【转载分享】论机箱散热

[Erika]

众所周知，电子元件在运作的时候，无法达到100%的效率，所流失的能量绝大部分都转换成为热量发散，但是对于电子元件来说，温度每上升10℃，其寿命就减少到原来的一半甚至更短，这就是其随温度而变的特性。
　　电脑，除了显示器、键盘、鼠标等外设外，机箱内的各个硬件都是发热大户，**处理器（CPU）、主板、内存、图形处理器（GPU）、硬盘、电源等，甚至各类连接用的数据线与电源线，也都是发热源。这些热都是从何而来的呢？原因就是本文在开头中提到的电子特性，流失的能量转换成为热能而发散出来。可能相对而言，这些部件的发热量还是比较小的，但是当这么多发热源集中在一个有限的空间里以后，那发热量就相当可观了。根据能量守恒定律，热不会消失，只是转移至其他地方，如果机箱无法起到良好的散热效果，那么郁积下来的热量势必对电脑硬件以及系统的正常使用造成严重影响，如此说来，对机箱的散热要求就非常高了。

这是一张机箱风道的示意图，通过安装机箱风扇及风向的调整，气流在机箱内按照箭头所指的方向进行流动，同时，箭头的颜色也代表了气流的温度(蓝色代表低温，红色代表高温)。这张风道图描述的相当标准。


根据前面提到的热量与电子元件寿命之中的关系，如果一款机箱不能够起到良好的散热效果，那么对这些硬件就会产生不可逆转的损坏。随着电脑配件中几大件发热源功率的不断增加，INTEL公司为了保证自己生产的CPU的温度能被控制在一个稳定工作范围内，针对机箱提出了机箱散热规范CAG（Chassis Air Guide），该规范是一个机箱内各部件的冷却散热解决方案，具体来说就在是35度室温中，要求机箱的整体散热能力必须保证CPU散热器表面测试区域的平均空气温度保持在38度左右甚至更低。这也就是“38度机箱”称谓的由来。随后，Intel还推出了CAG升级版CAG1.1，这是专门针对INTEL Prescott处理器而制定的。实际上CAG是属于建议性的规范，相关的认证标准是INTEL TAC标准（Thermally Advantaged Chassis），也就是“散热优势机箱”。TAC也有1.0版本和1.1版本之分，采用CAG1.0设计的机箱就用TAC1.0标准认证，而TAC1.1也与CAG1.1相对应。TAC是对于制造机箱的一个很全面的认证，其中不仅仅包括了散热风道设计（这是CAG中的重要内容）还包括了诸如EMI、结构等多方面设计规范。只有通过了结构、EMI、噪音、散热等所有一系列测试，一款机箱才能够被认定为是符合TAC规范的产品。
　　大致了解这些规范后，我们还需了解的就是关于散热原理方面的一些知识了。热量是如何转移的呢？通常情况下都是通过传导、对流以及辐射的方式，由温度高的地方向温度低的地方转移，如接触传导、风扇转动引起的空气对流、空气的温度差异引起的自发反应等等。机箱的设计者就会按照热量转移的这些特性，结合INTEL的规范，考虑到机箱的材料选择、加工工艺、结构设计等，总而言之，一款看似简单而且在电脑使用者心目中地位极低的机箱，从设计到生产以及成型，都是一个相当复杂的过程。
　　正是由于INTEL规范的提出，非常多的厂商针对机箱散热做出了改善，如，在机箱侧板出现了导风孔甚至加装风扇，底部也增加了进气孔，把原来的8公分机箱风扇更换成尺寸更大风量也更大的12公分风扇，专用风道等也随之出现。还有更加专业的水冷、干冰降温以及液氮、压缩机等BT的散热方式，但这些方式大部分针对的都是部分硬件的降温。我们更关心的还是相对而言成本较低，也容易动手进行改善的系统散热方式-风冷，面对如此多的改动，到底采用何种方式对散热的帮助更大？

