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散热风扇

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六个80 mm散热扇的3D图,这类风扇是个人电脑中常用的风扇(有时会使用一组,或是和其他不同尺寸的风扇混合使用
两个不同大小的风扇,中间的是30-毫米(1.2-英寸)的PC风扇,下方的是250 mm(9.8英寸)的风扇

散热扇(Computer fan)或散热风扇冷却电脑机箱风扇,可以在机箱内或外,会将较冷的空气带到机箱内部,将内部较热的空气排出,让空气通过散热片冷却其他零件。电脑中常用轴流扇英语axial fan,有时用离心式风扇英语centrifugal fan。散热扇有一些标准尺寸,会用3针或4针的风扇电子连接器供电控制。近年除了改进了噪音与耗电等基本功能外,还演变出造型多样且有灯光效果的散热扇。

用风扇作为电脑散热方式

最早期的个人电脑用自然对流无动力制冷)散热,现代的电脑则用更有效方法的散热。为了冷却当中的零件,风扇会将电脑中的热空气排出,并将冷空气抽入电脑中。若是整合在零件上的风扇,一般会结合散热片,以增加零件散热时和空气接触的面积,增加散热效果。不一定会控制风扇。电脑的BIOS(基本输入/输出系统)会控制电脑内建风扇的速度。使用者可透过额外的冷却模组补充此功能,也可加上手动风扇控制器及改变风扇转速的旋钮[1]

IBM PC兼容机市场,电脑的电源供应器(PSU)都会用排风扇来排出电源供应器中的热空气。中央处理器的主动散热零件最早是在Intel 80486出现的,在1997年开始成为所有桌上型电脑的标准[2],自从2000年代后期使用奔腾4后,其机箱风扇(Chassis fan)多半会是排风扇,会放在机箱的后方,可以将热空气排到机箱外,有些也会有一个选配的进气风扇,在前方将冷空气抽入机箱内[2]

应用

80×80×25 mm的轴流散热扇
运作中的散热扇

机壳风扇

电机机壳风扇,置于前方及后方

风扇可以将机壳中的空气流通。若机内温度过高,机内的零件散热效果会变差。机壳风扇可以是进气风扇,将外界空气抽进机壳内部的(有些可能会装在硬碟架上),也可以是排气扇,将温热的空气从上方或后方排出机壳外部。有些ATX规格的机壳在机壳左方有一个或是多个的通风孔及固定孔,可以装一个或是多个风扇,直接将冷空气吹向主机板扩充卡(电脑内最大的发热源)。

标准轴向机壳风扇的宽度或长度多半是40, 60, 80, 92, 120, 140, 200或220毫米。机壳风扇是电脑上最容易让人看到的散热型式,因此有一些装饰用的风扇,上面可以装设发光二极管、也有些材质是紫外线反应性的塑胶,或是使用装饰格栅。若是进气风扇,会装设空气滤清器,避免灰尘进入机壳内部卡住内部零件。散热片特别容易受到灰尘卡住的影响,因为灰尘导热不好,会让散热片的散热效果迅速变差。

电源供应器风扇

电源供应器(PSU)多半都会有风扇,少有例外,不过这个风扇不是用来作机壳散热用。电源供应器的进气温度越高,电源供应器也就越热。当电源供应器的温度上升,其内部零件的电导率就会下降,因此电源供应器在供电过程中会将更多的能量转换为热能,使温度进一步上升。温度上升以及效率下降的恶性循环可能会使电源供应器过热,也有可能会因散热扇转的够快,使得温度较电源供应器低的空气可以帮电源供应器冷却。有些电源供应器会放在电脑的下方,有独立的进气及排气通道,进气通道可能还会加上防尘滤网。

中央处理器风扇

中央处理器风扇是用来冷却中央处理器(CPU)散热片用的风扇。针对集中性的热源(例如大型集成电路),用散热片可以有效的散热,配合风扇效果会更好[3]。若没有用散热片,只用风扇可能无法避免晶片过热。

显卡风扇

PCI Express ×16 显卡,有两个冷却风扇

显卡风扇是用来冷却显卡上的图形处理器或记忆体,早期显卡功耗较低,不一定需要风扇冷却,但现代大部份支援3D绘图,或游戏专用显卡就要独立风扇。有些高功耗的显卡产生的热量甚至比中央处理器高(最高可到289瓦[4]),因此有效的散热格外重要。2010年起的显卡可以用轴流扇或离心扇英语centrifugal fan散热。

晶片组风扇

晶片组风扇为主机板晶片组的北桥模组散热片散热。若系统汇流排有显著的超频,比正常情形产生的热还要多,会需要晶片组风扇散热,一般应用下,不需要晶片组的风扇。现在许多晶片组的功能都已整合到中央处理器中,其晶片组的重要性已下降,其发热量也随之降低。

硬碟冷却

冷却用的风扇可以装在硬碟附近,或装在风扇上。硬碟的发热量较大,而且是对温度敏感的设备,不能在过高温度下操作。硬碟在大部份情形下,用自然冷却即可散热,不过有些时候会需要散热扇,像是以下这些条件。

  • 高转速,发热量较大的硬碟。截至2011年年 (2011年-Missing required parameter 1=month!)较便宜的硬碟可以转到7,200 RPM,也有10,000到15,000 RPM的硬碟,但发热量就更大。
  • 大型或密集的硬碟阵列(包括伺服器系统,其硬碟多是密集安装)

也有一些硬碟因结构或位置关系,一定要用风扇散热。

多用途风扇

小型风扇,直接将空气吹到桌机电机CPU的散热片。

壳体风扇可以装在外壳上的散热器上,同步运作来让冷却装置中的工质冷却,并且让机壳通风。在笔记型电脑中,会有一个风扇帮散热片散热,而散热片和CPU、GPU之间是用热导管相连。在机架安装英语rack-mounted的伺服器内,会有一排风扇产生从前到后的气流,气流由被动管道或是导流罩引导到零件的散热片。

风扇的其他用途

风扇也可以用在以下的用途中,不过比较少见:

  • 水冷散热器会传送许多的热,而散热器的风扇有较大的静压(和机壳风扇强调高流量的特点不同),可以散热。
  • 笔记型电脑的机壳没有大开口可以让暖空气排出,因此笔记型电脑可以放在一个冷却器内(类似一个有内置风扇的托盘),让机壳可以冷却。
  • 一些高级的电脑(例如伺服器),或是需要高可靠度,像是SATA/SAS控制器、高速网路控制器(40Gbps Ethernet、InfiniBand)、PCIe网路切换器、协同处理器卡(例如Xeon Phi)、一些FPGA晶片及南桥晶片等,会用散热片以及特制的风扇来散热。这些设备可能是在主机板上,也可能是独立的一张机板,例如PCIe扩充卡。
  • 扩充槽风扇 – 在PCIPCI Express扩充槽上的风扇,一般是帮显卡或是其他扩充卡冷却。
  • 光碟机风扇 – 有些内建光碟烧录器或是DVD烧录器会内建风扇。
  • 记忆体风扇 – 现代的电脑记忆体发热量已经大到需要用风扇主动冷却,一般会在记忆体晶片上方装小型风扇。尤其适用于超频或是超电压的应用中[5],或是记忆体中有主动逻辑,例如FB-DIMM[6]。不过新的记忆体使用电压较低,例如电压1.2 V的DDR4 SDRAM,比较不需要额外的散热[来源请求]。多半记忆体的位置会接近CPU,因此也会因为CPU的风扇而让空气流动,就算流动的空气是温的,仍有散热效果。若主CPU是水冷的,就没有气流可以让记忆体散热,因此会需要风扇。不大部份的记忆体模组都没有温度监控功能。
  • 高功率的电压调节模组(VRM)一般会用切换式电源供应器,因为功率损失,会产生较多的热,主要是来自功率MOSFET电感零件。若在超频应用的情形,更需要配合散热片主动散热。大部份的MOSFET在高温上可以正常运作,但效率较低,且寿命会受到影响。电解电容若邻近热源,其寿命会显著下降,而且其功率损失会渐渐变大,最后会不可逆的失效[来源请求]

特性

散热扇需要有低压力,高空气流量,大部份的电脑散热扇都会用轴流扇、离心扇或是横流风扇[7]。其中有两个重要的功能规格,一个是可以带动的气流,会用立方英尺每分钟(CFM)表示,另一个则是静压英语Static pressure[8]。若是家用或是办公室电脑的场合,风扇的音量也很重要,一般会用分贝表示,相同CFM的风扇,体积较大的风扇多半会比较安静。

有些玩家、机壳改装者会在风扇上加装彩色的LED灯,也有不同颜色的散热扇。

尺寸

散热扇的尺寸以及固定孔的位置需要搭配需安装风扇的设备。一般常用方形外框的风扇,不过有时也会使用圆形外框的风扇,有些圆形外框的风扇其固定孔可以配合较小尺寸的方形外框的风扇。尺寸的单位多半是mm,其单位是风扇外框的尺寸,不是固定孔之间的距离。常见的尺寸有40 mm、60 mm、80 mm、92 mm、120 mm、180 mm、200 mm及140 mm,有时也有 8 mm[9]、17 mm[10]、 20 mm[11]、 25 mm[12]、30 mm[13]、35 mm[14]、38 mm[15]、 45 mm[16]、50 mm[17]、70 mm[18]、 200 mm、220 mm[19]、250 mm[20]及360 mm[21]大小的风扇。其高度(或是厚度)多半是10 mm、15 mm、25 mm或38 mm。

一般而言,方形外框,尺寸120 mm及140 mm的风扇主要是用在比较需要冷却能力的场合,例如电竞用电脑,或是为了噪音考量,风扇转速较低的场合。较大型的风扇一般是冷却机壳、有大型散热片的CPU以及ATX电源供应器。方形外框,尺寸80 mm及92 mm的风扇是用在比较不需要冷却能力的场合,或是无法使用较大风扇的应用。较小型的风扇一般是用来冷却有小型散热片的CPU、SFX电源供应器、显卡、北桥晶片等。

风扇的外框尺寸和固定孔尺寸的关系大致如下:

  • 外框40mm:固定孔距离32mm。
  • 外框50mm:固定孔距离40mm。
  • 外框60mm:固定孔距离50mm。
  • 外框70mm:固定孔距离60mm。
  • 外框80mm:固定孔距离71.5mm。
  • 外框92mm:固定孔距离82.5mm。
  • 外框120mm:固定孔距离105mm。
  • 外框140mm:固定孔距离124.5mm。
  • 外框180mm:固定孔距离165mm。
  • 外框200mm:固定孔距离154mm。
  • 外框220mm:固定孔距离170mm。

转速

风扇的转速(单位为每分钟转速,RPM)以及风扇的静压决定了风扇的空气流量。若应用环境不适合太大的噪音,尺寸较大,转速较慢的风扇会比相同空气流量,但尺寸较小,转速较快的风扇要安静。风扇的噪音大约和转速的五次方根成正比,转速降低一半,噪音可以减少15分贝[22]。较小尺寸轴流扇的最高转速可以到23,000 rpm[23]

风扇可以配合温度感测器以及电路决定转速,温度不高时降低转速,相较于固定转速的风扇,可以控制转速的风扇噪音较少、寿命较久、功耗也较少。风扇寿命一般是以最大转速在固定环境温度下运转的结果为准。

也有些风扇有速度感测器,可以感测实际的风扇转速,其他设备可以根据风扇转速感测器判断风扇是否正常运转,在异常运转时送出警告讯息。

空气压力以及流量

若需要让空气在受限区域中流动(例如在散热器或是散热片的间隙中流动),高静压的风扇会比较有效率。若配合散热片使用,散热扇产生生的静压比空气流量要重要的多。静压的重要程度和风流受到几何限制的程度有关。若散热片的鯺片之间的间隙变小,静压的重要性就会增加。静压的单位一般是mm Hg或mm H2O;空气流量的单位是CFM(每分钟几立方英呎)。

轴承种类

风扇中使用的轴承会影响其性能以及噪音。散热扇使用的轴承主要有以下几种:

