※小説ではない※専門書 要約資料集 為替(換算)3.9万円でもらう 紐解集生成 専門 初入門 資料 作：｛作者名｝
> 学問の宇宙・統合大型巻 BOOK-0358『PC創造大全』(全22部+総論・§16.22完全性優先)の第5部(物語脊椎e)。ガイド役: Fable 5 監修 / Sonnet 5 執筆(脚本班)。
> トーン規約: GAKUMON_UNIVERSE.md準拠。専門用語は初出で必ず説明する。誇大表現は避け、「必ず〜できる」でなく「〜できる場所まで行ける」という言葉づかいを守る(CATALOG_PC創造大全.md §3安全枠)。
> **安全枠(§16.18・絶対厳守)**: ①**電源ユニット(PSU)内部は、コンセントから抜いた後も内部のコンデンサに高電圧が残っていることがあるため絶対に開けない**。異音・異臭・動作不良など故障が疑われる場合は、分解や自己修理を試みず交換を選ぶ。簡易水冷ユニットも工場で密閉充填された製品であり、ユーザーが分解して冷却液を補充する設計にはなっていないことが多いため、同様に分解しない対象として扱う。②**家庭のコンセントにつながる交流100V側の配線・改造は電気工事士法により電気工事士の資格が必要**であり、本冊はその種の実配線の手順を一切示さない。本冊が扱う実測例は、市販の据え置き型ワットチェッカー(コンセントとPCの電源ケーブルの間にそのまま差し込むだけの完成品)や、OS標準・既存の温度監視ソフトによる非分解の観測にとどめる。③排気口の直前に紙類・布・ホコリの塊などの可燃物を置かない、排気の通り道を塞がないという原則を、エアフロー設計の章で具体的に述べる。
> 接続先: →BOOK-0358d『自作PCの設計と組立』(前部・水準四〜六・予約番号のみ確定。パーツ選定と組立工程で触れた「電源ユニットを選ぶ」「冷却部品を選ぶ」という判断を、本冊は数値で検算できる形に運ぶ)、→BOOK-0358f『関数を正式に組む』(次部・水準五〜八)、→BOOK-0358s『熱と電源の技』(目録対・KNOW-P-0501〜0625・本冊の考え方を五点セットの即戦力の型として展開する対の目録・予約番号のみ確定)、→BOOK-0313/BOOK-0314『実践工学』シリーズ(機械要素の実践/熱設計の実学。特にBOOK-0314が導入した熱抵抗・θJA・R値/U値という物差しを、本冊はPC部品という具体的な対象へそのまま応用する)、→BOOK-0300『回路の読み方と設計』第1巻(オームの法則・直列並列の計算枠組み。電力`P = V × I`の基礎はそちらを土台にする)、→BOOK-0020『熱と遮蔽・絶縁』第1冊(伝導・対流・放射という熱の三経路の基礎)。
> 水準: 五〜七(電力変換の物理という土台から、80PLUS効率等級の読み方、消費電力の見積り、「発熱源=電力の行き先」という解析軸で全部品を貫く分析、熱抵抗の計算と検算、エアフロー設計、冷却方式の比較、静音と性能のトレードオフまでを扱う)。
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# BOOK-0358e PC創造大全 第5部 — 熱と電源の解析
> 学問の宇宙・統合大型巻 BOOK-0358『PC創造大全』(全22部+総論・§16.22完全性優先)の第5部(物語脊椎e)。ガイド役: Fable 5 監修 / Sonnet 5 執筆(脚本班)。
> トーン規約: GAKUMON_UNIVERSE.md準拠。専門用語は初出で必ず説明する。誇大表現は避け、「必ず〜できる」でなく「〜できる場所まで行ける」という言葉づかいを守る(CATALOG_PC創造大全.md §3安全枠)。
> **安全枠(§16.18・絶対厳守)**: ①**電源ユニット(PSU)内部は、コンセントから抜いた後も内部のコンデンサに高電圧が残っていることがあるため絶対に開けない**。異音・異臭・動作不良など故障が疑われる場合は、分解や自己修理を試みず交換を選ぶ。簡易水冷ユニットも工場で密閉充填された製品であり、ユーザーが分解して冷却液を補充する設計にはなっていないことが多いため、同様に分解しない対象として扱う。②**家庭のコンセントにつながる交流100V側の配線・改造は電気工事士法により電気工事士の資格が必要**であり、本冊はその種の実配線の手順を一切示さない。本冊が扱う実測例は、市販の据え置き型ワットチェッカー(コンセントとPCの電源ケーブルの間にそのまま差し込むだけの完成品)や、OS標準・既存の温度監視ソフトによる非分解の観測にとどめる。③排気口の直前に紙類・布・ホコリの塊などの可燃物を置かない、排気の通り道を塞がないという原則を、エアフロー設計の章で具体的に述べる。
> 接続先: →BOOK-0358d『自作PCの設計と組立』(前部・水準四〜六・予約番号のみ確定。パーツ選定と組立工程で触れた「電源ユニットを選ぶ」「冷却部品を選ぶ」という判断を、本冊は数値で検算できる形に運ぶ)、→BOOK-0358f『関数を正式に組む』(次部・水準五〜八)、→BOOK-0358s『熱と電源の技』(目録対・KNOW-P-0501〜0625・本冊の考え方を五点セットの即戦力の型として展開する対の目録・予約番号のみ確定)、→BOOK-0313/BOOK-0314『実践工学』シリーズ(機械要素の実践/熱設計の実学。特にBOOK-0314が導入した熱抵抗・θJA・R値/U値という物差しを、本冊はPC部品という具体的な対象へそのまま応用する)、→BOOK-0300『回路の読み方と設計』第1巻(オームの法則・直列並列の計算枠組み。電力`P = V × I`の基礎はそちらを土台にする)、→BOOK-0020『熱と遮蔽・絶縁』第1冊(伝導・対流・放射という熱の三経路の基礎)。
> 水準: 五〜七(電力変換の物理という土台から、80PLUS効率等級の読み方、消費電力の見積り、「発熱源=電力の行き先」という解析軸で全部品を貫く分析、熱抵抗の計算と検算、エアフロー設計、冷却方式の比較、静音と性能のトレードオフまでを扱う)。
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## 入口の物語 — 静かな箱が、なぜ轟音を上げ始めたのか
自作PCを組み上げたばかりの技師見習いは、電源を入れた瞬間の静けさに満足していた。ファンはゆっくり回り、画面には見慣れたデスクトップが表示される。ところが、負荷の高いベンチマークソフトを走らせて数分もしないうちに、ケースの中からファンの唸る音が一気に大きくなり、しばらくすると処理速度そのものが目に見えて落ち始めた。CPUもグラフィックボードも、部品としては正しく組み立てられている。配線も間違っていない。それなのに、性能が自分から下がっていくという現象が、見習いには不可解だった。
先輩技師に相談すると、意外な角度から説明が返ってきた。「きみが組んだ回路や配線は、たしかに間違っていない。けれど、パソコンという機械を本当に理解するには、部品の名前や配線の作法だけでは足りないんだ。コンセントから入ってくる電気が、最終的にどこへ行き着くのかを追いかける視点――これが抜けている」。
見習いは首をかしげた。電気は電源ユニットに入り、CPUやグラフィックボードを動かし、画面に映像を映し、音を鳴らす。それでどこへ「行き着く」というのか。先輩は続けた。「厳密に考えてみてほしい。パソコンは、電気を使って何か重いものを持ち上げたり、遠くまで物を運んだりする機械じゃない。中でしているのは、電子の状態を高速に切り替える計算という仕事だ。その計算という仕事そのものは、物理学でいう『仕事』としてはごくわずかなエネルギーしか消費しない。では、コンセントから引き込んだ電力の大部分は、いったいどこへ消えているのか――答えは、ほとんどすべてが熱になっている、ということなんだ」。
見習いはなおも半信半疑だった。「熱くなるのは知っていましたが、『ほとんどすべて』とまで言い切れるものなんですか」。先輩は笑って続けた。「試しに、パソコンが1時間フルに働いたときに消費した電力量と、その1時間で部屋の温度がどれだけ上がったかを比べてみるといい。パソコンは、電気ストーブと同じくらい律儀に、受け取った電力を熱に変えて部屋に返している機械なんだ。むしろ電気ストーブより忠実だとさえ言えるかもしれない。電気ストーブは光や赤外線という形で熱を『放射』するが、パソコンの熱の多くは空気の対流によって静かに部屋へ広がっていくぶん、実感しにくいだけだ」。
この一言が、本冊の出発点になる。**「入力電力から、外に取り出せる仕事を引いた残りは、すべて熱になる」**という、エネルギー保存則そのものの言い換えを、パソコンという具体的な機械に当てはめて考えていく。電源ユニットがACをDCに変える段階で生じる変換損失、CPUやグラフィックボードが計算をするたびに生じるスイッチング損失、電圧を変換するVRM(電圧レギュレータモジュール、後述)で生じる損失、ストレージが動作するときに生じる損失――これらはすべて「電力の行き先」の一部であり、その行き先の大部分は熱という形を取る。本冊はこの**「発熱源=電力の行き先」という解析軸**を、CPU・グラフィックボード(GPU)・VRM・ストレージ・電源ユニット自身という、パソコンを構成するほぼすべての発熱部品に貫いて当てはめ、最後にその熱をどう外へ逃がすか(エアフロー設計・冷却方式)、そして逃がす作業の音をどこまで抑えられるか(静音設計)までを、検算を積み重ねながらたどっていく。
すべての計算・実測は、市販の完成品ワットチェッカーや温度監視ソフトという、分解や配線工事を伴わない安全な範囲にとどめる。電源ユニットの内部を開けること、家庭用コンセントの配線に手を加えることは、本冊が最初から最後まで一貫して禁じる領域である。
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## 第一章: 電力変換の物理 — ACをDCに変える仕組み(水準五)
### なぜパソコンには「変換」が必要なのか
家庭のコンセントから得られる電気は、**交流(こうりゅう、AC、水準三〈→BOOK-0005〉: 電流の向きと大きさが周期的に入れ替わる電気。日本では家庭用コンセントでおおむね100V・50Hzまたは60Hzの周期で変化する)**である。ところが、CPUやメモリ、記憶装置といった半導体部品の内部は、電圧の向きが常に一定で、大きさも安定した**直流(ちょくりゅう、DC、水準三〈→BOOK-0005〉: 電流の向きと大きさが時間とともに変わらない電気)**でなければ、論理回路が0と1を安定して区別できず正常に動作しない。この「交流を直流に変換する」役割を一手に引き受けている部品が**電源ユニット(でんげんユニット、PSU、Power Supply Unit、水準五: 家庭用コンセントの交流100Vを受け取り、パソコン内部の各部品が必要とする複数の直流電圧〈主に+12V・+5V・+3.3Vなど〉に変換して供給する部品)**である。
本冊はPSU内部の分解手順や修理手順を一切示さない(安全枠①)。ここで扱うのは、PSUの中で「どのような段階を経て電気の形が変わっていくか」という、仕組みの概説にとどまる。
### AC→DC変換の基本段階
一般的なPC用PSUの内部では、おおむね次のような段階を経て交流100Vが複数の直流電圧へ変換されるとされる。
1. **整流(せいりゅう、水準五: 交流のように向きが入れ替わる電流を、ダイオード〈→BOOK-0300第一章〉を組み合わせた回路〈整流回路〉に通すことで、向きが一定の脈流〈向きは一定だが大きさが波打つ電流〉に変える処理)**。交流の波形のうち、マイナス側をプラス側に折り返すようにして、電流の向きをそろえる段階である。四つのダイオードを組み合わせた「ブリッジ整流回路」が広く使われているとされる。
2. **平滑(へいかつ、水準五: 整流した後もまだ波打っている脈流を、コンデンサ〈→BOOK-0300第一章〉に電気を一時的に貯めては放出させることで、波の凹凸をならし、より安定した直流に近づける処理)**。整流だけでは電圧が細かく上下し続けるため、平滑用のコンデンサでその上下動を抑える。
3. **力率改善(りきりつかいぜん、PFC、Power Factor Correction、水準五: 交流を取り込む際の電流の波形を、電圧の波形になるべく近づけることで、電力会社側の送配電網に余計な負荷をかけずに電力を取り込む回路)**。現在の多くのPC用PSUには、この力率改善回路が組み込まれているとされる。
