Ventilator

Ein Ventilator (von lat. ventilare „Wind erzeugen“, „Kühlung zufächeln“) ist eine fremd angetriebene Strömungsmaschine, die meist mittels eines in einem Gehäuse rotierenden Laufrads ein gasförmiges Medium fördert und verdichtet sowie dabei zwischen Ansaug- und Druckseite ein Druckverhältnis zwischen 1 und 1,1 erzielt. Maschinen mit einem Druckverhältnis zwischen 1,1 und 3 sind Gebläse. Ventilatoren und Gebläse werden auch als Lüfter bezeichnet, insbesondere wenn sie zur Luftabsaugung vorgesehen sind. Im weiteren Sinn werden alle zu den Verdichtern gerechnet. Verdichter im engeren Sinn erzielen dagegen Druckverhältnisse von mehr als 3. Im Verhältnis zur Leistung erzielen Ventilatoren aufgrund des niedrigen Druckverhältnisses hohe Volumenströme, Gebläse wegen des mittleren Druckverhältnisses mittlere Volumenströme.

Einordnung nach Maschinenart

Ventilatoren sind Strömungsmaschinen, die als Arbeitsmaschinen wirken. Da sie durch kontinuierliche Rotation eines Axial- bzw. Radiallaufrads arbeiten, sind es Turbomaschinen.

Axialventilator

Axialventilator

Axialventilatoren sind die gebräuchlichste Bauform. Die Drehachse des Axiallaufrads verläuft parallel bzw. axial zum Luftstrom. Die Luft wird durch das Axiallaufrad ähnlich wie bei einem Flugzeug- oder Schiffspropeller bewegt. Die Vorteile von Axialventilatoren sind die im Verhältnis zum hohen geförderten Luftdurchsatz geringen Abmessungen. Der Nachteil ist die geringere Druckerhöhung im Verhältnis zum Radialventilator. Die Ausführung ohne Gehäuse ist bei Tisch- und Deckenventilatoren (Lüftern) üblich. Axialventilatoren mit Gehäuse und innen liegendem Antriebsmotor haben den Nachteil des Nabentotwassers hinter der Laufradnabe, den man jedoch durch geeignete Einbauten (Innendiffusor) weitgehend vermeiden kann. Da die Luft durch die Rotation hinter dem Axiallaufrad in Wirbeln austritt, wird durch feststehende Einbauten (Nachleitrad) eine Druckerhöhung erreicht. Um die Druckaustrittsverluste aus dem Axialventilator zu minimieren, werden bei größeren Ventilatoren Außendiffusoren eingesetzt.

Eine abgewandelte Ausführung des Axialventilators ist der so genannte Diagonalventilator, bei dem das Gehäuse und die Lüfterschaufeln konisch geformt sind (der Radius wird zur Druckseite hin größer) damit die Luft nicht axial, sondern diagonal austritt. Diagonalventilatoren haben bei gleicher Leistung und Größe einen größeren Luftdurchsatz und bauen einen höheren Druck auf, deshalb können sie z. B. bei gleichem Effekt bei geringerer Drehzahl betrieben werden und sind somit leiser.

Beide Ausführungen haben ein so genanntes Nabentotwasser (auch: „Dead Spot“), das sich hinter dem in der Mitte des Geräts angeordneten Motor befindet: Dort findet kaum eine Luftbewegung statt. Deshalb wurden auch schon Axialventilatoren entwickelt, die den Motor in einem umgebenden Gehäuse enthalten und bei denen sich nur noch das Lager in der Mitte befindet. Diese Ausführung ist jedoch aufgrund der ungewöhnlichen Bauform des Motors eher selten und auch teurer als vergleichbare Axialventilatoren. Aufwändig ist auch das Auswuchten wegen der großen, außen liegenden umlaufenden Masse des Antriebs. Besonders kompakte Ventilatoren werden üblicherweise von einem Außenläufermotor direkt angetrieben.

Radial- oder Zentrifugalventilator

Radialventilator

Radialventilatoren werden überall dort verwendet, wo es im Vergleich zu Axialventilatoren auf größere Druckerhöhung bei gleicher Luftmenge ankommt. Die Luft wird parallel bzw. axial zur Antriebsachse des Radialventilators angesaugt und durch die Rotation des Radiallaufrads um 90° umgelenkt und radial ausgeblasen. Es gibt einseitig und beidseitig ansaugende Radialventilatoren mit und ohne Gehäuse.

