企画書

(ホントか?)

見果てぬ夢 “究極の冷却!


究極の冷却って考えてるんですけど、なかなか難しいですね。

現在、一般的なCPUの冷却はヒートシンクとFANですよね。(空冷)つまり、空冷。その他のデバイスはChip setVGA chipにシンクが付いている程度で(FANまで付いてるVGA Chipもありますが)、メモリやHDDはなんとなく空冷している程度ですよね。強制的に風を送るってのもありますが。

空冷よりももっと冷却効果を上げたければ水冷ってことになっちゃいます。
最近なんだかブレークしてるみたいですが。

原理的には空冷も水冷も同じですね。熱いものに、より冷たいものを接触させて熱を奪う、と。熱を奪う媒体がより効率的に熱を奪うためには低い温度に保っておかなければならない。ゆえに、奪う媒体を順次暖まっていない低温に保つため風を送るなり水を流すなりする、と。

さらに、これらと組み合わせることが出来る電子冷却って方法がありますね。いわゆる“ペルチェ素子”(あるいは“ペルティエ素子”)と呼ばれるものですね。これは電流を流すことによって、素子の一方の端の熱を他方に移動させるもので、片方が冷えている場合にはもう一方は高温になっちゃいます。で、この高温側の熱を奪うために空冷なり水冷が使用される、と。

まぁ、どの様な冷却法を採るかというのは設計思想に依存するのですが、空冷にしろ水冷にしろ、流す空気なり水なりの媒体の温度以下に下げることは出来ないわけです。電子冷却を使えば素子の温度差を利用して媒体の温度以下に下げることは可能な訳ですが・・・

空冷 & 電子冷却で、CPUを室温と同じ温度に保つというなら問題は発生しません。熱がシンクから流れる空気に移動するためには両者の間で温度差が必要となります。温度差が縮まれば熱の移動は小さくなります。ということは、室温が20℃だとすると20℃近傍までは冷却できますが、それ以下にならないのは当然として、20℃にするのも大変困難であると言うことです。さらに付け加えるなら、CPUからシンクへの熱伝導にもロスが必ず存在し、シンクの温度はCPUの温度未満にしかなりません。そこで、CPUの温度を直接モニターし、電子冷却をコントロールしてシンクから空気への熱伝導のロスとCPUからシンクへの熱伝導のロスを電子冷却による温度勾配で補ってやればCPUを室温と同じに保つことが可能になります。この場合の空冷は、CPUの発熱と電子冷却素子に電気が流れることによって発生する温度勾配以外の余分な発熱も奪うことが役目になります。推測ですが、この程度の電子冷却素子からの発熱は空冷で充分に奪うことができるのではないでしょうか。(飽くまで推測ですが。)

水冷の場合もCPUを室温に保つ目的でしたら問題は発生しません。

先程から「問題」と言っているのはCPUやその他の温度を「室温以下」にした場合に起こる「結露」です。

CPUをより低い温度にすれば、より高いクロックで動作する可能性が高まります。また、水冷による圧倒的な排熱能力を生かすために、電子冷却を併用することにより極限まで低温にしてみたいと考えるのは無理からぬことです。しかし、「水」は電子機器等の電気を使う装置にとっては回路の短絡を招く大敵です。

と、とどまることを知りません。

これを防ぐために水冷 & 電子冷却を試みてる方々は色々苦労なされてます。

等々。

しかし、断熱材は温度勾配を付けるためのものですから、熱の伝わりを完全に防ぐことは出来ません。かなりの効果をあげることは確実ですが。

しかし、「究極」を名乗るためには以上のような方法では不完全ですね。
(生意気言ってスミマセン。)

どうすれば結露を完全に防ぐことが出来るでしょう?

  1. CPUその他のデバイスと雰囲気の温度を同じにする。
  2. PCの雰囲気から水を排除する。そのためにはPCの雰囲気を外界から完全に遮断する。

以上の二点が考えられます。
1を実現するためには、冷却しない。あるいは室温以下にしない、という解がありますが、
これは論外ですね。前提が崩れている。
断熱剤等で覆うってのは2の実現に近いものがありますね。隙間無くCPU等を覆ってしまえば、雰囲気から空気が無くなり、空気に含まれる水もなくなる。多少の隙間があっても、空気の量が少なければデバイスにダメージを与えるほどの結露は起こらない、と。クーラー等の冷えた空気をPCに送り込むと言うのも解です。ケースの吸気FANの口から冷気を送り込めば全体が冷えるのでイイ、と。PCの電源とクーラーを止めたときに冷えたPC内に結露する可能性はありますが、注意深く操作すれば大丈夫でしょう。でも、この方法では、それほどの低温には出来ません。せいぜい18℃とか15℃とか。
(大変お手軽でイイですが。)

1,2を実現した方法として「冷凍庫PC」と言うのがあります。これは素晴らしい方法ですね。冷凍庫内にPCを構築してしまうという奴ですが、冷凍庫の内側という雰囲気とCPU等のデバイスの温度は同じです。しかも、冷たい。さらに、冷凍庫の外側と遮断されている。内部で最も冷えているのは冷気吹き出し口あるいは冷気を作るコアの部分ですから、結露(結霜)はそこで起こるでしょう。素晴らしい。完璧だ。
しかし、欠点がないわけではありません。

まぁ、大がかり、かつ高価と言うのが現実的なネックですね。
4番目が最大の問題かもしれない。;-p

では、コンパクトでかつ効果の上がる「究極の冷却」を実現するにはどうしたらいいでしょう?
私が着目したのは2の

PCの雰囲気から水を排除する。そのためにはPCの雰囲気を外界から完全に遮断する。」

という方法です。

という手があります。しかし、これでは内部の熱が逃げられず、加熱してしまう。
特に真空なんかにしたら最悪!
密閉容器の中を乾燥空気で満たして、空気の循環無しに外界へ熱を逃がす方法も無いではありません。密閉容器に冷却フィンを付けて外側から冷やすとか、内部にヒーターコア(クーラーコアか?)を入れて、熱を逃がす、等々。当然CPUは水冷 & 電子冷却で極限まで冷やしている、と。こうなると冷凍庫よりお手軽とは言い難いですね。CPU以外の冷却も“?”がついてしまう。

 

そこで究極の冷却。(いよいよ本題)

密閉容器を使うところまでは上記の方法と同じですが、その容器の中を絶縁性の液体で満たしてやるのです。(例えばフロン系の“フロリナート”とか。オゾン層破壊の問題で、もう生産中止らしいですけど。) この絶縁性の溶媒を十分脱水してから用いれば、CPUが何度に冷えようと結露は起こしません。さらに、容器の密閉度も上記の方法よりは厳密でなくて済みます。溶媒があることによって、室温以下に冷えた部分に、水蒸気を含んだ空気が触れることは無いわけですから。さらに、さらに、殆どの溶媒は熱伝導率が空気より格段に優れています。メモリや各Chip setなどから溶媒へ熱が逃げ易くなります。この溶媒はCPUを冷やす余熱で冷やされます。
排熱的にも、結露対策としても完璧だぁ。これぞ究極と言えるのではないでしょうか?

現在、この計画の実現に向けて鋭意努力中であります。 (ホントかなぁ?)
#大変困難そうなので実現の可能性は“?”です。 (“??????????” くらいかなぁ。)

 

ご意見、ご感想等をお待ち申し上げております。

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