熱設計と、その動向 熱設計と、その動向 内部損失が増えつづけ、これまで説明してき た従来からの熱設計はターンニングポイントを 迎えている。どのように電力増に対応するかの ヒントはいくつかの製品にすでに取り入れられ ている。いずれも高い熱処理能力とともに動作 音を低く抑えている。速いが静かなのがポイン トだ。 ●メーカ製に学ぶ その1 PowerMac G5 Power Mac G5は米アップルコンピュータ社の デスクトップPCである。これまでの話はDOS/VPC とよばれ部品を買い集めて組み立てることもでく るものだった。これに対してMacは完成品として のみ売られており、非ウインドウズOS、独自ハード ウェアとソフトウェアで動くPCである。ここで取り上 げる理由はデスクトップDOS/VPCに対して一歩 進んだ熱管理の考え方で設計されているから だ。 3種類あるバリエーションのうち2GHzのCPU2個 を搭載したモデルを見ていきたい。 寸法は 511(H)×206(H)×475(D)mm（内容量約42l） で筆者のメインPCより高さで50mmほど上回り、 DOS/VPCでいえばミドルタワーではなくフルタ ワー並みの大きさとなっている。 CPUはIBM製64ビットのPowerPC G5である。 1.8GHz 品 の TDP が 42W な の で 2GHz2 個 で は 100W程度と推測される。 Power Mac G5の外観（アルミ製） （前面および背面パネルは全面メッシュとなっている） さてDOS/VデスクトップPCの熱管理（処理）上 の欠点は発熱体が同一空間に同居しており、熱 が干渉することである。例えばグラッフィクカード の発熱がCPUの温度を押し上げ、逆にCPUがグ ラフィックカードの温度を上げるといった具合で ある。CPUは自身が暖めた空気を再度冷却に利 用している。DOS/Vデスクトップではケース内部 の温まった空気を外気と十分に入れ替えている 前面 背面 DVDマルチドライブ ファン HDD PCI拡張カード ② グラフィックカード ③ ファン メモリ CPUヒート シンク 廃熱 外気の取り入れ ファン ① CPUヒート シンク ④ 電源 Power Mac G5 Dual CPUの内部 （4つの独立ブロックに分けて廃熱する） 45+1 熱設計と、その動向 とはいえない。 もうひとつの欠点はファン回転数のコントロー ルである。基準となるのが温度はCPUと、そのそ ばの比較的温度の高い点である。これですべて のファンをコントロールしているので、どうしても騒 音が大きめになる。騒音が気になるようであれば 回転数を個別に手動調整している。 TDP100Wで風冷となれば多分これと大同小異 の構造になるだろう。難点は寸法が少々大きい 点である。 写真はサイドパネルを開けたG5である。G5 マークのある巨大なCPUヒートシンクが目に付く。 この写真はデュアルCPUのもので、シングルのも のは下側の1個のみである。 内部は4つの独立したゾーンに分かれている。 ①DVDマルチドライブ、ハードディスク ②グラフィックカード、PCI-X拡張カード ③CPU、チップセット、メモリ ④電源 の4つで、各々大口径低速回転のファンを持って いる。各ゾーンで前面から取り入れられた外気は 背面から排出される。ファン回転はゾーンそれぞ れの温度をもとにコントロールされる。このように 内部発熱は干渉することなく処理されている。 ATXPCの欠点を素直に取り除き、静かで信頼 性の高くしようとすれば、こうなりますという見本で ある。ATXフォームファクタは内部損失が合計数 10W の 時 代 に 策 定 さ れ た も の で あ り、も し、 Power Mac G5の前面と背面 45+2 熱設計と、その動向 ●メーカ製に学ぶ その2 デルコンピュータ Power Mac G5は優れた考え方で熱処理がお こなわれている。しかし、フルタワーの外形は大き すぎる。サウンド、LANからIEEE1394機能なで以 前なら拡張ボードで利用した機能がマザーボー ド載せられるようになった。そうしてみると5から6あ る拡張スロットはそんなにはいらないのが実情で ある。この数を減らせばマザーボードはずっと小 さくなる。この意味で内容量10リットルとG5の1/4 の容量で、家庭用として必要にして十分な機能 をもつDimension4600Cを取り上げてみたい。（本 体寸法：巾95×高さ323×奥行き356mm） ペンティ アム4 3.2GHzまで搭載可能なうえに音が静かな なのである。 ここに注目 デルDimension4600C外観 デルコンピュータのウェブ http://www.dell.com/jp/jp/dhs/products/ model_dimen_2_dimen_4600c.htm にある3Dサイバーツアで内部を見せてもらい、な ぜ静かで速いのかを確かめてみよう。 このデスクトップPCが小さいにもかかわらず速 くて静かなわけは、そのCPUファンに秘密がある。 このファンはシロッコファン、または、ブロワーファ ンとよばれるものである。 排気 ケース内部で上向きに取り付けられている。この ファンで内部発熱を吸い込み、ケース背面から 外部に逃がしている。肝心なのは、効果的に働い ているのがCPUファンとして使われているシロッ コファンである。