风冷还是水冷？PC散热器的原理分析

烟与玫瑰

作为一个深度硬件玩家，笔者对更快、更强的执念是一以贯之的。而在折腾硬件的这几年，也逐渐诞生出一种对风冷与水冷的认识与理解。受限于个人经济与精力有限，本篇不作具体的实验检测，只进行理论分析，有兴趣的朋友可以自行实践验证，起一个抛砖引玉的作用。后续部分有空了会慢慢更新，这里先抛出来第一章。
1.风冷散热器的镣铐之舞

首先，如果我们将散热器的组成进行分解，散热器可以抽象的理解为与热源接触的接触部分，将接触部分的热量带走的传热部分，以及最终将热量排给空气的散热部分。风冷和水冷从某种意义上来讲是一样的，最终的散热部分都是靠风扇将空气吹过散热片带走热量，而二者的本质区别其实是从接触部分到散热部分的传导路径不同。风冷通常依赖金属的热传递（挤铝式散热器）或者热管/均热板内部的相变作用，而水冷依靠水泵推动液体流动带走热量。
如果我们假设二者的接触热阻与导热能力近似，传热能力也一样，只对比最终的散热部分，你就会发现水冷相比风冷的巨大优势了。现代PC的atx标准由英特尔在1995年制定，那会的处理器与现在的处理器发热量可完全没法同日而语，标准的落后也带来了散热器的发展受限。在一台标准的atx电脑上，cpu插槽的左侧与上侧是供电区域，右侧是内存区域，下侧是pcie插槽，这都会限制住散热器的横向发展空间，在itx那样的紧凑环境中，基本只能使用一个圈在遮挡之间的，9cm见方的下压式散热器，进风区域只有9cm的平方，而出风面积则更是可怜（相同进风面积，出风面积约小阻抗越大）。

想要继续增大换热面积，散热器只能像树木一样往高伸展出来，变成如今的版本答案——塔式散热器。如今普遍的，使用12cm风扇的塔式散热器高度大约都在150-160mm左右，风扇以外的部分都是没有鳍片的，就像树木的躯干一样是为了支撑树冠获取阳光，他们也是为了支撑鳍片获取空气。在这样一种背景下，塔式散热器的每片有效散热面积就是其厚度乘以144平方厘米。而水冷散热器是不需要考虑遮挡的，它可以长长的排开，就像沙漠地区的太阳能板一样，12cm、24cm、36cm，甚至像1080冷排那样的长宽都为36cm的冷排也不会造成什么冲突，冷排的尺寸只取决于机箱的兼容性。因此，假如冷排与塔式散热器的单位厚度下散热能力相同，那么水冷就可以在同厚度下轻易获得更大的散热面积。

当然，你会想说，可以继续增加厚度或者增高塔体来增大换热面积。事实上双塔散热器就是这么做的。但这就涉及到了额外的问题，即增加纵向远不如增加横向空间。
首先，更厚的鳍片会增加阻抗，这意味着风扇更难将风空气吹出散热器来带走热量，增厚鳍片意味着你需要增加风扇能力，这通常意味着更高的转速、更贵的成本、更多的噪音，这也是为什么塔式散热器会选择使用两个分离的塔而不是单一的巨塔，这样就可以在塔的中间塞进一把额外的风扇来降低出风阻力；
其次，更厚的厚度也意味着远风端的鳍片在吃进风端的尾气。以双塔举例，进风端的那个塔享受的是机箱内的冷空气，然而当它排出给出风端的塔时，这个空气已经是被加热过的了。而如果我们将两个塔横向展开，变成一个240冷排的布局，那么这两个塔每个都能享用到冷空气。即使不考虑这些，相同总面积下，更薄的散热鳍片也可以获得更均匀的冷空气，而更厚的鳍片则一定是不均匀的，这意味着即使增大进风量，也可能出现前部鳍片风量过剩而后部鳍片风量不足。这也解释了为什么主流散热最多也仅采用两个塔而非三塔或更多；
除此之外，塔式散热器的重量也是一个影响因素。塔式散热器的固定是依靠根部孔位固定的，然而其重量是在上部，这意味着当主板立式摆放时，上部的重量会拉扯着主板，更高的塔、更多的塔、更大的重量会加强这种影响，最终可能对主板造成损伤，这也是为什么整机运输时塔式散热器有可能会损坏主板。而冷排是固定在机箱的，更大的横向面积、更分散的受力导致它们更不容易对整机造成损害；
最后，更高的塔意味着要增加机箱的宽度，这不仅意味着可能无法兼容现有的机箱，也意味着相同长度（兼容显卡）下会占用更多的投影面积。
至此可以发现，塔式散热器无论是在高度、宽度还是厚度上都无法继续增加，或者说增加后的收益也很低。在atx标准下，它的散热面积与能力是一定不如水冷的。那么，如果抛开atx标准，风冷散热器难道就不能更进一步了吗？有的兄弟，有的。有请4090Ti/Titan Ada：

4090ti使用了非标准设计，纵向布局的pcb设计使得它的整个散热器得以实现贯穿风道，如同一个横向排布的巨大塔式散热器，获得不弱于冷排的散热效果。同时得益于它纵向排布的超长均热板及嵌入其中的十根3d热管，它的传热能力也是没有瓶颈的。得益于优秀的设计，仅仅使用了12015薄扇的4090ti不仅散热不弱于水冷，甚至在中低负载的静音性能还要更胜一筹（毕竟没有水泵的噪音）。类似情况的还有Xbox、PS5、Steam Machine等一众非标准设计的游戏机。说到底，散热器厂商只是卖散热器的，并没有意愿也没有能力推动设计标准的改变，也不具备硬件的整合能力。风冷散热器并非不如水冷，而更多是为了适应既有标准而不得不戴着镣铐起舞罢了。
如果不在乎体积、成本、兼容性，你还可以看到这样的散热器：

2.水冷的散热性能构成——水泵、水道、风扇、冷排，谁才是影响散热能力的决定性因素？
3.导热的难题——接触热阻与热密度对散热效能的影响；
4.下压还是塔式——进风面积与出风面积的影响；
4.风道设计——闷罐就是差？全开孔就是好？
5.静音与性能的取舍——还有你的钱包；
5.房间里的大象——我们真的需要这么多的散热吗？
6.风冷还是水冷，性能还是寿命——你是我生命中的一瞬间，而我却要用余生来怀念这一瞬间。

IAMA41

风好-水确实好-还是风吧，应该都是这种阶段心态变化。