散熱風扇

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散熱扇（Computer fan）或散熱風扇是冷卻電腦機箱的風扇，可以在機箱內或外，會將較冷的空氣帶到機箱內部，將內部較熱的空氣排出，讓空氣通過散熱片冷卻其他零件。電腦中常用軸流扇，有時用離心式風扇。散熱扇有一些標準尺寸，會用3針或4針的風扇電子連接器供電控制。近年除了改進了噪音與耗電等基本功能外，還演變出造型多樣且有燈光效果的散熱扇。

## 用風扇作為電腦散熱方式

最早期的個人電腦用自然對流（無動力製冷）散熱，現代的電腦則用更有效方法的散熱。為了冷卻當中的零件，風扇會將電腦中的熱空氣排出，並將冷空氣抽入電腦中。若是整合在零件上的風扇，一般會結合散熱片，以增加零件散熱時和空氣接觸的面積，增加散熱效果。不一定會控制風扇。電腦的BIOS（基本輸入／輸出系統）會控制電腦內建風扇的速度。使用者可透過額外的冷卻模組補充此功能，也可加上手動風扇控制器及改變風扇轉速的旋鈕。

在IBM PC兼容機市場，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零件最早是在Intel 80486出現的，在1997年開始成為所有桌上型電腦的標準，自從2000年代後期使用奔騰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。

## 應用

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### 機殼風扇

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風扇可以將機殼中的空氣流通。若機內溫度過高，機內的零件散熱效果會變差。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及擴充卡（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毫米。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體、也有些材質是紫外綫反應性的塑膠，或是使用裝飾格柵。若是進氣風扇，會裝設空氣濾清器，避免灰塵進入機殼內部卡住內部零件。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

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，其內部零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。

### 中央處理器風扇

中央處理器風扇是用來冷卻中央處理器（CPU）散熱片用的風扇。針對集中性的熱源（例如大型積體電路），用散熱片可以有效的散熱，配合風扇效果會更好。若沒有用散熱片，只用風扇可能無法避免晶片過熱。

### 顯卡風扇

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顯卡風扇是用來冷卻顯卡上的圖形處理器或記憶體，早期顯卡功耗較低，不一定需要風扇冷卻，但現代大部份支援3D繪圖，或遊戲專用顯卡就要獨立風扇。有些高功耗的顯卡產生的熱量甚至比中央處理器高（最高可到289瓦），因此有效的散熱格外重要。2010年起的顯卡可以用軸流扇或離心扇散熱。

### 晶片組風扇

晶片組風扇為主機板晶片組的北橋模組散熱片散熱。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

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扇，像是以下這些條件。

- 高轉速，發熱量較大的硬碟。2011年較便宜的硬碟可以轉到7,200 RPM，也有10,000到15,000 RPM的硬碟，但發熱量就更大。
- 大型或密集的硬碟陣列（包括伺服器系統，其硬碟多是密集安裝）

也有一些硬碟因結構或位置關係，一定要用風扇散熱。

### 多用途風扇

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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

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PCI或PCI Express擴充槽上的風扇，一般是幫顯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，或是記憶體中有主動邏輯，例如FB-DIMM。不過新的記憶體使用電壓較低，例如電壓1.2 V的DDR4 SDRAM，比較不需要額外的散熱。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及電感零件。若在超頻應用的情形，更需要配合散熱片主動散熱。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。

## 特性

散熱扇需要有低壓力，高空氣流量，大部份的電腦散熱扇都會用軸流扇、離心扇或是橫流風扇。其中有兩個重要的功能規格，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。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扇。

### 尺寸

散熱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、180 mm、200 mm及140 mm，有時也有8 mm、17 mm、 20 mm、 25 mm、30 mm、35 mm、38 mm、 45 mm、50 mm、70 mm、 200 mm、220 mm、250 mm及360 mm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180mm：固定孔距離165mm。
- 外框200mm：固定孔距離154mm。
- 外框220mm：固定孔距離170mm。

### 轉速

風扇的轉速（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。較小尺寸軸流扇的最高轉速可以到23,000 rpm。

風扇可以配合溫度感測器以及電路決定轉速，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噪音較少、壽命較久、功耗也較少。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

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。靜壓的單位一般是mm Hg或mm H2O；空氣流量的單位是CFM（每分鐘幾立方英呎）。

### 軸承種類

風扇中使用的軸承會影響其性能以及噪音。散熱扇使用的軸承主要有以下幾種：

- 套筒軸承中有兩面有油或是油脂潤滑的表面，兩面之間互相接觸摩擦進行相對運動。表面多半會用多孔的燒結軸套，有自我潤滑的作用，只需偶爾保養或更換。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）。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。
- 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。螺旋槽軸承，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。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，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（Magnetic bearing）也稱磁浮軸承，是由磁力支撐軸承。

### 連接器

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散熱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2.54毫米（0.1吋）。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，有四隻針腳，方向性及鎖固機構和三腳連接器類似。多的一隻腳是提供風扇變速控制用的脈衝寬度調變（PWM）信號。

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,在中間的一側加上兩個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

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。

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。

其他冷卻方式有

- 水冷
- 礦物油冷卻
- 液氮
- 製冷，例如透過熱電效應設備
- 離子風冷卻是正在研究中的技術。是用兩個電極之間的空氣電離來移除空氣。這可以取代風扇，而且沒有活動件，噪音也較小

## 外部連結

- 4-Wire PWM Controlled Fans Specification v1.3 - Intel
- 3-Wire and 4-Wire Fan Connectors - Intel
- 3-Wire and 4-Wire Fan Pinouts - AllPinouts
- How PC Fans Work (2/3/4-wire) - PCB Heaven
- Why and How to Control (2/3/4-wire) Fan Speed for Cooling Electronic Equipment - Analog Devices
- PWM Fan Controller project - Alan's Electronic Projects