計(jì)算機(jī)液氣一體式CPU散熱器設(shè)計(jì)研究

許廷鍇

關(guān)鍵詞：CPU 散熱器；液氣一體式；水冷（液冷）；風(fēng)冷

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）36-0118-03

計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已在各行各業(yè)被廣泛應(yīng)用，引起了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、經(jīng)營(yíng)管理和服務(wù)方式等方面的重大變革。計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心是一塊超大規(guī)模的集成電路，被稱為中央處理器（CPU，Central Processing Unit）[1]。隨著計(jì)算機(jī)在性能、計(jì)算量以及體積等方面的革新與進(jìn)步，CPU朝高集成化、小型化和高頻化趨勢(shì)發(fā)展，導(dǎo)致CPU運(yùn)算產(chǎn)生的熱量不斷增加。由于CPU主要以硅或硅化合物為材料制造，而硅的導(dǎo)熱性不佳，因此CPU產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散出，輕則導(dǎo)致死機(jī)，重則可能將CPU燒毀，給電腦帶來(lái)潛在的隱患[2]?？傊?，散熱對(duì)CPU的穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命起著決定性的作用。

所謂散熱，就是想辦法將熱源的熱量帶走。就散熱方式而言，CPU冷卻可分為主動(dòng)散熱和被動(dòng)散熱兩種方式。目前市面的風(fēng)冷和液冷散熱技術(shù)屬于被動(dòng)散熱。兩種散熱技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，如風(fēng)冷體積小，價(jià)格低，是現(xiàn)在普通家庭計(jì)算機(jī)使用的首選。但風(fēng)冷主要是銅管和風(fēng)扇聯(lián)用，而銅的比熱容較小，導(dǎo)致當(dāng)CPU超頻工作過(guò)熱時(shí)，銅管無(wú)法及時(shí)散熱，熱量堆積，損壞CPU。液冷散熱效率高，但是冷排與液泵的體積過(guò)于龐大，嚴(yán)重占用機(jī)箱體積，而且使用塑膠管運(yùn)水，在CPU過(guò)熱時(shí)會(huì)導(dǎo)致膠管老化，出現(xiàn)漏液等[1-4]。因此，設(shè)計(jì)體積小且散熱效率高的散熱器已成CPU亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

鑒于液冷和風(fēng)冷散熱器各有千秋，本研究試圖設(shè)計(jì)出一款融二者為一體的液氣一體式CPU散熱器，發(fā)揮出風(fēng)冷散熱器體積小，液冷散熱器散熱效率高的優(yōu)點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 組成材料

本研究設(shè)計(jì)所需要的材料主要包括1個(gè)水泵、大小兩種規(guī)格的銅管，2臺(tái)風(fēng)扇、銅板、鋁塊、空心鋁管。

1.2 設(shè)計(jì)思路

通過(guò)位于裝置頂端水泵的葉輪，使液體完成從水泵到銅管，同時(shí)用風(fēng)扇和水使CPU降溫，再通過(guò)水的流動(dòng)將熱量帶入到銅管中，風(fēng)扇將水降溫，從而達(dá)到降低CPU溫度的目的。

1.3 工作原理

本研究設(shè)計(jì)的液氣一體式CPU散熱器的工作原理運(yùn)用了流體動(dòng)力學(xué)中的伯努利效應(yīng)、傳熱學(xué)理論和焦耳定律。

2 研究結(jié)果

2.1 裝置組成

液氣一體式CPU散熱器由兩個(gè)系統(tǒng)四個(gè)模塊組成，分別為液體循環(huán)系統(tǒng)和氣體散熱系統(tǒng)，四個(gè)模塊包括水泵、銅管、風(fēng)扇和支撐，其中支撐模塊由水冷頭銅管上方與銅板相連接的鋁塊，以及與鋁塊相連接的空心鋁管組成。

2.2 工作參數(shù)

研究出的液氣一體式CPU 散熱器高120mm，寬80mm，長(zhǎng)97mm，體積為931200mm；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2000rpm±10%；電壓12VDC；啟動(dòng)電壓7-8V，DC，厚度20mm；液體流速3.890m/s；銅管直徑4mm，銅管彎折長(zhǎng)度大約1cm，彎折數(shù)量需占滿120mm為準(zhǔn)，銅管最后一段與水冷頭相連的小銅管直徑約為1.5mm；銅板的厚度約為4mm，長(zhǎng)40mm，寬30mm；水泵厚度10mm，直徑80mm，葉輪葉片3mm，每個(gè)水泵6 個(gè)葉輪，水泵功率4W，水泵電機(jī)高度4mm；鋁塊的長(zhǎng)度和寬度與銅板相似，厚度為6mm，與之相連的空心鋁管直徑6mm，空心鋁管高度106mm，與風(fēng)扇連接的8根小鋁管直徑4mm，4根小鋁管與1臺(tái)風(fēng)扇連接。液體最大流量400L/h。風(fēng)扇規(guī)格為高115mm，寬25mm，長(zhǎng)75mm；水的比熱容為4.2*10J/kg·oC，銅的比熱容是0.39*10J/kg·oC。

