WO2014037988A1 - 温度管理システム - Google Patents

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WO2014037988A1
WO2014037988A1 PCT/JP2012/072417 JP2012072417W WO2014037988A1 WO 2014037988 A1 WO2014037988 A1 WO 2014037988A1 JP 2012072417 W JP2012072417 W JP 2012072417W WO 2014037988 A1 WO2014037988 A1 WO 2014037988A1
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temperature
unit
idle state
control
value
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PCT/JP2012/072417
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雅俊 小川
浩史 遠藤
裕幸 福田
近藤　正雄
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富士通株式会社
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    • H05K7/20536—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for racks or cabinets of standardised dimensions, e.g. electronic racks for aircraft or telecommunication equipment
    • H05K7/207—Thermal management, e.g. cabinet temperature control
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    • H05K7/20836—Thermal management, e.g. server temperature control
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D10/00—Energy efficient computing, e.g. low power processors, power management or thermal management

Definitions

  • the present invention relates to a temperature management system.
  • the computer By the way, the computer generates a large amount of heat as it operates. If the temperature inside the computer rises, it may cause a malfunction or failure. Therefore, cooling air is taken into the rack using a cooling fan, and the heat generated inside the computer is discharged outside the rack.
  • the data center consumes a large amount of power, and reduction of power consumption is required from the viewpoint of energy saving.
  • the power consumption increases and the reduction of the power consumption cannot be achieved.
  • An object of the present invention is to provide a temperature management system that can suppress a decrease in control performance due to reset windup and that can efficiently cool electronic devices such as computers.
  • a plurality of electronic devices whose calorific values change according to an operating state
  • a temperature detection unit that individually detects temperatures of the plurality of electronic devices, and the plurality of electronic devices are cooled.
  • a control unit that controls the cooling device according to the output of the temperature detection unit, the control unit is an idle state determination unit that determines whether or not the electronic device is in an idle state
  • An operation amount calculation unit that includes an integrator and calculates an operation amount from a difference between a target value and a control amount, and corrects the accumulated value of the integrator to a predetermined value when the idle state determination unit determines an idle state.
  • a temperature management system having an accumulated value correction unit is provided.
  • the accumulated value of the integrator is corrected to a predetermined value in the idle state, so that it is possible to suppress a decrease in control performance due to reset windup, and to cool the electronic device stably and appropriately.
  • FIG. 1 is a schematic top view showing an example of a data center to which the temperature management system according to the first embodiment is applied.
  • FIG. 2 is a schematic side view of the data center.
  • FIG. 3 is a schematic top view showing an example in which the outside air is introduced into the outside air introduction unit via the evaporative cooling device in the data center.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating the temperature management system according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a functional block diagram illustrating the configuration of the control unit.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an idle state determination map stored in the idle state determination map storage unit.
  • FIG. 7 is a flowchart (part 1) illustrating the temperature management method by the temperature management system according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic top view showing an example of a data center to which the temperature management system according to the first embodiment is applied.
  • FIG. 2 is a schematic side view of the data center.
  • FIG. 3 is a schematic top view showing an example in which
  • FIGS. 9A and 9B are diagrams showing an example (comparative example) of temperature management by a conventional method using PID control.
  • 10A and 10B are diagrams illustrating an example of temperature management by the temperature management system according to the first embodiment.
  • FIGS. 11A and 11B are diagrams showing an example (comparative example) of temperature management by the conventional method in a situation where observation noise is applied.
  • FIGS. 12A and 12B are diagrams illustrating an example of temperature management by the temperature management system according to the first embodiment in a situation where observation noise is applied.
  • FIG. 13 is a block diagram illustrating a temperature management system according to the second embodiment.
  • FIG. 14 is a functional block diagram illustrating the configuration of the control unit of the temperature management system according to the second embodiment.
  • FIG. 15 is a flowchart (No. 1) illustrating a temperature management method by the temperature management system according to the second embodiment.
  • FIG. 16 is a flowchart (part 2) illustrating the temperature management method by the temperature management system according to the second embodiment.
  • FIG. 17 is a functional block diagram illustrating the configuration of the control unit of the temperature management system according to the third embodiment.
  • FIG. 18 is a flowchart (part 1) illustrating a temperature management method by the temperature management system according to the third embodiment.
  • FIG. 19 is a flowchart (part 2) illustrating the temperature management method by the temperature management system according to the third embodiment.
  • 20A and 20B are diagrams illustrating an example of temperature management by the temperature management system according to the third embodiment in comparison with the conventional method.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating an example of a data center that does not introduce outside air into a room.
  • reset windup occurs in which the deviation between the target value and the controlled variable is excessively accumulated in the integrator of the PID control unit when the computer is in an idle state. Because of this reset windup, even after the computer shifts from the idle state to the operating state, the control does not function until the deviation accumulated excessively in the integrator disappears.
  • reset windup occurs when the control amount shifts to a condition where the control amount cannot follow the target value, or when the target value is set in a range where the control amount cannot follow under a certain condition.
  • FIG. 1 is a schematic top view showing an example of a data center to which the temperature management system according to the first embodiment is applied
  • FIG. 2 is a schematic side view of the data center.
  • a modular data center that cools a computer (server) using outside air is described as an example.
  • 1 and 2 includes a rectangular parallelepiped container (housing) 10, a cooling fan unit 12 disposed in the container 10, and a plurality of racks 13. Each rack 13 stores a plurality of computers 14.
  • the intake port 11a is provided on one of the two surfaces of the container 10 facing each other, and the exhaust port 11b is provided on the other side.
  • a partition plate 15 is disposed on the space between the cooling fan unit 12 and the rack 13.
  • the cooling fan unit 12 is provided with a plurality of cooling fans 12a. Furthermore, the intake port 11a and the exhaust port 11b are provided with a rainwater intrusion prevention plate for preventing rainwater from entering, and an insect screen for preventing insects and the like from entering. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a cooling fan unit 12 is provided for each rack 13.
  • the space in the container 10 is divided into an outside air introduction section 21, a cold aisle 22, a hot aisle 23, and a warm air circulation path 24 by a cooling fan unit 12, a rack 13, and a partition plate 15.
  • the outside air introduction portion 21 is a space between the intake port 11a and the cooling fan unit 12
  • the cold aisle 22 is a space between the cooling fan unit 12 and the rack 13
  • the hot aisle 23 is the rack 13 and the exhaust port 11b. It is a space between.
  • the rack 13 is arranged such that the cold aisle 22 side surface is the intake surface and the hot aisle 23 side surface is the exhaust surface.
  • the warm air circulation path 24 is a space above the rack 13 and the partition plate 15, and communicates between the hot aisle 23 and the outside air introduction unit 21.
  • the warm air circulation path 24 is provided with a damper 17 for adjusting the circulation amount of the warm air.
  • a vaporization type cooling device that lowers the temperature of the air introduced into the external introduction part 21 using the heat of vaporization of water when the outside air temperature is high. 16 is provided.
  • the cooling fan 12a of the cooling fan unit 12 rotates, and air (outside air) is introduced into the outside air introduction part 21 through the intake port 11a. Then, the air introduced into the outside air introduction unit 21 moves to the cold aisle 22 via the cooling fan unit 12 and further enters the rack 13 from the intake surface of the rack 13 to cool each computer 14.
  • the air (warm air) whose temperature has been increased by cooling the computer 14 is discharged from the exhaust surface of the rack 13 to the hot aisle 23 and discharged from the exhaust port 11b to the outdoors.
  • the damper 17 When the outside air temperature is high, the damper 17 is closed so that warm air does not move from the hot aisle 23 to the outside air introduction section 21.
  • the outside air temperature When the outside air temperature is higher, water is supplied to the vaporization type cooling device 16, and the outside air is introduced into the outside air introduction unit 21 via the vaporization type cooling device 16 as shown in FIG.
  • the outside air passes through the evaporative cooling device 16, the water evaporates and takes heat of vaporization, so that air having a temperature lower than the outside air temperature is introduced into the outside air introduction unit 21.
  • the damper 17 is opened. As a result, part of the warm air returns from the hot aisle 23 to the outside air introduction portion 21 via the warm air circulation path 24, and the temperature of the air introduced into the rack 13 rises.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the temperature management system according to the first embodiment.
  • the temperature management system includes a temperature sensor 32 that individually detects the temperature of the CPU 14 a of each computer 14, and a temperature sensor 33 that detects the temperature of air on the intake surface side of the rack 13. And a control unit 30, a target value setting unit 31, and a cooling fan unit 12.
  • the computer 14 is an example of an electronic device
  • the temperature sensor 32 is an example of a temperature detection unit
  • the cooling fan unit 12 is an example of a cooling device.
  • the temperature sensor 32 is formed in the same chip as the CPU 14a, and transmits the temperature of the CPU 14a to the control unit 30 via a communication device (not shown) provided in the computer 14.
  • transmission / reception of signals between the control unit 30 and the computer 14 is performed via UDP (User Datagram Protocol) communication.
  • UDP User Datagram Protocol
  • communication between the control unit 30 and the computer 14 is not limited to UDP communication.
  • a temperature sensor arranged in the same chip as the CPU 14a is used as the temperature sensor 32.
  • a temperature sensor arranged in close contact with the package of the CPU 14a may be used.
  • the control unit 30 includes, for example, a microcomputer, an FPGA (Field-Programmable Gate Array) or a PLC (Programmable Logic Controller).
  • a dedicated program may be read into a specific computer 14 in the rack 13 and used as the control unit 30.
  • a target value for the CPU temperature is set.
  • the target value may be any temperature that is lower than the allowable upper limit temperature of the CPU 14a, and can be changed according to the operation status of the CPU 14a.
  • the initial value of the target value is 80 ° C.
  • the control unit 30 controls the cooling fan unit 12 according to the outputs of the temperature sensors 32 and 33 and the target value set in the target value setting unit 31. Details of the operation of the control unit 30 will be described later.
  • FIG. 5 is a functional block diagram illustrating the configuration of the control unit 30.
  • the control unit 30 includes an operation amount calculation unit 40, an idle state determination map storage unit 41, a high level temperature calculation unit 42, a control amount smoothing unit 43, an idle state determination unit 44, The accumulated value correction unit 45, the upper / lower limit restriction unit 54, the operation amount smoothing unit 55, and the control signal generation unit 56 are included.
  • the manipulated variable calculator 40 includes calculators 40a and 40b, a proportional manipulated variable calculator 51, a differential manipulated variable calculator 52, and an integral manipulated variable calculator 53.
  • the proportional operation amount calculation unit 51 includes a proportional gain setting unit 46.
  • the differential manipulated variable calculator 52 includes a differential gain setting unit 47 and a differentiator 48.
  • the integral operation amount calculation unit 53 includes an integral gain setting unit 49 and an integrator 50.
  • the idle state determination map storage unit 41 stores an idle state determination map indicating the relationship between the temperature of the air on the intake surface side of the rack 13 and the reference temperature in the idle state of the CPU 14a.
