Wer elektronische Geräte baut, weiß dass man in den seltensten Fällen um den Einsatz von Lüftern zur Wärmeabfuhr herum kommt. Denn die zugeführte Energie wird nie vollständig für den vorhergesehenen Zweck genutzt; ein Teil davon erwärmt die Bauteile. Und es ist auch keine Neuigkeit, dass Wärme die Lebenserwartung eingebauter Elektronik wesentlich reduziert. Der Markt bietet unzählige Lüftervariationen an. Nur, welcher Lüfter ist für welche Anwendung ideal? Oft wird das per Trial and Error ermittelt; eine zeit- und kostenaufwändige Methode, die noch dazu meist keine optimalen Ergebnisse liefert. Wer einige Grundlagen zur Lüfterauswahl kennt, hat es bei der Entscheidung für den idealen Lüfter leichter. Dieser Text beantwortet typische Fragen, die bei der Lüfterauswahl immer wieder auftreten.
Saugen oder blasen?
Noch vor der Wahl der Lüfterbauart steht die Frage nach dem Kühlprinzip. Ist für die geplante Anwendung saugender oder blasender Betrieb besser geeignet? Von blasendem Betrieb spricht man, wenn die Kühlluft nach Passieren des Ventilators über das zu kühlende Bauteil geführt wird. Diese Methode bringt gleich mehrere Vorteile. Mit ihr lassen sich besonders heiße Punkte sehr gezielt mit kühler Luft versorgen (Hot-Spot-Kühlung). Zudem ermöglicht die hochturbulente Luftströmung am zu kühlenden Objekt einen sehr guten Wärmeübergang. Und auch für den Lüfter selbst bringt diese Methode Vorteile: Durch das Ansaugen kühler Umgebungsluft wird der Lüftermotor thermisch weniger belastet, was seine Lebensdauer wesentlich erhöht.
Eben diese Vorteile bietet der saugende Betrieb nicht. Bei ihm wird die Kühlluft vor Passieren des Lüfters über die zu kühlenden Bauteile geführt. Aber auch diese Variante ist für bestimmte Anforderungen die richtige Methode. Ihr großer Vorteil ist eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung der Kühlluft über den Durchströmungsquerschnitt; das ermöglicht eine homogene Wärmeabfuhr. Liegen widersprechende Anforderungen vor, kann es durchaus Sinn machen, in einem Gerät blasenden und saugenden Betrieb zu kombinieren und so eine ideale Lösung zu erreichen.
Axial-, Radial- oder Diagonallüfter?
Bild 1 Axiallüfter sind ideal für Anwendungen, in denen man große Luftmengen bei wenig Druck benötigt. Radialventilatoren können aufgrund ihrer Bauform sehr viel Energie auf die Luftmoleküle übertragen. Diagonallüfter vereinen die beiden Extrema von Axial- und Radiallüfter. [Klicken für Großansicht]
Bild 2. Die Kennlinie des Diagonallüfters hat keinen Sattelpunkt und ist insgesamt gestreckter als beim Radiallüfter. [Klicken für Großansicht]
Als Nächstes gilt es, die richtige Lüfterbauart auszuwählen. Axialventilat oren sind prädestiniert zur Förderung großer Luftmengen bei geringem Gegendruck. Steigt der Druckverlust im Gerät an, fällt ihr Volumenstrom schnell ab. Die Einsattelung der Ventilatorkennlinie, charakterisiert durch einen horizontalen oder sogar s-förmig geschwungenen Verlauf der Ventilatorkennlinie, ist typisch für den Axialventilator (Bild 1). Wenig rechts vom Sattelpunkt ergibt sich üblicherweise der Punkt des optimalen, aerodynamischen Wirkungsgrads und geringsten Schallpegels. Bei weiterer Drosselung des Volumenstromes (links des Sattelpunkts) kann die Strömung den Vorgaben der Schaufelkontur nicht mehr folgen und die Strömung reißt an der Radnabe und an den auf höheren Durchsatz aerodynamisch optimierten Flügeln ab. Das führt zu einem Abfall des aerodynamischen Wirkungsgrads und zu starkem Geräuschanstieg durch Wirbelbildung.
