Wärmemanagement Lüfter für die Elektronikkühlung mit bis zu 50 Prozent mehr Luftleistung

Von Helmut Sebisch

Ein neuer Kompaktlüfter von EBM-Papst liefert bis zu 50 Prozent mehr Luftleistung als herkömmliche Lösungen und verursacht dabei weniger Geräusche – wichtige Eigenschaften bei stetig steigender Packungsdichte und zunehmendem Leistungsdurchsatz in der Automatisierungstechnik.

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Der neue Diaforce liefert im Vergleich zu einem herkömmlichen Lüfterlösungen bis zu 50 Prozent mehr Luftleistung und erzeugt zudem deutlich weniger Geräusch. Das Geheimnis liegt in der einzigartigen Geometrie von Laufrad und Gehäuse.
Der neue Diaforce liefert im Vergleich zu einem herkömmlichen Lüfterlösungen bis zu 50 Prozent mehr Luftleistung und erzeugt zudem deutlich weniger Geräusch. Das Geheimnis liegt in der einzigartigen Geometrie von Laufrad und Gehäuse.
(Bild: EBM-Papst)

Die Elektronikkühlung basiert heute überwiegend auf Axiallüftern, vor allem weil diese hohe Volumenströme liefern und sich konstruktiv gut integrieren lassen. Axiallüfter stoßen jedoch an Grenzen, wenn beispielsweise in Telekommunikationsanlagen oder in Datacenter immer leistungsfähigere Elektronik auf gleichem Raum untergebracht oder gar noch kompakter aufgebaut werden soll. Um die Kühlleistung zu erhöhen, werden einfach zwei Axiallüfter in Reihe geschaltet, was in der Praxis überwiegend mit gegenläufig drehenden Rotoren realisiert wird. Ein solcher zweistufiger Lüfteraufbau ermöglicht prinzipiell einen höheren Druckaufbau, allerdings steigt auch die Geräuschentwicklung der Anlage.

Normen und Richtlinien zum Lärmschutz wie von NEBS (Network Equipment-Building System), OSHA (Occupational Safety and Health Administration), ANSI (American National Standards Institute) oder ETSI (European Telecommunications Standards Institute) lassen sich so nicht erfüllen. Eine zusätzliche Geräuschdämmung kommt meist nicht in Frage, da sie zu viel Platz benötigt und die Kosten in die Höhe treibt.

Kompakter, leiser Lüfter

Um einen Lüfter zu entwickeln, der mehr Leistung bringt, ohne lauter zu werden, und trotzdem kompakt baut, wählten die Spezialisten von EBM-Papst deshalb einen neuen Ansatz. Die Standorte Mulfingen, St. Georgen und Shanghai bündelten dazu ihre Kompetenzen. In enger Abstimmung mit einem bedeutenden Elektronikhersteller entstand der Diaforce – ein neuer Kompaktlüfter, dessen Abmessungen denen einer konventionellen zweistufigen Lösung entsprechen.

Der typische Druckaufbau des Diaforce: Im blaumarkierten beispielhaften Arbeitspunkt kommt der Diaforce auf über 17.000 Umdrehungen/min bei einer Leistungsaufnahme von 516 W. Damit werden über 1.800 Pa Druck und >500 m³/h Luftleistung erreicht.
Der typische Druckaufbau des Diaforce: Im blaumarkierten beispielhaften Arbeitspunkt kommt der Diaforce auf über 17.000 Umdrehungen/min bei einer Leistungsaufnahme von 516 W. Damit werden über 1.800 Pa Druck und >500 m³/h Luftleistung erreicht.
(Bild: EBM-Papst)

Das Geheimnis des Diaforce liegt in der einzigartigen Geometrie von Laufrad und Gehäuse. So werden Verwirbelungen im Randbereich minimiert, was für eine deutliche Geräuschreduzierung sorgt. Außerdem ist die Austrittsöffnung des Lüfterrads größer als die Ansaugöffnung. Dadurch wird der Lüfter sowohl in axialer als auch in radialer Richtung durchströmt, was für einen hohen Druckaufbau sorgt. Von der Charakteristik her liegt der Diaforce deshalb zwischen einem Axial- und einem Radialventilator, wobei die prinzipielle, für den Einbau günstigere axiale Bauweise erhalten bleibt. Ein besonderer Vorteil der Aerodynamik ist zusätzlich, dass der Diaforce eine Luftleistungskennlinie ohne Einsattelung bietet. Gleichzeitig machen ihn die aerodynamischen Optimierungen zum leisesten Ventilator mit dieser Leistungsdichte. Die Geräuschemission des Kompaktlüfters ist bis zu 6 dB(A) geringer als bei einem konventionellen Axiallüfter – und das bei einer bis zu 50 % höheren Luftleistung. Die höhere Luftleistung wird im Normalbetrieb meist nicht benötigt, da Lüfter in der Elektronikkühlung oft im Teillastbetrieb arbeiten. Eine Leistungsreserve ist aber entscheidend, damit die Elektronik bei Bedingungen außerhalb des Normalbetriebs weiterhin ausreichend funktioniert.