4. **スイッチング変換(水準五: 半導体スイッチを高い周波数〈おおむね数十kHz〜数百kHz程度とされる〉で高速にオン・オフさせ、小型のトランス〈変圧器〉を介して電圧を大きく変えながら、必要な直流電圧を作り出す方式)**。この段階で、家庭用コンセントに由来する高い電圧が、パソコン内部の部品が使う低い電圧(+12V・+5V・+3.3Vなど)へと大きく引き下げられる。スイッチング方式は、古い方式である「リニア方式(電圧を単純に抵抗で消費させて下げる方式)」に比べ、余計な熱を出しにくく効率が高いことから、現在のPC用PSUではほぼ標準的に採用されているとされる。
5. **二次側の整流・平滑**。トランスを通過した後の電圧を、再び整流・平滑して、最終的な直流電圧(+12V・+5V・+3.3Vなど、および待機電力用の+5VSB)として各部品へ送り出す。
家庭用コンセントに直接つながるのは、この1〜3の段階までの回路であり、そこには変換の過程で一時的に高い電圧が現れる部分(平滑用コンデンサなど)が存在する。通電を止めた直後であっても、このコンデンサに電気が残っていることがあるため、PSU内部を開けてはならないという安全枠①は、この構造そのものに由来している。
### 電力変換効率という考え方
PSUが受け取った電力のすべてが、そのままパソコン内部の部品に渡されるわけではない。整流・平滑・スイッチング変換のどの段階でも、半導体やトランス、配線の抵抗によって、必ずいくらかの電力が失われる。この失われ方を数値化したものが**電力変換効率(でんりょくへんかんこうりつ、水準五: PSUが受け取った入力電力〈AC側〉のうち、実際に出力電力〈DC側〉として取り出せた割合。百分率〈%〉で表される)**である。
```
電力変換効率(%) = 出力電力(DC) ÷ 入力電力(AC) × 100
```
出力できなかった残りの電力は、消えてなくなるのではなく、そのすべてが熱としてPSU内部に現れる。これが本冊の中心となる関係式の最初の登場である。
```
入力電力 − 出力電力 = 損失電力(熱)
```
### 検算1 — PSUの変換損失を求める
出力側(DC側)で300Wの電力を安定して供給できているPSUがあり、その電力変換効率が90%だったとする。このとき、PSUがAC側から実際に取り込んでいる入力電力は、効率の式を`入力電力 = 出力電力 ÷ 効率`という形に変形して求められる。
```
入力電力 = 300W ÷ 0.90 = 333.3W(小数点第2位を四捨五入)
```
入力電力(333.3W)から出力電力(300W)を差し引くと、PSU内部で熱に変わった損失電力が求まる。
```
損失電力 = 333.3W − 300W = 33.3W
```
効率90%のPSUは、300Wをパソコン本体へ届けるために、実際にはコンセントから333.3Wを取り込んでおり、その差の33.3Wは丸ごとPSU内部の熱になっている。この33.3Wという数字は、後の章で扱うPSU自身の冷却設計に直結する、最初の「発熱源=電力の行き先」の実例である。
### 力率という、もう一つの効率
前節で触れた力率改善回路(PFC)が扱う**力率(りきりつ、水準五: 電源から実際に取り出されている実効的な電力〈有効電力〉と、電圧と電流を単純に掛け合わせた見かけ上の電力〈皮相電力〉との比。0〜1の範囲の値〈または百分率〉で表され、1に近いほど電力の取り込み方が効率的であるとされる)**は、電力変換効率とは別の物差しである。電力変換効率が「入力に対してどれだけ出力できたか」を測るのに対し、力率は「電力会社から見て、どれだけ無駄なく電流を取り込めているか」を測る指標である。
```
力率 = 有効電力(W) ÷ 皮相電力(VA)
```
整流回路だけを備えた古い方式のPSUでは、電流が電圧の波形からずれた形で流れ込みやすく、力率がおよそ0.6〜0.7程度にとどまることがあったとされる。能動的な力率改善回路(アクティブPFC)を備えた現在の多くのPSUでは、力率はおよそ0.95〜0.99程度にまで高められているとされる。力率が低いままだと、有効電力(実際に仕事として使われる電力)は変わらなくても、配線や変圧設備を流れる電流そのものは大きくなってしまい、電力会社側の送配電網に余計な負担をかけることになる。PFC回路は、パソコン単体の効率だけでなく、電力網全体の効率にも関わる仕組みだと理解しておくとよい。
### リップル電圧 — 「直流」も完全に平らではない
第一章冒頭で、PSUは交流を直流に変換すると説明したが、実際に出力される直流電圧は、完全に一定の値を保っているわけではない。平滑回路を通過した後にもわずかに残る、周期的な電圧の小さな上下動を**リップル電圧(水準五: 整流・平滑を経た後の直流電圧に、なお周期的に残っているわずかな変動〈交流成分〉)**と呼ぶ。リップル電圧が大きすぎると、部品に供給される電圧が不安定になり、動作不良の原因になることがあるとされる。平滑用のコンデンサは、このリップル電圧を抑える役割を担っているが、コンデンサは経年劣化によって容量が徐々に低下する部品でもあり、長年使用したPSUではリップル電圧が新品時より大きくなっている場合があるとされる。これは、古いPSUの交換をためらうべきではない理由の一つでもある。
### コラム — ATX規格とPSU標準化の歴史
現在のデスクトップPCで広く使われているPSUの形状・コネクタ配置は、**ATX規格(えーてぃーえっくす、水準五: 1990年代半ばにIntel社が策定したとされる、PCのマザーボードとPSUの形状・コネクタ・電源管理信号を標準化した規格)**にもとづいている。ATX規格が登場する以前は、メーカーごとにPSUの形状やコネクタの形がまちまちで、故障時に他社製PSUへ交換することが難しい場合もあったとされる。ATX規格の登場によって、PSU・マザーボード・ケースを別々のメーカーから選んで組み合わせても、物理的な互換性が保たれるようになったことが、今日の自作PC文化――パーツを選んで自分の手で組み立てるという楽しみ方――を支える土台の一つになっているとされる。ATX規格はその後も version 2.xなど複数回の改訂を経ており、供給電圧の追加やコネクタ形状の見直しが行われてきたとされる。
### よくある誤解 — 「電源ユニットは電気を作る部品」という思い込み
PSUという名前や役割から、「電気を作り出す部品」だと誤解されることがある。しかしPSUは電気を新しく生み出しているのではなく、家庭用コンセントから供給される交流の電気を、パソコンの部品が使いやすい直流の電気へと**変換しているだけ**の部品である。エネルギー保存則(→BOOK-0001)が示すとおり、変換の前後でエネルギーの総量が増えることはなく、むしろ変換の過程で必ずいくらかは目減りし、その目減り分がそのまま熱として現れる。これは第四章・第五章で全部品に当てはめて確かめる、本冊全体を貫く考え方の出発点である。
### よくある誤解 その2 — 「PSUの定格ワット数が高いほど、電気を多く消費する」という思い込み
PSUに表示されている「650W」「850W」といった数字は、そのPSUが安定して供給できる出力の**上限の目安**であって、常にその電力を消費し続けるという意味ではない。実際にパソコンが消費する電力は、その時々の負荷(第三章で扱う)によって決まり、定格出力の大きなPSUを選んだからといって、待機時や軽い作業中の消費電力が増えるわけではない。ただし第二章で述べるとおり、実際の消費電力に対してPSUの定格出力が大きすぎると、効率のよい負荷帯(50%前後)を外れて運用することになりやすく、間接的に効率へ影響することはある。「定格ワット数」と「実際の消費電力」は別の数字である、という区別は、第三章のTDPと実消費電力の区別と対になる、本冊前半の重要な注意点である。
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> **定着量の目安(第一章)**: `電力変換効率(%) = 出力電力 ÷ 入力電力 × 100`と、その裏返しである`入力電力 − 出力電力 = 損失電力(熱)`という関係を、数値を変えて即座に計算できるようにするには、効率と損失電力を求めるドリル(出力と効率を与えて入力・損失を求める問題)を10問程度こなすと、水準五の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる。
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## 第二章: 80PLUS効率等級の意味と読み方(水準五)
### なぜ効率を「等級」で表すのか
前章で見たとおり、PSUの電力変換効率が低いほど、同じ出力電力を得るためにより多くの入力電力が必要になり、その差の分だけ余計な熱が生まれる。しかし効率は負荷の大きさ(実際にどれだけの電力を取り出しているか)によっても変化するため、「このPSUは効率が高い」と一口に言っても、比較の基準がなければ製品同士を公平に比べることができない。この課題に対して、負荷の異なる複数の条件でPSUの効率を測定し、一定の基準を満たした製品に等級を与える第三者認証の仕組みが**80 PLUS認証(はちじゅうプラスにんしょう、水準五: PSUの電力変換効率を、定格出力に対して20%・50%・100%負荷〈上位等級ではこれに10%負荷を加えた4点〉という複数の負荷条件で測定し、それぞれの条件で一定以上の効率を満たした製品に等級を与える、独立した第三者認証制度。2004年前後に登場したとされる)**である。
### なぜ独立した第三者認証が必要になったのか
80 PLUS認証が登場する以前は、PSUメーカーが自社で公表する「定格出力」や「効率」の数値が、必ずしも統一された試験条件のもとで測定されたものではなく、誇張された表示や、実際には維持できない条件下での数値が広告に使われることがあったとされる。独立した第三者機関が、共通の負荷条件(20%・50%・100%負荷など)と共通の試験手順で効率を測定し、その結果にもとづいて等級を与える仕組みが整ったことで、消費者は異なるメーカー・異なる製品同士を、同じものさしで比較できるようになったとされる。これは、本冊が「等級」という共通言語を扱う理由そのものでもある。
### 等級の並びと基準の目安
80 PLUS認証には、無印(Standard)から始まり、Bronze・Silver・Gold・Platinum・Titaniumという順に基準が厳しくなる等級が設けられているとされる。それぞれの等級が満たすべき最低効率の基準は、認証団体が公表する資料が正であり、地域(115V系・230V系)や試験条件によって細部の数値がやや異なる場合があるとされるため、本冊では代表的な目安として次の値を紹介するにとどめる。
```
等級 20%負荷 50%負荷 100%負荷 (Titaniumのみ10%負荷も測定)
無印(Standard) 80%程度 80%程度 80%程度
Bronze 82%程度 85%程度 82%程度
Silver 85%程度 88%程度 85%程度
Gold 87%程度 90%程度 87%程度
Platinum 90%程度 92%程度 89%程度
Titanium 92%程度 94%程度 90%程度 (10%負荷は90%程度)
```
いずれの等級も、負荷が中間的な水準(50%前後)でもっとも高い効率を示し、負荷が極端に軽い、または定格いっぱいに近いところでは効率がやや下がる、山なりの傾向を持つとされる。これは、スイッチング変換回路自体が一定の待機電力(制御回路が動作し続けるための電力)を必要とすること、そして定格に近い高負荷では配線やスイッチング素子の抵抗による損失が電流の2乗に比例して急激に増えること(電力損失`P = I² × R`、→BOOK-0300第六章)が組み合わさった結果であるとされる。
### 検算2 — 等級の違いが生む発熱量の差
DC側で300Wの電力を安定して出力するパソコンを例に、Bronze等級(50%負荷時の効率をおよそ85%とする)とTitanium等級(50%負荷時の効率をおよそ94%とする)のPSUを比べてみる。
```
Bronze: 入力電力 = 300W ÷ 0.85 = 352.9W(小数点第2位を四捨五入)
損失電力 = 352.9W − 300W = 52.9W
Titanium: 入力電力 = 300W ÷ 0.94 = 319.1W(小数点第2位を四捨五入)
損失電力 = 319.1W − 300W = 19.1W
```
同じ300Wを出力するのに、Bronzeでは52.9W、Titaniumでは19.1Wの熱が、それぞれPSU内部で発生している計算になる。二つの差を求めると次のようになる。
```
差 = 52.9W − 19.1W = 33.8W
```
Titanium等級を選ぶことで、Bronze等級と比べておよそ34Wぶんの熱を、PSU内部で余計に発生させずに済む計算になる。この34Wという数字は、消費電力(電気料金)の差であると同時に、ケース内部にどれだけ余計な熱源を持ち込むかという、冷却設計上の差でもある。高い等級のPSUを選ぶことが、単なる省エネの話にとどまらず、静音設計や冷却設計にも波及する理由が、この検算からうかがえる。
