水冷散熱技術(shù)淺析

李易之

摘要： 當(dāng)前技術(shù)進(jìn)步對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的要求越來越高，計(jì)算機(jī)必須以更大的功率以滿足實(shí)際運(yùn)用的需求。CPU、顯卡發(fā)熱通過傳統(tǒng)風(fēng)冷降溫的方式由于能耗及噪音的因素已難以滿足發(fā)展的需要。文章對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上水冷電腦的發(fā)展及現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對(duì)水冷散熱原理進(jìn)行了歸納，并通過實(shí)例描述了電腦水冷散熱系統(tǒng)的選型及安裝過程，水冷散熱技術(shù)因其節(jié)能、低噪、穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)必將有著更加廣闊的應(yīng)用前景。

Abstract： At present， the demand for computer computing power is getting higher and higher， and the computer must be more power to meet the needs of the actual application. It is difficult to meet the needs of development because of the energy consumption and noise factors through the traditional air cooling way of CPU and Graphics card. This paper analyzes the current status and development of water cooled computer market， the water cooling principle were summarized， and describes the selection of computer water cooling system and the installation process through an example， the water cooling technology because of its energy saving， low noise， stability and many other advantages will have a more broad application prospects.

關(guān)鍵詞： 水冷散熱；計(jì)算機(jī)；應(yīng)用

Key words： water cooling；computer；application

中圖分類號(hào)：TN305.94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）12-0191-03

0 引言

因計(jì)算機(jī)性能不斷增加，應(yīng)用軟件不斷升級(jí)，人們?cè)絹碓狡惹械淖非驝PU的更高速，致使CPU和顯卡等的發(fā)熱量不斷增加，現(xiàn)在IQ-7980XE1000 W在負(fù)荷使用高峰期發(fā)熱量已超過300瓦。在桌面型計(jì)算機(jī)上，其發(fā)熱量雖然可以使用風(fēng)扇加熱沉來降溫，但噪音太大，讓人無法接受，其能耗也讓普通家庭或企業(yè)無法接受。但是，如果使用水冷散熱技術(shù)，則上述煩人的問題，可以得到有效的解決。

所謂散熱，就是想辦法將熱源的熱量帶走，可分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式。所謂主動(dòng)散熱一般是采用壓縮機(jī)、半導(dǎo)體制冷片等技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是溫度可控，甚至可達(dá)到零度以下，其缺點(diǎn)是易結(jié)水露，且功耗較大。所謂被動(dòng)散熱是相對(duì)主動(dòng)散熱而言的，主要有風(fēng)冷、液冷等技術(shù)。其中液冷技術(shù)又可分為浸沒和部分覆蓋兩種方式。浸沒方式主要用在數(shù)據(jù)中心，其優(yōu)點(diǎn)是功耗低，能效高。缺點(diǎn)是安裝不夠方便，對(duì)機(jī)房環(huán)境的要求也較高，普通用戶無法使用。而部分覆蓋技術(shù)，也就是本文要討論的水冷技術(shù)，它的要求相對(duì)較低，普通尋常用戶均可使用，其優(yōu)點(diǎn)是低噪音、低能耗，其缺點(diǎn)是會(huì)一定程度的增大機(jī)箱的體積。

1 水冷電腦的發(fā)展及現(xiàn)狀

1966年IBM公司研發(fā)出了大型計(jì)算機(jī)。為了給這款計(jì)算機(jī)降溫，IBM進(jìn)行了專門的水冷系統(tǒng)研發(fā)，開始出現(xiàn)了水冷技術(shù)在電子產(chǎn)品上的研發(fā)和應(yīng)用。

2008年，超級(jí)計(jì)算機(jī)問世，其散熱的解決辦法是將水冷管道內(nèi)置進(jìn)服務(wù)器，水冷管道的機(jī)箱由此誕生。

21世紀(jì)初，臺(tái)式電腦的芯片散熱量越來越高，開始有廠家將水冷技術(shù)應(yīng)用到臺(tái)式電腦上，但一般是采用開放式結(jié)構(gòu)，水冷系統(tǒng)也還不夠精密。

最近幾年，電腦游戲的普及和發(fā)展，催生了CPU和顯卡性能的迅速提升，電腦發(fā)熱問題，迅速成為不可忽視的大問題。至此，常規(guī)風(fēng)冷已顯得有些力不從心。挑剔的用戶對(duì)噪音也忍無可忍，于是市場(chǎng)上開始出現(xiàn)水冷臺(tái)式電腦，并且初具規(guī)模。