Bei der Ausführung mit spiralförmigem Gehäuse wird die Luft über eine Austrittsfläche des Gehäuses ausgeblasen. Um die Druckverluste durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit aus dem Radialventilator zu minimieren, muss auf geeignete weiterführende Kanalgestaltung geachtet werden (ggf. Einsetzen eines Diffusors).

Bei der Ausführung ohne spiralförmiges Gehäuse wird die Luft radial aus dem Radiallaufrad ausgeblasen und durch eine geeignete Gehäuseausführung wie bei Dachventilatoren ins Freie geblasen.

Tangential- oder Querstromventilatoren

Diese sehen auf den ersten Blick aus wie breite Radialventilatoren, das Funktionsprinzip ist jedoch grundlegend anders. Bei den Tangentialventilatoren wird die Luft zweimal durch das Lüfterrad geführt, wobei sie großflächig etwa über die halbe Oberfläche des Lüfterrads tangential angesaugt wird, durch das Innere des Rads geführt und ebenfalls tangential wieder abgegeben wird. Einen geringen Luftanteil befördert das Rad außen mit. Der Luftaustritt geschieht dann meist über einen schmalen Spalt in der Breite des Lüfterrads. Der Antriebsmotor befindet sich meist außerhalb des Luftstroms; entsprechend kleine Motoren sind auch im Inneren des Lüfterrads unterzubringen, was auch deren Kühlung verbessert.

Tangentialventilatoren können große Luftmengen gleichmäßig über eine breite Austrittsfläche abgeben und kommen in Klimageräten, Nachtspeicheröfen und Heizlüftern zum Einsatz. Da sie schon bei geringen Drehzahlen einen ausreichenden Luftdurchsatz haben, sind die meist von Spaltpolmotoren angetriebenen Tangentialventilatoren im Betrieb sehr leise und daher gut zur Kühlung von z. B. Tageslichtprojektoren geeignet.

Anwendung

Die meisten Ventilatoren fördern Luft. Bei Beschränkung auf dieses Medium ergeben sich folgende Einsatzbereiche:

• Kühlung: Die Abwärme von einem Bauteil soll durch die vorbeiströmende Luft abtransportiert werden.
• Be- und Entlüftung: Schlechte Luft oder eventuell giftige Gase sollen aus einem Raum entfernt werden. In einigen Fällen muss Atemluft garantiert sein (z. B. Bergbau).
• Explosionsschutz: Das Wegblasen von brennbaren Gasen (schwerer als Luft, z. B. Propan) verhindert gefährliche Konzentrationen.
• Luftversorgung: Technische Feuerungen verfügen meist über Gebläse, die die Verbrennungsluft zu den Brennern oder direkt in den Feuerraum fördern. Beispielsweise die Dampflokomotive von Marc Seguin war mit einem Tender ausgerüstet, dessen große Ventilatoren für eine Versorgung der Feuerbüchse mit der nötigen Frischluft mit Sauerstoff für die Verbrennung der Kohle sorgten.
• Trocknen: Die Feuchtigkeit von Stoffen soll entfernt werden.
• Klimatisierung: Temperatur und Luftfeuchtigkeit von Räumen soll gesteuert werden.
• Transportieren: Mit Luft kann man schwebefähige Stoffe kostengünstig transportieren.

• Typische Bauformen und Anwendungen
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  Deckenventilator

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  Axialgebläse mit Hybridantrieb (Druckluft/Drehstrom)

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  Miniatur-Axiallüfter, Belüftung von Geräten und Gehäusen

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  2,5 Meter großer Axialventilator zur Tunnelentlüftung

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  Handventilator

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  Zimmerventilator

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  Radialventilator als Schiffskesselgebläse

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  Porsche-911-Motor mit Axialgebläse

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  Gebäudelüftungsventilator

Anwendungen im PC-Bereich

Zur Anwendung kommen üblicherweise nur Lüfter (s. o.) Die Abwärme des Netzteils wird von wenigen Ausnahmen abgesehen („Flüsterbetrieb“ durch lüfterlosen Betrieb) per Ventilator nach außen befördert und bewirkt dadurch gleichzeitig einen permanenten Luftstrom im Innern des Gehäuses. Eine unterschwellige ständige Lärmbelästigung am Arbeitsplatz ist so unvermeidbar.

