CPUの冷却装置

CPUの冷却装置の記事では専ら、「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。

1. 概要
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CPUに限らず、集積回路を使用する電子機器一般に、積極的な放熱を必要とするほどに発熱するのにもかかわらず冷却を怠った場合、以下のような問題がある。

オーバーヒートによる誤動作。なお、特にこれによる制御不能状態のことを指して俗に「熱暴走」と呼ぶことがある
異常な熱膨張・収縮によるパッケージの寿命の問題
半導体としての熱暴走十分な冷却を行わない場合、以上のような理由から、即時的な機能不全や、著しい寿命の短縮をもたらす。一見正常に機能したとしても冷却不足であった場合は、設計上の寿命よりはるかに早く故障する可能性がある。

一般にマイクロプロセッサの場合、本来はBtoB等での利用のための形態である「バルク品」と呼ばれる商品にはCPUクーラーは付属しない。一方、一般消費者向けの「リテールパッケージ」には、必要十分な程度のスペックのCPUクーラーが同梱となっていることがほとんどであり、通称「リテールクーラー」「純正クーラー」と呼ばれている。自作やオーダーPCでは、より高性能な、あるいは静音化を図ったクーラーに交換を望む需要も高く、サードパーティ製品が数多く開発、市販されている。

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、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ことがある。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。

1.1. パソコンのCPU以外の冷却
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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も、本質的には同様である。ビデオカードの主にGPUを冷却するものは「GPUクーラー」または「VGAクーラー」と呼ぶ。

パソコン以外の機器では、家庭用ゲーム機の場合の一例としてPlayStationシリーズの場合、初代PSでは自然通風による冷却のみであったがPS2ではファン等を含む冷却システムが組み込まれている。他にも、薄型テレビなど黒物家電にはメインLSIを冷やすため何かしらの冷却機構を採用した物が多い。

2. 背景と歴史
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2.1. 黎明期
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パソコンで使用されるマイクロプロセッサの場合、ごく初期にはPMOS、続いてNMOS論理方式であったため、1980年代にはその発熱が問題になるほどになった。しかし、CMOS論理方式への移行により、一旦は緩和された。インテルのメインストリーム製品の場合、8086で問題になった後、80286で緩和された。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。

しかしその後も、とどまることのない集積度とクロックの向上にともない消費電力が増大し、発熱の問題はどんどん大きくなった。

2.2. ヒートシンクによる冷却の登場
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80286の頃には、樹脂製のパッケージにヒートシンク無しの場合もあったが、簡単なヒートシンクを付け筐体の通風は電源のそれを兼用とするか、4cm程度の独立したファンを付けた構造も登場した。

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構造である。

2.3. 空冷ファンによる冷却の浸透
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Pentium黎明期の頃になると、32ビット化し、さらに台頭し始めたRISCに対抗して高性能化した。クロック周波数50 - 100MHz、消費電力が30W前後に上り、CPUの発熱がさらに増大した。

結果として、ヒートシンクと筐体の通風では放熱が追いつかなくなり、ヒートシンクにファンを取り付け、ファンでおこした風を吹き付けて強制空冷を行うことが一般的になった。雑誌で「CPUで目玉焼きができるか」等の企画が出されたり、2001年頃には「このままのペースで発熱が増加すれば、CPUの発熱による単位面積あたりの熱流量は間も無く原子炉のそれを上回り、2015年には太陽のそれに達する」と主張された事もある。

ハイエンドのプロセッサについてはクロック周波数の向上の伸びこそ近年は鈍化の傾向があるとは言え、マルチコア化による延べ消費電力ないしはTDPは2017年まで単調増加であり、それに伴いCPUクーラーも強化されてきた。

2.4. 低発熱CPUへのファンレス対応
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一方で、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、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。

また、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も登場し、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でも静音化のためCPUファンを排除する場合もあるが、それなりの大きさのヒートシンクが必要になる。なお、チップセットは、2020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が、かつてのNVIDIA nForce 4 SLIチップセットや、AMD X570チップセットのようにハイエンドの製品では小型ファンによって冷却するものもある。

