JP5850051B2 - 吸着式ヒートポンプの制御方法、情報処理システム及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸着式ヒートポンプの制御方法、情報処理システム及び制御装置に関する。

近年、高度情報化社会の到来にともなって計算機で多量のデータが扱われるようになり、データセンター等の施設において多数の計算機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。例えば、データセンターでは、計算機室内に多数のラック（サーバラック）を設置し、各ラックにそれぞれ複数の計算機（サーバ）を収納している。そして、それらの計算機の稼動状態に応じて各計算機にジョブを有機的に配分し、大量のジョブを効率的に処理している。

計算機の稼動にともなって計算機から多量の熱が発生する。計算機内の温度が高くなると誤動作や故障の原因となるため、計算機を冷却することが重要になる。そのため、通常データセンターでは、計算機で発生した熱をファン（送風機）によりラックの外に排出するとともに、空調機（エアコン）を使用して室内の温度を調整している。

ところで、データセンターの全消費電力のうちの約４割が空調設備で消費されているといわれている。そこで、例えば計算機から排出される熱を吸着式ヒートポンプ（Adsorption Heat Pump:ＡＨＰ）で回収して再利用することが提案されている。

特開２００６−１４７９２４号公報 特開２００９−２２４４０６号公報

吸着剤の再生に使用する熱を供給する熱源の温度変化が大きくても吸着式ヒートポンプを効率的に稼動できる吸着式ヒートポンプの制御方法、情報処理システム及び制御装置を提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、半導体部品が搭載された複数の電子機器から排出される熱媒体を合流させて吸着式ヒートポンプに供給する吸着式ヒートポンプの制御方法であって、前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の流量を個別に調整可能な流量調整部と、前記複数の電子機器から排出される前記熱媒体の温度を個別に検出する温度センサと、制御部とを設け、前記制御部により、前記温度センサの出力に基づいて前記複数の電子機器から排出される前記熱媒体の温度が同じになるように前記流量調整部を制御するとともに、前記半導体部品の負荷率から前記吸着式ヒートポンプに供給される熱媒体の温度が予め設定された目標温度に到達する目標到達時間を予測し、その結果に応じて前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の総流量を制御する吸着式ヒートポンプの制御方法が提供される。

開示の技術の他の一観点によれば、熱媒体を移送する移送ポンプと、前記移送ポンプから移送された前記熱媒体の流路を分岐する分岐部と、前記分岐部で分岐された流路が合流する合流部と、半導体部品を搭載し、前記分岐部と前記合流部との間にそれぞれ配置されて前記熱媒体が通流する熱媒体流路を備えた複数の電子機器と、前記合流部で合流した熱媒体が供給される吸着式ヒートポンプと、前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の流量を個別に調整可能な流量調整部と、前記複数の電子機器から排出される前記熱媒体の温度を個別に検出する温度センサと、前記温度センサから信号を入力し、前記複数の電子機器から排出される前記熱媒体の温度が同じとなるように前記流量調整部を制御する制御部とを有し、前記制御部は前記半導体部品の負荷率から前記吸着式ヒートポンプに供給される熱媒体の温度が予め設定された目標温度に到達する目標到達時間を予測し、その結果に応じて前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の総流量を制御する情報処理システムが提供される。

開示の技術の更に他の一観点によれば、熱媒体を移送する移送ポンプと、前記移送ポンプから移送された前記熱媒体の流路を分岐する分岐部と、前記分岐部で分岐された流路が合流する合流部と、電子部品を搭載し、前記分岐部と前記合流部との間にそれぞれ配置されて前記熱媒体が通流する熱媒体流路を備えた複数の電子機器と、前記合流部で合流した熱媒体が供給される吸着式ヒートポンプと、前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の流量を個別に調整可能な流量調整部と、前記複数の電子機器から排出される前記熱媒体の温度を個別に検出する温度センサとを有する情報処理システムの制御装置であって、前記温度センサから信号を入力し、前記複数の電子機器から排出される前記熱媒体の温度が同じとなるように前記流量調整部を制御するとともに、前記半導体部品の負荷率から前記吸着式ヒートポンプに供給される熱媒体の温度が予め設定された目標温度に到達する目標到達時間を予測し、その結果に応じて前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の総流量を制御する制御装置が提供される。

