Raspberry Pi 2の放熱状況を改良してみよう

ヒートシンク取り付け途中

※ヒートシンクを取り付けている最中のRaspberry Pi 2の様子。手作り感満載でお送りします。
 2015/03/08追記:誤字脱字修正とその後のファンメンテについて。

どうもダイです。
最近頭の回りがイマイチなのか、中々記事のネタが出てこないで苦戦しております(汗
別枠のお絵かきで時間を食っているとも言えますが、それは去年も同じ状態だったので、やはり活動量が少し落ちてしまっているのでしょう;

そんな感じの毎日ですが、E型の購入したRaspberry Pi 2を自分なりにもいじくって何かできないものかなぁ…
と考えておりました。

その際にE型から話があがったのが、「CPUから意外と熱が出るんだよなぁ…」というもの。

特に裸状態で定格で動作させている状態ならばあまり気にならないのですが、ケースに詰めた上である程度オーバークロックを施そうとすると、さすがに心配になるほどの温度上昇になってしまうのを確認できたため、これは何とかしたほうが今後のために良いなぁと感じました。

という訳で、題記のような改善を色々行って見ようという事になりました。
例によって詳細は長くなるので折り返しにて。

結論だけ簡潔に纏めておくと、「ヒートシンクだけでも結構冷えるが、ファンもつけると驚くほど冷える」
という感じです。

さて折り返し。

折り返し部分の文章にも書いておきましたが、今回の改造は材料調達費用0円で何とかできないか?と色々試してみました。

適当な部材(この場合はヒートシンクやファン)をそれこそ秋月電子や千石電商、RSコンポーネンツさんに発注をかけてしまえばアレコレ悩む必要も無いのですが、結構送料が高くついてしまう上、安い部材の置いてある先がバラバラなので、さらに送料がかさむという図式になってしまい、Raspberry Pi 2の本体価格に対して馬鹿にならない金額になってしまうので、ちょっとなぁ…と考えた次第です。

それに、この程度の工作ならば自分でアレコレ都合をつけながらやってみると、意外と楽しいというのもあって、今回の方法を選択しています。

以下が改造内容です。
 1.ヒートシンクをCPUに取り付けてみる
 2.ヒートシンクにファンを追加してみる

それぞれに放熱状況なども調査してみたので、参考になれば幸いです。

[ヒートシンクをCPUに取り付けてみる]

 使用した部材は以下の通り。

  ・30mmx30mmx10mm程度のアルミ製ヒートシンク
   (家に残っていたMSI 915G Combo-FRのチップセット用ヒートシンクを拝借)
  ・15mmx15mm程度のアルミ板3枚
   (同じく家に残っていたグローランプFG-5Pのパッケージを分解して板状に加工)
  ・シリコングリス
   (メインPCのCPUクーラー取り付け時に余ったもの。OWLTECH SILG-02 3.8W/mK)
  ・両面テープ
   (いつか買ってきていた、ソフトタイプの厚いもの)

  工具色々
   (ハサミ、ドライバー、ラジオペンチ、六角レンチ、ピンセットなど)

 ヒートシンクは、元々古いGeforceのボード(Geforce PCX 5750 128MB!)にくっついていた銅製ヒートシンクが丁度良いかなぁと思っていたのですが、縦に長すぎてどこにも置けないことが判明したため、上記部材にチェンジとなりました。
 
 

Raspberry Pi 2の冷却性能向上アレコレ

 家にあったヒートシンクの中では一番小型だったのですが、それでもRaspberry Pi 2に載せるにはギリギリの巨大さという状況です(汗

 しかも、このヒートシンクをCPU部分に載せようとすると、隅っこのほうでギリギリ別な素子と干渉してしまうため、そのままでは載せられないということが判明しました。
 …諦めてヒートシンク買おうかなぁとも思いましたが、アルミ板を1mmほどCPU部分に重ねてやれば別素子との干渉は防げることが判明したので、その”下駄”となるアルミ板を腐っていたグローランプから切り出して調達しました。
 
