一種筆記本電腦水冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及散熱效果

宋慧瑾， 鄢 強(qiáng)， 朱曉東， 王 剛， 蘭莎莎

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610106)

一種筆記本電腦水冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及散熱效果

宋慧瑾， 鄢 強(qiáng)， 朱曉東， 王 剛， 蘭莎莎

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610106)

設(shè)計(jì)了某型號(hào)筆記本電腦水冷散熱系統(tǒng)，通過(guò)熱力學(xué)理論散熱模擬計(jì)算設(shè)計(jì)制造出的換熱器散熱效率為90%，水冷散熱系統(tǒng)的峰值溫度為70 ℃。用魯大師軟件監(jiān)測(cè)了計(jì)算機(jī)中央處理器(CPU)和顯卡的溫度，比較分析了其散熱效果。結(jié)果表明：在大型游戲連續(xù)運(yùn)行2 h內(nèi)，水冷散熱系統(tǒng)下，CPU溫度最高達(dá)75 ℃，顯卡溫度達(dá)到80 ℃；風(fēng)冷散熱系統(tǒng)下，顯卡和CPU達(dá)到80 ℃左右，相對(duì)于水冷散熱系統(tǒng)，散熱較慢；而在大型單機(jī)游戲運(yùn)行結(jié)束時(shí)，水冷系統(tǒng)下顯卡和CPU突降為50 ℃，在非大型游戲電腦正常工作狀態(tài)下，顯卡和CPU溫度維持在50 ℃左右。而風(fēng)冷散熱系統(tǒng)下大型游戲運(yùn)行2 h結(jié)束90 min后，CPU溫度降至55 ℃左右，顯卡溫度降至50 ℃以下。

散熱； 水冷散熱； 風(fēng)冷散熱； 散熱效果

0 引 言

隨著科技的不斷發(fā)展，人們需要頻繁快速處理和更新的信息量越來(lái)越大。在這種情況下，高集成度的芯片應(yīng)運(yùn)而生。集成度的提高和長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行使芯片單位面積的功耗和發(fā)熱量急劇增加[1-3]，高性能的CPU發(fā)熱量增加了5～6倍，今后的發(fā)熱量會(huì)越來(lái)越大[4-7]。 目前，計(jì)算機(jī)的散熱主要集中在芯片散熱技術(shù)上，其原理和結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，工藝上易于實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)性好，且在理論研究、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和實(shí)際應(yīng)用等方面都比較成熟， 所以絕大部分的芯片冷卻由傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)占領(lǐng)。由于 CPU等電子元件常常是封閉有限空間形式，而芯片的熱敏感性很高。CPU產(chǎn)生的大量熱量如無(wú)法快速散去，在溫度超過(guò)其內(nèi)部結(jié)點(diǎn)溫度時(shí)，會(huì)發(fā)生熱失效，嚴(yán)重影響CPU的安全運(yùn)行[4]。同樣，圖形處理器散熱也有類似的情況。因此，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，研究如何降低計(jì)算機(jī)溫度，對(duì)提高計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的工作可靠性具有十分重要的作用。

對(duì)于筆記本電腦CPU和顯卡的散熱，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算的方法得出了一些散熱規(guī)律[8-11]。Sheam等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究斜角度鰭片的散熱器的散熱性能,對(duì)比研究了斜角度鰭片與直鰭片的熱阻。王偉等[7]通過(guò)Fluent軟件模擬了熱管散熱器對(duì)筆記本電腦散熱的優(yōu)化作用。陶漢中[13]應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)高速芯片模塊的熱管散熱器進(jìn)行熱仿真分析,得出了相應(yīng)的溫度場(chǎng)分布圖和熱流密度分布圖。FUJIKURA公司開(kāi)發(fā)出一種所謂“仙人掌”(Cactus-type)式熱管[14]，這種熱管的散熱效果與冷風(fēng)的流速有關(guān)。近期美國(guó)THERMACORE公司又報(bào)道其推出一種專門為筆記本電腦設(shè)計(jì)的熱管[15]，可用于主頻2 000 MHz以上芯片的散熱。

