Ein Lüfter erzeugt mithilfe eines Motors eine Rotation der Lüfterflügel und damit einen Druckunterschied, der wiederum einen kontinuierlichen Luftstrom verursacht. Sie bestehen aus einem rotierenden Teil, dem Flügelrad und einem festen Teil, dem Gehäuse.
Die verschiedenen Lüfterarten
Es gibt zahlreiche Arten von Lüftern. Geht es um den Einsatz zur Kühlung eines elektronischen Geräts, ist das wichtigste Kriterium die Richtung des Luftstroms. Dementsprechend unterscheidet man
- Axiallüfter: Der Luftstrom verläuft parallel zur Achse.
- Radiallüfter: Der Luftstrom verläuft senkrecht zur Achse.
- Tangentiallüfter oder Querstromlüfter: Ihr langes Gehäuse erzeugt einen breiten, flachen Luftstrom senkrecht zur Achse und tangential zum Gehäuse.
- spiralförmige Radiallüfter: Die Schaufeln im Laufrad sind nicht gerade wie bei herkömmlichen Radiallüftern, sondern haben eine spiral- oder schraubenförmige Struktur. So erzeugen sie einen Luftstromweg, der zwischen dem eines Axial- und dem eines Radiallüfters liegt (Bild 3).
Außerdem werden die Lüfter nach ihrer Versorgungsspannung als Gleichspannungs- (DC) oder Wechselspannungs- (AC) Lüfter klassifiziert. Bei den aktuellen AC-Modellen geht es in erster Linie um elektronisch kommutierte (Electronically Commutated, EC) Lüfter. Sie erzielen durch ihren bürstenlosen DC-Motor und ihre elektronische Steuerung eine höhere Energieeffizienz.
Die wichtigsten Auswahlkriterien
Der Luftstrom ist auch eine wichtige Kennziffer für die Auswahl eines Lüfters. Er ist charakterisiert durch die Luftmenge, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums aus einem elektronischen System abgeführt oder in das System eingebracht wird. Diese Durchflussmenge wird üblicherweise in Cubic Feet per Minute (CFM) oder Cubic Meter per Hour (CMH; m3 / h) angegeben. Die Beziehung zwischen CFM und CMH ist 1 CFM = 1,6990092 CMH.
Um die Luftmenge zu bewegen, ist eine bestimmte Kraft erforderlich. Diese Kraft pro Flächeneinheit wird als Druck bezeichnet. Zur Erzeugung eines spezifischen Luftstroms in einem System muss man seinen Luftstromwiderstand kennen. Dieser wird durch die Reibung der Luft an den Kanalwänden, Bögen, Gittern, Filtern und Lamellen oder anderen Elementen verursacht, die die Luftbewegung einschränken können. Dieser Widerstand wird als Druckabfall oder Druckverlust bezeichnet. Er wird in Pascal (Pa) oder Millimeter bzw. Zoll Wassersäule (mm H2O oder inAq) angegeben. Diese verhalten sich zueinander wie folgt:
1 Pascal = 0,102 mm H2O = 9,86923 x 106 Atmosphäre
1 Pascal = 0,00401461319201895 Inch Wasser (4 °C)
Es ist also wichtig, den Druckverlust im System zu kennen, um einen Lüfter auszuwählen, der den notwendigen Druck zur Überwindung dieses Widerstands und zur Aufrechterhaltung des gewünschten Luftstroms liefern kann.
Lüfter verleihen einer Luftmasse den nötigen Druck, um eine Druckdifferenz und damit einen Luftstrom zu erzeugen. An diesem Prozess sind drei Arten von Druck beteiligt:
- Der statische Druck (PE) ist die Kraft, die von der ruhenden Luft auf die senkrecht zu ihr stehenden Systemwände ausgeübt wird.
- Der dynamische Druck (PD) ist die Kraft pro Flächeneinheit und wird gebraucht, um den Widerstand des Luftstroms in einem System zu überwinden. Er sorgt also dafür, dass sich die Luft bewegt und wird durch die Rotationsgeschwindigkeit des Ventilators erzeugt. Er ist immer positiv und hat dieselbe Richtung wie der Luftstrom.
- Der Gesamtdruck (PT) ist die Summe aus PE und PD an einem bestimmten Punkt im System. Diesen Druck übt die Luft auf einen Körper aus, der sich an diesem Punkt ihrer Bewegung widersetzt. Wichtig ist, dass der Gesamtdruck an verschiedenen Punkten in einem System aufgrund der Geschwindigkeit und der Strömungsbedingungen der Luft variieren kann.