Intel SpeedStep テクノロジは当初ノートPCのバッテリー消費を抑える機能であったが、デスクトップPCでもアイドリングやそれに近い状態であれば周波数や電圧を落とすことで消費電力や発熱を抑えるために利用されている。

2020年代には消費電力や周波数をごく短時間であれば超過する機能や、逆に熱破壊を防ぐために温度上昇により自動で周波数を落とす機能が標準となったこともあり、本来の性能を引き出すにはTDP以上の冷却能力を備えたCPUクーラーの重要性が増している。

3. 自然冷却
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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。

3.1. 表面放熱
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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。スマートフォンやタブレットを始めとした組み込み機器のプロセッサでは一般的であるが、発熱量が多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。

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。

3.2. ヒートシンクの利用
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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。

4. 空冷
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4.1. 強制冷却
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冷却ファンを使用し空気を利用して冷却する方式。現代では一般的な方法である。ヒートシンクに冷却ファンを取り付けた状態で販売されている。またヒートシンクとファンモータが一体化したものや、ファンが交換可能となっている製品もある。

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。

ヒートシンクの上にファンを配置し、風を吹き下ろして冷却する「トップフロー型」と、ヒートシンクの側面にファンを配置し風を当てる「サイドフロー型」があり、それぞれに長所と短所がある。ヒートパイプを利用し、CPUとの接触面とファンの付いたヒートシンクを離すことで、12cmや14cmの大型ファンを2つ搭載したサイドフロー型なども登場している。

ファンを使うため風切り音が発生することから、メーカー各社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。例えば、2009年に不二ライトメタルが発売した「T-Shooter」は4つの円筒を束ねた形状のヒートシンクに吸い出しファンを組み合わせた構造をしているが、これは熱力学と流体力学を基に設計されたものだという。

2023年、Frore Systemsがファンを使わず薄膜を超音波で振動させることで気流を発生させる「ソリッドステートアクティブ冷却システム」を発表した。

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、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。

4.2. 受動空冷
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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。

5. 水冷
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空気よりも熱容量が大きい水を冷却に用いる方法。CPUに水を循環させるヘッドを接触させて、熱を水で持ち去り、外部のラジエータで放散させる。ラジエータには空冷ファンを付け、冷却能力を高めることが多い。CPU以外にGPUの冷却のためのキットも市販されている。

大型汎用機では普及している方法であるが、一般的なパソコンに用いるには構成部品が多く大がかりになりすぎ、また定期的なメンテナンスも必要であり、水漏れなどが発生すれば高価なパーツを破壊するリスクもある。

一般に空冷式より高価かつ複雑になることなどから簡便に用いることのできるものではなかった。技術の熟成により信頼性が上がり、値段も空冷クーラーと遜色ない製品が流通するようになり、冷却性能の高さに加え、ファンによる騒音を嫌って静粛性を求めるユーザーが水冷式を用いることが多い。

