超能课堂：热管散热器的性能会随时间衰减吗？
超能网2021-02-25 14:02
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。
举报/反馈
0
0
收藏
分享
