JPWO2014068767A1 - モジュール型データセンタとその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モジュール型データセンタとその制御方法において、電子機器の冷却不足を防止しつつ、低消費電力化を実現すること。【解決手段】第１の冷却風B1を生成するファン３ａと、第２の冷却風B2を生成する空調機５と、冷却風B1、B2とを吸気する電子機器６と、第１の冷却風B1の風量を調節して、電子機器６の温度を規定温度Tsに冷却する制御部２０とを備え、空調機５を停止させて第１の冷却風B1で電子機器６の温度を規定温度Tsに冷却する場合に想定される空調機５とファン３ａとを合わせた空調電力の第１の想定値P1が現状値P0よりも小さい場合に空調機５が停止し、空調機５を運転させて第１の冷却風B1と第２の冷却風B2とで電子機器６の温度を規定温度Tsに冷却する場合に想定される空調電力の第２の想定値P2が現状値P0よりも小さい場合に空調機５が運転するモジュール型データセンタによる。【選択図】図６

Description

本発明は、モジュール型データセンタとその制御方法に関する。

データセンタ内にはサーバ等の電子機器が設置されるが、その電子機器の冷却方法として外気を用いる方法がある。この方法では、ファンを回転させることによりデータセンタ内に外気を取り込み、熱交換器等においてその外気を冷却することなしに、当該外気そのもので各電子機器を冷却する。これによれば熱交換器等の電力が不要となり、データセンタ全体の省エネルギ化に資することができる。

しかし、夏季等のように外気温が高い場合に外気をそのまま利用したのでは各電子機器が冷却不足になるおそれがある。更に、冷却不足を防止するために冷却機能を備えた空調機を補助的に用いると、空調機の運用の仕方によっては空調機の分だけ空調に要する電力が増えてしまい、データセンタの省エネルギ化が実現できないおそれもある。

特開２００９−３００５８号公報 特開２０１０−１５６４９４号公報

モジュール型データセンタとその制御方法において、電子機器の冷却不足を防止しつつ、低消費電力化を実現することを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、筐体と、前記筐体内に設けられ、外気の温度を変えずに該外気から第１の冷却風を生成するファンと、前記筐体内に設けられ、前記外気よりも温度が低い第２の冷却風を生成する空調機と、前記筐体内に設けられ、前記第１の冷却風と前記第２の冷却風とを吸気する吸気面を備えた複数の電子機器を収容した複数のラックと、前記ファンを制御することにより前記第１の冷却風の風量を調節して、前記電子機器の温度を規定温度に冷却する制御部とを備え、前記制御部は、前記空調機を停止させて前記第１の冷却風で前記電子機器の温度を前記規定温度に冷却する場合に想定される前記空調機と前記ファンとを合わせた空調電力の第１の想定値が、該空調電力の現状値よりも小さい場合に前記空調機を停止させ、前記空調機を運転させて前記第１の冷却風と前記第２の冷却風とで前記電子機器の温度を前記規定温度に冷却する場合に想定される前記空調機と前記ファンとを合わせた空調電力の第２の想定値が該空調電力の現状値よりも小さい場合に前記空調機を運転させることを特徴とするモジュール型データセンタが提供される。

以下の開示によれば、空調機で生成された第２の冷却風が外気よりも温度が低いため、各電子機器が冷却不足になるのを防止できる。また、空調電力の第１の想定値や第２の想定値を利用することにより、空調機を速やかに運転させたり停止させたりして空調電力を削減することが可能となる。

図１は、モジュール型データセンタの内部構成を示す斜視図である。 図２は、電子機器の動作保障範囲について説明するための空気線図である 図３は、空調電力を削減するためにどのような場合に空調機を運転すべきかについて調査した調査結果を示す図である。 図４は、第１、第２実施形態に係るモジュール型データセンタの機能ブロック図である。 図５は、第１、第２実施形態で使用し得る気化式冷却装置の一部分解斜視図である。 図６は、第１実施形態に係るモジュール型データセンタの制御方法を示すフローチャートである。 図７は、第１実施形態で使用する第１のデータベースを模式的に表す図である。 図８は、第１実施形態のステップS5の処理内容を模式的に示す図である。 図９は、第２実施形態で使用する関数iを模式的に表す図である。 図１０は、第１実施形態や第２実施形態に従ってモジュール型データセンタを運用した場合における運転領域を示す図である。 図１１は、第１実施形態や第２実施形態においてモジュール型データセンタの空調電力の電力量が年間でどの程度削減できるかについて調査した調査結果を示す図である。

本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が行った検討結果について説明する。

データセンタの形態には様々なものがあるが、コンテナ内にファンユニットとラックとを収容したデータセンタはモジュール型データセンタと呼ばれる。そのモジュール型データセンタは、コンテナ内の空間のみを冷却すればよいため、冷却効率がよく省エネルギ化に有利である。

図１は、本願発明者が検討したモジュール型データセンタの内部構成を示す斜視図である。

このモジュール型データセンタ１は、筐体の一例である金属製のコンテナ２を備え、その内側にファンユニット３と、これに対向する複数のラック４と、空調機５とが設けられる。

コンテナ２は、第１〜第３の側面２ｘ、２ｙ、２ｚを有する直方体状であって、第１の側面２ｘとこれに隣接する第２の側面２ｙの各々に外気Aを取り込むための第１及び第２の吸気口２ａ、２ｂを有し、第３の側面２ｚに排気口２ｃを有する。

