Luftkühlung

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Durch Luftkühlung wird die Oberfläche von wärmeerzeugenden Objekten durch daran vorbei strömende Luft gekühlt. Bei Verbrennungsmotoren, Elektromotoren oder elektronischen Bauelementen der Leistungselektronik soll die Überhitzung und Zerstörung der Bauteile vermieden werden; bei Kühl- und Klimaanlagen ist für die Funktion die Unterschreitung der Verflüssigungstemperatur des Kältemittels zwingend erforderlich.

Allgemeines

Die zur Luftkühlung notwendige Luftbewegung kann entweder durch Konvektion, Gebläse oder bei Fahrzeugen durch den Fahrtwind bewirkt werden. Das zu kühlende Objekt steht frei oder wird kanalisiert umflossen. Häufig ist das zu kühlende Objekt auch mit Kühlrippen oder einem Kühlkörper als Wärmeübertrager versehen, die durch eine größere Oberfläche einen größeren Wärmeabfluss ermöglichen.

Luftgekühlte Motoren

Ein prinzipieller Nachteil der Luftkühlung gegenüber der Wasserkühlung besteht darin, dass der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Luft und einem Festkörper um etwa den Faktor 50 bis 100 niedriger ist als der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Wasser und einem Festkörper. Die Luftkühlung erfordert daher eine größere Kontaktfläche zwischen beiden Medien (die gegebenenfalls durch Kühlrippen erhöht werden kann) und höhere Strömungsgeschwindigkeiten (die gegebenenfalls durch ein Kühlgebläse sichergestellt werden können) als die Wasserkühlung.

Verbrennungsmotoren

Hauptartikel: Kühlung (Verbrennungsmotor)

Luftführung beim VW-Käfer
(blau - Kaltluft, rot - Warmluft)

Im Gegensatz zu wassergekühlten Motoren kann ein luftgekühlter Motor bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt nicht durch Gefrieren des Kühlwassers bzw. der Kühlflüssigkeit platzen und bei zu hohen Temperaturen nicht überkochen, weil kein Kühlwasser bzw. keine Kühlflüssigkeit vorhanden ist. Bei Lastkraftwagen ist der Wirkungsgrad der Luftkühlung dem der Wasserkühlung überlegen, weswegen Lkw mit luftgekühlten Motoren einen geringeren Kraftstoffverbrauch haben als Lkw mit wassergekühlten Motoren gleicher Leistung.

Da bei Pkw mit luftgekühlten Motoren ein leistungsstarkes Kühlgebläse erforderlich ist, das mehr Leistung als die Wasserpumpe einer Wasserkühlung erfordert, ist der Gesamtwirkungsgrad von luftgekühlten Motoren in Pkw schlechter als der von wassergekühlten Motoren. Auch sind luftgekühlte Verbrennungsmotoren allgemein recht laut und eine leistungsfähige Innenraumheizung ist nur schwer zu realisieren. Darüber hinaus hängt die Betriebstemperatur und damit auch die Leistung und der Verbrauch eines luftgekühlten Motors stärker von der aktuellen Außentemperatur ab, weswegen viele luftgekühlte Fahrzeuge noch über einen Ölkühler mit Thermostat verfügen. Außerdem treten bei Luftkühlung höhere Temperaturen als bei Wasserkühlung auf, wodurch die Einhaltung von modernen Abgasvorschriften erschwert wird. Luftgekühlte Motoren werden daher bei Kraftfahrzeugen immer seltener verwendet.

Automobile wie der Porsche 911, der VW Käfer, der Trabant und der Citroën 2CV, aber auch Lastkraftwagen von Magirus-Deutz, Robur und Tatra wurden mit luftgekühlten Motoren ausgerüstet. Bei Motorrädern findet man luftgekühlte Motoren auch heute noch recht häufig. Firmen wie Harley-Davidson, Buell, Ducati, Moto Guzzi oder BMW haben zahlreiche Modelle mit Luftkühlung im aktuellen Programm. Weitere Anwendungen des luftgekühlten Motors sind in Propeller-Flugzeugen und in RC-Cars mit Verbrennungsmotor.


Luftkühlung bei Personalcomputern

Ein Tower-Kühler für Hauptprozessoren

Im Verhältnis zur Baugröße geht - insbesondere bei Prozessoren ab der Klasse Intel 486/66 - mit der kommerziell wirtschaftlich zur Verfügung stehenden Technologie eine große Wärmeentwicklung einher. Leistungsstarke Mikrochips, wie sie in aktuellen PCs verwendet werden, erzeugen erhebliche Verlustwärme, die überwiegend durch eine Luftkühlung abgeführt wird. Zweck ist, die zulässige Kristalltemperatur der im Prozessor vorhandenen Halbleiter nicht zu überschreiten. Eine Überschreitung bedeutet Zerstörung der Transistor-Halbleiterkristalle durch anschmelzen oder durchlegieren der Dotierung was einen Kurzschluss auf dem Chip verursachen kann.

Da die gesamte Aufnahmeleistung fast zur Gänze in Wärme umgesetzt wird, wurde zunächst versucht, die Verlustleistung durch Reduktion der elektrischen Betriebsspannungen von massiv wärmeerzeugenden Komponenten zu reduzieren. Ferner werden in aktuellen Prozessoren Teile des Rechenwerkes bei Nichtgebrauch in der Taktfrequenz reduziert oder ganz abgeschaltet. Trotzdem reichte die natürliche Wärmeabfuhr durch Strahlung und Konvektion nicht mehr aus, so dass die thermisch wirksamen Oberflächen erst durch den Einsatz von Kühlkörpern gekühlt wurden und dann - weil immer noch nicht ausreichend - die mögliche Wärmeabfuhr durch Einsatz von elektrisch betriebenen Ventilatoren vergrößert wurde (vgl. Prozessorkühler). Das am stärksten gekühlte Element in PCs ist je nach Komponentenzusammenstellung im Computer entweder die CPU, gleich gefolgt vom Grafikprozessor der Grafikkarte, oder zuerst der Grafikprozessor gefolgt von der CPU. Alternativ kühlen lassen sich mittlerweile fast alle Komponenten mit einer Wasserkühlung.

Die effektivste Kühlung lässt sich durch Verdampfen geeigneter Flüssigkeiten erreichen; nach diesem Prinzip arbeiten sämtliche Kältemaschinen.

Weitere Anwendungen

  • HiFi-Verstärker sind in der Regel luftgekühlt.
  • zur Kühlung der Späne bei der maschinellen Bearbeitung von hygroskopischen (feuchtigkeitsanziehenden) Kunststoffen geschieht mit Luft, übliche Kühlschmierstoffe könnten den Werkstoff anlösen oder aufquellen lassen.

Literatur

  • Hans Jörg Leyhausen: Die Meisterprüfung im Kfz-Handwerk Teil 1. 12 Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1991, ISBN 3-8023-0857-3
  • Jan Trommelmans: Das Auto und seine Technik. 1. Auflage, Motorbuchverlag, Stuttgart, 1992, ISBN 3-613-01288-X

Siehe auch

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