Wärmemanagement von Rechensystemen Ist die Flüssigmetallkühlung die Alternative?

Redakteur: Kristin Rinortner

Effiziente Kühlsysteme sind heute immens wichtig. Vielversprechend ist die Flüssigmetallkühlung, die sich bisher aber nicht so recht durchsetzen konnte. Hat das System das Potenzial zur echten Alternative?

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Der Kühlung von Elektronikbauelementen kommt eine immer größere Bedeutung aufgrund steigender Verlustleistungen zu. Einerseits wird die Funktion der Chips sichergestellt, andererseits die Lebensdauer erhöht und die Ausfallwahrscheinlichkeit verringert. Darüber hinaus lassen sich bei geringeren Temperaturen die Chips schneller takten.

Eine reine Lüfterkühlung ist bei modernen Rechensystemen oder Leistungshalbleitern schon lange nicht mehr ausreichend und auch nicht sicher genug. Einen Ausweg bieten die Flüssigkühlung und bessere Wärmeleitmaterialien. Aber auch hier sind Grenzen hinsichtlich Kühlmedium und Werkstoffen gegeben.

Eine weitere Alternative könnte die schon seit mehreren Jahren diskutierte Flüssigmetallkühlung sein. Eines der ersten Unternehmen, die flüssige Metalle in die Kühldiskussion brachten, war die texanische Firma nanoCoolers.

Erste Flüssigmetallkühler auf Gallium-Basis

Die Amerikaner realisierten 2005 ein System auf der Basis einer Galliumlegierung. Die Schmelztemperatur der Legierung mit den Elementen Indium, Zinn und Zink wurde mit 8°C angegeben. Die Verdampfungswärme liegt im Bereich von 200 kJ/mol, die spezifische Wärmekapazität bei 0,371 J/gK (Ga) und der Siedepunkt der Legierung bei etwa 2000°C. Damit ist eine hohe Wärmeaufnahme möglich, ohne dass der Werkstoff verdampft. Die thermische Leitfähigkeit (von Gallium) wird mit 40,6 W/mK angegeben, Angaben zur Legierung liegen uns nicht vor.

Im Gegensatz zu Wasserkühlung, bei der mechanische Pumpen eingesetzt werden, basiert die Flüssigmetallkühlung auf den kleineren und leiseren elektromagnetischen Pumpen. Die Flüssigmetallkühlung ist nahezu verschleiß- und wartungsfrei, da keine beweglichen Teile zum Einsatz kommen und der Kühlkreislauf ein geschlossenes System darstellt. Damit sollten eigentlich alle Wege geebnet sein, kompakte, leise Kühlsysteme zu realisieren, die in ihrer Leistungsfähigkeit besser als Wasserkühlsysteme sind.

Im Laufe der Zeit brachten auch andere Hersteller wie Sapphire mit dem X850 oder Danamics mit dem LM10 Systeme auf den Markt. Die Firma nanoCoolers gibt es heute nicht mehr. Durchgesetzt hat sich das Prinzip bisher nicht, sei es aus Kostengründen, oder weil sich, wie im Fall des LM10, die Leistungsparameter aus dem Datenblatt in der Praxis nicht bestätigen konnten.

Aktuelle Flüssigmetallkühler mit Natrium-Kalium-Legierung

Im ersten Halbjahr 2010 hat der in Deutschland eher unbekannte dänische Hersteller Danamics mit dem LMX Superleggera nachgelegt. (Etwas irritiert sind wir allerdings, dass wir auf unsere Nachfragen vom Hersteller keine Rückmeldungen bekamen und dass inzwischen die Internetseite des Unternehmens nicht mehr verfügbar ist.)

Das Kühlkonzept basiert in dieser Variante – wie auch schon beim Vorgänger LM10 – auf einer eutektischen Natrium-Kalium-Legierung, die bei Kühlreaktoren häufig eingesetzt wird. Diese Legierung (78% Kalium und 22% Natrium) weist im flüssigen Zustand eine Wärmekapazität von 0,982 J/g auf (zum Vergleich Wasser: 4,184 J/g) sowie eine thermische Leitfähigkeit von 23 W/mK (Wasser: 0,58 W/mK).

Der Schmelzpunkt wird mit –12,6°C, der Siedepunkt mit 785°C angegeben. Da die Legierung chemisch sehr reaktiv ist, ist sie hermetisch in der Heatpipe gekapselt.

Angetrieben durch die elektromagnetische Pumpe, zirkuliert das Metall in der Heatpipe und soll innerhalb von Millisekunden auf Temperaturspitzen reagieren und die Kühlleistung an die bestehenden Temperaturschwankungen effektiv anpassen.

Der Hersteller nennt das „dynamic cooling“. Die so genannte Multi-String-Pumpe arbeitet bei Strömen unterhalb von 5 A und ist damit wesentlich effizienter als gängige Industriepumpen.

Die Stromversorgung der elektromagnetischen Pumpe wird durch einen Power-Booster sicher gestellt, der in einem freien 3,5-Zoll-Schacht verbaut ist und über das PC-Netzteil betrieben wird. Die Komponenten des Kühlers sind miteinander verlötet. In den Heatpipe-förmigen "Schleifen", in denen sich das Flüssigmetall befindet, herrscht ein Druck von 0,5 bar. Den Kühlkörper umschließt ein umlaufendes Kunststoffgehäuse, welches spezielle "snap on" Montageclipse beinhaltet. Durch Lösen der Clips lassen sich bis zu zwei 120-mm-Lüfter werkzeuglos montieren.

Varianten für Intel und AMD

Der LMX Superleggera ist in zwei Varianten – für Intel oder AMD – für 119,00 € erhältlich.

Fazit: Auch die Flüssigkühlung hat lange Zeit gebraucht, um sich durchzusetzen, ist aber heute Stand der Technik. Die Flüssigmetallkühlung besitzt großes Potenzial. Nachteilig ist der hohe Preis. Deswegen greifen Nutzer momentan auf andere, kostengünstigere Varianten zurück. Bald wird man auf bessere Kühlleistungen angewiesen sein, wie sie die Flüssigmetallkühler bieten.

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