我们先来看一下机箱是如何发挥散热功效的。机箱内的空间虽然有限，但在硬件安装完毕之后可以看出，空余的空间还是相当大的，提供了很好的空气流动空间。最简单的方法就是通过加装机箱风扇强制形成机箱内的空气流动，配合侧板开孔等方式，使机箱内的空气能够按照一定的路径流通起来，从而通过对流及幅射等方式将硬件散发出来的热量带离机箱。但是，机箱风扇的安装是有讲究的，加装的风扇数量也不是越多越好。不知道你是否注意到，绝大多数机箱的内部结构基本相似，而且预留的风扇位置也都一样。通过安装风扇后，产生一个合理的风道，将机箱外的低温空气引入，把机箱内各硬件已经产生的热量吹出去，形成一个良性循环，达到散热的最佳效果。INTEL提出了“前进后出＋侧吹”的风道结构，在机箱前面板下部有一个进风的风扇，从机箱下方的开口处吸风，机箱背部的风扇再将热气吹出，形成一个贯穿机箱主体的风道；同时在侧板上还有一个通风罩是专门为CPU服务的，可以让CPU散热器直接获得机箱外的冷空气。目前，INTEL的这种风道结构为广大机箱生产厂商采用，因此也就有了很多机箱跟孪生的一样相同的内部结构。当然，也有一些“不走寻常路”的厂商自行设计开发出不同的风道结构，如AVC的旗舰产品“海格力斯”，就是在这种风道结构的基础上做出了更有效的改动，本文下面会有详细说明，在此就不赘述了。

INTEL规范中提到的风道结构
再来看看其他硬件的散热情况。CPU与GPU的功耗现在都已突飞猛进，因此必须安装散热器进行散热，以提供可维持其正常工作的温度。而散热器的散热原理就是利用其与机箱内的温度差进行散热，换言之，如果机箱内的温度过高时，散热器就已经无法发挥散热功效了，仅能延缓CPU/GPU的快速升温趋势，于整个机箱的散热是没有任何帮助的。这个道理同样可以运用到其他硬件，因此机箱内的散热能力就是整体散热的关键。在这里，不得不提一下电源。因为在所有硬件中，目前只有电源风扇同时具备自身散热及辅助机箱散热的作用。无论电源采用的是两个风扇直线式抽拉散热或单风扇抽风式散热，由于其所在的位置，对于整个系统的散热来说都非常重要。大家都知道，在一个杯子中倒满一杯热水后静置，过一会用温度计一量，温度低的水在杯底附近的，而浮在表面的则是温度高的水。这就是由于温度不同，水的密度不一样，温度高密度小就到了上面，而温度低密度也就大了，自然沉在了杯底。空气也是同样的道理。温度高的空气由于密度及对流的原因，会向机箱上部前进，机箱最上方后侧安装就是电源，因此电源在这个时候所起到的作用就很明显了，如果再配合机箱风扇的使用，散热效果会更好。

可以清楚的看到，机箱中上部特别是CPU附近的温度相当高

CPU散热器的热量需由电源带出机箱外，但由于其风扇的效能有限，造成温度积存
　　机箱散热可以说是一个系统工程，从机箱本身考虑，制作材料要选热阻值相对较低的，如镁铝合金，但出于成本考虑，更多的机箱还是以镀锌钢板作为主要制作材料。这是机箱最直接的自身散热方式，由于硬件在使用过程中，自始至终都在散热热量，因此机箱内的空气温度始终会高于环境温度，通过与外界进行热量交换而达到散热目的。另一方面，有相当的硬件都自己带有散热风扇，如CPU散热器、显卡散热器、电源等，这些设备在散热时使用自带风扇，由于气流的流动就会产生自有风道，如可以与机箱内的风扇紧密配合，散热效果事半功倍，但如果与风道出现相互干扰的情况，就会造成气流紊乱，除了不能正常散热外，还会产生负面影响，导致机箱内温度一路飙升。如果机箱后侧开孔未加装风扇，由于电源风扇与CPU散热器上风扇的转动，势必造成该位置的空气产生负压，就会吸收来自前方风扇吹进来的沿正常风道行进的热空气以及机箱后侧开孔位置外的空气，那么就非常容易出现抢风甚至将电源排出机箱外的热风再次吸入的情况，这对于CPU与电源来说，无异就是灭顶之灾，丝毫无法起到散热的作用。

没装机箱后置风扇，有可能导致热风循环

CPU散热器与后置风扇、电源风扇同时发生抢风现象