上次做电脑硬件科普好像已经挺久了，挖的坑不填还是有点过意不去，今天就来把一体式水冷给讲一下。本文的目的是为了帮助大家了解水冷的物理原理和性能科普，相信大家看完后也能够学会挑选适合自己的散热器。
本文不含广告，为了避嫌，不会推荐具体品牌型号的水冷，但是在讲解一些细节时，可能也会不可避免地带到一些产品或对某些品牌含沙射影，请大家谅解。
这篇文章写的很辛苦，希望大家还是能多多点赞充电支持。
*本文约5000字，阅读需要10分钟左右*
【水冷起源与局限性】
水冷的历史最早可追溯到19世纪末的盘管散热。这种系统专为汽车散热而设计，结构相当简陋，没有专门的冷排，全靠水在管内自然循环，效率相当感人。
老登我的第一款水冷，还是120的，一晃都十多年过去了
与汽车发动机不同，PC芯片的热量密度极高，但总热量很小。这意味着它更追求极致的散热效率，而非单纯的散热规模。
其实这些年的水冷所谓性能提升，也不“完全”是骗人，很大程度上靠的是设计上的锱铢必较。接下来，我们就从水冷系统的各个元件入手，逐一讲解水冷系统的组成，原理和一些相对冷门的内幕。
【风扇】
风扇是最影响水冷性能的部件之一。但令人遗憾的是，多数水冷厂商—-尤其是DIY整机厂商选用的定制一体水的风扇，性能从来不是第一要务。一般来说，普通水冷厂商的组件往往选择东莞附近厂商就近采购，真正有能力有意愿自研开模的少之又少，风扇也是如此。
同样是12cm风扇，差距可不是一般的大
通常来说，水冷厂商风扇选择的顺位是：成本>故障率和售后>颜值，性能什么早就抛到九霄云外了—-毕竟好的风扇真的挺贵的。这也就导致了市售水冷的风扇往往性能堪忧，所以购买水冷后更换风扇是提升性能的有效方式。
关于风扇的科普和选择大家可以看一下我这篇文章，传送门👇👇
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下周我也考虑把这篇文章再重制一遍，如果感兴趣的可以点下关注哦~
【冷液和水管】
接下来就进入到水冷的本体部分，我们先从最简单易懂的冷液和水管开始。
冷液的配方基本是水、EG乙二醇（或PG丙二醇）和多种添加剂的混合物，与汽车防冻液（当然是不含酒精的那种）大同小异，不同品牌间最大的区别不过是颜料不同而已。但也有一些厂商为了从这方面压榨性能动起了歪脑筋。
众所周知，水的比热容和导热系数远高于EG或PG，那么为什么冷液不用纯水呢？最核心的原因还是冰点，水的冰点为0℃，一旦结冰体积就会膨胀11%左右，导致水冷系统破裂。
同时，纯水还容易滋生菌藻，腐蚀铜底等，所以，冷液中需要添加EG或PG以降低冰点，并加入抑菌剂缓蚀剂等添加剂。但是，无论是EG还是PG导热系数都远低于纯水，那么稀释冷液似乎就是一个提升性能的捷径了。
但正如我们刚刚提过的那样，冷液的冰点越高，安全隐患就更大，尤其是对于需要长距离运输或在高纬度地区使用的用户来说。但稀释冷液似乎逐渐成为近年来的趋势，从-13℃到-6℃，越来越多的厂商开始使用高冰点的冷液，而这一切都因行业的不正当竞争而起，也许这也是一种劣币驱逐良币吧。
说到膨胀，顺便提一下一体水是如何应对热胀冷缩的。与分体水不同，一体水没有泄压机构，是完全密封的。为防止液体膨胀撑破管路，厂商在灌装时并不会将冷液加满（通常只充三分之一左右）。当冷液膨胀时，系统内预留的空气就会被压缩充当缓冲，从而保障系统的结构安全。
分体水冷水箱不灌满也是一个道理
