion selbst sind dabei: 10.1.1 Die Säurekorrosion z.B. Fe + H3O+ + OH-  Fe(OH)2 + H2 10.1.2 Die Laugenkorrosion z.B. 2Al +2(OH)- +6H2O  2Al(OH)-4 +3H2 10.1.3 Die Lokalelementbildung Ist die Bildung von Verbindungen durch Ionenfluss. Dabei stellt das unedle Metall die Anode dar (z.B. Fe -2e-  Fe2+) und das edle Metall wirkt als Kathode (z.B. 2H2O + 2e-  2OH- + H2) 10.1.4 Die Sauerstoffkorrosion Durch Sauerstoffkorrosion entstehen Oxide auf der Metalloberfläche z.B. Rost. Die Intensität der Sauerstoffkorrosion wird durch zwei chemische Gesetzmäßigkeiten gesteuert. - Thermodynamik (z.B. schneller Ablauf der Vorgänge durch Temperaturerhöhung) - Elektrochemie z.B. durch Anodenreaktion 2Fe - 4e-  2Fe2+ und Kathodereaktion 2H2O +O2 +4e-  4OH- (s.a. Lokalelementbildung) 10.1.5 Die Korrosion durch Mikrobiologie Hierzu zählen die Beeinflussungen durch: - Schleimbildende Bakterien und Algen - anaerobe Bakterien - Säureproduzierende Bakterien - Eisenbakterien Seite 31 von 60
  33. 33. 10.1.6 Korrosionswirkungen Durch die verschiedene Korrosionsarten entstehen bei Betrieb mit unbehandelten Kühlwasser die nachfolgen beschriebenen verschiedenen Korrosionswirkungen.  Gleichmäßige Korrosion Dies Art der Korrosion ist über das gesamte Metall großflächig verteilt und sollte z.B. bei Kupfer < 0,01 mm/a betragen. Sie ist durch sogenannte Korrosionscoupons, die in einen Kühlkreis integriert werden können, ermittelbar. Die erforderliche Testzeit beträgt ca. 3 Monate.  Lokale Korrosion Diese Art der Korrosion zählt zu den gefährlichsten Korrosionsarten. Wir unterscheiden dabei folgende Arten: - Lochfraß - Spannungsrisskorrosion - Korrosionsermüdung - Erosion, Kavitation - Selektive Korrosion (Entzinkung) - Unterbelagskorrosion - Spaltkorrosion  Galvanische Korrosion Die galvanische Korrosion ist auch eine Art der lokalen Korrosion. Wir unterscheiden hierbei noch in die Kontaktkorrosion verschiedener Metalle mit unterschiedlichen Elektrodenpotentialen und in eine Korrosion ohne direkten Kontakt der Metalle. Dabei lagern sich z.B. Kupferionen direkt am Aluminium oder Zink als metallisches Kupfer ab. Diese Ablagerung führt zu sehr wirksamen galvanischen Zellen und starkem lokalen Korrosionsangriff. (siehe Abb.11) ______________________________________________________________ Abb. 11 Kupferzementation auf Aluminium (6) Seite 32 von 60
  34. 34.  Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion Die mikrobiologische Korrosion ist ebenso eine lokale Korrosion, die z.B. durch aggressive Stoffwechselprodukte (z.B. sulfatreduzierende Bakterien) entstehen kann (Abb. 12) ____________________________________________________________ Abb. 12 Korrosionsschaden durch sulfatreduzierende Bakterien an Kohlenstoffstahl (6) Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion kann z.B. entstehen, wenn verunreinigtes Kühlwasser mit Bakterienzellen infiziert ist und ausreichend Nahrung für die Bakterien zur Verfügung steht. Dabei findet ca. alle 20 Minuten eine Zellverdopplung statt. Die Bakterien lagern sich auf der Oberfläche der Metalle an und stellen einerseits eine Isolierschicht mit sehr schlechten Wärmeleiteigenschaften dar und bilden andererseits die Basis zur Bildung einer Unterbelagskorrosion. Bei Vorhandensein von Bakterienzellen und ausreichend Nahrung kann sich innerhalb von wenigen Tagen ein Biofilm auf der Oberfläche der Metalle bilden (Abb. 13) ____________________________________________________________ Abb. 13 Entwicklung eines Biofilms (6) Seite 33 von 60
