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      • Veröffentlicht am 01 Feb 2023
      • Zuletzt bearbeitet am 29 Aug 2023
    • 11 min

    Temperatur-Management mit Gehäuse- und PC-Lüftern

    Lüfter sind ein wichtiger Bestandteil des Temperaturmanagements in PCs und Elektrogeräten. Sie schützen Bauteile wie Prozessoren vor Überhitzen und optimieren die Leistung. Wir helfen Ihnen bei der Auswahl der richtigen Lüfter.

    Gehäuse- und PC-Lüfter

    Wo werden Gehäuselüfter eingesetzt?

    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.

    Welche Lüfter eignen sich zum Kühlen von PCs und Gehäusen?

    Die grundlegende Unterteilung von Lüftern richtet sich nach Richtung und Bündelung des Luftstroms:

    • Axiallüfter
    • Radiallüfter
    • Diagonallüfter oder Tangentiallüfter
    Axiallüfter-Modul für Gehäuse

    Axiallüfter sind die wohl am weitesten Verbreiteten Lüftertypen in Gehäusen. Sie werden auch häufig in der Lüftungs- und Klimatechnik eingesetzt oder auch als einfache Standventilatoren. Ein Axiallüfter erzeugt einen Luftstrom, der parallel, also axial zu der rotierenden Welle des Lüfters selbst verläuft, daher auch der Name. Sie erlauben trotz ihrer kompakten Bauform einen hohen Luftdurchsatz und eine präzise Steuerung des Luftstroms. So regeln sie die Temperatur exakt und bewahren die empfindliche Elektronik wie Prozessoren und Grafikkarten im PC vor dem Hitzetod, vorausgesetzt natürlich, dass die restlichen Komponenten die Wärme gut ableiten können (s.a. Ratgeber zu Wärmeleitpasten).

    Neben diesen sehr kleinen Lüftern, die problemlos mit einem Finger gestoppt werden können, gibt es auch sehr große Durchmesser zum Beispiel in Klimaanlagen für die Belüftung von Rechenzentren. Hier kann ein einzelner Ventilator über einen Meter im Durchmesser und mehr erreichen und an die 40 Kilogramm wiegen.

    Die Kombination aus guter Performance, hoher Lebensdauer und geringen Kosten machen Axiallüfter somit zu einer probaten Lösung in vielen Bereichen.

    Axiallüfter kaufen

    Die einzelnen Bestandteile eines Axiallüfters

    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.

    Luftdurchsatz, Drehzahl und Co. – die wichtigsten Kennzahlen

    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.

    Lüftungsmanagement in geschlossenen Gehäusen

    Im Allgemeinen dienen Lüfter dazu einen Luftstrom sehr präzise zu lenken, um andere Bauteile oder Räume zu kühlen. Mit Hilfe von Axiallüftern kann zudem der Luftdruck in einer bestimmten Umgebung beeinflusst werden. PC-Kühler beispielsweise können so eingestellt werden, dass sie die Luft außerhalb des Gehäuses schneller ansaugen als sie auf der anderen Seite wieder heraus geleitet werden.

    Schaltschrank mit Gehäuselüftern

    Dadurch entsteht im Inneren ein positiver Druck. Der Vorteil: es gelangt weniger Staub ins Gehäuse. Der Nachteil ist jedoch, dass die Kühlleistung geringer ausfällt. Eine andere Möglichkeit hingegen ist, mehr Luft aus dem Gehäuse heraus zu leiten als hineingelangt, sodass ein negativer Druck entsteht. Der Effekt ist genau andersrum als bei positivem Luftdruck, nämlich eine bessere Kühlleistung, während im Gegenzug mehr Staub ins Gehäuse gelangt. Ein neutraler Luftdruck liegt vor, wenn die Menge an angesaugter exakt der Menge herausgeleiteter Luft entspricht. Ein solcher Zustand ist in der Praxis jedoch schwierig zu erreichen. Die Leistung von Axiallüftern kann aufgrund von Strömungsabrissen und Überströmung stark abnehmen. Ein Strömungsabriss tritt in Form einer Unterbrechung des Luftstroms durch den Lüfter auf. Überströmung ist genau das Gegenteil. Bei komplexen Lüftungsanlagen ist es daher wichtig die jeweiligen Lüfter stets so einzustellen, dass das Strömungsabrissrisiko ausgeräumt ist.

    Bei mangelhaft gefertigten Lüftern können oftmals Probleme durch Vibrationen auftreten, die wiederum bedeutende Auswirkungen haben können, falls die Lüfter an empfindlichen Geräten angebracht sind.

    Den richtigen Luftdruck bestimmen

    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.

    Ventilatorkennlinie – was ist das?

    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.

    Beliebte Hersteller von Axial- und Gehäuselüftern

    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:

    Wie sieht das ideale System aus?

    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.

    Lüfter zu laut? So reduzieren Sie den Geräuschpegel!

    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.