散热风扇

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散热扇（Computer fan）或散热风扇是冷却电脑机箱的风扇，可以在机箱内或外，会将较冷的空气带到机箱内部，将内部较热的空气排出，让空气通过散热片冷却其他零件。电脑中常用轴流扇，有时用离心式风扇。散热扇有一些标准尺寸，会用3针或4针的风扇电子连接器供电控制。近年除了改进了噪音与耗电等基本功能外，还演变出造型多样且有灯光效果的散热扇。

## 用风扇作为电脑散热方式

最早期的个人电脑用自然对流（无动力制冷）散热，现代的电脑则用更有效方法的散热。为了冷却当中的零件，风扇会将电脑中的热空气排出，并将冷空气抽入电脑中。若是整合在零件上的风扇，一般会结合散热片，以增加零件散热时和空气接触的面积，增加散热效果。不一定会控制风扇。电脑的BIOS（基本输入／输出系统）会控制电脑内建风扇的速度。使用者可透过额外的冷却模组补充此功能，也可加上手动风扇控制器及改变风扇转速的旋钮。

在IBM PC兼容机市场，电脑的电源供应器（PSU）都会用排风扇来排出电源供应器中的热空气。中央处理器的主动散热零件最早是在Intel 80486出现的，在1997年开始成为所有台式电脑的标准，自从2000年代后期使用奔腾4后，其机箱风扇（Chassis fan）多半会是排风扇，会放在机箱的后方，可以将热空气排到机箱外，有些也会有一个选配的进气风扇，在前方将冷空气抽入机箱内。

## 应用

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### 机壳风扇

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风扇可以将机壳中的空气流通。若机内温度过高，机内的零件散热效果会变差。机壳风扇可以是进气风扇，将外界空气抽进机壳内部的（有些可能会装在硬盘架上），也可以是排气扇，将温热的空气从上方或后方排出机壳外部。有些ATX规格的机壳在机壳左方有一个或是多个的通风孔及固定孔，可以装一个或是多个风扇，直接将冷空气吹向主板及扩充卡（电脑内最大的发热源）。

标准轴向机壳风扇的宽度或长度多半是40, 60, 80, 92, 120, 140, 200或220毫米。机壳风扇是电脑上最容易让人看到的散热型式，因此有一些装饰用的风扇，上面可以装设发光二极管、也有些材质是紫外线反应性的塑胶，或是使用装饰格栅。若是进气风扇，会装设空气滤清器，避免灰尘进入机壳内部卡住内部零件。散热片特别容易受到灰尘卡住的影响，因为灰尘导热不好，会让散热片的散热效果迅速变差。

### 电源供应器风扇

电源供应器（PSU）多半都会有风扇，少有例外，不过这个风扇不是用来作机壳散热用。电源供应器的进气温度越高，电源供应器也就越热。当电源供应器的温度上升，其内部零件的电导率就会下降，因此电源供应器在供电过程中会将更多的能量转换为热能，使温度进一步上升。温度上升以及效率下降的恶性循环可能会使电源供应器过热，也有可能会因散热扇转的够快，使得温度较电源供应器低的空气可以帮电源供应器冷却。有些电源供应器会放在电脑的下方，有独立的进气及排气通道，进气通道可能还会加上防尘滤网。

### 中央处理器风扇

中央处理器风扇是用来冷却中央处理器（CPU）散热片用的风扇。针对集中性的热源（例如大型集成电路），用散热片可以有效的散热，配合风扇效果会更好。若没有用散热片，只用风扇可能无法避免芯片过热。

### 显卡风扇

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显卡风扇是用来冷却显卡上的图形处理器或内存，早期显卡功耗较低，不一定需要风扇冷却，但现代大部分支援3D绘图，或游戏专用显卡就要独立风扇。有些高功耗的显卡产生的热量甚至比中央处理器高（最高可到289瓦），因此有效的散热格外重要。2010年起的显卡可以用轴流扇或离心扇散热。

### 芯片组风扇

芯片组风扇为主板芯片组的北桥模组散热片散热。若系统总线有显著的超频，比正常情形产生的热还要多，会需要芯片组风扇散热，一般应用下，不需要芯片组的风扇。现在许多芯片组的功能都已整合到中央处理器中，其芯片组的重要性已下降，其发热量也随之降低。

### 硬盘冷却

冷却用的风扇可以装在硬盘附近，或装在风扇上。硬盘的发热量较大，而且是对温度敏感的设备，不能在过高温度下操作。硬盘在大部分情形下，用自然冷却即可散热，不过有些时候会需要散热扇，像是以下这些条件。

- 高转速，发热量较大的硬盘。2011年较便宜的硬盘可以转到7,200 RPM，也有10,000到15,000 RPM的硬盘，但发热量就更大。
- 大型或密集的硬盘阵列（包括服务器系统，其硬盘多是密集安装）

也有一些硬盘因结构或位置关系，一定要用风扇散热。

### 多用途风扇

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壳体风扇可以装在外壳上的散热器上，同步运作来让冷却装置中的工质冷却，并且让机壳通风。在笔记型电脑中，会有一个风扇帮散热片散热，而散热片和CPU、GPU之间是用热导管相连。在机架安装的服务器内，会有一排风扇产生从前到后的气流，气流由被动管道或是导流罩引导到零件的散热片。

