Zweiphasenkühlung für Elektronik: Leistung, Grenzen und Prüfanforderungen

Für einen Prüfstand für flüssigkeitsgekühlte Elektronik liegen meist 2 Zahlen vor: die Verlustleistung eines Beschleunigers und die Anschlussleistung eines Racks. Beide Zahlen sind groß. Beide sagen wenig über das erforderliche Kühlverfahren. Die maßgebliche Größe steht selten im Lastenheft: die Wärmestromdichte an der Kontaktfläche. Sie entscheidet, ob ein einphasiger Wasserkreis genügt oder ob das Kühlmittel im Kanal sieden muss.

Der Beitrag ordnet den Stand ein: belegte Leistungswerte, geltende Regelwerke, physikalische Grenzen und die daraus folgenden Messaufgaben für den Prüfstand. Profectronics baut Prüfstände und betreibt keine Rechenzentren. Der Beitrag beschreibt deshalb durchgehend die Sicht des Prüffelds und nicht die Sicht des Betreibers.

ASHRAE: Wasserklassen

Die maßgebliche Einteilung der Vorlauftemperaturen steht in ASHRAE Datacom Book 1^[6]. Das begleitende Whitepaper von TC 9.9 beschreibt die Umbenennung von 2021 wörtlich^[5]:

• Aus W1 wurde W17.
• Aus W2 wurde W27.
• Aus W3 wurde W32.
• W40 kam hinzu.
• Aus W4 wurde W45.
• Aus W5 wurde W+.

Die Klassen gelten für die Vorlauftemperatur des Gebäudekreises (Facility Water System, FWS)^{[5], [7]}. Die Zahl im Klassennamen ist die höchste zulässige Vorlauftemperatur in °C. Die untere Grenze liegt bei allen Klassen bei 2 °C^[5]. W+ liegt über der Klasse W45. Hinter der CDU liegt der Vorlauf zur IT um die Temperaturdifferenz des Wärmeübertragers höher.

Die Anforderung der Klassen W40 und W45 wird am häufigsten übersehen. Ein Prüfstand für W40 braucht eine belastbare Heizung im Vorlauf. An einem kalten Wintertag muss er das Fluid aktiv auf Temperatur bringen. Eine Auslegung nur nach Kälteleistung erfasst diesen Betriebsfall nicht.

Open Compute Project: Prüfvorschriften

Für die Prüfung selbst ist das Open Compute Project (OCP) ergiebiger als ASHRAE, weil es Abnahmekriterien nennt. Die Anforderungsspezifikation für Kühlplatten von 2019 verweist auf 2 Regime für die Druckprüfung. IEC 62368-1 verlangt Dichtheitsprüfungen bei dreifachem Normalbetriebsdruck und zweifachem Druck im Fehlerfall. ASME B31.3 verlangt sie bei 1,5-fachem Auslegungsdruck. Der typische Betriebsdruckbereich beträgt 140 bis 450 kPa. Gegen Erosion nennt die Spezifikation 1,5 bis 2,1 m/s Strömungsgeschwindigkeit im Rohr^[8].

Konkreter ist das Whitepaper zur Qualifizierung^[9]. Für Prüfstandsbauer ist es das nützlichste öffentlich zugängliche OCP-Dokument. Es beschreibt Prüfungen mit Akzeptanzkriterien:

Dazu 2 Beobachtungen:

• OCP arbeitet nur mit einem relativen Druckabfallkriterium und der Blasenprüfung. Die öffentlich zugänglichen Dokumente geben keine quantitative Leckrate in mbar·l/s vor, zum Beispiel aus einer Heliumprüfung. Wer eine solche Zahl in ein Lastenheft schreibt, muss sie selbst begründen.
• Die Fluidanalytik nach ASTM steht gleichberechtigt neben der Thermik. Der Zustand des Kühlmittels über die Lebensdauer ist ein Prüfgegenstand und kein Betriebsdetail.

JEDEC: thermische Messung

Für den Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse ist JESD51-14 maßgeblich. Die Norm beschreibt die transiente Messung mit 2 Grenzflächen. Über die Strukturfunktion lässt sich daraus der konduktive Anteil abtrennen^[11]. JESD51-1 regelt die elektrische Temperaturmessung an der Sperrschicht und die Kalibrierung des temperaturempfindlichen Parameters^[12]. Für den Chip-Emulator gilt JESD51-4A^[13].

Keine Norm für Strömungssieden. Die JESD51-Reihe deckt freie und erzwungene Konvektion sowie die Kühlplatte ab. Nach der Recherche existiert kein JEDEC-Dokument, das Strömungssieden als Messumgebung normiert. Für transiente Wärmewiderstände an einer siedenden Kühlplatte fehlt damit eine normierte Randbedingung. Die Randbedingung ist dann Teil der Prüfvorschrift und muss im Protokoll stehen.

