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  3. 关于风冷散热器的性能研究

(都是分析风冷散热器)

主要是分析散热器的哪些构造影响散热性能,涉及到底座、热管、鳍片、风扇、工艺、大小和形状。
散热器主要功能是:把cpu表面的热快速传递到鳍片,再散发到空气中,起到降温的作用。从降温效率角度,涉及到以下几个方面:
(1)cpu表面温度-->热管上端温度,温差越小传热速度越快;
(2)热管温度-->鳍片温度,温差越小传热速度越快;
(3)鳍片温度-->空气温度,温差越大传热速度越快,鳍片面积越大散热越快。


所以,选择、安装或制造散热器,在不考虑大小、重量和成本的理想前提下,:
(1)尽量使cpu表面热量快速到达热管上端。
这需要底座平整如镜:

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或使热管直接接触cpu表面:

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或采用铜底座:

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安装时不要过分挤压两端,导致底座拱起变形,不能与cpu表面完全吻合;
导热硅脂要均匀涂抹。
热管热量要快速到达鳍片:

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可采用增加热管数目,采用较粗热管等办法。

(2)尽快使热管上的热量到达鳍片,并分布到鳍片的所有表面上。
--好的工艺使鳍片紧扣热管,不留间隙,尽快导出热管上的热量。
--采用导热更好的材料做鳍片,让热量快速分布到整个表面。目前基本都是铝质鳍片,少量铜质鳍片。
--合理排列热管位置,让导热更有效。

(3)尽快把鳍片上的热量导入空气中。
保持适当风速。风速太低太高都不行,低了导热不够快,高了...摩擦生热,还有噪音。
尽量增大鳍片面积。越大越好。
保持机箱风道通畅,使空气保持低温。
利用工艺改变鳍片形状,使空气流动效率更高,如图所示:

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下面分类详谈。

先谈谈热管,到底几根热管够用?是否越多越粗越好?

一般都是6mm粗的热管,粗的有8mm的,如果热管数量多,底座挤满了。对高发热量(如125W)的cpu来说,1根2根的是少了点,3根可能刚好足够,4根比3根有提高是肯定的,但随着根数的增加,从热管传热角度看,效率提升会越来越少。所以中低端散热器基本是3根4根。
对5根6根甚至8根热管的散热器来说,增加热管对进一步降低cpu表面与热管上端温差的效果不明显,多热管的作用更多在第二个环节:让热管更快向鳍片传热。4根和5根的热管,与鳍片的接触面积相差25%,传热速度也快了25%,这才是超过4根热管的目的。

不考虑鳍片端,对cpu端来说,多少根热管合适?
如果我们计算出一根热管传导热量的能力,那么多少瓦的cpu需要多少根热管就一清二楚了。

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以一根6mm热管计算,取长度为10cm,这样好计算些,一根热管分两侧延伸,相当于两根在散热。

热管的导热能力随着温度提升而增加,是铜导热能力的8-25倍,我们计算一下cpu表面到热管与鳍片接触处的温差:

【假如cpu满载125W发热量】cpu表面温度较高,热管只有1根。

第一步:cpu表面到热管内部,要用1根热管传导全部的125W热量,热管内部蒸发端与CPU表面的温差会达到5°以上,做工差点温差会更大。

第二步:从热管底部到与鳍片接触处的凝结端,假设平均距离为10厘米,温差会在22°-70°之间,具体要看cpu温度,越高温差越少。

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这样发现1根热管温差可达到27°-75°,传热效率非常低,当cpu70°了,鳍片与热管的触点上最大可能还只有40°,加上单根热管时的鳍片散热效果也会奇差(这会在后面分析),夏天没法散热了,cpu奔100°的概率很高啊。
【结论是:1根热管是不行的。】
如果是2根热管,那么上面第一步中的5°会降低到3°左右,而第二步中的温差也会变为11°-35°之间,整体温差14°-38°,冬天完全可以一战,夏天比较勉强,cpu表面70°时,鳍片与热管触点处大概50°,非常勉强。
【结论是:2根热管冬天还可以一战,夏天很辛苦。】
3根,整体温差降为9°-25°,已经很不错了,夏天cpu表面上70°后,鳍片与热管触点处大概55°左右,散热会比较正常。
【结论是:3根热管冬天完全没问题,夏天,只要散热器无缺陷,可以应付cpu持续满载。】
4根,整体温差降为6°-19°,夏天cpu表面上70°后,鳍片与热管触点处大概60°左右,散热完全正常。
【结论是:4根热管不用担心125W的CPU持续满载。】
现在新的问题来了,超频需要几根热管,以及1-4根热管时鳍片的散热效果又如何,稍后分析。

再来看鳍片:

选购散热器时,与鳍片有关的有三点:鳍片与热管接触好不好、鳍片总面积大不大、鳍片构造是否有利于导热和散热。

(1)鳍片与热管的接触。各家制造商工艺比拼的一个地方,接触不好导致热管和鳍片之间温差大,反之温差小。(本贴的后面应该有关于温差的量化分析,除非写不下去了,请多多支持)
看这图,铜壁似乎紧紧被铝环给扎住了,传热应该没问题:

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可是,放大看看,空隙很大,影响传热:

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(2)鳍片总面积。如果是大机箱,自然是散热器越大鳍片总面积也越大,面积=单片面积*2*片数,比如某款高15厘米多的双塔散热器,散热面积达到0.83平方米,单塔的也会达到0.6平方米左右;而12厘米多点的适合17厘米厚度以下的小机箱,散热面积0.35-0.45平方米,小了很多。一般我们看重量就可以知道散热面积的大小。
所以,买散热器,如果机箱放得下,尽量买大些的。

(3)鳍片构造。好的有利于散热。
下图,鳍片间隔不匀,不利于散热:

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下图这款,每片鳍片侧面扣在一起,挡住侧漏的风,有利于散热:

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不一一列举了,反正厂家各显神通,设计五花八门。

下面改变写的方法,用实际数据来分析散热效果。q9550s用的是纯铝小散热器,就首先用这来分析:

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这是一款没有热管的纯铝小散热器,直径10厘米,风扇大小8厘米,鳍片分两部分从底座两侧延伸出来。如果把鳍片捏在一起,传热截面积大约是6-7平方厘米。
我们知道铝的导热系数是237,也就是说一厘米长的铝,两端温差1°时,每平方厘米的截面积能传导2.37W的热量,那么我们这款纯铝小散热器,它的传导能力是每厘米每度温差传热:2.37*7=16W。
可是q9550s的最大功率是65W,所以,每厘米需要65/16=4°的温差。
鳍片下窄上宽,由于风扇吹力不均匀,取平均3厘米的传导距离,温差在12°。
散热时,风扇空气经过鳍片,鳍片有效散热总面积约为0.13平方米,大约散热能力是2.6W/度,65瓦需要温差25°。

这样得到下面的结果,在cpu满载65W时:
(1)cpu表面与鳍片保持温差12度;
(2)鳍片与空气必须保持25度温差才能完全散热。
【结论】
冬天10°室温时,cpu一般高负荷使用,保持温度40°左右,极限高温47°。
夏天30°室温时,cpu一般高负荷使用,保持温度60°左右,极限高温67°。

所以对65W功率的cpu来说,小散热器绝对够用了。

现在四热管的散热器很便宜了,我查了一下网价,普遍在70-100元之间,高富帅的也在150以内(话说这样的价格普通6热管都买来了)。以四热管压制125W为例,对95W、84W的U也有参考价值。
传热分为四步:(1)从cpu到热管底部;(2)从热管底部到热管与鳍片接触点;(3)从热管接触点到鳍片;(4)从鳍片到空气。

其中(1)(2)两步直接引用上面写过的结论:4根热管,整体温差降为6°-19°。不过考虑满载高温状态,温差应在【6-10°】左右。

下面分析(3)从触点到鳍片怎样传热:

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上图是某品牌的散热器,我们假设这是一个12厘米高的小型散热器,每片鳍片面积是47.5平方厘米,共有40片,那么总面积是47.5*40*2=【0.38】平方米。
如果把40片鳍片合起来,厚度是多少呢?每片0.4毫米,那么总厚度是1.6厘米,够厚的。
高温点在8根热管附近。从热管往鳍片传热分为两步:
第一步、热管向附近0.5厘米处扩散,此时热量比较密集;
第二步、热量在热管附近形成近似条状向两边传递。

我们先看第一步:

每根热管需要传递的热量为125/8=15.625W,但是接触面积却只有0.6*3.14*1.6=3平方厘米(0.6是热管直径),随着热量扩散,面积增大,取平均3.3平方厘米,扩散0.5厘米后的温差为15.625/3.3/0.5/2.37=4°(2.37是铝的导热系数)。

这样得到结论,热管触点传递到附近鳍片温差为【4°】

接着是第二步传热,可以近似看作这样的传热过程(见下面的蹩脚示意图):

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图有些不准确,数值设为好算点的整数值,热管排列也很整齐,这样好算些。

橘黄色的两条是上述第一步的热量传递区域,接着热量从橘黄区域传向黄色区域,再传向绿色区域。

先看1、从橘黄区域传向黄色区域:四个截面同时传递,因此每隔区域需要传递125/4=31.25W的热量。上面已经算好了厚度,因此截面积=5*1.6=8平方厘米。

铝的导热系数2.37,所以从橘黄区域向黄色区域传导31.25W的热量,需要温差=31.25/8/2.37=1.65°。
接着2、从黄色区域传热到绿色区域,只需传递16W的热量即可,那么温差是0.8°。
【得到结果】如果热管温度为C,那么,橘色区域温度为C-4,黄色区域温度为C-5.65,绿色区域温度为C-6.45。
最后分析最前面提到的(4)从鳍片到空气的传热:

有个表面导热公式,大意是:每度温差,每平方米可以散发多少热量。对于散热片来说,风速不同,表面状态不同,表面导热系数也不同,我们取20来计算。
由于该款散热器总散热面积上面计算得到是0.38平方米,所以每度温差可以散热0.38*20=7.6W,总共需要散热125W,必须保持125/7.6=16°的温差。考虑到空气带走热量,自身也要升高6°左右,所以平均需要高20°才行。

这就是我们的【结论】,当125Wcpu满载时,4根6mm导热管的散热器:
1、鳍片平均温度比空气温度高20°(实际上由于风力不能充分作用在所有鳍片表面,实际需要25°的温差才行);
2、热管温度比鳍片要高6°;
3、cpu表面温度比热管要高6-10°。

假设,夏天室温是30度,机箱温度是35度(如果散热稍差,机箱内达到40度以上都有可能)。
那么鳍片平均温度为55°,热管61°,cpu表面温度达到67-71°(考虑风扇散热效率还需加5°)。
这就是结论,不知道你的4管散热器(12厘米多点的小散热器)能否在盛夏镇压住125W的CPU?

根据上面描述小结一下:
不超频的情况下,小机箱(17厘米厚度以内)只能装13厘米以内的散热器。如果以cpu表面75度为限制条件,那么125W可以使用4热管正常压制,3热管夏天勉强可度过,2热管的迷你型只有冬天能熬一下,而无热管的办公使用马马虎虎。

95W可以使用3热管正常压制,2热管夏天勉强可度过,无热管夏天普通使用还可以。

84W更轻松些,2热管基本就可度过夏天,无热管普通也能使用。

65W不需要热管散热器。

如果你的散热器符合以上条件还是不能度过夏天,那么检查一下安装是否正确;如果机箱内有热源(比如显卡温度高),考虑加强机箱通风。散热器侧吹应该朝向机箱抽气风扇。

加两个风扇(前后夹住散热器)降温效果一般不明显,除非侧漏很多,那么加风扇有一点效果。
下面分析超频对散热器的要求,以及大散热器的优势有多大。

在分析之前,需要考察一下,在4热管时,哪些改进最能提高散热效率?

