みかん食べながら

Handmade PC Life(ㆁᴗㆁ✿)

MENU

自作PC 本格水冷ガイド ExtraⅡ なぜ冷えない!?

スポンサーリンク

本格水冷はモノ作りが好きな人なら一度味わえば、普通のビルドでは物足りなく感じるほど、作り甲斐があって楽しいものです。
そして作る楽しさだけでなく、観て楽しむこともできるので、ここ数年は「SNS・Youtubeによる拡散・影響力」に「魅せる(映え)」が合わさり、本格水冷erは着実に増えています。
その需要に合わせてメーカー各社も入門キットやバリエーションを増やし、国内での取扱店も増えてきました。
ユーザが増えればメーカーはもっと力を入れてくれますし、情報量も増えて、それが次のビルドへの意欲やアイディアなどにも繋がっていくので、いちユーザとしても嬉しいことです。
そんな喜ばしいユーザ増加の一方で、Twitterで良く見かけるようなったのは「面倒なわりに空冷と大して変わらん」「ハイエンド空冷のが冷えるのでは?」といった冷却力への疑問の声
昔に比べて簡単に作れるようになった分、あまり調べなくても勘の良い人なら適当に繋げて組み上げることができてしまいます。
そして「本格水冷は冷える」と思い込んで適当に組んだ結果、冷えなかったことに対してネガティブ発言をしているケースがあります。
また見栄えを優先したビルドのがSNSでは人気なので、わかっている人が敢えてやっているにも関わらず、初めての方が人気の作品を参考にして組んでしまい「思っていたより冷えない」事態に陥っているのではないかと思います。
今回はそんな「なぜ冷えない!?」について原因をご紹介していきたいと思います!
f:id:mikantabenagara:20190729222911j:plain

本格水冷クイズ

タイトル画像のループ(ポンプ→ビデオカード→CPU→ラジエータ→リザーバ)は本格水冷では良く見かけるビルドです。
でも実は、用途によってはあまり冷えない一例でもあります。
パーツなどの情報を以下とすると、このビルドではどこが冷えにくく、そしてどこに原因があるでしょうか?

CPU Intel Core i9 9900K
CPUクーラー 本格水冷用の水枕
マザーボード ATX Z390チップセット
ビデオカード NVIDIA RTX 2080Ti FE
ビデオカードクーラー 本格水冷用の水枕
ラジエータ 280 x 140 x 27 mm
ラジエータFAN 14cm 2基(排気方向)
ポンプ D5(流量1500L/h、揚程3.9m)
リザーバ D5用円筒型 200ml
ケース フルタワー
ケースFAN フロント 20cm 1基(吸気方向)、リア 12cm 1基(排気方向)

・室温25℃、ケース内温度33℃。
・ホコリなどは詰まっておらず状態は非常にきれい。
・クーラントは十分な流速で循環している。
・CPUはALL 5.0GHzにオーバークロック。
・ビデオカードはブースト最大時2000MHzにオーバークロック。
・ゲームをしながらx264で3時間ほど配信中。

答えはこの記事を最後まで読めばわかると思います!

熱移動(熱交換)における3つの法則

いきなり原因を紹介する前に、そもそも物が冷えるとはどういうことなのか知っておくと、なぜそれが原因なのか理解しやすくなるのでご説明しておきます。

まず、物を冷やすというのは言い換えると熱を取り除くということですね。
取り除くといっても単純に消すことはできないので、別の物へ熱を移動させます。
温度の異なる2つの物が触れた場合は、必ず熱い物から冷たい物へ熱が移動する「熱交換」の原理(クラウジウスの原理)によって、熱い物の温度は低下し、冷たい物の温度は上昇するので、この原理を利用して対象の物を冷やすわけです。
(放っておいても物は空気に触れてるので自然と温度は下がっていくのですが)
何を当たり前のことを言っているんだと思いますよね。
重要なのは効率的に熱移動させられる=冷却力が高いということです。
これは熱交換の速度が速く、量が多いほど物全体の熱は効率よく移動します。
そして速さと量をかせぐためには3つの法則があります。

