液冷散熱系統(tǒng)加熱總成設(shè)計(jì)

賈小偉 吳凱隆 戴曉敏 張麗麗

摘? 要：計(jì)算機(jī)使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，飲水機(jī)加熱時(shí)需要大量的熱量。計(jì)算機(jī)散熱一般有風(fēng)冷、液冷兩種方式，飲水機(jī)加熱可以通過(guò)水循環(huán)方式進(jìn)行。該設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算機(jī)液冷散熱系統(tǒng)的降溫原理和小型飲水機(jī)的加熱原理進(jìn)行了分析，并將計(jì)算機(jī)液冷散熱系統(tǒng)和飲水機(jī)水循環(huán)加熱系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)降溫散熱，實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)循環(huán)加熱，實(shí)現(xiàn)熱量的二次利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

關(guān)鍵詞：液冷散熱系統(tǒng);水循環(huán)加熱系統(tǒng);二次利用;節(jié)能環(huán)保

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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

隨著智能化不斷提高，計(jì)算機(jī)應(yīng)用深度也不斷增加，數(shù)據(jù)計(jì)算量也隨之提升。計(jì)算機(jī)散熱問(wèn)題直接影響計(jì)算機(jī)的性能，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用必須解決的一個(gè)重要問(wèn)題。通常計(jì)算機(jī)散熱有風(fēng)冷、液冷兩種方式。風(fēng)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，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜?？梢?jiàn)，風(fēng)冷方式由于自身缺陷不能滿足計(jì)算機(jī)大工作量的散熱需求[1]。液冷散熱噪音小、熱負(fù)載能力強(qiáng)、降溫穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)[2]已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)中。但是當(dāng)前液冷散熱系統(tǒng)只進(jìn)行散熱沒(méi)有回收利用熱能[3]，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

本設(shè)計(jì)在液冷散熱基礎(chǔ)上制作水循環(huán)加熱系統(tǒng)，利用液冷散熱系統(tǒng)回收計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的大量熱量，通過(guò)水循環(huán)裝置不斷加熱飲用水，從而提高能量的利用率，節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境。

1? 水循環(huán)加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)工作原理

利用計(jì)算機(jī)辦公的人員在工作時(shí)經(jīng)常遇到需要離席加水的情況，打亂工作節(jié)奏，同時(shí)也白白浪費(fèi)了計(jì)算機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，還需要另外能源給飲水機(jī)加熱。水循環(huán)加熱系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的大量熱量轉(zhuǎn)移到飲水機(jī)中，給飲用水加熱，將計(jì)算機(jī)與飲水機(jī)結(jié)合，有效利用能源，方便工作人員使用。

水循環(huán)加熱系統(tǒng)核心利用液冷散熱系統(tǒng)收集計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的大量熱量，通過(guò)水循環(huán)系統(tǒng)不斷加熱飲用水。如圖1所示，飲用水桶倒置在聰明座中，在重力作用下，飲用水經(jīng)過(guò)聰明座流入水膽中。在水泵作用下，流入水膽的飲用水由左側(cè)出，右側(cè)進(jìn)，進(jìn)行循環(huán)。飲用水經(jīng)過(guò)CPU時(shí)，吸收CPU產(chǎn)生的熱量，通過(guò)循環(huán)水路再將CPU的熱量傳遞到水膽中，飲用水不斷循環(huán)，從而達(dá)到逐次加熱的效果。從圖1可以很明顯可知，從聰明座出的水為未經(jīng)CPU加熱的冷水;從水循環(huán)系統(tǒng)出的水為加熱過(guò)的熱水。

液冷散熱系統(tǒng)是水循環(huán)加熱系統(tǒng)的核心組件，主要包括水冷塊、循環(huán)液、水泵、管道和水箱等五個(gè)部分[4]。水冷塊是一個(gè)內(nèi)部留有水道的金屬塊，由銅或鋁制成，與CPU接觸并將吸收CPU產(chǎn)生的熱量，可見(jiàn)水冷塊的作用與風(fēng)冷的散熱片的作用是相似的，兩者不同之處僅在于水冷塊必須留有循環(huán)液通過(guò)的水道而且是完全密閉的，這樣才能保證不會(huì)因循環(huán)液外漏而引起電器短路等問(wèn)題。

