Akustische Grenzwerte beim Wärmemanagement

1. Ursache und Wirkung: Schallleistungs- und Schalldruckpegel

Der Schallleistungspegel wird bestimmt, um einen objektiven Vergleich der Schallleistung verschiedener Geräte zu ermöglichen. In diesem Fall ist die Schallleistung die Summe der von einer Schallquelle ausgestrahlten Schallenergie in der Luft pro Zeiteinheit. Der Schalldruck andererseits ist das, was unsere Ohren als Lärm wahrnehmen. Der Schalldruck wird in Dezibel (dB) gemessen und ist das Ergebnis der von Schallquellen abgestrahlten Schallenergie, die in eine akustische Umgebung übertragen und an einer bestimmten Stelle gemessen wird.

2. Methodisches Kombinieren von Komponenten: Die akustische Planung

Die akustische Planung jedes Systems sollte in den frühen Phasen der Produktentwicklung beginnen. Dabei sind zwei relevante Parameter von besonderer Bedeutung: eine optimierte Gehäusekonstruktion und die Auswahl eines geeigneten Lüfters. Bei der Konstruktion eines Gehäuses besteht das Ziel darin, Ecken, Kanten und schmale Kanäle zu vermeiden, da diese Lärm erzeugen. An dieser Stelle wird auch geprüft, ob Lochbleche oder Drahtgeflecht für Lufteinlass- und Abluftöffnungen bessere Ergebnisse liefern. Die Auslegung des entsprechenden Lüfters wird durch den Einbauort und den Luftwiderstand des Gesamtsystems bestimmt: Optional sind axiale, radiale und diagonale Modelle verfügbar und in die Dimensionierung der Lüfterkonstruktion eingeschlossen. Bei der Konstruktion werden unter anderem auch der Betriebspunkt und die realisierbare Lüfterstufe bei der Endanwendung berücksichtigt.

3. Fokus: Betrachtung des Systems in seiner Arbeitsumgebung

Die Lautstärke des Gebläses hängt von der Leistung der Lüfter und ihrer Drehzahl ab – je höher das Luftvolumen und der resultierende Luftdruck, desto größer ist der vom Lüfter erzeugte Lärm. Umgekehrt bedeutet das, dass ein niedriger Lärmpegel nur erreicht werden kann, wenn der Einfluss des maximalen Leistungsverlusts des Systems berücksichtigt wird und die Luftmenge und der Luftdruck auf die erforderlichen Mindestwerte reduziert werden. Darüber hinaus sind auch der Luftwiderstand des Schranks, des Systems selbst oder des Gehäuses Aspekte, die es zu berücksichtigen gilt. Daher muss der Luftwiderstand so niedrig wie möglich gehalten werden. Wir empfehlen außerdem, dass in der Anwendung ein Lüftersteuersystem vorgesehen wird. Dieses Lüftersteuersystem passt die Kühlleistung an den aktuellen Bedarf an und sorgt für eine deutliche Lärmreduzierung bei Teillast.

4. Optimierung der Temperaturdifferenz: maximale Umgebungs- und Luftauslasstemperatur

Die Temperaturdifferenz (ΔT) definiert den zulässigen Temperaturbereich vom Lufteinlass (Umgebungstemperatur) bis zum Luftauslass und wirkt sich erheblich auf den Energiebedarf des Systems aus. Folgende Fragen werden bei der Berechnung berücksichtigt: Wie lange wird die Höchsttemperatur voraussichtlich gehalten? Sekunden, Minuten, Stunden, Tage? Ist bei Höchsttemperatur die volle elektrische Leistung erforderlich?

Um den kühlungsbedingten Lärmpegel zu reduzieren, ist die Optimierung des Luftstroms durch das System einer der wichtigsten Aspekte. Diese Optimierung beginnt mit den Steckkarten, die bereits unter Berücksichtigung der idealen thermischen Leistung entwickelt werden sollten. Nur die perfekte Platzierung aller Komponenten minimiert das Auftreten von Luftstromblockaden. Bei nVent werden die geeignete Größe, Architektur und Abmessungen des Kühlkörpers bereits während der Entwicklung des thermischen Konzepts durch Modellsimulationen bestimmt. Darüber hinaus kann bei der Montage der Systeme die Führung des Luftstroms zu den heißen Punkten bereits berücksichtigt werden, indem leere Schlitze durch Frontplatten mit Luftschottblechen geschlossen werden.

