Laminar und turbulent

Redakteur: Kristin Rinortner

Lüfter kühlen zuverlässig elektronische Komponenten und sind im Vergleich zu anderen Kühlsystemen installationsfreundlich und kostengünstig. Steigende technische Anforderungen bedingen

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Lüfter kühlen zuverlässig elektronische Komponenten und sind im Vergleich zu anderen Kühlsystemen installationsfreundlich und kostengünstig. Steigende technische Anforderungen bedingen auch in diesem Bereich eine höhere Leistungsfähigkeit bei zu vernachlässigendem Geräuschpegel. Was beim Lüftungskonzept zu beachten ist, lesen Sie in diesem Beitrag.

Zur Elektronikkühlung setzt man in breitem Umfang Lüfter ein, weil diese einfach und wirksam die Erwärmung der Bauteile begrenzen. Zwar versucht man oft allein mit natürlicher Konvektion auszukommen, aber bei vielen Anwendungen würden dabei die Temperaturen stark ansteigen und die Zuverlässigkeit einzelner Bauelemente beeinträchtigen. Andere Kühlsysteme wie Wasserkühler, Wärmetauscher und Kältemaschinen erfordern im Vergleich zu Lüftern erheblich aufwändigere Installationen und entsprechend höhere Kosten, sodass diese Konzepte nur in besonders kritischen Fällen zur Anwendung kommen.

Von den Lüftern zur Elektronikkühlung verlangt man, dass sie den erforderlichen Kühlvolumenstrom mit geringer Geräuschemission erzeugen, wenig Platz benötigen und eine sehr lange Lebensdauer aufweisen. Die kompakte Bauweise erreicht man am besten mit Axiallüftern (Bild 1). Deshalb wird diese Bauart am häufigsten verwendet.

Kennlinie und optimaler Betriebsbereich

Strömt ein Gas durch ein Gerät oder einen Kühlkörper, entsteht ein Unterdruck, der durch eine entsprechende Druckerhöhung des Ventilators kompensiert werden muss. In der jeweiligen Anwendung erreicht der Lüfter also nicht den maximalen Volumenstrom, sondern einen kleineren Wert, bei dem auch die erforderliche Druckerhöhung erzeugt wird. Diese Abhängigkeit wird mit der Lüfterkennlinie beschrieben, die in den Herstellerkatalogen enthalten ist.

Bei ebm-papst St. Georgen wird zusätzlich der optimale Betriebsbereich gekennzeichnet, in dem ein hoher Wirkungsgrad und niedere Geräuschpegel vorherrschen (Bild 2). Deshalb sollte der Arbeitspunkt eines auszuwählenden Lüfters in diesem optimalen Betriebsbereich liegen.

Der zur Kühlung erforderliche Volumenstrom und der damit entstehende Druckverlust lassen sich rechnerisch abschätzen oder mit einem Gerätemuster experimentell bestimmen. Den Arbeitspunkt kann man aber auch mit Simulationsprogrammen näherungsweise berechnen.

Verschiedene Bauarten und spezielle Funktionen

Neben den Axiallüftern stehen auch Ausführungen in diagonaler und radialer Bauart zur Verfügung, sodass selbst für besondere Anwendungen eine optimale Lösung gefunden werden kann. Außerdem sind viele dieser Katalogtypen mit speziellen Regelungs- und Überwachungsfunktionen lieferbar, z.B. mit temperaturabhängiger Drehzahl, Drehzahlüberwachung und verschiedenen Alarmsignalvarianten.

Mit dem Lüfterkonzept Vario-Pro ist es möglich, die fertigen Lüfter vor der Auslieferung nach Kundenwünschen individuell zu programmieren. So lassen sich z.B. temperaturabhängige Drehzahlprofile mit frei wählbaren Stützpunkten realisieren. Auch externe Drehzahlvorgaben und kombinierbare Alarm- und Tachofunktionen sind integrierbar. Das digitale Motormanagement gewährleistet darüber hinaus eine hohe Regelgenauigkeit.

Lüfterkonzepte

Bei einer Geräteanwendung ist ein großzügig bemessener Einbauraum vorzusehen, damit Störungen der Ein- und Ausströmung des Lüfters und damit zusätzliche Druckverluste und Geräusche vermieden werden. Unter günstigen Einbaubedingungen ergibt sich unabhängig davon, ob ein Lüfter am Lufteinlass der Anlage oder an dessen Luftaustritt positioniert wird, der gleiche Betriebspunkt. Außer dem erforderlichen Volumenstrom sind noch einige weitere Aspekte zu berücksichtigen. So ist die Ansaugströmung eines Lüfters weitgehend laminar, d.h. wohlgeordnet und geschichtet und erfasst nahezu den gesamten Ansaugraum.