  • An example of the idle state determination map stored in the idle state determination map storage unit 41 is shown in FIG.
  • the intake air temperature Tc (the temperature of the air on the intake surface side of the rack 13) and the reference temperature Ta (CPU temperature) in the idle state is shown for each data number. Are listed.
  • the high level temperature calculation unit 42 inputs the CPU temperature of each computer 14 from the temperature sensor 32, extracts the CPU temperature exceeding the reference value as will be described later, and outputs it to the idle state determination unit 44 and the control amount smoothing unit 43. To do.
  • the control amount smoothing unit 43 smoothes the CPU temperature input from the high level temperature calculation unit 42 and outputs it to the operation amount calculation unit 40.
  • the idle state determination unit 44 inputs the temperature of the air on the intake surface side of the rack 13 via the temperature sensor 33 and also inputs the CPU temperature via the high level calculation unit 42. Then, the idle state determination unit 44 determines whether or not the CPU 14a is in the idle state using the input data and the idle state determination map stored in the idle state determination map storage unit 41.
  • the determination result by the idle state determination unit 44 is transmitted to the accumulated value correction unit 45.
  • the accumulated value correcting unit 45 corrects the accumulated value of the integrator 50 in the operation amount calculating unit 40 as described later.
  • the calculator 40a of the operation amount calculation unit 40 calculates the difference between the target value set in the target value setting unit 31 and the CPU temperature (smoothed CPU temperature) input from the control amount smoothing unit 43.
  • the proportional operation amount calculation unit 51 uses the proportional gain setting unit 46 to calculate the proportional operation amount u P from the output of the calculator 40a.
  • the differential manipulated variable calculator 52 calculates the differential manipulated variable u D from the output of the calculator 40 a using the differential gain setting unit 47 and the differentiator 48.
  • the integral operation amount calculation unit 53 uses the integral gain setting unit 49 and the integrator 50 to calculate the integral operation amount u I from the output of the calculator 40a.
  • the computing unit 40 b includes a proportional manipulated variable u P output from the proportional manipulated variable calculator 51, a differential manipulated variable u D output from the differential manipulated variable calculator 52, and an integral output from the integral manipulated variable calculator 53.
  • the operation amount u I is added.
  • the operation amount output from the calculator 40 b is output to the upper / lower limit restriction unit 54 as an output of the operation amount calculation unit 40.
  • the upper / lower limit restriction unit 54 transmits the operation amount output from the operation amount calculation unit 40 to the operation amount smoothing unit 55. However, when the manipulated variable output from the manipulated variable calculating unit 40 is larger than the preset upper limit value, the upper / lower limit restricting unit 54 transmits the upper limit value to the manipulated variable smoothing unit 55 as the manipulated variable, and from the lower limit value Is smaller, the lower limit value is transmitted to the operation amount smoothing unit 55 as the operation amount.
  • the operation amount smoothing unit 55 smoothes the operation amount transmitted from the upper / lower limit restriction unit 54.
  • the control signal generator 56 generates a control signal corresponding to the operation amount output from the operation amount smoothing unit 55.
  • Each cooling fan 12 a of the cooling fan unit 12 rotates at a rotational speed corresponding to the control signal output from the control signal generation unit 56.
  • FIGS. 7 and 8 are flowcharts showing a temperature management method by the temperature management system according to the present embodiment. With reference to this flowchart, the operation of the control unit 30 will be described in more detail. Here, it is assumed that the control unit 30 performs the series of operations shown in FIGS. 7 and 8 for each rack 13 and at regular intervals (for example, every second).
  • step S ⁇ b> 11 the control unit 30 acquires the target value set in the target value setting unit 31.
  • step S ⁇ b> 12 the control unit 30 acquires the CPU temperature of each computer 14 via the temperature sensor 32.
  • step S ⁇ b> 13 the control unit 30 acquires the temperature of the air on the intake surface side of the rack 13 via the temperature sensor 33.
  • step S14 the control unit 30 extracts a CPU temperature having a CPU temperature equal to or higher than the reference value ⁇ from the measured CPU temperature value of each computer 14 acquired through the temperature sensor 32.
  • the reference value ⁇ is 0 ⁇ ⁇ Tmax.
  • Tmax is a temperature at which the CPU 14a of the computer 14 performs throttling, for example.
  • the initial value of the reference value ⁇ is 100 ° C.
  • step S15 the control unit 30 determines whether one or more CPU temperatures have been extracted. If no CPU temperature has been extracted, that is, if there is no CPU 14a whose CPU temperature exceeds the reference value ⁇ in the target rack 13, the process proceeds to step S16. Then, the controller 30 proceeds to step S14 after reducing the reference value ⁇ by ⁇ . ⁇ is calculated by the following equation (1).
  • ⁇ is a constant that determines the amount of decrease in the value of the reference value ⁇ , and is an arbitrary value smaller than 1. However, if the value of ⁇ is too large, detailed temperature control cannot be performed, and if it is too small, the control becomes complicated. In the present embodiment, the value of ⁇ is set to 0.01.
  • control unit 30 repeats steps S14 to S16 until one or more CPU temperatures exceeding the reference value ⁇ are extracted.
  • step S14 When one or more CPU temperatures exceeding the reference value ⁇ are extracted in step S14, the process proceeds from step S15 to step S17.
  • step S17 the control unit 30 sets the CPU temperature acquired in step S14 to the control amount y (s).
  • the average value or the maximum value thereof is set as the control amount y (s).
  • step S14 to step S17 described above are executed in the high-level temperature calculation unit 42.
  • step S18 the control unit 30 performs a smoothing process for smoothing the fluctuation of the control amount y (s). This smoothing process is performed by the control amount smoothing unit 43.
  • a first-order lag transfer function F (s) is used as a smoothing method.
  • the control amount before smoothing is y in
  • the control amount y out after smoothing is calculated by the following equation (2).
  • s is a Laplace operator.
  • Smoothing can be performed using a Kalman filter or the like in addition to the first-order lag transfer function.
  • step S19 the control unit 30 calculates a deviation e (t) between the target value r (t) acquired from the target value setting unit 31 and the smoothed control amount y (t) as follows (4 )
  • This calculation is performed by the arithmetic unit 40a.
  • step S20 the control unit 30 calculates the proportional operation amount u P (t) according to the following equation (5) according to the deviation e (t).
  • control unit 30 calculates a differential operation amount u D (t) according to the following equation (6) according to the change amount of the deviation e (t).
  • K P is a proportional gain
  • K D is a differential gain
  • the differential gain K D can also be expressed by a proportional gain K P and a differential time T D as shown in the following equation (7).
  • step S ⁇ b> 21 the control unit 30 refers to the idle state determination map stored in the idle state determination map storage unit 41. Then, a predetermined number of data numbers having similar air temperature values on the intake surface side are acquired using the temperature of the air on the intake surface side as a search key. Thereafter, an interpolation process is performed as described later to obtain an idle CPU reference temperature Ta base from the air temperature Tc on the intake surface side of the rack 13 and the idle CPU reference temperature Ta.
  • the idle state is determined from the current intake air temperature Tc in.
  • the CPU reference temperature Ta base is calculated by the following equation (8).
  • Lagrange interpolation shown in the following equation (9) can also be used.
  • M is the number of acquired data.
  • spline interpolation or the like can be used.
  • step S22 the control unit 30 determines whether or not the computer 14 is in an idle state.
  • the value of the CPU temperature (control amount y (s)) transmitted from the high-level temperature calculation unit 42 is smaller than the value of Ta base + ⁇ , that is, Ta base + ⁇ > y (s) is true. If so, it is determined to be an idle state.
  • ⁇ is a parameter that takes into account variations in CPU temperature in an idle state, and is a positive number.
  • ⁇ is set to 5 ° C. If the value of ⁇ is large, the criteria for determining the idle state is relaxed, and the temperature range for determining the idle state is widened. If the value of ⁇ is small, the criterion for determining the idle state is strict, and the temperature range for determining the idle state is narrow. Become.
  • step S22 If it is determined in step S22 that the engine is in an idle state (in the case of YES), the process proceeds to step S23. If it is determined that the engine is not in an idle state (in the case of NO), the process proceeds from step S22 to step S24.
  • the integral operation amount calculation unit 53 calculates the integral operation amount u I (t) by the following equation (11). Thereafter, the process proceeds to step S25.
  • control unit 30 calculates the integral operation amount u I (t) in the integral operation amount calculation unit 53 by the following equation (11).
  • S (t) is the cumulative value of the integrator 50
  • K I is an integral gain
  • K I is expressed by a proportional gain K P and an integration time T I as shown in the following equation (12).
  • Integral operation is expressed as a discrete expression for easy explanation.
  • the modified Euler method trapezoidal rule
  • the integral calculation is calculated by the following equation (13).
  • ⁇ t is a step time.
  • step S25 the control unit 30 uses the calculator 40b to calculate the sum of the outputs of the proportional operation amount calculation unit 51, the differential operation amount calculation unit 52, and the integral operation amount calculation unit 53, and outputs it as an operation amount. .
  • the operation amount u (t) is calculated by the following equation (14).
  • the operation amount u (t) is calculated by the following equation (15).
  • step S26 the control unit 30 sets the following equation (16) or (17) as necessary so that the manipulated variable u (t) is in the range of u min ⁇ u (t) ⁇ u max.
  • the operation amount u (t) is corrected by
  • This calculation is performed by the upper / lower limit restriction unit 54.
  • step S27 the control unit 30 smoothes the manipulated variable u (t) using, for example, the first-order lag transfer function described above.
  • T f the value of the filter time constant T f when the manipulated variable u (t) is smoothed.
  • step S28 the control unit 30 uses the control signal generation unit 56 to generate a control signal for the cooling fan unit 12 from the manipulated variable u (t).
  • a PWM (Pulse Width Modulation) signal is generated to control the cooling fan 12a.
  • step S29 the control unit 30 controls the rotation speed of each cooling fan 12a of the cooling fan unit 12 based on the control signal.
  • the control unit 30 resets the accumulated value S (t) of the integrator 50 of the integral operation amount calculation unit 53 to a predetermined value ⁇ when in an idle state. Therefore, the deviation is not accumulated excessively in the integrator 50 in the idle state, the control after shifting from the idle state to the operating state is appropriately performed, and the computer 14 is cooled stably and efficiently.
  • control amount smoothing unit 43 smoothes the control amount y (s) and the operation amount smoothing unit 55 smoothes the operation amount u (t).
  • a practical smooth operation amount is generated instead of a vibration operation amount.
  • the CPU temperature is directly measured using the temperature sensor 32, and the cooling fan unit 12 is controlled so that the high-level CPU temperature does not exceed the target value. Cooling becomes possible. Thereby, reduction of the power consumption of a data center can be achieved, avoiding the malfunction by the heat
  • FIG. 1 the CPU temperature is directly measured using the temperature sensor 32, and the cooling fan unit 12 is controlled so that the high-level CPU temperature does not exceed the target value. Cooling becomes possible. Thereby, reduction of the power consumption of a data center can be achieved, avoiding the malfunction by the heat
  • FIG. 9 (a) and 9 (b) are diagrams showing an example of temperature management by a conventional method using PID control as a comparative example.
