CPUクーラー設計：タワー型、ロープロファイル、AIO

著者 BQUQ Engineering Team 査読 BQUQ Quality Engineering 2025年7月11日ビュー ISO 9001:2015 認証工場

CPUクーラー設計：タワー型、ロープロファイル、AIO

短い答え：CPUクーラーはまず3つの数値で選びます。持続TDP、利用可能な高さ、エアフローパスです。4～6本のヒートパイプを備えたタワー型空冷クーラーは通常、高さ150～160 mmで120～220 Wを処理します。ロープロファイルクーラーは40～70 mm未満に収まりますが、通常は65～100 W付近が上限です。240～360 mmのAIOはラジエーターを別の場所に取り付けて200～350 Wを移動させます。コストはブランドではなく、銅の質量とフィン面積に比例します。カスタムまたはOEMビルドの場合、BQUQはISO9001の東莞工場でヒートシンク部品をCNC加工およびプレス加工し、CNC機能で±0.005 mmを実現、見積もりは12営業時間で返却します。

CPUクーラーは実際にどのように熱を移動させるのか？

すべてのCPUクーラーは4つの熱抵抗の連鎖であり、最も弱いリンクが温度を決定します。熱はダイから統合ヒートスプレッダ（IHS）を通り、熱界面材料（TIM）を横切り、ベースプレートに広がり、ヒートパイプまたはコールドプレートを通って上昇し、最終的にフィンから移動する空気へと逃げます。

この連鎖があるため、大きなファンでも熱いCPUを解決できることはほとんどありません。ベースプレートが小さい場合や、パイプとフィン間のはんだが不十分な場合、追加のエアフローはそもそも熱が伝わっていなかったフィンを冷やすだけです。

エンジニアが使用する実用的なモデルは、熱抵抗ネットワークです。ジャンクション-ケース間、ケース-シンク間、シンク-空気間です。各段階でワットあたりの°Cが加算されます。「180 W」定格のクーラーは、その負荷で典型的なダイをスロットルポイント以下に保つ全抵抗を持つものです。抵抗バジェットがわかれば、形状の選択は推測ではなく算術になります。ヒートシンクの熱抵抗ネットワークがどのように構築されるかの解説では、数学を段階的に説明しています。

伝導、拡散、対流

伝導は材料と断面積に依存します。銅は約385 W/m·K、アルミニウムは約200 W/m·Kで伝導します。銅は紙の上では優れていますが、密度が約3倍で高価です。
拡散は隠れたコストです。40 × 40 mmのダイが150 Wを60 mmのベースに放出するとホットスポットが生じます。厚いベースとベイパーチャンバーは、この熱流束を横方向に広げるために存在します。
対流はフィン面積×エアフローです。フィン数、フィン厚さ、フィン間隔、静圧はすべて相互作用します。密なフィンは高い静圧が必要で、そうでなければ空気が不足します。

タワー型、ロープロファイル、AIO：どのアーキテクチャが適合するか？

3つの主流アーキテクチャは、抽象的に優劣があるわけではありません。それぞれ異なる制約を解決します。

アーキテクチャ	典型的な高さ	典型的な持続TDP	エアフロー要件	最適なビルド
タワー型空冷（4～6本のヒートパイプ）	150～165 mm	120～220 W	120/140 mm PWMファン1基、面風速1～3 m/s	標準ATXミドルタワー、ゲーミング、ワークステーション
ロープロファイル（トップダウン）	35～70 mm	65～100 W	80～92 mmファン、狭いクリアランス	SFF、1U/2Uラック、産業用パネルPC
AIO液冷（240/280/360 mm）	ポンプ30～55 mm、ラジエーターは別置き	200～350 W	ラジエーターに2～3基のファン、プッシュまたはプッシュプル	高TDP CPU、RAMクリアランス制限のあるビルド
パッシブ/ファンレス	様々、多くの場合80～150 mm	15～45 W	ケースレベルの対流のみ	ファンレス産業用、キオスク、組み込み

実際に通用する2つの経験則があります。第一に、高さが通常は拘束条件であり、TDPではありません。何かを選ぶ前にIHSからサイドパネルまでを測定してください。第二に、ロープロファイルクーラーの性能低下は主にフィン面積と再循環によるもので、ベースの不良によるものではありません。トップダウンクーラーは熱い空気をマザーボードに戻しますが、これはダクト付き産業用シャーシでは問題なく、密閉ガラスパネルケースでは不向きです。

