散热的原理与分析

air543447715

散热系统其实涉及到的知识并不是特别复杂：
1，热量由温度高的地方向温度低的地方传递，温差越大，热量传递越快；
2，不同介质导热系数不同；
3，不同物质比热容不同；
4，散热介质流动、增大散热面积、温差大、导热系数高有利于热量传递。


风冷和水冷的主要区别：
其实最主要在于比热容。水冷本身有一个水温升高的过程，这个过程本身就能吸收大量的热。
但是长时间来看，这个吸热过程是可以忽略不记的，毕竟水温升高到一定温度，吸收的热量是固定的，要维持相对较低的温度，长时间来看还是需要靠空气流动带走热量。
另外水冷散热的另一个优势是cpu本身不会升温过快，毕竟每升高一度，水可以吸收更多的热量，使得与cpu直接接触的散热器件能在cpu负载突然升高的时候，始终保持较低的温度一段时间。

但假设cpu一直都是高负载工作，环境温度都一致的话，其实最终的散热效果取决于流过整个机箱的空气流量。

环境温度一定，为什么cpu同样高负载，最终会稳定在某个温度（假设散热器够用，而不是最终cpu自己撞了温度墙）？
cpu不断发热，传递给直接接触cpu的散热器，散热器温度逐渐升高。散热器温度越高，与环境温差就越大，热传递就会越快。
最终散热器到达某个温度，由于与环境温度有很大的温差，空气流过时带走的热量与cpu产生的热量基本相当，这时cpu温度就稳定了。

一个典型的风冷散热系统如下图：(所有实线连接表示接触)


通常导热底座的材质为铜或银，因为在常见物质中，这两者的导热系数是比较高的：
（单位W/mK，来源百度百科）
银 固态 420
铜 固态 401
金 固态 318
铝 固态 237
铂 固态 70
铁 固态 60
钢 固态 60
铅 固态 35
水 液态 0.6

作为底座，还要考虑成本、是否易腐蚀生锈等，综合考虑，银和铜成为最常见的导热介质。

对于风冷散热，各种设计都是为了最小化T5-T1的值，也就是将热量尽可能高效地传递到散热鳍片上。
最终散热鳍片接触空气，由于温度差，加上散热介质空气的流动，快速交换热量，将热量带走。

需要注意的是，无论如何优化散热器，只能让T5与T1无限接近。最终每秒带走多少热量，是由风量与环境温度决定的。或者换句话说，T5与T1之间的优化是有极限的。

下图是典型的水冷散热示意图：


同理，水冷散热器本身也会极力优化T6与T1之间的温度差，甚至很多水冷散热器使用了成本更高的银。
这里与风冷散热器有一个不同的地方在于，增加了水作为中间散热介质。
提高水的流速，成为了优化T6与T1温度差的一部分。
但是，对于长时间使用来看，水的流速对于优化的效果是有限的，主要是水的比热容很大，只要水正常流动，并不会导致T3与T4之间有明显的温差。
最终整个系统带走多少热量，仍然取决于环境中的空气温度和通风量。

主要原因就是，无论是风冷和水冷，在CPU与散热鳍片之间的温度差优化得多好或多差，最终都会或快或慢地提高鳍片温度，最终鳍片温度与室温形成一个温差，加上特定的通风量，就构成了整个系统最终带走热量的速度。
这里不是说散热器本身优化不重要，只是说，相对通风量来说，不是最主要的因素。比如水冷的冷头，是锦上添花的，不是起决定性作用的。

以上说的“长时间”、“最终”，都是只cpu在高负载下工作，最终稳定在某个温度的情况。
水冷由于自身系统内的水的存在，在升温过程中本身就会吸收大量热量，所以短时间内看起来水冷的散热效果是优于风冷的。
另外所有示意图中都没有把硅脂作为考虑的因素，因为也是次要因素。

所以结论就是，风量压倒一切。


考虑极限情况，水冷与风冷的T6-T1和T5-T1都无限接近0，最终cpu的稳定温度就等于：当（T2-T0）与通风量计算出的每秒带走的热量等于CPU每秒的发热量的时候的温度。

sthuasheng

基本赞同，但是你这个结论只适用于理想环境，具体到实际当中有2个点决定水冷比风冷强：1、散热介质与空气的接触面积，水冷冷排与空气的接触面积远大于塔式风冷的那点面积，受限于机箱结构塔式风冷基本没法再提升了；2、水冷可以通过冷排直接把热量排出机箱，而风冷的热量还在机箱里，会造成机箱积热。

xy.

