CPUの冷却装置

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一般的な空冷式CPUクーラー。銀色の部分はヒートシンクで、CPUはその下にある。

CPUの冷却装置(シーピーユーのれいきゃくそうち)は高温になるCPUを冷却するための装置。通称CPUクーラー

本項では特に断りのない限り、パーソナルコンピュータ(パソコン・PC)に付いているCPUの冷却装置について解説する[注釈 1]

概要[編集]

現在のCPUは高密度に集積された半導体素子であり、電流を流せば(動作させれば)発熱するが、高温になるといくつかの問題が起きる。

十分な冷却を行わない場合、前者は即時的な機能不全を、後者は著しい寿命の低下をもたらす。一見正常に機能したとしても冷却不足であった場合は、設計上の寿命よりはるかに早く故障する可能性がある。

初期のパソコンのCPUはNMOS回路を利用していたが、1980年代にその発熱が問題になり、CMOS回路に移行して、一度は問題を解決した。だが、その動作速度が向上するにつれて消費電力が増大し、発熱の問題が再燃した。パソコンでCMOS半導体を利用したCPUの発熱が問題視され始めたのは1993年前後の486の頃からで、雑誌で「CPUで目玉焼きができるか」等の企画が出されたり[注釈 2]2001年頃には「このままのペースで発熱が増加すれば、CPUの発熱による単位面積あたりの熱流量は間も無く原子炉のそれを上回り、2015年には太陽のそれに達する」と主張された事もある[1]

実際、CPUの最大発熱量(TDP)は2010年までの20年以上にわたりほぼ一貫して上がり続けており[2]、それに伴い冷却装置も強化されてきた。

一般に単体販売されるCPUには強制空冷式の冷却装置が付属しているが、性能を高めたり静音に注力した冷却装置も別に販売されている。

またパソコンに限らず、高速なCPUが搭載されている家庭用ゲーム機テレビゲーム)や一部娯楽家電[注釈 3]には、なんらかの冷却装置が搭載されている。

自然冷却(ファンレス)[編集]

冷却ファンなどは使用せず、筐体内の自然対流と電源装置の排気による負圧を利用した換気によって、冷却する方法。

表面放熱[編集]

冷却するための装置・部品を一切使わずに、プロセッサの表面から放熱させる方法。組み込み機器のプロセッサでは一般的であるが、発熱量が高い最近のデスクトップパソコン向けCPUでは不可能である。

マイクロプロセッサの黎明期からおよそ数ワットの消費電力であったIntel 8038668030の頃までは、放熱のために特別な部材は装着されておらず、プロセッサ表面から放熱していた。

しかし最近は、表面放熱量を増やすことのできるCPUの設置方法が採用されることがある。例えば、モバイルコンピューターで、CPUをキーボードと平行になるように設置し、キーボードの裏面の金属製フレームに密着させ、ここから放熱する方法である。ただしこのような表面冷却は、きわめて薄型であるモバイルコンピューターでしかできないうえ、ファンを使う冷却装置に比べ放熱量も限られている、

ヒートシンクの利用[編集]

マザーボード上のヒートシンク(チップセットの冷却)

プロセッサの表面にヒートシンクを取り付けて放熱する方法。CPUクーラー専用の冷却ファンを用いずに、筐体の吸排気ファンや電源装置に取り付けられた放熱ファンによって生じる筐体内部のエアフローを用いて、ヒートシンクに空気を当て冷却する。他の冷却方法と比べて仕掛けが簡単で無音で冷却することが可能だが、発熱の高いプロセッサを冷却するには巨大なヒートシンクが必要になる。

i48668040の隆盛期に入り、クロック周波数がおよそ30MHz以上になり、消費電力が数十ワットに達すると、プロセッサ表面だけでは充分な放熱ができなくなり、CPUの上に放熱性の高い金属製のヒートシンクを取り付けるようになった。ヒートシンクにより放たれた熱は筐体の排気ファンや電源ファンから強制的に外部に出される。CPUの発熱がさらに増大すると、これでも放熱が追いつかなくなり、Pentium以降のx86プロセッサでは、ヒートシンクにファンを取り付けて強制空冷を行うことが一般的になった。

Pentiumをはじめとするx86プロセッサが性能に比例して増大する発熱に対応して冷却装置の強化に迫られたのに対し、性能当たりの消費電力が比較的少ないPowerPCを採用したMacintoshでは、CPUの冷却装置に小型でファンレスのヒートシンクを採用しつづけた。特に消費電力の低いPowerPC G3を搭載したiMacPowerPC G4を搭載した Power Mac G4 Cubeは筐体の放熱ファンも廃止してエアフローを意識したファンレス設計とし、極めて静音性に優れていた。構成部品のヒートシンクから放たれた熱は空気の自然対流で外部に逃がされる。

