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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

Leistungsstark mit hoher Effizienz