Lüfter-Kennlinie – Die Leistung eines Lüfters
Lüfter-Hersteller führen mit ihren Geräten Tests durch, um zu bestimmen, wie viel Leistung der Lüfter auf die von ihm bewegte Luft übertragen kann. Dabei wird dieser mit einer konstanten Drehzahl betrieben. Je nach zu überwindendem Druckabfall werden unterschiedliche Werte für den Luftstrom erreicht.
Trägt man die verschiedenen Werte für den Luftstrom und den Druck, die bei den Labortests ermittelt wurden, auf einer Koordinatenachse auf, erhält man die Kennlinie des Lüfters. Sie wird von den Lüfter-Herstellern zur Verfügung gestellt, in der Regel mit mehreren Kurven für unterschiedliche konstante Drehzahlen.
Solche Kennlinien zeigt Bild 5. Auf der X-Achse ist der Luftstrom und auf der Y-Achse der Druck (in den Einheiten Pa und inAq) abgetragen. Es ist zu erkennen, dass der Druck am höchsten ist, wenn der Luftstrom gleich Null ist. Dann arbeitet der Lüfter mit hohem Widerstand gegen den Luftstrom, es entsteht der maximale statische Druck (PE). Gleichzeitig ist der dynamische Druck (PD) gleich Null, das heißt, es wird kein Luftstrom erzeugt. An diesem Punkt ist PT = PE. Bild 5 zeigt ebenfalls, dass bei einem Druck von Null im Lüfter der maximale Luftstrom erreicht wird. Da es keinen Widerstand für den Luftstrom gibt – also eine hindernisfreie Umgebung (PE = 0) – liefert der Lüfter den größtmöglichen Luftstrom. Der Gesamtdruck entspricht dem maximalen dynamischen Druck (PT = PD), der durch die entsprechende Drehzahl erzeugt wird.
Betriebspunkt eines Lüfters ermitteln
Für die Berechnung des Betriebspunkts (OP) eines Lüfters, empfiehlt sich die Abstimmung mit dem Hersteller, da dieser über die notwendigen technischen Mittel zur Durchführung von Simulationen verfügt. Doch er lässt sich annäherungsweise auch durch Berechnungen bestimmen. Um den Betriebspunkt mit dem geringsten Stromverbrauch zu ermitteln, sind die Leistungsaufnahme und Stromwerte, die in der Tabelle in Bild 5 aufgeführt sind, wichtige Daten.
Um den Betriebspunkt zu berechnen, müssen die Widerstandsbedingungen des Systems, dargestellt durch die Kurve „S“ in Bild 6, bekannt sein (OP ist hier als Q1 und Q2 gekennzeichnet). Um die optimalen Druck- und Luftstromwerte für die Kühlung des Systems zu ermitteln, ist eine komplexe Berechnung mit thermischen Gleichungen erforderlich. Es empfiehlt sich, die Druckverluste im System bei unterschiedlichen Luftdurchsätzen zu messen, etwa mit Drucksensoren und / oder Manometern. Für jede Luftstromrate werden dann die Druckabfallwerte aufgezeichnet und wie in Bild 6 aufgetragen (Luftstromrate auf der X-Achse, Druckabfall auf der Y-Achse). Außerdem ist es dabei wichtig, auch die Temperatur im Inneren des Systems kontinuierlich zu messen. Hierfür werden Temperatursensoren an strategisch günstigen Stellen angebracht. Der optimale Betriebspunkt wird auf der Basis des Luftstroms bestimmt, der das System am effektivsten kühlt.
Liegt der Betriebspunkt auf dem Schnittpunkt der Kurve S und einer der drei Kennlinien des Lüfters (s. Bild 6, Q1), können Drehzahl, Luftdurchsatz, Druck und Leistungsaufnahme (W und I) des Lüfters mit den vom Hersteller bereitgestellten Messdaten in Bild 6 (blaue Farbe 3.500 U/min) ermittelt werden. Befindet sich der Betriebspunkt nicht auf einem Schnittpunkt mit einer der drei Kennlinien (Q2), kann die Kurve extrapoliert werden (gestrichelte Kennlinie), um den Schnittpunkt mit Q2 zu bestimmen. Alternativ kann man die Daten auch dem Lüfter-Hersteller zur Verfügung stellen, um die entsprechende Kennlinie (gestrichelte Kennlinie) für den Betriebspunkt Q2 zu erhalten. Ziel ist es, die Drehzahl, den Luftdurchsatz, den Druck und die Verbrauchswerte (W und I) des Lüfters zu ermitteln.
Die Einflussfaktoren auf die Lebenserwartung
Die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Lebensdauer eines Lüfters sind sein Temperaturprofil und die Art seines Lagers. Bei einem Gleitlager hängt sie wiederum stark von den verwendeten Schmiermitteln ab. Ein Zweikugellager besteht aus kleinen Metallkugeln in einer Laufbahn, was eine geringere Reibung und eine höhere Effizienz ermöglicht. Detailliertere Informationen zum Betriebstemperaturprofil des Lüfters sind üblicherweise im Datenblatt verfügbar.
