关于风冷散热器的性能研究

关于风冷散热器的性能研究专题（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：或使热管直接接触cpu表面：或采用铜底座：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：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：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。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。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：可是，放大看看，空隙很大，影响传热：（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：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：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：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：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）：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