重力对散热的影响有多大？

在浏览散热器的宣传页面时，我们常常能看到一些玄乎其玄的名称与概念。“逆重力热管”或许正是其中之一。

所谓“逆重力热管”，它的工作方向难道一直与重力相反吗？在这令人晕头转向的概念之内，重力对散热效能的影响又有多大呢？

本期文章将以实测重力对散热效率的影响，并分析“逆重力”热管的技术原理。

热管原理

电脑散热器所使用的，一般是毛细热管。

1963年，航天器的散热需求与日俱增，传统材料导热能力此时已不能满足需求。而当时的“热管”是借助重力工作的，在太空中无能为力。

为解决航天器在微重力环境下的散热问题，NASA同LosAlamos实验室联合研发了能在微重力环境下工作的导热材料——毛细作用热管。

热管诞生地—— LosAlamos国家实验室

毛细作用在生活中相当常见。将细吸管插入水中，我们将会看到吸管中的液面高于水面，这其中便发生了毛细作用：使管内液面逆于重力的力量正是毛细力。这正是热管内冷却液的回流原理。

浸润液体在细管里升高、不浸润液体在细管里降低的现象，便是毛细现象。

抽成负压的铜管中注有冷却液。当有温度差存在时，冷却液在靠近芯片的铜底一端受热蒸发，内部的气压带动它流到冷凝端。

冷凝端装有散热鳍片，因此温度较低。冷却液在此遇冷，凝结放热，从而将热量传导。

随后，冷却液通过毛细作用，沿热管壁流回较热的蒸发端，这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

热管原理示意 图自网络

可以看到，当热管的蒸发端低于冷凝端时，冷凝液的毛细回流方向与重力方向相同。此时热管的效率会有所提升。

而当热管的蒸发端高于冷凝端时，冷凝液的毛细回流方向与重力相反。此时热管的效率会一定程度下降，这便是所谓的“逆重力”工况，热管越长，重力造成的影响就明显。

可以看到，无论是生活中常见的毛细作用，还是散热器热管所使用的毛细回流原理，它们本就能够“逆重力”进行。而“逆重力热管”的改进之处，便是提高热管所产生的毛细力，提高其对抗重力干扰的能力。

那么，在实际使用情况下，重力究竟会对热管效能造成多大的影响呢？就让我们在具体的测试中探讨答案。

测试平台

本次测试使用了大陆利民的单塔Ultra120 eXtreme Rev.4，即U120EX。

这款散热器号称使用了AGHP“逆重力热管”技术，通过全新的“工艺制程”，能够“解决热管受到重力影响毛细回流缓慢性能低下”的问题

相信这款散热器能够体现“逆重力”的技术优势。

而在显卡位置，我选择安装一块蓝宝石“超白金”RX480 8G。这块显卡为首发购入，并非矿卡，此前已完成了导热介质的更换。

这张显卡的最大功率为150W，散热模组配有三条“非逆重力”的U型热管，我希望它能反映“非逆重力”的普通热管的表现。不知在复杂的重力环境下，这块显卡的热管表现如何呢？

