產品定義、種類與應用領域

一、產品定義

風冷式散熱器的散熱原理，是通過與發熱物體（常見的有中央處理器、繪圖 運算處理器等半導體晶片）緊密接觸的金屬散熱片，將發熱物體產生的熱量，傳 導至具有更大熱容量與散熱面積的散熱片上，再利用風扇令空氣快速通過散熱片 表面，加快散熱片與空氣之間的熱對流，發揮強制對流散熱的功效。

風扇是被動式氣冷與主動式風冷散熱器的主要區別，風冷散熱器常就被簡稱 為風扇。在散熱器結構與其他情況不變下，適合的風扇可令散熱效果大幅提升；

反之，如果風扇搭不夠強勁則會使風冷散熱器效能大打折扣，使散熱片與整體設 計上的優點被埋沒於無形；此外，風扇的故障會導致散熱器整體無法運作，喪失 大部分的散熱性能，使系統不穩定或當機，甚至因高溫而燒毀設備。

圖 4-3 直流無刷風扇組成結構

資料來源：www.chinasee.net/it/ readarticle/htm/13/4394.html

風扇具有導流、換氣、散熱等等各種用途。而風冷式散熱器中使用的風扇，

還要具有體積小、運作穩定、低噪音的特性，而AC 交流風扇轉速受限於線圈繞 組製程的瓶頸，馬達主體較大，扇葉面積較小，無法提供轉速輸出訊號偵測異常 運轉的功能，風量及風壓表現不如DC 機種，此外生産良率不易提高，噪音和消 耗功率也高，因此普遍採用「直流無刷風扇（DC Brushless Fan）」的技術。如下 圖 4-3 所示。直流無刷馬達則具有噪音低、運行平穩、無電刷、速度監測方便等 特點。在相關技術成熟、進入門檻不高的情況下，投入生產廠商數量眾多。

圖 4-4 熱導管原理

資料來源：京典國際資訊網http://www.kingtech.com.tw/

熱導管則是近來電腦散熱的新趨勢，搭配風扇、散熱片組合散熱模組使用在 筆記型電腦上的比率幾乎已達百分之百，桌上型電腦採用的比例隨著晶片運算能 力提高、散熱需求增加下也愈來愈高。

圖 4-4 是熱導管的原理。熱管有很小的熱阻，能在小溫差下有很大的傳熱能 力外，也有相當大的均溫能力。同時重量輕、熱容量小、不消耗額外功率、工作 可靠，因而成為良好的導熱器材。在實際工作中，熱導管吸收熱量後，管裡的工 作流體（例如水或油精）受熱變成蒸汽，然後從熱導管中較熱的一端向較冷的一 端流動，或以毛細組織傳送，熱導管中較冷的一端透過散熱風扇把熱量從熱導管 中散發，使蒸汽還原成流體並回到熱導管中較熱的一端，如此循環往復以達成散 熱的效果。

在散熱片方面，負責將發熱物體的熱量傳遞出去，有吸熱、導熱、散熱三個 主要功能，因此材料的熱阻要低。而風冷散熱器的散熱片需要依賴風扇的強制導 流才可發揮功能，實際通過的有效風量與散熱效果關係密切，因此設計上風阻要 低，然而風阻低的設計通過的風量也低，兩者常是互斥的關係，在設計上就要經 過取捨。散熱片的材料除了熱阻低，還要易於加工、取得容易，因此鋁合金與銅 成了使用最多的材料。

二、產品種類

目前熱導管與散熱片產品的種類主要是在材料與設計上的不同。熱導管在毛 細結構選擇方面，一般較小尺寸的熱導管通常考慮使用單一結構，包括溝槽式、

網目式及燒結式。燒結所產生的有效毛細半徑很小，毛細力遠大過於溝槽所產生 的毛細力；而熱阻方面，相較於網目式貼附於管壁不易緊密的缺點，燒結式熱導 管所產生的熱阻較網目式更低。因此除非製造技術與成本的考量，一般來說以燒 結式熱導管為最佳選擇。目前國內業者已能生產燒結式熱導管，打破過去只能由 美、日大廠供給的情況，並且因就近供應組裝代工大廠，市佔率高居全球首位。

散熱片方面分為材料與設計來討論。設計方面傳統的平板型吸熱底面加上直 立鰭片設計最為常見，但隨著性能需求的提高，設計人員開始跳傳統限制，採用 更符合熱力學原理的吸熱底形狀設計，減小熱阻，並針對集中發熱位置（例如 CPU 核心），採用大熱容量的特別設計。例如一些銅鋁結合散熱片的銅柱加上放 射狀鰭片等。而吸熱底與鰭片間的導熱能力，在設計上取決於結合方式與連接面 積。兩者間的結合方式主要分為一體成形和採用其他技術嵌合，考量的無非是吸 熱底與鰭片間的導熱能力。

然而目前使用熱導管搭配散熱片的組合的趨勢，打破吸熱底與鰭片連接面積 的限制，將熱量由吸熱底內部，從有限的表面積上迅速的傳導到更大面積的鰭片 上。此種以熱導管低熱阻的特性快速傳熱，再以散熱片將熱散發出去達到冷卻效