プロペラファンとシロッコファンの 特徴は（オリエンタルモータのウェブより） *プロペラファン プロペラを使用し、その回転軸方向に風を発 生させるファン。大きな風量が得られるため、機器 内部を全体的に冷却する換気冷却に適してい る。 *シロッコファン 円筒状に羽根を配したランナーを回転させ、そ れにより得られる遠心力で風を送り出す。吐出口 を絞り一定方向に風を集中するため、局部冷却 に用いられる。また静圧が大きいので、風の通り にくい装置の冷却やダクトを用いた送風にも適し ている。 CPUファンに使われたシロッコファン CPUヒートシンクと組み合わされるファンのほと んどがプロペラファンである。かつ、風はヒートシ ンクに当てられている。ところが、このPCでは逆に 吸い出している。そして、一定方向に高い圧力で 送風できる特徴を生かしてCPU発熱を背面パネ ルに設けられたスリットを通して外部に排出して いる。このファンは大変静かに回転する。 シロッコファンを使って熱を直接外部に押し出 すというこのやり方は一見地味だが、簡単で賢い やり方である。このPCは熱管理以外でも、使いや すく、メンテナンスがしやすく優れた設計がなされ ている。 シロッコファン デルDimension4600C内部 外気は前面から取り入れらる。ケース内最下部 に電源があり、これには通常のプロペラファンが 45+3 熱設計と、その動向 ●メーカ製に学ぶ その3 NEC水冷PC 大型コンピュータの世界では水冷は当たり前 である。熱量が大きいので風冷では間に合わな いからだ。NECはこれをデスクトップPCに取り入 れた。図のように冷却液は水冷ジャケット、ラジ エータ、リーザブタンク、ポンプ間に銅パイプを通 して毎分0.3リットルで循環する。CPU発熱はケー ス背面のラジエータに導かれ、低速回転の12cm ファンで外気に放熱される。CPU発熱は冷却液 を媒体として外部に逃がされる仕組みである。 水冷は高度の技術がないとできない。アマチュ ア用として水冷キットが売られている。冷却能力 は高いが重大な欠点がある。それは例えば予め 冷却液を循環させてからPC本体の電源を入れ なければいけないといった点である。もしもうっか りしていて水冷ポンプのスイッチを入れ忘れた ら？結果はCPU接触部近くに残った冷却液が沸 騰してしまう恐れがある。ただ水冷するだけであ れば熱帯魚用セットでも動かせる。しかし、モータ が止まったら、温度が0℃に下がったら、パイプが 詰まったら、などなどいろいろなことを考えて、そ れぞれ不具合が起きないようにしなければいけ ないのである。これが相当難しいことで、失敗を重 ねつつ改良する過程で必ずケース内が水浸し になったりするものである。水冷PCは実績のある メーカだからこそ製品化できたと考える。 水冷は、といっても水そのものを使うとは限らな いが、工業用大電力機器ではよく利用されてい る。その意味でCPUの100Wや200Wの発熱は余 NECの水冷パソコンバリュースターTXシリーズ 裕をもって処理できる。現状での水冷PCの持ち 味は静かなことである。純粋空冷のPower Mac G5はファンを7つ使っているところ、水冷PCは1つ である。 ケース背面の放熱用ラジエータ TXシリーズの水冷システム 45+4 熱設計と、その動向 ●仰天のグラフィックチップGeForce 5800 Ultra これは前出の3例とは違い、騒音などお構いな しで、とにかく膨大な発熱を処理しなければいけ ない例である。NVidea製 GeForce5800 Ultarとい うグラフィックチップは高速化を目指したあまり、 損失は75Wに達するといわれている。この損失は CPUのそれをも上回るものすごいものである。熱 処理のためにヒートシンクが巨大なったために通 常の1スロットでは収まりきらず隣接するスロットの 計2スロットを占領するのである。 こ の チ ッ プ を 使 っ た 製 品 の ひ と つ ASUS 製 V9900 Ultraを見てみたい。 この基板は熱処理という観点で興味深いもの である。写真の左下に外気の取り入れ口があり出 口は左上である。この間に風洞が形成されてい る。風洞内の熱はシロッコファンによって排出さ れる。グラフィックチップ発熱のほとんどは外部に 逃がされることになる。このカードはメモリでの損 失を除く50Wをこえる損失を、この程度の簡単道 具立てで処理できる実例である。ただし、ファンは 回転数をコントロールされてはいるものの、3D表 示では高速回転するのですさまじい騒音を発生 する。 NVdea の こ の グ ラ フ ィ ッ ク チ ッ プ を 短 期 間 で 引っ込めた。後継チップ使用カードの損失は2/3 の50Wほどである。 わ ず か 3 ヶ月 で 後 継 にバ ト ン タ ッ チ し た グ ラ フィックカードではあるが、熱処理の見本としてみ ればおもしろいものがある。 ASUS V9900 Ultraビデオカード ASUS V9900 Ultraビデオカード（同裏面） 45+5 熱設計と、その動向 ●ノートPCの熱設計 熱処理が難しいのがノートPCである。デスクトッ プPCは極端にいえば熱はケース内でかき回し て、出口近くの空気が成り行きで吐き出されてい る。冷却に有利な気流をケース内で作れといって も実際には特別な制御板とかフードを作っても はかばかしくないのが実情である。