万字扫盲！一贴讲清楚风冷的结构，物理原理，局限性和未来发展！

大家好这里是韭王的电脑DIY（物理）教室，今天就把前几周承诺过的风冷散热器科普的坑给填了！如果对前几期文章感兴趣的可以点击下方传送门浏览~

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本文将从热力学基础，热管，鳍片与底座工艺等维度，对风冷散热器进行一次彻底的拆解解析。同样的，本文不会涉及到具体产品的推荐，但在讲解某些特定工艺时，会不可避免地提及部分产品作为案例，请大家谅解~

这款风冷红极一时，还有人记得吗？

未来的文章里也将应大家的要求，补上具体的产品推荐，如果感兴趣的话，还请盒友们不忘多多点赞关注！阿韭我的富贵就靠你们了~

废话就到这里，下面进入正题。

*本文正篇约8500字，阅读大约需要15-18分钟*

（前前后后写了2个礼拜，写完才发现有这么长，还是希望大家能多多点赞关注支持）

【前言】

在这个CPU功耗水涨船高比肩电暖器的今天，散热器的解热性能也逐渐成为装机过程中不得不考虑的重要因素，水冷散热器也因它的规模优势逐渐从小众品类变成多数玩家的首选，行业的内卷使得它的价格也愈发平民化，以往风冷的价格优势也在内卷中荡然无存，似乎唯一的优势只剩下了安全省心了。

现在的玩家能想象十年前400块只能买个这个吗？

是否风冷散热器已经退环境，不再适合当下DIY市场了，未来的道路又在何方呢？今天我们就来一探究竟，答案可能和你想象中大有不同。

首先我们从风冷散热器的形态和原理入门，带大家了解一下目前风冷具体的困境在哪里。

【第一部分：风冷的形态】

在现在的风冷市场中，风冷的形态主要分为三大类：单塔，双塔和下压。它们的差异本质上来自散热条件的限制。

早期CPU的功耗普遍不高，一个巨无霸式的铁坨坨是大可不必的，大多用的都是下图这种小型下压式风冷。

下压式风冷才是鼻祖有没有

这种散热器没有热管，只有一个铜质的圆柱形底座与铝制的鳍片焊接在一起（有些甚至没有底座，单纯就是一个铝坨）。随着但随着CPU发热量增长，这种规模的风冷就有点不够看了。

为了增加鳍片面积，热管逐渐开始应用在消费级的PC上，风冷从此时开始从主板上慢慢站了起来，变成了塔式的结构，高度也逐年上升。

不过，由于热管导热能力的限制，高度对塔式风冷的性能增益开始产生了边际效应，风冷无法继续长高了，业界认可的最佳高度从此就被锁死在了120-140mm左右。但是CPU的功率仍在不断变大，既然高度的路已经被堵死，那就只能从横截面积上下手了，但是问题就出在这里。

根据流体力学达西魏斯巴赫公式ΔP = f · (L / D_h) · (ρ · u² / 2)我们不难看出，随着鳍片长度L的增加，风道阻力（压力损失）ΔP成正比提升，那颗中规中矩的风扇开始力不从心吹不透了。

如下图所示，前风扇吹出的气流还没坚持到尾部就已经开始分离，产生了许多乱流。这种情况下如果在后面再加一把风扇夹汉堡，那么后面的风扇不但需要对抗前风扇的尾气，甚至要拖着前风扇跑，整个系统效率极差，除了费电外没有任何卵用。

比如说这款就明显太厚了

这个问题要解决也很容易，把塔式风冷转90°再从中间一分为二，让风扇站在正中间不就行了。这样风扇只需穿过一半厚度的鳍片，乱流问题迎刃而解，夹汉堡方案自然也可以使用了，今天我们熟悉的双塔的结构便应运而生。

