JP5136429B2

JP5136429B2 - 温度測定システム

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Publication number: JP5136429B2
Application number: JP2009003065A
Authority: JP
Inventors: 和史宇野; 文雄武井; 丈夫笠嶋
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: JP2010160081A

Description

本発明は、光ファイバを用いて温度を測定する温度測定システムに関する。

近年、顧客の情報を管理・運用するデータセンターや自社の多量のジョブ（ＪＯＢ）を扱う計算機センターなど（以下、これらをまとめて「データセンター」という）のように、多数の計算機（サーバ等）を同一室内に設置して一括管理することが多くなっている。データセンターでは、室内に多数のラックを設置し、各ラックにそれぞれ複数の計算機を収納している。このような状況下では、計算機から多量の熱が発生してラック内の温度が上昇し、誤動作や故障の原因となる。このため、ラック内の計算機を冷却する手段が必要となる。

計算機の稼働状態によって計算機から発生する熱量は大幅に変動する。熱による計算機の誤動作や故障を防止するためには、計算機から発生する熱の最大量に応じた冷却能力を有する冷却装置（空調機及びファン等）を使用する必要がある。この場合、冷却能力が大きい冷却装置をその最大能力で常時稼働させることは、ランニングコストが高くなるというだけでなく、省エネルギー及びＣＯ₂削減の観点からも好ましくない。従って、データセンター内に設置された各ラックの温度をリアルタイムで測定し、その測定結果に応じて冷却装置を適切に制御することが必要となる。

従来から、データセンターのように複数の熱放出部を有するエリアの温度分布を測定する際に、温度センサとして光ファイバを用いることが提案されている。

特開平１１−２６２１１７号公報特開平９−２８８０１６号公報特開２００６−７１５３２号公報

株式会社富士通研究所 PRESS RELEASE 「データセンター向けリアルタイム多点温度測定技術を開発」 2008年4月4日

光ファイバを用いた温度測定では、広い範囲の温度を高い精度で測定することは比較的容易であるものの、狭い範囲の温度を高い精度で測定する方法は確立されていない。

以上から、複数の熱放出部を有する場所の温度分布を光ファイバを用いて良好な精度で測定できる温度測定システムを提供することを目的とする。

一観点によれば、相互に離隔して配置された複数の熱放出部の温度を光ファイバを用いて測定する温度測定システムにおいて、前記光ファイバに光信号を供給し、前記光ファイバ内で後方散乱した光信号を入力して前記光ファイバの長さ方向に沿った温度分布を測定する温度測定装置と、前記温度測定装置に接続された光ファイバが敷設されてなる導入導出部と、前記導入導出部の光ファイバに連続する光ファイバを熱放出部のない第１のエリアから前記複数の熱放出部までそれぞれ往復するように敷設してなる温度測定部と、前記温度測定部の光ファイバに連続する光ファイバを第２のエリアに敷設してなる第１の基準温度取得部と、前記第１の基準温度取得部の光ファイバに連続する光ファイバを前記第１のエリアを通って前記導入導出部まで敷設してなる第２の基準温度取得部とを有し、前記第１の基準温度取得部には、前記温度測定装置から前記光ファイバに供給される光信号のパルス幅により決まる最小加熱長の１／２以上の長さの光ファイバが敷設されている温度測定システムが提供される。

上記一観点によれば、光ファイバに供給される光信号のパルス幅により決まる最小加熱長の１／２以上の長さの光ファイバにより第１の基準温度取得部が形成されている。これにより、第１の基準温度取得部が配置されたエリア（第２のエリア）の温度を、熱放出部の影響を受けることなく測定することができる。また、第２の基準温度取得部は熱放出部のない第１のエリアに敷設されている。そのため、光ファイバをプローブとする温度測定装置の特性から、第２の基準温度取得部では第１のエリアの温度を高精度で測定することができると考えられる。

温度測定装置により取得した温度分布をこれらの真の温度に近いと考えられる温度を基準にして補正することにより、熱放出部の温度を良好な精度で検出することができる。

図１は、ラック内に収納されるサーバ（計算機）の筺体を示す正面図である。図２は、ラック内の温度分布を測定するための光ファイバの敷設例を示す模式図である。図３は、光ファイバ温度測定装置の構成を示す模式図である。図４は、後方散乱光のスペクトルを示す図である。図５は、光検出器で検出されるラマン散乱光の強度の時系列分布を示す図である。図６は、図５のラマン散乱光の強度の時系列分布を基にＩ₁／Ｉ₂比を時間毎に計算し、且つ横軸（時間）を距離に、縦軸（信号強度）を温度に換算した結果を示す図である。図７は、最小加熱長を説明するための図（その１）である。図８は、最小加熱長を説明するための図（その２）である。図９は、光源から５ｍの位置を中心に８０℃の熱をステップ型温度分布となるように印加した場合の計測温度分布を示す図である。図１０は、光ファイバの一部をステップ状温度分布で加熱したときの加熱長と出力感度との関係を示す図である。図１１は、光ファイバ温度測定装置における伝達関数の一例を示す図である。図１２は、図１１に示す伝達関数の逆関数を示す図である。図１３は、実温度分布と、計測温度分布と、計測温度分布に対し逆補正関数を用いて求めた温度分布（補正後の温度分布）との一例を示す図である。図１４は、ラックを側方から見た模式図である。図１５は、ラックを排気側から見た模式図である。図１６は、ラック内の光ファイバの敷設状態、及び光ファイバの長さ方向に沿ったラック内の各部の温度を示す図である。図１７は、実温度分布と、初期計測温度分布と、第１の補正後の計測温度分布とを示す図である。図１８は、実温度分布と、初期計測温度分布と、第２の補正後の計測温度分布とを示す図である。図１９は、実温度分布と、初期計測温度分布と、第２の補正後の計測温度分布と、第３の補正後の計測温度分布とを示す図である。図２０は、基準線の設定方法を示す図である。図２１は、実温度分布と、初期計測温度分布と、第２の補正後の計測温度分布と、第４の補正後の計測温度分布とを示す図である。図２２は、温度測定方法を示すフローチャートである。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

図１は、ラック内に収納されるサーバ（計算機）の筺体を示す正面図である。サーバ１５内にはファンが設けられており、計算機室内の冷気が取り込まれ、排気口１６から温風が排出される。従って、ラック内の温度分布を測定する場合、排気口１６から排出されるエアーの温度を監視することが重要である。

ラック内の温度分布を測定するために、例えば図２に示すように光ファイバ２４を敷設することが考えられる。この図２に示す例では、光ファイバ２４をラック１１の下部からラック１１内に導入し、各サーバ１５の筺体面に沿って水平方向に敷設した後、ラック１１の下部からラック１１の外に出して次のラック１１に導入している。

光ファイバをプローブとする温度測定装置（以下、「光ファイバ温度測定装置」ともいう）では、広い範囲の温度を高い精度で測定することは比較的容易である。しかし、光ファイバ温度測定装置では、後述するように狭い範囲の温度を高い精度で測定することは困難であり、単に図２に示すように光ファイバ２４を敷設しただけではサーバ１５から排出されるエアーの温度を精度よく測定することはできない。

図３は光ファイバ温度測定装置の構成を示す模式図である。また、図４は後方散乱光のスペクトルを示す図、図５は光検出器２６で検出されるラマン散乱光の強度の時系列分布を示す図である。

図３に示すように、光ファイバ温度測定装置は、レーザ光源２１と、レンズ２２ａ，２２ｂと、ビームスプリッタ２３と、光ファイバ２４と、波長分離部２５と、光検出器２６とを有している。

レーザ光源２１からは、所定のパルス幅のレーザ光が一定の周期で出力される。このレーザ光は、レンズ２２ａ、ビームスプリッタ２３及びレンズ２２ｂを通って光ファイバ２４の光源側端部から光ファイバ２４内に進入する。なお、図３において、２４ａは光ファイバ２４のコアを示し、２４ｂは光ファイバ２４のクラッドを示している。

光ファイバ２４内に侵入した光の一部は、光ファイバ２４を構成する分子により後方散乱される。後方散乱光には、図４に示すように、レイリー（Rayleigh）散乱光と、ブリルアン（Brillouin）散乱光と、ラマン（Raman）散乱光とが含まれる。レイリー散乱光は入射光と同一波長の光であり、ブリルアン散乱光及びラマン散乱光は入射波長からシフトした波長の光である。

ラマン散乱光には、入射光よりも長波長側にシフトしたストークス光と、入射光よりも短波長側にシフトした反ストークス光とがある。ストークス光及び反ストークス光のシフト量はレーザ光の波長や光ファイバ２４を構成する物質等に依存するが、通常５０ｎｍ程度である。また、ストークス光及び反ストークス光の強度はいずれも温度により変化するが、ストークス光は温度による変化量が小さく、反ストークス光は温度による変化量が大きい。すなわち、ストークス光は温度依存性が小さく、反ストークス光は温度依存性が大きいということができる。

これらの後方散乱光は、図３に示すように、光ファイバ２４を戻って光源側端部から出射する。そして、レンズ２２ｂを透過し、ビームスプリッタ２３により反射されて、波長分離部２５に進入する。

波長分離部２５は、波長に応じて光を透過又は反射するビームスプリッタ３１ａ，３１ｂ，３１ｃと、特定の波長の光のみを透過する光学フィルタ３３ａ，３３ｂ，３３ｃと、光学フィルタ３３ａ，３３ｂ，３３ｃを透過した光をそれぞれ光検出器２６の受光部２６ａ，２６ｂ，２６ｃに集光する集光レンズ３４ａ，３４ｂ，３４ｃとを有している。

波長分離部２５に入射した光は、ビームスプリッタ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ及び光学フィルタ３３ａ，３３ｂ，３３ｃによりレイリー散乱光、ストークス光及び反ストークス光に分離され、光検出器２６の受光部２６ａ，２６ｂ，２６ｃに入力される。その結果、受光部２６ａ，２６ｂ，２６ｃからはレイリー散乱光、ストークス光及び反ストークス光の強度に応じた信号が出力される。光検出器２６はその内部にマイクロコンピュータを有しており、プログラムに従い受光部２６ａ，２６ｂ，２６ｃから出力された信号を処理して、光ファイバ２４の所望の位置の温度を算出する。

なお、光検出器２６に入力される後方散乱光のパルス幅は光ファイバ２４の長さに関係する。このため、レーザ光源２１から出力されるレーザパルスの間隔は、各レーザパルスによる後方散乱光が重ならないように設定される。また、レーザ光のパワーが高すぎると誘導ラマン散乱状態になって正しい計測ができなくなる。このため、誘導ラマン散乱状態にならないようにレーザ光源２１のパワーを制御することが重要である。

前述したように、ストークス光は温度依存性が小さく、反ストークス光は温度依存性が大きいので、両者の比により後方散乱が発生した位置の温度を評価することができる。ストークス光及び反ストークス光の強度比は、光ファイバ中のオプティカルフォノンの角周波数をω_k、入射光の角周波数をω₀、プランク定数をｈ、ボルツマン定数をｋ、温度をＴとしたときに、以下の（１）式により表わされる。

すなわち、ストークス光及び反ストークス光の強度比がわかれば、（１）式から後方散乱が発生した位置の温度を算出することができる。

ところで、光ファイバ２４内で発生した後方散乱光は、光ファイバ２４を戻る間に減衰する。そのため、後方散乱が発生した位置における温度を正しく評価するためには、光の減衰を考慮することが必要である。

図５は、横軸に時間をとり、縦軸に光検出器の受光部から出力される信号強度をとって、ラマン散乱光の強度の時系列分布の一例を示す図である。光ファイバにレーザパルスを入射した直後から一定の間、光検出器にはストークス光及び反ストークス光が検出される。光ファイバの全長にわたって温度が均一の場合、レーザパルスが光ファイバに入射した時点を基準とすると、信号強度は時間の経過とともに減少する。この場合、横軸の時間は光ファイバの光源側端部から後方散乱が発生した位置までの距離を示しており、信号強度の経時的な減少は光ファイバによる光の減衰を示している。

光ファイバの長さ方向にわたって温度が均一でない場合、例えば長さ方向に沿って高温部及び低温部が存在する場合は、ストークス光及び反ストークス光の信号強度は一様に減衰するのではなく、図５に示すように信号強度の経時変化を示す曲線に山及び谷が現れる。図５において、ある時間ｔにおける反ストークス光の強度をＩ₁、ストークス光の強度をＩ₂とする。

図６は、図５のラマン散乱光の強度の時系列分布を基にＩ₁／Ｉ₂比を時間毎に計算し、且つ図５の横軸（時間）を距離に換算し、縦軸（信号強度）を温度に換算した結果を示す図である。この図６に示すように、反ストークス光とストークス光との強度比（Ｉ₁／Ｉ₂）を計算することにより、光ファイバの長さ方向における温度分布を測定することができる。

なお、後方散乱が発生した位置におけるラマン散乱光（ストークス光及び反ストークス光）の強度は温度により変化するが、レイリー散乱光の強度の温度依存性は無視することができるほど小さい。従って、レイリー散乱光の強度から後方散乱が発生した位置を特定し、その位置に応じて光検出器で検出したストークス光及び反ストークス光の強度を補正することが好ましい。

以下、図７，図８を参照して最小加熱長について説明する。

レーザ光源２１から出力されるレーザ光のパルス幅（ＯＮ時間）ｔ₀を１０nsec、真空中の光の速度ｃを３×１０⁸ｍ／sec、光ファイバ２４のコア２４ｂの屈折率ｎを１．５とすると、光ファイバ２４内におけるレーザ光のパルス幅Ｗは、下記（２）式に示すように約２ｍとなる。

Ｗ＝ｔ₀・ｃ／ｎ＝１０（nsec）・３×１０⁸（ｍ/sec）／１．５≒２（ｍ） …（２）
このパルス幅分のレーザ光の後方散乱光は光検出器２６に１つの信号として取り込まれ、光検出器２６はこのパルス幅分の信号の積算値から温度を検出する。そのため、光ファイバのうちパルス幅Ｗに相当する長さに均一に熱を加えないと正確な温度計測ができない。以下、正確な温度計測に必要な最小加熱長をＬminという。

図７（ａ）に示す実温度分布で光ファイバを加熱した場合、すなわち光ファイバのうち長さＬの部分のみを均一に加熱した場合（以下、このような温度分布をステップ型温度分布という）、光ファイバ温度測定装置で得られる温度分布（以下、「計測温度分布」という）は、図７（ｂ）に示すようにガウシアン分布（正規分布）状の曲線を描く。図８に示すように加熱部の長さＬが最小加熱長Ｌminよりも短い場合は、計測温度分布のピークが低くなり、加熱部の長さＬが長くなれば計測温度分布のピークは高くなる。計測温度と加熱温度との差を±５％以内とするためは、加熱部の長さＬを最小加熱長Ｌmin以上とすることが必要になる。

また、図８に示すように、加熱部の長さＬが短い場合には、２つの加熱部が近接していても計測温度分布は重ならない。しかし、加熱部の長さＬが最小加熱長Ｌmin以上の場合は、２つの加熱部の間の距離が最小加熱長Ｌmin以上離れていなければ、各加熱部の計測温度分布が重なってしまう。

図９は、横軸に光ファイバの長さ方向の位置をとり、縦軸に温度をとって、温度が２５℃の環境に光ファイバを配置し、光源から５ｍの位置を中心に８０℃の熱をステップ型温度分布となるように印加した場合の計測温度分布を示す図である。ここでは、加熱部の長さを、それぞれ４０ｃｍ、１ｍ、１．６ｍ、２．２ｍとしている。この図９からもわかるように、加熱部の長さが２ｍ（最小加熱長Ｌmin）よりも短い場合は計測温度分布のピークは実温度よりも低く観測され、加熱部の長さが２ｍ以上の場合は計測温度分布のピークと実温度とがほぼ一致する。

また、上述したように、加熱部の長さＬにより計測温度分布のピーク高さは変化するが、ある加熱長Ｌのときのステップ型温度分布の面積（積分値）と計測温度分布の面積とに着目すると、両者はほぼ等しいことがわかる。このことから、加熱長が既知であれば、計測温度分布の面積から加熱部の真の温度を推定できることがわかる。

図１０は、横軸に加熱長をとり、縦軸に出力感度をとって、光ファイバの一部をステップ状温度分布で加熱したときの加熱長と出力感度との関係を示す図である。ここでは、加熱長が２ｍ（最小加熱長Ｌmin）のときの出力感度を１００％としている。

この図１０からわかるように、加熱長が最小加熱長Ｌminよりも短い場合は、加熱長が短くなるほど出力感度は減少する。例えば、加熱長が最小加熱長Ｌminの１／２（１ｍ）のときには出力感度が約７０％となり、加熱長が最小加熱長の１／４（５０ｃｍ）のときは出力感度が約４２％となり、加熱長が最小加熱長Ｌminの１／１０（２０ｃｍ）のときには出力感度が約２３％となる。

なお、温度計測ポイント（以下、単に「計測ポイント」という）は、最小加熱長と関係なく、光ファイバ温度測定装置のサンプリング周波数に基づいて決定される。光ファイバ温度測定装置において平均化に要する時間等の実用的な計測時間を考慮すると、計測ポイントの間隔は２５〜５０ｃｍ程度にすることが可能である。

図１１は、横軸に加熱中心からの距離をとり、縦軸に相対強度をとって、光ファイバ温度測定装置における伝達関数の一例を示す図である。伝達関数は、光ファイバ温度測定装置のインパルス応答特性にほぼ等しいものとなる。図１１に示す伝達関数を例えば図９のステップ型温度分布に対し畳み込み（コンボリューション）すると、図９のガウシアン曲線形状の計測温度分布となる。これと同様に、ラック内の実温度分布に伝達関数を畳み込みすると、光ファイバ温度測定装置で計測したときの計測温度分布が得られる。

伝達関数は、光ファイバが群遅延特性を有しているため、距離に応じて変化する。そのため、光ファイバの全長にわたって伝達関数を一義的に定義することはできない。しかし、短い距離範囲であれば、光信号の損失や遅延は一様であるとみなして伝達関数を定義することができる。伝達関数は、光源からの距離だけでなく光ファイバの種類によっても異なる。

後述するように、本実施形態では、光ファイバ温度測定装置により得られた温度分布を、伝達関数の逆関数を用いて補正する。図１２は図１１に示す伝達関数の逆関数を示している。この図１２において、横軸は距離を示し、縦軸は係数を示している。以下、伝達関数の逆関数を、逆補正関数と呼ぶ。

図１３に、実温度分布（ステップ型温度分布）と、計測温度分布と、計測温度分布に対し逆補正関数（逆フィルタ）を用いて求めた温度分布（補正後の温度分布）とを示す。この図１３に示すように、光ファイバ温度測定装置では、ステップ型温度分布（実温度分布）に対しガウシアン曲線形状の計測温度分布が得られる。この計測温度分布に対し逆補正関数を用いて補正（デコンボリューション）すると、実温度分布に近似の温度分布（補正後の温度分布）が得られる。この場合、補正後の温度分布にはピークの両側（図１３中に破線の円で囲んだ部分）にアンダーシュートが発生する。このアンダーシュートは、デコンボリューションによる産物として考えることができる。

以下、実施形態について説明する。

図１４はラックを側方から見た模式図である。なお、ここでは説明の便宜上、ラック１１の排気側を正面、吸気側を裏面としている。

ラック１１はいわゆる１９インチラックであり、例えば高さが２ｍ、幅が０．６ｍ、奥行きが０．９５ｍである。また、ラック１１の正面側及び裏面側には開閉扉１２ａ，１２ｂが設けられており、サーバ１５の脱着やメンテナンスが容易にできるようになっている。これらの開閉扉１２ａ，１２ｂには、空気が通流可能なように格子状の開口部が設けられている。

ラック１１内に収納された各サーバ１５内にはファン１９が内蔵されており、空調機によりデータセンター（計算機室）内に供給された冷気（低温のエアー）はサーバ１５内に導入される。そして、サーバ１５内に導入された冷気は、サーバ１５内のＣＰＵ等を冷却して温風となり、正面側（排気側）の開閉扉１２ａの開口部を通ってラック１１の外に排出される。

ラック１１内に収納されるサーバ１５の幅は約４８２．６ｍｍ（１９インチ）であり、高さは約４４．４５ｍｍ（１Ｕ）である。ラック１１内には、複数のサーバ１５が高さ方向にほぼ１Ｕピッチで収納できるようになっている。

図１５は、ラック１１を排気側から見た模式図である。本実施形態では、図１５に示すように、排気側開閉扉１２ａの内側に光ファイバ２４を敷設して、ラック１１内に収納されたサーバ１５に対向するエリア（測定エリア）の温度を測定する。ここでは、高さ方向に相互に離隔して配置された３つのサーバ１５ａ，１５ｂ，１５ｃの排気温度を測定するものとする。

ラック１１に導入前及びラック１１から導出後の光ファイバ２４は、ラック１１の下部近傍の導入導出部１７において同一の冶具（図示せず）に一定長さ（最小加熱長の１／２以上の長さ）分だけ巻回されている。そして、光ファイバ２４は、ラック１１の下側からラック本体内に導入され、ラック１１の下部において開閉扉１２ａの回転軸１４の近傍をラック本体側から開閉扉１２ａ側に張り渡される。開閉扉１２ａ側に渡った光ファイバ２４は、開閉扉１２ｂの内側の面を開閉扉１２ｂの回転軸１４に沿って下から上に向かって順に敷設される。但し、サーバ１５ａ，１５ｂ，１５ｃに対応する位置では、光ファイバ２４が開閉扉１２ｂを幅方向に往復するように、且つ往路と復路とが交差（クロス）するように敷設される。

本実施形態では、光ファイバ２４のうちサーバ１５ａ，１５ｂ，１５ｃに対応する位置において開閉扉１２ｂの幅方向を往復するように敷設された部分を、プローブ２４０と呼ぶ。プローブ２４０の先端部は、サーバ１５ａ，１５ｂ，１５ｃの排気口１６に対応する位置に配置される。なお、プローブ２４０は、熱放出部（排気口１６）の部分を中心として往路と復路とが対称となるように形成することが好ましい。また、各プローブ２４０は同一長さの光ファイバ２４により形成することが好ましく、各プローブ２４０間の光ファイバ２４の長さも同一にすることが好ましい。これにより、計測温度分布をより高精度に補正することができる。

なお、ラックの吸気側であっても隣接ラックや排気側からの熱放出の回り込みにより等価的に熱放出部とみなせることがある。本実施形態では、これらの部分を含めて熱放出部と呼んでいる。

プローブ２４０の先端部において光ファイバ２４をサーバ１５の排気口１６の部分で２重又はそれ以上に巻回してもよい。また、サーバ１５ａ，１５ｂ，１５ｃから排出される熱は上側に移動するので、プローブ２４０の先端部をサーバ１５ａ，１５ｂ，１５ｃの排気口１６の中心よりも若干上側に配置してもよい。

プローブ２４０の幅Ｗは、上下方向に隣接するサーバの温度の影響を受けないように、サーバ１５ａ，１５ｂ，１５ｃの高さ（１Ｕ：約４４．４５ｍｍ）よりも短くすることが好ましい。本実施形態では、プローブ２４０の幅Ｗを１Ｕ以下としている。但し、光ファイバ２４をその最小曲げ半径（通常、メーカーにより規定されている）よりも小さい径で曲げると、破損したり光学特性が著しく劣化したりする。従って、プローブ２４０の先端部における光ファイバ２４の曲げ半径は、光ファイバ２４の最小曲げ半径よりも大きくすることが好ましい。

上述したように、本実施形態では光ファイバ２４を所定の形状に敷設することによりプローブ２４０を形成している。最上部のプローブ２４０から導出した光ファイバ２４は、更にラック１１の上部に向けて敷設され、その後最上部のプローブ２４０の位置まで戻る。以下、最上部のプローブ２４０よりも上に配置された部分の光ファイバ２４を、折り返し部１８という。

本実施形態では、最小加熱長（上記の例では２ｍ）以上の光ファイバ２４を冶具に巻回してラック１１の上部に配置し、折り返し部１８としている。従って、最上部のプローブ２４０から折り返し部１８の中点（折り返し点）までの光ファイバの長さは最小加熱長の１／２（１ｍ）以上となる。

折り返し部１８から導出した光ファイバ２４は、開閉扉１２ａの回転軸１４に沿って上から下に向けて垂直に敷設される。そして、ラック１１の下部において回転軸１４の近傍を開閉扉１２ｂ側からラック本体側に張り渡され、ラック本体側からラック１１の下方に導出する。ラック１１から導出した光ファイバ２４は、前述したように導入導出部１７においてラック導入側の光ファイバ２４とともに冶具に巻回された後、次のラックに向けて敷設される。

なお、本実施形態では光ファイバ２４を開閉扉１２ａの内側に敷設しているが、光ファイバ２４を開閉扉１２ａの外側に敷設してもよい。

ところで、本実施形態では、導入導出部１７においてラック１１に導入前及びラック１１から導出後の光ファイバ２４をそれぞれ最小加熱長の１／２以上の長さ（約１ｍ以上）にわたって同一の冶具に巻回している。また、折り返し部１８では、折り返し点（中点）まで最小加熱長の１／２以上の長さの光ファイバ２４を冶具に巻回している。以下にその理由について説明する。