なお、第１の吸気口２ａの形状は特に限定されず、複数の孔の集合体で第１の吸気口２ａを形成してもよいし、第１の吸気口２ａとして単一の開口を形成してもよい。これについては第２の吸気口２ｂや排気口２ｃについても同様である。

ファンユニット３は、データセンタ１が動作している間は常に運転状態にあり、第１の吸気口２ａから取り込まれた外気Aから第１の冷却風B1を生成するための複数のファン３ａを有する。

ファンユニット３の消費電力を抑えるために、ファンユニット３には外気Aを冷却するための熱交換器等の冷却機構が設けられておらず、第１の冷却風B1は外気Aの温度を変えずに当該外気Aそのものから生成される。

空調機５は、上記の第２の吸気口２ｂから取り込まれた外気Aを冷却して第２の冷却風B2を生成する。第２の冷却風B2は、空調機５によってファン３ａの上流に供給された後、ファン３ａによって各電子機器６に導かれる。ファンユニット３とは異なり、空調機５はこのように外気Aを冷却する機能を有するため、第２の冷却風B2の温度は外気Aのそれよりも低くなる。

空調機５の種類は特に限定されない。例えば、パッケージエアコンや気化式冷却装置を空調機５として使用し得る。このうち、気化式冷却装置は、外気Aを冷却するだけでなく、外気Aを加湿してコンテナ２内の湿度を調整できる点でパッケージエアコンよりも有利である。

ラック４は、コンテナ２の幅方向に並べて複数台設置されると共に、上記の冷却風B1、B2によって空冷されるサーバ等の電子機器６を複数備える。各電子機器６は、各冷却風B1、B2を吸気するための吸気面６ａを有しており、吸気面６ａから取り込まれた各冷却風B1、B2によって各電子機器６が冷却される。そして、冷却後に暖められた排気流Eは、各電子機器６の排気面６ｂから排出された後、コンテナ２の排気口２ｃから外部に逃がされる。

なお、コンテナ２内においてファンユニット３と排気口２ｃとの間の空間は、複数のラック６が設置されるサーバ室８として供される。また、コンテナ２内においてファンユニット３と第１の吸気口２ａとの間の空間は、上記の外気Aや第２の冷却風B2が供給される空調室９として供される。

このデータセンタ１においては、上記のように外気Aそのものから生成した第１の冷却風B1の他に、空調機５において外気Aを冷却することにより生成された第２の冷却風B2も用いて各電子機器６を冷却する。よって、夏季等のように第１の冷却風B1のみでは各電子機器６を十分に冷却するのが難しい場合でも、第２の冷却風B2を併用することで電子機器６が冷却不足になるのを防止することができる。

図２は、各電子機器の動作保障範囲について説明するための空気線図である。この空気線図は、等相対湿度線をプロットしたものであり、その横軸は乾球温度を示し、縦軸は絶対湿度を示す。

以下では、外気Aの温度Tは乾球温度で測るものとし、外気Aの湿度Hは相対湿度で測るものとする。図２における複数の点は、東京における外気の乾球温度と相対湿度の実測値である。

各電子機器６には、その動作を保証する乾球温度の温度範囲T₁〜T₂と相対湿度の湿度範囲H₁〜H₂が設定されるが、この温度範囲と湿度範囲の内側の領域を図２では動作保証領域Sで示している。

以下では、例えば、温度範囲T₁〜T₂を１０℃〜３５℃とし、湿度範囲H₁〜H₂を１０％〜８５％とする。その温度範囲T₁〜T₂の下限温度T₁と上限温度T₂は、電子機器６内の不図示のCPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphical Processing Unit)等の演算ユニットが正常に動作できる限界温度である。また、湿度範囲H₁〜H₂の下限湿度H₁は、乾燥した空気に起因する静電気で電子機器６がダメージを受ける凡その湿度であり、上限湿度H₂は、高湿の空気が原因の結露が電子機器６に生じるおそれのある湿度である。

外気Aの温度Tと湿度Hとを座標点とする状態点Pがこの動作保証範囲S内にある場合には外気Aをそのまま利用して電子機器６を空冷することができる。よって、この場合は、空調機５を停止させ、第２の冷却風B2を使用せずに第１の冷却風B1のみで各電子機器６を冷却すればよい。

一方、夏季等において、外気Aの温度Tが動作保障範囲Sの上限温度T₂よりも高い場合には、空調機５を運転して外気Aよりも低温の第２の冷却風B2も生成する。これにより、第１の冷却風B1と第２の冷却風B2との混合気流の状態点が動作保障範囲S内に収まり、各電子機器６が冷却不足になるのを防止できる。

また、外気Aの湿度Hが動作保障範囲Sの下限湿度H₁よりも低い場合にも、空調機５を運転して外気Aよりも加湿された第２の冷却風B2を生成することで、各電子機器６を加湿すればよい。但し、外気Aの湿度Hが下限湿度H₁よりも低い場合であっても、外気Aの温度Tが下限温度T₁よりも低いときには、空調機５を運転することで各冷却風B₁、B₂の温度が下限温度T₁よりも更に低下するので、この場合は空調機５を停止する。

