CPUの冷却装置

CPUの冷却装置（シーピーユーのれいきゃくそうち）の記事では専ら、「CPUクーラー」と呼ばれているパソコンのCPUの冷却およびその装置について解説する。CPU以外のGPUなどのプロセッサ、あるいはもっと他の集積回路で発熱の著しいものにおける冷却、あるいはパソコン以前から存在して冷却が行われていたメインフレームやスーパーコンピュータ、あるいはワークステーションやサーバにおける冷却と、本質的には何ら変わる所は無いのだが、パソコンの場合はフォームファクタによる制限という歴史的な都合などにより、「CPUクーラー」と、ビデオカードの主にGPUを冷却する「VGAクーラー」で形態が著しく異なるとか、本来は通風させる方向に沿っているべきであるマザーボード上の子基板がその向きに沿っていない（メモリモジュール等）といった事情がある。特に、互換性のあるパーツを集めて作るショップ系BTOや自作機ではそういった影響が大きい。一方でカスタムの幅が狭い前提で設計されるメーカー製PCやPCサーバ等では、フォームファクタに囚われず全体最適な設計が見られることも多い。

自然冷却（ファンレス）

冷却ファンなどは使用せず、筐体内の自然対流と電源装置の排気による負圧を利用した換気によって、冷却する方法。

表面放熱

冷却するための装置・部品を一切使わずに、プロセッサの表面から放熱させる方法。組み込み機器のプロセッサでは一般的であるが、発熱量が高い最近のデスクトップパソコン向けCPUでは不可能である。
マイクロプロセッサの黎明期からおよそ数ワットの消費電力であったIntel 80386や68030の頃までは、放熱のために特別な部材は装着されておらず、プロセッサ表面から放熱していた。
しかし最近は、表面放熱量を増やすことのできるCPUの設置方法が採用されることがある。例えば、モバイルコンピューターで、CPUをキーボードと平行になるように設置し、キーボードの裏面の金属製フレームに密着させ、ここから放熱する方法である。ただしこのような表面冷却は、きわめて薄型であるモバイルコンピューターでしかできないうえ、ファンを使う冷却装置に比べ放熱量も限られている。

ヒートシンクの利用

プロセッサの表面にヒートシンクを取り付けて放熱する方法。CPUクーラー専用の冷却ファンを用いずに、筐体の吸排気ファンや電源装置に取り付けられた放熱ファンによって生じる筐体内部のエアフローを用いて、ヒートシンクに空気を当て冷却する。他の冷却方法と比べて仕掛けが簡単で無音で冷却することが可能だが、発熱の高いプロセッサを冷却するには巨大なヒートシンクが必要になる。
i486・68040の隆盛期に入り、クロック周波数がおよそ30MHz以上になり、消費電力が数十ワットに達すると、プロセッサ表面だけでは充分な放熱ができなくなり、CPUの上に放熱性の高い金属製のヒートシンクを取り付けるようになった。ヒートシンクにより放たれた熱は筐体の排気ファンや電源ファンから強制的に外部に出される。CPUの発熱がさらに増大すると、これでも放熱が追いつかなくなり、Pentium以降のx86プロセッサでは、ヒートシンクにファンを取り付けて強制空冷を行うことが一般的になった。
Pentiumをはじめとするx86プロセッサが性能に比例して増大する発熱に対応して冷却装置の強化に迫られたのに対し、性能当たりの消費電力が比較的少ないPowerPCを採用したMacintoshでは、CPUの冷却装置に小型でファンレスのヒートシンクを採用しつづけた。特に消費電力の低いPowerPC G3を搭載したiMac、PowerPC G4を搭載した Power Mac G4 Cubeは筐体の放熱ファンも廃止してエアフローを意識したファンレス設計とし、極めて静音性に優れていた。構成部品のヒートシンクから放たれた熱は空気の自然対流で外部に逃がされる。
2000年代後半になると、x86プロセッサでも、Atom・Geode・C7など、発熱量の少ない省電力CPUのラインナップも充実し、ファンレスのPC/AT互換機が現れた。また、発熱量がさほど多くないCPU（Core 2 Duo、Core i7、Core i5の一部など）でも静音化のためCPUファンを排除する場合もある（Mac miniなど）が、それなりの大きさのヒートシンクが必要になる。なお、一般的なチップセットは、2009年現在もヒートシンクのみによる冷却が用いられることが多い。