2 水冷散熱的基本原理

2.1 水的比熱容

水是生命之源，地球之所以適合生物生存，就是因?yàn)榈乇砀采w了大量的水。水給了我們生命，同時(shí)，水的某些特性也給我們的生產(chǎn)生活提供了極大的便利。例如水的比熱容特性，在我們的日常生活中就得到了極大的利用。所謂比熱容，是描述物質(zhì)熱性質(zhì)的一種物理量。其物理含義是指單位質(zhì)量的物質(zhì)升高或降低單位溫度所吸收或釋放的熱量。其國際單位是J/（kg·℃）（焦耳每千克攝氏度）。部分物質(zhì)的比熱容值見表1所示。

如表1所示，水的比熱容遠(yuǎn)大于常見的其他物質(zhì)（如空氣等）。水的比熱容較大，意味著水有較強(qiáng)的吸熱或放熱能力，吸收了空氣中的大部分熱量后，其自身的溫度不會(huì)發(fā)生顯著變化。這一特性，在我們的日常生活中非常重要。例如大面積的水能調(diào)節(jié)氣候，三峽庫區(qū)蓄水后，重慶的氣候得到明顯改善。又如沿海地區(qū)白天比內(nèi)陸地區(qū)溫升慢，夜晚沿海溫度降低少；第二是用水作冷卻劑或取暖，例如熱機(jī)（汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電廠發(fā)電機(jī)等）的冷卻系統(tǒng)用水做為冷卻液，就是利用了水的比熱容大這一特性。

2.2 水冷散熱系統(tǒng)的基本組成

水冷散熱系統(tǒng)的組成一般包括：循環(huán)液、管道、水泵、水冷頭、水箱或冷排。其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

水冷頭簡(jiǎn)單的說就是吸熱金屬塊，一般由銅或鋁制成，金屬塊內(nèi)部留有流水道。其作用是吸收熱源的熱量，然后通過內(nèi)置水道里的水，將熱量帶走。

循環(huán)液與空氣的作用類似，吸收熱源熱量而自身溫度不會(huì)明顯變化。循環(huán)液可以是水，也可以是其他物質(zhì)，如液態(tài)金屬。如果循環(huán)液是水，就是所謂的水冷系統(tǒng)。

推動(dòng)循環(huán)液流動(dòng)的動(dòng)力來自水泵，保障吸熱后的循環(huán)液及時(shí)流走，低溫的循環(huán)液不斷補(bǔ)充。

水管就是一個(gè)水的通道，但要求密閉性能良好，否則會(huì)損壞電子器件，發(fā)生安全事故。水泵、水冷頭和水箱之間通過水管進(jìn)行連接。

水箱的作用是儲(chǔ)存循環(huán)液，通過冷熱循環(huán)液的熱量交換，保證循環(huán)液溫度不會(huì)有明顯的上升。

冷排的作用是幫助散熱，其特點(diǎn)是有大面積的散熱片。如果熱源的熱量足夠大，散熱片的風(fēng)扇則將流入空氣的熱量帶走。

值得注意的是，任何采用閉合回路循環(huán)系統(tǒng)都必須保障水路干凈。

由此可見水冷散熱與風(fēng)冷散熱其原理是基本相同的，只是水冷的降溫效果非常明顯。

2.3 水冷散熱系統(tǒng)的特點(diǎn)

有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：其一是溫度不會(huì)突變，其二是噪聲較低。因?yàn)樗臒崛荼容^大，在吸收大量的熱量后而自身溫度不會(huì)有較大變化，因此熱源的溫度得到了較好的控制，熱源內(nèi)部溫度瞬間不會(huì)出現(xiàn)大幅度的變化，有利于熱源穩(wěn)定的工作。另外，因?yàn)槔渑庞休^大的表面積，散熱性能好，因此水冷大多搭配轉(zhuǎn)速較低的風(fēng)扇，當(dāng)然，轉(zhuǎn)速亦不宜過低，否則會(huì)影響排熱效率。理論上，發(fā)熱量小而冷排規(guī)模足夠大時(shí)，可以采用無風(fēng)散被動(dòng)散熱方式即可。

一般來說，水泵的噪聲較風(fēng)扇較小，感覺非常安靜。

3 水冷散熱系統(tǒng)的選配安裝

3.1 水冷頭

在一個(gè)水冷系統(tǒng)中，最關(guān)鍵也最重要的部分就是它的水冷頭，其質(zhì)量的好壞直接地影響整個(gè)系統(tǒng)的效率，甚至是安全性。水能頭本身并不具備降溫功能，其作用是將熱源的熱量傳遞給水冷液。它是一個(gè)熱交換裝置。