図２においては、上記のように空調機５を運転させる領域にハッチングを掛け、当該領域を運転領域Qとして示している。そして、その運転領域Qと動作保障領域Sとの境目にある上限温度T₂が、空調機５を運転させる閾値温度の一つとなる。

よって、外気Aの温度Tが上限温度T₂よりも高い場合には空調機５を運転させることになるが、各電子機器６の実際の温度は第１の冷却風B1の風量にも依存する。例えば、外気Aの温度Tが同一であっても、第１の冷却風B1の風量が多い方が電子機器６はよく冷え、第１の冷却風B1の風量が小さいと電子機器６は冷却不足になるおそれがある。

更に、電子機器６の稼働率が高い場合にも、電子機器６自身の発熱量が多くなるため、第１の冷却風B1の風量を多くしないと電子機器６を十分に冷却できないおそれがある。

したがって、電子機器６の温度をコントロールするには、上記のように空調機５を運転するだけでは不十分であり、ファン３ａの回転数を制御して第１の冷却風B1の風量を調節することにより電子機器６を所定の温度に冷却する必要がある。

電子機器６をどの程度の温度に冷却するかは特に限定されない。以下では、各電子機器６が熱暴走を起こす温度を規定温度T_sとして予め設定しておき、電子機器６の温度がこの規定温度T_sを超えないようにファン３ａの回転数を制御する。

ファン３ａの消費電力は、第１の冷却風B1の風量の３乗に概ね比例する。よって、各電子機器６の稼働率や外気Aの温度Tの上昇に伴い第１の冷却風B1の風量を増大させるとファンユニット３の消費電力は急激に上昇する。

しかも、この例では空調機５を用いているため、その空調機５とファンユニット３の各々の消費電力によってデータセンタ１の省エネルギ化が阻まれるおそれがある。

一方、空調機５は外気Aよりも低温の第２の冷却風B2を生成するので、空調機５を併用すると、第１の冷却風B1のみで電子機器６を冷却する場合よりも電子機器６を規定温度T_sに冷却するのに要する第１の冷却風B1は少なくなるとも考えられる。そのため、空調機５の運用の仕方によっては、ファンユニット３と空調機５とを合わせた空調電力P₀が、ファンユニット３のみを運転する場合よりも小さくなるとも考えられる。

本願発明者は、上記の空調電力P₀を低減するためには、どのような場合に空調機５を運転すべきかについて調査した。

その調査結果を図３に示す。

図３は、各電子機器６の稼働率を固定したときに、各電子機器６を規定温度T_sに冷却するのに要する空調電力P₀と、外気Aの温度Tとの関係を示すグラフである。

この調査では、ファンユニット３のみを運転した場合のグラフIと、ファンユニット３と空調機５とを運転した場合のグラフIIを取得した。なお、グラフIにおける空調電力P₀はファンユニット３のみの消費電力であり、グラフIIにおける空調電力P₀はファンユニット３と空調機５の各々の消費電力の総和である。

図３に示すように、各グラフI、IIにはそれらが交わる交点Aがある。そして、温度Tが交点Aの温度T_xよりも低い場合には、ファンユニット３のみを運転した方が空調電力P₀が低い。そして、温度Tが温度T_xよりも高い場合には、ファンユニット３と空調機５の両方を運転した方が空調電力P₀が低い。

この結果より、空調電力P₀を低減するには、交点Aの温度T_xを基準にして空調機５を運転させるか否かを判断するのが好ましいことが明らかとなった。その交点Aの温度T_xは、図２に示した上限温度T₂とは必ずしも一致しない。よって、上限温度T₂を基準にして空調機５の運転を判断したのでは、空調電力P₀を無駄に消費するおそれがあり、データセンタ１の省エネルギ化には不利である。

以下、本実施形態について説明する。

（第１実施形態）
本実施形態では、図１のモジュール型データセンタ１を以下のように制御してその消費電力を削減する。

図４は、モジュール型データセンタ１の機能ブロック図である。なお、この機能ブロック図は、モジュール型データセンタ１内の機能ブロック同士の機能的な繋がりを模式的に示すものであり、各機能に対応する構成要素の実際の配置とは異なる部分がある。

図４に示すように、本実施形態では、モジュール型データセンタ１に制御部２０、温度センサ２１、湿度センサ２２、電源線２３、及び配電盤２４を設ける。

このうち、制御部２０としては、専用のコンピュータを用いてもよいし、複数の電子機器６（図１参照）のうちの一つを用いてもよい。

制御部２０は、ファンユニット３に対して第１の制御信号S₁を出力することにより、各ファン３ａの回転数を調節して第１の冷却風B1の風量を制御し、各電子機器６をその規定温度T_sにまで冷却する。なお、ファン３ａの回転数の調節方法は特に限定されないが、各電子機器６の実温度を制御部２０が監視し、その実温度に応じてリアルタイムにファン３ａの回転数を制御するのが好ましい。

また、制御部２０は、空調機５に対して第２の制御信号S₂を出力することにより、空調機５から出る第２の冷却風B2の風量を制御する。

空調機５としては、パッケージエアコンや気化式冷却装置を使用し得る。

図５は、空調機５として使用し得る気化式冷却装置の一部分解斜視図である。

空調機５は、高分子複合ファイバを成型してなる吸水性のエレメント１０と、エレメント１０に水Wを滴下するノズル１２と、ノズル１２への水Wの供給を制御する電磁弁１１と、複数のファン１３（図１参照）とを備える。

