コンピュータファン

コンピュータファンとは、能動冷却のために使用される、コンピュータ ケース内部の、またはケースに取り付けられたファンのことです。ファンは、ケースの外部から冷たい空気を取り込み、内部の暖かい空気を排出し、ヒート シンク上で空気を移動させて特定のコンポーネントを冷却するために使用されます。コンピュータでは、軸流ファンと、場合によっては遠心ファン (ブロワー/かご型) が使用されています。コンピュータ ファンは、一般的に 92 mm、120 mm (最も一般的)、140 mm、さらには 200～220 mm などの標準サイズで提供されています。コンピュータ ファンは、3 ピンまたは 4 ピンのファンコネクタを使用して電源供給および制御されます。     

初期のパソコンでは、ほとんどの部品を自然対流（パッシブ冷却）で冷却できましたが、現代の部品の多くはより効果的なアクティブ冷却を必要としています。これらの部品を冷却するには、ファンを使用して部品から熱せられた空気を遠ざけ、部品の上に冷たい空気を引き込みます。部品に取り付けられたファンは通常、ヒートシンクと組み合わせて使用​​され、空気と接触する熱せられた表面の面積を増やして冷却効率を高めます。ファンの制御は常に自動で行われるわけではありません。コンピュータのBIOS は、コンピュータの内蔵ファンシステムの速度を制御できます。ユーザーは、追加の冷却部品でこの機能を補ったり、ファンをさまざまな速度に設定できるノブを備えた手動ファンコントローラーを接続したりすることもできます。^[1]

IBM PC互換機市場では、コンピュータの電源ユニット（PSU）は、ほとんどの場合、排気ファンを使用してPSUから暖かい空気を排出します。CPUのアクティブ冷却はIntel 80486で登場し始め、1997年までにすべてのデスクトッププロセッサで標準になりました。^[2]シャーシまたはケースファンは、通常、背面から熱気を排出する排気ファン1つと、オプションで前面から冷たい空気を吸い込む吸気ファン1つで構成されており、 2000年後半のPentium 4の登場とともに一般的になりました。^[2]

ファンは、コンピュータ ケース内の空気を移動させるために使用されます。周囲の空気が熱すぎると、ケース内のコンポーネントは熱を効率的に放散できません。ケース ファンは、吸気ファンとして配置され、シャーシの前面または下部から冷たい外気を吸い込みます (内部ハード ドライブ ラックの上に吸い込まれる場合もあります)。または、排気ファンとして配置され、上部または背面から暖かい空気を排出します。一部のATX タワーケースには、左側面パネルに 1 つ以上の追加の通気口と取り付けポイントがあり、そこに 1 つ以上のファンを取り付けて、最大の熱源であるマザーボード コンポーネントと拡張カードに直接冷たい空気を吹き付けることができます。

標準的な軸流ケースファンの幅と長さは、それぞれ 40、60、80、92、120、140、200、220 mm です。ケースファンは PC の冷却手段として最も目につきやすいため、装飾ファンが広く利用されており、LEDで点灯したり、紫外線反応性プラスチックで作られたり、装飾グリルで覆われたりしています。装飾ファンとアクセサリは、ケース改造者の間で人気があります。ケース内に埃が入り、内部コンポーネントが詰まるのを防ぐため、吸気ファンの上にエアフィルターが使用されることがよくあります。ヒートシンクは特に詰まりやすく、埃の断熱効果によりヒートシンクの熱放散能力が急速に低下します。

電源装置(PSU)には、いくつかの例外を除いてファンが内蔵されていますが、ケースの換気には使用しないでください。PSU の吸気温度が高くなるほど、PSU の温度も高くなります。PSU の温度が上昇すると、内部コンポーネントの伝導率が低下します。伝導率が低下すると、PSU は入力電気エネルギーをより多く熱エネルギー (熱) に変換します。温度上昇と効率低下のこのサイクルは、PSU が過熱するか、冷却ファンが十分に回転して PSU に比較的冷たい空気を十分に供給できるようになるまで続きます。PSU は、最近の PC では主に底部に取り付けられており、専用の吸気口と排気口があり、吸気口にはダスト フィルターが付いているのが望ましいです。