非常经典的D15

不过，风冷的结构受限于很多外界因素——比如主板的四合院：

风冷因此并没有发展出更大的三四五六塔（当然这个例子比较极端啦）

又抑或是一些塔式风冷进都进不去的紧凑型机箱，下压式风冷也随着风冷现代化逐渐改良。

现代下压式结构可以看作是把单塔风冷的塔体向下翻折，风扇装在主板正面向下吹气。由于塔体规模不够，吹下去的气流甚至会反弹回来和自己对冲，这种方案也因此性能不佳。

网红下压黑峰岭

相比于水冷，风冷受到的空间限制要大得多；更糟糕的是，风冷在结构和工艺上的优化空间也很小，可以说现在的风冷仍是一寸大一寸强，体积上不去，性能自然无从谈起。

【第二部分：为什么体积那么重要？】

要解释这个问题，我们首先要从风冷的结构开始讲起。

风冷散热器主要由底座，热管，鳍片，风扇四部分组成，散热原理也很简单：底座（或热管）将热量带离CPU，经热管运送至鳍片上，再由风扇驱动气流将热量排放到空气中。（风扇方面之前已经做过详尽的解析，感兴趣的话可以翻阅以往的文章或是通过开头的传送门抵达，这里就跳过了。）

风冷的同质化相当严重，尤其是塔体部分。根据牛顿冷却定律Φ = h · A · ΔT，在对流换热系数h（风扇性能）和温差ΔT（鳍片温度&室温）一定的情况下，只有提升A，也就是增加有效换热面积（鳍片规模）才能提升传热速率Φ。

不过我们刚刚提到，风冷的体积受到严重限制，要想提升鳍片面积就只能在鳍片密度或塔体高度上下手。遗憾的是，由于气流阻力和热管性能所限，风冷无法把鳍片做到无限密，更不能无脑堆高塔体，现在市场上成熟的风冷产品实际上早就达到了完美平衡。那么如果换种思路，提升h或者ΔT可行吗？

我们先说h也就是风扇性能。事实上，要提升性能绝不仅仅是换个强力的风扇那么简单。在上述的公式中有一个隐藏的条件：即热量是无限的。但现实中，鳍片上能够储存的热量很有限，换风扇的前提也得是有足够的热量给你吹才行。

而再看ΔT，ΔT是指室温和鳍片温度的差值，除了开空调外，要想增大这个差值，就只能想办法更快地将热量搬运到鳍片上。到头来增大ΔT或是h的方案其实是殊途同归，都需要加速热传导的过程，这就要说到风冷真正的灵魂部件——热管了。

【第三部分：50块钱里装着的物理学巅峰】

热管问世于1963年，由美国NASA工程师乔治格罗佛发明。在没有热管年代，人们只能靠简单地把实心或切削过的金属块压在热源上，如果不在后方接蜂窝散热板或水循环的话，这种结构放在今天压赛扬都够呛，而热管的出现改变了这一切。

接了那不就成水冷了

在常用金属里，铜的导热系数（401 W/m·K）排行第二。尽管如此，实心铜块也很难支撑动辄上百上千W的热源。而热管的导热系数却可以轻松达到10000W/m·K，任何已知金属都不是它的对手，它的出现使得热量搬运的方式迎来了质变，被称作热力学的圣杯也不为过。

热管的结构也并不复杂，它的内部是中空的负压环境，填充有少量去离子水。当CPU热量传导给底座/热管，热管中的液体吸收潜热汽化为蒸汽，在微小压差驱动下流向冷凝端（鳍片端）。鳍片被风扇带走热量后，蒸汽遇冷释放潜热变回液体，再通过毛细结构回流到蒸发端。所以其实风冷也可以视为是一个没有水泵的水冷。

热管原理

但这就引出了一个问题，热管的工作场景不是固定的，如果冷凝端在下方，那液体岂不是就无法流回蒸发端了？

的确，这也是不少低端风冷的问题。这些风冷往往使用的是最简单的沟槽热管。这种热管渗透率高，可以随意弯折不易断裂，成本也很低；但相对的，它的毛细力则极弱，一旦水平放置或热管弯折角度过大，重力压不过毛细极限，热管此时就无异于一根空心铜棒，导热性能断崖下跌。

