Nintendo Switchを水冷化！水冷Switchへ魔改造
こんにちは、爆音ミク(ばくねみく)です。
PCやゲームを趣味レベルで遊んでおり、Twitterで活動しています。(id:bakunemiku)
今回、Nintendoの人気機種Nintendo Switchを世界初の簡易水冷Switchに魔改造しました。独学で習得した自作PCの拙い知識とスキルを使って、構想から完成まで約１か月でした。私の頭の中で何を考えていたのかを含めので詳細をご紹介します。相当長いですが、大人の自由研究としてご覧いただけると幸いです。
１．なぜ水冷化しようとしたのか？
Nintendo Switchで実際に遊んでいる方はお察しだと思いますが、長時間プレイしていると、本体がアチチになってしまいます。特にTVモードで遊ぶ際は、Nintendo Switchのドックに差すため、本体の前後を覆われているからか、顕著に温度が上がっているように感じます。熱対策がらみの商品(外付けの冷却ファン等)もちらほら見かけますし、皆さんも気にしているポイントではないでしょうか。実は私のNintendo Switchも、熱対策は3年前から実施していました。Type-Cハブと呼ばれる商品を利用し、Nintendo Switchのドックを使わずにTVモードで遊べるようにしていました。
ドックのように前後を覆われることもないので熱は多少逃げやすく、いくらかは効果があったと思います。そして時を経て自作PCに興味が湧いて、実際に自作PCを組んでみたりしながら知識とスキルを独学で習得していきます。その中で水冷と呼ばれる冷却方法を知りました。熱対策に水冷が効果的であると分かりましたので、2022年末にNintendo Switchを水冷にすることで、熱問題を解決させるという運びとなりました。
２．水冷化とは？
Nintendo SwitchにはCPUやGPUと呼ばれるチップ(SoC)が搭載されています。
この部品が仕事をすると大量の熱が発生します。それを放置しているとオーバーヒートして全く使い物にならないため、冷却しながら使用するわけです。チップを冷やす方法として、空冷と水冷というものが存在します。空冷はチップの熱をファンを使い、外気の冷たさで冷やします。水冷はチップの熱を冷却水で冷やします。温まった冷却水はファンを使って外気の冷たさで冷やして循環させます。結局は、両方とも外気で冷やしてます。根本は、Nintendo Switchに搭載されている空冷システムのサイズが小さいので冷却が間に合わずアチチなんですよね。
あのサイズにまとめるためには仕方のないことだと思います。熱問題は、冷却システムを大型化すれば基本解決です。冷却システムが肥大化することによるデメリットを最小に抑えるために、今回は水冷化を選択しています。余談ですが、自作PC界隈では水冷も本格水冷と簡易水冷に分かれます。ここでは割愛しますが、本格水冷のほうが色々と大変という感じです。今回の水冷化は本格水冷に片足突っ込んだ簡易水冷という分類上では特殊な感じとなっています。
３．ゴールの設定
無策に突っ込むわけにはいかないので、私なりに条件等の設定をしました。残念ながら直接的な前例がないので、参考資料なしで考える必要がありました。しかしながら、Nintendo Switchを分解している資料はもちろん参考にさせてもらってます。
● 追加部品点数はなるべく少なくする
●なるべく現状のSwitchと使用感が変わらないようにする
●メンテナンス等が発生しないようにする
●特殊な物は使用せず、なるべく入手できる既製品を流用する
つまりNintendo Switchとして普通に、安心して使え、見た目もスッキリまとめるということです。こういう実験系はどうしても見た目が後回しになるので常に意識して臨むことにしました。
４．水冷化に向けての構想と課題
水冷化にあたって多数の課題があることは明白です。ゴールの設定を意識しながらの少し具体性のある設計を考えていきます。
〇設計
● TVモードとテーブルモードで使用
● PC用の簡易水冷キットで冷却
書くと大したことないですがここからが大変です、、、
〇課題と解決方法
- PC用の簡易水冷キットはNintendo Switch用ではないので水枕デカすぎじゃん
- 水枕小さくするにも水枕に循環ポンプが付いてるから交換できないよ
- PC用なのでポンプもファンも専用コネクタだし12V駆動なんですが