2.3 基本構(gòu)造

圖1展示的是水泵基本構(gòu)造。水泵位于裝置上方，通過(guò)其內(nèi)部的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)使水在裝置內(nèi)部流動(dòng)起來(lái)，達(dá)到液體循環(huán)并提高熱對(duì)流，從而提高散熱效率。每個(gè)水泵6個(gè)葉輪。

圖2為液氣一體式CPU散熱器左視圖。由圖可看出，液體水經(jīng)過(guò)水泵后從出水口流出，進(jìn)入散熱銅管。風(fēng)扇裝在銅管后，通過(guò)風(fēng)扇產(chǎn)生的冷風(fēng)使銅管降溫，水再進(jìn)入下端的水冷頭空心銅板，空心銅板與CPU緊密相貼，從而通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式為CPU降溫。空心銅板的上方有實(shí)心鋁板，可以達(dá)到增加重量，提升溫度，使CPU和液氣一體式CPU散熱器貼合更緊密的目的。

圖3為液氣一體式CPU散熱器右視圖，由圖可看出，CPU降溫后升溫的水，在水泵內(nèi)中心葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，從水冷頭空心銅板流出，經(jīng)過(guò)風(fēng)扇前的銅管由風(fēng)扇產(chǎn)生的冷風(fēng)降溫后再流回水泵，從而達(dá)到冷熱液體循環(huán)。如果不進(jìn)行降溫，CPU可能在運(yùn)行中溫度上升到50℃，CPU正常溫度為25℃，根據(jù)熱學(xué)公式，可得出水與銅板傳導(dǎo)并吸收的熱量約為15826.2J。在忽略熱傳導(dǎo)中所產(chǎn)生的熱損耗，可得出散熱功率約為263.77W。安裝風(fēng)扇為兩個(gè)功率大小相同，體積相同的風(fēng)扇，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)加強(qiáng)空氣流動(dòng)，用于風(fēng)冷散熱。

圖4為液氣一體式散熱器前后視圖，可以看到在水冷頭鋁塊的上方連接著一根空心鋁管，鋁管頂端通過(guò)螺絲與水泵電機(jī)相連，從鋁管左右各延伸出四根空心鋁管，每個(gè)空心鋁管與風(fēng)扇的一個(gè)角通過(guò)螺絲相連接，從而達(dá)到固定裝置，支撐裝置的目的。風(fēng)扇旁為銅管，水泵電機(jī)通過(guò)液壓密封軸承與水泵內(nèi)的中心葉輪相連。

圖5為液氣一體式CPU散熱器仰視圖，由此圖可以看到水泵和風(fēng)扇的底端以及水冷頭銅板通過(guò)兩根橫向的小銅管相連。依據(jù)流體力學(xué)中伯努利效應(yīng)，液體由直徑4mm的大銅管流入1.5mm的小銅管后，液體流速會(huì)變?cè)瓉?lái)的2.7倍，液體流速加快，散熱效率增加。

3 討論

集成電路自發(fā)明以來(lái)，其優(yōu)點(diǎn)是提升了晶體管數(shù)量，提高了運(yùn)行速度，但其帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)是晶體管越多，發(fā)熱量越大。CPU的特征尺寸由0.35μm減少到0.18μm，散熱量由10W 增加到50W，再到0.09μm 最大發(fā)熱量達(dá)115W。2011年，AMD發(fā)布fx系列多核型處理器，更是將熱功耗推向了新的臺(tái)階，實(shí)際熱功耗達(dá)150W以上，以至于當(dāng)時(shí)普通散熱器無(wú)法散熱，導(dǎo)致CPU損壞[4]。因此，需要采用高效散熱技術(shù)來(lái)解決CPU的散熱問(wèn)題，散熱設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到CPU芯片的性能與可靠性。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)高端多核芯CPU 的發(fā)熱功率大概在300W，本研究設(shè)計(jì)的液氣一體式CPU散熱器由水泵、銅管、風(fēng)扇和支撐四個(gè)模塊組成，體積約為931200mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于市面上的三風(fēng)扇六銅管的高塔風(fēng)冷散熱器的體積1521450mm，水冷散熱器的體積為1198800 mm。依據(jù)熱力學(xué)定律計(jì)算出散熱功率約為236.77W，基本達(dá)到或超過(guò)了中高端CPU 散熱需求，適用于千家萬(wàn)戶家庭臺(tái)式計(jì)算機(jī)。

