液冷散热系统加热总成设计

贾小伟 吴凯隆 戴晓敏 张丽丽

摘  要：计算机使用时会产生大量的热量，饮水机加热时需要大量的热量。计算机散热一般有风冷、液冷两种方式，饮水机加热可以通过水循环方式进行。该设计对计算机液冷散热系统的降温原理和小型饮水机的加热原理进行了分析，并将计算机液冷散热系统和饮水机水循环加热系统相结合，实现计算机降温散热，实现饮水机循环加热，实现热量的二次利用，实现节能环保。

关键词：液冷散热系统;水循环加热系统;二次利用;节能环保

中图分类号：TP273                   文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）19-0105-03

Heating Assembly Design of Liquid Cooling System

JIA Xiaowei， WU Kailong， DAI Xiaomin， ZHANG Lili

（Jiangsu Vocational College of Agriculture and Forestry， Jurong  212400， China）

Abstract： When the computer is used， it generates a lot of heat， and the water dispenser needs a lot of heat to heat up. Generally， there are two ways of computer heat dissipation： air cooling and liquid cooling. The heating of water dispenser can be carried out by water circulation. This design analyzes the cooling principle of the computer liquid cooling system and the heating principle of the small water dispenser. The design combines the liquid cooling system and the water circulation heating system to realize the cooling and heat dissipation of the computer， to realize the circulating heating of the water dispenser， to realize the secondary use of heat， and to realize energy saving and environmental protection.

Keywords： liquid cooling system; water circulation heating system; secondary utilization; energy saving and environmental protection

0  引  言

隨着智能化不断提高，计算机应用深度也不断增加，数据计算量也随之提升。计算机散热问题直接影响计算机的性能，是计算机应用必须解决的一个重要问题。通常计算机散热有风冷、液冷两种方式。风冷方式使用方便，但是效率低、噪音大;液冷方式效率高，噪音低，但是结构复杂。可见，风冷方式由于自身缺陷不能满足计算机大工作量的散热需求[1]。液冷散热噪音小、热负载能力强、降温稳定等优势[2]已广泛应用于计算机中。但是当前液冷散热系统只进行散热没有回收利用热能[3]，造成资源浪费和环境污染。

本设计在液冷散热基础上制作水循环加热系统，利用液冷散热系统回收计算机产生的大量热量，通过水循环装置不断加热饮用水，从而提高能量的利用率，节能减排，保护环境。

1  水循环加热系统设计

1.1  系统工作原理

利用计算机办公的人员在工作时经常遇到需要离席加水的情况，打乱工作节奏，同时也白白浪费了计算机工作时产生的热量，还需要另外能源给饮水机加热。水循环加热系统将计算机工作时产生的大量热量转移到饮水机中，给饮用水加热，将计算机与饮水机结合，有效利用能源，方便工作人员使用。

水循环加热系统核心利用液冷散热系统收集计算机产生的大量热量，通过水循环系统不断加热饮用水。如图1所示，饮用水桶倒置在聪明座中，在重力作用下，饮用水经过聪明座流入水胆中。在水泵作用下，流入水胆的饮用水由左侧出，右侧进，进行循环。饮用水经过CPU时，吸收CPU产生的热量，通过循环水路再将CPU的热量传递到水胆中，饮用水不断循环，从而达到逐次加热的效果。从图1可以很明显可知，从聪明座出的水为未经CPU加热的冷水;从水循环系统出的水为加热过的热水。

液冷散热系统是水循环加热系统的核心组件，主要包括水冷块、循环液、水泵、管道和水箱等五个部分[4]。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产生的热量，可见水冷块的作用与风冷的散热片的作用是相似的，两者不同之处仅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，这样才能保证不会因循环液外漏而引起电器短路等问题。

循环液的作用与风冷系统的空气类似，但循环液可以吸收更多的热量，因此可以更好地保证CPU温度不会明显变化。由于不同液体的有不同的热效应，因此根据采用的循环液种类不同，冷却效果也是不同的。水是常见的一种循环液，使用方便，成本低，因此这种利用水作为循环液的循环系统，我们也称这种液冷系统为水冷系统[5]。