循環(huán)液的作用與風(fēng)冷系統(tǒng)的空氣類似，但循環(huán)液可以吸收更多的熱量，因此可以更好地保證CPU溫度不會(huì)明顯變化。由于不同液體的有不同的熱效應(yīng)，因此根據(jù)采用的循環(huán)液種類不同，冷卻效果也是不同的。水是常見(jiàn)的一種循環(huán)液，使用方便，成本低，因此這種利用水作為循環(huán)液的循環(huán)系統(tǒng)，我們也稱這種液冷系統(tǒng)為水冷系統(tǒng)[5]。

水泵的作用是產(chǎn)生循環(huán)液不斷流動(dòng)的動(dòng)力，使得循環(huán)液不斷地流動(dòng)起來(lái)，不斷地吸收CPU產(chǎn)生的熱量，然后將熱量轉(zhuǎn)移到水膽中，不斷積累。

管道用于連接水泵、水冷塊、水膽等元件，形成封閉的循環(huán)回路，循環(huán)液在管道回路中循環(huán)流動(dòng)。循環(huán)管道要保證封閉、密封，不能有泄露。

水膽是用來(lái)存儲(chǔ)循環(huán)液，循環(huán)液在水膽中聚集和參與循環(huán)。回流的循環(huán)液在水膽中釋放從CPU吸收來(lái)的熱量，低溫的循環(huán)液在水泵的作用重新流入管道，參與循環(huán)。如果CPU的發(fā)熱功率較小，利用水膽內(nèi)存儲(chǔ)的大容量循環(huán)液就能保證循環(huán)液溫度不會(huì)有明顯的上升;如果CPU功率很大，則需要加入換熱器來(lái)輔助吸收CPU產(chǎn)生的熱量，這里的換熱器就是一個(gè)類似散熱片的裝置，循環(huán)液將熱量傳遞給具有超大表面積的換熱器，換熱器上的葉片將流入的熱量帶走，傳遞給循環(huán)液，流動(dòng)到水膽中聚集釋放[6]。

1.2? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)的主要發(fā)熱源是CPU和顯卡（GPU），但是CPU的發(fā)熱量占大部分，因此水循環(huán)加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先以CPU為中心核算選擇相匹配的針腳主板和與CPU尺寸相配合的水冷頭及卡座。然后再根據(jù)水冷頭尺寸和口徑選擇相匹配的水泵。根據(jù)容量定制水膽。將水膽、水泵、水冷頭按照?qǐng)D1所示的順序相互連接，構(gòu)成內(nèi)部循環(huán)的回路。然后安裝單向閥、截止閥等元件控制循環(huán)液流向。最后將循環(huán)系統(tǒng)分別嵌入到計(jì)算機(jī)和飲水機(jī)中。

水循環(huán)加熱系統(tǒng)整機(jī)連接如圖2所示。飲水機(jī)左上角為DC插口，連接DC母頭的是DC14V轉(zhuǎn)ATX電源模塊。DC-DC直流電源模塊采用LM2596S型號(hào)，長(zhǎng)度為154 mm，寬度為35 mm，ATX結(jié)構(gòu)空間足夠CPU20+4pin放置。

計(jì)算機(jī)內(nèi)部發(fā)熱部件主要是CPU和顯卡GPU。以CPU為例，根據(jù)CPU功耗選配相關(guān)腳針主板和配合CPU尺寸大小水冷頭、卡座等。下文為具體選型介紹。

1.2.1? CPU和主板。

CPU采用E8200，主頻為3 160 MHz，熱功耗65 W。通常CPU工作溫度設(shè)定在60℃以下，一般超過(guò)60℃會(huì)出現(xiàn)降頻保護(hù)，延時(shí)卡頓等現(xiàn)象;如果超過(guò)85℃，CPU就會(huì)斷電保護(hù)。匹配主板為G41，10COM雙千兆工控主板。此板卡體積小，可以豎直放置在飲水機(jī)內(nèi)側(cè)，使用方便，質(zhì)量可靠。套件額定功率為126 W，功耗適當(dāng)，節(jié)約能量。

1.2.2? 飲水機(jī)

由于選用E8200CPU的熱功耗是65 W，且CPU和主板套件額定功率為126 W，飲水機(jī)可以采用臺(tái)式迷你型家用熟料飲水機(jī)。此飲水機(jī)規(guī)格為280 mm×280 mm×380 mm，約可儲(chǔ)水0.6 L，體積小巧、使用方便。

