Wärmemanagement Ventilatorenauswahl mit System

In elektrische Geräte eingespeiste Energie wird nie vollständig für den vorgesehenen Zweck genutzt. Ein Anteil erwärmt die Bauelemente, die die Wärme an benachbarte Baugruppen und die umgebende Luft...

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In elektrische Geräte eingespeiste Energie wird nie vollständig für den vorgesehenen Zweck genutzt. Ein Anteil erwärmt die Bauelemente, die die Wärme an benachbarte Baugruppen und die umgebende Luft abgeben. Die Luft kann ebenfalls nur eine begrenzte Wärmemenge abtransportieren. Der notwendige Volumenstrom ergibt sich aus den Gesetzen der Physik. Er wird bestimmt von der abzuführenden Verlustleistung, der spezifischen Wärmekapazität der Luft, ihrer mittleren Dichte und der zulässigen mittleren Temperaturerhöhung der abführenden Luft.

Der Luftstrom für die Kühlung von Bauteilen, Baugruppen und Geräten kann nur bei sehr geringen Verlustleistungen allein durch natürliche Konvektion aufgebaut werden. In der Praxis sind daher fast immer Ventilatoren für die Umwälzung der nötigen Luftmengen im Einsatz (Zwangskonvektion). Sie arbeiten entweder blasend oder saugend. Der blasende Betrieb birgt die Vorteile, dass der direkte Luftstrom eine gute Hotspot-Kühlung und die hoch turbulente Luftaustrittsströmung aus dem Ventilator einen sehr guten Wärmeübergang ermöglicht. Außerdem wird durch das Ansaugen kühler Umgebungsluft der Ventilator thermisch weniger belastet, was sich in einer höheren Lebensdauer im Vergleich zum saugenden Betrieb äußert. Auf der anderen Seite sorgt der saugende Betrieb des Ventilators für eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung der Kühlluft über den Durchströmquerschnitt und somit für eine homogene Wärmeabfuhr. Je nach Aufgabengebiet und Anforderung können im Komplettgerät der saugende oder der blasende Betrieb oder auch beide kombiniert zum Einsatz kommen.Die notwendige Ventilatorleistung ergibt sich aus dem erforderlichen Volumenstrom und der vom Ventilator zu überwindenden Druckdifferenz. Eine starke Behinderung der Luftströmung im Gerät durch Einbauten und reduzierte Querschnitte führt zu Druckverlusten, die vom Ventilator durch eine größere Druckerhöhung zu kompensieren sind. Der Ventilator muss dabei, bezogen auf denselben Volumenstrom, mehr leisten als bei freiem Ausblasen. Exakte Aussagen über den Volumenstrom bei unterschiedlichen Druckverhältnissen gibt die Ventilatorkennlinie. Bei einem Ventilator geht der Volumenstrom zurück, wenn der Strömungswiderstand im Gerät zunimmt. Am Aussagekräftigsten: Die KennlinienJe nach Aufbau und Beschaffenheit eines Gerätes ergeben sich unterschiedliche Charakteristiken für die Druckverluste in Abhängigkeit vom Volumenstrom. Man nennt diese Charakteristik Systemkennlinie, die in Luftleistungsprüfständen ermittelt werden kann. Sie beschreibt den Verlauf der Druckerhöhung, die nötig ist, um einen bestimmten Volumenstrom gegen die geräteinternen Strömungswiderstände zu fördern. Sie ist durch rein geometrische Parameter festgelegt. Alle Kleinventilatoren haben konstruktionsbedingt relativ kleine und leistungsschwache Antriebsmotoren. Daher ändern sich die Drehzahl und die elektrische Leistungsaufnahme stark bei unterschiedlicher Belastung. Die höchste Drehzahl fällt z.B. für Axialventilatoren meist mit dem maximalen Volumenstrom zusammen und das bei gleichzeitig geringster Leistungsaufnahme. Mit zunehmender Druckerhöhung wächst der Leistungsbedarf, die Motordrehzahl sinkt, bis das Leistungsangebot des Motors wieder der Leistungsanforderung des Lüfterrades entspricht. Betrachtet man nun das Zusammenspiel von System- und Ventilatorkennlinie, erkennt man, dass sich die beiden Kurven in einem Punkt schneiden. Dies ist der so genannte Arbeitspunkt des Ventilators (Bild 1 - siehe Heftseite). Hier decken sich die strömungstechnischen Anforderungen des Gerätes mit den „Liefermöglichkeiten“ des gewählten Ventilators. Um diese physikalische Tatsache für den jeweiligen Ventilator schnell einschätzen zu können, veröffentlichen qualitätsbewusste Hersteller neben