风冷散热器相关技术浅析之风扇篇

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xx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。 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，但由于压强差较小，一般以水柱为单位）。风压是衡量风扇“强劲”程度的重要指标，如果将风量比作一把武器的挥击力量，那么风压就是这把武器的锋利程度。 　　相关元素： 　　风压主要取决于扇叶的形状、面积、高度以及转速，前三者的影响较为复杂，于转速的关系则简单直接——转速越快，风压越大。 　　风压直接的影响到风扇的送风距离。风扇出口到散热片底部看来只有短短的几厘米，但考虑到复杂、密集的散热鳍片的影响，要令气流有效地覆盖散热片整体并非想象中那么简单。散热片设计过程中虽然会尽量避免产生过大的风阻，但为了保证充足的散热面积，对风压提出一定要求也是在所难免。 　　风压既然是风扇最重要的两项性能指标之一，选择风扇时自然要特别注意。如果配合片状鳍片+风道式设计的散热片，一般不需太大的风压，即可保证空气顺畅流动，达到预期效果；如果配合典型的平行片状鳍片+顶吹式设计的散热片，则要根据鳍片的密度和高度、鳍片间风槽的形状和长度选择具有足够风压的风扇；如果配合Alpha或Swiftech等密集柱状鳍片+顶吹式设计的散热片，就需要风扇具有较大的风压。风扇与散热片组合结构等的详细分析请见第三部分。 　　风扇产品所说明的风量与风压均为理想状态下的{zd0}值，即风扇入风口与出风口之间无压强差状态下的风量（{zd0}风量），以及风扇向密闭气室内吹风，直至风量为零状态下气室与外界气压的差值（{zd0}静压）。它们并非两个孤立的性能指标，而是互相制约着，之间的关系就是流体力学中典型的流速与压强间的关系——风量随着压强差（具体而言即散热片风阻）的增大而减小，两者互相制约的程度则取决于扇叶形状与整体结构设计。风量、风压的正规测量需要借助风洞进行，下图为测量风洞原理图： 　　通过调节风嘴（Nozzle）与辅助风扇（Auxiliary Blower），控制风量，记录风量（Air Flow）与压强差（Air Pressure）的对应数值，最终除了记录{zd0}风量与{zd0}静压（即标称的风压）外，一般还要绘制压强-流量图（即通常所称的风扇特性曲线图、PQ图），全面表现一款风扇在各种压强差（具体而言即散热片风阻）下的工作表现。 　　上图即一张典型的风扇特性曲线图。图中实线（FPC）为风扇特性曲线，需由风洞测量。虚线（SRC）为系统阻抗曲线，同样需由风洞测量。FPC与SRC的交界点即为系统与风扇搭配使用的操作点OP，Qb与Pb则分别是使用中可达到的风量与压强差。以风冷散热器中的应用而言，要求风量越大越好，选择风扇时自然以Qb为重点参考指标。可见，选择风扇时仅以{zd0}风量（Qa）与{zd0}静压（Pa）来选择并不是最适切的。但考虑到一般用户不可能获得详细、确切的风扇特性曲线与散热片（系统）阻抗曲线，如此粗略判断也是不得已而为之。

转速：

　　转速是风扇各项性能指标的根本决定因素之一。

　　转速即风扇扇叶在单位时间内旋转的周数，单位一般为rpm，即rounds per minute-转每分。转速是风扇最容易测量的参数，高转速是各种“暴力”风扇力量的源泉，也是大噪音的根源。

　　相关元素：

　　转速基本上取决于风扇采用的电机性能。

　　只要确定了风扇的物理规格、结构，各种性能就全部由转速决定。转速可以影响到风速、风量、风压、噪音、功率，甚至使用寿命。转速越高，风扇性能越强，即风速越快，风量越大，风压越大；同时，转速高，摩擦、振动就多、噪音就大，轴承等损耗设备的寿命就短；转速提高，电机消耗功率增大也是必然结果。

　　风扇产品就算不标明风量、风压，也都会标明额定转速；一些对各种风扇比较熟悉的玩家更是可以根据一款风扇的尺寸规格、扇叶形状以及转速判断出它的性能。对几种常见尺寸规格的普通轴流风扇略加说明：

