Hochleistungskühlung: Kompakte Diagonallüfter für moderne Anwendungen

Von Cloud-Servern bis hin zu mobilen Komponenten bietet leistungsstarke Elektronik immense Vorteile für Unternehmen, Verbraucher und Behörden. Dennoch stehen diese Geräte vor der Herausforderung, wie wichtige Komponenten am effektivsten gekühlt werden können, um Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und eine hohe Datenverarbeitungsleistung zu gewährleisten.

Leistungsfähigere Server und Edge-Geräte sind entscheidend für die Erfüllung der Versprechen von autonomen Technologien, künstlicher Intelligenz und Lösungen für das Internet der Dinge (IoT) im Zusammenhang mit 5G. Die Entwicklung dieser Systeme zur Gewährleistung von Performance und Zuverlässigkeit erfordert mehrere Wärmemanagementkonzepte, aber die Lüfter, die heiße und kalte Luft austauschen, sind für die meisten Anwendungen entscheidend. Deshalb ist es von entscheidender Bedeutung, kompakte Lüfter zu planen, die ultimative Kühleigenschaften bei minimaler Geräuschentwicklung und geringem Platzbedarf bieten.

Überwindung von Kompromissen bei der Entwicklung elektronischer Systeme

Seit 1965 hat das Design elektronischer Systeme mit den Kühlungsanforderungen zu kämpfen, die sich aus der phänomenal zunehmenden Dichte integrierter Schaltkreise ergeben, die bekanntermaßen vom Intel-Mitbegründer Gordon Moore vorhergesagt wurde.¹ Seitdem haben die Entwicklungsteams elektronischer Systeme mit den Kühlungsanforderungen zu kämpfen, die sich aus der zunehmenden Dichte IC-basierter Systeme ergeben. Wenn Systeme überhitzt werden, können Komponenten ausfallen oder, schlimmer noch, beschädigt werden.

Der Strom, mit dem elektronische Systeme betrieben werden, wird in Wärme umgewandelt, die abgeführt werden muss, um eine Überhitzung zu vermeiden. In den USA entfallen bis zu 40 % des Energieverbrauchs von Rechenzentren auf die Kühlung. Außerhalb des Rechenzentrums sind Edge Computing und eine Vielzahl von IoT-Geräten in der Regel auf eine fortschrittliche Wärmeableitung angewiesen und müssen extrem miniaturisiert und zuverlässig sein. Kühlungslösungen für dieses breite Spektrum elektronischer Systeme beruhen häufig auf energiesparenden, geräuscharmen Kompaktlüftern, die einfach zu installieren und zu warten sind.

Entwicklungsteams, die für eine angemessene Kühlung sorgen wollen, stehen vor der ständigen Herausforderung, dass der Leistungsdurchsatz immer weiter steigt, dass die Ziele für die Energieeffizienz immer strenger werden und dass immer kleinere Komponenten untergebracht werden müssen. Die Verwendung eines stärkeren Lüfters oder der Anschluss zusätzlicher Lüfter ist aufgrund des Stromverbrauchs, des begrenzten Platzes und der Geräuschentwicklung unrealistisch.

Die Entwicklungsteams haben drei grundlegende Optionen für Lüfter und können die Prinzipien der numerischen Strömungsmechanik (CFD) nutzen, um zu bestimmen, welcher Ansatz das optimale Gleichgewicht zwischen Druck und Luftstrom für die Anforderungen ihrer Anwendungen bietet (Abbildung 1):

