超能课堂(252):风扇是如何帮助散热的?

2020-11-28 15:45:10 11点赞 18收藏 1评论

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在我们生活中,像吊扇、台扇这些在夏天几乎是必不可少的,在各种电子设备中,也随时都可以见到大大小小的各色风扇,在我们天天打交道的电脑中,风扇更是如影随行,机箱中有前置风扇、后置风扇,显卡上一般都有两三个小风扇,风冷和水冷散热器上那风扇必须是标配了。很显然,我们、尤其是我们的电脑那是离不开风扇了!

超能课堂(252):风扇是如何帮助散热的?

这些风扇有什么用呢?你一定会说,风扇吹出来的风凉快,可以帮助散热,恭喜你答对了~但我们还是要看看它到底是怎么帮助散热的。

一点热力学常识

在中学物理我们学过,自然界中热传递有三种基本方式:传导、对流和辐射,热从物体温度较高的部分沿着物体传到温度较低的部分,叫做传导;而靠液体或气体的流动来传热的方式叫做对流;热由物体沿直线向外射出,叫做辐射。

超能课堂(252):风扇是如何帮助散热的?

上图标示一个标准风冷散热器它的热量传递方式,对于日常散热而言,辐射传递的热量可以忽略不计,物体与空气主要的热交换方式是对流,比如散热器借助风扇扇叶的转动将其机械能转换为空气的势能和动能,从而形成强制对流将鳍片热量传递到环境中来帮助CPU降温

既然有借助外力的强制对流,也就存在有自然对流,自然对流就是无外力推动由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。无论是强制对流还是自然对流,它们的热流量都可以这样来描述:

热流量 = 对流传热系数 × 物体表面积 ×(物体表面温度 - 流体温度)

显然同样条件下,对流传热系数将决定热流量的大小,在这儿强制对流传热系数远强于自然对流传热系数,比如空气自然对流传热系数5 ~ 25W/(m2*K),强制对流传热系数20 ~ 300W/(m2*K),水的自然对流 200 ~1000W/(m2*K),强制对流 1000 ~ 15000W/(m2*K),可以看到,虽然说在不同情况下传热系数略有不同,但总体上,强制对流传热系数一般是自然对流系数的5-10倍,所以,借助风扇外力的强制对流方式能极大提升热流量,有效地帮助物体进行散热!

超能课堂(252):风扇是如何帮助散热的?

在整个散热系统中,风扇的作用就是加快空气的流动,将自然对流变成强制对流,如果只是单纯的散热片,就算表面积再大,因为是自然对流的原因,散热效果也很差劲,如果没有风扇强制对流提升热流量,散热器规模再大也很难有实际意义。

再以一个标准的风冷散热器为例,热量从散热器转移到空气中,以下是它的热转换模型:

热转换量 = 空气比热 × 流动的空气重量 × 空气上升的温度

在这样一个方程式中,流动的空气重量是和风量(风量的概念下面会详细讲到)成正比的,直观上来说,更好的风扇能在同样的时间内吸入更多新的冷空气,单位时间内与散热器交换的热量也就更多,也就是更大的风量会带来更好的散热效果,但是,在电脑机箱这种空间有限的地方,这件事也不是这么简单。

超能课堂(252):风扇是如何帮助散热的?

在机箱这种体积并不算大,且并不是绝对理想的环境下,除过我们日常关心的RGB灯光效果和风扇转速外,决定风扇的核心散热能力的两大因素是风量和风压。

风量与风压风量:单位时间内流过的空气总体积

风量指的就是风扇单位时间内送出或吸入的空气总体积,单位主要是CFM(立方英尺/每分钟),有时还会使用立方米每小时这个单位,既M³/H,猫头鹰的风扇上就经常用这个单位,比如大名鼎鼎的NF-A12,风量数据为102.1 立方米每小时 [M³/H],经过换算大概是60.09立方英尺每分钟 [CFM]。

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在前面我们已经说过了,大风量是散热系统的核心,同一时间内吹入更多新的冷空气就可以加快热传递,最终带来更好的散热效果,在计算上,风量=出风口面积×平均风速,反应到实际情况中,就是风扇尺寸越大、转速越高、风量越大

我找到了一些市场上比较热门的风量扇给大家做对比,可以看到各品牌的12cm的风扇在拥有更高转速的情况下,风量还是远不如14cm风扇的,甚至因为更高的转速还会带来更高的噪音。

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风压:风扇提供的动力

而风压就是为了能够正常通风,设备所需要克服的阻力,通常指风扇出风口与入风口的压强差,我们一般会将测量到的压力的变化值称为静压,一般来讲散热风扇中的风压都是指静压,在散热风扇上我们使用一个不常见的单位:mmH₂O,既毫米水柱。

超能课堂(252):风扇是如何帮助散热的?

