Moderne Geräte in der Medizintechnik sind mit rechnergesteuerten Systemen oder Leistungselektronik ausgestattet, wie z.B. der Rechenprozessor bei Beatmungsgeräten oder die Leistungselektronik in Geräten für Stoßwellentherapie. Damit die Systeme nicht überhitzen, muss die entstandene Wärme abgeführt werden. Bei geeigneten Kühllösungen spielt die Zuverlässigkeit eine bedeutende Rolle, jedoch ist das Geräusch genauso wichtig.
Medizintechnische Produkte bilden im breiten Anwendungsfeld von Lüftern und kompletten Kühllösungen eine besondere Gruppe. Ob für Röntgengeräte, Patientenmonitore, Bestrahlungsgeräte, Beatmungsgeräte, DNA Sequenzierer oder in der Blutdiagnostik, Lüfter und Chipkühler sorgen für zuverlässige Entwärmung. In einem Fall mag es die aufwändige Leistungselektronik sein, deren Temperatur bestimmte Werte nicht überschreiten darf, im anderen Fall ist es die Kühlung der Grafikaufbereitung für die hochauflösenden Bilddarstellung, die eine bildgebende Diagnostik erheblich erleichtert. Leistungsstarke Lüfter und Chipkühler sichern die verlässliche Funktion der Geräte und verlängern die Lebensdauer der Elektronik. Die Anforderungen an Lüfter in der Medizintechnik sind besonders hoch: lange Lebensdauer und vor allem leise.
Anforderung: Geräuscharme Geräte
Wo viel Abwärme durch hohe Leistung entsteht, muss der Lüfter in immer kompakteren Geräten zuverlässig funktionieren und die entstandene Verlustwärme aus dem Gehäuse transportieren. Damit der Patient und die behandelnde medizinische Kraft nicht gestört wird, sind laute Geräusche unangebracht. Jedoch lässt sich ein großer Lüfter mit niedriger Drehzahl aus Platzgründen nicht immer realisieren und ein kleineres Modell muss die gleiche Arbeit dann bei hoher Drehzahl verrichten. Fazit: eine Geräuschzunahme wäre somit unumgänglich.
Lösung: Neue Lüftergeneration
Eine neue Lüftergeneration vereint mit ihrer neuen, etwas eigenwillig anmutenden Flügelgeometrie optimale Werte beim Geräusch und bei der Leistung. Die deutlich höhere Anzahl der Flügelblätter ermöglicht höheren Volumenstrom bzw. niedrigeres Geräusch bei bisherigem Volumenstrom. Die hohe Anzahl der Rotorblätter hat aerodynamische Nachteile in den Druckverhältnissen der Blätter zueinander. Der sogenannte „Pressure-Gap“ schafft hier den notwendigen Ausgleich der Druckverhältnisse, um die Leistung der ansonst recht dicht gestellten Rotorblätter in leistungsoptimiertes Verhältnis zu rücken.
Die Axialventilatoren der LF Baureihe sind für medizintechnische Geräte besonders geeignet. LF steht hier für laminated fan und beschreibt die Motorbauweise mit laminiertem Statorpaket. Dadurch kann der Lüfter eine hohe Wirksamkeit erzielen und trotzdem Gewicht sparen. Die Nabe des 40 mm Modells ist bewusst möglichst klein gehalten. Dadurch gibt es weniger toten Raum im Zentrum und die längeren Rotorblätter können noch besser strömungstechnisch optimiert werden. Die Optimierung fällt sofort auf. Die Flügel sind elegant gebogen und weisen zudem in Richtung der Enden eine Einkerbung auf. Diese Einkerbung verhindert, dass in der Rotation der nachfolgende Flügel die Verwirbelungen des Vorgängers abbekommt und dadurch wiederum seine eigene Förderleistung nicht erbringen kann.
