ラップトップ冷却の失敗実験

ラップトップ冷却の失敗実験

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強力なラップトップコンピュータは、デスクトップPCの作業をこなせるほどの性能を持ちながらも、冷却性能によってその能力を大きく制限されていることに、私は常に少しばかり落胆しています。私のLenovo P53がその好例です。このラップトップは、6コア2.6GHzで動作するIntel HクラスCPU、32GBのRAM、独自の8GB RAMを持つNVidia GPU、そして5TBのストレージを搭載しています。まさにモンスターマシンであり、私が実行する必要のあるほとんどすべてのタスクをこなせるはずです。

冷却システムとして、CPUとGPUそれぞれに独立した巨大なヒートシンクと強力なファンが搭載されています。ファンは最大4,000 RPMで回転し、その速度では、まるで離陸準備中のジェットエンジンのような音がします。

しかし…

フルロード時、CPU温度は30秒も経たないうちに90°Cに達し、その後、様々な保護機構が作動してスロットリング（性能低下）が始まります。この時点でCPUファンはすでに全速で回転していますが、負荷が下がらない限り温度は下がりません。このラップトップは冷却システムが完全にオーバーホールされているため、この挙動は故障によるものではありません。実際、メーカーによれば、CPUとGPUは90°Cで無期限に動作するように設計されているとのことです。BIOSが冷却を管理しているため、CPUファンはパッケージ温度が60°Cを超えないと作動しません。

ラップトップ自体はそれに耐えられるかもしれませんが、私はどうでしょうか。私のデスクの表面も同様です。ラップトップの排気口から吹き出す灼熱の空気は、ニスを溶かしています。P53だけがこのような挙動をするわけではありません。多くのThinkpadモデルがそうです。古いYogaモデルも所有していますが、そちらはモバイルクラスのCPUを搭載しており、それほど悪くはありません。フルロード時でも温度は80°Cにしかならないのです。

もちろん、自分の安心のため、そして火災のリスクを減らすために、CPU周波数を手動でスロットリングすることもできます。しかし、強力なハードウェアを搭載しておきながら、それを無力化する意味は何でしょうか。

この記事は、3つの追加ファンを備えたカスタム冷却スタンドを作成して、私のLenovo P53の冷却を改善しようとした試みについてです。この試みは失敗し、まったく追加の冷却効果は得られませんでした。私が犯した同じ間違いを他の人々が犯すのを防ぐことができることを願って、ここに書いています。私は多くのことを学び、プロプライエタリな冷却スタンドの報告されている結果がなぜそれほどばらつくのかについて、今ではずっと明確な考えを持っています。しかし、ラップトップはより涼しくなっていません。

冷却スタンドの製作

私がやりたかったのは、P53の3つのエアインテーク（下の写真参照）のそれぞれ真下に、追加のファンを配置することでした。後部にある2つのインテークはCPUとGPU用で、写真の左中央にある小さなインテークはNVME SSD用です。

［画像: P53の底面、冷却インテークを示す］

SSDは、独自のエアベントを備えていますが、メインの冷却気流経路にはないため、冷却が特に厄介です。そのため、これらのデバイスは対流によってのみ冷却されていると言えるでしょう。CPU/GPUの冷却を改善できないなら、強制的な空気の流れを少し加えることでSSDの助けになるだろうと、私は（結果的に間違っていたのですが）考えました。

scrap timber（廃材）を使って冷却スタンドを自作しました。傾斜角については悩みましたが、傾斜が少なすぎるとファンの下に空気が入らなくなり、傾斜が大きすぎると熱風の対流がうまく機能しなくなります。熱風は上昇する必要があるからです。この点については間違っていたと思いますが、いずれにしても、ほとんどのプロプライエタリなスタンドがそうしているように、約25度の傾斜を選びました。ラップトップを膝の上に乗せてスタンドを使用するつもりはありませんでしたが、この控えめな傾斜角であれば、もし望むならそうすることも不可能ではありません。

この傾斜角では、厚さ10mmのファンを使用する必要がありました。これより厚いと、スタンドのベースとラップトップの間には、少なくとも私が選んだ傾斜角では、それらのファンが入るスペースがなくなります。

5Vファンを使用したため、ラップトップのUSBポートから電源を取ることができました。各ファンは約0.2Aを消費するため、3つのファンでもUSB 3の0.9Aの制限内に収まります。

下の写真は、製作中のスタンドです。上の写真と比較すると、ラップトップをスタンドに乗せたときに、3つのファンが3つのエアインテークに完全に整列することがわかるはずです。したがって、他のどんな間違いを犯したとしても、ファンを適切に配置しなかったという間違いは犯していないと思います。

［画像: 組み立て中のラップトップスタンド］

こちらが使用中のスタンドの外観です。再生されたオーク材の見た目を誰もが好きとは思いませんが、私はそういうのが好きです。

［画像: P53を設置したラップトップスタンド］

それは機能するのか？

概して、いいえ。

ラップトップのベースをデスクトップより上に持ち上げるという単純な処置は、わずかな改善をもたらします。この配置が空気の流れへの抵抗を減らすのだと推測します。結局のところ、ラップトップの足は表面からわずか数ミリしか持ち上げていません。しかし、この効果は、ラップトップの後ろを本で支えることでも得られたはずであり、ワークショップでの3晩を節約できたでしょう。

