水冷系統

在高功率或是高熱通量的應用，當傳統的氣冷系統散熱方式性能不足，無法維持發熱源的安全運作溫度時，高熱傳性能的液態冷卻方案便是需要考量的選擇。完整的液態冷卻系統如下圖所示，包含幾個重要組件：水冷板(cold plate)，熱交換器(radiator)，風扇(fan) 幫浦(pump)，水箱(reservoir) 。水冷系統工作時，金屬製造的水冷版與熱源貼付，帶走來自熱源工作時的熱能，冷水流進入水冷板後，在腔體內循環將熱帶出，透過管路到熱交換器與冷空氣換熱。溫度降低的液體再經由管路回到水箱，經幫浦加壓，再流往水冷板做下一次的循環。

水冷管路的配置可隨熱源數量和系統內的空間而變化，熱源的串接可分為串連與並聯兩種；串連的好處是管路安排比較單純，流過每一個水冷板的水量一致，缺點是水溫會持續提高，愈下游的熱源溫度愈高；並聯的好處是熱源溫度相當，但管路安排較為複雜。

液態冷卻最明確的優勢在於液體的比熱和熱傳系數遠高於空氣，所以效率遠高於傳統氣冷。
用生活中的感受來舉例，假設坐在泳池邊，氣溫20°C，只需短袖衣物人體感受相當舒適；若突然跳入泳池中，假設水溫同為20 °C，應該會感到冷顫，需激烈的游動保持體溫，或是立刻離開水中。同樣是20°C，人體在水中流失的體熱遠高於處於空氣之中，差異非常明顯。

水冷方案有幾個優勢：

• 高熱對流係數（h）空氣1~1，000 (W/m² K) 水 液體 50~10，000 (W/m² K)
• 透過管路和幫浦設計，擴展性較高
• 可對應較高功率和高熱通量需求

各產業的發展與進步，在於系統能力與功率的提升，水冷系統性能優於氣冷方案，但也較為複雜，常用於電力電子元件系統，雷射系統與醫療系統。
水冷系統開發時有許多設計選項和參數需彼此權衡，工程師在滿足熱需求的同時，同時還需要考慮其他的相關項目，盡量的降低開發與製造成本。

• 散熱性能
• 熱交換面積與壓力損失
• 管路分配，幫浦負荷與能力
• 流量分配與穩定性
• 重量/尺寸

▲ 水冷板