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Effi­zi­ente Kühlung von Hotspots leicht gemacht

Kompakter, 40 x 40 mm großer Lüfter mit varia­bler Leis­tung


Moderne elek­tro­ni­sche Kompo­nenten und Baugruppen erlauben hohe Leis­tungs­dichte bei kleinstem Bauvo­lumen. Sowohl bei CPUs als auch bei Leis­tungs­elek­tronik steigt damit gleich­zeitig aber auch die Wärme­menge, die abge­führt werden muss. Herkömm­liche Kühl­kon­zepte mit mode­raten Luft­mengen erfor­dern in solchen Fällen große Kühl­körper und wirken so dem erwünschten Minia­tu­ri­sie­rungs­ef­fekt entgegen. Als Hoch­leis­tungs­küh­lung für Daten­ver­ar­bei­tung, Inverter, Laser­an­lagen etc. bietet sich statt­dessen die aktive Kühlung mit effi­zi­enten Hoch­leis­tungs­lüfter an. Bei nur 40 mm Kanten­länge fördern sie einen großen Luft­strom auf den Hotspot. Die schnelle, turbu­lente Strö­mung verbes­sert die gezielte Wärme­ab­fuhr und spart wert­vollen Bauraum. Eine intel­li­gente Elek­tronik im Lüfter sorgt dabei stets für eine opti­male Leis­tungs­an­pas­sung und vari­iert die Luft­mengen gezielt nach Bedarf. Das mindert Ener­gie­ver­brauch und Betriebs­ge­räusch glei­cher­maßen.

Hohe Leis­tung aus kleinem Bauraum bietet gleich mehr­fa­chen Nutzen: Zum einen bekommt der Anwender mehr Nutz­leis­tung, zum anderen schont die Minia­tu­ri­sie­rung die Ressourcen und die Umwelt. Das gilt sowohl für Rechner und Steu­er­elek­tronik als auch für Leis­tungs­bau­teile wie z. B. Tran­sis­toren, Thyris­toren oder Dioden in Frequenz­um­rich­tern, Schweiß­ge­räten oder Inver­tern. Zusammen mit der Leis­tungs­stei­ge­rung bzw. Minia­tu­ri­sie­rung steigen leider auch die Verluste je Bauteil an. Hier sind neue Kühl­kon­zepte gefragt. Die Lüfter­spe­zia­listen von ebm-papst aus St. Georgen im Schwarz­wald entwi­ckelten daher für die Anfor­de­rungen der modernen Hoch­leis­tungs­elek­tronik einen passenden Lüfter: Kompakte Abmes­sungen, sehr hohe Luft­för­der­leis­tung und Druck­erhö­hung standen im Pflich­ten­heft, um die Kühl­luft auch bei dicht gepackten Bauteilen in ausrei­chender Menge bereit­zu­stellen (Bild 1). Gleich­zeitig sollte der Lüfter neue Maßstäbe bei der Effi­zienz und Varia­bi­lität setzen. Eine spezi­elle Steu­er­elek­tronik mit opti­mierter Ansteu­er­technik und Anschluss für externe Kommu­ni­ka­tion erlaubt daher eine bedarfs­ge­rechte Luft­men­gen­re­ge­lung.

Bild 2: Die komplexe Steue­rungs­pla­tine ist komplett im Lüfter­ge­häuse inte­griert

Klein­lüfter mit Know-how

Soll ein bestimmter Luft­strom pro Zeit­ein­heit geför­dert werden, so ist natur­gemäß die Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit bei kleinem Quer­schnitt deut­lich höher als bei einem größeren. Um Gasmo­le­küle zu bewegen, muss ihnen zudem Energie zuge­führt werden; dazu dienen die Flügel der Lüfter-Rotoren. Ähnlich wie beim Flug­zeug ein großer Propeller fördert ein großes Lüfterrad bei mäßiger Dreh­zahl und Luft­ge­schwin­dig­keit ein großes Volumen. Um dagegen bei einem kleinen Lüfter die gleiche Luft­menge pro Zeit­ein­heit zu fördern, ist eine höhere Dreh­zahl der Schau­feln und eine opti­mierte Ein/Auslassgeometrie notwendig. Ein kleiner, exakt abge­stimmter Rotor ersetzt daher bei hoher Dreh­zahl und hoher Strahl­ge­schwin­dig­keit der geför­derten Luft den großen Lüfter­rotor in Bezug auf die Luft­leis­tung. Das Problem liegt dabei im opti­malen Zusam­men­spiel aller Kompo­nenten. Hier konnten die Schwarz­wälder Entwickler auf ihre jahr­zehn­te­lange Erfah­rung zurück­greifen.
Bei den Kompakt­lüf­tern mit 40 x 40 mm Kanten­länge und Förder­vo­lu­mina von knapp 40 m³/h waren daher zwei Dinge zu beachten: eine aero­dy­na­misch opti­male Ausle­gung von Rotor und Gehäuse sowie ein ausrei­chend leis­tungs­starker Antrieb. Idea­ler­weise ergänzen sich hierbei die Forde­rungen nach hoher Dreh­zahl aus der Aero­dy­namik mit denen des Elek­tro­an­triebs: Klei­nere Elek­tro­mo­toren schöpfen ihre Leis­tung aus hoher Dreh­zahl bei eher mode­ratem Dreh­mo­ment. Der leis­tungs­starke Außen­läu­fer­motor des Lüfters konnte in mehreren Schritten optimal auf die opti­mierten aero­dy­na­mi­schen Kompo­nenten abge­stimmt werden. Dies gelang so gut, dass der neue Lüfter, auf das markt­üb­liche Maß von 40 x 40 x 28 mm ausge­legt nun nahezu die doppelte Leis­tung des Vorgän­ger­mo­dells erreicht.