下面按照效果排序:

增加鳍片的散热面积(6) > 保持机箱通风(5)>增加热管数目(3) > 增强风扇转速(1-2)

括号内是权重,表示能产生降温的可能度数。

首先来看看增加鳍片的散热面积,这其实就是加大散热器。我在上面计算4热管时采用的是40片鳍片。每片面积47.5平方厘米的散热器,它的总散热面积是0.38平方米。

如果增大到15厘米高的大散热器,比如某款大散热器,它的散热面积是0.6平方米,由50片鳍片组成。那么同样是散热125W,需要的温差是125/(0.6x20)=10.5°,比原来的16°降低了5.5°。也就是说,散热面积从0.38平方米提高到0.6平方米,cpu温度可以降低5.5度。

又有一款大的散热器,它标称的散热面积达到0.83平方米,那么相对小散热器降温幅度达到16-125/(0.83x20)=16-7.5=8.5度,考虑到空气本身的升温,实际效果可能是降温6度左右。

机箱通风是最简单的降温手段,只要在背后加一个抽气风扇即可,必须要做的啊,很划算。

增加热管到5根,传热速度快,使cpu到达鳍片与热管交接处的温度下降2-3度,而热管与鳍片接触的面积增大了25%,使温差下降1度,因此总体能下降3度左右。如果增加到6根呢,可以再下降1-2度,非常有限了。

风扇速度与噪音成正比的,一般12厘米的风扇转速都不高。风速的增加使得空气经过散热片后升温降低,上面算过125W散热使,空气升温6度,增加吹风可以下降到5度4度,但很难再往下降了,所以在一定程度上的高速并不见得有多少降温效果。
【结论】对125W,极限使用情况下来说,
(1)同样4热管,大散热器可以比小散热器降温4-6度;
(2)5热管小散热器,相对4热管小散热器,降温3度;
(3)5热管大散热器,相对4热管小散热器,降温7-9度;
(4)双风扇,再降1-2度;
(注:实际上双风扇与散热器形状有很大关系,因为风扇中心附近风力小,在鳍片上会形成低效区,在前面的计算4热管时对cpu升温4度,如果双风扇能够减少低效区,那么可以再降温2度以内,总体是3-4度)。
积少成多嘛,总体降温极限是10-13度。
至于6热管,极限降温幅度是11-15度。

7、8根热管就无意义了,增加幅度非常有限,不知道实际使用过的人有什么感觉。随着鳍片面积的增大,还是很有意义的。

那么,铜底座呢?我感觉不如热管直触的,估计有1度以内的差别吧。
似乎有铜鳍片的,太重,但漂亮(氧化了就不漂亮了),在3热管时可能有些优势,因为铜的传热系数是401,是铝的1.7倍左右,相同体积下,鳍片平均温度可以上升3度,这样就可以降低cpu温度达到3度。更多热管就没优势了。
大散热器主要是质量太大,全部用铜鳍片不太可能,不过可以对靠下的一部分鳍片(比如10层)采用【铜】,散热效果更好,增加的重量也不多,为什么不采用呢?小编在这里强烈推荐厂家试一下!!

其实超频就是按照cpu最高瓦数来配散热器。
cpu热量传递的过程温度是递减的:①cpu表面温度-->②热管与鳍片交接处的温度-->③鳍片的平均温度-->④机箱内空气的温度(长时间使用一般比室温高5度)。

