Raspberry Pi 4公式ケースにファンを取り付けて冷却性能をアップする方法

新型Raspberry Pi 4は、従来モデルと同じ小型ボディを保ちながら大幅に高性能化しました。しかし、性能向上の代償として消費電力も増加しており、旧モデルよりも多くの熱を発生します。アクティブ冷却なしでは、中程度の負荷でもサーマルスロットリング(熱による性能制限)が発生してしまいます。幸い、公式Raspberry Pi 4ケースにファンを自作・追加することで、この問題は解決できます。

注意:市場にはファン付きのサードパーティ製Raspberry Pi 4ケースが多数販売されています。本チュートリアルは、すでに公式Raspberry Pi 4ケースをお持ちのDIY愛好家向けの内容です。

必要な工具と材料

この改造は非常にシンプルで、一般家庭にないような高価な工具は必要ありません。オプション品もいくつかリストアップし、その旨を明記しています。必須ではありませんが、あると便利です。多少費用はかかりますが、作業が楽になるだけでなく、Raspberry Pi 4の見た目と性能の両方を向上させることができます。

各項目をクリックすると、Amazonストアのおすすめ製品へのリンクをご覧いただけます。各工具や材料の種類や細かい違いについては、このガイドの中で順に詳しく説明します。

1. Raspberry Pi 4 Model B
2. 公式Raspberry Pi 4ケース
3. 電動ドリル
4. ホールソーキットまたはブラッドポイントドリルビット
5. リューター(ハンドルーター)
6. 30mmまたは40mmのケースファン(5V・2ピンタイプ)
7. ケースファン用PVC防塵フィルター(任意)
8. 薄手の両面テープ(任意)
9. 穴あけパンチセット(任意)
10. Raspberry Pi 4銅製ヒートシンクキット(任意)
11. サンドペーパー(任意)
12. 定規とマーカー
13. 保護メガネ
14. イソプロピルアルコール

公式Pi 4ケースにアクティブ冷却を導入する

最初の作業は、プロセッサーの真上にファン用の穴を開けることです。

1. まずPi 4をケースに収めて構造を把握しましょう。ケース上半分(白)のどのあたりに冷却用の開口部を設けるか、おおよその位置を決めます。GPIOピンの位置は避けるよう特に注意してください。ファンを取り付けた状態でケースが閉まらなくなってしまいます。下図を目安にできますが、「測るのは二度、切るのは一度」の精神で、しっかり採寸してから加工しましょう。

2. 次にファンのサイズを決めます。選択肢は30mmと40mmの2種類です。大きめの40mmファンは低回転でより多くの空気を送れるため、静かで効率的です。一方、小さめの30mmファンは高速回転でやや騒音が大きいものの、他の高級アルミ製Raspberry Piケースとの互換性が高いのが魅力です。将来のアップグレードを見据えるなら、検討する価値があります。

ファンの厚みは、この改造の範囲内であれば6mm〜20mmの間で選べます。薄型ファンは羽根の表面積が相対的に小さいため、冷却性能が低下します。厚型ファンはより強力なモーターを搭載できるという利点もあります。ただし、ヒートシンクを使わない(非推奨)か、厚型ファンと干渉しない十分に低背のヒートシンクを選ぶようにしてください。

3. ホールソーセットを使うのが、最もきれいにファン穴を開ける方法です。30mmファンには1-1/4インチ(約32mm)、40mmファンには1-1/2インチ(約38mm)のドリルアタッチメントが必要です。適切なサイズのホールソーがない場合は、大型のブラッドポイントドリルビットで複数の穴を開けて代用できます。ただし、ホールソーで開けたファンサイズの穴に比べると、風量はかなり劣ってしまいます。

4. 下写真のように、ケース内側に合わせて段ボールや発泡スチロールなどを切り抜きます。これにより、上半分を貫通した後に誤って下半分(赤)まで穴を開けてしまうのを防げます。下半分を外したまま穴あけを行うと、加工中にケースを固定しにくくなるため、現実的ではありません。

