風扇驅動的強制空氣散熱：導入或排出空氣？

雖然設計人員通常偏好使用非強制的自然對流散熱，但許多電路板、機殼、系統和裝設並無法透過這個簡易的作法獲得充分散熱相反地，通常需要一個或多個風扇，以已知的風量和速度，強制讓空氣通過機箱或機殼，以便高溫元件和系統獲得所需的散熱。

目前已經有不少優良、清晰且實用的應用說明，講解如何計算所需的氣流，以將熱能和溫度保持在允許的最大值內，以及如何確定風扇的大小，以提供所需氣流 (參考資料 1 至 3)。該這當中的決定因素不只有所需氣流量與速率而已。還包括是否使用更大風量的風扇，如 CUI Devices 的 CFM-4010V-070-273 40 × 40 mm、8 CFM 單元 (圖 1 左側)；或是使用兩個相同實體輪廓和類似外型的較低風量風扇，但各風扇的 CFM 額定值大約只有一半 (4.22 CFM)，例如 CUI Devices 的 CFM-4010C-050-195 (圖 1 右側)。

圖 1：這兩個風扇具有相同的矩形尺寸和整體外型，但左側的風扇提供 8 CFM，而右側較薄的風扇則提供約 4.22 CFM。(圖片來源：CUI Devices)

較小的風扇可以並聯 (並排) 使用，以增加氣流量，也可採用串聯排列 (一個通向另一個) 以提升風壓。風量和風壓彼此相關，因為風壓會推動大量冷卻空氣，突破氣流路徑的阻抗。

正壓還是負壓？

在此會出現一個明顯的問題：該使用風扇將新鮮空氣導入裝置內 (正壓)，還是將風扇放在排氣側，將高溫空氣排出 (負壓) 以達到最佳氣流路徑 (圖2) 更好？

圖 2：理論上來說，首選的氣流路線應該是從前到後，從下到上，但現實中的許多設計和裝設並不允許如此簡單的作法。(圖片來源：voltcave.com)

這似乎是個相當簡單的問題，應該有簡單的答案。無論選擇哪種作法，氣流模式都應相同。換句話說，你能透過煙霧軌跡下拍攝的氣流照片來判斷使用了哪種配置嗎？

然而，與大多數工程問題一樣，這個問題也沒有簡單的答案，倒是有兩個彼此稍有矛盾的答案：

1. 真的無關緊要
2. 取決於情況和應用細節

跟隨玩家的腳步

我針對採用風扇的強制空氣散熱做了點研究，令我驚訝的是，我在正式的學術期刊上，甚至是不太正式的學生論文和專案中，都沒有發現有用的資料。但我找到的是，許多遊戲玩家和 PC 超頻玩家 (其實還不少)，已經針對此問題作了不少調查 (參考資料 4 至 13)。

這其實並不奇怪，因為這些熱衷人士傾向於在時脈速度方面極力挑戰系統極限，因此散熱需求會隨之增加 (在此將忽略水冷的使用)。他們的報告和部落格內容涵蓋進一步的猜測一路到一些實際測試，而且他們的系統還有一些有趣的屬性：

• 通常都是自製的獨立式單元，而非安裝在機架或封閉式機櫃中。
• 不像大量生產用的傳統系統一樣如此考量成本因素。
• 受到細心維護 (彷彿嬰兒一般)。
• 在機殼上有多個位置可擺放風扇，以便進氣與排氣，將冷卻空氣導入到其認為有需要的內部位置或排出 (圖 3)。

圖 3：電玩 PC 會消耗大量功率，因此需要更多散熱。通常會在週邊裝置附近擺放多個風扇，有些導入空氣，有些則排氣，藉此讓氣流發揮最大化並加以導向。(圖片來源：Appuals.com)

相比之下，許多標準生產的商業設備通常僅會在單一面或兩個相對面上安裝風扇，而且是安裝在機架上或放置在封閉機櫃中。

導入與排出的差異

導入與排出的差異有何重要？這不僅是因為氣流路徑或有效性的考量，更是基於一個相當實際的理由，就是風扇灰塵濾網與葉片的灰塵堆積。根據風扇的實體排列和氣流路徑，當空氣被前端的風扇推入時，灰塵大多數會積聚在過濾器的濾網上，較少堆積在葉片上。結果就會降低氣流，從當葉片邊緣有些灰塵時會降低幾百分比，但若濾網阻塞，降低程度就會上升到兩位數。幸好，絕大多數的設計，濾網都可輕鬆拆除並清潔。