上記一観点によれば、吸着剤の再生に使用する熱を供給する熱源の温度変化が大きくても、吸着式ヒートポンプを効率的に稼動させることができる。

図１は、吸着式ヒートポンプの一例を表した模式図である。 図２は、実施形態に係る吸着式ヒートポンプの制御方法を説明する模式図である。 図３は、電子機器から排出される熱媒体の温度に応じて電子機器を通る冷却水の流量を調整する処理を説明するフローチャートである。 図４は、吸着器に供給される熱媒体（温水）の温度に応じて吸着工程と再生工程とを切替える処理を説明するフローチャートである。 図５は、吸着器の入口側及び出口側における熱媒体の温度の経時変化を表した図である。 図６は、実施形態に係る吸着式ヒートポンプの制御方法の概要を表した図である。 図７は、電子機器に流入する熱媒体の流量が同じ場合の問題点を説明する図である。 図８は、ＣＰＵのジャンクション温度が上限値に到達したときに吸着工程と再生工程とを切替える場合の問題点を説明する図である。 図９は、実験に用いた装置の概要を説明する図である。 図１０は、サーバのＣＰＵの負荷率を１００％として、ＣＰＵのジャンクション温度Ｔｊが上限値（７５℃）を超えない条件を調べた結果を表した図である。 図１１は、ケース１〜３の実験条件をまとめて表した図である。 図１２は、ケース１のときの吸着器の入口側及び出口側における熱媒体の温度の経時変化を表した図である。 図１３は、蒸発器の冷却水コイル配管の入口側及び出口側における冷却水の温度の経時変化を表した図である。 図１４（ａ）〜（ｃ）は、ケース１のときのＣＰＵ及びヒータの表面温度の経時変化を表した図である。 図１５は、サーバ及び模擬サーバの熱媒体排出側における熱媒体の温度の経時変化を表した図である。 図１６は、ケース１〜３の各条件における冷熱生成結果を表した図である。

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、吸着式ヒートポンプの一例を表した模式図である。

図１のように、吸着式ヒートポンプ１０は、蒸発器１１と、蒸発器１１の上方に配置された凝縮器１２と、蒸発器１１と凝縮器１２との間に並列に配置された吸着器１３ａ，１３ｂとを有する。吸着式ヒートポンプ１０内の空間は、例えば１／１００気圧程度に減圧されている。

蒸発器１１には、冷却水が通る冷却水コイル配管１１ａと、冷却水コイル配管１１ａに向けて液状の冷媒（例えば水）をスプレーするスプレーノズル（図示せず）とが設けられている。

吸着器１３ａ，１３ｂ内には、それぞれ伝熱配管１４と吸着剤（デシカント）１５とが設けられている。また、吸着器１３ａと蒸発器１１との間には開閉弁１６ａが配置されており、吸着器１３ｂと蒸発器１１との間には開閉弁１６ｂが配置されている。なお、吸着剤１５には、例えば活性炭、シリカゲル又はゼオライトなどが使用される。

凝縮器１２には、冷却水が通る冷却水コイル配管１２ａが設けられている。凝縮器１２と吸着器１３ａとの間には開閉弁１７ａが配置されており、凝縮器１２と吸着器１３ｂとの間には開閉弁１７ｂが配置されている。

以下、上述の吸着式ヒートポンプ１０の動作について説明する。

ここでは、初期状態において、蒸発器１１と吸着器１３ａとの間の開閉弁１６ａ及び吸着器１３ｂと凝縮器１２との間の開閉弁１７ｂがいずれも開状態であるとする。また、蒸発器１１と吸着器１３ｂとの間の開閉弁１６ｂ及び吸着器１３ａと凝縮器１２との間の開閉弁１７ａがいずれも閉状態であるとする。

更に、一方の吸着器１３ａの伝熱配管１４には冷却水が供給され、他方の吸着器１３ｂの伝熱配管１４には電子機器から排出された熱により温められた温水が供給されるものとする。更にまた、蒸発器１１内にスプレーする冷媒として、水を使用するものとする。

蒸発器１１の冷却水コイル配管１１ａに水（液状の冷媒）をスプレーすると、蒸発器１１内が減圧されているため、冷却水コイル配管１１ａの周囲で水が容易に蒸発して、冷却水コイル配管１１ａから潜熱を奪う。これにより、冷却水コイル配管１１ａ内を通る水の温度が下がり、冷却水コイル配管１１ａから低温の冷却水が排出される。この冷却水は、例えば室内の空調や電子機器又は電源等の冷却に使用される。

蒸発器１１で発生した水蒸気（気体状の冷媒）は、開状態の開閉弁１６ａを通って吸着器１３ａ内に入る。そして、伝熱配管１４内を通る冷却水により冷却されて液体に戻り、吸着器１３ａの吸着剤１５に吸着される。

一方の吸着器１３ａで冷媒（水蒸気）を吸着剤１５で吸着する吸着工程を実施している間、他方の吸着器１３ｂでは吸着剤１５を再生（乾燥）する再生工程を実施する。すなわち、吸着器１３ｂでは、吸着剤１５に吸着されていた冷媒（水）が伝熱配管１４内を通る温水により加熱されて気体（水蒸気）になり、吸着剤１５から離脱する。この吸着剤１５から離脱した冷媒は、開状態の開閉弁１７ｂを通って凝縮器１２内に入る。

凝縮器１２内の冷却水コイル配管１２ａには冷却水が供給される。この冷却水として、吸着器１３ａから排出される冷却水を使用してもよい。吸着器１３ｂから凝縮器１２内に進入した水蒸気（気体状の冷媒）は、冷却水コイル配管１２ａの周囲で凝縮して液体となる。この液体は、ポンプ（図示せず）により蒸発器１１に移送され、冷却水コイル配管１１ａに向けてスプレーされる。

吸着器１３ａ，１３ｂは、一定時間毎に吸着工程と再生工程とを実施する。すなわち、開閉弁１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂは一定時間毎に開閉を繰り返し、吸着器１３ａ，１３ｂの各伝熱配管１４には一定時間毎に冷却水と温水とが交互に供給される。このようにして、吸着式ヒートポンプ１０が連続的に稼動する。

ところで、計算機等の電子機器を冷却した後の冷却水を温水として吸着器１３ａ，１３ｂに供給する場合、電子機器の稼動状態に応じて温水の温度が大きく変動する。このため、上述したように単に一定時間毎に吸着工程と再生工程とを切替える方式では、吸着剤１５が十分再生できないうちに吸着工程に移行したり、逆に吸着剤１５の再生が完了しているのに吸着工程に移行できないことがある。その結果、吸着式ヒートポンプ１０の稼働効率が低下する。

以下の実施形態では、温水（熱媒体）を供給する熱源の温度変化が大きくても効率的に稼動できる吸着式ヒートポンプの制御方法について説明する。

（実施形態）
図２は、実施形態に係る吸着式ヒートポンプの制御方法を説明する模式図である。なお、本実施形態においても、図１を参照して説明する。

吸着式ヒートポンプ１０は、図１のように、蒸発器１１と、凝縮器１２と、吸着器１３ａ，１３ｂとを有する。蒸発器１１には冷却水コイル配管１１ａが配置されており、凝縮器１２には冷却水コイル配管１２ａが配置されている。また、吸着器１３ａ，１３ｂには、それぞれ伝熱配管１４と吸着剤１５とが配置されている。

図２のように、吸着式ヒートポンプ１０の蒸発器１１の冷却水コイル配管１１ａは、蒸発器冷却水流路２１に接続されている。この蒸発器冷却水流路２１には、冷却水が貯留される冷却水貯留タンク３１と、冷却水貯留タンク３１と蒸発器１１との間で冷却水を循環させるポンプ３２とが設けられている。冷却水貯留タンク３１に貯留された冷却水は、例えば室内の空調や電子機器又は電源等の冷却に使用される。

凝縮器１２の冷却水コイル配管１２ａは、凝縮器冷却水流路２２に接続されている。この凝縮器冷却水流路２２には、冷却水の温度を所定温度に維持しつつ凝縮器１２との間で冷却水を循環させるチラーユニット３３が設けられている。

吸着器冷却水流路３４は、吸着器１３ａ，１３ｂに冷却水を供給する流路である。この吸着器冷却水流路３４には、冷却水の温度を一定に維持しつつ冷却水を移送するチラーユニット３５が設けられている。

また、吸着器冷却水流路３４には切替バルブ３６ａ，３６ｂが設けられている。これらの切替バルブ３６ａ，３６ｂは、制御部３０からの信号に応じて稼動し、冷却水が吸着器１３ａ，１３ｂのいずれか一方を通りチラーユニット３５に戻るように流路を切替える。

電子機器冷却水流路３７は、電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃを冷却し、それにより温度が上昇した冷却水（温水）を吸着器１３ａ，１３ｂに供給する流路である。この電子機器冷却水流路３７には、ポンプ３８と、切替バルブ３９ａ，３９ｂとが設けられている。

以下、説明の便宜上、電子機器冷却水流路３７を通る冷却水を、熱媒体ともいう。なお、熱媒体として、水以外の液体を使用してもよい。

ポンプ３８から吐出された熱媒体は、分岐部４０ａで分岐されて複数（図２では３台）の電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃ内を通り、各電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃを冷却する。そして、電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃを冷却することにより温度が上昇した熱媒体（温水）は、電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃから排出されて合流部４０ｂで合流する。

本実施形態では、電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃがいずれも計算機（情報処理装置）であるとする。また、本実施形態では、電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃにそれぞれ１又は複数のＣＰＵ（Central Processing Unit）が搭載され、それらのＣＰＵにはいずれもコールドプレートが装着されていて、コールドプレート内を熱媒体が通るものとする。ＣＰＵは半導体部品の一例であり、他の半導体部品又はその他の電子部品を熱媒体で冷却するようにしてもよい。

切替バルブ３９ａ，３９ｂは、制御部３０からの信号に応じて稼動し、合流部４０ｂで合流した熱媒体が吸着器１３ａ，１３ｂのいずれか一方を通りポンプ３８に戻るように流路を切替える。

吸着器冷却水流路３４の切替バルブ３６ａ，３６ｂと電子機器冷却水流路３７の切替バルブ３９ａ，３９ｂとは排他的に駆動される。すなわち、吸着器１３ａが吸着器冷却水流路３４に接続されているときには吸着器１３ｂが電子機器冷却水流路３７に接続され、吸着器１３ｂが電子機器冷却水流路３７に接続されているときには吸着器１３ｂが吸着器冷却水流路３４に接続される。

なお、制御部３０は、切替バルブ３６ａ，３６ｂ，３９ａ，３９ｂの切替えと同時に、吸着式ヒートポンプ１０内の開閉弁１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂの切替えも行う。