### 検算2b — 効率の差を電気料金に換算する
検算2で確かめた「Bronzeより34W少ない熱で済むTitanium」という差を、実際の電気料金という実生活の単位に換算してみる。パソコンを1日あたり4時間、この負荷(300W出力・50%負荷相当)で使い続けたと仮定する。
```
1日あたりの余分な消費電力量 = 33.8W × 4時間 = 135.2Wh
1年あたりの余分な消費電力量 = 135.2Wh × 365日 = 49,348Wh = 49.348kWh(小数点第3位を四捨五入)
```
日本国内の家庭用電力量料金の目安を1kWhあたりおよそ31円とすると(電力会社・契約プラン・時期によって変動するため、あくまで概算の目安とする)、1年あたりの電気料金の差は次のように見積れる。
```
1年あたりの電気料金差 ≈ 49.348kWh × 31円/kWh ≈ 1,530円(1の位を四捨五入)
```
Bronze等級とTitanium等級のPSUの差は、1年あたりではおよそ1,530円程度の電気料金の差として現れる計算になる。この金額を大きいと見るか小さいと見るかは使い方や電気料金プランによって変わるが、「効率の等級は単なる仕様表の数字ではなく、実際の電気料金や、ケース内部の熱量という、実生活に直結する値になって現れる」という本冊の立場を、具体的な金額で確かめられる検算である。
### コラム — PSUの容量選びと効率の関係
「等級が高いPSUを選べば安心」という理解は正しいが、あわせて考えたいのがPSUの**定格出力(ていかくしゅつりょく、水準五: PSUが安定して供給できるとされる、最大の出力電力の目安。単位はワット〈W〉)**の選び方である。前章で述べたとおり効率は負荷が極端に軽いところでは下がりやすいため、実際の消費電力(第三章で見積る)に対して定格出力が大きすぎるPSUを選ぶと、常に低負荷の状態で運用することになり、かえって効率のよい領域(50%前後)を外れてしまうことがある。一般に、実際の消費電力が定格出力のおよそ50〜60%程度に収まるようにPSUの容量を選ぶと、効率のよい領域で運用しやすいとされる。逆に定格出力ぎりぎりまで使い続けると、高負荷側で効率が下がるだけでなく、部品への電気的・熱的な負担も大きくなりやすい。「大は小を兼ねる」と単純に大容量を選ぶのではなく、見積った消費電力(第三章)に対して適切な余裕を持たせる、という考え方がここでの要点になる。
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> **定着量の目安(第二章)**: 80PLUS等級の並び(無印<Bronze<Silver<Gold<Platinum<Titanium)と、`入力電力 = 出力電力 ÷ 効率`を使って等級ごとの発熱量の差・電気料金の差を求めるドリルを8問程度こなすと、水準五の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる。
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## 第三章: 消費電力の見積り — TDPと実消費の違い(水準五)
### TDPは「消費電力の実測値」ではない
パソコンの部品を選ぶとき、CPUやグラフィックボードの仕様表には決まって**TDP(ていでぃーぴー、Thermal Design Power、熱設計電力、水準五: メーカーが、その部品を安定して冷却するために必要な冷却能力の目安として定めた数値。単位はワット〈W〉。あくまで冷却設計の基準値であり、実際の消費電力の上限を厳密に保証する数値ではないとされる)**という数値が記載されている。この数値は名前のとおり「熱設計」のための基準値であり、「その部品が消費する電力の実測値」そのものではない、という点が、PC創造大全の熱設計を理解するうえで最初につまずきやすい落とし穴である。
現在の多くのCPU・GPUは、常に一定の電力で動作しているわけではなく、処理の負荷に応じて動作周波数(クロック)と消費電力を細かく変化させている。特に、短時間だけ高い性能を発揮する**ブースト動作(水準五: CPUやGPUが、あらかじめ定められた時間の範囲内であれば、TDPとして公表されている基準値を上回る電力で動作し、より高い動作周波数を発揮する仕組み。一定時間が過ぎる、または温度・電力の上限に達すると、基準に近い電力へ戻るとされる)**を備えた製品が一般的になっている。つまり、「TDP=そのCPUが常に消費する電力」ではなく、「TDP=定常的な冷却設計の基準値、実際の瞬間的な消費電力はそれを上回ることがある」という理解が実務上は必要になる。
### 検算3 — 定格とブーストの差を見積る(以下、本冊共通の検算例機)
本冊では以降の章でも同じ想定システムを繰り返し使い、章をまたいだ数値の一貫性を確かめられるようにする。この想定システムを「例機」と呼ぶ。
```
例機の構成(いずれも一般的な傾向を示すための例示であり、特定の実在製品の仕様値ではない)
CPU: 定格(ベース)電力 65W、ブースト時の最大電力 88W
GPU: 定格(ボード)電力 220W、ブースト時の最大電力 250W
ストレージ(NVMe SSD): アイドル時 1.5W、高負荷時 7W
マザーボード・メモリ・ファン等: 合計でおよそ20W(概算)
電源ユニット: 定格650W、80PLUS Gold相当(50%負荷時の効率をおよそ90%とする)
```
まず、定格(ベース)値だけを単純に合計した場合と、ブースト時の最大値を合計した場合を比べてみる。
```
定格合計 = 65W(CPU) + 220W(GPU) + 7W(ストレージ高負荷) + 20W(その他) = 312W
ブースト合計 = 88W(CPU) + 250W(GPU) + 7W(ストレージ高負荷) + 20W(その他) = 365W
```
同じ例機であっても、CPUとGPUが同時にブースト状態へ入った瞬間には、定格合計(312W)よりも53W多い、365Wの電力が瞬間的に必要になる計算になる。この53Wという差は、TDPの単純合計だけでPSUの容量を選んでしまうと、瞬間的な高負荷時に電力の余裕が不足しかねないことを示す実例である。第二章末のコラムで触れた「定格出力に対して余裕を持たせる」という考え方は、この定格とブーストの差を吸収するためのものでもある。
### 検算3b — 三段階の想定システムで消費電力を比べる
本冊が繰り返し使う「例機」はミドルクラスの想定だが、実際にはエントリークラスからハイエンドクラスまで、システムの規模によって消費電力の桁がどれだけ変わるかを、三段階の想定システムで比べておく。
```
CPU GPU ストレージ その他 定格合計
エントリー機 35W 75W 3W 15W 128W
ミドル機(例機) 65W 220W 7W 20W 312W
ハイエンド機 125W 350W 10W 30W 515W
```
この表からもわかるとおり、GPUの消費電力の幅(75W〜350W、約4.7倍)は、CPUの幅(35W〜125W、約3.6倍)よりも大きく開いている。グラフィックス処理を多く担うシステムほど、GPUが最大の発熱源になりやすい、という傾向を裏づける数字である。それぞれのシステムに対して、前章末のコラムで触れた「実際の消費電力が定格出力のおよそ50〜60%に収まる」という目安を当てはめてPSUの定格出力を選ぶと、次のような目安になる。
```
エントリー機: 128W ÷ 0.55 ≈ 233W → 定格350W前後のPSUが目安
ミドル機 : 312W ÷ 0.55 ≈ 567W → 定格550〜650W前後のPSUが目安
ハイエンド機: 515W ÷ 0.55 ≈ 936W → 定格850W〜1000W前後のPSUが目安
```
(いずれも小数点以下を四捨五入し、実在する定格出力の刻みに寄せた概算である。実際の選定では、ブースト電力や将来の部品交換の余地も加味して、さらに余裕を持たせることが望ましいとされる。)
### GPU固有の電力管理という視点
GPUは、CPUと同様に**ブースト動作**を備えるだけでなく、多くの製品でユーザー自身が電力上限(パワーリミット)を一定の範囲内で調整できる機能を備えているとされる。パワーリミットを下げると、動作クロックの上限も連動して下がり、消費電力・発熱量の両方が抑えられる一方、処理性能もいくらか低下する。この調整幅の中で、性能の低下率と消費電力・発熱量の低下率が必ずしも比例しない(電力を10%絞っても性能低下は数%程度にとどまる、という運用結果が報告されることがあるとされる)場合があり、静音や省電力を重視する場合には、パワーリミットの調整が第九章で扱うファン回転数の調整と並ぶ、有効な選択肢の一つになるとされる。
### 部品ごとに見るTDPと実消費の違い
- **CPU**: 前述のとおり、ベース電力(基準となるTDP)と、一定時間だけ許容されるブースト電力の二段階(あるいはそれ以上)で管理されていることが多いとされる。ブーストが継続できる時間は、直前までの温度や、その時点までの消費電力の履歴によって変わるとされ、常に一定時間だけ許されるわけではない。
- **GPU**: CPUと同様に、公称の「ボード電力(TBP、Total Board Power などと呼ばれることがある)」に対して、瞬間的にはこれを上回る電力を要求することがあるとされる。特にグラフィックス処理は負荷の変動が大きく、シーンが切り替わる瞬間などに電力が急変しやすい。
- **ストレージ**: NVMe接続のSSD(半導体メモリを使った記憶装置で、可動部品を持たない)は、待機時(アイドル時)には1〜2W程度、連続した高速な読み書きが続く高負荷時にはこれより数倍高い電力を消費することがあるとされる。可動部品を持つHDD(磁気ディスクを高速回転させる記憶装置)は、円盤(プラッタ)を回し続けるモーターと、読み書きヘッドを動かすアクチュエータの両方で電力を消費し、起動直後(円盤の回転を立ち上げる瞬間)にもっとも大きな電力を要求することがあるとされる。
- **電源ユニット自身**: 前章までに見たとおり、PSUは電力を右から左へそのまま流しているのではなく、変換の過程で必ず自ら熱を発生させる、それ自体が発熱源の一つである。
### コラム — 「ワット数を足すだけ」の限界
複数の部品のTDPを単純に足し合わせて「これがパソコン全体の消費電力だ」と考えてしまうことは、実務ではよくある簡略化である。この方法は大まかな目安としては有用だが、①TDPが必ずしも実消費電力の上限ではないこと(前述)、②PSU自身の変換損失が別途上乗せされること(第一章・第二章)、③ブースト動作による瞬間的な超過(検算3)という、少なくとも三つの要因を見落としやすい。実務でPSU容量を選ぶ際には、部品のTDP合計に対して、こうした変動と変換損失を吸収できるだけの余裕を持たせることが望ましいとされる。
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> **定着量の目安(第三章)**: TDPが「冷却設計の基準値」であってそのまま「実消費電力」ではないという理解と、定格合計とブースト合計の差、システム規模ごとのPSU容量目安を求める見積りドリルを8問程度こなすと、水準五の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる。
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## 第四章: 発熱源=電力の行き先という解析軸 — 演算部品編(CPU・GPU)(水準六)
### 「行き先」を追いかけるという発想
第一章で導入した`入力電力 − 出力電力 = 損失電力(熱)`という関係式を、本章以降ではPSU一つだけでなく、パソコンを構成するほぼすべての部品に当てはめていく。これがCATALOG_PC創造大全.mdが掲げる「熱=電源解析請求項」――**熱設計を装飾でなく、電力変換の物理として全部品を貫く解析軸に据える**という設計思想の、具体的な実践である。本章では、まずパソコンの中でもっとも複雑な演算を担う二つの部品――CPUとGPU――に絞って、この解析軸を当てはめる。VRM・ストレージ・電源ユニット自身については、次の第五章で続けて扱う。
