Simulationstool für Luftstrom und Temperatur Grundregeln für den Einbau von Lüftern im Gehäuse

„Heiße“ Bauelemente in einem Gerät müssen auf Temperatur gehalten werden. Dazu werden Lüfter eingebaut. Das erfolgt mit viel Erfahrung und Prototypenbau oder durch Simulation des thermischen Verhaltens. Softwaretools für Simulationen in diesem Bereich liefern gute Ergebnisse bei vertretbarem Aufwand.

Anbieter zum Thema

Schulz-Electronic GmbH

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

CTX Thermal Solutions GmbH

Mentor Graphics (Deutschland) GmbH Mechanical Analysis Division

„Kleiner, schneller, leistungsfähiger“ sollen moderne Bauteile und Geräte sein. Dies bedeutet meistens auch „heißer“. Wenn natürliche Konvektion und Strahlung nicht mehr ausreichen, um die Temperaturlimits der beteiligten Komponenten einzuhalten, werden Lüfter in das Gehäuse eingebaut.

Doch wo platziert man einen/mehrere Lüfter, wo sind die Luftauslässe am besten angeordnet, wie muss das Gehäuse dazu aussehen, geht es ohne oder nur mit Kühlkörper? Dazu sollte man einige Grundregeln beachten.

Grundregeln für den Einbau von Lüftern

• Ein Luftstrom nimmt immer den Weg des geringsten Widerstands. Die Umströmung („By-pass“-Phänomen) von Kühlkörpern kann energetisch günstiger sein als die Durchströmung.
• Hinter der Lüfternabe befindet sich immer eine Totwasserzone, in der die Strömung ungerichtet und langsam ist. Im Einflussbereich der Nabe dürfen sich keine zu kühlenden Bauteile befinden. Üblicherweise ist der Einflussbereich eine Halbkugel von der Größenordnung des Nabendurchmessers.
• Bei jeder Art von Lüftermontage ist zwingend darauf zu achten, dass Saug- und Druckseite mechanisch durch ein Blech getrennt sind. An-sonsten arbeitet der Lüfter im Kurzschluss und ist wirkungslos.
• Der in Lüfterkatalogen angegebene maximale Volumenstrom wird im Gerät nie wirksam sein, da je nach Druckverlust an Lochblechen und Einbauten der Arbeitspunkt zu einem niedrigeren Volumenstrom verschoben wird.
• Drückender Betrieb. Vorteil: Hohe lokale Luftgeschwindigkeit und Turbulenz. Es wird im Gerät in Überdruck erzeugt und Staub kann bei Verwendung eines Lüfterfilters nicht eindringen. Nachteil: Es gibt Bereiche in denen der Lüfterjet nicht hinkommt.
• Saugender Betrieb. Vorteil: Die Strömung ist gleichmäßiger verteilt. Nachteile: Der Lüfter unterliegt durch die abgesaugte Luft einer Temperaturbelastung, was die Lebensdauer verringert. Im Gerät wird ein Unterdruck erzeugt und Staub kann durch alle Ritzen eindringen.

Vorhersage von thermischen Eigenschaften

Diese oben genannten typischen Fragestellungen lassen sich zwar durch den Bau von Prototypen bearbeiten, aber schneller und eleganter lassen sie mit Hilfe von Simulationen schon in der Vorentwicklung berechnen. Je früher man die thermischen Probleme erkennt, desto kostengünstiger sind die Lösungswege.

Bei der Simulation entfallen die Wartezeiten für Muster und Layouts. Man lernt durch die schnellen Variationsmöglichkeiten das thermische Verhalten seines Produkts kennen und kann für die spätere Messung kritische Positionen für die Thermoelemente empfehlen. Ein Berechnungsmodell kann zwar nicht alle Details enthalten, zur Lösung dieser Fragen ist das aber auch nicht notwendig.

Simulationstool für Luftstrom und Temperatur

Zum Berechnen von Luftströmungen und Temperaturen in elektronischen Geräten wird häufig das Simulationstool FLOTHERM von Flomerics verwendet. Mit und ohne CAD-Vorlage lassen sich Geräte mit und ohne Lüfter, Leiterplatten, Bauteilen, Kühlkörpern, Heatpipes, Lochblechen u.v.m. aufbauen berechnen und optimieren.

Ein mit minimalem Aufwand berechnetes Beispiel mit schönem Strömungseffekt ist in Bild 1 dargestellt. Ein 19˝-Einschub wird durch einen Lüfter be- und durch ein Lochblech gegenüber entlüftet. Man würde zunächst erwarten, dass der Luftstrom direkt vom Lüfter zum Auslass zieht.

Tatsächlich entwickelt sich primär eine Zirkulation, so dass auch die abseits vom direkten Luftstrom liegenden Bauteile bewegte Luft erfahren. Allerdings ist die Luft im Auge des Wirbels sehr langsam. Hier sollten keine temperaturkritischen Bauteile positioniert werden. Berücksichtigen sollte man auch, dass mit jeder Runde, die die Luft dreht, diese sich etwas aufheizt.

Die Farbe der Stromfäden ist gemäß der Luftgeschwindigkeit gewählt. Rot bedeutet hohe Geschwindigkeit. Durch einen Modellbau mit Strömungsvisualisierung durch Disconebel konnte die Rechnung qualitativ und quantitativ bestätigt werden.

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