  • FIG. 9A shows the change over time of the CPU temperature
  • FIG. 9B shows the change over time of the control signal (fan rotational speed command value) supplied from the control unit to the cooling fan unit. Yes.
  • the target temperature is set to 80 ° C., and the state shifts from the idle state to the operating state after 500 seconds.
  • the continuous line in Fig.9 (a) is the measured value of CPU temperature, and a broken line is target temperature.
  • FIGS. 10A and 10B are diagrams showing an example of temperature management by the temperature management system according to the present embodiment.
  • FIG. 10A shows the change over time of the CPU temperature
  • FIG. 10B shows the change over time of the control signal (fan rotational speed command value) supplied from the control unit 30 to the cooling fan unit 12. Show.
  • the target temperature is set to 80 ° C.
  • the state shifts from the idle state to the operating state after 500 seconds.
  • the fan rotation speed command value responds promptly.
  • the rotational speed of the cooling fan 12a increases.
  • the CPU temperature reaches the target temperature after about 1100 seconds, and then the CPU temperature is maintained at the target temperature.
  • FIG. 11 (a) and 11 (b) are diagrams showing an example of temperature management by a conventional method in a situation where observation noise is added, as a comparative example.
  • FIG. 11A shows the change in CPU temperature with time
  • FIG. 11B shows the change with time in the fan rotation speed command value of the control signal supplied from the control unit to the cooling fan unit. .
  • the initial value of the target temperature is set to 70 ° C., and the target temperature is changed to 80 ° C. after about 200 seconds.
  • the continuous line in Fig.11 (a) is the measured value of CPU temperature, and a broken line is target temperature.
  • control signal (fan rotation speed command value) is oscillatory, and the actual cooling fan unit 12 generates a signal that is difficult to follow. I understand.
  • FIG. 12 (a) and 12 (b) are diagrams illustrating an example of temperature management by the temperature management system according to the present embodiment in a situation where observation noise is applied.
  • FIG. 12A shows the change in CPU temperature with time
  • FIG. 12B shows the change with time of the control signal (fan rotation speed command value) supplied from the control unit 30 to the cooling fan unit 12. Show.
  • the initial value of the target temperature is set to 70 ° C., and the target temperature is changed to 80 ° C. after about 200 seconds.
  • the continuous line in Fig.12 (a) is the measured value of CPU temperature, and a broken line is target temperature.
  • FIG. 13 is a block diagram illustrating a temperature management system according to the second embodiment.
  • This embodiment is different from the first embodiment in that it determines whether or not the computer is in an idle state based on the power consumption of the computer, and other configurations are basically the same as those in the first embodiment. is there. Therefore, in FIG. 13, the same components as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. This embodiment will also be described with reference to FIGS.
  • a power consumption sensor 61 is provided for each computer 14, and the power consumption of each computer 14 is real-time from these power consumption sensors 61 to the control unit 30a. Is input.
  • the power consumption sensor is an example of a power consumption detection unit.
  • FIG. 14 is a functional block diagram illustrating the configuration of the control unit 30a. Also in FIG. 14, the same components as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the output of the power consumption sensor 61 installed for each computer 14 is transmitted to the maximum power consumption calculation unit 62.
  • the maximum power consumption calculation unit 62 extracts the maximum value of power consumption (maximum power consumption) from the power consumption of each computer 14 given from each power consumption sensor 61.
  • the idle state determination unit 44 determines whether or not the computer 14 is in an idle state from the CPU temperature given via the high level temperature calculation unit 42 and the maximum power consumption given from the maximum power consumption calculation unit 62.
  • the idle state determination unit 44 is preset with the CPU temperature given from the high level temperature calculation unit 42. When the temperature is lower than the predetermined temperature, it is determined as an idle state.
  • the maximum power consumption given from the maximum power consumption calculation unit 62 is equal to or greater than a preset value, and the CPU temperature given from the high-level temperature calculation unit 42 is preset. When the temperature is equal to or higher than the temperature, it is determined that the idle state is not set.
  • the accumulated value correcting unit 45 corrects the accumulated value of the integrator 50 in the manipulated variable calculating unit 40 when the idle state determining unit 44 determines that the calculator 14 is in the idle state.
  • control unit 30a shall perform a series of operation
  • step S31 the control unit 30a acquires the target value set in the target value setting unit 31.
  • step S32 the control unit 30a acquires the CPU temperature of each computer 14 via the temperature sensor 32.
  • step S ⁇ b> 33 the control unit 30 a acquires the power consumption of each computer 14 via the power consumption sensor 61.
  • step S34 the control unit 30a extracts the CPU temperature having the CPU temperature equal to or higher than the reference value ⁇ from the CPU temperature measurement value of each computer 14 acquired via the temperature sensor 32.
  • step S35 the control unit 30a determines whether one or more CPU temperatures have been extracted. If no CPU temperature has been extracted, that is, if there is no CPU 14a whose CPU temperature exceeds the reference value ⁇ in the target rack 13, the process proceeds to step S36. Then, the control unit 30a decreases the value of the reference value ⁇ by ⁇ calculated by the above equation (1), and then proceeds to step S34.
  • control unit 30a repeats steps S34 to S36 until one or more CPU temperatures exceeding the reference value ⁇ are extracted.
  • step S34 When one or more CPU temperatures exceeding the reference value ⁇ are extracted in step S34, the process proceeds from step S35 to step S37.
  • step S37 the control unit 30a sets the CPU temperature acquired in step S34 to the control amount y (s).
  • the average value or the maximum value thereof is set as the control amount y (s).
  • step S34 to step S37 described above are executed in the high-level temperature calculation unit 42.
  • step S38 the control unit 30a performs a smoothing process for smoothing the fluctuation of the control amount y (s). This smoothing process is performed by the control amount smoothing unit 43.
  • step S39 the control unit 30a calculates a deviation e (t) between the target value r (t) acquired from the target value setting unit 31 and the smoothed control amount y (s). This calculation is performed by the arithmetic unit 40a.
  • step S40 the control unit 30a calculates the proportional control amount u P (t) according to the above-described equation (5) according to the deviation e (t). Further, the control unit 30a calculates the differential manipulated variable u D (t) according to the above-described equation (6) in accordance with the change amount of the deviation e (t).
  • step S41 the control unit 30a uses the maximum power calculation unit 62 to extract the maximum power consumption from the power consumption of each computer 14 input from the power consumption sensor 61.
  • step S42 the control unit 30a uses the CPU temperature extracted by the high-level temperature calculation unit 42 and the maximum power consumption extracted by the maximum power consumption calculation unit 62 in the idle state determination unit 44. Then, it is determined whether or not the computer 14 is in an idle state.
  • the idle state determination unit 44 is preset with the maximum power consumption extracted by the maximum power consumption calculation unit 62 when the CPU temperature extracted by the high level temperature calculation unit 42 is lower than the preset temperature. If it is lower than the value, it is determined that the vehicle is in an idle state. Further, the idle state determination unit 44 has the CPU temperature extracted by the high-level temperature calculation unit 42 equal to or higher than a preset temperature, and the maximum power consumption extracted by the maximum power consumption calculation unit 62 is preset. If it is equal to or greater than the value, it is determined that the idle state is not set.
  • step S42 If it is determined in step S42 that the engine is in the idle state (in the case of YES), the process proceeds to step S43. If it is determined that the engine is not in the idle state (in the case of NO), the process proceeds from step S42 to step S44.
  • step S44 the integral operation amount u I (t) is calculated by the above-described equation (11). After calculating the integral operation amount u I (t), the process proceeds to step S45.
  • step S45 the control unit 30a uses the calculator 40b to calculate the sum of the outputs of the proportional manipulated variable calculator 51, the differential manipulated variable calculator 52, and the integral manipulated variable calculator 53 according to the above-described equation (14). , And output as an operation amount u (t).
  • step S46 the control unit 30a determines that the manipulated variable u (t) is in the range of u min ⁇ u (t) ⁇ u max as necessary in the above-described equation (16) or (17).
  • the operation amount u (t) is corrected by the equation.
  • step S47 the control unit 30a smoothes the operation amount u (t) in the operation amount smoothing unit 55.
  • step S48 the control unit 30a uses the control signal generation unit 56 to generate a control signal for the cooling fan unit 12 from the manipulated variable u (t).
  • step S49 the control unit 30a controls the rotation speed of each cooling fan 12a of the cooling fan unit 12 based on the control signal.
  • control unit 30a resets the accumulated value S (t) of the integrator 50 of the integral operation amount calculation unit 53 to a predetermined value ⁇ in the idle state. Set. Therefore, the deviation is not accumulated excessively in the integrator 50 in the idle state, the control after shifting from the idle state to the operating state is appropriately performed, and the computer 14 is cooled stably and efficiently.
  • control amount smoothing unit 43 smoothes the control amount y (s) and the operation amount smoothing unit 55 smoothes the operation amount u (t).
  • a practical smooth operation amount is generated instead of a vibration operation amount.
  • the CPU temperature is directly measured using the temperature sensor 32, and the cooling fan unit 12 is controlled so that the high-level CPU temperature does not exceed the target value. Cooling becomes possible. Thereby, reduction of the power consumption of a data center can be achieved, avoiding the malfunction by the heat
  • FIG. 1 the CPU temperature is directly measured using the temperature sensor 32, and the cooling fan unit 12 is controlled so that the high-level CPU temperature does not exceed the target value. Cooling becomes possible. Thereby, reduction of the power consumption of a data center can be achieved, avoiding the malfunction by the heat
  • FIG. 17 is a functional block diagram illustrating the configuration of the control unit of the temperature management system according to the third embodiment.
  • This embodiment is different from the first embodiment in that an accumulated value upper / lower limit saturation determination unit and an accumulated value saturation correction unit are provided in the control unit, and other configurations are basically the same as those of the first embodiment. It is the same. Therefore, in FIG. 17, the same components as those in FIG. This embodiment will also be described with reference to FIGS.
  • an accumulated value upper / lower limit saturation determining unit 71 and an accumulated value saturation correcting unit 72 are provided in the control unit 30b.
  • the accumulated value upper / lower limit saturation determination unit 71 determines whether or not the accumulated value of the integrator 50 is within a predetermined range.
  • the accumulated value saturation correcting unit 72 corrects the accumulated value to the upper limit value when the accumulated value upper / lower limit saturation determining unit 71 determines that the accumulated value of the integrator 50 is larger than a preset upper limit value. When it is determined that the accumulated value is smaller than a preset lower limit value, the accumulated value is corrected to the lower limit value.
  • FIG. 18 and 19 are flowcharts showing a temperature management method by the temperature management system according to the present embodiment. With reference to this flowchart, the operation of the control unit 30b will be described in more detail.
