5大水冷板設(shè)計及比較

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，隨之而來的散熱挑戰(zhàn)也日益嚴(yán)峻。尤其在高效能伺服器、AI、電動車以及高功率設(shè)備等領(lǐng)域，傳統(tǒng)的空冷散熱往往無法滿足需求，此時水冷散熱系統(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，實現(xiàn)穩(wěn)定運行并延長設(shè)備壽命。不僅如此，水冷系統(tǒng)還能以更靜音的方式運作，滿足對噪音敏感的場景。

在水冷系統(tǒng)中，「水冷板」無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)計的好壞直接影響整個系統(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，是深入認(rèn)識水冷散熱技術(shù)的第一步。接下來，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)計方法與實際應(yīng)用。

水冷系統(tǒng)的原理與流程

一個完整的水冷系統(tǒng)主要由水泵、水箱、水冷板、散熱排（水冷排）和連接水管組成。其運作原理看似簡單，實則講究– 水泵推動冷卻液在系統(tǒng)中循環(huán)，冷卻液經(jīng)過水冷板時帶走發(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。這個過程中，冷卻液扮演著熱能載體的角色，透過流動將熱量持續(xù)帶離發(fā)熱源。

冷卻液的選擇也是一門學(xué)問。純水雖然價格便宜且容易取得，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，在視覺效果上更添風(fēng)采。這些特制冷卻液不僅能延長系統(tǒng)壽命，還能提供更好的導(dǎo)熱性能。

水冷板的設(shè)計

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的冷卻液中，實現(xiàn)高效的熱交換。由于水冷板直接接觸熱源，其設(shè)計不僅需要滿足高效導(dǎo)熱的需求，還需兼顧結(jié)構(gòu)強度、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。

2.流體動力學(xué)內(nèi)部流道的設(shè)計必須平衡流體的速度與壓降。過高的流速會增加泵浦負(fù)擔(dān)，而過低的流速則可能導(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）會影響成本與性能。

4.材料選擇目前市面上最常見的是銅制水冷板，因為銅具有優(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)品有時會選用銀制水冷板，雖然導(dǎo)熱性能最佳，但昂貴的價格讓它僅限于特殊應(yīng)用場景。

管道設(shè)計是最傳統(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)計的制程相對簡單：只需要將銅管或鋁管經(jīng)過彎折，再與底板進行焊接或壓合即可，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，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，接觸面積相對有限加上管道會有彎折處，因此散熱均勻性稍差，容易在局部產(chǎn)生熱點，散熱效率在五種方案中相對較低。

微通道水冷板是一種先進的設(shè)計，通過在水冷板內(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)計可以運用精密的CNC加工或蝕刻技術(shù)，制作難度較高。這種設(shè)計尤其適合高階CPU、GPU等高熱密度元件的散熱。目前高端電競水冷產(chǎn)品和專業(yè)工作站常常采用這種設(shè)計。不過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，維護成本高昂。

折曲鰭片設(shè)計像是在兩者之間找到了平衡點。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)生適度的湍流來強化換熱效果。這種設(shè)計的制作相對簡單，主要通過沖壓成型，再與底板進行焊接，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，兼具了不錯的效能和合理的成本。

針狀鰭片水冷板以其內(nèi)部布滿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)計能夠顯著提升冷卻液的湍流效果，來達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。

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。由于鰭片和基材是一體結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計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），通過專用的鏟齒機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)計自由度較受限，對小型空間的應(yīng)用場景有所局限。

1.散熱效率從純散熱效率來看，微通道和鏟齒散熱片設(shè)計領(lǐng)先群雄，主要歸功于它們優(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，雖然整體效能略遜一籌，但在特定應(yīng)用場景中仍能發(fā)揮獨特優(yōu)勢。管道設(shè)計的散熱效率相對最低，但它的可靠性和維護性卻是首屈一指。不過實際的散熱效率還是需要依設(shè)計的密度、鰭片尺寸等影響接觸面積的項目而定。

2.成本效益管道設(shè)計的制造成本最低，加工簡單且原料便宜，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)備和加工時間較長。微通道設(shè)計則因其復(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，但長距離的路徑和過多的彎頭設(shè)計仍是主要阻力來源，其中若是彎頭設(shè)計不良，甚至可能會產(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，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，但對水泵性能和冷卻液純度要求較高。

• 折曲式

  流體經(jīng)過折曲鰭片時，會產(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，冷卻液在繞過鰭片時需多次改變方向，導(dǎo)致流體阻力顯著增加。雖然湍流現(xiàn)象在這種設(shè)計中非常明顯，有助于熱交換但也同時提升壓降。

• 鏟齒式

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

在選擇水冷板時，沒有放諸四海皆準(zhǔn)的完美方案，重點是找到最符合需求的設(shè)計。對于一般使用者來說，建議從以下幾個角度評估：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)計往往伴隨著更高的成本；最后是使用環(huán)境和維護能力，這關(guān)系到長期使用的可靠性。

【免責(zé)聲明】版權(quán)歸原作者所有，本文僅用于技術(shù)分享與交流，非商業(yè)用途！對文中觀點判斷均保持中立，若您認(rèn)為文中來源標(biāo)注與事實不符，若有涉及版權(quán)等請告知，將及時修訂刪除，感謝關(guān)注！

-----------------------------------------------------------------

0、重磅 | 《新能源汽車動力電池包PACK設(shè)計課程從入門到精通40講+免費分享篇》視頻-2025年課程安排

持續(xù)更新：典型電池包案例分析（奧迪etron、捷豹I-pace、大眾MEB、MODEL3、通用BOLT等）：

為什么選擇這套課程：

大家好，我是LEVIN老師，近10年專注新能源動力電池包PACK系統(tǒng)設(shè)計、電池包熱管理設(shè)計及CFD仿真。

該課程是全網(wǎng)唯一系統(tǒng)層級的PACK設(shè)計教程，從零部件開發(fā)到結(jié)構(gòu)設(shè)計校核一系列課程，重點關(guān)注零部件設(shè)計、熱管理零部件開發(fā)、電氣零部件選型等，讓你從一個小白從零開始入門學(xué)習(xí)新能源電池包設(shè)計。

2024回饋新老新能源人，（新能源電池包技術(shù)）公眾號特惠，為方便大家提升，限量50份半價出售全套《新能源電池包PACK設(shè)計入門到進階30講+免費能分享篇》、《Fluent新能源電池包PACK熱管理仿真入門到進階28講+番外篇》視頻課程，并送持續(xù)答疑！了解更多課程，加微信號詳詢：LEVIN_simu

1、獨家 | Ansys Fluent新能源動力電池PACK熱仿真從入門到精通28講-2023年課程安排（電池包熱仿真）

說明：第5部分為免費分享篇，部分內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)公開資料收集和整理，不作為商業(yè)用途。

解決動力電池包MAP等效4C充電、熱失控?zé)嵋种啤?/span>恒功率AC/PTC滯環(huán)控制電路SOC模型設(shè)置教程；是目前市場上唯壹一套從PACK模型的簡化到熱模型建立和后處理評價標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)講解。希望能幫助到大家。

了解更多《動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計》、《starccm+電池包熱仿真課程》、《儲能系統(tǒng)熱管理設(shè)計與仿真課程》，
關(guān)注公眾號：新能源電池包技術(shù)
或加右方微信號：LEVIN_simu

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請讀者僅作參考，并自行核實相關(guān)內(nèi)容。若對該稿件內(nèi)容有任何疑問或質(zhì)疑，請立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應(yīng)并做處理，再次感謝您的閱讀與關(guān)注。