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Leise kühlen mit Luft

Verbes­se­rung der Betriebs­ge­räu­sche von Lüftern


Die heutige Technik ist in vielen Berei­chen auf gezielte Luft­küh­lung ange­wiesen. Moderne DC-Axial­lüfter punkten dabei gleich in mehr­fa­cher Hinsicht: sie sind ener­gie­ef­fi­zient, lang­lebig, wartungs­frei und je nach Ausfüh­rung auch in Netz­werke einzu­binden. Ein Nach­teil vieler Lüfter ist aber ihr unan­ge­nehmes Betriebs­ge­räusch. Mit neuen Lüft­er­kon­zepten können die Geräusch­emis­sionen je nach Betriebs­punkt deut­lich redu­ziert werden. Lüfter mit geringem Geräusch, das zudem als weniger störend empfunden wird, eignen sich beson­ders für Anwen­dungen in Berei­chen, in denen Menschen leben und arbeiten.

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Bild 1: Die Technik rückt in vielen Berei­chen immer näher an den Menschen heran. Hier können lauf­ru­hige Lüfter das Wohl­be­finden der Umge­bung verbes­sern. (Foto | fotolia.com/3darcastudio)

In vielen Einsatz­fällen sind solche leisen Lüfter mit hoher Förder­rate gefragt. Ist z. B. im Haus eine dezen­trale Lüftung oder ein Solar­wech­sel­richter einge­baut, soll das Wohn­um­feld nicht durch störende Geräu­sche beein­träch­tigt werden (Bild 1). Glei­ches gilt in der Auto­ma­ti­sie­rungs­technik z. B. bei Frequenz­um­rich­tern (Bild 2). Für die Medi­zin­technik ist ein geringer Geräusch­pegel bei der Elek­tronik­küh­lung wichtig, um Pati­enten nicht zusätz­lich zu beein­träch­tigen. Ob Kühl­theken im Super­markt oder IT-Tele­kom­mu­ni­ka­tion mit Schalt­schränken, IT-Server und Netz­ge­räten, die Technik rückt in vielen Berei­chen immer näher an den Menschen heran. Hier können Lüfter von ebm-papst, die die Kühl­luft ohne über­flüs­sige Geräu­sche fördern, einen wesent­li­chen Beitrag leisten um Alltags­technik leiser zu gestalten.

Ursa­chen der Geräu­sche

Frequenzumrichter

Bild 2: Die Zahl der Frequenz­um­richter nimmt stetig zu, eine leise Kühlung verbes­sert die Arbeits­um­stände. (Foto | fotolia.com/Michael)

Lüfter­ge­räu­sche kann man grob zwei Entste­hungs­me­cha­nismen zuordnen. Zum einen Geräu­sche, die unmit­telbar durch Luft­be­we­gung und die damit verbun­denen Druck­schwan­kungen erzeugt werden (Aero­akustik), zum anderen entstehen Geräu­sche beim Aufein­an­der­treffen oder Reiben von festen Körpern (Körper­schall). Zu diesen zwei Haupt­me­cha­nismen kommen noch Geräu­sche, die in der inte­grierten Leis­tungs- und Steu­er­elek­tronik entstehen können. Beson­ders die aero­dy­na­misch erzeugten Geräu­sche stellen eine Heraus­for­de­rung im Lüfter­de­sign dar. Schon kleinste Verän­de­rungen am Blatt­de­sign oder an Halte­stegen und Gehäuse können bedeu­tende Auswir­kungen auf Geräusch­pegel und -qualität haben. So kann zum Beispiel der Luft­strom an den Außen- und Endkanten der Schau­feln abreißen und die entste­henden Turbu­lenzen verstärken die Schall­erzeu­gung. Auch der Luft­strom der über die Stege, die den Rotor im Gehäuse halten bläst, erzeugt Verwir­be­lungen. Zusätz­lich entstehen Druck­schwan­kungen, wenn ein Schau­fel­blatt an einem Steg vorüber streicht.

Körper­schall ist die zweite Kompo­nente, die wesent­lich zum Betriebs­ge­räusch beiträgt. Erzeugt werden diese Vibra­tionen der Lüfter­struktur zum Beispiel durch eine Unwucht des Rotors, oder elek­tri­sche bzw. magne­ti­sche Anre­gung im Motor ähnlich dem bekannten Traf­o­brummen. Die Struktur wirkt dann wie ein Laut­spre­cher. Beson­ders stark sind die Vibra­tionen, wenn Reso­nanz­fre­quenzen in der Lüfter­struktur ange­regt werden. Ab einer bestimmten Dreh­zahl wird die Geräusch­emis­sion des Lüfters jedoch von den aero­akus­ti­schen Effekten domi­niert.

Lauf­ruhe lässt sich erar­beiten

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Bild 3: Das haus­ei­gene Test­labor und ein Luft­leis­tungs­prüf­stand helfen beim Praxis­test neuer Entwick­lungen.