  35. 35. 11. Metallurgien in geschlossenen Systemen Die häufigsten Metalle, die in Kühlkreisen eingesetzt werden, sind Eisen- und Stahlverbindungen, sowie Kupfer und Aluminiumlegierungen. Sie werden in 4 Gruppen von Metallen in Kühlsytemen zusammengefasst, die jeweils bezüglich der Korrosion ähnliches Verhalten zeigen und entsprechend behandelt werden müssen (siehe Abb.14) Gruppe A Gruppe B Gruppe C Gruppe D Eisen Kupfer Aluminium Edelstahl Stahl Messing Al- Legierungen Nickel Gusseisen Rotguss Titan Kupfernickel Abb. 14 Gruppen von Metallen in Kühlwassersystemen Bei allen Metallgruppen gibt es bezüglich der Korrosion einen optimalen pH- Wert, der aber zueinander verschieden ist. Demzufolge gibt es also im unbehandelten Kühlwasser immer Korrosion mit unterschiedlicher Abtragsrate. Die Abhängigkeiten sind in Abb. 15 dargestellt.  Stahl und Kupfer haben ihre niedrigsten Korrosionsraten im pH- Bereich von 8,5 – 9,5.  Aluminium- Korrosion erhöht sich jedoch stark bei pH- Werten über 8,5. Aluminium ist demzufolge nicht empfehlenswert als Konstruktionsmaterial, wird jedoch wegen der guten Wärmeleitfähigkeit oft genommen.  Gemischte Stoffe führen zusätzlich oft zur galvanischen Korrosion. _____________________________________________________________ Abb. 15 Korrosionsrate von Fe, Cu und Al in Abhängigkeit vom pH-Wert (6) Seite 34 von 60
  36. 36. 11.1 Kupfer – Korrosion und Beständigkeit Kupfer wird auf Grund seiner hervorragenden Wärmeleiteigenschaften bevorzugt in Wärmesenken eingesetzt. Bezüglich Korrosion und Beständigkeit ist folgendes zu beachten:  Kupfer ist edler als Wasserstoff und damit das einzige edle Gebrauchsmetall.  Bereits an der Luft bildet sich Kupfer(I)oxid, wodurch der Werkstoff seine relative Beständigkeit und typische rote Farbe erhält. Korrosionsbeständigkeit von Kupfer in Wasser ist an die Anwesenheit eines Oxidfilms (Cu2O) gebunden.  Kupfer ist beständig in verdünnten, sauerstofffreien, nichtoxidierenden Säuren.  Kupfer ist sehr empfindlich gegen oxidierend wirkende Medien – starker Angriff bereits in schwachen, belüfteten Säuren (auch Kohlensäure!).  Kupfer ist ebenso unbeständig in lufthaltigen Lösungen, die komplexbildende Ionen enthalten (NH4+, CN+, …).  Kupfer ist gegenüber Schwefel und schwefelhaltigen Verbindungen, wie H2S, unbeständig.  Kupfer ist empfindlich gegen Erosionskorrosion. Der Angriff wächst mit dem Gehalt an gelösten Sauerstoff und anderen Oxidationsmitteln. In sauerstofffreiem Wasser hoher Geschwindigkeit bis zu mindestes 8m/s ist die Erosionskorrosion praktisch null. 11.2 Aluminium – Korrosion und Beständigkeit An 2. Stelle hinter Kupfer wird Aluminium in Wärmesenken eingesetzt. Sowie aber beide Materialien gemeinsam in einem Kühlkreis eingesetzt werden, ist eine Korrosion, insbesondere eine galvanische Korrosion nicht auszuschließen. Des Weiteren sind folgende Kriterien zu beachten:  Aluminium ist nur einsetzbar in einem pH- Bereich von 5,5 – 8,5. In diesem pH- Bereich ist Aluminium korrosionsbeständig, es passiviert sich bei Berührung mit Wasser.  Aluminium benötigt auf der Oberfläche einen Passivfilm aus Aluminiumoxid. Unter Belägen (auch unter Biofilmen) und in Spalten (Beschädigung der Oxidschicht) wird das Metall verstärkt angegriffen.  Bei einem pH- Wert > 8,5 verliert Aluminium seine Schutzschicht, wird immer dunkler und beginnt sich zu lösen.  Spuren von Schwermetallen (Cu2+, Fe3+, …) zerstören die Passivität. Es bilden sich galvanische Zellen an den niedergeschlagenen Elementen Cu, Fe, …, die die lokale Auflösung von Aluminium verstärken.  In chloridhaltigen Wässern neigt Aluminium zu Lochfraß, vor allem in Spalten. Seite 35 von 60