2000年代後半になると、x86プロセッサでも、AtomGeodeC7など、発熱量の少ない省電力CPUのラインナップも充実し、ファンレスのPC/AT互換機が現れた。また、発熱量がさほど多くないCPU(Core 2 DuoCore i7Core i5の一部など)でも静音化のためCPUファンを排除する場合もある(Mac miniなど)が、それなりの大きさのヒートシンクが必要になる。なお、一般的なチップセットは、2009年現在もヒートシンクのみによる冷却が用いられることが多い。

空冷[編集]

上面から風を吹き付けるトップフロー型のCPUクーラー
側面から風を吹き付けるサイドフロー型のCPUクーラー

強制冷却[編集]

冷却ファンを使用し空気を利用して冷却する、最も一般的な方法。ヒートシンクの上に冷却ファンを載せた状態で使用され、ヒートシンクとファンモータが一体化したものが多い。

店頭で販売されているCPU製品にはサーマル・ソリューションと称して、十分な性能の強制空冷式冷却装置が付属している。特に記述がない限り市販されているパーソナルコンピュータにおいて、CPUの冷却にはこの方式が用いられる。

Pentium黎明期(i486の末期)の頃になると、クロック周波数50~100MHz、消費電力が30W前後に上り、自然冷却では放熱が間に合わず、ファンでおこした風を吹き付けて冷却する強制空冷が行われる様になった。

その特性上、どうしても高周波の風切り音が発生してしまう。これをできるだけ抑えようとメーカーは静音性も重要視したファン開発を行っているため、標準付属品以外にも様々な製品が販売されており、その中には流体力学航空工学の成果を応用したと謳うものまで存在している。

また一般にCPUの冷却装置はケース内部にあるため、空冷を続けるためには、ケース外部との継続的な換気が必要になる。ファンなどによる換気のほか、効率を上げるために冷却装置のすぐそばに換気口を設けたり(パッシブダクト)、冷却装置が外気に直接面するようにレイアウトする例もある(BTX規格など)。

受動空冷[編集]

プロセッサの表面にヒートシンクを取り付けて放熱する方法。

詳細はヒートシンクの利用を参照のこと。

水冷[編集]

水冷方式を導入したコンピュータの内部

空気よりも熱容量が大きい水を冷却に用いる方法。CPUに水を循環させるヘッドを接触させて、熱を水で持ち去り、外部のラジエータで放散させる。ラジエータには空冷ファンを付け、冷却能力を高めることが多い。

大型汎用機では普及している方法であるが、一般的なパソコンに用いるには構成部品が多く大がかりになりすぎ、また定期的なメンテナンスも必要であり、水漏れなどが発生すれば高価なパーツを破壊するリスクもある。一般に空冷式より高価かつ複雑になることなどから簡便に用いる事のできるものではなかったが、冷却性能の高さに加え、ファンによる騒音を嫌って静粛性を求めるユーザーが水冷式を用いることが多い。

2009年頃からはチューブ素材などの進化によりメンテナンスフリー化が進み、水枕、ホース、ポンプ、ラジエーターなどが一体化して冷却水が封入済みで簡単に取り付けられる1万円前後の簡易型水冷クーラーのキットが自作パソコン用途向けに販売されており、2010年代以降はこれら簡易水冷型クーラーが1万円以上のハイエンド・CPUクーラー市場において一定の市場を形成するに至っている。水枕部分を固定した後、ラジエーター部分をケースに固定すればいいためパソコンケース内のみで水冷経路が完成し、ユーザーは水冷経路を組み立てる必要もなく冷却水そのものを扱わずに済む。ホワイトボックスパソコンメーカーの中にもBTO用パーツやハイエンドモデルとして用意するところが現れるなど、ゆっくりながらも確実に普及が進んでいる。

ノートパソコンにおいても水冷を採用した製品が存在する(例:日立製作所FLORA 270W サイレントモデル、2002年発売)[3]

ガス冷[編集]

パソコンの筐体に小型のコンプレッサを組み込んで、冷蔵庫などと同様の方式液体気化する時の気化熱を利用した放熱を行うもの。マニアが自作する物のほか、これを組み入れた製品を出荷しているメーカーや、パソコンショップのショップブランド品に仕込んで販売する例もある。

水冷よりもさらに高い冷却効果を得られる反面、冷却装置そのものがそれなりに大掛かりかつ高価であり、一般的なエンドユーザーの使用環境であれば空冷や簡易水冷でも必要十分であるため、一般的な方式ではない。

ガス冷却に用いられるガスは数種類あり、主に炭酸ガスが用いられる。

寒剤を用いた冷却[編集]

CPUの直上に液体窒素ドライアイスを入れる銅升等を用いて放熱する方法。

極低温を維持することでオーバークロック時の冷却効率が評されるが、結露対策に気を遣う必要がある。さらに寒剤自体も消耗品であり運用コストがかさむので、ベンチマークの試合における極端なオーバークロック時の利用が一般的であり、個人で常用することは少ない。極低温であり極端なオーバークロックを行えるところから極冷と称される。

