一貼教你認識水冷：全網最細！水冷工作原理，性能指標和行業內幕

上次做電腦硬件科普好像已經挺久了，挖的坑不填還是有點過意不去，今天就來把一體式水冷給講一下。本文的目的是爲了幫助大家瞭解水冷的物理原理和性能科普，相信大家看完後也能夠學會挑選適合自己的散熱器。

本文不含廣告，爲了避嫌，不會推薦具體品牌型號的水冷，但是在講解一些細節時，可能也會不可避免地帶到一些產品或對某些品牌含沙射影，請大家諒解。

這篇文章寫的很辛苦，希望大家還是能多多點贊充電支持。

*本文約5000字，閱讀需要10分鐘左右*

【水冷起源與侷限性】

水冷的歷史最早可追溯到19世紀末的盤管散熱。這種系統專爲汽車散熱而設計，結構相當簡陋，沒有專門的冷排，全靠水在管內自然循環，效率相當感人。

真正奠定現代水冷系統的則是1901年德國工程師威廉·邁巴赫的突破性發明----蜂窩式散熱器。

蜂窩式散熱器

他設計了一種由大量小方管組成的蜂窩結構，管間夾銅絲形成水道，管內則通過空氣給液體降溫。這便是我們現在熟知的冷排與風扇散熱的雛形。

不久後，水泵被引入系統，水路循環也從被動轉向主動散熱；

1920年帶有水泵的水冷散熱

1916年英國首次提出使用乙二醇作爲發動機冷卻液，此配方也與現代冷液成分大同小異。

可以說現代廠商反覆折騰的，不過是汽車工業一百多年玩剩下的罷了。水冷也和風冷一樣，是一個一眼望到頭，幾乎已經逼近物理極限的行業，那麼現代水冷廠商吹噓的“升級換代”，“性能提升”，究竟從何而來？

老登我的第一款水冷，還是120的，一晃都十多年過去了

與汽車發動機不同，PC芯片的熱量密度極高，但總熱量很小。這意味着它更追求極致的散熱效率，而非單純的散熱規模。

其實這些年的水冷所謂性能提升，也不“完全”是騙人，很大程度上靠的是設計上的錙銖必較。接下來，我們就從水冷系統的各個元件入手，逐一講解水冷系統的組成，原理和一些相對冷門的內幕。

【風扇】

風扇是最影響水冷性能的部件之一。但令人遺憾的是，多數水冷廠商----尤其是DIY整機廠商選用的定製一體水的風扇，性能從來不是第一要務。一般來說，普通水冷廠商的組件往往選擇東莞附近廠商就近採購，真正有能力有意願自研開模的少之又少，風扇也是如此。

同樣是12cm風扇，差距可不是一般的大

通常來說，水冷廠商風扇選擇的順位是：成本>故障率和售後>顏值，性能什麼早就拋到九霄雲外了----畢竟好的風扇真的挺貴的。這也就導致了市售水冷的風扇往往性能堪憂，所以購買水冷後更換風扇是提升性能的有效方式。

關於風扇的科普和選擇大家可以看一下我這篇文章，傳送門👇👇

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下週我也考慮把這篇文章再重製一遍，如果感興趣的可以點下關注哦~

【冷液和水管】

接下來就進入到水冷的本體部分，我們先從最簡單易懂的冷液和水管開始。

冷液的配方基本是水、EG乙二醇（或PG丙二醇）和多種添加劑的混合物，與汽車防凍液（當然是不含酒精的那種）大同小異，不同品牌間最大的區別不過是顏料不同而已。但也有一些廠商爲了從這方面壓榨性能動起了歪腦筋。

衆所周知，水的比熱容和導熱係數遠高於EG或PG，那麼爲什麼冷液不用純水呢？最核心的原因還是冰點，水的冰點爲0℃，一旦結冰體積就會膨脹11%左右，導致水冷系統破裂。

同時，純水還容易滋生菌藻，腐蝕銅底等，所以，冷液中需要添加EG或PG以降低冰點，並加入抑菌劑緩蝕劑等添加劑。但是，無論是EG還是PG導熱係數都遠低於純水，那麼稀釋冷液似乎就是一個提升性能的捷徑了。

