采用风扇进行强制风冷：将空气吹入还是抽出？

尽管设计者通常喜欢使用非强制型自然对流冷却，但许多电路板、机箱、系统和装置无法通过这种简单的冷却方法得到充分冷却。相反，通常需要一个或多个风扇来迫使空气以已知的体积和速度吹过外壳或机箱，以达到发热元件和系统所需的散热效果。

关于如何计算为保持发热和温度在最大允许范围内而所需的气流，以及如何确定提供这些气流所需的风扇大小，并不缺乏良好、清晰、实用的应用说明（参考文献 1 至 3）。这种决定不仅仅涉及到所需的气体流量和速率。它还包括是否需要使用较大风量的风扇，如 CUI Devices 的 CFM-4010V-070-273。这是一款 40×40 mm、风量为每分钟 8 立方英尺（CFM）的风扇（图 1，左），或两个轮廓相同、外观相似、但每个都有大约一半额定 CFM (4.22CFM) 的低风量风扇，如 CUI Devices CFM-4010C-050-195（图 1，右）。

图 1：这两款风扇采用相同的矩形尺寸和整体外观，但左侧风扇的风量为 8 CFM，而右侧较纤细风扇的风量约 4.22 CFM。（图片来源：CUI Devices）

较小的风扇可以平行（并排）使用，以增加气流量，或以串联（的方式提高压力气流从一个通往另一个）。流量和压力是相关的，因为冷却空气在气压作用下会穿过气流路径上的障碍。

正压还是负压？

此时有一个明显的问题：为实现最佳气流路径，是用风扇把新鲜空气吹入设备（正压），还是把风扇置于排气侧，把受热空气抽出来（负压）（图 2）？

图 2：从理论上讲，首选气流路径应该是从前到后、从下到上，但许多实际设计和安装并非如此简单。（图片来源：voltcave.com）

这个问题似乎很简单，且应该有一个简单答案。无论选择哪种方法，气流模式应该是一样的。换句话说，仅仅通过看一张使用烟雾轨迹拍摄的气流图片就能知道使用的是哪种方法吗？

然而事实证明，与大多数工程问题一样，这个不大的问题没有简单答案。相反，我们有两个有点矛盾的答案：

1. 这真的不重要
2. 这取决于环境和应用的具体情况

跟着玩家走

我对采用风扇进行强制风冷做了一些研究，令人惊讶的是，在正式的学术期刊中没有发现有用的东西，甚至在不太正式的学生论文和项目中也是如此。我所发现的是，许多游戏玩家和电脑超频人士已经调查了这个问题（见参考文献 4 至 13）。

这并不奇怪，因为这些发烧友倾向于在时钟速度方面大力提升系统，这会增大发热（在此忽略他们使用液冷方法）。他们的报告和博客内容涵盖各种最新提出的猜测和一些实际测试，他们的系统有一些有趣的属性：

• 他们的系统通常是自攒的独立机器，而非安装在机架上或封闭在机柜中机器。
• 他们的系统不像具有较高产量的传统系统那样关注成本因素。
• 他们的系统会得到婴儿般精心维护。
• 这些系统的机箱周围有多个位置可供风扇吹入和抽出空气，将冷却空气直接吹入他们认为最需要冷却的机箱内部位置，或者从该位置把空气直接抽出（图 3）。

图 3：游戏电脑功耗大，需要进行大量的冷却。游戏电脑通过在其周围安装多个风扇，最大限度地引导气流，一些风扇用于将空气吹入，而另一些则将空气抽出。（图片来源：Appuals.com）

相比之下，许多按标准生产的商业机器通常只限于在一侧或两个相对的侧面安装风扇，并且是机架式安装或置于封闭机箱内。

将气流吹入和抽出的区别

为什么吹入和抽出很重要？这不仅仅是由于气流路径或有效性，而主要是因为风扇过滤器和叶片上聚集了灰尘。根据风扇和气流路径的布局，当空气在前部被风扇出入时，灰尘会在很大程度上积聚在过滤器滤网上，而在扇叶上则相对较少。这会导致气流减少，从由于扇叶边缘的一些灰尘造成百分之几的气流减少，到滤网被堵塞造成两位的气流数减少；幸运的是，在大多数设计中，滤网是相对容易拆卸和清洁的。

