Temperatur-Management mit Gehäuse- und PC-Lüftern

Obwohl der Trend zu lautlosen Gehäusen geht, sind Lüfter immer noch integraler Bestandteil vieler Computer und Elektrogeräten. Sie kühlen elektronische Bauteilen auf die optimale Betriebstemperaturen, bewahren Netzteile vor dem Hitzekollaps und sorgen für die Luftzirkulation und somit Klimatisierung in Serverräume und Rechenzentren. Das Prinzip bleibt dabei immer dasselbe, vom wenige Zentimeter großen, ultraflachen Notebooklüfter bis zur Worksation: Schaufeln verschiedener Krümmung, Ausrichtung und Größe werden durch einen Motor angetrieben und erzeugen gebündelte oder diffuse Luftströmungen (mehr darüber in unserem Ratgeber zu Radial- und Axiallüftern).

Je nach Prinzip liegt der Fokus darauf, besonders großen Druck zu erzeugen (Über- oder Unterdruck, je nach Laufrichtung) oder warme Luft möglichst exakt abzuleiten.

Im günstigsten Falle arbeiten PC- und Gehäuselüfter absolut leise, sodass der Geräuschpegel im Betrieb unter 20 dB bleibt. Hier liegt die größte Herausforderung beim Einbau eines Gehäuselüfters, denn Größe und die für die Kühlleistung erforderliche Drehzahl wirken sich direkt auf die Lautstärke aus. Und wer einmal ein Meeting neben dem laufenden Projektor mit hochrotem Kopf und auf 50° erhitztem Ohr durchgehalten hat weiß, dass diese kleinen Bauteile viel Aufmerksamkeit verdienen.

Obwohl ein Axiallüfter aus recht einfachen Teilen besteht, kann die darin enthaltene Technik mitunter sehr komplex sein. Selbst kleinste Unterschiede wie die Ausrichtung oder Maße der Lüfterflügel können Eigenschaften wie Luftstrom und Lautstärke erheblich beeinflussen.

Die grundlegenden Teile sind der Motor, der die Welle antreibt, und die Flügel, die um die Welle rotieren.

Die beweglichen Komponenten sind in einem Gehäuse untergebracht. Je nach Schutzart verhindert Letzteres, dass Körperteile wie Finger in den Lüfter eindringen (mehr zu Gehäusen und Schutzklassen erfahren Sie in unserem Ratgeber „IP-Schutzarten“). Elektronische Schalter und digitale Schnittstellen dienen zur Steuerung und Regelung (z. B. der Geschwindigkeit) beim Betrieb des Lüfters. Die Elektromotoren, die Axiallüfter antreiben, können mühelos geregelt werden: Sie können schneller und langsamer laufen, die Richtung des Luftstroms anpassen und viele weitere Variablen ändern. Häufig ist auch ein Axiallüfter nicht allein, sondern arbeitet im Verbund mit anderen.

Der Luftdurchsatz, also Volumenstrom, gibt die Menge an Luft, die im Laufe einer Stunde durch den Lüfter strömt. Er wird in Kubikmetern pro Stunde gemessen. Bei komplexen Systemen können mitunter mehrere Lüfter zusammenarbeiten, um den gewünschten Luftfluss zu erreichen.

Die Lüfterdrehzahl wird in Umdrehungen pro Minute gemessen und gibt an, mit welcher Geschwindigkeit der Propeller sich dreht. Fast alle Modelle, insbesondere PC-Kühler, ermöglichen das Einstellen der Drehzahl. Auf diese Weise passt sich die Kühlung dynamisch an die Temperatur (unter anderem des Prozessors) an, um bei geringerem Bedarf den Geräuschpegel zu reduzieren.

Die tatsächliche Leistung eines Lüfters hängt auch von der Größe des Lüfters ab. So können größere Lüfter oftmals mit niedrigeren Drehzahlen betrieben werden, um denselben Luftfluss zu erreichen wie kleinere. Dies spielt beispielsweise eine Rolle, wenn Personen in der Nähe von Axiallüftern arbeiten, um die Belastung des Gehörs zu reduzieren.

Um zu bestimmen, ob eine Lüftungsanlage im gewünschten Bereich läuft, ist die Charakteristik der Anlage/des Geräts entscheidend, das gekühlt oder belüftet wird. Sofern ein Druckverlust ausgeglichen werden muss, so kann der Punkt genau bestimmt werden, an dem der Lüfter für ein ausgeglichenes Verhältnis sorgt. Bei elektronischen Bauteilen gleicht man dagegen die Wärmeentwicklung und Wärmeleitfähigkeit der passiven Kühlung mit dem benötigten Luftstrom zur Ableitung von Wärme ab. Wie im Beispiel des PC-Gehäuses oben gesehen, können hier auch beide Aspekte gleichermaßen eine Rolle spielen (Kühlleistung durch Luftstrom oder Druckerhöhung zur Vermeidung von eindringenden Partikeln). In einer bestehenden Anlage können Druck (mit einem Manometer) oder Luftdurchfluss (mit einem Anemometer) gemessen werden. So kann dann auch bei kritischen Anwendungen überwacht werden, dass eine ausreichende Belüftung gewährleistet ist. Das gilt zum Beispiel dort, wo die Belüftung potenziell explosionsgefährdete oder andere giftige Gasgemische abführen muss.

