Praxistipp Computer Multimedia: Geräte-Lüfter, Berechnung und Auswahl Präsentiert von ELEKTOR, dem Magazin für Elektronik und Computertechnik Lüfter schützen temperaturempfindliche elektronische Geräte vor Überhitzung. Sie dürfen weder unter- noch überdimensioniert sein, denn beides hat nachteilige Auswirkungen. Ist die Lüfter-Leistung zu gering, wird die Lebensdauer der Bauteile verkürzt, ist sie zu hoch, wird unnötig Energie verbraucht und die Umwelt mehr als notwendig mit Geräuschen belastet. Dieser Beitrag basiert weitgehend auf einer Veröffentlichung des taiwanesischen Lüfter-Herstellers Sunon. Bild 1. Die von einem elektrischen System erzeugte Verlust-Wärme kann durch einen Lüfter abgeführt werden. Die Auswahl eines Geräte-Lüfters, der für einen vorgegebenen Zweck geeignet sein muss, verläuft im Allgemeinen in folgenden Schritten: 1. Ermitteln der im Gerät in Wärme umgesetzten Verlustleistung, 2. Ermitteln des maximal zulässigen Temperatur-Anstiegs im Gerät, 3. Berechnen der Luftmenge, die umgewälzt werden muss, damit die zulässige Höchsttemperatur nicht überschritten wird, 4. Abschätzen des Widerstands, den der Luftstrom im Gerät zu überwinden hat, 5. Auswahl des Lüfter-Modells an Hand der technischen Daten (Zahlen-Angaben und Diagramme) in den Katalogen und Datenblättern der Hersteller. Luftmengen Die umzuwälzende Luftmenge, die nötig ist, um das Gerät vor Überhitzung zu schützen, lässt sich aus der in Wärme umgesetzten Verlustleistung und dem maximal zulässigen Temperatur-Anstieg mit Hilfe der Grundbeziehung für die Wärme-Übertragung ermitteln: H = Cp · W · Delta-T Darin sind: H = in Wärme umgesetzte Verlustleistung, Cp = spezifische Wärme von Luft, W = Masse der umgewälzten Luft, Delta-T = zulässiger Temperatur-Anstieg im Gehäuse. Die Masse der transportierten Luft kann aus W = Q · D berechnet werden, wobei D die spezifische Masse von Luft und Q die umgewälzte Luftmenge ist. Fernöstliche Hersteller geben die zuletzt genannte Größe meistens in Kubik-Fuß pro Minute an. Bei europäischen Herstellern wird die umgewälzte Luftmenge fast immer in Kubik-Metern pro Stunde angegeben. Für die Umrechnung gilt: 1 CFM = 1 Kubikfuß pro Minute = 0,0283 Kubikmeter pro Minute = 1,7 Kubikmeter pro Stunde. Eine Reihe von Zahlenwerten für die Beziehungen zwischen Temperatur-Anstieg, in Wärme umgesetzter Verlustleistung und Menge der umgewälzten Luft in Kubik-Fuß sind in Tabelle 1 zu finden. Wenn z.B. die in Wärme umgesetzte Verlustleistung P = 500 W und der zulässige Temperatur-Anstieg Delta-T = 10 °C betragen, dann ergibt sich daraus eine Luftmenge von 88 Kubikfuß pro Minute, was man in 2,5 Kubikmeter pro Minute umrechnen kann. Luft-Widerstand / System-Charakteristik Dem Transport der Luft durch das Geräte-Gehäuse wird ein Widerstand entgegen gesetzt, weil der Luftstrom durch die Einbauten (Platinen, Bauelemente usw.) behindert wird. Daraus resultiert eine Druck-Differenz zwischen der einströmenden und der ausströmenden Luft. Die Druck-Differenz Delta-P kann in Millimeter Wasser-Säule ausgedrückt werden. Der Zusammenhang zwischen der Luft-Menge, die durch das Gehäuse strömt, und der daraus resultierenden Druck-Differenz kann als System-Charakteristik betrachtet werden: Delta-P = K · Q^n Darin ist: K = eine Konstante, die vom System-Aufbau abhängt, Q = die umgewälzte Luftmenge, n = der Turbulenz-Faktor Der Turbulenz-Faktor liegt zwischen n = 1 und n = 2. Für laminare Strömung gilt n = 1, für turbulente Strömung gilt n = 2. Die Beziehung ist folglich nicht-linear, sobald Turbulenzen auftreten. Mit zunehmenden Turbulenzen weicht der Graph, der den Druck als Funktion der Luft-Menge darstellt, von einer Geraden ab; er nimmt einen parabolischen Verlauf an. Der Schnittpunkt zwischen dieser für das System charakteristischen Kurve (Impedanz-Kurve) und der Last-Charakteristik des Lüfters bestimmt den so genannten Arbeitspunkt des mit dem Lüfter betriebenen Systems. Wie aus Bild 2 hervorgeht, ist hiermit der Arbeitspunkt des Systems eindeutig festgelegt, sodass die Entscheidung über die Wahl des am besten geeigneten Lüfters getroffen werden kann. Bild 2. Der Schnittpunkt zwischen der Lüfter-Charakteristik und der Impedanz-Kurve des Systems ist der Arbeitspunkt. Konstruktive Überlegungen Für die mechanische Geräte-Konstruktion gelten folgende allgemeine Grundsätze: 1. Der Luftstrom darf möglichst wenig behindert werden. Die Luft-Einlass- und Auslass-Öffnungen müssen unter allen Einsatzbedingungen des Geräts frei bleiben. 