強制冷却

冷却ファンを使用し空気を利用して冷却する、最も一般的な方法。ヒートシンクの上に冷却ファンを載せた状態で使用され、ヒートシンクとファンモータが一体化したものが多い。
店頭で販売されているCPU製品にはサーマル・ソリューションと称して、十分な性能の強制空冷式冷却装置が付属している。特に記述がない限り市販されているパーソナルコンピュータにおいて、CPUの冷却にはこの方式が用いられる。
Pentium黎明期（i486の末期）の頃になると、クロック周波数50～100MHz、消費電力が30W前後に上り、自然冷却では放熱が間に合わず、ファンでおこした風を吹き付けて冷却する強制空冷が行われる様になった。
その特性上、どうしても高周波の風切り音が発生してしまう。これをできるだけ抑えようとメーカーは静音性も重要視したファン開発を行っているため、標準付属品以外にも様々な製品が販売されており、その中には流体力学や航空工学の成果を応用したと謳うものまで存在している。
また一般にCPUの冷却装置はケース内部にあるため、空冷を続けるためには、ケース外部との継続的な換気が必要になる。ファンなどによる換気のほか、効率を上げるために冷却装置のすぐそばに換気口を設けたり（パッシブダクト）、冷却装置が外気に直接面するようにレイアウトする例もある（BTX規格など）。

受動空冷

プロセッサの表面にヒートシンクを取り付けて放熱する方法。
詳細はヒートシンクの利用を参照のこと。

液浸冷却

水冷と異なりCPUやマザーボードその他のパーツを含めて直接冷却液内に水没させるものと、防水ケースに収納して水没させる物と２種が存在する。熱源に対して直接冷却液を接して排熱できるので冷却性能は非常に高い。冷却液にはフッ素系不活性液体やオイルなどの非電導性の液体が用いられ、直接水没させる場合はパーツに関しても冷却液が浸透しないようにコーティングしたものなどが使われる。主にデータンセンターのサーバーやスーパーコンピューターなどの高い冷却性能を要求される用途などで使われる。
一般ではまず利用されることはないが、僅かに市販されている専用PCやキットは非常に高額である。自作する場合、魚類用の水槽に市販の精製水やオイルを満たしてパーツ一式を水没させるものが多く、マニアが公開している物やPCショップの展示品等で見ることができる。市販品で水没を想定したパーツはほとんど存在しないので長期的な運用は難しく、コストやメンテナンス性も良くはないので水冷以上にハードルが高い。

水中データセンター

大規模な冷却施設と土地が不要になる事から、自然環境下での水中データセンターを実現するための検証実験が官民で行われている。
MicrosoftはプロジェクトNatickで専用のコンテナ内にサーバーを収納し、冷却を海水で行う海中データセンターの検証行って実験を行っている。
国立情報学研究所では専用コンテナを用いず、直接マザーボードを海中や湖などに沈めての検証実験を行っている。市販品のパーツをパリレン樹脂でコーティングすることで、水道水を入れた水槽の中で3か月の稼働を成功させている。

ガス冷

パソコンの筐体に小型のコンプレッサを組み込んで、冷蔵庫などと同様の方式で液体が気化する時の気化熱を利用した放熱を行うもの。マニアが自作する物のほか、これを組み入れた製品を出荷しているメーカーや、パソコンショップのショップブランド品に仕込んで販売する例もある。
水冷よりもさらに高い冷却効果を得られる反面、冷却装置そのものがそれなりに大掛かりかつ高価であり、一般的なエンドユーザーの使用環境であれば空冷や簡易水冷でも必要十分であるため、一般的な方式ではない。
ガス冷却に用いられるガスは数種類あり、主に炭酸ガスが用いられる。

冷却の補助

冷却効率を上げるため、補助的な役割を担う物。

放熱グリス

冷却装置とCPUの間は、密着させていても材料表面の微細な凹凸による隙間が生じている。そこを空気ではなく、より熱伝導率の高い物質で埋めることによって、冷却装置へ熱を伝わりやすくするもの。シート状・ダイヤモンド粒子配合・特殊液体金属のものもある。

