電子機器のアクティブ冷却技法の比較

投稿日 2017/08/24, 木曜日
更新日 2020/11/9, 月曜日

燃えているノートパソコン

電子機器にとって、冷却は極めて重要です。私がこれを痛感したのは、使っているノートパソコンのマザーボードが溶けたときでした。私は2010年に、グラフィックを多用するビデオゲームを試すため、当時最新のコンピューターを購入しました。その機械は非常に優れたグラフィックカードが搭載されていましたが、熱管理システムが小さすぎました。ゲームを遊び始めたとき、キーボードが触れないほど熱くなったことで、問題があると気付くべきでした。その直後、私のコンピューターは動かなくなりました。コンピューターを修理店に持って行ったところ、内部で何かが溶けていると告げられました。幸い保証期間内だったので、修理代は製造業者持ちでした。もしもこのコンピューターの設計に、もっと強力な冷却システムが組み込まれていたら、この事故は最初から避けられたかもしれません。機械が溶けてしまうような設計をしたくない場合、回路を常に適切に冷却できるよう、各種の冷却技法を検討するのがいいでしょう。選択肢として、ファン、イオン風発生器、圧電性ふいごなどがあります。それぞれの熱管理プロセスには長所と短所があり、アプリケーションに最適な方式を決定するために役立ちます。

最適な冷却

基板が燃えることを防ぐだけでなく、最適な方法で冷却を行うべきでしょう。組み込みシステムや、その他の低消費電力アプリケーションを設計するときは、最も効率的な冷却システムが必要です。また、冷却プロセスが多くの領域を占めたり、多くのメンテナンスを必要としたりするのも望ましくありません。このため、それぞれのシステムの消費電力、サイズ、メンテナンスについて以下で解説します。

扇風機

この冷却システムはお勧めしません。

ファン

私のノートパソコンが溶けてしまった後で、修理店は発熱を減らすため、グラフィックカードを性能の低いものに交換しました。しかし、依然として私のコンピューターでは過熱状態が発生しました。そこで私は、コンピューターがオンのときにはデスク用のファンを横に置くことにしました。コンピューターに内蔵されるファンについて解説しましょう。

消費電力 - ファンは単純で、初期投資が安価なため、アクティブ冷却方式として最も一般的なものです。しかし、ファンは比較的多くの電力を消費します。低消費電力のPCBを設計する場合、普通のファンによる冷却はお勧めしません。ただし、この規則についてはいくつかの例外、例えばSandia LaboratoriesのSandia Coolerなどがあります。このファンは非常に効率が高く、通常のファンと比べて消費電力を最大7%削減できます。
サイズ - サイズの小さい冷却方式が必要な場合、ファンは適していません。ファンは外形が大きく、取り付け用のフレームやモーターも必要となるため、比較的大型の回路用の手法です。
メンテナンス - ファンは他の方式ほどのメンテナンスを必要としませんが、かなり頻繁に清掃が必要です。ファンにはほこりが付着するため、性能が低下し、熱暴走の可能性が増大します。ただし、ここでもSandia Coolerではこの問題が低減されています。通常のファンよりもはるかに高速に回転するため、ほこりの微粒子を振り落とし、付着を防止します。

イオン風発生器

「イオン風」と聞くと、宇宙にものすごい突風でも吹き抜けるかのようなイメージがありますが、実際のイオン風はそんな恐ろしいものではありません。イオン風発生器（コロナ放電やイオンジェットとも呼ばれます）は、正の電荷を持つプレートと、負の電荷を持つプレートとで構成されます。その結果、2つのプレートの間の電界により静かな風が発生します。この微風は、可動部品を使用しないで生み出されるため、このソリューションは静かです。