而另一种方案——烧结热管就要好上许多。

烧结热管的内壁上有一层高温烧结的铜粉，由于铜粉间的无数微小的孔隙，使其形成了一层独特的毛细结构。在工作时，这层铜粉能像吸水的海绵一样，把液体吸回蒸发端，这就解决了其对抗重力的问题。那我们经常看到的所谓“逆重力”热管的宣传又是怎么一回事呢？

现在说到热管一般都指烧结热管

要知道，铜粉的烧结是一项技术活，一根完美的烧结热管，每个部分的毛细结构渗透率都需要尽可能相同，烧结块分布均匀，即便是同一厂商，热管的品质也往往不能做到完全稳定，甚至同一批次的产品差异都很大，这也使得风冷散热器也会出现和CPU一样的“体质”问题。

如果工艺不达标，产品的毛细力渗透率自然就会打折扣。由于测试环节常常被跳过，这些产品通常不会被抛弃，更多的依旧会被当作良品继续组装，这也是行业里大家心照不宣的事实。其中就不免有毛细力极弱，对安装方向非常苛刻的烧结热管流入市场，而这些标榜“逆重力”热管的厂家其实就是钻了这样一个空子，将良率较高的产品包装成一项新技术，背后不过是文字游戏而已。但在当下鱼龙混杂的市场上，只能说坏心办了件好事。

但凡你把一半精力花在研发上该多好

不过，烧结热管比较脆弱，弯折，压扁都会使其性能大打折扣，这也是这项工艺最大的痛点。

笔记本用的烧结热管不可避免地需要压扁

此外，热管用料也很重要。优质热管使用的是杂质较少的无氧铜，而劣质热管就很难说了。长期冷热循环下，劣质热管中工质与杂质反应产生氢气等不凝性气体，占据冷凝端空间，使得有效散热面积逐年缩水。所以热管制造不仅是技术活，更是一门良心生意。

市面上还有一种复合热管通过在沟槽内壁再烧结铜粉，使其能够结合了沟槽热管和烧结热管的优势，不过由于这种热管的成本很高，在消费级市场上非常少见，因篇幅原因这里就跳过了。

超频3东海EX6000宣称用的复合热管，具体细节不详

如果说热管是散热器的心脏，那鳍片就是肺，接下来我们再来讲一下风冷的鳍片工艺。

【第四部分：道高一尺魔高一丈，回流焊中的猫腻】

再强的热传导，如果不能高效地传递到空气中，那一切都是白给。

鳍片材质以铝为主（纯铜的情况后面单独说），抛开造型问题（这个也放到后面），鳍片与热管的连接方式才是真正的核心。目前主流工艺有三种：穿Fin，回流焊，钎焊。

先来说穿Fin。这种工艺就是将热管直接暴力压入冲好孔的铝鳍片中，利用铝的弹性形变包裹热管。由于工序简单设备廉价，穿Fin的成本自然是最低的，且由于无需高温焊接，可以避免对热管的退火伤害，这部分也能节约一定的成本。这使得穿Fin成为平价市场的绝对霸主，廉价风冷里有一个算一个用的都是它。

但穿Fin有一个致命缺陷。由于热管和鳍片是靠物理过盈配合固定的，天生就会存在微小的缝隙，影响导热性能。而且铜热管和铝鳍片的热膨胀系数不同，在使用过程中反复冷热交替会让铝片发生塑性变形，导致间隙越来越大，效能逐年衰减，用上几年，鳍片和热管之间甚至会松脱，所以一般穿Fin的风冷还需要使用扣Fin或折Fin工艺来进行加固。

相邻的鳍片互相锁死

而中高端风冷则一般不用穿Fin，而是另一种更优雅的方案——回流焊。

回流焊顾名思义是焊接连接，强度和导热性能自然甩穿Fin好几个档次，成本也更高。不过成本高未必代表性能一定强，回流焊有几个先天的物理缺陷。第一，由于加工过程中需要把焊锡膏注入到热管与鳍片的接触面，鳍片上就需要预留注焊料的小孔，因此回流焊的热管与鳍片的直接接触面积就要比穿Fin小一圈；