また、本実施形態では、凝縮器１２を通る冷却水をチラーユニット３３により冷却しているが、吸着工程を実施中の吸着器（吸着器１３ａ又は１３ｂ）から排出された冷却水が凝縮器１２を通りチラーユニット３５に戻るようにしてもよい。

電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃの熱媒体入口側には、それぞれ温度センサ４２ａ，４２ｂ，４２ｃと、流量調整弁（比例制御弁）４３ａ，４３ｂ，４３ｃと、流量計４４ａ，４４ｂ，４４ｃとが設けられている。なお、流量調整弁４３ａ，４３ｂ，４３ｃに替えて、流量調整可能なポンプを配置してもよい。

温度センサ４２ａ，４２ｂ，４２ｃによる熱媒体の温度測定値、及び流量計４４ａ，４４ｂ，４４ｃによる熱媒体の流量測定値は制御部３０に伝達される。また、流量調整弁４３ａ，４３ｂ，４３ｃは制御部３０からの信号により開度が変化する。各電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃには、流量調整弁４３ａ，４３ｂ，４３ｃの開度に応じた流量の熱媒体が通流する。

電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃの熱媒体出口側には、それぞれ温度センサ４５ａ，４５ｂ，４５ｃが配置されている。これらの温度センサ４５ａ，４５ｂ，４５ｃによる温度測定値も、制御部３０に伝達される。

また、各電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃ内のＣＰＵには、ジャンクション温度を検出する温度センサ４６ａ，４６ｂ，４６ｃが内蔵されており、それらの温度センサ４６ａ，４６ｂ，４６ｃによるジャンクション温度の測定値も制御部３０に伝達される。なお、ＣＰＵに内蔵された温度センサ４６ａ，４６ｂ，４６ｃに替えて、ＣＰＵの表面に温度センサを装着してもよい。

更に、本実施形態では、吸着器１３ａ，１３ｂの伝熱配管１４の入口部に、伝熱配管１４に供給される熱媒体の温度を検出する温度センサ４７ａ，４７ｂが設けられている。これらの温度センサ４７ａ，４７ｂによる温度測定値も、制御部３０に伝達される。

以下、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプの制御方法について説明する。

制御部３０は、各電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃから排出される熱媒体（温水）の温度や吸着器１３ａ，１３ｂに供給される熱媒体の温度に応じて、図３，図４に例示する処理を同時に実行する。

図３は、各電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃから排出される熱媒体の温度に応じて各電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃを通る冷却水の流量を調整する処理を説明するフローチャートである。

初期状態において、吸着器１３ａが切替バルブ３９ａ，３９ｂを介して電子機器冷却水流路３７に接続され、吸着器１３ｂが切替バルブ３６ａ，３６ｂを介して吸着器冷却水流路３４に接続されているものとする。

まず、ステップＳ１１において、制御部３０は、電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃから排出される熱媒体の温度、すなわち温度センサ４５ａ，４５ｂ，４５ｃによる温度測定値を取得する。

その後、ステップＳ１２に移行し、制御部３０は、各電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃから排出される熱媒体の温度が同じか否かを判定する。各電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃから排出される熱媒体の温度が同じ場合は、ステップＳ１１に戻って処理を続行する。

一方、ステップＳ１２において制御部３０が各電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃから排出される熱媒体の温度が同じでないと判定した場合は、ステップＳ１３に移行する。ステップＳ１３において、制御部３０は、各電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃから排出される熱媒体の温度が同じとなるように、流量調整弁４３ａ，４３ｂ，４３ｃの開度を調整する。

本実施形態では、流量調整弁４３ａ，４３ｂ，４３ｃの開度を調整する際に、制御部３０は、排出される熱媒体の温度が最も高い電子機器における熱媒体流量を基準にして流量調整弁４３ａ，４３ｂ，４３ｃの開度を決定する。

例えば、流量調整弁４３ａ，４３ｂ，４３ｃの開度を同じにしたときに、電子機器４１ａから排出される熱媒体の温度が他の電子機器４１ｂ，４１ｃから排出される熱媒体の温度よりも高いとする。この場合、制御部３０は、他の電子機器４１ｂ，４１ｃから排出される熱媒体の温度が電子機器４１ａから排出される熱媒体の温度と同じになるように、流量調整弁４３ｂ，４３ｃの開度を調整する。

このようにして各流量調整弁４３ａ，４３ｂ，４３ｃの開度を調整した後、ステップＳ１１に戻り、制御部３０は上述の処理を繰り返す。

図４は、吸着器１３ａ，１３ｂに供給される熱媒体（温水）の温度に応じて吸着工程と再生工程とを切替える処理を説明するフローチャートである。

まず、ステップＳ２１において、制御部３０は、再生工程を実施している吸着器１３ａに供給される熱媒体の温度を温度センサ４７ａから取得する。

次に、制御部３０は、ステップＳ２２において、各ＣＰＵのジャンクション温度、すなわち温度センサ４６ａ，４６ｂ，４６ｃによる温度測定値を取得する。

次に、ステップＳ２３に移行し、制御部３０は、吸着器１３ａに供給される熱媒体の温度が予め設定された目標温度に到達する時間（以下、「目標到達時間」という）を予測する。なお、目標温度は吸着剤１５を再生するのに必要な温度であり、吸着剤１５の種類に応じて設定される。

