JP6517171B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、空調システムに関する。

例えば、特許文献１に記載の空調システムでは、ＣＰＵ温度に関連するパラメータ（吸込み温度）が上限温度を超えている場合には設定温度を下げる制御を行い、上限温度を超えていない場合には空調効率を高める方向に変更している。

特開２０１４−２１４９４４号公報

特許文献１に記載の空調システムに比べて、更に消費電力を低減することが可能な空調システムを提供することを目的とする。

本願では、ＣＰＵを冷却するための電動ファンを有する情報通信技術用機器（）が設置されたサーバ室内の空調を行う空調システムにおいて、サーバ室内に冷風を供給する空調装置（４）と、電動ファン（１Ａ）の消費電力を検出する消費電力検出部（Ｓ１）と、空調装置（４）で生成する冷房能力を制御する制御装置（７）であって、省動力モードにて空調装置（４）を制御可能な制御装置（７）とを備え、消費電力検出部（Ｓ１）により検出された消費電力をファン消費電力（Ｗｆ）とし、予め設定された電動ファン（１Ａ）についての目標消費電力を目標ファン電力（Ｗｔｆ）としたとき、省動力モードは、ファン消費電力（Ｗｆ）が目標ファン電力（Ｗｔｆ）より大きい場合には冷房能力を増大させ、ファン消費電力（Ｗｆ）が目標ファン電力（Ｗｔｆ）以下の場合には冷房能力を減少させる制御モードである。

これにより、省電力モードの実行時において、制御装置（７）は、ファン消費電力（Ｗｆ）が目標ファン電力（Ｗｔｆ）となるように冷房能力を制御する。したがって、本願に係る空調システムでは、更に消費電力を低減することが可能となる。

因みに、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的構成等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記括弧内の符号に示された具体的構成等に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る空調システムの概念図である。 本発明の実施形態に係る空調システムの制御系ブロック図である。 本発明の実施形態に係る空調システムの制御を示すフローチャートである。 外気温度をパラメータとして、ＩＣＴ吸込温度とサーバ室の消費電力との関係を示すグラフである。 設定温度と空調装置の消費電力との関係を示すグラフである。 ＩＣＴ吸込温度とＩＣＴ装置の消費電力との関係を示すグラフである。

以下に説明する「発明の実施形態」は、本願発明の技術的範囲に属する実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的構成や構造等に限定されるものではない。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、各図に付された方向を示す矢印等は、各図相互の関係を理解し易くするために記載したものである。本発明は、各図に付された方向に限定されるものではない。

少なくとも符号を付して説明した部材又は部位は、「複数」や「２つ以上」等の断りをした場合を除き、少なくとも１つ設けられている。
（第１実施形態）
１．空調システムの構成
本実施形態は、通信機器室やサーバ室等（以下、サーバ室という。）の空調を行う空調システムに本発明を適用したものである。サーバ室には、図１に示すように、少なくとも１台の情報通信技術用機器（以下、ＩＣＴ装置という。）１及び少なくとも１台の室内空調機３等が設置されている。

室内空調機３は、サーバ室内に冷風を供給してサーバ室内の空気を冷却することにより、当該空気を介して各ＩＣＴ装置１を冷却する。室内空調機３は、室外空調機５等と共に空調装置４を構成する。室外空調機５は、室内空調機３にて吸熱した熱を室外に放熱する。

つまり、空調装置４は、サーバ室から回収した熱を室外に放出して冷熱を生成する。本実施形態に係る空調装置４では、サーバ室の床から室内に冷風を供給し、ＩＣＴ装置１から熱を回収して温度が上昇した温風を天井から吸引している。

因みに、本実施形態に係る空調装置４は、室内空調機３と室外空調機５との間でフロン等の冷媒を循環させて冷房能力を発揮する蒸気圧縮式冷凍機により構成された個別分散方式の空調装置である。つまり、１つ又は複数の室内空調機３により構成されたグループ毎に、熱源機である冷凍機が設けられている。