风压的概念有点复杂,简单点讲就是给气流增加多少压力,让它吹得更远,相对于风量就是:一个只管进风吹,吹到那里去了不负责。一个只管把风吹的远,吹进去多少不负责。当然了,放在散热系统里面,我们肯定是希望风扇吹的更远的,能将冷风送到机箱的最深处,或者吹过整个散热鳍片。

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为了做到这一点,风量扇和风压扇在设计上有不同的取向,通常风压扇的扇叶数量较少,但形状都比较复杂,且总体上倾角偏大,这样的目的就是在气流经过风扇时,给气流增加更大的压力。

风量风压很难兼得

风量和风压是两个相对的概念,在定量定温的情况下,理想气体的体积与气体的压强成反比,即 V = K/P (V是指气体的体积,P指压强,K为一常数),也就是著名的玻意耳(Boyle)定律,玻意耳是英国化学家,他在1662年提出“在密闭容器中的定量气体,在恒温下,气体的压强和体积成反比关系。”这也是人类历史上第一个被发现的“定律”。

超能课堂(252):风扇是如何帮助散热的?

在风扇设计中,通常通过扇叶的设计来调控风压和风量的大小。也就是扇叶才是一个风扇的灵魂,像扇叶叶片数目、叶片曲率、叶片倾角、叶片冲角、叶片宽度、叶间间隙等,都会影响到风扇的性能,且它们间相互制约,关系复杂,基本是要反复调整来寻找一个适合目标的平衡点。

比如扇叶越偏向细长,留出给空气流通的空隙比较大大,这样容易实现大风量,但这样就会牺牲一些风压性能。而风压扇则普遍拥有厚实的扇叶,这样会导致吹过的空气少,也就是风量下降,但会更利于推动空气加速,可以实现更大的风压。

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ARCTIC A12 风量扇 / ARCTIC P12 风压扇

提高转速可以兼顾部分风量与风压

当然了,从散热的角度上讲,要想散热效果好,风量风压都得高,以上所说的风量扇和风压扇都是在同样功率或者相对安静情况下的取舍,如果你不在乎噪音,那其实是可以部分兼顾的,比如有一些工业扇,在放宽的噪音的情况下,提高功率转速后可以同时达到很高的风量和风压水平。3000转的猫头鹰NF-A14,可以提供269.3M³/H(158.3CFM)的风量和10.52mmH2O的风压,远超普通14cm风扇的水平,但如果仔细研究就可以发现,这款风扇还是比较偏向于风压的,在3000转的情况下风量上相比1800转左右的风扇是2倍左右的水平,但在风压上已经是接近4倍多。

就是说虽然风量风压在理论上有取舍,但如果直接强行拉高转速,也是可以兼顾到一部分,这里还有一份先马的冰风风扇的转速和风量风压的对比图,可以看到随着转速的提高,风扇的风压风量都有所提升,当然噪音也有所提升。

超能课堂(252):风扇是如何帮助散热的?

现在的风扇厂商也都在宣传同时兼顾风量和风压,但在电脑散热这种小直径的风扇上,还是更容易做到更高的风压,总体上,高端散热风扇也比较偏向于风压。

实际情况更复杂

在了解了风压风量的单位后,我们就可以根据这些数值来认真分析下,如果你是风冷散热器,在单塔且塔身不算厚的情况下,建议使用风量扇,毕竟大风量还是散热的核心,但如果是一些鳍片布置非常密集的散热器那一定是建议使用风压扇,风压不够的话空气完全无法到底鳍片后半部,毫无疑问就会影响到散热效果。对于一体式水冷来说,绝大多数情况下,都建议使用风压扇,如果是一些特制的薄冷排,也可以使用风量扇,我找来一些360的水冷产品,可以发现,上面搭载的风扇几乎都是风压扇。

超能课堂(252):风扇是如何帮助散热的?

但如果是在机箱的散热上事情就变的复杂了起来,我们此前在一篇讲解风量风压扇的文章里就建议风压做进风,风量做出风。因为机箱的设计千奇百怪,总体上机箱的前面板距离散热器较远,有一些机箱在进风口后面就是硬盘架,甚至有些手办爱好者还会在机箱里面放娃娃,大家不要太迷信所谓风道,而CPU散热器尾部和机箱尾部出风口的距离一般是比较固定的,也不会有什么障碍物,所以我们建议前进风使用风压风扇,出风使用风量风扇,除非机箱本身是ITX或者体积比较小机箱。

总结:为了散热,风扇不可少

在散热系统中,风扇提供动力,将机械能转换为空气的动能和势能,强制空气对流,能很好的帮助目标散热,哪怕是只有500RPM的转速,那也是质的飞跃,所以,如果可以,尽量为你的散热系统配上风扇。

至于是风量与风压的考虑,稍显复杂,基本原则就是,如果风扇提供的冷空气达不到你需要散热的部位,就换用更大风压的风扇,否则,使用更大风量的风扇。当然实际情况会复杂些,有时也可以适当取舍,在性能、噪音、美观等方面达到一个平衡。

超能课堂(252):风扇是如何帮助散热的?

总的来说如果你想只看篇文章就找到合适的散热方案那不太可能,电脑散热仍然需要取舍,我见过不少说自己对噪音完全不在乎的人,在听到3000转风扇的怒吼后纷纷表示:还是安静一点的好。而不同的机箱和硬件组合需要大量的测试和验证,本文主要还是基于理论方面的说明,对于玩家自己的散热方案仅供参考。

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    2020-12-06

    本文漏了重要章节:
    RGB风扇,通过与主板同步,释放全光谱脉冲光子,经由高速扇叶与空气分子充分融合,喷薄而出,并经机箱内部反射、折射、散射,渗透玻璃侧板,侵入人眼,直达神经中枢,通过刺激脑垂体分泌多巴胺,可人为提升散热能力超100% [邪恶]

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