Um zu bestimmen, ob eine Lüftungsanlage im gewünschten Bereich läuft, ist die Charakteristik der Anlage/des Geräts entscheidend, das gekühlt oder belüftet wird. Die sogenannte Ventilatorkennlinie gibt das Verhältnis von Volumenstrom und Druckerhöhung an. Anlagen beeinflussen umgekehrt die Strömung durch den Raum, sie verändern den Widerstand des Luftstroms. Sofern ein Druckverlust ausgeglichen werden muss, bestimmt man genau den Punkt, an dem der Lüfter für ein ausgeglichenes Verhältnis sorgt. Das Verhältnis dieser Eigenschaften zueinander wird als Diagramm von Ventilatorkennlinie und Anlagenkennlinie dargestellt – an der Schnittstelle der beiden Kennlinien liegt dann der Arbeitspunkt einer Lüftungsanlage.

Bei elektronischen Bauteilen gleicht man dagegen die Wärmeentwicklung und Wärmeleitfähigkeit der passiven Kühlung mit dem benötigten Luftstrom zur Ableitung von Wärme ab. Wie im Beispiel des PC-Gehäuses oben gesehen, können hier auch beide Aspekte gleichermaßen eine Rolle spielen (Kühlleistung durch Luftstrom oder Druckerhöhung zur Vermeidung von eindringenden Partikeln). In einer bestehenden Anlage misst man den Druck (mit einem Manometer) oder den Luftdurchfluss (mit einem Anemometer). So wird dann auch bei kritischen Anwendungen überwacht, dass eine ausreichende Belüftung gewährleistet ist. Das gilt zum Beispiel dort, wo die Belüftung potenziell explosionsgefährdete oder andere giftige Gasgemische abführen muss.

Wenige große Hersteller führen auch Lüfter in ihrem Portfolio. Es gibt jedoch auch Spezialfirmen, deren Augenmerk hauptsächlich auf Lüftern liegt. Untenstehend finden Sie einige der wichtigsten:

Die Leistung von Computern wächst stetig – und damit auch die Hitzeentwicklung in Gehäusen von PCs und Servern. Konnte man früher die Abwärme der Komponenten noch durch passive Kühlelemente in Kombination mit einem einzigen Lüfter für das Netzteil handhaben, erfordern heutige Highend-Systeme entweder Lüfter mit einem besonders großen Durchmesser oder kleinere, die dafür mit hohen Drehzahlen laufen müssen.

Für einen ausgewogenen Kompromiss aus Kühlleistung, Geräuschentwicklung und einfacher Steuerung, zum Beispiel über Gehäusetasten, gibt es gerade im PC-Bereich All-in-one-Lösungen, die ein optimales Temperaturmanagement erheblich vereinfachen. Bei individuelleren Systemen im Verbund mit Gehäuselüftern müssen dennoch die Luftströmungen beachtet werden, damit die von den Einzelbauteilen weggeführte Hitze auch das Gehäuse verlässt und nicht zu einem Wärmestau rund um Netzteil oder eingebaute Komponenten führt. Diese kann es zu einer langsamen Überlastung durch angestaute Wärme führen. Falls möglich, sollte man zu einer Kombination aus großflächigen, daher langsam und leise laufenden, Gehäuselüftern und kleinen Prozessor-Lüftern greifen. Diese sorgt für ein gutes Wärmemanagement.

Doch auch in Serverschränken oder anderen elektrischen Schaltanlagen kann es durch die laufenden Ströme zur Entwicklung von Wärme kommen. Das gilt umso mehr, wenn die Anlagen unter hoher Last laufen. Da insbesondere Gehäusen von 19-Zoll-Racks Grenzen gesetzt sind, was die Größe anbelangt, bleibt oftmals nur die zweite Variante, nämlich eine Konzentration von Schaltungen. Ein Dachlüfter oder Schaltschranklüfter kann hier mit mehreren Axiallüftern und einem Thermostat kombiniert werden, um für eine gleichmäßige Durchlüftung und damit auch Wärmetransport zu sorgen.

Selbst der leiseste Lüfter erzeugt noch Geräusche. Diese werden in Dezibel (dB) gemessen. Dabei gilt: Kleine Lüfter müssen meist mit hohen Drehzahlen laufen und sind verhältnismäßig laut. Dies wiederum führt besonders bei leistungsstarken Computern mit einem hohen Maß an thermischer Energie zu Problemen.

Manchmal liegt die Lärmursache aber auch an ganz anderer Stelle. Bei mangelhaft gefertigten oder schlecht installierten Lüftern können im Betrieb Vibrationen auftreten und so zusätzlichen Lärm verursachen. Daher ist es wichtig, die passenden Befestigungen zu wählen und den Lüfter fachgerecht anzubringen, um sicherzustellen, dass die Lüftergeräusche nur durch das Drehen der Flügel und die Luftströmung zustande kommen.

Andere Ursachen für Lärm können sein:

• falsche/fehlerhafte Netzspannung
• Lüfter nicht für Einsatztemperatur geeignet (Überhitzung)
• verunreinigte Lüfterräder
• beschädigte Lager

Sobald ein Lüfter sich durch ungewöhnliche Geräusche bemerkbar macht, ist mit großer Vorsicht vorzugehen, denn ein vollständiger Ausfall kann zu weiteren Schäden führen. Meistens ist die Lüftungsleistung bereits beeinträchtigt, auch wenn der Ventilator noch dreht, aber nicht „rund“ läuft. Eine Reinigung der Lüfter-Räder oder der Zu- und Ableitungen kann je nach Lage und Größe durchaus selbst vorgenommen werden. Bei einem vermuteten Lagerschaden sollte fachlich fundierte Hilfe in Anspruch genommen werden, häufig ist hier ein Austausch notwendig.