Foto der Internationalen Raumstation mit freundlicher Genehmigung der NASA

Obwohl die große Mehrheit von uns nicht unter ganz so extremen Bedingungen arbeitet, wie Sie auf der Internationalen Raumstation (ISS) anzutreffen sind, ist den meisten von uns die dauerhafte Funktionstüchtigkeit unserer Systeme ein großes Anliegen. Am 31. Juli fiel ein Flüssigkeitskühlsystem auf der Internationalen Raumstation aus, wodurch sich die Besatzung gezwungen sah, mehrere vitaler Systeme der Station abzuschalten. Dieser Störfall an Bord der ISS ruft uns einmal mehr in Erinnerung, wie wichtig es ist, Redundanz in die Entwicklung von kritischen Systemen einzubeziehen und Ersatzteile zur sofortigen Verfügbarkeit bereitzuhalten.

Der Ausfall auf der ISS war die Folge einer Fehlfunktion eines Pumpenmoduls in einem der beiden großen Flüssigkühlkreisläufe der Station. Das zweite oder Ersatzkühlsystem hält die ISS in Gang. Allerdings mussten einige Systeme der Station abgeschaltet werden, da die Ersatzkühlung allein nicht 100 % des Betriebs bewältigen kann.  Die Besatzung hat nun vor, das Pumpenmodul in dieser Woche durch eines von zwei auf der Station verfügbaren Ersatzpumpenmodulen zu ersetzen. Dafür ist zwar ein Weltraumspaziergang notwendig, aber wenigstens braucht das Ersatzmodul nicht erst von der Erde ins All geschickt zu werden!

Die Flüssigkeitskühlsysteme der Station entziehen der Elektronik Abwärme mithilfe von Kühlplatten und Wärmetauschern. Jedes Kühlsystem verfügt über zwei getrennte Kühlkreisläufe. Die prozessseitigen Kühlkreisläufe innerhalb der Raumstation verwenden Wasser als Kühlmittel, während die externen Kühlkreisläufe Ammoniak einsetzen, um ein Gefrieren zu verhindern.

In einem Artikel auf Space.com über den Ausfall schreibt Denise Chow: „…obwohl die Komplexität der Teile der Raumstation manchmal zu technischen Problemen führen kann, war es gerade auch die Wechselwirkung zwischen diesen komplexen Systemen, was den Betrieb der Station über ein Jahrzehnt erfolgreich aufrechterhalten hat.“ Laut Boeing war dies der erste Ausfall des Kühlsystems.

Kühlsysteme, die für viele Anwendungen wie beispielsweise die Kühlung von Rechenzentren, medizinischen Geräten oder Fertigungsprozessen eingesetzt werden, gelten häufig als „erfolgskritische“ Einrichtungen. Um diese Herausforderung zu bewältigen, kann Lytron Kühlsysteme mit Redundanzen und anderen Optionen entwickeln und herstellen, die eine dauerhafte Betriebszeit gewährleisten. Lytrons LCS50 Flüssigkeitskühlsystem für Rechenzentren beispielsweise verfügt über redundante Pumpen und redundante Regelklappen (optional) sowie Absperrventile, damit alle wichtigen Komponenten bei laufendem Betrieb ausgetauscht werden können. Lytron bietet auch Ersatzteile für seine Kühlsysteme an. 

Quellen:

http://www.space.com/businesstechnology/international-space-station-complexities-100802.html

http://www.nasa.gov/mission_pages/station/main/index.html

http://www.nytimes.com/2010/08/02/science/space/02shuttle.html

Dentallaser-Wärmetauscher

Für medizinische Laser ist häufig die Verwendung von Flüssigkühlung erforderlich, um eine genaue Laserwellenlänge und durchgängig effizientere Ergebnisse aufrechtzuerhalten, damit die gewünschte Laserstrahlqualität bzw. eine geringere Belastung des Lasersystems durch Wärmespannung erzielt werden kann. Auf der linken Seite ist ein kundenpezifischer Kühlrippenwärmetauscher aus Edelstahl dargestellt, den Lytron kürzlich für einen OEM-Kunden zur Kühlung eines Dentallasers konzipiert und hergestellt hat. Der kundenpezifische Kühlrippenwärmetauscher aus Edelstahl ist dem standardmäßigen Kühlrippenwärmetauscher aus Edelstahl der Serie 4000 von Lytron sehr ähnlich, allerdings besitzt er kundenspezifische Abmessungen, um die spezifischen Anforderungen des OEM-Kunden zu erfüllen.