- 簡易水冷キットの固定ってどうする？
はい。諦めるレベルの課題ばかりです。PC用を無理やりNintendo Switchに流用するので基本無理があります。が、1年自作PCの勉強を重ねたので課題解決方法をいくらかは考えることができました。
- PC用の簡易水冷キットはSwitch用ではないので水枕デカすぎじゃん ちなみにPCでの水冷とは、ほぼほぼCPUの冷却を指します。簡易水冷キットもPCのCPU用です。Nintendo Switch用としてはお話にならないくらいデカいです。なので、本格水冷パーツを扱っている通販サイトで、その他の場所を冷やすために作られた小さいサイズの水枕がないかなと探した結果、何とか見つけることができました。もはやPCのどこを冷やすものか分からないですが、大事なのはサイズだけなので気にしない。
- 水枕小さくするにも水枕に循環ポンプが付いてるから交換できないよ 小さな水枕は見つけることができましたが、水枕交換すると循環ポンプがなくなってしまいます。大概の簡易水冷キットは水枕部分に冷却水循環用のポンプが付いています。新たに循環ポンプなんて付けようものなら、システムがどんどんデカくなってNintendo Switchではなくなってしまう。これはPC用簡易水冷各社の商品を勉強していたので大丈夫。水枕とは別のところに循環ポンプがついている商品を選べば解決です。水枕を交換してもそのまま使えます。
- PC用なのでポンプもファンも専用コネクタだし12V駆動なんですが 本来はPCに繋げて使うものなので、PC内部部品のマザーボード用の接続コネクタになっています。また12Vの電圧で動きますので、そのままでは使えません。しかし、探すとあるものでUSB→PC用コネクタに変換するケーブルを見つけることができました。USBは5Vなので動かないはずですが、ケーブル内で5V→12Vへ変換する機能もついてます。至れり尽くせり。簡易水冷ポンプとファンの必要電力を確認しましたが、USBから電力をもらえそうです。ただし、USBに繋ぐと永遠と動いてしまうのでON/OFF機能が付いているスイッチ等が必要ですね。また、PCにつながないので冷却ファンの回転数制御ができません。元から最大回転数の低いファンを別途用意することにしました。
- 簡易水冷キット(水枕)の固定ってどうする？ 全くいい案が思いつかなかった所です。ひとまず熱伝導性のある両面テープで留めればいけるだろう(楽観視)。最悪テープで留めようと決めました。
５．設計図(ver.1)
課題の解決方法がイメージできたので、手書きではありますが設計図を書きました。すると必要な準備品が目視できますので買いそびれもないかなと思いもあります。
６．準備品(ver.1)
- 簡易水冷キット MSI MAG CORELIQID 240R
- 本格水冷水枕 EKWaterBlocks EK-NB/SB ASUS４-Acetal
- 本格水冷用フィッティング 1/4Gネジ、内径6mmホース用
- 冷却水 PC用は高いので、自動車用の冷却水を用意
- 水差し 冷却水を注ぐために使う
- CPU用グリス
- 熱伝導両面テープ ※失敗
- ビニールテープ、粘着テープ、結束バンド ※ver1ではお世話になりました
- PCケース用ファン (最大回転数がある程度低いもの1500rpm以下)
- ファンコネクタ3分岐ケーブル (ポンプ、ファン１、ファン２の3系統)
- ON/OFF機能付きUSBコネクタ ※失敗
- Ｙ字ドライバー等工具
- Type-Cハブ(PD充電対応) ※ver1でお世話になった純正ドックの代替
- 据置用スタンド ※ver1でお世話になった純正ドックの代替
７．水冷化作業内容(ver.１)
水冷化の作業内容は大まかに以下の内容です。
①Switch本体の加工
②簡易水冷の水枕交換作業
③事前動作試験
④組立
① Switch本体の加工
・水枕を取り付ける位置の外装樹脂とその内側のアルミガードをニッパーにて切断しました。適当に切ってしまった、、、
・Switch純正の空冷ファンとヒートシンクを取り外しました。
※先人が各種情報(冷却ファン交換等)を上げてますのでそちらをご覧ください。
これで冷却システムがついていない状態のNintendo Switchとなります。チップが剝き出しです。
②簡易水冷の水枕交換作業