1.2.3? 水膽

水膽主要作用就是存儲(chǔ)飲用水、進(jìn)行熱量交換，吸收循環(huán)液從CPU的熱量，提供低溫的循環(huán)液。與此同時(shí)，由于水膽上方開(kāi)有排氣孔，可以縮短了水冷初期的排氣時(shí)間。水膽的容量與飲水機(jī)匹配，設(shè)計(jì)為600 mL，進(jìn)出水口外徑為9 mm，排氣口外徑4 mm，材質(zhì)選用食品級(jí)不銹鋼材料，如1Cr13等。

1.2.4? 水泵

水泵是為水循環(huán)系統(tǒng)提供使循環(huán)液循環(huán)流動(dòng)的動(dòng)力，其壓力需要完全可以承受聰明座內(nèi)滿水時(shí)壓力。因此，水泵選用GP3506型高效率靜音12VDC微型水泵。這種水泵揚(yáng)程為3 m，功耗為9 W，流量450 L/h，橫向50 mm，縱向30 mm，重量為156 g。

1.2.5? 三通接頭

三通接頭采用耐熱等徑三通T型軟管接頭，作為外部循環(huán)管路重要組成部件之一，起到將從流經(jīng)循環(huán)液在進(jìn)出水口進(jìn)行水流分支、流向控制等作用。由于水膽進(jìn)出水口外徑為9 mm，并根據(jù)計(jì)算，三通接頭最小外徑為9.5 mm，最大外徑為11.7 mm，內(nèi)徑7.2 mm，長(zhǎng)65 mm。

1.2.6? 排氣閥

排氣閥主要是排氣作用，防止水膽氣體過(guò)多導(dǎo)致水泵空轉(zhuǎn)燒壞電機(jī)，導(dǎo)致循環(huán)液不流動(dòng)或緩慢流動(dòng)，無(wú)法熱交換，造成CPU過(guò)熱，損壞設(shè)備，產(chǎn)生危險(xiǎn)。排氣閥選用環(huán)保PCM16材料排氣閥，口徑為12 mm，耐熱耐寒。

1.2.7? 單向閥

防止水泵欠壓時(shí)水逆行，控制循環(huán)液流向，水循環(huán)系統(tǒng)還需要單向閥、止水閥。配合系統(tǒng)工作，單向閥、止水閥進(jìn)出口外徑10 mm，內(nèi)徑8 mm，長(zhǎng)度40 mm，開(kāi)啟壓力0.05公升水壓，逆向壓力10公升水壓。

另外，水循環(huán)系統(tǒng)除了上面的主要部件外，還需要匹配熱量交換的水冷頭、系統(tǒng)電源等配件。

2? 水循環(huán)加熱系統(tǒng)性能測(cè)試

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，制作了一套水循環(huán)加熱系統(tǒng)。為了了解這套加熱系統(tǒng)工作效率，更好地進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，利用測(cè)溫法進(jìn)行檢測(cè)。假設(shè)水膽為滿水狀態(tài)，選取CPU使用率在80%以上的運(yùn)行狀態(tài)，檢測(cè)水膽底部外口徑溫度。水溫初始溫度約為22 ℃，箱內(nèi)溫度為29 ℃，CPU平均溫度為45 ℃情況下，每五分鐘記錄一次檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其結(jié)果如圖3所示。經(jīng)檢測(cè)，初始階段溫度上升較快，后續(xù)水溫上升緩慢。由于檢測(cè)點(diǎn)是水膽底部排水口的位置，實(shí)際水溫度約在檢測(cè)溫度上2 ℃。

根據(jù)魯大師檢測(cè)得知，在CPU使用達(dá)到83%時(shí)，在水泵作用下CPU溫度為52 ℃。在多開(kāi)下，CPU溫度在42～53 ℃間浮動(dòng)。設(shè)CPU平均溫度為45 ℃，實(shí)測(cè)聰明座內(nèi)冷水溫度為22 ℃。

根據(jù)此檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，如圖3所示，水溫上升逐漸緩慢，大部分的熱量沒(méi)有輸入到水膽中，循環(huán)液大部分熱量在循環(huán)中散失去。從熱效率上看，銅的最好，其次是鋁，再次是鋼，最差是塑料。本設(shè)計(jì)由于經(jīng)濟(jì)方面問(wèn)題，水冷頭采用鋼為主體，導(dǎo)熱能力受到限制。

3? 水循環(huán)加熱系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，水循環(huán)加熱系統(tǒng)可以采集計(jì)算機(jī)CPU產(chǎn)生的熱量，用于加熱飲水機(jī)的飲用水，但是熱量的利用率還不是很高，主要有兩點(diǎn)問(wèn)題：熱量損失較大和熱量收集度不高。