　　1.边长6cm，转速约3500rpm可获得尚可的风量及可接受的噪音，低于此转速则可能因风量不足而影响散热效果；进一步提高转速至约5000rpm，可获得不错的风量与风压，但噪音急剧增加；转速超过6000rpm便可列入“暴力”扇之列。

　　2.边长7cm，转速约2500rpm可获得尚可的风量及较低的噪音，低于此转速则可能因风量不足而影响散热效果；进一步提高转速至约4000rpm，可获得较大的风量与风压，但噪音急剧增加；转速超过5500rpm便可列入“暴力”扇之列，效果略强于6cm“暴力”扇。

　　3.边长8cm，转速约2000rpm即可获得不错的风量及很低的噪音，即便低于此转速也可保证尚可的风量，充分体现了大口径风扇的优势；进一步提高转速至约3000rpm，可获得相当不错的风量与风压，噪音仍然较低；转速超过5000rpm便可列入“暴力”扇之列，噪音急剧增加，挑战人耳的忍耐极限。

　　4.边长12cm，转速约1200rpm即可获得不错的风量及很低的噪音，低于此转速虽然风量尚可，但风压较弱，所幸多用于液冷散热排等风道式散热片，用于计算机开关电源散热则对空气流动设计提出了一定要求；进一步提高转速至约1500rpm，即可获得较大的风量，噪音仍可接受；转速超过2000rpm，便可获得颇大的风量，风压尚可，碍于扇叶较大等不利条件，噪音会急剧增加。

　　9cm（边长92mm）轴流风扇扇叶尺寸与过风面积较8cm增加不多，但可在同等的风量下较8cm风扇噪音更低，受到了小范围的青睐，不过并不常见。

　　另一种较常见散热风扇——出风口边长8cm的涡轮风扇：

　　转速约1500rpm即可获得不错的风量及较低的噪音，低于此转速则可能因风量不足而影响散热效果；进一步提高转速至约2500rpm，可获得不错的风量，且风压较大，噪音勉强可接受；转速超过3500rpm便可列入“暴力”扇之列，由于特殊的设计结构，噪音已可与8cm轴流“暴力”扇比肩，挑战人耳的忍耐极限。

寿命：

　　寿命是风扇在长期使用中不得不关注的一项指标。

　　寿命即风扇可以无故障使用的时间，单位一般为千小时。我们花费金钱购买的风扇，自然希望它的正常工作时间越长越好，至少也要在散热器的使用期内正常工作。

　　相关元素：

　　只要没有意外损坏，风扇的寿命便主要取决于轴承寿命、定子绕组线圈寿命、电子元件寿命三者。轴承寿命根据不同的设计类型与工作强度，在1000～300000小时之间。定子绕组线圈寿命在正常环境中使用一般可达几十万，甚至几百万小时以上；环境恶劣，如高温、低温、温差大、湿度大等，则可能大幅缩短。电子元件寿命较定子绕组线圈寿命更长，但易受环境温度影响，尤其高温可大幅度缩短电子元件寿命。根据众所周知的挡水板（或瓶颈）原理，风扇的寿命决定于三者中最短的轴承寿命。风扇的使用寿命还会受到工作负荷的影响：转速越高的风扇，其轴承磨损也就越快，定子绕组线圈与电子元件发热也就越多，寿命必然缩短。这正是在并没有静音需求的服务器电源领域广泛采用温控风扇的原因——合理减轻风扇工作负荷，延长使用寿命。

　　除了风扇本身设计、选材的基本决定因素，正如上文所述，使用环境也会对风扇寿命造成重要影响。高温会加快含油轴承中润滑液的挥发，令器件膨胀增加摩擦，令线圈电阻增大，陷入发热增加温度升高的恶性循环，加快电子元件老化。剧烈的温度变化会令器件发生形变，令线圈剧烈收缩而崩断，令半导体元件工作点漂移。灰尘会令扇叶质量分布改变，增加摩擦，增大风阻，影响自身散热，阻碍散热片与空气进行热交换，产生静电放电损坏元件与设备。恶劣的使用环境可能令风扇的效果大打折扣，且寿命大减。

