Axial- und Radiallüfter im Vergleich

Wenn es darum geht, überschüssige Wärme in einem System zu bewältigen, sind Lüfter die beste Lösung für das Wärmemanagement, um unerwünschte Wärme abzuführen und kühlere Luft über kritische Komponenten zu leiten. Abgesehen von der Drosselung der Systemleistung, dem Hinzufügen von Kühlkörpern oder der Verwendung von Rohren oder Kühlplatten bleibt oft die Notwendigkeit, einen erzwungenen Luftstrom zu erzeugen, um Komponenten weiter abzukühlen.

Dies stellt den Ingenieur vor die Wahl zwischen einem Axiallüfter und einem Radiallüfter. Auch wenn diese Entscheidung nicht übermäßig komplex ist, soll dieser Artikel die grundlegenden Funktionsprinzipien jedes Typs umreißen, ihre gemeinsamen Anwendungen und Verwendungen erörtern und ihre Vor- und Nachteile zusammenfassen.

Grundlagen der Axiallüfter und Anwendungen

Axiallüfter werden manchmal auch als Propellerlüfter bezeichnet und verfügen über schräg gestellte Flügel, die auf einer Drehachse (oder Welle) montiert sind, die von einem Motor angetrieben wird. Bei Axiallüftern wird die Luft an einem Ende angesaugt und am anderen Ende parallel zur Achse herausgedrückt (Abbildung 1). Weitere gebräuchliche Bezeichnungen sind Röhren- oder Flügelradlüfter, bei denen es sich einfach um Axialventilatoren handelt, die in einen Kanal passen.

Abbildung 1: Grundlegende Luftstromrichtung eines Axiallüfters. (Bildquelle: Same Sky)

Axiallüfter sind in praktisch jeder Größe erhältlich, von der Platinenebene bis hin zur Raumgröße, und obwohl von der Größe abhängig, benötigen sie in der Regel nicht viel Energie für den Betrieb. Die Lüfter werden sowohl in AC- als auch in DC-Ausführung angeboten. AC-Lüfter werden mit Netzstrom betrieben und nutzen in der Regel eine Nennspannung von über 100 V, während DC-Lüfter mit viel niedrigeren Spannungen im Bereich von 3 bis 48 V(DC) arbeiten und in der Regel von Batterien oder einem Netzteil angetrieben werden.

Der Luftstrom, den Axiallüfter erzeugen, hat ein hohes Volumen, aber einen niedrigen Druck. Durch die hohe Volumenleistung bei niedrigem Druck eignen sie sich gut für die Kühlung von kleinen und großen Geräten und Räumen, da der Luftstrom gleichmäßig in einem bestimmten Bereich verteilt wird. Axialventilatoren werden häufig zur Kühlung von Computern oder Rechenzentren, in Klimaanlagen, Kondensatoren oder Wärmetauschern eingesetzt und dienen zur punktuellen Kühlung in industriellen Systemen. Sie können auch als Abluftventilatoren dienen.

Grundlagen der Zentrifugallüfter und Anwendungen

Zentrifugallüfter, auch bekannt als Radiallüfter oder Zentrifugalgebläse, verfügen über Laufräder in einer motorgetriebenen Nabe, die Luft in das Gehäuse einsaugt und dann in einem 90-Grad-Winkel (senkrecht) zum Einlass ausstößt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Grundlegende Luftstromrichtung eines Zentrifugallüfters. (Bildquelle: Same Sky)

Als Hochdruckkomponenten mit geringer Volumenausgabe setzen Zentrifugallüfter die Luft im Lüftergehäuse unter Druck, wodurch ein gleichmäßiger Luftstrom mit hohem Druck erzeugt wird, allerdings mit einem geringeren Volumen als bei Axiallüftern. Da sie Luft aus einem Auslass ausstoßen, sind sie ideal, um den Luftstrom gezielt auf einen bestimmten Bereich auszurichten, um einen bestimmten Teil des Systems zu kühlen, der mehr Wärme erzeugt, wie z. B. ein Leistungs-FET, DSP oder FPGA. Ähnlich wie ihre axialen Gegenstücke sind sie in Wechsel- und Gleichstromversionen mit einer Reihe von Größen, Geschwindigkeiten und Footprints erhältlich, verbrauchen aber in der Regel mehr Strom. Ihre geschlossene Bauweise bietet einen zusätzlichen Schutz für die verschiedenen beweglichen Teile und macht sie zu einer zuverlässigen, langlebigen und beschädigungssicheren Option.

