散熱系統的2大主流空冷與液冷，當代PC是否有用水冷的必要？

目前電腦內的解熱機制大致上分為空冷還有液冷，其中空冷就只分為2種，主動式或是被動式，而液冷的形態就較多元，除了我們常見的水冷，還有油冷，甚至是無風扇的水冷，其中玩家之間使用最大量的為水冷，而油冷則是處理上較為麻煩而不常見，那麼水冷與空冷之間到底差在哪呢？

材料導熱係數之間的大小，造成巨幅差異

散熱器的材料我們大致上可以分為銅、鋁，其中銅的部份大多常見於與核心接觸面的部位，另外還有所謂的熱導管，我們分析一下空冷散熱器的結構，大致上可以初步歸納出幾種接觸方式，熱導管採用包夾式，由大面積銅基座與核心接觸，這種方式熱導管以焊接方式與銅基座結合，本質上絕對會出現熱阻增加的現象，但好處為對付核心面積較小的產品能夠有效達到熱導管利用率，而不造成閒置，尤以高發熱量的小核心最有效，如Kepler核心，Hawaii核心，都是小核心，但是發熱量卻高的嚇人。

而另一種則是HDT，熱管直觸技術，選擇將熱導管銑平取代包夾式的大面積銅基座，能夠直接與核心接觸，達到熱阻最低的條件，但是對於小核心就會出現熱導管冗餘的狀況，出現熱導管並沒有辦法直觸核心，造成整體傳導效率不佳的情形。就上面2種接觸方式大致上已經囊括市面是9成散熱器的結構，尤以顯示卡目前只有幾種方式解熱，而其中還有水冷散熱器，又為目前解熱效率最高的產品，但安裝方式，解熱模式又與空冷不同。

水冷散熱器採用的是大面積紫銅做為與核心接觸的部分，而上蓋則是大多採用壓克力、塑鋼等材料，甚至是紫銅，不過紫銅單價較高，不常採用，其中塑鋼又為常用材料中最堅硬的材質，能夠確保水壓過高時仍不變形。

由目前已知的熱導係數中來看，熱導管大致有20,000W/m ·K、銅為401 W/m ·K、鋁為237 W/m ·K，若是以接觸材料來看的話，HDT能夠擁有最好的導熱係數、而紫銅次之，包夾式最差，但是又必須要考慮到真正在做熱交換的部位，如空冷散熱器的熱交換裝置為鋁散熱片，水冷則是採用冷排，其中又必須要考量到材料之間的差異，如鋁、銅，甚至是熱導管與鰭片之間的接合方式，穿Fin、回流焊，還有熱導管所做的處理，如壓扁、彎折，這些都會降低熱導管的效率，所以其實也並非熱導管就是目前最強的材料。

比熱容差異造成均溫時間快慢

材料比較完後，接著還必須要檢視比熱容之間的差距，當比熱容越小，越容易造成環境均溫升高，在密閉的機殼環境中，均溫上升越快，越容易造成解熱困難的現象，原因在於解熱的過程中並非毫無瓶頸的狀況，當環境溫度達到一個上限後，散熱器將會無法將溫度做有效的降低，這也是為什麼冬天的時候所運作的溫度，遠比夏天要低上幾度的最主要原因。

空氣的比熱容為1030J（焦耳），而水的比熱容則是4200J，這也代表著水遠比空氣還要難因環境溫度上升而快速變化，也就是代表均溫會較慢達到飽和現象，在將核心部位的熱量由水帶至冷排後，能夠因更大面積的與鰭片密度做更有效的熱交換機制，常見的冷排大小為1D、2D、3D，分別為120mm、240mm、360mm，遠比一般空冷散熱器的面積要大，且因材質大多為銅，加上厚度上大多為25mm～60mm，不管在長度、厚度上都有著壓倒性的優勢。

水冷空冷解熱元件差異

空冷與水冷除了溫度變化之外，另外還有一個較重要且是空冷目前技術上沒有辦法突破的問題，解熱元件數量上的差異，一般空冷散熱器的解熱元件大多就只有核心，少部分會有供電迴路，但絕非一起包含，而是順便加裝散熱片進行解熱，會有這種情況最根本的原因在於散熱器並沒有辦法做量身打造，甚至因元件高低差所造成散熱器必須要放棄部分元件的接觸可能性，如低階散熱器就會出現只有核心有接觸，其餘部分皆是採用被動式的吹拂，僅能依靠主動式風扇下吹帶走熱量，這種情況在高階顯示卡中又特別容易造成溫度上限問題。

▲空冷最常出現的狀況為僅核心可以接觸到散熱器解熱。

而水冷則是沒有這種困擾，原因在於結構上的不同，水冷採用整片銅質金屬CNC切割出，能夠按照顯示卡上的元件高低差做出變化，如我們常見於顯示卡上的元件除了核心之外，還有記憶體與供電迴路，其中又以供電迴路最需要解熱，其根本原因在於MOSFET的發熱量巨大，採用空冷仍然會成為全部元件中最高發熱量的元件，反而不是繪圖核心最高，這一點常會被一般人誤解顯示卡只需要照顧到核心即可，反而忽略了最常故障的供電迴路。