Hauptmärkte
Lüfter werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, um Wärme abzuführen und optimale Temperaturen aufrechtzuerhalten. Zu den wichtigsten Märkten zählen:
- Elektronik: zur Kühlung interner Komponenten und Verhinderung einer Überhitzung
- HLK (Heizung, Lüftung, Klimatisierung) für die Luftzirkulation, die Regulierung der Innentemperatur und um allgemein die Luftqualität in Gebäuden, Wohnungen, Büros und Industrieanlagen zu verbessern.
- Kraftfahrzeuge: zur Regulierung der Motortemperatur und Verhinderung von Überhitzung
- Erneuerbare Energien, v. a. in Windturbinen und Solarwechselrichterschränken
- Industrie: Maschinen und Anlagen z. B. in der Fertigungsindustrie, der Energieerzeugung oder der Petrochemie werden auf ihrer optimalen Betriebstemperaturen gehalten.
- Rechenzentren: Sie sind in hohem Maße auf Kühllösungen angewiesen, um die von Servern und anderer IT-Infrastruktur erzeugte Wärme abzuführen. Lüfter sind ein wichtiger Bestandteil der Kühlsysteme von Rechenzentren.
- Unterhaltungselektronik, z. B. in Kühlschränken, Luftreinigern oder Spielkonsolen
- Luft- und Raumfahrt zur Kühlung von Systemen und Komponenten
Innovationen – Wo wird angesetzt?
Bei der Weiterentwicklung von Lüftern stehen folgende Aspekte im Fokus:
- Energieeffizienz: Die Lüfter-Hersteller arbeiten daran, das aerodynamische Design der Ventilatorflügel zu verbessern, Reibungsverluste zu verringern und den Wirkungsgrad der Motoren zu optimieren, um eine höhere Gesamtenergieeffizienz zu erreichen. Dazu gehört auch der Einsatz fortschrittlicher Werkstoffe und Fertigungstechniken zur Gewichtsreduzierung sowie Leistungssteigerung.
- Verbesserte Kugellager: Mit neu entwickelten Lagertechnologien steigern die Hersteller die Zuverlässigkeit und Lebensdauer ihrer Lüfter. So bieten beispielsweise fluiddynamische Lager (Fluid Dynamic Bearing, FDB) und Magnetschwebelager (Magnetic Levitation Bearings, MLB) im Vergleich zu herkömmlichen Gleit- oder Kugellagern eine längere Lebensdauer und geringere Geräuschentwicklung.
- Geräuschreduzierung: Ein wichtiges Thema bei Lüfteranwendungen –insbesondere in Umgebungen, in denen ein niedriger Geräuschpegel erforderlich ist. Hierfür konzentriert sich die technische Entwicklung auf verbesserte Schaufelkonstruktionen, optimierte Motorsteuerungen und die Verwendung von geräuschabsorbierenden Materialien. Mit Computational Fluid Dynamics- (CFD) Simulationen und andere Modellierungsverfahren wird die Geräuschentwicklung untersucht und minimiert.
- Lüfter-Steuerungssysteme: Sie spielen eine große Rolle bei der Optimierung der Lüfterleistung und der Gesamtsystemeffizienz. Mit intelligenten Steuerungsalgorithmen, welche die Ventilatordrehzahl auf Basis der Temperatur, Luftfeuchtigkeit und anderen Umgebungsfaktoren dynamisch anpassen, wird sichergestellt, dass die Lüfter mit maximaler Effizienz arbeiten und gleichzeitig optimale Kühlbedingungen schaffen.
- Integration in Kühlsysteme: Mit dem Ziel, die Wärmeableitung des gesamten Kühlsystems zu maximieren, werden Lüfter mit anderen Kühltechnologien, wie Kühlkörper, Radiatoren und Flüssigkeitskühlsysteme, integriert.
- Smarte und IoT-fähige Lüfter: Das Internet der Dinge (IoT) hat die Entwicklung von smarten Lüftern mit erweiterten Funktionen und Konnektivität ermöglicht. Sie können fernüberwacht und -gesteuert werden und ermöglichen Echtzeitanpassungen auf der Grundlage von Umgebungsbedingungen und Benutzerpräferenzen. Darüber hinaus können IoT-fähige Lüfter wertvolle Daten zu Leistung, Energieverbrauch und Wartungsbedarf für ihre Optimierung und vorausschauende Wartung liefern.
All diese Fortschritte zielen darauf ab, die Kühlleistung von Lüftern noch weiter zu verbessern, ihren Energieverbrauch weiter zu senken und zuverlässigere und effizientere Kühllösungen für zahlreiche Branchen anzubieten.
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