在散熱風扇方面，直流無刷風扇已成為風冷式散熱器的主流技術，並且相關 技術已相當成熟，各產品在設計上不存在太大差別，除非是製造品質、採用原料、

或使用環境過於惡劣，都可在風扇的壽命期內正常工作。因而各廠進一步探討風 扇最重要的特性：散熱效果、使用壽命、振動、與噪音，發現與這些特性最相關 零件是軸承。

風扇採用的機電性能可決定轉速限制。轉速越高，風速越快、風量、風壓越 大、散熱效果愈好；但同時摩擦、振動多、噪音大，軸承等損耗設備的壽命短、

消耗功率增加。軸承的設計決定風扇應該、或可以在多少的轉速下運作來得到理 想的效果，其耗損直接影響到了風扇的使用壽命，軸承的摩擦與振動更是噪音的 主要來源。

風扇技術的核心是軸承技術。軸承也是風扇中成本最大的一部分。軸承的好 壞很大程度上決定了整個風扇的好壞。目前市場上許多廠商都有獨特的軸承設計 與技術，各種設計都在壽命、噪音、成本等方面具有獨到的優勢。以下介紹幾種 常見的軸承技術：

(一)含油軸承：

圖 4-5 含油軸承構造圖

資料來源：建準電機網站http://www.sunon.com/wealth/tech/tech-05.htm

軸承的目的在承受負荷，並允許兩機械元件間存有相對運動。含油軸承

（Sleeve Bearing）是傳統的軸承技術，軸芯嵌套在軸套裡面轉動，再利用潤滑油 充填在軸芯與軸套間的空隙，減少摩擦與振動。

使用初期，潤滑油均勻填充軸芯與軸套間的空隙，使得轉動平滑穩定，工作 噪音低，軸承磨損少。但隨使用時間增長、灰塵吸附增多，且潤滑油會因為摩擦 發熱而揮發，使油量逐漸減少、軸承的摩擦與振動增加。進而導致軸承噪音增大，

磨損加劇，壽命縮短，因此不適合高轉速下運作，使用壽命也無法達到令人滿意 的目標。通常產品壽命為5000〜8000 小時。含油軸承是最基礎的軸承技術，許 多後續軸承技術都是在此基礎之上進行改良而成。

(二)滾珠軸承：

在壓力與接觸面相同時，滾動摩擦小於滑動摩擦。滾珠軸承（Ball Bearing）

應用此理論，將軸芯與軸套之間的空隙擴大並置入數個金屬滾珠。當軸芯與軸 套相對運動時，滾珠也隨之滾動來降低摩擦，減少能量損耗。為了填補空間兼 起潤滑作用，滾珠軸承也需要使用潤滑劑，但工作空間相對含油軸承密封較好，

且摩擦更小，壽命更長。

圖 4-6 滾珠軸承構造圖

資料來源：建準電機網站http://www.sunon.com/wealth/tech/tech-05.htm

由於結構較為複雜，滾珠軸承的成本較高，為了產品成本考量，便有雙滾珠 與單滾珠兩種設計。雙滾珠軸承阻力小、壽命長，但因軸芯、滾珠、軸套間空隙 較大，容易發生振動，且工作噪音較大。通常產品壽命可達50000〜100000 小時。

單滾珠軸承則是為了改善雙滾珠軸承成本高、噪音稍大等缺點，採用其他形 式軸承與一道滾珠軸承配合來支撐軸芯，從傳統的含油軸承到磁浮軸承，目前都 有產品可見。使用較多的仍是含油軸承與單道滾珠的組合，此時含油軸承只起小 部分的支撐作用，磨損較單獨工作時大幅減少；同時可減少雙滾珠軸承產生的震 動，降低工作噪音。單滾珠軸承技術可兼顧壽命、成本與噪音。通常產品壽命根 據與單滾珠搭配的軸承種類存在一定差距，一般在40000 小時以上。

(三)液壓軸承（奇鋐科技）：

液壓軸承（Hydraulic Bearing）是 AVC 奇鋐科技在 2000 年開發成功的專 利產品，在傳統含油軸承基礎之上進行以下改進而成：

1.增加磁浮擋板，使軸芯在旋轉過程中與軸套接觸的機會更少；

2.軸承底部固定端密封，形成較大儲油空間，可保存較多潤滑油；

3.採用低熱損耗的潤滑油脂，軸承在高溫狀態下仍可保證油脂的潤滑特性；

4.液壓自動迴圈油路系統，通過特殊油路連接軸承與儲油槽，令潤滑油形成 迴圈回路；

5.軸芯採用金屬粉末冶金技術，表面具有大量毛細孔，可吸附潤滑油，保證 軸承的高潤滑度。

奇鋐也利用了磁懸浮結構配合高度油膜潤滑，有效減小了運轉的噪音、延 長了風扇使用壽命。經過多方改進，液壓軸承可以在相同甚至低於含油軸承噪 音水準的同時，達到雙滾珠軸承的轉速、工作溫度與壽命。通常產品壽命可達 50000 小時以上。

(四)來福軸承（訊凱國際）：

來福軸承（Rifle Bearing）是 Cooler Master 訊凱國際的專利產品，也是在傳 統含油軸承基礎之上改進而成。來福軸承採用耐磨材料製成高含油中空軸承，減 小軸承與軸芯之間的摩擦，還在軸芯表面增加了反向螺旋型的導油槽，旋轉過程 中令潤滑油反向回流，減少損耗，並在底部設置儲油槽，增加儲油量，避免含油 流失。改進後壽命較含油軸承有大幅提升，也降低了噪音，但成本僅小量增加，

來福軸承（Rifle Bearing）是 Cooler Master 訊凱國際的專利產品，也是在傳 統含油軸承基礎之上改進而成。來福軸承採用耐磨材料製成高含油中空軸承，減 小軸承與軸芯之間的摩擦，還在軸芯表面增加了反向螺旋型的導油槽，旋轉過程 中令潤滑油反向回流，減少損耗，並在底部設置儲油槽，增加儲油量，避免含油 流失。改進後壽命較含油軸承有大幅提升，也降低了噪音，但成本僅小量增加，