①接触面積が広い

触れてないと熱は移動できないので(厳密には空気には触れてますが)、接触面積が広いほどたくさんの熱が移動できます。
複線道路のが通れる車が増えるのと同じようなイメージ。

②熱の伝わりが良い(熱伝導率が高い)材質

熱伝導率が高い材質のが熱の移動は速くなります。
移動手段に例えると(左ほど速い)新幹線>車>自転車>徒歩といったイメージ。
PCの冷却に関わるものだと銅>アルミ>液体金属>サーマルパッド>シリコングリス>クーラント>空気になります。
※実際はシリコングリスは非常に薄く塗るのに対して、サーマルパッドは厚みがあるので内部の熱移動に時間がかかります。シリコングリスは遅いけど距離がすごく短い、サーマルパッドはやや速いけど距離が長いという感じです。
あとは密着具合いもグリスのが良いので、CPUクーラーとヒートスプレッダの密着にサーマルパッドで代用しても残念な結果になります。

③熱交換する物質同士の温度差が大きい

2つの物質間の温度差が大きいほど熱移動が大きくなります。
同じ物質間で熱交換を続けると熱の移動は小さくなって、最終的には温度差がなくなります(平衡状態)。

冷えない原因

本題の冷えない原因をご紹介していきます。
先にお断りさせていただくと、原因は各ビルドによって様々であり、その中には単に製品不良をたまたま引いてしまったという不運なパターンもあります。
すべての原因を洗い出して記事にまとめていくことはできないため、よくアリガチと思われるものにしています。
また、冷やす方向性に極振りしてしまうと、せっかくの見栄えを妥協しなければならなくなってしまうこともあります。
昨今の本格水冷が単に冷やすだけの目的でないのは重々承知してますので、こうしないとダメと言いたいわけではないのです。
あくまでも「ビルド次第で冷却力は犠牲になる」ということを理解したうえで、自分なりの素敵な本格水冷マシンを組み上げてもらえればと思います。

ラジエータのサイズが小さいor厚みが薄い

定番中の定番ですが、CPUやビデオカードの熱量に対して、ラジエータサイズが小さすぎるパターンです。
熱移動の3法則①にあたる接触面積が足りないことで、ラジエータから空気への熱移動が追いついていない状態ということです。
動画エンコードなどの重たい処理では、OCしていなくてもRYZEN9 3900X(12コア)はピークで150W、Core i9 9900K(8コア)は120Wを超えることもあります(マザーボードメーカーのPower Limit設定などにもよる)。
昨今は多コア化が進んでおりCPUの最大消費電力は増えています。当然OCするとさらに増えます。
メインストリーム帯製品でも最上位モデルのCPUは8コア以上もあるので、薄型の240mmや280mmラジでオーバークロックしてしまうと長時間高負荷を80℃未満に抑えるのは困難です。(室温をものすごく下げたり、クーラーに直接当てたりすればできなくはないと思いますが)
そしてもう一つは「厚み」です。
ラジエータのサイズで幅と奥行きが重要なのはそうですが、厚さも厚いほど放熱フィンの表面積が広くなるので効果があります。
空冷クーラーではヒートシンクの厚みについてよく言及されているのに、水冷のラジエータでは厚みを気にしてない、むしろ厚いと風の通りが悪くなって冷えにくいと誤認する人までいるくらいです。
きちんとメーカーさんは風が通るように設計して作っているので安心して分厚いのを選びましょう(設置スペースが許す範囲で)。
360mmといえど厚みが30mmなら、簡易水冷の最上位モデルと同程度になってしまいます。ラジエータは水冷ループの中で唯一、効率的にループ外へ熱移動させて温度を下げられるパーツなので、せっかく高いお金を払って苦労してビルドしたのに簡易と変わらない、なんて嘆くことこのないよう厚みにも気を付けて下さい。
どれくらいのサイズがいいの?という方は参考程度ですが以前の記事に書いてますのでそちらを読んでみて下さい。
自作PC 初めての本格水冷ガイド③ パーツ選びのポイント - ラジエータ