▲水冷因CNC架構，可以針對各個元件的高低差進行微調。

實際產品見真章

或許用形容的可能不是非常直觀，編輯部這邊也準備了2張顯示卡，我們可以藉由實際產品比較出空冷、水冷間的差異，藉由實際產品的解說，能夠讓讀者更直接且直觀的了解到兩者之間的差距。

水冷與空冷的散熱器在顯示卡上其實差異並不會非常多，除了基本的顯示卡核心覆蓋外，大致上就是差在有沒有風扇在上面，當然風扇的部份水冷是移往冷排上，而空冷則是維持在顯示卡上，風扇上的大小也因顯示卡面積所受限，並非水冷能夠有較多的選擇性，如120mm、140mm，甚至是200mm還有使用前後雙風扇的方式，在變化性上，水冷具備更高的可塑性，而空冷除了更換成第三方協力廠的產品外，並沒有太多可能性。

▲水冷散熱器本身不需要在顯示卡上有任何風扇。

▲空冷散熱器需要因顯示卡面積而調整風扇大小，影響解熱效率。

拆掉散熱器後其實可以看到顯示卡上的元件幾乎大同小異，肯定會有核心、記憶體、供電迴路這三項，當然有些顯示卡可能還會增加一些Feature（特色）功能的晶片，當然那些並不在我們需要特別進行解熱處理的元件，藍卡的部份我們可以看到左上有2相記憶體迴路，中間為核心與記憶體，右側為核心供電迴路，而黑卡則是左側為核心供電迴路，中間為核心與記憶體，右側則是2相記憶體迴路，其中左側又有一片較小的散熱片，當然這個部分的用途為增加解熱能力，但是僅只有使用一片鋁擠散熱片，效果其實並不大。

▲顯示卡基本組成元件為供電迴路、記憶體與最重要的核心。

▲空冷散熱就必須要針對供電迴路部分加強解熱能力。

水冷散熱器的接觸面除了核心之外，記憶體部分還有供電迴路皆有做直接的接觸，這邊也就展現出水冷頭的CNC方式能夠因顯示卡的各種元件高低差做出相對應的變化，而空冷部分則是僅有核心接觸，其餘元件都只能透過風扇穿透鰭片所吹拂，效率還必須要因元件上的封裝材質而減低。

▲散熱片底下就是多相供電迴路，但解熱效果其實有限。

水冷頭拆解，循環方式簡介

空冷大致上不需要特別拆解就能了解其解熱模式與方向，但水冷就比較複雜，因水道都是包覆在蓋子下，也較難為人所知，編輯部這邊也直接拆解水冷頭，簡單介紹水冷的水道與水路循環過程。水冷頭大致上由塑鋼上蓋與銅質2片金屬組成，藉由螺絲與密封圈做水的阻隔方式，由螺絲將上下蓋擰緊，而密封圈則是做為防止水滲漏的作用，這麼做就可以使水在內部不致於洩漏出來，當然還必須要搭配一個循環水道才能夠將水導入與導出。

所以水冷頭中的水道大致上都只有單一方向，由拆解的水冷頭中可以看到上面有2個孔，但之間並沒有連通，而是分隔開來，中間的部分則是核心的部分，有額外切割出微水道，增加水流通過的接觸面積，能夠比起平面更有效率的將熱帶走，右邊則是供電迴路的部分，兩者之間並沒有直接相連，而是使用上下蓋之間的高低差形成一個水道，將水導入，再導回水冷頭本體再排出，因原本這個部分為電容的部位，並沒有辦法做直接的溝通，而必須要繞開。 

▲水冷頭結構大部分都是分為上蓋與下蓋，另外還有溝通2個水冷區域的水路。

▲冷頭內部還會額外銑出微水道，增加接觸面積。

▲上蓋材質通常為塑鋼，同時也會CNC出水道，增加水流量。

水冷複雜、空冷簡單，高階更適合水冷

簡單介紹後大多數人都可以理解到空冷與水冷間的差異，不僅僅只是解熱元件的多寡之外，還存在材質內容上的差異，加上能夠加強解熱的能力差異化，空冷目前為大多數的廠商所使用，而水冷則是存在於玩家之間，直到AMD Radeon R9 295X2做出第一次的水冷嘗試，不過編輯這邊認為，那種一體式水冷其實並不能夠稱上好的水冷產品，原因在於發熱量更高的供電迴路僅使用空冷做處理，並非一氣呵成，當然供電迴路所採用的元件都是採用耐高溫的元件，不過當長時間運作在90度甚至100度以上的環境，難保不會因此而壽命縮減，不過低階產品因價格上的限制，且消費習慣並不會花費鉅資為廉價產品打造專屬水冷，這也是為什麼水冷頭大多只存在於高階產品，尤以一體成形的水冷頭僅出現頂級產品，甚至是公板卡中。

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