但正如我們剛剛提過的那樣，冷液的冰點越高，安全隱患就更大，尤其是對於需要長距離運輸或在高緯度地區使用的用戶來說。但稀釋冷液似乎逐漸成爲近年來的趨勢，從-13℃到-6℃，越來越多的廠商開始使用高冰點的冷液，而這一切都因行業的不正當競爭而起，也許這也是一種劣幣驅逐良幣吧。

說到膨脹，順便提一下一體水是如何應對熱脹冷縮的。與分體水不同，一體水沒有泄壓機構，是完全密封的。爲防止液體膨脹撐破管路，廠商在灌裝時並不會將冷液加滿（通常只充三分之一左右）。當冷液膨脹時，系統內預留的空氣就會被壓縮充當緩衝，從而保障系統的結構安全。

分體水冷水箱不灌滿也是一個道理

說完了冷液我們再說一下水管。水管本身不直接影響散熱性能（管徑會輕微影響水阻），它唯一的作用就是把冷排與冷頭連接起來。

但是，在這個過程中就會產生四個（如果水泵裝在水管上那就是六個）連接點，這些點通常也是一體水漏水的主要位置。

不過現代一體水對這些位置都進行了針對性加固，漏液概率已大大降低。同時主流的EPDM三元乙丙橡膠水管有着非常優異的化學穩定性，同時物理韌性出色，外加水冷管包網，只要不是刀切火燒，絕大多數非人爲損害都難以將其破壞。換句話說，擔心一體水漏液是多餘的，也正因如此，現代廠商的漏液質保年限越來越長，理賠政策也在提升，因爲這本身就是極小概率事件。

EPDM水冷管，壁厚至少1.5mm

但這也不意味着管道就絕對安全，EPDM的老化週期普遍在5-6年左右，在高溫嚴苛環境可能降至2-5年。水冷管老化後會變硬變脆，更容易產生破裂，所以條件允許的情況下，還是建議大家儘可能2年左右換一次水冷。

【冷排】

接下來就要說水冷系統中最乏善可陳的部分----冷排了。

冷排是整個系統中最受物理定律約束的元件，其性能幾乎完全與尺寸掛鉤。它的寬度必須與風扇一致（12cm或14cm），長度則是略多於其倍數（由風扇數量決定），唯一能做文章的只有厚度了。

主流的冷排厚度爲27mm。這個不三不四的數字其實源於一個工業標準----1英寸（25.4mm）。

早期工業中多以英制單位爲標準，主流風扇的厚度也正是1英寸（爲方便公制尺寸換算四捨五入爲25mm）。冷排的鰭片部分同樣沿用了約1英寸的高度，算上外殼和密封結構，最終厚度就是27mm左右。

但27mm的厚度並不是妥協，而是廠商和用戶都認可的標準。雖然更厚的冷排能增加換熱面積，但同時會顯著增大氣流阻力。這意味需要換用更強，成本也更高的風扇，與機箱的兼容性也會有損失。前幾年因性能而出名的追風者T30G1也在短短第二代就捨棄了厚排方案，也證明了在當下更厚的冷排難以普及。

T30的厚排+厚扇，兼容性相當糟糕

不過，能否通過把冷排材料從鋁換成導熱係數更高的銅來提升性能呢？這個答案可能比較複雜。

首先銅排的性能提升遠沒有想象中大。51972之前一期對水冷廠商的專訪也提到，銅排相比鋁排的性能增益僅有約5%，且銅製水道和鰭片的連接通常需使用熔點較低的錫進行焊接，錫的導熱性能（67 W/m·K）遠低於銅和鋁，這層焊料成了導熱路徑上的瓶頸，那5%的理論性能實際上還得再打折扣。

alphacool的純銅冷排

同時衆所周知，銅的價格也遠高於鋁，還需要在冷液中添加成本更高的特殊緩蝕劑；不僅如此，銅的密度也是鋁的3倍以上，如果換用銅排，重量也將大幅上升，對於一些廉價機箱來說是不可承受之重，運輸成本也會因此提高。爲了換取這一丁點性能，這顯然不合算。

不過，銅排也並非毫無用處。CPU與冷頭的接觸面通常是銅底，學過初中化學的我們都知道銅會與鋁冷排形成電化學腐蝕。雖然冷液是絕緣體，但隨着系統運行，來自水泵或冷排的微量金屬碎屑會混入其中，使其輕微導電，從而緩慢腐蝕銅底並堵塞水道。這也是許多水冷在使用2年後性能逐漸衰減的原因之一。不過據我所知，市售的消費一體水應該是沒有銅排的，所以這部分就不再贅述了。

