Lüfter Gezielte Hot-Spot-Kühlung im PKW

In modernen KFZ steckt eine Vielzahl an elektronischen Helfern. Das bedeutet aber auch eine Konzentration der Abwärme an diskreten Stellen des Fahrzeugs. Nur eine durchdachte und gezielte Kühlung der Wärmenester, auch HotSpots genannt, erlaubt den störungsfreien Betrieb.

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SAB Bröckskes GmbH & Co KG

invenio AG

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

ebm-papst St. Georgen GmbH & Co. KG

Moderne Technik in Kraftfahrzeugen basiert im Wesentlichen auf immer leistungsfähigeren Komponenten und Bauteilen und mit steigendem Anteil, einer schnellen Steuerung fallspezifischer Variablen. Beansprucht schon beim Verbrennungsmotor das Motormanagement einen nicht unerheblichen Steuerungsaufwand, so steigt dieser bei Hybrid- und rein elektrischen Antrieben nochmals weiter an.

Wie schon aus dem PC-Bereich bekannt: Hochleistung per Software erfordert Rechenleistung, hohe Rechenleistung auf kleinstem Raum bedeutet eine erhebliche Konzentration von Verlustleistung. Abwärme tritt aber auch in diskreten Leistungsbauteilen wie den Regeleinrichtungen von (zukünftigen) Elektroantrieben auf, man denke nur an die Thyristoren, Mosfets, Dioden und andere Halbleiter, die den Motorstrom „bändigen“ müssen.. Kurz gesagt, heutige und erst recht zukünftige Hochleistungstechnik erfordert zwingend auch eine Hochleistungskühlung, um die Zuverlässigkeit der Systeme sicher zu stellen.

Fahrzeugspezifische Ansprüche an die Kühlung

Die Temperaturspanne für elektrische Fahrzeugkomponenten reicht in der Regel von -40 °C bis +85 °C, diese müssen alle Bauteile und Funktionselemente problemlos über Jahre überstehen können. Auch die elektromagnetische Verträglichkeit spielt bei so hoher Konzentration an Elektronik eine wichtige Rolle, gerade bei Bussystemen und dicht gepackten Bauteilen sind sonst erratische Fehler vorprogrammiert.

Dass sich die Mechanik konstruktiv dem individuellen Fahrzeugdesign anzupassen hat, ist dagegen selbstverständlich. Kühlung bedeutet ja immer mechanisch bewegte Teile, denn nur so kann ein Fluid, normalerweise Kühlluft, gezielt in Bewegung versetzt werden. Daher müssen auch alle beweglichen Komponenten im Fahrzeugbetrieb Vibrationen und Erschütterungen aushalten, ohne zu versagen. Wartungsfreiheit über die Lebensdauer ist ebenfalls ein wichtiger Punkt, der trotz des anspruchsvollen Einsatzortes garantiert werden muss (Bild 1)

Beispiel für ein komplexes Kühlsystem

Das so genannte „Comand-System“ der neuen S-Klasse vereint die zentrale Instrumentenanzeige, die Bedienung und Infotainment einschließlich Navigationssystem. Der Elektronikverbund schließt zusätzlich auch die Steuerelektronik für verschiedene Fahrzeugfunktionen mit ein. Alle Komponenten geben ihre Abwärme an die Umgebung ab.

Um eine effektive, preiswerte und zuverlässige Kühlung für die Elektronik im Armaturenbrett zu entwickeln, brachte der Lüfter- und Kühlungsexperte ebm-papst aus St. Georgen seine Fachkompetenz mit in die Entwicklung ein. Hier war vor allem effiziente Kühlleistung mit punktgenauer Wärmeabfuhr am Entstehungsort wichtig. Da sich die Komponenten der Anzeigeneinheit grob in zwei Teilbereiche aufgliedern, musste die Kühlluftführung entsprechend ausgelegt werden. So entstand ein komplexer Luftführungskanal.

