宋慧瑾， 鄢 強， 朱曉東， 王 剛， 蘭莎莎

(成都大學 機械工程學院，成都 610106)

一種筆記本電腦水冷散熱系統(tǒng)設計及散熱效果

宋慧瑾， 鄢 強， 朱曉東， 王 剛， 蘭莎莎

(成都大學 機械工程學院，成都 610106)

設計了某型號筆記本電腦水冷散熱系統(tǒng)，通過熱力學理論散熱模擬計算設計制造出的換熱器散熱效率為90%，水冷散熱系統(tǒng)的峰值溫度為70 ℃。用魯大師軟件監(jiān)測了計算機中央處理器(CPU)和顯卡的溫度，比較分析了其散熱效果。結果表明：在大型游戲連續(xù)運行2 h內，水冷散熱系統(tǒng)下，CPU溫度最高達75 ℃，顯卡溫度達到80 ℃；風冷散熱系統(tǒng)下，顯卡和CPU達到80 ℃左右，相對于水冷散熱系統(tǒng)，散熱較慢；而在大型單機游戲運行結束時，水冷系統(tǒng)下顯卡和CPU突降為50 ℃，在非大型游戲電腦正常工作狀態(tài)下，顯卡和CPU溫度維持在50 ℃左右。而風冷散熱系統(tǒng)下大型游戲運行2 h結束90 min后，CPU溫度降至55 ℃左右，顯卡溫度降至50 ℃以下。

散熱； 水冷散熱； 風冷散熱； 散熱效果

0 引 言

隨著科技的不斷發(fā)展，人們需要頻繁快速處理和更新的信息量越來越大。在這種情況下，高集成度的芯片應運而生。集成度的提高和長時間的運行使芯片單位面積的功耗和發(fā)熱量急劇增加[1-3]，高性能的CPU發(fā)熱量增加了5～6倍，今后的發(fā)熱量會越來越大[4-7]。 目前，計算機的散熱主要集中在芯片散熱技術上，其原理和結構相對簡單，工藝上易于實現，經濟性好，且在理論研究、實驗研究、數值模擬和實際應用等方面都比較成熟， 所以絕大部分的芯片冷卻由傳統(tǒng)的冷卻技術占領。由于 CPU等電子元件常常是封閉有限空間形式，而芯片的熱敏感性很高。CPU產生的大量熱量如無法快速散去，在溫度超過其內部結點溫度時，會發(fā)生熱失效，嚴重影響CPU的安全運行[4]。同樣，圖形處理器散熱也有類似的情況。因此，在計算機系統(tǒng)設計過程中，研究如何降低計算機溫度，對提高計算機硬件系統(tǒng)的工作可靠性具有十分重要的作用。

對于筆記本電腦CPU和顯卡的散熱，國內外學者通過實驗和模擬計算的方法得出了一些散熱規(guī)律[8-11]。Sheam等[12]通過實驗研究斜角度鰭片的散熱器的散熱性能,對比研究了斜角度鰭片與直鰭片的熱阻。王偉等[7]通過Fluent軟件模擬了熱管散熱器對筆記本電腦散熱的優(yōu)化作用。陶漢中[13]應用ANSYS軟件對高速芯片模塊的熱管散熱器進行熱仿真分析,得出了相應的溫度場分布圖和熱流密度分布圖。FUJIKURA公司開發(fā)出一種所謂“仙人掌”(Cactus-type)式熱管[14]，這種熱管的散熱效果與冷風的流速有關。近期美國THERMACORE公司又報道其推出一種專門為筆記本電腦設計的熱管[15]，可用于主頻2 000 MHz以上芯片的散熱。

本文設計了某型號筆記本電腦水冷散熱系統(tǒng)，模擬計算了其散熱效率，并檢測了其散熱效果。

1 散熱原理

計算機水冷散熱系統(tǒng)一般應有以下幾部分組成:

冷卻液循環(huán)的動力源(水泵)，散熱裝置(熱交換器)，儲液裝置，冷卻液，吸熱裝置(用來吸取熱源散發(fā)出來的熱量)，管路,圖1為計算機水冷散熱系統(tǒng)原理圖。

