Korrosionsvermeidung in Flüssigkeitskühlsystemen

Wasser und Wasser-Glykol-Lösungen sind die Standard-Wärmeträgerflüssigkeiten in industriellen Flüssigkeitskühlkreisläufen. Aufgrund ihrer elektrochemischen Aktivität wirken sie jedoch korrosiv auf die Metalle, mit denen sie in Kontakt kommen. Dieser Artikel behandelt die drei Hauptkorrosionsmechanismen – chemische Korrosion, galvanische Korrosion und Erosionskorrosion – sowie die Konstruktionsentscheidungen, die Kühlmittelzusammensetzung und die Wartungspraktiken, die diese jeweils kontrollieren. Die Hinweise sind besonders relevant für Flüssigkühlplatten und Plattenwärmetauscher Diese Kühlsysteme werden im Wärmemanagement von Elektrofahrzeugbatterien und in der Kühlung von Energiespeichersystemen eingesetzt. Die angegebenen pH-Werte, Chloridgrenzwerte und Inhibitortypen dienen als Referenzwerte. Die tatsächlichen Werte müssen anhand der Spezifikationen des Kühlmittelherstellers, der verwendeten Legierungen und Fügematerialien sowie der Betriebsbedingungen validiert werden.

Warum Flüssigkeitskühlkreisläufe von Natur aus korrosionsanfällig sind

Das Korrosionsrisiko in Flüssigkeitskühlkreisläufen ist in der chemischen Zusammensetzung wasserbasierter Kühlmittel und der damit in Kontakt kommenden Metalle begründet. Gelöster Sauerstoff ist der Hauptbeschleuniger. In geschlossenen Kreisläufen wird er in den ersten Betriebswochen verbraucht, danach sinkt die Korrosionsrate deutlich. Offene Kreisläufe hingegen erhalten durch den Kontakt mit Luft kontinuierlich Sauerstoff, wodurch die Korrosionsrate während des gesamten Betriebs höher bleibt.

Kühlmittel-pH-Wert, Leitfähigkeit, Inhibitorkonzentration, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit und die spezifische Kombination der benetzten Materialien beeinflussen gemeinsam den dominierenden Korrosionsmechanismus. Kein einzelner Parameter allein bestimmt das Korrosionsverhalten.

Korrosion wird in allgemeine und lokale Korrosion unterteilt. Allgemeine Korrosion führt zu gleichmäßigem Materialabtrag über eine Oberfläche – vorhersehbar und in der Regel vor einem Bauteilversagen erkennbar. Lokalisierte Korrosion, vorwiegend Lochfraß, dringt schnell durch dünnwandige Bauteile wie Kühlplattenkanäle und verursacht oft Leckagen, bevor Oberflächenschäden sichtbar sind.

Galvanische Korrosion: Unterschiedliche Metalle und elektrochemisches Risiko

Galvanische Korrosion tritt auf, wenn zwei Metalle mit unterschiedlichen elektrochemischen Potenzialen in einem leitfähigen Kühlmittel elektrisch verbunden sind. Das Kühlmittel fungiert dabei als Elektrolyt, und das unedlere Metall korrodiert bevorzugt. Die Korrosionsrate hängt von der Potenzialdifferenz, der Leitfähigkeit des Kühlmittels, dem pH-Wert, der chemischen Zusammensetzung des Inhibitors, dem Verhältnis der Anoden- zur Kathodenfläche, der Temperatur und dem Vorhandensein eines ununterbrochenen elektrischen Pfades zwischen den Komponenten ab.

Aluminium und Kupfer stellen in leitfähigen, wasserbasierten Kühlmitteln ein hohes Risiko dar. Ohne geeignete Inhibitoren oder galvanische Trennung ist bei einer Aluminium-Kühlplatte, die mit Kupfer- oder Messingkomponenten im selben Stromkreis verbunden ist, mit beschleunigter Korrosion zu rechnen. Die tatsächliche Korrosionsrate hängt jedoch von allen oben genannten Faktoren ab. Stromkreise, die Aluminium mit Kupfer oder Messing kombinieren, sollten anhand der jeweiligen Kühlmittelzusammensetzung bewertet und nicht generell als verboten betrachtet werden. Einige Inhibitoren sind für Stromkreise mit gemischten Metallen zugelassen. Wo unterschiedliche Metalle unvermeidbar sind, können dielektrische Verbindungen den elektrischen Pfad an den Materialübergängen unterbrechen.

Das galvanische Risiko erstreckt sich auf alle medienberührten Bauteile – Armaturen, Verbinder, Ventile und Klemmen tragen alle elektrochemisch dazu bei. Die Materialverträglichkeit muss für den gesamten Fluidweg geprüft werden.

