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Mouser / Wärmemanagement

Den geeigneten Lüfter finden

20. März 2018, 13:29 Uhr | Mark Patrick, Mouser Electronics

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Den erforderlichen Luftstrom bestimmen

Ein wirksames Wärmemanagement zu implementieren, das sowohl finanzielle als auch räumliche Anforderungen erfüllt, gleicht einem Drahtseilakt. Eine wichtige Größe dabei ist der maximal mögliche Temperaturanstieg im System, ohne dass gleichzeitig das Risiko von Betriebsstörungen steigt. Die maximal zulässige Umgebungstemperatur lässt sich ermitteln, indem man das System genau untersucht und so die Komponenten bestimmt, die mit Blick auf die Betriebstemperatur am kritischsten sind. Die kumulierte Verlustleistung aller relevanten Komponenten (darunter MOSFETs, Mikroprozessoren etc.) ergibt dabei die Verlustleistung des Gesamtsystems. Dieser Wert (in Watt) entspricht exakt der als Wärme ausgegebenen Energie (in Joule pro Sekunde). Folgende Gleichung (1) beschreibt die Beziehung zwischen dem Temperaturanstieg ∆T durch die Verluste der verbauten Komponenten w und dem Massenstrom der Luft q:

$open parentheses 1 close parentheses space space space space q equals w times C subscript p times increment T$

Dabei ist C_p die spezifische Wärmekapazität der Luft. Sind die maximal zulässige Temperatur im Gehäuseinneren und die erzeugte Wärmemenge bekannt (Berechnungsgrundlage: Gesamtleistung/Verlustwärme der Komponenten), lässt sich der erforderliche Luftstrom Q aus folgender Gleichung (2) genau berechnen:

$open parentheses 2 close parentheses space space space Q equals fraction numerator q over denominator rho times C subscript p times increment T end fraction times 60$

Dabei ist ρ die Luftdichte. Durch Einsetzen der Werte von C_p und ρ bei +26 °C erhält man die folgende allgemeine Gleichung (3) zur Berechnung des Luftstroms:

$open parentheses 3 close parentheses space space space Q equals 0 comma 05 times fraction numerator q over denominator increment T end fraction$

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Nun kann ein Entwickler den benötigten Luftstrom im Systems mit den technischen Daten gängiger Lüfter abgleichen, um ein geeignetes Produkt zu finden. Hersteller beschreiben ihre Lüftereinheiten anhand von Leistungskurven, die Luftstrom und statischen Druck berücksichtigen (Bild 1). Bei dem dargestellten Lüfter handelt es sich um den CFM-120 von CUI. Diese Axiallüfter mit den Maßen 120 mm × 120 mm verfügen über zwei Kugellager, die Geschwindigkeiten bis zu 4600 U/min erreichen.

Dabei ist zu erwähnen, dass es sich bei Gleichung 3 um eine Vereinfachung handelt, da Effekte wie der gehäusebedingte Gegendruck unberücksichtigt bleiben. In der Praxis gibt es wie bereits erwähnt immer ein gewisses Maß an Systemimpedanz, das in die Rechnung einzubeziehen ist. Um die tatsächlichen Anforderungen an den Lüfter zu bestimmen, muss zunächst diese Systemimpedanz berechnet werden. Das Ergebnis kann anschließend über die Leistungskurve gelegt werden, sodass der Betriebspunkt des Lüfters durch die Schnittpunkte gekennzeichnet ist. Dies veranschaulicht Bild 2.

Die Messung eines Luftstroms durch ein Gehäuse lässt sich in einer Luftströmungskammer durchführen. Ist dies keine gangbare Lösung, kann alternativ ein Betriebspunkt bestimmt werden, der oberhalb des in Gleichung (3) errechneten Wertes liegt. So bleibt etwas Spielraum für den möglichen Luftstrom.

Im Rahmen der Konstruktionsplanung sollten Entwickler darauf achten, die Systemimpedanz möglichst gering zu halten, da aufgrund der anspruchsvolleren Spezifikationen andernfalls hohe Kosten bei der Beschaffung entstehen können. Soweit dies möglich ist, sollte die Umgebung der Ein- und Auslässe von anderen Bauteilen freigehalten werden. Die Entwickler sollten die Komponenten auf der Leiterplatte so platzieren, dass die Luft die kritischen Bauteile umströmen kann. Bei Bedarf können hierfür Führungen verwendet werden. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, ob das System in großer Höhe (etwa in Raumfahrtanwendungen) eingesetzt werden soll. Die oben angeführten Gleichungen gelten für eine Luftdichte auf Meeresspiegelniveau. Da die Luftdichte bei zunehmender Höhe abnimmt, müsst man in diesen Fällen den Luftstrom deutlich vergrößern.