风冷散热器技术浅析-风扇篇

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1、引言 引言 夏天到了 炽热的天气带给我们高昂的热情 也带来了更多的休息时间 同时 更令我们 的 CPU 饱受高温煎熬 在我国大部分地区 没有空调的房间里 夏日的环境温度较冬季提高了 20 以上 CPU 核心由于漏电电流随温度升高而增加 功耗与发热量也略有增大 导致实际温升 往往还在此温差之上 为了安然的度过炎炎夏日 或许该考虑一下增强散热措施了 液氮 干冰 压缩机等极限降温手段虽然可以完全无视天气条件的影响 但并不适合长期 使用 液冷散热系统相对繁琐的安装 使用过程也将许多普通用户拒之门外 终归 适合绝大多 数用户与玩家的 还是相对传统的风冷散热器 之后的一段时间 我们将对风冷散热器的各种相关

2、技术进行一点浅要的分析 令大家在选 购风冷散热器时更加知己知彼 也为我们稍后奉上的大型散热器评测做好理论准备 风冷散热器 风冷散热器 所谓风冷散热器 其散热原理即通过与发热物体 就我们的情况而言即 CPU GPU 等半导 体芯片 紧密接触的金属散热片 将发热物体产生的热量传导至具有更大热容量与散热面积的散 热片上 再利用风扇的导流作用令空气快速通过散热片表面 加快散热片与空气之间的热对流 即强制对流散热 因此 一款优秀的风冷散热器必须具备三个条件 采用做工精良 设计合理 材料合适的 散热片 配有性能强劲 工作稳定 长寿命的风扇 以及出色的整体结构与安装设计 本文 我们将依此分为散热片 风扇与整

3、体结构三部分 就风冷散热器的各项指标以及现 行技术进行浅要的分析与介绍 风扇篇 风扇篇 风扇并不是什么稀奇的东西 在日常生活中早已司空见惯 具有导流 换 气 散热等各种用途 本篇就对风冷散热器中使用的风扇类型为直流无刷风扇 DC Brushless Fan 下文如无特别说明 简称 风扇 略加介绍 风冷散热器中使用的典型风扇外形是一个底面为正方形的扁柱体 四角留 有安装所需的固定孔位 直流电机通过支架固定在外框上 扇叶与转子连接在一 起 通过轴承安装在电机主体之上 一些 非典型 的风扇采用了较特殊的形状 与设计 但整体结构与此并无太大差异 看似简单的结构 其中却有不少的学问 对风扇各种相关知识的

4、了解也是 了解风冷散热器的重要步骤 作用 作用 风扇是被动式空冷散热器与主动式风冷散热器的本质区别 没有风扇便不 能称之为风冷散热器 一些用户也习惯于将整个风冷散热器称为风扇 可见其地 位是何等显要 风扇是风冷散热器中必不可少的组成部分 对散热效果起着至关重要的作 用 是散热器中唯一的主动部件 同时 更对散热器的工作噪音有着决定性的影 响 风扇在风冷散热器中的职责为 凭借自身的导流作用 令空气以一定的速度 一定的方式通过散热片 利用空气与散热片之间的热交换带走其上堆积的热量 从而实现 强制对流 的散热方式 散热片即使结构再复杂 也只是一个被动的热交换体 因此 一款风冷散 热器能否正常 工作 几

5、乎完全取决于风扇的工作状态 在不改变散热器结构 与其它组成部分的情况下 仅仅是更换更加合适 强劲的风扇 也可以令散热效 果获得大幅度的提升 反之 如果风扇搭配不合适或不够强劲 则会使风冷散热 器效能大打折扣 令散热片与整体设计上的优点被埋没于无形 更有甚者 由于 风扇是风冷散热器中唯一确实 工作 的部分 它本身的故障也就会导致散热器 整体的故障 令其丧失大部分的散热性能 进而引起系统的不稳定或当机 甚至 因高温而烧毁设备 参数 参数 对于风冷散热器 风扇是如此的 至关重要 那么 我们又应通过哪些方面的数据来衡 量一款风扇的品质呢 2 衡量一款风扇的品质 最重要的两个方面为性能与寿命 其次便是越

