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Mini-Membranlüfter – langlebig, energiesparend und umweltfreundlich bei effektiver Kühlung

Kurzfassung

Der neue, energiesparende (mW) Membranlüfter beruht auf dem elektrodynamischen Wirkprinzip. In Resonanz betrieben, wird mit geringen Spannungen (mV) und Strömen (mA) eine Luftströmung zum Kühlen von Bauteilen erzeugt. Zudem ist er RoHS konform, da auf Bleiverbindungen verzichtet werden kann.

Vorteile

  • Geringe Bauteilhöhe
  • Hohe Strömungsgeschwindigkeiten (>2,5m/S) auch bei großem Abstand zum Lüfter
  • Spannungen und Ströme im gefahrlosen mV und mA-Bereich
  • Energiesparend (mW-Bereich)
  • Lange Lebensdauer durch magnetische Folien
  • RoHS Konform (keine gefährlichen Stoffe)
  • kostengünstig

Anwendungsbereiche

Für alle feinwerktechnische Anwendungen (z.B. Handy, Laptop, Leistungselektronik) bei denen eine aktive Kühlung notwendig ist. Zur Hotspot-Kühlung in schwer zugänglichen Bereichen eines Gerätes.

Hintergrund

Bei Computern, Laptops und Handys, aber auch bei vielen Geräten der Unterhaltungsindustrie, ist es oftmals notwendig diese Objekte aktiv zu kühlen, was meist durch Gezieltes anströmen mit z.B. Luft geschieht. Durch die Kühlung wird die Leistung der Geräte gesteigert und eine thermische Beschädigung verhindert.

Problemstellung

Im Augenblick werden zur Kühlung hauptsächlich einfache Radial- oder Axiallüfter in die Geräte verbaut. Ein Nachteil ist hier der große Bauraum und die Lüftergeräusche, so dass sie in den meist kleinen, kompakt gebauten Geräten keinen Platz finden. Die auch auf den Markt befindlichen kleineren und effizienten Lüfter, die piezoelektrischer Bauteile verwenden, arbeiten allerdings mit hohen Spannungen bis zu 230V. Zudem benötigen sie für die piezoelektrischen Aktor-Keramiken Bleiverbindungen. Nachteilig sind damit einerseits die hohen Spannungen, für die besondere Schutzmaßnahmen bei der Anwendung (z.B. bei Fehlfunktionen oder unsachgemäßen Gebrauch) getroffen werden müssen, andererseits stellen die verwendeten Bleiverbindungen eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar.

Lösung

Der am Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF) der Universität Stuttgart entwickelte Membranlüfter besteht aus einem Permanetmagneten, zwei elastischen Membranen und zwei gegenüberliegenden Erregerspulen, die auf den Membranen befestigt sind. Wenn die Spulen mit sinusförmigem Strom durchflossen werden, werden die Membrane durch die Lorenzkraft abwechselnd nach unter oder nach oben angezogen bzw. abgestoßen. Die Membranöffnung öffnet und schließt sich, was zu einer nach vorne gerichteter Luftströmung führt. Der Aufbau dieses elektrodynamischen Systems kann flexibel gestaltet werden. Die Spulen können direkt auf die Membran aufgebracht werden, was sehr dünn Bauweise des Lüfters ermöglicht. Bestehen die Membrane z.B. aus magnetischen Folien erhöht sich damit die Lebensdauer des Lüfters bei dauerhaftem Betrieb. Durch die extrem flache Bauweise einer Erregerspule kleiner 180µm eignet sich der Membranlüfter hervorragend zur Kühlung von leistungsstarken Handys oder Laptops.

Abb: Aufbau eines Membranlüfters  [S. Strohmeyr, Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik, Universität Stuttgart]
Abb: Aufbau eines Membranlüfters [S. Strohmeyr, Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik, Universität Stuttgart]

Publikationen und Verweise

S. Strohmeyr, S. Baazouzi and B. Gundelsweiler, "Electrodynamic Fan Blade for Cooling Small Devices," 2020 19th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), 2020, pp. 718-725, doi: 10.1109/ITherm45881.2020.9190184.

Strohmeyr, S. Gundelsweiler, W. Schinkoethe and S. Baazouzi, "Cooling of Linear Direct Drives in Precision Engineering with Piezo Fans," IKMT 2019 - Innovative small Drives and Micro-Motor Systems; 12. ETG/GMM-Symposium, 2019, pp. 1-6.

S. Strohmeyer, „Potentiale der Leistungssteigerung von Flachspulantrieben in der Feinwerktechnik“, 2021, ISBN-13: 978-3-922381-49-5

Exposé
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Entwicklungsstand
TRL5
Patentsituation
DE 102021110218.9 anhängig
DE 102019004272A1 anhängig
DE 102020128181A1 anhängig
Referenznummer
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