列出上面每个步骤的温差,即可知道散热效果。

我进行了估算,下面列出对于瓦数的一些【估算】,考虑到热管性能、散热片大小、工艺有差异,【仅作参考】:
(1)125W,4热管小散热器,①②温差6-10°,②③温差6°,③④温差20-25°,合计温差32-41°,夏天机箱35度,cpu表面压制在67-76°以下,游戏一般在65°以下。
(2)125W,4热管大散热器,CPU表面与机箱内空气温差28-36°,夏天机箱35度,cpu表面压制在63-71°以下,游戏一般62°以下。
(3)125W,5热管大散热器,CPU表面与机箱内空气温差24-33°,夏天机箱35度,cpu表面压制在60-68°以下,游戏一般59°以下。
(4)125W,6热管大散热器,CPU表面与机箱内空气温差21-30°,夏天机箱35度,cpu表面压制在56-65°以下,游戏一般55°以下。
(5)150W(小超频),4热管小散热器,①②温差8-13°,②③温差8°,③④温差24-30°,合计温差40-51°,夏天机箱35度,cpu表面压制在75-86°以下,游戏一般在75°以下。(从这里看出小散热器只能小超)
(6)150W,4热管大散热器,CPU表面与机箱内空气温差34-43°,夏天机箱35度,cpu表面压制在69-78°以下,游戏一般69°以下。(看来这种散热器小超没问题)
(7)150W,5热管大散热器,CPU表面与机箱内空气温差30-39°,夏天机箱35度,cpu表面压制在65-74°以下,游戏一般65°以下。
(8)150W,6热管大散热器,CPU表面与机箱内空气温差26-35°,夏天机箱35度,cpu表面压制在61-70°以下,游戏一般61°以下。
(9)180W,4热管大散热器,CPU表面与机箱内空气温差41-51°,夏天机箱35度,cpu表面压制在76-86°以下,游戏一般79°以下。(看来这是夏天极限了)
(10)180W,5热管大散热器,CPU表面与机箱内空气温差36-46°,夏天机箱35度,cpu表面压制在71-81°以下,游戏一般73°以下。
(11)180W,6热管大散热器,CPU表面与机箱内空气温差32-41°,夏天机箱35度,cpu表面压制在67-76°以下,游戏一般69°以下。
(12)200W,5热管大散热器,CPU表面与机箱内空气温差40-51°,夏天机箱35度,cpu表面压制在75-86°以下,游戏一般80°以下。
(13)200W,6热管大散热器,CPU表面与机箱内空气温差36-46°,夏天机箱35度,cpu表面压制在71-81°以下,游戏一般75°以下。(估计200W是风冷极限)

再次说明,以上仅是【估算】,虽然是依照一定的计算方法进行估算,但散热器面积、机箱热量情况、热管质量、风扇效果很不相同,以上结论【仅作参考】。

对6热管以上就不估算了,因为热管密集程度提高后,会减少散热片的面积,也会遮挡散热片间的空气流动,得不偿失或很少收益,小编认为7管8管无意义,卖散热器的不要追打小编

另外,一些8mm热管的散热器,5根相当于6根6mm的效果,4根相当于5根效果,3根接近于4根效果。

另外小编推出最佳散热器设计改进方案:
1、大散热器,尽量增加鳍片面积;
2、最下面10层使用铜鳍片,其余使用铝鳍片;
3、底座直触,如果使用铜底,所有热管(特别是中间的热管)离铜底不要超过1mm;
4、多热管在鳍片中面向风扇适当重叠,减少风阻力。

购买建议:在机箱允许的前提下尽量购买大散热器,鳍片面积越大越好,不超频4热管足够,超频200W以上考虑水冷。

补充估算用到的常用参数:
1.铝的导热系数237,铜401,换算成厘米、平方厘米就是2.34w和4.01w;
2.热管的导热系数:低温小,高温高,范围大约在3000-10000,是铜的8到25倍,计算CPU散热时,发热量越高,该系数取值越大;
3.表面散热系数取20,意思是每平方米散热片,相对低1°的空气,可以散热20w。

几个常用的计算结果,可以用于快速预估:
1.CPU到热管上方温差10°左右(与根数成反比,与功率成正比);
2.热管与鳍片平均温差5°左右(基本同上);
3.鳍片与空气散热时温差需要10-20°(鳍片面积越大温差越小)。
4.机箱温度与室温差5°左右。

另外CPU90%比100%低10°左右。

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