Radialventilatoren hingegen können aufgrund ihrer Bauform mehr Energie auf die Luftmoleküle übertragen. Wird also ein hoher Druck bei geringerem Volumenstrom gefordert, ist man mit dieser Bauart gut beraten. Das höhere Druckniveau entsteht konstruktionsbedingt: Die Strömung verlässt beim Radialventilator das Laufrad immer am äußeren Umfang, hat also dank der dort größeren Umfangsgeschwindigkeiten ein höheres Druckniveau. Die niedrigsten Geräuschwerte erreicht diese Bauform bei relativ kleinen Volumenströmen. Für viele Anwendungen bieten radiale Ventilatoren zusätzlich einen konstruktiven Vorteil: Sie verändern die Strömungsrichtung um 90 Grad. Behindern Bauteile, Filter usw. den freien Luftstrom, schafft diese Variante Abhilfe.
Diagonallüfter vereinen die beiden Extrema von Axial- und Radiallüfter. Abhängig von ihrer Auslegung können die Eigenschaften der axialen oder radialen Bauart überwiegen. Durch eine spezielle Gestaltung wird eine nahezu konstante Drehzahl des Motors über den gesamten Betriebsbereich möglich. Die Lüfterkennline hat keinen Sattelpunkt und ist insgesamt gestreckter als beim Radiallüfter (Bild 2).
Parallel oder seriell?
Bild 3. Eins plus eins ist nicht zwei: Durch das Parallelschalten von zwei Axiallüftern verdoppelt sich nicht einfach der Volumenstrom. [Klicken für Großansicht]
Bild 4. Beim seriellen Schalten von Lüftern hat die Luft am Eingang des zweiten Lüfters einen Drall. Das verändert die Ansaugbedingungen gravierend. Lösen lässt sich dieses Problem mit Leitvorrichtungen wie Leiträder oder Leitschaufeln, die die Energie der Drallströmung in einen Druckgewinn umformen. [Klicken für Großansicht]
Bringt ein Lüfter allein nicht die benötigte Leistung, ist es nahe liegend, mehrere Lüfter seriell oder parallel zu schalten. Dabei gilt es aber zu beachten, dass in diesem Fall eins und eins nicht unbedingt zwei ergibt. Die Förderströme der einzelnen Geräte beeinflussen sich gegenseitig, dies kann bei falscher Anordnung sogar zu negativen Effekten führen. Eine genaue Analyse der Einsatzbedingungen und darauf abgestimmte Anordnung der Lüfter ist für ein gutes Ergebnis unbedingt erforderlich.
Bei der parallelen Anordnung von mehreren Lüftern vervielfältigt sich der Volumenstrom über die gesamte Lüfterkennlinie. Die tatsächliche Zunahme ist abhängig von der Anzahl der Lüfter und ihrer Anordnung zueinander. Werden sie zu dicht aneinander gereiht, kann es zu Wirbelbildung und somit zu Energieverlust kommen. Damit sinkt das praktisch erreichbare Luftvolumen gegenüber der theoretisch möglichen Summe der Einzelströme teilweise erheblich ab (Bild 3). Oft reicht bei Axiallüftern mit Montagerahmen der Abstand bei Aneinanderreihung der Rahmen aus, um eine nennenswerte Strömungsbeeinflussung zu vermeiden. Zu bedenken gilt: Für eine Verdoppelung des Volumenstromes ist ein vierfacher Druck notwendig. Grund dafür ist der mit der zweiten Potenz des Volumenstromes ansteigende Druckverlust der Gerätekennlinie.
Schaltet man zwei Lüfter hintereinander, so erreicht man zumindest theoretisch den doppelten Druck. Aber auch hier beeinflussen sich die Förderströme gegenseitig, wenn der Abstand zwischen den Lüftern zu gering ist. Die Ursache: Von Axialventilatoren abströmende Luft enthält einen Drall, mit dem der stromab gelegene Lüfter beaufschlagt wird. Damit ändern sich dessen Ansaugbedingungen gravierend. Lösen lässt sich dieses Problem mit Leitvorrichtungen wie Leiträder oder Leitschaufeln, die die Energie der Drallströmung in einen Druckgewinn umformen (Bild 4). Die größte Leistung erzielt man bei der Reihenschaltung von gegenläufig drehenden Ventilatoren. Hier kann der stromabgelegene Lüfter im günstigen Gegendrall arbeiten und der Luft eine höhere Energiemenge zuführen. Der Nachteil ist die höhere Belastung des Antriebsmotors am stromabgelegenen Lüfter und das erheblich höhere Geräuschniveau.