6、来越受到关注的工作 噪音 此外 关系到能否正常使用 还必须注意风扇的规格与功率 规格 规格 要为散热器选择合适的风扇 首先注意到的 也是必需注意的 就是风扇 的尺寸规格 风扇的尺寸规格有一套统一的标准 只要依照此套标准就可以保证与散热 片或其它接口 支架之间的正常安装 尺寸规格通常用一个 4 位数字来描述 例 如 2510 4028 6015 8025 1238 等 4 位数字的前两位 25 40 等代表风扇 正方形底面的边长 单位为毫米 后两位 10 28 30 等则代表柱体的高度 即 风扇的厚度 单位同为毫米 特别说明 92XX 系列的风扇边长为 92mm 但通常 称作 9cm 12XX

7、或 17XX 系列的风扇并非 12mm 或 17mm 边长 而是 12cm 或 17cm 常用直流无刷风扇的边长最小为 25mm 而大于 99mm 的风扇通常舍去最低位 数 值以 cm 为单位 下图为一款 6015 风扇的详细规格 部分 大的 更大 也是 相关元素 与底面尺 分所占面积 的底面尺寸 大的风量 反 是目前风冷 素 尺寸息息相 积的结果 寸 一般就可 反过来考虑 冷散热器发展 相关的数据为 进一步则影 可以获得更 虑 就可以降 展的大趋势 为过风面积 影响到风扇 大的过风面 降低风速却 势之一 积 风扇底面 扇的重要性能 面积 在风速 却不减少风量 面积减去外 能指标 风 速相当的

8、情 量 采用 外框与电机 风量 拥有 情况下 将获 大口径 风 占据 有更 获得 风扇 增加风扇的高度有利于增大风扇功率 加大扇叶面积 都可以增强风扇的 性能 有些风扇也会利用增加的高度在外框上添加导流片或改变扇叶旋转面方向 即非轴流风扇 等 后文将较详细说明 用户在选择风扇时 尺寸规格方面需要考虑的问题主要有 1 能否与散热片实现良好的结合 主要取决于底面的尺寸规格 2 散热器能否正常安装 主要取决于风扇增加的体积是否会与其它设备或 整体空间冲突 3 风扇能否为散热片提供合适的气流 尺寸规格的改变可能会影响风扇气 流的覆盖范围 走向等 但具体影响较为复杂 且涉及到多方面的因素 将在后 文中相

9、关部分分别说明 风速 风速 风速是风扇重要的性能指标之一 与最重要的两项性能指标之一风量关系 密切 风速即风扇出风口或进风口的空气流动速度 单位一般为 m s 仅是某一 位置的速度数值 不能完全体现风扇的性能 风速在不同位置数值可能有较大差 异 且平均值难以计算 一般不用来表示风扇的性能 仅在详细设计分析中才会 使用 相关元素 风速的高低主要取决于扇叶的形状 面积 高度以及转速 扇叶形状设计 面积 高度的影响较为复杂 将在后文说明 风扇转速越快 风速越快 则是显 而易见的常识 无需赘述 风速的高低会影响到风量以及噪音的大小 同样的过风面积 风速越高 风量越大 气流之间 空气与扇叶 外框 散热片

10、之间的摩擦都会产生噪音 同 样的风扇 散热片设计 噪音必然会随着风速的提升而增大 由于一般并不会作为风扇类产品的性能参数被标示出来 用户选择风扇时 不会见到 也就谈不上注意事项了 风量 风量 风量是风扇最重要的两项性能指标之一 风量即单位时间内通过风扇出风口 或进风口 截面的空气体积 单位一 般为 cfm 即立方英尺每分 cubic feet per minute 或 cmm 即立方米每分 cubic metres per minute 风量是风扇性能的整体衡量指标 不受到尺寸 结构 方 式的限制 也不限于直流无刷风扇 可适用于任何空气导流设备 相关元素 风量 平均风速 x 过风面积 可见 风

11、扇风量的大小基本取决于风速的 高低与过风面积的大小 过风面积相同 风速越高 风量越大 风速相同 过风 面积越大 风量越大 风冷散热器是依靠空气吹过散热片 利用热交换带走散热片上堆积热量的 显然 采用同样的散热片结构与空气流动方式 单位时间内通过的空气越多 带 走的热量也就越多 因此 其它条件不变的情况下 可以说实际风量对风冷散热 效果起着决定性的作用 k F风压 风压 风压是风扇最重要的两项性能指标之一 风压即风扇能够令出风口与入风口间产生的压强差 单位一般为 mm cm water column 即毫米 厘米 水柱 类似于衡量大气压的毫米汞柱 但由于压 强差 果将 杂 的几 整体 但为 如果