AIOは固定高さの問題を、取り付けとポンプ寿命の問題と交換します。また、第二の熱界面（コールドプレートから冷却液）と、2～6 Wを消費し完全に停止しないポンプを追加します。

ベイパーチャンバーがヒートパイプに勝るのはいつか？

ダイが小さくワット数が高い場合、例えば200 W以上を50 mm²未満のホットスポットに、または垂直方向のスペースがほとんどないロープロファイルクーラーです。ベイパーチャンバーは1次元ではなく2次元で広がるため、熱がフィンに到達する前にホットスポットを平坦化します。通常のタワーで約100 W以下では、追加コストはほとんど回収できません。

どの材料と製造ルートを指定すべきか？

ここで設計意図が工場現場と出会い、コストが実際に決定されます。

部品	一般的な材料	典型的なプロセス	備考
ベースプレート	銅C1100またはアルミニウム6063	CNCフライス加工、スカイビング、鍛造	平坦度と表面粗さがTIM性能を左右
ヒートパイプ	銅管、焼結粉末ウィック	購入後、接合	溝付きウィックは安価、焼結は向きに強い
フィン	アルミニウム1050/6063、時には銅	プレス加工、スカイビング、押出、折り曲げ	120 mmファンではフィン間隔1.0～2.0 mmが典型
接合	はんだペースト、エポキシ、熱接着剤	リフローまたは硬化	はんだは低抵抗、接着剤は安価で軽量
取り付け	ステンレスまたはばね鋼	プレス加工、成形	バックプレートの剛性がソケットの反りを防ぐ

タワー型およびロープロファイル空冷クーラーでは、フィンスタックが通常最も大量の部品であり、単価を決定します。プレスフィンは量産で最も安価です。スカイビングフィンは連続した銅またはアルミニウムベースを接合線なしで提供し、可能な限り低い拡散抵抗が必要な場合に魅力的です。スカイビングプロセスが固体ブロックをフィンに変える方法では、工具摩耗、フィン高さ制限、最小フィン間隔のトレードオフを説明しています。

AIOコールドプレートの場合、プレート内部のマイクロチャネル形状が外から見えるものより重要です。チャネル幅、深さ、壁厚が熱抵抗と圧力損失の両方を制御し、圧力損失が支払うべきポンプ量を決定します。

銅対アルミニウム：正直な分割

熱が密集しスペースが狭い場所には銅を使用します。ベースプレート、ヒートパイプ壁、ベイパーチャンバーシェル、プレミアムロープロファイルクーラーのスカイビングフィンスタックです。熱がすでに広がっている場所にはアルミニウムを使用します。タワーのフィンスタック、ブラケット、シュラウド、押出ハウジングです。銅ベース-アルミニウムフィン設計は、質量のほんの一部で利点のほとんどを捉えます。純銅フィンスタックは存在しますが、重く、高価で、通常はエンジニアリング上の決定ではなくマーケティング上の決定です。

フィンスタックとファンを一緒にどのようにサイズ設定するか？

フィン形状とファン選択は1つの決定であり、2つではありません。

フィン間隔。1500～2000 RPMの120 mmファンでは、1.2～1.8 mmの間隔が最適です。1.0 mm未満にすると静圧需要が急増し、ほこりで詰まりやすくなります。
フィン厚さ。プレスフィンでは0.3～0.5 mmのアルミニウムが典型です。薄いと質量とコストを節約できますが、フィンに沿った伝導が減少します。
フィン高さと数。総表面積が目標です。同じフットプリントで高いスタックは面積を追加しますが、空気経路抵抗も追加します。
ファン曲線。ファンの圧力-流量曲線をスタックのインピーダンスに合わせます。密なスタックに高CFM、低圧ファンを使用するのはよくある高価な間違いです。

産業用およびラックアプリケーションでは、同じ論理が異なる制約で適用されます。ほこり、振動、24時間365日のデューティ、そして多くの場合固定された1Uまたは2Uの高さです。そのような場合、高静圧ブロワーを備えたダクト付きロープロファイルクーラーは、清浄な空気を得られない大きなオープンクーラーよりも通常優れています。

まだ概念段階にある場合、早い段階で1つか2つの物理サンプルを製作することは、ツーリング後にフィン間隔の問題を発見するよりもはるかに安価です。カスタムヒートシンクのプロトタイプビルドを実行する方法では、最初のサンプルが実際に代表的なものになるために指定すべきことを説明しています。

