空冷と液冷の違いを基礎の基礎から理解する：福田昭のデバイス通信（475） AIサーバの放熱技術（8）（2/2 ページ）

[福田昭，EE Times Japan]

対流冷却に適した空気の特性

　上記のように、空気は放熱材料（冷却媒体）としてはあまり適していない。にもかかわらず空気冷却（空冷）が利用されるのには、いくつかの理由がある。材料コストが極めて低い、非常に軽い（重さを無視できる）、容器の形状に応じて自由に変形できる、などだ。放熱の原理には熱伝導ではなく、対流を利用するのに適した性質を備えている。

　放熱を考えたときに空気が特に重要なのは、軽いことと、温度によって質量が変わることだろう。発熱体（熱源）によって空気が温められると、自然に軽くなって上昇する。そして発熱体の表面には温度の低い空気（重い空気）が自然に入り込む。この「自然空冷」と呼ばれる対流冷却技術は、動力が不要なのでエネルギー消費がなく、故障することもないという優れものだ。

　ただし自然空冷の冷却能力はあまり高くない。対流冷却では熱伝導率ではなく、「熱伝達率」を指標として放熱能力（冷却能力）を把握する。自然空冷の熱伝達率は5〜25W/（m²・K）であり、実装基板の熱流束密度だと300W/m²〜400W/m²に相当する（実際には諸条件によって異なる）。

　標準的なプリント基板の大きさは大型基板（Lサイズ）が0.51m×0.46mなので、面積では0.23m²になる。300W/m²〜400W/m²の熱流束密度から単純に換算すると、自然空冷で放熱可能な消費電力は100W前後であり、かなり少ないことが分かる。

対流冷却における熱伝達率と主な材料［クリックで拡大］

　そこでファンを活用した強制対流方式の空気冷却技術（強制空冷技術）に変更すると、熱伝達率は自然空冷の5倍〜10倍と大きく増加する。さらに強制対流方式では、空気の風速と経路を制御できるという利点がある。発熱密度の高い領域で空気の風速を高めることで、実装基板全体で許容可能な消費電力を増やせる。

　強制対流方式でも空気ではなく、水を放熱媒体に使うと冷却能力が大幅に高まる。熱伝達率で比較すると強制対流方式の水冷は、強制対流方式の空冷と比べて10倍〜30倍の冷却能力がある。このため、強制対流方式の水冷技術を組み込んだラックマウントサーバが実用化されている。ラック当たりで許容可能な消費電力は100kWに達する。この方式については次回で説明しよう。

（次回に続く）

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