回流焊的标志

第二个问题我们在水冷那期也提过，由于焊料（通常是锡）的导热能力要远小于热管和铝，实际上在热传导的路径中反而会成为瓶颈。

这就导致有时全新的顶级穿Fin散热器性能表现反而会优于回流焊方案。不过回流焊的优势在于稳定，性能保质期要比穿Fin长上不少，这才是它成为高端标配的主要原因。

要区分穿Fin和回流焊也很简单。除了商家在详情页上标注的信息外，我们在外观上也能窥知一二。由于刚刚提过的工艺需要，回流焊工艺的鳍片与热管接缝处的一侧不可避免地会留有一个小孔，这是回流焊的典型特征。当然现在也有无孔回流焊技术，但仅在高端工业中使用，这里就不多赘述了。

不过，一些魑魅魍魉有时会在自家穿Fin风冷的鳍片上打一个小孔来冒充回流焊；或者在顶部和底部鳍片用回流焊，中间大面积仍使用穿Fin，宣传时却统称“回流焊产品”。这种挂羊头卖狗肉的行为在行业里不是什么新鲜事，即便是大厂，也没几家敢拍胸脯说自己没做过类似的误导宣传。作为普通消费者，在购买前观看拆解视频仍然是最优解。

劣迹斑斑的某大厂我就不点名了，大家心里有数好吧

此外还有钎焊，也叫高周波焊，它是利用高频电磁场在金属内部产生涡流瞬间发热熔化焊料。这种加热极快，热管受热影响区小，不易退火，焊料强度也更高。但这种方案设备昂贵，工艺复杂，是极个别厂商的专利，且钎焊依旧没能改变焊料导热瓶颈的问题，所以并没有广泛普及开来。

扎曼ZET5采用的就是钎焊工艺

鳍片与热管的连接讲完了。但是CPU到达热管和鳍片前还有一道关卡——底座。

【第五部分：传统功夫vs不讲武德的年轻人】

热量从CPU出发，第一站就是底座。目前主流方案分为热管直触（HDT）和镜面铜底两种。

HDT方案年纪比较大的DIY玩家会比较熟悉，这种方案会将热管压扁磨平，从而直接与CPU顶盖接触——其实就是没有底座。由于省去了加工和焊接的成本，HDT非常廉价，但绝大多数情况下，便宜都没好货。

使用HDT的大多是便宜货

由于工艺问题，HDT方案的底部很难做到真正的平面，这就使得其与CPU的接触面积有天然的劣势，而且CPU的热点通常比较集中，分离的热管无法有效吸收这些热量，热管越多，利用率就越低，很容易造成一半热管干活一半看戏的局面；CPU的顶盖通常也不是平面的，一旦曲率和热管底面刚好错位，接触面积还会进一步减少。不仅如此，由于热管在加工压扁时管壁变薄，在使用过程中一旦扣具压力较大或不平衡就很容易造成破裂，而镜面铜底则能很好地解决这些问题。

吧友制图，CPU顶盖示意图：上AMD下Intel

镜面铜底就是用回流焊将热管与一整块铜底连接，铜底本身充当了均热板的作用，把CPU集中的热量分摊给每一根热管，彻底解决了HDT方案的最大痛点。这块铜底经过精密打磨后极为光滑平整，表面就如同镜子一般，如今许多厂商还会为某些CPU顶盖优化做带有特定曲率的铜底，这也是镜面铜底的一大优势。一块亮闪闪的镜面铜底，很长一段时间内就是高端的代名词，HDT方案则日渐式微。

不过在今天，HDT似乎有借尸还魂的迹象。由于AMD单CCD CPU积热严重，热量集中在很小一块区域，焊接铜底反而因多了一层介质，不如热管直接接触来得高效。来自一些网友和个别媒体测试显示，在针对AM5平台定制化打磨后，部分HDT方案的表现甚至能超过铜底。

