一种笔记本电脑水冷散热系统设计及散热效果

宋慧瑾， 鄢 强， 朱晓东， 王 刚， 兰莎莎

(成都大学 机械工程学院，成都 610106)

一种笔记本电脑水冷散热系统设计及散热效果

宋慧瑾， 鄢 强， 朱晓东， 王 刚， 兰莎莎

(成都大学 机械工程学院，成都 610106)

设计了某型号笔记本电脑水冷散热系统，通过热力学理论散热模拟计算设计制造出的换热器散热效率为90%，水冷散热系统的峰值温度为70 ℃。用鲁大师软件监测了计算机中央处理器(CPU)和显卡的温度，比较分析了其散热效果。结果表明：在大型游戏连续运行2 h内，水冷散热系统下，CPU温度最高达75 ℃，显卡温度达到80 ℃；风冷散热系统下，显卡和CPU达到80 ℃左右，相对于水冷散热系统，散热较慢；而在大型单机游戏运行结束时，水冷系统下显卡和CPU突降为50 ℃，在非大型游戏电脑正常工作状态下，显卡和CPU温度维持在50 ℃左右。而风冷散热系统下大型游戏运行2 h结束90 min后，CPU温度降至55 ℃左右，显卡温度降至50 ℃以下。

散热； 水冷散热； 风冷散热； 散热效果

0 引 言

随着科技的不断发展，人们需要频繁快速处理和更新的信息量越来越大。在这种情况下，高集成度的芯片应运而生。集成度的提高和长时间的运行使芯片单位面积的功耗和发热量急剧增加[1-3]，高性能的CPU发热量增加了5～6倍，今后的发热量会越来越大[4-7]。 目前，计算机的散热主要集中在芯片散热技术上，其原理和结构相对简单，工艺上易于实现，经济性好，且在理论研究、实验研究、数值模拟和实际应用等方面都比较成熟， 所以绝大部分的芯片冷却由传统的冷却技术占领。由于 CPU等电子元件常常是封闭有限空间形式，而芯片的热敏感性很高。CPU产生的大量热量如无法快速散去，在温度超过其内部结点温度时，会发生热失效，严重影响CPU的安全运行[4]。同样，图形处理器散热也有类似的情况。因此，在计算机系统设计过程中，研究如何降低计算机温度，对提高计算机硬件系统的工作可靠性具有十分重要的作用。

对于笔记本电脑CPU和显卡的散热，国内外学者通过实验和模拟计算的方法得出了一些散热规律[8-11]。Sheam等[12]通过实验研究斜角度鳍片的散热器的散热性能,对比研究了斜角度鳍片与直鳍片的热阻。王伟等[7]通过Fluent软件模拟了热管散热器对笔记本电脑散热的优化作用。陶汉中[13]应用ANSYS软件对高速芯片模块的热管散热器进行热仿真分析,得出了相应的温度场分布图和热流密度分布图。FUJIKURA公司开发出一种所谓“仙人掌”(Cactus-type)式热管[14]，这种热管的散热效果与冷风的流速有关。近期美国THERMACORE公司又报道其推出一种专门为笔记本电脑设计的热管[15]，可用于主频2 000 MHz以上芯片的散热。

本文设计了某型号笔记本电脑水冷散热系统，模拟计算了其散热效率，并检测了其散热效果。

1 散热原理

计算机水冷散热系统一般应有以下几部分组成:

冷却液循环的动力源(水泵)，散热装置(热交换器)，储液装置，冷却液，吸热装置(用来吸取热源散发出来的热量)，管路,图1为计算机水冷散热系统原理图。

图1 计算机水冷散热系统原理图

计算机CPU和GPU是整个计算机工作时最大的发热源，为使散热效果最大化，计算机水冷散热系统吸热装置应做成一个内部有腔体的密闭结构，外接进出水管道，机器正常工作时，冷却水从进水口输送到散热器吸热装置密闭腔体内，冷却液在水泵的推动下，流过整个密闭腔体，带走吸热装置吸收的大部分热量,然后从出水口流出。

2 设计与安装

2.1 设计方案

针对某型号笔记本电脑设计一套水冷散热系统，主要包括电脑内部高产热硬件CPU和GPU产生热的吸收结构(水冷头)设计，电脑外部散热结构(冷排)的设计和冷却水循环结构的设计。其中吸热装置的设计包括：冷头材料选用，内部微水道设计，冷头外形尺寸的设计，冷头和芯片之间导热材料设计，散热装置的设计；冷却水循环装置的设计包括：水泵的设计，管线的设计，连接机构的设计，电源的设计各设计部件参数见表1。

表1 各设计部件参数

2.2 安 装

冷头的各组件采用锡焊焊接，焊锡的熔点在200 ℃以上，而计算机正常运行的最高温度不会超过100 ℃，远低于焊锡的熔点。

将CPU冷头和显卡冷头安装至相应的位置，芯片与冷头之间填充适量的导热硅脂，并用配套的固定螺钉将冷头固定。裁剪合适长度的管材将两冷头串联起来，并将管路引致电脑原出风口处，切掉电脑侧面出风口处的一根格栅条，将管路引出电脑内部，安装完成。安装完成图如图2所示。

图2 冷头安装完成图

3 散热效果理论计算

换热器的传热是稳态传热[16]。流体的质量流量qm、温度t和热流量φ均不随时间变化；两流体的质量流量qm和比热容cp在整个传热面上都是常量；传热系数K在整个传热面上不变；换热器的散热量、沿换热器轴向的导热可以忽略不计；任一流体在换热器中不能既有相变的对流传热又有单相介质对流传热，以保证曲线连续光滑。