本実施形態では、目標到達時間の予測にデータベースが使用される。このデータベースは、後述の実験例で説明するように、ＣＰＵの負荷率、ＣＰＵのジャンクション温度（又は表面温度）、熱媒体の流量及び熱媒体の温度と、目標到達時間との関係を含んで作製されている。例えば、制御部３０は、各電子機器４１ａ，４１ｂ，４１ｃに搭載されたＣＰＵの負荷率のうち最も負荷率が高いＣＰＵを抽出する。そして、データベースを参照し、そのＣＰＵの負荷率から目標到達時間を予測する。

次に、ステップＳ２４に移行し、制御部３０は、吸着器１３ａに供給される熱媒体の温度が目標到達時間に目標温度となるように、且つ全ＣＰＵのジャンクション温度が前述の上限値を超えないように、ポンプ３８の吐出量（熱媒体の全流量）を調整する。ポンプ３８の吐出量の調整には、前述のデータベースが参照される。

次に、ステップＳ２５に移行し、制御部３０は吸着器１３ａに供給される熱媒体の温度が目標温度に到達したか否かを判定する。そして、判定が否の場合はステップＳ２１に戻って処理を続行する。

一方、ステップＳ２５において目標温度に到達したと判定した場合は、ステップＳ２６に移行する。そして、ステップＳ２６において、制御部３０は、吸着工程と再生工程とを切替えるべく、開閉弁１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂと切替バルブ３６ａ，３６ｂ，３９ａ，３９ｂとを駆動する。その後、ステップＳ２１に戻って、上述の処理を繰り返す。

なお、データベースを使用することにより、熱媒体の流量及び温度からＣＰＵのジャンクション温度や表面温度を推測できるため、ＣＰＵのジャンクション温度や表面温度を直接計測することなく、各流路の熱媒体の流量及び温度を計測することで、吸着工程と再生工程とを切替えることも可能である。

図５は、横軸に時間をとり、縦軸に温度をとって、吸着器１３ａ，１３ｂの入口側（ＩＮ）及び出口側（ＯＵＴ）における熱媒体の温度の経時変化を表した図である。

吸着工程から再生工程に切り替わった瞬間には、吸着器（吸着器１３ａ又は１３ｂ）の伝熱配管１４内にチラーユニット３５から供給された低温の冷却水が残っているため、電子機器４１ａ〜４１ｄには比較的低温の熱媒体（冷却水）が供給される。

この熱媒体は、電子機器４１ａ〜４１ｄと吸着式ヒートポンプ１０（吸着器１３ａ又は吸着器１３ｂ）との間を循環するうちに電子機器４１ａ〜４１ｄ内のＣＰＵ（熱源）により温められて徐々に温度が上昇する。そして、熱媒体の温度が目標温度（この例では５５℃）になると、再生工程と吸着工程とが切り替わる。

図６は、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプの制御方法の概要を表した図である。なお、ここでは説明の便宜上、電子機器冷却流路３７内に４台の電子機器４１ａ〜４１ｄが配置され、それらの電子機器４１ａ〜４１ｄの熱媒体入口側にはそれぞれ流量調整弁４３ａ〜４３ｄが配置されているものとする。

本実施形態では、ＣＰＵのジャンクション温度Ｔｊが上限値（この例では７５℃）以下であり、且つ電子機器４１ａ〜４１ｄの熱媒体出口側における熱媒体（温水）の温度が同じになるように、各流量調整弁４３ａ〜４１ｄの開度とポンプ３８の流量とを調整する。

ここでは、図６のように、電子機器４１ａの電力消費量が１５０Ｗ、電子機器４１ｂの電力消費量が１００Ｗ、電子機器４１ｃの電力消費量が５０Ｗ、電子機器４１ｄの電力消費量が０Ｗであるとする。各電子機器４１ａ〜４１ｄの電力消費量はＣＰＵ負荷率に関係し、ＣＰＵ負荷率が高いほど電力消費量が多くなる。各電子機器４１ａ〜４１ｄは、電力消費量に比例した熱を発生する。

また、電子機器４１ａに流れる熱媒体の流量が１．０Ｌ（リットル）／min、電子機器４１ｂに流れる熱媒体の流量が０．６Ｌ／min、電子機器４１ｃに流れる熱媒体の流量が０．３Ｌ／min、電子機器４１ｄに流れる熱媒体の流量が０Ｌ／minであるとする。

なお、本実施形態では、図６に例示するように、稼動していない電子機器（この例では電子機器４１ｄ）がある場合は、その電子機器の入口側と出口側とで冷却水の温度が同じになるため、流量調整弁の開度は徐々に減少して最終的に閉状態となる。