  • the control part 30b shall perform a series of operation
  • step S51 the control unit 30b acquires the target value set in the target value setting unit 31.
  • step S52 the control unit 30b acquires the CPU temperature of each computer 14 via the temperature sensor 32.
  • step S ⁇ b> 53 the control unit 30 b acquires the temperature of the air on the intake surface side of the rack 13 via the temperature sensor 33.
  • step S54 the control unit 30b extracts the CPU temperature having the CPU temperature equal to or higher than the reference value ⁇ from the measured CPU temperature value of each computer 14 acquired via the temperature sensor 32.
  • step S55 the control unit 30b determines whether one or more CPU temperatures have been extracted. If no CPU temperature has been extracted, that is, if there is no CPU 14a whose CPU temperature exceeds the reference value ⁇ in the target rack 13, the process proceeds to step S56. Then, the control unit 30b decreases the value of the reference value ⁇ by ⁇ calculated by the above equation (1), and then proceeds to step S54.
  • control unit 30b repeats steps S54 to S56 until one or more CPU temperatures exceeding the reference value ⁇ are extracted.
  • step S54 When one or more CPU temperatures exceeding the reference value ⁇ are extracted in step S54, the process proceeds from step S55 to step S57.
  • step S57 the control unit 30b sets the CPU temperature acquired in step S54 to the control amount y (s).
  • the average value or the maximum value thereof is set as the control amount y (s).
  • step S54 to step S57 are executed by the high-level temperature calculation unit 42.
  • step S58 the control unit 30b performs a smoothing process for smoothing the fluctuation of the control amount y (s). This smoothing process is performed by the control amount smoothing unit 43.
  • step S59 the control unit 30b obtains the deviation e (t) between the target value r (t) acquired from the target value setting unit 31 and the control amount y (s) after smoothing as described above ( 4) Calculate according to the equation. This calculation is performed by the arithmetic unit 40a.
  • step S60 the control unit 30b calculates the proportional control amount u P (t) according to the above-described equation (5) according to the deviation e (t). Further, the control unit 30b calculates the differential operation amount u D (t) according to the above-described equation (6) according to the change amount of the deviation e (t).
  • step S61 the controller 30b refers to the idle state determination map 41, and determines the CPU in the idle state from the air temperature Tc on the intake surface side of the rack 13 and the reference temperature Ta of the CPU in the idle state. A reference temperature Ta base is obtained.
  • step S62 the control unit 30b determines whether or not the computer 14 is in an idle state.
  • the value of the CPU temperature (control amount y (s)) transmitted from the high-level temperature calculation unit 42 is smaller than the value of Ta base + ⁇ , that is, Ta base + ⁇ > y (s) is true. If so, it is determined to be an idle state. Also in this embodiment, the value of ⁇ is set to 5 ° C. as in the first embodiment.
  • step S62 If it is determined in step S62 that the engine is in an idle state (YES), the process proceeds to step S63. If it is determined that the engine is not in an idle state (in the case of NO), the process proceeds from step S62 to step S64a.
  • control unit 30b calculates the integral operation amount u I (t) by the above-described equation (11).
  • step S64b the control section 30b, as the accumulation value S of the integrator 50 (t) satisfies the S min ⁇ S (t) ⁇ S max, the accumulation value of the integrator 50 as required S (t) is corrected by the following equation (18) or (19).
  • S min is a lower limit value of the preset accumulation value
  • S max is an upper limit value of the preset accumulation value.
  • step S65 the controller 30b uses the calculator 40b to calculate the sum of the outputs of the proportional manipulated variable calculator 51, the differential manipulated variable calculator 52, and the integral manipulated variable calculator 53, and the manipulated variable u. Output as (t).
  • step S66 the control unit 30b corrects the operation amount u (t) as necessary so that the operation amount u (t) falls within the range of u min ⁇ u (t) ⁇ u max .
  • step S67 the control unit 30b smoothes the operation amount u (t) in the operation amount smoothing unit 55.
  • step S68 the control unit 30b uses the control signal generation unit 56 to generate a control signal for the cooling fan unit 12 from the manipulated variable u (t).
  • step S69 the control unit 30b controls the number of rotations of each cooling fan 12a of the cooling fan unit 12 based on the control signal.
  • control unit 30b resets the accumulation amount S (t) of the integrator 50 of the integral operation amount calculation unit 53 to a predetermined value ⁇ when in the idle state. For this reason, the deviation is not accumulated excessively in the integrator 50 in the idle state, and the control after shifting from the idle state to the operating state is appropriately performed.
  • the accumulated value is corrected as necessary so that the accumulated value of the integrator 50 is within a predetermined range when not in the idle state. For this reason, even when the target value is set in a range where the control cannot follow the conventional method, the integrator 14 is not accumulated excessively in the integrator 50, and the computer 14 is cooled stably and efficiently.
  • FIGS. 20A and 20B are diagrams showing an example of temperature management by the temperature management system according to this embodiment in comparison with the conventional method.
  • the broken line indicates the target value