CPU （中央処理装置）ヒートシンクを冷却するために使用されます。大規模集積回路などの集中した熱源を効果的に冷却するにはヒートシンクが必要であり、これはファンで冷却される場合があります。^[3]ファンのみを使用すると、小さなチップの過熱を防ぐことはできません。

グラフィックス カードのグラフィックス プロセッシング ユニットまたはメモリのヒートシンクを冷却するために使用されます。これらのファンは消費電力が低いため古いカードでは必要ありませんでしたが、3D グラフィックスやゲーム用に設計された最新のグラフィックス カードのほとんどには専用の冷却ファンが必要です。より高性能なカードの中にはCPUよりも多くの熱を発生するもの(最大 350 ワット^{[4]を放散) もあるため、効果的な冷却が特に重要です。2010 年以降、グラフィックス カードには}軸流ファン、またはブロワー、ターボ、またはかご型ファンとも呼ばれる 遠心ファンが搭載されています。

マザーボードのチップセットのノースブリッジのヒートシンクを冷却するために使用されます。システムバスが大幅にオーバークロックされ、通常よりも多くの電力を消費する場合に必要になることがあります。それ以外の場合は不要です。チップセットのより多くの機能が中央処理装置に統合されるにつれて、チップセットの役割は縮小され、発熱も減少しました。

冷却のために、ハード ディスク ドライブの横または上にファンを取り付けることができます。ハード ドライブは時間の経過とともにかなりの熱を発生する可能性があり、過度の温度で動作してはならない熱に弱いコンポーネントです。多くの場合、自然対流冷却で十分ですが、場合によってはファンが必要になることがあります。これには次のものが含まれます。

• 回転速度が速いハードディスクは、発熱量が多くなります。(2011 年時点では、^{[アップデート]}安価なドライブは最大 7,200 RPM の速度で回転していました。10,000 および 15,000 RPM のドライブも利用可能でしたが、発熱量は多くなりました。)
• 大規模または高密度のディスクアレイ（ディスクが通常高密度にマウントされるサーバーシステムを含む）
• エンクロージャまたは取り付けられているその他の場所により、ファンによる空気供給なしでは容易に冷却できないディスク。

ケースファンは、ケースに取り付けられたラジエーターに取り付けられ、液体冷却装置の作動流体を冷却すると同時にケースを換気するために動作します。ラップトップでは、多くの場合、1 つのブロワーファンが、ヒートパイプを使用してCPUとGPU の両方に接続されたヒートシンクを冷却します。ゲーミング ラップトップやモバイル ワークステーションでは、2 つ以上の強力なファンが使用されることがあります。ラックマウント型サーバーでは、1 列のファンが動作してシャーシの前面から背面に空気の流れを作り出し、パッシブ ダクトまたはシュラウドによって個々のコンポーネントのヒートシンク全体に方向付けられます。