Beim Vergleich mit dem gleich großen Vorgängermodell lässt sich bei gleichem Geräuschniveau ein Leistungsplus von 25% verzeichnen. Darüber hinaus kann der Lüfter, bzw. die Drehzahl über den PWM Eingang an die notwendige Kühlungsleistung angepasst werden und erzeugt damit nur so viel Luftgeräusch wie unbedingt nötig, um die Gerätschaft zuverlässig zu betreiben.
Wenn nicht lange Stillstandszeiten zwischen dem notwendigen Betrieb zu erwarten sind, wird der durchgängige Betrieb empfohlen. Dabei sollte die Drehzahl wenn möglich abgesenkt werden, um das Geräusch zu reduzieren.
Weitere Maßnahmen zur Geräuschreduzierung
Wählen Sie Lüfter mit den größten möglichen Abmessungen und der geringsten für die Entwärmung notwendigen Drehzahl. Zwei Lüfter mit dem gleichen Summenvolumenstrom können bis zu 12dB weniger Geräusch entwickeln als ein einziger Lüfter mit höherer Drehzahl! Dabei werden unangenehme, „scharfe“ Hochton-Frequenzbereiche stärker verringert als niedere und mittlere Frequenzen.
Zur Geräuschreduzierung eignet sich auch der PWM-Eingang des Lüfters. Durch diesen Steuereingang kann die Drehzahl von ca. 30% bis 100% der Nenndrehzahl geregelt werden. Das bedeutet, dass der Lüfter dann nur so schnell wie gerade nötig läuft. Damit läuft der Lüfter leise, die Stromaufnahme sinkt proportional und Energie kann im Normalbetrieb eingespart werden. Dafür ist ein Mikrocontroller mit 5V TTL nötig, der auf gängigen Mainboards bereits vorhanden ist. Unbedingt bei der Auslegung zu beachten ist, dass Reserven nach oben mit eingeplant werden.
Zum geräuscharmen Betrieb helfen zusätzlich konstruktive Hilfsmittel, wie Lüftermanschetten und Befestigungsnippel. Diese Spritzgussteile, die aus einem thermoplastischen Elastomer bestehen, reduzieren die Übertragung des im Lüfter entstehenden Körperschalls auf das Gerätegehäuse. Die Geräuschentwicklung kann damit um bis zu 9 dB reduziert werden. Dabei sind sie auch gleichzeitig Ersatz für Schrauben und ggf. Muttern, was in der Montage deutlich Zeit einsparen kann.
Der Effekt zeigt sich signifikant aber nur bei Lüftern, die größer als 60 mm sind. Bei kleineren Lüftern ist der Effekt spürbar aber deutlich geringer. Hintergrund ist das geringe Eigengewicht des Lüfters selbst, die Schwingungen werden damit von dem Standardmaterial weniger absorbiert als bei großen Lüftern oder Lüftern mit Metallgehäuse. Denkbar wäre bei kleineren Lüftern die Verwendung von Befestigungsmaterialien mit niedriger Shore-Härte, die sich trotzdem noch im Spritzguss Verfahren verarbeiten lassen.
Anforderung: Zuverlässigkeit
Auch medizinische Geräte werden immer kleiner und kompakter. Die Hersteller müssen immer mehr auf noch kleinerem Raum unterbringen. Hier droht schnell Überhitzung, die im schlimmsten Fall zum Ausfall des Geräts führen kann. Wichtig ist jetzt ein optimales Wärmemanagement mit Lüftern. Hier gibt es aber verschiedene Punkte, auf die man achten sollte.
Lösung: Temperatur, IP-Schutz, Einschaltdauer und Lager
Einer der wichtigsten Punkte ist die Temperatur im Lüfterlager. Sie muss so niedrig wie möglich gehalten werden und darf auf keinen Fall auf Dauer hoch sein. Denn es gilt: je kühler die angesaugte Luft ist, desto länger ist die Lebensdauer des Lüfters.
Die Kurven in der Grafik beziehen sich auf Dauerbetrieb bei Nennspannung und gleichbleibender Temperatur und sind Durchschnittswerte. Bei Lüftern ist die Temperatur der angesaugten Luft Bezugstemperatur. Das Ende der Lebensdauer wird durch Überschreiten der Geräuschgrenzdaten oder das Absinken der Anfangsdrehzahl um >= 30% definiert.