これに対して ノートPCでは容積が小さいので内部の隙間も少 ないのから熱がこもりやすい。ケース＝キーボー ドやパームレストなので、これらが不快な熱さだっ たりするのも具合が悪い。従ってデスクトップPCよ り格段に熱設計に力が入れられてきた。前出の ビデオカードはこのような技術の応用といえない こともない。 ノートPCもデスクトップPCと同様に速いほうが いい。一方で、軽い、薄い、そして、バッテリーが長 持ちするのがいい。これらは相反する要求であ り、使用実態を踏まえて、ノートPCは次のような3 つのカテゴリーに分かれることになった。 ①ほとんどデスクトップCPUそのもので（価格が 安い）TDPは当面70Wまで ②ペンティアムM、30W程度まで ③低電圧、極超低電圧版CPU、5∼7W程度 であり、③については発熱量が小さいのでファン を使わなくてすむ。筐体に熱を分散させて人間 ファンだけを使った放熱 Intel Mobile Cooling Technology Provides Higher Performance in Thinner and Cooler Notebooksより ①ほとんど持ち歩かず、もっぱら机の上で使う。 ②職場と自宅との両方で使う。 ③もっぱら持ち歩いて場所を選ばずに使う。 これは ①は重さが3kgもある、いわゆるフルサイズノート ②B5サイズノート ③モバイルノート に対応する。 ヒートパイプとファンを使った放熱 それぞれのCPUとTDPは Intel Mobile Cooling Technology Provides Higher Performance in Thinner and Cooler Notebooksより コラム ヒートパイプ ヒートパイプは密閉容器内に少量の液体（作 動液）を真空封入し、内壁に毛細管構造（ウィッ ク）を備えたものである。 ヒートパイプの一部が加熱されると、 *加熱部で作動液が蒸発する *低温部に蒸気が移動する *蒸気が低温部で凝縮する *凝縮した作動液が毛細管現象で加熱部に 環流する という一連の相変化が連続的に発生して大量 の熱を素早く移動できる。可動部をもたないた めにメンテナンスフリーで運転動力不要であ る。 1963年にアメリカで開発されて以降、人工衛 星の温度制御や電気機器の放熱、家電、灼熱 炉、融雪などに広く用いられている。 ヒートパイプの構造 http://www.heatpipe.jp/techinfo/tech_heatpipe.html より 45+6 熱設計と、その動向 RHE冷却系を組み込んだノートPC断面 Intel Mobile Cooling Technology Provides Higher Performance in Thinner and Cooler Notebooksより に不快感を与えないように処理されている。 それでは、②と③の熱設計を見ていこう。 インテルの資料にある2つの例を較べてみよう。 ファンだけによる冷却は狭い筐体内に放散され た熱の逃げどころがない。電力が小さければそ れでも筐体表面などから逃げる分が発熱とバラ ンスが取れる可能性がある。TDPが最大で30W のペンティアムM用の放熱系にはヒートパイプが 使われている。CPUの発熱は筐体後部のヒートシ ンクに導かれる。このヒートシンクに側面から取り 入れられた空気が当てられ、後部から排出され る。こうすることによってCPUの発熱が内部温度 を上昇させることなく処理できる。この冷却系は RHE (Remote Heat Exchanger)とよばれ、実物写 真のようなものである。 このRHEでどの程度の発熱を処理できるかだ が、インテルは30Wくらいまでを想定していたよう だ。ところが、台湾のメーカーがヒートパイプ、放熱 用ヒートシンク、ファンの容量を増やして数10Wク ラスまでに対応可能としてしまった。フルサイズ ノートは、このような生い立ちのようだ。なお、TDP Pentium MのRHE インテルのウェブ http://support.intel.co.jp/jp/support/ processors/mobile/pm/thermal.htmより が30W程度のノートPCで必ずしもこのようなRHE が組み込まれているわけではない。吸入ファンと 排出ファンとの2個で、風の流路を適切に設けれ ばそれで熱を処理できるようだ。 ノートPCは小さな筐体にもかかわらず数10W の熱を処理できている。今後他でも活かされてい くと考えられる。例えばデスクトップのフォーフファ クターは今後、現在とはかなり違うものとなるだろ う。 ノートPCの大きさで現状の2倍、3倍の電力に対 応できるかといえば多分難しいだろう。空気に熱 を放散するのではなく、かつ、損失増を伴わない 新しい仕組みが取り入れられていくのだろう。 コラム 実際のノートPC内部 SONY Vaio U1内部 エプソンダイレクトEdi Cube R450H （フルサイズノート）内部 PC Watch : http://ad.impress.co.jp/tie-up/ edi_cube0207/index.htmより AKIBA PC Hotline! : http://pc.watch.impress.co.jp/ docs/2002/0430/hotrev157.htmより 45+7
© Copyright 2024 Paperzz