この図６に例示するように、本実施形態では、電力消費量が少ない電子機器ほど冷却水の流量を少なくして稼動中の各電子機器から排出される熱媒体の温度を同一とするので、吸着式ヒートポンプ１０に供給される熱媒体の温度の低下を抑制できる。また、本実施形態では、各ＣＰＵのジャンクション温度が上限値を超えないようにポンプ３８の吐出量を調整するので、ＣＰＵの誤動作や故障を回避することができる。

図７は、電子機器４１ａ〜４１ｄに流入する熱媒体の流量が同じ場合の問題点を説明する図である。ここでは、図６の場合と同様に、吸着式ヒートポンプ１０に供給される熱媒体の温度が５５℃に到達したときに、吸着工程と再生工程とを切替えるものとする。

この図７に例示するように、各電子機器４１ａ〜４１ｄに流入する熱媒体の流量が同じ場合、各電子機器４１ａ〜４１ｄから排出される熱媒体の温度は電子機器４１ａ〜４１ｄの稼動状態に依存する。この場合、吸着式ヒートポンプ１０に供給される熱媒体の温度が５５℃になるまで吸着工程と再生工程との切替えを行わないとすると、ＣＰＵ負荷率が高い電子機器（図７の例では電子機器４１ａ）ではＣＰＵのジャンクション温度が上限値（７５℃）を超えてしまうことがある。

図８は、ＣＰＵのジャンクション温度が上限値に到達したときに吸着工程と再生工程とを切替える場合の問題点を説明する図である。

この図８の例では、各電子機器４１ａ〜４１ｄに流入する熱媒体の流量が同じ（１．０Ｌ／minであり、複数のＣＰＵのうちの少なくとも１つがジャンクション温度の上限値（７５℃）に到達したときに、吸着工程と再生工程を切替えている。この場合、吸着式ヒートポンプ１０に供給する熱媒体の温度が十分上昇しないうちに吸着工程と再生工程とが切り替わることがある。

例えば図８の例では電子機器４１ａのＣＰＵのジャンクション温度Ｔｊが７５℃に到達したときの吸着式ヒートポンプ１０に供給される熱媒体の温度は５３．９℃である。この温度では、吸着器１３ａ，１３ｂ内の吸着剤を十分に再生（乾燥）できないことがある。

（実験例）
以下、実施形態に係る吸着式ヒートポンプの制御方法の効果を実験により確認した結果について説明する。

図９は、実験に用いた装置の概要を説明する図である。この図９において、図２と同一物には同一符号を付している。蒸発器冷却水流路２１には、図２に例示した冷却水貯留タンク及びポンプ３２に替えて、チラーユニット５１を配置している。チラーユニット５１の設定温度Ｔ_Lは１８℃、チラーユニット３３，３５の設定温度Ｔ_Mは２５℃とした。

また、実験では、電子機器として、１台のサーバ５３（富士通株式会社製RX300 S6）と、２台の模擬サーバ５４とを使用した。サーバ５３はコールドプレートを装着した２基のＣＰＵ５５を搭載しており、熱媒体はそれらのコールドプレートを順番に通ってサーバ５３の外に排出される。ＣＰＵ５５に装着したコールドプレートの熱媒体入口側及び出口側には、それぞれ熱媒体の温度を測定する温度センサ６１を配置した。また、ＣＰＵ５５とコールドプレートとの間には、ＣＰＵ５５の表面温度を測定する温度センサ６２を配置した。

一方、模擬サーバ５４には、ＣＰＵの替わりに３基のセラミックヒータ５６（坂口電熱株式会社製MS-1000）を配置し、それらのヒータ５６にもコールドプレートを装着した。熱媒体は、それらのコールドプレートを順番に通って模擬サーバ５４の外に排出される。

また、模擬サーバ５４にも、各ヒータ５６に装着したコールドプレートの熱媒体入口側及び出口側における熱媒体温度を測定する温度センサ６１と、ヒータ５６の温度を測定する温度センサ６３とを配置した。

実験に使用した吸着式ヒートポンプ１０のサイズは４５０ｍｍ×２００ｍｍ×５００ｍｍであり、その内部は１／１００気圧程度に減圧されている。

吸着式ヒートポンプ１０の蒸発器１１、凝縮器１２及び吸着器１３ａ，１３ｂ内には、サイズが１２０ｍｍ×２４０ｍｍ×３０ｍｍの熱交換器を配置した。それらの熱交換器内の配管（冷却水配管又は伝熱配管）にはフィンが１ｍｍのピッチで設けられている。吸着器１３ａ，１３ｂの熱交換器には、吸着剤として粒径が４００μｍの活性炭（株式会社クレハ製）が充填されている。また、吸着式ヒートポンプ１０内には、冷媒として４００ｇの水が充填されている。

このような装置を使用し、サーバ５３のＣＰＵ５５の負荷率を１００％として、ＣＰＵ５５のジャンクション温度Ｔｊが上限値（７５℃）を超えない条件を調べた。その結果を図１０に示す。なお、図１０において、ＣＰＵ１は熱媒体通流方向の上流側に配置されたＣＰＵであり、ＣＰＵ２は熱媒体通流方向の下流側に配置されたＣＰＵである。