ファンは、あまり一般的ではありませんが、次のような他の目的にも使用されます。

• 水冷ラジエーターは大量の熱を伝達し、ラジエーターファンは熱を放散するために大きな静圧を持っています（空気流量が大きいケースファンとは対照的です）。
• ノートパソコンのケースには、暖かい空気を逃がすための大きな開口部がありません。十分な冷却を確保するには、ノートパソコンをクーラー（ファンが組み込まれたトレイのようなもの）の上に置く必要があります。
• 一部のハイエンド マシン (多くのサーバーを含む) や、追加の信頼性が必要な場合、SATA / SASコントローラー、高速ネットワーク コントローラー (40  Gbps Ethernet、Infiniband )、PCIe スイッチ、コプロセッサー カード (一部の Xeon Phi など)、一部のFPGAチップ、サウス ブリッジなどの他のチップも、ヒートシンクと専用ファンでアクティブに冷却されます。これらは、メイン マザーボード自体に搭載することも、PCIe カードを介して別のアドオン ボードとして搭載することもできます。
• 拡張スロット ファン- PCIまたはPCI Expressスロット の 1 つに取り付けられたファンで、通常はグラフィック カードまたは拡張カード全般に追加の冷却を供給します。
• 光学ドライブ ファン - 一部の内蔵 CD および/または DVD バーナーには冷却ファンが含まれています。
• メモリファン – 現代のコンピュータメモリは、通常はメモリチップの上に配置される小さなファンの形で、能動的な冷却が必要になるほどの熱を発生することがあります。これは、メモリがオーバークロックまたは過電圧になっている場合、^[5]、またはシステムがFully Buffered DIMM（FB-DIMM）を使用する場合など、メモリモジュールにアクティブロジックが含まれている場合に特に当てはまります。 ^{[6]ただし、1.2V} DDR4などの新しい低電圧が使用されている場合、これは以前ほど一般的には必要なくなりません。^[要出典]ほとんどの場合、CPUの近くにあるメモリモジュールは、CPUファンとラジエーターからの空気が暖かくても、ケースまたはCPUファンから十分な空気の流れを受け取ります。メインCPUが水冷されている場合、このわずかな空気の流れが失われる可能性があり、ケースまたは専用のメモリ冷却の空気の流れについてさらに注意する必要があります。残念ながら、ほとんどのメモリモジュールは、簡単に測定できる温度監視機能を提供していません。
• スイッチ モード電源を使用することが多い高出力電圧レギュレータ(VRM) は、主にパワーMOSFETとインダクタ(チョーク) での電力損失により、ある程度の熱を発生します。特にオーバークロックの状況では、アクティブ冷却ファンとヒートシンクが必要です。ほとんどの MOSFET は非常に高い温度でも正常に動作しますが、効率が低下し、寿命が制限される可能性があります。電解コンデンサが熱源に近接すると、寿命が大幅に短縮され、電力損失が次第に大きくなり、最終的には (壊滅的な) 故障につながります。^[要出典]

低圧で大量の空気の流れを作り出すため、コンピューターで使用されるファンのほとんどは軸流型、遠心型、横流型です。^[7]重要な機能仕様は、移動可能な空気の流れ（通常は立方フィート/分（CFM）で表されます）と静圧の2つです。^[8]デシベルで示される音量の数値も、家庭用およびオフィス用のコンピューターでは非常に重要です。通常、同じCFMの場合、ファンが大きいほど静かです。

寸法と取り付け穴は、ファンを使用する機器に適合している必要があります。通常は四角いフレームのファンが使用されますが、丸いフレームも使用されます。これは、取り付け穴に収まらない大きなファンを使用できるようにするためです (例: 120 mm の四角いファンの角に穴を開けた 140 mm のファン)。四角いファンの幅と丸いファンの直径は、通常ミリメートルで表されます。指定されている寸法はファンの外側の幅であり、取り付け穴間の距離ではありません。一般的なサイズは40 mm、60 mm、80 mm、92 mm、120 mm、140 mmですが、8 mm、^[9] 17 mm、^[10] 20 mm、^[11] 25 mm、^[12] 30 mm、^[13] 35 mm、^[14] 38 mm、^[15 ] 45 mm、^[16] 50 mm、^[17] 70 mm、^[18] 200 mm、220 mm、^[19] 250 mm ^[20] 360 mm ^[21]のサイズも用意されています。高さ、つまり厚さは通常10 mm、15 mm、25 mm、または38 mmです。

通常、120 mm 角型ファンと 140 mm 角型ファンは、ゲーム用コンピューターや低速で静かに動作させる場合など、冷却要件が厳しい場合に使用されます。大型ファンは通常、ケース、大型ヒートシンク付き CPU、ATX 電源の冷却に使用されます。80 mm 角型ファンと 92 mm 角型ファンは、それほど要件が厳しくないアプリケーションや、大型ファンが適合しない場合に使用されます。小型ファンは通常、小型ヒートシンク付き CPU、SFX 電源、グラフィック カード、ノースブリッジなどの冷却に使用されます。

回転速度（毎分回転数、RPMで指定）と静圧によって、特定のファンの空気の流れが決まります。騒音が問題となる場合、同じ空気の流れを移動できる小型で高速なファンよりも、大型で回転速度の遅いファンの方が静かです。ファンの騒音はファン速度の5乗にほぼ比例することが分かっており、速度を半分にすると騒音は約15  dB減少します。^[22]軸流ファンは、小型サイズでは最大約38,000 rpmの速度で回転します。^[23]