パソコン分野での水冷は「本格水冷」と「簡易水冷」に大別される。

本格水冷対象の熱を冷却液に伝える水枕、冷却液を送り出す電動のポンプ、冷却液を貯めておくリザーバータンク、熱交換を行うラジエーター、各パーツを繋げるホース及びその継手を基本の構成要素とする。組み立ての際にはホースを各部に適した長さで切断して各構成機材を繋いで水冷経路を作り、エア抜きも行う必要があるなど手間が掛かる。その分、各構成機材の配置場所の自由度が高く、ホースをケース外に伸ばし、ラジエーター等を外付けにすることも可能。CPUだけではなくGPU、マザーボード、メインメモリ、珍しいものではSSDや電源ユニットの水冷化など適合する水枕さえ用意できればほぼ全ての発熱源に対応する。設置場所のスペースとポンプの能力の許す限りラジエーターの増設・拡張が可能なため、冷却性能を高めファン速度を下げる事により静音化も可能。黎明期は自動車やバイクの水冷システムやアクアリウム、水道管など先行していた各分野のパーツを流用・改造していたが、2019年現在は専用に販売されているパーツを利用することが多い。各パーツの接続部分は管用平行ねじのG 1/4インチがデファクトスタンダードとして広く採用されているため、継手を流用することでパーツの交換を容易に行える。また、特定のマザーボードやGPU専用の水枕を除きパーツの汎用性が高く、一度購入すれば適切なメンテナンスによって数世代にわたって使用できる。空冷CPUクーラーと同様、Socket AM4やLGA1700などの寸法に互換性の無いソケットが登場した際には各メーカーから無償もしくは低価格でアップグレードパーツが供給されている。簡易水冷2009年頃からはチューブ素材などの進化によりメンテナンスフリー化が進み、水枕、ホース、ポンプ、ラジエーターなどが一体化して冷却水が封入済みで簡単に取り付けられる1万円前後の簡易型水冷クーラーのキットが自作パソコン
用途向けに販売されている。2010年代以降はこれら簡易水冷型クーラーが1万円以上のハイエンド・CPUクーラー市場において一定の市場を形成している。CPUヘッドと呼ばれる水枕部分を固定した後、ラジエーター部分をケースに固定すればいいためパソコンケース内のみで水冷経路が完成し、ユーザーは水冷経路を組み立てる必要もなく冷却液そのものを扱わずに済む。ただし多くの簡易水冷にはリザーバータンクがないのでCPUの発熱量次第では、冷却液全体の温度が上がってしまうと熱飽和で放熱が追い付かなくなるので、PCの環境や構成に合わせたラジエーターサイズの製品が望ましい。大半の製品がメンテナンスフリーを謳っているが、冷却液の交換ができない場合がほとんどで冷却液の揮発や内部の腐食などで性能が低下した場合は機材を交換及び廃棄せざるを得ない。2019年現在市場に出回っている製品のほぼ全てがデンマークに本社を置くAsetek製のOEMであり、各社はAsetekの基本設計に独自のカスタマイズを施して販売している。同社は簡易水冷に関する特許を取得しており、競合であるカナダのCoolItや台湾のCooler Masterなどを特許侵害で提訴しており、いずれも勝訴している。2013年には本格水冷メーカーの米国Swiftechの製品にも警告を行い、同社は米国での販売を停止した。CPUの水枕とポンプを一体化させる構造が特許の対象となっているため、AsetekとのOEM契約を結んでいないメーカーはラジエーター側にポンプを装着するか、わざと複雑な構造をとり内部的に一体化していない構造とすることで特許を回避している。2020年代からはホワイトボックスパソコンメーカーの中にもBTO用パーツやハイエンドモデルとして用意するところが現れるなど、普及が進んでいる。GPUの冷却にCPU用の簡易水冷を利用することもある。水冷型のクーラーは、強制空冷式のCPUクーラーでは存在したファンによる風の流れが限定的となるため、その設置の状況によってはマザーボード上のチップセットやメインメモリーなどの他のパーツ機材の冷却が疎かになる可能性があり、導入する際には、ほかの冷却機構との兼ね合いを考慮する必要がある。

ノートパソコンにおいても水冷を採用した製品が存在する。

6. 液浸冷却
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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浸すものと、防水ケースに収納して浸す物の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。自作する場合は魚類用の水槽に精製水やオイルを満たしてパーツ一式を浸すものが多く、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。

6.1. 水中データセンター
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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。冷却に湖水や海水を使うことで大規模な冷却施設と土地が不要になる、空調を駆動するための電気代を抑えられる他、人間が内部に入らないため事故率も地上より低いというメリットがある。

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。。

7. ガス冷
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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、除湿機などを流用する場合でも大がかりな改造が必要であるが、一般的なエンドユーザーの使用環境であればリテールクーラーで動作が保証されており、ヘビーユーザーでも簡易水冷で十分な冷却が可能であるため、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。