说完了冷液我们再说一下水管。水管本身不直接影响散热性能（管径会轻微影响水阻），它唯一的作用就是把冷排与冷头连接起来。
但是，在这个过程中就会产生四个（如果水泵装在水管上那就是六个）连接点，这些点通常也是一体水漏水的主要位置。
不过现代一体水对这些位置都进行了针对性加固，漏液概率已大大降低。同时主流的EPDM三元乙丙橡胶水管有着非常优异的化学稳定性，同时物理韧性出色，外加水冷管包网，只要不是刀切火烧，绝大多数非人为损害都难以将其破坏。换句话说，担心一体水漏液是多余的，也正因如此，现代厂商的漏液质保年限越来越长，理赔政策也在提升，因为这本身就是极小概率事件。
EPDM水冷管，壁厚至少1.5mm
但这也不意味着管道就绝对安全，EPDM的老化周期普遍在5-6年左右，在高温严苛环境可能降至2-5年。水冷管老化后会变硬变脆，更容易产生破裂，所以条件允许的情况下，还是建议大家尽可能2年左右换一次水冷。
【冷排】
接下来就要说水冷系统中最乏善可陈的部分—-冷排了。
冷排是整个系统中最受物理定律约束的元件，其性能几乎完全与尺寸挂钩。它的宽度必须与风扇一致（12cm或14cm），长度则是略多于其倍数（由风扇数量决定），唯一能做文章的只有厚度了。
主流的冷排厚度为27mm。这个不三不四的数字其实源于一个工业标准—-1英寸（25.4mm）。
早期工业中多以英制单位为标准，主流风扇的厚度也正是1英寸（为方便公制尺寸换算四舍五入为25mm）。冷排的鳍片部分同样沿用了约1英寸的高度，算上外壳和密封结构，最终厚度就是27mm左右。
但27mm的厚度并不是妥协，而是厂商和用户都认可的标准。虽然更厚的冷排能增加换热面积，但同时会显著增大气流阻力。这意味需要换用更强，成本也更高的风扇，与机箱的兼容性也会有损失。前几年因性能而出名的追风者T30G1也在短短第二代就舍弃了厚排方案，也证明了在当下更厚的冷排难以普及。
T30的厚排+厚扇，兼容性相当糟糕
不过，能否通过把冷排材料从铝换成导热系数更高的铜来提升性能呢？这个答案可能比较复杂。
首先铜排的性能提升远没有想象中大。51972之前一期对水冷厂商的专访也提到，铜排相比铝排的性能增益仅有约5%，且铜制水道和鳍片的连接通常需使用熔点较低的锡进行焊接，锡的导热性能（67 W/m·K）远低于铜和铝，这层焊料成了导热路径上的瓶颈，那5%的理论性能实际上还得再打折扣。
alphacool的纯铜冷排
同时众所周知，铜的价格也远高于铝，还需要在冷液中添加成本更高的特殊缓蚀剂；不仅如此，铜的密度也是铝的3倍以上，如果换用铜排，重量也将大幅上升，对于一些廉价机箱来说是不可承受之重，运输成本也会因此提高。为了换取这一丁点性能，这显然不合算。
不过，铜排也并非毫无用处。CPU与冷头的接触面通常是铜底，学过初中化学的我们都知道铜会与铝冷排形成电化学腐蚀。虽然冷液是绝缘体，但随着系统运行，来自水泵或冷排的微量金属碎屑会混入其中，使其轻微导电，从而缓慢腐蚀铜底并堵塞水道。这也是许多水冷在使用2年后性能逐渐衰减的原因之一。不过据我所知，市售的消费一体水应该是没有铜排的，所以这部分就不再赘述了。
下面就是最重要的冷头部分了，由于冷头部分比较复杂，我们这里要将其拆成3部分讲解。
【冷头装饰】
这部分就一笔带过了：在一个廉价易耗品上装昂贵的耐用品我觉得是不妥的—-也许大家会认为这是暴论，但这就是我对现在各种冷头屏幕的评价。
这个行业越来越离谱了