2. Die Luft soll vorzugsweise vertikal durch das Gehäuse strömen. Da die Luft weniger turbulent durch das Gehäuse strömt als bei horizontaler Strömung, ist die Kühlung effizienter. 3. Falls die Einsatz-Bedingungen des Geräts einen Staubfilter erfordern, muss dessen zusätzlicher Luftstrom-Widerstand berücksichtigt werden. Geräusch-Entwicklung Die von den Lüftern verursachten Schall-Intensitäten werden im Allgemeinen in so genannten "schalltoten Kabinen" gemessen. Während der Messung befindet sich das Mess-Mikrofon im Abstand von 1 m vor der Einström-Öffnung des Lüfters. Auf der Seite des Anwenders müssen folgende Richtlinien beachtet werden, um die vom Lüfter verursachte Geräusch-Entwicklung zu minimieren: System-Impedanz: Die Beschaffenheit des Raums zwischen der Einlass- und der Auslass-Öffnung des Luftstroms bestimmt zu etwa 60...80 % die System-Impedanz. Grundsätzlich gilt, dass um so mehr Luft umgewälzt werden muss, je höher die System-Impedanz ist, wenn eine bestimmte Wärme-Menge abgeführt werden soll. Größere vom Lüfter transportierte Luft-Mengen haben jedoch unmittelbar höhere Geräusch-Pegel zur Folge. Der Geräte-Konstrukteur muss sich deshalb zum Ziel setzen, die System-Impedanz möglichst niedrig zu halten. Behinderungen des Luft-Stroms: Alle Hindernisse, die dem Luftstrom im Weg sind, haben zusätzliche Geräusch-Entwicklung zur Folge. Dieser Effekt ist bei turbulenten Strömungen stärker ausgeprägt als bei laminaren Strömungen. Insbesondere in der Nähe der Luft-Einlass- und Auslass-Öffnungen müssen Luftstrom-Hindernisse so weit wie möglich vermieden werden. Drehzahl und Abmessungen des Lüfters: Es liegt auf der Hand, dass schnell drehende Lüfter stärkere Geräusche entwickeln als Lüfter mit niedriger Drehzahl. Deshalb ist die Wahl eines Lüfters mit niedriger Drehzahl immer die bessere Wahl. Lüfter mit großen mechanischen Abmessungen und niedriger Drehzahl sind Lüftern mit kleinen Abmessungen und hoher Drehzahl vorzuziehen. Temperatur-Anstieg: Die Menge der durch das Gerät strömenden Luft ist umgekehrt proportional zum zulässigen Temperatur-Anstieg. Kleine Verschiebungen des zulässigen Temperatur-Anstiegs können deshalb größere Änderungen hinsichtlich der benötigten Luft-Menge nach sich ziehen. Das Festlegen des zulässigen Temperatur-Anstiegs bedarf daher erhöhter Aufmerksamkeit. Auch wenn hier nur geringe Konzessionen möglich sind, kann sich dies entscheidend auf die Wahl des Lüfters auswirken. Schwingungen: Der Lüfter muss unter Zwischenlage eines aus schwingungs-absorbierendem Material bestehenden Unterleg-Ring montiert werden. Dadurch wird die Übertragung mechanischer Schwingungen auf das Gehäuse erheblich gedämpft. Meistens bietet der Lüfter-Hersteller auch das passende Montage-Material an. Betriebsspannung: Die Drehzahl des Lüfters hängt direkt von seiner Betriebsspannung ab. Um die Geräusch-Entwicklung niedrig zu halten, soll die Betriebsspannung nicht höher als notwendig sein. Herstellerseitige Maßnahmen: Der Lüfter-Hersteller hat zahlreiche Möglichkeiten, die Geräusch-Entwicklung seines Produkts zu senken. Die Konstruktion des Motor-Ankers und der Lager sowie die Form des Lüfter-Rahmens und der Luft-Schaufeln haben wesentlichen Einfluss. Quellenhinweis:Geräte-Lüfter, Berechnung und Auswahl, Elektor 1/2003. Den vollständigen Artikel können Sie als PDF-Dokument hier herunterladen. Mehr Informationen auf der Elektor-Website www.elektor.de Lernen Sie Elektor unverbindlich im Probeabo kennen - 3 Hefte für nur € 12,50 Das bekommen Sie bei Conrad Electonic Beratung 0180/531 21 17 Bestellung 0180/531 21 11 (12 Cent/Min.) Artikel: COOLERMASTER ULTRA SILENT LÜFTER 120MM Bestellnummer: 999047 - LN