Die Druckverlustkennlinie eines beheizten Kanals ist nicht monoton. Sie hat die Form eines N mit 3 Ästen:

• Bei kleinem Massenstrom verdampft das Fluid weitgehend. Im Kanal strömt überwiegend Dampf, und der Druckverlust steigt mit dem Massenstrom.
• Mit steigendem Massenstrom sinken Dampfgehalt und spezifisches Volumen. Der Druckverlust fällt.
• Bei hohem Massenstrom überwiegt die Reibung der Flüssigkeit, und die Kennlinie steigt wieder.

Zwischen Maximum und Minimum liegt ein Bereich mit negativer Steigung.

Jeder Verteiler prägt einer Gruppe paralleler Kanäle eine gemeinsame Druckdifferenz auf. Diese Druckdifferenz kann die Kennlinie an 3 Stellen schneiden: auf dem Dampfast, auf dem fallenden Ast und auf dem Flüssigkeitsast. Der mittlere Schnittpunkt ist instabil. Eine kleine Störung lässt den Betriebspunkt sprungartig auf den heißen Ast wandern. Diese statische Instabilität ist nach Ledinegg benannt. In der Systematik steht sie neben den dynamischen Formen wie Dichtewellenoszillation und Druckverlustoszillation^[17].

Eine Messung an thermisch entkoppelten parallelen Mikrokanälen zeigt die Größe des Effekts. Die Leistung stieg um 0,6 W, von 2,6 auf 3,2 W. Die Wandtemperatur des verhungernden Kanals sprang dabei von 124 °C auf 219 °C. Die mittlere Massenstromdichte fiel nur von 400 auf 368 kg/(m²·s). Der Druckverlust stieg von rund 3,5 auf 11,7 kPa^[16].

0,6 W Laständerung erzeugen einen Temperatursprung von 95 K. Ein Zweiphasenprüfstand muss deshalb die Temperatur schnell und je Zweig messen. Ein Mittelwert über die Kühlplattenreihe zeigt diesen Vorgang nicht.

Eintrittsdrossel als Gegenmaßnahme

Das übliche Mittel ist die Eintrittsdrossel: eine Blende oder Kapillare vor jedem Kanal. Ihr einphasiger Druckverlust wächst quadratisch mit dem Durchfluss. Sie hebt den fallenden Teil der Kennlinie so weit an, dass die Gesamtkennlinie monoton steigt. Dann bleibt nur 1 Schnittpunkt^{[17], [16]}. Die Drossel kostet Pumpleistung. Für den Prüfstand bringt sie eine zusätzliche Unbekannte: Ihr Druckverlust liegt zwischen Messstelle und Kühlplatte.

Daraus folgt eine Konstruktionsregel für den Prüfstand: Die Druckmessstelle für die Kühlplatte gehört hinter die Drossel. Wenn der Prüfstand den Verteilerdruck als Eintrittsdruck der Kühlplatte protokolliert, dann enthält die Messung den Drosselverlust. Der ermittelte Wärmewiderstand ändert sich dann beim nächsten Blendenwechsel, obwohl die Kühlplatte gleich bleibt.

Für die gesamte Zweiphasentechnik besteht eine regulatorische Frage, die sich technisch nicht lösen lässt. 3M kündigte im Dezember 2022 an, die Fertigung von per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) bis Ende 2025 zu beenden. Das Unternehmen kündigte zugleich an, PFAS aus dem gesamten Produktportfolio zu nehmen^[27]. Nach Unternehmensangabe ist der Ausstieg zum Ende des Jahres 2025 vollzogen. Restbestände aus früherer Fertigung sind noch im Markt^[28].

Präzisierung zur Pressemitteilung. Die Pressemitteilung nennt weder Novec noch Fluorinert. Sie spricht allgemein von Fluorpolymeren, fluorierten Fluiden und PFAS-basierten Additiven^[27]. Die verbreitete Formulierung „3M stellt Novec ein“ ist damit aus der Primärquelle nicht belegt. Sie stammt aus der Kommunikation von Distributoren.

Parallel läuft das europäische Beschränkungsverfahren. 2 unabhängige Rechtsanalysen stellen den Ablauf übereinstimmend dar^{[29], [30]}:

• 02.03.2026: Der Ausschuss für Risikobeurteilung nahm sein Endgutachten an.
• 26.03.2026: Entwurf des sozioökonomischen Gutachtens.
• bis 25.05.2026: Konsultation.
• Ende 2026: abschließendes Gutachten erwartet.
• 2027: Verabschiedung einer Änderung von REACH Anhang XVII erwartet, mit einer Übergangsfrist von 18 Monaten.