IP-Schutz
Je nach Anwendungsfall ist mit kondensierender Feuchtigkeit zu rechnen oder mit einem kurzen Sprühnebel. Zum Schutz des Motors bzw. der Elektronik gegenüber Feuchtigkeit sind verschiedene Verfahren möglich. Bei Kompaktlüftern in den Größen 80mm oder 120 mm können Elektronik und Motor umspritzt werden und auch Anschlusslitzen zur Elektronik so weit geschützt werden, dass der Lüfter nach der IP-Klasse „untergetaucht“ werden könnte – was im Anwendungsfall sicher nicht vorkommen wird.
Eine weitere sehr häufig verwendete Maßnahme ist die Schutzlackierung oder Beschichtung der Platine selbst. Die meisten Feuchtigkeitsprobleme lassen sich mit diesem Verfahren kostengünstig schützen. Vergessen sollte man dabei nie, dass das Lager, egal wie die Elektronik geschützt wurde, immer der Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Auch sogenannte Labyrinth Dichtungen, wie sie manchmal am Markt zu finden sind, helfen nur wenn der Lüfter im Betrieb ist. Im Stillstand „säuft“ das Lager trotzdem ab. Eine klassische Wellendichtung ist aufgrund der kleinen Motorleistung nicht zu finden. Bei Kugellager-Lüftern ist das Kugellager mit beidseitigen Deckscheiben und rostarmen Stahl ein Basisschutz. In speziellen Fällen kann ggf. ein Keramiklager eingesetzt werden, was neben dem Preis andere mechanische Nachteile aufweist.
Einschaltdauer
Aus vielen Anwendungen heraus zeigte sich z.B., dass der intermittierende Betrieb, speziell bei der Verwendung von Gleitlagern, keinen positiven Effekt auf die Lebensdauer brachte. Eine der viel gestellten Fragen ist, ob durch Ein- / Ausschaltbetrieb des Lüfters die Lebensdauer signifikant verlängert werden kann. Die Lebensdauerangaben bei Lüftern beziehen sich immer auf Dauerbetrieb (DB). Beim Aussetzbetrieb (AB) wird der Lüfter nicht dauernd betrieben, kann aber in den Betriebspausen nicht völlig abkühlen. Beim Kurzzeitbetrieb (KB) sind die Pausen so lang, dass der Lüftermotor völlig abkühlen kann. AB und KB stressen den Lüfter, die Lebensdauer sinkt. Sinnvoll ist daher nur der KB, wenn der Lüfter selten benötigt wird.
Lager
Die Lagerung der Motorwelle ist das Element im Lüfter, das die Lebensdauer bestimmt. Es kommen zwei völlig unterschiedliche Lagersysteme zum Einsatz. Kugellager- und Gleitlagersysteme. Jedes Lager birgt für sich Vorteile.
Die Gleitlagersysteme bestehen aus einem in Sintertechnik hergestellten Lagerrohr aus Bronze und sind in Schmiermittel getränkt (Dauerschmierung). Früher waren Gleitlager durch unkontrollierten Ölverlust oft äußerst instabil und Ursache für häufige Ausfälle. Moderne Lüfter jedoch verfügen über ein MagFix® Gleitlager. Hier ist das Abwandern des Schmierstoffes konstruktiv verhindert, so dass eine stabile Schmierung über die gesamte Lebensdauer garantiert ist. Diese mit magnetischer Wellenfixierung ausgestatteten Lüfter können über einen weiten Temperaturbereich eingesetzt werden und sind äußerst widerstandsfähig gegen Vibrationen und Schock.
Für extreme Anforderungen bei Temperatur und Zuverlässigkeit werden High Grade Kugellager eingesetzt. Die Kugellager haben polierte Laufflächen und sind mit einem Weitbereichsfett dauerhaft geschmiert. Durch zwei Deckscheiben wird das Abwandern des Schmierstoffes und das Eindringen von Staub verhindert.