図９から、加熱部の長さＬが長くなるほど計測温度分布のピークは高くなるが、加熱部のエッジよりも１ｍ（最小加熱長の１／２）以上離れたところの計測温度は、加熱部の影響を殆ど受けていないことがわかる。従って、光ファイバ２４を最小加熱長の１／２以上の長さにわたって冶具に巻回した場合、加熱部の影響を受けることなく、巻回部（導入導出部１７及び折り返し部１８）の真の温度を測定することができる。本実施形態では、後述するように光ファイバ測定装置により得られた温度分布（計測温度分布）を、導入導出部１７で測定した温度、及び折り返し部１８で測定した温度を用いて補正する。

また、本実施形態では、折り返し部１８で折り返した光ファイバ２４を、開閉扉１２ａの回転軸１４に沿ってラック１１の上部から下部まで敷設している。この折り返し部１８からラック１１の下部までの間は熱放出部となるものがなく、光ファイバ２４の長さ方向に沿った温度分布の急激な変化はないと考えられる。

光ファイバ温度測定装置では、低い空間周波数しかもたないため、隣接する計測ポイント間の温度差が大きいと計測誤差が大きくなる。しかし、隣接する計測ポイント間の温度差が小さい場合は、比較的良好な精度で温度を測定することができる。図１５に示すように光ファイバ２４を敷設した場合は、折り返し部１８からラック１１の下部までの間は熱放出部となるものがなく温度変化がなだらかであるため、この間の計測ポイントの温度を比較的精度よく測定することができる。これらの計測ポイントの計測温度も、後述するように計測温度分布の補正に使用する。

なお、図１５において、開閉扉１２ａの回転軸１４に沿って光ファイバ２４を配置した領域が第１のエリアに対応し、各プローブ２４０が温度測定部に対応し、折り返し部１８の光ファイバ２４が第１の基準温度取得部に対応している。また、折り返し部１８を配置した領域が第２のエリアに対応し、折り返し部１８からラック１１の下部まで回転軸１４に沿って垂直に配置した光ファイバ２４が第２の基準温度取得部に対応している。

図１６は、ラック１１内の光ファイバ２４の敷設状態を示す模式図であり、光ファイバ２４の長さ方向に沿ったラック１１内の各部の温度（設定値：単位℃）を併せて示している。また、図１７〜図２１は、横軸に光ファイバの長さ方向の位置をとり、縦軸に温度をとって、実温度分布（設定値：実線で示す）と、光ファイバ温度測定装置により計測された温度分布（予測値：破線で示す）と、補正（第１補正）後の温度分布とを示す図である。更に、図２２は、本実施形態に係る温度測定方法を示すフローチャートである。なお、図１７〜図２１において、実温度分布はラック１１内の各部の温度が図１６に示す値のときの温度分布である。

まず、光ファイバ温度測定装置によりラック１１内の温度分布を測定する（ステップＳ１１）。図１７中に破線で示すように、光ファイバ温度測定装置により計測された温度分布（以下、「初期計測温度分布」という）では、サーバ１５ａ，１５ｂ，１５ｃの排気口部分の計測温度と実温度（実線）との差が大きい。

次に、逆補正関数（逆フィルタ）を用いて初期計測温度分布を補正（デコンボリューション）する（ステップＳ１２）。図１７中に＊印で示す曲線は、逆補正関数を用いて初期計測温度分布を補正（第１の補正）した後の計測温度分布を示している。初期計測温度分布に対し逆補正関数で補正しただけでは、サーバ１５ａ，１５ｂ，１５ｃの排気口部分の実温度と補正後の計測温度（第１の補正後の計測温度）との差は小さくなるものの、十分でない。また、導入導出部１７に対応する部分ではアンダーシュートが発生しており、実温度よりも第１の補正後の温度のほうが低くなっている。

次に、導入導出部１７及び折り返し部１８の計測温度を用いて第１の補正後の計測温度分布を補正（第２の補正）する（ステップＳ１３）。図１８は、第２の補正後の計測温度分布（＊印で示す曲線）を、実温度分布（実線）及び初期計測温度分布（破線）と併せて示す図である。

前述したように、導入導出部１７（ラック１１から光ファイバ２４の長さ方向に沿って１ｍ以上離れた位置）の計測温度、及び折り返し部１８の中点（折り返し点）の計測温度は真の温度を示していると考えられる。第２の補正では、図１８に示すように、第１の補正後の温度分布のうち導入導出部１７及び折り返し部１８に対応する部分（図中、楕円で示す部分）の温度を、導入導出部１７の計測温度及び折り返し部１８の計測温度に置き換えている。但し、折り返し部１８では、中点を境にして前半の部分ではサーバ１５ｃの熱の影響を受けていると考えられるので、折り返し部１８の後半の部分のみを折り返し部１８の中点の計測温度に置き換えている。ここでは、導入導出部１７の温度を２５℃とし、折り返し部１８の温度を３０℃としている。

なお、前述したように折り返し部１８から導入導出部１７までの間の計測温度は比較的精度が高いと考えられる。そのため、第１の補正後の導入導出部１７の温度を、初期計測温度分布から抽出した導入導出部１７の温度に置き換えてアンダーシュートの影響を排除してもよい。

