[科普中国]-计算机水冷

计算机水冷，是指在计算机常用的液体冷却系统，以高比热系数的液体（如：水）作媒介，以协助带走内部零件的热量。计算机水冷一般有以下优点：循环冷却作用下温度波动小，被冷却零件控温效果明显，长时间使用稳定可靠；使用直流(无刷)电泵时振动小，噪音低；整体装配后外观华丽，静电吸附小。

简介计算机水冷简单来说是指用液体（如水）为机器散热和制冷。它使用的液体不是单纯的水，而是防腐、热导率高的溶液，且不易导电。水冷散热效率高，热导率在传统风冷方式的20倍以上，因此在吸热能力上要强于以空气为介质的风冷散热器。水冷散热的另一大优势就是静音。冷系统都具有三个水冷块，分别给CPU、显卡、北桥芯片散热，并且大部分产品只使用一个直径12cm的低速风扇。如果使用风冷完成对高端超频平台的散热，CPU散热器、机箱背板风扇、显卡风扇、北桥风扇都是最基本的1。

计算机水冷一般由以下几部分构成：热交换器、循环系统、水箱、水泵和水，根据需要还可以增加散热结构。而水因为其物理属性，导热性并不比金属好(风扇制冷通过金属导热)，但是，流动的水就会有好的导热性，也就是说，水冷散热器的散热性能与其中散热液(水或其他液体)流速成正比，制冷液的流速又与制冷系统水泵功率相关.而且水的热容量大，这就使得水冷制冷系统有着很好的热负载能力.相当于风冷系统的5倍，导致的直接好处就是CPU工作温度曲线非常平缓。比如，使用风冷散热器的系统在运行CPU负载较大的程序时会在短时间内出现温度热尖峰，或有可能超出CPU警戒温度，而水冷散热系统则由于热容量大，热波动相对要小得多。

热管热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成的负压后充入适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯（毛细多孔材料）中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段，根据需要还可以在两段中间布置绝热段。当热管的一端受热时，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成为液体，液体再沿多孔材料依靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量就由热管的一端传至另一端。热管在实现这一热量传递的过程中主要包含了以下六个相互关联的过程：

(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液汽分界面；

(2)液体在蒸发段内的液汽分界面上蒸发；

(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；

(4)蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结；

(5)热量从汽液分界面通过吸液芯液体和管壁传给冷源；

(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。

热管作为传热元件与一般的金属传热元件相比具有以下特别的特性：

(1)很高的导热性 热管内部主要是靠工作介质的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力，与最好的金属导热体银、铜、铝相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。

(2)优良的等温性 热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定了饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降也很小，根据热力学中的 Clausuis-Clzpeyron 方程式可知，温降也很小，因而热管具有优良的等温性。利用热管的等温性可以把一个温度不均匀的温度场展平成为一个均匀的温度场。

(3)热流密度的可变性 热管可以独立改变蒸发段或冷却段的面积，即可以以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，反之也行。这样就可改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。

(4)热流方向的可逆性 对于水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可以作为蒸发段，而另一端就成为冷凝端。

(5)热二极管与热开关性能 热二极管就是只允许热流向一个方向，而不允许向相反的方向流动。热管可以做成热二极管或热开关，当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于某一温度时，热管停止工作，不再传热。

(6)恒温特性 可变导热管的冷凝段的热阻随加热量的增加而降低，随加热量的减少而增加，这可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现了恒温温度的控制。

(7)环境的适应性 热管的形状可以随着热源和冷源的条件而变化，热管也可以作成分离式以适应长距离或冷热流体不能混合的情况下的换热；热管即可以用于地面，也可用于空间（无重力场）。

背景CPU 是中央处理器的缩写，微机系统中称为微处理器。随着电子技术的不断进步，CPU 的运算速度正快速地向前发展，其主频和功率也不断提高。如Intel 公司处理器 Pentium D 820的主频为 2×2.8 GHz，如此高的主频发出的热量将会严重影响 CPU 的正常运行。所以，CPU的正常散热问题逐渐成为制约其发展的瓶颈。CPU 散热工作按照散热方式可以分成主动式散热和被动式散热两种。主动式散热就是通过散热片将 CPU 发出的热量自然散发到空气中。因为是自然散发热量，效果不是很好，其散热的效果与散热片大小成正比。被动式散热是CPU散热的主要方式，它利用风扇等散热设备将散热片上的热量强制性地带走，这种散热方式的优点是散热效率高，设备体积小。根据散热介质的不同，被动式散热又可分为风冷散热、水冷散热、半导体制冷散热、热管散热和化学制冷散热等。风冷散热器一般由散热片和风扇两部分构成，和CPU直接接触的部分为散热片，它负责将CPU发出的热量引出，风扇用来给散热片强制降温，特点是体积小，成本低。半导体制冷是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷，它的制冷温度低，冷面温度可达-10℃以下，但成本高，工艺也不成熟，不够实用。热管散热器中的热管分别为蒸发端(加热端)和冷凝端(散热端)，两端之间根据需要采取绝热措施。当热管的一端受热时(即两端出现温差时)，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在压差作用下流向另一端放出热量并凝结成液体，液体再依靠毛细作用沿多孔材料流回蒸发端，由于热管几乎是在等温状态下传递热量，换热量较低。

水冷散热技术。很多芯片都是用水冷装置作为散热系统，在使用过程中对于散热系统的要求比较高，要完全杜绝漏水、断水等情况的发生，同时该系统在使用过程中还会对电子系统产生一些影响，即由于水的流动造成电子元件周围电磁场的一些变化，可能会影响到系统的稳定性，一旦漏水将对系统造成很大的损失2。