长时间烧鸡的情况在实际使用里还是少.
现在不手动超频的话, intel 有 tvb, amd 有 pbo, 厂家标定的最高睿频温度控不住的话很难跑出来, 这时水冷还是有用的.

dxl1215225

学习了，长知识了。多级传导，必然有损耗。

散热的本质，或者说根本目的就是不让热量堆积，将热量传导到其他地方、介质（水、空气）。

材料导热系数，代表的就是热量传导的效率。

机箱内部器件产热，配合散热片，直接用抽风机把热空气抽出来是最快捷高效的（静音机箱+1个大风量排风扇）。

关于水冷，冷排装在机箱外才是最科学的，冷排扇的方向，应远离机箱。

PS：我每次看到冷排装在机箱前面板进风处的，都万分难受。。。机主还告诉我。。。新鲜的冷空气给冷排降温。。。。

hxyhys

整这么多，真的想要研究散热的，直接搞一本工程传热学看看就成。。。第一章看完，基本也就清楚了。。。大学本科工科类能源动力专业必修课。。。

air543447715

sthuasheng 发表于 2022-8-25 14:09
基本赞同，但是你这个结论只适用于理想环境，具体到实际当中有2个点决定水冷比风冷强：1、散热介质与空气的 ...

第一点不是因为散热面积，是因为风量。水冷的风量显然比风冷可以大很多。
水冷有一个重要的特点是可扩展性强，可以放机箱外，可以弄很大的散热面积/风量，甚至可以弄冰水辅助。

gbawrc

顶级双塔风冷的鳍片散热面积是不是接近280水冷的冷排？

air543447715

gbawrc 发表于 2022-8-25 14:57
顶级双塔风冷的鳍片散热面积是不是接近280水冷的冷排？

看风量多直接啊，散热面积只是辅助，关键是风量
发这个贴子就是因为看到有人在问戴尔工作站上10980xe的问题。
看看戴尔的cpu风扇，就知道它有多猛了，散热面积其实不大，但是风量很高，加了个罩子能降低噪音。
我曾经想找个猫扇之类的换了它，后来发现风量都不是一般的小。

solder

air543447715 发表于 2022-8-25 15:03
看风量多直接啊，散热面积只是辅助，关键是风量
发这个贴子就是因为看到有人在问戴尔工作站上10980xe的问 ...

纯性能分析容易走极端。实际使用中，两张360薄排800转风扇基本搞定正常场景。暴力扇+小面积冷排没人会选。

gbawrc

air543447715 发表于 2022-8-25 15:03
看风量多直接啊，散热面积只是辅助，关键是风量
发这个贴子就是因为看到有人在问戴尔工作站上10980xe的问 ...

你一楼第四点都说了，散热面积越大越好
不信你给D15换两把15038万转暴力扇试试

air543447715

gbawrc 发表于 2022-8-25 15:20
你一楼第四点都说了，散热面积越大越好
不信你给D15换两把15038万转暴力扇试试 ...

散热鳍片已经很大程度增大了散热面积了，可以说很充分了。
剩下的就交给风量了，cpu风冷的场景下，风量不变的话，再增大面积，基本没什么提升。

air543447715

solder 发表于 2022-8-25 15:16
纯性能分析容易走极端。实际使用中，两张360薄排800转风扇基本搞定正常场景。暴力扇+小面积冷排没人会选 ...

工作站不会给你上水冷啊，漏了那还得了。
暴力扇和两张360冷排都是在增加风量，只是后者戴尔惠普这些厂商坚决不会选。

Narumi

air543447715 发表于 2022-8-25 15:29
工作站不会给你上水冷啊，漏了那还得了。
暴力扇和两张360冷排都是在增加风量，只是后者戴尔惠普这些厂商 ...

