Wärmemanagement

RS Components – Leitartikel
-----------------------------------------Juni 2009
Wärmemanagement
Angesichts der andauernden Fortschritte bei der Prozessorleistung, immer kleiner werdenden Bauteilen und
einer zunehmenden Bestückungsdichte in Geräten bleibt das Wärmemanagement ein kritischer Punkt für
Konstrukteure. Einerseits muss die Wärme abgeleitet werden, andererseits soll dies möglichst leise und effizient
geschehen.
Lüfter – Grundlagen
Die einfachste Möglichkeit zur Reduzierung von Lüftergeräuschen ist der Einsatz eines Lüfters mit großem
Durchmesser, der ein großes Luftvolumen bei niedriger Geschwindigkeit umwälzt. Gut, wenn die Größe dabei
keine Rolle spielt, doch je kompakter die Anwendung ist, umso kleiner muss der Lüfter sein, umso höher ist die
Luftstromgeschwindigkeit und umso höher ist demzufolge der Geräuschpegel. Wie bei den meisten technischen
Lösungen ist ein Kompromiss erforderlich. Welche Optionen gibt es also?
Um mit den Grundlagen zu beginnen, nicht alle Lüfter werden auf die gleiche Weise hergestellt. Es ist wichtig, auf
die Geräuschwerte des Herstellers zu achten und den leisesten Lüfter auszuwählen, der für die Aufgabe geeignet
ist. Neuerungen wie Flügelradwinglets können im Hinblick auf eine Geräuschreduzierung viel ausmachen, sodass
es sich lohnt, von Zeit zu Zeit zu prüfen, was derzeit erhältlich ist. Die dB(A)-Zahlen stellen einen Mittelwert
verschiedener Geräuschpegel über zahlreiche Frequenzen hinweg dar, und Geräusche sind eine sehr subjektive
Angelegenheit. Auch der niedrigste Wert kann keinen optimal klingenden Lüfter garantieren, ist aber ein guter
Ausgangspunkt. Die Daten der Hersteller werden unter Laborbedingungen gemessen (oder sollten es
zumindest), sodass Sie diesen Pegel nie in einer Anwendung erreichen werden, aber eine gute Auswahl und eine
gute Bauform tragen dazu bei, ihn möglichst niedrig zu halten.
Da die meisten Geräusche von der Luftumwälzung kommen, ist es wichtig, dass nur die benötigte Luftmenge
umgewälzt wird. Wie können Sie feststellen, wie viel Luft Sie benötigen? Natürlich lässt sich dies mit einer
Auswahl von Lüftern und einem Thermometer ausprobieren, aber die technisch Ambitionierteren unter Ihnen
können die folgende Gleichung als Faustregel benutzen:
Wärmebelastung (kW) x 3100 = Luftstrom (m3/h)
Temperaturanstieg (K)
Wenn Sie beispielsweise kalkulieren, dass Ihre Anwendung 1 kW Wärme erzeugt, und die Temperatur im Innern
auf nicht mehr als 50 K über der Umgebungstemperatur ansteigen soll, beträgt der benötigte Luftstrom:
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Chelmsford Business Park Chelmsford Essex CM2 5EZ
Telephone: +44(0)1245 468555 Fax: +44(0)1245 466336
www.ebmpapst.co.uk
Company Registered in England and Wales: 1212237 VAT Number 282885611
1 kW x 3100 = 62 m3/h
50 K
Ein typischer 80-mm-Kompaktlüfter, der 70 m3/h umwälzt, erzeugt etwa 32 dB(A) Lärm. Der Wert für einen Lüfter,
der 80 m3/h umwälzt, könnte bis zu 5 dB(A) höher sein – ein bedeutender Unterschied.
Denken Sie aber daran, dass der Lüfter gegen den internen Luftströmungswiderstand Ihrer Anwendung arbeitet,
der normalerweise in Pascal (Pa) gemessen wird. Je höher der Widerstand, desto leistungsfähiger muss der
Lüfter sein, um die gleiche Menge Luft umzuwälzen, und desto höher ist der Geräuschpegel. Deshalb sollten Sie
damit beginnen, den Entwurf für einen möglichst geringen Widerstand auszulegen. Versuchen Sie, einen
gleichförmigen Pfad zu erstellen, damit die Luft durch die Anwendung strömen kann, und achten Sie darauf, dass
der einfachste Pfad um die Wärmequelle herumführt und sie nicht umgeht. Idealerweise sollte der Lüfter Luft
ziehen und nicht durchblasen, und falls ein Filter erforderlich ist, achten Sie darauf, dass dieser einen möglichst
geringen Widerstand aufweist und sich bei der Wartung leicht reinigen lässt.
Da sich der Innenwiderstand nur schwer abschätzen lässt, ist
Ausprobieren möglicherweise Ihre einzige Option. Beginnen Sie
unbedingt mit der Auswahl eines Lüfters, der Ihren errechneten
Luftstrombedarf bei einem realistischen Widerstand liefern kann,
sonst wird´s heiß!