Welcher Antrieb für welche Anforderungen?
Welcher Antriebsmotor für welchen Lüfter ideal ist, hängt vor allem von der vorhergesehenen Anwendung ab. Was auf den ersten Blick wie ein Nachteil wirkt, kann gerade für den speziellen Einsatzort die ideale Lösung sein. Ein Beispiel verdeutlicht das: Der Wirkungsgrad von AC-Motoren ist sehr gering. Das bietet aber gerade bei tiefen Temperaturen Vorteile. Liegt die Temperatur sehr tief, benötigt man ein erhebliches Plus an Drehmoment, um das so genannte Losbrechmoment der Lagerung zu überwinden. Ursache dafür ist u.a. der zähere Schmierstoff im Lager. Ein wirkungsgradoptimierter DC-Motor schaltet hier einfach ab. Der "verlustreiche" AC-Motor heizt sich dagegen selbst auf die nötige Starttemperatur und verrichtet so ohne weitere Zusatzmaßnahmen zuverlässig seinen Dienst.
Trotzdem gibt es einige Grundsätze, die fast immer gelten. In der Regel wünscht man sich Lüftermotoren mit einer "steifen" Motorcharakteristik. Konkret bedeutet das: Ändert sich der Drehmomentbedarf des Lüfterrades, dann soll sich die Drehzahl des Motors nur minimal ändern. In modernen Lüftern werden heute fast durchweg kleine, elektronisch kommutierte "Gleichspannungsmotoren", so genannte EC-Motoren eingesetzt. Einfache Motoren in dieser Ausführung sind inzwischen deutlich kostengünstiger als die früher oft eingesetzten Wechselstrom-Asynchronmotoren. Sie ermöglichen Lüfterdrehzahlen von 1000 bis 6000 U/min, in Sonderfällen bis zu 15000 U/min und mehr. Zudem liegt der Wirkungsgrad der DC-Antriebe erheblich über dem von AC-Motoren. Der Nachteil ist aber die "weiche" Charakteristik dieser kleinen Motoren. Das hat die typische Sattelbildung im Druck / Volumenstrom-Diagramm zur Folge. Frei ausblasend hat der Axiallüfter den geringsten Drehmomentbedarf, der Motor seine höchste Drehzahl. Mit steigendem Gegendruck wächst der Leistungsbedarf des Lüfterrades stark an, der Motor kann die Drehzahl nicht mehr halten. Eine elektronische Nachregelung des Motors schafft hier in gewissen Grenzen Abhilfe.
Welches ist das richtige Material?
Neben Bauart und Antriebskonzepten bietet auch die Materialfrage ein Entscheidungskriterium. Werkstoff der Wahl für moderne Lüfteraußengehäuse ist heute in der Regel Kunststoff, lediglich bei Lüftern mit AC-Motoren wird auf Aluminiumdruckguss zurückgegriffen. Diese Motoren haben eine hohe Verlustleistung, die durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Leichtmetalls besser abgeführt werden kann. Vorteile der Kunststoffgehäuse sind die große Designvielfalt durch das Spritzgießen, das geringere Gewicht und die (abhängig vom eingesetzten Kunststoff) hohe Korrosions- und Verschleißfestigkeit.
Eine sehr lange Lebensdauer wird sowohl mit Kugellagern als auch mit modernen Sintergleitlagern erreicht. Diese aus einem porösen Metall bestehenden Lagerbuchsen sind mit einem Hochleistungsschmierstoff getränkt, der für die gesamte Lebensdauer vorhält. In besonders widrigen Umgebungsbedingungen erreichen speziell aufgebaute Lüfter lange Laufzeiten. Bei ihnen sind mit Schutzlack überzogene oder sogar mit PU-Harz vakuumvergossene Motor- und Elektronikkomponenten verbaut. Kugellager werden für solche Anwendungen besonders abgedichtet oder für manche Einsatzfälle auch Lager aus Edelstahl verwendet.
Es wird also deutlich: Die Auswahl des richtigen Lüfters ist eine sehr komplexe Sache. Verschiedene Kriterien helfen bei der Wahl des Lüfterkonzepts, der Bauart und dem richtigen Material. Neben all diesen Merkmalen ermöglichen auch die oben erwähnten Lüfterkennlinen zusammen mit Gerätekennlinien (siehe Bild 2) die Auswahl des für die jeweilige Anwendung ideal geeigneten Lüfterkonzepts.
