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1、散热的原理与技术解析-下 (1)在之前的文章中，我们介绍了热传递的原理与基本方式，并在散热的原理与技术解析- 上 中详细探讨如何快速将热量带离热源，其内容主要涉及热传递三种基本方式中的热传导方面；在 散热的原理与技术解析-中里则以风冷散热器为例分析相应的技术原理与实现策略。在本文中，我们将重点探讨其他散热方式如水冷、热管等散热技术，介绍与外界环境的不同热交换方式的实现。至于某些只有高端使用者才采用的极端散热方式如液氮、干冰等，则不在讨论之列。需要明确的是，在大多数情况下，无论水冷散热还是热管散热，都不会完全脱离风冷，它们都是通过有效的将热量转移至大面积散热片（热管和液体都只是热传递介质），使用
2、大尺寸低转速风扇，达到静音散热效果。即便不使用风扇，也会尽量增大鳍片散热表面积，同时鳍片周围需要保持良好的通风。也即是说，最终与外界环境的热交换，还是要通过风冷的。水冷散热系统的原理首先让我们来看一下水冷散热。不过，在讨论之前，先来明确一下概念：虽然我们很多时候将水冷散热与液冷散热等同起来，但严格意义上说，二者还是有区别的，水冷散热只是液冷散热系统中散热介质使用水的一个子集，而除水之外，还有其他很多介质可用于液冷散热系统，只不过由于水价格便宜易于获得，水冷散热在中低端领域应用得较为广泛罢了。从技术角度看，水冷(液冷) 散热系统的工作原理很简单：就是利用水泵把水从储水器中抽出来，通过水管流进水箱
3、，然后再在水箱的另外一个口出来，通过水管流回储水器，就这样不断循环，把热量从热源如 CPU 的表面带走。水冷系统一般由以下几部分构成：热交换器、循环系统、水箱、水泵和水，根据需要还可以增加散热结构。其中，热交换器是整个水冷系统的核心，水冷系统的效率在很大程度上由它来决定，这也是整个系统构思最巧妙的部分。循环系统分别将水送进和排出热交换器，而进水管的另外一端与水泵连接。水泵放在储水的水桶或其它结构的水箱中，出水管将送出的热水重新排放到水箱中。如果需要，出水管里的热水先经过散热系统降为室温后再排放回水箱。散热的原理与技术解析-下 (2)水冷散热的效果从理论上来说，风冷散热通过风扇和散热片把机箱内热
4、源如 CPU 产生的热量与周围空气进行热交换，其理想状况顶多能让 CPU 降至机箱的“环境温度”这个温度比起码机箱外高 510（夏天，全封闭，CPU 散发热量仍然滞留在机箱内，不然机箱为何提全程互动散热通道的概念？），而水冷系统则通过管道把 CPU 表面温度带到机箱外直接和箱外空气作热交换（有个技术名词叫热量的定向转移），因为通常有硕大的散热片，所以效率很高，机箱内的热量的最大热源转移到箱外，剩余的热量依靠机箱自然对流结构完全实现箱体内部温度平衡。水冷的散热效果要比风冷系统好，一般的水冷散热效果，与较好的风扇散热温度相比还要低最少 10 度；水冷系统因为没有风扇，所以不会产生振动，因此也比较安
5、静。水冷散热的技术解析也许有些人会问，水的导热系数是非常低的，为什么水冷系统的散热效率能够很高呢？首先，正如在散热的原理与技术解析-上中的解释，对传导性能要求较高的地方在于散热器底座，而对交换介质而言性能则更多地体现在热容量方面，而水的热容量是空气的数千倍，所以水冷系统的热负载能力很大，相当于风冷系统的 5 倍，导致的直接好处就是 CPU 工作温度曲线非常平缓。比如，使用风冷散热器的系统在运行CPU 负载较大的程序时会在短时间内出现温度热尖峰，或有可能超出 CPU 警戒温度，而水冷散热系统则由于热容量大，热波动相对要小得多。 其次，尽管水的导热性能确实很差，但流动中的水就完全不一样了，它与水的