  • the solid line indicates the control amount.
  • the target value is set to a value that the control amount cannot follow from 1000 seconds to 2000 seconds and from 3000 seconds to 4000 seconds.
  • the target value is set to a value that the control amount cannot follow, the target value is in a range that can follow. Then, the control functions immediately.
  • FIG. 21 is a diagram showing an example of such a data center.
  • a plurality of racks 83, an air conditioner (package air conditioner) 81, and a cooling fan unit 82 are arranged.
  • Each rack 83 houses a plurality of computers 84.
  • the cooling fan unit 82 has a plurality of cooling fans 82a.
  • the section between the cooling fan unit 82 and the intake surface of the rack 83 is a cold aisle 91, and the space on the exhaust surface side of the rack 83 is a hot aisle 92.
  • a partition plate 85 is provided above the cooling fan unit 82 and the rack 83, and a space above the partition plate 85 has a warm air flow path 93 that returns the air discharged to the hot aisle 92 to the air conditioner 81. It has become.
  • the low-temperature air blown from the air outlet of the air conditioner 81 is sent to the cold aisle 91 by the cooling fan unit 82 and introduced into the rack 83 from the intake surface of the rack 83.
  • the air introduced into the rack 83 cools electronic components such as a CPU while passing through the computer 84 and the temperature rises, and is discharged from the exhaust surface of the rack 83 to the hot aisle 92.
  • the air discharged to the hot aisle 92 moves to the air intake port of the air conditioner 81 through the warm air flow path 93. And after temperature is adjusted with the air conditioner 81, it blows out from a blower outlet again.
  • each rack 13 a case is described in which a plurality of computers 14 housed in the same rack 13 are grouped and the cooling fan unit 12 corresponding to each group (each rack 13) is controlled. Yes.
  • the plurality of computers 14 arranged on the upper side of each rack 13 are set as one group, and the plurality of computers 14 arranged on the lower side are set as another group, and the cooling fans 12a on the upper side of the respective cooling fan units 12 and The lower cooling fan 12a may be individually controlled.

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Abstract

【課題】リセットワインドアップによる制御性能の低下を抑制でき、計算機等の電子機器を効率的に冷却できる温度管理システムを提供する。【解決手段】温度管理システムは、稼動状態に応じて発熱量が変化する複数の電気機器の温度を個別に検出する温度検出部（３２）と、電気機器を冷却する冷却装置（１２）と、温度検出部（３２）の出力に応じて冷却装置（１２）を制御する制御部（３０）とを有する。制御部（３０）は、電子機器がアイドル状態か否かを判定するアイドル状態判定部（４４）と、積分器（５０）を備え目標値と制御量との差分から操作量を演算する操作量演算部（４０）と、アイドル状態判定部（４４）がアイドル状態と判定したときに積分器（５０）の蓄積値を所定の値に修正する蓄積値修正部（４５）とを有する。

Description

温度管理システム
　本発明は、温度管理システムに関する。
　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。
　ところで、計算機は、稼働にともなって多量の熱を発生する。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、冷却ファンを使用してラック内に冷気を取り込み、計算機内で発生した熱をラックの外に排出している。
　一方、データセンターでは多大な電力を消費しており、省エネルギーの観点から消費電力の削減が要求されている。計算機の熱による故障や誤動作を防止するために、冷却ファンを常に最大回転数で回転させることも考えられる。しかし、データセンターには多数の冷却ファンが設置されているので、それらの冷却ファンを常に最大回転数で回転させると消費電力が増大し、消費電力の削減が達成できなくなる。
　従って、データセンター等の施設で消費する電力を削減するためには、計算機の稼働状態に応じて、冷却設備を効率的に稼働させることが重要となる。
特開２００８－２２７１２７号公報 特開２０１１－２２２０２９号公報
ASTROM,K., and HAGGLUND,T.:"PID controllers: theory, design and tuning"(ISA Press, Research Triangle Park, North Carolina,1995)
　リセットワインドアップによる制御性能の低下を抑制でき、計算機等の電子機器を効率的に冷却できる温度管理システム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、稼働状態に応じて発熱量が変化する複数の電子機器と、前記複数の電子機器の温度を個別に検出する温度検出部と、前記複数の電子機器を冷却する冷却装置と、前記温度検出部の出力に応じて前記冷却装置を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記電子機器がアイドル状態か否かを判定するアイドル状態判定部と、積分器を備え目標値と制御量との差分から操作量を演算する操作量演算部と、前記アイドル状態判定部がアイドル状態と判定したときに前記積分器の蓄積値を所定の値に修正する蓄積値修正部とを有する温度管理システムが提供される。
　上記の温度管理システムによれば、アイドル状態のときに積分器の蓄積値を所定の値に修正するので、リセットワインドアップによる制御性能の低下を抑制でき、安定的且つ適切に電子機器を冷却できる。
図１は、第１の実施形態に係る温度管理システムが適用されるデータセンターの一例を示す模式上面図である。 図２は、同じくそのデータセンターの模式側面図である。 図３は、同じくそのデータセンターにおいて、気化式冷却装置を介して外気導入部内に外気を導入した例を示す模式上面図である。 図４は、第１の実施形態に係る温度管理システムを示すブロック図である。 図５は、制御部の構成を説明する機能ブロック図である 図６は、アイドル状態判定マップ記憶部に記憶されるアイドル状態判定マップの一例を示す図である。 図７は、第１の実施形態に係る温度管理システムによる温度管理方法を示すフローチャート（その１）である。 図８は、第１の実施形態に係る温度管理システムによる温度管理方法を示すフローチャート（その２）である。 図９（ａ），（ｂ）は、ＰＩＤ制御を用いた従来法による温度管理の一例（比較例）を示す図である。 図１０（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態に係る温度管理システムによる温度管理の例を示す図である。 図１１（ａ），（ｂ）は、観測ノイズが加わる状況における従来法による温度管理の例（比較例）を示す図である。 図１２（ａ），（ｂ）は、観測ノイズが加わる状況における第１の実施形態に係る温度管理システムによる温度管理の例を示す図である。 図１３は、第２の実施形態に係る温度管理システムを示すブロック図である。 図１４は、第２の実施形態に係る温度管理システムの制御部の構成を説明する機能ブロック図である。 図１５は、第２の実施形態に係る温度管理システムによる温度管理方法を示すフローチャート（その１）である。 図１６は、第２の実施形態に係る温度管理システムによる温度管理方法を示すフローチャート（その２）である。 図１７は、第３の実施形態に係る温度管理システムの制御部の構成を説明する機能ブロック図である。 図１８は、第３の実施形態に係る温度管理システムによる温度管理方法を示すフローチャート（その１）である。 図１９は、第３の実施形態に係る温度管理システムによる温度管理方法を示すフローチャート（その２）である。 図２０（ａ），（ｂ）は、第３の実施形態に係る温度管理システムによる温度管理の例を従来法と比較して示す図である。 図２１は、室内に外気を導入しない方式のデータセンターの一例を示す図である。
　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。
　前述したように、データセンター等の施設で消費する電力を削減するためには、電子機器の稼働状態に応じて、冷却設備を効率的に稼働させることが重要となる。
　そのために、例えば計算機の温度を測定し、その測定温度と目標温度との偏差に応じて冷却ファンをＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）制御することが考えられる。しかし、一般的なＰＩＤ制御を計算機の冷却に使用すると、計算機がアイドル状態から稼働状態に移行したときに一時的に制御が機能しない状態が発生し、目標温度に到達するまでに長時間かかってしまうことがある。
　これは、計算機がアイドル状態のときにＰＩＤ制御部の積分器に目標値と制御量との偏差が過剰に蓄積されるリセットワインドアップと呼ばれる現象が生じるためである。このリセットワインドアップのため、計算機がアイドル状態から稼働状態に移行した後も、積分器に過剰に蓄積された偏差がなくなるまで制御が機能しなくなる。
　一般的に、ＰＩＤ制御では、制御量が目標値に追従できない条件に移行したときや、ある条件下において制御量が追従できない範囲に目標値が設定されたときに、リセットワインドアップが生じる。
　以下の実施形態では、リセットワインドアップによる制御性能の低下を抑制でき、計算機を効率的に冷却できる温度管理システムについて説明する。
　（第１の実施形態）
　図１は第１の実施形態に係る温度管理システムが適用されるデータセンターの一例を示す模式上面図、図２は同じくそのデータセンターの模式側面図である。なお、本実施形態では、外気を利用して計算機（サーバ）を冷却するモジュール型データセンターを例として説明している。
　図１，図２に例示したモジュール型データセンターは、直方体形状のコンテナ（筐体）１０と、コンテナ１０内に配置された冷却ファンユニット１２と、複数のラック１３とを有する。各ラック１３には、それぞれ複数の計算機１４が収納されている。
　コンテナ１０の相互に対向する２つの面のうちの一方には吸気口１１ａが設けられており、他方には排気口１１ｂが設けられている。また、冷却ファンユニット１２とラック１３との間の空間の上には仕切り板１５が配置されている。