散熱方式是指該散熱器散發(fā)熱量的主要方式。在熱力學(xué)中，散熱就是熱量傳遞，而熱量的傳遞方式主要有三種：熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流和熱輻射。CPU散熱片底座與CPU直接接觸帶走熱量的方式就屬于熱傳導(dǎo)。熱對(duì)流指的是流動(dòng)的流體（氣體或液體）將熱帶走的熱傳遞方式，在電腦機(jī)箱的散熱系統(tǒng)中比較常見(jiàn)的是散熱風(fēng)扇帶動(dòng)氣體流動(dòng)的“強(qiáng)制熱對(duì)流”散熱方式[5]。本研究設(shè)計(jì)的液氣一體式CPU散熱器通過(guò)位于裝置頂端水泵的葉輪，使液體完成從水泵到銅管，同時(shí)用風(fēng)扇和水使CPU降溫，再通過(guò)水的流動(dòng)將熱量帶入到銅管中，風(fēng)扇將水降溫，從而達(dá)到降低CPU溫度的目的，即使用了熱傳導(dǎo)又使用了熱對(duì)流熱量傳遞方式。

CPU散熱器的散熱方式，可以分為風(fēng)冷、熱管、液冷、半導(dǎo)體制冷和壓縮機(jī)制冷。風(fēng)冷散熱方式是目前家庭臺(tái)式計(jì)算機(jī)的主要散熱方式，它的原理是通過(guò)散熱片將熱傳導(dǎo)出來(lái)，再通過(guò)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，加強(qiáng)空氣流動(dòng)，通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流的方式將散熱片上的熱量傳到周圍環(huán)境。風(fēng)冷散熱依靠空氣作為導(dǎo)熱煤質(zhì)，熱效率低，為了增強(qiáng)熱交換能力，使用強(qiáng)力風(fēng)扇產(chǎn)生噪聲[4-5]。周建輝等[6]提出空氣強(qiáng)迫對(duì)流冷卻系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)新理念，設(shè)計(jì)出曲線型散熱器，達(dá)到高性能散熱效果。水冷散熱是利用水循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)水流動(dòng)將CPU的熱帶走。水冷系統(tǒng)可以將CPU的溫度保持在室溫狀態(tài)，高效改善了微機(jī)內(nèi)部的工作環(huán)境，但水冷散熱系統(tǒng)不方便、體積大、安裝麻煩，且存在水的泄露和由此造成的短路問(wèn)題。曾平等[7]應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)理論研制了一種新型的、以雙腔并聯(lián)壓電泵為動(dòng)力源的計(jì)算機(jī)芯片水冷散熱系統(tǒng)。本研究設(shè)計(jì)的液氣一體式CPU散熱器安裝2臺(tái)風(fēng)扇，一方面發(fā)揮CPU風(fēng)冷散熱的目的，另一方面風(fēng)扇產(chǎn)生的冷風(fēng)可降低銅管中的水溫，達(dá)到冷熱液體循環(huán)。依據(jù)流體動(dòng)力學(xué)中的伯努利效應(yīng)，由直徑較大銅管轉(zhuǎn)為直徑較小銅管就是為了加快液體流速，增加散熱效率。

以CPU散熱器為關(guān)鍵詞，在中國(guó)專利全文數(shù)據(jù)庫(kù)（CNKI）、國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局、中國(guó)專利數(shù)據(jù)庫(kù)和中國(guó)專利信息網(wǎng)等查找，獲得數(shù)據(jù)顯示，共有9個(gè)CPU散熱器的實(shí)用新型專利[8-15]，所檢索的專利中已有部分專利使用了水冷與風(fēng)冷散熱原理，這也許是由于風(fēng)冷和水冷同時(shí)散熱可提高CPU散熱效率，且推測(cè)風(fēng)冷和水冷同時(shí)散熱可能是未來(lái)CPU散熱器的發(fā)展趨勢(shì)，但這些設(shè)計(jì)中均使用了水箱，占用空間，導(dǎo)致散熱器體積相對(duì)較大，而本研究設(shè)計(jì)出的液氣一體式CPU散熱器由水泵、銅管、風(fēng)扇和支撐四個(gè)模塊組成，縮小了體積，且風(fēng)冷和液冷融為一體，提高了散熱效率。

4 結(jié)論

本研究利用流體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)等工作原理，綜合運(yùn)用熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)等散熱模式，研制出由水泵、銅管、風(fēng)扇和支撐四個(gè)模塊組成的即可以節(jié)省空間，又可提高散熱效率，適用于千家萬(wàn)戶家庭臺(tái)式計(jì)算機(jī)的液氣一體式CPU散熱器。