水泵的作用是产生循环液不断流动的动力，使得循环液不断地流动起来，不断地吸收CPU产生的热量，然后将热量转移到水胆中，不断积累。

管道用于连接水泵、水冷块、水胆等元件，形成封闭的循环回路，循环液在管道回路中循环流动。循环管道要保证封闭、密封，不能有泄露。

水胆是用来存储循环液，循环液在水胆中聚集和参与循环。回流的循环液在水胆中释放从CPU吸收来的热量，低温的循环液在水泵的作用重新流入管道，参与循环。如果CPU的发热功率较小，利用水胆内存储的大容量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辅助吸收CPU产生的热量，这里的换热器就是一个类似散热片的装置，循环液将热量传递给具有超大表面积的换热器，换热器上的叶片将流入的热量带走，传递给循环液，流动到水胆中聚集释放[6]。

1.2  系统结构设计

计算机的主要发热源是CPU和显卡（GPU），但是CPU的发热量占大部分，因此水循环加热系统结构设计先以CPU为中心核算选择相匹配的针脚主板和与CPU尺寸相配合的水冷头及卡座。然后再根据水冷头尺寸和口径选择相匹配的水泵。根据容量定制水胆。将水胆、水泵、水冷头按照图1所示的顺序相互连接，构成内部循环的回路。然后安装单向阀、截止阀等元件控制循环液流向。最后将循环系统分别嵌入到计算机和饮水机中。

水循环加热系统整机连接如图2所示。饮水机左上角为DC插口，连接DC母头的是DC14V转ATX电源模块。DC-DC直流电源模块采用LM2596S型号，长度为154 mm，宽度为35 mm，ATX结构空间足够CPU20+4pin放置。

计算机内部发热部件主要是CPU和显卡GPU。以CPU为例，根据CPU功耗选配相关脚针主板和配合CPU尺寸大小水冷头、卡座等。下文为具体选型介绍。

1.2.1  CPU和主板。

CPU采用E8200，主频为3 160 MHz，热功耗65 W。通常CPU工作温度设定在60℃以下，一般超过60℃会出现降频保护，延时卡顿等现象;如果超过85℃，CPU就会断电保护。匹配主板为G41，10COM双千兆工控主板。此板卡体积小，可以竖直放置在饮水机内侧，使用方便，质量可靠。套件额定功率为126 W，功耗适当，节约能量。

1.2.2  饮水机

由于选用E8200CPU的热功耗是65 W，且CPU和主板套件额定功率为126 W，饮水机可以采用台式迷你型家用熟料饮水机。此饮水机规格为280 mm×280 mm×380 mm，约可储水0.6 L，体积小巧、使用方便。

1.2.3  水胆

水胆主要作用就是存储饮用水、进行热量交换，吸收循环液从CPU的热量，提供低温的循环液。与此同时，由于水胆上方开有排气孔，可以缩短了水冷初期的排气时间。水胆的容量与饮水机匹配，设计为600 mL，进出水口外径为9 mm，排气口外径4 mm，材质选用食品级不锈钢材料，如1Cr13等。

1.2.4  水泵

水泵是为水循环系统提供使循环液循环流动的动力，其压力需要完全可以承受聪明座内满水时压力。因此，水泵选用GP3506型高效率静音12VDC微型水泵。这种水泵扬程为3 m，功耗为9 W，流量450 L/h，横向50 mm，纵向30 mm，重量为156 g。

1.2.5  三通接头

三通接头采用耐热等径三通T型软管接头，作为外部循环管路重要组成部件之一，起到将从流经循环液在进出水口进行水流分支、流向控制等作用。由于水胆进出水口外径为9 mm，并根据计算，三通接头最小外径为9.5 mm，最大外径为11.7 mm，内径7.2 mm，长65 mm。

1.2.6  排氣阀

排气阀主要是排气作用，防止水胆气体过多导致水泵空转烧坏电机，导致循环液不流动或缓慢流动，无法热交换，造成CPU过热，损坏设备，产生危险。排气阀选用环保PCM16材料排气阀，口径为12 mm，耐热耐寒。

1.2.7  单向阀

防止水泵欠压时水逆行，控制循环液流向，水循环系统还需要单向阀、止水阀。配合系统工作，单向阀、止水阀进出口外径10 mm，内径8 mm，长度40 mm，开启压力0.05公升水压，逆向压力10公升水压。

另外，水循环系统除了上面的主要部件外，还需要匹配热量交换的水冷头、系统电源等配件。

2  水循环加热系统性能测试

根据系统设计方案，制作了一套水循环加热系统。为了了解这套加热系统工作效率，更好地进行系统优化，利用测温法进行检测。假设水胆为满水状态，选取CPU使用率在80%以上的运行状态，检测水胆底部外口径温度。水温初始温度约为22 ℃，箱内温度为29 ℃，CPU平均温度为45 ℃情况下，每五分钟记录一次检测实验数据，其结果如图3所示。经检测，初始阶段温度上升较快，后续水温上升缓慢。由于检测点是水胆底部排水口的位置，实际水温度约在检测温度上2 ℃。

