NEC Direct最前線

【05.02.28】

水冷システムの威力を見よ！
安定した冷却性能と静音性を兼ね備えたハイエンド機
NEC VALUESTAR GタイプTX

【05.03.7】

スリムでスタイリッシュ、
そして高性能
NEC Directオリジナルモデル
VALUESTAR G タイプC
の魅力とは

【05.03.14】

NECが本気で仕掛けるネット直販「NEC Direct」の挑戦
急成長の原動力と今後の取り組みについて
事業部長にインタビュー

【05.03.18】

バランスのとれたプロフェッショナル・スマートモバイル
NEC Directオリジナルモデル
Lavie G タイプJ

【05.03.25】

NECの静音へのこだわり
水冷システムの秘密に迫る
特別インタビュー

バランスのとれたプロフェッショナル・スマートモバイルNEC Lavie G タイプJ

　NECの水冷パソコンは、2003年の5月に最初の製品が発売されて以降、水冷システムを搭載した静音パソコンとして高い人気を得続けてきた。現在でもハイエンドの「VALUESTAR G タイプTX」と「VALUESTAR G タイプTZ」が水冷パソコンとしてラインナップされており、多くのユーザーやメディアから高く評価されている。ここでは、NECにお邪魔し、水冷パソコンに搭載されている水冷システムについていろいろと聞いてみた。

【Photo01】酒井浩氏
NEC PC事業本部開発生産事業部（コア技術グループ）マネージャー
水冷システムの開発を行った方で、水冷システムのさまざまな質問に答えてくれた。

【Photo02】越坂悦大氏
NEC パーソナルソリューション事業部マネージャー
なぜ今水冷なのか？など、NECの静音に対するこだわりや方向性を語ってくれた。

NECでは、なぜパソコンを水冷にしたのですか？
やはりCPUの発熱量が増えたからでしょうか？

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【Photo03】NECのデスクトップパソコンでは最上位製品となる「VALUESTAR G タイプTX」。CPUに、動作クロック3.4GHzのインテル(R) Pentium(R) 4 プロセッサ 550Jを使用しているにもかかわらず、動作音は約30dBという静音性能を実現している。

水冷を導入した理由は、パソコンをより静かなものにしたかったからです。ご存知のとおり、静音パソコンへのニーズはとても高くなっています。そのニーズに対する一つの答えが水冷化だったのです。現在の高発熱のCPUでも、冷やすだけなら空冷で問題ありません。しかし、パソコンの一番の騒音源はCPUの冷却ファンです。NECでは、このCPUの冷却ファンをなくす方法として水冷化を選びました。同じ熱量を冷やすのなら、空冷よりもより冷却能力の高い水冷システムを使ったほうが騒音は少なくなります。NECで現在使用している水冷技術で、TDP（Thermal Design Power：熱設計消費電力）が約130WのCPUでも、今と同じ約30dBの動作音を実現することができます。もちろん、動作音を考えなければもっと冷やすことも可能ですが、水冷化の理由は静音化ですから、静かでなければ意味がありません。より冷やすのではなく、空冷と同じかそれ以上の冷却性能を、より静かな動作音で実現する方法が水冷なのです。

水冷システムのメリットとデメリットはなんですか？

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【Photo04】NECの水冷パソコンでは、冷却液を冷やすためのラジエータがパソコンの背面に出っ張るように付いている。一見ジャマなように見えるが、パソコンの背面にはディスプレイケーブルなどさまざまなケーブルを接続するので実はこの程度の出っ張りはあってもなくても設置スペースは変わらないのだ。

メリットは、前述したとおり静音性です。1度NECの水冷パソコンを使用したら、もうほかの空冷パソコンには戻れないほどの快適さを提供できます。また、実際ユーザーの皆様やメディアの方々の評価も高いです。それに、水冷にすることにより、パソコンの設計の自由度が上がります。熱を熱源から自由に移動できるので、いろいろな冷やし方を検討できるのです。

一方、デメリットはサイズと重量です。水冷システムでは、どこかで熱を逃がさなければならないため、その空間が必要になります。それに、ラジエータは静音のためには大型にしなければなりません。そのため、NECのパソコンではラジエータをパソコンの背面に配置しています。パソコンの背面にはケーブル類を接続しなければならないため、通常のパソコンでも隙間が空きます。背面であれば、ラジエータがそれほどジャマにはならないわけです。また、重量に関しては、金属部品が増えますし液体を使用しているのでどうしても重くなってしまいます。

NECのパソコンに組み込まれている水冷システムの仕組みを教えてください。

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【Photo05】これが、NECの水冷システムである。下にある、2本の黒いチューブがつながっている銀色のものがCPUに取り付けられる部分で、右の金色の箱がリザーブタンク、左上にあるパイプがたくさん通っている箱がラジエータだ。左下の黒いものは取り外したポンプである。これらのパーツ間を冷却液が循環する。

