关于风冷散热器的性能研究

西瓜柚子冰

　　（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。

素岚听风

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【小喬】

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城市生活

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