次に、折り返し部１８からラック１１の下部まで垂直に敷設された部分の計測温度分布を用いて第２の補正後の計測温度分布を補正（第３の補正）する（ステップＳ１４）。図１９は、第３の補正後の計測温度分布（＊印で示す曲線）を、第２の補正後の温度分布（太い破線）、実温度分布（実線）及び初期計測温度分布（細い破線）と併せて示す図である。

光ファイバ２４のうち、回転軸１４に沿って折り返し部１８からラック１１の下部まで垂直に敷設された部分では、前述したように隣接する測定ポイントの温度差が比較的小さく、初期計測温度分布のうちこの部分の計測温度の測定精度は高いと考えられる。本実施形態では、第３の補正として、この部分の計測温度を用いて各プローブ２４０の基端部の温度を補正する。その後、更に各プローブ２４０の基端部とその近傍の極小点との間の温度分布がなだらかな曲線となるように温度分布を補正する。

次いで、各ピークの積分範囲を決定し、各加熱部（測定エリア）の計測温度を補正（第４の補正）する（ステップＳ１５）。図２０は、各加熱部の温度に対し第４の補正を行うための準備を示す図である。

前述したように、加熱部の長さが既知の場合、計測温度分布の面積（積分値）から真の温度を推定することができる。ここでは、各プローブ２４０を構成する光ファイバの長さが既知であるので、これを加熱部の長さとする。また、前述したように加熱部の実温度分布の面積と計測温度分布の面積とはほぼ一致するので、計測温度分布のうち加熱部の部分の前後の面積（積分値）を加熱部の面積に加えることにより、加熱部の真の温度を推定することができる。

計測温度分布の面積から加熱部の実温度分布を推定するためには、各ピークの積分範囲を決定する必要がある。ここでは、ラック１１の導入部と、第１のピーク（サーバ１５ａに対応）と第２のピーク（サーバ１５ｂに対応）との間の極小点との間を、第１のピークの積分範囲としている。また、第１のピークと第２のピークとの間の極小点と、第２のピークと第３のピーク（サーバ１５ｃに対応）との間の極小点との間を、第２のピークの積分範囲としている。更に、第２のピークと第３のピークとの間の極小点と、折り返し部１８の中点との間を、第３のピークの積分範囲としている。

各ピークの積分範囲を決定した後、次に各ピークの面積を計算するときの基準線を設定する。ここでは、図２０に示すようにラック１１の導入部、第１のピークと第２のピークとの間の極小点、第２のピークと第３のピークとの間の極小点、及び折り返し部１８の中点を直線で結び、基準線（図２０中に太線で示す）としている。

図２１は、第４の補正後の計測温度分布（＊印で示す曲線）を、第３の補正後の計測温度分布（太い破線）、実温度分布（実線）及び初期計測温度分布（細い破線）と併せて示す図である。

第４の補正では、各積分範囲において、加熱部の外側であって基準線と第２の補正後の計測温度分布とで囲まれる領域の面積を算出する。そして、その面積を加熱部の各計測ポイントの温度（基準線を基準にした温度）の比に応じて割り振り、加熱部の各計測ポイントの温度を補正する。

図２１に示すように、第４の補正後の計測温度分布では、各加熱部における計測温度（ピーク値）と実温度分布の温度との差がほぼ±１℃以内と小さい。特に、最も温度が高い部分では補正後の温度と実温度との差が極めて小さい。

すなわち、光ファイバ温度測定装置を用いて取得した温度分布に対し上述したように第１〜第４の補正を順次行うことにより、複数のサーバ（計算機）が収納されたラック内の温度分布を精度よく、且つリアルタイムで測定することができる。そして、この温度測定結果を用いてデータデンター（計算機室）の空調機を制御することにより、熱によるサーバ等の故障や誤動作を防止しつつ、データセンターで消費する電力を削減することができる。

なお、上記実施形態ではデータセンター（計算機室）に配置されたラック内の温度分布の測定を行う場合について説明したが、上記実施形態において開示した技術を工場内又はオフィス内などの温度分布測定に適用してもよい。

以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。

（付記１）相互に離隔して配置された複数の熱放出部の温度を光ファイバを用いて測定する温度測定システムにおいて、
前記光ファイバに光信号を供給し、前記光ファイバ内で後方散乱した光信号を入力して前記光ファイバの長さ方向に沿った温度分布を測定する温度測定装置と、
前記温度測定装置に接続された光ファイバが敷設されてなる導入導出部と、
前記導入導出部の光ファイバに連続する光ファイバを熱放出部のない第１のエリアから前記複数の熱放出部までそれぞれ往復するように敷設してなる温度測定部と、
前記温度測定部の光ファイバに連続する光ファイバを第２のエリアに敷設してなる第１の基準温度取得部と、
前記第１の基準温度取得部の光ファイバに連続する光ファイバを前記第１のエリアを通って前記導入導出部まで敷設してなる第２の基準温度取得部とを有し、
前記第１の基準温度取得部には、前記温度測定装置から前記光ファイバに供給される光信号のパルス幅により決まる最小加熱長の１／２以上の長さの光ファイバが敷設されていることを特徴とする温度測定システム。

（付記２）前記温度測定装置は、前記後方散乱した光信号により取得した温度分布を、前記第１の基準温度取得部及び前記第２の基準温度取得部により取得した温度に基づいて補正することを特徴とする付記１に記載の温度測定システム。