Mit steigender Prozessorleistung (zunächst nur die CPU; ab i486) wurde eine „aktive Kühlung“, d. h. ein Kühlkörper mit Ventilator, zusätzlich erforderlich, damit die dichtgedrängten Schaltkreise im Chip-Innern keinen sogenannten „Hitzetod“ erlitten. Später wurde diese Maßnahme auch auf die GPU von Grafikkarten und vielfach die Chipsätze der Motherboards ausgeweitet, ebenso wie auf die Festplatten, besonders bei mehreren gleichzeitig nebeneinander. Bedingt durch enge und flache Gehäuse insbesondere im Server-Bereich („Pizzakarton“ oder auch „Pizzarack“) wurden weitere Lüfter erforderlich, denn ebenso die RAM-Module sowie die Spannungsteiler-Kondensatoren bedürfen besonderer Wärmeabfuhr.

Zum Betrieb benötigt ein Lüfter eine Versorgungsspannung, typischerweise 12  V. Mit niedrigerer Spannung läuft der Lüfter zwar leiser, erbringt aber auch weniger Kühlleistung. Beim Unterschreiten eines bestimmten Spannungswertes bleibt der Rotor stehen. Ein drittes Kabel liefert ein so genanntes Tachosignal (Rückmeldung ob funktionsfähig bzw. maximale Drehzahl erreichbar). Pro Umdrehung wechselt es zwischen Masse und undefiniertem Zustand. Neuere Lüfter besitzen einen vierten Anschluss. Über ihn kann die Drehzahl durch Pulsweitenmodulation (PWM) geregelt werden.

Hersteller in Deutschland

1851 gründete der Ingenieur Christian Schiele, ein Sohn des Johann Georg Schiele, der 1828 in der Mainzer Landstraße die erste Frankfurter Gasanstalt gebaut hatte, in der Neuen Mainzer Straße 12 in Frankfurt a.M. die erste Ventilatorenfabrik Deutschlands.

Die Industrie für Kleinventilatoren in Deutschland konzentriert sich in Hohenlohe und bildet einen so genannten Cluster. Dieser Cluster entstand aus einer einzigen Firma (Ziehl-Abegg), ist aber inzwischen so ausgeprägt (u.a. entstand vor 50 Jahren die Firma ebm-papst, Mitbegründer war Heinz Ziehl), dass er in der ersten Themenausgabe „Cluster“ des Magazins der Unternehmensberatungsfirma McKinsey (McK Wissen) ausführlich als Musterbeispiel für das Cluster-Phänomen dargestellt wird.

Ein weiteres Ventilatorenzentrum entstand in Bad Hersfeld. Hier gründete Benno Schilde 1874 die spätere Benno Schilde GmbH. 1884 baute Benno Schilde den ersten aus Stahlblech geschweißten Radialventilator. Das gesamte Ventilatorenprogramm wird heute von der TLT-Turbo GmbH in Zweibrücken weitergeführt.

Bereits 1879 wurden in der Karl-August-Hütte in Euskirchen Radialventilatoren gebaut. Anfangs noch aus Guss, erfolgte später eine Spezialisierung auf Sonderwerkstoffe. Hitze- und verschleißfeste Werkstoffe und Ventilatoren aus Edelstahl kamen ins Programm. Weiterentwicklung und Fertigung dieser Spezialanfertigungen werden heute durch die BVA Kockelmann GmbH in Euskirchen durchgeführt.

1923 wurde die Elektro–Motoren–Handelsgesellschaft von Karl W. Müller in Esslingen am Neckar gegründet. Daraus entstand die Elektror airsystems gmbh, die heute Industrieventilatoren und Seitenkanalverdichter herstellt. Die Motoren werden hier im eigenen Werk erstellt.

Trivia

In Südkorea ist der Ventilatortod ein weit verbreiteter Aberglaube, dem zufolge man aufgrund von Ventilatoren, die längere Zeit laufen, erstickt, vergiftet wird oder verklammt.

Siehe auch

• Ventil, Radiator, Pankha, Fächer, Filterlüfter, Ventilatorkennlinie, Ölbrenner, Leitungslüfter

Literatur

• Untersuchungen an Kühlgebläsen axialer Bauart. In: Kraftfahrzeugtechnik 9/1959, S.361-366.

Weblinks

Wiktionary: Ventilator – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: elektrische Lüfter und Ventilatoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien