散熱風扇

散熱風扇(Computer fan)是電腦机箱冷卻用的風扇,可能在機箱內部,或是在機箱外緣。風扇的用途是將較冷的空氣帶到機箱內部,將內部較熱的空氣排出,讓空氣通過散热片來冷卻其他的元件。在電腦中常用軸流扇英语axial fan,有時會使用離心式風扇英语centrifugal fan。散熱風扇有一些標準的尺寸,會用3針或4針的風扇电子连接器來供電並且控制,近年來出了靜音與耗電等基本功能的改進外,還演變出造型多樣且帶有燈光效果的電腦風扇外觀。

六個80 mm散熱風扇的3D圖,這類風扇是个人电脑中常用的風扇(有時會使用一組,或是和其他不同尺寸的風扇混合使用
二個不同大小的風扇,中間的是30-毫米(1.2-英寸)的PC風扇,下方的是250 mm(9.8英寸)的風扇

用風扇作為電腦散熱方式编辑

最早期的個人電腦可以用自然對流无动力制冷)的方式散熱,不過現代的電腦會使用其他更有效的散熱方式。為了冷卻其中的元件,會使用風扇來將電腦中的熱空氣排出,並且將冷空氣導入電腦中。若是整合在元件上的風扇,一般會結合散热片,以增加元件散熱時和空氣接觸的面積,增加散熱效果。不一定會進行風扇的控制。電腦的BIOS(基本輸入/輸出系統)會控制電腦內建風扇系統的速度。使用者可以透過額外的冷卻模組來補充此功能,也可以加上手動風扇控制器及設定風扇不同轉速的旋鈕[1]

IBM PC兼容机市場,電腦的電源供應器(PSU)都會用排風扇來排出電源供應器中的熱空氣。中央處理器的主動散熱元件最早是在Intel 80486出現的,在1997年開始成為所有桌上型電腦的標準[2],自從2000年代後期使用奔腾4後,其機箱風扇(Chassis fan)多半會是排風扇,會放在機箱的後方,可以將熱空氣排到機箱外,有些也會有一個選配的進氣風扇,在前方將冷空氣抽入機箱內[2]

應用编辑

 
80×80×25 mm的軸流散熱風扇
運作中的散熱風扇

機殼風扇编辑

 
電機機殼風扇,置於前方及後方

風扇可以將機殼中的空氣流通。若機殼內的空氣溫度過高,機殼內的元件散熱效果會變差。機殼風扇可以是進氣風扇,將外界空氣抽進機殼內部的(有些可能會裝在硬碟架上),也可以是排氣扇,將溫熱的空氣從上方或是後方排出機殼外部。有些ATX規格的機殼在機殼左方有一個或是多個的通風孔及固定孔,可以裝一個或是多個風扇,直接將冷空氣吹向主機板擴充卡(電腦內最大的發熱源)。

標準軸向機殼風扇的寬度或長度多半是40, 60, 80, 92, 120, 140, 200或220 mm。機殼風扇是電腦上最容易讓人看到的散熱型式,因此有一些裝飾用的風扇,上面可以裝設發光二極管、也有些材質是紫外线反應性的塑膠,或是使用裝飾格柵。若是進氣風扇,會裝設空气滤清器,避免灰塵進入機殼內部卡住內部元件。散熱片特別容易受到灰塵卡住的影響,因為灰塵導熱不好,會讓散熱片的散熱效果迅速變差。

電源供應器風扇编辑

電源供應器(PSU)多半都會有風扇,少有例外,不過這個風扇不是用來作機殼散熱用。電源供應器的進氣溫度越高,電源供應器也就越熱。當電源供應器的溫度上昇,其內部元件的電導率就會下降,因此電源供應器在供電過程中會將更多的能量轉換為熱能,使溫度進一步上昇。溫度上昇以及效率下降的惡性循環可能會使電源供應器過熱,也有可能會因散熱風扇轉的夠快,使得溫度較電源供應器低的空氣可以幫電源供應器冷卻。有些電源供應器會放在電腦的下方,有獨立的進氣及排氣通道,進氣通道可能還會加上防塵濾網。

中央处理器風扇编辑

中央处理器風扇是用來冷卻中央处理器(CPU)散熱片用的風扇。針對集中性的熱源(例如大型集成电路),用散熱片可以有效的散熱,配合風扇效果會更好[3]。若沒有用散熱片,只用風扇可能無法避免晶片過熱。

顯示卡風扇编辑

 
PCI Express ×16 顯示卡,有二個冷卻風扇

顯示卡風扇是用來冷卻顯示卡上的圖形處理器或是記憶體,較早期的顯示卡功耗較低,所以不一定需要風扇冷卻,大部份現代支援3D繪圖的顯示卡,或是遊戲專用的顯示卡會需要獨立風扇。有些高功耗的顯示卡甚至產生的熱量比中央处理器還高(最高可到289瓦[4]),因此有效的散熱格外的重要。自2010年起的顯示卡,可能是由軸流扇散熱,也可能是用離心扇英语centrifugal fan散熱。

晶片組風扇编辑

晶片組風扇是用來為主機板晶片組中的北橋模組的散熱片進行散熱。若系統匯流排有顯著的超頻,比正常情形產生的熱還要多,會需要晶片組風扇散熱,一般應用下,不需要晶片組的風扇。現在許多晶片組的功能都已整合到中央處理器中,其晶片組的重要性已下降,其發熱量也隨之降低。

硬碟冷卻编辑

冷卻用的風扇可以裝在硬碟附近,或裝在風扇上。硬碟的發熱量較大,而且是對溫度敏感的設備,不能在過高溫度下操作。硬碟在大部份情形下,用自然冷卻即可散熱,不過有些時候會需要散熱風扇,像是以下這些條件 。

  • 高轉速,發熱量較大的硬碟。截至2011年年 (2011年-Missing required parameter 1=month!)較便宜的硬碟可以運轉到7,200 RPM,也有10,000到15,000 RPM的硬碟,但發熱量就更大。
  • 大型或是密集式的硬碟陣列(包括伺服器系統,其硬碟多半是密集安裝)

也有一些硬碟是其結構或是安裝位置因素,一定需要風扇才能散熱。

多用途風扇编辑

 
小型風扇,直接將空氣吹到桌機電機CPU的散熱片。

殼體風扇可以裝在外殼上的散熱器上,同步運作來讓冷卻裝置中的工質冷卻,並且讓機殼通風。在筆記型電腦中,會有一個風扇幫散熱片散熱,而散熱片和CPU、GPU之間是用熱導管相連。在機架安裝英语rack-mounted的伺服器內,會有一排風扇產生從前到後的氣流,氣流由被動管道或是導流罩引導到零件的散熱片。

風扇的其他用途编辑

風扇也可以用在以下的用途中,不過比較少見:

  • 水冷散熱器會傳送許多的熱,而散熱器的風扇有較大的靜壓(和機殼風扇強調高流量的特點不同),可以散熱。
  • 筆記型電腦的機殼沒有大開口可以讓暖空氣排出,因此筆記型電腦可以放在一個冷卻器內(類似一個有內置風扇的托盤),讓機殼可以冷卻。
  • 一些高級的電腦(例如伺服器),或是需要高可靠度,像是SATA/SAS控制器、高速網路控制器(40Gbps Ethernet、InfiniBand)、PCIe網路切換器、協同處理器卡(例如Xeon Phi)、一些FPGA晶片及南橋晶片等,會用散熱片以及特製的風扇來散熱。這些設備可能是在主機板上,也可能是獨立的一張機板,例如PCIe擴充卡。
  • 擴充槽風扇 – 在PCIPCI Express擴充槽上的風扇,一般是幫顯示卡或是其他擴充卡冷卻。
  • 光碟機風扇 – 有些內建光碟燒錄器或是DVD燒錄器會內建風扇。
  • 記憶體風扇 – 現代的電腦記憶體發熱量已經大到需要用風扇主動冷卻,一般會在記憶體晶片上方裝小型風扇。尤其適用於超頻或是超電壓的應用中[5],或是記憶體中有主動邏輯,例如FB-DIMM[6]。不過新的記憶體使用電壓較低,例如電壓1.2v的DDR4 SDRAM,比較不需要額外的散熱[來源請求]。多半記憶體的位置會接近CPU,因此也會因為CPU的風扇而讓空氣流動,就算流動的空氣是溫的,仍有散熱效果。若主CPU是水冷的,就沒有氣流可以讓記憶體散熱,因此會需要風扇。不大部份的記憶體模組都沒有溫度監控功能。
  • 高功率的電壓調節模組(VRM)一般會用切換式電源供應器,因為功率損失,會產生較多的熱,主要是來自功率MOSFET电感元件。若在超頻應用的情形,更需要配合散熱片進行主動散熱。大部份的MOSFET在高溫上可以正常運作,但效率較低,且壽命會受到影響。電解電容若鄰近熱源,其壽命會顯著下降,而且其功率損失會漸漸變大,最後會不可逆的失效[來源請求]