8. 寒剤を用いた冷却
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CPUの直上に液体窒素やドライアイスを入れる銅製の枡等を用いて放熱する方法。極低温であり極端なオーバークロックを行えるところから「極冷」と称される。

極低温を維持することでオーバークロック時の冷却効率が評されるが、結露対策に気を使う必要があり、タオルを敷き詰める、マザーボードをコーティングするなどが行われている。寒剤自体も消耗品であり運用コストがかさむので、ベンチマークの試合における極端なオーバークロック時の利用が一般的であり、個人で常用することは極めて少ない。

必要なパーツは自作することが多いが、キットも販売されている。

9. 冷却の補助
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冷却効率を上げるため、補助的な役割を担う物。

9.1. 放熱グリス
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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・液体金属のものもある。

9.2. ヒートパイプの利用
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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、速やかに遠くまで熱が移動できるため、薄い多量のフィンや側面を用いて表面積を稼ぐことができ、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、ケース内のスペースが大きいタワー型ケースでは、ヒートパイプを用いることで大型のクーラーでもすぐにヒートシンク全体へ熱を伝える事ができ、冷却性能が上がり、高速ファンを使ってのオーバークロック、あるいは大型の低速ファンを用いることでの静音化が容易になる。

9.3. ペルチェ素子の利用
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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。

2020年には前述の弱点をハードウェア及びソフトウェアでの解消を図った製品をIntelが企画、CPUクーラーメーカーが規格に準拠した製品を発売している。ただし、対応するマザーボードは限られており、モジュール自体の消費電力も非常に高い。

9.4. 殻割りによる放熱部材の交換
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CPUのヒートスプレッダを取り外すことを殻割りという。殻割りを行い、ダイとヒートスプレッダの間のソルダリングやグリス、ヒートスプレッダ等をより放熱性の高いカスタム品へ交換することで負荷時の温度上昇の抑制を期待できる。これは、オーバークロッカーやエンスージアストなどにより行われることが多い。

手法としては万力、カッター、専用器具などを使ってヒートスプレッダを剥がす。殻割りの難易度は高く、最悪動作不能になったりメーカーの保証対象外となるリスクがある。

Intelの第三世代CoreであるIvyBridgeから一部のユーザーの間で流行し始めた。原因はTIMがソルダリングから性能が低いグリスに変更されたため熱移動がうまく行われず、個体によっては負荷を掛けると容易く高温となるケースもあり、性能低下も無視出来ない場合があったためである。殻割りでTIMを高性能な市販品にすることで通常よりCPU温度が低下した事例が確認されている。第九世代のCoffee Lake Refresh以降の製品では改善されているが、以降も前述の理由で純正ソルダリングの忌避、OC耐性の向上などの理由で殻割りを行うケースがある。

10. CPUクーラーの主な取付方法
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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。

10.1. プッシュピン方式
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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。

10.2. リテンション方式
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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。

10.3. バックプレート方式
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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。

11. 手入れ
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PCの経年使用により、CPUの冷却装置周りにホコリが付着・堆積すると、冷却能力が低下し故障の原因となる。このため、エアダスター等によるホコリの除去や、放熱グリスの塗り直しといった手入れを行うことが望ましい。

12. 冷却装置の著名メーカー
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東芝ホームテクノ
ZALMAN
Cooler Master
Thermaltake
Akasa
Alphacool
Asetek
ThermalRight
Noctua
GIGABYTE
SNE
山洋電気
ニデック
AVC
SCYTHE
CRYORIG
DeepCoolこれら企業の中にはファブレスメーカーやOEM専門の商社も存在している。

また、これら以外でもパソコンショップなどが、日本市場に未参入の海外メーカーの製品を独自に輸入して販売していることがある。

13. 脚注
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13.1. 注釈
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13.2. 出典
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14. 関連項目
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15. 外部リンク
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