Die Elek­tronik­küh­lung basiert heute zum großen Teil auf Axial­lüf­tern, vor allem weil diese bauform­be­dingt hohe Volu­men­ströme liefern und sich konstruktiv leicht inte­grieren lassen. „Normale“ Axial­lüfter stoßen jedoch an Grenzen, wenn immer leis­tungs­fä­hi­gere Elek­tronik auf glei­chem Raum unter­ge­bracht oder gar noch kompakter aufge­baut werden soll, weil die strö­mungs­tech­ni­schen Wider­stände mit zuneh­mender Gerä­te­kom­pakt­heit steigen. Um die Kühl­leis­tung zu erhöhen, könnte man dann einfach zwei gleich- oder gegen­läufig drehende Axial­lüfter in Reihe schalten. Dadurch ergibt sich dann zwar prin­zi­piell die gefor­derte Luft­leis­tung. Die Lösung benö­tigt aber größeren Bauraum und bringt schwin­gungs­me­cha­ni­sche Nach­teile mit sich. Außerdem können sich die Lüfter strö­mungs­tech­nisch ungünstig beein­flussen, was beispiels­weise in einem erhöhten Geräusch resul­tiert.

Opti­miertes Venti­la­toren-Paar kühlt Hoch­leis­tungs­elek­tronik

Für einen Power­lüfter, der mehr Leis­tung bringt und trotzdem möglichst kompakt gebaut ist, wählte ebm-papst deshalb einen neuen Ansatz: Mit dem AxiTwin 100 entwi­ckelten die Motoren- und Venti­la­to­ren­spe­zia­listen in enger Abstim­mung mit einem Unter­nehmen aus der Tele­kom­mu­ni­ka­ti­ons­branche einen kompakten Lüfter, der als Gegen­läufer aufge­baut ist. Bei einem Kantenmaß von 10 cm und einer Tiefe von 9 cm passen vier solcher Lüfter in ein 19“-Rack, wie es typi­scher­weise für die Kühlung in Blade-Servern einge­setzt wird.

Bis zu 536 m³/h Luft­leis­tung bei bis zu 1.300 Pa Druck. (Grafik | ebm-papst)

Das garan­tiert eine zuver­läs­sige Wärme­ab­fuhr selbst bei dicht gepackter Elek­tronik, denn jeder Lüfter liefert bis zu 536 m³ Luft pro Stunde und einen maxi­malen stati­schen Druck­aufbau bis 1.300 Pa. Der neue Lüfter für die Elek­tronik­küh­lung kombi­niert dafür nicht einfach zwei Einzel­ven­ti­la­toren mitein­ander, sondern verwendet eine in simul­taner nume­ri­scher Opti­mie­rung, unter Berück­sich­ti­gung des strö­mungs­tech­ni­schen Arbeits­punktes, neu entwi­ckelte Strö­mungs­geo­me­trie der beiden aufein­an­der­fol­genden Schau­fel­reihen.

Lüfterrad der zweiten Stufe: Verwir­be­lungen und Drall werden redu­ziert. Die extreme Sichel­form der Flügel trägt außerdem zur Geräusch­op­ti­mie­rung bei; durch die vergleichs­weise geringe Ober­fläche der Flügel steigt die Effi­zienz. (Grafik | ebm-papst)

Der Venti­lator besteht dann aus zwei Rotoren, die über einen inno­va­tiven Flansch verbunden sind. Der erste Rotor mit seinen fünf Flügeln ist maßgeb­lich für den Volu­men­strom verant­wort­lich, der zweite, drei­flü­ge­lige Rotor haupt­säch­lich für den Druck­aufbau. Etwa zwei Drittel des Drucks werden in der zweiten Stufe erzeugt. Zudem redu­ziert die zweite Stufe durch ihre ausge­feilte Aero­dy­namik mit einer extremen Sichel­form der Flügel die Verwir­be­lungen und trägt zur Geräusch­op­ti­mie­rung bei; durch die vergleichs­weise geringe Ober­fläche der Flügel steigt die Effi­zienz.

Geräusch­mi­ni­mie­rung dank Flansch

Ein wesent­li­cher Vorteil des gegen­läu­figen Venti­la­tor­prin­zips ist die Reduk­tion des Geschwin­dig­keits­an­teils des Luft­stroms in Umfangs­rich­tung. Der Flansch zwischen beiden Stufen ist bei dieser Konstruk­tion nicht einfach nur eine Trag­struktur oder ein Abstand­halter, sondern eine paten­tierte Engi­nee­ring-Leis­tung. Er koppelt beide Stufen schwin­gungs­mäßig so, dass jede Stufe die jeweils andere hinsicht­lich Vibra­tionen beru­higt. Durch das doppel­sei­tige Lager­rohr, das beide Stufen mitein­ander verbindet, und die inte­grierte Leit­schaufel baut er zudem ausge­spro­chen kompakt.

