CPU液冷クーラーの仕組みとは？初心者向けガイド

CPUの液冷の仕組みを理解するには、車のエンジンがどのように冷却されるかを考えてみましょう。液体は空気よりも比熱が高いため、熱を効率的に除去できます。車は水を使ってエンジンから熱を奪い、ラジエーターを通して空気中に放出します。CPUの液冷システムも同様の仕組みです。

すべてのCPUは電子部品であるため熱を発生します。この熱は、冷却液が循環するウォーターブロックによって吸収されます。この冷却液は、自動車の冷却システムと同様に、ウォーターブロックからラジエーターへとポンプで送られます。ラジエーターの役割は、内部を流れる冷却液から熱を抽出し、ラジエーターのフィンへと伝達することです。そして、ファンがフィンの上を冷気を送ります。写真に示すように、この仕組みは特に注目に値します。なぜなら、水冷によって、オーバークロックされて大量の熱を発生する高TDPの最新CPUからより効率的に熱を除去することができるようになったからです。

CPUの熱を理解する：冷却が重要な理由

電気とは、導体を通る電子の流れです。導体を電気が通過すると、電子の流れに対する抵抗によって熱が発生します。同様に、CPUを電気が通過すると、CPUも熱を発生します。

マイクロプロセッサ（CPU）は数十億個のトランジスタで構成されています。CPUを使用する際は、これらのトランジスタが計算ロジックに使用されます。これらのトランジスタは充放電を繰り返し、電気抵抗を生み出します。この電気抵抗が電子の流れに影響を与え、熱が発生します。ゲームや動画レンダリングなど、CPUで高負荷の処理が行われると、より多くの熱が発生するため、そのような負荷の高い処理には冷却システムが必要になります。

このような場合、CPUの温度を制限内に維持するために、CPU閉ループ液体システムの使用が推奨されます。そうでなければ、CPUはサーマルスロットリングを開始し、パフォーマンスに影響を与えます。場合によっては、冷却が不十分な場合、CPUやRAM、GPUなどの内部コンポーネントに損傷を与える可能性があります。

液体冷却システムの主要コンポーネント

液体成分の基本成分には以下が含まれる。

• ウォーターブロック
• ポンプ
• ラジエーター
• チューブ、リザーバー、冷却剤

ウォーターブロック

CPUから熱を逃がす水冷システムの心臓部です。最高級のウォーターブロックは、熱伝導率の高い無酸素銅で作られています。アルミパーツと組み合わせる場合、これらのウォーターブロックはニッケルメッキが施されています（多くの場合、ウォーターブロックのベース部分は酸化を防ぐためにニッケルメッキが施されています）。

これらのブロックは、ベースに0.5～1mmの微細なチャネルを備えており、液体が流れてCPUの熱を吸収します。ブロックとCPU間の隙間を最小限に抑えるため、熱伝導率8～12W/mK以上のサーマルペーストを使用しています。さらに、熱伝導率を高めるために、ウォーターブロックとCPU間の隙間は0.1mmまで最小限に抑えられており、ウォーターブロックの堅牢な取り付け機構によって実現されています。冷却システムの熱効率は、流れとフィンアレイの設計に大きく依存します。液体がブロック内に入ると、500～5000W/m²の熱伝達係数を持つ対流冷却が始まります。

ポンプ

冷却システム内のポンプは、冷却液をウォーターブロックとラジエーターに流し、配管の抵抗を克服するための圧力を流体に与えます。適切な流量がなければ、どんなに効率的なシステムでも正常に動作しません。ほとんどの冷却システムでは、これらのポンプは12ボルト、2000～4000rpmで動作し、0.5～1リットル/分の流量と十分な揚程を確保して冷却を行います。最新のCPU冷却システムでは、これらのポンプは低騒音・低振動を実現するよう精密に作られており、セラミックベアリングと組み合わせることで摩擦のない動作を実現しています。これらのポンプは、熱負荷に応じて速度を変えることができます。

ラジエーター

CPUから液体によって奪われた熱は、ラジエーターと呼ばれる装置と、それに取り付けられたファンによって大気中に放出されます。ラジエーターは、銅製のフィンと冷却チャネルを備えたアルミニウムコアで作られています。フィンは、0.8～0.9の効率でより優れた熱伝導性を実現するために設けられています。フィンの間隔は非常に重要な要素です。フィンの密度（FPI：Fins per Inch）が高いほど、有効面積は増加します。ただし、空気抵抗が増加するため、より多くの空気の流れが必要になります。

FPIが低いほど気流抵抗は減少しますが、有効表面積も減少します。通常、CPUから排出される液体の温度は周囲温度よりも10～20℃高くなります。液体はラジエーターに入り、フィンに熱を伝達します。その後、ファン（1000～2000rpm）が空気の流れを作り出し、フィンから熱を除去します。

チューブ、リザーバー、冷却剤

液体システムにおけるチューブは、液体をあるコンポーネントから別のコンポーネントへ移送するための経路を提供します。チューブは内径10mm、外径13mmのPVC製です。また、過酷な使用条件下での変形や破裂を防ぐため、編組サポートが備えられています。チューブは急激に曲げないでください。急激に曲げると流動抵抗が増加し、全体的な性能が低下します。

リザーバーは空気と液体の量を管理します。PVC製で、液体を充填し、発生した気泡を大気中に排出する機構を備えています。AIO （オールインワン）システムなどでは、リザーバーがポンプと一体化している場合もあります。ほとんどの場合、内部の液体は蒸留水と30%のグリコールです。また、細菌の増殖を防ぐため、殺生物剤が添加されている場合もあります。また、グリコールは氷点を-10℃まで下げるために添加されています。冷却液の目的は、CPUから熱を奪い、ラジエーターで放出することです。

