水冷散热技术浅析

李易之

摘要： 当前技术进步对计算机运算能力的要求越来越高，计算机必须以更大的功率以满足实际运用的需求。CPU、显卡发热通过传统风冷降温的方式由于能耗及噪音的因素已难以满足发展的需要。文章对当前市场上水冷电脑的发展及现状进行了分析，对水冷散热原理进行了归纳，并通过实例描述了电脑水冷散热系统的选型及安装过程，水冷散热技术因其节能、低噪、稳定等诸多优点必将有着更加广阔的应用前景。

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.

关键词： 水冷散热；计算机；应用

Key words： water cooling；computer；application

中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）12-0191-03

0 引言

因计算机性能不断增加，应用软件不断升级，人们越来越迫切的追求CPU的更高速，致使CPU和显卡等的发热量不断增加，现在IQ-7980XE1000 W在负荷使用高峰期发热量已超过300瓦。在桌面型计算机上，其发热量虽然可以使用风扇加热沉来降温，但噪音太大，让人无法接受，其能耗也让普通家庭或企业无法接受。但是，如果使用水冷散热技术，则上述烦人的问题，可以得到有效的解决。

所谓散热，就是想办法将热源的热量带走，可分为主动和被动两种方式。所谓主动散热一般是采用压缩机、半导体制冷片等技术，其优点是温度可控，甚至可达到零度以下，其缺点是易结水露，且功耗较大。所谓被动散热是相对主动散热而言的，主要有风冷、液冷等技术。其中液冷技术又可分为浸没和部分覆盖两种方式。浸没方式主要用在数据中心，其优点是功耗低，能效高。缺点是安装不够方便，对机房环境的要求也较高，普通用户无法使用。而部分覆盖技术，也就是本文要讨论的水冷技术，它的要求相对较低，普通寻常用户均可使用，其优点是低噪音、低能耗，其缺点是会一定程度的增大机箱的体积。

1 水冷电脑的发展及现状

1966年IBM公司研发出了大型计算机。为了给这款计算机降温，IBM进行了专门的水冷系统研发，开始出现了水冷技术在电子产品上的研发和应用。

2008年，超级计算机问世，其散热的解决办法是将水冷管道内置进服务器，水冷管道的机箱由此诞生。

21世纪初，台式电脑的芯片散热量越来越高，开始有厂家将水冷技术应用到台式电脑上，但一般是采用开放式结构，水冷系统也还不够精密。

最近几年，电脑游戏的普及和发展，催生了CPU和显卡性能的迅速提升，电脑发热问题，迅速成为不可忽视的大问题。至此，常规风冷已显得有些力不从心。挑剔的用户对噪音也忍无可忍，于是市场上开始出现水冷台式电脑，并且初具规模。

2 水冷散热的基本原理

2.1 水的比热容

水是生命之源，地球之所以适合生物生存，就是因为地表覆盖了大量的水。水给了我们生命，同时，水的某些特性也给我们的生产生活提供了极大的便利。例如水的比热容特性，在我们的日常生活中就得到了极大的利用。所谓比热容，是描述物质热性质的一种物理量。其物理含义是指单位质量的物质升高或降低单位温度所吸收或释放的热量。其国际单位是J/（kg·℃）（焦耳每千克摄氏度）。部分物质的比热容值见表1所示。

如表1所示，水的比热容远大于常见的其他物质（如空气等）。水的比热容较大，意味着水有较强的吸热或放热能力，吸收了空气中的大部分热量后，其自身的溫度不会发生显著变化。这一特性，在我们的日常生活中非常重要。例如大面积的水能调节气候，三峡库区蓄水后，重庆的气候得到明显改善。又如沿海地区白天比内陆地区温升慢，夜晚沿海温度降低少；第二是用水作冷却剂或取暖，例如热机（汽车发动机、发电厂发电机等）的冷却系统用水做为冷却液，就是利用了水的比热容大这一特性。