Dentallaser erfordern in der Regel eine Flüssigkeitspassage aus Edelstahl im Wärmetauscher, da deionisiertes Wasser (DI-Wasser) durch ihre Mikrokanäle fließt, um die Dioden des Lasers zu kühlen. Im Gegensatz zu Kupfer und Aluminium ist Edelstahl für DI-Wasser und andere korrosive Fluide geeignet. Weitere Informationen finden Sie in unserem Anwendungshinweis „Flüssigkühlung eines Lasers zur Systemoptimierung“.

Vakuumkammer und Helium-Leckdetektor

Lytron hat kürzlich eine neue Vakuumkammer und einen Helium-Leckdetektor zum Testen von kundenspezifischen Kühlplatten und kundenspezifischen Wärmetauschern für Luft- und Raumfahrtanwendungen gekauft. Der Helium-Leckdetektor erkennt Lecks bis zu 10^-12 mbar l/s.  Die Vakuumkammer ist 127,00 cm lang und hat einen Durchmesser von 76,20 cm. Sie kann verwendet werden, um Teile mit einer Länge von bis zu 111,76 cm und einer Breite von bis zu 73,66 cm zu testen. Der Kauf der Vakuumkammer und des Helium-Leckdetektors trägt zur Erweiterung der internen Testmöglichkeiten von Lytron bei. Weitere Auskünfte erteilt Lytron gerne telefonisch unter der Rufnummer +1-781-933-7300.

SEM-Bild von Aluminiumoxid-Nanopartikeln mit freundlicher Genehmigung des Olin College of Engineering

Die Forschung nach Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistung von Kühlplatten und Wärmetauschern im Umgang mit einer steigenden Verlustleistungsdichte für elektronische Kühlanlagen wird fortgesetzt. Dr. Jessica Townsend, Assistenzprofessorin für Maschinenbau am Franklin W. Olin College of Engineering, hat kürzlich mit ihrer Kollegin Dr. Rebecca J. Christianson, Assistenzprofessorin für Angewandte Physik, eine Arbeit zu Nanofluiden veröffentlicht. Die Arbeit „Nanofluid Properties and Their Effects on Convective Heat Transfer in an Electronics Cooling Application“ (Nanofluid-Eigenschaften und ihre Auswirkungen auf die konvektive Wärmeübertragung in einer elektronischen Kühlungsanwendung) weist einige vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf die Nutzung von Nanofluiden für die Flüssigkeitskühlung auf.

Ein Ergebnis der Forschungsarbeit von Dr. Townsend und Dr. Christianson ist eine zusätzliche Reduzierung der Chip-Temperatur um bis zu 8°C, wenn ein Nanofluid aus Aluminiumoxid in Wasser mit einem Volumenanteil von einem Prozent als Kühlmittel in einem Flüssigkeitskühlsystem anstelle von deionisiertem Wasser verwendet wird. Aluminiumoxid in Wasser mit einem Volumenanteil von zwei und fünf Prozent wurde auch untersucht, führte jedoch zu einer viel geringeren Reduzierung der Sperrschichttemperatur.

Dr. Townsend und Dr. Christianson haben die Durchführung weiterer experimenteller Studien geplant, um zu untersuchen, ob sich die Nanofluid-Wärmeleitung anomal bei ansteigender Temperatur erhöht und ob die Nanopartikelgröße dabei ein Faktor ist. Dadurch könnte sich die Möglichkeit ergeben, Nanofluide für mehr Leistungseffizienz in bestimmten Temperaturbereichen anpassen zu können.

Die folgenden Arbeiten wurden uns von Dr. Townsend empfohlen, um mehr über Nanofluide zu erfahren:

 Townsend, J, Christianson, R. J., 2009, „Nanofluid Properties and Their Effects on Convective Heat Transfer in an Electronics Cooling Application“, Journal of Thermal Science and Engineering Applications, Transactions of the ASME, Vol. 1 / 031006-1.

Faulkner, D. J., Rector, D. R., Davidson, J. J., Shekarriz, R., 2004, „Enhanced Heat Transfer Through the Use of Nanofluids in Forced Convection“, Proceedings of the 2004 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Seiten 219-224.

Lee, J., Mudawar, I., 2007, „Assessment of the Effectiveness of Nanofluids for Single-Phase and Two-Phase Heat Transfer in Micro-Channels“, International Journal of Heat and Mass Transfer, 50(3-4), Seiten 452-463.

Chein, R., Chuang, J., 2007, „Experimental Microchannel Heat Sink Performance Studies Using Nanofluids“, International Journal of Thermal Sciences, 46(1), Seiten 57-66.

Valencia, G. E., Ramos, M. A., Bula, A. J., 2007, „Experimental Evaluation of the Convective Heat Transfer Coefficients in a Nanofluid-Cooled Milli Channels Heat Sink“, Proceedings of the 2007 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Seiten 31-37.