まず押さえておきたいのは、パソコンという機械が外部に取り出す「仕事」の総量が、物理学でいう仕事(→BOOK-0001、力×距離で測られる機械的な仕事)としては、ほぼ無視できるほど小さいという事実である。ファンが空気をわずかに動かす運動エネルギー、スピーカーが音として放つ音響エネルギー、画面が光として放つ光エネルギーは存在するものの、これらもいずれ空気や物体との摩擦・吸収によって、最終的にはほぼすべてが熱に変わっていく。パソコンの計算そのもの――電子の状態を高速に切り替えて0と1を扱う処理――は、電力を消費して意味のある結果(計算結果)を生み出しているが、その結果を得るために使われた電気エネルギーそのものは、物理学的な「仕事」として外部に持ち出されるのではなく、そのほとんどが熱として部品の内部にとどまる。つまり、**パソコンに投入された電力は、ほぼすべてが最終的に熱として部屋の中に放出される**、と言い切ってよいとされる。これは大げさな比喩ではなく、エネルギー保存則をそのまま読み替えた帰結である。
この事実を踏まえたうえで、部品ごとに「投入された電力が、どのような過程を経て熱になるか」を具体的に追いかけていく。
### CPU・GPU — 動的電力と静的電力
CPUやGPUのような論理回路が消費する電力は、大きく二種類に分けて考えることができるとされる。一つは、回路が実際にスイッチを切り替える(0と1を反転させる)たびに消費される**動的電力(どうてきでんりょく、ダイナミックパワー、水準六: 論理回路のトランジスタが状態を切り替えるたびに、内部の微小な容量〈キャパシタンス〉を充放電することで消費される電力。回路の総容量C、電源電圧Vの2乗、動作周波数fの積におおむね比例するとされる)**である。
```
動的電力 ∝ C × V² × f
```
この関係式が示すのは、動作周波数(クロック)を上げると電力もほぼそれに比例して増える一方、電源電圧を上げると電力はその2乗に比例して急激に増える、という非対称な性質である。
### 検算4 — 電圧と周波数、どちらの引き上げが電力への影響が大きいか
基準となる状態を電圧V1=1.0V・周波数f1=3.0GHzとし、これを電圧V2=1.1V・周波数f2=3.3GHz(電圧・周波数ともに10%引き上げた状態、いわゆる軽いオーバークロックを想定した例)に変えた場合、動的電力がどれだけ変化するかを、比の形で求めてみる。容量Cは変わらないため、比の計算では打ち消し合う。
```
電力比 = (V2² × f2) ÷ (V1² × f1)
= (1.1² × 3.3) ÷ (1.0² × 3.0)
= (1.21 × 3.3) ÷ (1.0 × 3.0)
= 3.993 ÷ 3.0
= 1.331
```
電圧・周波数をそれぞれ10%ずつ引き上げただけで、動的電力はおよそ1.331倍、率にしておよそ33.1%増えるという計算結果になる。周波数の10%増だけなら電力もほぼ10%増にとどまるはずだが、電圧の10%増が2乗で効いてくるため、全体としては33%を超える増加になる。「オーバークロックをすると発熱が急激に増える」という経験則の背景には、この電圧の2乗という関係が数値として存在している。
CPUやGPUには、動的電力に加えて、トランジスタが動作していない状態でもわずかに流れ続ける漏れ電流による**静的電力(せいてきでんりょく、リーク電力、水準六: 論理回路が動作していない〈アイドル〉状態でも、半導体の構造上わずかに流れ続けてしまう漏れ電流によって消費される電力)**が存在する。半導体の微細化が進むほど、この漏れ電流の影響は相対的に大きくなりやすいとされる。CPUやGPUが「何もしていないのに0Wにはならない」のは、この静的電力が理由の一つである。
### コラム — 半導体の微細化と発熱密度
CPUやGPUの製造では、半導体の中に集積するトランジスタをより小さく、より高密度に配置する**微細化(びさいか、水準六: 半導体の製造プロセスにおいて、トランジスタ一つあたりの大きさを世代ごとに小さくしていく技術的な流れ)**が進み続けてきた。微細化が進むと、同じ面積によりたくさんのトランジスタを詰め込めるようになり、同じ処理を行うために必要な動的電力(検算4のC×V²×f)を下げやすくなる一方、単位面積あたりの発熱量――**発熱密度(はつねつみつど、水準六: 発熱する部品の表面積あたりの発熱量。単位は例えばワット毎平方センチメートル〈W/cm²〉)**――はむしろ上がる傾向にあるとされる。これは、トランジスタの数が増えるペースに対して、ダイ(半導体本体)の面積が縮む、あるいはそれほど大きくならないためである。発熱密度が上がるということは、同じ熱抵抗のクーラーであっても、より小さな面積に熱が集中するため、実際には第六章で扱う接触熱抵抗(熱伝導グリスやIHSとの接触面)の影響を受けやすくなる、という設計上の課題につながる。
### GPU固有の発熱内訳 — コアとメモリ(VRAM)
GPUの基板電力(ボードパワー)は、GPUコア(実際の画像処理・演算を行う半導体本体)だけでなく、**VRAM(ぶいらむ、ビデオメモリ、水準六: GPUが画像データや演算の途中結果を一時的に保持するための、GPU専用の高速メモリ)**の消費電力も含んでいる。高性能なGPUほど、VRAMもより高速な規格・より大きな容量が使われる傾向にあり、VRAM自体の発熱も無視できない量になることがあるとされる。GPU基板全体の発熱のうち、目安としておよそ7〜8割程度がGPUコア、残りの2〜3割程度がVRAMやその他の周辺回路によるものだとされることがあるが、正確な内訳は製品や負荷の種類(演算中心の処理か、メモリ帯域を多く使う処理か)によって変わるため、あくまで目安として理解されたい。GPU用のクーラーの多くが、GPUコアだけでなくVRAMやVRM部分にも接触するよう設計されているのは、この基板全体に分散した発熱源すべてを一つのクーラーで受け止める必要があるためである。
### よくある誤解 — 「性能が高い部品ほど、必ず発熱も比例して大きい」という思い込み
同じ世代・同じ製造プロセスの部品であれば、おおむね性能と消費電力・発熱は比例する傾向にあるが、検算4で確かめたとおり、電圧をわずかに上げるだけで電力は2乗で増える。つまり「動作クロックを少しだけ高く設定した高性能モデル」は、動作クロックの上昇率以上に電圧が引き上げられていることが多く、性能の伸び以上に発熱が伸びやすいという非対称な関係になりやすい。逆に、動作クロックを抑えて電圧を下げた省電力モデルでは、性能の低下率に比べて消費電力・発熱の低下率のほうが大きくなりやすい。「性能と発熱は比例する」という単純な直感よりも、「電圧の2乗が効いてくる」という検算4の関係のほうが、実際の製品ラインナップの傾向を正確に説明できることが多い。
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> **定着量の目安(第四章)**: 動的電力`∝ C×V²×f`の比の計算と、微細化・発熱密度・GPUのコア/VRAM内訳という周辺知識を、5例程度自分の手で計算・整理してみると、水準六の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる。
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## 第五章: 発熱源=電力の行き先という解析軸 — 電力供給部品編(VRM・ストレージ・PSU自身)(水準六)
### VRM — 見落とされやすい「もう一つの発熱源」
CPUやGPUが必要とする電圧は、PSUが供給する+12Vよりもずっと低い、1V前後の細かい電圧であることが多い。この+12Vを、CPUやGPUが必要とする低い電圧へさらに変換する役割を担う部品が**VRM(ぶいあーるえむ、Voltage Regulator Module、電圧レギュレータモジュール、水準六: マザーボード上に搭載され、PSUから供給される+12Vなどの電圧を、CPUが必要とする1V前後の電圧へ、必要な電流量を保ちながら変換する回路。第一章のPSUと同じく、スイッチング方式の変換回路であることが多いとされる)**である。
VRMもまた、PSUと同じように変換の過程で必ず損失を生む。一般的なデジタル制御方式のVRMの変換効率は、おおむね85〜95%程度とされる。ここでは90%として検算する。
### 検算5 — CPUの消費電力とVRM損失
例機のCPUが定格65Wで動作しているとき、この65WはCPUのダイ(半導体の本体)そのものが消費する電力である。この65Wを作り出すために、VRMが+12V側からどれだけの電力を取り込んでいるかを、VRM効率90%として求める。
```
VRM入力電力 = 65W ÷ 0.90 = 72.2W(小数点第2位を四捨五入)
VRM損失電力 = 72.2W − 65W = 7.2W
```
CPUのダイ自体が65Wの熱を発生させるのに加え、マザーボード上のVRM部分でも7.2Wの熱が別途発生している計算になる。この7.2Wは、CPUクーラーではなく、マザーボード上のVRM用ヒートシンクが受け持つべき熱であり、CPUの冷却だけを考えていると見落としやすい、独立した発熱源であることがこの検算からわかる。
### 多相VRM(マルチフェーズVRM)という分散のしくみ
検算5では、VRM全体を一つのまとまりとして扱ったが、実際の多くのマザーボードでは、VRMは**フェーズ(相、水準六: VRMの中で、電流の一部を分担して処理する、独立したスイッチング回路の単位。複数のフェーズが少しずつ位相をずらしてスイッチング動作を行うことで、全体としての電流を分担する)**と呼ばれる単位に分割された、**多相VRM(たそうぶいあーるえむ、水準六: 一つの電圧変換の仕事を、複数のフェーズに分担させる方式のVRM。フェーズ数が多いほど、1フェーズあたりが受け持つ電流と発熱が小さくなり、熱がマザーボード上の広い面積に分散しやすいとされる)**として設計されていることが多い。
### 検算5b — フェーズ数によって1相あたりの電流がどう変わるか
検算5で求めたVRM入力電力72.2Wを、電源電圧12Vで割ると、VRM全体が処理する電流のおおまかな目安が求まる。
```
VRM全体の電流 ≈ 72.2W ÷ 12V ≈ 6.02A(小数点第2位を四捨五入)
```
このVRMが仮に6フェーズ構成だった場合と、12フェーズ構成だった場合とで、1フェーズあたりが受け持つ電流を比べてみる。
```
6フェーズ構成 : 6.02A ÷ 6 ≈ 1.00A/フェーズ
12フェーズ構成: 6.02A ÷ 12 ≈ 0.50A/フェーズ
```
フェーズ数を倍にすると、1フェーズあたりの電流はちょうど半分になる。電流が半分になれば、そのフェーズを構成するMOSFET(スイッチング素子)の発熱(`P = I² × R`、→BOOK-0300第六章の関係がここでも成り立つ)は、電流の2乗に比例して4分の1にまで下がる計算になる。フェーズ数を増やすことがVRMの発熱対策として有効だとされる理由は、この「電流を分担すればするほど、1相あたりの発熱は2乗で小さくなる」という関係にある。
### ストレージ — 動く部品と動かない部品の違い
HDD(磁気ディスクを高速回転させる記憶装置)は、円盤を回すモーターの回転という、物理的な運動(→BOOK-0001の力学的な仕事に近いもの)を作り出している点で、CPU・GPU・SSDとは性質が異なる。ただし、この回転運動も軸受(ベアリング)や空気との摩擦によって絶えずエネルギーを失っており、その摩擦損失も最終的には熱に変わる。つまりHDDは「電力の一部を一時的に運動エネルギーの形に変えてから、最終的にはやはり熱に還す」経路をたどる部品だと言える。一方、NVMe SSD(半導体メモリのみで構成され、可動部品を持たない記憶装置)には回転する部品がなく、消費した電力はほぼそのまま、コントローラチップとNANDフラッシュメモリの発熱として現れる。可動部品を持たないぶん静音ではあるが、熱が特定の小さなチップに集中しやすく、ヒートシンクなしで高負荷が続くと、後述するサーマルスロットリング(温度上昇による速度低下)が発生しやすいという別の課題がある。
回転数(rpm)の異なるHDDを比べると、一般に回転数が高いほど、単位時間あたりの読み書き速度は上がりやすいが、モーターが消費する電力もあわせて増える傾向にあるとされる。5,400rpm級のHDDが数W程度、7,200rpm級のHDDがそれよりやや高い電力を消費するといった傾向が知られているが、正確な数値は製品ごとに異なるため、ここでは傾向として理解するにとどめる。
### 検算6 — 例機全体の熱の行き先マップ
ここまでの検算を積み上げ、例機(定格・非ブースト時)が消費する電力全体が、どこでどれだけの熱になっているかを一枚の表としてまとめる。
```
① CPU: VRM入力72.2W(うちCPUダイの熱65W、VRM損失7.2W)
