Noctuas Versuch, den perfekten Lüfter zu konstruieren: Ingenieur zeigt Grenzen aktueller Designs auf

Schaufelwinkel und Anstellwinkel sind zwar unterschiedlich, werden aber oft verwechselt

In einer technischen Diskussion bei Gamers Nexus klärt Jacob Dellinger von Noctua auf, dass der Schaufelwinkel (auch Staffelwinkel genannt) die geometrische Neigung zwischen dem Lüfterblatt und der Rotationsebene beschreibt, während der Anstellwinkel die aerodynamische Interaktion zwischen dem Blatt und dem ankommenden Luftstrom bezeichnet.

Diese Winkel variieren über die gesamte Länge des Lüfterblatts: Sie sind in der Nähe der Nabe steiler und an der Spitze flacher, um dem Drehzahlprofil zu entsprechen. Ein größerer Schaufelwinkel erhöht zwar den Luftstrom pro Umdrehung, birgt aber das Risiko eines Strömungsabrisses (Stall). Dies kann zu Strömungsablösung und erhöhten akustischen Turbulenzen führen. Bereits kleine Anpassungen des Schaufelwinkels um nur 1° können die Leistung des Luftstroms und die Geräuschentwicklung messbar beeinflussen. 

Weniger Blätter können den Lärmpegel reduzieren, beeinträchtigen aber das Design

Die Anzahl der Lüfterblätter beeinflusst die Blatt-Durchgangsfrequenz direkt, die wiederum damit korreliert, wie Menschen Lüftergeräusche wahrnehmen. So erzeugt ein Sieben-Blatt-Lüfter, der mit 2.000 U/min läuft, einen tieferen Ton von 233 Hz im Vergleich zu den 300 Hz eines Neun-Blatt-Designs. Eine geringere Anzahl von Blättern führt jedoch zu Kompromissen bei der Druckerzeugung und der Blattsteifigkeit.

Entwickler müssen dies durch größere Blätter oder höhere Drehzahlen kompensieren, wodurch sich der akustische Vorteil wieder zunichte machen kann. Noctua bevorzugt derzeit Neun-Blatt-Designs für 120-mm-Lüfter, da sie eine gute Balance zwischen Luftstrom, Druck, struktureller Integrität und Akustik bieten.

Die Lamellendichte des Heatsinks hat Einfluss auf Turbulenzen und den Ton

Das Design des Heatsinks (auch: Kühlkörper) hat nicht nur Einfluss auf die Kühlleistung, sondern auch auf das Geräuschverhalten des Lüfters. Heatsinks profitieren zwar von mehr Lamellen und einer größeren Oberfläche, eine höhere Lamellendichte führt jedoch zu einem erhöhten Luftstromwiderstand.

Dieser Widerstand kann Lüfter dazu zwingen, in der Nähe des Strömungsabrisses (Stall) auf ihren Druckkurven zu arbeiten, was Turbulenzen und eine unangenehme Klangfarbe verstärkt. Auch die Wärmeübertragung entlang einer Lamelle ist ungleichmäßig: Sie ist an der Vorderkante am höchsten und nimmt durch die Bildung von Grenzschichten ab. Die neuesten Noctua-Designs versuchen, die Eigenschaften des Lüfters mit einem passenden Heatsink-Widerstand zu kombinieren, um in den optimalen Luftstrombereichen zu bleiben.

Fortschritte im Design werden wahrscheinlich eher durch neue Materialien als veränderte Geometrien erzielt

Zwar sind Simulations- und Vorhersagetools ausgereift, doch hängen zukünftige Verbesserungen im Lüfterdesign für Endverbraucher eher von den Materialien als von der Geometrie ab. Noctuas Umstellung von PBT- und ABS-Kunststoffen auf Flüssigkristallpolymer (LCP) ermöglichte engere Spitzentoleranzen und geringere Vibrationen. Dadurch wurde die Leistung bei höheren Drehzahlen stabilisiert.

Metall- oder Verbundstoffblätter könnten theoretisch Vorteile bieten, würden aber wahrscheinlich die Geräuschentwicklung und die Herstellungskosten erhöhen. Ein Teil der akustischen Feinabstimmung wird bereits durch kontrollierte Turbulenztechniken vorgenommen, wie die Nabenstruktur mit zentrifugalem Turbulator bei den G2-Lüftern von Noctua zeigt.

Fazit

Dellinger zeigt sich in Bezug auf zukünftige Durchbrüche im Lüfterdesign vorsichtig. Er deutet an, dass die meisten technischen Möglichkeiten innerhalb der Grenzen der aktuellen Materialien und Anwendungsbereiche bereits erforscht wurden. Zwar könnten Konzepte mit wenigen Blättern oder ohne Lamellen auf Interesse stoßen, doch praktische Einschränkungen bei Luftstrom, Turbulenzen und den Kosten sorgen dafür, dass sie vorerst weitgehend theoretisch bleiben.