Sowohl Radial- als auch Axiallüfter erzeugen hörbares und elektromagnetisches Rauschen, aber Radiallüfter sind in der Regel lauter als Axiallüfter. Da beide Lüfterdesigns Motoren verwenden, können EMI-Effekte die Systemleistung in empfindlichen Anwendungen beeinträchtigen.

Die hohe Druckleistung eines Zentrifugallüfters bei geringer Volumenausgabe macht ihn ideal für den Luftstrom in konzentrierten Bereichen wie Rohren oder Kanälen (Abbildung 3) oder für die Be- und Entlüftung. Das bedeutet, dass sie gut in Klimaanlagen oder Trocknungssystemen funktionieren, während ihre bereits erwähnte zusätzliche Haltbarkeit den Betrieb in rauen Umgebungen mit Partikeln, heißer Luft und Gasen ermöglichen kann. Bei elektronischen Anwendungen werden Radiallüfter aufgrund ihres niedrigen Profils und ihrer höheren Richtwirkung (der Luftstrom wird in einem Winkel von 90 Grad zum Einlass ausgestoßen) häufig in Laptops verwendet.

Abbildung 3: Zentrifugallüfter in einem Kanalsystem. (Bildquelle: Same Sky)

Überlegungen zu EMI und Lärm von Lüftern

Elektromagnetische Interferenzen (EMI), die von Lüftern erzeugt werden, sind ein wichtiger Aspekt, der bei der Konstruktion frühzeitig berücksichtigt werden muss. Alle Lüfter können entweder vom Lüfter selbst abgestrahlte EMI oder leitungsgebundene EMI von den Versorgungskabeln erzeugen. Nicht eingeschlossene Magnetfelder (UMF), die von den Motormagneten und Statorwicklungen ausgehen, können ebenfalls zu Störungen führen. Auch wenn es sich um eine anwendungsspezifische Lösung handelt, spart eine sorgfältige Überlegung in den frühen Phasen der Planung später Zeit und Geld. Im Allgemeinen erzeugen Gleichstromlüfter weniger EMI als ihre AC-Gegenstücke.

Abbildung 4: Axiallüfter erzeugen in der Regel weniger Lärm als Radiallüfter. (Bildquelle: Same Sky)

Ein weiterer anwendungsspezifischer Gesichtspunkt ist das von Lüftern erzeugte Geräusch. Die Geräuschentwicklung hängt von der Anwendung, der Packungsdichte der Komponenten, der Platzierung im System, der Größe des Lüfters, der bewegten Luftmenge, den verwendeten Lagertypen usw. ab. Die Lager in einem Lüfter wirken sich nicht nur auf die Akustik aus, sondern können auch die Lebensdauer und die möglichen Anwendungen beeinflussen. Akustisches Rauschen kann oft durch eine bessere Platzierung der Lüfter, mechanische Isolierung oder die Verwendung von Lufteinlassgittern oder Auslassdiffusoren gemildert werden. Eine gute Faustregel lautet: Je höher der CFM-Wert oder der Luftstrom, desto lauter das hörbare Rauschen. Wenn jedoch ein größerer und ein kleinerer Lüfter ähnliche CFM-Werte aufweisen, ist der größere Lüfter in der Regel die leisere Gesamtlösung. Wie bereits erwähnt, sind Axiallüfter in der Regel leiser als Radiallüfter.

Abschließender Vergleich

Zum Schluss noch ein kurzer Vergleich der verschiedenen Vorteile, Nachteile und Eigenschaften von Axial- und Zentrifugallüftern. Die Entscheidung für die beste Option hängt von der beabsichtigten Anwendung, dem verfügbaren Platz und den allgemeinen thermischen Anforderungen des Endsystems ab.

Abbildung 5: Vergleich der grundlegenden Merkmale von Axial- und Zentrifugallüftern. (Bildquelle: Same Sky)

Fazit

Die Kühlung elektronischer Komponenten, die unerwünschte Wärme produzieren, kann entweder mit Axial- oder Radiallüftern effektiv gesteuert werden. Beide haben sich durch jahrelangen Einsatz und kontinuierliche Verbesserung in der Praxis bewährt. Same Sky bietet eine breite Palette an DC-Axiallüftern und -Radialgebläsen mit einer Vielzahl von Baugrößen und Luftdurchsätzen an, um die spezifischen thermischen Anforderungen eines Ingenieurs zu erfüllen.