熱源が連続するループになっている

CPU、VRM、ビデオカード、チップセット、メモリなどに設置された水枕を全部通過して最後にラジエータで放熱するというループをみかけます。なかでも多いのはポンプ→ビデオカード→CPU→ラジエータ→リザーバのループ。
円筒型のリザポン一体型の場合、たいていポンプが一番低い位置に設置されるので、距離的に近いビデオカードを通ってから上に登ってCPUへ、というループになるのは組み易さや配管をスッキリ見せようとすると、どうしてもそうなりがちです。
しかし、熱移動の3法則③としては望ましくなく、クーラントが流れる経路順の後になる熱源パーツは、すでに他のパーツから受取った熱で水温が上がった状態なので熱移動は小さくなってしまいます。
CPUとビデオカードに同時に負荷がかからなければさほど問題ありませんが、用途によっては「CPUが思ったように冷えない」事態になってしまいます。
そして後で紹介するとおり、CPUはビデオカード(GPU)よりも構造上、熱移動が不利なのでラジエータを途中で経由させられないのであれば、経路順をビデオカード→CPUではなく、CPU→ビデオカードとする方がオススメです。
また、実際に熱源をCPU→ビデオカード、ビデオカード→CPUでそれぞれ冷却力をチェックしてみました。

検証環境
OS Windows10 May 2019 Update(Ver 1903)
マザーボード GIGABYTE Z370 AORUS Gaming 7
CPU Intel Core i7 8700K(殻割 + 銀王)
CPU水枕 EK-Velocity D-RGB - Nickel + Plexi(PPCSカスタム版)
CPUグリス Thermalright TFX
GPU NVIDIA TITAN X Pascal
GPU水枕 EK-FC Titan X Pascal - Acetal+Nickel
GPUグリス Thermal grizzly kryonaut
ラジエータ 360mm x 12mm x 60mm
ラジエータファン 12cm x3(1200rpm固定) PULL方向
ポンプ EK製 D5 最大揚程3.9m 最大流量1500L/h
メモリ T-FORCE XCALIBUR RGB DDR4-4000 8GBx2
ストレージ SANDISK Ultra 3D SSD 250GB
電源ユニット Seasonic FOCUS Plus Platinum 850W
ケース STREACOM BC1 Open Benchtable

CPU→ビデオカードのループ
f:id:mikantabenagara:20190804165904j:plain

ビデオカード→CPUのループ
f:id:mikantabenagara:20190804170014j:plain

OC設定
CPU 5.2GHz
Uncore 4.7GHz
Vcore 1.470V
VCCIO 1.250V
VCCSA 1.350V
LLC Extreme
MEM 3800MHz
Timings 19-18-18-39
DRAM Volt 1.400V
GPU 2076MHz(+210)
GPU MEM 5454MHz(+450)
POWER TARGET 120%
GPU Volt 1.063V
レギュレーション

・室温25.0℃
・温度はHWMonitor 1.40読み
検証ベンチマークタイトル
・CINEBENCH R15
・Geekbench 4
・FireStirke 無印/Extreme/Ultra
・TimeSpy 無印/Extreme
・ファイナルファンタジーXIV 漆黒のヴィランズ

CPU→ビデオカードループでゲームベンチを走らせた一例
f:id:mikantabenagara:20190804170107j:plain

検証結果

f:id:mikantabenagara:20190804161850j:plain
結果としては、そこまで大きな差はでないものの、ゲームベンチでビデオカードに負荷がかかるとCPU→GPU順のがCPU温度は1℃~4℃程度下がる傾向にあるようです。
特にGPU温度が47℃以上となったFF14ベンチではビデオカード→CPUループではビデオカードでクーラント温度が上昇してしまい、その後のCPUの熱移動が小さくなっているようです。
CPU温度をできるだけ抑えたい人で熱源を連続させるのであれば、やはりCPU→ビデオカードの順にループさせるのが良いと思います。