在距流体入口Ax处取一微元面积dAx，则在dAx上热流体放出的热流量为

(1)

冷流体吸收的热流量为

(2)

热流体传给冷流体的热流量为正值，热流体放出的热流量和冷流体吸收的热流量也为正值，而t1和t2从Ax～Ax+dAx的温度变化和都是负值，为使和为正值，式(1)和(2)右边各加一负号。传热热流量为：

(3)

式中:Ax处的传热温差,

(4)

把式(1)和(2)代入式(3)，并考虑

得:

(5)

式(3)代入式(5)得：

(6)

式(6)两边积分:

整理得：

(7)

所以

(8)

由此可见，局部传热温差沿着传热面作负指数变化。平均传热温差为

(9)

将式(8)代入式(9)得:

(10)

Ax=A时，式(8)变为

(11)

即

(12)

式(12)代入式(10)，得逆流时对数平均传热温差为

(13)

式中，θmax、θmin分别是最大和最小端差，单位℃或K。

经过计算,换热器的散热效率为90%，水冷散热系统的峰值温度为70 ℃。计算所用数据如下：管道长度105 cm，铝热导率237 W/(m·K)，管道公称内径3 mm，紫铜导热率386 W/(m·K)，冷却液流速0.4 m/s，水比热容4.2 kJ/(kg·℃),室温25 ℃。

4 实际散热效果分析

为了检验散热效果，做散热效果试验。试验原理为，把水冷散热系统安装到计算机，用计算机压力测试软件使计算机满载工作，同时启动水冷散热系统对工作的计算机芯片进行水冷散热。压力测试软件附带测温功能,从电脑上可以监控到芯片的温度。最后把得到的显卡和CPU的温度与计算机CPU和显卡单独采用风冷时的温度数据进行比较，来判定计算机水冷散热系统的散热性能。

测试条件：在大型游戏连续运行2 h内，水冷散热系统下检测结果见图3。可以看出，在大型游戏连续运行2 h内，水冷散热系统下，CPU温度最高达到75 ℃，显卡温度达到80 ℃；风冷散热系统下，显卡和CPU在温度升高到80 ℃左右，相对于水冷散热系统，散热较慢；而在大型单机游戏运行结束时，水冷系统下显卡和CPU突降为50 ℃，在非大型游戏电脑正常工作状态下，显卡和CPU温度维持在50 ℃左右。而风冷散热系统下大型游戏运行2 h结束90 min后，CPU温度才降至55 ℃左右，显卡温度降至50 ℃以下。因此水冷散热系统下的温度下降相较于风冷散热系统下更为迅速。由此可以看出，水冷散热系统的散热效果优于风冷散热系统。

(a) 风冷散热

(b) 水冷散热

在正常待机时，水冷散热系统下的显卡和CPU的温度也相较于风冷散热系统下的温度低，进一步说明水冷散热系统的散热效果优于风冷散热系统。另外，在运行大型单机游戏时，无论是风冷散热系统还是水冷散热系统，显卡的温度都高于CPU的温度，并且显卡的温度值比较接近，游戏画面效果降低。两种散热系统的散热效果满足散热要求，计算机的显卡启动了硬件保护功能，降低显卡性能。

5 结 论

在试验与研究基础上，完成了计算机水冷散热系统设计。得出：

(1) 通过热力学理论散热模拟计算，设计制造出的换热器的散热效率为90%，水冷散热系统的峰值温度为70 ℃。

(2) 通过散热效果试验以及把计算机水冷散热系统装到计算机上实际运行效果来看，在大型游戏连续运行2 h内，水冷散热系统下，CPU温度最高达75 ℃，

显卡温度达到80 ℃；风冷散热系统下，显卡和CPU在温度升高时80 ℃左右，相对于水冷散热系统，散热较慢；而在大型单机游戏运行结束时，水冷系统下显卡和CPU突降为50 ℃，在非大型游戏电脑正常工作状态下，显卡和CPU温度维持在50 ℃左右。而风冷散热系统下大型游戏运行2 h结束90 min后，CPU温度才降至55 ℃左右，显卡温度降至50 ℃以下。水冷散热系统下的温度下降相较于风冷散热系统下更为迅速，达到了设计预期目标。

[1] 代 丹. 计算机芯片散热技术的最新研究进展及其评价[J]. 现代计算机: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] 姚广寿,马哲树,罗 林,等. 电子电器设备中高效热管散热技术的研究现状及发展[C]//第八届全国热管会议.中国工程热物理学会:热管专业组,成都,2002.7.

[4] 程蓉蓉.计算机CPU芯片散热技术研究[J].网络安全技术与应用.暖通空调, 2015(1):68-72.

[5] 孙 玮.热管型电子器件散热器的数值模拟和试验研究[D].杭州,浙江大学,2003.

[6] 乔俊生,陈江平.笔记本电脑内热管散热系统的热分析[C]//上海市制冷学会年学术年会论文集,上海:2005:491-497.

[7] 王 伟,晏 江.热管在笔记本电脑散热设计中的模拟研究[J]. 制冷空调与电力机械，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] 陶汉中,张 红,庄 骏.槽道热管压扁度对传热的影响[J].北京化工大学学报(自然科学版), 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] 罗 琳, 岳献芳, 王 立,等. 水冷式换热器传热性能的稳态分布参数模拟与实验验证[J].暖通空调,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

国家自然科学基金资助项目(60976052)；四川省教育厅青年科研项目(16ZB0436)

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

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

鄢 强(1975-)，男，重庆人，博士后,副教授，主要从事硬质涂层材料、薄膜材料与器件及农业机械方面研究。

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

TB 742

A

1006-7167(2017)03-0055-04