Das Kombiinstrument benötigt rund 7,5 m³/h Kühlluft, während das Zentraldisplay mit 5 m³/h auskommt. In erster Annäherung ist die grobe Form der Kanäle durch die Komponenten-anordnung in der Instrumententafel vorgegeben, trotzdem müssen sie der Aufgabe entsprechend noch optimal dimensioniert werden, damit ein gleichmäßiger und möglichst geringer Systemgegendruck gewährleistet ist.

Eine ungestörte Strömung ist nur zu erreichen, wenn der Kanal keine Querschnittsprünge, Engstellen, Toträume oder Absätze aufweist. Dies senkt das Betriebsgeräusch, erhöht die Fördermenge und erleichtert eine spätere Nachrüstung weiterer Komponenten mit Kühlungsbedarf. Ein Simulationsprogramm berechnet die optimale Gestalt innerhalb der maximalen Kühlkanal-Grenzen.

Vor und während der Simulation fließen die im Strömungslabor in Kanal-Modellen gemessenen tatsächlichen Werte in das Rechenprogramm ein; so entsteht durch „Evolution“ die optimale Form (Bild 2). Gummischwinglager, so genannte Silentblöcke, Schaumstoff-Pads und Schaumkanalstücke in der Luftführung entkoppeln die Bauteile und vermeiden Körperschall.

Leiser Lüfter im Einsatz vor Ort

Zentraler Teil jeglicher Elektronikkühlung ist natürlich der Lüfter selbst. Hier kann der Lüfterexperte auf eine langjährige Erfahrung zurückblicken. So können auch verzwickte Kühlaufgaben anwendungsgerecht gelöst werden. Im vorliegenden Beispiel kam ein bereits im Automobileinsatz bewährter Basis-Radiallüfter mit Modifikationen entsprechend der Einsatzbedingungen zum Einsatz. So wurde eine sensorlose Motorelektronik eingesetzt, die gegenüber EMV-Störeinflüssen sehr robust ist.

Eine besonders leise und EMV-sichere Kommutierung senkt sowohl die akustische wie auch elektrische „Ausstrahlung“ des Lüfters. Weder für Passagier noch Bordelektronik entstehen störende „Betriebsgeräusche“. Eine den schwankenden Umweltbedingungen wie Luftfeuchte und Temperatur angepasste Lebensdauerschmierung der Kugellager und die verschleißfreie bürstenlose Motorkommutierung erlauben hohe Betriebszeiten des Lüfters von mehreren zehntausend Stunden. Das heißt, er ist für den „Lifetime-Einsatz“ ausgelegt und wird im Normalbetrieb des Fahrzeuges nie gewartet. Auch nach längeren Stillstandszeiten ist ein leichter Anlauf sichergestellt.

Für die effiziente Kühlung des Kombiinstruments ist entscheidend,

... dass der Lüfter ausreichend Druck aufbauen kann für den Lufttransport durch die langen Kühlkanäle. Für diese „Arbeitsbedingungen“ bieten Radiallüfter gleich mehrere Vorteile. Durch die außerordentlich beengten Einbauverhältnisse im KFZ setzt ebm-papst eine besondere Ausführungsart, einen so genannten Radiallüfter mit Trommelläufer ein. Das Gebläserad ist bei diesem Typ mit vielen kurzen, vorwärtsgekrümmten Schaufeln versehen und fällt deshalb besonders kompakt aus. Mit dieser Bauform lassen sich relativ kleine Abmessungen des Lüfters bei hoher Druckleistung einhalten.

Die Lösung der Elektronikkühlung als komplette Zulieferbaugruppe definiert einen neuen Standard. Da der Lüfterexperte auf langjähriges Know-how bei der Kühlluftführung verfügt, können fahrzeugspezifisches Design und optimale Aerodynamik der Luftkanäle perfekt umgesetzt werden. Auch bei hoher Leistungsdichte der Elektronik ist so eine niedrige Betriebstemperatur aller kritischen Bauteile gewährleistet.

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