　冷却ファンユニット１２には複数の冷却ファン１２ａが設けられている。更に、吸気口１１ａ及び排気口１１ｂには、雨水の侵入を防ぐ雨水侵入防止板や虫等の侵入を防ぐ防虫網が設けられている。本実施形態では、図１に示すように、ラック１３毎に冷却ファンユニット１２が設けられている。
　コンテナ１０内の空間は、冷却ファンユニット１２、ラック１３及び仕切り板１５により、外気導入部２１、コールドアイル２２、ホットアイル２３及び暖気循環路２４に分割されている。外気導入部２１は吸気口１１ａと冷却ファンユニット１２との間の空間であり、コールドアイル２２は冷却ファンユニット１２とラック１３との間の空間であり、ホットアイル２３はラック１３と排気口１１ｂとの間の空間である。
　ラック１３は、コールドアイル２２側の面が吸気面、ホットアイル２３側の面が排気面となるように配置される。
　暖気循環路２４はラック１３及び仕切り板１５の上方の空間であり、ホットアイル２３と外気導入部２１との間を連絡している。暖気循環路２４には、暖気の循環量を調整するためのダンパー１７が設けられている。
　図１，図２に例示したモジュール型データセンターでは、外気導入部２１に、外気温が高いときに水の気化熱を利用して外部導入部２１に導入するエアーの温度を下げる気化式冷却装置１６が設けられている。
　このようなモジュール型データセンターにおいて、冷却ファンユニット１２の冷却ファン１２ａが回転し、吸気口１１ａを介して外気導入部２１にエアー（外気）が導入される。そして、外気導入部２１内に導入されたエアーは、冷却ファンユニット１２を介してコールドアイル２２に移動し、更にラック１３の吸気面からラック１３内に入って各計算機１４を冷却する。
　計算機１４を冷却することにより温度が上昇したエアー（暖気）は、ラック１３の排気面からホットアイル２３に排出され、排気口１１ｂから屋外に排出される。
　外気温が高いときにはダンパー１７を閉状態とし、ホットアイル２３から外気導入部２１に暖気が移動しないようにする。外気温が更に高いときには気化式冷却装置１６に水を供給し、図３に示すように気化式冷却装置１６を介して外気導入部２１内に外気を導入する。外気が気化式冷却装置１６を通過する際に水が気化して気化熱を奪うため、外気導入部２１には外気温よりも低温のエアーが導入される。
　一方、外気温が低く、ラック１３内に導入されるエアーの温度が予め設定された許容下限温度よりも低くなるおそれがあるときにはダンパー１７を開状態とする。これにより、ホットアイル２３から暖気循環路２４を介して外気導入部２１に暖気の一部が戻り、ラック１３内に導入されるエアーの温度が上昇する。
　図４は、第１の実施形態に係る温度管理システムを示すブロック図である。
　図４に示すように、本実施形態に係る温度管理システムは、各計算機１４のＣＰＵ１４ａの温度を個別に検出する温度センサ３２と、ラック１３の吸気面側のエアーの温度を検出する温度センサ３３と、制御部３０と、目標値設定部３１と、冷却ファンユニット１２とを含んでいる。計算機１４は電子機器の一例であり、温度センサ３２は温度検出部の一例であり、冷却ファンユニット１２は冷却装置の一例である。
　温度センサ３２は、ＣＰＵ１４ａと同一チップ内に形成されており、計算機１４内に設けられた通信器（図示せず）を介してＣＰＵ１４ａの温度を制御部３０に伝送する。
　本実施形態では、制御部３０と計算機１４との間の信号の送受信は、ＵＤＰ（User Datagram Protocol）通信を介して行うものとする。但し、制御部３０と計算機１４との間の通信はＵＤＰ通信に限定するものではない。また、本実施形態では、温度センサ３２としてＣＰＵ１４ａと同一チップ内に配置された温度センサを使用しているが、ＣＰＵ１４ａのパッケージに密着して配置した温度センサを使用してもよい。
　制御部３０は、例えばマイクロコンピュータ、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）又はＰＬＣ（Programmable logic controller）等を含んで構成される。ラック１３内の特定の計算機１４に専用プログラムを読み込ませ、制御部３０として使用してもよい。
　目標値設定部３１には、ＣＰＵ温度の目標値が設定される。目標値は、ＣＰＵ１４ａの許容上限温度よりも低い温度であればよく、ＣＰＵ１４ａの動作状況に応じて変更することができる。本実施形態では、目標値の初期値を８０℃とする。
　制御部３０は、温度センサ３２，３３の出力及び目標値設定部３１に設定された目標値に応じて、冷却ファンユニット１２を制御する。制御部３０の動作の詳細については後述する。
　図５は、制御部３０の構成を説明する機能ブロック図である。図５のように、制御部３０は、操作量演算部４０と、アイドル状態判定マップ記憶部４１と、高水準温度演算部４２と、制御量平滑化部４３と、アイドル状態判定部４４と、蓄積値修正部４５と、上下限制約部５４と、操作量平滑化部５５と、制御信号生成部５６とを有する。
　また、操作量演算部４０は、演算器４０ａ，４０ｂと、比例操作量演算部５１と、微分操作量演算部５２と、積分操作量演算部５３とを有する。比例操作量演算部５１は、比例ゲイン設定部４６を含んで構成されている。また、微分操作量演算部５２は、微分ゲイン設定部４７及び微分器４８を含んで構成されている。更に、積分操作量演算部５３は、積分ゲイン設定部４９及び積分器５０を含んで構成されている。
　アイドル状態判定マップ記憶部４１には、ラック１３の吸気面側のエアーの温度とＣＰＵ１４ａのアイドル状態における基準温度との関係を示すアイドル状態判定マップが記憶されている。アイドル状態判定マップ記憶部４１に記憶されるアイドル状態判定マップの一例を図６に示す。
　図６のように、アイドル状態判定マップには、データ番号毎に、吸入空気温度Ｔｃ（ラック１３の吸気面側のエアーの温度）と、アイドル状態における基準温度Ｔａ（ＣＰＵ温度）との関係が記載されている。
　高水準温度演算部４２は、温度センサ３２から各計算機１４のＣＰＵ温度を入力し、後述するように基準値を超えるＣＰＵ温度を抽出して、アイドル状態判定部４４及び制御量平滑部４３に出力する。制御量平滑部４３は、高水準温度演算部４２から入力したＣＰＵ温度を平滑化処理し、操作量演算部４０に出力する。
　アイドル状態判定部４４は、温度センサ３３を介してラック１３の吸気面側のエアーの温度を入力するとともに、高水準演算部４２を介してＣＰＵ温度を入力する。そして、アイドル状態判定部４４は、これらの入力したデータとアイドル状態判定マップ記憶部４１に記憶されているアイドル状態判定マップとを使用して、ＣＰＵ１４ａがアイドル状態か否かを判定する。
　アイドル状態判定部４４による判定結果は、蓄積値修正部４５に伝達される。蓄積値修正部４５は、アイドル状態判定部４４によりＣＰＵ１４ａがアイドル状態であると判定したときは、後述するように操作量演算部４０内の積分器５０の蓄積値を修正する。
　操作量演算部４０の演算器４０ａは、目標値設定部３１に設定された目標値と、制御量平滑部４３から入力したＣＰＵ温度（平滑化されたＣＰＵ温度）との差分を演算する。
　比例操作量演算部５１は、比例ゲイン設定部４６を用いて、演算器４０ａの出力から比例操作量ｕPを算出する。また、微分操作量演算部５２は、微分ゲイン設定部４７及び微分器４８を用いて、演算器４０ａの出力から微分操作量ｕDを算出する。更に、積分操作量演算部５３は、積分ゲイン設定部４９及び積分器５０を用いて、演算器４０ａの出力から積分操作量ｕIを算出する。
　演算器４０ｂは、比例操作量演算部５１から出力される比例操作量ｕPと、微分操作量演算部５２から出力される微分操作量ｕDと、積分操作量演算部５３から出力される積分操作量ｕIとを加算する。この演算器４０ｂから出力される操作量が、操作量演算部４０の出力として上下限制約部５４に出力される。
　上下限制約部５４は、操作量演算部４０から出力された操作量を操作量平滑部５５に伝達する。但し、上下限制約部５４は、操作量演算部４０から出力された操作量が予め設定された上限値よりも大きいときは上限値を操作量として操作量平滑部５５に伝達し、下限値よりも小さいときは下限値を操作量として操作量平滑部５５に伝達する。
　操作量平滑部５５は、上下限制約部５４から伝達された操作量を平滑化する。制御信号生成部５６は、操作量平滑部５５から出力される操作量に応じた制御信号を生成する。冷却ファンユニット１２の各冷却ファン１２ａは、制御信号生成部５６から出力される制御信号に応じた回転数で回転する。
　図７，図８は、本実施例に係る温度管理システムによる温度管理方法を示すフローチャートである。このフローチャートを参照して、制御部３０の動作をより詳細に説明する。なお、ここでは、制御部３０は、図７，図８に示す一連の動作をラック１３毎に、且つ一定の時間毎（例えば１秒毎）に行うものとする。
　まず、ステップＳ１１において、制御部３０は、目標値設定部３１に設定された目標値を取得する。
　次に、ステップＳ１２に移行し、制御部３０は、温度センサ３２を介して各計算機１４のＣＰＵ温度を取得する。また、ステップＳ１３において、制御部３０は、温度センサ３３を介してラック１３の吸気面側のエアーの温度を取得する。
　次に、ステップＳ１４に移行し、制御部３０は、温度センサ３２を介して取得した各計算機１４のＣＰＵ温度の測定値から、ＣＰＵ温度が基準値θ以上のＣＰＵ温度を抽出する。
　ここで、基準値θは、0＜θ＜Ｔmaxとする。Ｔmaxは例えば計算機１４のＣＰＵ１４ａがスロットリング（Throttling）する温度である。ＣＰＵ１４ａの温度がＴmaxになると、ＣＰＵ１４ａは自動的にクロックを下げて、ＣＰＵ１４ａの温度がＴmax以上に上昇しないようにする。本実施形態では、基準値θの初期値を１００℃とする。
　次に、ステップＳ１５において、制御部３０はＣＰＵ温度を１以上抽出できたか否かを判定する。ＣＰＵ温度を１つも抽出していない場合、すなわち対象とするラック１３内にＣＰＵ温度が基準値θを超えるＣＰＵ１４ａがない場合は、ステップＳ１６に移行する。そして、制御部３０は、基準値θの値をφだけ減少した後、ステップＳ１４に移行する。φは、下記（１）式により算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、αは基準値θの値の減少量を決める定数であり、１よりも小さい任意の値である。但し、αの値が大きすぎると詳細な温度制御ができなくなり、小さすぎると制御が煩雑になる。本実施形態では、αの値を０．０１とする。
　このようにして、制御部３０は、基準値θを超えるＣＰＵ温度が１以上抽出されるまでステップＳ１４からステップＳ１６までを繰り返す。
　ステップＳ１４において基準値θを超えるＣＰＵ温度が１以上抽出されると、ステップＳ１５からステップＳ１７に移行する。ステップＳ１７において、制御部３０は、ステップＳ１４で取得したＣＰＵ温度を制御量ｙ(ｓ)に設定する。ステップＳ１４で抽出されたＣＰＵ温度が複数の場合は、それらの平均値又は最高値を制御量ｙ(ｓ)に設定する。
　上述のステップＳ１４からステップＳ１７までの動作は、高水準温度演算部４２において実行される。
　その後、ステップＳ１８に移行し、制御部３０は、制御量ｙ(ｓ)の変動を滑らかにする平滑化処理を実施する。この平滑化処理は、制御量平滑化部４３で行われる。
　本実施形態では平滑化法として、一次遅れ伝達関数Ｆ(ｓ)を用いる。この場合、平滑前の制御量をｙinとすると、平滑化後の制御量ｙoutは下記（２）式により算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、一次遅れ伝達関数Ｆ(ｓ)は、下記（３）式で表現される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　（３）式において、ｓはラプラス演算子である。また、Ｔfはフィルタ時定数であり、Ｔfの値が大きいほど時系列において制御量が滑らかになるが、制御応答が遅くなる。本実施形態では、Ｔf＝５とする。
　平滑化は、一次遅れ伝達関数のほかに、カルマンフィルタなどを用いて実施することもできる。
　次に、ステップＳ１９に移行し、制御部３０は、目標値設定部３１から取得した目標値ｒ(ｔ)と平滑後の制御量ｙ(ｔ)との偏差ｅ(ｔ)を、下記（４）式により計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　この計算は、演算器４０ａにより行われる。
　また、ステップＳ２０において、制御部３０は、偏差ｅ(ｔ)に応じて比例操作量ｕP(ｔ)を下記（５）式により算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　更に、制御部３０は、偏差ｅ(ｔ)の変化量に応じて微分操作量ｕD(ｔ)を、下記（６）式により算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、ＫPは比例ゲインであり、ＫDは微分ゲインである。微分ゲインＫDは、下記（７）式のように比例ゲインＫPと微分時間ＴDとで表現することもできる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　これらの演算は、演算器４０の比例操作量演算部５１及び微分操作量演算部５２により行われる。
　次に、ステップＳ２１に移行し、制御部３０は、アイドル状態判定マップ記憶部４１に記憶されているアイドル状態判定マップを参照する。そして、吸気面側のエアーの温度を検索キーとして、吸気面側のエアーの温度の値が近いデータ番号を所定の数だけ取得する。その後、ラック１３の吸気面側のエアーの温度Ｔｃとアイドル状態のＣＰＵの基準温度Ｔａとから、後述するように補間処理を実施してアイドル状態のＣＰＵ基準温度Ｔａbaseを求める。