ヒートパイプの利用

熱伝導率の高いヒートパイプを用いてチップの熱を移動させる方法。
金属よりも効率が良いために速やかに遠くまで熱が移動できるため、薄く多量のフィンや側面を用いて表面積を稼ぐ事ができ、放熱部の効率を高められる。
大きさや部品配置の点で制約の厳しいノートパソコンなどでも十分に冷却することが容易になる。また、ケース内に余裕の大きい自作機やBTO機では、これを用いて大型化したクーラーをより大型のファンを用いて冷却できるようになり、高速ファンを使ってのオーバークロック、あるいは低速ファンを用いる事での静音化が容易になる。

ペルチェ素子の利用

ペルチェ効果を利用した薄型の冷却素子。CPUに接する面から吸収した熱を、反対側の面に移動させる。素子単体では冷却装置として機能しない（単なるヒーターになってしまう）ことから、空冷や水冷の冷却装置を併用して放熱効率を向上させたり、外気より低い温度を作るために使用される。
パソコンではi486、Pentium（初代）の時代に流行したが、それ自体がかなりの電力を消費し発熱すること、冷却しすぎると結露が発生することといった使い勝手の悪さや、空冷装置の性能向上によりペルチェ素子の優位性が失われたこと等の理由で廃れ、現在はオーバークロッカー等、一部マニアで使用されるに留まる。

殻割りによる放熱部材の交換

CPUのヒートスプレッダを取り外して、放熱部材をより高性能なものにより変える事を殻割りという。発熱量が高いハイエンドCPUで行われる事が多い。手法としてはCPUダイとスプレッダに塗布されたグリスを高品質な物に塗り替えたり、ヒートスプレッダをより放熱性の高いものに交換するなど。ただし殻割は難易度が高く、メーカーの保証対象外となる。
IntelのIvyBridge世代からマニアの間で流行し始めた。原因はCPUの放熱部材がソルダリングから熱伝導グリスに変更されたが、グリスの品質が良くなかったため熱移動がうまく行われず、個体によってはかなりの高温を出すこともあったため。
殻割り後に市販の高品質グリスを塗布した事で改善された事例が確認されている。
SandyBridge以降は改善されているが、以降も前述の理由で純正グリスの忌避、OC耐性の向上などの理由で殻割りが行われている。

CPUクーラーの主な取付方法

2016年現在流通しているマザーボードで採用される方式には、主に以下のプッシュピン方式、リテンション方式、バックプレート方式の3つがある。

プッシュピン方式

インテル製CPUにてよく使われている方式で、CPUクーラーのフレームをマザーボードに予め開けられている穴に、樹脂製のリベット（プッシュピン）を指で押し込んで固定する方式。取り付け時はピンの向きや状態を4か所同時に把握しなければならず、CPUクーラーが大型になるほど指を掛けにくくなる。しかし固定されれば自然とメーカー指定の圧力となるため、CPUやマザーボードを破損させるリスクが少ない。インテルリテールクーラー、一部のAMDリテールクーラー、サードパーティ製CPUクーラーで採用されている。

リテンション方式

AMD製CPUにてよく使われている方式で、マザーボードに取り付けられているブラケットに、CPUクーラーのフックを引っ掛け、レバーで締め上げて固定する方式。作業は非常に単純だがレバーが固く、力が要る。プッシュピン方式と同様に圧力はメーカー指定のものとなるため破損リスクは少ない。AMDリテールクーラー、サードパーティ製CPUクーラーで採用されている。

バックプレート方式

マザーボードの裏側に、金属もしくは樹脂製のバックプレートと呼ばれるネジ穴が設けられたプレートを取り付け、反対側からCPUクーラーのフレームをネジにて固定する方式。前述のプッシュピン方式の穴や、リテンション方式のブラケット取り外し跡にバックプレートを設置することで、この取り付け方式が使える他、インテルのLGA2011マザーボードの場合は予めマザーボードにネジ穴がつけられているため、そのまま取り付けることが可能である。ドライバーやスパナで取り付けるため他方式に比べて力が要らず、重量があるCPUクーラーも支えることができる。しかし圧力は作業者依存となってしまうため、ネジ緩みによる冷却不全や、締めすぎによるCPU破損などが起こりうる。ハイエンド向けCPUクーラーや、簡易水冷式のCPUクーラーに採用されていることが多い。