Aerodynamik und Motorauslegung bei Diagonallüftern Kraftvolle Flüsterlüfter

Neue Gerätemodelle müssen immer kompakter und gleichzeitig leistungsfähiger werden, dadurch steigt auch die benötigte Entwärmungsleistung. Meist ist ein hoher Luftstrom das Mittel der Wahl, um die entstehende Wärme abzuführen. Vor allem Fortschritte in der Fertigungstechnik machen jetzt neue, besonders kompakte Diagonallüfter möglich, die sehr hohe Luftleistung bei minimalem Bauvolumen fördern und dazu noch leise und besonders effizient sind.

Angesichts steigender Energiepreise streben Gerätehersteller höchste Effizienz an. Doch einen Wirkungsgrad von 100% wird es nie geben, ein Teil der Energie ist immer als Abwärme abzuführen. Um dies möglichst effizient und mit möglichst niedrigem Lärmpegel zu ermöglichen, überarbeiteten die Experten bei ebm-papst ihre Lüfterserie für hohe Leistungen nach neuesten wissenschaftlichen und fertigungstechnischen Gesichtspunkten.

So entstand mit dem »DV 6300« (Bild 1) ein besonders leistungsfähiger Diagonallüfter mit 172 mm Durchmesser bei nur 51 mm Bautiefe. Bei der Konzeption des neuen Lüfters bezogen die Entwickler eine Vielzahl von Neuerungen mit ein und überprüften sie auf ihre Eignung. Bei Energieverbrauch und Leistungsfähigkeit sind vor allem Antriebstechnik und Aerodynamik ausschlaggebend, bei der Aerodynamik wiederum spielt die Formgebung des Lüfterrades die größte Rolle.

Ließ sich bisher aus Fertigungsgründen die physikalisch optimale Geometrie nur eingeschränkt umsetzen, eröffnen wesentliche Fortschritte bei der Entformungstechnik im Spritzguss den Ingenieuren nun völlig neue Möglichkeiten. So konnten die Flügel beim neuen Modell auch leicht überlappend gestaltet werden, ohne dadurch Probleme in der Fertigung zu bekommen.

Um die neuen Chancen auszutesten, berechneten die Ingenieure sieben Laufrad-Prototypen und vier Gehäuseausführungen in allen Kombinationen, fertigten sie per Laser-Sintertechnologie und prüften sie eingehend im hauseigenen Luftleistungsprüfstand (Bild 2). Die aerodynamisch beste Kombination hinsichtlich Fördermenge, Förderdruck und Betriebsgeräusch wurde dann in weiteren Punkten für eine einfache, kostengünstige Fertigung verbessert.

Auch beim Motor als zweite Hauptkomponente setzten die Entwickler an. Neue Programme zur Berechnung des Magnetflusses, kompaktere Elektronikkomponenten und ein weiter verbessertes Wärmemanagement waren dabei die entscheidenden Schritte. So kann der neue Antrieb durch die optimierte interne Kühlung über die sogenannte Luftscheibe einen Großteil seiner Abwärme direkt in den Luftstrom abgeben.

Das senkt die interne Betriebstemperatur und erhöht so die Lebensdauer und Zuverlässigkeit sowohl der Lager als auch der Elektronik und das trotz über 15% höherer Leistung im Vergleich zum Vorgänger-motor. Auch gelang es, die Drehmomentkennlinie über den gesamten Betriebsbereich zu optimieren und so der neuen, leistungsfähigeren Aerodynamik anzupassen. Dadurch liegt die Energieeffizienz so hoch, dass der Lüfter in allen Belangen heute schon die ab 2015 EU-weit verbindlichen Kriterien der »ErP« erfüllt beziehungsweise übertrifft (siehe Kasten).