　例えば、アイドル状態判定マップから（Ｔｃi、Ｔａi）,（Ｔｃi+1、Ｔａi+1）の２点を取得し線形補間した場合は、現在の吸入空気温度Ｔｃinから、アイドル状態のＣＰＵ基準温度Ｔａbaseを下記（８）式で算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　アイドル状態判定マップから３点以上取得し補間する場合は、下記（９）式に示すラグランジェ補間を用いることもできる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　ここで、Ｍは取得したデータ数である。このほかに、スプライン補間などを用いることもできる。
　次に、ステップＳ２２において、制御部３０は、計算機１４がアイドル状態か否かを判定する。ここでは、高水準温度演算部４２から伝達されたＣＰＵ温度（制御量ｙ(ｓ)）の値がＴａbase＋βの値よりも小さければ、すなわちＴａbase＋β＞ｙ(ｓ)が真であるのならば、アイドル状態と判定する。
　ここで、βは、アイドル状態のＣＰＵ温度のバラツキを考慮するパラメータであり、正の数である。本実施形態では、βを５℃と設定する。βの値が大きいとアイドル状態の判定基準が緩和され、アイドル状態と判定する温度範囲が広がり、βの値が小さいとアイドル状態の判定基準が厳密になり、アイドル状態と判定する温度範囲が狭くなる。
　ステップＳ２２でアイドル状態と判定した場合（ＹＥＳの場合）はステップＳ２３に移行し、アイドル状態でないと判定した場合（ＮＯの場合）はステップＳ２２からステップＳ２４に移行する。
　ステップＳ２３では、積分器５０の蓄積値Ｓ(ｔ)を、下記（１０）式に示すように所定の値γに再設定する。本実施形態では、γ＝０とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　その後、積分操作量演算部５３において、下記（１１）式により積分操作量ｕI(ｔ)を演算する。その後、ステップＳ２５に移行する。
　一方、ステップＳ２２からステップＳ２４に移行した場合、制御部３０は、積分操作量演算部５３において下記（１１）式により積分操作量ｕI(ｔ)を演算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　ここで、Ｓ(ｔ)は積分器５０の蓄積値であり、ＫIは積分ゲインである。ＫIは、下記（１２）式に示すように、比例ゲインＫPと積分時間ＴIとで表現される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　積分演算は、説明を容易にするために離散化した式で表現する。本実施形態では、修正オイラー法（台形則）を採用し、積分演算を下記（１３）式で算出するものとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　ここで、Δｔはステップ時間である。積分操作量ｕI(ｔ)を演算した後、ステップＳ２５に移行する。
　ステップＳ２５において、制御部３０は、演算器４０ｂを使用して、比例操作量演算部５１、微分操作量演算部５２及び積分操作量演算部５３の出力の総和を演算し、操作量として出力する。本実施形態では、冷却ファンユニット１２をＰＩＤ制御する場合について説明しているので、操作量ｕ(ｔ)を下記（１４）式で算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　なお、冷却ファンユニット１２をＰＩ制御するのであれば、操作量ｕ(ｔ)を下記（１５）式で算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　次に、ステップＳ２６において、制御部３０は、操作量ｕ(ｔ)がｕmin≦ｕ(ｔ)≦ｕmaxの範囲となるように、必要に応じて下記（１６）式又は（１７）式により操作量ｕ(ｔ)を修正する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　この演算は、上下限制約部５４にて行われる。
　次に、ステップＳ２７に移行し、制御部３０は、例えば前述した一次遅れ伝達関数を使用して、操作量ｕ(ｔ)を平滑化する。ここでは、操作量ｕ(ｔ)を平滑化する際のフィルタ時定数Ｔfの値を、Ｔf＝１０とする。
　次に、ステップＳ２８に移行し、制御部３０は、制御信号生成部５６を使用して、操作量ｕ(ｔ)から冷却ファンユニット１２の制御信号を生成する。本実施形態では、冷却ファン１２ａを制御するためにＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号を生成するものとする。
　次いで、ステップＳ２９に移行し、制御部３０は、制御信号に基づいて冷却ファンユニット１２の各冷却ファン１２ａの回転数を制御する。
　本実施形態では、上述したように、制御部３０は、アイドル状態のときに積分操作量演算部５３の積分器５０の蓄積値Ｓ(ｔ)を、所定の値γに再設定する。このため、アイドル状態のときに積分器５０に偏差が過剰に蓄積されることがなく、アイドル状態から稼働状態に移行後の制御が適切に行われ、安定的且つ効率的に計算機１４が冷却される。
　また、本実施形態においては、制御量平滑化部４３により制御量ｙ(ｓ)を平滑化するとともに、操作量平滑部５５により操作量ｕ(ｔ)を平滑化するので、実際には実施できない振動的な操作量ではなく、実用的な滑らかな操作量が生成される。
　更に、本実施形態においては、温度センサ３２を用いてＣＰＵ温度を直接測定し、高水準にあるＣＰＵ温度が目標値を超えないように冷却ファンユニット１２を制御するので、ＣＰＵ温度に応じた効率的な冷却が可能になる。これにより、計算機１４の熱による不具合の発生を回避しつつ、データセンターの消費電力の削減が達成できる。
　図９（ａ），（ｂ）は、比較例として、ＰＩＤ制御を用いた従来法による温度管理の一例を示す図である。図９（ａ）はＣＰＵ温度の経時的な変化を示しており、図９（ｂ）は制御部から冷却ファンユニットに供給する制御信号（ファン回転数指令値）の経時的な変化を示している。
　図９（ａ），（ｂ）に示す例では、目標温度を８０℃とし、５００秒後にアイドル状態から稼働状態に移行している。なお、図９（ａ）中の実線はＣＰＵ温度の実測値であり、破線は目標温度である。
　図９（ａ），（ｂ）からわかるように、従来法では、５００秒後にＣＰＵ温度が上昇して目標値を超えてもしばらくの間は制御が機能せず、ＣＰＵ温度が大きくオーバーシュートしている。
　図１０（ａ），（ｂ）は、本実施形態に係る温度管理システムによる温度管理の例を示す図である。図１０（ａ）はＣＰＵ温度の経時的な変化を示しており、図１０（ｂ）は制御部３０から冷却ファンユニット１２に供給する制御信号（ファン回転数指令値）の経時的な変化を示している。図１０（ａ），（ｂ）に示す例では、目標温度を８０℃とし、５００秒後にアイドル状態から稼働状態に移行している。
　図１０（ａ），（ｂ）からわかるように、本実施形態に係る温度管理システムによれば、計算機１４がアイドル状態から稼働状態に移行したときに、ファン回転数指令値が速やかに応答して、冷却ファン１２ａの回転数が上昇する。そして、約１１００秒後にＣＰＵ温度が目標温度に到達し、その後ＣＰＵ温度は目標温度に維持される。
　図１１（ａ），（ｂ）は、比較例として、観測ノイズが加わる状況における従来法による温度管理の例を示す図である。図１１（ａ）はＣＰＵ温度の経時的な変化を示しており、図１１（ｂ）は制御部から冷却ファンユニットに供給する制御信号のファン回転数指令値の経時的な変化を示している。
　図１１（ａ），（ｂ）に示す例では、目標温度の初期値を７０℃とし、約２００秒後に目標温度を８０℃に変更している。なお、図１１（ａ）中の実線はＣＰＵ温度の実測値であり、破線は目標温度である。
　図１１（ａ），（ｂ）からわかるように、従来法では、制御信号（ファン回転数指令値）が振動的であり、実際の冷却ファンユニット１２では追従困難な信号を生成していることがわかる。
　図１２（ａ），（ｂ）は、観測ノイズが加わる状況における本実施形態に係る温度管理システムによる温度管理の例を示す図である。図１２（ａ）はＣＰＵ温度の経時的な変化を示しており、図１２（ｂ）は制御部３０から冷却ファンユニット１２に供給する制御信号（ファン回転数指令値）の経時的な変化を示している。
　図１２（ａ），（ｂ）に示す例では、目標温度の初期値を７０℃とし、約２００秒後に目標温度を８０℃に変更している。なお、図１２（ａ）中の実線はＣＰＵ温度の実測値であり、破線は目標温度である。
　図１２（ａ），（ｂ）からわかるように、本実施形態に係る温度管理システムによれば、制御量が振動的であっても、実際の冷却ファンユニット１２が追従可能な滑らかな制御信号を生成している。また、従来法と比較しても応答性が著しく低下することはなく、適切に冷却制御が実現できている。
　（第２の実施形態）
　図１３は、第２の実施形態に係る温度管理システムを示すブロック図である。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、計算機の消費電力に基づいて計算機がアイドル状態か否かを判定する点にあり、その他の構成は基本的に第１の実施形態と同様である。このため、図１３において、図４と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、本実施形態においても、図１，図２を参照して説明する。
　本実施形態に係る温度管理システムでは、図１３に示すように、計算機１４毎に消費電力センサ６１が設けられており、これらの消費電力センサ６１から制御部３０ａに各計算機１４の消費電力がリアルタイムに入力される。消費電力センサは、消費電力検出部の一例である。
　計算機１４は、アイドル状態のときは消費電力が小さく、ＣＰＵ１４ａの稼働率が高いほど消費電力が大きくなる。このため、消費電力を監視することにより、計算機１４がアイドル状態か否かを判定することができる。
　図１４は、制御部３０ａの構成を説明する機能ブロック図である。図１４においても、図５と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
　計算機１４毎に設置された消費電力センサ６１の出力は、最大消費電力演算部６２に伝達される。最大消費電力演算部６２は、各消費電力センサ６１から与えられる各計算機１４の消費電力のうちから、消費電力の最大値（最大消費電力）を抽出する。
　アイドル状態判定部４４は、高水準温度演算部４２を介して与えられるＣＰＵ温度と最大消費電力演算部６２から与えられる最大消費電力とから、計算機１４がアイドル状態か否かを判定する。
　例えば、アイドル状態判定部４４は、最大消費電力演算部６２から与えられた最大消費電力が予め設定された値よりも低いとき、又は高水準温度演算部４２から与えられたＣＰＵ温度が予め設定された温度よりも低いときは、アイドル状態と判定する。
　一方、アイドル状態判定部４４は、最大消費電力演算部６２から与えられた最大消費電力が予め設定された値以上であり、且つ高水準温度演算部４２から与えられたＣＰＵ温度が予め設定された温度以上であるときには、アイドル状態ではないと判定する。
　そして、蓄積値修正部４５は、アイドル状態判定部４４により計算機１４がアイドル状態であると判定したときに、操作量演算部４０内の積分器５０の蓄積値を修正する。
　図１５，図１６は、本実施形態に係る温度管理システムによる温度管理方法を示すフローチャートである。このフローチャートを参照して、制御部３０ａの動作をより詳細に説明する。ここでは、制御部３０ａは、図１５，図１６に示す一連の動作をラック１３毎に、且つ一定の時間毎（例えば１秒毎）に行うものとする。
　まず、ステップＳ３１において、制御部３０ａは目標値設定部３１に設定された目標値を取得する。
　次に、ステップＳ３２に移行し、制御部３０ａは、温度センサ３２を介して各計算機１４のＣＰＵ温度を取得する。また、ステップＳ３３において、制御部３０ａは、消費電力センサ６１を介して各計算機１４の消費電力を取得する。
　次に、ステップＳ３４に移行し、制御部３０ａは、温度センサ３２を介して取得した各計算機１４のＣＰＵ温度の測定値から、ＣＰＵ温度が基準値θ以上のＣＰＵ温度を抽出する。
　次に、ステップＳ３５において、制御部３０ａはＣＰＵ温度を１以上抽出できたか否かを判定する。ＣＰＵ温度を１つも抽出していない場合、すなわち対象とするラック１３内にＣＰＵ温度が基準値θを超えるＣＰＵ１４ａがない場合は、ステップＳ３６に移行する。そして、制御部３０ａは、基準値θの値を前述の（１）式により算出したφだけ減少した後、ステップＳ３４に移行する。
　このようにして、制御部３０ａは、基準値θを超えるＣＰＵ温度が１以上抽出されるまで、ステップＳ３４からステップＳ３６までを繰り返す。
　ステップＳ３４において基準値θを超えるＣＰＵ温度が１以上抽出されると、ステップＳ３５からステップＳ３７に移行する。ステップＳ３７において、制御部３０ａは、ステップＳ３４で取得したＣＰＵ温度を制御量ｙ(ｓ)に設定する。ステップＳ３４で抽出されたＣＰＵ温度が複数の場合は、それらの平均値又は最高値を制御量ｙ(ｓ)に設定する。
　以上のステップＳ３４からステップＳ３７までの動作は、高水準温度演算部４２において実行される。
　その後、ステップＳ３８に移行し、制御部３０ａは、制御量ｙ(ｓ)の変動を滑らかにする平滑化処理を実施する。この平滑処理は、制御量平滑部４３で行われる。