本次测试使用的机箱为酷冷至尊MasterBox Q500L。在测试过程中，我将通过不同方式摆放机箱，以调整重力对热管的影响。

由于风道的差异，不同机箱间的测试结果也可能有所出入。因此，测试结果仅供参考。我会在测试过程中拆下侧板，尽量减少风道对散热结果的干扰。

试验结果

首先，我将机箱平卧在地面上，模拟卧式机箱的散热表现。重力方向如图所示。

对CPU散热器而言，此时热管靠近冷凝端的一段可能会受到重力影响，而蒸发端附近则不受重力干扰。

同时运行OCCT（CPU）+Furmark No AA（GPU）双烤测试。显卡与CPU均保持在各自的最大功耗附近。

10分钟后，OCCT与HWINFO所记录的结果如图所示。

可见，显卡最高温度达到了68度，CPU更是上升到了86度（HWINFO则为85度），我们将以此为基准。

随后将机箱竖立，此时更接近通常使用的情况。重力方向如图所示。

此时，CPU的热管冷凝端不受重力影响，但其中一侧的蒸发端会受重力而回流受阻。

等待CPU、GPU温度降至此前记录的最低温度后，重新开始双烤测试。10分钟后，结果如下：

此次OCCT与HWINFO记录的温度有较大出入。对使用“逆重力热管”的CPU一方来说，OCCT温度由此前的86℃涨至91℃，不可谓不明显。

但HWINFO上记录的最高温度则是87℃，有上涨，不过还在正常水平。OCCT的温度监控同样基于HWINFO，这表明91℃可能只是瞬时极端值。

而对没有“逆重力技术”的显卡而言，HWINFO所记录下的最高温也从68℃上升至72℃。温度改变幅度与“逆重力”技术加持的CPU相仿，同样不容忽视。

让我们继续测试，这次将机箱旋转90度。此时的布局更贴近银欣RV02等“垂直风道机箱”。重力方向已标注在图上。

此时，CPU散热器的热管近似与地面平行，基本可认为不受重力干扰。

待冷却后再次运行双烤测试。等待10分钟后，结果如下：

完全不受重力干扰后，CPU封装温度比常规情况低了不少，达到了测试中的“最低温”——仅有84℃。

而在没有“逆重力”能力的显卡这边，GPU温度略微降低了1℃，最高温度为71℃。这其中或许有CPU的温度大幅下降的功劳，整体上仍处在误差范围内——显卡温度仍然比卧式安装时更高。

总结与分析

经过此前的测试，我们不难分析得出，“逆重力热管”不能完全抵消或解决重力的影响。

即便是在利民指定的“主板立式方向”上，CPU一侧仍然上升到了整场测试的最高温——91℃。

且在改变重力方向时，比起没有“逆重力”技术的显卡而言，CPU温度的变化甚至更为明显。在不同的安装方向下，温差最高可达7℃。

当然，CPU与显卡的散热模组毕竟有所不同。但可以肯定的是：“逆重力热管”或许促进了热管的毛细作用以对抗重力，但并不意味着它如宣传那般有效——“逆重力热管”不能解决CPU侧受重力干扰的问题。

而对没有搭载“逆重力热管”的显卡散热器而言，则需要根据散热模组分别讨论了。

对于采用“U型热管”的显卡来说，热管冷凝端面向机箱侧板方向。因此，当机箱以卧式安装时，热管冷凝端远高于蒸发端，重力与毛细回流方向相同。显卡散热效率因此得以最大限度地提升，核心温度仅为68℃。

而当机箱以常规竖立时，显卡的热管全部平行于地平线。冷凝端与蒸发端齐平，重力几乎不影响显卡热管的运作，因此显卡温度也较此前上涨了4℃。

当近似于“垂直风道”的安装形式时，有一条热管的冷凝端高于蒸发端，重力促进回流，其余热管的冷凝端则低于蒸发端，重力阻碍回流。

由于这张显卡的鳍片是一个纵向整体，并没有隔断，因此鳍片上的热量分布尚且能够均匀。在CPU温度大幅下降的情况下，显卡温度仅改变了1℃，基本在误差范围内。

补充

当显卡散热器的设计有所不同时，可能会得出截然不同的测试结果。以大名鼎鼎的“AC三奶”Arctic Accelero为例，此类散热模组呈纵向布局热管。一旦以“垂直风道”的方式安装，显卡的热管将近乎垂直于地面。

Arctic Accelero Xtreme

此时，鳍片较多一侧的大型冷凝端远远低于蒸发端，重力阻碍回流。而鳍片较少一侧的小型冷凝端略高于蒸发端，重力促进回流。

如前所述，热管越长，重力造成的影响就越显著，而此类散热器的热管长度，远远超过了“U型”布局。雪上加霜的是，上下两部分的冷凝端鳍片相互分隔、并不相连，热量无法借由鳍片进行传递。

于是，大型冷凝端处的热管传热不足，而小型冷凝端则不堪重负。在垂直于地面的工况下，这些散热器的效率将会断崖般地下跌。

如今，Arctic Accelero这般的热管布局正是市场的主流，大部分显卡的散热器都采用了类似的布局，旗舰显卡尤为典型。

仅仅是安装方式的差异，此类散热模组的效能却会天差地别。这也是真正需要强化毛细回流力量、普及所谓“逆重力”技术的地方。

后记

如今，一些热管供应商已经在尝试使用沟槽与粉末烧结相结合的复合热管，这种热管兼具两家之长。

复合热管剖面图

相信在不远的将来，会有更多制造商加入到这些先进技术的探索中来，以技术层面的改进，为散热器的发展添砖加瓦。

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