Bild 1: Für eine Geräte- und Komponentenkühlung unter erschwerten Bedingungen bietet Sepa kleine, flache und leistungsfähige Lüfter an.

Bild 1: Für eine Geräte- und Komponentenkühlung unter erschwerten Bedingungen bietet Sepa kleine, flache und leistungsfähige Lüfter an. Sepa

Dank erstaunlicher Fortschritte konnte die Leistungsaufnahme elektronischer Komponenten innerhalb der letzten Jahre merkbar verringert werden. Gleichzeitig werden Geräte immer kleiner und insbesondere flacher, was die Bauteile-Entwärmung deutlich erschwert, einfache passive oder Lüfter-unterstützte Kühlung ist nicht mehr ausreichend. Das Kühlmanagement eines Gerätes muss schon beim ersten Entwurf sorgfältig geplant werden. Die Zusammenarbeit mit einem kompetenten Spezialisten ist empfehlenswert.

SEPA-Europe hat sich auf die Geräte- und Komponentenkühlung unter erschwerten Bedingungen spezialisiert und bietet ein umfangreiches Programm an kleinen und besonders flachen, aber dennoch sehr leistungsfähigen Lüftern an. Passende Kühlkörper ergänzen das Lieferprogramm und das zu erstaunlich geringen Kosten in kundenspezifischen Abmessungen und mit passendem Zubehör. Kunden profitieren von Sepas jahrzehntelanger Erfahrung und erhalten individuelle Vorschläge, wobei mit Simulationen rasch optimierte Lösungen erarbeitet und im eigenen Labor auch praktisch überprüft werden.

Eine umfangreiche Spezifikation frühzeitig erstellen

Bild 2: Die Lüfterkühlung in diesem portablen medizinischen Gerät soll energiesparsam, geräuscharm und mechanisch robust sein.

Bild 2: Die Lüfterkühlung in diesem portablen medizinischen Gerät soll energiesparsam, geräuscharm und mechanisch robust sein. Sepa

Bereits im Vorfeld sollen möglichst viele Kriterien für das zu entwickelnde Gerät erfasst und spezifiziert werden. Zu definieren ist, ob die Applikation für den Konsum- oder Industriebereich ausgelegt sein soll, welche Aufgabe oder Funktionen das Gerät hat und ob es stationär oder portabel zum Einsatz kommt. Dabei spielen die Umgebungsbedingungen wie minimale und maximale Umgebungstemperatur, Staub- und Schockbeanspruchung eine wichtige Rolle, ebenso die Einsatzbedingungen DB (Dauerbetrieb), AB (alternierender Betrieb) oder KB (Kurzzeitbetrieb) wie auch maximale Verlustleistung und maximale Gehäusetemperatur der zu kühlenden Bauteile. Neben den mechanischen Bedingungen wie Platzverhältnisse, Gehäusematerial und Strömungsverhältnisse sind elektrische Bedingungen wie die Spannungsversorgung und maximale Leistungsaufnahme festzulegen. Weitere wichtige Anforderungen sind die Lebensdauer, Geräuschentwicklung, Sicherheit, Zulassungen, Kosten, Verfügbarkeit der Lösung und abschließend der Terminplan.

Eckdaten

Sepa unterstützt Kunden im Kühlungsmanagement bei der Entwicklung kleiner Geräte und optimiert auch die Lüfter kundenspezifisch. So führen Maßnahmen wie Gleitlager, leichtere Lüfterflügel und -gehäuseteile wie auch die verbesserte Wellenlagerung zu robusten, effizienten und geräuscharmen Kühllösungen mit Miniaturlüftern.

Oft haben Kunden schon eine fertige Konstruktion, die aber einer Optimierung bedarf. Gelegentlich werden erst unter Praxisbedingungen Schwachstellen sichtbar, die bei der Gerätekonstruktion nicht bedacht wurden. Im Nachstehenden soll die Verbesserung der Kühlanordnung beispielhaft an einem Kundengerät dargestellt werden.

Optimierung der Kühler-Lüfter-Einheit

Als Betriebsbedingungen des Gerätes ist Raumtemperatur zwischen 15 und 30 °C im Heim-, Arztpraxis- oder Klinikbereich mit erhöhter Schockbeanspruchung vorgegeben. Bei einer Geräteleistung Pmax von 7 W (LED) kann im Dauerbetrieb die Endtemperatur Tmax von 60 °C am Messpunkt D1 auf der Leiterplatte erreicht werden. Der Bauraum hat eine Größe von 50 × 50 × 25 mm3, die Belüftung ist dabei kritisch. Die Lebensdaueranforderung mit mehr als fünf Jahren ist unter Einsatzbedingung  von 5 h täglich oder 250 Tage/Jahr (=1250 h) unkritisch. Elektrisch wird das Gerät mit 12 V versorgt und benötigt weniger als 60 mA. Die Geräuschanforderung ist unkritisch – der Kühler ist gekapselt. Eine Verfügbarkeit der Komponenten ist über mindestens fünf Jahre erforderlich.

Bild 3: Die Fläche E1 steht im Layout für die Kühleinheit zur Verfügung.