3.1? 熱量吸收率計(jì)算

（1）由于吸收的熱量Q吸=CM?t，式中，Q為熱量，C為比熱容，M為質(zhì)量，?t為溫差，且C=4 200 J/kg，M=0.6 kg，因?yàn)?，箱?nèi)水溫為29 ℃，冷水溫度為22 ℃，則?t=29 ℃-22 ℃=7 ℃，所以Q吸=17 640 J。

（2）假設(shè)CPU產(chǎn)生的熱全部被吸收。Q假= 4 200× 0.6×23=57 960 J，假設(shè)水溫（CPU溫度）為45 ℃，冷水溫度為22 ℃，其中?t=45 ℃-22 ℃=23 ℃。

（3）系統(tǒng)熱量利用率。因?yàn)閷?shí)際吸收熱量Q吸=17 640 J，理想吸收熱量Q假=57 960 J。那么，本設(shè)計(jì)的吸收率==30.4%

本設(shè)計(jì)的熱量吸收率為30.4%，還是較低的水平。結(jié)合圖3檢測(cè)結(jié)果分析，水溫上升逐漸緩慢，主要由于大部分熱量在循環(huán)中散失，沒(méi)有傳遞到水中。

另外CPU與水冷頭相對(duì)接觸面積不夠大，CPU與水冷頭熱傳導(dǎo)不夠高也是一個(gè)原因。同時(shí)還要做好水膽保溫措施等。

3.2? 優(yōu)化措施

3.2.1? 做好保溫

增加水膽的保溫措施，給水膽添加一個(gè)中空層，用于隔絕熱量，增強(qiáng)保溫效果;增加水循環(huán)管路的保溫。

3.2.2? 增加顯卡顯芯水冷頭

在計(jì)算機(jī)工作過(guò)程產(chǎn)生熱量的不僅僅是CPU，還有顯卡等。在散熱系統(tǒng)正常運(yùn)行，在CPU高使用率情況下，250 W的R9380顯卡滿載運(yùn)行，顯卡溫度達(dá)到74℃，并且顯卡核心面積大于CPU上層表面積。

在原先的基礎(chǔ)上增加了顯卡顯芯水冷頭，發(fā)熱源由原先單CPU熱源增加到CPU和顯卡雙熱源，如圖1所示，同時(shí)水膽增加設(shè)計(jì)了一層真空層，提高隔熱效果。由此實(shí)現(xiàn)原先設(shè)計(jì)要求。

4? 結(jié)? 論

依據(jù)計(jì)算機(jī)CPU、顯卡功耗分析，飲水機(jī)內(nèi)部水膽的進(jìn)出水原理分析，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試，有機(jī)地將計(jì)算機(jī)液冷散熱系統(tǒng)與飲水機(jī)結(jié)合設(shè)計(jì)水循環(huán)加熱系統(tǒng)，充分利用能源，節(jié)能環(huán)保，既不影響人們的工作、學(xué)習(xí)效率，又為人們提供健康生活保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 歐陽(yáng)寰.計(jì)算機(jī)CPU散熱的重要性與常用技術(shù)分析 [J].科技與創(chuàng)新，2018（14）：99-100.

[2] 劉天昀，徐星宇.CPU液冷散熱器的性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 [J].制冷，2020，39（3）：44-50.

[3] 秦曉琪，韓楚文.CPU散熱原理及散熱方式淺析 [J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017，13（10）：210-211.

[4] 程蓉蓉.計(jì)算機(jī)CPU芯片散熱技術(shù)研究 [J].遼寧師專學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，16（4）：90-93.

[5] 曹巍耀.計(jì)算機(jī)CPU散熱技術(shù)研究 [J].科技風(fēng)，2016（22）：37.

[6] 李燕平.個(gè)人電腦處理器被動(dòng)散熱研究 [J].科技傳播，2011（7）：57.

作者簡(jiǎn)介：賈小偉（1978—），男，漢族，安徽合肥人，講師，碩士，研究方向：數(shù)控技術(shù);吳凱?。?000.04—），男，漢族，湖南婁底人，本科在讀，研究方向：機(jī)電一體化;戴曉敏（1999.07—），女，漢族，新疆庫(kù)爾勒人，本科在讀，研究方向：機(jī)電一體化;張麗麗（1980.02—），女，漢族，安徽宿州人，講師，碩士，研究方向：工程圖學(xué)。