その空調機５には開口５ａが設けられており、ファン３１を回転させることにより開口５ａと第２の吸気口２ｂ（図１参照）とを介して外気Aが空調機５内に取り込まれる。その外気Aはエレメント１０に含まれた水Wに直接当たり、これにより水Wの蒸発潜熱によって外気Aが冷却されると共に外気Aが加湿され、温度と湿度とが調節された第２の気流B2を生成することができる。

このような気化式冷却装置では外気Aを冷却するための熱交換器が不要であるため、熱交換器を利用するパッケージエアコンと比較して省エネルギ化に有利である。

再び図４を参照する。

電源線２３は、外部からデータセンタ１内に電力を供給するのに使用され、データセンタ１内の分電盤２４において三つに分岐する。分岐先の一つはファンユニット３に接続され、ファンユニット３内の全てのファン３ａでの消費電力が第１の電力計２５で監視される。また、電源線２３の分岐先のもう一つは空調機５に接続され、その空調機５の消費電力が第２の電力計２６で監視される。そして、電源線２３の分岐先の残りは複数の電子機器６の各々に接続される。

上記した第１の電力計２５は、ファンユニット３において現在消費されている電力を第１の電力情報S_fとして制御部２０に出力する。一方、第２の電力計２６は、空調機５において現在消費されている電力を第２の電力情報S_cとして制御部２０に出力する。

また、温度センサ２１と湿度センサ２２は、第１の吸気口２ａ等の近傍において外気Aに曝される位置に設けられており、それぞれ外気Aの温度Tと湿度Hとを測定してそれらを温度情報S_T及び湿度情報S_Hとして制御部２０に出力する。

更に、制御部２０には、複数の電子機器６の各々から第１の稼働率情報Sφが入力される。第１の稼働率情報Sφは、各電子機器６の稼働率φ₀を示す情報であって、電子機器６ごとに出力される。稼働率φ₀は特に限定されないが、例えば、電子機器６が有するCPUやGPU等の演算処理ユニットの稼働率を上記の稼働率φ₀として採用し得る。

また、制御部２０には、空調機５の稼働率θを示す第２の稼働率情報Sθが空調機５から入力される。

空調機５が気化式冷却装置の場合、現状の稼働率θは、ファン１３で達成し得る最大消費電力と現状のファン１３の消費電力との比の百分率である。一方、空調機５としてパッケージエアコンを用いる場合には、パッケージエアコンで達成し得る最大出力と、現状の熱交換器とファンにおける消費電力との比の百分率が現状の稼働率θとなる。

制御部２０は、上記した温度情報S_T、湿度情報S_H、第１及び第２の稼働率情報Sφ、Sθに基づいて、これらの情報の各々に対応するパラメータT、H、φ₀、及びθをリアルタイムに取得することができる。

そして、これらのパラメータに基づき、制御部２０は、第１のデータベース３１や第２のデータベース３２を参照して、モジュール型データセンタ１の空調電力を削減するのに空調機５を停止すべきか運転すべきかを判断する。

なお、第１のデータベース３１と第２のデータベース３２は、モジュール型データセンタ１の外部に設けてもよいし、制御部２０自身が保持してもよい。また、これらのデータベース３１、３２の内容については後述する。

次に、本実施形態に係るモジュール型データセンタの制御方法について、図４や図６等を参照して説明する。

図６は、本実施形態に係るモジュール型データセンタの制御方法を示すフローチャートである。

最初のステップS1では、空調機５とファンユニット３とを合わせた空調電力の現状値P₀を取得する。本ステップは、制御部２０が上記の第１の電力情報S_fと第２の電力情報S_cとを用い、空調機５とファンユニット６の各々の電力の和を求めることで行い得る。

次に、ステップS2に移り、空調機５が停止しているか否かを制御部２０が判断する。本ステップは、第２の稼働率情報Sθに基づいて制御部２０が空調機５の稼働率θを求め、その稼働率θが０の場合には空調機５が停止しており、稼働率θが０でない場合には空調機５は停止していないと判断することにより行われる。

ここで、空調機５は停止していない（NO）と判断された場合にはステップS3に移る。

そのステップS3においては、空調機５を停止させて第１の冷却風B1のみで電子機器６の温度を既述の規定温度T_sに冷却する場合に想定される空調機５とファンユニット３とを合わせた空調電力の第１の想定値P₁を算出する。

このように空調機５を停止せた場合、第１の想定値P₁に含まれる電力は、ファンユニット３の消費電力P_1Fのみであるため、P₁ = P_1Fとなる。

ここで、外気温度Tが高い場合や各電子機器６の稼働率φ₀が大きい場合には、各電子機器６をその規定温度T_sに冷却するのに要する第１の冷却風B1の風量も多くなるため、消費電力P_1Fも増大する。

消費電力P_1Fは、このように外気温度Tと稼働率φ₀に依存する。稼働率φ₀は電子機器６ごとに異なる値となるが、本実施形態では複数の稼働率φ₀を代表する一つの代表値φを用い、適当な関数fを用いてP_1F=f(T、φ)と表す。なお、代表値φとしては、複数の稼働率φ₀の平均値や最大値を採用し得る。

