不过即便我们了解风扇在实际使用中的表现,这也不代表风扇就一定适合我们的应用场景。我们经常会面临一些很现实的问题,例如200W功耗的CPU到底需要怎样的风扇才能满足散热需求?显然这个时候光看风扇的工作参数是没有实际意义的。
散热所需要的风量是可以计算出来的首先我们需要明确一点,风扇的那么多参数中,能决定散热能力的只有风量,因此只有当风扇实际提供的风量大于散热需求的时候,我们才可以说风扇满足使用需求。那么我们怎样确定系统需要多高风量的风扇呢?这里其实也是有公式可以计算的,不过在这里我们先来讲解一些与公式有关的参数和条件。
- 1cal等于重量为1g、温度为0℃的水提升1℃时所需的热量;- 1cal约等于4.2J;- 1W的功率工作1秒钟的能量1J;- 空气的定压比热为0.24(cal/g℃)- 温度为25℃、1个标准大气压下的空气,其密度相当于每立方米1.185Kg;- CMM与CFM都是我们常说的风量Q,前者是立方米/分钟,后者是立方英尺/分钟;- 1CMM相当于35.3CFM
在确认上述条件确定后,我们来看这样的公式:
热量(H)=比热(Cp) * 重量(W) * 温升(△Tc)
把上述公式套入到我们的实际使用场景中,热量实际上指的是空气可以带走的热量,比热和重量自然是空气的比热和重量,允许温升则是空气进入到热源前和离开热源时的温度差,也就是进风口与出风口温度差。如果说进风的风量足够大,那就意味这空气可以带走的热量越多,而空气带走的热量与热源的发热速度相匹配时,就相当于可以满足散热需求了。
接下来我们把这个公式套入到前述的条件中,我们就可以知道25℃的空气理论上可以提供怎样的散热效能。空气的重量是密度与体积的乘积,而空气的体积则是通过CMM或CFM也就是我们常说的风量来计算的,因此空气的重量W=Q/60*1185(Q取CMM),这就是每一秒钟的空气重量。在套入到上述的公式和条件并进一步简化后,我们可以得到下面的简式(具体过程大家可以自己推算一下)。
Q = 1.8 * P / △Tc
公式中,P就是我们的热源功率,△Tc就是温差,Q就是计算出来的风量需求。根据这一个公式,我们就可以计算出在一段时间里,为确定功率的热源进行散热时,理论上所需要提供的风量。
然而在这里有一个很容易出现的错误,有些同学会把△Tc直接套用CPU温度与室温的温度差距,为此你会计算出一个极低的风量需求,但事实上这里的△Tc并不是两者的是温差,而是散热系统进风口与出风口的温差,也可以说是热源的允许升温范围。
以常见的240mm冷排水冷散热器为例,当其用在一个200W功率的热源上的时候,如果我们要求冷排进风口与出风口之间的温差不超过10℃,那么此时的△Tc应该取值10℃计算,得出结果大约为36CFM。
实际与计算相差巨大?因为计算出来的只是有效风量然而现在的12cm风扇能提供的最大风量,基本上都远超我们计算出来的数字,60CFM风量以上的产品比比皆是,那为什么还要用2把风扇甚至3把风扇的组合呢?实际上计算出来的数字是一个理论值,属于有效风量。而实际上风扇在工作的时候,所提供的的有效风量是要低于其最大风量的,例如在新风系统中就有一个关键参数叫得风率,就是有效风量与最大风量之间的比值,比值越大新风系统的效能就越高,对于散热系统来说也是一样的。
这里我们就要说到风压的作用了,我们都知道风扇的最大风压和最大风量其实并不能同时出现,当风扇应用到不同的场合时,它会表现出来不同的风压和不同风量,而这里的风压和风量才是有效的数值。
预览var title_text = "雅浚M12风扇P-Q特性曲线";
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var xname = "风量, CFM"; //X轴单位
var yname = ["静压, mmH2O","转速, RPM"]; //Y轴1单位,Y轴2单位(如果有的话)
var leftside = "10%"; //左边空白
var yax = 0; //是否双Y轴
var yminmax = [0, 4.5]; //Y轴最小值最大值,默认全0为自动,全1为自动以最小值数据最小值
var fill = 0; //0-1表示填充透明度
