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    其实在十年前(2010年)我们就此问题作过探讨,今天旧话重提,是觉得这个话题依旧有价值。为什么这么说呢,还得从最近一大波的RTX 3080显卡说起,不妨先来看看我们测试过的一些RTX 3080显卡它们的散热器是何模样:

    很显然,这些RTX 3080显卡的散热器有个共同的特点:规模大,热管长且贯穿南北。在绝大多数的情况下,这样大规模的散热器能很好的为GPU保驾护航,但是在一些特殊场合,比如当显卡垂直安装的时候,就会出现意外。现在市面上也还存在一些特殊结构的机箱(IO接口在机箱上方的),还有像早前乌鸦那样垂直风道的机箱,它们都会令显卡在机箱里呈垂直安装方式:


    在某些机箱里,显卡是这样垂直安装的

    垂直安装显卡,GPU温度就上升这么多?

    像这样热管很长贯穿南北的散热器,在普通机箱里作压力测试时,它的散热表现是这样的:


    正常情况下,压力测试时GPU的温度稳定在74度左右

    如果显卡作垂直安装方式,同样条件的压力测试,它的散热表现是这样的:


    垂直安装下压力测试时GPU的温度上升到了82度

    仅仅是显卡垂直安装,GPU的温度就上升了8度?为什么会出现这样的情况,这还得从热管的基本工作原理说起。

    热管中液体回流必须克服重力影响

    热管现在对于我们来说已是非常之熟悉,它在PC散热中得到了广泛普及的应用,其原理也很好理解,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。下面显示了运行中的热管的动画,热量从左侧进入热管(Evaporator,蒸发段),在右侧热量再次释放(Condenser,冷凝段),红色为汽化后的蒸汽流,蓝色为冷凝后通过毛细管结构回流的液体。


    热管工作流程示意图(图片来源heatpipe.nl

    通常热管是由管壳、贴着管壳的吸液芯和端盖组成,将管内抽成一定负压后充以适量的工作物质(工质),使紧贴管内壁的吸液芯毛细孔中充满液体后加以密封。当热管一端受热时毛细芯中的工质蒸发汽化,蒸汽在微小压差下流向另一端放出热量后凝结成液体,液体再沿多孔材料借助毛细力和重力流回蒸发段,如此循环不断传递热量。


    热管的基本构造

    能够通过微小温差来传送大量热量的热管之所有高效,是因为工作时利用了三种物理学的基本原理:

    ① 在真空状态下,液体的沸点降低;
    ② 同种物体的汽化潜热比显热高的多(也就是相态变化会吸收或放出更多的热量);
    ③ 多孔毛细结构的抽吸力能促使液体流动,形成循环。

    一般来说,热管中的工质需要根据工作温度区间进行选择,对于PC散热,考虑到成本因素,厂商们一般选择的是纯水和部分添加剂。不过看到有同学说,我剪开热管为什么没有看到液体?

    实际上热管里的工质是很少的,过多的话会引发液体阻塞现象,导致冷凝段无法正常工作,当然过少也不好,流体无法将毛细结构孔隙填充,造成热管蒸发段局部干燥。热管的直径、毛细结构、热管长度都会直接影响到液体的填入量。最常见的直径6mm长度15cm的热管其工质装填量大约为0.5毫升,而且都填充在毛细孔中,所以就算剪开热管也不会看到有液体流出。

    著名科学家Cotter为热管学奠定了理论基础,一般称之为Cotter理论,其中提到了热管正常工作的必要条件:

    热管正常工作的必要条件:

       △Pc ≥ △Pl + △Pv + △Pg

    热管内的流体流动属于汽-液两相逆流流动,其中蒸汽从蒸发段流向冷凝段会产生压力降△Pv,冷凝液体从冷凝段流回蒸发段会产生压力降△Pl,而重力场对液体流动也会产生压力降△Pg(可以是正值,是负值或为零,视热管在重力场中的位置而定)。△Pl+△Pv+△Pg形成了工质回流的阻力,而热管中工质的循环动力是靠毛细吸液芯结构与工作液体产生的毛细压头,也就是△Pc。


    热管传热中存在各种极限

    △Pv和△Pl一般随热负荷的增加而增在,主要受工质的黏度、密度、质量流量、热管长度、多孔物质渗透系数等影响,而△Pc则由吸液芯结构决定的,如毛细孔半径越小△Pc越大。毛细结构为循环提供的毛细压头是有限的,如果由毛细力作用抽回的液体不能满足蒸发所需的量,便会出现蒸发段的吸液芯干涸,蒸发段管壁温度剧烈上升,甚至出现烧坏管壁和热源的现象,这就是常见的毛细极限

    除了毛细极限外,在热管传热中还存在各种极限,比如低温下蒸汽流动的粘性极限、蒸汽流速度达到音速的塞流现象的音速极限、蒸汽流速过大超过表面张力流体飞散的飞散极限,还有液体沸腾导致传热能力下降的沸腾极限等。

    显然我们今天不是来学习如何去计算△Pc/△Pv/△Pl这些数据,只关心△Pg这一项,由重力场引起的对液体流动产生的压力降。当蒸发段位于冷凝段之上时,工作的液体回流时还必须克服重力的影响,当然冷凝段在上面时,重力会加速液体的回流。

    热管散热器要这样装

    回到前面的问题,为什么仅仅是显卡垂直安装就会让GPU的温度上升8度呢?看了对热管工作原理的说明,其实就很好理解了,当显卡垂直安装时,散热器的热管也就垂直水平面了,如下图所示:


    当显卡垂直于水平面时散热器的蒸发段远高于冷凝段

    此时蒸发段(也就是GPU处)远远在冷凝段之上,工作时,冷凝后的液体回流时需要克服非常大的重力场产生的压力降,热管中回流液体的重力影响明显超出了我们的想象,工质回流的阻力加大,导致回流的液体量减少,蒸发段的温度自然就会上升,传热性能急剧下降,也就造成了GPU的温度大幅上升。

    不仅仅是显卡散热器会遇到这样的情况,CPU散热器也可能会有类似情况,只是像大多数RTX 3080显卡散热器这样规模和结构的,会在显卡垂直安装时出现毛细极限的可能性会更大,矛盾性更为突出。

    早在Silverstone推出垂直风道的RV02机箱时,官方也就这个问题作了说明,不过它也只是针对下吹式的CPU散热器,其实对显卡的影响更大。


    Silverstone推荐的CPU散热器安装方式

    所以,要获得更好的散热性能,尽量保证散热器冷凝段的位置不低于蒸发段,这是适用所有热管散热器的安装准则,至少,也要保证热管散热器工作时液体回流不要受太多的重力影响,也就是冷凝段的位置不能低太多。

    对于体积更大的显卡来说,尽量让显卡散热器中的热管和地面平行!!

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