水冷散熱系統利用泵使散熱管中的冷卻液循環并進行散熱。在散熱器上的吸熱部分（在液冷系統中稱之為吸熱盒）用于從電腦CPU、北橋、顯卡上吸收熱量。吸熱部分吸收的熱量通過在機身背面設計的散熱器排到主機外面。
作為一種成熟的散熱技術，液冷散熱方式一直以來都被廣泛應用于工業途徑，如汽車，飛機引擎的散熱。將液冷散熱技術應用于計算機領域其實并非是因為風冷散熱已經發展到了盡頭，而是由于液體的散熱速度遠遠大于空氣，因此液冷散熱器往往具備不錯的散熱效果，同時在噪音方面也能得到很好的控制。由于在散熱效率和靜音等方面有著的種種優勢，在計算機風冷散熱流行不久后，液冷散熱也隨之出現。令人可喜的是，時至今日，計算機領域的液冷散熱正在普及開來，這種狀況歸根結于液冷的安全性和穩定性有了很大的進步。
一套典型的水冷散熱系統具有以下部件：水冷塊、循環液、水泵、管道和水箱或換熱器。水冷塊是一個內部留有水道的金屬塊，由銅或鋁制成，與CPU接觸并將吸收CPU的熱量。循環液由水泵的作用在循環的管路中流動，如果液體是水，就是我們俗稱的水冷系統。吸收了CPU熱量的液體就會從CPU上的水冷塊中流走，而新的低溫的循環液將繼續吸收CPU的熱量。水管連接水泵、水冷塊和水箱，其作用是讓循環液在一個密閉的通道中循環流動而不外漏，讓液冷散熱系統正常工作。水箱用來存儲循環液，換熱器就是一個類似散熱片的裝置，循環液將熱量傳遞給具有大表面積的散熱片，散熱片上的風扇則將流入空氣的熱量帶走。
水冷散熱與風冷散熱其本質是相同的，只是水冷利用循環液將CPU的熱量從水冷塊中搬運到換熱器上再散發出去，代替了風冷散熱的均質金屬或者熱管，其中的換熱器部分又幾乎是風冷散熱器的翻版。
從水冷散熱原理來看，可以分為主動式水冷和被動式水冷兩大類。主動式水冷除了在具備水冷散熱器全部配件外，另外還需要安裝散熱風扇來輔助散熱，這樣能夠使散熱效果得到不小的提升，這一水冷方式適合發燒DIY超頻玩家使用。被動式水冷則不安裝任何散熱風扇，只靠水冷散熱器本身來進行散熱，多是增加一些散熱片來輔助散熱，該水冷方式比主動式水冷效果差一些，但可以做到完全靜音效果，適合主流DIY超頻用戶采用。
散熱器的性能對于一款水冷來說起著關鍵的作用，甚至可以用散熱排的性能來衡量一款水冷。硬件性能的提升帶來的大發熱量，已不再只是CPU的專利，GPU的來勢兇猛已遠超CPU，北橋、硬盤、供電等硬件的發熱量均不可小視，為多熱源同時散熱，發熱量。單12CM散熱排恐怕已經不能滿足，現如今市面上的24CM、36CM的散熱器已成主流，用戶可以根據自己的散熱需要來選擇不同尺寸的散熱器。
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