関数fは、Tとφが与えられたときに、各電子機器６の温度を規定温度T_sに冷却するのに要する空調電力の第１の想定値P₁を与えるものであって、上記した第１のデータベース３１の一例である。

図７は、この第１のデータベース３１を模式的に表す図である。

図７における各曲線は上記の関数fをグラフで表したものであり、そのグラフの横軸は外気Aの温度Tであり、縦軸は空調電力の第１の想定値P₁である。

なお、図７では、値が順に大きくなる代表値φ₁、φ₂、φ₃のそれぞれに対応する三つのグラフを示している。これらのグラフは、シミュレーションにより取得したり、実際にモジュール型データベース１を運転して実験したりすることにより取得することができる。

このような第１のデータベース３１を参照することにより、制御部２０は、現状のT、φに対応する第１の想定値P₁を取得することができる。

なお、第１のデータベース３１は、図６のようなグラフに限定されず、各値T、φ、P₁を格納したテーブルでもよい。

一方、図５のステップS2において空調機５は停止している（YES）と判断された場合にはステップS4に移る。

本ステップでは、空調機５を運転させて第１の冷却風B1と第２の冷却風B2の両方で電子機器６の温度を既述の規定温度T_sに冷却する場合に想定される空調機５とファンユニット３を合わせた空調電力の第２の想定値P₂を以下のように算出する。

空調機５を運転させた場合、第２の想定値P₂は、ファンユニット３の消費電力P_2Fと空調機５の消費電力P_2Cとの和に等しい。

但し、空調機５を運転することで、外気Aよりも低温の第２の冷却風B2が各電子機器６に供給されるようになり、吸気面６ａの温度が外気Aの温度Tよりも低下する。その低下分をT_Cとすると、吸気面６ａの温度はT−T_Cとなるため、ファンユニット３の消費電力P_2Fは、既述の関数fを用いてP_2F=f(T−T_C、φ)で表すことができる。

その温度低下T_Cは、空調機５の稼働率θが小さい場合には小さくなると考えられる。また、外気Aの温度Tによっては、温度低下T_Cが小さくなると考えられる。また、空調機５として図５のような気化式冷却装置を使用する場合には、外気Aの湿度Hが高く水の蒸発が進まないときには温度低下T_Cが小さくなると考えらえる。

このように、温度低下T_Cは各パラメータθ、T、Hに依存するので、本実施形態では適当な関数hを用いて温度低下T_CをT_C=h(T、H、θ)で表すことにする。関数hの形は、シミュレーションにより取得したり、実際にモジュール型データベース１を運転して実験したりすることにより取得することができる。

この関数hを用いると、ファンユニット３の消費電力P_2Fは、P_2F=f(T−h(T、H、θ)、φ)で表すことができる。

一方、空調機５の消費電力P_2Cは、空調機５の稼働率θが小さい場合には小さくなる。また、外気Aの温度Tや湿度Hの如何によっては水の蒸発潜熱が得にくくなるため消費電力P_2Cが変化すると考えられる。このように、消費電力P_2CはT、H、θに依存するため、本実施形態では適当な関数gを用いて消費電力P_2CをP_2C = g(T、H、θ)と表すことにする。

この関数gの形は、シミュレーションにより取得したり、実際にモジュール型データセンタ１を運転して実験したりすることにより取得することができる。

以上により、空調電力の第２の想定値P₂は、P_2F＋P_2C = f(T−h(T、H、θ)、φ)＋g(T、H、θ)となり、この式を利用して第２のデータベース３２には各パラメータT、H、θ、φに対応した第２の想定値P₂が予め格納される。なお、空調機５として水の蒸発潜熱を利用しないパッケージエアコンを用いる場合には、空調機５の消費電力P_2Cは外気Aの湿度Hには依存しないため、第２のデータベース３２から湿度Hを省いてよい。

そして、制御部２０が、第２のデータベース３２を参照し、与えられた各パラメータT、H、θ、φに対応する第２の想定値P₂を読み出すことにより、本ステップS4を実行し得る。

ここで、上記の関数fにおいては既述のように吸気面６ａの温度低下T_cが考慮されているため、第２のデータベース３２として使用する関数fは当該温度低下T_cを考慮して補正されていることになる。そのため、本実施形態では、温度低下T_cを加味しながら将来予想される第２の想定値P₂を正確に求めることができる。

上記のようにしてステップS3又はステップS4が終了した後は、図６のステップS5に移る。

ステップS5においては、制御部２０が、空調電力の現状値P₀と第１の想定値P₁との大小関係と、空調電力の現状値P₀と第２の想定値P₂との大小関係を判断する。

ここで、第１の想定値P₁は、空調機５を停止させた場合に想定される空調機５とファンユニット３とを合わせた空調電力の想定値である。よって、本ステップにおいて第１の想定値P₁が現状値P₀よりも小さい（P₁＜P₀）と判断された場合には、空調機５を停止させた方が現状よりも空調電力を削減できることになる。そこで、P₁＜P₀と判断された場合には、制御部２０が空調機５を停止させる。

一方、第２の想定値P₂は、空調機５を運転させた場合に想定される空調機５とファンユニット３とを合わせた空調電力の想定値である。よって、本ステップにおいて第２の想定値P₂が現状値P₀よりも小さい（P₂＜P₀）と判断された場合には、空調機５を運転させた方が現状よりも空調電力を削減できることになる。そこで、P₂＜P₀と判断された場合には、制御部２０が空調機５を運転させる。