  37. 37. 11.3 Verzinkter Stahl – Korrosion und Beständigkeit Da Eisen und Stahl besonders Korrosionsanfällig sind (Rostbildung durch Oxidation), kommt in vielen Anwendungsfällen verzinkter Stahl zum Einsatz, denn:  Zink ist unedler als Eisen und bietet auf Stahl eine anodische Schutzwirkung – wirkt als Opferanode.  Zinkschichten auf Stahl sind relativ beständig unter atmosphärischen Bedingungen (an Luft ca. 20 Jahre).  Im Kühlwasser allerdings löst sich der Zinküberzug relativ schnell auf, bildet sogenannten weißen Rost. Deshalb darf verzinkter Stahl in Kühlsystemen ohne spezielle Kühlwasserbehandlung nicht eingesetzt werden.  Eine hohe Beständigkeit kann aber im Kühlwasserbereich mit phosphathaltigen Inhibitoren und pH- Wertkontrolle erreicht werden. Zusätzlich ist eine Vorpassivierung sehr wichtig.  Bei der Anwendung mit anderen Metallen besteht die Gefahr einer galvanischen Korrosion  In belüfteten heißen Wässern tritt oberhalb von 60°C eine Potentialumkehr zwischen Zink und Eisen ein. Zink wird dann kathodisch und verursacht lochförmige Korrosion im Grundmetall. In kritisch geschlossenen Systemen sollte deshalb auf die Verwendung von Zink verzichtet werden! 12. Physikalische und chemische Behandlung des Wassers in geschlossenen Kühlsystemen Aus den bisher beschriebenen Kapiteln ist klar ersichtlich, dass ohne eine Behandlung des Kühlmediums keine längere Standzeit möglich ist. Um ein langfristig stabiles Verhalten zu erreichen, sind mehrere Maßnahmen erforderlich, die sich im Wesentlichen auf 2 Grundsatzmethoden, der physikalischen und der chemischen Behandlung eingrenzen lassen. 12.1 Physikalische Behandlungsmethoden Die physikalischen Behandlungsmethoden beginnen bereits bei der Konzeption des gesamten Kühlkreises. Bereits hier ist die erste Abstimmung zwischen Laserhersteller und Kühlgerätehersteller sinnvoll. Möglichst unter Einbeziehung des Kühlwasser- bzw. Inhibitorlieferanten. Dabei sind folgende Kriterien besonders zu berücksichtigen:  Die mechanischen Aspekte und das Systemdesign, um schon zu Beginn die richtigen Materialien (Werkstoffe) und Oberflächen festzulegen. Wichtig ist auch die Konstruktion bezüglich Einhaltung der optimalen Strömungsgeschwindigkeiten und Vorrichtungen, die eine mechanische Reinigung des Systems ermöglichen. Seite 36 von 60
  38. 38.  Sehr wichtig ist die Integration einer Filtration bzw. Teilfiltration zur Entfernung von: - suspendierenden Stoffen - Mikroorganismen - Abgetöteten Mikroorganismen - Nährstoffen Je feiner die Filtration ausgelegt wird, umso effizienter ist die Entfernung der o.a. Stoffe. Der negative Nebeneffekt ist allerdings eine Druckerhöhung im System, der von der Pumpe kompensiert werden muss. Die optimalen Bedingungen sind bereits bei der Konstruktion festzuschreiben.  Bestrahlungsverfahren, z.B. mit UV- Licht, um evtl. vorhandene Algen abzutöten  Erhitzen (> 70°C) führt zur Eliminierung eines erheblichen Anteils von vorhandenen Bakterien  pH- Wert Kontrolle Der pH- Wert hat nicht nur einen erheblichen Einfluss auf die Korrosion von Metallen, sondern beeinflusst auch das bakterielle Wachstum und die Wirksamkeit von Bioziden. 