5大水冷板設(shè)計(jì)及比較

1. Tubing 管道式、2. Minichannel 微通道、3. Folded Fins 折曲鰭片、4. Pin Fin 針狀鰭片、5. Skived Fin 鏟齒鰭片

在現(xiàn)代科技的快速發(fā)展中，電子設(shè)備的性能和功率密度持續(xù)提升，隨之而來(lái)的散熱挑戰(zhàn)也日益嚴(yán)峻。尤其在高效能伺服器、AI、電動(dòng)車(chē)以及高功率設(shè)備等領(lǐng)域，傳統(tǒng)的空冷散熱往往無(wú)法滿(mǎn)足需求，此時(shí)水冷散熱系統(tǒng)成為了關(guān)鍵解決方案。相比空冷散熱，水冷系統(tǒng)利用液體的高熱容量和高導(dǎo)熱性能，能以更高效的方式將熱量從熱源移除，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行并延長(zhǎng)設(shè)備壽命。不僅如此，水冷系統(tǒng)還能以更靜音的方式運(yùn)作，滿(mǎn)足對(duì)噪音敏感的場(chǎng)景。

在水冷系統(tǒng)中，「水冷板」無(wú)疑是其中的核心部件。作為熱源與冷卻液之間的橋梁，水冷板設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的散熱效率與可靠性。因此，了解水冷板的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，是深入認(rèn)識(shí)水冷散熱技術(shù)的第一步。接下來(lái)，我們將逐步拆解水冷系統(tǒng)的工作原理，并深入探討水冷板的設(shè)計(jì)方法與實(shí)際應(yīng)用。

水冷系統(tǒng)的原理與流程

一個(gè)完整的水冷系統(tǒng)主要由水泵、水箱、水冷板、散熱排（水冷排）和連接水管組成。其運(yùn)作原理看似簡(jiǎn)單，實(shí)則講究– 水泵推動(dòng)冷卻液在系統(tǒng)中循環(huán)，冷卻液經(jīng)過(guò)水冷板時(shí)帶走發(fā)熱元件的熱量，接著流向散熱排（Radiator），在風(fēng)扇的協(xié)助下將熱量散發(fā)到空氣中，降溫后的冷卻液再次回到循環(huán)起點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程中，冷卻液扮演著熱能載體的角色，透過(guò)流動(dòng)將熱量持續(xù)帶離發(fā)熱源。

冷卻液的選擇也是一門(mén)學(xué)問(wèn)。純水雖然價(jià)格便宜且容易取得，但容易導(dǎo)致系統(tǒng)組件氧化生銹，因此市面上的水冷系統(tǒng)多采用特制的冷卻液，添加了防銹、防腐蝕的添加劑，有些還加入了螢光劑，在視覺(jué)效果上更添風(fēng)采。這些特制冷卻液不僅能延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命，還能提供更好的導(dǎo)熱性能。

水冷板的設(shè)計(jì)

水冷板作為水冷系統(tǒng)中的核心部件，其主要功能是將熱源產(chǎn)生的熱量迅速傳遞至流動(dòng)的冷卻液中，實(shí)現(xiàn)高效的熱交換。由于水冷板直接接觸熱源，其設(shè)計(jì)不僅需要滿(mǎn)足高效導(dǎo)熱的需求，還需兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、流體阻力以及生產(chǎn)成本等多方面考量。

1.熱交換效率設(shè)計(jì)應(yīng)確保冷卻液能最大限度地接觸熱源面，并在有限空間內(nèi)提升散熱效率。這通常需要利用特殊的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，如微通道或鰭片設(shè)計(jì)。

2.流體動(dòng)力學(xué)內(nèi)部流道的設(shè)計(jì)必須平衡流體的速度與壓降。過(guò)高的流速會(huì)增加泵浦負(fù)擔(dān)，而過(guò)低的流速則可能導(dǎo)致散熱效率降低。

