计算机液气一体式CPU散热器设计研究

许廷锴

关键词：CPU 散热器；液气一体式；水冷（液冷）；风冷

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）36-0118-03

计算机经过半个多世纪的发展，已在各行各业被广泛应用，引起了产业结构、产品结构、经营管理和服务方式等方面的重大变革。计算机的运算核心和控制核心是一块超大规模的集成电路，被称为中央处理器（CPU，Central Processing Unit）[1]。随着计算机在性能、计算量以及体积等方面的革新与进步，CPU朝高集成化、小型化和高频化趋势发展，导致CPU运算产生的热量不断增加。由于CPU主要以硅或硅化合物为材料制造，而硅的导热性不佳，因此CPU产生的热量无法及时散出，轻则导致死机，重则可能将CPU烧毁，给电脑带来潜在的隐患[2]。总之，散热对CPU的稳定运行和使用寿命起着决定性的作用。

所谓散热，就是想办法将热源的热量带走。就散热方式而言，CPU冷却可分为主动散热和被动散热两种方式。目前市面的风冷和液冷散热技术属于被动散热。两种散热技术各有优缺点，如风冷体积小，价格低，是现在普通家庭计算机使用的首选。但风冷主要是铜管和风扇联用，而铜的比热容较小，导致当CPU超频工作过热时，铜管无法及时散热，热量堆积，损坏CPU。液冷散热效率高，但是冷排与液泵的体积过于庞大，严重占用机箱体积，而且使用塑胶管运水，在CPU过热时会导致胶管老化，出现漏液等[1-4]。因此，设计体积小且散热效率高的散热器已成CPU亟待解决的关键问题。

鉴于液冷和风冷散热器各有千秋，本研究试图设计出一款融二者为一体的液气一体式CPU散热器，发挥出风冷散热器体积小，液冷散热器散热效率高的优点。

1 材料与方法

1.1 组成材料

本研究设计所需要的材料主要包括1个水泵、大小两种规格的铜管，2台风扇、铜板、铝块、空心铝管。

1.2 设计思路

通过位于装置顶端水泵的叶轮，使液体完成从水泵到铜管，同时用风扇和水使CPU降温，再通过水的流动将热量带入到铜管中，风扇将水降温，从而达到降低CPU温度的目的。

1.3 工作原理

本研究设计的液气一体式CPU散热器的工作原理运用了流体动力学中的伯努利效应、传热学理论和焦耳定律。

2 研究结果

2.1 装置组成

液气一体式CPU散热器由两个系统四个模块组成，分别为液体循环系统和气体散热系统，四个模块包括水泵、铜管、风扇和支撑，其中支撑模块由水冷头铜管上方与铜板相连接的铝块，以及与铝块相连接的空心铝管组成。

2.2 工作参数

研究出的液气一体式CPU 散热器高120mm，宽80mm，长97mm，体积为931200mm；风扇转速2000rpm±10%；电压12VDC；启动电压7-8V，DC，厚度20mm；液体流速3.890m/s；铜管直径4mm，铜管弯折长度大约1cm，弯折数量需占满120mm为准，铜管最后一段与水冷头相连的小铜管直径约为1.5mm；铜板的厚度约为4mm，长40mm，宽30mm；水泵厚度10mm，直径80mm，叶轮叶片3mm，每个水泵6 个叶轮，水泵功率4W，水泵电机高度4mm；铝块的长度和宽度与铜板相似，厚度为6mm，与之相连的空心铝管直径6mm，空心铝管高度106mm，与风扇连接的8根小铝管直径4mm，4根小铝管与1台风扇连接。液体最大流量400L/h。风扇规格为高115mm，宽25mm，长75mm；水的比热容为4.2*10J/kg·oC，铜的比热容是0.39*10J/kg·oC。

2.3 基本构造

图1展示的是水泵基本构造。水泵位于装置上方，通过其内部的叶轮转动使水在装置内部流动起来，达到液体循环并提高热对流，从而提高散热效率。每个水泵6个叶轮。

图2为液气一体式CPU散热器左视图。由图可看出，液体水经过水泵后从出水口流出，进入散热铜管。风扇装在铜管后，通过风扇产生的冷风使铜管降温，水再进入下端的水冷头空心铜板，空心铜板与CPU紧密相貼，从而通过热传导的方式为CPU降温。空心铜板的上方有实心铝板，可以达到增加重量，提升温度，使CPU和液气一体式CPU散热器贴合更紧密的目的。

图3为液气一体式CPU散热器右视图，由图可看出，CPU降温后升温的水，在水泵内中心叶轮的转动作用下，从水冷头空心铜板流出，经过风扇前的铜管由风扇产生的冷风降温后再流回水泵，从而达到冷热液体循环。如果不进行降温，CPU可能在运行中温度上升到50℃，CPU正常温度为25℃，根据热学公式，可得出水与铜板传导并吸收的热量约为15826.2J。在忽略热传导中所产生的热损耗，可得出散热功率约为263.77W。安装风扇为两个功率大小相同，体积相同的风扇，转动时加强空气流动，用于风冷散热。