Bild 3: Die Fläche E1 steht im Layout für die Kühleinheit zur Verfügung. Sepa

Der Kunde begann die Entwicklung und Fertigung ohne Unterstützung durch den Lieferanten. Er wählte aus dem Standardprogramm den relativ großen Chip-Cooler HF500B50E12, der typisch zur Kühlung von Mikroprozessoren oder Leistungs-LEDs bis zu 35 W Verlustleistung vorgesehen ist. Mit einem Wärmewiderstand von 1,0 K/W wurde die Entwärmung der LEDs auch im geschlossenen Gehäuse mit großer Sicherheit erreicht. Bei Messungen im Labor wurde bei maximaler Umgebungstemperatur am Messpunkt eine Temperatur von nur 41°C festgestellt.

Gleitlager verbessern die Schockfestigkeit

Im rauen Praxisbetrieb wurde ein häufiger Ausfall durch mechanisch zerstörte Lüfter festgestellt – Rotor aus dem Gehäuse herausgefallen, Gehäusestege gebrochen, Kugellager beschädigt (laut). Ursache: das Therapiegerät fiel bei der Anwendung häufig zu Boden. In nachgestellten Falltests aus 0,8 m Höhe auf einen Eichenparkettboden wurden alle Apparate nach maximal drei Fallversuchen zerstört. Da der Lüfter im Gerät ohne jede Dämpfung montiert war, konnte eine Schockbeanspruchung von über 8000 m/sec2 auftreten, wodurch natürlich jeder Standardlüfter zerstört werden kann. Im aktuell verwendeten Lüfter MFB50E12 wird eine Schockbelastung von 588 m/sec2 garantiert. Tests ergaben, dass er tatsächlich einer Beschleunigung von bis zu 1000 m/s2 widerstehen kann, allerdings nicht einem Sturz aus Tischhöhe.

Bild 4: Dünnere Lüfterflügel machen den Rotor 10 % leichter und verringern die Beschleunigungskräfte bei extremer Schockeinwirkung.

Bild 4: Dünnere Lüfterflügel machen den Rotor 10 % leichter und verringern die Beschleunigungskräfte bei extremer Schockeinwirkung. Sepa

Die Ergebnisse zeigten, dass die Verbesserung der Fallsicherheit nicht nur mit einer Verbesserung des Lüfters erreicht werden konnte. Vielmehr musste das komplette Kühlkonzept unter den verschärften Schockbedingungen neu überdacht werden. Zuerst wurde zusammen mit dem Hersteller die Entwicklung eines neuen 50 x 50 x 10 mm3 großen Lüfters mit sonst vergleichbaren Daten und verbesserter Schocksicherheit durchgeführt. Nach mehreren Versuchen lautete die Empfehlung für einen LF50C12, der gegenüber dem vorher verwendeten Modell folgende Änderungen aufwies: Robustes Gleitlagersystem (Magfix) an Stelle von zwei Kugellagern. Der harmlose Temperaturbereich und die relativ geringe Lebensdauererwartung lassen moderne Gleitlagersysteme in hoch schockbeanspruchten Lüftern sinnvoll erscheinen. Mit einem zum Lüfterboden geschlossenen Lagerrohr ist zudem ein Durchstoßen der Rotorwelle ausgeschlossen.

Auch weniger Gewicht ist vorteilhaft

Durch Verwendung dünnerer Lüfterflügel (Bild 4) wird der Rotor um etwa 10 % leichter, was die bei extremem Schock auftretende Beschleunigungskräfte verringert. Andere konstruktive Verbesserungen am Lüftergehäuse verkleinern das Gesamtgewicht des Lüfters um 3,5 g auf 14,5 g. Eine übergroße Reserve beim Wärmewiderstand erlaubt die Verwendung eines flacheren Kühlkörpers.

Bild 5: Ein Nadelkühlkörper reduziert das Gewicht und bedämpft auf den Lüfter einwirkende Schockkräfte.

Bild 5: Ein Nadelkühlkörper reduziert das Gewicht und bedämpft auf den Lüfter einwirkende Schockkräfte. Sepa

Es wird nun ein nur 10 mm hoher Nadelkühlkörper PB50-10-169-AL verwendet, auf den ein ECO-Lüfter LF50C12 so montiert wird, dass Schockkräfte, die axial nach außen wirken, gedämpft werden (Bild 5). Der Wärmewiderstand steigt von 1,0 K/W auf 1,3 K/W und die maximale Temperatur am Messpunkt von 41 auf 56 °C, was aber immer noch deutlich unter dem Grenzwert liegt.

Abschließende Fallversuche zeigten bei 100 Tests keinen Ausfall des Lüfters mehr. Die neue Lösung wurde dem Kunden empfohlen und soll schrittweise eingeführt werden.

Durch Einbeziehung des Lüfterlieferanten in die Geräteentwicklung helfen dessen umfangreiche Erfahrungen deutlich bei der Optimierung von Kühldesigns. Bei entsprechendem Auftragsvolumen bietet Sepa-Europe diese Unterstützung kostenlos an.