　　为散热器或其它设备搭配风扇时，可参考预期使用时间（年数、天数等）与工作强度（每日工作时间）选择足够“长寿”的产品。下例粗略估算一下：正常环境下，一款寿命为10000小时的风扇，作为计算机散热系统的组成部分，每天随计算机工作10小时，可无故障使用1000天，即接近3年时间，基本可以满足需要。如果开机后持续运行（服务器等使用环境），则可无故障使用约417天，不足14个月，显然不是理想的选择，而应根据服务器预期使用时间，选择寿命更长的产品，比如大于40000小时的。此外，应根据环境条件适当“打折”。如前例中寿命10000小时的风扇如果在灰尘较大的环境使用，就应改折损为6000小时左右。故实际应选择寿命为15000小时以上的产品。噪音：

　　噪音是各种设备越来越受到关注的指标。

　　噪音即风扇工作过程中产生的“非乐音”声响。目前较为通行的测量标准为计权声级测量，通常采用A声级计权，常用单位：分贝（A）或dBA。

　　A声级计权模拟人耳的听声规律，能够较好地反映人耳对噪声的强度与频率的主观感觉，据此制作电计算曲线计权网络，具有以下优点：

　　1.使用单一的评价参数，方便；
　　2.该曲线能较好地模拟人耳的听声特点；
　　3.将主观因素与客观物理量恰当结合起来，可用于比较不同场合的噪声；
　　4.可以用于做为噪声的评价标准。

　　噪音的强度主要有声强与声压两种衡量方式，声强（声功率）是测量物体单位时间内发出的声音总能量，声压是测量人耳收到的噪音压强值，通常采用对数形式表示，是一种“相对级别”，故将测量仪器称为声级计。原理公式如下：

　　声强级数：SIL＝log(I/I0)（Bel/贝尔）＝10 x log(I/ I0)（dB/分贝）；
　　其中I为测量声强，I0＝10^(-12) W/m^2为最小可闻声强。

　　声压级数：L＝log(p^2/p0^2)（Bel/贝尔）＝10 x log(p^2/p0^2)（dB/分贝）；
　　其中p为测量声压，p0为最小可闻声压，单位：N/m^2。

　　由上式可见，0dB是人耳听力的阈值。120-130dB是一般人能承受的{zd0}声音。一般人能够分辨的最小声音变化是3dB的声压或1.5dB的声强。3dB的声强增量相当于测得的声强加倍。而5dB的声强增量才使人听到的声音响度加倍。6dB增量相当于测得的声压加倍，而10dB的声压增量才使人听到声音响度加倍。

　　一些典型环境噪音声级（声压）如下：
　　安静的图书馆或耳语时约为30dB；
　　一般家庭约为40dB；
　　正常谈话约为60dB；
　　商用卡车或火车约为90dB；
　　喷气式飞机或起飞的火箭约为120dB；

　　虽然喷气式飞机的dB值看来只是安静的图书馆的4倍，但由于采用了对数表示法，实际差距远不止于此。根据上文公式略加计算可知，两者测量声压的比值为p1/p2＝10^(120/20)/10^(30/20)＝10^6/10^1.5＝10^4.5≈31622.78，即喷气式飞机的噪音对人耳造成的声压是安静图书馆中的31622.78倍！

　　目前风扇厂家的风扇噪音测试多为声压测量，下文如无特别说明，所提到声级均为声压测量结果。工业标准测试是在背景噪音低于15dBA的静音室中，将风扇固定于减震支架之上，以声级计在风扇进风侧轴向距离1m的位置进行测量，或xx记录下工作噪音，进而进行详细分析。