（付記３）前記補正は、
前記温度分布測定装置により取得した前記光ファイバの長さ方向の温度分布を伝達関数の逆関数を用いて補正する第１の補正工程と、
前記第１の補正工程後の温度分布を前記第１の基準温度取得部で取得した温度を用いて補正する第２の補正工程と、
前記第２の補正工程後の温度分布を前記第２の基準温度取得部で測定した温度を用いて補正する第３の補正工程と、
前記第３の補正工程後の温度分布のうち各熱放出部に対応する部分の面積と前記第２の補正工程後の温度分布のうち各熱放出部に対応する部分の面積とに応じて前記第３の補正工程後の温度分布を補正する第４の補正工程とを経て行われることを特徴とする付記２に記載の温度測定システム。

（付記４）前記第４の補正工程では、前記第３の補正工程後の温度分布における各ピーク間の極小点を結ぶ線を基準に前記面積を計算することを特徴とする付記３に記載の温度測定システム。

（付記５）前記導入導出部には、前記温度測定部に導入前の光ファイバ及び前記第２の基準温度取得部から導出後の光ファイバがそれぞれ、前記温度測定装置から前記光ファイバに出力される光信号のパルス幅により決まる最小加熱長の１／２以上の長さにわたって敷設されていることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の温度測定システム。

（付記６）前記第１のエリアから各熱放出部まで往復する光ファイバの長さが同一であることを特徴とする付記１に記載の温度測定システム。

（付記７）前記熱放出部が、ラック内に収納された計算機の排気口であることを特徴とする付記１に記載の温度測定システム。

（付記８）前記光ファイバが、前記ラックの開閉扉の内側又は外側に敷設されていることを特徴とする付記７に記載の温度測定システム。

（付記９）前記第１の基準温度取得部では、前記光ファイバを巻回して配置していることを特徴とする付記１に記載の温度測定システム。

（付記１０）前記導入導出部では、前記温度測定部に導入前の光ファイバ及び前記第２の基準温度取得部から導出後の光ファイバが同一冶具に巻回して配置していることを特徴とする付記１に記載の温度測定システム。

１１…ラック、１２ａ，１２ｂ…開閉扉、１４…回転軸、１５，１５，１５ｂ，１５ｃ…サーバ、１６…排気口、１７…導入導出部、１８…折り返し部、１９…ファン、２１…レーザ光源、２２ａ，２２ｂ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ…レンズ、２３，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…ビームスプリッタ、２４…光ファイバ、２４ａ…クラッド、２４ｂ…コア、２４０…プローブ、２５…波長分離部、２６…光検出器、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ…受光部、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ…光学フィルタ。

Claims

相互に離隔して配置された複数の熱放出部の温度を光ファイバを用いて測定する温度測定システムにおいて、
前記光ファイバに光信号を供給し、前記光ファイバ内で後方散乱した光信号を入力して前記光ファイバの長さ方向に沿った温度分布を測定する温度測定装置と、
前記温度測定装置に接続された光ファイバが敷設されてなる導入導出部と、
前記導入導出部の光ファイバに連続する光ファイバを熱放出部のない第１のエリアから前記複数の熱放出部までそれぞれ往復するように敷設してなる温度測定部と、
前記温度測定部の光ファイバに連続する光ファイバを第２のエリアに敷設してなる第１の基準温度取得部と、
前記第１の基準温度取得部の光ファイバに連続する光ファイバを前記第１のエリアを通って前記導入導出部まで敷設してなる第２の基準温度取得部とを有し、
前記第１の基準温度取得部には、前記温度測定装置から前記光ファイバに供給される光信号のパルス幅により決まる最小加熱長の１／２以上の長さの光ファイバが敷設されていることを特徴とする温度測定システム。
前記温度測定装置は、前記後方散乱した光信号により取得した温度分布を、前記第１の基準温度取得部及び前記第２の基準温度取得部により取得した温度に基づいて補正することを特徴とする請求項１に記載の温度測定システム。
前記補正は、
前記温度分布測定装置により取得した前記光ファイバの長さ方向の温度分布を伝達関数の逆関数を用いて補正する第１の補正工程と、
前記第１の補正工程後の温度分布を前記第１の基準温度取得部で取得した温度を用いて補正する第２の補正工程と、
前記第２の補正工程後の温度分布を前記第２の基準温度取得部で測定した温度を用いて補正する第３の補正工程と、
前記第３の補正工程後の温度分布のうち各熱放出部に対応する部分の面積と前記第２の補正工程後の温度分布のうち各熱放出部に対応する部分の面積とに応じて前記第３の補正工程後の温度分布を補正する第４の補正工程とを経て行われることを特徴とする請求項２に記載の温度測定システム。
前記第４の補正工程では、前記第３の補正工程後の温度分布における各ピーク間の極小点を結ぶ線を基準に前記面積を計算することを特徴とする請求項３に記載の温度測定システム。
前記導入導出部には、前記温度測定部に導入前の光ファイバ及び前記第２の基準温度取得部から導出後の光ファイバがそれぞれ、前記温度測定装置から前記光ファイバに出力される光信号のパルス幅により決まる最小加熱長の１／２以上の長さにわたって敷設されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の温度測定システム。