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    基于水冷的散热系统如今在绝对性能上已经超越了风冷,但从使用寿命上来说,则相反。如果是分体式水冷,需要定期添加水冷液(蒸发减少)、更换水冷液(长时间使用化学反应变质或沉积杂质)或更换老化的密封胶圈;而成品式的一体式水冷虽简单许多,但也并非一劳永逸,看似完全密封的水路系统,依然每年会少量挥发导致性能下降,同时水路内部同样存在液体与金属材质发生氧化反应导致性能下降,所以各品牌的一体式水冷也都有明确的质保期,如果产生故障,通常也已经超出质保期。

    所以,对于很多高端玩家来说,看似传统的风冷依旧是可靠性高、性价比高、需维护频率极低的解决方案,毕竟原理越简单的产品故障率更低。似乎热管这种基础导热原理并不需要关心它的寿命,就像一个玻璃杯只要不打碎就能用一辈子。大家平时对于风冷的维护,也仅仅是清一清灰尘、换一下硅脂,那究竟是不是这样呢?

    热管导热原理回顾

    热管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

    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。



    热管的基本构造

    由此可见,即便是这样简单的原理,也是由多种材料结构所构成,热管内部存在的少量液体便成为了整个导热流程的关键一环。既然水冷会因为液体与金属发生化学反应产生变质导致能效降低,换成热管就不会了吗?

    热管性能衰减原理探究

    带着这样的疑问,我们在查阅热管相关的学术资料后,发现热管也并非想象的那样一劳永逸。


    资料来源:《热管技术及其工程应用》化学工业出版社 庄骏/张红 著

    ① 产生不凝性气体:由于工作液体与管壳材料发生化学反应或电化学反应,产生不凝性气体,在热管工作时,该气体被蒸汽流吹扫到冷凝段聚集起来形成气塞,从而使有效冷凝面积减小,热阻增大,传热性能恶化。这种不相容的最典型例子就是碳钢-水热管,由于碳钢中的铁与水发生以下的化学反应,所产生的不凝性氢气将使热管性能恶化,传热能力降低甚至失效。

    ② 工作液体物理性能恶化:有机工作介质在一定温度下,会逐渐发生分解,这主要是由于有机工作液体的性质不稳定,或与壳体材料发生化学反应,使工作介质改变其物埋性能,如甲苯、烷、泾类等有机工作液体易发生该类不相容现象。

    ③ 管壳材料的腐蚀、溶解:工作液体在管壳内连续流动,同时存在着温差、杂质等因素,使管壳材料发生溶解和腐蚀,流动阻力增大,使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后,引起强度下降,甚至引起管壳的腐蚀穿孔,使热管完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中。

    著作中详细说明了影响热管性能寿命的原因,因此我们平时使用的风冷热管的性能,从原理上来说,也是会随着时间逐渐衰减的。上述资料主要针对工业热管进行阐述,并且经过了20年的演变,热管工艺本身可能也在发生着变化。因此我们将进行一次实际的测试,来验证热管性能衰减对于PC散热器的实际影响有多大。

    2014年/2021年猫头鹰D15散热器对比性能简测

    我们准备了两颗同型号散热器进行性能比对:一颗是已经使用了6年的猫头鹰D15(后文称2014年D15),偶尔作为评测时的参照物上机跑跑负载;另一颗是从京东全新购买的猫头鹰D15(后文称2021年D15)。虽然生产时间隔了六年左右,我们只能假设两者采用的热管原始是性能一致的,否则测试无法进行下去(测试产品涉及的时间跨度极大,绝对严谨精确的测试条件很难创造出来)。从外观以及官方发布的资料来看,D15在这六年间并没有进行过设计优化改款。

    测试方式为使用Intel酷睿i9-10900K硬件裸平台,跑AIDA64 FPU满载压力测试,并且分别记录两款散热器下,在200W功耗档位以及250W功耗档位,CPU表面及核心温度的差异。测试时室温稳定在19.1℃。同时,为了避免可能存在的风扇差异对性能数据造成影响,进行测试的新/旧两款D15散热器,均使用2021年D15散热器内的新风扇,并将双风扇设置为全速运转。

    在CPU功耗为200W档位的压力下,2014年D15对比2021年D15的测试结果,无论是CPU表面温度还是内核平均温度均高了1℃左右。

    在更高功耗的250W档位的压力下,随着负载程度的提高,2014年D15对比2021年D15的性能差异被放大,无论是CPU表面温度还是内核平均温度均高出3.5℃左右。看来同款散热器,随着时间的推移,热管导热性能确实有着一定程度的下降。

    总结:热管散热器性能会随时间轻微衰减

    就像之前说的,假如我们测试两款散热器热管原始性能一致,那么手上这两颗间隔了多年的猫头鹰D15确实展现出了热管在性能上的衰减,在比较高的250W负载下,CPU温度会上升3度左右,中等负载(200W CPU功耗,这也是高端风冷的主战场),CPU温度会上升1-2度,当然,猫头鹰D15的品控是有口皆碑的,对于品控一般的热管散热器,这个衰减可能会更加突出。

    尽管我们只验证了一款散热器,但结合前面的理论分析,还是可以得出一个简单的结论,热管散热器性能会随时间衰减,这个衰减程度主要取决于该热管的品质,无论这个散热器是在使用中还是在吃灰,衰减都在进行中。像猫头鹰D15这样的散热器,经过六七年的时间,其性能下降程度是完全可以接受的,所以不必过于担忧,如果有条件的话,用上三四年时间将散热器更新换代就更有保障了。

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