② GPU: 220W(GPU基板上のVRM損失を含めた、PSUから見た負荷として扱う簡略化)
③ ストレージ(高負荷時): 7W
④ マザーボード・メモリ・ファン等: 20W(概算)
DC側出力合計 = 72.2W + 220W + 7W + 20W = 319.2W
```
このDC側出力合計(319.2W)を、PSU(80PLUS Gold相当・50%負荷時効率90%と仮定)が供給するために、AC側からどれだけの電力を取り込む必要があるかを求める。
```
PSU入力電力(AC側) = 319.2W ÷ 0.90 = 354.7W(小数点第2位を四捨五入)
PSU内部損失電力 = 354.7W − 319.2W = 35.4W
```
コンセントから実際に引き込まれる電力はおよそ354.7Wであり、そのうちCPUダイで65W、VRMで7.2W、GPUで220W、ストレージで7W、マザーボードなどで20W、そしてPSU自身で35.4Wが、それぞれ熱として現れる計算になる。合計すると354.6W(四捨五入の誤差の範囲で354.7Wとほぼ一致)であり、コンセントから取り込んだ電力のほぼ100%が、最終的に熱としてケースの内外に放出されていることが、この検算から確かめられる。この「ほぼ100%が熱になる」という結論こそが、第四章冒頭で述べた「発熱源=電力の行き先」という解析軸の帰結であり、次章以降の冷却設計はすべて、この354.7Wという熱をどう処理するかという問題に置き換えられる。
### コラム — コンデンサの寿命と熱の関係(10℃半減則)
第一章のリップル電圧のコラムで触れたとおり、PSUの平滑回路には**電解コンデンサ(でんかいコンデンサ、水準六: 電極の一方に薄い酸化膜を作り、大きな静電容量を小さな体積で実現したコンデンサ。PSUの平滑回路など、大きな容量が必要な場面で広く使われる)**が使われている。電解コンデンサには、内部の電解液がわずかずつ蒸発していくことによる、寿命という制約がある。電子部品の一般的な経験則として、**10℃半減則(じゅうどはんげんそく、水準六: 電解コンデンサなどの寿命が、使用温度が10℃上がるごとにおよそ半分になり、逆に10℃下がるごとにおよそ2倍になる、とされる経験則。アレニウスの式と呼ばれる化学反応速度の温度依存性の式にもとづくとされる)**が知られている。
### 検算6b — 使用温度がコンデンサの寿命に与える影響
あるコンデンサの定格寿命が、105℃での使用を想定して2,000時間と表示されているとする。実際の使用温度がそれより20℃低い85℃(10℃刻みで2段階分低い)に収まっている場合、10℃半減則を使って寿命の目安を見積る。
```
寿命の目安 = 2,000時間 × 2^(20℃÷10℃) = 2,000時間 × 2² = 2,000時間 × 4 = 8,000時間
```
使用温度を20℃下げるだけで、寿命の目安はおよそ4倍(8,000時間)に伸びる計算になる。これは、PSU内部の温度を適切に保つこと(第七章のエアフロー設計、PSU自身の冷却)が、単に効率や静音のためだけでなく、部品そのものの寿命を左右する要因でもあることを示している。ただし、この経験則はあくまで目安であり、実際の寿命は使用条件・製品個体差によって変わるとされる点には注意したい。
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> **定着量の目安(第五章)**: VRM損失`入力=出力÷効率`の計算、多相化による1相あたり電流の低減、そして部品ごとの熱を積み上げてPSU入力電力まで求める「熱の行き先マップ」の作成を、6例程度自分の手で計算してみると、水準六の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる。
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## 第六章: 熱抵抗の計算(℃/W)と検算(水準六)
### 熱抵抗という物差しの復習
→BOOK-0314『熱設計の実学』第一章で導入された**熱抵抗(ねつていこう、水準四〈→BOOK-0314〉: 熱の流れにくさを、電気抵抗と同じ発想で数値化した量)**は、温度差ΔT・熱流量Q・熱抵抗R_thの三つを`ΔT = Q × R_th`という式で結びつける。単位はBOOK-0314ではケルビン毎ワット〈K/W〉として導入されているが、温度の「差」を扱う場面ではケルビンの1目盛りと摂氏(℃)の1目盛りの大きさは等しいため、実務やPC部品のカタログでは**℃/W(度毎ワット)**という表記もほぼ同じ意味で広く使われているとされる。本冊では、PC部品の分野での慣用に合わせて℃/Wの表記を用いる。
```
ΔT(℃) = Q(W) × R_th(℃/W)
```
### 検算7 — 熱抵抗0.2℃/Wのクーラーで150Wを冷やす
大型の空冷CPUクーラー(冷却部分全体の熱抵抗をR_th=0.2℃/Wとする)が、発熱量150Wの高性能CPU(高発熱な上位モデルを想定した例)を冷やす場面を考える。まず、クーラーによって生じる温度差を求める。
```
ΔT = Q × R_th = 150W × 0.2℃/W = 30℃
```
このクーラーの働きにより、CPU側と周囲(吸気側の空気)との間には30℃の温度差が生じる計算になる。吸気温度(室温に近い、ケースに吸い込まれる空気の温度)を25℃とすると、CPU表面付近の温度の目安は次のように求められる。
```
CPU表面温度の目安 = 吸気温度 + ΔT = 25℃ + 30℃ = 55℃
```
多くのCPUで許容される最大接合部温度(→BOOK-0314第四章のTj_maxに相当する考え方)はおおむね90〜100℃程度とされることが多く、この例の55℃はその範囲に対して十分な余裕を残していることがわかる。
### 検算8 — 例機のCPUを中堅クラスのクーラーで冷やす
続いて、第三章で導入した例機のCPU(定格65W・ブースト88W)を、中堅クラスの空冷タワークーラー(R_th=0.35℃/Wとする)で冷やす場合を検算する。
```
定格時 : ΔT = 65W × 0.35℃/W = 22.75℃ → 表面温度の目安 = 25℃ + 22.75℃ = 47.75℃
ブースト時: ΔT = 88W × 0.35℃/W = 30.8℃ → 表面温度の目安 = 25℃ + 30.8℃ = 55.8℃
```
ブースト状態に入ると、表面温度の目安は定格時よりおよそ8℃高くなる計算になるが、いずれの場合も先ほど触れたTj_maxの目安(90〜100℃程度)には十分な余裕がある。この検算は、CPUクーラーを選ぶ際に「定格TDPだけでなくブースト電力も含めて熱抵抗を検算しておく」ことの重要性を裏づけている。
### 検算9 — 一段のR_thでは終わらない、多層構造の熱抵抗
検算7・検算8で使った「クーラー全体でR_th=0.2℃/W」や「0.35℃/W」という数値は、あくまでクーラー部分(ヒートシンクと空気の間)の熱抵抗である。実際には、CPUのダイ(半導体本体)からクーラーの放熱フィンに至るまでに、複数の層を熱が順番に通り抜けている。→BOOK-0314第四章のθJA(θJC+θCS+θSAの直列合成)と同じ考え方を、より具体的な層に分けて当てはめてみる。
```
ダイ→IHS(集積回路を保護する金属のふた)間: 0.02℃/W
IHS→CPUクーラーの接触面(熱伝導グリスなどのTIM層): 0.05℃/W
CPUクーラー(ヒートシンクと空気の間、検算7と同じ): 0.20℃/W
合計の熱抵抗 = 0.02℃/W + 0.05℃/W + 0.20℃/W = 0.27℃/W
```
この合計0.27℃/Wを使って、検算7と同じ150Wの発熱量に対する温度差を求め直すと、次のようになる。
```
ΔT = 150W × 0.27℃/W = 40.5℃
CPU表面(この場合はダイに近い接合部)温度の目安 = 25℃ + 40.5℃ = 65.5℃
```
クーラー単体のカタログ値(0.2℃/W)だけで計算した検算7の30℃という温度差に対し、IHSやTIM層の熱抵抗を含めた検算9では40.5℃まで温度差が広がっている。クーラーのカタログスペックだけを見て「このクーラーなら余裕がある」と判断するのではなく、ダイからクーラーに至るまでの経路全体を、→BOOK-0314の直列合成の考え方で積み上げて検算する姿勢が、精度の高い熱設計には欠かせない。
### TIM(熱伝導グリス)の種類と熱伝導率の比較
CPUやGPUのダイ(またはIHS)とクーラーの間に塗布される**TIM(てぃーあいえむ、Thermal Interface Material、熱伝導グリス、水準六: 二つの固体面の間にある微小な凹凸を埋め、接触熱抵抗〈後述〉を減らすために塗布される、熱を伝えやすい物質)**には、性能の異なるいくつかの種類がある。一般的なシリコーン系グリスの熱伝導率はおおむね5〜9W/(m・K)程度、高性能をうたうグリスではおよそ8〜12W/(m・K)程度とされ、金属を主成分とする液体金属(リキッドメタル)系のTIMになると70W/(m・K)を超えることがあるとされる。ただし液体金属系のTIMは電気を通す性質を持つため、基板上の他の部分にはみ出すと短絡(ショート)を引き起こす危険があり、扱いには通常のグリス以上の注意が必要だとされる。
### 検算9a — TIMの熱伝導率の違いによる伝導熱抵抗の差
→BOOK-0314第二章のフーリエの法則から導かれる伝導熱抵抗の式`R_cond = L ÷ (k × A)`を使い、厚さL=0.00005m(0.05mm、TIM層の厚さの目安)、面積A=0.0016m²(4cm四方、CPUダイ程度の面積の目安)のTIM層について、一般的なグリス(k=6W/(m・K))と高性能グリス(k=10W/(m・K))の伝導熱抵抗を比べる。
```
一般的なグリス: R_cond = 0.00005 ÷ (6 × 0.0016) = 0.00005 ÷ 0.0096 ≈ 0.0052℃/W(小数点第4位を四捨五入)
高性能グリス : R_cond = 0.00005 ÷ (10 × 0.0016) = 0.00005 ÷ 0.016 ≈ 0.0031℃/W(小数点第4位を四捨五入)
```
この差(0.0052℃/W−0.0031℃/W=0.0021℃/W)は、検算9で扱ったクーラー全体の熱抵抗(0.2℃/W前後)と比べると、ごくわずかな値にとどまる。TIMの種類を変えるだけで劇的に温度が下がるわけではなく、むしろ次に述べる「塗り方(接触の均一さ)」のほうが、実際の温度への影響としては大きい場合があるとされる。
### 接触熱抵抗という見落とされやすい層
→BOOK-0314第七章で導入された**接触熱抵抗(せっしょくねつていこう)**は、TIMの性能そのものよりも、TIMの塗布量・塗りムラ・クーラー取り付け時の圧力のかけ方(取り付けネジの締め付け具合)によって大きく変動するとされる。TIMが薄く均一に塗れていれば理論値に近い性能を発揮できる一方、塗布量が少なすぎたり偏っていたりすると、接触していない微小な空気の隙間(空気は熱伝導率が非常に低い、→BOOK-0314第二章参照)が残り、計算上の伝導熱抵抗よりもずっと大きな熱抵抗が実際には生じてしまう。理論値と実測値を突き合わせて検証する姿勢が、この接触熱抵抗の分野では特に重要になる。
### 検算9c — GPUの多層構造を検算する
検算9ではCPU側の多層構造(ダイ→IHS→TIM→クーラー)を扱ったが、GPUも同様の多層構造を持つ。GPUの場合、ダイの上に直接ヒートシンクのベースプレートやベイパーチャンバーが接する設計(IHSを介さない場合)もあり、経路がCPUよりやや単純になることがあるとされる。
```
GPUダイ→ベイパーチャンバー間(TIM層): 0.03℃/W
ベイパーチャンバー→ヒートパイプ間: 0.02℃/W
ヒートパイプ→放熱フィンと空気の間: 0.10℃/W
合計の熱抵抗 = 0.03℃/W + 0.02℃/W + 0.10℃/W = 0.15℃/W
```
第四章で触れたGPU基板電力のうちコアの発熱をおよそ170W(「7〜8割程度」という目安を220Wに当てはめた概算)とすると、この合計熱抵抗0.15℃/Wを使って温度差を求められる。
```
ΔT = 170W × 0.15℃/W = 25.5℃
GPUコア温度の目安 = 25℃ + 25.5℃ = 50.5℃
```
IHSを介さない分だけ層の数が少なく、検算9のCPU(合計0.27℃/W)より合計の熱抵抗が低く抑えられているが、GPUはCPUより広い面積で高い電力を扱うことが多いため、単純にどちらが有利とは言えず、それぞれの発熱密度(第四章のコラム参照)に応じた設計が個別に必要になる、という点を確認しておきたい。