 ※余談ですが、「アルミ製」「1mm程度の厚さ」「家に必ずあるもの」というもので別なものが候補に挙がったのですが、これを下駄として使用するとたぶん犯罪行為になるので使用を見送りました。

 切り出したアルミ板を3枚シリコングリスで固めてCPU部分に載せて、その上にヒートシンクを載せてみたのですが、さすがに接着できるほどの強度はシリコングリスだけでは得ることができなかったため、基盤部分で素子が配置されていない箇所に両面テープを2段重ねて高さを調節し、それとヒートシンクを接着させることで固定に成功することができました。

 

Raspberry Pi 2の冷却性能向上アレコレ

 写真はヒートシンク固定後のRaspberry Pi 2の様子。かなりギリギリのスペースですが、無事素子に干渉することなく設置できています。

 この状態で、CPUに負荷をかけた際、温度変化がどうなるかを調べてみました。

 [温度変化の調査]

  Rasbian上でターミナルから「top -d 0.01」を4つ走らせてCPU使用率を100%にした状態で10分間放置し、その間の温度変化を調査する。
  ※室温18℃、CPUは950MHzまでオーバークロックした状態で測定。
  
   ・ヒートシンク無しの状態では、10分経過時点で59℃~60℃まで上昇していた
   ・ヒートシンク接着後では、10分経過時点で52℃~53℃までの上昇にとどまっていた

 
 [結果]
  ヒートシンクの放熱効果はある程度発揮されているのが確認できた。
  また、この状態でのアイドル時の温度は、それぞれ34℃、31℃となっており、アイドル時の温度もヒートシンクによって下がっているものだと考えられる。

 とりあえずこれでヒートシンクはうまく稼動していることが判明しました。
 これならば多少オーバークロックしていてもそれなりに冷えています。

 …が、今は最も寒い時期。夏場30度近くになったときにこの温度ではちょっと苦しいかも知れないと思い、追加の放熱対策を考えることにしました。

 

 [ヒートシンクにファンを追加してみる]

 更なる放熱効果を見込んで、ヒートシンクにファンを追加してみることにしました。

 使用した部材は以下の通り。

  ・直径35mm程度のファン
   (家に残っていたGeforce PCX 5750のファンを分解、拝借)
  ・両面テープ
  ・kure 5-56
   (ずっと前から家にあったもの)  

  工具色々
   (ハサミ、ドライバー、ピンセットなど)

 ファンの口径が丁度良く、もう二度と使わないことが確定していたものが、上記のグラフィックボードのファン。
 こいつはもうチップコンデンサが吹き飛んでいたりして壊れてしまっていたものなので、さすがに部品取りにしか使えないため、思う存分分解させてもらいました。

 とりあえずファンを取り出して、ケーブルをほぐし、Raspberry Pi 2のGPIOの5VとGND端子に接続してみたところ、確かにファンは回転を始めました。
 …3秒に1回転ぐらいの物凄い低速ですが(汗

 長らく(10年ちょっと)放置されていたファンだからなぁ~と半ば諦めかけていたのですが、その日の夜にふっと「kure 5-56を吹きかけておけば何とかならないか?」という考えが頭をよぎり、早速実行してみることにしました。
 吹きかけてみた当初は特に動作は変わらなくて、仕方なくエージングも兼ねて朝までファン回しっぱなしにしてみたのですが、そうすると朝にはキッチリ元気に回っているファンの雄姿がありました。

 回転数は恐らく500RPM程度はあるのではないかと思います。しかもこのファンの回転速度からすると、恐らく駆動系は5Vだったのではないかという推測もできます。
 (参考に OMEGA TYPHOON 80mmを接続してみたのですが、こいつは12V駆動のため、最大でも120RPM程度でしか回ってくれませんでした)

 これでファンが回り続けてくれることを確認できたので、後は両面テープでファンとヒートシンクを接着して取り付け完了となりました。

Raspberry Pi 2の冷却性能向上アレコレ

ファンを取り付けた状態で動作中の様子。音はまずまず静音で、50cm程度に近寄ると、わずかに「ヒィィーン」という回転音が聞こえる程度。そして意外と風量があったりします。