下面就是最重要的冷頭部分了，由於冷頭部分比較複雜，我們這裏要將其拆成3部分講解。

【冷頭裝飾】

這部分就一筆帶過了：在一個廉價易耗品上裝昂貴的耐用品我覺得是不妥的----也許大家會認爲這是暴論，但這就是我對現在各種冷頭屏幕的評價。

這個行業越來越離譜了

不僅是屏幕，各種RGB或是自稱能夠降低內存或供電溫度的集成風扇在我看來都是智商稅，但如果產品本身性能過硬，或是這些部件是選裝或價格很便宜，那就是另一碼事了。好了點到爲止，進入下一部分。

....至少比屏幕有用吧

【水泵】

水泵是水冷性能的另一個決定性部件，也是多數廠商宣傳新產品時的重點。它通常被集成在冷頭上，也有一些產品會爲了規避asetek的專利而裝在冷排上或因尺寸限制裝在水管上的，後兩者都有一定的缺陷。

雖然水泵在冷排上的產品往往會將水泵放在其中一個風扇的軸承位置以儘可能減小對性能的影響，但無論多小還是會佔用鰭片的空間，在這個解熱能力捉襟見肘的時代，任何一點性能都要錙銖必較，這種方案也因此逐漸淹沒在時代的長河中。

冷排水泵

而安裝在水冷管上的問題則在於水泵的運行可能會使未固定到位的水管連帶震動，輕則產生噪音，重則影響壽命，同時也不是很美觀，因此這種方案在當下極爲少見，但也有個別例如ABEE的服務器水冷使用，也許背後還有一些深層次的原因？

這個水冷還挺強的來着

說罷了形態我們再聊一聊性能。水泵的核心參數是流量和揚程，分別對應着轉速和扭矩。我們都知道在功率一定的情況下，轉速越高，扭矩就越低。

PC水冷水路狹窄、水道密集，整體水阻較高，因此揚程遠比流量更重要。然而，廠商宣傳時通常樂於展示轉速（流量），但對揚程諱莫如深，這也間接說明了目前主流水冷的軟肋所在，所以還是建議盒友們在購買前可以看一下水冷的拆解視頻，不要迷信品牌或顏值。

沒有揚程

當然，即便是拆解視頻，揚程什麼的各大UP也大多不會涉及，這裏就要給大家推薦個專做拆解的UP。

不過這個UP近兩年也接商單接到迷失自我了，只能說作爲用戶我們還是得保持獨立思考的意識。那麼在看不到水泵具體性能的情況下，如何判斷水泵性能呢？我們可以將目光轉向另一處：用料，畢竟用料好的廠商沒道理性能或壽命不如用料差的吧？

那麼水泵的用料主要分爲四塊，殼體、葉輪、軸承和電機。

殼體和葉輪大多數產品用的都是PPS，可能有少部分產品會用稍貴的PBT，這方面各大廠商都是大同小異，而軸承就不一樣了。

軸承的材料有全陶瓷，陶瓷+石墨，金屬或工程塑料。塑料當然也不是普通的塑料，多爲尼龍材質，廠商有時還會加入碳纖材質以增加強度。但是這種組合在長期使用後可能會產生磨損，其中的碳纖可能會外露碎裂而侵入到冷液中，加劇冷頭堵塞的風險。相比之下，陶瓷則幾乎不會磨損，從而避免污染整個系統，但複合陶瓷價格是塑料的數倍，全陶瓷則更高，我們很難在消費級水冷中看到全陶瓷軸承的產品，用複合陶瓷的也基本上集中在中高端產品中，而金屬軸承則介於塑料和陶瓷之間，通常來說相比塑料軸承略好一些但不多，同樣會有碎屑問題。

鏟齒堵塞

不過在實測中，那些陶瓷軸承的產品也並非絕對壽命更長，有些甚至打不過用塑料軸承的競品，所以水冷的設計是一項平衡的藝術，在某方面出類拔萃並不能讓你成爲最優秀的產品。

接下來就是電機，電機是水泵的心臟，水冷普遍採用三相無刷電機。

電機的極數影響其扭矩、速度範圍和噪音。極數越多，電機轉速越低，但通常能產生更高扭矩。槽數則必須爲相數的倍數，因此主流是六槽，也有個別採用九槽的設計。

槽數與極數的搭配需要講究平衡，其最小公倍數越大，齒槽轉矩越小，電機就越靜音，但同樣的，成本也會相應的更高。市面上主流的電機選擇多是四級六槽電機，也有像酷冷龍影這樣九槽十二級的，所以一個水冷的用料好壞也能從電機的規格上窺知一二。