Kühlplattenbearbeitungszentrum

Lytron gab gestern den Erwerb eines neuen Mazak HCN 5000-II Horizontal-Bearbeitungszentrums (HMC) bekannt. Damit will Lytron die Leistungsfähigkeit und Kapazität seines Werks erhöhen. “Mithilfe des neu erworbenen Mazak HMC wollen wir Kühlplatten und Gehäuse allererster Qualität liefern,” erklärt Kathleen Schoonmaker, Vice President of Operation bei Lytron. “Das HMC reduziert nicht nur den für die maschinelle Bearbeitung komplexer Kühlplatten erforderlichen Zeitaufwand, sondern gewährleistet gleichzeitig auch höchste Qualität und Zuverlässigkeit unserer Produkte.” Pressemitteilung lesen.

Edelstahlrohre

Ein Artikel mit dem Titel “Comparing Stainless Steel and Other Metals” (Edelstahl und andere Metalle im Vergleich), der vor Kurzem auf MachineDesign.com veröffentlicht wurde,  setzt sich mit den verschiedenen Edelstahltypen, ihren Eigenschaften sowie den Herausforderungen bei der Herstellung auseinander und gibt einen ausgezeichneten Überblick darüber, was Edelstahl eigentlich ist. Der von Norm Ellis verfasste Artikel beschäftigt sich in erster Linie mit der Verwendung von Edelstahl in der Luft- und Raumfahrt-Industrie. Dabei zeigt er in einer Vergleichstabelle die unterschiedlichen Chrom- und Nickelanteile sowie Eigenschaften (Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung und Härte) der verschiedenen Edelstahltypen (austenitisch, ferritisch, martensitisch, ausscheidungshärtend und Duplex) auf.  Stahl ist zwar um 66 % schwerer als Aluminium. Aber für die Luftfahrzeugingenieure ist in erster Linie die spezifische Festigkeit des Stahls von Interesse. (Die spezifische Festigkeit ist das Verhältnis von Festigkeit zu Dichte.)

Laut Definition des American Iron and Steel Institute (Amerikanisches Institut für Stahl und Eisen) handelt es sich bei Edelstahl um Stahl, der mit oder ohne andere Legierungselemente mehr als 10 % Chrom enthält. Edelstahl ist beständig gegen Korrosion, bewahrt seine Festigkeit bei hohen Temperaturen und ist leicht instandzuhalten oder keimfrei zu machen. Aus diesen Gründen wird Edelstahl häufig in der Nahrungsmittelindustrie, in der Medizin und im Transportwesen  sowie in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

Eine der meist verwendeten Edelstahlsorten ist Stahl vom Typ 316, den auch Lytron für die Rohre seiner serienmäßigen Edelstahl-Wärmetauscher und einige Röhrenkühlplatten gebraucht. Dabei handelt es sich um austenitischen Edelstahl (Chrom-Nickel) mit 2 % – 3 % Molybdängehalt. Die Einbeziehung von Molybdän verleiht dem 316er Stahl eine bessere Beständigkeit gegen verschiedene Formen der Qualitätsverschlechterung, während Nickel und Mangan dafür sorgen, dass das Metall seine austenitische Mikrostruktur bewahrt. Austenitischer Edelstahl weist im Allgemeinen die besten Korrosionsschutzeigenschaften von allen Edelstahlsorten auf, da er mindestens 16 % Chrom enthält. Diese Legierungen sind außerdem schweißbar, was insbesondere bei der Herstellung von Wärmetauschern und Kühlplatten wichtig ist.   

Bei der Auswahl von Metallen für Komponenten oder Systeme zur Flüssigkühlung sind zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen. Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit sind nur zwei davon. Bei den meisten Anwendungen zur Flüssigkühlung in der Raum- und Luftfahrt ist das Gewicht ein weiterer wichtiger Faktor. Vakuumgelötete Aluminium-Wärmetauscher werden normalerweise als Kühltechnik gewählt, weil sie nicht nur leicht, sondern auch stabil sind. Bei Anwendungen, bei welchen das Gewicht eine eher untergeordnete Rolle spielt, könnten die Festigkeit und Reinheit des Edelstahls ein gutes Argument dafür sein, diesem Material treu zu bleiben.

Colburn-Faktoren und Reibungsbeiwerte nach Kays und London

In Lytrons neuestem Anwendungshinweis  werden die Herausforderungen untersucht, die sich beim Einsatz von Thermodesign-Softwareprogrammen auf der Basis der Colburn-Faktoren und Reibungsbeiwerte nach Kays und London zur Entwicklung von Kühlplatten und Wärmetauschern ergeben. Dabei werden die Genauigkeit, die Herstellbarkeit und der Kostenfaktor unter die Lupe genommen. Lesen Sie den Anwendungshinweis.