消費電力 - イオン風は消費電力の点で従来型のファンより優れています。この方式は、正確にどれだけ効率的かはまだ明確になっていませんが、それでも明らかにより効率的です。このため、低消費電力のアプリケーションに適切です。
サイズ - イオン風発生器は、2つの荷電プレートによる単純な構造であるため、ファンよりも筺体に収納しすやくなります。これらのプレートは近接した状態でも、離れた状態でも、どのようにでも配置できます。これらのプレート用の電源ははるかに高電圧に変換する必要があるため、やや収納しにくくなる可能性があります。
メンテナンス - イオンジェットに期待し過ぎると、失望することになるでしょう。この手法では信頼性が大きな問題で、正のプレートは電荷の関係で急速に酸化し、発生器の効率を低下させるため、この手法は役に立たなくなります。

古いふいご
昔ながらの方法として、普通のふいごを使うこともできなくはないでしょう。

圧電性ふいご

私のノートパソコンの冷却のため、振動式ファンの代わりにふいごを使うこともできたでしょう。ただし、ふいごの唯一の問題は、ポンプを使うために人が必要で、鍛冶屋見習いを探すのは面倒だということです。また、PCB内にはふいごはちょっと納まりそうにありません。では、どのような代替案があるでしょうか。圧電性ふいごは圧電性の素材で作られた2枚のプレートで構成され、それらのプレートは電荷をかけることで振動します。この振動によって、ファンと同様に空気が強制的に吸入および排出されます。GEのモデルはサイズが4mmで、非常に薄型のソリューションを作成できます。

消費電力 - 圧電性ふいごの最も優れている点です。この新型のシステムは、従来のファンと比較して1/10の電力しか消費しないと予測されています。エネルギー効率の高いソリューションが必要な場合は最高の選択肢となります。
サイズ - 圧電性ふいごはイオン風発生器と同程度のわずかな容積しか使用しないため、小型のフォームファクターに最適です。
メンテナンス - 実のところ、この冷却処理についてどのような種類のメンテナンスが必要なのかは明確でありません。しかし、これまでに読んだ記事の中でメンテナンスについての記述は一切なかったので、気にする必要はないでしょう。

液体冷却

私のようなゲーマーなら間違いなく、液体冷却をご存じでしょう。ゲームにはあまり興味のない人のために説明すると、液体冷却システムは、空気の代わりに何かの液体（水、冷却剤、非伝導性の油）を使用して熱を放散するものです。空気は実質的に絶縁体であり、熱の伝導には適していません。液体冷却システムは、従来のセットアップと比較して2～10倍の速さで電子機器から熱を放散できます。

消費電力 - 大規模では、液体冷却の方がはるかに効率的です。ただし、この大規模とはサーバーファームのようなものを意味します。それよりも小規模のアプリケーションでは、運用コストで削減できる額は、初期投資の額に見合わないでしょう。
サイズ - 液体冷却方式は大型になります。これは大げさな話ではありません。一般に液体冷却システムは人目を引くように設計されるため、可能な限り大きくなる傾向があります。もう少し控えめな設計の場合でも、この配置によって多くの容積が使用されます。データセンターなどを運用する場合は十分な容積を使用できるでしょうが、モバイル用途では問題外です。
メンテナンス - 液体冷却には多くの可動部品があり、長期的には故障します。冷却液の漏えいの危険も大きく、これによって電子回路が破壊される恐れがあります。回路の破壊に対応できる状況でない限り、このシステムはお勧めできません。

最終的な比較

このように4つのアクティブ冷却テクノロジーを見てきましたが、結局のところどれを使用するべきなのでしょうか。小さなパッケージで大きな冷却効果を求めるなら、圧電性ふいごが最適です。外形が非常に洗練されているため、領域を節約できます。システムのサイズに制限がないなら、液体冷却がおそらく最適のソリューションでしょう。メンテナンスについては、ふいごと従来型のファンが同程度に優れていると考えます。これは、ふいごでどのような種類のメンテナンス作業が必要かが明確でないためです。

いくつかの冷却システムから選択可能になったところで、それを使用するPCBの設計について考えましょう。そのための完璧なソリューションがCircuitStudioです。このソフトウェアには使いきれないほど多くの機能が搭載されており、レイアウトを非常に簡単に作成できるようになります。

冷却についてのご質問は、アルティウムのエキスパートまでお問い合わせください。