  • 套筒轴承中有两面有油或是油脂润滑的表面,两面之间互相接触摩擦进行相对运动。表面多半会用多孔的烧结轴套,有自我润滑的作用,只需偶尔保养或更换。滑动轴承在高温下其接触表面容易磨损,而且油容易干掉,最终会导致轴承失效,因此高温下较不耐用。不过若温度较低时,滑动轴承的寿命大致和滚珠轴承相近(滑动轴承寿命可能比较短一点)[24]。滑动轴承在高温下比较容易失效,若安装位置不是刚好和轴对正,有一些角度偏离,其效果会很差。滑动轴承在50 °C下的典型寿命是30,000小时。使用滑动轴承的风扇会比使用滚珠轴承的风扇要便宜,低速下,在其生命周期初期时会比较安静,但之后噪音可能会变大[24]
  • 来福轴承(Rifle bearings)类似套筒轴承,比套筒轴承安静,其寿命接近滚珠轴承。轴承中有螺旋槽英语Spiral groove bearing,可以从油槽中泵取润滑油。因此可以在轴水平的情形下安全的安装,其润滑油会润滑轴的上方,这是和套筒轴承不同的地方[25]。油泵也可以提供轴足够的润滑,降低噪音,因此可以延长寿命。
  • 液态轴承英语Fluid bearing,也称为流体动力轴承(Fluid Dynamic Bearing、FDB)的优点是在运作时几乎无声,其寿命较长(不过仍比滚珠轴承短),其缺点是价格昂贵。
  • 滚珠轴承的价格比液态轴承高,但滚珠轴承没有像套筒轴承安装方向的问题,在高温时更加耐用,在高转速下比套筒轴承安静。滚珠轴承在50 °C的典型寿命可以超过60,000小时。
  • 磁性轴承英语Magnetic bearing(Magnetic bearing)也称磁浮轴承,是由磁力支撑轴承。

连接器

散热扇的三脚连接器

散热扇常用的连接器有以下几种:

Molex KK系列的三脚连接器
Molex连接器英语Molex connector可用在风扇连接主机板或是其他电路板时的场合。Molex连接器是小型、薄式的长方形母座,在长边外侧有一个识别方向性的锁固机构。针是正方形的,间隔是2.54毫米(0.1吋)。三个针脚分别是参考地点、12 V电源,以及转速表信号。
Molex KK系列的四脚连接器
这是Molex KK系列的延伸款,有四只针脚,方向性及锁固机构和三脚连接器类似。多的一只脚是提供风扇变速控制用的脉冲宽度调变(PWM)信号[26]
四脚Molex连接器
此连结器是用在风扇直接连接电源供应器的场合。包括二条线(黄色/12 V,黑色/参考地点),接到大的四针公对母Molex连接器。和使用SATA之前的硬碟电源线连接器相同。
Molex PicoBlade系列的三脚连接器

Three-pin Molex connector PicoBlade family

此连结器是用在笔电风扇或是将风扇接到显卡的场合。
戴尔专用的连接器
戴尔专用的连接器是从简单的三脚母座IC连接器为基础,在中间的一侧加上两个tab,另一侧加上锁定tab。其大小及间隔都和标准的三脚母座IC连接器相同。有些会在中间用白色的电线(速度讯号),而标准的Molex三脚连接器中,第三脚是白线,因此会有相容性的问题。

其他方案

有些应用因为噪音、可靠度或是环境因素,无法使用风扇,有一些其他的散热方式。若只保留电源供应器将热风排到机壳以外的虱扇,其他的风扇都不要,也有一些帮助[27]

散热系统可以设计只用被动冷却来散热,这样可以减少噪音,以及易损坏的可动件,这些作法有:

  • 自然对流冷却:若设计得当,正确安装,散热片够大,只用自然对流的散热量可以到100 W。
  • 加装热导管,让热排到机壳外面。
  • 降电压或是降频来降低发热量。
  • 电脑硬体冷却,将电脑置于非导电性的对流流体中,可以有良好的对流冷却,而且可以避免潮湿及水,也不需要散热片或是风扇。需要考量流体和主机板及CPU的黏胶及密封材质的相容性。这种对策会用在一些特殊场合中,例如放在野外的无线模组[来源请求]

