Lüfterbetriebene Zwangsluftkühlung: Luft hineinpressen oder heraussaugen?

Obwohl Entwickler im Allgemeinen eine ungezwungene, natürliche Konvektionskühlung bevorzugen, können viele Leiterplatten, Gehäuse, Systeme und Anlagen mit dem Luftstrom, den dieser einfache Ansatz bietet, nicht ausreichend gekühlt werden. Stattdessen werden in der Regel ein oder mehrere Lüfter benötigt, um die Luft - in bekannter Menge und Geschwindigkeit - durch das Gehäuse oder Chassis zu zwingen, um die erforderliche thermische Entlastung für heiße Komponenten und Systeme zu erreichen.

Es gibt viele gute, klare, praktische Anwendungshinweise zur Berechnung des erforderlichen Luftstroms, um die Wärme und Temperatur innerhalb der zulässigen Höchstwerte zu halten, und zur Dimensionierung der Lüfter, um diesen Luftstrom zu liefern (Referenzen 1 bis 3). Bei der Entscheidung geht es jedoch um mehr als nur um die benötigte Luftmenge und -rate. Dazu gehört auch die Frage, ob ein Lüfter mit größerer Kapazität wie der CFM-4010V-070-273 von CUI Devices, ein 40 × 40 Millimeter (mm) großer Lüfter für acht Kubikfuß Luftstrom pro Minute (CFM) (Abbildung 1, links), oder zwei Lüfter mit geringerer Kapazität, die die gleichen Abmessungen und ein ähnliches Aussehen haben, aber jeweils etwa die Hälfte der CFM-Leistung (4,22 CFM) aufweisen, wie der CFM-4010C-050-195 von CUI Devices (Abbildung 1, rechts).

Abbildung 1: Diese beiden Lüfter haben die gleichen rechteckigen Abmessungen und das gleiche Aussehen, aber der linke liefert 8 CFM, während der schlankere rechts etwa 4,22 CFM liefert. (Bildquelle: CUI Devices)

Die kleineren Ventilatoren können parallel (nebeneinander) eingesetzt werden, um die Luftmenge zu erhöhen, oder in einer seriellen Kette (einer führt zum anderen), um den Druck zu erhöhen. Volumen und Druck stehen in einem Zusammenhang, da der Luftdruck die Kühlluft mit ihrem Volumen durch die Impedanz des Luftstroms drückt.

Über- oder Unterdruck?

Es stellt sich die offensichtliche Frage, ob es besser ist, den Lüfter zu verwenden, um Frischluft in das Gerät zu drücken (Überdruck), oder den Lüfter auf der Abluftseite zu platzieren und die erwärmte Luft durch das Gerät hindurch und aus ihm heraus zu ziehen (Unterdruck), um den besten Luftstromweg zu erreichen (Abbildung 2)

Abbildung 2: Theoretisch sollte der bevorzugte Luftstrom von vorne nach hinten und von unten nach oben verlaufen, aber viele reale Entwürfe und Installationen lassen eine solche Einfachheit nicht zu. (Bildquelle: voltcave.com)

Die Frage scheint einfach zu sein und sollte eine einfache Antwort haben. Das Luftstrommuster sollte unabhängig von der gewählten Vorgehensweise gleich sein. Mit anderen Worten: Könnten Sie anhand eines Bildes des Luftstroms, das mit einer Rauchspur aufgenommen wurde, erkennen, welche Anordnung verwendet wurde?

Wie bei den meisten technischen Fragen gibt es jedoch keine einfache Antwort auf diese bescheidene Frage. Stattdessen gibt es zwei etwas widersprüchliche Antworten:

1. Es spielt keine Rolle
2. Es hängt von den Umständen und den Besonderheiten der Anwendung ab

Folgen Sie den Gamern

Ich habe einige Nachforschungen über die Zwangskühlung mit Hilfe von Lüftern angestellt und überraschenderweise nichts Nützliches in offiziellen akademischen Zeitschriften oder sogar in weniger formellen Studentenarbeiten und -projekten gefunden. Was ich herausgefunden habe, ist, dass viele Gamer und PC-Übertakter - und davon gibt es viele - das Problem untersucht haben (siehe Referenzen 4 bis 13).