 [温度変化の調査]

  Rasbian上でターミナルから「top -d 0.01」を4つ走らせてCPU使用率を100%にした状態で10分間放置し、その間の温度変化を調査する。
  ※室温17℃、CPUは950MHzまでオーバークロックした状態で測定。
  
   ・ヒートシンクのみの状態では、10分経過時点で52℃~53℃まで上昇することを確認
   ・ファン+ヒートシンクの状態では、10分経過時点で30℃~31℃までしか上昇しないことを確認

 
 [結果]
  室温が17℃とわずかに寒かったとはいえ、ファン+ヒートシンクの組み合わせでは劇的な冷却性能を示すことが分かった。
  また、このときのアイドル時の温度は21℃まで低下していることを確認できた。

 
 以上、結構長くなってしまいましたが、Raspberry Pi 2にヒートシンクとファンを「手元にあるものだけで」取り付けて稼動させることができました。
 この温度変化ならば、夏場だろうが十分な冷却性能をたたき出してくれるものだと思います。

 …ファンが完全に剥き出しの状態だったりして、見栄えはかなり不細工な感じなのだけれど、自分たちとしてはこちらの方が手作り感があって良いんじゃないかと思っている次第です。

 ※2015/03/08追記分:この後1週間ほど経過した状態で、ファンの回転数が落ちてきているのを確認したため、再度Kure 5-56を吹きかける+自転車用に買ってあったグリス(グリスが長期間残存するタイプ)をファン内部に注入してやり再度様子を見ているところです。
  さらにオーバークロックして1GHz駆動になっていますが、冷却性能は変わらず維持できています。

試作D型

試作D型 について

名前:イナムラ試作D型:通称ダイ
製造年:MCMLXXXIとどこかに書いてある
誕生日:そろばんの日と覚えている
性別:男性をイメージして設計された

主な特徴:一卵性双生児の兄を生業とするサイボーグネズミ。
特技は並列作業と体調不良。
思考回路はスコアが非常に良く、複雑な処理も行えるが反面回路的にはセーフティシステムが脆弱で過負荷状態に陥りやすい。
兄の威厳がそうさせるのか、弟のE型より体格が少しだけ良い。
最近重度の対人不信を抱えていることがわかった。

メインタスクとして、お絵描きと日常行動、人生の見つめなおしを地雷除去作業のようなギリギリさで実行中。

“Raspberry Pi 2の放熱状況を改良してみよう” への3件の返信

  1. アバター試作E型(エイ)

    記事作成お疲れ様です~

    ケース作成とか、購入経緯だったりするところは、こちらで別途書く予定なので、しばしお待ちを。

    あまり購入してばっかりだと、「\10000ぐらいで出ている中古ノートPCで(と言うかそっちの方が)良い」と言う結論になるから、今の用途だとこれで良いのです!

    …そういえばヒートシンクの所の工具「六角レンチ」はハンマーの代わり、だったよねぇ(何
    ハンマーが行方不明だったから;

  2. アバターみそしる

    アルミで1㎜厚で必ず家にあるもの・・・。
    下駄として履かせる前に、「1」とか「平成」とか木の絵とかがあって密着しないからってそこを削る時点で犯罪になってしまいそう。
    放熱グリスを溝にみっちり詰め込んでしまうなら良いけど・・・。

  3. アバター試作D型(ダイ)

    >みそしる様

    アルミの塊として、「例のもの」は多分みんな一瞬頭をよぎると思うんですよねぇ…

    手頃だからって使っちゃダメなので、この時はアルミ製グロー管を切り取って叩いて延ばしてグリスで塗り固めました。

    シリコングリスはこの辺の工作をしようとしたら、意外と少しでもあると便利だったりするのですよ~
    今だと粘着性のある熱伝導シートにも、熱伝導率の良い品があるのですが、ラズパイ本体に対して馬鹿にならない金額になっちゃうので悩ましいところです。

    この辺は頭の使いどころなんだろうなぁ。