EP Basics: Wärmemanagement Elektronikkühlung mit Lüftern: Fünf Mythen im Faktencheck

Von Robert Cap *

Mit Bürsten oder ohne? Lüfter haben keine lange Lebensdauer? Lüfter vertragen keine Feuchtigkeit? Um Lüfter ranken sich viele Vorstellungen. Wir gehen fünf verschiedenen Thesen auf den Grund und geben einen Überblick zu Parametern wie Lebensdauer und IP-Schutz.

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Elektronikkühlung: Es gibt kaum ein elektromechanisches Produkt, das in den letzten Jahren so vielen Veränderungen unterworfen wurde, wie der Lüfter. Ein Überblick zu den grundlegenden Eigenschaften wie Lebensdauer, IP-Schutz und Geräuschentwicklung.
Elektronikkühlung: Es gibt kaum ein elektromechanisches Produkt, das in den letzten Jahren so vielen Veränderungen unterworfen wurde, wie der Lüfter. Ein Überblick zu den grundlegenden Eigenschaften wie Lebensdauer, IP-Schutz und Geräuschentwicklung.
(Bild: Sepa)

Rund um Lüfter kursieren viele Vorstellungen, einige sind richtig, andere schlicht falsch. In diesem Beitrag gehe nehme ich einige der letzteren unter die Lupe.

Mythos Nr. 1: Lüfter haben Bürsten

Falsch. DC-Lüfter sind grundsätzlich bürstenlos. Häufig wird in dem Zusammenhang der englische Begriff „brushless fan“ genannt. Das ist auch richtig, denn die Kommutierung erfolgt elektronisch und nicht mit Hilfe von Bürsten, wie bei einfachen Gleichstrommotoren in manchen Akkuschraubern oder Bohrmaschinen.

Bürstenlose Motoren (Bild 1) haben den Vorteil, dass hier besonders Wartungsfreiheit, kompakte Bauform, etwas bessere Energieeffizienz, höhere Leistungsdichte und vor allem eine höhere Lebensdauer zum Tragen kommt.

AC-Lüfter haben ebenfalls keine Kommutierung, das Drehmoment wird über Phasenverschiebung im Motor erzeugt.

Mythos Nr. 2: Lüfter haben ein kurzes Leben

Falsch. Es gibt kaum ein elektromechanisches Produkt, das in den letzten Jahren so viele positive Veränderungen erfahren hat wie der Lüfter zur Elektronikkühlung. Durch den Einsatz von beispielsweise „High Grade“-Kugellagern oder verbesserten Gleitlagersystemen ist es den Entwicklern gelungen, die Lebensdauer deutlich nach oben zu schrauben.

Allerdings sind die Herstellerangaben zur Lebensdauer oft nicht einfach zu interpretieren, zumal es unterschiedliche Angaben für die Lebensdauer gibt, die einen Vergleich erschweren.

Um die Lebensdauer eines Lüfters zu spezifizieren, werden häufig zwei Termini verwendet, die aber auch leicht zu verwechseln sind: L10 und MTBF. Beides sind statistische Werte, die bei großen Mengen gelten.

Lebensdauer von Lüftern: L10 oder MTBF oder...?

Die als Lebensdauer bezeichnete Größe L10 gibt den Zeitraum in Stunden an, in dem 10 Prozent der Lüfter ausgefallen sind. Wird also die Lebensdauer eines Lüfters mit L10 = 100.000 Stunden bezeichnet, dann bedeutet dies, dass 90 Prozent der Lüfter eine Lebensdauer von 100.000 Stunden erreichen.

Der meist als Zuverlässigkeit bezeichnete Wert MTBF bzw. „Mean Time between Failure“ bezeichnet dagegen die theoretische Betriebszeit zwischen zwei Fehlerereignissen (Bild 2). Dieser Wert ist eher für ein reparables Gesamtsystem anwendbar. Für den Lüfter ist die Angabe zwar häufig gefragt, aber schlecht greifbar.

Weil ein moderner Lüfter eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren erreichen kann, ist eine tatsächliche Messung über diesen Zeitraum weder möglich noch sinnvoll. Daher wird über eine wesentlich kürzere Dauer unter verschärften Bedingungen getestet und hochgerechnet.

Einfluss von Temperatur und Drehzahl auf die Lebensdauer

Normalerweise beziehen sich die Lebensdauerangaben in den Datenblättern auf Temperaturen von 40 °C. Manche Hersteller veröffentlichen jedoch wesentlich höhere Werte, die auf einer Raumtemperatur von 20 °C basieren. Diesbezüglich ist Vorsicht geboten, denn diese Vorgehensweise führt zu einer Angabe, die nicht praxisgerecht ist.

Auch eine Verringerung der Drehzahl erhöht die Lebensdauer kaum. Da die Lagerbelastung sehr gering ist, tritt fast kein Verschleiß auf. Die Lebensdauer wird überwiegend von anderen Faktoren, wie Verunreinigungen, bestimmt. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass ein geringes Maß an Verschleiß bei jedem Start auftreten kann, weshalb man Lüfter nur für längere Betriebspausen ab-schalten sollte.

Der Hauptnutzen einer Drehzahlanpassung liegt also nicht darin, die Lebensdauer zu verlängern, sondern den Geräuschpegel zu senken. Je langsamer ein Lüfter dreht, desto leiser wird er. Einen weiteren Aspekt stellt die mögliche Energieeinsparung dar. Natürlich reduziert sich mit der Verringerung der Spannung auch die Leistungsaufnahme signifikant. Besonders beim Betrieb mehrerer Lüfter ergibt sich schnell eine nennenswerte Kostenersparnis.