圖1 計算機水冷散熱系統(tǒng)原理圖

計算機CPU和GPU是整個計算機工作時最大的發(fā)熱源，為使散熱效果最大化，計算機水冷散熱系統(tǒng)吸熱裝置應做成一個內部有腔體的密閉結構，外接進出水管道，機器正常工作時，冷卻水從進水口輸送到散熱器吸熱裝置密閉腔體內，冷卻液在水泵的推動下，流過整個密閉腔體，帶走吸熱裝置吸收的大部分熱量,然后從出水口流出。

2 設計與安裝

2.1 設計方案

針對某型號筆記本電腦設計一套水冷散熱系統(tǒng)，主要包括電腦內部高產熱硬件CPU和GPU產生熱的吸收結構(水冷頭)設計，電腦外部散熱結構(冷排)的設計和冷卻水循環(huán)結構的設計。其中吸熱裝置的設計包括：冷頭材料選用，內部微水道設計，冷頭外形尺寸的設計，冷頭和芯片之間導熱材料設計，散熱裝置的設計；冷卻水循環(huán)裝置的設計包括：水泵的設計，管線的設計，連接機構的設計，電源的設計各設計部件參數見表1。

表1 各設計部件參數

2.2 安 裝

冷頭的各組件采用錫焊焊接，焊錫的熔點在200 ℃以上，而計算機正常運行的最高溫度不會超過100 ℃，遠低于焊錫的熔點。

將CPU冷頭和顯卡冷頭安裝至相應的位置，芯片與冷頭之間填充適量的導熱硅脂，并用配套的固定螺釘將冷頭固定。裁剪合適長度的管材將兩冷頭串聯(lián)起來，并將管路引致電腦原出風口處，切掉電腦側面出風口處的一根格柵條，將管路引出電腦內部，安裝完成。安裝完成圖如圖2所示。

圖2 冷頭安裝完成圖

3 散熱效果理論計算

換熱器的傳熱是穩(wěn)態(tài)傳熱[16]。流體的質量流量qm、溫度t和熱流量φ均不隨時間變化；兩流體的質量流量qm和比熱容cp在整個傳熱面上都是常量；傳熱系數K在整個傳熱面上不變；換熱器的散熱量、沿換熱器軸向的導熱可以忽略不計；任一流體在換熱器中不能既有相變的對流傳熱又有單相介質對流傳熱，以保證曲線連續(xù)光滑。

在距流體入口Ax處取一微元面積dAx，則在dAx上熱流體放出的熱流量為

(1)

冷流體吸收的熱流量為

(2)

熱流體傳給冷流體的熱流量為正值，熱流體放出的熱流量和冷流體吸收的熱流量也為正值，而t1和t2從Ax～Ax+dAx的溫度變化和都是負值，為使和為正值，式(1)和(2)右邊各加一負號。傳熱熱流量為：

(3)

式中:Ax處的傳熱溫差,

(4)

把式(1)和(2)代入式(3)，并考慮

得:

(5)

式(3)代入式(5)得：

(6)

式(6)兩邊積分:

整理得：

(7)

所以

(8)

由此可見，局部傳熱溫差沿著傳熱面作負指數變化。平均傳熱溫差為

(9)

將式(8)代入式(9)得:

(10)

Ax=A時，式(8)變?yōu)?/p>

(11)

即

(12)

式(12)代入式(10)，得逆流時對數平均傳熱溫差為

(13)

式中，θmax、θmin分別是最大和最小端差，單位℃或K。

經過計算,換熱器的散熱效率為90%，水冷散熱系統(tǒng)的峰值溫度為70 ℃。計算所用數據如下：管道長度105 cm，鋁熱導率237 W/(m·K)，管道公稱內徑3 mm，紫銅導熱率386 W/(m·K)，冷卻液流速0.4 m/s，水比熱容4.2 kJ/(kg·℃),室溫25 ℃。

