聚焦散熱三要素之一筆記本散熱風扇的效率之謎

回顧筆記本的散熱流程

在筆記本的散熱模塊中，最關(guān)鍵的三要素就是熱管、散熱風扇和散熱鰭片（圖1），此外還有用于提升它們之間接觸面積和導熱效率的元素。

隱藏的“中介”和填充層

很多筆記本在CPU、GPU、顯存和供電模塊等芯片的表面都覆蓋有一層銅質(zhì)的散熱片（圖2），作為芯片與熱管之間的“中介”，它的首要任務(wù)就是將熱量迅速從芯片體內(nèi)“抽出”，還起到了增加接觸面積和擴大散熱面積的功效。

實際上，在芯片與散熱片、散熱片與熱管之間還存在著一層作為填充物的導熱硅脂，真正“講究”的散熱設(shè)計，還應該對散熱片和熱管的表面進行精細的打磨——銅質(zhì)的散熱片和熱管表面普遍非常粗糙，在微觀上會影響它與導熱硅脂的充分接觸。但在使用CNC等工藝對金屬表面進行打磨和拋光后，則可以最大化它們與導熱硅脂的接觸面積，這樣才能以100%的效率實現(xiàn)熱量的傳導。

至此，在“CPU/GPU→導熱硅脂→散熱片→熱管”這個過程中，筆記本的散熱之旅已經(jīng)進行到了一半，接下來就是如何將熱量“消滅”于機身之外。

來自熱管的任務(wù)

熱管是由純銅打造的一段中空的金屬管道，與CPU/GPU芯片接觸的部分為“蒸發(fā)端”，與散熱鰭片接觸的部分則為“冷凝端”（圖3）。

熱管內(nèi)填充有冷凝液（通常是純水），其工作原理是芯片表面的高溫會將熱管蒸發(fā)端部分的液體轉(zhuǎn)化為蒸汽（真空狀態(tài)下沸點很低），并沿著管腔移動到熱管的尾部（冷凝端）。由于這個區(qū)域溫度相對較低，所以熱蒸汽很快就會被還原為液體，并通過毛細作用沿著熱管內(nèi)壁流回原始位置，周而復始完成熱量的傳遞。

與臺式機領(lǐng)域的處理器和顯卡所用的圓柱形熱管不同，筆記本內(nèi)部空間極為有限，必須先將熱管的管芯結(jié)構(gòu)從圓柱形壓扁后才能塞進去（圖4），而不均勻或過度的扁平化會阻礙管芯內(nèi)液體的轉(zhuǎn)移，過度的彎曲也會影響導流效果。

散熱鰭片的功效

對筆記本的散熱模塊設(shè)計而言，熱管的直徑越粗，數(shù)量越多，導熱效率自然也就越高。但是，想在最短的時間內(nèi)將熱管冷凝段的熱蒸汽還原為液體，對搭配的散熱鰭片也提出了更高的要求。

散熱鰭片在電子工程設(shè)計的領(lǐng)域中被歸類為“被動性散熱元件”（圖5），它的材質(zhì)以鋁和銅為主，工作原理是將從熱管傳遞來的熱量以對流的形式散發(fā)掉，散熱效率取決于表面積的大小。由于當前連游戲本都開始了“瘦身競賽”，這就導致散熱鰭片不能再通過厚度增加表面積，只能依靠增加散熱鰭片模組的長度或數(shù)量、增加散熱鰭片扇葉的密度加以改善了。

需要注意的是，除了少數(shù)采用無風扇設(shè)計、追求極致輕薄的筆記本以外，散熱鰭片是不能獨立存在的，一組散熱鰭片就必定對應一個散熱風扇和對應的散熱出風口（圖6）。原因很簡單，對搭載15W或更高TDP處理器的筆記本而言，散熱鰭片根本無法滿足芯片內(nèi)散發(fā)出來的熱量，必須借由風扇通過從外部吸入的冷空氣來驅(qū)走這些熱量！