図８は、ステップS5の処理内容を模式的に示す図である。図８においては、第１のデータベース３１と第２のデータベース３２の各々をテーブルで模式的に表している。

第１のデータベース３１は、外気Aの温度Tと各電子機器６の稼働率の代表値φに空調電力の第１の想定値P₁を対応させてなるが、図８ではテーブルの項目として外気Aの温度Tと湿度Hを設定し、代表値φを項目から省いている。なお、湿度Hを項目に設定したのは、テーブルの形を形式的に第２のデータベース３２に合わせるためである。

また、第２のデータベース３２は、温度T、湿度H、代表値φ、及び空調機５の稼働率θに空調電力の第２の想定値P₂を対応させてなるが、図７では温度Tと湿度Hのみをテーブルの項目に設定し、それ以外の項目は省略している。これらの項目を省略したのは、テーブルの形を形式的に第１のデータベース３１に合わせるためである。

図８の第１のデータベース３１に示すように、現状の温度Tが２８℃で湿度Hが７０％のとき、第１の想定値P₁は１．１８６kWである。よって、現状において空調機５を運転しており、かつ、空調電力の現状値P₀が１．１８６kW（= P₁）以上のときは、空調機５を停止することで現状におけるよりも空調電力が削減される。

また、第２のデータベース３２によれば、現状の温度Tが２８℃で湿度Hが７０％のとき、第２の想定値P₂は１．３７８kWである。よって、現状において空調機５を停止しており、かつ、空調電力の現状値P₀が１．３７８kW（= P₂）以上のときは、空調機５を運転することで現状におけるよりも空調電力が削減される。

同様に、現状の温度Tが３１℃で湿度Hが２０％のときも、空調電力の現状値P₀を第１の想定値P₁（１．５４９kW）や第２の想定値P₂（１．２３５kW）と比較することで空調機５の運転の要否を決定する。

この後は、数秒程度の時間間隔で上記の制御を繰り返すことにより、ステップS5における空調機５の運転の要否判断を継続的に行い、モジュール型データセンタ１の低消費電力化を図るようにする。

以上により、本実施形態に係るモジュール型データセンタ１の制御方法の基本ステップを終了する。

上記した本実施形態によれば、ステップS5において、空調電力の想定値P₁、P₂を現状値P₀と比較することで空調機５の運転の要否判断を行うので、将来を予測しながら速やかに空調機５を停止させたり運転させたりすることができる。

更に、第１のデータベース３１や第２のデータベース３２を参照してその判断を行うため、実際に空調機５を停止したり運転させたりした後の空調電力を測定する必要がなく、空調機５の運転の要否を迅速に判断することができる。

特に、これらのデータベース３１、３２の項目に電子機器６の稼働率の代表値φを用いることで、規定温度T_sに冷却するのに要する第１の冷却風B1の風量が稼働率によって逐次変動するサーバ等の電子機器６を迅速に冷却することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、図６のステップS4において、第２のデータベース３２を参照することにより、空調機５（図１参照）とファンユニット３の両方を運転したときに想定される空調電力の第２の想定値P₂（= P_2F+P_2C）を算出した。

このように空調機５を運転すると、ファンユニット３の上流側に第２の冷却風B2が供給されるようになり、空調機５が停止している場合と比較して各ファン３ａの静圧が変動する。

本実施形態では、その静圧の変動を考慮して第２のデータベース３２を以下のように補正する。そして、補正後の第２のデータベース３２を用いて、図６のフローチャートに従ってモジュール型データセンタ１（図１参照）を運用する。

上記したファン３ａの静圧は、ファン３ａの上流側と下流側の圧力差として定義される。ファン３ａが回転している状態では、外気Aを吸引するファン３ａの上流側の圧力が下流側におけるよりも低くなるが、空調機５を運転して第２の冷却風B2を生成するとファン３ａの上流側の圧力が増大し、ファン３ａの静圧は低減する。

その結果、ファンユニット３ａは、空調機５を運転する前よりも低い消費電力でも、空調機５を運転する前と同一の風量の第１の冷却風B1を生成して、第２の冷却風B2と協同して各電子機器６をその規定温度T_sに冷却することができる。

ファン３ａの静圧は、このようにファンユニット３の消費電力P_2Fに影響を与える。以下では、ファン３ａの静圧の変動を加味して消費電力P_2Fを補正した値をP'_2Fで表す。P'_2Fは、各電子機器６をその規定温度T_sに冷却するのに要するファンユニット３の消費電力P_2Fを、ファン３ａの静圧を考慮して補正した値である。

P'_2Fは、空調機５の稼働率θと補正前の消費電力P_2Fとに依存すると考えられるため、適当な関数iを用いてP'_2F = i(P_2F,θ)と表すことができる。

関数iは、ファン３ａの静圧風量特性を用いて決定してもよいし、実際にデータセンタ１を運用して実験により求めてもよい。

図９は、上記の関数iを模式的に表す図である。

図９における各曲線は上記の関数iをグラフで表したものであり、そのグラフの横軸は空調機５の稼働率θであり、縦軸は補正後のファンユニット３の消費電力P'_2Fである。