Erosionskorrosion: Strömungsgeometrie, Partikel und Durchflussgrenzen der Komponenten

Erosionskorrosion tritt auf, wenn die Kühlmittelgeschwindigkeit ausreicht, um die schützende Oxidschicht von Metalloberflächen mechanisch abzutragen. Dadurch wird das Grundmetall chemischen Angriffen ausgesetzt, bevor sich die Oxidschicht neu bilden kann. Dieser Prozess verstärkt sich selbst, da die Strömung jede neu entstehende Schicht abträgt. Das Risiko konzentriert sich dort, wo sich Strömungsrichtung oder -geschwindigkeit abrupt ändern – in Kanalkrümmungen, Einlasskrümmern, abrupten Durchmesserübergängen und Bereichen stromabwärts von turbulenzerzeugenden Geometrien.

Es gibt keinen allgemeingültigen Grenzwert für die sichere Durchflussgeschwindigkeit aller Kühlplatten. Die maximale Durchflussrate muss dem Datenblatt des Komponentenherstellers entnommen und hinsichtlich Kanalgeometrie, Kühlmittelzusammensetzung, Filterqualität und Druckverlustgrenzen für die jeweilige Anlage validiert werden.

Kühlmittel, das Schwebstoffe enthält – beispielsweise aus Korrosionsprodukten, Ablagerungen oder unzureichender Filtration – verstärkt den Erosionsmechanismus selbst bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten. Partikelfilter sind daher nicht nur eine Maßnahme zur Reinhaltung, sondern auch ein Bestandteil des Korrosionsschutzes.

Zu den Kontrollmaßnahmen gehören größere Krümmungsradien, allmähliche Durchmesseränderungen an den Verteilereingängen, glatte Innenflächen der Kanäle, reduzierter Sauerstoffgehalt und eine der Kanalgeometrie angepasste Filtration. Die für die Komponenten festgelegten maximalen Durchflussraten dürfen bei der Inbetriebnahme oder der Spülung im Rahmen der Wartung nicht überschritten werden.

Kühlmittelchemie: pH-Wert, Inhibitoren und Überwachung

Wirksam Kühlmittelauswahl Bei Aluminium-Kühlplatten werden drei voneinander abhängige Kontrollmechanismen berücksichtigt: pH-Stabilität, auf die vorhandenen Metalle abgestimmte Inhibitorchemie und der während der Nutzungsdauer aufrechterhaltene Glykolzustand.

pH-Wert: Für Kühlkreisläufe mit überwiegend Aluminiumanteil empfehlen viele Kühlmittelhersteller einen pH-Wert im neutralen bis leicht alkalischen Bereich – üblicherweise 7,0–8,5. Dies schützt die Aluminiumoxidschicht sowohl vor saurer Lochfraßkorrosion als auch vor alkalischer Auflösung. Bei Mischmetallkreisläufen und glykolbasierten Kühlmitteln können je nach Inhibitoren und verwendeten Materialien andere pH-Bereiche, z. B. 8,0–10,5, erforderlich sein. Die Spezifikation des Kühlmittelherstellers ist maßgebend; die oben genannten Bereiche dienen lediglich als Richtwerte.

Inhibitorselektion durch Metall:

• Phosphate: Wirksam auf Eisen, Stahl und den meisten Aluminiumsorten
• Tolyltriazol (TT) / Benzotriazol (BT): Wirksam auf Kupfer und Messing; Standard in Mischmetall-Schutzschaltungen
• Silikate: Breites Wirkungsspektrum bei niedrigen Konzentrationen; Ablagerungsgefahr bei höheren Konzentrationen oder erhöhten Temperaturen
• Nitrite: Wirksam auf Eisenmetallen; nicht geeignet bei hohen Konzentrationen, wenn Zinn-Blei-Lot vorhanden ist
• Molybdate: Wirksam auf Eisenmetallen; weit verbreitet als Ersatz für ältere, chromatbasierte Inhibitoren.

Inhibitoren werden durch chemischen Verbrauch und thermische Zersetzung abgebaut. Die Konzentration muss in regelmäßigen Abständen überprüft werden – die verstrichene Zeit allein ist kein zuverlässiger Indikator.

Überwachung: Ein Refraktometer misst lediglich die Glykolkonzentration. Die Inhibitorkonzentration muss separat überprüft werden – entweder mit dem Testkit des Kühlmittelherstellers, mittels kolorimetrischer oder titrimetrischer Methode oder durch Laboranalysen wie ICP-OES oder Ionenchromatographie, wenn eine engmaschigere Überwachung erforderlich ist. pH-Wert und Inhibitorkonzentration sollten innerhalb von 24–48 Stunden nach jeder Spülung oder Nachfüllung erneut überprüft werden, sobald das System die Betriebstemperatur erreicht hat.

Normen und Prüfmethoden für die Korrosionskontrolle

Bei der Spezifizierung des Korrosionsschutzes sollten etablierte Prüfmethoden und Richtlinien herangezogen werden, anstatt sich auf generische Parameter zu verlassen:

Bei Anwendungen in Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen sollte die Kühlmittelqualifizierung neben der Korrosionsbeständigkeit auch die Belastung durch Temperaturwechsel an medienberührten Verbindungen, die Vibrationsbelastung und die Frostschutzleistung berücksichtigen.