仕組みは簡単です。CPUの熱を受ける受熱部と、その熱を逃がす放熱部があって、それをパイプで接続してパイプの中の冷却液をポンプで循環させるわけです。

順番に説明すると、まずCPUが発する熱をCPUに取り付けたヘッド部分で冷却液に伝えます。そして、その冷却液はポンプの力でパソコンの背面に付いているラジエータに送られます。ラジエータには細かいフィンが付いていて、そこを通る間に冷却液の熱が空気中に逃げて、冷却液が冷やされます。冷えた冷却液はリザーブタンクを通って、またCPUに戻ります。後はこれの繰り返しです。この中で、リザーブタンクは冷却には直接必要ないものですが、信頼性を向上するために搭載しています。

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【Photo06】CPUに取り付ける、水冷システムのヘッド部分。CPUが発する熱はここで冷却液に伝えられ、熱を持った冷却液はラジエータに送られる。そして、ラジエータで冷やされた冷却液がまたここに戻ってくるわけだ。

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【Photo07】こちらはヘッド部分の断面写真。ただ液体を通すだけではなく、より多くの熱を吸収できるように工夫されているのだ。このような驚きの工夫が随所に取り入れられて水冷システムは作られているのである。

リザーブタンクは自作パソコン用の水冷ユニットでも搭載している製品があります。蒸発する水を補うものですね。NECの水冷システムでは冷却液はどのくらいの頻度で補充するのですか？

冷却液を補充する必要はありません。NECの水冷システムはメンテナンスフリーになっているので、ユーザーがメンテナンスのために何かをしなければならないということはないのです。

このリザーブタンクには2つの役割があります。まず1つが前述の冷却液の補充のためです。この水冷システムは、金属部分はすべて銅製で、後は一部のチューブとポンプに樹脂が使われています。水は漏れないようになっているのですが、樹脂の分子間を、水の分子がわずかではあるのですが通過してしまいます。そのため、リザーブタンク内にはそれを補う量の冷却液が入っています。具体的には、CPUがもっとも発熱する状態で使用すると、冷却液の温度は60℃くらいになります。その60℃の状態で5年間連続動作させても大丈夫なように設計しています。実際には、そのように過酷な状態は続きませんので、10年以上使っても全く問題ないと思います。

そして、リザーブタンクのもう1つの役割が凍結対策です。リザーブタンクの1/3は空気層になっています。たとえば、パソコンを出荷した後に、北海道の倉庫などに一時保管された場合には周囲の温度が-10℃や-20℃になることも考えられます。冷却液は不凍液ですが、さすがに-20℃になるとシャーベット状になってしまいます。そのときの体積の変化をリザーブタンク内の空気層で吸収しているのです。また、リザーブタンクには、その空気がポンプの中に入らないように、特殊な仕組みも組み込まれています。

水冷による冷却というのは誰でも考えることで、実際に誰でもできそうなことだと思います。しかし、信頼性を確保して、メンテナンスフリーにすることはかなり難しいことです。たとえば、ポンプ1つを見ても、このポンプは65℃の液体を流し続けても5年間の動作が保証されているポンプです。こういったポンプは一般にはあまりありません。自作パソコン用の水冷ユニットと大きく異なるのはこういった信頼性とメンテナンスフリーの部分です。

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【Photo08】酒井氏が指しているのがリザーブタンクだ。このリザーブタンクにより、10年以上もの間水冷システムを維持することができ、さらに-20℃で保管しても液漏れすることがない。見た目は銅製のただの箱だが、中には多くの工夫と技術が詰め込まれている。

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【Photo09】65℃の液体を5年間流し続けることが保証されている特殊なポンプ。筆者は熱帯魚用のポンプと大差ないと考えていたのだが、実際はそのような単純なものではなかった。静音パソコン用なので、もちろん動作音はほとんどしない。

-20℃でも凍らないという冷却液には、何か特殊なものを使用しているのですか？

冷却液の成分は、自動車などで使用されている不凍液とほぼ同じものです。主成分は水で、全体の72～73%を占めています。そして24～25%がアルコールの1種であるプロピレングリコール、残りが金属の防腐剤です。液体が腐ってしまうのではないかと心配される方もいますが、この不凍液が腐るようなことはありません。

冷却液を使用していると、それが漏れてしまうのが怖いのですが、その対策は何か行われているのですか？

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【Photo10】リザーブタンクの下にある、ポンプとチューブを接続している部分には液漏れセンサーが取り付けられている。小さな穴が空いている白い板のようなものがセンサーだ。冷却液が漏れることはないと言うが、それでも漏れた場合のことを考えて対策をしてある点に、NECのモノ作りに対する丁寧な姿勢を見ることができる。

信頼性に関しては、家電製品ですし水を扱っているので、過剰気味に設計しています。振動試験はもちろん、梱包状態での落下試験も行っています。また、この水冷システムは、パソコンのほかの部分が壊れても、水冷部分が先に壊れてしまうことがないようにというコンセプトのもとで作りました。

金属部分から水が漏れることはないので、漏れるとしたら金属と樹脂チューブなどの接続部分になります。なかでも樹脂同士が接触している、ポンプとチューブを接続する部分が強度的には一番弱い部分です。なので、その部分は小さなボックス状になっていて、液漏れセンサーを付けてあります。もし冷却液が漏れた場合は、センサーが検知してパソコンが止まるようになっているのです。ただ、基本的には水漏れは起こらないはずですが。