なお、図９では、値が順に大きくなる補正前の消費電力P_2F1、P_2F2、P_2F3のそれぞれに対応する三つのグラフを示している。

第１実施形態では、第２の想定値P₂をP₂=P_2F+P_2Cにより求めたが、上記のように消費電力P_2Fを補正した結果、本実施形態では第２の想定値P₂をP₂=P'_2F+P_2Cにより求める。この式を第１実施形態の関数f、g、hと上記の関数iを用いて表すと、P₂=P'_2F+P_2C= i(P_2F,θ)+ P_2C=i(f(T−h(T,x,θ),φ),θ)+g(T,x,θ)となる。この式は、T、x、θ、φから第２の想定値P₂を求める第２のデータベース３２に相当し、関数iを用いたことでファン３ａの静圧の変動が加味されている。

本実施形態では、図６のステップS4においてこの第２のデータベース３２を参照することで、現状のT、x、θ、φから第２の想定値P₂を求めることができる。

以上説明した本実施形態によれば、空調機５を運転させた場合に想定されるファン３ａの静圧の変動を考慮して第２のデータベース３２を補正するので、静圧を加味しながら将来予想される第２の想定値P₂を正確に求めることができる。

（実験結果）
次に、本願発明者が行った実験について説明する。

図２においては、空調機５を運転させる閾値温度の一つとして、動作保障領域Sの上限温度T₂を採用した。

この調査では、第１実施形態や第２実施形態に従ってデータセンタ１を運用することにより、空調機５を運転させる運転領域Qが低温側にどの程度広がるのかが調査された。

なお、調査に使用したコンテナ２の大きさは、奥行きが３４７４．６mm、幅が２３３１．６mm、高さが２７６９．７mmである。また、空調機５としては、停止と運転のどちらか一方のみの動作が可能な気化式冷却装置を用いた。このような空調機５では、その稼働率θは０％か１００％のいずれか一方の値のみをとる。更に、外気Aの温度Tと湿度Hの値によらず、空調機５の消費電力P_2Cの値を、P_2C＝g(T、H、０％)=０kW、及びP_2C＝g(T、H、１００％)=０．３５kWの二値に固定した。

図１０は、上記の条件で第１実施形態や第２実施形態に従ってモジュール型データセンタ１を運用した場合における運転領域Qを示す図である。なお、図１０において、図２で説明したのと同じ要素には図１０におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図１０に示すように、第１実施形態や第２実施形態に従ってモジュール型データセンタ１を運用すると、空調機５を運転させる運転領域Qは領域Rにまで拡大できた。

その領域Rは、空調機５を停止させるよりも運転させた方がファンユニット３と空調機５との空調電力が低減される領域である。また、外気Aの湿度Hが低いほど、空調機５を運転できる領域Rが低温側に広がり、外気Aの温度Tが２７℃のときに空調機５を運転しても図２の場合よりも空調電力が削減できることが明らかとなった。

このような空調電力の削減効果は空調機５の空調能力が高いほど高くなり、第１、第２実施形態では、外気Aの温度Tが３４．５℃で湿度Hが１０％の高温、低湿度の環境下で空調電力が図２の場合よりも３８．２％削減できた。

本願発明者は、第１実施形態や第２実施形態に従ってモジュール型データセンタ１を運用すると、そのデータセンタ１の空調電力の電力量が年間でどの程度削減できるかについても調査した。

その調査結果を図１１に示す。

この調査では、温暖湿潤気候にある東京と、砂漠気候にあるアメリカのフェニックスにモジュール型データセンタ１を設置した場合の各々について、当該データセンタ１の年間の空調電力の電力量が見積もられた。

空調機５として用いられる気化式冷却装置は、水の蒸発潜熱により外気Aを冷却するので、水の蒸発が促される乾燥気候のフェニックスでは東京よりも長時間運用されると考えられる。

第１、第２実施形態を適用せずに、図２のように上限温度T₂を基準にして空調機５の運転の要否を判断する比較例においては、空調機５の年間の運転時間は東京では１３時間であり、フェニックスでは１１５７時間であった。

一方、第１、第２実施形態に従ってモジュール型データセンタ１を運用すると、空調機５の運転時間が東京では２４４時間追加され、フェニックスでは１９９４時間追加された。第１、第２実施形態では、上記のように現状よりも空調電力が低減できると判断された場合にのみ空調機５を運転するため、このように空調機５を運転する時間が長くなるほど空調電力の削減効果が高まることになる。

その結果、図１１に示すように、空調電力の電力量の年間の削減量は東京で３５kWh、フェニックスで６６６kWhとなった。これにより、ファンユニット３と空調機５とを合わせた電力量が年間で東京では０．５％、フェニックスでは６．５％削減できることが明らかとなった。

特許文献１：特開２００９−３０００５８号公報
特許文献２：特開２０１０−１５６４９４号公報

その空調機５には開口５ａが設けられており、ファン１３を回転させることにより開口５ａと第２の吸気口２ｂ（図1参照）とを介して外気Aが空調機５内に取り込まれる。その外気Aはエレメント１０に含まれた水Wに直接当たり、これにより水Wの蒸発潜熱によって外気Aが冷却されると共に外気Aが加湿され、温度と湿度とが調節された第２の気流B2を生成することができる。

