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散熱器十大品牌

風冷:

思民、貓頭鷹、利民、極酷凍淩、捷冷--變形金剛

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熱管風冷,當前中高端主流散熱方式

為了應付處理器不斷增長的散熱需求,散熱器的發展也日新月異,先前是以開發散熱片的材質為主導,從鋁材發展到鋁+銅,再到純銅散熱器。然而當處理器TDP達到壹定高度後,僅靠改善散熱片制造原料和增加散熱器體積來提升散熱效率,很難再有提高和突破。各大生產散熱器廠家開始以散熱方式為技術變革的方向,從風冷、半導體制冷到熱管,再到水冷、水+冰冷甚至更極端的幹冷和液氮制冷。

在2003年,業界就有人提出“風冷還能堅持多久”的疑惑,擠壓熱表面,實現高低不等能量體傳遞能量,這幾乎是當時風冷散熱壹致性的散熱傳導模式,普通的風冷模式確實跟不上處理器TDP發展的腳步。而當水冷散熱器剛剛顯身之時,因為其良好的散熱能力,人們似乎壹下發現了新大陸,紛紛預測未來將是水冷的天下。

幾年時間過去了,水冷仍然只在少部分玩家中使用,壹直未躋身主流行列。雖然從散熱性能上看還是以水冷占優勢,但是它價格偏高,安裝不易,占空間大,且安全性低,另外水(或者其它替代液體)會有變質和內部材料氧化的問題。

除水冷自身缺點以外,使它衰落的另壹個原因則是熱管的出現。當熱管進入到PC領域後,傳熱材料的散熱技術獲取了突破從而令人們放棄了水冷,所以水冷的發揮空間正在逐漸變小,未來將慢慢淡出市場,熱管式風冷是目前主要的散熱方式。

值得我們註意的,就是CPU的發熱量增加速度已經放緩,預計未來3年內TDP功率超過130W的怪物級主流CPU不會再出現,而目前的熱管風冷技術已經足夠滿足CPU的散熱需求。隨著熱管產能增加與工藝的成熟,我們預計熱管散熱器的售價也會進壹步下調,從目前的中高端市場進入低端市場,被更多用戶選擇。

熱管技術簡析

熱管散熱是壹種利用相變過程中要吸收/散發熱量的性質來進行冷卻的技術,1963年由美國Los Alamos國家實驗室的G.M.Grover發明,並率先由IBM最初引入筆記本中。熱管的出現已經有數十年的歷史,而在PC散熱領域被廣泛采用還是近些年的事,但發展迅猛。小到CPU散熱器、顯卡/主板散熱器,大到機箱,我們都可以看到熱管的身影。

熱管具有熱傳遞速度極快的優點,安裝至散熱器中可以有效的降低熱阻值,增加散熱效率。它通過在全封閉真空管內工質的汽、液相變來傳遞熱量,具有極高的導熱性,高達純銅導熱能力的上百倍,有“熱超導體”之美稱。工藝過關、設計出色的熱管CPU散熱器,將具有普通無熱管風冷散熱器無法達到的強勁性能。

從技術角度看,熱管的核心作用提高熱傳遞的效率,將熱量快速從熱源帶離,而非壹般意義上所說的“散熱”——這則涵括與外界環境進行熱交換的過程。熱管的動作溫度範圍十分寬廣。從零下200度 ~1000度均可使用熱管導熱。

熱管的工作原理很簡單,熱管分為蒸發受熱端和冷凝端兩部分(具體到產品上,受熱端就是和散熱器底座接觸的部分)。當受熱端開始受熱的時候,管壁周圍的液體就會瞬間汽化,產生蒸氣,此時這部分的壓力就會變大,蒸氣流在壓力的牽引下向冷凝端流動。蒸氣流到達冷凝端後冷凝成液體, 同時也放出大量的熱量,最後借助毛細力回到蒸發受熱端完成壹次循環。