特性编辑

散熱風扇需要有低壓力,高空氣流量,大部份的電腦散熱風扇都會用軸流扇、離心扇或是橫流風扇[7]。其中有二個重要的功能規格,一個是可以帶動的氣流,會用立方英尺每分鐘(CFM)表示,另一個則是靜壓英语Static pressure[8]。若是家用或是辦公室電腦的場合,風扇的音量也很重要,一般會用分貝表示,相同CFM的風扇,體積較大的風扇多半會比較安靜。

有些玩家、機殼改裝者會在風扇上加裝彩色的LED燈,也有不同顏色的散熱風扇。

尺寸编辑

散熱風扇的尺寸以及固定孔的位置需要搭配需安裝風扇的設備。一般常用方形外框的風扇,不過有時也會使用圓形外框的風扇,有些圓形外框的風扇其固定孔可以配合較小尺寸的方形外框的風扇。尺寸的單位多半是mm,其單位是風扇外框的尺寸,不是固定孔之間的距離。常見的尺寸有40 mm、60 mm、80 mm、92 mm、120 mm及140 mm,有時也有 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]大小的風扇。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的風扇主要是用在比較需要冷卻能力的場合,例如電競用電腦,或是為了噪音考量,風扇轉速較低的場合。較大型的風扇一般是冷卻機殼、有大型散熱片的CPU以及ATX電源供應器。方形外框,尺寸80 mm及92 mm的風扇是用在比較不需要冷卻能力的場合,或是無法使用較大風扇的應用。較小型的風扇一般是用來冷卻有小型散熱片的CPU、SFX電源供應器、顯示卡、北橋晶片等。

風扇的外框尺寸和固定孔尺寸的關係大致如下:

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

轉速编辑

風扇的轉速(其單位為每分鐘轉速,RPM)以及風扇的靜壓決定了風扇的空氣流量。若應用環境不適合太大的噪音,尺寸較大,轉速較慢的風扇會比相同空氣流量,但尺寸較小,轉速較快的風扇要安靜。風扇的噪音大約和轉速的五次方根成正比,轉速降低一半,噪音可以減少15 分貝[22]。較小尺寸軸流扇的最高轉速可以到23,000 rpm[23]

風扇可以配合溫度感測器以及電路進行風扇控制英语Fan control,在溫度不高時降低轉速,相較於固定轉速的風扇,可以控制轉速的風扇有較低的噪音、壽命會比較久、功耗也會比較少。風扇壽命一般是以最大轉速在固定環境溫度下運轉的結果為準。

也有些風扇有速度感測器,可以感測實際的風扇轉速,其他設備可以根據風扇轉速感測器判斷風扇是否正常運轉,在異常運轉時送出警告訊息。

空氣壓力以及流量编辑

若需要讓空氣在受限區域中流動(例如在散熱器或是散熱片的間隙中流動),高靜壓的風扇會比較有效率。若配合散熱片使用,散熱風扇產生生的靜壓比空氣流量要重要的多。靜壓的重要程度和風流受到幾何限制的程度有關。若散熱片的鯺片之間的間隙變小,靜壓的重要性就會增加。靜壓的單位一般會是mm Hg或mm H2O。空氣流量的單位會是CFM(立方英呎每分鐘)。

軸承種類编辑

風扇中使用的轴承會影響其性能以及噪音。散熱風扇使用的軸承主要有以下幾種:

  • 套筒軸承中有二個由油或是油脂潤滑的表面,二個表面之間以摩擦接觸的形式進行相對運動。表面多半會用多孔的燒結軸套,有自我潤滑的作用,只需要偶爾進行保養或更換。滑動軸承在高溫下其接觸表面容易磨損,而且油容易乾掉,最終會導致軸承失效,因此高溫下較不耐用。不過若溫度較低時,滑動軸承的壽命大致和滾珠軸承相近(滑動軸承壽命可能比較短一點)[24]。滑動軸承在高溫下比較容易失效,若安裝位置不是剛好和軸對正,有一些角度偏離,其效果會很差。滑動軸承在50 °C下的典型壽命是30,000小時。使用滑動軸承的風扇會比使用滾珠軸承的風扇要便宜,低速下,在其生命週期初期時會比較安靜,但之後噪音可能會變大[24]
  • 來福軸承(Rifle bearings)類似套筒軸承,比套筒軸承安靜,其壽命接近滾珠軸承。軸承中有螺旋槽英语Spiral groove bearing,可以從油槽中泵取潤滑油。因此可以在軸水平的情形下安全的安裝,其潤滑油會潤滑軸的上方,這是和套筒軸承不同的地方[25]。油泵也可以提供軸足夠的潤滑,降低噪音,因此可以延長壽命。
  • 液態軸承英语Fluid bearing,也稱為流體動力軸承(Fluid Dynamic Bearing、FDB)的優點是在運作時幾乎無聲,其壽命較長(不過仍比滾珠軸承短),其缺點是價格昂貴。
  • 滾珠軸承的價格比液態軸承高,但滾珠軸承沒有像套筒軸承安裝方向的問題,在高溫時更加耐用,在高轉速下比套筒軸承安靜。滾珠軸承在50 °C的典型壽命可以超過60,000小時。
  • 磁性軸承英语Magnetic bearing(Magnetic bearing)也稱為磁悬浮軸承,是由磁力支撐軸承。

連接器编辑

 
散熱風扇的三腳連接器

散熱風扇常用的連接器有以下幾種:

Molex KK系列的三腳連接器
Molex連接器英语Molex connector可用在風扇連接主機板或是其他電路板時的場合。Molex連接器是小型、薄式的長方形母座,在長邊外側有一個識別方向性的鎖固機構。針是正方形的,間隔是0.1 inch(2.54 mm)。三個針腳分別是參考地點、+12 V電源,以及轉速表信號。
Molex KK系列的四腳連接器
這是Molex KK系列的延伸款,有四個針腳,其方向性及鎖固機構和三腳連接器類似。多的一個腳是提供風扇變速控制用的脈衝寬度調變(PWM)信號[26]
四腳Molex連接器
此連結器是用在風扇直接連接電源供應器的場合。包括二條線(黃色/12 V,黑色/參考地點),接到大的四針公對母Molex連接器。和使用SATA之前的硬碟電源線連接器相同。
Molex PicoBlade系列的三腳連接器

Three-pin Molex connector PicoBlade family

此連結器是用在筆電風扇或是將風扇接到顯示卡的場合。
戴爾專用的連接器
戴爾專用的連接器是從簡單的三腳母座IC連接器為基礎,在中間的一側加上二個tab,另一側加上鎖定tab。其大小及間隔都和標準的三腳母座IC連接器相同。有些會在中間用白色的電線(速度訊號),而標準的Molex三腳連接器中,第三腳是白線,因此會有相容性的問題。

其他方案编辑

有些應用因為噪音、可靠度或是環境因素,無法使用風扇,有一些其他的散熱方式。若只保留電源供應器將熱風排到機殼以外的虱扇,其他的風扇都不要,也有一些幫助[27]

散熱系統可以設計只用被動冷卻來散熱,這樣可以減少噪音,以及易損壞的可動件,這些作法有:

  • 自然對流冷卻:若設計得當,正確安裝,散熱片夠大,只用自然對流的散熱量可以到100 W。
  • 加裝熱導管,讓熱排到機殼外面。
  • 降電壓或是降頻來降低發熱量。
  • 電腦硬體冷卻,將電腦置於非導電性的對流流體中,可以有良好的對流冷卻,而且可以避免潮濕及水,也不需要散熱片或是風扇。需要考量流體和主機板及CPU的黏膠及密封材質的相容性。這種對策會用在一些特殊場合中,例如放在野外的無線模組[來源請求]

其他冷卻方式有

相關條目编辑

參考資料编辑

  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). 
  22. ^ Top 10 noise control techniques (PDF). www.hse.gov.uk. UK Health and Safety Executive. [2020-03-29]. (原始内容存档 (PDF)于2019-11-26). 
  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]. 
  29. ^ Patel, Prachi. Cooling Chips with an Ion Breeze | MIT Technology Review. Technologyreview.com. 2007-08-22 [2015-02-20]. 

外部連結编辑