计算机散热的原理与技术解析[下]

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，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5～10℃（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860.076×40=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，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，