6、流速成正比，水流速度越快，那么散热效果越好。为使水的流速加快，我们应注意水泵的水压是否足够。一般水泵的功率越大，水压就越大，水泵散发出来的热量也就越多。在水泵功率一定的情况下，水桶中水平面与水管的最高点的距离越大，水的流速将越慢，这将降低水的导热性，所以应尽量使水平面与水管的最高点的距离小一些。 下面，我们举例来看为什么使用水冷方式能够有效地进行散热。假设 CPU 功率为40W，在一小时就可产生 860.07640=3443.04 卡的热量，如果流经水冷器的水量=100 升/ 小时，在不考虑其它方面散热的情况下，可以让水温上升 0.344 度。所以水量太少会导致流经水冷器的水不足以带走 CPU
7、 上的热量，那是否水量越多越好呢。答案是肯定的，但在不影响水温的情形下，我们应选用适量的水，而不应只求水量的多。如果 CPU 的功率为 40W 左右，并用 15 升 的水不加风扇，塑料筒装水使用10W 的沉水泵，在室温为 25 度时，经过 2 小时以后，水温上升 3 度，并达到平衡状态。散热的原理与技术解析-下 (3)水冷散热的缺陷与不足虽然水冷散热具有功率消耗较小、工作噪声很小、可以利用多种方式完成散热过程的优势，但是其安装过程对大多数用户而言过于复杂，这是影响它普及的一个主要因素。 在水冷散热器刚出现的阶段，有些厂商预测未来将是水冷的天下。但是经过了这么长时间，水冷仍然只在少部分用户中使用
8、，而未跻身主流行列。究其原因，虽然从散热性能上看还是以水冷占优势，但是它价格偏高，占空间大，且水(或者其它替代液体)会有变质和内部材料氧化的问题。此外，在使用水冷方式散热时，一定要注意水气凝结现象。水气凝结现象是由于空气中的水分遇冷后聚集起来，最后变成水珠。在常温下的水冷系统中，是不会出现水气凝结现象的，但如果使用冰水或搭配致冷器使用，水气凝结就可能发生，这将造成死机或硬件损坏，所以是不能忽视的。但只要我们做好相应的措施，水气凝结就可以避免发生。散热的原理与技术解析-下 (4)热管散热简介水冷散热不能走向主流，除水冷自身缺点以外，另一个主要原因则是热管散热技术的普遍运用。当热管进入到 PC 领
9、域后，传热材料的散热技术获取了突破从而令人们放弃了水冷。热管散热基础知识热管散热是一种利用相变过程中要吸收/散发热量的性质来进行冷却的技术，1963 年由美国 Los Alamos 国家实验室的 G.M.Grover 发明，并率先由 IBM 最初引入笔记本中。虽然热管的出现已经有数十年的历史，而在 PC 散热领域被广泛采用还是近些年的事，但发展迅猛。小到 CPU 散热器、显卡散热器，大到机箱，我们都可以看到热管的身影。从使用角度看，热管具有热传递速度极快的优点，安装至散热器中可以有效的降低热阻值，增加散热效率。热管，又称“ 热之超导体 ”。其核心作用是导热。它通过在全封闭真空管内工质的汽、液相
10、变来传递热量，具有极高的导热性，高达纯铜导热能力的上百倍。但和世间所有凡物一样，热管个体之间的性能差异也是巨大的。热管的长度、毛细结构、毛细结构做工、填充物体积和配料都会影响到热管的导热量。此外，配合热管使用的散热片面积和与热管间的嵌套工艺将直接影响到整个散热器的散热效果。因此，并不是所有的热管散热器都能给你的 CPU 带来清凉。从技术角度看，热管的核心作用提高热传递的效率，将热量快速从热源带离，而非一般意义上所说的“ 散热”这则涵括与外界环境进行热交换的过程。热管的动作温度范围十分宽广。从零下 200 度 1000 度均可使用热管导热。热管的工作原理很简单，热管分为蒸发受热端和冷凝端两部分（
11、具体到产品上，受热端就是和散热器底座接触的部分）。当受热端 开始受热的时候，管壁周围的液体就会瞬间汽化，产生蒸气，此时这部分的压力就会变大，蒸气流在压力的牵引下向冷凝端流动。蒸气流到达冷凝端后冷凝成液体， 同时也放出大量的热量，最后借助毛细力回到蒸发受热端完成一次循环。热管散热的适用范围1、在热源附近缺乏散热空间2、需要从多个热源处进行有效的散热3、在密闭的空间内进行散热4、短时间大量散热5、具有活动的部件6、要求体积小并且质量轻的设备散热的原理与技术解析-下 (5)热管散热的原理热管技术的原理其实很简单，就是利用工作流体的蒸发与冷凝来传递热量。将铜管内部抽真空后充入工作流体，流体以蒸发-冷凝