各ＩＣＴ装置１は、情報処理を実行する演算ユニット（以下、ＣＰＵという。）、及びＣＰＵに室内空気を供給する電動式の冷却ファン１Ａ（図２参照）を有する。当該冷却ファン１Ａは、ＣＰＵに供給する室内空気の温度（以下、ＩＣＴ吸込温度という。）を温度上昇に応じて送風量が増加させる。

ＣＰＵに供給する室内空気の温度は、ＩＣＴ装置１が有する温度センサＳ３（図２参照）にて検出される。各ＩＣＴ装置１には、各冷却ファン１Ａの回転数を制御するファン制御部（図示せず。）が設けられている。

つまり、冷却ファン１Ａは、当該温度センサＳ３の検出温度を利用してファン制御部により制御され、空調装置４の制御装置７からの直接的な制御指令を受けることなく稼働する。なお、各ファン制御部は、冷却ファン１Ａの回転数を示す信号（以下、ファン周波数ともいう。）を外部に出力可能である。

制御装置７は、空調装置４が発揮する冷房能力を制御する。制御装置７は、図２に示すように、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を有するコンピュータにて構成されたものであって、ＲＯＭ等の不揮発性記憶部に予め記憶されたプログラム（ソフトウェア）に従って空調装置４の作動を制御する。

制御装置７には、ＩＣＴ装置１が有する温度センサＳ３から信号、消費電力検出部Ｓ１及び吹出空気温度検出部Ｓ２からの出力信号が入力されている。消費電力検出部Ｓ１は、冷却ファン１Ａの消費電力を検出するための検出部である。以下、消費電力検出部Ｓ１にて検出された消費電力をファン消費電力Ｗｆという。

本実施形態に係る消費電力検出部Ｓ１は、冷却ファン１Ａの回転数を利用してファン消費電力Ｗｆを検出する。すなわち、ファン消費電力Ｗｆは、冷却ファン１Ａの回転数の上昇に応じて上昇し、かつ、冷却ファン１Ａの回転数の降下に応じて降下する。

そこで、本実施形態では、冷却ファン１Ａの回転数、つまりファン周波数をファン消費電力Ｗｆを示す値として利用している。なお、冷却ファン１Ａが複数ある場合、本実施形態では、それら冷却ファン１Ａで消費されるファン消費電力Ｗｆの合計値をファン消費電力Ｗｆとしている。

吹出空気温度検出部Ｓ２は、室内空調機３から吹き出す空気、つまり冷風の温度（以下、冷風温度Ｔｃという。）を検出する。なお、本実施形態に係る吹出空気温度検出部Ｓ２は、サーミスター等の温度センサにて構成されたものである。

２．制御装置の制御作動
２．１ 設定温度制御
制御装置７は、冷風温度Ｔｃが設定温度Ｔｓｅｔとなるように、空調装置４の冷房能力を増減又は維持する。設定温度Ｔｓｅｔは、制御目標温度であって、特定の空気温度（例えば、２７℃）、又は当該特定の温度を含む所定範囲の空気温度（例えば、２５℃〜２９℃）をいう。

そして、制御装置７は、冷風温度Ｔｃが設定温度Ｔｓｅｔより高い場合には、冷房能力を現時の冷房能力より増大させる。制御装置７は、冷風温度Ｔｃが設定温度Ｔｓｅｔより低い場合には、冷房能力を現時の冷房能力より減少させる。制御装置７は、冷風温度Ｔｃが設定温度Ｔｓｅｔであるときは、現時の冷房能力を維持する。

２．２ 省動力モード制御
＜省動力モードの概要＞
制御装置７は、省動力モードを用いた空調制御が実行可能である。省動力モードは、ファン消費電力Ｗｆが目標ファン電力Ｗｔｆより大きい場合には冷房能力を増大させ、ファン消費電力Ｗｆが目標ファン電力Ｗｔｆより小さい場合には冷房能力を減少させる制御モードである。なお、ファン消費電力Ｗｆが目標ファン電力Ｗｔｆであるときは、現時の冷房能力が維持される。

つまり、制御装置７は、省電力モードの実行時においては、ファン消費電力Ｗｆが目標ファン電力Ｗｔｆとなるように、設定温度Ｔｓｅｔを変更又は維持して冷房能力を制御する。

具体的には、制御装置７は、省電力モードの実行時においては、ファン消費電力Ｗｆが目標ファン電力Ｗｔｆより大きい場合には設定温度Ｔｓｅｔを低下させ、ファン消費電力Ｗｆが目標ファン電力Ｗｔｆより小さい場合には設定温度Ｔｓｅｔを上昇させる。ファン消費電力Ｗｆが目標ファン電力Ｗｔｆであるときは、現時の設定温度Ｔｓｅｔが維持される。

目標ファン電力Ｗｔｆとは、予め設定された冷却ファン１Ａについての目標消費電力である。本実施形態に係る目標ファン電力Ｗｔｆは、「ＩＣＴ装置１の仕様であって、冷却ファン１Ａの下限回転数時の消費電力」に相当する電力、又は当該電力を含む所定範囲の電力である。なお、「〜相当する電力」とは、現実の下限回転数時の消費電力は勿論、試験結果や過去の実績に基づく経験値等も含む意味である。

制御装置７は、温度センサＳ３が検出した温度、つまりＩＣＴ吸込温度が予め設定された上限温度Ｔｓｕ以下となるように、省動力モードを実行する。上限温度Ｔｓｕは、ＩＣＴ装置１の製造メーカ等により予め決められた温度であって、ＩＣＴ装置１を正常稼働可能な上限温度である。

したがって、制御装置７は、ファン消費電力Ｗｆが目標ファン電力Ｗｔｆ以下であっても、ＩＣＴ吸込温度が上限温度Ｔｓｕである場合には、現時の設定温度Ｔｓｅｔを維持又は低下させる。

さらに、制御装置７は、予め設定された上限温度Ｔｓｅｔｕ以下の範囲で設定温度Ｔｓｅｔを上昇又は降下させる。上限温度Ｔｓｅｔｕは、上限温度Ｔｓｕに基づいて決定される温度である。

具体的には、ＩＣＴ吸込温度は、（ａ）冷風温度Ｔｃより高く、かつ、（ｂ）ＩＣＴ装置１が設置された箇所によって異なる。つまり、上限温度Ｔｓｅｔｕは、ＩＣＴ装置１を正常稼働可能な上限温度であって、上記（ａ）及び（ｂ）が加味された温度である。

＜省動力モード制御フローの一例＞
図３は、省動力モード制御フローの一例を示している。当該制御フローでは、冷却ファン１Ａの回転数をファン消費電力Ｗｆとみなしている。このため、冷却ファン１Ａの下限回転数時の消費電力が目標ファン電力Ｗｔｆに相当する。

省動力モードが実行されると、制御装置７は、冷却ファン１Ａの回転数を取得した後（Ｓ１）、当該取得した回転数が冷却ファン１Ａの下限回転数（最小回転数）であるか否かを判定する（Ｓ３）。

制御装置７が、取得した回転数が冷却ファン１Ａの下限回転数（最小回転数）であると判定した場合には（Ｓ３：ＹＥＳ）、制御装置７は設定温度Ｔｓｅｔを予め設定された温度ΔＴｕだけ上昇させる（Ｓ５）。

次に、制御装置７は、冷却ファン１Ａの回転数が増加したか否かを判定する（Ｓ７）。制御装置７が冷却ファン１Ａの回転数が増加したと判定した場合に（Ｓ７：ＹＥＳ）、制御装置７は、設定温度Ｔｓｅｔを予め設定された温度ΔＴｄ１だけ低下させる（Ｓ９）。

上昇幅温度である温度ΔＴｕと低下幅温度である温度ΔＴｄ１とは、同一の値又は異なる値のうちいずれであってもよい。なお、本実施形態では、温度ΔＴｕと温度ΔＴｄ１とは同一の値である。

Ｓ３にて制御装置７が取得した回転数が冷却ファン１Ａの下限回転数（最小回転数）でないと判定した場合には（Ｓ３：ＮＯ）、制御装置７は、設定温度Ｔｓｅｔを予め設定された温度ΔＴｄ２だけ低下させる（Ｓ１１）。温度ΔＴｄ２は、温度ΔＴｄ１と同一の値又は異なる値のうちいずれであってもよい。本実施形態では同一の値である。

＜室内空調機が同一サーバ室内に複数設置されている場合＞
同一サーバ室内に複数の室内空調機３が設置されている場合、制御装置７は、特定のＩＣＴ装置１（冷却ファン１Ａ）と関連性が高い室内空調機３の設定温度Ｔｓｅｔを変更することにより、当該ＩＣＴ装置１についての省動力モードを実行する。「関係性が高い」とは、例えば、以下の手法により判断される。

すなわち、制御装置７は、室内空調機３から吹き出す冷風温度変化に対するＩＣＴ吸込温度の変化の割合が大きいほど「当該室内空調機３と当該ＩＣＴ装置１との関係性が高い」と判断する。

同一サーバ室内に、複数の室内空調機３及び仕様の異なる複数種類のＩＣＴ装置１が設置されている場合であって、ＩＣＴ装置１毎に目標ファン電力Ｗｔｆが異なる場合、制御装置７は、目標ファン電力Ｗｔｆ毎に適切な設定温度Ｔｓｅｔを設定して省動力モードを実行する。

つまり、本実施形態に係る制御装置７は、（ａ）複数の室内空調機３の中から対象となるＩＣＴ装置１と関連性が高い室内空調機３を選択し、（ｂ）その選択された室内空調機３の設定温度Ｔｓｅｔを変更制御することにより、対象となるＩＣＴ装置１についての省動力モードを実行する。

なお、特定の室内空調機３が複数のＩＣＴ装置１と関連性が高い場合には、制御装置７は、省費電力効果が高いと見込まれるＩＣＴ装置１との関連性を優先した省動力モードを実行する。省費電力効果とは、ファン消費電力Ｗｆ及び空調装置４の消費電力の低下量が大きい場合、又は当該消費電力の値が小さい場合等をいう。

３．本実施形態に係る空調装置の特徴
制御装置７は、省電力モードの実行時においては、ファン消費電力Ｗｆが目標ファン電力Ｗｔｆとなるように冷房能力を制御する。したがって、本実施形態に係る空調システムでは、更に消費電力を低減することが可能となる。

すなわち、ＩＣＴ吸込温度を下げるには、冷房能力を増大させて冷風温度Ｔｃを低下させる必要がある。つまり、ＩＣＴ吸込温度を下げると、空調装置４の消費電力が増大する可能性が高い（図５参照）。

ＩＣＴ装置１の消費電力は、主にＣＰＵ等での消費電力と冷却ファン１Ａの消費電力（ファン消費電力Ｗｆ）との和である。ＩＣＴ吸込温度が下がると、少なくとも、冷却ファン１Ａの回転数が低下して冷却ファン１Ａの消費電力が低下する。

図４は、外気温度をパラメータとして、ＩＣＴ吸込温度とサーバ室の消費電力との関係を示す実験結果である。サーバ室の消費電力は、主にＩＣＴ装置１の消費電力（以下、ＩＣＴ電力という。）と空調装置４の消費電力（以下、空調電力という。）の和である。

当該実験結果が示すように、ＩＣＴ吸込温度が特定の温度（以下、特定温度という。）付近になると、外気温度によらず、サーバ室の消費電力が最小となる。つまり、図４に示す実験結果は、「設定温度Ｔｓｅｔを上昇させて空調装置４の冷房能力を低下させても、サーバ室の消費電力が低下しない場合がある」ことを示している。

換言すれば、ＩＣＴ吸込温度が特定温度より高い温度域では、ＩＣＴ電力の減少量が空調電力の増大量を上回るため、サーバ室の消費電力が低下する。ＩＣＴ吸込温度が特定温度より低い温度域では、ＩＣＴ電力の減少量が空調電力の増大量を下回るため、サーバ室の消費電力が増大する。

少なくともファン消費電力Ｗｆは、下限回転数時の消費電力を下回ることはない（図６参照）。そして、ＩＣＴ電力のうちファン消費電力Ｗｆが占める割合が比較的大きいため、ＩＣＴ吸込温度が特定温度となっているときは、冷却ファン１Ａが下限回転数で回転していると推定可能である。

