• 摘要

如何提高CPU的散热效率，是计算机生产者以及使用者永远逃不开的问题。信息时代，计算机（包括民用计算机，科学研究计算机，服务器，大型工作站等）已经相当普及。作为计算机的核心部件，CPU是异常精密、集成度很高、工作频率很高、对环境温度要求极为严苛的一个部件。虽然AMD和INTEL两家CPU巨头推出了超低能耗的CPU，但是这种类型的CPU的性能十分低下，只能用在移动办公或者对移动工作有很高需要的领域。而在其它领域，必须要使用高性能处理器。因为高性能CPU更加精密、有更高的工作频率、更高的功率，它的发热量是很巨大的。目前给CPU散热的主动散热方式，主要有风冷、水冷两种。对一般的用户而言，风冷可以满足基本的需要。而对于高端玩家，影视工作者等需要巨大运算量的用户或者一些追求安静的用户，风冷基本上不能满足需求。而传统的水冷需要用户自行购买，组装麻烦，而且容易出现漏液问题，造成经济损失，甚至安全事故。本产品设计正是为了解决水冷散热的上述问题，并且优化散热，提升散热效率。

注解：水冷散热器严格意义上说，所用到的传热液体，并不是真的水。因为水的传热效率是很低的，实际使用到的液体是导热率比水高很多的专用导热液。

二、项目主要内容

2.1 背景技术

CPU的发热极高，而且随着集成度的提升，可用的散热面积也在逐渐减小。这就导致现在的计算机对CPU的散热装置要求极高。目前，民用计算机大多使用风冷，但是比较高端的家用计算机一般使用水冷。服务器一般也是风冷，因为服务器一般装在专门的服务器机房机柜里，有严格的温度控制，风扇噪音也没有要求（由于全速运行时转速很快，噪音很大，人们一般称之为“暴力风扇”），只要增大风扇的功率就能有效提升散热效率。但是，这种情况在民用计算机领域就有大大的不同。一是民用计算机没有专用的机房；二是民用计算机工作时必须要安静；三是民用CPU的散热面积很小。因为上面这些原因，民用计算机的风冷散热器一般散热功率较低。如果面向的用户只需要轻量级的运算，那么风冷是可以解决问题的。但如果用户需要做大量的数据处理，那么风冷所能提供的散热功率是远远不够的，于是水冷就应运而生了。

我们所见的CPU，其实内部还有许多的组成部件，最终的CPU外壳只是起一个封装的作用。在封装外壳下，一般还有运算器（算术逻辑运算单元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速缓冲存储器（Cache）及实现它们之间联系的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）。为了起到保护内部的作用，CPU厂商在生产CPU的时候一般把上面的那些部件封装起来。加上一个外壳。可以想见，即使是加上了外壳，我们都觉得CPU是非常小的，那么集成在这个外壳下的部件，显然散热面积更加的小。为了实现更好的散热，CPU外壳和内部结构通常填充了硅脂，或者液金。这样，封装完后的CPU便基本上可以上市销售了。

CPU到了用户手中，装到主板上，如果散热器的散热功率不行，在运行一些小型程序的时候还好，当碰到一些需要大量运算的程序时，由于CPU以最高频率运行，所以发热惊人，CPU的温度急剧上升。当温度达到一定情况，CPU和主板检测到了这种升温，就会“降频”，导致程序卡顿，工作效率下降，影响用户体验，严重时甚至会导致CPU或者主板烧毁。

为了更好地了解水冷散热器，需要先来了解热管式的风冷散热器（其它风冷散热器和我们要讨论的水冷散热器联系不大）。热管式的风冷散热器一般由传热底座、导热铜管、散热鳍片和风扇组成。

导热铜管是中空的，内中充满了一种导热液（这种导热液传热效果很好）。其实我个人认为上面这种风冷散热器已经和传统意义上的水冷散热器区别很小了。见下图。

可以发现，水冷（左图）其实就类似于热管式的风冷散热器，不过前者用导热液把热量带到机箱外部，后者仍然在机箱的内部；而且，水冷的导热液往往有动力主动驱动，而风冷的导热液没有。所以前者的散热效果当然要好于后者。

2.2 发明内容

为了优化现在市面上所见的水冷散热产品，我提出了一种想法。即将水冷头和CPU本身集成到一起。

从之前的文本对CPU的介绍中可以知道，其实CPU的外壳是封装上去的，外壳和内部原件之间是填充了硅脂或者液金的。然后在用户安装使用CPU的时候，又会在上边涂上一层硅脂，无论是风冷还是水冷，这层硅脂基本都是一定要涂的。这样下来，最终的散热效果一定会有折扣。

把水冷头作为CPU的一部分集成上去，只要内部这种设计足够优化，用户就只需要安装外部导管即可！这样，由于省去了很多散热结构（少了一个封装壳和一层硅脂），散热效果也势必得到很大提升！

为了实现上述构想，我先对大体做了设计。首先，参考大多数世面上的产品，本设计，必须保留的有水泵、导管、冷排和风扇。市面上能看见的产品（已经保存了图片在文件夹里）都有这些东西。关于这些部件本身的优化，则不在我的考虑范围内，这就好比CPU的用户并不需要考虑怎么优化CPU，只需要考虑如何使用这一块CPU才能兼容，才能发挥它的最大效益。根据这个道理，水泵、导管、冷排和风扇都不需要我考虑了，我只需要把它们当做一个模块使用就行了。

