Axiale, radiale und diagonale Ausführungen decken unterschiedliche Anforderungsprofile ab Lüfter für die Elektronikkühlung #####

Wenn ein Entwickler für seinen Systementwurf Lüfter als Entwärmungsmaßnahme vorsehen muss, so ist er gut beraten, wenn er Aspekte wie strömungstechnische Bedingungen, gewünschtes Geräuschverhalten, Vor- und Nachteile der verschiedenen Bauarten und Zuverlässigkeitskriterien richtig einzuschätzen weiß und darauf aufbauend die bestmögliche Lösung auswählt. Die folgenden Ausführungen leisten ihm dabei Hilfestellung.

Axiale, radiale und diagonale Ausführungen decken unterschiedliche Anforderungsprofile ab

Wenn ein Entwickler für seinen Systementwurf Lüfter als Entwärmungsmaßnahme vorsehen muss, so ist er gut beraten, wenn er Aspekte wie strömungstechnische Bedingungen, gewünschtes Geräuschverhalten, Vor- und Nachteile der verschiedenen Bauarten und Zuverlässigkeitskriterien richtig einzuschätzen weiß und darauf aufbauend die bestmögliche Lösung auswählt. Die folgenden Ausführungen leisten ihm dabei Hilfestellung.

Lüfter haben die Aufgabe, die Verlustwärme elektrischer und elektronischer Komponenten aus Geräten abzuführen. Sie sollten den dazu erforderlichen Kühlluftstrom mit möglichst geringer Leistungsaufnahme und kleinem Geräuschpegel erzeugen, wenig Platz benötigen – also kompakt gebaut sein – und eine sehr lange Lebensdauer aufweisen. Die Lüfter namhafter Hersteller sind dementsprechend keineswegs technisch einfach und anspruchslos – vielmehr verkörpern sie einen hochwertigen Qualitätsstandard.

Der von Lüftern erzeugte Kühlluftstrom kann entweder den Innenraum eines Geräts durchfluten oder gezielt auf Hotspots gerichtet werden. Bei der Gerätedurchströmung jedenfalls wird die gesamte Verlustwärme der Elektronik abgeführt. Einige Zeit nach dem Einschalten des Gerätes stellen sich stationäre Temperaturverhältnisse ein.

Die mittlere Temperaturerhöhung des Luftstroms lässt sich folgendermaßen berechnen:

(1)


Dabei sind PV die Verlustleistung, cp die spezifische Wärmekapazität der Luft, ρ die Luftdichte und V. der Volumenstrom.

Ob diese Kühlwirkung für alle Elektronikbauteile ausreichend ist, muss durch Temperaturmessungen oder durch Thermosimulation geklärt werden. Falls örtlich unzulässige Werte auftreten, sollte man den Volumenstrom durch zusätzliche oder leistungsstärkere Lüfter erhöhen. Wenn auch das nicht zu vertretbaren Lösungen führt, wird man bei den kritischen Bauelementen Kühlkörper und zusätzliche Lüfter anbringen müssen. Bild 1 zeigt einen so genannten Chip-Cooler, bei dem die wärmeübertragende Fläche A durch den Kühlkörper und der Wärmeübergangskoeffizient α durch die Lüfterströmung wesentlich vergrößert werden können. Damit lässt sich die Temperaturerhöhung am Chip entsprechend herabsetzen:

 (2)

Der Wert für den in der Gleichung zitierten thermischen Widerstand Rth findet sich in der Regel im Kühlkörperkatalog, aus dem man den entsprechenden Typ ausgewählt hat.

Bei leistungsstarken Mikroprozessoren entstehen an den Übertragungsflächen so große Wärmestromdichten, dass sogar eine Flüssigkeitskühlung notwendig werden kann. Aber auch in diesem Fall ist zur Wärmeübertragung vom Flüssigkeitskreislauf an die Umgebungsluft ein Wärmetauscher mit Lüfter erforderlich.

Bei der Durchflutung eines Gerätes oder eines Kühlkörpers sind Strömungswiderstände zu überwinden, die in Form von Druckverlusten auftreten. Diese Druckverluste nehmen in den meisten Fällen mit dem Quadrat des Volumenstroms zu – die dadurch entstehende Gerätekennlinie hat die Gestalt einer Parabel. Den Arbeitspunkt des verwendeten Lüfters erhält man als Schnittpunkt von Geräte- und Lüfterkennlinie, da in diesem Punkt die Druckverluste des Gerätes durch die Druckerhöhung des Lüfters kompensiert werden (Bild 2).

Während man die Lüfterkennlinie den Herstellerkatalogen entnehmen kann, fällt es ungleich schwerer, die Druckverlustkurve des ausgewählten Gerätes zu bestimmen. Diese kann lediglich mit einem Ventilatorprüfstand gemessen oder mit Simulationsprogrammen der Fluidmechanik näherungsweise bestimmt werden.

Die Förderleistung des Lüfters im Arbeitspunkt ergibt sich aus dem Produkt von Druckerhöhung und Volumenstrom:

 (3)

Daraus folgt, dass bei der Auswahl eines geeigneten Lüfters nicht allein der maximale Volumenstrom entscheidend ist. Vielmehr muss bei dem für die Kühlung erforderlichen Volumenstrom auch eine Druckerhöhung verfügbar sein, die zur Überwindung der Geräteverluste notwendig ist. Dieser Betriebspunkt des Lüfters sollte im optimalen Bereich der Kennlinie liegen, weil dort nicht nur ein guter Wirkungsgrad, sondern auch ein niedriger Geräuschpegel vorherrschen.