Direkter Vergleich zwischen einem einstufigen Axiallüfter (a), einem zweistufigem Axiallüfter (b) und dem neuen Diagonallüfter Diaforce (c).
Direkter Vergleich zwischen einem einstufigen Axiallüfter (a), einem zweistufigem Axiallüfter (b) und dem neuen Diagonallüfter Diaforce (c).
(Bild: EBM-Papst)

Leistungsstarker und intelligenter DC-Motor

Treibende Kraft des Kompaktlüfters ist ein dreisträngiger, energieeffizienter DC-Motor mit einer Leistung von 500 W. Das Motordesign baut sehr kompakt und arbeitet mit hohem Wirkungsgrad. Herzstück der intelligenten Motorregelung ist ein leistungsfähiger Mikrocontroller. Dieser ermöglicht in allen Lastbereichen ein höchstmögliches Drehmoment und optimiert den Wirkungsgrad wie auch den Körperschall. Der integrierte Blockierschutz sorgt für Sicherheit. Als Schnittstellen stehen ein konfigurierbarer Steuereingang und verschiedene optionale Ausgangssignale zur Verfügung. Zu den praxisgerechten Optionen zählen zum Beispiel ein drehzahlproportionales Signal, Go-/No-Go-Alarm, Alarm mit Grenzdrehzahl sowie ein interner oder externer Temperatursensor. Der Diaforce ist in der Baugröße 120 mm × 120 mm × 86 mm verfügbar.

Clevere Wartungskonzepte mit Fancheck

Mit der optionalen Funktion Fancheck lassen sich zudem intelligente Wartungskonzepte realisieren: Meist werden Lüfter ungeplant ausgetauscht, nachdem sie ausgefallen sind. Kühlen die Lüfter Elektroniken mit hohen Verfügbarkeitsanforderungen, zum Beispiel in Rechenzentren oder Basisstationen für den Mobilfunk, muss der Austausch recht schnell erfolgen. Manche Servicekonzepte sehen zusätzlich vor, dass bei dieser Gelegenheit gleich alle Lüfter der Anlage getauscht werden. Oft entsteht dabei durch Fahrten von Servicetechnikern zu den Anlagenstandorten und Materialkosten ein beachtlicher Aufwand.

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Mit der Funktion Fancheck löste man bei EBM-Papst das Dilemma. Sie berechnet im Betrieb fortlaufend die statistische Lebensdauer auf der Grundlage der tatsächlichen Betriebsbedingungen. Damit können der Austausch kostenoptimiert geplant und die Austauschkosten gesenkt werden. Zusätzlich wird die Verfügbarkeit der Geräte erhöht. Der Anwender kann individuell auswählen, zu welchem Zeitpunkt und auf welchem Weg der Lüfter Statusmeldungen oder Warnungen ausgeben soll. Möglich ist eine genaue Beobachtung der verbleibenden Lebenszeit oder ein einfacher Alarm, sobald die Restlebensdauer unter einen vorher eingestellten Wert fällt. Dadurch lässt sich der Fancheck gut in bereits existierende Kontrollsysteme integrieren.

Das steckt hinter Green-Intelligence-Lösungen

Bei der Frage nach dem passenden Antrieb oder Lüfter sind nicht mehr nur die Produkteigenschaften wie Energieeffizienz und Leistungswerte entscheidend, sondern auch implementierte Intelligenz und Kommunikationsmöglichkeiten. Beispiele für Green-Intelligence-Lösungen für die Luft- und Antriebstechnik sind beispielsweise die Datenerfassung durch interne und externe Sensorik, eine Aufbereitung der Daten, intelligentes Regeln der leistungsstarken Motorsteuerung sowie Einbindungsmöglichkeit in Netzwerke.

Dank Condition Monitoring können Anwender Betriebsparameter ihrer Anlage jederzeit im Blick behalten und durch dokumentierten Betriebsverlauf eine bessere Fehleranalyse und Optimierung durchführen. Ein bedarfsorientierter und vorausschauender Betrieb erlaubt eine längere Betriebsdauer, eine Minimierung von Energieverbrauch und Geräuschentwicklung sowie eine selbstständige Nachregelung auf unterschiedliche Betriebszustände. Durch Predictive Maintenance können bedarfsorientierte Serviceeinsätze geplant, damit längere Serviceintervalle und außerdem eine hohe Verfügbarkeit durch geringe Stillstandzeiten erreicht werden.

* Helmut Sebisch ist im Produktmarketing Compact Air Technology (CAT) bei EBM-Papst in St. Georgen tätig.

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