Wichtige Parameter für die Optimierung der Leistung von DC-Lüftern

DC-Lüfter gehören zur Grundausstattung jeder Wärmemanagement-Lösung. Sie sollen Wärme durch effiziente Zwangskühlung von der Quelle ableiten. Obwohl es sich um eine wohlbekannte und leicht erkennbare Komponente handelt, erfordern DC-Lüfter grundlegende Kenntnisse über Luftströme und andere wichtige Parameter, um sicherzustellen, dass der gewählte Lüfter für das System geeignet ist. In diesem Artikel werden zur Vertiefung dieser Kenntnisse geeignete Luftstrom- und Druckberechnungen, die Abstimmung dieser Parameter mit der Arbeitskurve des Lüfters, die Auswirkung einer Installation mehrerer Lüfter und weitere Gesichtspunkte behandelt.

Ein Überblick über die Parameter eines Luftstroms

Vor der Spezifizierung eines Lüfters sind Kenntnisse über verschiedene Parameter des Luftstroms und der Wärmeübertragung nötig. Die Funktion einer Zwangslüftung besteht darin, Wärme von einem Objekt zu absorbieren und an einen anderen Ort abzuleiten, wobei die Menge der übertragenen Energie von der Masse, der spezifischen Wärme und der Temperaturänderung des Luftstroms abhängt.

Die Masse des Luftstroms wird aus dem Volumen und der Dichte der transportierten Luft berechnet.

Durch Einsetzen der zweiten Gleichung in die erste wird die abgeleitete Energie in Beziehung zum Luftvolumen gesetzt.

Wenn beide Seiten durch die Zeit dividiert werden, entsteht folgende Gleichung.

Im Allgemeinen ist der Leistungsüberschuss bekannt und der Luftstrom (Volumen pro Zeit) unbekannt, d. h. die Gleichung kann wie folgt umformuliert werden:

Diese Gleichung wird im Allgemeinen folgendermaßen geschrieben:

Dabei ist
Q = Luftdurchsatz
q = abzuleitende Wärme
ρ = Dichte der Luft
Cp = spezifische Wärme der Luft
ΔT = Temperatur, auf die die Luft ansteigt, wenn die abzuleitende Wärme absorbiert wird
k = eine Konstante, die von den für die anderen Parameter verwendeten Einheiten abhängt

Die Dichte von trockener Luft auf Meereshöhe bei 68 °F (20 °C) beträgt 0,075 lbs/ft3 (1,20 kg/m3), und die spezifische Wärme von trockener Luft beträgt 0,24 Btu/lb° F (1 kJ/kg° C). Wenn diese Werte eingesetzt werden, vereinfacht sich die obige Gleichung zu:

Wobei
Qf = Luftdurchsatz in Kubikfuß pro Minute (CFM)
Qm = Luftdurchsatz in Kubikmeter pro Minute (CMM)
q = abzuleitende Wärme in Watt
ΔTF = Temperatur, auf die die Luft ansteigt, wenn die abzuleitende Wärme absorbiert wird, in° F
ΔTC = Temperatur, auf die die Luft ansteigt, wenn die abzuleitende Wärme absorbiert wird, in° C

Erforderlicher Luftdruck

Mithilfe der obigen Gleichungen kann zwar der für eine ausreichende Kühlung erforderliche Luftdurchsatz berechnet werden, aber es muss darüber hinaus der vom Lüfter produzierte Luftdruck berechnet werden. Der Weg des Luftstroms durch das System generiert einen Staudruck. Dies bedeutet, dass der Lüfter ausreichend Druck produzieren muss, um das angegebene Luftvolumen durch das System zu leiten, damit die erforderliche Kühlung erzielt wird. Da aber jedes System eigene Luftdruckanforderungen hat, können keine vereinfachenden Gleichungen wie im Fall des Luftdurchsatzes aufgestellt werden. Glücklicherweise bieten viele CAD-Produkte die Möglichkeit, die Kennwerte für Luftdruck und Luftstrom während der Konstruktionsphase zu modellieren. Nach Abschluss der Konstruktion können diese Kennwerte mit Anemometern und Manometern genauer ermittelt werden.

Abbildung 1: Modellierung von Luftstrom und Luftdruck (Bildquelle: Same Sky)

Anforderungen an den hergestellten Luftstrom und Luftdruck

Wie in den vorhergehenden Abschnitten bereits skizziert, muss ein Lüfter oder ein Lüftersystem einen bestimmten Luftdurchsatz und einen bestimmten Luftdruck herstellen, um die beabsichtigte Kühlung zu bewirken. Auf den Datenblättern der Hersteller finden sich folgende Angaben: Luftdurchsatz ohne Staudruck, maximaler Druck ohne Luftdurchsatz und ein Leistungsdiagramm, in dem Luftstrom und Luftdruck gegenübergestellt werden.

In diesem Beispiel wurde errechnet, dass ein Produkt aufgrund der abzuführenden Wärme und der Grenzwerte für die Lufttemperatur einen Luftdurchsatz von mindestens 10 CFM benötigt, während sich bei der mechanischen Konstruktion das folgende Abhängigkeitsdiagramm zwischen Luftstrom und Luftdruck ergab (Abbildung 2). Die gestrichelte Linie stellt den mindestens benötigten Luftstrom dar, während die orangefarbene Kurve die Beziehung zwischen Luftstrom und Luftdruck darstellt.