有很多種制作水冷頭的方法，最簡(jiǎn)便的方法是利用一個(gè)塑料膠盒和普通散熱片來實(shí)現(xiàn)。將散熱片的散熱腮片一端裝進(jìn)塑料膠盒中，然后用環(huán)氧樹脂密封。在塑料膠盒上開孔，然后連接上水管即可。

如果條件允許，水冷頭材質(zhì)建議選用銅塊。可以盡量買薄的銅塊，以保障熱量的行程不過長(zhǎng)，過大的銅塊會(huì)使散熱失去意義，當(dāng)水泵停止工作時(shí)，水的熱容遠(yuǎn)大于銅，溫度上升更慢。

銅塊應(yīng)先用銼刀和砂紙將其盡可能打磨的光滑一些。雖然不可能達(dá)到完全的鏡面效果，不過剩下的部分可以用導(dǎo)熱膠補(bǔ)回來。另有一種替代方案是在縫隙中填充液態(tài)合金，其導(dǎo)熱效率遠(yuǎn)超導(dǎo)熱膠。

3.2 水管和分接頭

水管的選擇和分接頭都會(huì)對(duì)水流的阻力系數(shù)產(chǎn)生影響。一般在水冷系統(tǒng)中我建議選擇PEIG管、亞克力管、銅管等。水管不宜過長(zhǎng)，也不宜過細(xì)。因?yàn)檫^于冗長(zhǎng)的水管會(huì)消耗過多的能量，而太細(xì)的水管則會(huì)使流動(dòng)阻力變大很多。另外在選則分接頭時(shí)，在“Y”型頭和“T”型頭之間，應(yīng)該優(yōu)先選擇前者。總之，盡可能保證流動(dòng)阻力最小化，這樣才會(huì)在不提高水泵功率的前提下使得散熱效率達(dá)到最優(yōu)。

3.3 冷排

冷排是水冷系統(tǒng)中的又一重要組成部件，對(duì)整個(gè)水冷系統(tǒng)的性能表現(xiàn)影響較大。如果冷排散熱效率好，則會(huì)為整個(gè)系統(tǒng)增色不少。反之，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)的效率大大降低。冷排的規(guī)格一般是按風(fēng)扇的大小來決定的。影響冷排散熱性能的主要因素是其自身厚度和散熱片的間距。而風(fēng)扇的搭配也非常重要。顯然，散熱面積越大，散熱的效果自然就好些。但是，冷排乃至機(jī)箱的體積就增大了。

3.4 水泵

水泵是水冷系統(tǒng)的心臟。水泵的關(guān)鍵指標(biāo)有流量、揚(yáng)程和功率。可以根據(jù)水箱以及散熱器來選擇合適的水泵。建議購買時(shí)優(yōu)先選擇內(nèi)嵌水泵，因?yàn)樗谳斎牒洼敵鰞深^都配備有軟管，這樣就避免了短路的危險(xiǎn)。在水泵的規(guī)格方面，水泵流量在1500～2000L/H，揚(yáng)程3～7m比較合適，不太貴，沒有太大噪音并且可以直接用機(jī)箱電源供電。

3.5 水箱

水箱的主要作用是為水泵提供水源，同時(shí)，在水箱里，冷水和熱水充分融合交換熱量，起到了交換熱量的作用。

如果是內(nèi)置水箱的話，其大小受到機(jī)箱大小的限制。一般來說，體積大的機(jī)箱，水箱的選擇余地較大，水箱的位置也比較靈活。當(dāng)然，液可以考慮外置水箱，為機(jī)箱騰出更多的空間，也是一種不錯(cuò)的選擇。

3.6 冷液

有人喜歡較好的視覺效果，因此選擇有色冷液。但是有色冷液大都有潛在的腐蝕隱患，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)使水道擁堵，帶來不必要的麻煩。如果在意顏值，替代的辦法是使用有色水管，效果也比較滿意。其實(shí)用蒸餾水作冷液是不錯(cuò)的選擇，越純的越好，一般超市都可以買到，價(jià)格不貴，非常方便。

4 結(jié)束語

散熱技術(shù)對(duì)電子產(chǎn)品的性能發(fā)揮有著非常大的影響，現(xiàn)有的散熱技術(shù)主要有風(fēng)冷散熱、水冷散熱等，目前風(fēng)冷散熱仍然是主流。但水冷散熱是目前比較復(fù)雜但效果最好的一種散熱方式，它采用水和風(fēng)扇制冷，在節(jié)能、低噪、穩(wěn)定性等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，必將在更多領(lǐng)域得到更多使用。

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