• Axiallüfter bewegen die Luft wie ein Propeller parallel zur Achse der rotierenden Motorwelle des Lüfters und sind in der Regel optimal für Anwendungen mit niedrigem Druck und hohem Volumenstrom geeignet, um heiße Luft durch Kühlluft zu ersetzen. Sie werden wegen ihrer geringen Einbautiefe, ihrer geringen Geräuschentwicklung und ihrer Effizienz geschätzt und eignen sich daher ideal für Server und Speichergeräte, bei denen jeder Zentimeter Platz zählt. Größere Strömungswinkel zu den Schaufeln können mehr Druck erzeugen, was jedoch zu erhöhten Turbulenzen und Lärm sowie zu einer geringeren Energieeffizienz führen kann.
• Zentrifugal- oder Radiallüfter lenken die Luft in einem 90˚-Winkel zur Welle und können bei geringerem Volumenstrom mehr Druck erzeugen als Axiallüfter. Dadurch eignen sie sich optimal für die Luftführung durch Lüftungskanäle, z. B. bei der Kühlung von Rechenzentren, oder für kleinere Anwendungen wie Laptops, bei denen die Zirkulation darauf abzielt, die Wärme senkrecht zum Lufteinlassstrom abzuführen. Der Nachteil ist ein höherer Leistungsbedarf als bei Axiallüftern.
• Diagonallüfter saugen die Luft wie ein Axiallüfter an, stoßen den Luftstrom aber diagonal zur Welle aus. Dies ermöglicht eine ähnliche Verdichtung wie bei Radiallüftern und damit einen höheren statischen Druck bei geringerer Turbulenz und höherer Effizienz.

Abbildung 1: Optimale Betriebsbereiche der drei Lüfterausführungen. (Grafikquelle: ebm-papst)

Axiallüfter der nächsten Generation

Axiallüfter dominieren in der Elektronikkühlung, weil sie leicht zu integrieren sind und einen optimalen Luftdurchsatz liefern. Integrierte Gehäuse fungieren als Ansaugtrichter für die Luftansaugung und sorgen gleichzeitig für einen homogenen Auslassstrom, ohne Wirbel zu erzeugen, die den Lärm erhöhen würden.

Herkömmliche Axiallüfter stoßen jedoch oft an ihre Grenzen, da immer höhere Kühlleistungen und kompaktere Bauweisen gefordert sind. Um die Kühlleistung mit herkömmlichen Axiallüftern zu erhöhen, wird häufig auf zweistufige Axiallüfter mit gegenläufigen Rotoren zurückgegriffen, um den hohen Druck zu erzeugen, der für eine gleichmäßige Kühlung des gesamten Gehäuses erforderlich ist. Dies erhöht jedoch den Energieverbrauch und das Betriebsgeräusch.

Der führende Lüfter- und Motoreninnovator ebm-papst hat mit dem DiaForce einen kompakten Diagonallüfter entwickelt, der diese Hürden überwindet und die anspruchsvollen zukünftigen Anforderungen der Elektronikkühlung erfüllen soll. Die Luft strömt sowohl in axialer als auch in radialer Richtung durch die DiaForce-Lüfter und ermöglicht so eine kompakte Axiallüftereinheit, die die Leistung eines gegenläufigen Lüfters bei geringerer Geräuschentwicklung und deutlich geringerem Energiebedarf bietet.

Die DiaForce-Lüfter integrieren einen externen, hochmodernen Rotormotor direkt in das Axiallaufrad und können den starken Luftstrom eines AxialLüfters mit den erhöhten Gegendruckfähigkeiten eines Radiallüfters liefern (Abbildung 2). Die einzigartige Geometrie des Laufrads und des Gehäuses minimiert Turbulenzen im Randbereich, um Geräusche zu reduzieren, und nutzt eine Laufradauslassöffnung, die größer ist als die Ansaugöffnung, um einen Luftstrom sowohl in axialer als auch in radialer Richtung zu erzeugen.

Abbildung 2: Ein direkter Vergleich zwischen einem einstufigen axialen Kompaktlüfter (a), einem zweistufigen axialen Kompaktlüfter (b) und dem neuen kompakten DiaForce-Diagonallüfter (c). (Bildquelle: ebm-papst)

ebm-papst hat den kompakten Diagonallüfter DiaForce für Hochverfügbarkeitsanforderungen entwickelt, die für Anwendungen wie Server in Rechenzentren, 5G-Standardkommunikation, autonome Fahrzeuge und Cloud-Dienste typisch sind.