追风者ST5就是相当优秀的HDT风冷，价格有一说一也是真的便宜

那么有没有既有热管直触性能，又兼具镜面铜底一体性的方案呢？有的兄弟有的。

我们刚刚说铜底充当了均热版的作用，那不如直接用均热版来做底座。

九州Assassin4 VC，规格看起来相当唬人

均热板和热管结构其实非常相似，它内部同样是负压空腔，烧结了毛细结构，填充工质，原理也如出一辙。硬要说的话，均热板底座实际上也可以算是热管直触的一种。得益于此，均热板方案可以说是当下的完美方案，当然这只是理论上的。

和热管不能说相似吧，只能说是一毛一样

暂不提一片合格的铜基均热板工序繁多良率很低，更关键的是，正是因为特性与热管类似，它本身几乎不蓄热。如果后端的热量处理能力跟不上，热量就会堵在均热板出口，均热板此时就形同虚设，甚至还不如铜底靠自身热容缓冲来得有效。在风冷规模被严重限制的今天，这种方案更像是一种厂商走投无路的尝试，市场的绝对主流依旧是铜底，且在未来很长一段时间都不会改变。

服务器爹说你们用的都是我玩剩下的

这里顺便提一个需要提防的问题。有些厂商的低端“回流焊”风冷可能只在鳍片端做了回流焊，底座与热管的结合则用物理压合甚至打胶代替。热管表面虽然看似光滑，但实际上凹凸不平，如果只是简单压入的话接触热阻大得离谱。这和之前讲的鳍片“假回流焊”如出一辙，都是消费者需要留意的陷阱。

焊料方面，众所周知的是，越薄的锡焊层热阻自然就更低，为了使焊锡层尽可能薄，厂商通常会对热管底部进行打磨处理。但是和上面提到的一样，对热管底部的打磨或塑形都会使得热管壁更加脆弱，所以厂商在如何平衡性能和耐用性上也会花上更多的精力。

图源51972，左下方就是焊料，厚度为1-1.6mm左右

说了那么多，其实通篇都是一句话：风冷已经到头了。但如果事实真的如此，那也没有写这篇文章的必要了，下面就进入本文的关键——风冷改良的历史与未来。

【尾声：未来？风冷还有未来吗？】

在说当下的新方案前，我们先回顾一下以往厂家为了提升性能都做过哪些尝试。

我们就按上面文章的结构，从热管开始讲起。要提升热管的性能，要么优化烧结工艺，要么增加热管数量，这个大家都懂，厂商做不到通常也不是他们不想做。出于成本等多种因素，热管的发展基本上已经陷入停滞，在整个风冷体系中，热管也并不是主要瓶颈，这使得厂商们对热管改良的动力变得更小了。

不过，也有一些厂商如酷冷对热管的改良做过一些尝试，如上图中的3DHP技术。由于烧结热管弯折会影响性能，通常厂商需要避免对热管多次弯折，不过，为了让热管排布更合理，使鳍片温度更均匀，一些必要的弯折还是会保留。

同样来自51972，各家厂商都希望热管能使鳍片更均匀地受热

酷冷这项技术的核心在于，它将一跟笔直的热管变成了类似于三叉戟的形态，这就意味着不需要再弯折热管就可以直通鳍片的中心，热管到鳍片的距离也可以缩短，可以说是一力降十会，直接避免了热管设计中最核心的问题，某种意义上还能减少热管的数量（缩水）。从结果来看，这项技术的实际意义虽然没有达到宣传中的高度，但也算是热管改良中一次可圈可点的实验。

用了夸张的修辞手法

相比于热管内部看不见摸不着的改良，厂商更乐意在看得见的地方大肆宣传。我们不难发现，现在的消费级风冷市场中，似乎已经被包装成热管多=性能强了，物理上也确实如此。

热管数量越多，与鳍片的总接触面积越大，热容越大。但凡事往往不能只看一面，热管是有体积的，这个体积则会带来风阻。在一个风冷狭窄的空间里，热管越多意味着留给空气通过的间隙就越少。使用同样的风扇，8热管风冷如果没有做针对性优化，其静压穿透力要求将会远高于主流的5~6热管，结果就是同噪音下，8热管的性能反倒不一定打得过后者。在鳍片规模较小的散热器中，这种现象会更为明显——一些国内不知名的厂商热衷于在下压式风冷中塞进更多的热管，但实际性能却反而要比4热管的产品差得多，就是这个道理。在散热规模的限制下，增加热管真的就是吕布骑狗而已。