2.2 水冷散热系统的基本组成

水冷散热系统的组成一般包括：循环液、管道、水泵、水冷头、水箱或冷排。其组成结构如图1所示。

水冷头简单的说就是吸热金属块，一般由铜或铝制成，金属块内部留有流水道。其作用是吸收热源的热量，然后通过内置水道里的水，将热量带走。

循环液与空气的作用类似，吸收热源热量而自身温度不会明显变化。循环液可以是水，也可以是其他物质，如液态金属。如果循环液是水，就是所谓的水冷系统。

推动循环液流动的动力来自水泵，保障吸热后的循环液及时流走，低温的循环液不断补充。

水管就是一个水的通道，但要求密闭性能良好，否则会损坏电子器件，发生安全事故。水泵、水冷头和水箱之间通过水管进行连接。

水箱的作用是储存循环液，通过冷热循环液的热量交换，保证循环液温度不会有明显的上升。

冷排的作用是帮助散热，其特点是有大面积的散热片。如果热源的热量足够大，散热片的风扇则将流入空气的热量带走。

值得注意的是，任何采用闭合回路循环系统都必须保障水路干净。

由此可见水冷散热与风冷散热其原理是基本相同的，只是水冷的降温效果非常明显。

2.3 水冷散热系统的特点

有两个显著特点：其一是温度不会突变，其二是噪声较低。因为水的热容比较大，在吸收大量的热量后而自身温度不会有较大变化，因此热源的温度得到了较好的控制，热源内部温度瞬间不会出现大幅度的变化，有利于热源稳定的工作。另外，因为冷排有较大的表面积，散热性能好，因此水冷大多搭配转速较低的风扇，当然，转速亦不宜过低，否则会影响排热效率。理论上，发热量小而冷排规模足够大时，可以采用无风散被动散热方式即可。

一般来说，水泵的噪声较风扇较小，感觉非常安静。

3 水冷散热系统的选配安装

3.1 水冷头

在一个水冷系统中，最关键也最重要的部分就是它的水冷头，其质量的好坏直接地影响整个系统的效率，甚至是安全性。水能头本身并不具备降温功能，其作用是将热源的热量传递给水冷液。它是一个热交换装置。

有很多种制作水冷头的方法，最简便的方法是利用一个塑料胶盒和普通散热片来实现。将散热片的散热腮片一端装进塑料胶盒中，然后用环氧树脂密封。在塑料胶盒上开孔，然后连接上水管即可。

如果条件允许，水冷头材质建议选用铜块。可以尽量买薄的铜块，以保障热量的行程不过长，过大的铜块会使散热失去意义，当水泵停止工作时，水的热容远大于铜，温度上升更慢。

铜块应先用锉刀和砂纸将其尽可能打磨的光滑一些。虽然不可能达到完全的镜面效果，不过剩下的部分可以用导热胶补回来。另有一种替代方案是在缝隙中填充液态合金，其导热效率远超导热胶。

3.2 水管和分接头

水管的选择和分接头都会对水流的阻力系数产生影响。一般在水冷系统中我建议选择PEIG管、亚克力管、铜管等。水管不宜过长，也不宜过细。因为过于冗长的水管会消耗过多的能量，而太细的水管则会使流动阻力变大很多。另外在选则分接头时，在“Y”型头和“T”型头之间，应该优先选择前者。总之，尽可能保证流动阻力最小化，这样才会在不提高水泵功率的前提下使得散热效率达到最优。

3.3 冷排

冷排是水冷系统中的又一重要组成部件，对整个水冷系统的性能表现影响较大。如果冷排散热效率好，则会为整个系统增色不少。反之，会导致整个的效率大大降低。冷排的规格一般是按风扇的大小来决定的。影响冷排散热性能的主要因素是其自身厚度和散热片的间距。而风扇的搭配也非常重要。显然，散热面积越大，散热的效果自然就好些。但是，冷排乃至机箱的体积就增大了。

3.4 水泵

水泵是水冷系统的心脏。水泵的关键指标有流量、扬程和功率。可以根据水箱以及散热器来选择合适的水泵。建议购买时优先选择内嵌水泵，因为它在输入和输出两头都配备有软管，这样就避免了短路的危险。在水泵的规格方面，水泵流量在1500～2000L/H，扬程3～7m比较合适，不太贵，没有太大噪音并且可以直接用机箱电源供电。

3.5 水箱

水箱的主要作用是为水泵提供水源，同时，在水箱里，冷水和热水充分融合交换热量，起到了交换热量的作用。

如果是内置水箱的话，其大小受到机箱大小的限制。一般来说，体积大的机箱，水箱的选择余地较大，水箱的位置也比较灵活。当然，液可以考虑外置水箱，为机箱腾出更多的空间，也是一种不错的选择。

3.6 冷液

有人喜欢较好的视觉效果，因此选择有色冷液。但是有色冷液大都有潜在的腐蚀隐患，时间长了会使水道拥堵，带来不必要的麻烦。如果在意颜值，替代的办法是使用有色水管，效果也比较满意。其实用蒸馏水作冷液是不错的选择，越纯的越好，一般超市都可以买到，价格不贵，非常方便。

4 结束语

散热技术对电子产品的性能发挥有着非常大的影响，现有的散熱技术主要有风冷散热、水冷散热等，目前风冷散热仍然是主流。但水冷散热是目前比较复杂但效果最好的一种散热方式，它采用水和风扇制冷，在节能、低噪、稳定性等方面具有独特的优势，必将在更多领域得到更多使用。

参考文献：

[1]王宏辉.压电陶瓷泵在CPU液冷散热中的应用实验研究[D].南京理工大学，2006.

[2]邓阿强，贾力，许文云.板式脉动热管用于LED散热研究[J].工程热物理学报，2012（09）.

[3]梁雪艳，孙志坚，黄秋月.LED模块用液冷基板的流道和换热性能研究[J].中国照明电器，2012（01）.