至此，終于輪到散熱循環(huán)中最關(guān)鍵的散熱風扇登場了。

深度剖析散熱風扇

在筆記本散熱模塊的三要素中，散熱風扇在很大程度上可以彌補熱管和散熱鰭片自身導熱和散熱效率的不足，而這也就是為什么硬件配置相同，散熱風扇、熱管和散熱鰭片數(shù)量設(shè)計看似一樣的筆記本之間，散熱性能卻存在極大差異的根本原因。

確保風道的通順

臺式機處理器專用的散熱風扇多為軸流結(jié)構(gòu)（圖7），我們可以將其理解為縮小的電風扇，以垂直方向推動空氣，從而加速位于其底部散熱片的熱量流失。筆記本內(nèi)部空間有限，風扇和散熱鰭片不可能再垂直排列，只能按照水平方向擺放，所以這就需要風扇朝著側(cè)面的指定方向吹風。

因此，筆記本專用的散熱風扇都以渦輪結(jié)構(gòu)為主，扇葉與旋轉(zhuǎn)面垂直呈環(huán)形排列，在工作過程中空氣由軸向進入環(huán)形扇葉所包圍的空間，隨后被扇葉旋轉(zhuǎn)帶動的離心效應橫向甩出，在扇葉外圍形成一道漩渦狀散射氣流，受流道的導流作用從風柵口切向吹出（圖8）。

換句話說，臺式機常用的軸流風扇好像“霰彈槍”，它的散熱區(qū)域呈面向分布;筆記本專用的渦輪風扇好似“狙擊槍”，它的散熱區(qū)域以點為主，需要將垂直方向收集的冷空氣匯聚到面向散熱鰭片方向的一個點上，想要發(fā)揮100%的效率還需要避免風量的無謂損失。因此，拆開筆記本，你會發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)筆記本的風扇和散熱鰭片之間，都貼有一片或幾片黑色的醋酸布膠帶堵住縫隙防止“漏風”（圖9），我們每次拆機除塵清灰后一定要記得重新將醋酸布膠帶貼回去，否則會影響風道吹風的效率（圖10）。

需要注意的是，現(xiàn)在很多輕薄本為了追求纖薄設(shè)計都采用了“下沉式”轉(zhuǎn)軸，如果散熱出風口位于機身后部，在掀開屏幕后B面底部必然會擋住一部分出風口（圖11），從而損失一部分散熱效率。想避免這個尷尬，要么采用出風口側(cè)置的設(shè)計，要么就改用立式轉(zhuǎn)軸，或是在“下沉式”轉(zhuǎn)軸的基礎(chǔ)上，將屏幕B面底部“挖”出一個凹槽（圖12）。

此外，散熱風扇普遍是依靠位于筆記本內(nèi)部的散熱孔“吸風”再吹向散熱鰭片，保證這個“進風道”的順暢，也能提升一定的散熱效率。

有些筆記本在底蓋對應散熱孔的位置并沒有貼防塵網(wǎng)，用容易進灰的隱患換來了更大的進風量;有些輕薄本采用了獨特的“翹臀”設(shè)計，打開屏幕后轉(zhuǎn)軸可以將鍵盤向上撐起一定的角度（圖13），從而確保筆記本底部空氣的流通;當筆記本放置于靠近墻壁或工位隔斷附近，后置出風口排出的熱浪會反彈回筆記本的底部，如果被風扇吸入這些反彈回來的熱風勢必會影響散熱，因此很多筆記本會通過長條形的腳墊阻斷D面散熱孔和后置出風口的“接觸”（圖14），類似的細節(jié)設(shè)計都會對筆記本實際的散熱起到一定的增益效果。