Demgegenüber ist die Abströmung eines Lüfters im allgemeinen turbulent, d.h. mit unregelmäßigen Schwankungsbewegungen versehen, und erfolgt in einer Vorzugsrichtung, z.B. axial beim Axiallüfter. Die Turbulenz intensiviert den Wärmeübergang an den angeströmten Bauteilen, sodass hinsichtlich der geforderten Kühlwirkung die druckseitige Montage (an der Lufteintrittsseite der Anlage) zu empfehlen ist.

Die damit verbundene Vorzugsströmungsrichtung kann man entweder aktiv nutzen oder man muss den Luftstrom durch geeigneter Maßnahmen auffächern. Um die Strömung gleichmäßiger zu gestalten eignen sich besonders Lochbleche und Siebe, oft sind jedoch schon die Geräteeinbauten in ihrem Widerstandsverhalten für diesen Zweck ausreichend.

Längere Lebensdauer

Die druckseitige Anordnung des Lüfters ist außerdem vorteilhaft, weil er dabei nicht durch die Verlustwärme des Geräts belastest wird, somit bei relativ geringer Umgebungstemperatur arbeitet und infolgedessen eine längere Lebensdauer erreicht. Die saugseitige Montage des Lüfters (an der Luftaustrittsseite der Anlage) kann in Einzelfällen dennoch vorteilhaft sein, insbesondere, wenn auf andere Weise die Strömungsgeschwindigkeit nicht gleichmäßig verteilt werden kann.

Der Lüfter kann aber auch prinzipiell an einer geeigneten Stelle innerhalb eines Gerätes angeordnet werden. In diesem Fall muss man jedoch eine zusätzliche Montagewand vorsehen, die den Lüfter aufnimmt und den Druck- vom Saugraum trennt. Andernfalls würde der Druckaufbau stark beeinträchtigt und ein Teilvolumenstrom zurückströmen, was insgesamt eine wesentlich reduzierte Förderleistung ergeben würde.

Parallel- und Reihenschaltung

Häufig reicht ein einzelner Ventilator zur Kühlung eines Gerätes nicht aus. Bei der Parallelschaltung vervielfacht sich der Volumenstrom über die gesamte Kennlinie mit der Zahl der eingesetzten Lüfter. Bei zu dichter Anordnung ergeben sich allerdings kleinere Faktoren, weil sich die Lüfter gegenseitig die Ansaugluft streitig machen. Mit einem zweiten Lüfter lässt sich der Volumenstrom durch ein Gerät aber keineswegs verdoppeln, weil die Druckverluste mit dem Volumenstrom quadratisch zunehmen (Bild 3).

Die doppelte Druckerhöhung erhält man, wenn zwei Lüfter in Reihe geschaltet betrieben werden. Allerdings dürfen hierbei die Lüfter nicht eng hintereinander angeordnet werden, sonst erreicht man bei weitem nicht die rechnerischen Werte. Denn die Abströmung von Axialventilatoren enthält eine Drallkomponente, mit der der zweite Lüfter beaufschlagt wird. Dadurch ändern sich dessen Ansaugbedingungen so gravierend, dass er nicht mehr die normalen Förderleistungen erreicht.

Um das zu verhindern, muss die Strömung zwischen den beiden Lüftern gleichgerichtet werden, was man mit speziellen Leitvorrichtungen erreichen kann. Bei der Gerätekühlung, wo solche Vorrichtungen aus Platz- und Geräuschgründen nicht üblich sind, sollte man statt dessen einen Lüfter druckseitig und den anderen saugseitig im Gerät positionieren.

Hiermit wird die Strömung in der Anlage durch Einbauten und Querschnittsänderungen ohnehin weitgehend gleichgerichtet und es ergeben sich zufriedenstellende Förderleistungen und Geräuschpegel.

ebm-papst, Tel. +49(0)7724 811208

Dr. Siegfried Harmsen und Dr. Walter Angelis sind als Entwicklungsleiter bei ebm-papst St. Georgen GmbH & Co KG tätig.

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