BQUQはCPUクーラープログラムのために何を製造していますか？

BQUQはISO9001の下、東莞の1つの工場で4つの生産ラインを運営しています。CNC加工、金属プレス加工、カスタムばね、ヒートシンク生産です。CPUクーラーおよび電子機器冷却プログラムの場合、ベースプレート、フィンスタック、ブラケット、取り付けハードウェアを4つのサプライヤーではなく1つから調達できます。

クーラー設計に関連する能力：

CNC加工±0.005 mm：ベースプレート、コールドプレート、取り付けブロック、ベイパーチャンバーシェル、TIM対向面の平坦度制御を含む。
金属プレス加工：フィン、バックプレート、ブラケット、クリップ、シュラウド用、量産用の順送金型ツーリング付き。
カスタムばね：取り付けハードウェア用。圧縮、ねじり、螺旋形状で、ボードを過度に反らせることなく一貫したソケット圧力を保持。
ヒートシンクアセンブリ：押出、スカイビング、プレスフィン、折り曲げフィン、接合フィン構造、および銅ベース-アルミニウムフィンビルドに対応。

MOQは柔軟なので、50個のエンジニアリングランと50,000個の生産注文は同じプロセス管理を経ます。見積もりは12営業時間で返却されます。

迅速な見積もりのために送るもの

1. 重要な寸法と公差を含む3Dモデルまたは2D図面。

2. 持続およびピークTDP、および周囲温度。

3. 高さ、フットプリント、取り付け穴の制約。

4. フィン材料の希望（ある場合）、および接合がはんだか接着剤か。

5. 表面仕上げ：アルミニウム素地、陽極酸化、ニッケルメッキ銅、またはマスクされた接触領域。

6. 年間数量とツーリング償却が許容されるかどうか。

これらの6項目があれば、製造可能な対案が通常同日に返ってきます。

よくある質問

Q: 150 W CPUにはタワー型空冷クーラーとAIOのどちらが良いですか？

A: どちらも機能します。高さ約155 mmの5～6本ヒートパイプタワーは、通常、単一の120 mmファンで150 W負荷を保持し、故障するポンプはありません。240 mm AIOは同じ負荷をより低いピーク温度で処理しますが、ポンプノイズ、第二の界面、有限のサービス寿命が追加されます。ヘッドラインのワット数ではなく、シャーシクリアランスとノイズ目標で選択してください。

Q: ロープロファイルCPUクーラーは実際にどのくらいの高さが必要ですか？

A: 65～100 W部品の場合、IHSからファンの上部まで40～70 mmを計画してください。40 mm未満では、ベイパーチャンバーまたはダクト付きブロワーを使用しない限り、通常35～65 Wに制限されます。常にマザーボードではなくサイドパネルまで測定し、ソケットとボードの公差のために2～3 mmを許容してください。

Q: CPUクーラーで銅は常にアルミニウムに勝りますか？

A: いいえ。銅は約2倍伝導しますが、密度が約3倍で高価です。銅は熱が密集する場所で効果を発揮します。ベースプレート、ヒートパイプ壁、ベイパーチャンバー、スカイビングスタックです。フィンスタックの場合、銅ベースに接合されたアルミニウムが、重量とコストのほんの一部で性能のほとんどを提供します。

Q: 120 mmファンにはどのフィン間隔を指定すべきですか？

A: 1500～2000 RPMで動作する120 mmファンの場合、1.2～1.8 mmの間隔が典型的で、表面積とエアフローのバランスが良いです。1.0 mm未満にすると静圧需要が増加し、ノイズが増え、ほこりで早く詰まります。2.5 mmを超えると、意味のあるエアフロー増加なしに表面積を失います。

Q: BQUQはヒートシンクと取り付けハードウェアの両方を供給できますか？

A: はい。東莞の1つのISO9001工場がCNC加工、金属プレス加工、カスタムばね、ヒートシンク生産を4つのラインで運営しているため、ベースプレート、フィン、バックプレート、クリップ、ばねが1つの組み立てキットとして出荷されます。CNC機能は±0.005 mmを保持し、MOQは柔軟で、見積もりは12営業時間で返却されます。

CPUクーラー設計：タワー型、ロープロファイル、AIO

CPUクーラー設計：タワー型、ロープロファイル、AIO