不仅是屏幕，各种RGB或是自称能够降低内存或供电温度的集成风扇在我看来都是智商税，但如果产品本身性能过硬，或是这些部件是选装或价格很便宜，那就是另一码事了。好了点到为止，进入下一部分。
….至少比屏幕有用吧
【水泵】
水泵是水冷性能的另一个决定性部件，也是多数厂商宣传新产品时的重点。它通常被集成在冷头上，也有一些产品会为了规避asetek的专利而装在冷排上或因尺寸限制装在水管上的，后两者都有一定的缺陷。
虽然水泵在冷排上的产品往往会将水泵放在其中一个风扇的轴承位置以尽可能减小对性能的影响，但无论多小还是会占用鳍片的空间，在这个解热能力捉襟见肘的时代，任何一点性能都要锱铢必较，这种方案也因此逐渐淹没在时代的长河中。
冷排水泵
而安装在水冷管上的问题则在于水泵的运行可能会使未固定到位的水管连带震动，轻则产生噪音，重则影响寿命，同时也不是很美观，因此这种方案在当下极为少见，但也有个别例如ABEE的服务器水冷使用，也许背后还有一些深层次的原因？
这个水冷还挺强的来着
说罢了形态我们再聊一聊性能。水泵的核心参数是流量和扬程，分别对应着转速和扭矩。我们都知道在功率一定的情况下，转速越高，扭矩就越低。
PC水冷水路狭窄、水道密集，整体水阻较高，因此扬程远比流量更重要。然而，厂商宣传时通常乐于展示转速（流量），但对扬程讳莫如深，这也间接说明了目前主流水冷的软肋所在，所以还是建议盒友们在购买前可以看一下水冷的拆解视频，不要迷信品牌或颜值。
没有扬程
当然，即便是拆解视频，扬程什么的各大UP也大多不会涉及，这里就要给大家推荐个专做拆解的UP。
不过这个UP近两年也接商单接到迷失自我了，只能说作为用户我们还是得保持独立思考的意识。那么在看不到水泵具体性能的情况下，如何判断水泵性能呢？我们可以将目光转向另一处：用料，毕竟用料好的厂商没道理性能或寿命不如用料差的吧？
那么水泵的用料主要分为四块，壳体、叶轮、轴承和电机。
壳体和叶轮大多数产品用的都是PPS，可能有少部分产品会用稍贵的PBT，这方面各大厂商都是大同小异，而轴承就不一样了。
轴承的材料有全陶瓷，陶瓷+石墨，金属或工程塑料。塑料当然也不是普通的塑料，多为尼龙材质，厂商有时还会加入碳纤材质以增加强度。但是这种组合在长期使用后可能会产生磨损，其中的碳纤可能会外露碎裂而侵入到冷液中，加剧冷头堵塞的风险。相比之下，陶瓷则几乎不会磨损，从而避免污染整个系统，但复合陶瓷价格是塑料的数倍，全陶瓷则更高，我们很难在消费级水冷中看到全陶瓷轴承的产品，用复合陶瓷的也基本上集中在中高端产品中，而金属轴承则介于塑料和陶瓷之间，通常来说相比塑料轴承略好一些但不多，同样会有碎屑问题。
铲齿堵塞
不过在实测中，那些陶瓷轴承的产品也并非绝对寿命更长，有些甚至打不过用塑料轴承的竞品，所以水冷的设计是一项平衡的艺术，在某方面出类拔萃并不能让你成为最优秀的产品。
接下来就是电机，电机是水泵的心脏，水冷普遍采用三相无刷电机。
电机的极数影响其扭矩、速度范围和噪音。极数越多，电机转速越低，但通常能产生更高扭矩。槽数则必须为相数的倍数，因此主流是六槽，也有个别采用九槽的设计。
槽数与极数的搭配需要讲究平衡，其最小公倍数越大，齿槽转矩越小，电机就越静音，但同样的，成本也会相应的更高。市面上主流的电机选择多是四级六槽电机，也有像酷冷龙影这样九槽十二级的，所以一个水冷的用料好坏也能从电机的规格上窥知一二。
【水道和铜底】