Luft­för­de­rung „On Demand“

Der Antrieb und damit die Luft­menge muss sich auch intel­li­gent regeln lassen. Daher wird der elek­tro­nisch kommu­tierte Motor über eine komplexe Steue­rungs­elek­tronik gere­gelt (Bild 2). Das ermög­licht nicht nur einen ökono­mi­schen, sprich strom­spa­renden Betrieb, sondern erlaubt auch die gezielte Luft­för­de­rung: Läuft z. B. eine CPU oder ein Dioden­laser im Leer­lauf wird die Förder­menge redu­ziert, steigt unter Last die abzu­füh­rende Wärme­menge an, wird entspre­chend mehr Kühl­luft geför­dert. Das bringt neben gerin­gerem Leis­tungs­be­darf und Lärm weitere Vorteile wie z. B. höhere Stand­zeiten für vorge­schal­tete Filter. In Summe redu­ziert so die inte­grierte Intel­li­genz im Lüfter dras­tisch die Betriebs­kosten für die Kühlung. Sonder­funk­tionen wie Tacho­si­gnal, Go/NoGo-Alarm, ein externer Tempe­ra­tur­sensor, ein PWM-Steu­er­ein­gang oder ein Feuchte- und sogar Salz­ne­bel­schutz erwei­tern das Einsatz­spek­trum auch über den Bereich in Schalt­schrank oder Rechen­zen­trum hinaus direkt in die raue Indus­trie­um­ge­bung.

Bild 3: Das Luft­leis­tungs­dia­gramm zeigt es deut­lich, klein aber oho!

In der Praxis

Die Lüfter der 420J Serie sind nach den ebm-papst „GreenTech“-Anforderungen umwelt­scho­nend konstru­iert und gefer­tigt. Sie bauen mit 40 x 40 x 28 mm sehr kompakt. Zur Verfü­gung stehen zwei Vari­anten mit 12 oder 24 VDC Nenn­span­nung. Je nach Modell liegt der Volu­men­strom zwischen 24 und 38 m³/h und die Druck­erhö­hung bei bis zu 500 Pascal mit einer Leis­tungs­auf­nahme von 2,5 bzw. 7,1 W (Bild 3). Der Lüfter wurde leiser, der Schall­leis­tungs­pegel verrin­gerte sich je nach Betriebs­punkt um 2 bis 5 dB(A) gegen­über der alten Ausfüh­rung. Der kleine Lüfter wiegt nur 45 g, da Gehäuse und Lüfterrad aus leichtem, schwin­gungs­dämp­fenden GFK (Glas­fa­ser­kunst­stoff) wie PBT (Poly­bu­ty­len­te­re­ph­thalat) bzw. PA (Poly­amid)) gefer­tigt wurden. Die Einsatz­tem­pe­ratur liegt im weiten Bereich von -20 bis +70 °C. Unter Voll­last verrin­gerte sich die Leis­tungs­auf­nahme gegen­über dem Vorgän­ger­mo­dell um rund 70 %. Der gegen­über dem Vorgän­ger­mo­dell verbes­serte Motor­wir­kungs­grad wirkt sich auch positiv auf die Lage­rer­wär­mung aus. So kann die Nenn­dreh­zahl von bis zu 17.200 U/min problemlos jahre­lang verkraftet werden. Die Lebens­dauer (L10) Werte nach dem scharfen, haus­ei­genen ebm-papst Stan­dard liegen sehr hoch: für die M-Ausfüh­rung des Lüfters bei 40°C bzw. 70°C bei 75.000 bzw. 32.500 Stunden. Nach der sonst übli­chen L10IPC Methode beträgt die Lebens­er­war­tung bei 40 °C rund 127.500 Stunden für eine M-Ausle­gung.
Die robusten Kunst­stoffe wider­stehen auch widrigen Umge­bungs­be­din­gungen. Um dem Anwender einen brei­teren Einsatz­be­reich gerade auch für Indus­trie­ge­räte oder mobile Einheiten zu ermög­li­chen, gibt es die Lüfter auch in einer extra robusten Ausfüh­rung. Dabei wird u.a. die Elek­tronik­pla­tine mit Poly­ure­than vergossen und der Stator durch eine Lackie­rung geschützt. So besteht der Lüfter auch den Salz­ne­bel­test. Dem Lüfter-Einsatz in Umrich­tern oder Dioden­schweiß­an­lage in rauer Umge­bung steht daher nun nichts mehr im Wege.

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Kompaktlüfter

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