Die Entwärmung in elektrischen Systemen ist essenziell, bei der Wahl der richtigen Lüfter gibt es aber einiges zu Beachten. Fünft Tipps helfen weiter.

Die Entwärmung in elektrischen Systemen ist essenziell, bei der Wahl der richtigen Lüfter gibt es aber einiges zu Beachten. Fünft Tipps helfen weiter. (Bild: AdobeStock 298530768, daniiD)

Ventilatoren haben die Aufgabe, Luft zu bewegen und diese durch eine Anlage, beispielsweise ein elektronisches Gerät, zu drücken. Die Anlage setzt diesem Vorgang einen Strömungswiderstand entgegen. Der Lüfter muss diesen Widerstand durch Erzeugen eines Druckes überwinden. Je größer der durch den Lüfter erzeugten Volumenstrom durch das Gerät ist, umso größer wird auch der Strömungswiderstand (Druckverlust), den der Lüfter durch größeren Druck ausgleichen muss. Zwischen Lüfter und Anlage stellt sich so immer ein Gleichgewichtszustand ein.

Wie finde ich den passenden Lüfter?

Jedes elektrische Gerät benötigt ein passendes Thermomanagement, bei dem sehr oft Lüfter unterschiedlicher Bauart zum Einsatz kommen. Der Beitrag hilft bei der Auswahl geeigneter Lüfter und gibt fünf Tipps für die Praxis zu Lüfterleistung, Geräuschentwicklung, Ausrichtung, Lager und Zubehör.

Wie leistungsfähig muss der Lüfter sein?

Die in den Datenblättern angegebene Förderleistung wird bei frei ausblasendem Ventilator ohne Gegendruck ermittelt. Hier fördert der Ventilator den maximalen Volumenstrom. Bläst dieser hingegen in einen Raum ohne Luftaustritt, entwickelt er seinen maximalen Druck bei einem Volumenstrom null. Dieser Wert steht ebenfalls in den Datenblättern. Die Kennlinie zwischen diesen beiden Extremwerten zeigt den Zusammenhang zwischen Förderleistung und Druck. Wird der Lüfter an ein Gerät angeschlossen, muss er den auftretenden Strömungswiderstand überwinden, indem er einen gewissen Druck aufbaut, wodurch der Volumenstrom abnimmt. Die Gerätekennlinie zeigt den Druckverlust in Abhängigkeit vom Volumenstrom. Der Schnittpunkt von Lüfterkennlinie und Gerätekennlinie ist der Arbeitspunkt des Ventilators.

Für die Ermittlung der Lüfterkennlinie (Bild 1) sind aufwendige Prüfanlagen erforderlich, über die nur der Lüfterhersteller verfügt. Anwender und Händler besitzen diese meist nicht. Die Ermittlung der notwendigen Förderleistung kann durch Simulationsprogramme erfolgen, wenn die Gerätegeometrie und die Lüfterkennlinie ausreichend genau bekannt und im Simulationsprogramm gespeichert sind. Einfacher und meist ausreichend genau ist die empirische Methode: Durch Temperaturmessung an den kritischen Bauteilen wird festgestellt, ob der anfangs gewählte Lüfter zufriedenstellende Ergebnisse bringt. Durch Verändern von Lüftergröße und/oder Drehzahlanpassung wird rasch der optimale Lüfter ermittelt. Mit dem Diagramm kann bei gegebener Temperaturerhöhung und abzu-führender Verlustleistung der erforderliche Volumenstrom näherungsweise festgestellt werden.

Den so ermittelten Volumenstrom muss der Lüfter trotz Druckerhöhung liefern. Wenn die Gerätekennlinie nicht bekannt ist, muss die Druckerhöhung des Gerätes geschätzt werden. Je nach der Komponentendichte im Gerät kann der Arbeitspunkt bei 15 bis 30 Prozent des Maximaldruckes angenommen werden. Dieser Bereich wird von üblichen Axiallüftern gut abgedeckt, ohne in den ungünstigen Einsattelungsbereich der Lüfterkennlinie zu geraten. Ist die Druckerhöhung durch extreme Bauteildichte größer, muss ein Tangential- oder Radiallüfter gewählt werden, dessen Kennlinien kaum oder gar keine Einsattelung aufweisen.