そこで、本実施形態では、目標ファン電力Ｗｔｆを「ＩＣＴ装置１の仕様であって、冷却ファン１Ａの下限回転数時の消費電力」に相当する電力等として定義し、省電力モードの実行時においては、ファン消費電力Ｗｆが目標ファン電力Ｗｔｆとなるように冷房能力を制御する。したがって、本実施形態に係る空調システムでは、更に消費電力を低減することが可能となる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、温度センサＳ３から信号を利用してＩＣＴ吸込温度を検出した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、ＩＣＴ装置１の空気吸込口近傍に温度センサを配設し、当該温度センサを利用してＩＣＴ吸込温度を検出してもよい。

上述の実施形態では、目標ファン電力Ｗｔｆを「ＩＣＴ装置１の仕様であって、冷却ファン１Ａの下限回転数時の消費電力」に相当する電力等として定義した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、サーバ室の消費電力が最小となるときの目標ファン電力Ｗｔｆを予め実験や数値シミレーション等により求め、その求め値を目標ファン電力Ｗｔｆとしてもよい。

上述の実施形態に係る空調装置４は、個別分散方式の空調装置であった。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、水等の媒体を介して１台の熱源機から複数の室内空調機に冷熱を分配供給する中央方式の空調装置４であってもよい。

上述の実施形態に係る空調装置４は、サーバ室内から吸熱した熱を外気に放熱する空調装置であった。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、サーバ室内から吸熱した熱を地下水や地中に放熱してもよい。

上述の実施形態に係る消費電力検出部Ｓ１は、冷却ファン１Ａの回転数を利用してファン消費電力Ｗｆを検出した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、冷却ファン１Ａへの通電電流値を利用してファン消費電力Ｗｆを検出してもよい。

上述の実施形態に係る設定温度Ｔｓｅｔは、冷風温度Ｔｃを意図するものであった。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
すなわち、例えば、室内空調機３に吸い込まれる室内空気の温度、つまりＩＣＴ装置１を冷却した後の温風の温度を設定温度Ｔｓｅｔとしてもよい。なお、温風の温度を設定温度Ｔｓｅｔとした場合、具体的な設定温度Ｔｓｅｔは、冷風温度Ｔｃを設定温度Ｔｓｅｔとした場合に比べて高い温度となる。

１… ＩＣＴ装置
１Ａ… 冷却ファン
３… 室内空調機
４… 空調装置
５… 室外空調機
７… 制御装置
Ｓ１… 消費電力検出部
Ｓ２… 吹出空気温度検出部
Ｓ３… 温度センサ

Claims (4)

1. ＣＰＵを冷却するための電動ファンを有する情報通信技術用機器が設置されたサーバ室内の空調を行う空調システムにおいて、
   前記サーバ室内に冷風を供給する空調装置と、
   前記電動ファンの消費電力を検出する消費電力検出部と、
   前記空調装置で生成する冷房能力を制御する制御装置とを備え、
   前記消費電力検出部により検出された消費電力をファン消費電力とし、予め設定された前記電動ファンについての目標消費電力を目標ファン電力としたとき、
   前記制御装置は、前記ファン消費電力が前記目標ファン電力より大きい場合には前記冷房能力を増大させ、前記ファン消費電力が前記目標ファン電力より小さい場合には前記冷房能力を減少させる制御モード（以下、省動力モードという。）を実行可能である空調システム。
2. 前記ＣＰＵに送風される冷風の温度を検出する冷風温度検出部を備え、
   前記制御装置は、前記冷風温度検出部が検出した温度が予め設定された上限温度以下となるように、前記省動力モードを実行する請求項１に記載の空調システム。
3. 前記制御装置は、制御目標温度である設定温度を上昇又は降下させることにより前記冷房能力を増減させており、
   さらに、前記制御装置は、予め設定された上限温度以下の範囲で前記設定温度を上昇又は降下させる請求項１又は２に記載の空調システム。
4. 前記消費電力検出部は、前記電動ファンの回転数を利用して前記ファン消費電力を検出する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の空調システム。