　　噪音是风扇除性能之外，影响“适用性”的重要参数。长时间处于高声级噪音环境{jd1}是对人身体与精神的摧残！

　　相关元素：

　　风冷散热器的工作噪音主要有三个来源：轴承的摩擦与振动、扇叶的振动、风噪。

　　1.轴承的摩擦与振动：不但产生噪音，而且影响性能，缩短器件寿命，降低能源利用效率，是产品设计中尽量解决的关键技术问题。

　　2.扇叶的振动：一般采用塑料制作的风扇扇叶具有一定的韧性，可以承受一定程度的物理形变，同样也会在推动空气过程中因受力发生振动，但幅度一般较小。另一种较为严重的振动则是由于扇叶质量分布不均，质心与旋转轴心存在偏心距所致。当扇叶面积（质量）或偏心距较大的情况下，可能会带动风扇甚至散热器整体发生振动，进而波及整个机箱。如果发生此类现象，则应怀疑风扇品质与工作状态。

　　3.风噪：流动的空气之间互相冲扰，与周围物体发生摩擦，叶片对气流的分离作用，周期性送风的脉动力等，都会产生噪音。空气流速越快，湍流越多，往往风噪也越大，而且会随着风速的提高呈加速度增大。普通的轴流风扇会在扇叶与外框间的空隙处产生反激气流，产生较大风噪的同时，更会对风量造成不利影响，也正因此出现了折缘、侧进风等改良设计。

　　噪音的主要影响就体现在使用者的身心健康与安全之上，而与噪音相伴的振动则可能导致芯片磨损、接口松动、盘片划伤等危及使用的现象。

　　选择风扇时，应当关注风扇的工作噪音，要求自然是越小越好。但厂家在产品参数中所提供的噪音数据，往往与实际使用中的效果存在一定差距，不可直接以之为准，这主要是由于工业标准测试方法与实际使用环境存在差别所致。

　　1.首先，日常生活中的背景噪音远高于静音室中15dBA的背景噪音。一般城市，非靠近交通干道的居民小区，深夜的背景噪音在30～35dBA之间，而日间则在40～50dBA。

　　2.其次，静音室内壁材料具有吸音、隔音的效果，于进风侧测量无法反映出风扇送出气流产生的声压，而实际使用中用户无法回避。

　　3.再者，风扇单独工作与安装到散热片上的工作噪音差别巨大。有经验的用户都知道：风冷散热器的噪音大部分来自气流高速通过散热鳍片时产生的风噪与摩擦音，而风扇本身的工作噪音只占较小的一部分。多数散热器所标注的噪音也仅是所配风扇单独工作噪音，而非整体工作噪音，厂家没有明确说明则略有误导之嫌。

　　4.此外，实际使用中用户与散热器风扇间的距离一般都在1m以内，如果再考虑到机箱的隔音效果、小房间内的回声等影响，具体情况难以判断。当然，这是任何“标准化”的测试都无法解决的问题，只能建议希望减轻噪音损害的用户不影响使用的同时尽量拉大与噪音源之间的距离，选用隔音效果更好机箱，房间装修时采用吸音材料。

　　因此，为了更加接近用户在实际使用中的状态，秉持着OCER.net一贯的深刻、严谨的原则，我们在进行风冷散热器测试时，订立了一套自己的噪音测试标准：

　　1.环境噪音低于35dBA，即日常生活能够达到的{zd1}声级水平；

　　2.对风冷散热器整体进行测试，如具风扇调速或类似功能则分别测量{zg}与{zd1}转速时的噪音声级；

　　3.风冷散热器平置于橡胶减震垫之上，与声级计距离保持50cm，之间无任何遮蔽物，反向距墙壁（无软性装饰材料）50cm，另两侧距墙壁3m以上；

　　采用此套标准可以保证：用户实际使用中，只要不发生共振、异物阻塞等特殊情况，所需忍受的噪音声级{zg}水品不超过测量值。尽量不对读者造成误导——在测试中受到好评，实际使用却令人失望，甚至难以忍受。

　　建立自己的标准是一回事，风扇标注的噪音参数也还有其意义所在——虽然与实际使用情况存在一定差别，但仍可作为参考数据，值得注意。

　　根据经验：

　　标称噪音低于27dBA的风扇，均可归入静音之列；标称噪音27～33dBA的风扇，勉强可算“安静”，但无法忽视其存在；标称噪音33～40dBA的风扇，单独工作已经令人感到嘈吵，配合散热片后更甚；标称噪音在40dBA之上的风扇，一般为强劲的“暴力”扇，本身工作噪音已不容小觑，搭配散热片后长期使用{jd1}是对人耳忍耐限度的挑战。