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Aluminiumlegierung und Lötkonstruktionsüberlegungen

Die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium-Kühlplatten hängt ab von Kühlplattendesign Entscheidungen – Legierungsauswahl, Lötdesign, Oberflächenbeschaffenheit und Kühlmittelverträglichkeit – nicht nur die Kühlmittelchemie.

• Legierungsauswahl: Legierungen der 3xxx-Serie (Manganbasis) werden aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Kühlmittelumgebungen häufig in Wärmetauschern und Lötblechen eingesetzt. Legierungen der 6xxx-Serie (Magnesium-Silizium) bieten eine höhere Festigkeit und werden häufig für bearbeitete oder extrudierte Kühlplatten verwendet. Ihr Korrosionsverhalten muss hinsichtlich Chloridgehalt, pH-Wert, Oberflächenbehandlung und Fügeverfahren geprüft werden.
• Lötverkleidung: Bei einigen Lötblechkonstruktionen ist die Deckschicht so ausgelegt, dass sie etwas anodischer als die Kernlegierung ist. Dies bietet einen gewissen Opferanodenschutz für das Strukturmaterial – ähnlich dem Prinzip von Zinkanoden im maritimen Korrosionsschutz. Dies sollte jedoch nicht für alle gelöteten Kühlplatten vorausgesetzt werden. Die Zusammensetzung der Deckschichtlegierung, der Fülllegierung, der Kernlegierung und der Oberflächenzustand nach dem Löten müssen für die jeweilige Anwendung spezifiziert und validiert werden.
• Oberflächenbeschaffenheit: Die Oberflächenrauheit im Inneren des Kanals erzeugt lokale Turbulenzen, die die Erosionskorrosion bei den üblichen Strömungsgeschwindigkeiten beschleunigen. Glatte Innenflächen und sanfte Übergänge zwischen den Kanälen verringern dieses Risiko, ohne die thermische Leistung zu beeinträchtigen.

Unsere Wasserkühlplatten werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt, die speziell für den Einsatz in Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen ausgewählt wurden. Die Kanalgeometrie und Oberflächenbeschaffenheit wurden für eine langfristige Korrosionsbeständigkeit entwickelt.

Wartungsplan für langfristigen Korrosionsschutz

Der folgende Zeitplan unterstützt ESS-Lebensdauer indem man Probleme mit der Kühlmittelchemie erkennt, bevor sie zu Bauteilschäden führen.

Ein pH-Wert außerhalb des vom Kühlmittelhersteller vorgegebenen Bereichs erfordert sofortiges Spülen und Nachfüllen. Der Versuch einer pH-Wert-Korrektur im laufenden Betrieb beschleunigt Korrosionsschäden, die im Nachhinein nicht mehr rückgängig gemacht werden können.

Schlussfolgerung

Die Korrosionskontrolle in Aluminium-Flüssigkeitskühlkreisläufen erfordert die Abstimmung von Kühlmittelchemie, Materialauswahl und Wartungspraktiken auf die jeweiligen Systembedingungen. Die häufigsten Ausfallursachen bei Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen – Lochfraß durch Halogenidverunreinigungen, galvanische Korrosion an Mischmetallverbindungen und Erosion in Kanälen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit – lassen sich jeweils durch definierte technische Maßnahmen beheben. Diese sind am wirksamsten, wenn sie bereits in der Konstruktionsphase berücksichtigt werden.

Bei den von uns für das Wärmemanagement von Elektrofahrzeugbatterien und Energiespeichersystemen entwickelten Kühlplatten bestimmen drei Faktoren maßgeblich die Langzeitkorrosionsbeständigkeit: die Spezifikation der Legierung und der Lötbeschichtung, die Qualität des einlaufenden Wassers bei der Inbetriebnahme und die während des gesamten Betriebs aufrechterhaltene Inhibitorzusammensetzung. Systeme, die innerhalb des vom Kühlmittellieferanten vorgegebenen pH-Wert- und Inhibitorbereichs in Betrieb genommen werden und durch regelmäßige Überwachung in diesem Bereich gehalten werden, erreichen in der Regel ihre geplante Lebensdauer ohne korrosionsbedingte Ausfälle.

Ingenieure, die Kühlplattenoptionen für korrosionsempfindliche Anwendungen in Elektrofahrzeugen oder Energiespeichersystemen evaluieren, können sich gerne mit ihrer Schaltungsarchitektur, Kühlmittelzusammensetzung, Materialliste und Betriebsbedingungen an uns wenden, um eine Kompatibilitätsprüfung durchzuführen. Wasser-Kühlplatten sind inklusive anwendungstechnischer Unterstützung erhältlich, die die Legierungsauswahl, Druckprüfung und Kühlmittelverträglichkeit umfasst.

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