本文設(shè)計(jì)了某型號(hào)筆記本電腦水冷散熱系統(tǒng)，模擬計(jì)算了其散熱效率，并檢測(cè)了其散熱效果。

1 散熱原理

計(jì)算機(jī)水冷散熱系統(tǒng)一般應(yīng)有以下幾部分組成:

冷卻液循環(huán)的動(dòng)力源(水泵)，散熱裝置(熱交換器)，儲(chǔ)液裝置，冷卻液，吸熱裝置(用來(lái)吸取熱源散發(fā)出來(lái)的熱量)，管路,圖1為計(jì)算機(jī)水冷散熱系統(tǒng)原理圖。

圖1 計(jì)算機(jī)水冷散熱系統(tǒng)原理圖

計(jì)算機(jī)CPU和GPU是整個(gè)計(jì)算機(jī)工作時(shí)最大的發(fā)熱源，為使散熱效果最大化，計(jì)算機(jī)水冷散熱系統(tǒng)吸熱裝置應(yīng)做成一個(gè)內(nèi)部有腔體的密閉結(jié)構(gòu)，外接進(jìn)出水管道，機(jī)器正常工作時(shí)，冷卻水從進(jìn)水口輸送到散熱器吸熱裝置密閉腔體內(nèi)，冷卻液在水泵的推動(dòng)下，流過(guò)整個(gè)密閉腔體，帶走吸熱裝置吸收的大部分熱量,然后從出水口流出。

2 設(shè)計(jì)與安裝

2.1 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)某型號(hào)筆記本電腦設(shè)計(jì)一套水冷散熱系統(tǒng)，主要包括電腦內(nèi)部高產(chǎn)熱硬件CPU和GPU產(chǎn)生熱的吸收結(jié)構(gòu)(水冷頭)設(shè)計(jì)，電腦外部散熱結(jié)構(gòu)(冷排)的設(shè)計(jì)和冷卻水循環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其中吸熱裝置的設(shè)計(jì)包括：冷頭材料選用，內(nèi)部微水道設(shè)計(jì)，冷頭外形尺寸的設(shè)計(jì)，冷頭和芯片之間導(dǎo)熱材料設(shè)計(jì)，散熱裝置的設(shè)計(jì)；冷卻水循環(huán)裝置的設(shè)計(jì)包括：水泵的設(shè)計(jì)，管線的設(shè)計(jì)，連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，電源的設(shè)計(jì)各設(shè)計(jì)部件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各設(shè)計(jì)部件參數(shù)

2.2 安 裝

冷頭的各組件采用錫焊焊接，焊錫的熔點(diǎn)在200 ℃以上，而計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行的最高溫度不會(huì)超過(guò)100 ℃，遠(yuǎn)低于焊錫的熔點(diǎn)。

將CPU冷頭和顯卡冷頭安裝至相應(yīng)的位置，芯片與冷頭之間填充適量的導(dǎo)熱硅脂，并用配套的固定螺釘將冷頭固定。裁剪合適長(zhǎng)度的管材將兩冷頭串聯(lián)起來(lái)，并將管路引致電腦原出風(fēng)口處，切掉電腦側(cè)面出風(fēng)口處的一根格柵條，將管路引出電腦內(nèi)部，安裝完成。安裝完成圖如圖2所示。

圖2 冷頭安裝完成圖

3 散熱效果理論計(jì)算

換熱器的傳熱是穩(wěn)態(tài)傳熱[16]。流體的質(zhì)量流量qm、溫度t和熱流量φ均不隨時(shí)間變化；兩流體的質(zhì)量流量qm和比熱容cp在整個(gè)傳熱面上都是常量；傳熱系數(shù)K在整個(gè)傳熱面上不變；換熱器的散熱量、沿?fù)Q熱器軸向的導(dǎo)熱可以忽略不計(jì)；任一流體在換熱器中不能既有相變的對(duì)流傳熱又有單相介質(zhì)對(duì)流傳熱，以保證曲線連續(xù)光滑。