Das ist nicht verwunderlich, denn diese Enthusiasten neigen dazu, ihre Systeme in Bezug auf die Taktrate ziemlich hart zu fahren, was zu erhöhten thermischen Anforderungen führt (wir ignorieren die Verwendung von Flüssigkeitskühlung). Ihre Berichte und Blogs reichten von fortgeschrittenen Vermutungen bis hin zu tatsächlichen Tests, und ihre Systeme haben einige interessante Eigenschaften:

• Es handelt sich dabei oft um selbstgebaute, freistehende Geräte, die nicht in ein Rack oder einen geschlossenen Schrank eingebaut sind.
• Sie sind nicht so sehr mit Kostenerwägungen beschäftigt wie herkömmliche Systeme mit höheren Produktionsmengen.
• Sie werden sorgfältig gepflegt („gewartet“).
• Sie verfügen über mehrere Positionen rund um das Gehäuse, an denen die Lüfter sowohl für die Ansaugung als auch für die Ausströmung platziert werden können, um die Kühlluft zu oder von der Stelle im Inneren zu leiten, an der sie am meisten benötigt wird (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ein Gaming-PC verbraucht sehr viel Strom und muss daher stark gekühlt werden. Er verfügt in der Regel über mehrere Lüfter, die um seinen Umfang herum angeordnet sind, um den Luftstrom zu maximieren und zu lenken, wobei einige Lüfter die Luft hineindrücken, während andere sie herausziehen. (Bildquelle: Appuals.com)

Im Gegensatz dazu sind viele handelsübliche Standardgeräte oft darauf beschränkt, nur auf einer Seite oder auf zwei gegenüberliegenden Seiten Lüfter zu haben, und werden in ein Gestell montiert oder in einem geschlossenen Schrank untergebracht.

Unterschiede zwischen Hineinpressen und Heraussaugen

Warum ist Hineinpressen gegenüber Heraussaugen wichtig? Das hat nicht nur mit dem Luftstrom oder der Effektivität zu tun, sondern vor allem mit dem praktischen Grund, dass sich Staub auf dem Staubfilter und den Schaufeln des Lüfters ablagert. Je nach Anordnung des Lüfters und des Luftstroms sammelt sich beim Ansaugen von Luft durch einen Lüfter an der Vorderseite des Geräts der Staub größtenteils auf dem Sieb des Filters und in geringerem Maße auf den Schaufeln. Das Ergebnis ist eine Verringerung des Luftstroms, die von einigen Prozent bei Staub an den Blattkanten bis zu einem zweistelligen Prozentsatz reicht, wenn das Sieb verstopft ist; glücklicherweise lässt sich das Sieb bei den meisten Modellen relativ leicht entfernen und reinigen.

Befindet sich das Gebläse dagegen an der Abluftöffnung und saugt Luft an, ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass sich Staub auf den internen Komponenten ansammelt, da es auf der Ansaugseite keinen Filter gibt. Diese Anhäufung bildet eine Isolierschicht auf den Bauteilen und erhöht den Wärmewiderstand zwischen den Bauteilen und der durchströmenden Luft, wodurch die Kühlwirkung des Luftstroms beeinträchtigt wird. Die Situation wird noch komplizierter, da ein typisches Computergehäuse oder Produktgehäuse wahrscheinlich viele kleine Öffnungen, Risse und Spalten hat, durch die der Lüfter Staub ansaugen kann.

Einige Gamer, die einen Abluftventilator bevorzugten, versuchten, das Staubproblem zu lösen, indem sie Filter um das PC-Gehäuse herum anbrachten, wo die Luft eintritt, aber die vielen kleinen Öffnungen im Gehäuse machten dies unwirksam. Eine weitere Befürchtung war, dass durch den Luftzug lokale „Vakuumzonen“ hinter einigen größeren Bauteilen entstehen könnten, was die Kühlung an diesen Stellen beeinträchtigen würde.

Wenn der Lüfter dagegen die Luft nach der Filterung einbläst, bleiben die internen Komponenten sauber. Andererseits fügt der Lüfter den Bauteilen eine zusätzliche Wärmelast zu, wenn er Luft hineindrückt, aber er trägt nicht zur Wärmelast der Bauteile bei, wenn Luft herausgezogen wird. Es ist eine Welt der Verwirrung und der Kontraindikationen!

Mein nächster Gedanke war: Warum modellieren wir nicht einfach die Luftstromsituation zwischen Überdruck und Unterdruck mit Hilfe eines der vielen verfügbaren CFD-Modellierungspakete (Abbildung 4)?

Abbildung 4: Die CFD-Modellierung kann die Luftströmung und die daraus resultierenden Temperatursituationen im Detail analysieren, aber sie scheint die Überdruck/Unterdruck-Frage nicht zu beantworten. (Bildquelle: SEACAD Technologies)

Das scheint logisch zu sein, aber bei der Durchsicht von mehreren Dutzend einschlägiger Analysen konnte ich niemanden finden, der dies getan und seine Ergebnisse veröffentlicht hat. Selbst bei den Anbietern von Wärmemodellierungs- und Kühlungsanwendungen konnte ich nichts zu diesem Thema finden, was ziemlich überraschend war.