Bild 1: Der Schnittpunkt von Lüfterkennlinie und Gerätekennlinie ist der Arbeitspunkt des Ventilators.
Bild 1: Der Schnittpunkt von Lüfterkennlinie und Gerätekennlinie ist der Arbeitspunkt des Ventilators. (Bild: Sepa)

Welches Geräusch ist bei Lüftern tolerierbar?

Die Kühlung eines elektronischen Systems ist von Anfang an einzuplanen. Es ist besser, eine überdimensionierte Kühlung nach dem Vorliegen endgültiger Messungen zu verkleinern, als eine unterdimensionierte Kühlung nachträglich unter erheblichen Schwierigkeiten zu verstärken. Folgende Regeln sind für eine geräuschoptimierte Lüfterauswahl zu beachten:

  • Es sollte immer der mechanisch größtmögliche Lüfter gewählt werden. Je größer der Lüfter, umso niedriger kann seine Drehzahl sein, die zur Erzeugung des erforderlichen Luftstroms benötigt wird
  • Durch Temperatursteuerung den Volumenstrom an die tatsächlich benötigte Kühlleistung anpassen.
  • Die Förderleistung eines Lüfters muss immer den ungünstigsten Bedingungen entsprechen. Im Normalbetrieb wird diese Luftleistung kaum benötigt, der Lüfter kann langsamer drehen. Bei jedem DC-Standardlüfter kann das mit einer kleinen Zusatzelektronik zu geringen Kosten erreicht werden. Die Drehzahlsteuerung erfolgt bei DC-Lüftern einfach über die Betriebsspannung. Die im Datenblatt angegeben untere Spannungsgrenze ist für den sicheren Anlauf erforderlich und muss beim Starten kurzzeitig anliegen. Im Betrieb kann die Spannung ohne weiteres auf 50 Prozent zurückgenommen werden, 5-VDC Lüfter benötigen wenigstens 3,5 VDC Betriebsspannung nach dem Hochlaufen.
  • Die Wahl sollte auf Gleitlagerlüfter mit sehr niedriger Drehzahl fallen, denn sie entwickeln weniger Körperschallgeräusch als Lüfter mit Kugellagern. Die MagFix-Technologie von Sepa Europe verhindert zuverlässig die Nachteile von Gleitlagerlüftern älterer Bauart und sind in jeder Einbaulage zu betreiben. Axiallüfter und Radiallüfter mit aktueller Flügelform (z. B. LF40P05) entwickeln deutlich weniger Geräusch bei gleichem Volumenstrom (Bild 2).
Bild 2: Axiallüfter und Radiallüfter mit aktueller Flügelform (z. B. LF40P05) entwickeln deutlich weniger Geräusch bei gleichem Volumenstrom.
Bild 2: Axiallüfter und Radiallüfter mit aktueller Flügelform (z. B. LF40P05) entwickeln deutlich weniger Geräusch bei gleichem Volumenstrom. (Bild: Sepa)

Soll die Durchlüftung horizontal oder vertikal stattfinden?

Bei der Konstruktion eines Gerätes oder einer Anlage ist festzulegen, in welche Richtung die Durchströmung erfolgen soll und wo Lüfter, Lufteinlass und -auslass anzuordnen sind. In elektrischen Anlagen wird Luft erwärmt, weshalb es von Vorteil ist, die Wirkung der freien Konvektion zu nutzen und die Durchströmungsrichtung von unten nach oben zu wählen. Dieser Grundsatz gilt vor allem bei hohen Anlagen wie Schränken. In vielen Anlagen, insbesondere bei flacher Gerätebauform, ist jedoch die Energie, die sich durch die Temperaturunterschiede ergibt, viel kleiner als die von den Lüftern erzeugte Strömungsenergie. Hier lassen sich auch alle anderen alternativen Strömungsrichtungen ohne merkbare Abstriche realisieren.

Grundsätzlich arbeitet der Lüfter, unabhängig von der Durchströmungsrichtung, am gleichen Schnittpunkt zwischen Lüfterkennlinie und Gerätekennlinie. Zu beachten ist jedoch, dass die Saugströmung eines Lüfters näherungsweise linear, also geordnet erfolgt, während das Ausblasen turbulent, also unregelmäßig und in einer Vorzugsrichtung (beim Axiallüfter axial) stattfindet. Die Turbulenz verstärkt die Kühlwirkung an den angeströmten Bauteilen, weshalb die druckseitige Anordnung zu empfehlen ist. Hinzu kommt, dass hier der Lüfter nicht durch die heiße ausgeblasene Luft des Gerätes belastet wird, da er die relativ kühle Umgebungsluft ansaugt. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer.