4 實際散熱效果分析

為了檢驗散熱效果，做散熱效果試驗。試驗原理為，把水冷散熱系統(tǒng)安裝到計算機，用計算機壓力測試軟件使計算機滿載工作，同時啟動水冷散熱系統(tǒng)對工作的計算機芯片進行水冷散熱。壓力測試軟件附帶測溫功能,從電腦上可以監(jiān)控到芯片的溫度。最后把得到的顯卡和CPU的溫度與計算機CPU和顯卡單獨采用風冷時的溫度數據進行比較，來判定計算機水冷散熱系統(tǒng)的散熱性能。

測試條件：在大型游戲連續(xù)運行2 h內，水冷散熱系統(tǒng)下檢測結果見圖3?？梢钥闯?，在大型游戲連續(xù)運行2 h內，水冷散熱系統(tǒng)下，CPU溫度最高達到75 ℃，顯卡溫度達到80 ℃；風冷散熱系統(tǒng)下，顯卡和CPU在溫度升高到80 ℃左右，相對于水冷散熱系統(tǒng)，散熱較慢；而在大型單機游戲運行結束時，水冷系統(tǒng)下顯卡和CPU突降為50 ℃，在非大型游戲電腦正常工作狀態(tài)下，顯卡和CPU溫度維持在50 ℃左右。而風冷散熱系統(tǒng)下大型游戲運行2 h結束90 min后，CPU溫度才降至55 ℃左右，顯卡溫度降至50 ℃以下。因此水冷散熱系統(tǒng)下的溫度下降相較于風冷散熱系統(tǒng)下更為迅速。由此可以看出，水冷散熱系統(tǒng)的散熱效果優(yōu)于風冷散熱系統(tǒng)。

(a) 風冷散熱

(b) 水冷散熱

在正常待機時，水冷散熱系統(tǒng)下的顯卡和CPU的溫度也相較于風冷散熱系統(tǒng)下的溫度低，進一步說明水冷散熱系統(tǒng)的散熱效果優(yōu)于風冷散熱系統(tǒng)。另外，在運行大型單機游戲時，無論是風冷散熱系統(tǒng)還是水冷散熱系統(tǒng)，顯卡的溫度都高于CPU的溫度，并且顯卡的溫度值比較接近，游戲畫面效果降低。兩種散熱系統(tǒng)的散熱效果滿足散熱要求，計算機的顯卡啟動了硬件保護功能，降低顯卡性能。

5 結 論

在試驗與研究基礎上，完成了計算機水冷散熱系統(tǒng)設計。得出：

(1) 通過熱力學理論散熱模擬計算，設計制造出的換熱器的散熱效率為90%，水冷散熱系統(tǒng)的峰值溫度為70 ℃。

(2) 通過散熱效果試驗以及把計算機水冷散熱系統(tǒng)裝到計算機上實際運行效果來看，在大型游戲連續(xù)運行2 h內，水冷散熱系統(tǒng)下，CPU溫度最高達75 ℃，

顯卡溫度達到80 ℃；風冷散熱系統(tǒng)下，顯卡和CPU在溫度升高時80 ℃左右，相對于水冷散熱系統(tǒng)，散熱較慢；而在大型單機游戲運行結束時，水冷系統(tǒng)下顯卡和CPU突降為50 ℃，在非大型游戲電腦正常工作狀態(tài)下，顯卡和CPU溫度維持在50 ℃左右。而風冷散熱系統(tǒng)下大型游戲運行2 h結束90 min后，CPU溫度才降至55 ℃左右，顯卡溫度降至50 ℃以下。水冷散熱系統(tǒng)下的溫度下降相較于風冷散熱系統(tǒng)下更為迅速，達到了設計預期目標。

[1] 代 丹. 計算機芯片散熱技術的最新研究進展及其評價[J]. 現代計算機:普及版, 2014(8):26-30.

[2] Masataka Mochizuki, Thang Nguyen, Koichi Mashikoect. Practical Application of heat Pipe and Vapor Chamber for Cooling High Performance personal Computer[C]//13# International Heat Pipe Conference,Shanghai,China,2004.

[3] 姚廣壽,馬哲樹,羅 林,等. 電子電器設備中高效熱管散熱技術的研究現狀及發(fā)展[C]//第八屆全國熱管會議.中國工程熱物理學會:熱管專業(yè)組,成都,2002.7.