経路が長く上りが多い

ポンプの主流はD5とDDCですが、動作音が静かで最大流量が多いD5のがやや人気のようです。
CPU水枕 x1、ビデオカード水枕 x1、360mmラジエータ x2までならD5ポンプ1基で基本的に大丈夫ですが、経路やラジエータの設置の仕方で流量は下がってきます。
定番のEK製D5ポンプはカタログスペックで最大揚程3.9m、最大流量1500L/hですが、他に抵抗がない状態で1m押し上げようとすると約100mbar(10kpa)の圧力がかかるので、メーカー性能テスト表を見ると流量は約410L/hまで低下します。
EK-XRES 140 Revo D5 PWM (incl. sleeved pump) – EK Webshop
実際には水枕のジェットプレート、マイクロフィン、ラジエータのフラットチューブなどにより抵抗が上がるため、さらに流量は低下します。
チューブを必要以上に上り経路を増やしたり、ラジエータを縦向きにして設置すると流量はどんどん低下し、クーラントの流れが遅くなります。
流量が下がると水枕に入ってきたクーラントが出ていくまでの滞在時間が長くなり、熱交換する時間も増えるので熱移動の3法則③としては望ましくありません。
上りの経路の合計が2m以上になったり、上記構成以上にパーツを追加するなら、デュアルポンプにしたり、よりパワーのあるDDC3.25(最大揚程7m)を選択する、あるいはCPUとビデオカードで別系統のループにするのがオススメです。

熱伝導率の低いグリス

わりと軽視されがちなのがグリスです。
せっかく大きなラジエータで放熱力を上げても、熱伝導率の低いグリスではそこが熱溜まりとなってボトルネックになってしまいます。(熱移動の3法則②)
特にCPUはビデオカード(GPU)よりも構造上、熱移動が不利なので、できるだけ高い熱伝導率のものを選ぶのが望ましく、個人的には10W/m・k以上のグリスがオススメです。

室温以下まで冷やすことはできない

「本格水冷なのにアイドルで30℃超えてる」わりと見かけるツイートです。
水冷なら夏でも10℃台20℃台にできると過度な期待をしていませんか?
水冷ループ最後の熱移動はラジエータと空気なので、クラウジウスの原理上、室温以下にすることは常用環境では不可能です。
もちろん、エアコンをガンガン回して室温を10℃台にしたり、氷水にラジエータを浸けるなどすればできますが。
※氷水を使う場合、室温との温度差で結露してしまい、水滴が垂れてショートする可能性があるので注意してください。
一般的には室温25℃前後、PCケース内はファンによるエアフローや通気口の大きさなどによるものの30℃前後ではないでしょうか。
ラジエータをケース内に設置しているのであればアイドルで30℃を超えるのは仕方ありません。
まずいないと思いますが、窒息ケースで40℃近いようなところにラジエータを入れても冷えないので気を付けて下さい。
本格水冷の真価は大きなラジエータによる放熱力で高負荷時の温度上昇を抑えられるところです。(最低温度を下げられるわけではなく最高温度を抑える)
そして、ラジエータをケースの壁に設置して排気すれば、熱を直接ケース外に逃がすことができ、ケース内温度の上昇を抑えられるところです。
どんなに高性能な空冷クーラーでも360mm厚み45mm以上のラジエータには放熱面積で勝てませんし、設置場所はCPUの上に取り付けるので、放熱した風の一部が壁から跳ね返ってきてしまい、ケース内温度は上昇しやすくなります。
つまり、ベンチ台などのバラック組みなら、熱風は跳ね返ってこないので、空冷クーラーとの性能差は放熱面積勝負になるのでラジエータの大きさ次第では劣ることもあります。
厳密には空冷クーラーのほとんどは重量の都合でアルミ製ですが、ラジエータは銅製が多く熱伝導率で有利なため、よほど小さいラジエータでない限り劣ることはないでしょう。
余談になりますが、簡易水冷はアルミ製ラジのため、240mm厚み30mmモデルだとCRYORIG R1 Ultimateなどのハイエンドクーラーに劣ることもあります。