功率：

　　功率是风扇重要的性能指标之一，变相体现了风扇的性能。

　　功率即风扇单位时间内所消耗的能量（电能），单位为W-瓦。正如关心“廉颇老矣”时，会询问“尚能饭否”，能“吃”的风扇往往也有更强劲的性能。功率从另外一个角度体现了风扇的性能。常见的直流无刷风扇产品上通常不会直接标明功率，而是标注额定工作电压与{zd0}电流，将两个数值相乘即可得到风扇额定电压下的{zd0}功率。

　　相关元素：

　　风扇的输入功率可划分为有用功率与无用功率两部分。有用功率即最终驱动扇叶转动的功率，称作输入轴功；无用功率则包括元件电阻损耗、机械摩擦损耗及振动损耗等。有用功率与消耗总功率的比值即风扇的能量转换效率，自然是越高越好^_^。

　　除风扇能量转换效率外，还有一类重要的风扇效率，即输入轴功转换为流体（空气）动能的效率。常用的有3种考察方式：

　　全压效率＝输出全压流功/输入轴功x 100％；

　　静压效率＝输出静压流功/输入轴功x 100％；

　　水力效率＝实际全扬程/理想全扬程 x 100％；

　　3种风扇效率分别与{zd0}风量、{zd0}静压及实际工作点密切相关，是检验风扇设计改进成果的重要指标。

　　以输出全压流功率为例，设风扇出风口各点风速均等，则有如下公式：

　　输出全压流功率＝1/2 x m/t x V^2＝1/2 x (S x V x ρ) x V^2＝1/2 x Q x ρ x V^2＝1/2 x S xρ x V^3＝1/2 x ρ x Q^3/S^2；

　　其中：m/t为单位时间内带动空气的质量，V为风速，S为出风口面积，ρ为空气密度，Q为风量。

　　如果考虑到出风口各点的不同风速，则要以V为变量，S为微元，根据1/2 x S x ρ x V^3公式在出风口平面上计算曲面积分，分析较为复杂，此处不进行详细讨论。只要根据上述公式对风扇功率与风速、风量的数量级关系有所了解，就达到了目的。

　　风扇设计确定后，全压效率确定，若能量转换效率恒定，从上面公式可以看到：出风面积固定后，功率与风速（风量）的3次方同步增长；相同风量的风扇，过风面积越大，功率越小。因此，功率主要取决于风量与尺寸规格。功率会随着风量（风速）的增大急剧增加，增大口径则有利于控制功率。

　　无用功率主要取决于元件、材料的选择及设计上对摩擦、振动等的控制。元件电阻损耗是各种电气设备中不可避免的，只能通过提高元件选材规格尽量控制。要减少振动、摩擦等损耗，风扇的轴承是重点所在，厂家会在设计过程中花费大量精力进行研究与开发。可以说，对无用功率的控制、风扇效率的提高是厂家技术实力与产品用料品质的重要体现。通常而言，风扇性能越强，即输出全压流功率、输出静压流功率、理想全扬程越大（全部提高或某一、两项提高都是性能提升的表现），总功率自然水涨船高。相同规格与设计的风扇，简单的比较标称功率大小就可以明显的判断出性能强弱；相同性能的风扇，输入功率越小则说明设计、用料越优秀。

　　选择风扇时，除了通过功率判断性能外，还要注意较大功率风扇对供电方式的特殊要求，以免无法正常使用。

　　一般而言，额定电压12V的直流风扇（计算机中使用的散热风扇大多属于此类），普通产品{zd0}电流不超过0.5A，各种主板都可负担；而大于此数值的，则由于主板设计原因，可能在部分主板上无法正常使用，建议采用外接电源；{zd0}电流超过1A的，一般主板都无法正常驱动，多直接采用大4pin接口供电。各种“暴力”风扇的功率都不可小觑，选购时应注意供电方式，适当搭配转接线。常见的6cm“暴力”风扇，{zd0}电流都在0.5A以上，8cm“暴力”风扇{zd0}电流则全面超过0.8A，1A以上也属“正常”。