### コラム — 「熱抵抗が低いほど良い」場面と「使い方に注意が必要」な場面
→BOOK-0314第一章のコラムで触れられたとおり、熱抵抗は必ずしも「低いほど良い」とは限らない量である。CPUクーラーやヒートシンクの放熱設計では、熱抵抗が低いほど部品の温度上昇を抑えられるため望ましい。一方、断熱材のように「熱を逃がしたくない」場面では、熱抵抗が高いほど良い性能とされる。パソコンのケース内部でも、CPUクーラーやGPUのヒートシンクには低い熱抵抗が求められる一方、電源ユニットの外装や、静音志向のケースパネルの一部には、内部の熱を外に伝えにくくする(=熱抵抗が高い)素材が使われることもあり、部品によって求められる性質が逆転する点は、BOOK-0314から一貫して引き継がれる注意点である。
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> **定着量の目安(第六章)**: `ΔT = Q × R_th`を使った単段の熱抵抗計算と、ダイ→IHS→TIM→クーラーという多層構造の直列合成`R合計 = R1 + R2 + R3`、TIMの熱伝導率による差の計算を組み合わせた検算を、8問程度自分の手で解くと、水準六の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる。
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## 第七章: エアフロー設計 — 正圧・負圧と吸排気配置(水準六〜七)
### ケース全体を一つの熱交換の場としてとらえる
前章まではCPUやGPUという個々の部品の熱抵抗を扱ってきたが、それらの部品が放出した熱は、最終的にケース内部の空気に移り、ケースの外へ排出されなければならない。この「ケース全体でどれだけの熱を運び去れるか」を考える設計が**エアフロー設計(水準六: ケース内部の空気の流れを、吸気ファン・排気ファンの配置と能力によって設計し、部品が発する熱を継続的にケース外へ運び出す仕組みを作ること)**である。
### 正圧と負圧
ケースに取り付けるファンには、外気をケース内に取り込む**吸気ファン**と、ケース内の暖まった空気を外へ押し出す**排気ファン**がある。吸気ファンの総風量が排気ファンの総風量を上回っている状態を**正圧(せいあつ、水準六: ケース内部の気圧が、ケース外部よりもわずかに高い状態。吸気の総風量が排気の総風量を上回ることで生じる)**、逆に排気の総風量が吸気を上回っている状態を**負圧(ふあつ、水準六: ケース内部の気圧が、ケース外部よりもわずかに低い状態。排気の総風量が吸気を上回ることで生じる)**と呼ぶ。
正圧の状態では、ケースの隙間(ファンフィルターの付いていない小さな穴や継ぎ目)から空気が外へ押し出されようとするため、フィルターを通らないホコリがケース内に入り込みにくいという利点があるとされる。逆に負圧の状態では、フィルターの付いた吸気口だけでなく、あらゆる隙間から空気が吸い込まれようとするため、フィルターを経由しないホコリの侵入が増えやすいとされる。一方で、正圧が強すぎると排気の勢いが弱まり、排気口付近に暖かい空気がとどまりやすくなる場合もあるとされ、「正圧か負圧か」は単純にどちらが優れているという話ではなく、吸気と排気のバランスをどう設計するかという問題である。
### 検算10 — ファンの風量から熱を運び去る能力を求める
ケースファンの性能表示に使われる**CFM(しーえふえむ、Cubic Feet per Minute、風量、水準七: 1分間に何立方フィートの空気を送り出せるかを表す、ファンの送風能力の単位)**を、国際単位系の体積流量(m³/s)に変換したうえで、その風量がどれだけの熱を運び去れるかを、熱力学の基本的な関係式を使って見積る。
```
Q(W) = ρ × V̇ × cp × ΔT
```
ここでρは空気の密度(およそ1.2kg/m³)、V̇は体積流量(m³/s)、cpは空気の比熱(およそ1,005J/(kg・K))、ΔTは吸気と排気の温度差である。
ケース全体の実効風量(フィルターや部品による抵抗をあらかじめ差し引いた、実際に流れているとみなせる風量)を100CFMと仮定し、まずこれをm³/sへ変換する。1立方フィートは0.0283168m³、1分は60秒であることから、変換の係数は次のようになる。
```
1 CFM = 0.0283168m³ ÷ 60秒 = 0.00047195m³/s(小数点第8位を四捨五入)
100 CFM = 100 × 0.00047195m³/s = 0.0472m³/s(小数点第4位を四捨五入)
```
この風量で、吸気と排気の温度差ΔTを10℃(10K)まで許容するとした場合に、運び去れる熱量の上限を求める。
```
Q = ρ × V̇ × cp × ΔT
= 1.2kg/m³ × 0.0472m³/s × 1,005J/(kg・K) × 10K
= 1.2 × 0.0472 × 1,005 × 10
≈ 569W(小数点以下四捨五入)
```
このケースのエアフローは、吸排気の温度差を10℃以内に収めるという条件のもとで、およそ569Wまでの熱を運び去れる計算になる。
### 検算11 — 例機の熱に対する実際の温度上昇を見積る
第五章の検算6で求めた例機の熱の内訳を思い出すと、DC側出力合計は319.2W、PSU自身の内部損失は35.4Wであった。ここで注意したいのは、PSU自身の内部損失(35.4W)は、多くのデスクトップ用ケースでは、PSU自体が背面パネルの穴から直接ケース外へ排気する独立した経路を持っているため、ケース全体の一般的なエアフロー(検算10で見積った569Wの能力)が処理すべき熱には含まれない場合が多い、という点である。したがって、ケースの一般的なエアフローが実際に処理すべき熱は、DC側出力合計の319.2W(CPU・GPU・ストレージ・マザーボードなど)であると考えるほうが実態に近い。
```
実際の温度上昇 = 処理すべき熱 ÷ (ρ × V̇ × cp)
= 319.2W ÷ (1.2 × 0.0472 × 1,005)
= 319.2W ÷ 56.9(W/K、小数点第2位を四捨五入)
≈ 5.6K(℃)
```
検算10で見積った「569Wまで運び去れる」という能力に対し、例機が実際にケース内へ放出する熱(319.2W)は、想定した上限(10℃/10K上昇)よりもずっと小さい、およそ5.6℃程度の吸排気温度差で収まる計算になる。これは、このケースのエアフロー設計に、例機の発熱量に対してまだ余裕があることを示しており、第九章で扱う「静音方向へファン回転数を落とす余地があるかどうか」の判断材料になる。
### 静圧特化ファンと風量特化ファンの違い
ケースファンを選ぶ際には、CFM(風量、既出)に加えて**静圧(せいあつ、ファンの文脈での水準七: ファンが、空気抵抗〈フィルターやラジエーターのフィンなど、風の通りを妨げる構造〉に逆らって、どれだけの圧力で空気を押し出せるかを表す量。単位はミリ水柱〈mmH2O〉やパスカル〈Pa〉が使われることが多いとされる)**という指標も重要になる。ラジエーター(第八章の簡易水冷)やヒートシンクの密なフィンのように、風の通り道が狭く抵抗の大きい構造に空気を送り込む場合には、風量よりも静圧を重視して設計された**静圧特化ファン**が適しているとされる。一方、ケース内部の開けた空間で空気を大きく循環させる場合には、静圧よりも風量を重視した**風量特化ファン**のほうが、同じ回転数でもより多くの空気を動かせるとされる。同じCFM表示のファンであっても、抵抗のある場所に取り付けるか、開けた場所に取り付けるかによって、実際に発揮される風量は変わりうる、という点は、エアフロー設計の実務でしばしば見落とされる注意点である。
### 吸排気の配置パターン
一般的なミドルタワー型のケースでは、前面(フロント)から吸気し、背面(リア)と上面(トップ)から排気するという配置が広く使われているとされる。これは、暖まった空気が上へ昇るという自然な性質(→BOOK-0020の対流)を活かしつつ、CPUクーラーやグラフィックボードの真上・真後ろに排気経路を設けることで、部品の熱をなるべく短い経路でケース外へ導く狙いがあるとされる。底面から吸気してPSU自身の冷却に充てる設計も広く使われており、この場合はPSU用の吸気経路と、CPU・GPU用の吸排気経路を、ある程度独立させて考えることができる。
### ホコリとフィルターによる経年的な風量低下
検算10・検算11で見積った風量は、あくまでファンやフィルターが清浄な状態を想定した数値である。実際の使用では、吸気フィルターやファンの羽根、ヒートシンクのフィン表面にホコリが少しずつ堆積し、空気の通り道が狭まっていく。これは静圧特化ファンの話とも関係しており、抵抗が増えるほど、同じ回転数でも実際に流れる風量は設計時の想定より少なくなっていく。定期的なフィルター清掃(電源を切り、可動部に触れない範囲でのホコリ除去)は、本冊の対象範囲であるKNOW-P-0876〜1000(長寿命化と環境の技、目録v部)とも接続する、エアフロー設計を長期的に維持するための実務的な締めくくりになる。
### ケーブルマネジメントと気流抵抗
ケース内部を横切る配線が乱雑に束ねられていると、その配線自体が空気の通り道を物理的に塞ぎ、意図した吸排気の経路から空気がそれてしまうことがあるとされる。配線をケースの裏側やケーブルガイドに沿わせてまとめる**ケーブルマネジメント**は、見た目の整理だけでなく、検算10・検算11で見積った風量の想定を実際のケース内で再現するための、地味だが実務的に効果のある工夫の一つだとされる。
### コラム — PSUの設置向き(トップマウント/ボトムマウント)の変遷
現在の多くのミドルタワー型ケースでは、PSUをケース底面に設置し、底面の吸気口から外気を直接PSU用のファンに取り込む「ボトムマウント」方式が主流になっているとされる。これは、PSU自身の吸気をケース内部の暖まった空気からなるべく切り離し、独立した冷却経路を確保する狙いがあるとされる(検算11で扱った「PSUの内部損失はケースの一般的なエアフローとは別経路で排出される」という前提は、この設置方式を踏まえたものである)。これ以前の世代のケースでは、PSUをケース上部に設置する「トップマウント」方式が主流だった時期もあったとされ、当時はPSUがケース内部の暖まった空気を吸い込みやすい配置だったことが、ボトムマウント方式へ移行した理由の一つだとされる。
### 安全枠の実践 — 排気口と可燃物の距離
エアフロー設計を考えるうえでは、ケース内部の空気の流れだけでなく、ケースの外側の環境にも注意が必要である。排気口の直前にカーテンや紙類、ホコリが溜まった布などの可燃物を置くと、排気される暖かい空気の通り道を塞いでしまい、ケース内部の温度上昇につながるだけでなく、火災の原因になりうる可燃物を熱源の近くに置き続けることにもなる。排気口の前には物を置かず、風の通り道を常に確保しておくという原則を徹底することが、エアフロー設計と安全設計の両方にとって基本になる。
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> **定着量の目安(第七章)**: 正圧・負圧の定義の理解と、`Q = ρ×V̇×cp×ΔT`を使ってCFMから熱の運搬能力を求める検算、および処理すべき熱量からケース内の温度上昇を逆算する検算を、7問程度こなすと、水準六〜七の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる。
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## 第八章: 冷却方式比較 — 空冷と簡易水冷の原理と限界(水準七)
### 空冷クーラーの原理 — ヒートパイプという熱の高速輸送路
多くの空冷CPUクーラーには、**ヒートパイプ(水準七: 内部を減圧し、少量の作動液〈揮発性の液体〉を封入した金属製のパイプ。片端〈受熱側〉で液体が熱を受けて気化し、蒸気となってもう一方の端〈放熱側〉まで移動して凝縮〈液体に戻る〉し、その凝縮熱を放熱フィンへ伝える。凝縮した液体は、パイプ内壁の毛細構造〈ウィック〉を伝って受熱側へ戻る、という循環を繰り返す)**と呼ばれる部品が使われている。この蒸発・凝縮のサイクルは、金属そのものが熱を伝える(伝導)よりもはるかに速く熱を輸送できるとされ、CPUという小さな面積に集中した熱を、面積の広い放熱フィン全体へすばやく分散させる役割を担う。より大きな面積で熱を受け止める板状の構造を持つ**ベイパーチャンバー(水準七: ヒートパイプと同じ蒸発・凝縮の原理を、パイプではなく薄い板状の密閉容器の中で行う部品。GPUのように発熱源の面積が広い部品の冷却に使われることが多いとされる)**も、同じ原理の応用として広く使われている。