風扇的尺寸和工作電壓

對散熱風扇而言，尺寸越大，在相同轉(zhuǎn)速的前提下風量也就越大;工作電壓越高，就能運行在更高的轉(zhuǎn)速上，從而形成更大的風量。很多輕薄本和游戲本雖然配備了2個散熱風扇，但卻是一大一小（圖15），而且規(guī)格也并不統(tǒng)一。筆記本風扇的工作電壓普遍都是5V，少數(shù)高端游戲本則會配備12V電壓的風扇，對應“狂暴模式”下的風扇轉(zhuǎn)速，但大電壓帶來大風量的同時，噪音問題也會愈加凸顯，僅適合帶著耳機玩游戲的使用場景。

仿生的扇葉和材質(zhì)之別

當筆記本散熱風扇的尺寸和工作電壓一定時，其風量、噪音和散熱效率就將由葉片數(shù)量、材質(zhì)和仿生設(shè)計決定了。

很多輕薄本風扇的葉片數(shù)量多在50片～60片之間，游戲本風扇的葉片數(shù)量則會更多一些，其中最具代表性的就是華碩ROG冰刀系列。在冰刀1時，其內(nèi)置風扇葉片為71片，而ROG冰刀3的扇葉則提升到了83片，最薄處更是只有0.2mm。問題來了，筆記本風扇的葉片是不是越多越好？

答案是，風扇葉片的數(shù)量存在一個臨界點，必須在葉片數(shù)量和它們的間距之間取得平衡，在太小的空間中塞入太多的葉片意味著沒有足夠的空氣被推出。為了找到這個平衡點，OEM廠商往往會通過行業(yè)標準的仿真軟件對氣流變化進行評估（圖16）。

在噪音方面，就需要“仿生學設(shè)計”登場了。ThinkPad高端機型主打的“鷹翼風扇”，宏暮掠奪者游戲本力推的“刀鋒速冷風扇”都參考了貓頭鷹翅膀特有的羽毛排布，每片扇葉都不是一個平面，而是凹凸不平的鋸齒狀（圖17），在厚度不足5mm的超薄空間內(nèi)也能提供較大的風量，全速運行時的噪音也得到了很好的控制。

此外，風扇內(nèi)部葉片的材質(zhì)幾乎都是塑料，如果換成金屬材質(zhì)，在相同電壓和轉(zhuǎn)速下的風量會更大。以宏暮掠奪者游戲本為代表的第四代3D刀鋒速冷金屬風扇為例，官方就表示其風通量較同尺寸塑料風扇提升45%。不過，金屬扇葉風扇雖然好，但它的組裝難度和成本更高，一旦因組裝期間失誤或平時掉進雜物導致扇葉變形，反而會影響散熱效果。因此，更多的OEM廠商才更青睞塑料材質(zhì)葉片的風扇，讓每一片扇葉的變形度、形狀都在控制范圍內(nèi)。

論除塵的必要性

由于筆記本散熱模塊的密閉性，長時間使用注定面臨堆積灰塵的問題。因此，定期給風扇除塵，在散熱片和芯片之間重新涂抹硅脂是必需的。就風扇的防塵能力上，華碩應該是最有心得的。在很多華碩新款游戲本中，都引入了“ANTI-DUST”概念的風扇，當有灰塵進入風扇腔體內(nèi)，可以順著預設(shè)的除塵通道將灰塵顆粒排出到風扇之外，長時間使用也不會堵住散熱鰭片（圖侶）。

小結(jié)

總之，就是這些細節(jié)影響著筆記本的散熱能力，也同時影響著筆記本性能的發(fā)揮。最后還需提醒大家的是，購買筆記本，特別是游戲本，電源適配器的功率也非常重要，很多配GTX1050Ti的游戲本只配120W功率的電源適配器，根本“喂不飽”i7+GPU的滿負載運行所需的功率。一般來說，輕薄本需要至少65W功率的適配器才夠用，而GTX1650游戲本需要150W，GTX1660Ti或更高檔次獨顯的游戲本就需要180W甚至200W以上才可以。