冷却の補助[編集]

冷却効率を上げるため、補助的な役割を担う物。

放熱グリス[編集]

冷却装置とCPUの間は、密着させていても材料表面の微細な凹凸による隙間が生じている。そこを空気ではなく、より熱伝導率の高い物質で埋めることによって、冷却装置へ熱を伝わりやすくするもの。シート状・ダイヤモンド粒子配合・特殊液体金属のものもある。

ヒートパイプの利用[編集]

熱伝導率の高いヒートパイプを用いてチップの熱を移動させる方法。 金属よりも効率が良いために速やかに遠くまで熱が移動できるため、薄く多量のフィンや側面を用いて表面積を稼ぐ事ができ、放熱部の効率を高められる。

大きさや部品配置の点で制約の厳しいノートパソコンなどでも十分に冷却することが容易になる。また、ケース内に余裕の大きい自作機やBTO機では、これを用いて大型化したクーラーをより大型のファンを用いて冷却できるようになり、高速ファンを使ってのオーバークロック、あるいは低速ファンを用いる事での静音化が容易になる。

ペルチェ素子の利用[編集]

ペルチェ効果を利用した薄型の冷却素子。CPUに接する面から吸収した熱を、反対側の面に移動させる。素子単体では冷却装置として機能しない(単なるヒーターになってしまう)ことから、空冷や水冷の冷却装置を併用して放熱効率を向上させたり、外気より低い温度を作るために使用される。

パソコンではi486Pentium(初代)の時代に流行したが、それ自体がかなりの電力を消費し発熱すること、冷却しすぎると結露が発生することといった使い勝手の悪さや、空冷装置の性能向上によりペルチェ素子の優位性が失われたこと等の理由で廃れ、現在はオーバークロッカー等、一部マニアで使用されるに留まる。

CPUクーラーの主な取付方法[編集]

2016年現在流通しているマザーボードで採用される方式には、主に以下のプッシュピン方式、リテンション方式、バックプレート方式の3つがある。

プッシュピン方式[編集]

インテル製CPUにてよく使われている方式で、CPUクーラーのフレームをマザーボードに予め開けられている穴に、樹脂製のリベット(プッシュピン)を指で押し込んで固定する方式。取り付け時はピンの向きや状態を4か所同時に把握しなければならず、CPUクーラーが大型になるほど指を掛けにくくなる。しかし固定されれば自然とメーカー指定の圧力となるため、CPUやマザーボードを破損させるリスクが少ない。インテルリテールクーラー、一部のAMDリテールクーラー、サードパーティ製CPUクーラーで採用されている。

リテンション方式[編集]

AMD製CPUにてよく使われている方式で、マザーボードに取り付けられているブラケットに、CPUクーラーのフックを引っ掛け、レバーで締め上げて固定する方式。作業は非常に単純だがレバーが固く、力が要る。プッシュピン方式と同様に圧力はメーカー指定のものとなるため破損リスクは少ない。AMDリテールクーラー、サードパーティ製CPUクーラーで採用されている。

バックプレート方式[編集]

マザーボードの裏側に、金属もしくは樹脂製のバックプレートと呼ばれるネジ穴が設けられたプレートを取り付け、反対側からCPUクーラーのフレームをネジにて固定する方式。前述のプッシュピン方式の穴や、リテンション方式のブラケット取り外し跡にバックプレートを設置することで、この取り付け方式が使える他、インテルのLGA2011マザーボードの場合は予めマザーボードにネジ穴がつけられているため、そのまま取り付けることが可能である。ドライバーやスパナで取り付けるため他方式に比べて力が要らず、重量があるCPUクーラーも支えることができる。しかし圧力は作業者依存となってしまうため、ネジ緩みによる冷却不全や、締めすぎによるCPU破損などが起こりうる。ハイエンド向けCPUクーラーや、簡易水冷式のCPUクーラーに採用されていることが多い。

冷却装置(CPUクーラー)の著名メーカー[編集]

これら企業の中にはファブレスメーカーやOEM専門の商社も存在している。

また、これら以外でもパソコンショップなどが、日本市場に未参入の海外メーカーの製品を独自に輸入して販売していることがある。

脚注[編集]

注釈[編集]

  1. ^ プロセッサの冷却に関しては、実際にはPCよりもスーパーコンピュータメインフレームが重要な対象である。また一般に、単にCPUを冷却するだけではなく、伝熱やケースファンなどを含めた冷却システム全体を考慮することが必要である。
  2. ^ i486からAthlon XPの頃まで良く企画されている。
  3. ^ Cellプロセッサを搭載したCELL REGZA など

出典[編集]

関連項目[編集]

外部リンク[編集]