はじめにお伝えしますが、本来簡易水冷キットは分解せずに使うことが想定されています。(分解するなら初めから本格水冷にするからです)。それでも簡易水冷キットを使用する理由は、ポンプとリザーバーを別途用意しなくて済むので、水冷システムの小型化ができるからです。これにより、本格水冷よりある意味大変な作業があります。
・簡易水冷の水枕を外す
結論としては引っこ抜けます。ただし引っ張っても抜けません。グリグリ回転させながら抜きます。抜け始めるまでが一苦労です。これを2本分。水枕の受け部分は樹脂製なので折れると面倒なことになるので注意です。
・新しい水枕にフィッティングを付ける
1/4Gというネジ穴です。また簡易水冷のホース径は内径約6mmに合うものを選んでます。これは手でねじ込んで、スパナで軽く締めこみました。
・冷却水を入れて水枕とホースを接続する
ただ闇雲に冷却水を入れて、ホースを繋いでも循環ポンプは正常に動きません。ホースの中に空気が入っているとポンプが空回りしてダメなのです。これが簡易水冷を分解してはいけない理由です。本格水冷の場合はリザーバーという自動の空気抜きの役割があるパーツが付きます。簡易水冷にはリザーバーがないので、外したホースを接続するときに空気をほぼゼロにするしかありません。細かい方法は文字にするのは難しいですが、接続口を上に向けた状態で細かく振ったりしながら地道に空気を抜きます。空気がたくさん入っているとラジエター部を振るとチャポチャポ音がします。空気が抜けているとこの音が僅かで中身が詰まっているなという感覚です。
③事前動作試験
循環ポンプとファンのコネクタを分岐ケーブルで合流させ、5V→12V変換ケーブルとON/OFF機能付コネクタをかませてType-CハブのUSBに差し動作確認をしました。結果はNG。原因はON/OFF機能付きコネクタ。大きな電流に対応してないような挙動でした。ボツ！！ON/OFF機能付きコネクタを外すと動作しました。ただし、ポンプとファンを一緒にすると許容値を超えそうな雰囲気があるのでファン用とポンプ用を分けてUSBに差すか、5V2A以上の充電器を使うとよさそうです。
④組立
剥き出しのチップに熱伝導両面テープを貼り水枕を固定することにしました。結果はNG。粘着力が低くてチップに水枕が密着しませんでした。(動作試験すると高温スリープ警告が出るのですぐわかる)。最終的にCPUグリスを塗って水枕をあてたあと、粘着テープやビニールテープ、結束バンドで固定する原始的な方法に着地しました。
８.水冷Switch(Ver.1)の結果と反省 設計から約1週間で水冷Switch(Ver.1)は完成しました。冷え具合は抜群で、常に電源 OFFのような感じになりました。性能面では期待どおりでしたが反省点も何個か出てきました。
〇反省点(課題点)
● 水枕の固定がテープ止めはいかがなものか
● Nintendo Switchの純正ドック使えない
● 簡易水冷のラジエターがNintendo Switchよりも巨大
● ON/OFF機能がないのでUSBの抜き差しが必要
なんか手作り感満載で皆さんに自信もって紹介できるような感じじゃないのが本音でした。これで満足するわけにはいかないだろう！ということで水冷化は継続することに。そして、皆さんにご紹介できる水冷Switch(Ver.2)を試行錯誤して作成することになります。
９．水冷Switch(Ver.2)に向けて考えたこと
●水枕の固定がテープ止めはいかがなものか
Nintendo Switch用ではないものを無理やり付けようとしているのでキレイに固定しようというのが土台無理な 話。まず水枕がちゃんと所定の位置に設置できていることが奇跡に近いです。それでも諦めたくなかったので何となく親父に相談したら、「Switchの外装に固定したら？」と新しい発想をもらいました。本来は基盤に固定するものですが、今回選定した水枕のサイズがまたも奇跡を起こし固定を成功させることに。
●Nintendo Switchの純正ドックが使えない
せっかく見た目がきれいになる(テープ止めではなくなる)なら純正っぽくしたいよねとNintendo Switch純正ドックを眺めると意外といけそう。これはやるしかない。
●簡易水冷のラジエターがNintendo Switchよりも巨大
私の希望条件に合うさらに小さいキットを後日見つけたので交換することに。
●ON/OFF機能がないのでUSBの抜き差しが必要
