徐尚龍，張曉飛，豐瑞鑫，黃大貴

(電子科技大學， 四川 成都 611731)

引 言

隨著半導體技術的發(fā)展，芯片的集成度越來越高。單位面積上集成的電子元器件越多，發(fā)熱量也就越大，大量的熱分布在較小的表面，對芯片的可靠性產生很大的威脅，因此芯片的散熱顯得格外重要[1]。目前計算機CPU功率越來越大，超頻玩大型游戲的計算機溫度將會非常高，要使計算機運行順暢并延長芯片壽命，高效的散熱必不可少[2-3]。

計算機散熱主要有風冷、熱管、水冷等方法，目前大多數計算機采用風冷散熱。熱管一般用于筆記本，還要與風冷同時使用。風冷占用空間小，但散熱效率低，噪聲大，與CPU直接接觸，其震動對CPU和主板不利；水冷散熱效果好，噪聲小，若便于拆裝，將會得到廣泛應用[4-5]。本文通過實驗和仿真，分析影響微通道散熱器散熱效果的因素，并研制了具有流量控制功能的水冷計算機[6-7]。

1 實驗樣機

1.1 水冷計算機樣機組成

圖1為本實驗室研制的水冷計算機，其水冷系統(tǒng)包括機箱內部微通道散熱器、機箱外部水冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機箱內部微通道散熱器包含CPU微通道、顯卡芯片微通道和水管；機箱外部水冷卻系統(tǒng)包括水泵、風扇、半導體制冷片和直插型液體連接器。這2部分通過水管連接成一個循環(huán)水路，前者通過水把芯片的熱量帶出去，后者使水降溫。同時機箱壁上有一個風扇，用來使機箱內空氣流通，保證機箱內溫度最大程度地接近室溫。

圖1 水冷計算機

1.2 水冷計算機樣機參數

機箱內部需要水冷的芯片有CPU和顯卡芯片，CPU滿載功耗為45 W，顯卡滿載功耗為10 W。南橋芯片和北橋芯片的功耗較低，分別為2.5 W和3 W，用散熱翅片就可以滿足散熱要求。外部水冷卻系統(tǒng)是一個一體化的水箱，外觀整體尺寸為145 mm × 82 mm × 71 mm，內部有儲液腔和制冷腔，水泵和風扇靠機箱電源供電，制冷片靠外部調控器供電。微通道能減緩水流的通過，增大對流換熱面積，使更多的熱量被水帶走。水泵是水冷的心臟，揚程大的水泵適合復雜的水道環(huán)境。該樣機所用微通道散熱器的水道尺寸小，流阻較大，因此選用大揚程水泵。所用水泵最大流量為400 L/h，揚程為1.9 m。風扇額定轉速為1 500 r/min，最大風壓為13.7 Pa，最大風量為56 600 L/min。樣機的具體參數見表1。

表1水冷計算機參數

1.3 實驗過程及結果

考慮到顯卡芯片的功耗不容易受人工控制，這里僅測CPU在不同功耗下的溫度。

1.3.1 水溫隨空氣溫度變化(工況1)

1) 在某一室溫環(huán)境中，斷開制冷片電源，打開計算機和測溫軟件；

2)保持CPU使用率在10%內待機10 min，記錄CPU溫度t1；

3)使用測溫軟件強制使CPU使用率達到100%，保持10 min，記錄CPU溫度t2；

4)在不同室溫條件下，重復上述過程。

1.3.2 水溫不隨空氣溫度變化(工況2)

1)在某一室溫環(huán)境中，接通制冷片電源，打開計算機和測溫軟件；

2)與工況1同；

3)與工況1同；

4)在不同室溫條件下，調節(jié)制冷片控制器，使水溫保持穩(wěn)定(誤差在±0.5 ℃內)，重復上述過程。

經過7個月的記錄，得到CPU溫度隨環(huán)境溫度變化的關系，如圖2所示。由圖2(a)可以看出，當水溫和空氣溫度都升高時，CPU溫度也隨之升高；由圖2(b)可以看出，當水溫恒定時，CPU溫度隨空氣溫度的變化很小。因此，對于水冷計算機，水溫比空氣溫度對CPU散熱效果的影響更大。

圖2 環(huán)境溫度對CPU溫度的影響

2 水冷計算機數值仿真

2.1 模型建立和參數設定

本數值仿真是依據水冷計算機樣機的真實情況進行的，在驗證實驗結論的同時，也研究影響水冷計算機散熱效果的更多因素。此水冷計算機模型中的CPU和顯卡芯片用微通道水冷，南橋和北橋芯片裝有翅片，采用自然冷卻，模型如圖3所示。

圖3 機箱整體模型

樣機CPU實際滿載功率為45 W，仿真取安全值50 W，其余器件都按最大功率設定。根據泵的流量和水管直徑算出相應的水的流速，試驗中泵的流量對應仿真中的入口邊界條件(如入口流速4 m/s)。機箱風扇額定轉速為1 500 r/min，最大風壓為13.7 Pa，最大風量為56 600 L/min，電源風扇轉速固定為2 400 r/min。仿真參數見表1。

2.2 仿真結果

2.2.1 環(huán)境(空氣和水)溫度的影響

圖4是控制機箱風扇轉速為1 500 r/min、水流速度為1 m/s(即泵流量為100 L/h左右)時，CPU、顯卡芯片等主要器件溫度變化的曲線圖。從圖4可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，所有器件的溫度都升高，近似于線性關系。

圖4 器件溫度受環(huán)境溫度的影響

2.2.2 空氣溫度的影響(控制水恒溫)

圖5是控制機箱風扇轉速為1 500 r/min、水流速度為1 m/s(即泵流量為100 L/h左右)、水溫為20 ℃時，CPU、顯卡芯片等主要器件溫度變化的曲線圖。從圖5可以看出，隨著空氣溫度的升高，所有器件的溫度都升高，北橋芯片、南橋芯片和內存芯片的變化近似于線性關系，但CPU和顯卡芯片的溫度隨空氣溫度變化的上升幅度非常小。這說明在有水冷的情況下，水冷器件受空氣溫度的影響非常小，幾乎可以忽略。

圖5 器件溫度受空氣溫度的影響

2.2.3 機箱風扇轉速的影響

圖6是環(huán)境溫度為25 ℃、水流速度為1 m/s (即泵流量為100 L/h左右)時，CPU、顯卡芯片等主要器件溫度變化的曲線圖。從圖6可以看出，CPU和顯卡芯片的溫度幾乎不受風扇轉速的影響，南橋芯片和北橋芯片溫度受風扇轉速的影響也很小。這是因為風扇是整個機箱的風扇，只有更換機箱內部空氣的作用，并不能增強對翅片的自然對流換熱強度。

圖6 器件溫度受機箱風扇轉速的影響

3 結束語

通過實驗和仿真，得到一個共同的結論：在水冷計算機中，水溫比空氣溫度對CPU散熱的影響更大。在拓展的仿真研究中，得到以下結論：

1)在水冷計算機中，相比機箱風扇轉速和泵流量，器件溫度受環(huán)境溫度的影響更大；

2)水冷器件受空氣溫度的影響較小，自然冷卻器件受水溫影響很?。?/p>

3)機箱風扇轉速對各器件的散熱影響都很??；

4)水的流速越快，水冷器件的冷卻效果就越好。