12、的相变过程在内部反复循环，不断将热端的热量传至冷却端，从而形成将热量从管子的一端传至另一端的传热过程。典型的热管是由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽到的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据需要可以在两段中间布置绝热段。当热管的一端受热时，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差 下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端。散热的原理与技术解析-下 (6)热管散热技术解析采用热管的散热器比起传统的风冷散热器有成倍的效能提升，
13、打破了风冷极限。热管还可以让散热器设计成任何形状，不必再担心与其他配件发生干涉。热管在热传递上的高效能，也让设计者不必大量采用价格昂贵的铜材，只需轻薄的铝片帖合热管外壁，既能达到理想散热性能。一根热管的基本结构由容器、毛细结构和动作流体三部分组成。很多人都对热管中装的东西很好奇。那么，热管中装载的到底是什么呢？一般来说，热管中的动作流体需要根据热管所工作的温度区间进行选择。对于 PC 散热，考虑到成本因素，厂商们一般选择的是纯水和部分添加剂。那么，一般热管要装进多少动作流体呢？动作流体装入量太少，会导致流体无法将毛细结构孔隙填充，造成热管蒸发端局部干燥。而动作流体装入过多，则会引发液体阻塞现象
14、，导致冷凝端无法正常工作。因此，热管的直径、毛细结构孔隙率、热管长度都会直接影响到动作液体的填入量。一般来说，最常用的 5mm 外口径，3.6mm内径，长度为 150mm 的 铜热管动作液体装填量为 0.4 毫升。液体冷凝的过程会采用到毛细原理，因此毛细结构是一根合格热管产品的核心。它主要有三个作用：一是提供冷凝端液体回流蒸发端的通道，二是提供内壁与液 体/蒸气进行热传导的通道，三是提供液气产生毛细压力所必须的孔隙。毛细结构是一根合格热管产品的核心。它主要有三个作用：一是提供冷凝端液体回流蒸发端的通道，二是提供内壁与液体/蒸气进行热传导的通道，三是提供液气产生毛细压力所必须的孔隙。一般而言，热
15、管的毛细结构分为四种：丝网、沟槽、粉末烧结与纤维四种，我们在 PC 散热领域常见的毛细热管主要有两种结构：沟槽式和烧结式。沟槽式热管是热管毛细结构中比较制造简单的一种，采用整体成型工艺制造，成本是一般烧结式热管的 2/3。沟槽式热管生产方便，但缺点十分明显。沟槽式热管对沟槽深度和宽度要求很高，而且其方向性很强。当热管出现大弯折的时候，沟槽式方向性的特性就成了致命缺点，导致导热性能大幅度下跌。而烧结式热管则生产工艺相对比较复杂，成本也比较高。热管烧结对铜粉质量、纯度，单铜粉颗粒直径、烧结温度、烧结均匀度都提出了很高的要求。因此制造一根优异的烧结式热管并非容易的事情。不同工艺和成本制造的烧结热管，
16、热传导能力也是不一样的。最后，我们简单了解一下热管直径和导热量、热阻之间的关系。以热管长度均为150mm 计算，经过台湾有关权威机构测试，直径为 3mm 的热管其热阻值为 0.33（测试物体温度变化区间 6090 度）。而直径为 5mm 的时候，热阻立刻降到了 0.11，已经可以满足绝大部分场合对导热的要求了。而当热管直径 扩大到 8mm的时候，热阻竟然达到了 0.0625，这是大部分金属材质散热器难以企及的热阻。那么，不同直径的热管，最大导热量区别有多大呢？台湾某研究所给出了一组参考数值。直径为 3mm 的正品热管，2.8 个标准热传递周期中只能传递 15W（15 焦耳/s）的热量。而直径为 5mm 的热管，在 1.8 个热传递周期最大热量传递达到了45W，是 3mm 热管的 3 倍！而 8mm 的热管产品只需 0.6 个周期就可以传递高达80W 的热量。如此高的传热量，如果没有良好的散热片设计和风扇配合，很容易导致热量无法正常发散。