ファンは、温度が高くないときに速度を落とすセンサーと回路によって制御されることがあります。これにより、固定速度ファンよりも静かに動作し、寿命が長くなり、消費電力が少なくなります。ファンの寿命は通常、最大速度で動作し、周囲温度が一定であるという前提で見積もられます。

静圧の高いファンは、ラジエーターやヒートシンクの隙間などの制限されたスペースに空気を流すのに効果的です。ヒートシンクで使用するファンを選択する際は、CFM 単位の空気流量よりも静圧の方が重要です。静圧の相対的な重要性は、空気流量が形状によって制限される程度によって決まります。ヒートシンクのフィン間の間隔が狭くなると、静圧がより重要になります。静圧は通常、mm Hg または mm H ₂ O で表されます。

ファンに使用される ベアリングの種類は、ファンの性能と騒音に影響を与える可能性があります。ほとんどのコンピューター ファンは、次のいずれかのベアリング タイプを使用しています。

• スリーブベアリングは、摩擦接触として油またはグリースで潤滑された 2 つの表面を使用します。多くの場合、多孔質焼結スリーブを使用して自己潤滑性を持たせ、メンテナンスや交換の頻度を少なくします。スリーブベアリングは、接触面が摩耗して潤滑剤が乾燥し、最終的に故障につながるため、高温では耐久性が低下します。ただし、比較的低い周囲温度では、寿命はボールベアリングタイプと同等 (通常は少し短い) です。 ^[24]スリーブベアリングは、高温で故障する可能性が高く、垂直以外の方向に取り付けるとパフォーマンスが低下する可能性があります。スリーブベアリングファンの一般的な寿命は、50 °C (122 °F) で約 30,000 時間です。スリーブベアリングを使用するファンは、ボールベアリングを使用するファンよりも一般的に安価で、寿命の初期には低速で静かですが、経年とともに騒音が大きくなることがあります。 ^[24]
• ライフルベアリングはスリーブベアリングに似ていますが、より静かでボールベアリングとほぼ同じ寿命を持っています。ベアリングにはリザーバーから流体をポンプする螺旋状の溝があります。これにより、ポンプされる流体がシャフトの上部を潤滑するため、シャフトを水平にして安全に取り付けることができます（スリーブベアリングとは異なります）。^[25]ポンプによりシャフトに十分な潤滑剤が確保され、ノイズが低減され、寿命が延びます。
• 流体ベアリング(または「流体動圧ベアリング」、FDB) には、ほぼ無音で動作し、寿命が長い (ただしボール ベアリングよりは長くない) という利点がありますが、より高価になる傾向があります。
• ボールベアリング：一般的に流体ベアリングよりも高価ですが、ボールベアリングファンはスリーブベアリングファンのような方向制限がなく、高温でも耐久性が高く、高回転速度でもスリーブベアリングファンよりも静かです。ボールベアリングファンの一般的な寿命は、50°C（122°F）で60,000時間以上です。 ^[24]
• 磁気軸受または磁気浮上軸受。ファンが磁力によって軸受から反発されます。
• セラミックベアリングは、ステンレス鋼シャフトに対して耐摩耗性を持つ安定したセラミックを採用しているため、より耐久性が高いと考えられています。

コンピュータファンに通常使用されるコネクタは次のとおりです。

3ピンMolexコネクタKKファミリー

このMolex コネクタは、ファンをマザーボードまたはその他の回路基板に接続するときに使用します。これは、小型で厚みのある長方形のインライン メス コネクタで、片方の長辺の最も外側の端に 2 つの極性タブがあります。ピンは正方形で、0.1 インチ (2.54 mm) ピッチです。3 つのピンは、アース、+12 V 電源、およびタコメータ信号に使用されます。レセプタクルの Molex 部品番号は 22-01-3037 です。個々の圧着コンタクトの Molex 部品番号は、08-50-0114 (錫メッキ) または 08-55-0102 (半金メッキ) です。対応する PCB ヘッダー Molex 部品番号は、22-23-2031 (錫メッキ) または 22-11-2032 (金メッキ) です。対応するワイヤ ストリッパと圧着工具も必要です。

