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Luftkühlung

Durch Luftkühlung wird die Oberfläche von wärmeerzeugenden Objekten wie elektronischen Bauelementen der Leistungselektronik, Verbrennungsmotoren und Klimaanlagen durch daran vorbei strömende Luft gekühlt.

Inhaltsverzeichnis

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.

Luftkühlung bei Motoren

Hauptartikel: Kühlung (Verbrennungsmotor)

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. Luftgekühlte Motoren sind außerdem auch langlebiger als wassergekühlte, weil sie weniger ausfallgefährdete Bauteile aufwiesen (einer der häufigsten Gründe für Motorschäden von wassergekühlten Motoren ist beispielsweise eine defekte Zylinderkopfdichtung zwischen Kühlmittelkreislauf und Verbrennungsraum). 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.

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. 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 Betriebsstemperatur 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

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, eine thermische Überlastung der Chips zu verhindern.

Da die gesamte Aufnahmeleistung in Wärme umgesetzt wird, wurde zunächst die Betriebsspannungen der wärmeerzeugenden Komponenten reduziert. 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 System in PCs ist die CPU, doch auch das Netzteil und seit einiger Zeit auch die Prozessoren von Grafikkarten werden luftgekühlt. Alternativ dazu kann man auch in PCs eine Wasserkühlung einbauen.

Weitere Anwendungen

Auch HiFi-Verstärker sind in der Regel luftgekühlt.

Beim Spanen an hygroskopischen (feuchtigkeitsanziehenden) Kunststoffen wird Luftkühlung auch eingesetzt, denn normale Kühlmittel können den Kunststoff anlösen oder aufquellen.

Siehe auch