### コラム — ヒートパイプの発明史
ヒートパイプの原理は、アメリカのロスアラモス国立研究所の研究者ジョージ・グローバー(George Grover)らによって1963年前後に考案されたとされる。当初は宇宙機器や原子力関連機器の排熱のために研究された技術だったとされ、その後、電子機器の小型化・高密度化が進むにつれて、パソコンのCPUクーラーをはじめとする民生機器にも広く応用されるようになった、という経緯があるとされる。
空冷クーラーの冷却能力は、最終的には放熱フィンの表面積と、そこを通過する空気の風量(第七章の対流熱抵抗、→BOOK-0314第三章)によって決まる。フィンの表面積を無制限に大きくすることはできず、クーラー自体がケース内部に収まる大きさ(空間的な制約)、そして重さがマザーボードに与える負担にも限りがあるため、空冷方式には冷却能力の上限が存在する。
### 簡易水冷(AIO)の原理
**簡易水冷(かんいすいれい、AIO、All-In-One、水準七: CPUに接する金属製のコールドプレート〈冷却液が熱を受け取る板〉、冷却液を循環させる小型ポンプ、そして冷却液の熱を空気へ放出する放熱器〈ラジエーター〉が一体になった、工場出荷時に密閉充填された冷却ユニット)**は、コールドプレートで受け取った熱を、パイプ内を循環する冷却液によって、CPUから離れた場所に設置できるラジエーターまで運び、そこでファンによる強制対流(→BOOK-0314第三章)によって空気中へ放出する方式である。ラジエーターはケースの前面や天面など、より広い設置面積を確保しやすい場所に取り付けられるため、空冷クーラーの「クーラー自体の大きさの制約」を、ある程度緩和できるという利点がある。
簡易水冷ユニットは工場で密閉充填された製品であり、安全枠でも述べたとおり、ユーザーが分解して冷却液を補充する設計にはなっていないことが多いとされる。ポンプにも機械的な寿命があり、また長期間の使用で冷却液がわずかずつ蒸散していくことがあるとされ、永久に性能を保ち続ける部品ではないという限界も持つ。
### 検算12 — 同じ発熱量で空冷とAIOを比べる
より発熱の大きい上位モデル(TDP200W級)を想定し、大型空冷クーラー(R_th=0.15℃/Wとする)と、240mmクラスのAIO簡易水冷(R_th=0.10℃/Wとする)を比較する。
```
空冷: ΔT = 200W × 0.15℃/W = 30℃ → 表面温度の目安 = 25℃ + 30℃ = 55℃
AIO : ΔT = 200W × 0.10℃/W = 20℃ → 表面温度の目安 = 25℃ + 20℃ = 45℃
```
この例では、AIOのほうが空冷よりも10℃低い温度で運用できる計算になる。ただし、いずれの数値も、多くのCPUで許容される最大接合部温度の目安(90〜100℃程度)に対して大きな余裕を残しており、この発熱量(200W)の範囲では、どちらの方式を選んでも致命的な問題にはなりにくいことも同時に読み取れる。
発熱量をさらに大きくして300Wと仮定すると、同じ熱抵抗のままでは次のようになる。
```
空冷: ΔT = 300W × 0.15℃/W = 45℃ → 表面温度の目安 = 25℃ + 45℃ = 70℃
AIO : ΔT = 300W × 0.10℃/W = 30℃ → 表面温度の目安 = 25℃ + 30℃ = 55℃
```
発熱量が200Wから300Wへ1.5倍になると、空冷とAIOの温度差(検算12前半では10℃)は15℃まで広がる。これは、熱抵抗の差がそのまま発熱量に比例して拡大されるという、`ΔT = Q × R_th`の式の性質そのものである。この関係から、「発熱量が小さいうちは空冷とAIOの差はそれほど大きくならないが、発熱量が大きくなるほどAIOの熱抵抗の低さが効いてくる」という、方式選びの実務上の指針が導ける。
### カスタムループ(本格水冷)という選択肢
簡易水冷(AIO)よりもさらに冷却能力を追求する方法として、CPU用・GPU用それぞれの水冷ブロック、独立したリザーバー(冷却液の貯蔵タンク)、ポンプ、大型のラジエーターを個別に選び、ユーザー自身がチューブでつなぎ合わせて構築する**カスタムループ(本格水冷、水準七: あらかじめ組み立てられたAIOとは異なり、水冷ブロック・ポンプ・リザーバー・ラジエーターなどの部品を個別に選定し、チューブで接続して構築する水冷システム)**という選択肢も存在する。カスタムループは、AIOよりも大きな放熱面積(複数のラジエーターを組み合わせられる)を確保できることや、CPUとGPUの両方を一つのループで同時に冷却できることから、理論上はさらに低い熱抵抗を実現できるとされる。ただし、AIOのような密閉充填製品ではなく、接続部からの液漏れのリスクをユーザー自身が管理する必要があること、定期的な冷却液の交換や気泡抜きといった保守作業が必要になることから、本冊では原理の紹介にとどめ、構築手順そのものは扱わない。電子部品のすぐそばで液体を扱うという性質上、安全枠(PSU内部を開けない、という原則と並ぶ慎重さ)が特に求められる分野である。
### 相変化材料(サーマルパッド)という選択肢
VRMやVRAMのように、CPU・GPUのコアほど発熱密度は高くないが、熱を逃がす必要がある部品には、グリス状のTIMではなく、あらかじめ一定の厚みに成形された**サーマルパッド(相変化材料、水準七: シート状に成形された熱伝導材料。グリスのように流動しないため塗布の手間がかからず、部品とヒートシンクの間の微小な隙間を埋める形で使われることが多いとされる)**が使われることが多い。サーマルパッドの熱伝導率は、一般にグリスよりも低めだが(数W/(m・K)程度のものが多いとされる)、一定の厚みを持たせやすいという扱いやすさから、VRMやVRAM、M.2 SSD(第五章参照)のヒートシンクなど、面積が広く形状が均一でない部分の冷却に適しているとされる。
### 冷却方式の限界 — 室温より低くは冷えない
空冷であれAIOであれ、ここまでの検算がすべて示しているとおり、部品の温度は「吸気温度(室温に近い)+ΔT」という形で決まる。どれほど熱抵抗の低いクーラーを選んでも、吸気温度そのものを下げない限り、部品の温度を室温より低くすることはできない(これは第七章のエアフロー設計が扱った、吸気温度をいかに室温に近づけるかという課題とも直結する)。より積極的に冷媒を圧縮・膨張させて周囲より低い温度を作り出す方式(冷蔵庫やエアコンと同じ原理)も存在するとされるが、結露やコストの問題から一般的な自作PCではほとんど採用されておらず、本冊ではその原理の紹介にとどめ、具体的な導入手順は扱わない。
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> **定着量の目安(第八章)**: 空冷とAIOそれぞれの熱抵抗を使った温度差の比較検算を、発熱量を変えながら5〜6問こなすと、水準七の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる。
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## 第九章: 静音と性能のトレードオフ(水準七)
### ファンの回転数と、風量・静圧・消費電力の関係
ファンの回転数を変えると、そのファンが生み出す風量・静圧(空気抵抗に逆らって風を送り出す力)・消費電力は、それぞれ異なる比率で変化する。この関係は**ファン相似則(ファンそうじそく、アフィニティ則、水準七: ファンの回転数を変化させたとき、風量は回転数にほぼ比例し、静圧は回転数の2乗にほぼ比例し、消費電力は回転数の3乗にほぼ比例するという、送風機一般に成り立つとされる経験則)**として知られている。
```
風量比 ≈ (回転数比)¹
静圧比 ≈ (回転数比)²
消費電力比 ≈ (回転数比)³
```
### 検算13 — 回転数を半分にすると何が起こるか
回転数を1,200rpmから600rpmへ半分に落とした場合、風量・静圧・消費電力がそれぞれどう変化するかを、ファン相似則で求める。回転数比は600÷1,200=0.5である。
```
風量比 = 0.5¹ = 0.5(半分になる)
静圧比 = 0.5² = 0.25(4分の1になる)
消費電力比 = 0.5³ = 0.125(8分の1になる)
```
仮に1,200rpm時のファンの消費電力が2.0Wだったとすると、600rpmまで回転数を落とした場合の消費電力は次のようになる。
```
600rpm時の消費電力 = 2.0W × 0.125 = 0.25W
```
回転数をわずか半分にするだけで、消費電力は8分の1にまで下がる計算になる。ファンの騒音は、一般に回転数が上がるほど急激に大きくなる傾向があるとされ(羽根の形状や軸受の方式によって正確な指数は変わるため、本冊では具体的なデシベル値の算出式までは踏み込まない)、回転数をわずかに落とすだけでも、体感できるほど静音側へ改善することが多いとされる。
### デシベル(dB)という対数尺度の基礎
ファンの静音性を比較する際によく使われる**デシベル(dB、水準七: 音の強さを表す単位。人間の耳が感じる音の大きさが、音のエネルギーに対して直線的ではなく対数的に変化する性質を踏まえ、対数を使って定義された尺度)**は、単純な足し算・引き算では扱えない量である点に注意が必要である。音のエネルギー(音響出力)が2倍になっても、デシベル値はおよそ3dB増えるだけであり、10倍になってようやくおよそ10dB増える、という対数的な関係になっているとされる。
```
デシベルの差(dB) ≈ 10 × log10(音響出力の比)
```
たとえば音響出力が2倍になった場合、10×log10(2)≈10×0.301≈3.01dBの増加になる計算である。この対数的な性質のため、「回転数を上げてファンを2台に増やしたら、うるささも2倍になる」というような単純な直感は成り立たず、体感できる変化はデシベル表示ほど劇的ではないことが多いとされる。ただし、検算13で見た「回転数を上げると消費電力が3乗で増える」という関係と組み合わさることで、高回転域ではデシベル値自体も急激に増えやすい、という傾向は変わらないとされる。
### 軸受方式による騒音・寿命の違い
ファンの回転軸を支える**軸受(じくうけ、ベアリング、水準七: ファンの羽根を支える回転軸が、なめらかに回転できるよう支持する部品)**には、いくつかの方式がある。もっとも単純なスリーブ軸受(円筒形の部品が軸を包み込むように支える方式)は低コストだが、摩耗が進みやすく、長期間の使用で異音が発生しやすいとされる。ボールベアリング(小さな球を使って摩擦を減らす方式)は耐久性に優れる一方、高回転時にわずかな金属音が発生することがあるとされる。流体軸受(潤滑油の膜によって軸を浮かせるように支える方式)は、静音性と耐久性のバランスに優れるとされ、近年の高品質なケースファンに広く採用されている傾向があるとされる。軸受方式の違いは、本冊の検算(ファン相似則)には現れない要因だが、実際にファンを選ぶ際には、回転数だけでなく軸受方式も静音性・寿命に影響する、という点を補足しておきたい。
### 熱の余裕(マージン)を、静音という形で使う
第七章の検算11では、例機の実際の熱(319.2W)が、ケースのエアフロー能力(569W相当)に対してまだ余裕を残していることを確かめた。この「熱的な余裕」は、そのまま静音化の余地として使うことができる。
具体的には、PWM(パルス幅変調、ファンの回転数をソフトウェア側から細かく制御できる仕組み)対応のファンを使い、CPUやGPUの温度が一定の範囲に収まっている間はファン回転数を低く抑え、温度がしきい値を超えたときだけ回転数を引き上げる、という**ファンカーブ(水準七: 部品の温度に応じて、ファンの回転数をどのように変化させるかを定めた制御曲線)**の設計が広く使われている。検算13で確かめたとおり、回転数を落とすことによる静音効果は非常に大きい一方、温度差ΔTへの影響は`ΔT = Q × R_th`の関係(第六章)を通じて緩やかにしか現れないため、「熱的な余裕がある範囲内でファン回転数を落とす」という設計は、性能や安全性をほとんど犠牲にせずに静音を実現できる、比較的割のよい選択になりやすい。
### ファンカーブの具体例
PWM対応ファンのファンカーブは、たとえば次のような対応表として設定されることが多いとされる。
```
CPU温度 ファン回転数の目安
40℃以下 30%(最低回転・実質的に無音に近い)
40℃〜60℃ 30%→60%へ緩やかに上昇
