Elektronikkühlung Fortschritte in der Lüftertechnik

Wings am Flügelende, spitz zulaufende Flügel, sägezahnförmige Anlaufkanten: Je nach Modell werden dabei mehr oder weniger merkbare Unterschiede bei der Geräuschentwicklung erzielt. Besonders aerodynamisch sind die Lüfterflügel in den Sepa Eco Fans.
Wings am Flügelende, spitz zulaufende Flügel, sägezahnförmige Anlaufkanten: Durch konstruktive Verbesserungen haben Hersteller den Wirkungsgrad ihrer Lüfter verbessert. Je nach Modell werden dabei mehr oder weniger merkbare Unterschiede bei der Geräuschentwicklung erzielt. Besonders aerodynamisch sind die Lüfterflügel in den Sepa Eco Fans.

»Lüfterlos« galt noch vor zehn Jahren als Qualitätsmerkmal und Lüfter gar als Risikobauteil. Das hat sich gründlich geändert.

Das Einsatzgebiet von Lüftern zur Elektronikkühlung hat sich in den letzten zehn Jahren deutlich verändert. Konnten früher die meisten Kühlaufgaben mit Standardlüftern gelöst werden, kommen heute immer häufiger individuelle Kühllösungen zum Einsatz: zuverlässig, klein, leise und mit niedriger Leistungsaufnahme. Besonders die Bauhöhe konnte trotz hervorragender aerodynamischer Daten sehr deutlich verringert werden, Höhen von 3-10mm bei radialer oder axialer Strömungsrichtung sind heute Standard. Welche Verbesserungen gab es im Einzelnen?

  • Konstruktive Verbesserungen

Die Verbesserungen an Gehäuse und Rotor hatten das Ziel, den Wirkungsgrad des Lüfters zu verbessern, bei gleichzeitiger Reduzierung der Luftgeräusche. Hier ist an erster Stelle der sogenannte Ansaugtrichter zu nennen, eine keilförmige oder abgerundete Erweiterung des Durchmessers an der Ansaugöffnung des Lüfters. Diese seit vielen Jahren allgemein angewandte Technik verringert Luftverwirbelungen an der Ansaugseite des Lüfters. Am Propeller sind unterschiedliche Techniken mit dem gleichen Ziel im Einsatz. Dabei gehen die Hersteller oft unterschiedliche Wege: Wings am Flügelende, spitz zulaufende Flügel, sägezahnförmige Anlaufkanten usw. Je nach Modell werden dabei mehr oder weniger merkbare Unterschiede bei der Geräuschentwicklung erzielt. Die derzeit wahrscheinlich beste aerodynamische Form der Lüfterflügel sieht man in den ECO-Fans von Sepa. Durch ausgeklügelte Kunststofftechnik wurde die Dicke der Schaufeln bei 40mm Axiallüftern von rund 1.2mm auf nur 0,5mm verkleinert. Dadurch konnte bei gleichbleibendem Volumenstrom das Geräusch deutlich gesenkt werden.

Ähnliche Entwicklungen finden sich bei Radiallüftern. Die Forderung nach immer flacheren Lüftern führten zu einer schrittweisen Verringerung der Bauhöhe bei kleinen Lüftern verringerte sich von rund 20mm auf jetzt nur mehr 5mm.

  • Fortschrittliche Lagertechnik

Die Lager eines Lüfters bestimmen Zuverlässigkeit und Lebensdauer eines Lüfters. Allerdings beeinflusst das gewählte Lagersystem deutlich den Preis des kompletten Ventilators. Die früheren Kleinlüfter wurden fast ausschließlich mit zwei Sintergleitlagern ausgerüstet. Diese Konstruktion ist zwar unschlagbar billig, aber nicht sehr zuverlässig. Dennoch wurden Gleitlagerlüfter in fast allen Computern als Erstausstattung eingesetzt um den Preis niedrig zu halten. Die noch heute gelegentlich findende Abneigung gegen Lüfter ("lüfterlos!") ist auf die ziemlich hohe Ausfallwahrscheinlichkeit der damaligen Kleinlüfter zurückzuführen.