Techniktrends für Elektronikkühlung und Wärmemanagement

Cooling Days
(Bild: VCG)

Die Cooling Days stehen schon seit Jahren für geballtes Know-How und sind für Entwickler und Gerätebauer elektronischer Bauelemente, Baugruppen und Systeme zum Pflichttermin geworden. Der Kongress bietet eine ideale Gelegenheit für das Networking unter den Teilnehmern und die Kontaktaufnahme zu den zahlreichen Experten aus Forschung und Industrie.

Mythos Nr. 3: Lüfter sind groß, schwer und teuer

Falsch. Passive Kühlkörper sind groß, schwer und wegen des Materialeinsatzes teurer. Bei der Miniaturisierung von aktiven Kühlern wurden sehr große Fortschritte erzielt. Der Wunsch nach möglichst geringer Bauhöhe führte zu immer flacheren Radiallüftern oder Lüftern, die je nach Einbau als Axial- oder Radiallüfter arbeiten können (Bild 3).

Dadurch ist es möglich, auch kleine und stark verlustbehaftete Komponenten wirtschaftlich zu kühlen. Die Stromversorgung der Lüfter erfolgt über Litzen, die oft nicht direkt verlötet, sondern über Steckverbinder angeschlossen werden.

Bei Kleingeräten ist meist nicht die Abfuhr der gesamten von allen Bauteilen erzeugten Wärme das Problem, sondern die Entwärmung der „Hot Spots“. Passive Kühlung erfordert etwa fünf Mal mehr Kühlkörpervolumen als die Kühlung mit Lüfterunterstützung und ist im begrenzten Raum kaum unterzubringen. Durch moderne aktive Kühlung können die Geräte ohne Qualitätsabstriche insgesamt kleiner, leichter und billiger werden.

Mythos Nr. 4: Lüfter sind laut

Falsch. Die neue Generation Lüfter ist ausgesprochen leise (Bild 4). Aber wie leise der Lüfter ist, hängt letztendlich auch von der Applikation ab und von Maßnahmen, die zur Geräuschoptimierung ergriffen werden. Diese sollten jedoch schon bei der Geräteentwicklung konstruktiv vorgesehen sein. Da nachträgliche Änderungen meist teuer und weniger effektiv sind, sollte folgendes beachtet werden:

  • Nutzung von ausreichend stabil dimensionierten Montagehilfen wie Manschetten zur Dämpfung und Senkung von Körperschallgeräuschen. Dadurch kann die Geräuschentwicklung um mehrere Dezibel reduziert werden.
  • Erheblichen Einfluss auf das Geräusch des Lüfters haben auch Montageart, Gehäusebauform, Gehäusematerial, Staudruck sowie ungünstige Strömungsbedingungen.
  • Eine einfache und günstige lärmdämpfende Montagemöglichkeit ergibt sich, wenn Sie die Befestigungsschrauben nicht direkt an der Gehäusewand, sondern mit Hilfe von Kabeldurchführungen oder Manschetten aus Gummi akustisch entkoppeln.
  • Wählen Sie Lüfter mit den größten möglichen Abmessungen und der geringsten für die Entwärmung notwendigen Drehzahl.
  • Zwei Lüfter mit dem gleichen Summenvolumenstrom können bis zu 12 dB weniger Geräusch entwickeln als ein einziger Lüfter mit höherer Drehzahl! Dabei werden vor allem die hohen Frequenzbereiche, die besonders unangenehm sind, gedämpft.
  • Lüfter sollten im optimalen Arbeitsbereich betrieben werden und die Ansaug- und Ausblasöffnungen im Gerät großzügig dimensioniert sein, sonst steigt der emittierte Luftschall stark an. Das Geräusch ist auch von der Positionierung und Blasrichtung im Gerät abhängig.
  • Wenn geringste Lautstärke gefordert wird, sollte die Wahl auf Gleitlagerlüfter mit sehr niedriger Drehzahl fallen, denn sie entwickeln weniger Körperschallgeräusch als Lüfter mit Kugellagern. Axiallüfter und Radiallüfter mit moderner Flügelform entwickeln außerdem deutlich weniger Geräusch bei gleichem oder sogar höherem Volumenstrom

Mythos Nr. 5: Lüfter sind nicht widerstandfähig gegen Feuchtigkeit und Staub

Falsch. Lüfter sind oft extremen Temperaturen, Feuchtigkeit, mechanischen Kräften, Schmutz, Staub und Chemikalien ausgesetzt. Der Lüfterrahmen und das Gehäuse sind absolut wasserfest. Auch eine selten auftretende, vorübergehende Kondenswasserbildung stellt kein großes Problem dar, weil sie die Betriebseigenschaften des Lüfters nicht nachhaltig beeinflusst.

Soll ein Lüfter aber in schwierigen Umgebungsbedingungen zum Einsatz kommen, gibt es Möglichkeiten ihn zu schützen.

Eine einfache und kostengünstige Methode, um den Lüfter zu schützen, ist die Beschichtung der Leiterplatte (Bild 5). Hierzu wird diese, komplett bestückt, mit Anschlusslitzen ausgestattet und danach mit Schutzlack besprüht.

Aufwendiger ist der Vollverguss, der Schutzarten bis zur Klassifizierung IP 65 und IP 68 gewährleistet. Dazu wird die gesamte Motornabe mit dem Vergussmaterial ausgefüllt.

Um das Eindringen von Staub und das Abwandern von Schmierstoff bei Kugellagern zu verhindern, sind Modelle erhältlich, die mit beidseitigen Deckscheiben, polierten Laufflächen und Weitbereichsfett ausgestattet sind.

* Robert Cap ist Geschäftsführer bei SEPA EUROPE in Eschbach.

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