Die Überdruck/Unterdruck-Frage und meine anschließende Suche nach Antworten führten mich zu drei Schlussfolgerungen:

• Tun Sie zunächst das, was bei der Platzierung im Hinblick auf das Hineinpressen oder Absaugen von Luft sinnvoll erscheint - es sei denn, Sie haben stichhaltige Beweise für die eine oder die andere Vorgehensweise, da es keine endgültige allgemeine Antwort gibt.

• Zweitens könnte man sich um Zuschüsse bemühen, um das Problem zu untersuchen: Es muss doch irgendwo jemanden geben, der solche Studien unterstützt. Das kann ein Anbieter von Wärmemodellierungs-CFD, ein Lüfterlieferant oder vielleicht das Verteidigungsministerium sein (Kühlung ist für das Militär ein sehr wichtiges Thema).

• Drittens sollten Sie in Erwägung ziehen, was viele Gamer tun, und nach Möglichkeit an beiden Enden des Luftstroms Lüfter aufstellen: einen zum Pressen und einen zum Saugen. Auf diese Weise müssen Sie sich keine Sorgen machen, ob Sie die richtige Wahl getroffen haben, und Sie erhöhen gleichzeitig den Luftstrom und die Kühlung. Und Sie müssen sich keine Sorgen über zu hohe Geräuschpegel machen: Der Gesamtgeräuschpegel von zwei Lüftern wird nicht als doppelt so laut empfunden wie das von einem Lüfter, da der Anstieg nur 3 Dezibel (dB) beträgt. Das ist in vielerlei Hinsicht eine gewinnbringende Lösung.

Fazit

In vielen Konstruktionen werden Lüfter benötigt, um einen stärkeren Kühlluftstrom zu erzeugen, als dies durch die natürliche Konvektion allein möglich ist. Neben der Dimensionierung der Lüfter für einen ausreichenden Luftstrom stellt sich auch die Frage nach der Platzierung. Schließlich ist die Frage, ob ein oder mehrere Lüfter verwendet werden sollen, um Luft in ein Gehäuse oder über eine Leiterplatte zu drücken, oder ob sie angesaugt werden soll, nach wie vor eine komplizierte Frage mit Kompromissen und einigen Unklarheiten.

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Wichtige Parameter für die Optimierung des Betriebs von DC-Lüftern

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Auswahl eines Lüfters

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Axial- und Radiallüfter im Vergleich

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Eine Einführung in das Wärmemanagement

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Kühlung: Die Grundlagen der Auswahl und Anwendung von Kühlkörpern

https://www.digikey.de/de/articles/how-to-stay-cool-the-basics-of-heat-sink-selection

Referenzen

1. CUI Devices, „Wichtige Überlegungen bei der Auswahl eines Lüfters für die Zwangsluftkühlung“
2. CUI Devices, „Wärmemanagement mit Lüftern - Es gibt mehr zu beachten, als Sie vielleicht denken“
3. CUI Devices, „Grundlagen der Luftströmung für die richtige Auswahl von Gleichstromlüftern“
4. Kitguru, „Lüfterkonfiguration: Ist das wichtig? Testen von Hineinpressen vs. Absaugen vs. Hineinpressen/Absaugen“
5. Overclock.net, „Luft über die Kühlerlamellen drücken oder saugen?“
6. Tom's Hardware, „Flüssigkeitskühlung - soll sie die Luft in das Gehäuse hineinsaugen oder herausdrücken?“
7. Tech Radar, „PC-Kühlungsmythen mit den Lüfter- und PC-Gehäuseexperten von Corsair entlarven“
8. Ars Technica, „Überdruck- vs. Unterdruck-Kühlung“
9. How-to Geek, „Wie Sie die Lüfter Ihres PCs für einen optimalen Luftstrom und eine optimale Kühlung verwalten“
10. Smart Buyer, „PC-Kühlung: Wie man Computer-Gehäuselüfter einrichtet“
11. Quora, „Macht die Richtung des Luftstroms für die CPU-Kühlung einen Unterschied?“
12. Otosection, „Luftstrom im Computergehäuse - Was ist Über- und Unterdruck“
13. Appuals, „Wie Sie den Luftstrom in Ihrem Gaming-PC optimieren und aufrechterhalten“