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redstone1122



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[DIY]DIY超频狂人教你给显卡散热

本帖被 加农 执行加亮操作(2007-12-15)
风冷散热方式
  热的传递方式有三种:传导、对流和辐射。任何散热器也都会同时使用以上三种热传递方式,只是侧重有所不同。对于显卡散热器,依照从散热器带走热量的方式,可以将散热器分为主动散热和被动散热。前者常见的是风冷散热器,而后者常见的就是散热片。


 
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  风冷散热是目前显卡最常用的散热方式,其散热原理其实与CPU风冷散热方式一样就是使用风扇强迫性的吹走散热片热量,从而达到降低显示核心温度的目的。风冷散热器一般由散热片和风扇构成,这种散热方式的原理很简单:显示核心产生的热量通过热传导传递到散热片,风扇转动将绝大部分热量通过对流(强制对流和自然对流)的方式带走,只有极少部分的热量通过辐射方式直接散发。由于显示核心的面积不到2cm2,但功耗却达到几十W,如果不能及时将热量散发,将会导致严重的后果。散热片所要做的就是要将[屏蔽]在显示核心上的热量传导到更大面积的导热体上去,并通过巨大的散热面积与空气进行热交换。在这个过程中,散热片的底座与显示核心接触吸收热量,而鳍片则是热量传导的终点。所以,散热器的底座和鳍片是应该重视的两个部分。
  首先是散热器底座在短时间内要尽可能多的吸收显示核心释放的热量,只有具备高导热系数的金属才能胜任。散热器材质是指散热器本体所使用的具体材料。对于金属材料而言,导热系数是一个重要的参数。导热系数反映了材料传热的特性,数值越高越好。通过这张表我们可以看到,银是最好的导热体,但若应用与目前的散热器领域成本太高,即使有此类散热产品,恐怕也是天价。而纯铜材料与纯度99.9%银导热率接近,但成本却相差较大,纯铝的导热率位居第三,价格却是纯铜的一半,这也是铜和铝材料在散热领域广泛应用的原因。
  我们常常可以看到不少高档显卡散热器用铜作为材质。但铜的密度大,如果采用全铜散热片,散热器的质量会很大,而且成本也是一大问题,所以市场中的散热器主要还是采用铜铝接合的散热片。当然,两种金属的接合比较困难,一旦铜铝接合处的处理工艺出现问题,就容易功亏一篑,因为铜的导热系数虽然大,但比热容却比铝小,吸收的热量如果不能即时的传递出去,不仅不会起到散热的作用,相反会成为一个[屏蔽]热量的祸首。在实际设计和制造中,厂商尽可能降低表面热量,扬长避短,采用塞铜/嵌铜、回流焊接、插齿工艺等工艺来解决问题。