4ピンMolexコネクタKKファミリー

これは、4ピンのMolex KKコネクタの特別なバリエーションですが、3ピンコネクタのロック/極性化機能を備えています。追加のピンは、可変速度制御を提供するためのパルス幅変調（PWM）信号に使用されます。 ^[26]これらは3ピンヘッダーに差し込むことができますが、ファン速度制御は失われます。レセプタクルのMolex部品番号は47054-1000です。個々の圧着コンタクトのMolex部品番号は08-50-0114です。ヘッダーのMolex部品番号は47053-1000です。

4ピンMolexコネクタ

このコネクタは、ファンを電源に直接接続するときに使用します。2 本のワイヤ (黄色/12 V と黒色/アース) で構成され、大きなインライン 4 ピン オス - メス Molex コネクタに接続されます。コネクタの他の 2 本のワイヤは 5V (赤色) とアース (黒色も) を供給しますが、この場合は使用されません。これは、SATA が標準になる前にハード ドライブで使用されていたコネクタと同じです。

3ピンMolexコネクタPicoBladeファミリー

このコネクタは、ノートブック ファンを使用する場合、またはファンをビデオ カードに接続する場合に使用します。

Dell独自

このDell独自のコネクタは、単純な 3 ピン メス IC コネクタを拡張したもので、コネクタの片側に 2 つのタブを追加し、反対側にロック タブを追加しています。ピン ソケットのサイズと間隔は、標準の 3 ピン メス IC コネクタおよび 3 ピン Molex コネクタと同じです。一部のモデルでは、白いワイヤ (速度センサー) の配線が中央にありますが、標準の 3 ピン Molex コネクタでは、白いワイヤがピン #3 として必要なため、互換性の問題が発生する可能性があります。

その他

一部のコンピューター ファンでは、さまざまなデザインの 2 ピン コネクタが使用されています。

騒音、信頼性、環境への配慮からファンが望ましくない場合は、いくつかの代替手段があります。ケースから熱気を排出する電源ユニットのファン1つを除いて、すべてのファンを取り除くことで、ある程度の改善が達成できます。^[27]

システムは、パッシブ冷却のみを使用するように設計することができ、ノイズを低減し、故障する可能性のある可動部品を排除します。これは、次の方法で実現できます。

• 自然対流冷却: 慎重に設計され、正しい向きに配置され、十分な大きさのヒートシンクは、自然対流だけで最大100 Wを放散できます。
• ケースから熱を逃がすヒートパイプ
• 消費電力を削減するためのアンダーボルティングまたはアンダークロック
• 水中液体冷却は、マザーボードを非導電性の液体に浸すことで、優れた対流冷却を実現し、ヒートシンクやファンを必要とせずに湿気や水から保護します。マザーボードや IC に使用される接着剤やシーラントとの互換性を確保するには、特別な注意が必要です。このソリューションは、野外に設置される無線機器などの一部の外部環境で使用されます。^[要出典]

その他の冷却方法には以下のものがあります。

• 水冷
• 鉱物油
• 液体窒素
• ペルチェ効果デバイスによる冷却
• イオン風冷却が研究されており、2つの電極間で空気をイオン化して空気を動かす。これはファンに代わるもので、可動部品がなく^[28] 、騒音が少ないという利点がある。^[29]

ウィキメディア・コモンズには、コンピューターの冷却ファンに関連するメディアがあります。

• コンピュータハードウェア用語集
• ファン（機械）
• 遠心ファン
• コンピュータの冷却
• コンピュータファン制御
• スモールフォームファクター(SFF)
• PCファンを制御するソフトウェアプログラム: Argus MonitorとSpeedFan

• 4 線式 PWM 制御ファン仕様 v1.3 – Intel
• 3 線式および 4 線式ファン コネクタ – Intel
• 3 線式および 4 線式ファンのピン配置 – AllPinouts
• PC ファンの仕組み (2/3/4 線式) – PCB Heaven
• 電子機器の冷却のためにファン速度（2/3/4線式）を制御する理由と方法 – Analog Devices
• PWM ファン コントローラ プロジェクト – Alan の電子プロジェクト