Die Geometrie der DiaForce-Lüfter minimiert Turbulenzen und ermöglicht einen höheren Druckanstieg als bei herkömmlichen Axiallüftern. Laut ebm-papst ist der DiaForce sechs dB(A) leiser als ein herkömmlicher Axiallüfter - bei bis zu 50% mehr Luftleistung² - und das bei gleichen Abmessungen wie ein herkömmlicher Axiallüfter. Er entspricht den Vorgaben der DIN ISO 1940 für dynamisches Auswuchten in zwei Ebenen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen einstufigen Lüftern kann die Drehzahl der DiaForce-Lüfter erhöht werden, um ungünstigen Bedingungen, wie z. B. einem Temperaturanstieg in der Umgebung, Rechnung zu tragen. Die hocheffizienten, elektronisch kommutierten (EC) Motoren, die die DiaForce-Lüfter antreiben, arbeiten mit einem Wirkungsgrad von bis zu 90 %, verglichen mit einem Wirkungsgrad von 20 bis 70 % bei Wechselstrommotoren. EC-Motoren ermöglichen stufenlos einstellbare Drehzahlen und können die Leistungswerte von Wechselstrom- oder Gleichstrommotoren in einem kleineren Formfaktor liefern.

Der DiaForce120 Standard (Teilenummer 8315100198) bietet eine leistungsstarke Kühlung bei minimalem Energieverbrauch und Geräuschpegel. Er ist in einem Formfaktor von 119 mm Breite, 119 mm Höhe, 86 mm Tiefe und einem Gewicht von 980 Gramm erhältlich. Unter festgelegten Standardtestbedingungen liefert er einen maximalen freien Luftstrom von 680 m³/h und einen maximalen statischen Druck von 3,120 Pa. Je nach Arbeitspunkt kann er laut ebm-papst eine Lärmminderung von 6 dB(A) bis 12 dB(A) erreichen.

Angetrieben wird der DiaForce von einem dreisträngigen, energieeffizienten Gleichstrommotor mit einer Leistung von 500 W und einem leistungsfähigen Mikrocontroller für eine intelligente Motorregelung, die ein maximal mögliches Drehmoment in allen Lastbereichen ermöglicht.

Ein optionales integriertes FanCheck-Diagnosetool errechnet kontinuierlich die realistische Restlebensdauer auf Basis des tatsächlich aufgetretenen Verschleißes sowie der Temperatur-, Drehzahl- und voreingestellten Umgebungsparameter. Mit FanCheck können Hersteller und Kunden die gängige Praxis des vorzeitigen Austauschs von Lüftern vor ihrer angegebenen Lebensdauer eliminieren, die damit verbundenen Kosten senken und die Planung des Austauschs zum günstigsten Zeitpunkt erleichtern.

Weitere verfügbare DiaForce-Lüfteroptionen sind:

• Alarm für Bereit/Nicht Bereit
• Alarm mit Drehzahlbegrenzung
• Externer Temperatursensor
• Interner Temperatursensor
• Analoger Steuereingang
• Feuchtigkeitsschutz

Fazit

Da Regierungen, Unternehmen und der Verbrauchermarkt energieeffizientere Computer- und Netzwerktechnologien fordern, sind Entwicklungsteams elektronischer Systeme ständig gefordert, mehr Leistung und Energieeffizienz zu bieten. Moderne Lüfter, die mit Zustandsüberwachungsfunktionen ausgestattet sind und künftige Anforderungen im Blick haben, sind für die Bewältigung dieser Herausforderungen unerlässlich. Der kompakte Diagonallüfter DiaForce von ebm-papst kann dabei helfen, die Hindernisse zu überwinden, die einer höheren Kühlleistung bei kompakteren Konstruktionen entgegenstehen.

Ressourcen:

1. https://www.computerhistory.org/collections/catalog/102770836
2. https://mag.ebmpapst.com/de/branchen/elektronik/diaforce-diagonalluefter-kombiniert-axial-und-radial-in-einem-luefter_23409/