5V2A程度の電力に耐えられるON/OFF機能付きUSB延長ケーブルを後日見つけました。USB絡みは電流値を正確に把握しないと判断ができないと思い、測定器も併せて用意することに。
１０．追加準備品 (Ver.2)
- 簡易水冷キット NZXT KRAKEN M22 ※Ver.1の半分サイズ
- PCケース用ファン数個 ※実際に使用したのは１つ
- ファンコネクタ2分岐ケーブル (ポンプ、ファンの2系統)
- ON/OFF機能付USB延長ケーブル ※5V2A対応品
- スマホ用充電器(5V2A程度) ※Ver2でお世話になりました
- Nintendo Switchの外装 ※一から作り直すため
- 水枕固定用ネジ ※M3ネジ長さ16mm
- プラスチック用カッター
- ヤスリ
- キリ
- 電圧電流測定器 ※調査用
- 非触型温度計 ※効果検証用
１１．水冷化作業内容(ver.2)
Ver.2に関してはすでに作成したVer.1を利用しています。
①Nintendo Switch外装の切削とネジ穴作り
② 簡易水冷の水枕交換作業 ※Ver.1と同作業
③ 純正ドックの切削加工
④ 簡易水冷循環ポンプとファンの電流値測定と動作試験
⑤ 組立
①Nintendo Switch外装の切削とネジ穴作り
Ver.1では正直適当に切りましたが、Ver.2では外装に水枕をネジ固定するため、切ったことによる剛性の低下を最小限に抑えるという条件が加わりました。このため、外回りのフレームを残し、水枕の寸法ピッタリにプラスチックカッターを使って切り抜きました。また水枕のネジ穴を問題なく使用できるようにスペース等大丈夫か細かくチェックしながら位置を決めています。ネジ穴は２つ必要ですが、1つはSwitchの吸気穴をうまく利用し、もう一つはキリとヤスリを使って空けました。外装の裏側から表側にネジを通しナットで締めると水枕が外装に固定されます。
②簡易水冷の水枕交換作業
Ver.1と作業内容は同一。
③純正ドックの切削加工
水枕とホースがあることによって接触する箇所をプラスチックカッターで切削するのみで対応できました。最小限の切削に留めています。
④簡易水冷循環ポンプと何個か揃えたファンの電流値測定と動作試験
・循環ポンプ 5V1.1A程度
・ファン１ 5V0.45A程度
・ファン２ 5V0.47A程度
・ファン３ 5V0.2A程度
・ファン４ 5V0.7A程度
ファンによって電流値が異なり、循環ポンプ＋ファン３なら合計電流値が5V1.3Aで最小になります。これなら純正ドック裏側のUSB端子一つで行けるかと期待しましたが結果はNGでした。別で用意しているType-CハブのUSBなら対応していますがVer.2では、Nintendo Switch純正ドックに拘りたかった。Nintendo Switch純正ドックのUSB端子を２つ使用すれば動作可能ですが、ON/OFFスイッチも２つ用意しないといけなくなり煩雑になるので断念。TVモードかテーブルモードで使用するならコンセントは確保できると想定して、5V2A以上の充電器を用意してUSBを繋げることにしました。これでスイッチは一つで済むし細かい電流値も気にしなくてよい。簡易水冷キットのメーカーと合わせてNZXTのケースファンを使用します。
⑤組立
一番鬼門の水枕がチップにちゃんと密着するのかという問題ですが、結果クリア。水枕銅部分高さがジャストサイズだったため加工しなくても外装Nintendo Switchにネジ止めするだけでしっかり密着してしまいました。奇跡！ポンプファンの電源も充電器に任せることで不安も解消し、配線もスマートになりました。一応、Nintendo Switch充電器だけですべて動作はできますが、配線が鬱陶しくなるので別電源を選択しています。
１２．水冷Switch(Ver.2)の結果と反省
Ver.1から２週間でVer.2は完成しました。Ver.1から劇的に改良された納得のいく仕
様になりました。しかし、どうしても気になるのがNintendo Switch純正ドック裏側の
USBからの給電。ここまで頑張れたならもう少し頑張れと自分に言い聞かせて最終形の
Ver.3に挑むことになります。
・ポンプファンの駆動電力が5V1.3Aだと純正ドック裏側USBから給電できない。
ポンプのみで5V1.1Aで駆動できていたので、5V1.5A対応と思われたUSBからの給電。