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  除了材质外,对风冷散热器的散热片的鳍片设计也是相当重要,毕竟显示核心的热量主要是通过传导方式,而散热叶片才是要加大散热面积的角色,散热面积加大,达到加速散热的效果。除此之外,叶片与散热片之间,有一体成型,也有焊接或黏接成型的,叶片的厚薄、形状、数量与散热面积及散热效能息息相关。原则上,叶片越多,面积越大,散热性能也越好。还有就是看热交换面积的大小,越大散热效果越好。不过热交换表面积并不代表着散热片的大小,如果散热片很大,但是鳍片总面积比较小的话,效果会大打折扣。散热片的热是由流动的冷空气带走,所以跟空气接触的面积越大,散热的速度就越快。
  目前散热片多采用挤压技术、切割技术、折叶技术、锻造技术、压固技术。目前挤压工艺完善,制作出的散热器可以满足基本的散热需求。但是随着显示核心性能的不断提升,为了达到更好的散热效果,采用挤压工艺的散热器体积不断加大,给散热器的安装也造成了问题。并且这种工艺制作的散热片有效散热面积有限,要想达到更好的散热效果势必提高风扇的风量,提高风扇风量又会产生更大的噪音。
  目前国内显卡散热器常用的风扇一共分两种:一种是轴流风扇(方型扇,圆型扇),另一种是离心风扇(涡轮风扇)。轴流风扇使用最广泛,轴流风扇工作原理是利用风扇叶片的扬力使空气在轴向方向流动,其风扇叶片一般与电动机转轴直接相连,体积小,重量轻。离心扇也叫涡轮风扇,利用离心力,空气沿叶片的半径方向流动,可以得到很高的风压,可装置在通风阻抗大的场合发挥效果,在公版的GeForce 6800Ultra、GeForce 7900GTX、Radeon X1900XT等高端显卡中常见。一般情况下,扇叶的倾斜角度在35°最为合适,数量在6~8片。如果风扇的风压高,但扇叶的倾斜角度较小,那么风扇的排风量小但转速高,带走热量的速度快,比较适合全铝材质的散热鳍片。若扇叶倾斜角度较大,那么风扇的排风量大适合铜材质的散热鳍片。而铜铝接合的散热鳍片在搭配风扇时,取其中间值。
  虽然目前风冷散热器制造技术已经达了纯熟的水准,散热效果也不错。不过,显卡发展至今也像CPU一样,不得不面对的散热问题。散热器的金属鳍片越做越大,风扇转速也大幅提升,高分贝的噪音也就随之而来了。所以低噪音的热管应用也延伸到了显卡散热领域。


热管散热方式
  热管是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种传热元件,它充分利用了热传导原理与制冷介质的快速热传递性质,通过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其导热能力超过任何已知金属的导热能力。那么为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢?

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  热管的基本原理与冰箱等相变制冷类似,也可以说是一个微缩的相变制冷系统。它是利用高导热性液体相变时吸热蒸发、放热凝结的特性,将热量快速的从吸热端转移到散热端。具体的工作原理是:热管一般是中空的圆柱形,其中装有易蒸发的液体。热管中始终保持真空状态,其中的液体的蒸发温度与环境温度相近。当热量被挥发层(图中所示的Evaporator Section,由易于蒸发的液体组成)吸收后,液体就迅速被加热到沸点产生蒸气,蒸气上升到冷却层(下图中所示Condenser Section),当热量被释放后,蒸气重新凝结成液滴,由于受到重力作用或者是其他的内部作用,液滴重新回到挥发层,继续被蒸发,然后被冷却,这就形成一个周而复始的循环,推动这一循环的就是热源。
  如果把热管剖开看,我们可以把热管分成管壳、吸液芯和蒸气通道三个部分:管壳由于内部抽成真空必须承受大气高压,不能发生形变出现热阻,因此对管材和制造工艺有很高的要求。


 
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  目前管壳一般广泛采用的是炭钢、不锈钢、铜、铝、钛等合金作为材质。吸液芯是一种多孔材质,它紧贴于热管内壁,利用液体的表面张力从凝结段将液体送回到蒸发段。吸液芯主要是由金属网、泡沫材料、毛毡、纤维等多孔物质组成。热管的中间部分作为蒸气传输通道。



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  作为内部液体,一般选择与吸液芯有良好的相容性,并且导热性、稳定性、汽化性、安全性高的液态介质。由于热管中需要通道流动液体与气体,因此在使用中非常忌讳弯曲。有技术文档显示,热管每做一个180度的弯曲,就会降低大约37%的热传递效能。而在实际应用中,热管不可能不弯曲,为了保证不降低热传递性能,只能以增加热管数量来弥补。
显卡散热器使用的热管有两种结构:沟槽式和烧结式。沟槽式热管是热管毛细结构中制造比较简单的一种,采用整体成型工艺制造,成本是一般烧结式热管的2/3。沟槽式热管生产方便,但缺点十分明显。沟槽式热管对沟槽深度和宽度要求很高,而且其方向性很强。当热管出现大弯折的时候,沟槽式方向性的特性就成了致命缺点,导致导热性能大幅度下降。而烧结式热管则生产工艺相对比较复杂,成本也比较高。热管烧结对铜粉质量、纯度,单铜粉颗粒直径、烧结温度、烧结均匀度都提出了很高的要求。因此制造一根优异的烧结式热管并非容易的事情。不同工艺和成本制造的烧结热管,热传导能力也是不一样的。