Neue EU-Mindesteffizienzwerte für Ventilatoren   
2005 verabschiedete die EU die so genannte »EuP-Richtlinie« (Energy-using Products Directive 2005/32/EG), die 2009 in »ErP-Richtlinie« (Energy-related Products Directive 2009/125/EG) umbenannt wurde - in Deutschland auch bekannt als Ökodesign-Richtlinie. Mittels verbindlicher Mindestanforderungen legt die Richtlinie die umweltgerechte Gestaltung energieverbrauchsrelevanter Produkte fest, deren Einhaltung mit der CE-Kennzeichnung nachzuweisen ist.
Die konkreten Vorgaben für die Umsetzung der Richtlinie im Bereich der Ventilatoren sind in der ErP-Durchführungsverordnung 327/2011 der EU definiert. Sie gibt Mindestwirkungsgrade für Ventilatoren mit einer elektrischen Eingangsleistung von 125 W bis 500 kW vor und sorgt damit für die Verbannung von Energiefressern aus dem Produktprogramm aller Ventilatorenhersteller ab dem 1. Januar 2013. Im Unterschied zu der im Juni 2011 in Kraft getretenen Norm IEC 60034-30-2008, die lediglich Mindestwirkungsgrade für Motoren (IE2/IE3) vorschreibt, wird bei der ErP-Richtlinie das komplette betriebsfertige System »Ventilator« betrachtet. Hierbei spielt es keine Rolle, ob der Ventilator als Einzelgerät eingesetzt oder als Komponenten in einer Anlage betrieben wird. Ab dem 1. Januar 2015 werden die Anforderungen an die Wirkungsgrade gegenüber 2013 nochmals verschärft. Die Richtlinie wirft für Ventilatorenhersteller, aber auch Anlagenbauer und Anlagenbetreiber zahlreiche Fragen auf. Um seine Kunden und Interessenten rechtzeitig und vor allem umfassend und möglichst detailliert über die anstehenden gesetzlichen Änderungen aufzuklären, stellt der Ventilatorenhersteller Elektror die allgemeinen Informationen zu ErP-Richtlinie sowie die Antworten auf die wichtigsten Elektror-spezifischen Fragen auf seiner Webseite www.elektror.de zur Verfügung - zusätzlich können Interessenten die Informationen in Form einer gedruckten Broschüre auch direkt beim Unternehmen anfordern.

Halbe Lautstärke im Praxisbetrieb

Messungen am neuen Lüftermodell ergaben, dass sein Betriebsgeräusch bei nur 83 dB(A) und damit rund 8 dB(A) niedriger liegt als beim Vorgänger. Da das menschliche Ohr 6 dB(A) weniger als Halbierung der Lautstärke empfindet, sinkt das subjektive Betriebsgeräusch damit um mehr als die Hälfte. Die bessere Aerodynamik erlaubt sogar niedrigere Nenndrehzahlen, und zwar zwischen 6000 U/min und 6900 U/min gegenüber 9200 U/min früher  und das bei höherem Volumenstrom. Dieser liegt nun bei 1100 m3/h frei blasend statt früher bei 950 m3/h, der Förderdruck beträgt jetzt 750 Pa statt 550 Pa (Bild 3). Der Motor für 12 V bis 48 V DC-Eingangsspannung nimmt zwischen 40 W und 150 W auf und stellt dabei in jedem Betriebspunkt genügend Reserven bereit für eine schnelle (Nach-)Regelung.

Laufrad und Gehäuse mit integrierter Venturi-Düse sind statt aus Polyamid und Aluminium nun einheitlich aus PBT (Polybutylenterephthalat) gefertigt. Ein einheitlicher Werkstoff für beide Komponenten erlaubt kleinere Spaltmaße, was Strömungsverluste und Betriebsgeräusch gleichermaßen reduziert (Bild 4). Zudem lassen sich beide Komponenten kostengünstiger herstellen, und der Lüfter wiegt weniger.

Die Einsatztemperaturspanne des Werkstoffs ist mit -50 °C bis +150 °C mehr als ausreichend für typische Lüfteranwendungen, ebenso die hohe chemische Widerstandsfähigkeit gegenüber Lösungs- oder Reinigungsmitteln.

Zudem korrodiert der Kunststoff im Gegensatz zu lackierten Alulegierungen nicht, falls die Oberfläche einmal beschädigt wird.

Über die Autoren:

Harald Schmid ist Department Manager Development Compact Fans bei ebm-papst und Andreas Zeiff ist Mitarbeiter des Redaktionsbüros Stutensee.