NECの水冷パソコンはCPU部分と電源部分にファンが付いていますが、これらのファンはなくせないのですか？

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【Photo11】電源ファンだけの力ではケース内のエアフローを確保することが難しいため、CPUの上にはエアフローファンが取り付けられている。1つの強力なファンを使うよりも、2つの静かなファンを使用して静音化を図るというアプローチ方法である。これは自作PCにも応用できる点だろう。

水冷と言っても、熱交換をどこかでしなければならないのでファンはどうしても必要です。現在のモデルでは、大型で回転数の低い電源ファンを使い、その風で電源とラジエータなどを冷やしています。また、CPUの上に付いている冷却ファンは、CPUを冷やすためのものではなく、マザーボード上のVRMやチップを冷やすためのものです。初めて水冷パソコンを開発した2年前には必要なかったものなのですが、現在のマザーボードはVRMとNorth Bridgeの発熱がかなり大きくなっています。空冷の場合は、CPUの冷却ファンがそれらのパーツを一緒に冷やしますが、水冷の場合はCPUに冷却ファンがないので、こういったエアフローファンが必要になってしまいました。

電源ファンをもっと強力なものにすれば、エアフローファンが必要なくなるのですが、1つのファンを強力にするよりも、ファンの数を増やして1つ1つのファンの騒音値を下げたほうが全体で見ると静かになります。水冷システムは、あくまで静音のために導入しているものなので、NECではより静かになる方法を採りました。たとえば、現在は電源ファンでラジエータを冷やしていますが、ラジエータ自体に冷却ファンを取り付けたほうが効率は高くなります。そこで、今よりさらにファンを増やして効率を高めることにより、より静かにするという方法も考えています。

マザーボード上のチップを冷やすのなら、たとえばIntelのBTXフォームファクターのように、ケースの前面にファンを取り付けて空気を前から後ろに流したほうが効率はよいのではないでしょうか。また、周辺チップの水冷化も可能なのでは？

ケースデザインとの兼ね合いで、前面に吸気口を開けてファンを取り付けるというのは難しいのです。しかし、効率がよいのは確かなので、もちろんBTXのようなアプローチも考えています。今後は、デザイン面での工夫も含めて検討していきたいと思います。

CPU以外のパーツの水冷化については、まずビデオカードがあげられると思いますが、ビデオカードはユーザーが自分の手で交換することができるので、水冷化は難しいと考えています。しかし、現在も検討は続けています。また、VRMなどの水冷化は実現は簡単なのですが、コストを含めてトータルで考えるとファンを使用したほうがよいという結論になりました。

今後水冷パソコンを改良するとしたらどういった部分でしょうか？

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【Photo12】現在使用されているラジエータは、アルミニウム製のフィンの間に銅のパイプを通して熱交換を行っている。すべてを銅製にして、フィンの中にも冷却液を循環させればさらに効率を良くすることができるが、それではコストが高くなってしまう。今後は、銅製パイプとアルミニウム製ラジエータをどううまく使うかという点が課題だ。

NECの水冷システムだけでなく多くの水冷システムに言えることですが、ラジエータをもっと効率のよいものにするということが考えられます。たとえば、放熱効率では自動車のラジエータのほうがよいのです。自動車のラジエータはフィンの表面積が多く、そのフィンの中を冷却液が循環しています。一方、現在のパソコン用水冷システムのラジエータは、パイプの中を液体が循環していて、それにフィンが付いているという形になっています。

同じものを作ればよいのですが、銅でそういった複雑な形状のものを作ると大変コストが高くなってしまいます。そこで、ラジエータをアルミニウム製にすることを考えたのですが、銅とアルミニウムのような異なった金属を接触させて液体に入れると腐食してしまうのです。しかし、受熱部にはどうしても熱の伝道効率のよい銅を使いたい。水冷システムの開発には信頼性を第一に考えてきましたので、結局異種金属を一緒に使うという方法は避けることになりました。しかし、液体を介しても銅とアルミニウムを離して使用すれば腐食しにくいということが分かりました。後は、これをどのように現状の水冷システムに取り入れていくかということになります。メドは見えているので、今後はラジエータの改良を進める予定です。

ノートパソコンの水冷化は行わないのですか？

水冷システムをノートパソコンに導入すると、サイズが大きく、さらに重量が重くなるのでモバイル用途向けのノートパソコンへの使用は難しいです。しかし、デスクトップパソコンの代替として使用される大型のノートパソコンでは使用できると考えているので、そういった用途への研究は続けています。

今後も水冷パソコンは続けていきますか？　また水冷以外の冷却のアイデアはありますか？

静音へのニーズがある限り、水冷パソコンは続けていくと思います。そして、水冷以外の冷却方法についても、いろいろとアイデアはあり検討はしていますが、それはここでは言えません。実際に製品として出てくるまで楽しみにしていてください。

Interview & Text by 小林輪

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