12、 顺畅 则要 如果 具有 出风 直至 性能 关系 约的 洞进 记录 大风 称的 散热 差较小 一 将风量比作 相关元 风压主 于转速的 风压直 几厘米 但考 体并非想象 为了保证充 风压既 果配合片状 畅流动 达到 要根据鳍片 果配合 Alph 有较大的风 风扇产 风口之间无 至风量为零 能指标 而是 系 风量 的程度则取 进行 下图 通过调节 录风量 Ai 风量与最大 的风扇特性 热片风阻 般以水柱为 一把武器的 素 要取决于扇 关系则简单 接的影响到 考虑到复杂 象中那么简单 充足的散热面 然是风扇最 状鳍片 风道 到预期效果 的密度和高 ha 或 Swift 风压 风扇与 品所说明的 无

13、压强差状态 零状态下气室 是互相制约 量随着压强差 取决于扇叶形 为测量风洞 节风嘴 No r Flow 与 大静压 即标 性曲线图 P 下的工作表 为单位 风 的挥击力量 扇叶的形状 单直接 到风扇的送 杂 密集的散 单 散热片 面积 对风 最重要的两 道式设计的散 果 如果配合 高度 鳍片间 tech 等密集 与散热片组 的风量与风 态下的风量 室与外界气 约着 之间的 差 具体而 形状与整体 洞原理图 zzle 与辅 与压强差 A 标称的风压 PQ 图 全 表现 风压是衡量 量 那么风压 状 面积 高 转速越快 送风距离 风 散热鳍片的 片设计过程中 风压提出一定 两项性能指标 散热片

14、一 合典型的平行 间风槽的形 集柱状鳍片 组合结构等的 风压均为理想 量 最大风量 气压的差值 的关系就是 言即散热片 体结构设计 辅助风扇 Air Pressu 压 外 一般 全面表现一 量风扇 强劲 压就是这把 高度以及转速 风压越大 风扇出口到散 的影响 要令 中虽然会尽 定要求也是 标之一 选择 一般不需太大 行片状鳍片 形状和长度选 片 顶吹式设 的详细分析 想状态下的 量 以及 最大静压 是流体力学中 片风阻 的增 风量 风压 Auxiliary ure 的对应 般还要绘制 一款风扇在各 劲 程度的 把武器的锋利 速 前三者 大 散热片底部 令气流有效 尽量避免产生 是在所难免 择

15、风扇时自 大的风压 片 顶吹式设 选择具有足 设计的散热片 析请见第三部 最大值 即 及风扇向密闭 它们并 中典型的流 增大而减小 压的正规测 y Blower 应数值 最 制压强 流量 各种压强差 的重要指标 利程度 者的影响较为 部看来只有短 效地覆盖散热 生过大的风 自然要特别注 即可保证空 设计的散热片 足够风压的风 片 就需要风 部分 即风扇入风 闭气室内吹 并非两个孤立 流速与压强间 小 两者互相 测量需要借助 控制风量 最终除了记录 量图 即通常 差 具体而言 如 为复 短短 热片 风阻 注意 空气 片 风扇 风扇 口与 吹风 立的 间的 相制 助风 量 录最 常所 言即 由风

16、交界 风量 然以 来选 线与 min 量的 以影 越强 音就 果 比较 的性 转速 不错 列 速则 上图即一 风洞测量 界点即为系 量与压强差 以 Qb 为重点 选择并不是 与散热片 转速 转速 转速是风 转速即风 nute 转每分 的源泉 也 相关元素 转速基本 只要确定 影响到风速 强 即风速 就大 轴承等 风扇产品 较熟悉的玩 性能 对几 1 边长 6 速则可能因 错的风量与 2 边长 7 则可能因风 一张典型的风 虚线 SRC 统与风扇搭 差 以风冷散 点参考指标 是最适切的 系统 阻抗 风扇各项性 风扇扇叶在单 分 转速是 也是大噪音的 素 本上取决于风 定了风扇的 速 风量 风 越快 风量 等损耗设备 品就算不标 玩家更是可以 几种常见尺寸 6cm 转速 风量不足而 风压 但噪 7cm 转速 风量不足而影 风扇特性曲 C 为系统阻 搭配使用的 散热器中的应 标 可见 选择 但考虑到一 抗曲线 如 能指标的根 单位时间内 是风扇最容易 的根源 风扇采用的 物理规格 风压 噪音 量越大 风压 备的寿命就 明风量 风 以根据一款 寸规格的普 约 3500rpm 而影响散热 噪音急