典型的熱管是由管殼、吸液芯和端蓋組成,將管內抽到的負壓後充以適量的工作液體,使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體後加以密封。管的壹端為蒸發段(加熱段),另壹端為冷凝段(冷卻段),根據需要可以在兩段中間布置絕熱段。

◆ 燒結熱管和溝槽熱管

液體冷凝的過程會采用到毛細原理,因此毛細結構是壹根合格熱管產品的核心。它主要有三個作用:壹是提供冷凝端液體回流蒸發端的通道,二是提供內壁與液體/蒸氣進行熱傳導的通道,三是提供液氣產生毛細壓力所必須的孔隙。毛細結構分為四種:絲網、溝槽、粉末燒結與纖維四種。在PC散熱器上,大部分都是溝槽與粉末燒結兩類結構,POWDER(燒結熱管)占80% ;GROOVE(溝槽熱管)占20%。

燒結式熱管,其毛細結構是通過高溫下銅粉燒結制造而成的。我們最常見的水介質燒結式熱管制造流程大致為:選取99.5%純度的銅粉,銅粉單體粒徑控制在75~150微米。使用工具將外徑5mm紅銅管內部清除幹凈,去除毛刺,接著將銅管放到稀硫酸中使用超聲波清洗。清洗幹凈之後我們將得到壹根內外壁皆十分光滑、無氧化物的銅管。此時將壹根細鋼棍插到銅管裏(需要工具精確地將鋼棍兒固定在銅管的中央,以方便銅粉均勻填充),將銅管底部用銅片暫時封閉。接著就可以把純銅粉倒入銅管了。裝填完畢之後就可以拿到燒結爐進行燒結。在燒結過程中,溫度的把控也很重要。燒結完成之後使用壹個輔助工具把銅管加緊,使用工具把鋼棍抽出即可。

嚴格按照上述流程制造的燒結式熱管,每個部分的毛細結構滲透率都應該大致相同,銅粉燒結塊分布厚度大致均勻。當我們拆開熱管仔細觀察,就可以發現該熱管的燒結工藝是否過關了。

溝槽式熱管是熱管毛細結構中比較制造簡單的壹種,采用整體成型工藝制造,成本是壹般燒結式熱管的2/3。溝槽式熱管生產方便,但缺點十分明顯。溝槽式熱管對溝槽深度和寬度要求很高,而且其方向性很強。當熱管出現大彎折的時候,溝槽式方向性的特性就成了致命缺點,導致導熱性能大幅度下跌。

目前市面中有些廉價的熱管散熱器,這其中也包括了某些顯卡散熱器,雖然采用了熱管,基本上溝槽式的,因此性能必然不會像高端熱管那樣優秀,不能對這種產品的散熱性能抱以過多的希望。

◆ 熱管的彎曲

熱管直通的狀態下具有最好的熱傳遞效能。但是在實際使用中,熱管經常要被彎曲。彎曲後的熱傳遞性能會出現不同程度下降,這也與工藝好壞有密切聯系。熱管彎曲有壹點必須要註意:在彎曲部位要盡量保持直徑無變化,或是變化很小。如果出現嚴重形變,比如本來圓柱形的外壁變成扁平形狀,則會大幅降低熱傳導性能,因為過大的形變會導致熱管內部的毛細結構部分中斷。

溝槽熱管在這方面非常敏感,當溝槽管彎曲90度,導熱性能大降,甚至只能達到原來性能的1/2。部分采用溝槽管的散熱器甚至將其彎曲180度,那樣的效果可想而知了。而燒結式熱管在彎曲時的敏感度就小多了,雖然彎曲後性能也會有部分下降,但是並不明顯。壹般高端的熱管散熱器中可以見到燒結管的身影。

如果價格非常低(雙熱管或以上)並且彎曲角度很小(最多90度)的,大多數都是采用溝槽管的。多道彎曲的都是采用燒結管(當然並不絕對,但是基本如此)。

◆ 熱管的直徑

以熱管長度均為150mm計算,經過有關權威機構測試,直徑為3mm的熱管其熱阻值為0.33(測試物體溫度變化區間60~90度)。而直徑為5mm的時候,熱阻立刻降到了0.11,已經可以滿足絕大部分場合對導熱的要求了。而當熱管直徑擴大到8mm的時候,熱阻竟然達到了0.0625,這是大部分金屬材質散熱器難以企及的熱阻。