在距流體入口Ax處取一微元面積dAx，則在dAx上熱流體放出的熱流量為

(1)

冷流體吸收的熱流量為

(2)

熱流體傳給冷流體的熱流量為正值，熱流體放出的熱流量和冷流體吸收的熱流量也為正值，而t1和t2從Ax～Ax+dAx的溫度變化和都是負(fù)值，為使和為正值，式(1)和(2)右邊各加一負(fù)號(hào)。傳熱熱流量為：

(3)

式中:Ax處的傳熱溫差,

(4)

把式(1)和(2)代入式(3)，并考慮

得:

(5)

式(3)代入式(5)得：

(6)

式(6)兩邊積分:

整理得：

(7)

所以

(8)

由此可見(jiàn)，局部傳熱溫差沿著傳熱面作負(fù)指數(shù)變化。平均傳熱溫差為

(9)

將式(8)代入式(9)得:

(10)

Ax=A時(shí)，式(8)變?yōu)?/p>

(11)

即

(12)

式(12)代入式(10)，得逆流時(shí)對(duì)數(shù)平均傳熱溫差為

(13)

式中，θmax、θmin分別是最大和最小端差，單位℃或K。

經(jīng)過(guò)計(jì)算,換熱器的散熱效率為90%，水冷散熱系統(tǒng)的峰值溫度為70 ℃。計(jì)算所用數(shù)據(jù)如下：管道長(zhǎng)度105 cm，鋁熱導(dǎo)率237 W/(m·K)，管道公稱內(nèi)徑3 mm，紫銅導(dǎo)熱率386 W/(m·K)，冷卻液流速0.4 m/s，水比熱容4.2 kJ/(kg·℃),室溫25 ℃。

4 實(shí)際散熱效果分析

為了檢驗(yàn)散熱效果，做散熱效果試驗(yàn)。試驗(yàn)原理為，把水冷散熱系統(tǒng)安裝到計(jì)算機(jī)，用計(jì)算機(jī)壓力測(cè)試軟件使計(jì)算機(jī)滿載工作，同時(shí)啟動(dòng)水冷散熱系統(tǒng)對(duì)工作的計(jì)算機(jī)芯片進(jìn)行水冷散熱。壓力測(cè)試軟件附帶測(cè)溫功能,從電腦上可以監(jiān)控到芯片的溫度。最后把得到的顯卡和CPU的溫度與計(jì)算機(jī)CPU和顯卡單獨(dú)采用風(fēng)冷時(shí)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，來(lái)判定計(jì)算機(jī)水冷散熱系統(tǒng)的散熱性能。

測(cè)試條件：在大型游戲連續(xù)運(yùn)行2 h內(nèi)，水冷散熱系統(tǒng)下檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。可以看出，在大型游戲連續(xù)運(yùn)行2 h內(nèi)，水冷散熱系統(tǒng)下，CPU溫度最高達(dá)到75 ℃，顯卡溫度達(dá)到80 ℃；風(fēng)冷散熱系統(tǒng)下，顯卡和CPU在溫度升高到80 ℃左右，相對(duì)于水冷散熱系統(tǒng)，散熱較慢；而在大型單機(jī)游戲運(yùn)行結(jié)束時(shí)，水冷系統(tǒng)下顯卡和CPU突降為50 ℃，在非大型游戲電腦正常工作狀態(tài)下，顯卡和CPU溫度維持在50 ℃左右。而風(fēng)冷散熱系統(tǒng)下大型游戲運(yùn)行2 h結(jié)束90 min后，CPU溫度才降至55 ℃左右，顯卡溫度降至50 ℃以下。因此水冷散熱系統(tǒng)下的溫度下降相較于風(fēng)冷散熱系統(tǒng)下更為迅速。由此可以看出，水冷散熱系統(tǒng)的散熱效果優(yōu)于風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。