Um diese aero­akustischen Effekte zu mini­mieren, werden die rotie­renden Schau­feln komplex geformt. Das Ziel dieses aero­dy­na­mi­schen Opti­mie­rungs­pro­zesses sind geringe Geräusch­emis­sionen bei hohem Wirkungs­grad. Dieses Ziel erreicht man unter anderem durch aufein­ander abge­stimmte Flügel und Stege (z.B. durch abge­stimmte Geome­trien von Schau­fel­hin­ter­kante und Steg­vor­der­kante. Opti­male Ergeb­nisse erzielten die Lüfter­spe­zia­listen von ebm-papst bei ihrem neuen Lüfter durch konti­nu­ier­liche Verbes­se­rungen, die sie mit spezi­eller, haus­ei­gener Simu­la­ti­ons­soft­ware berech­neten und am haus­ei­genen Prüf­stand in der Praxis veri­fi­zierten (Bild 3). Gegen den Körper­schall helfen fein­ge­wuch­tete Rotoren, die in wartungs­freien Kugel­la­gern schwin­gungsarm laufen. Zusammen mit einer schwin­gungs­op­ti­mierten Struktur (über moderne Finite-Elemente Methoden ausge­legt) werden kleinst­mög­liche Anre­gungen erreicht. Der magne­ti­schen und elek­tri­schen Anre­gung begegnen die Konstruk­teure durch opti­mierten magne­ti­schen Fluss in Stator und Rotor des Motors sowie opti­mierte elek­tri­sche Verbin­dungen und ausge­suchte Elek­tronik­kom­po­nenten.

Maßnahmen in der Praxis

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Bild 4: Der neue S-Panther, hohe Luft­leis­tung bei leisem Lauf.

Die Entwickler müssen gegen den Lärm daher auf eine ganze Reihe von Verbes­se­rungen setzen, um das Betriebs­ge­räusch zu mini­mieren. Als Beispiel kann der neue S-Panther dienen (Bild 4). Ein opti­mierter Strom- und Magnet­fluss sowie die präzise ausge­wuch­tete Rotor Einheit sorgen für ruhigen Lauf. Die aero­dy­na­misch designten Außen­kanten der Rotor­schau­feln mit soge­nannten Winglets, speziell ange­ord­nete Stege (Bild 5) mini­mieren die Turbu­lenzen zwischen Schaufel und Gehäuse. Zusammen mit dem neuen Steg­de­sign ermög­li­chen die Verbes­se­rungen dem Lüfter 3 % effi­zi­enter zu arbeiten als sein Vorgänger (Bild 6).

Ein opti­mierter Strom- und Magnet­fluss sorgen für einen ruhigen Lauf.

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Bild 5: Winglets an den Schaufel­spitzen redu­zieren die Turbu­lenzen und damit den Lärm.

Modernes Lüfter­de­sign berück­sich­tigt bei ebm-papst neben der physi­ka­li­schen Lüfter­aus­le­gung und dem spezi­ellen Antriebs­kon­zept bzw. der Steu­er­elek­tronik auch die Mate­ri­al­frage und Bauaus­füh­rung des Lüfters. Kunst­stoffe bieten hier durch das Spritz­gießen eine große Design­vielfalt, sind leicht und bieten (abhängig vom einge­setzten Kunst­stoff) hohe Korro­sions- und Verschleiß­fes­tig­keit. Der 3250J baut daher auf ausge­suchten Kunst­stoffen auf, die sowohl exakte Konturen beim Spritz­guss sicher­stellen, als auch eine hohe mate­ri­al­in­hä­rente Dämp­fung bieten. Sein Gehäuse besteht aus PBT-GFK (glas­fa­ser­ver­stärktes Poly­bu­ty­len­the­re­ph­talat) und das Lüfterrad aus PA-GFK (glas­fa­ser­ver­stärktes Poly­amid). Der Antriebs­motor kann so gut in das Lüfter­rad inte­griert werden, Stator­spulen und Elek­tronik sind eben­falls mit Kunst­stoff voll umgossen. Das sorgt u. a. für guten Schutz gegen Wasser, Staub und Salz­nebel.

Gelun­gener Spagat zwischen Leis­tung und Leise

Bild 6: Leis­tungs­dia­gramm des neuen S-Panther

Der tech­ni­sche Aufwand für leise aber kraft­volle Lüfter ist hoch, bringt aber in vielen Berei­chen deut­liche Vorteile. Den 92 x 92 x 38 mm (H x B x T) großen S-Panther gibt es daher für 12, 24 und 48 VDC Betriebs­span­nung, jeweils optional in Schutzart IP68 und IP54. Je nach Vari­ante (7, 24 und 35 W Leis­tung sind möglich) fördert er zwischen 145 und 270 m3/h bei einem Betriebs­ge­räusch von ledig­lich 47 bzw. 63 dB(A). Die Lebens­dauer liegt bei über 85.000 h (L10, 40 °C) nach der strengen haus­ei­genen Test­kon­fi­gu­ra­tion und bei ca. 150.000 h nach Stan­dard­be­wer­tung. Verschie­dene Sonder­aus­füh­rungen wie Tacho­signalausgang, Go/NoGo-Alarm oder ein interner bzw. externer Tempe­ra­tur­sensor sind ebenso möglich wie ein PWM-Steu­er­ein­gang oder Analog-Eingang. Der vergos­sene Antrieb und beson­ders abge­dich­tete Lager bieten einen Feuchte- und Salz­ne­bel­schutz und durch den hohen Wirkungs­grad wird weniger elek­tri­sche Energie benö­tigt. Wer dagegen Wert auf aller­höchste Luft­leis­tung legt und dabei Lärm in Kauf nehmen kann, ist mit einem Lüfter der S-Force Serie gut bedient. Bis zu 280 m3/h bei aller­dings 73 dB(A) sind dann möglich. Die Druck­erhö­hung verbes­sert sich eben­falls von maximal 340 auf bis zu 700 Pa. Das sichert eine hohe Luft­för­der­rate auch bei größeren Luft­wi­der­ständen im Gerät z.B. durch Filter oder kompakte Bauteil­an­ord­nung.

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S-Panther

Die neue Generation Kompaktlüfter