不同直徑的熱管,最大導熱量區別有多大呢?臺灣某研究所給出了壹組參考數值。直徑為3mm的正品熱管,2.8個標準熱傳遞周期中只能傳遞15W(15焦耳/s)的熱量。而直徑為5mm的熱管,在1.8個熱傳遞周期最大熱量傳遞達到了45W,是3mm熱管的3倍!而8mm的熱管產品只需0.6個周期就可以傳遞高達80W的熱量。如此高的傳熱量,如果沒有良好的散熱片設計和風扇配合,很容易導致熱量無法正常發散。

顯然,熱管的直徑對傳熱有很明顯的影響,越大效果超好,目前中高端熱管散熱器中多采用6mm的熱管,也有個別是用的8mm產品。

◆ 熱管與鰭片的結合

熱管有著優秀的熱傳導能力,能將處理器的熱量很快的轉移走,但要依靠熱管那小小的散熱面積將熱量轉到空氣中是不可能,必須借助更多的散熱鰭片。因此熱管與鰭片如何完美結合,是非常關鍵的。目前主要有兩種方式,焊接和穿fin。

熱管與鰭片最常見的連接工藝就是焊接,界面熱阻值較低,但是成本較高。比如鋁鰭片與銅熱管焊接,則需要先將熱管表面電鍍鎳,方可與鋁鰭片焊接到壹起。焊接熱管的工藝都有壹個很明顯的特征,就是在熱管上方有焊孔。焊接過程中產生的氣泡和不均勻都會導致散熱效率受損。

穿Fin就是通過機械手段讓熱管直接穿過鰭片。這種工藝成本很低,工序簡單,但是對工藝本身的技術要求較高,否則很容易使熱管與鰭片之間的接觸不緊密而導致界面熱阻過高。合格的穿Fin工藝加工出來的散熱器,熱管與鰭片截面熱阻幾乎完全等同於焊接,但成本卻能大幅降低。實際上,穿Fin工藝是AVC的專利技術,使得AVC散熱器既能有強大的散熱性能,還可保持相對低廉的售價。富士康的沖壓鉚接技術與穿fin類似。

焊接與穿Fin在性能上基本沒有差別。但是在成本方面,焊接會比穿Fin高出每熱管1美元左右的幅度,所以焊接工藝的熱管散熱器價格普遍都比較高。

當前中高端風冷散熱器特點

中高端風冷散熱器,足以應付現在的主流CPU散熱需求。最顯著的特點是熱管的全面應用,並且是多熱管方式(4根以上),熱管普遍采用燒結式熱管,直徑多為6mm。除了成熟的熱管技術應用外,還有些其它特點:

◆ 側向吹風

有些事件在悄悄改變,比如散熱器風扇的安裝方式。傳統的散熱器安裝方式是風扇在頂部,氣流朝下,即垂直於CPU。現在多數在改進風道設計,風扇改為側向吹風,讓氣流的方向平行於CPU。

側向吹風的首要好處是徹底解決風力盲區,因為氣流是平行通過散熱鰭片的,氣流截面的四條邊上的氣流速度最快,而CPU的發熱點正好位於壹條邊上。這樣CPU散熱底座吸收的熱量可以被及時帶走。另外壹個好處是沒有反彈的風壓(通常向下吹風時,壹部分氣流沖至散熱底面並反彈,這會影響散熱器內的氣流運動方向,使的熱交換的效率受到損失)。熱交換效率要高於向下吹風。

當然側面吹風的也有缺點,就是不能直接吹到到熱源——底面。所以,側面進風的關鍵就是如何盡快的把底面的熱量帶到風道。這就給熱管有了發揮的舞臺,熱管+密集散熱鰭片的配置,讓底部的熱量盡快傳遞到散熱鰭片上。

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