其他冷却方式有

相关条目

参考资料

  1. ^ Gordon, Whitson. How to Auto-Control Your PC's Fans for Cool, Quiet Operation. How-To Geek. 2017-07-03 [2017-08-18]. (原始内容存档于2017-08-18) (英语). 
  2. ^ 2.0 2.1 Mueller, Scott 2005. Upgrading and Repairing PCs. Que Publishing. 16th edition. pp 1274–1280
  3. ^ Acosta, Jeremy. Air Cooling or Liquid Cooling for PC What to Choose and Why?. Games and Gears. [2020-03-29]. (原始内容存档于2017-02-11). 
  4. ^ Nvidia Reveals GeForce GTX 295 Specs. [2009-08-17]. (原始内容存档于2009-08-02). 
  5. ^ The CoolIT Systems RAM Fan Review: Does Memory Really Need a Fan?. [2013-02-05]. (原始内容存档于2013-01-18). 
  6. ^ Anand Lal Shimpi. Apple's Mac Pro: A Discussion of Specifications. AnandTech. 2006-08-09 [2014-10-15]. (原始内容存档于2014-10-21). 
  7. ^ Inc. Axial Vs. Centrifugal Fans. Pelonis Technologies. [2017-08-18]. (原始内容存档于2017-08-18). 
  8. ^ Acosta, Jeremy. High Airflow vs Static Pressure Fans. Games and Gears Elite. [2020-03-29]. (原始内容存档于2020-03-29). 
  9. ^ SunOn UF383-100 8×8×3 mm fan (PDF). [2015-03-07]. (原始内容存档 (PDF)于2015-04-02). 
  10. ^ EC 1708 fan series. evercool.com.tw. [2015-02-20]. (原始内容存档于2015-05-15). 
  11. ^ EC 2008 fan series. evercool.com.tw. [2015-02-20]. (原始内容存档于2015-09-24). 
  12. ^ 2.5cm Black Fan – Akasa Thermal Solution. akasa.com.tw. [1 April 2015]. (原始内容存档于2019-02-09). 
  13. ^ RETAIL PACKAGE 3010 SERIES – EVERCOOL. evercool.com.tw. [2018-02-20]. (原始内容存档于2019-02-11). 
  14. ^ RETAIL PACKAGE 3510 SERIES – EVERCOOL. evercool.com.tw. [2018-02-20]. (原始内容存档于2019-02-10). 
  15. ^ EC 3838 fan series. evercool.com.tw. [2015-02-20]. (原始内容存档于2015-09-24). 
  16. ^ RETAIL PACKAGE 4510 SERIES – EVERCOOL. evercool.com.tw. [2018-02-20]. (原始内容存档于2019-02-10). 
  17. ^ 5cm Black Fan – Akasa Thermal Solution. akasa.com.tw. [2018-02-20]. (原始内容存档于2019-02-09). 
  18. ^ 7cm Black Fan – Akasa Thermal Solution. akasa.com.tw. [2018-02-20]. (原始内容存档于2019-02-09). 
  19. ^ 22cm Black Fan – Akasa Thermal Solution. akasa.com.tw. [2018-02-20]. (原始内容存档于2019-02-09). 
  20. ^ 250 mm-Lüfter - SHARKOON Technologies GmbH. sharkoon.com. [1 April 2015]. (原始内容存档于2015-03-30). 
  21. ^ 360mm Silent Jumbo Fan. rexflo.com. [1 April 2015]. (原始内容存档于2 April 2015). 
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  23. ^ SUNON: 36x36x28 mm (PDF). [2020-03-29]. (原始内容 (PDF)存档于2018-08-27). 
  24. ^ 24.0 24.1 Williams, Melody. Ball vs Sleeve: A Comparison in Bearing Performance (PDF). [2007-10-30]. (原始内容 (PDF)存档于2011-01-02). 
  25. ^ Coolermaster Neon LED Case Fans Review. 2003-03-25 [2007-12-05]. (原始内容存档于2007-12-27). 
  26. ^ 4-Wire PWM Controlled Fans Specification (PDF). September 2005 [2009-12-11]. (原始内容 (PDF)存档于2011-07-26). 
  27. ^ Silent PC Review Recommended Power Supplies, [2010-08-01], (原始内容存档于2010-07-25) 
  28. ^ Greene, Kate. A Laptop Cooled with Ionic Wind | MIT Technology Review. Technologyreview.com. 2009-05-19 [2015-02-20]. (原始内容存档于2011-11-15). 
  29. ^ Patel, Prachi. Cooling Chips with an Ion Breeze | MIT Technology Review. Technologyreview.com. 2007-08-22 [2015-02-20]. (原始内容存档于2011-06-07). 

外部链接