3.加工方式由于不同應(yīng)用需求，水冷板采用的制造方法（如焊接、CNC加工或壓鑄）會(huì)影響成本與性能。

4.材料選擇目前市面上最常見(jiàn)的是銅制水冷板，因?yàn)殂~具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性和適中的加工性能。鋁制水冷板雖然重量較輕、成本較低，但導(dǎo)熱性能較銅差一些，且較易發(fā)生電化腐蝕。高端產(chǎn)品有時(shí)會(huì)選用銀制水冷板，雖然導(dǎo)熱性能最佳，但昂貴的價(jià)格讓它僅限于特殊應(yīng)用場(chǎng)景。

管道設(shè)計(jì)是最傳統(tǒng)的方案，將水管彎折成S型或U型貼合在導(dǎo)熱板上。這種設(shè)計(jì)的制程相對(duì)簡(jiǎn)單：只需要將銅管或鋁管經(jīng)過(guò)彎折，再與底板進(jìn)行焊接或壓合即可，內(nèi)部加工較少，因此生產(chǎn)成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。它的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、維修方便，特別適合大面積的散熱需求，比如工業(yè)用變頻器或大型電源供應(yīng)器的散熱。不過(guò)，此方案的流體阻力較高，需較大的泵浦壓力。而散熱效率方面，由于水管的直徑較大，接觸面積相對(duì)有限加上管道會(huì)有彎折處，因此散熱均勻性稍差，容易在局部產(chǎn)生熱點(diǎn)，散熱效率在五種方案中相對(duì)較低。

微通道水冷板是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)，通過(guò)在水冷板內(nèi)部打造多條窄小的流道（通常小于1毫米），極大地提高了冷卻液與熱源的接觸面積，從而顯著提升散熱效率。這種設(shè)計(jì)可以運(yùn)用精密的CNC加工或蝕刻技術(shù)，制作難度較高。這種設(shè)計(jì)尤其適合高階CPU、GPU等高熱密度元件的散熱。目前高端電競(jìng)水冷產(chǎn)品和專(zhuān)業(yè)工作站常常采用這種設(shè)計(jì)。不過(guò)微小的通道也代表加工難度高，設(shè)備要求精密，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。而且微通道容易被雜質(zhì)或氣泡堵塞，需要高純度的冷卻液，一旦堵塞或損壞，需要整體更換，維護(hù)成本高昂。

折曲鰭片設(shè)計(jì)像是在兩者之間找到了平衡點(diǎn)。將金屬片折成波浪狀或之字形，不只增加了散熱面積，還能產(chǎn)生適度的湍流來(lái)強(qiáng)化換熱效果。這種設(shè)計(jì)的制作相對(duì)簡(jiǎn)單，主要通過(guò)沖壓成型，再與底板進(jìn)行焊接，適合中等規(guī)模生產(chǎn)。它特別適合中型設(shè)備的散熱需求，比如通訊設(shè)備或工業(yè)控制箱體，兼具了不錯(cuò)的效能和合理的成本。

針狀鰭片水冷板以其內(nèi)部布滿(mǎn)柱狀或針狀鰭片的結(jié)構(gòu)聞名，結(jié)構(gòu)靈活，在有限空間的產(chǎn)品使用上較為方便。這種設(shè)計(jì)能夠顯著提升冷卻液的湍流效果，來(lái)達(dá)到更高的熱交換效率。鰭片的外型有矩形、圓形或是橢圓形，矩形鰭片由鋁擠型橫切而成，圓形鰭片則由鍛造或金屬粉末燒結(jié)，而橢圓形的鰭片熱傳系數(shù)較高，但成型較為困難。另外要注意鰭片間容易積聚雜質(zhì)或沉積物，需頻繁清潔維護(hù)。