冷却剂冷却剂是一种流过或环绕某个系统来防止该系统过热的流体。它通过将该系统产生的热量传导到其他的系统来使用或消耗热量。理想的冷却剂具有高热容量，低黏度，廉价，无毒，化学惰性，既无腐蚀性又不促进腐蚀。某些冷却剂的应用还要求其绝缘。

在高温或低温环境的工业应用过程中，热传导液（Heat Transfer Fluid）是更为常用的术语，而冷却剂则是在汽车行业以及暖通空调系统（HVAC）更为常见的叫法。同时因为在汽车以及暖通空调领域使用的冷却剂主要是液体，因此更经常被称为冷却液。工业应用中，热传导液同时包含了切削液。

冷却剂在循环过程中既可以维持其原本的物质状态（比如，气体或液体），也可以经历相变（改变原本的物质状态）。相变过程中潜热的存在使得冷却剂的效率更高。当使用冷却剂来降低环境温度时（例如空调，冰箱），它常被称作制冷剂。

最常见的冷却液是水。水具有高热容和低价的特点，使得它成为合适的导热介质。通常，水在作为冷却剂时会加入缓蚀剂与防冻剂等添加剂。防冻剂是一种有机化合物（常为乙二醇，二甘醇，或丙二醇）的溶剂，常在水的使用环境低于零度或需要提高沸点的情况中使用。三甲胺乙内酯（又名甜菜碱）是一种类似的冷却剂，不过这种冷却剂是由植物制成，因此从生态保护角度无毒易处理。去离子水因其低导电性常被用作电子电气设备尤其是高功率发射器和高功率真空管的冷却液。重水是一种被用在核反应堆中的中子减速剂。它的次要功能便是作为冷却液使用。而轻水反应堆，包括最常见的沸水反应堆以及压水反应堆，则是使用普通的水（即轻水）。丙二醇（PAG）则被用作高温，热稳定，抗氧化的热传导液。切削液则在机床的切削和成型方面作为冷却液和润滑剂使用。油在无法使用水的情况下较为常用。因具有高于水的沸点，油的自身温度可以在无需对容器或循环系统加压的情况下维持高温。（高于一百摄氏度）

矿物油在许多机械齿轮的应用中用作冷却液和润滑剂。蓖麻油也时有使用。因为具有高沸点的特点，矿物油常在家用便携式电暖器，以及工业用闭环系统加热和冷却中使用。矿物油还因其绝缘性常在浸没式液体冷却电脑系统中使用。

硅油与氟油（如fluorinert)的优点在于他们的广谱使用温度，缺点则在于高价。变压器油作为冷却液以及绝缘体在高功率变压器中使用。燃油在引擎中常被用作冷却液。低温状态的燃料流经引擎的某些部分以吸收废热来预热。煤油以及航空燃油常在航空引擎中作此用途。

氟利昂常在浸没式液冷的电器件中使用。

制冷剂是一种通过在液体与气体间相变来降低温度的冷却液。卤代甲烷如二氟二氯甲烷（R-12）和二氟一氯甲烷（R-22）常作为制冷剂使用，但是由于其对环境产生的影响，正在被液化石油气或其他种类的卤代甲烷所取代。（比如1,1,1,2-四氟乙烷（R-134））

液氨常在大型商用系统中使用，二氧化硫则在早期的冰箱中使用。

二氧化碳（R-744）在汽车内部温度控制，家用空调，商用制冷，以及自动贩卖机中作为工作流体使用。

水冷水冷散热器有一个进水口及出水口，散热器内部有多条水道，这样可以充分发挥水冷的优势，能带走更多的热量。这就是水冷散热器的基本原理。

从水冷的安装方式来看，又可以分为内置水冷和外置水冷两种。对于内置水冷而言，主要由散热器、水管、水泵、足够的水源组成，这就注定了大部分水冷散热系统“体积”较大，而且要求机箱内部空间足够宽余。外置水冷散热器方面，由于其散热水箱以及水泵等工作元件全部安排在机箱之外，不仅减少了机箱内空间的占用，而且能够获得更好的散热效果。

一套水冷（液冷）散热系统必须具有以下部件：水冷块、循环液、水泵、管道和水箱或换热器。水冷块是一个内部留有水道的金属块，由铜或铝制成，与CPU接触并将吸收CPU的热量，所以这部分的作用与风冷的散热片的作用是相同的，不同之处就在于水冷块必须留有循环液通过的水道而且是完全密闭的，这样才能保证循环液不外漏而引起电器的短路。

循环液的作用与空气类似，但能吸收大量的热量而保持温度不会明显变化，如果液体是水，就是我们大家熟知的水冷系统了。

水泵的作用是推动循环液流动，这样吸收了CPU热量的液体就会从CPU上的水冷块中流出，而新的低温的循环液将继续吸收CPU的热量。

水管连接水泵、水冷块和水箱，其作用是让循环液在一个密闭的通道中循环流动而不外漏，这样才能让液冷散热系统正常工作。

水箱用来存储循环液，回流的循环液在这里释放掉CPU的热量，低温的循环液重新流入管道，如果CPU的发热功率较小，利用水箱内存储的大容量的循环液就能保证循环液温度不会有明显的上升，如果CPU功率很大，则需要加入换热器来帮助散发CPU的热量，这里的换热器就是一个类似散热片的东西，循环液将热量传递给具有超大表面积的散热片，散热片上的风扇则将流入空气的热量带走。

如果是小型密闭式的液冷系统，则可以省略开放式的水箱让液体在水泵、水冷块和换热器之间往返流动，避免循环液暴露在空气中而变质。

本词条内容贡献者为:

吴晨涛 - 副研究员 - 上海交通大学