このように空調機５を停止させた場合、第１の想定値P₁に含まれる電力は、ファンユニット３の消費電力P_1Fのみであるため、P₁ = P_1Fとなる。

なお、第１のデータベース３１は、図７のようなグラフに限定されず、各値T、φ、P₁を格納したテーブルでもよい。

一方、図６のステップS2において空調機５は停止している（YES）と判断された場合にはステップS4に移る。

その結果、ファンユニット３は、空調機５を運転する前よりも低い消費電力でも、空調機５を運転する前と同一の風量の第１の冷却風B1を生成して、第２の冷却風B2と協同して各電子機器６をその規定温度T_sに冷却することができる。

Claims (10)

1. 筐体と、
   前記筐体内に設けられ、外気の温度を変えずに該外気から第１の冷却風を生成するファンと、
   前記筐体内に設けられ、前記外気よりも温度が低い第２の冷却風を生成する空調機と、
   前記筐体内に設けられ、前記第１の冷却風と前記第２の冷却風とを吸気する吸気面を備えた複数の電子機器を収容した複数のラックと、
   前記ファンを制御することにより前記第１の冷却風の風量を調節して、前記電子機器の温度を規定温度に冷却する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記空調機を停止させて前記第１の冷却風で前記電子機器の温度を前記規定温度に冷却する場合に想定される前記空調機と前記ファンとを合わせた空調電力の第１の想定値が、該空調電力の現状値よりも小さい場合に前記空調機を停止させ、
   前記空調機を運転させて前記第１の冷却風と前記第２の冷却風とで前記電子機器の温度を前記規定温度に冷却する場合に想定される前記空調機と前記ファンとを合わせた空調電力の第２の想定値が該空調電力の現状値よりも小さい場合に前記空調機を運転させることを特徴とするモジュール型データセンタ。
2. 前記制御部は、
   複数の前記電子機器の稼働率の代表値と前記外気の温度とに前記第１の想定値を対応させてなる第１のデータベースを参照することにより、現状の前記代表値と前記温度に対応する前記第１の想定値を求め、
   複数の前記電子機器の前記稼働率の前記代表値、前記空調機の稼働率、及び前記外気の温度に前記第２の想定値を対応させてなる第２のデータベースを参照することにより、現状の前記代表値、前記空調機の前記稼働率、及び前記温度に対応する前記第２の想定値を求め、
   前記第１のデータベースと前記第２のデータベースを参照して求めた前記第１の想定値と前記第２の想定値とを用いて、前記空調機を停止させるか運転させるかを判断することを特徴とする請求項１に記載のモジュール型データセンタ。
3. 前記第２のデータベースが、前記空調機を運転させた場合に想定される前記吸気面の温度低下を考慮して補正されたことを特徴とする請求項２に記載のモジュール型データセンタ。
4. 前記第２のデータベースが、前記空調機を運転させた場合に想定される前記ファンの静圧の変動を考慮して補正されたことを特徴とする請求項２に記載のモジュール型データセンタ。
5. 前記空調機は、外気を水に当てることにより前記第２の冷却風を生成することを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載のモジュール型データセンタ。
6. 前記第２のデータベースは、複数の前記電子機器の前記稼働率の前記代表値、前記空調機の前記稼働率、前記外気の温度、及び前記外気の湿度に前記第２の想定値を対応させてなることを特徴とする請求項５に記載のモジュール型データセンタ。
7. 外気の温度を変えずにファンにより該外気から生成された第１の冷却風と、空調機により生成されて前記外気よりも温度が低い第２の冷却風とを複数の電子機器の各々の吸気面に吸気させることにより前記電子機器を冷却し、
   前記空調機と前記ファンとを合わせた空調電力の現状値を取得し、
   前記空調機を停止させて前記第１の冷却風で前記電子機器の温度を規定温度に冷却する場合に想定される前記空調機と前記ファンとを合わせた空調電力の第１の想定値を算出し、
   前記空調機を運転させて前記第１の冷却風と前記第２の冷却風とで前記電子機器の温度を前記規定温度に冷却する場合に想定される前記空調機と前記ファンとを合わせた空調電力の第２の想定値を算出し、
   前記第１の想定値が前記現状値よりも小さい場合に前記空調機を停止させ、
   前記第２の想定値が前記現状値よりも小さい場合に前記空調機を運転させることを特徴とするモジュール型データセンタの制御方法。
8. 前記第１の想定値の算出は、複数の前記電子機器の稼働率の代表値と前記外気の温度とに前記第１の想定値を対応させてなる第１のデータベースを参照して、現状の前記代表値と前記温度に対応する前記第１の想定値を求めることにより行われ、
   前記第２の想定値の算出は、複数の前記電子機器の前記稼働率の前記代表値、前記空調機の稼働率、及び前記外気の温度に前記第２の想定値を対応させてなる第２のデータベースを参照して、現状の前記代表値、前記空調機の前記稼働率、及び前記温度に対応する前記第２の想定値を求めることにより行われることを特徴とする請求項７に記載のモジュール型データセンタの制御方法。
9. 前記第２のデータベースが、前記空調機を運転させた場合に想定される前記吸気面の温度低下を考慮して補正されたことを特徴とする請求項８に記載のモジュール型データセンタの制御方法。
10. 前記第２のデータベースが、前記空調機を運転させた場合に想定される前記ファンの静圧の変動を考慮して補正されたことを特徴とする請求項８に記載のモジュール型データセンタの制御方法。
    

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