相比之下，如果风扇位于排气口并将空气抽出，灰尘将更有可能积聚在内部组件上，因为进气侧没有过滤器。这些积聚的灰尘在组件上好像是形成了一张绝缘毯，增大了组件和流经空气之间的热阻抗，从而降低了气流冷却效果。这种情况更加复杂，因为常见的电脑或产品的机箱可能会有许多小开孔、裂缝和缝隙，风扇会通过这些部位吸入灰尘。

一些喜欢用排风扇抽风的玩家试图通过在电脑机箱周围的进气位置增加过滤器来解决灰尘问题，但机箱中的许多小开口会使这种方法没有任何效果。另一个问题是，如果把空气吹入而非受抽出，会在一些较大部件后面形成局部“真空区”，从而降低这些地方的冷却效果。

相比之下，如果风扇将过滤后的空气吹入，内部组件将保持清洁。另一方面，如果风扇将空气吹入，就会给组件增加额外的热负荷，将空气抽出则不会。这个世界充满困惑和禁忌！

我的下一个想法是：既然现在有许多可用的流体动力学计算 (CFD) 建模包，为什么不用一个来模拟吹入和抽出气流的情况呢（图 4）？

图 4：利用 CFD 模型，可以详细分析气流和由此产生的温度情况，但它似乎不能解决吹入/抽出空气的问题。（图片来源：SEACAD Technologies）

这似乎很合乎逻辑，但在查看几十个相关的分析时，我发现没有任何人做了这项工作并发表其结果。甚至热建模和冷却应用的供应商们也没有提供任何关于这个主题的内容，这让人非常吃惊。

吹入和抽出问题以及随后我对答案的搜索过程使我得出三个结论：

• 首先，在气流吹入和抽出方面，可将风扇置于任何有意义的位置，除非有强有力的证据证明一种方法优于另一种方法，因为没有确定的通用答案。

• 第二，有人可能寻求资助来研究这个问题：在某个地方肯定会有人支持此类研究的。这可能是热建模 CFD 供应商、风扇供应商，或者也许是国防部（在军事领域冷却是一个非常大的问题）。

• 第三，考虑像许多游戏玩家那样，如果可能的话，在气流路径的两端都安装风扇：一个风扇用来吹入空气，另一个用来将空气抽出。这样，就不会担心你的选择是否正确，而且还能同时增加气流、加强冷却。而且也不必担心增大噪音：两个风扇的总噪音不会被视作单个风扇噪音的两倍，因为噪音只增加了 3 分贝 (dB)，几乎察觉不出来。这在许多方面都是一个双赢解决方案。

结语

在许多设计中都需要风扇，以提供比自然对流更多的强制风冷气流。除了确定风扇的尺寸以获得足够多的气流外，还需考虑风扇的安装位置。最后，是否使用风扇将空气吹入机箱或者穿过电路板与将空气抽出相比，仍然是一个复杂的问题，需要权衡利弊，而且有些还不明确。

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直流风扇运行优化的重要参数

https://www.digikey.com/en/articles/important-parameters-for-optimizing-dc-fan-operation

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https://www.digikey.com/en/articles/selecting-a-fan

比较轴流风扇和离心风扇

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https://www.digikey.com/en/articles/an-introduction-to-thermal-management

如何保持低温：散热器的选择和应用基础

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-stay-cool-the-basics-of-heat-sink-selection

参考文献

1. CUI Devices，进行强制风冷时风扇选择的重要注意事项
2. CUI Devices，用风扇进行热管理 – 超乎想象的考虑事项
3. CUI Devices，了解选择合适直流风扇的气流基础知识
4. Kitguru，风扇配置：重要吗？测试吹入、抽出、吹入/抽出
5. Overclock.net，将气流吹过散热器鳍片，还是把气流从散热器鳍片上抽走？
6. Tom’s Hardware，液冷 - 应该把气流吹入进还是抽出机箱？
7. Tech Radar，让 Corsair 的风扇和电脑机箱专家为您揭秘电脑冷却问题
8. Ars Technica，将气流吹入和抽出之区别
9. How-to Geek，如何管理您的电脑风扇以实现最佳的气流和冷却
10. Smart Buyer，电脑冷却：如何安装电脑机箱的风扇
11. Quora，CPU 冷却的风扇方向有区别吗？
12. Otosection，电脑机箱气流：什么是正压和负压
13. Appuals，如何优化和维持游戏电脑的正压气流