水道设计是各大水冷厂商技术的主战场，也是一些品牌的核心专利所在。在水泵驱动下，水流通过狭小的喷射口高速冲击在铜底背面，再经由密密麻麻的微水道将热量带走。但可惜的是，老登我并不懂水道设计，这里只能暂时跳过，等以后了解地更清楚了以后再来和大家科普，我们就暂时跳过喷射水道进入下一部分—-铜底的设计。
一般来说类似这种宣传都是扯淡
我们先从铜底的反面也就是微水道开始。与风冷的鳍片同理，铜底的散热效能取决于微水道的表面积。表面积越大，与水接触越充分，导热效率就越高。但受限于冷头尺寸和水道结构，鳍片不能做得太高，也不能无限加密。当下厂商常以鳍片密度来炫耀工艺水平。不过，更密的鳍片虽能提升性能，但也更容易被前文提到的轴承碎屑或冷液杂质堵塞。
仅有0.1mm厚的铲齿
铜底鳍片的制造工艺有两种：CNC和铲齿。CNC工艺可以将鳍片加工成特定的形状以优化散热面积，极客湾也做过一期将CPU顶盖CNC改造成冷头的视频，非常有意思，推荐大家观看。但我们不难发现，CNC方案良率很低，成本极高，注定无法成为主流。因此市售的消费级水冷几乎100%采用铲齿工艺。
微水道的形状也很有讲究—-这是个冷知识。早期，为匹配英特尔CPU的长方形顶盖，厂商会将铲齿区域做成长方形以节约成本。但这导致了一个问题，如果安装时长边方向错位90度，散热能力会大幅下降。一些稍早的水冷产品（如asetek 6代）都会在说明书上强调冷头安装方向。不过，由于AMD的异军突起，现在的绝大多数水冷都已将铲齿区域改为趋近正方形，面积也大大增加，从根本上杜绝了这个问题。
最左侧长方形的微水道，现在已经不常见了
接下来我们再看正面，也就是和CPU顶盖接触的部分。
虽然我们会用硅脂或相变片作为CPU和铜底之间的填充，但我们还是希望铜底能够更多的和CPU顶盖接触。现代CPU顶盖虽已打磨得较为平整，但其实都不是纯平的，或多或少会有一些工艺上的缺陷。相比于AMD的纯平或微凸，英特尔的顶盖却常常有些内凹。
吧友做的示意图，上AMD下英特尔
以前厂商为了适应英特尔顶盖形状，不得不将铜底设计为微凸造型，但这种造型对AMD来说就不太友好了。厂商也很无奈，为了匹配红蓝阵营的CPU顶盖，他们只好提供两种版本：纯平底（AMD版）和凸底（英特尔版），大家在选购时需多加留意。
不只是扣具不同！
此外，为适应不同CPU发热源的位置差异，一些水冷会通过偏置扣具来优化接触区域，这个不是本期重点，就暂时跳过。
然后我们回到铜底侧面，也是绝大多数人忽略的地方—-厚度。铜的导热能力虽然很强，但仍远不及直接接触。为了抠出最后一点性能，一些极端的厂商会将铜底削得极薄，以此缩短导热路径。这种无赖的方案可以有效提升性能，同时也能略微降低成本，但是代价是什么呢？
无关图片防冲
这些铜底由于厚度过薄，甚至到了稍加压力就会变形的程度。这种水冷在长期使用或多次拆装后，铜底会发生不可逆的形变导致性能断崖式下跌。我知道大家可能对装机猿颇有微词，但这里不得不引用他的一句话：现代水冷的散热已经顶到了物理极限了，那些看似突破了极限的厂商往往靠的是突破了某方面的底线。在我看来，水冷的寿命比那略低的一两度，或是花里胡哨的RGB和屏幕重要得多。
好了本期水冷科普就到此为止了，如果有我遗漏或是知识范围外的细节，或是有低级错误，也请大家不吝在评论区补充和指出；有任何疑问，也可以在评论区交流，如果能点个赞或是关注一下老登我就更好了。风扇科普不出意外在最近也会进行重制，感兴趣的盒友可以保持关注，我们下期再见~