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空冷式CPUクーラーの解説

高負荷処理を課すことによってCPUの温度がぐんぐん上がりますが、上がり過ぎると動作不安定や故障の原因になります。そのCPUを常時冷却しているのがCPUクーラーです。多くのパソコンでは空冷式が採用されています。

ヒートパイプを用いた、空冷式CPUクーラーの仕組み

空冷式CPUクーラーの仕組みグレードの高い空冷式CPUクーラーでは、「冷却ファン、ヒートスプレッダ、ヒートパイプ、放熱フィン」で構成されています。「ヒートスプレッダ、ヒートパイプ、放熱フィン」の3つをまとめてヒートシンクというわけです。材質は熱伝導率の高い銅やアルミが採用されます。

CPUから発生した熱を、CPUと密着しているヒートスプレッダが吸収し、このヒートスプレッダからの熱はヒートパイプを通して放熱フィンへと運ばれます。

最終的に熱が排出されるのが放熱フィンであり、表面積を増やすため薄いアルミ板の集合体になっています。さらにこの放熱フィンに風を当てて冷却するのが冷却ファン(空冷ファン)の役割です。高回転ほど冷却能力が上がりますが、その分、回転音が大きくなります。(回転音を小さくするということは、冷却能力を下げることになる)

ヒートパイプの役割を詳しく!

非接触
CPUから出た熱は、ヒートスプレッダからヒートパイプへ伝わる。アドバンテージのある市販のCPUクーラーでは、熱伝導を効率化させるためにヒートパイプを一部変形させてCPUに直接接触するタイプが一般的である(写真:ヒートパイプ直接接触タイプ参照)。写真のように、CPUに接触する面だけ管状のパイプがフラットに加工されている。

※ヒートパイプは温度差が高いほど熱伝導が速いので、その性質を活用している。高温部から低温部へ熱が伝わる「移動現象」のスピードが速い。材質は熱伝導率の高い銅が最適。 なお、ヒートパイプは熱移送の役割であり、それ自体の放熱効果はない。ゆえに放熱フィンへと熱移送するだけ。特に大型の放熱フィンになると、熱が一定箇所にたまってしまうので、ヒートパイプが満遍なく熱を移送する。ヒートパイプには少量の動作液が封入されており、液化と気化を繰り返しながら熱移送を行う。つまり銅による熱伝導だけではない。

PWM(パルス幅変調)対応ファンとは

温度センサーと連動して、自動的に冷却ファンの回転数を制御する機能。低負荷時では回転数が少なく音が静かで、高負荷時では高回転でうるさくなる。

C1Eステートが無効だとうるさい

C1Eステート(C1E Support)とは、アイドル時にCPUを休止状態にするシステム。これが無効になっていると、CPUは常に稼働しており、冷却ファンも連動して回り続ける。PCが放置状態でも動作音がうるさいと感じたら、BIOS設定でC1E Supportが有効(Enable)になっているか確認するとよい。

市販の空冷式CPUクーラーを検討してみる

ビジネスソフトやネットサーフィンぐらいの利用であれば、CPU製品付属のリテールクーラーで十分です。熱暴走で動作不安定でなければ、リテール品のままでも問題ありません。しかし、本格ゲームや本格的なエンコードの利用であれば、もっと高性能な「市販の空冷式CPUクーラー(単体CPUクーラー)」を検討してみてもいいかもしれません。 

ターボ・ブースト・テクノロジー搭載のような自動クロックアップするCPUでは、冷却状況が良好なほどクロックアップしやすくPC全体のパフォーマンスアップが期待できます。ですから、オーバークロック設定をする上級者でなくても、単体CPUクーラーを試す価値はあります。

※ここでは自作PCでの話。メーカーPCでは、マザーボードやCPUクーラーが独自設計の場合がある。

CPU製品付属のリテールクーラー

リテールクーラーの例(第11世代 Core i5-11400 )
写真はインテルCPU製品付属のリテールクーラーの例(第11世代 Core i5-11400 )。頻繁に高負荷をかけないPCであれば、リテールクーラーが基本。リテール品では、大掛かりなヒートパイプを採用することはまずない。放熱フィンにヒートスプレッダが直に付いた設計となっている。

空冷式CPUクーラーのタイプ

デスクトップPCの空冷式CPUクーラーには「トップフロー型、サイドフロー型」の2タイプがあります。多くのパソコンではトップフロー型が見かけられますが、高性能化しやすい構造はサイドフロー型です。

トップフロー型

写真トップフロー型
ヒートシンクの上に冷却ファンを搭載させたタイプがトップフロー型。風が放熱フィンだけでなくマザーボードにも向けられているので、CPUの周辺(コンデンサやVRMなど)も冷却できる。ほかのパーツとの物理的干渉の懸念から大型化はしづらい。

サイドフロー型

画像サイドフロー型
トップフロー型の「冷却ファンと放熱フィン」を横配置にしたタイプがサイドフロー型。ほかのパーツと干渉しにくいので大型化が可能で、冷却性能を高めやすい構造。大型ファンが搭載されれば、低回転でも冷却効果が得られ、静音性につながる。PCの背面へファンの風が流れる設置がベストと言われる。

ノートパソコンのCPUクーラー

ノートパソコンではメーカーの独自設計が強いため換装はほぼ不可能ですが、CPUクーラー搭載の一例を紹介します。ノートPCではデスクトップPCと違い、空冷ファンとCPUには配置に距離があるため、熱伝導にヒートパイプが使われます。

エントリーノートなど、シングルファンの場合

ノートのCPUファン単体GPUを搭載しない低スペックで低発熱のノートでは、シングルファン構成が基本です。放熱フィンは空冷ファンに直付けされており、筐体の排気孔に配置されています。

シングルファン構成シングルファンの空冷がヒートパイプを伝ってCPUのヒートシンクを冷やします。エントリーノートなど低スペック・低発熱のノートでは、「ヒートパイプ 1本」というのが一般的です。

ゲーミングノートなど、デュアルファンの場合

単体GPUを搭載するノートパソコンゲームノートなど単体GPUを搭載するノートパソコンでは、発熱量が高いためデュアルファンの構成がほとんどです。そしてヒートパイプが複数になることが基本です。

デュアルファンの構成ファンと放熱フィンの様子。

熱交換の効率を上げるために、放熱フィン放熱フィンとは、熱交換の効率を上げるために、複数のブレードを配置し伝熱面積を広げた構造。 ブレードの枚数が多いほど大掛かりな排気システムです。ノートパソコンではファンに直付けされており、PC外観では排気口から放熱フィンのブレードが見えます。むろん、シングルファンの場合でも同様。

位置するヒートパイプ2つのファンの間に位置する2本のヒートパイプ。その下に大小のプレートがありますが、大のほうがCPU、小のほうがGPUの配置になります。デュアルファンだと、ヒートパイプは2本以上というのが一般的で、多いものでは3本という場合もあります。

3本のヒートパイプこちらはハイエンドノートが搭載する、3本のヒートパイプ。

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