den anderen relevanten Daten in ihren Katalogen auch die Ventilatorkennlinien. Kleine Einführung zu VentilatorbauartenAxialventilatoren sind prädestiniert zur Förderung großer Luftmengen bei geringem Gegendruck. Steigt der Druckverlust im Gerät an, fällt ihr Volumenstrom schnell ab. Die Einsattelung der Ventilatorkennlinie, charakterisiert durch einen horizontalen oder sogar s-förmig geschwungenen Verlauf der Ventilatorkennlinie, ist typisch für den Axialventilator. Wenig rechts vom Sattelpunkt ergibt sich üblicherweise der Punkt des optimalen, aerodynamischen Wirkungsgrads und geringsten Schallpegels. Bei weiterer Drosselung des Volumenstromes (links des Sattelpunkts) kann die Strömung den Vorgaben der Schaufelkontur nicht mehr folgen und die Strömung reißt an der Radnabe und an den auf höheren Durchsatz aerodynamisch optimierten Flügeln ab. Das führt zu einem Abfall des aerodynamischen Wirkungsgrads und zu starkem Geräuschanstieg durch Wirbelbildung (Bild 2 - siehe Heftseite). Radialventilatoren dagegen können aufgrund ihrer Bauform mehr Energie auf die Luftmoleküle übertragen. Da die Strömung beim Radialventilator das Laufrad immer am äußeren Umfang verlässt, kann dank der dort größeren Umfangsgeschwindigkeiten ein höheres Druckniveau erzielt werden. Die Geräuschcharakteristik besitzt ebenso wie beim Axialventilator ein ausgeprägtes Minimum. Der optimale Wirkungsgrad erreicht in etwa das gleiche Niveau wie beim Axialventilator. Radiale Ventilatoren verändern die Strömungsrichtung um 90°, was in einigen Fällen konstruktive Vorteile bietet. Spezifische Eigenheiten nutzenDiagonalventilatoren vereinen in sich die Eigenschaften der beiden Extrema. Je nach Auslegung können bei diesen Ventilatoren mehr axiale oder radiale Eigenschaften überwiegen. Auch lässt sich durch eine spezielle Gestaltung eine nahezu konstante Drehzahl des Motors über den gesamten Betriebsbereich erreichen. Die unterschiedlichen Verläufe der Kennlinien sind typisch für die jeweilige Ventilatorbauart; jedoch können auch Ventilatoren der gleichen Bauart spezielle Eigenarten des Kennlinienverlaufs aufweisen, je nach Auslegung und Motorausstattung. Sonderaufgaben lassen sich oftmals recht einfach durch geschickte Ventilatorauswahl lösen. So gestatten programmierbare Ventilatoren mit eingebauter CPU einen weiten Regelbereich. Sie eignen sich daher für Geräte, die wegen unterschiedlicher Ausstattungsdetails eigentlich unterschiedliche Ventilatoren benötigen. Regelbare Ventilatoren passen sich den baulichen und im Betrieb auftretenden wärmetechnischen Erfordernissen selbst an. So wird eine optimale Kühlung bei geringstem Laufgeräusch sichergestellt. Aber auch „archaische“ Konzepte wie der Wechselstrom-Asynchronmotor finden heute noch ihre Nische: Ihr Wirkungsgrad ist recht gering und auch die netzfrequenzabhängige Drehzahl lässt sich nur in gewissen Grenzen variieren. Die höhere Verlustleistung der Antriebe belastet einerseits Baugruppen des Ventilators, andererseits bietet sie in Sonderfällen auch Vorteile, beispielsweise bei Anwendungen mit tiefen Temperaturen. Im Allgemeinen gilt: Liegt die Temperatur sehr niedrig, benötigt man ein erhebliches Plus an Drehmoment, um das so genannte Losbrechmoment der Lagerung zu überwinden. Ein im Wirkungsgrad optimierter DC-Motor schaltet hier einfach ab, er kommt nicht auf Touren. Der „verlustreiche“ AC-Motor heizt sich dagegen selbst auf die nötige Starttemperatur auf und verrichtet so ohne weitere Zusatzmaßnahmen zuverlässig seinen Dienst. Kennlinien von Ventilatoren sind aussagekräftige Diagramme, die dem Anwender die nötigen Information über die Leistungsfähigkeit eines Ventilators bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen geben. Für den Vergleich unterschiedlicher Ventilatorkonzepte untereinander bieten sich über dimensionslose Kennzahlen (Kastentext) normierte Kennlinien der Ventilatorvarianten an. So erhält der Anwender schnell einen guten Überblick über die Leistungsfähigkeit der betrachteten Gebläse.

Walter Angelis und Andreas Zeiff

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