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  有一个概念必须特别强调:热管是一种导热装置,并不是一种散热装置。要将热管应用到散热方面,必须在热管的散热端安装一定的散热装置。因此热管散热器所采用的散热片也十分关键。不过大家必须明确一点,其实散热片形状是次要的,使散热片与空气的接触表面积尽可能变大,使散热的效果更好才是最终目的。由此看出,现在市场上的高端热管散热器体积巨大并不是品牌炫耀的噱头,而是为了达到高性能所需的必要手段。
风冷热管结合的散热方式
  虽然热管散热器的出现为显卡带来了高效、静音等优点,但是目前GPU的性能越来越高,所带来的高功耗、高热量的问题,即便是热管散热器也有点力不从心了。因此,散热器厂商们在此基础上推出了风冷热管组合的显卡散热方案。从散热原理上说,其实就是在热管散热基础上通过风扇实现冷空气强制对流、提高散热效率。比如Tt的Giant Ⅲ、思民VF700-Cu就属于此类散热方案。



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  由于增加了风扇,难免为带来噪音,因此目前此类显卡散热器一般会采用具备温控调速或手动调速功能的风扇,最大限度将噪音降到最低点。

安装热管散热器的要点
  在热管显卡散热器的安装过程中,安装热管的程序非常关键。如果方法不当,散热效果不佳。下面把安装热管显卡散热器时的窍gate告诉大家。
  步骤1:将显卡原配散热器拆下来,这个过程要相当小心。如果你发现散热片与显示核心粘贴很紧,你可以用电吹风对着粘住显示核心的散热片加热。要把它加热到一定的程度,注意也不能太热,在感到烫手的时候就适可而止。接着使用一个信用卡或类似的东西,把它插入显卡散热片和PCB板的中间。因为这样做能保护到显卡,避免它被划伤。现在把一把一字的螺丝刀插到散热片和信用卡的中间,要舒缓但又用力地用螺丝刀把散热片撬起来。在撬的过程中你可能需要把螺丝刀到在散热片的四周撬动,这样比较好一点。
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  步骤2:先给显卡核心芯片涂抹适量导热硅脂,然后将热管散热器从包装盒内拿出,找准核心芯片周围的安装孔,安装导热底座。注意:在背面上螺丝的时候,需要注意要将绝缘胶加上,而且拧显卡背面的加固螺丝时,要一边拧两下,然后换一边再拧两下,否则导热底座在压力的作用下容易倾斜,轻则导致核心没有被完全覆盖,重则压坏显示核心。



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  步骤3:接下来根据显卡背面螺帽情况,安装背板固定底座,安装底座时最好把热管插上,并根据热管的位置进行调整,如果热管太高,可以轻轻[屏蔽]热管使之变窄,但千万不要用蛮力。
  步骤4:最后的步骤就很简单了,在显卡核心芯片的导热底座上涂抹导热硅脂,安装热管和散热片(热管一定要安装在中间,这对改善散热效果很有帮助),在热管散热片的凹槽中也涂抹导热硅脂,最后上紧螺丝就完成了。
  在安装好后,我们可以自己检测一下安装是否真正得当----在这里我们可以利用显卡驱动中所附带的温度检测功能或专用监控工具来检测显卡在2D模式与全速运作时这两个时点的温度来检查显示核心的温度是否正常:2D模式温度关系到系统的稳定性;3D全速运作时产生热量较大。若一款散热器安装得当,显卡在这两个时点时整体表现的最高与最低温差不大,一般在15℃~30℃之间。
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