根据鲁大师检测得知，在CPU使用达到83%时，在水泵作用下CPU温度为52 ℃。在多开下，CPU温度在42～53 ℃间浮动。设CPU平均温度为45 ℃，实测聪明座内冷水温度为22 ℃。

根据此检测结果可见，如图3所示，水温上升逐渐缓慢，大部分的热量没有输入到水胆中，循环液大部分热量在循环中散失去。从热效率上看，铜的最好，其次是铝，再次是钢，最差是塑料。本设计由于经济方面问题，水冷头采用钢为主体，导热能力受到限制。

3  水循环加热系统优化

根据性能检测实验，水循环加热系统可以采集计算机CPU产生的热量，用于加热饮水机的饮用水，但是热量的利用率还不是很高，主要有两点问题：热量损失较大和热量收集度不高。

3.1  热量吸收率计算

（1）由于吸收的热量Q吸=CM?t，式中，Q为热量，C为比热容，M为质量，?t为温差，且C=4 200 J/kg，M=0.6 kg，因为，箱内水温为29 ℃，冷水温度为22 ℃，则?t=29 ℃-22 ℃=7 ℃，所以Q吸=17 640 J。

（2）假设CPU产生的热全部被吸收。Q假= 4 200× 0.6×23=57 960 J，假设水温（CPU温度）为45 ℃，冷水温度为22 ℃，其中?t=45 ℃-22 ℃=23 ℃。

（3）系统热量利用率。因为实际吸收热量Q吸=17 640 J，理想吸收热量Q假=57 960 J。那么，本设计的吸收率==30.4%

本设计的热量吸收率为30.4%，还是较低的水平。结合图3检测结果分析，水温上升逐渐缓慢，主要由于大部分热量在循环中散失，没有传递到水中。

另外CPU与水冷头相对接触面积不够大，CPU与水冷头热传导不够高也是一个原因。同时还要做好水胆保温措施等。

3.2  优化措施

3.2.1  做好保温

增加水胆的保温措施，给水胆添加一个中空层，用于隔绝热量，增强保温效果;增加水循环管路的保温。

3.2.2  增加显卡显芯水冷头

在计算机工作过程产生热量的不仅仅是CPU，还有显卡等。在散热系统正常运行，在CPU高使用率情况下，250 W的R9380显卡满载运行，显卡温度达到74℃，并且显卡核心面积大于CPU上层表面积。

在原先的基础上增加了显卡显芯水冷头，发热源由原先单CPU热源增加到CPU和显卡双热源，如图1所示，同时水胆增加设计了一层真空层，提高隔热效果。由此实现原先设计要求。

4  结  论

依据计算机CPU、显卡功耗分析，饮水机内部水胆的进出水原理分析，通过大量实验测试，有机地将计算机液冷散热系统与饮水机结合设计水循环加热系统，充分利用能源，节能环保，既不影响人们的工作、学习效率，又为人们提供健康生活保障。

参考文献：

[1] 欧阳寰.计算机CPU散热的重要性与常用技术分析 [J].科技与创新，2018（14）：99-100.

[2] 刘天昀，徐星宇.CPU液冷散热器的性能分析及结构优化 [J].制冷，2020，39（3）：44-50.

[3] 秦晓琪，韓楚文.CPU散热原理及散热方式浅析 [J].电脑知识与技术，2017，13（10）：210-211.

[4] 程蓉蓉.计算机CPU芯片散热技术研究 [J].辽宁师专学报（自然科学版），2014，16（4）：90-93.

[5] 曹巍耀.计算机CPU散热技术研究 [J].科技风，2016（22）：37.

[6] 李燕平.个人电脑处理器被动散热研究 [J].科技传播，2011（7）：57.

作者简介：贾小伟（1978—），男，汉族，安徽合肥人，讲师，硕士，研究方向：数控技术;吴凯隆（2000.04—），男，汉族，湖南娄底人，本科在读，研究方向：机电一体化;戴晓敏（1999.07—），女，汉族，新疆库尔勒人，本科在读，研究方向：机电一体化;张丽丽（1980.02—），女，汉族，安徽宿州人，讲师，硕士，研究方向：工程图学。