冷却サイクル

発熱

CPUは動作中、特にゲームや動画レンダリング、グラフィック処理や計算処理といった高負荷のタスクを実行している間は、300ワット以上の熱を発生します。この熱はCPU内部に内蔵されたトランジスタから始まり、最終的にはヒートスプレッダーへと伝わります。ヒートスプレッダーにはウォーターブロックが取り付けられており、内部を流れる液体の力を借りてCPUの熱を奪います。ウォーターブロックの温度は液体よりも高いため、伝導プロセスによって熱が除去されます。

吸収

ウォーターブロック内の液体は、ウォーターブロック内部のチャネルを流れる際にCPUから発生する熱を吸収します。液体はブロック内を流れる際に、乱流と熱伝導を最大限効率化するように設計されており、熱伝導率が最大限に高まります。液体がウォーターブロックから流れ出る際には、温度が上昇しています。

循環

CPUの水冷システムには、加熱された冷却水をCPUに送り込むポンプが搭載されており、CPUの温度が規定値を超えないようにしています。このポンプはウォーターブロックからラジエーターへの冷却水を一定の流量で供給し、CPUを冷却し、その機能を効率的に発揮させます。現代のシステムでは、高流量による低騒音と部品の摩耗を最小限に抑えるポンプが選ばれています。

散逸

加熱された液体は最終的にラジエーターに入り、ラジエーター内に設置されたファンからの空気によって冷却されます。ラジエーターはアルミニウム製で、銅製のフィンが付いています。ファンが空気を送り出すことでフィンの表面積が増加し、同時に冷却されます。フィンが冷却されると、チューブを通過する冷却水も冷却されます。

戻る

冷却水はラジエーターで冷却された後、ウォーターブロックに戻ります。水冷システムには、リザーバーと呼ばれる別の装置が設置されています。リザーバーは、水量が過剰になった場合に水を戻し、水位が下がった場合に水を補充するのに役立ちます。

液体冷却を魅力的にするエンジニアリングイノベーション

技術の進歩により、7nmプロセスを採用した高速CPUは発熱量が増加しています。そのため、高発熱CPUに対して空冷だけでは不十分なため、液冷システムを採用しています。エンジニアリング部門は現在、液冷システムとその製造プロセスを進化させています。

現在、ウォーターブロックは液体の流れを0.2mmの狭い流路で実現しており、乱流を発生させることで熱伝達を最大50%向上させます。また、Modern LiquidにはPIDコントローラーが搭載されており、ファンとポンプの速度を調整することで設定温度の2℃以内で温度を監視・制御し、リアルタイムの温度モニタリングが可能です。さらに、酸化銅を注入した液体は熱伝導率を20%向上させるという試験が行われています。

待ってください、まだあります！液体冷却は、CFDシミュレーションを用いたエンジニアリングの力を借りて、フィンの構造、流速、乱流、冷却、熱設計を最適化することで、絶えず進化しています。この技術革新が続けば、高温界面における液体の相変化を利用してCPUを冷却し、ラジエーターで凝縮させる冷却システムが実現するかもしれません。

インストールとメンテナンスのヒント

水などの非常に繊細な部品を扱うため、水漏れが発生するとCPUを損傷する可能性があるため、水漏れ防止のための専門的なスキルが必要です。取り付けを始める前に、すべての部品を清掃し、CPUに放熱グリスを塗布してください。ウォーターブロックを取り付け、ネジを0.6～1Nmの均一なトルクで締め付けます。ネジは対角線上に締め付けるように注意してください。水が流れるチューブも重要な部品です。取り付けの際は、チューブがマニュアルに従って配線されていること、そしてすべてのホースがクランプで固定されていることを確認してください。作業を始める前に、システムに十分なプライミングが施され、空気が閉じ込められていないことを確認してください。

メンテナンスについては、専門家に相談するか、専門家に作業を依頼することを検討してください。漏れを検知するために紫外線照射下で光る紫外線反応ダイを使用することや、年に1回または必要に応じてパージサイクルを実行すること（パージサイクルは95%の空気を除去して効率を向上させる）など、いくつかのヒントをご紹介できます。また、酢水でシステムを年に1回必ずフラッシングしてください。溶液を30分間循環させ、チューブや部品内のスケールを溶解してからすすいでください。

従来の空冷方式に対する利点

水の比熱は空気よりもはるかに優れているため、当然のことながら液体冷却システムの方が有利です。CPUに持続的な負荷がかかった場合、液冷システムでは同じCPUを空冷システムで冷却した場合よりも温度が40%低くなります。液冷システムは冷却性能に優れ、ポンプの騒音が少なく、水がノイズを自然に抑制し、ラジエーターのファンも静音化するため、静音性も優れています。液冷システムはサイズが小さく、コンパクトなITXコンピューター内で簡単に調整できるため、コンピューターの外観が美しく、人目を引くものになります。

結論

熱力学と工学の進歩により、液冷システムは大きく進化しました。精密に機械加工された流路により、CPUの性能が向上しています。ポンプと効率的なラジエーターを用いた安定したフローパターンにより、トレーダーは周囲を加熱し、現代のハイコンピューティングコンピューターにとって信頼性の高い冷却ソリューションを実現しています。優れた熱伝導性、洗練されたデザイン、美観の向上、そして静音性も備えているため、空冷ソリューションよりも優れた選択肢となり、熱管理を芸術へと昇華させています。

CPU液冷クーラーの実用的な導入については、 ESGAMINGの液冷クーラーページをご覧ください。最高品質の素材で作られた、様々なデザインと容量のクーラーが見つかります。