### 风扇的其他用途

风扇也可以用在以下的用途中，不过比较少见：

- 水冷散热器会传送许多的热，而散热器的风扇有较大的静压（和机壳风扇强调高流量的特点不同），可以散热。
- 笔记型电脑的机壳没有大开口可以让暖空气排出，因此笔记型电脑可以放在一个冷却器内（类似一个有内置风扇的托盘），让机壳可以冷却。
- 一些高级的电脑（例如服务器），或是需要高可靠度，像是SATA/SAS控制器、高速网络控制器（40Gbps Ethernet、InfiniBand）、PCIe网络切换器、协同处理器卡（例如Xeon Phi）、一些FPGA芯片及南桥芯片等，会用散热片以及特制的风扇来散热。这些设备可能是在主板上，也可能是独立的一张机板，例如PCIe扩充卡。
- 扩充槽风扇 – 在PCI或PCI Express扩充槽上的风扇，一般是帮显卡或是其他扩充卡冷却。
- 光驱风扇 – 有些内建光碟烧录器或是DVD烧录器会内建风扇。
- 内存风扇 – 现代的电脑内存发热量已经大到需要用风扇主动冷却，一般会在内存芯片上方装小型风扇。尤其适用于超频或是超电压的应用中，或是内存中有主动逻辑，例如FB-DIMM。不过新的内存使用电压较低，例如电压1.2 V的DDR4 SDRAM，比较不需要额外的散热。多半内存的位置会接近CPU，因此也会因为CPU的风扇而让空气流动，就算流动的空气是温的，仍有散热效果。若主CPU是水冷的，就没有气流可以让内存散热，因此会需要风扇。不大部分的内存模组都没有温度监控功能。
- 高功率的电压调节模组（VRM）一般会用切换式电源供应器，因为功率损失，会产生较多的热，主要是来自功率MOSFET及电感零件。若在超频应用的情形，更需要配合散热片主动散热。大部分的MOSFET在高温上可以正常运作，但效率较低，且寿命会受到影响。电解电容若邻近热源，其寿命会显著下降，而且其功率损失会渐渐变大，最后会不可逆的失效。

## 特性

散热扇需要有低压力，高空气流量，大部分的电脑散热扇都会用轴流扇、离心扇或是横流风扇。其中有两个重要的功能规格，一个是可以带动的气流，会用立方英尺每分钟（CFM）表示，另一个则是静压。若是家用或是办公室电脑的场合，风扇的音量也很重要，一般会用分贝表示，相同CFM的风扇，体积较大的风扇多半会比较安静。

有些玩家、机壳改装者会在风扇上加装彩色的LED灯，也有不同颜色的散热扇。

### 尺寸

散热扇的尺寸以及固定孔的位置需要搭配需安装风扇的设备。一般常用方形外框的风扇，不过有时也会使用圆形外框的风扇，有些圆形外框的风扇其固定孔可以配合较小尺寸的方形外框的风扇。尺寸的单位多半是mm，其单位是风扇外框的尺寸，不是固定孔之间的距离。常见的尺寸有40 mm、60 mm、80 mm、92 mm、120 mm、180 mm、200 mm及140 mm，有时也有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大小的风扇。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的风扇主要是用在比较需要冷却能力的场合，例如电竞用电脑，或是为了噪音考量，风扇转速较低的场合。较大型的风扇一般是冷却机壳、有大型散热片的CPU以及ATX电源供应器。方形外框，尺寸80 mm及92 mm的风扇是用在比较不需要冷却能力的场合，或是无法使用较大风扇的应用。较小型的风扇一般是用来冷却有小型散热片的CPU、SFX电源供应器、显卡、北桥芯片等。

风扇的外框尺寸和固定孔尺寸的关系大致如下：

- 外框40mm：固定孔距离32mm。
- 外框50mm：固定孔距离40mm。
- 外框60mm：固定孔距离50mm。
- 外框70mm：固定孔距离60mm。
- 外框80mm：固定孔距离71.5mm。
- 外框92mm：固定孔距离82.5mm。
- 外框120mm：固定孔距离105mm。
- 外框140mm：固定孔距离124.5mm。
- 外框180mm：固定孔距离165mm。
- 外框200mm：固定孔距离154mm。
- 外框220mm：固定孔距离170mm。

### 转速

风扇的转速（单位为每分钟转速，RPM）以及风扇的静压决定了风扇的空气流量。若应用环境不适合太大的噪音，尺寸较大，转速较慢的风扇会比相同空气流量，但尺寸较小，转速较快的风扇要安静。风扇的噪音大约和转速的五次方根成正比，转速降低一半，噪音可以减少15分贝。较小尺寸轴流扇的最高转速可以到23,000 rpm。

风扇可以配合温度感测器以及电路决定转速，温度不高时降低转速，相较于固定转速的风扇，可以控制转速的风扇噪音较少、寿命较久、功耗也较少。风扇寿命一般是以最大转速在固定环境温度下运转的结果为准。