既然水泵、导管、冷排等都得留着。而且在前面我也说的是把水冷头和CPU集合在一起。那么本设计和现有产品的区别就出来了——没有水冷头。

没有水冷头，而是让导热液通过在CPU封装壳内部，同时在内部原件外部的一个隔绝良好，导热良好的空腔。从而带走热量。导管连接到封装壳上的专用接口，将带有热量的导热液通过导管与液泵连接，在泵的驱动下，导热液又顺着导管来到冷排。冷排是一个分散热量并且散出热量的装置，其上装有风扇。冷排将导热液的热量分散到整个冷排，风扇将这些热量传导到空气中。半个循环后，导热液又沿着另一条导管返回CPU完成一个循环，就像血液在身体的循环一样。

这样，这个装置的功能基本上完成了。

我又思考了两个问题：

漏液问题，把水冷头，原本这个在CPU完整封装壳外面隔着一层硅脂吸收热量的东西。被我放到了CPU内部，散热效果当然能变好。但是，对于使用水冷的用户来说，他们最担心的事情，莫过于漏液了。漏液会造成巨大的经济损失。不过换个角度想，就算是普通的水冷头也有漏液风险。只要在封装壳内使用正确的材料制作合适的空腔，至少里面是不可能漏液。那么能漏液的就只有接头了，实际上水冷基本都有接头，而以现在的技术，不漏水真是太简单了。

体积问题。虽然我说封装壳里填充了一些硅脂或者液金。把它们拿掉就会有一个空腔充当水冷头。但是，由于CPU的高度集成，这个空间很小甚至说几乎没有，那如果使用这个设计，必定会增加厚度，带来不便。

2.3 附图说明

图1为本装置在CPU处接口的原理图。

图2（组图）为本装置宏观的三维结构示意图。

2.4 具体实施例

为了更好地描述本设计的技术方案和优点，现结合图1和图2，对本装置的技术方案进行清楚完整地描述。

（更多的图在文件里可以找到）

如上图1所示，这是本装置集成水冷头到CPU上的详细做法。包括（1）——进液口，（2）——出液口，（3）——内部导热介质，（4）——CPU内部核心元件，（5）——导热液仓。

说明：如图可见，整个装置就是把“水冷头”和CPU结合在了一起，这样做有一个好处，就是（5）——导热液仓的下部可以做成曲面，把内部的元件包裹的同时，又可以增加导热液仓的接触面积，提高散热效率。

工作时，内部元件（4）（用黑色标出的）会放出大量的热能，这个热能通过（3）——内部导热介质传到到（5）——导热液仓，最后，导热液在泵的驱动下，通过导热液仓带走热量。

这个装置与普通散热器的不同之处在于本装置从的导热顺序为：

发热->内部导热介质->金属壳->导热液->外部

发热->内部导热介质->金属壳->外部硅脂->金属壳（水冷头）->导热液->外部

而普通的散热器导热顺序则为：

显然，前者的导热效果要好得多。

又

图2 宏观三维结构图（相关名称已经标注）

如下图2所示，这是全部组装后的样子。

Tubes是用来传输导热液的，fluid pump即液泵，负责驱动导热液。红色物体（heat sink）是冷排，负责分散导热液的热量，并且通过风扇传递到大气中。

一个完整的循环便完成了。

三、技术方案分析

3.1 创新分析

该CPU水冷散热装置最大的创新点在于把水冷头集成到CPU上。从而提高散热效率。此外，对用户来说组装也会更加方便，节省了涂硅脂的步骤。同时，我发现，对于风冷散热器，这个方案也甚至是适用的。在前面的技术背景那里，有介绍风冷散热器和水冷散热器的结构和原理，并且发现了它们结构的相似之处。风冷散热器的底部热管可以近似地看作一个“水冷头”。这样一来，这种集成水冷头到CPU的水冷设计就相当于把热管集成到CPU的风冷散热器。如果生产这种CPU，便不用担心只能使用水冷而不能使用风冷。

3.2 商业价值分析

由于该CPU水冷散热装置是很颠覆的创新，所以商业化起来会比较艰难。甚至可以说这只是对未来计算机世界的一种构想。首先，CPU是极其昂贵的，它的封装技术十分的复杂，任何生产流程上的改变，都需要极大的投资。但是，在这么长的时间里，电子设备一直在向高度集成化发展。如果CPU足够小，散热面积也越来越小，要在外面加装散热器，并且达到良好的散热目的，对于散热器制造商和自己攒机的用户来说是一件比较难的事情。这时候，这样的产品便能派上用场。可见，本设计，在未来还是有立足之地，有一定的潜在商业价值。

3.3 经济性及成本分析

该CPU水冷散热装置如若能够正常使用，作为CPU供应商的一种产品附加技术。可以提高用户的使用体验。首先，在这种基础上设计的风冷和水冷散热器，只需要用户装机时把导管和CPU上对应的接口连接好确保不漏液，再注入相应的导热液，就可以发挥出巨大的散热性能。如此一来，提高了用户的满意度，自然会提升产品销量，获得良好的经济效益。同时，虽然全盘改写市场布局的成本很高，但是实际上，如果应用这个方案，厂商只需要在部分的产品上加上这个设计。就相当于只增开了一条生产线而已，投入的资金，和整个CPU生产链所用资金相比，是微乎其微的。

四、后期计划安排

序号	各阶段完成的内容	完成时间
1	思考设计存在的问题，并做汇总统计	2020-1
2	调研设计实现的可能性	2020-2
3	定夺是否要继续完成此设计	2020-3
4	前往百度贴吧处理器吧和图拉丁吧向用户征求意见	2020-12
5	参加各种创新比赛并申请专利	2021-5
6	试图联系AMD和INTEL	2021-6
7	转让专利	2022-8