【水道和銅底】

水道設計是各大水冷廠商技術的主戰場，也是一些品牌的核心專利所在。在水泵驅動下，水流通過狹小的噴射口高速衝擊在銅底背面，再經由密密麻麻的微水道將熱量帶走。但可惜的是，老登我並不懂水道設計，這裏只能暫時跳過，等以後瞭解地更清楚了以後再來和大家科普，我們就暫時跳過噴射水道進入下一部分----銅底的設計。

一般來說類似這種宣傳都是扯淡

我們先從銅底的反面也就是微水道開始。與風冷的鰭片同理，銅底的散熱效能取決於微水道的表面積。表面積越大，與水接觸越充分，導熱效率就越高。但受限於冷頭尺寸和水道結構，鰭片不能做得太高，也不能無限加密。當下廠商常以鰭片密度來炫耀工藝水平。不過，更密的鰭片雖能提升性能，但也更容易被前文提到的軸承碎屑或冷液雜質堵塞。

僅有0.1mm厚的鏟齒

銅底鰭片的製造工藝有兩種：CNC和鏟齒。CNC工藝可以將鰭片加工成特定的形狀以優化散熱面積，極客灣也做過一期將CPU頂蓋CNC改造成冷頭的視頻，非常有意思，推薦大家觀看。但我們不難發現，CNC方案良率很低，成本極高，註定無法成爲主流。因此市售的消費級水冷幾乎100%採用鏟齒工藝。

微水道的形狀也很有講究----這是個冷知識。早期，爲匹配英特爾CPU的長方形頂蓋，廠商會將鏟齒區域做成長方形以節約成本。但這導致了一個問題，如果安裝時長邊方向錯位90度，散熱能力會大幅下降。一些稍早的水冷產品（如asetek 6代）都會在說明書上強調冷頭安裝方向。不過，由於AMD的異軍突起，現在的絕大多數水冷都已將鏟齒區域改爲趨近正方形，面積也大大增加，從根本上杜絕了這個問題。

最左側長方形的微水道，現在已經不常見了

接下來我們再看正面，也就是和CPU頂蓋接觸的部分。

雖然我們會用硅脂或相變片作爲CPU和銅底之間的填充，但我們還是希望銅底能夠更多的和CPU頂蓋接觸。現代CPU頂蓋雖已打磨得較爲平整，但其實都不是純平的，或多或少會有一些工藝上的缺陷。相比於AMD的純平或微凸，英特爾的頂蓋卻常常有些內凹。

吧友做的示意圖，上AMD下英特爾

以前廠商爲了適應英特爾頂蓋形狀，不得不將銅底設計爲微凸造型，但這種造型對AMD來說就不太友好了。廠商也很無奈，爲了匹配紅藍陣營的CPU頂蓋，他們只好提供兩種版本：純平底（AMD版）和凸底（英特爾版），大家在選購時需多加留意。

不只是扣具不同！

此外，爲適應不同CPU發熱源的位置差異，一些水冷會通過偏置扣具來優化接觸區域，這個不是本期重點，就暫時跳過。

然後我們回到銅底側面，也是絕大多數人忽略的地方----厚度。銅的導熱能力雖然很強，但仍遠不及直接接觸。爲了摳出最後一點性能，一些極端的廠商會將銅底削得極薄，以此縮短導熱路徑。這種無賴的方案可以有效提升性能，同時也能略微降低成本，但是代價是什麼呢？

無關圖片防衝

這些銅底由於厚度過薄，甚至到了稍加壓力就會變形的程度。這種水冷在長期使用或多次拆裝後，銅底會發生不可逆的形變導致性能斷崖式下跌。我知道大家可能對裝機猿頗有微詞，但這裏不得不引用他的一句話：現代水冷的散熱已經頂到了物理極限了，那些看似突破了極限的廠商往往靠的是突破了某方面的底線。在我看來，水冷的壽命比那略低的一兩度，或是花裏胡哨的RGB和屏幕重要得多。