5. Alternative Kühlkonzepte: Klang der Stille – konduktionsgekühlte Gehäuse

Je nach Anwendung und Standort sind unterschiedliche Lösungsansätze für die energieeffiziente und leise Kühlung geeignet. Konduktionskühlung wird beispielsweise dann eingesetzt, wenn der Kühlprozess keinen Lärm erzeugen darf und Stillstandszeiten durch defekte Lüfter verhindert werden müssen. Diese Anforderungen können entweder durch die Verwendung eines Metallrahmens (CCA, Conduction Cooled Assembly, konduktionsgekühlte Baugruppe), der auf einer Leiterplatte montiert ist, oder durch die vollständige Umhüllung der Leiterplatte mit zwei Gehäusehälften (Clamshell) erfüllt werden. Diese wiederum sind mit den Kupferoberflächen verbunden, die zur Kühlung in die Leiterplatte eingesetzt werden, sowie direkt mit der Oberfläche der verbrauchenden Komponenten. Nun wird die Wärme vom heißen Punkt an die konduktionsgekühlten Baugruppe oder die Clamshell übertragen und von dort über einen Kartenhalter an das Gehäuse geleitet und dort abgeleitet. Es ist wichtig zu wissen, dass zwischen den stromverbrauchenden Komponenten (Prozessoren oder FPGAs) und dem Metallrahmen Wärmeleitpaste erforderlich ist. Diese gewährleistet einen guten Kontakt und gleicht eventuelle Toleranzen aus. Bei Verwendung einer solchen Kühlmethode, die für Laborumgebungen entwickelt wurde, muss jedoch beachtet werden, dass die Kühlleistung deutlich niedriger ist als bei Verwendung von Zwangskühlung mit Luft. Diese Kühlung erfordert Steckkarten, die speziell für die Konduktionskühlung entwickelt wurden, sowie andere spezielle Komponenten. Diese Art von Kühlung ist wesentlich teurer als luftgekühlte Systeme.

6. Alternative Kühlkonzepte: Hoher Wirkungsgrad – Lösung mit Flüssigkeitskühlung für modulare Geräte

Auch wenn die Verwendung von Wasser als Kühlmittel in technischen Umgebungen derzeit nicht ohne weiteres akzeptiert wird, sollten hier zwei Technologien für eine sehr energieeffiziente Kühllösung erwähnt werden: Konduktionsgekühlte Gehäuse mit wassergekühltem Kühlkissen und Flüssigkeitskühlung von heißen Punkten. Zu den hier verwendeten Methoden gehören Fluidaustrittstemperatur und Sprühkühlung, die jedoch nur mit nicht leitfähigen Medien möglich ist und somit einen begrenzten Anwendungsbereich hat. Die zugehörigen Hardwareschnittstellen sind Schnelltrennkupplungen (QD, Quick Disconnect) sowie tropffreie und lecksichere Ventile. Bei Verwendung dieser beiden Methoden muss sichergestellt werden, dass die Infrastruktur den Einsatz dieser Kühllösungen zulässt. Darüber hinaus sind die Anfangskosten recht hoch, die verwendeten Pumpen und Ventile tragen zur Lärmbelastung bei und müssen extern montiert werden.

7. Eine Frage der Priorisierung: Welche Kühllösung „passt“?

Um einen möglichst niedrigen Lärmpegel zu erreichen, ist die Optimierung aller Teile der Gesamtanwendung unabdingbar. Die Kunst besteht darin, einen geeigneten Kompromiss zwischen dem erreichbaren Lärmpegel, der Kühlleistung und dem dafür verfügbaren Budget zu finden. Unser Tipp: Bewerten Sie die Anwendung. Welche Leistung ist in der Regel bei welcher Temperatur und in welcher Umgebung erforderlich?

Unsere Experten bieten ein breites Spektrum an Hardwarekomponenten, Prozessen und Dienstleistungen von nVent SCHROFF für die energieeffiziente und leise Kühlung von Systemen und Geräten in der Messtechnik und Simulation.