図１０からわかるように、熱媒体の流量が０．７Ｌ／minではＣＰＵ２のジャンクション温度Ｔｊが上限値を超えてしまい、熱媒体の流量が１．３Ｌ／min以上ではＣＰＵ１，２のジャンクション温度Ｔｊが上限値まで到達しない。

熱媒体の流量を１．０Ｌ／minとすると、ＣＰＵ２のジャンクション温度Ｔｊが上限値に到達したときに、サーバ５３から排出される熱媒体（温水）の温度が目標温度（５５℃）となった。このときのサーバ５３の熱媒体入口側と出口側とにおける熱媒体の温度差ΔＴは１．９℃、ＣＰＵ２の表面温度は６１℃であった。また、通流開始からＣＰＵ２のジャンクション温度が上限値に到達するまでの時間は、約１３００秒であった。

この結果を基に、模擬サーバ５４の熱媒体入口側と出口側とにおける熱媒体の温度差ΔＴが１．９℃になるように、各模擬サーバ５４に流れる熱媒体の流量を制御した。そして、セラミックヒータ５６の総出力を４６０Ｗ（ケース１）、３６０Ｗ（ケース２）又は２７０Ｗ（ケース３）にして、吸着式ヒートポンプ１０を稼働した。このときの条件を、図１１にまとめて示す。

その結果、ケース１〜３の全てにおいて同様の温度履歴が得られた。図１２に、ケース１のときの吸着器１３ａ，１３ｂの入口側（ＩＮ）及び出口側（ＯＵＴ）における熱媒体の温度の経時変化を示す。また、図１３に、蒸発器１１の冷却水コイル配管１１ａの入口側（ＩＮ）及び出口側（ＯＵＴ）における冷却水の温度の経時変化を示す。

図１２からわかるように、吸着工程から再生工程に移行する場合、再生工程に移行した直後の吸着器内にはチラーユニット３５から供給された冷却水が残っている。このため、吸着工程から再生工程に移行した直後には吸着器を通る熱媒体の温度は一旦下がるが、その後ＣＰＵの発熱により温度が徐々に上昇する。そして、吸着器に流入する熱媒体の温度が目標温度（５５℃）に到達すると、再生工程を実施していた吸着器は吸着工程に移行し、吸着工程を実施していた吸着器が再生工程に移行する。

図１３から、再生工程を実施している間、蒸発器１１の冷却水コイル配管１１ａの入口側（ＩＮ）及び出口側（ＯＵＴ）で温度差が常に生じていることがわかる。これは、連続的に冷熱出力が得られていることを意味している。

図１４（ａ）〜（ｃ）に、ケース１のときのＣＰＵ及びヒータの表面温度の経時変化を示す。図１４（ｂ），（ｃ）において、ヒータ１は模擬サーバ５４（模擬サーバ１，２）に搭載された３基のヒータのうち熱媒体通流方向の上流側に配置されたヒータであり、ヒータ２は中央に配置されたヒータ、ヒータ３は下流側に配置されたヒータである。

これらの図１４（ａ）〜（ｃ）から、サーバ及び模擬サーバ１，２のいずれにおいても、熱源（ＣＰＵ又はヒータ）の表面温度が６１℃又はそれ以下に維持できていることがわかる。

図１５は、サーバ及び模擬サーバの熱媒体排出側における熱媒体の温度の経時変化を表した図である。この図１５に示すように、サーバ及び模擬サーバの熱媒体排出側の熱媒体温度は、同じように変化している。

図１６は、上述のケース１〜３の各条件における冷熱生成結果を表した図である。この図１６に示すように、熱源の出力が変わっても、すべての条件で冷熱出力が得られており、サーバ（電子機器）の出力が変動した場合でも、ジャンクション温度の上限値を超えることなく安定して冷熱出力を得ることができた。また、ケース１〜３のいずれにおいても、成績係数（ＣＯＰ）は０．５７〜０．５９と良好であった。

上述の実験結果から、図１０の流量が１．０Ｌ／minの条件、すなわちΔＴ＝１．９℃となる条件で運転すれば、電子機器から排出される温水の温度が目標温度になる時間と、ＣＰＵジャンクション温度Ｔｊが上限値になる時間とが同じになることがわかる。このときの条件を前述したデータベースとして制御部３０に記憶し、電子機器の熱媒体入口側と出口側との温度差がΔ１．９℃となるように流量調整弁４３ａ，４３ｂ，４３ｃの開度やポンプ３８の流量を調整する。これにより、吸着式ヒートポンプ１０を効率的に運転することができる。

また、例えばＣＰＵ負荷率を変えて同様の実験を行い、ＣＰＵ負荷率毎に最適条件をデータベース化して制御部３０に記憶してもよい。この場合、更にＣＰＵ負荷率のデータが制御部３０に入力されるようにしておけば、ＣＰＵ負荷率の変化に応じて吸着式ヒートポンプ１０をより一層効率的に運転することができる。

Claims (10)

