1. Leitlinien
für die optimale
Kühlwasserversorgung
in Laseranlagen

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
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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
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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
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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
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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,
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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.
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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.
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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
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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)
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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)
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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.
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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
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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)
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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.
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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.
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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.
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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)
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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.
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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.
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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.
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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)
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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)
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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)
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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)
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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)
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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.
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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.
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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
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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.
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