Lüfterauswahl: 60 m3/h bei 15 Pa
Hochleistung
Das obige Beispiel bezieht sich auf eine relativ geringe Leistung. Viele moderne Systeme weisen eine viel höhere
Wärmebelastung auf einer viel kleineren Fläche auf, was dazu führt, dass der Luftstrom gegen einen höheren
Systemwiderstand deutlich gesteigert werden muss. Bis vor Kurzem wären diese widersprüchlichen
Charakteristika nicht ohne einen größeren Lüfter lösbar gewesen, doch die preisgekrönte S-Force-Reihe von
ebm-papst wurde speziell für dieses Szenario entwickelt. Diese ultrahochleistungsfähigen DC-Kompaktlüfter
können bis zu 950 m3/h erzeugen und Drücke von bis zu 1200 Pascal überwinden. Bei denselben kompakten
Abmessungen wie ihre herkömmlichen Pendants kann dies nur erreicht werden, wenn sich der Lüfter mit
unvorstellbaren 1.400 U/min dreht. Bei voller Last sind die Spitzen der Flügel mit über 225 km/h unterwegs!
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Der Vorteil für den Konstrukteur liegt darin, dass ein Lüfter derselben Größe
die doppelte Leistung bringt. Dies birgt das Potenzial, die Größe derzeitiger
Anwendungen zu verringern oder zukünftige Leistungssteigerungen zu
ermöglichen. Da sie die gleichen Standardabmessungen und Merkmale wie
vorhergehende Lüfter aufweisen, ist die Umstellung, Auf- oder Nachrüstung
einfach, und sie sind so konstruiert, dass sie genau dieselbe Lebensdauer haben.
Kühlung von Schaltschränken
Am anderen Ende des Spektrums muss manchmal statt einer direkten Kühlung elektronischer Schaltungen ein
größerer Schaltschrank gekühlt werden. In diesem Fall ist der Ansatz ein ganz anderer. Statt des sehr
richtungsabhängigen Luftstroms eines Axiallüfters eignet sich diese Art der Anwendung besser für einen
Zentrifugallüfter mit rückwärts gekrümmten Flügeln, der eine Luftmasse durch die Luftkammer des
Schaltschranks bewegen kann. Normalerweise wird hierbei die Luft in das Auge des Laufrads durch eine Öffnung
angesaugt und um 90 Grad zum Einlassstrom nach außen beschleunigt. Infolgedessen wird der gesamte
Schaltschrank unter Druck gesetzt, wenn die Luft das Gerät durchströmt und verlässt, wobei die Wärme
mitgeführt wird.
Obwohl der Lüfter mit den rückwärts gekrümmten Flügeln dies effektiver und leiser als ein Axiallüfter kann, ist
beim Entwurf seiner Installation etwas mehr Aufmerksamkeit erforderlich. Um potenzielle Geräuschprobleme zu
vermeiden und eine optimale Leistung zu erzielen, müssen einige Faktoren berücksichtigt werden. Die
Einlassöffnung ist viel effizienter, wenn ein Einlassring mit einem Spezialprofil verwendet wird, um die Luft in das
Laufrad zu leiten. Durch ein in eine ebene Fläche geschnittenes Loch hingegen werden der Luftstrom verringert
und die Geräusche erhöht, da sich an der scharfen Kante turbulente Wirbel bilden. Ebenso wirkt sich jede Lücke
zwischen der Öffnung und dem Laufrad auf die Leistung aus und ist bei der Verwendung des richtig bemessenen
Einlassrings, der einfach im Innern des Laufrads sitzen sollte, gleichermaßen relevant.
Entscheidend ist auch die Montage. Ohne das integrierte Gehäuse eines kompakten Axiallüfters ist ein Rahmen
erforderlich, der den Motor von hinten stützt. Wird dieser zu nah am rotierenden Laufrad positioniert, können
weitere Geräuschprobleme durch sogenannte Schaufelfrequenzen entstehen. Vom Laufrad ausgehende
Druckwellen können auf benachbarte Strukturen auftreffen und einen niederfrequenten Ton erzeugen, der in
direkter Beziehung zur Anzahl der Flügel und Umdrehungsgeschwindigkeit des Laufrads steht. Wenn Sie wirklich
Pech haben, kann dies anschließend Resonanzfrequenzen in der gesamten Anwendung auslösen.
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Wenn Sie dies schon immer vom Einsatz eines Zentrifugallüfters
abgehalten hat, dann gibt es eine einfache Option. Von ebm-papst
wird eine Reihe von Kassettenlüftern hergestellt, die die
Leistungsvorteile eines Lüfters mit rückwärts gekrümmten Flügeln mit
dem Komfort eines kompakten Axiallüfters vereinen. Sie sind als
einteiliges „Plug-and-Play“-Gerät erhältlich – komplett mit Einlassring,
Montagerahmen und optionalem Fingerschutz; dabei sind alle
Bauteile für eine optimale Leistung perfekt aufeinander abgestimmt.
Zwar müssen Sie immer noch Überlegungen zum Luftpfad durch die
Anlage anstellen, aber der Lüfter kann in einem einfachen Arbeitsgang an Ort und Stelle verschraubt werden.
Man kann wohl sagen, dass die Auswahl von Lüftern auf der Prioritätenliste von ElektronikKonstruktionsingenieuren nicht an vorderster Stelle steht, was zu erwarten ist. Dennoch ist dies wichtig, und
seriöse Lüfterhersteller werden Sie stets gern zu den besten Produkten und verfügbaren Optionen beraten. Ob
AC, DC oder EC, Axial- oder Zentrifugallüfter, Steuereingänge, Alarmausgänge – die Auswahl ist groß.
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