当てが外れて5V1.3Aでは駆動できませんでした。純正ドックへの拘りとSwitch純正電源一つでの全システム駆動が一番かっこいい。何かアイデア、、、と情報取集していくことになります。ポンプの駆動はできるので、もっと消費電流の小さいファンを合わせたらもしかしたら？と淡い期待を持って探してみることに。こういう時は高いファンが可能性高そうと有名なNoctuaを検索したことで奇跡が起きます。Noctuaにも数種類のファンがあるので、その中で消費電流の少ないファンを探すとNF-F12というファンにたどり着きました。このファンの詳細を見ると回転数を落とすローノイズアダプターが付属していることに気が付きました。このアダプターはファンケーブルとファンの間に中継させる形で割り込ませることで20％ほどファンのスピードを落とせるとのこと。抵抗を入れてファンへ到達する電圧を下げているみたいですね。このアダプタを水冷ポンプにもかませば5V1.1Aから消費電流下げられる！？ということに気づいてしまったので、Noctua NF-F12を急いで発注しました。このアダプター、なんか見たことあるなぁと家のPCパーツ段ボールをあさってみると1本発見！このアダプターと到着するファンを組み合わせることで結果が出ることになります。
１３．追加準備品 (Ver.3)
- ケースファン noctua NF-F12
- ローノイズアダプター2本 ※注意事項あり
１４．水冷化作業内容(ver.3)
①水冷ファンの入替
②ローノイズアダプターの取付
③動作試験
④+α
①水冷ファンの入替
ネジ4本外して交換するだけの簡単作業。noctuaのベージュが高級感あります。
②ローノイズアダプターの取付
ファン分岐ケーブルで二股に分岐させた後に、アダプターをそれぞれ噛ませました。
③動作試験
5V1A内に収まるのか？が一番のポイントでしたが、別でちょこちょこ問題も発生しています。まずは、アダプターなしで繋げた時は5V1.3A程度でした。そして運命のアダプター有の数値は5V0.9A！！満を持して純正ドックの裏側にUSBを差し込んで起動、、、したりしなかったり。何か挙動がおかしい。起動してしばらくすると止まったり、最初から起動しなかったりと安定しません。ケーブル自体を触ったり動かしたりするとを止まったりします。原因はON/OFF機能付き延長USBケーブル。初期不良だったのでしょうか？別で購入した同等商品に変えると安定動作しました。手探り作業だと何が原因か探すのに相当骨が折れます。また注意として、noctuaのアダプターは流せる容量が小さいのか、ポンプに繋げるとポンプは動作しませんでした。noctua付属のアダプタ以外で1本用意する必要があります。
④+α
5V0.9Aまで下げることができましたのでNintendo Switch純正ドックの裏側USBから水冷システム駆動ができるようになりました。ということは、、、本体のUSB-Cからも給電できるのでは？結果できました。ポータブルモードでの使用も可能になってしましました。頑張ったご褒美かもしれません。使うかどうかは別の話ですが。
１５．冷却効果
非接触型の温度計を購入(信頼性を求めて1万円越えの高級品)したので、追々検証を進めようと思います。
①TVモード(Nintendo Switch純正ドック)でスプラトゥーン３を2時間プレイした後の画面表面温度
：26.7℃
②TVモード(Nintendo Switch純正ドック)でスプラトゥーン３を６時間プレイした後の画面表面温度
：26.4℃
もう無敵の性能です。何時間プレイしても温度は上がらなさそうです。あとは室温次第になりそうです。
１６．最後に
Ver.3完成までちょうど1か月の期間を要してしまいました。終わってみれば、誰でもできそうな内容ですが、アイデアや試行錯誤が随所にあるので、かなり大変だったというのが正直な感想です。見栄えも手作り感を極力なくして、製品として元からあるような錯覚を起こさせるレベルにできたと自負しています。前例がないものに挑戦できたこと、そして作品として形に残せたことが感慨深いです。馬鹿な発想かもしれませんが、面白いネタとして笑っていただければ幸いです。お手すきであれば、私のTwitter固定ツイートに今回の件を記載していますのでRTやいいねを押していただけると報われます。
https://twitter.com/bakunemiku
ご要望があれば簡易水冷Switchの作成方法をまとめようと思います。
2023年1月21日
簡易水冷Switchを作成した 爆音ミク