相反地，如果風扇位於排氣口並排出空氣，灰塵則更有可能積聚在內部元件上，因為進氣側沒有過濾器。積聚情況會在元件上形成絕緣層，並增加元件和流通空氣之間的熱阻，進而降低氣流的散熱效率。因為典型的電腦機箱或產品機殼可能會有許多小開口、裂縫和細縫，讓風扇藉此吸入灰塵，因此情況會更加複雜。

有些玩家偏好排氣扇來排出空氣，且會在電腦機殼上添加濾網來解決灰塵問題，但是機箱上的許多小開口會讓這些努力徒勞無功。還有另一個疑慮就是，排出空氣而非導入，會在一些較大的元件背後產生局部的「真空區」，因此這些位置就沒有散熱效果。

相反地，如果風扇導入空氣前會先經過過濾，內部元件就可保持清潔。另一方面，如果風扇導入空氣，則會對元件增加額外的熱負荷，但如果空氣排出，則不會增加元件的熱負荷。這是充滿困惑和禁忌的世界！

我接著想到的是：為什麼不使用市面上多種計算流體力學 (CFD) 的建模套裝之一，來建立空氣導入與排出的氣流模型呢 (圖 4)？

圖 4：CFD 模型可以詳細分析氣流和後續的溫度情況，但似乎還是無法解決導入／排出的問題。(圖片來源： SEACAD Technologies)

這似乎合乎邏輯，但在查看幾十份相關分析後，我找不到任何人這樣做並發表結果。即使是熱建模和散熱應用的廠商也沒有提供這類主題的資料，這相當令人驚訝。

這個導入與排出的問題，以及我後續的求解過程，可歸納出三個結論：

• 首先，在思考導入與排出時，只要是合乎邏輯的實體擺放就可以，因為目前沒有一個決定性的通用答案，除非你有強力證據顯示某一個作法比另一個好。

• 其次，只要有人尋求資金來研究此問題，就會有不錯的進展：勢必某個地方會有人願意支持這類研究。可能是熱建模 CFD 廠商、風扇供應商，或者可能是國防部 (散熱對軍方來說是非常重大的問題)。

• 第三，可行的話，跟進許多玩家的腳步，在氣流路徑的兩邊都擺上風扇，：一個導入，另一個排出。如此一來，就不用擔心是否做出正確的決定，不僅可提升氣流，還可達到散熱效果。此外您也不必擔心噪音增加：兩個風扇的總噪音，聽起來並非一個風扇的噪音變成兩倍大，因為增加的噪音只有 3 dB，幾乎感受不到。這對許多情況來說都是雙贏局面。

結論

許多設計都需要風扇來強制提供更多散熱氣流，而非單純使用自然對流而已。除了要決定風扇大小以提供足夠的氣流外，還要考量風扇的放置。最後，無論是使用風扇將空氣導入機箱中，或放在電路板的對面將空氣排出，這個複雜的問題背後需有諸多權衡，也沒有一定的標準答案。

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讓 DC 風扇達到最佳化運作的重要參數

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如何保持低溫：散熱片挑選與應用的基本知識

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參考資料

1. CUI Devices，《挑選風扇達到強制空氣散熱時的重要考量》
2. CUI Devices，《熱管理與風扇 - 要考慮的比你想的更多》
3. CUI Devices，《瞭解氣流的基礎知識以便正確挑選 DC 風扇》
4. Kitguru，《風扇配置：重要嗎？導入與排出的比較測試》
5. Overclock.net，《在散熱器鰭片上導入或排出空氣？》
6. Toms Hardware，《水冷 - 應該導入空氣到機殼中或排出？》
7. Tech Radar，《用 Corsair 風扇與 PC 機殼專家知識破解 PC 散熱迷思》
8. Ars Technica，《導入或排出式散熱》
9. How-to Geek，《如何管理 PC 風扇以達到最佳化氣流與散熱》
10. Smart Buyer，《PC 散熱：如何設置電腦機殼風扇》
11. Quora，《CPU 散熱風扇的風向有差嗎？》
12. Otosection，《電腦機殼氣流的正壓與負壓》
13. Appuals，《如何在電競 PC 中達到氣流的最佳化與正壓》