Abbildung 2: Mindestens benötigter Luftstrom auf einer Kurve Luftstrom/Luftdruck (Bildquelle: Same Sky)

Unter Verwendung des obigen Diagramms wurde der DC-Axiallüfter CFM-6025V-131-167 von Same Sky gewählt, auf dessen Datenblatt ein Luftdurchsatz von 16 CFM ohne Staudruck, ein statischer Druck von 0,1 inH₂O (2,5 mm Wassersäule) ohne Luftstrom und das nachfolgende Leistungsdiagramm angegeben ist (Abbildung 3).

Abbildung 3: Leistungsdiagramm des CFM-6025V-131-167 von Same Sky (Bildquelle: Same Sky)

Wenn auf das Diagramm in Abbildung 2 das Diagramm in Abbildung 3 gelegt wird, ergibt sich das Diagramm in Abbildung 4, in dem der Arbeitspunkt des gewählten Lüfters dargestellt ist. Es ist wichtig, daran zu denken, dass, obwohl in diesem Beispiel der Arbeitspunkt von 11,5 CFM über dem erforderlichen Luftstrom von 10 CFM liegt, bei manchen Anwendungen ein größerer thermaler Arbeitsspielraum erforderlich ist. Es müsste daher ein Lüfter mit anderen Leistungsspezifikationen gewählt werden.

Abbildung 4: Arbeitspunkt des Lüfters mit rotem Kreis markiert (Bildquelle: Same Sky)

Einplanung und Betrieb von mehreren Lüftern

Größere bzw. schnellere Lüfter bieten in der Regel einen höheren maximalen Luftstrom und Luftdruck. Wenn ein einzelner Lüfter für den Zweck nicht ausreicht, können mehrere Lüfter parallel oder in Reihe betrieben werden, um bestimmte Leistungsparameter zu steigern. Werden Lüfter beispielsweise parallel betrieben, wächst der maximale Luftstrom, aber nicht der maximale Luftdruck, während beim Betrieb in Reihe der maximale Luftdruck, aber nicht der maximale Luftstrom wächst.

Abbildung 5: Einzelner Lüfter und mehrere in Reihe betriebene Lüfter. (Bildquelle: Same Sky)

Die Kurve, die die Abhängigkeit von Luftstrom und Druck für parallele oder serielle Anordnung der Lüfter darstellt, entspricht der Kurve für einen einzelnen Lüfter, bei der die Werte für Luftstrom und Druck mit der Anzahl der parallel bzw. in Reihe betriebenen Lüfter multipliziert werden. In dem praktischen Beispiel unten (Abbildung 6) werden die Werte für den Luftstrom mit der Anzahl der parallel betriebenen Lüfter multipliziert.

Abbildung 6: Der Luftstrom wird mit der Anzahl der parallel betriebenen Lüfter multipliziert. (Bildquelle: Same Sky)

Im Prinzip eignet sich der Parallelbetrieb für Anwendungen mit hohem Luftstrom und niedrigen Druck und der Betrieb in Reihe für Anwendungen mit hohem Druck und schwachem Luftstrom.

Abbildung 7: Vergleich der Leistung von Lüftern bei hohem und niedrigem Staudruck (Bildquelle:  Same Sky)

Lüfterdrehzahl und Affinitätsgesetze

Die Lüfterdrehzahl (U/min) beeinflusst Luftvolumen, Luftdruck, Energieverbrauch und das vom Lüfter abgegebene akustische Geräusch. Diese Beziehungen werden von den „Lüfter-Affinitätsgesetzen“ präzisiert:

• Das vom Lüfter bewegte Luftvolumen ist proportional zur Lüfterdrehzahl (~: proportional).
  • CFM ~ U/min
    • Beispiel: 4-fache Drehzahl ergibt 4-fache CFM
• Der vom Lüfter generierte Luftdruck ist proportional zum Quadrat der Lüfterdrehzahl.
  • Luftdruck ~ U/min²
    • Beispiel: 2-fache Drehzahl ergibt 4-fachen Druck
• Die zum Betrieb des Lüfters erforderliche Leistung wächst mit der dritten Potenz der Drehzahl.
  • Leistung ~ U/min³
    • Beispiel: 4-fache Drehzahl benötigt 64-fache Leistung
• Das vom Lüfter produzierte akustische Geräusch wächst bei Verdopplung der Drehzahl um 15 dB.
  • Beispiel: Eine um 10 dB lauteres akustisches Geräusch wird typischerweise vom menschlichen Gehör als doppelt so laut empfunden.

Abbildung 8: Lüfter-Affinitätsgesetze (Bildquelle: Same Sky)

Fazit

Ein Grundverständnis der in diesem Artikel skizzierten Luftstrom- und Druckanforderungen kann den Entwicklern bei der Wahl der richtigen Lüfter für die für ihren Einsatzzweck erforderliche Zwangskühlung behilflich sein. Wenn die berechneten Luftstrom- und Druckparameter nicht von einem einzelnen Lüfter erfüllt werden können, besteht die zusätzliche Option, mehrere Lüfter parallel oder in Reihe anzuordnen. Das breite Sortiment von DC-Lüftern und Gebläsen von Same Sky mit seinen unterschiedlichen Spezifikationen für Luftstrom, Luftdruck und Leistung erleichtert das Finden einer geeigneten Lüfterlösung.