(a) 風(fēng)冷散熱

(b) 水冷散熱

在正常待機(jī)時(shí)，水冷散熱系統(tǒng)下的顯卡和CPU的溫度也相較于風(fēng)冷散熱系統(tǒng)下的溫度低，進(jìn)一步說(shuō)明水冷散熱系統(tǒng)的散熱效果優(yōu)于風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。另外，在運(yùn)行大型單機(jī)游戲時(shí)，無(wú)論是風(fēng)冷散熱系統(tǒng)還是水冷散熱系統(tǒng)，顯卡的溫度都高于CPU的溫度，并且顯卡的溫度值比較接近，游戲畫面效果降低。兩種散熱系統(tǒng)的散熱效果滿足散熱要求，計(jì)算機(jī)的顯卡啟動(dòng)了硬件保護(hù)功能，降低顯卡性能。

5 結(jié) 論

在試驗(yàn)與研究基礎(chǔ)上，完成了計(jì)算機(jī)水冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。得出：

(1) 通過(guò)熱力學(xué)理論散熱模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)制造出的換熱器的散熱效率為90%，水冷散熱系統(tǒng)的峰值溫度為70 ℃。

(2) 通過(guò)散熱效果試驗(yàn)以及把計(jì)算機(jī)水冷散熱系統(tǒng)裝到計(jì)算機(jī)上實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)看，在大型游戲連續(xù)運(yùn)行2 h內(nèi)，水冷散熱系統(tǒng)下，CPU溫度最高達(dá)75 ℃，

顯卡溫度達(dá)到80 ℃；風(fēng)冷散熱系統(tǒng)下，顯卡和CPU在溫度升高時(shí)80 ℃左右，相對(duì)于水冷散熱系統(tǒng)，散熱較慢；而在大型單機(jī)游戲運(yùn)行結(jié)束時(shí)，水冷系統(tǒng)下顯卡和CPU突降為50 ℃，在非大型游戲電腦正常工作狀態(tài)下，顯卡和CPU溫度維持在50 ℃左右。而風(fēng)冷散熱系統(tǒng)下大型游戲運(yùn)行2 h結(jié)束90 min后，CPU溫度才降至55 ℃左右，顯卡溫度降至50 ℃以下。水冷散熱系統(tǒng)下的溫度下降相較于風(fēng)冷散熱系統(tǒng)下更為迅速，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。

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Design and Research on the Cooling Effect of a Computer Water Cooling System

SONGHuijin,YANQiang,ZHUXiaodong,WANGGang,LANShasha

(School of Mechanical Engineering， Chengdu University， Chengdu 610106, China)

With the frequently and fast increasing of the processing information, the IC’s integrative degree is increasing. The heat emission problem of computers is getting obvious day by day. A set of water cooling system for the personal notebook computer was designed to achieve the purpose of cooling computer central processing unit (CPU) and graphics card. The heat dissipation efficiency of the designed water cooling system was 90% and the high temperature of the water cooling system was 70 ℃ by the simulation of thermodynamics heat radiation theory. The temperature measuring software Master Lu was used to detect the temperatures of CPU and graphics card. The effect of the thermal design of computer water cooling system after water cooling design completed was analyzed comparatively. The results showed that the high temperature of CPU was 70 ℃ and that of graphics card was 80 ℃ in the water cooling system as a large game ran 2 hours， and immediately decreased to 50 ℃ after games finished in the water cooling system. By the wind cooling system, the temperature of CPU was 55 ℃，and that of graphic card was less than 50 ℃. The efficiency of heat emission in water cooling system was better than that of in wind cooling system.

abstract heat； water cooling； air cooling； heat dissipation effect

2016-07-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60976052)；四川省教育廳青年科研項(xiàng)目(16ZB0436)

宋慧瑾(1978-)，女，河南漯河人，博士,副教授，主要從事新能源材料及材料表面改性研究。

Tel.:18228028305;E-mail：shj1437@163.com

鄢 強(qiáng)(1975-)，男，重慶人，博士后,副教授，主要從事硬質(zhì)涂層材料、薄膜材料與器件及農(nóng)業(yè)機(jī)械方面研究。

Tel.:028-84616169;E-mail：48055130@qq.com

TB 742

A

1006-7167(2017)03-0055-04