1. 半導体部品が搭載された複数の電子機器から排出される熱媒体を合流させて吸着式ヒートポンプに供給する吸着式ヒートポンプの制御方法であって、
   前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の流量を個別に調整可能な流量調整部と、前記複数の電子機器から排出される前記熱媒体の温度を個別に検出する温度センサと、制御部とを設け、
   前記制御部により、前記温度センサの出力に基づいて前記複数の電子機器から排出される前記熱媒体の温度が同じになるように前記流量調整部を制御するとともに、前記半導体部品の負荷率から前記吸着式ヒートポンプに供給される熱媒体の温度が予め設定された目標温度に到達する目標到達時間を予測し、その結果に応じて前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の総流量を制御することを特徴とする吸着式ヒートポンプの制御方法。
2. 前記吸着式ヒートポンプは、液体の冷媒を気体に替える蒸発器と、前記気体の冷媒を吸着する吸着剤が配置された第１の吸着器及び第２の吸着器とを有し、
   前記制御部は、前記吸着式ヒートポンプに供給される前記熱媒体の温度が予め設定された目標温度になるたびに切替バルブを制御して、前記熱媒体を前記第１の吸着器及び前記第２の吸着器に交互に通流させることを特徴とする請求項１に記載の吸着式ヒートポンプの制御方法。
3. 前記制御部は、前記半導体部品のジャンクション温度又は表面温度が予め設定された上限値を超えないように、前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の総流量を制御することを特徴とする請求項２に記載の吸着式ヒートポンプの制御方法。
4. 前記制御部は、前記ヒートポンプに供給される前記熱媒体の温度が前記目標温度に到達するときに前記半導体部品のジャンクション温度又は表面温度が前記上限値に到達するように、前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の総流量を制御することを特徴とする請求項３に記載の吸着式ヒートポンプの制御方法。
5. 前記制御部は、前記温度センサの出力に基づいて前記複数の電子機器からそれぞれ排出される熱媒体の温度から最も高い温度を抽出して基準の温度とし、前記複数の電子機器から排出される前記熱媒体の温度が前記基準の温度となるように前記流量調整部を制御することを特徴とする請求項１に記載の吸着式ヒートポンプの制御方法。
6. 熱媒体を移送する移送ポンプと、
   前記移送ポンプから移送された前記熱媒体の流路を分岐する分岐部と、
   前記分岐部で分岐された流路が合流する合流部と、
   半導体部品を搭載し、前記分岐部と前記合流部との間にそれぞれ配置されて前記熱媒体が通流する熱媒体流路を備えた複数の電子機器と、
   前記合流部で合流した熱媒体が供給される吸着式ヒートポンプと、
   前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の流量を個別に調整可能な流量調整部と、
   前記複数の電子機器から排出される前記熱媒体の温度を個別に検出する温度センサと、
   前記温度センサから信号を入力し、前記複数の電子機器から排出される前記熱媒体の温度が同じとなるように前記流量調整部を制御する制御部とを有し、
   前記制御部は前記半導体部品の負荷率から前記吸着式ヒートポンプに供給される熱媒体の温度が予め設定された目標温度に到達する目標到達時間を予測し、その結果に応じて前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の総流量を制御することを特徴とする情報処理システム。
7. 前記吸着式ヒートポンプは、
   液体の冷媒を気体に替える蒸発器と、
   前記気体の冷媒を吸着する吸着剤が配置された第１の吸着器及び第２の吸着器とを有し、
   前記制御部は、前記合流部で合流した前記熱媒体が予め設定された目標温度になるたびに切替バルブを制御して前記熱媒体を前記第１の吸着器及び前記第２の吸着器に交互に通流させることを特徴とする請求項６に記載の情報処理システム。
8. 前記制御部は、前記半導体部品のジャンクション温度又は表面温度が予め設定された上限値を超えないように、前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の総流量を制御することを特徴とする請求項７に記載の情報処理システム。
9. 熱媒体を移送する移送ポンプと、
   前記移送ポンプから移送された前記熱媒体の流路を分岐する分岐部と、
   前記分岐部で分岐された流路が合流する合流部と、
   電子部品を搭載し、前記分岐部と前記合流部との間にそれぞれ配置されて前記熱媒体が通流する熱媒体流路を備えた複数の電子機器と、
   前記合流部で合流した熱媒体が供給される吸着式ヒートポンプと、
   前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の流量を個別に調整可能な流量調整部と、
   前記複数の電子機器から排出される前記熱媒体の温度を個別に検出する温度センサとを有する情報処理システムの制御装置であって、
   前記温度センサから信号を入力し、前記複数の電子機器から排出される前記熱媒体の温度が同じとなるように前記流量調整部を制御するとともに、前記半導体部品の負荷率から前記吸着式ヒートポンプに供給される熱媒体の温度が予め設定された目標温度に到達する目標到達時間を予測し、その結果に応じて前記複数の電子機器に供給される前記熱媒体の総流量を制御することを特徴とする制御装置。
10. 前記合流部で合流した前記熱媒体が予め設定された目標温度になるたびに切替バルブを制御して前記熱媒体を前記吸着式ヒートポンプ内の第１の吸着器及び第２の吸着器に交互に通流させることを特徴とする請求項９に記載の制御装置。

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