鏟齒鰭片是一種將鰭片直接從金屬基材上鏟削成型的設(shè)計(jì)。由于鰭片和基材是一體結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)徹底消除了接合處的熱阻，因此具備優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，同時(shí)保持較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鏟齒鰭片制程原理是使用單塊材料（如銅或鋁），通過(guò)專(zhuān)用的鏟齒機(jī)采用高精度鏟齒工藝切割出高密度的鰭片構(gòu)造，工藝相對(duì)高效，適合批量生產(chǎn)。但由于鏟齒的結(jié)構(gòu)與加工方式，因此鰭片的形狀和密度設(shè)計(jì)自由度較受限，對(duì)小型空間的應(yīng)用場(chǎng)景有所局限。

1.散熱效率從純散熱效率來(lái)看，微通道和鏟齒散熱片設(shè)計(jì)領(lǐng)先群雄，主要?dú)w功于它們優(yōu)異的接觸面積和熱傳導(dǎo)效率。緊隨其后的是針狀鰭片和折曲鰭片設(shè)計(jì)，雖然整體效能略遜一籌，但在特定應(yīng)用場(chǎng)景中仍能發(fā)揮獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。管道設(shè)計(jì)的散熱效率相對(duì)最低，但它的可靠性和維護(hù)性卻是首屈一指。不過(guò)實(shí)際的散熱效率還是需要依設(shè)計(jì)的密度、鰭片尺寸等影響接觸面積的項(xiàng)目而定。

2.成本效益管道設(shè)計(jì)的制造成本最低，加工簡(jiǎn)單且原料便宜，特別適合大規(guī)模生產(chǎn)。折曲鰭片次之，其沖壓制程成熟且效率高。針狀鰭片和鏟齒散熱片的成本居中，主要支出在精密加工設(shè)備和加工時(shí)間較長(zhǎng)。微通道設(shè)計(jì)則因其復(fù)雜的制程和高良率要求，制造成本最高。

3.流體阻力

• 管道式

  管道設(shè)計(jì)因其多次彎折的流道特性，呈現(xiàn)中等程度的流體阻力，雖然管壁光滑有助于流動(dòng)，但長(zhǎng)距離的路徑和過(guò)多的彎頭設(shè)計(jì)仍是主要阻力來(lái)源，其中若是彎頭設(shè)計(jì)不良，甚至可能會(huì)產(chǎn)生渦流，降低散熱效率。

• 微通道

  微通道結(jié)構(gòu)則因其極窄的通道寬度，往往產(chǎn)生較高的流體阻力，流道密度較高時(shí)，流速雖然分布均勻，但整體壓降增大。雖然能提供優(yōu)異的散熱效果，但對(duì)水泵性能和冷卻液純度要求較高。

• 折曲式

  流體經(jīng)過(guò)折曲鰭片時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部湍流，這既有助于熱交換，又增加了壓降。較適合平衡散熱效率與流體阻力的應(yīng)用。

• 針狀式

  針狀或柱狀鰭片密集排列，冷卻液在繞過(guò)鰭片時(shí)需多次改變方向，導(dǎo)致流體阻力顯著增加。雖然湍流現(xiàn)象在這種設(shè)計(jì)中非常明顯，有助于熱交換但也同時(shí)提升壓降。

• 鏟齒式

  由于鰭片排列整齊且間距適中，流體能以相對(duì)平穩(wěn)的方式通過(guò)鰭片間隙。且一體成型的設(shè)計(jì)減少了冷卻液流動(dòng)中的干擾現(xiàn)象，降低壓降。

在選擇水冷板時(shí)，沒(méi)有放諸四海皆準(zhǔn)的完美方案，重點(diǎn)是找到最符合需求的設(shè)計(jì)。對(duì)于一般使用者來(lái)說(shuō)，建議從以下幾個(gè)角度評(píng)估：首先是散熱需求，這決定了最基本的性能要求；其次是預(yù)算范圍，畢竟高端設(shè)計(jì)往往伴隨著更高的成本；最后是使用環(huán)境和維護(hù)能力，這關(guān)系到長(zhǎng)期使用的可靠性。

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