也有些风扇有速度感测器，可以感测实际的风扇转速，其他设备可以根据风扇转速感测器判断风扇是否正常运转，在异常运转时送出警告讯息。

### 空气压力以及流量

若需要让空气在受限区域中流动（例如在散热器或是散热片的间隙中流动），高静压的风扇会比较有效率。若配合散热片使用，散热扇产生生的静压比空气流量要重要的多。静压的重要程度和风流受到几何限制的程度有关。若散热片的鯺片之间的间隙变小，静压的重要性就会增加。静压的单位一般是mm Hg或mm H2O；空气流量的单位是CFM（每分钟几立方英尺）。

### 轴承种类

风扇中使用的轴承会影响其性能以及噪音。散热扇使用的轴承主要有以下几种：

- 套筒轴承中有两面有油或是油脂润滑的表面，两面之间互相接触摩擦进行相对运动。表面多半会用多孔的烧结轴套，有自我润滑的作用，只需偶尔保养或更换。滑动轴承在高温下其接触表面容易磨损，而且油容易干掉，最终会导致轴承失效，因此高温下较不耐用。不过若温度较低时，滑动轴承的寿命大致和滚珠轴承相近（滑动轴承寿命可能比较短一点）。滑动轴承在高温下比较容易失效，若安装位置不是刚好和轴对正，有一些角度偏离，其效果会很差。滑动轴承在50 °C下的典型寿命是30,000小时。使用滑动轴承的风扇会比使用滚珠轴承的风扇要便宜，低速下，在其生命周期初期时会比较安静，但之后噪音可能会变大。
- 来福轴承（Rifle bearings）类似套筒轴承，比套筒轴承安静，其寿命接近滚珠轴承。螺旋槽轴承，可以从油槽中泵取润滑油。因此可以在轴水平的情形下安全的安装，其润滑油会润滑轴的上方，这是和套筒轴承不同的地方。油泵也可以提供轴足够的润滑，降低噪音，因此可以延长寿命。
- 液态轴承，也称为流体动力轴承（Fluid Dynamic Bearing、FDB）的优点是在运作时几乎无声，其寿命较长（不过仍比滚珠轴承短），其缺点是价格昂贵。
- 滚珠轴承的价格比液态轴承高，但滚珠轴承没有像套筒轴承安装方向的问题，在高温时更加耐用，在高转速下比套筒轴承安静。滚珠轴承在50 °C的典型寿命可以超过60,000小时。
- 磁性轴承（Magnetic bearing）也称磁浮轴承，是由磁力支撑轴承。

### 连接器

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散热扇常用的连接器有以下几种：

Molex KK系列的三脚连接器：Molex连接器可用在风扇连接主板或是其他电路板时的场合。Molex连接器是小型、薄式的长方形母座，在长边外侧有一个识别方向性的锁固机构。针是正方形的，间隔是2.54毫米（0.1吋）。三个针脚分别是参考地点、12 V电源，以及转速表信号。

Molex KK系列的四脚连接器：这是Molex KK系列的延伸款，有四只针脚，方向性及锁固机构和三脚连接器类似。多的一只脚是提供风扇变速控制用的脉冲宽度调变（PWM）信号。

四脚Molex连接器：此连结器是用在风扇直接连接电源供应器的场合。包括二条线（黄色／12 V，黑色／参考地点），接到大的四针公对母Molex连接器。和使用SATA之前的硬盘电源线连接器相同。

Molex PicoBlade系列的三脚连接器

Three-pin Molex connector PicoBlade family

此连结器是用在笔电风扇或是将风扇接到显卡的场合。

戴尔专用的连接器：戴尔专用的连接器是从简单的三脚母座IC连接器为基础,在中间的一侧加上两个tab，另一侧加上锁定tab。其大小及间隔都和标准的三脚母座IC连接器相同。有些会在中间用白色的电线（速度讯号），而标准的Molex三脚连接器中，第三脚是白线，因此会有相容性的问题。

## 其他方案

有些应用因为噪音、可靠度或是环境因素，无法使用风扇，有一些其他的散热方式。若只保留电源供应器将热风排到机壳以外的虱扇，其他的风扇都不要，也有一些帮助。

散热系统可以设计只用被动冷却来散热，这样可以减少噪音，以及易损坏的可动件，这些作法有：

- 自然对流冷却：若设计得当，正确安装，散热片够大，只用自然对流的散热量可以到100 W。
- 加装热导管，让热排到机壳外面。
- 降电压或是降频来降低发热量。
- 电脑硬件冷却，将电脑置于非导电性的对流流体中，可以有良好的对流冷却，而且可以避免潮湿及水，也不需要散热片或是风扇。需要考量流体和主板及CPU的黏胶及密封材质的相容性。这种对策会用在一些特殊场合中，例如放在野外的无线模组。

其他冷却方式有

- 水冷
- 矿物油冷却
- 液氮
- 制冷，例如透过热电效应设备
- 离子风冷却是正在研究中的技术。是用两个电极之间的空气电离来移除空气。这可以取代风扇，而且没有活动件，噪音也较小

## 外部链接

- 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