[4] 程蓉蓉.計算機CPU芯片散熱技術研究[J].網絡安全技術與應用.暖通空調, 2015(1):68-72.

[5] 孫 瑋.熱管型電子器件散熱器的數值模擬和試驗研究[D].杭州,浙江大學,2003.

[6] 喬俊生,陳江平.筆記本電腦內熱管散熱系統(tǒng)的熱分析[C]//上海市制冷學會年學術年會論文集,上海:2005:491-497.

[7] 王 偉,晏 江.熱管在筆記本電腦散熱設計中的模擬研究[J]. 制冷空調與電力機械，2009(5):57-58.

[8] Pastukhov V G, Maidanik Y F, Vershinin C V,etal. Miniature loop heat pipes for electronics cooling[J]. Applied Thermal Engineering,2003, 23:1125-1135.

[9] Vasiliev L L. Micro and miniature heat pipes-Electronic component coolers[J]. Applied Thermal Engineering,2008, 29(4):266-276.

[10] Maydanik Y F. Loop heat pipes[J]. Applied Thermal Engineering,2005, 25:635-657.

[11] Hao Wang, Suresh V Garimella, Jayathi Y Murthy. Characteristics of an evaporating thin film in a microchanne[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007, 50:3933-3942.

[12] Sheam Chyun Lin, Fu Shen Chuang, Chien An Chou. Experimental study of the heat sink assembly with oblique straight fins[J]. Experimental Thermal and Fluid Science,2005, 29:591-600.

[13] 陶漢中,張 紅,莊 駿.槽道熱管壓扁度對傳熱的影響[J].北京化工大學學報(自然科學版), 2007(1):62-66.

[14] Wang Y, Vafai K. Experimental investigation of the thermal performance of an asymmetrical flat plate heat pipe[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2000, 43(15):2657-2668.

[15] HOWARD W, MAR KCTEIN. Cooling techniques for today’ electronics[J]. EP &P, 1997(5):78-82.

[16] 羅 琳, 岳獻芳, 王 立,等. 水冷式換熱器傳熱性能的穩(wěn)態(tài)分布參數模擬與實驗驗證[J].暖通空調,2005(1):68-72.

Design and Research on the Cooling Effect of a Computer Water Cooling System

SONGHuijin,YANQiang,ZHUXiaodong,WANGGang,LANShasha

(School of Mechanical Engineering， Chengdu University， Chengdu 610106, China)

With the frequently and fast increasing of the processing information, the IC’s integrative degree is increasing. The heat emission problem of computers is getting obvious day by day. A set of water cooling system for the personal notebook computer was designed to achieve the purpose of cooling computer central processing unit (CPU) and graphics card. The heat dissipation efficiency of the designed water cooling system was 90% and the high temperature of the water cooling system was 70 ℃ by the simulation of thermodynamics heat radiation theory. The temperature measuring software Master Lu was used to detect the temperatures of CPU and graphics card. The effect of the thermal design of computer water cooling system after water cooling design completed was analyzed comparatively. The results showed that the high temperature of CPU was 70 ℃ and that of graphics card was 80 ℃ in the water cooling system as a large game ran 2 hours， and immediately decreased to 50 ℃ after games finished in the water cooling system. By the wind cooling system, the temperature of CPU was 55 ℃，and that of graphic card was less than 50 ℃. The efficiency of heat emission in water cooling system was better than that of in wind cooling system.

abstract heat； water cooling； air cooling； heat dissipation effect

2016-07-04

國家自然科學基金資助項目(60976052)；四川省教育廳青年科研項目(16ZB0436)

宋慧瑾(1978-)，女，河南漯河人，博士,副教授，主要從事新能源材料及材料表面改性研究。

Tel.:18228028305;E-mail：shj1437@163.com

鄢 強(1975-)，男，重慶人，博士后,副教授，主要從事硬質涂層材料、薄膜材料與器件及農業(yè)機械方面研究。

Tel.:028-84616169;E-mail：48055130@qq.com

TB 742

A

1006-7167(2017)03-0055-04