Lagersysteme bei Lüftern der ersten Generation: Zwei getrennte Gleitlager bilden ein Lagersystem, in dem die Welle im Idealfall durch den hydrodynamischen Effekt radial aber nicht axial positioniert wird. Die Montagetoleranzen getrennter Lager führen zwangsläufig zu Fluchtungsfehlern und damit zu fehlerhaft ausgebildetem Ölfilm und dadurch zum Frühausfall wegen erhöhtem Verschleiß. Axial sind die Rotorwellen nicht geführt sondern nur in der Beweglichkeit eingeschränkt. Die Abstandsscheiben können die Stirnseiten der Sinterlager berühren, wodurch es dort zu einem unerwünschten und gefährlichen Ölaustritt kommt. Das stirnseitig ausgetretene Öl wird nicht automatisch - wie in der Lagerbohrung - wieder dem Ölkreislauf zugeführt sondern wandert ab. Verschiedene konstruktive Maßnahmen der Ölrückführung sind zwar zu finden, aber nicht ausreichend sicher, so dass es häufig zu den sogenannten gefürchteten "Ölern" kommt. Dabei wandert das ausgetretene ÖL die Welle entlang bis zum Wellenflansch (Propellerflansch). Dort wird es dann durch die Fliehkraft nach außen geschleudert. Da der einmal in Gang gesetzte, unerwünschte Ölfluss nicht mehr stoppt, ist bald alles Öl aus dem Sinterlager entwichen und das Lager läuft trocken. Diese Ausfälle führen meist bereits nach wenigen hundert Stunden zum Totalausfall eines Lüfters.

Moderne Lüfter mit Sintergleitlager unterscheiden sich wesentlich von den Vorgängern. An Stelle von getrennt montierten Gleitlagern kommt heute ein einstückig hergestelltes "Doppellager" zum Einsatz. Beide Lagerstellen werden in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt, wodurch kaum Fluchtungsfehler entstehen können. Der nicht tragende mittlere Teil des Sinterdoppellagers ist ein zusätzliches lebensdauerverlängerndes Öldepot. Zusätzlich sorgt eine axiale Lagerstelle für eine eindeutige axiale Positionierung der Rotorwelle, ohne dass es zu stirnseitigen Berührungen der Sinterlager kommt. Durch einen kleinen magnetischen Versatz zwischen Rotormagnet und Statorblechpaket entsteht eine axiale Kraftkomponente, die das kuppen förmig ausgebildete Wellenende gegen eine eigene Lagerstelle presst. Diese seit immerhin mehr als 20 Jahren bekannte Technik wird jetzt unter verschiedenen Bezeichnungen von namhaften Herstellern in allen Gleitlagerlüftern verwendet. Bei sehr flachen Lüftern mit Scheibenläufern entsteht diese axiale Kraftkomponente sozusagen als Nebeneffekt. Beide Techniken finden bei den Gleitlagerlüftern von Sepa Anwendung.

Ein kleines Restrisiko lässt sich auch bei modernen Lüftern mit Sinterlagern nicht vermeiden. Werden bei der Montage der Lüfter Staub oder andere kleinste Fremdpartikel ins Lager gebracht kann die durch Verstopfung der Poren des Lagers früher oder später zu einem beeinträchtigtem hydrodynamischen Effekt kommen und die Welle schwimmt nicht mehr auf dem Ölfilm. Durch die unvermeidliche metallische Berührung von Welle und Lager beim An- und Auslauf des Lüfters lösen sich ebenfalls immer kleinste Metallpartikel, die ebenfalls im Laufe der Zeit die Poren des Lagers verstopfen können. Deshalb sind auch moderne Lüfter mit Sinterlagern bei häufigem Start-Stopp-Betrieb weniger geeignet.

Auch Kugellagersysteme in Lüftern wurden im Laufe der Zeit verbessert. In den Lüftern früherer Generation werden die Kugellager in mit enger Toleranz hergestellten Lagerflanschen aus Metall montiert. Gleichzeitig wird die Welle in ebenso sehr eng tolerierten Lagerbohrungen geführt. Dabei müssen die Lager gegeneinander gezielt verspannt werden, was die Beweglichkeit eines Lagers zur Welle voraussetzt. Durch die engen Passungen am Lageraußen - und -Innendurchmesser entsteht eine Überbestimmung der Positionierung, in ungünstigen Toleranzfällen mit Einschränkung der Lagerbeweglichkeit. Lager in modernen Lüftern werde ausschließlich durch die eng tolerierte Passung Welle-Lagerinnendurchmesser positioniert, der Lagerflansch hat nur die axiale Positionierung und die Gesamtpositionierung des Lagersystems zu übernehmen.

Sieht man von der - nur bei ganz langsam drehenden Lüftern bemerkbaren - höheren Geräuschentwicklung ab, erfüllen Kugellagersysteme die besten Voraussetzungen für höchste Zuverlässigkeit und Lebensdauererwartung, auch bei erschwerten Temperatur- und Umweltbedingungen, allerding zu einem etwas höheren Preis.