5. ケースの固定には、ダクトテープから万力まで何でも使えます。手で押さえたり、固定せずに放置したりするのは絶対に避けてください。ドリルのトルクでドリルやケースが滑り、重大なけがにつながる恐れがあります。下の画像では、木材とクランプを使ってケースをしっかり固定する私の即席の方法をご覧いただけます。

6. 最近のドリルの多くは可変速調整とアナログトリガーを備えています。これらを活用し、高速回転にならないよう制御しましょう。ホールソーをゆっくり起動し、ビットがケースに食い込むまでトリガーを軽く握ります。ビットが貫通したら、ホールソーが真っすぐ滑らかに食い込んでいることを確認してください。高速で掘り進めると、発生した熱でケースが変形します。次に、ファンをテンプレートとして使って4つの穴に印をつけ、ドリルで開けます。これらの取り付け穴は、ファンをケースに固定するために使います。

7. 続いて、ケースの長辺側、音声/映像端子および電源ポートの反対側にもう一つ開口部を作ります。密閉されがちなケース内の空気の流れを確保し、冷却効率を高めるためです。開口部の長さは、内側にある隣接する2つの取り付けポイント間の距離より短くなるようにしてください。

Dremelなどのリューターで加工するか、大型のブラッドポイントドリルビットで連続的に穴を開けてもよいでしょう。320番のサンドペーパーで開口部の縁を整えます。縁を滑らかに仕上げる手間を惜しむなら、この工程は省略しても構いません。ケースの上下両方の縁をきれいにしておきましょう。

8.(任意)Raspberry Pi 4をほこりの侵入から守ることをおすすめします。PVC防塵フィルターメッシュからファンサイズのシートを切り取ります。適切なサイズの穴あけパンチでファン取り付け穴を開け、付属の金具(ナットとボルト)を使って、防塵フィルターを挟み込む形でファンをケース上半分に取り付けます。

9. GPIOピン近くのシャーシ側面の開口部についても同じ手順を繰り返します。こちらは薄手の両面テープで防塵フィルターメッシュをケースに貼り付けるのがおすすめです。

10. これでRaspberry Pi 4をケース下半分に取り付ける準備が整いました。続いて、任意となるヒートシンクの取り付けです。主要なチップに銅製ヒートシンクを取り付けると、冷却性能が向上するだけでなく、熱容量が増えることで持続的なオーバークロックも可能になります。せっかくここまで頑張るなら、オーバークロックしないともったいないですよね?

多くのヒートシンクには、3M製の接着ティッシュテープが最初から貼られています。保護ラベルを剥がしたときに漆黒の仕上がりならそれとわかります(下図参照)。この黒いティッシュテープ付きのヒートシンクは使わないでください。皮肉なことに、この黒い接着テープは断熱材として働き、冷却性能に悪影響を及ぼします。ティッシュテープをイソプロピルアルコールで完全に拭き取り、Arctic製や3M 8810の放熱接着パッドを使用してください。先ほどのチェックリストに含まれていたRaspberry Pi 4銅製ヒートシンクキットには、3M 8810放熱接着パッドが最初から装着されています。

11. プロセッサー、RAM、ネットワークおよびUSBコントローラーのダイにヒートシンクを取り付けます。放熱パッドが適切に密着・接着されるよう、15〜20秒ほど中程度の圧力をかけます。上のピン配置図を参考に、2ピンのファンケーブルをGPIOピンに接続します(赤:5V、黒:GND)。極性に注意してください。(赤がプラス、黒がマイナスです。)

アクティブ冷却されたSBCで快適な運用を

Raspberry Pi 4 Model Bの電源を入れると、動画再生がより滑らかになったことに気づくでしょう。負荷の高いアプリケーション実行中もプロセッサーが過熱してスロットリングすることがなくなり、実使用でのパフォーマンスが向上します。標準設定のまま、私のRaspberry Pi 4は中程度の負荷でも50°C未満を安定して維持しました。さらに、アクティブ冷却環境を整えたことで、Pi 4を印象的な2GHzまでオーバークロックすることにも成功しました。