60℃〜75℃ 60%→90%へやや急に上昇
75℃以上 100%(最大回転・冷却最優先)
```
このような多段階の設定により、日常的な軽い作業(温度が60℃を下回ることが多い場面)では低回転で静音を保ちつつ、高負荷時(ベンチマークやゲームなど)には回転数を引き上げて冷却能力を確保する、という使い分けが実現される。第六章から第八章までの検算で確認してきたとおり、多くの一般的な使用環境ではTj_maxまでの余裕が大きいため、このような「低温域では静音優先、高温域でのみ冷却優先」という非線形なファンカーブの設計が、性能と静音の両立に有効な手段になるとされる。
### コラム — 「静かにする」と「冷やす」は必ずしも対立しない
第六章から第八章までの検算がすべて示しているとおり、多くの一般的な使用環境では、CPUやGPUの温度は最大許容温度(Tj_maxの目安、90〜100℃程度)に対してかなりの余裕を持って運用されている。この余裕の大きさを把握せずに「とにかく冷やすためにファンを全力回転させる」という判断をしてしまうと、必要以上の騒音を発生させてしまうことになる。逆に、余裕をまったく確認しないまま「静かにするためにファンを絞る」という判断をすると、高負荷が続いた際に温度が上限へ近づき、性能低下(サーマルスロットリング)を招く危険がある。本冊で扱ってきた検算の積み重ね――発熱量の見積り(第三章〜第五章)、熱抵抗による温度差の計算(第六章)、エアフロー能力の見積り(第七章)――は、まさにこの「どこまで静かにしてよいか」を、勘ではなく数値で判断するための土台になる。
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> **定着量の目安(第九章)**: ファン相似則`風量∝回転数・静圧∝回転数²・消費電力∝回転数³`を使った回転数変化の影響の計算、デシベルの対数的な性質の理解、熱の余裕(第七章)とファンカーブの関係を自分の言葉で説明できるようにする演習を6問程度こなすと、水準七の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる。
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## 三つの実践解(§16.21) — 分解を伴わない熱と電源の実測
理論と検算を、実際に手を動かして確かめる方法を三つ紹介する。いずれもPSU内部の開放や配線工事を一切伴わない、安全枠の範囲内で完結する実践解である。
1. **市販ワットチェッカーによる実消費電力の実測実践**: コンセントとパソコンの電源ケーブルの間に、市販の据え置き型ワットチェッカー(工事を伴わず差し込むだけの完成品)をはさみ、アイドル時と高負荷時(ベンチマークソフトの実行中など)の消費電力を実際に測定する。第三章で扱ったTDPの合計と、実測した消費電力を見比べることで、「TDPは実消費電力そのものではない」という本冊の説明を、自分の目で確かめる実践である。
2. **温度監視ソフトによるCPU・GPU温度のログ実践**: OS標準、または既存の温度監視ソフト(センサー情報を読み取るだけで、ハードウェアの分解や改造を一切伴わないもの)を使い、アイドル時と高負荷時のCPU・GPU温度を記録する。室温(または温度計で測った吸気付近の温度)を差し引くことで、第六章で計算したΔT(温度差)と近い値になっているかどうかを、自分の手で突き合わせる実践である。理論値と実測値がぴったり一致しないことも多いが、その差がどの程度かを知ること自体が、→BOOK-0314第七章で述べられた「実測して検証する」姿勢の実践になる。
3. **薄い紙片やリボンによる正圧・負圧の可視化実践**: ケースの通気口やファンの外側(ケースを開けずに、外から確認できる範囲)に、軽い紙片や細いリボンを近づけ、空気の流れの向きと強さを目で確認する。火を使う道具は用いず、通電中の内部部品には一切触れない。第七章で説明した正圧・負圧が、実際のケースでどちらの傾向に近いかを、簡易な方法で体感する実践である。
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## まとめ — 電力の行き先を追いかける目
本冊では、負荷をかけた瞬間にファンが轟音を上げ始めたパソコンに戸惑う技師見習いの物語から出発し、AC→DC変換の物理と電力変換効率(第一章)、80PLUS効率等級の意味と読み方(第二章)、TDPと実消費電力の違いの見積り(第三章)、そして「発熱源=電力の行き先」という解析軸を演算部品(CPU・GPU、第四章)と電力供給部品(VRM・ストレージ・電源ユニット自身、第五章)の両方に貫いて当てはめる分析、熱抵抗℃/Wによる温度差の計算と多層構造の検算(第六章)、正圧・負圧とエアフロー設計(第七章)、空冷と簡易水冷の原理と限界の比較(第八章)、そしてファン相似則にもとづく静音と性能のトレードオフ(第九章)までをたどってきた。
一貫して確かめてきたのは、パソコンに投入された電力のほぼすべてが、最終的には熱としてケースの外へ放出されるという事実であり、その熱の行き先を部品ごとに数値で追いかけることで、冷却設計もエアフロー設計も静音設計も、勘ではなく検算にもとづいて判断できるようになる、という本冊全体の立場である。すべての実測・実践は、電源ユニットの内部や交流100V配線に一切触れない、安全な範囲にとどめてある。次部(→BOOK-0358f『関数を正式に組む』)では、視点を電気信号から論理そのものへ移し、関数という単位で正式に組み立てる技を扱っていく。
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## 章末: 熱の行き先マップと、まとめの階段図
まず第五章・第七章で求めた、例機一台ぶんの熱の行き先を、簡易な図として表してみよう。
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コンセント(AC100V・工事は電気工事士の資格が必要)
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PSU入力354.7W
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+-----------------------------+
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PSU内部損失35.4W(PSU自身の排気口へ) DC側出力319.2W(ケース内部へ)
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+--------+-------+-------+--------+
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CPU系72.2W GPU220W ストレージ7W その他20W
(ダイ65W+ | | |
VRM損失7.2W) | | |
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+--------+-------+-------+--------+
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ケースのエアフロー(検算10: 上限目安569W)
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室内の空気へ
関係式: PSU入力 = DC側出力 ÷ 効率(検算6: 319.2W ÷ 0.90 = 354.7W)
ケース内の温度上昇 = DC側出力 ÷ (ρ×V̇×cp)(検算11: 319.2W ÷ 56.9W/K ≈ 5.6℃)
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続いて、本冊全体の歩みを階段図としてまとめる。
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[水準七] 静音と性能のトレードオフ
ファン相似則(検算13: 回転数半分→消費電力8分の1)
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│ 熱の余裕を静音という形で使う
[水準七] 冷却方式比較(空冷・簡易水冷)
ヒートパイプ/ベイパーチャンバー、AIOとのΔT比較(検算12)
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│ 熱の運び方そのものを比較する
[水準六〜七] エアフロー設計(正圧・負圧)
Q=ρ×V̇×cp×ΔT(検算10)、ケース内温度上昇の逆算(検算11)
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│ 部品の熱をケースの外まで運ぶ
[水準六] 熱抵抗の計算(℃/W)
ΔT=Q×R_th(検算7・8)、多層構造の直列合成(検算9・9a・9c)
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│ 熱の流れにくさを一つの数値にする
[水準六] 発熱源=電力の行き先(電力供給部品編)
VRM損失(検算5・5b)、熱の行き先マップ(検算6)、コンデンサ寿命(検算6b)
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│ VRM・ストレージ・PSU自身にも解析軸を広げる
[水準六] 発熱源=電力の行き先(演算部品編)
動的電力∝C×V²×f(検算4)、微細化と発熱密度
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│ 電力の行き先を部品ごとに追いかける
[水準五] 消費電力の見積り(TDPと実消費)
定格合計とブースト合計の差(検算3・3b)
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│ カタログの数字を鵜呑みにしない
[水準五] 80PLUS効率等級
等級ごとの発熱量の差(検算2)、電気料金への換算(検算2b)
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│ 効率を測る共通のものさしを知る
[水準五] 電力変換の物理(AC→DC)
入力電力−出力電力=損失電力(検算1)
安全枠: PSU内部・簡易水冷ユニット内部は絶対に開けない。AC100V配線は電気工事士の資格が必要。
排気口の前に可燃物を置かない。
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## 参照文献(定番教科書・一般規格)
1. 基礎電力工学・パワーエレクトロニクスの標準的教科書(大学初年次・高等専門学校向けに広く使われている、整流・平滑・スイッチング変換とエネルギー保存則を扱う定番の入門教科書群)。
2. 80 PLUS認証制度の公表資料(PSUの電力変換効率を、複数の負荷条件で測定し等級づける第三者認証の基準文書。等級ごとの正確な数値は同制度の公表資料が正である)。
3. →BOOK-0314『実践工学: 熱設計の実学』(熱抵抗・θJA・フーリエの法則・接触熱抵抗という、本冊が全編で応用した物差しの導入元)。
4. →BOOK-0300『実践工学: 回路の読み方と設計 第1巻』(オームの法則・電力`P=V×I`・直列並列の合成という、本冊の計算枠組みの基礎)。
5. 送風機工学(ファン相似則・静圧と風量の関係)に関する標準的な技術資料。JEDECのJESD51系規格群(半導体部品の熱抵抗測定方法、→BOOK-0314参照文献)。
6. 電解コンデンサの寿命推定に関する一般的な技術資料(10℃半減則・アレニウスの式にもとづく寿命推定の考え方)。
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（本冊子は現代学問宇宙図鑑シリーズ BOOK-0358e。統合大型巻『PC創造大全』(BOOK-0358・全22部+総論)の物語脊椎・第5部(熱と電源の解析)。→BOOK-0358d(前部・自作PCの設計と組立)、→BOOK-0358f(次部・関数を正式に組む)、→BOOK-0358s(目録対・熱と電源の技・KNOW-P-0501〜0625)と接続。設計書の正=gakumon/CATALOG_PC創造大全.md。GAKUMON_UNIVERSE.md進捗台帳を参照。）
# BOOK-0358e PC創造大全 第5部 — 熱と電源の解析