ラップトップを傾斜させることによるわずかな利点を除けば、外部ファンの性能は期待外れでした。いくらかの冷却は提供してくれます。内部ファンを完全に無効にした場合、外部ファンはCPU/GPUの温度を数度下げました。しかし、高負荷時、外部ファンは温度を一貫して低下させることも、内部ファンをより遅く回転させることもありませんでした。

最も残念だったのは、SSDスロットの真下にある外部ファンが、負荷がかかった状態でのSSD温度を大幅に低下させなかったことです。正直なところ、CPU/GPUの温度がそれほど改善されないことは覚悟していましたが、SSD冷却の改善が見られなかったことは、率直に言って落胆しました。

なぜ機能しないのか？

一部のプロプライエタリなラップトップクーラーの問題は、ファンが空気を適切な場所に導かないか、あるいは冷却ベントを完全に塞いでしまうことです。私の設計では、ファンの位置とサポートを非常に慎重に選び、インテークが塞がれていないことは明らかであるため、この問題はないと確信しています。

もう一つの可能性は、ファンが十分な圧力を生み出していないことです。スリムファンを使用しており、2,500 RPMで回転しますが、それほど多くの空気を送り出すわけではありません。激しい風ではなく、穏やかなそよ風です。

より大きなブレードを持つファンなら、より強く吹き出すだろうと確信しています。これらのファンは、おそらく別の電源が必要になるでしょう。通常、それらは12Vで動作し、1アンペア以上を消費します。USBポートから動かすのはほとんど不可能です。

しかし、そのようなファンは、はるかに背の高いスタンドを必要とします。それらは通常25mmの高さで、比較的スムーズな空気の流れを発生させるためには、おそらくその下にさらに50mmのスペースが必要になるでしょう（もちろん、これは推測です）。

実験として、建設を開始する前に試すべきだったと今では思いますが、各エアインテークの下に非常に高速な12Vファンをテープで貼り付けてみました。使用したのはデスクトップPC用ファンで、それぞれがコンピュータ全体を冷却できる能力を持っていました。ラップトップを垂直に holding しても、ファンへの空気の流れを妨げるものがなくても、これさえも助けにはなりませんでした。

結局のところ、異なるファンを直列に配置できるのか、私は本当にわかりません。例えば、毎分200立方フィート（CFM）を送り出せるファンと、100 CFMしか送り出せないファンを直列に配置した場合、結果の出力はどうなるのでしょうか？おそらく300 CFMではないでしょう。

1.5Vのバッテリーと12Vのバッテリーを直列に接続した場合、合計電圧は確かに13.5Vになるはずです。ただし、これは無負荷時のみです。このような配置から電流を引き出し始めると、バッテリーは互いに干渉し始めます。実際には、小さい方のバッテリーの内部抵抗が非常に高いため、直列接続されたバッテリーペアの挙動を支配してしまう可能性があります。

ファンも同様かもしれません。ラップトップの既存の非常に強力なファンと、外部の弱いファンを直列に配置した場合、外部ファンは内部ファンに対する抵抗として機能するだけかもしれません。

流体力学やファンについてほとんど知らないことを告白しなければなりません。しかし、直感的には、2つの異なるファンを直列に配置しても、1つのファンだけを使用するよりもパフォーマンスが向上しない可能性があるように思えます。それは、フェラーリでフォルクスワーゲンを牽引しようとするようなものでしょうか？

結局のところ、P53や類似のラップトップの冷却性能は、すでに非常に優れています。巨大なヒートシンクと非常に強力なファンを備えています。それらが非常に高温で動作するという事実は、単なる意図的な設計上の選択である可能性があります。おそらく、冷却を改善する唯一の方法は（液体冷却に頼らない限り）、内部ファンよりもはるかに高い圧力、つまり数倍の圧力を発生させることができる外部ファンを使用することです。

プロプライエタリなラップトップクーラーが機能するという報告も、機能しないという報告も読みました。ラップトップによっては、特定の使い方をする場合には役立つのかもしれません。私はさまざまな負荷条件でラップトップを実行してみましたが、私のカスタム冷却スタンドが温度を下げたり、パフォーマンスを向上させたりした状況はありませんでした。市販の代替品でも同じような結果が得られるとは確信していません。

ラップトップを、そのエアインテークが置かれている表面より上に持ち上げることには、一理あります。おそらく、この目的のためだけにスタンドを購入または自作する価値はあるでしょう。中程度の負荷では、おそらく10°C程度の違いをもたらすかもしれません。しかし、それだけでは、高負荷時にはあまり効果がありません。フルロード時、私のP53のCPUは、冷却や位置に関係なく、約90°Cで動作します。それ以上熱くなることはありません。これは、その温度でスロットリングが開始されるためだと推測します。

冷却アクセサリのパフォーマンスを評価するのがそれほど簡単ではないことを念頭に置く価値があります。それは、独自のファンやスロットリング機構を含むラップトップ自身の冷却システムと複雑に相互作用します。冷却の改善に関する一部の報告が、何らかの理由でスロットリングの増加から生じている可能性も少なくともあります。

さらに、冷却のテストは常に一貫しているわけではありません。例えば、30秒程度のバーストで負荷をかけた場合、温度への影響はテスト実行ごとに大きく変動する可能性があります。理想的には、温度だけでなく、スロットリングとスループットに関するデータを収集するために、数分から数時間テストを実行する必要があります。

これらの要因をすべて考慮しても、追加の冷却が私のP53ラップトップに利益をもたらさなかったと、私は reasonably confident（合理的に確信）しています。他の人については、試してみて自分で確認するしかないでしょう。

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