12.1.1 Systemreinigung und Passivierung Sehr wichtig bei der Inbetriebnahme eines neuen Systems ist die Reinigung und Passivierung der Anlage. Diese muss vor der ersten Wasserbehandlung erfolgen. Damit werden folgende Vorteile erwirkt:  Eine Systemspülung kann bis zu 75% der durch die Fertigung entstandenen Verschmutzungen entfernen.  Eine System Vorbehandlung reinigt ein System, entfernt den Zunder, sowie Öle, Fette, Schutzpartikel und andere Verunreinigungen aus der Zeit des Sytemaufbaus.  Rohrleitungen und Equipmentoberflächen werden passiviert.  Es werden Inhibitor- Schutzschichten aufgebaut, wodurch eine Korrosion der Metalle minimiert wird.  Die Systemreinigung reduziert das mikrobiologische Wachstum und minimiert eine mikrobiologisch induzierte Korrosion Die Systemreinigung sollte möglichst in Abstimmung mit der eingesetzten Inhibitorenmischung erfolgen, um so eine optimale, ineinander übergreifende Wirkung, zu erzielen. 12.2 Chemische Behandlungsmethoden Chemische Behandlungsmethoden basieren auf der Zugabe bestimmter Substanzen zum Kühlmedium, die dieses derart beeinflussen, dass die Metalle vor Seite 37 von 60
  39. 39. korrosiven Angriffen geschützt werden. Man spricht hierbei von chemischen Inhibitoren. Man unterscheidet je nach Wirkung zwischen nachfolgenden Inhibitoren:  Filminhibitoren Filminhibitoren sind molekulare Schichten auf blanker Metalloberfläche, die dann diese vor korrosiven Angriffen schützen. Der Film bildet sich direkt durch die Zugabe des Inhibitors ohne weitere chemische Reaktion aus. Die Schichtdicke befindet sich im nm- Bereich und ist nicht sichtbar. Typisch für diese Inhibitoren ist der Einsatz von Triazolen zum Schutz von Kupfer.  Membraninhibitoren Membraninhibitoren sind sogenannte physikalische Barrieren, die sich als dickerer, eigener Schutzfilm aus oxidischen Korrosionsprodukten und/oder Inhibitoren bilden. Das können gelöste Substanzen sein, die durch Reaktionen Ausfällungen auf der Metalloberfläche bilden und diese dann vor weiteren Angriffen schützen. Diese Schichten stellen eine physikalische Barriere für den Massentransport dar und wirken auch als elektrischer Isolator. Bei den Membraninhibitoren unterscheiden wir zwischen den kathodischen und anodischen Inhibitoren. Diese müssen nach der Bildung der Schutzschichten folgenden Kriterien entsprechen: - Die Dicke soll möglicht gering sein (~ 10 – 20 nm) - Von der Struktur her soll diese Schicht dicht sein (vergleichbar mit passiven Oxidschichten wie z.B. Al2O3 (Korund)) - Es muss eine exzellente Haftung am Metall vorhanden sein - Die Schicht muss chemisch stabil sein 12.2.1 Anodische Inhibitoren Typische Substanzen der anodischen Inhibitoren sind:  Orthophosphat  Silikat  Nitrit  Molybdat  Sauerstoff (für die organische Inhibierung) Orthophosphat (H3PO4) wird zum Korrosionsschutz von Eisen eingesetzt. Als anodischer Inhibitor bildet Orthophosphat eine unlösliche Verbindung mit primärem Fe(II) auf der Anode. Bekannt in der Technik ist z.B. die Entrostung durch Phosphorsäure. Dabei bildet sich eine Schutzschicht (Vivianit) auf dem Eisen, welches dieses vor weiterer Korrosion schützt. Mit Orthophosphat kann aber auch eine kathodische Inhibierung erfolgen, wenn sich Kalzium im Kreis befindet und sich dann Calciumphosphat (Hydroxylapatit) bildet. Dieses stellt eine Barriere für die Elektronenleitung und Sauerstoffdiffusion dar. Seite 38 von 60

×