Welches Lagersystem ist das Beste?

Die Lagerung der Motorwelle ist das Element im Lüfter, das die Zuverlässigkeit maßgeblich bestimmt. Es kommen zwei völlig unterschiedliche Lagersysteme zum Einsatz: Kugellager oder MagFix-Gleitlager. Tatsächlich ist es nicht leicht, die richtige Entscheidung zu treffen. Der geplante Einsatz, die Größe und das Gewicht des Lüfterrotors, Umweltbedingungen, Lebensdauererwartung, Zuverlässigkeit und Kosten müssen sorgfältig gegeneinander abgewogen werden.

Kugellager sind Präzisionsbauelemente, die wartungsfrei und dauergeschmiert sind. Sie haben den Vorteil, dass sie in einem breiten Einsatztemperaturbereich (-40 °C bis +85 °C) verwendet werden können. Sie sind sehr zuverlässig und haben eine Lebensdauererwartung von bis zu 350.000 h (MTBF bei 40 °C). Jedoch reagieren Lüfter mit Kugellager empfindlich auf Schock und Vibration und sind etwas teurer in der Anschaffung, als Gleitlagerlüfter.

Die MagFix-Lagerung (Bild 3) besteht aus einem Gleitlager für die radiale Positionierung und einem sogenannten Spurlager für die axiale Fixierung an der Spitze der Rotorwelle. Vereinfacht dargestellt wird durch einen Versatz der Spulen zum Magnet oder durch eine Magnetbahnplatte eine Kraft in axialer Richtung genutzt, um die Fixierung im Spurlager sicher zu stellen. Dadurch bleiben die Lagerschultern frei und ein Abwandern des Öls wird sicher vermieden. Lüfter mit MagFix-Lagerung punkten mit niedrigem Geräusch, hoher Schock- und Vibrationsunempfindlichkeit und niedrigem Preis.

Bild 3: Die MagFix-Lagerung besteht aus einem Gleitlager für die radiale Positionierung und einem Spurlager für die axiale Fixierung an der Spitze der Rotorwelle.
Bild 3: Die MagFix-Lagerung besteht aus einem Gleitlager für die radiale Positionierung und einem Spurlager für die axiale Fixierung an der Spitze der Rotorwelle. (Bild: Sepa)

Welches Zubehör für Lüfter ist notwendig?

Für die Anforderungen der aktuellen Hochleistungselektronik gibt es verschiedene Möglichkeiten der Befestigung. Hierzu gehören Befestigungsnieten, Lüftermanschetten, Befestigungsschrauben, Wärmeleitkleber und doppelseitiges Wärmeleitpad. Damit wird ein sicherer Halt von Lüftern und Kühlkörpern garantiert.

Ein wichtiges Accessoire ist aber auch das Schutzgitter. Der häufigste Anwendungsfall ist, wie der Name schon sagt, der Schutz gegen unbeabsichtigte Berührung. Darüber hinaus können spezielle Filtergitter auch zusätzlich das Eindringen von kleineren Partikeln oder Staub verhindern oder eine Abschirmung elektromagnetische Strahlung bewirken. Externe Schutzgitter sind den in Blechgehäusen eingestanzten ringförmigen Schlitzen deutlich überlegen, da sie kaum Luftverwirbelungen erzeugen, die zu höheren Lüftergeräuschen und zu geringerem Volumenstrom führen. Mit Schutzgittern kann, je nach Bauform, ein Schutzgrad von IP20 bis IP54 erreicht werden (Bild 4). (na)

Bild 4: Schutzgitter sind ein wichtiges Accessoire und sollen vor allem vor unbeabsichtigter Berührung schützen.
Bild 4: Schutzgitter sind ein wichtiges Accessoire und sollen vor allem vor unbeabsichtigter Berührung schützen. (Bild: Sepa)
Robert Cap, Sepa Europe

Robert Cap

Geschäftsführer Sepa Europe

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