京东有售 水冷款Precision T3660【Premium CPU Liquid Cooler】

九天御风

冬天把冷排扔鱼缸里，既可以给鱼儿加热防止冻死，又可以降低CPU温度，一举两得。

momoka

我倒是觉得觉得冷头还挺重要，对于大规模水冷来说散热面积和风扇根本不是问题，囧。

yingfores

稳态导热不需要考虑比热容

zhgbbs

yingfores 发表于 2022-8-25 17:29
稳态导热不需要考虑比热容

差不多，比热容是最不需要考虑的点，大部分情况可以忽略；
而且比热容高还有坏处，热源温度突然增加的情况下，冷头处的液体因为升温比较小，冷排处的液体和空气的温差就小，温差小热交互速度就慢，这样整个系统相对于空气交换的热量就小

flymop

工质没有相变，都是鶸啦

T.JOHN

momoka 发表于 2022-8-25 16:42
我倒是觉得觉得冷头还挺重要，对于大规模水冷来说散热面积和风扇根本不是问题，囧。 ...

其实重要不高。参考发动机是OEM自己做的，水道完全自行设计，相当于冷头。但散热器厂商博士/电装无视你水道，直接问题发动机功率（相当于CPU功耗）给散热方案
如果冷头能有很强改变，厂商是会做大或者水道做密的，但实际上跑个1D/CFD仿真就知道区别不大。瓶颈还是散热器和风扇上，所以像厨师把散热器直接丢冰桶里最省事，相当于20分钟压缩机的效果

momoka

T.JOHN 发表于 2022-8-25 22:29
其实重要不高。参考发动机是OEM自己做的，水道完全自行设计，相当于冷头。但散热器厂商博士/电装无视你水 ...

事实上，水道面积就是在越来越大且越来越密，aio冷头都在往这个方向进化。只是因为已经是0.1mm了，再密可能真的会堵，所以最近都在扩大水道面积。



我也说了，是在规模和风扇根本不是瓶颈的状态下囧（当然还得在不用能低于环境温度的的散热的情况下）。此时更需要的是把热量从核心传导出来。diy冷头是怕堵没办法。

kaiwenwu

T.JOHN 发表于 2022-8-25 22:29
其实重要不高。参考发动机是OEM自己做的，水道完全自行设计，相当于冷头。但散热器厂商博士/电装无视你水 ...

还是有很大区别的，冷头导热不行交换效率下降就算水温比较低也还是会积热，只是让冷头积热的功耗比较大而已。

21mm

1.首先考虑的是cpu的接触面的热传导性能，如果它超过cpu 本身盖板的传导能力，不存在瓶颈。
2.盖板吸收热能开始做热传递 这里对比风冷和水冷，风冷是直接金属传递（热管），散发的效果比水吸热要好（水温==环境温度的时候）。
3.水冷和风冷的主要区别就是升温后（风冷周围空气温度），接下来对比就是风道的问题，水冷优势就是散热面积大，周围积热低，可以有效的实现冷热循环，如果风冷能及时排出热（散热器周围），理论上还是风冷效率高。

zhgbbs

flymop 发表于 2022-8-25 22:03
工质没有相变，都是鶸啦

确实，要说热量的搬运工，相变冷媒才是爷（空调：正是在下）

mhsk

基本同意。

terry0086

有没有散热器把热量导到全铝机箱整体散热或机箱外边？

堕落的翼

水冷的高热惯量优势风冷真的比不了

skywingme

靓仙人 发表于 2022-8-26 12:58
评测基本都是空调室内24度左右测试，对于不开空调的夏天室温基本没有参考价值，所以网上的评测飘过省略。 ...

评测空调的硬性条件是焓差实验室，评测结果也应该都写明实验条件（比如室内30度，室外35度，室内密闭等级、隔温系数及面积等等），没有说明这些的实验结果都是耍流氓