本格水冷が必要になるほど発熱してない

昨今のメインストリーム帯CPUは上位モデルなら8コア以上もあるので、100%負荷で使いきれるような処理は多くありません(ベンチマークとエンコード、レンダリングくらい?)
なので用途にもよりますが、オーバークロックしないのであればミドルレンジ空冷の虎徹MarkⅡクラスで十分冷やせます。
例え長時間高負荷が続いたとしてもミドルレンジ空冷で50~60℃に抑えられるようなクラスのCPUなら本格水冷をしてもポテンシャルを持て余してしまいます。
本格水冷にしても原理上、室温以下にはできないため低温は空冷クーラーとさほど変わりません。
逆に言えば100%負荷で空冷80℃を超えるような場合、ベンチマークが好きな人や動画・映像制作をする人は本格水冷の恩恵は大きいので是非導入しましょう!

ビデオカード(GPU)と比較するとCPUは冷えにくい

本格水冷にすると、高負荷時でもビデオカードはたいてい50℃以内に収まりますが、CPUは80℃を超えることがあります。(オーバークロックなどの設定や環境にもよる)
これは熱移動の3法則①と②でCPUがGPUよりも不利な構造だからです。
図は上がCPU、下がビデオカード(GPU)の水冷概略になります。
f:id:mikantabenagara:20190801231759j:plain

f:id:mikantabenagara:20190801231805j:plain
まず、発熱箇所であるコアの大きさがCPU<GPUなので、熱移動できる面積的にCPUは不利となります。
そして、熱移動する材質と距離にも差があります。
CPUは
①CPUコア
②TIM(Thermal Interface Material)
③ヒートスプレッダ
④サーマルグリス
⑤水枕のベースプレート
対してGPUは
①GPUコア
②サーマルグリス
③水枕のベースプレート
となるので、CPUのが道のりが長いです。
そして移動中のボトルネックとなるのが熱伝導率の低いTIMとサーマルグリスです。
TIMがソルダーなら主成分はスズ(Sn)なので熱伝導率65W/m・k程度(鉛入りはんだならもう少し高い)ですが、Intel第3世代(Ivy Bridge)以降のメインストリーム帯CPUの多くはグリスが使われているため10W/m・k未満でしょう。
その場合、CPUはベースプレートまでにグリスを2回熱移動しないとならないため、高負荷時にグリスが熱溜まりとなって、どんなに大きなラジエータを用意しても冷やすのが遅れてしまい高温になりがちです。
したがって、このボトルネックを解消するためにできるだけ熱伝導率の高いグリスを使用することが、冷却力を活かすことにつながります。
そのために、本当に冷却を重視する人はソルダーであっても殻割りして、より熱伝導率の高い液体金属に塗り替えたりするわけです。

いかがでしたでしょうか。
本格水冷は自由に組める分、ループやパーツ構成によっては期待していたよりも冷えない結果になることもあります。
最近は本格水冷初挑戦の方でもハードチューブからチャレンジする方もいるので、どちらかというと冷やす目的よりも見栄え重視かなとは思いますが、今回ご紹介した原因に留意しつつ、是非自分なりの見栄えと冷却力の両立を目指してもらえたらと思います。
この記事が本格水冷erの方に少しでも役に立ったら幸いです。

 

シリーズ記事

・自作PC 初めての本格水冷ガイド① 仕組みとパーツの役割

・自作PC 初めての本格水冷ガイド② 導入前の確認ポイント

・自作PC 初めての本格水冷ガイド③ パーツ選びのポイント

・自作PC 初めての本格水冷ガイド④ PVCチューブループの作業手順

・自作PC 初めての本格水冷ガイド⑤ 必要なメンテナンス

・自作PC 本格水冷ガイド Extra ハードチューブループの作業手順

・自作PC 本格水冷ガイド ExtraⅡ なぜ冷えない!?

・自作PC 本格水冷ガイド ExtraⅢ ラジエータファン Push? or Pull?