Der Flansch ist mehr als ein Abstands­halter. Er verrin­gert durch seine opti­mierte Geome­trie Wirbel­bil­dung und Geräusch­ent­ste­hung an der zweiten Stufe. (Grafik | ebm-papst)

Auch die Geome­trie der Leit­schau­feln des Flanschs wurde unter Verwen­dung des simu­lierten Strö­mungs­felds zwischen den beiden Rotoren im vorge­se­henen Gerä­te­ar­beits­punkt ermit­telt, was die Wirbel­er­zeu­gung an den Leit­schau­feln und die Inter­ak­tion dieser Wirbel mit der zweiten Schau­fel­reihe mini­miert und so eben­falls zur Geräusch­op­ti­mie­rung beiträgt. Der Flansch ist aus Alumi­nium gefer­tigt, was eine hohe Stei­fig­keit garan­tiert und gleich­zeitig für eine gute Wärme­ab­lei­tung sorgt.

Leis­tungs­starke EC-Antriebe mit neuer Elek­tronik

Trei­bende Kraft der Lüfter­räder sind ener­gie­ef­fi­zi­ente Green­Tech EC-Antriebe mit einer Motor­leis­tung von bis zu 180 W. Die drei­strän­gigen Motoren sind eben­falls sehr kompakt konstru­iert, arbeiten sowohl im meist übli­chen Teil­last­be­trieb als auch bei Voll­last mit hohem Wirkungs­grad und sind durch die elek­tro­ni­sche Kommu­tie­rung für den Dauer­be­trieb ausge­legt. Auch die neu entwi­ckelte 300-W-Elek­tronik hat einiges zu bieten. Sie ist nicht im Motor inte­griert, sondern wurde für eine umso bessere Entwär­mung und damit verbunden eine noch höhere Lebens­dauer in den Gehäu­se­ecken unter­ge­bracht. So kann zusätz­lich die Ober­fläche des Flanschs zu ihrer Kühlung beitragen.

Die einzelnen Stufen benö­tigen am Motor nur eine kleine Anschluss­pla­tine für die Wick­lung. Stan­dar­di­sierte Signal-Eingänge wie PWM-Eingang oder Analog­steu­er­ein­gang, sowie Tacho-/Alarm-Ausgangs­si­gnale können je nach Anfor­de­rung indi­vi­duell inte­griert werden. In der Stan­dard-Ausfüh­rung verfügt der Lüfter über einen PWM-Eingang und einen Open-Coll­ector-Tacho-Ausgang. Für anspruchs­volle Umge­bungen ist optional auch ein Feuch­tig­keits­schutz verfügbar.

Der Flansch koppelt beide Stufen schwin­gungs­mäßig so, dass jede Stufe die jeweils andere beru­higt. (Grafik | ebm-papst)

Durch den zwei­stu­figen Aufbau des Gegen­läu­fers ist zudem bei Anwen­dungen mit kriti­scher 24/7-Verfüg­bar­keits­an­for­de­rung, wie z. B. Rechner von Groß­banken, für die notwen­dige Redun­danz gesorgt. Beim Ausfall eines einzelnen Rotors gibt es keine Rück­strö­mungen, da sich der andere Rotor weiterhin dreht. Jede Stufe lässt sich getrennt, aber immer aufein­ander abge­stimmt ansteuern. Das Dreh­zahl­ver­hältnis ist defi­niert, kann aber im Einzel­fall indi­vi­duell verän­dert werden, um etwa Effi­zienz oder Geräusch­ver­halten in gewissen Berei­chen der Leis­tungs­höhe zu opti­mieren.

Mit dem AxiTwin 100 steht Anwen­dungen, bei denen es gilt viel Rechen­leis­tung bei wenig Platz zu kühlen, ein äußerst leis­tungs­fä­higer Kompakt­lüfter mit geringen Einbau­maßen zur Verfü­gung. Sein Einsatz­ge­biet reicht quer durch alle Zukunfts­tech­no­lo­gien, ange­fangen von der Rack-Kühlung von Blade-Servern über die unter­schied­lichsten Infor­ma­ti­ons­tech­no­lo­gien bis hin zu den Super-Compu­tern im Bereich der Block­chain-Tech­no­logie. Auch anwen­dungs­spe­zi­fi­sche Anpas­sungen sind möglich, denn das Design lässt sich auf andere Baugrößen über­tragen.