8热管下压，seriously？

这里顺带说一下热管的镀镍。虽然镀镍热管现在是高端散热器的标配，但这层镍之于性能就没那么美好了。由于纯铜暴露在空气中就会逐渐氧化，生成一层黑色的氧化铜。这层氧化物不仅观感糟糕，热阻还高，所以中高端风冷必须镀镍来保护表面。但问题在于，镍本身也有热阻。硫酸镍镀层如果工艺不佳，内部应力就会导致镀层与铜底之间产生剥离，反而影响性能。正因如此，一些追求极致性能的厂商甚至故意不做镀镍，就为了省去那层微米级热阻。

镀镍热管

相较于热管改良，厂商明显对在鳍片上做文章更感兴趣，其中最典型的就是所谓的“外形优化”了。鳍片的造型上，市面上比较常见的有“锯齿状”，“波浪形”，“立体矩阵”等。

海盗船的这款锯齿形鳍片就毫无卵用

理论上来说，它们的目的都是破坏空气在鳍片表面形成的层流底层，增加对流换热系数。但在实际使用中，受风扇性能所限，这些独特的造型往往效果不理想，甚至风噪反而有所增加。实际上，除非是服务器那种万转暴风扇的环境，否则对消费级风扇而言，折叶和扣Fin的工艺精度远比花哨造型重要，这些造型与其说有什么性能上的优化，不如说纯粹只是装饰作用而已。

那么换材料可不可以呢？理想很美好，现实依旧很骨感。我们说的换材料，一般指的是把铝制鳍片换成铜质。虽然铜的导热系数远高于铝，但依旧是我们之前提过的那个问题——除非你焊接不用锡。作为这套看似美好的导热路径中的瓶颈，锡就是木桶效应中的那块短板。此外，铜的密度也是铝的三倍，本就庞大的风冷如果换用铜鳍片，那么重量就真的是很多机箱和主板不可承受之重了。因此，除了ITX等规模严重受限的场景，消费级市场几乎见不到纯铜风冷。

每次说到这种奇葩产品一看都是利民做的

除了换材料外，一些厂商也会宣传他们的“黑化”工艺有助于提升性能，事实真的是如此吗？

我们知道，所谓的黑化其实是阳极氧化形成的氧化膜或是镀黑镍（当然也有些无良厂商会用电泳或是直接喷漆，这里就不说了）。未经处理的裸铝，热辐射率很低（约0.03-0.1），而经过黑色处理后，辐射率可以轻松飙到0.9以上，似乎黑化真的有利于性能。

但这个思路的缺陷在于，有风扇强制对流时，热辐射在整体散热中的贡献本就微乎其微，这层增益在实测中往往小到可以忽略。黑化的真正价值是防氧化和视觉高级感，而非性能。顺便一提，不同于黑化工艺，白色风冷的"白化"就真的是上了层漆，这层漆面会显著影响导热能力，对性能介意的玩家不建议选购。

不过近年随着材料技术的提升，有一些厂商开始尝试使用石墨烯涂层覆盖整个塔体。理论上看，石墨烯作为单层碳原子构成的二维材料，导热性能惊人（理论可达5300 W/m·K），红外辐射率也极高，天然适合做辐射散热涂层。但它的问题和上面提到的黑化也如出一辙，辐射散热的那点增益，往往被涂层自身的热阻抵消了。

在利民AXP-100纯铜版与其“定制石墨烯”版本的对比中，结果令人大跌眼镜。石墨烯版本的温度反而比纯铜版高了0.7~1.8℃。换句话讲，石墨烯涂层不仅没能帮忙，反而成了累赘。Zephyr在测试显卡散热器上测试石墨烯涂层时也发现了类似现象——石墨烯涂层版仅比普通铝版低了0.1℃，几乎可以看作误差。可以说在主动散热的条件下，石墨烯的营销意义远远大于实际价值。