图4为液气一体式散热器前后视图，可以看到在水冷头铝块的上方连接着一根空心铝管，铝管顶端通过螺丝与水泵电机相连，从铝管左右各延伸出四根空心铝管，每个空心铝管与风扇的一个角通过螺丝相连接，从而达到固定装置，支撑装置的目的。风扇旁为铜管，水泵电机通过液压密封轴承与水泵内的中心叶轮相连。

图5为液气一体式CPU散热器仰视图，由此图可以看到水泵和风扇的底端以及水冷头铜板通过两根横向的小铜管相连。依据流体力学中伯努利效应，液体由直径4mm的大铜管流入1.5mm的小铜管后，液体流速会变原来的2.7倍，液体流速加快，散热效率增加。

3 讨论

集成电路自发明以来，其优点是提升了晶体管数量，提高了运行速度，但其带来的负面效应是晶体管越多，发热量越大。CPU的特征尺寸由0.35μm减少到0.18μm，散热量由10W 增加到50W，再到0.09μm 最大发热量达115W。2011年，AMD发布fx系列多核型处理器，更是将热功耗推向了新的台阶，实际热功耗达150W以上，以至于当时普通散热器无法散热，导致CPU损坏[4]。因此，需要采用高效散热技术来解决CPU的散热问题，散热设计的优劣直接关系到CPU芯片的性能与可靠性。一般来说，一个高端多核芯CPU 的发热功率大概在300W，本研究设计的液气一体式CPU散热器由水泵、铜管、风扇和支撑四个模块组成，体积约为931200mm，远远小于市面上的三风扇六铜管的高塔风冷散热器的体积1521450mm，水冷散热器的体积为1198800 mm。依据热力学定律计算出散热功率约为236.77W，基本达到或超过了中高端CPU 散热需求，适用于千家万户家庭台式计算机。

散热方式是指该散热器散发热量的主要方式。在热力学中，散热就是热量传递，而热量的传递方式主要有三种：热传导，热对流和热辐射。CPU散热片底座与CPU直接接触带走热量的方式就属于热传导。热对流指的是流动的流体（气体或液体）将热带走的热传递方式，在电脑机箱的散热系统中比较常见的是散热风扇带动气体流动的“强制热对流”散热方式[5]。本研究设计的液气一体式CPU散热器通过位于装置顶端水泵的叶轮，使液体完成从水泵到铜管，同时用风扇和水使CPU降温，再通过水的流动将热量带入到铜管中，风扇将水降温，从而达到降低CPU温度的目的，即使用了热传导又使用了热对流热量传递方式。

CPU散热器的散热方式，可以分为风冷、热管、液冷、半導体制冷和压缩机制冷。风冷散热方式是目前家庭台式计算机的主要散热方式，它的原理是通过散热片将热传导出来，再通过风扇转动，加强空气流动，通过强制对流的方式将散热片上的热量传到周围环境。风冷散热依靠空气作为导热煤质，热效率低，为了增强热交换能力，使用强力风扇产生噪声[4-5]。周建辉等[6]提出空气强迫对流冷却系统一体化设计新理念，设计出曲线型散热器，达到高性能散热效果。水冷散热是利用水循环系统通过水流动将CPU的热带走。水冷系统可以将CPU的温度保持在室温状态，高效改善了微机内部的工作环境，但水冷散热系统不方便、体积大、安装麻烦，且存在水的泄露和由此造成的短路问题。曾平等[7]应用流体动力学、传热学理论研制了一种新型的、以双腔并联压电泵为动力源的计算机芯片水冷散热系统。本研究设计的液气一体式CPU散热器安装2台风扇，一方面发挥CPU风冷散热的目的，另一方面风扇产生的冷风可降低铜管中的水温，达到冷热液体循环。依据流体动力学中的伯努利效应，由直径较大铜管转为直径较小铜管就是为了加快液体流速，增加散热效率。

以CPU散热器为关键词，在中国专利全文数据库（CNKI）、国家知识产权局、中国专利数据库和中国专利信息网等查找，获得数据显示，共有9个CPU散热器的实用新型专利[8-15]，所检索的专利中已有部分专利使用了水冷与风冷散热原理，这也许是由于风冷和水冷同时散热可提高CPU散热效率，且推测风冷和水冷同时散热可能是未来CPU散热器的发展趋势，但这些设计中均使用了水箱，占用空间，导致散热器体积相对较大，而本研究设计出的液气一体式CPU散热器由水泵、铜管、风扇和支撑四个模块组成，缩小了体积，且风冷和液冷融为一体，提高了散热效率。

4 结论

本研究利用流体动力学、传热学等工作原理，综合运用热对流、热传导等散热模式，研制出由水泵、铜管、风扇和支撑四个模块组成的即可以节省空间，又可提高散热效率，适用于千家万户家庭台式计算机的液气一体式CPU散热器。