关于风扇的基本知识和改进建议

风冷散热器相关技术浅析之风扇篇现在使用的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。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？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：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 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：相关元素：与底面尺寸息息相关的数据为过风面积（风扇底面积减去外框与电机占据部分所占面积的结果） ，进一步则影响到风扇的重要性能指标“风量”。拥有更大的底面尺寸，一般就可以获得更大的过风面积，在风速相当的情况下，将获得更大的风量；反过来考虑，就可以降低风速却不减少风量，采用“大口径”风扇也是目前风冷散热器发展的大趋势之一。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，将在后文中相关部分分别说明。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，那幺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幺简单。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最大值，即风扇入风口与出风口之间无压强差状态下的风量（最大风量） ，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（最大静压） 。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，最终除了记录最大风量与最大静压（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，选择风扇时仅以最大风量（Qa）与最大静压（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、电子组件寿命三者。轴承寿命根据不同的设计类型与工作强度，在 1000300000 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。电子组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组件寿命。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组件发热也就越多，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，加快电子组件老化。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，令半导体组件工作点漂移。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，产生静电放电损坏组件与设备。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：SILlog(I/I0)（Bel/贝尔）10 x log(I/ I0)（dB/分贝） ；其中 I 为测量声强，I010(-12) W/m2 为最小可闻声强。声压级数：Llog(p2/p02) （Bel/贝尔）10 x log(p2/p02)（dB/分贝） ；其中 p 为测量声压，p0 为最小可闻声压，单位：N/m2。由上式可见，0dB 是人耳听力的阈值。 120-130dB 是一般人能承受的最大声音。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/p210(120/20)/10(30/20)106/101.5104.531622.78，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，或完全记录下工作噪音，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绝对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 3035dBA 之间，而日间则在 4050dBA。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