Für Wärmeträgerfluide ist der Stand ausdrücklich offen. Der sozioökonomische Ausschuss hält die Datenlage für unzureichend. Sie reicht nicht für eine abschließende Beurteilung der beantragten Ausnahmen für Kältemittel, Wärmeträgerfluide und Elektronikanwendungen^[29]. Für Hochtechnologiesektoren ohne verfügbare Alternativen stehen befristete Ausnahmen von bis zu 12 Jahren im Raum^[30].

Folgen für die Fluidwahl

Die naheliegenden Ersatzstoffe lösen das Problem nicht. Ein Entwicklungsprodukt als Ersatz für Perfluorpolyether, Hydrofluorether und Fluorketone siedet bei 49 °C. Es hat ein Treibhauspotenzial von 10 und keinen Flammpunkt. Chemisch gehört es zur Klasse der Hydrofluorolefine^[31]. Das Produkt ist damit selbst eine fluorierte Verbindung. Nach der breiten Definition des europäischen Vorschlags fällt es in dessen Anwendungsbereich.

Dasselbe gilt für R1233zd(E). Dieses Fluid verwendet der Prüfaufbau aus Abschnitt 05^[22].

Ein PFAS-freies Zweiphasenfluid mit vergleichbaren Eigenschaften für die Elektronikkühlung ließ sich in dieser Recherche nicht belegen.

Die Folge für den Anlagenbau: Die Fluidwahl muss umkehrbar bleiben. Das bedeutet konkret:

• Der Sättigungsdruckbereich des Kreises lässt mehrere Kandidaten zu.
• Werkstoffe und Dichtungen müssen gegen die ganze Kandidatenliste geprüft sein und nicht nur gegen ein einzelnes Fluid.
• Die Füllmenge ist so bemessen, dass ein Fluidwechsel eine Wartungsmaßnahme bleibt und keinen Umbau erfordert.

Aus den Abschnitten 01 bis 07 folgen 7 Punkte für einen Prüfstand für Kühlplatten und Verteiler flüssigkeitsgekühlter Elektronik. Die Punkte sind Schlussfolgerungen von Profectronics und nicht der zitierten Quellen.

1. Der Chip-Emulator ist ein Kernbauteil. Ohne definierte Heizfläche und kalibrierte Temperaturmessung im Emulator hat eine Angabe in W/cm² keine Aussagekraft. JESD51-4A gibt die konstruktiven Grenzen vor.
2. Je Zweig messen, nicht summarisch. Ein Mittelwert über 4 parallele Kühlplatten verdeckt den Vorgang, der die Anlage gefährdet. Die Ledinegg-Exkursion zeigt sich zuerst in einem einzelnen Zweig.
3. Schnell messen. Ein Temperatursprung von 95 K bei 0,6 W Laständerung ist mit einer Abtastung im Sekundenraster nicht auflösbar. Die Erfassung muss im Bereich von Zehntelsekunden liegen.
4. Eintrittsdrossel im Pflichtenheft. Die Drossel muss wechselbar sein. Ihr Druckverlust muss eine eigene Messung haben, sonst geht er in den Wärmewiderstand des Prüflings ein.
5. Sättigungsdruck als Regelgröße. Der Sättigungsdruck legt die Sättigungstemperatur und damit den gesamten thermischen Betriebspunkt fest. Ein Zweiphasenkreis ohne Druckregelung hat keinen Betriebspunkt.
6. Fluidwahl umkehrbar halten. Solange die europäische Beschränkung offen ist, ist jede Festlegung auf ein Fluid ein Risiko. Werkstoffe, Dichtungen und Druckbereich folgen einer Kandidatenliste.
7. Dichtheit als Stückprüfung. Das OCP-Kriterium (unter 0,5 % Druckabfall und Blasenprüfung) ist eine Bauteilprüfung, keine Stichprobe. Für einen Kreis, der ein dielektrisches Fluid über Elektronik führt, ist diese Prüfschärfe angemessen.

Der Beitrag enthält keine Empfehlung für oder gegen die Zweiphasenkühlung. Die Entscheidung hängt von 3 Größen ab: Wärmestromdichte des konkreten Bauteils, verfügbare Rückkühlung und rechtssichere Verfügbarkeit des Fluids. Ein Prüfstand für beide Verfahren bleibt nach jeder dieser Entscheidungen nutzbar. Die Mehrkosten entstehen nach Einschätzung von Profectronics vor allem in der Messkette.

Geltung: Alle Angaben beziehen sich auf den Recherchestand August 2026. Die Verfahrensstände zur europäischen PFAS-Beschränkung ändern sich. Die genannten Termine stützen sich auf 2 unabhängige Rechtsanalysen. Prüfen Sie diese Termine vor einer Investitionsentscheidung gegen die Veröffentlichungen der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA).

Profectronics baut Prüfstände und zertifiziert nicht. Konformitätsaussagen zu Prüflingen trifft eine akkreditierte Stelle.