var sn = 8; //坐标轴分割为多少段
var mp = 0; //是否显示最大最小值 0为不显示
var symbolsize = 6; //数据点的大小,0为不显示
var autocolor = 0; //是否自动颜色
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ZHXInit(title_text, subtitle_text, xname, yname, leftside, yax, fill, sn, colors, data_arr, mp, autocolor, yminmax, symbolsize,90);预览var title_text = "猫头鹰NF-F12 2000风扇P-Q特性曲线";
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var data_arr =[["风量","P-Q","冷排阻抗参考","风冷阻抗参考","机箱阻抗参考"],["65.6 ","0.00 ","4.49 ","2.01 ","0.75 "],["59.9 ","0.49 ","3.88 ","1.77 ","0.67 "],["49.4 ","1.17 ","2.85 ","1.36 ","0.53 "],["40.0 ","1.34 ","2.03 ","1.01 ","0.41 "],["29.7 ","1.67 ","1.26 ","0.67 ","0.28 "],["19.7 ","2.50 ","0.65 ","0.38 ","0.17 "],["11.8 ","3.20 ","0.29 ","0.19 ","0.09 "],["0.0 ","4.04 ","0.00 ","0.00 ","0.00 "]]
ZHXInit(title_text, subtitle_text, xname, yname, leftside, yax, fill, sn, colors, data_arr, mp, autocolor, yminmax, symbolsize,90);其实在业内有这样一种说法,那就是“风量是结果,风压是手段”,这个大家可以结合P-Q特征曲线来进行理解。以上图为例,雅浚M12风扇在应用到冷排上面的时候,其实际风压是在1.6mm H2O的水平,实际风量则在35CFM左右,无论是实际风压还是实际风量都会低于其标注的最大值,但这才是此款风扇在实际应用中的表现。
同理猫头鹰的NF-F12风扇最大风量只有65CFM左右,最大风压则达到接近4mm H2O的水平,其应用在冷排上面的时候,所能提供的实际风压与实际风量与雅浚M12其实非常接近,因此两把风扇此时提供的散热效能都非常接近,而实测结果也是如此。
因此即便我们计算出来整个散热系统所需要的风量,那也不是说我们只要看着风量来选择风扇就够了,我们还要考虑风扇的风压是否足以抵抗系统的整体阻抗,让风扇可以提供充足的有效风量,只有当有效风量可以满足使用需求的时候,这款风扇才算是可以满足使用需求。
那么200W的CPU散热到底需要多大风量的风扇?其实这个问题的答案并不是那么容易回答,关键是在于你的散热系统能够为CPU带来多少℃的温差,也就是△Tc的取值是多少。以我们的实际使用经验来说,△Tc的取值范围一般来是8℃到10℃左右,在这里我们不妨直接取8℃,P的取值就看CPU的功耗,200W就按照200W计算,因此按照上述公式计算,200W的CPU进行散热,△Tc在8℃左右,那么其需要的风扇能够提供的有效风量要不低于45CFM。
注意这里说的是所有风扇的总计有效风量,也就是说如果散热系统中包含多把风扇,那每把风扇提供的有效风量是相当于总有效风量除以风扇数量,例如360mm冷排一般配置3把风扇,如果总的有效风量不低于45CFM,那就相当于每把风扇的有效风量只需要提供15CFM就可以了。
而有效风量与最大风量之间没有固定的换算公式,最佳做法是结合P-Q特征曲线选择,快速方法则是往大了选,一般来说1.5倍会比较符合实际,按照这个来计算的话,最大风量不小于68CFM的风扇会是比较合适的。