　次に、ステップＳ３９に移行し、制御部３０ａは、目標値設定部３１から取得した目標値ｒ(ｔ)と平滑後の制御量ｙ(ｓ)との偏差ｅ(ｔ)を計算する。この計算は、演算器４０ａにより行われる。
　次に、ステップＳ４０に移行し、制御部３０ａは、偏差ｅ(ｔ)に応じて比例制御量ｕP(ｔ)を、前述の（５）式により算出する。また、制御部３０ａは、偏差ｅ(ｔ)の変化量に応じて微分操作量ｕD(ｔ)を、前述の（６）式により算出する。
　これらの演算は、演算器４０の比例操作量演算部５１及び微分操作量演算部５２により行われる。
　次に、ステップＳ４１に移行し、制御部３０ａは、最大電力演算部６２を使用し、消費電力センサ６１から入力した各計算機１４の消費電力から、最大消費電力を抽出する。
　次に、ステップＳ４２に移行し、制御部３０ａは、アイドル状態判定部４４において、高水準温度演算部４２により抽出されたＣＰＵ温度と最大消費電力演算部６２により抽出された最大消費電力とを使用して、計算機１４がアイドル状態か否かを判定する。
　すなわち、アイドル状態判定部４４は、高水準温度演算部４２により抽出されたＣＰＵ温度が予め設定された温度よりも低い場合、又は最大消費電力演算部６２で抽出された最大消費電力が予め設定された値よりも低い場合は、アイドル状態であると判定する。また、アイドル状態判定部４４は、高水準温度演算部４２により抽出されたＣＰＵ温度が予め設定された温度以上であり、且つ最大消費電力演算部６２で抽出された最大消費電力が予め設定された値以上である場合は、アイドル状態ではないと判定する。
　ステップＳ４２でアイドル状態と判定した場合（ＹＥＳの場合）はステップＳ４３に移行し、アイドル状態でないと判定した場合（ＮＯの場合）はステップＳ４２からステップＳ４４に移行する。
　ステップＳ４３では、積分器５０の蓄積値Ｓ(ｔ)を、前述の（１０）式に示すように所定の値γに再設定する。本実施形態においても、γ＝０とする。その後、前述の（１１）式により積分操作量ｕI(ｔ)を演算し、ステップＳ４５に移行する。
　一方、ステップＳ４２からステップＳ４４に移行した場合、積分操作量ｕI(ｔ)を、前述の（１１）式により算出する。積分操作量ｕI(ｔ)を演算した後、ステップＳ４５に移行する。
　ステップＳ４５において、制御部３０ａは、演算器４０ｂを使用し、前述の（１４）式により比例操作量演算部５１、微分操作量演算部５２及び積分操作量演算部５３の出力の総和を演算し、操作量ｕ(ｔ)として出力する。
　次に、ステップＳ４６において、制御部３０ａは、操作量ｕ(ｔ)がｕmin≦ｕ(ｔ)≦ｕmaxの範囲となるように、必要に応じて前述の（１６）式又は（１７）式により操作量ｕ(ｔ)を修正する。
　次に、ステップＳ４７に移行し、制御部３０ａは、操作量平滑部５５において、操作量ｕ(ｔ)を平滑化する。
　次に、ステップＳ４８に移行し、制御部３０ａは、制御信号生成部５６を使用して、操作量ｕ(ｔ)から冷却ファンユニット１２の制御信号を生成する。
　次いで、ステップＳ４９に移行し、制御部３０ａは、制御信号に基づいて冷却ファンユニット１２の各冷却ファン１２ａの回転数を制御する。
　上述したように、本実施形態においては、計算機１４の消費電力に基づいて計算機１４がアイドル状態か否かを判定する。
　本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、制御部３０ａは、アイドル状態のときに積分操作量演算部５３の積分器５０の蓄積値Ｓ(ｔ)を、所定の値γに再設定する。このため、アイドル状態のときに積分器５０に偏差が過剰に蓄積されることがなく、アイドル状態から稼働状態に移行後の制御が適切に行われ、安定的且つ効率的に計算機１４が冷却される。
　また、本実施形態においても、制御量平滑化部４３により制御量ｙ(ｓ)を平滑化するとともに、操作量平滑部５５により操作量ｕ(ｔ)を平滑化するので、実際には実施できない振動的な操作量ではなく、実用的な滑らかな操作量が生成される。
　更に、本実施形態においても、温度センサ３２を用いてＣＰＵ温度を直接測定し、高水準にあるＣＰＵ温度が目標値を超えないように冷却ファンユニット１２を制御するので、ＣＰＵ温度に応じた効率的な冷却が可能になる。これにより、計算機１４の熱による不具合の発生を回避しつつ、データセンターの消費電力の削減が達成できる。
　（第３の実施形態）
　図１７は、第３の実施形態に係る温度管理システムの制御部の構成を説明する機能ブロック図である。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、制御部内に蓄積値上下限飽和判定部と蓄積値飽和修正部とを設けた点にあり、その他の構成は基本的に第１の実施形態と同様である。このため、図１７において、図５と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、本実施形態においても、図１，図２を参照して説明する。
　本実施形態に係る温度管理システムでは、図１７に示すように、制御部３０ｂ内に、蓄積値上下限飽和判定部７１と、蓄積値飽和修正部７２とを設けている。蓄積値上下限飽和判定部７１は、積分器５０の蓄積値が所定の範囲内であるか否かを判定する。蓄積値飽和修正部７２は、蓄積値上下限飽和判定部７１で積分器５０の蓄積値が予め設定された上限値よりも大きいと判定したときには蓄積値を上限値に修正し、積分器５０の蓄積値が予め設定された下限値よりも小さいと判定したときには蓄積値を下限値に修正する。
　図１８，図１９は、本実施形態に係る温度管理システムによる温度管理方法を示すフローチャートである。このフローチャートを参照して、制御部３０ｂの動作をより詳細に説明する。ここでは、制御部３０ｂは、図１８，図１９に示す一連の動作をラック１３毎に、且つ一定の時間毎（例えば１秒毎）に行うものとする。
　まず、ステップＳ５１において、制御部３０ｂは目標値設定部３１に設定された目標値を取得する。
　次に、ステップＳ５２に移行し、制御部３０ｂは、温度センサ３２を介して各計算機１４のＣＰＵ温度を取得する。また、ステップＳ５３において、制御部３０ｂは、温度センサ３３を介してラック１３の吸気面側のエアーの温度を取得する。
　次に、ステップＳ５４に移行し、制御部３０ｂは、温度センサ３２を介して取得した各計算機１４のＣＰＵ温度の測定値から、ＣＰＵ温度が基準値θ以上のＣＰＵ温度を抽出する。
　次に、ステップＳ５５において、制御部３０ｂはＣＰＵ温度を１以上抽出できたか否かを判定する。ＣＰＵ温度を１つも抽出していない場合、すなわち対象とするラック１３内にＣＰＵ温度が基準値θを超えるＣＰＵ１４ａがない場合は、ステップＳ５６に移行する。そして、制御部３０ｂは、基準値θの値を前述の（１）式により算出したφだけ減少した後、ステップＳ５４に移行する。
　このようにして、制御部３０ｂは、基準値θを超えるＣＰＵ温度が１以上抽出されるまで、ステップＳ５４からステップＳ５６までを繰り返す。
　ステップＳ５４において基準値θを超えるＣＰＵ温度が１以上抽出されると、ステップＳ５５からステップＳ５７に移行する。ステップＳ５７において、制御部３０ｂは、ステップＳ５４で取得したＣＰＵ温度を制御量ｙ(ｓ)に設定する。ステップＳ５４で抽出されたＣＰＵ温度が複数の場合は、それらの平均値又は最高値を制御量ｙ(ｓ)に設定する。
　以上のステップＳ５４からステップＳ５７までの動作は、高水準温度演算部４２において実行される。
　その後、ステップＳ５８に移行し、制御部３０ｂは、制御量ｙ(ｓ)の変動を滑らかにする平滑化処理を実施する。この平滑化処理は、制御量平滑部４３で行われる。
　次に、ステップＳ５９に移行し、制御部３０ｂは、目標値設定部３１から取得した目標値ｒ(ｔ)と平滑後の制御量ｙ(ｓ)との偏差ｅ(ｔ)を、前述の（４）式により計算する。この計算は、演算器４０ａにより行われる。
　次に、ステップＳ６０に移行し、制御部３０ｂは、偏差ｅ(ｔ)に応じて比例制御量ｕP(ｔ)を、前述の（５）式により算出する。更に、制御部３０ｂは、偏差ｅ(ｔ)の変化量に応じて微分操作量ｕD(ｔ)を、前述の（６）式により算出する。
　これらの演算は、演算器４０の比例操作量演算部５１及び微分操作量演算部５２により行われる。
　次に、ステップＳ６１に移行し、制御部３０ｂは、アイドル状態判定マップ４１を参照し、ラック１３の吸気面側のエアーの温度Ｔｃとアイドル状態のＣＰＵの基準温度Ｔａとから、アイドル状態のＣＰＵ基準温度Ｔａbaseを求める。
　次に、ステップＳ６２において、制御部３０ｂは、計算機１４がアイドル状態か否かを判定する。ここでは、高水準温度演算部４２から伝達されたＣＰＵ温度（制御量ｙ(ｓ)）の値がＴａbase＋βの値よりも小さければ、すなわちＴａbase＋β＞ｙ(ｓ)が真であるのならば、アイドル状態と判定する。本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、βの値を５℃とする。
　ステップＳ６２でアイドル状態と判定した場合（ＹＥＳの場合）はステップＳ６３に移行し、アイドル状態でないと判定した場合（ＮＯの場合）はステップＳ６２からステップＳ６４ａに移行する。
　ステップＳ６３では、積分器５０の蓄積値Ｓ(ｔ)を所定の値γに再設定する。本実施形態においても、γ＝０とする。その後、前述の（１１）式により積分操作量ｕI(ｔ)を演算し、ステップＳ６５に移行する。
　一方、ステップＳ６２からステップＳ６４ａに移行した場合、制御部３０ｂは、積分操作量ｕI(ｔ)を、前述の（１１）式で算出する。
　その後、ステップＳ６４ｂに移行し、制御部３０ｂは、積分器５０の蓄積値Ｓ(ｔ)がＳmin≦Ｓ(ｔ)≦Ｓmaxを満たすように、必要に応じて積分器５０の蓄積値Ｓ(ｔ)を下記（１８）式又は（１９）式により修正する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　ここで、Ｓminは予め設定された蓄積値の下限値であり、Ｓmaxは予め設定された蓄積値の上限値である。本実施形態では、チューニングを行った結果から、Ｓmaxの値を１００（Ｓmax＝１００）とし、Ｓminの値を－１００（Ｓmin＝－１００）とした。
　次に、ステップＳ６５において、制御部３０ｂは、演算器４０ｂを使用し、比例操作量演算部５１、微分操作量演算部５２及び積分操作量演算部５３の出力の総和を演算し、操作量ｕ(ｔ)として出力する。
　次に、ステップＳ６６において、制御部３０ｂは、操作量ｕ(ｔ)がｕmin≦ｕ(ｔ)≦ｕmaxの範囲となるように、必要に応じて操作量ｕ(ｔ)を修正する。
　次に、ステップＳ６７に移行し、制御部３０ｂは、操作量平滑部５５において、操作量ｕ(ｔ)を平滑化する。
　次に、ステップＳ６８に移行し、制御部３０ｂは、制御信号生成部５６を使用して、操作量ｕ(ｔ)から冷却ファンユニット１２の制御信号を生成する。
　次いで、ステップＳ６９に移行し、制御部３０ｂは、制御信号に基づいて冷却ファンユニット１２の各冷却ファン１２ａの回転数を制御する。
　本実施形態では、上述したように、制御部３０ｂは、アイドル状態のときには積分操作量演算部５３の積分器５０の蓄積量Ｓ(ｔ)を所定の値γに再設定する。このため、アイドル状態のときに積分器５０に偏差が過剰に蓄積されることがなく、アイドル状態から稼働状態に移行後の制御が適切に行われる。
　また、本実施形態では、アイドル状態でないときに、積分器５０の蓄積値が所定の範囲内となるように必要に応じて蓄積値を修正する。このため、従来法では制御が追従できない範囲に目標値が範囲に設定された場合においても、積分器５０に偏差が過剰に蓄積されることがなく、安定的且つ効率的に計算機１４が冷却される。
　図２０（ａ），（ｂ）は、本実施形態に係る温度管理システムによる温度管理の例を従来法と比較して示す図である。これらの図２０（ａ），（ｂ）において破線は目標値を示し、実線は制御量を示す。ここでは、１０００秒後から２０００秒後までの間、及び３０００秒後から４０００秒後までの間、目標値を制御量が追従できない値に設定している。
　従来法では、図２０（ａ）に示すように、制御量が追従できない値に目標値が設定されたときに、目標値が追従できる範囲になってもしばらくの間は制御が機能しない状態が発生する。
　これに対し、本実施形態に係る温度管理システムでは、図２０（ｂ）に示すように、制御量が追従できない値に目標値が設定されたときであっても、目標値が追従できる範囲になると速やかに制御が機能する。
　（その他の実施形態）
　第１～第３の実施形態では、いずれも室内に外気を導入して計算機を冷却するモジュール型データセンターの温度管理システムについて説明している。しかし、開示の技術は、室内に外気を導入しない方式のデータセンターの温度管理に使用することもできる。図２１は、そのようなデータセンターの一例を示す図である。
　計算機室８０内には複数のラック８３と、空調機（パッケージエアコン）８１と、冷却ファンユニット８２とが配置されている。各ラック８３内にはそれぞれ複数の計算機８４が収納されている。また、冷却ファンユニット８２は、複数の冷却ファン８２ａを有している。
　冷却ファンユニット８２とラック８３の吸気面との間の区間がコールドアイル９１であり、ラック８３の排気面側の空間がホットアイル９２である。また、冷却ファンユニット８２及びラック８３の上方には仕切り板８５が設けられており、仕切り板８５の上の空間は、ホットアイル９２に排出されたエアーを空調機８１に戻す暖気流路９３となっている。
　空調機８１の吹き出し口から吹き出された低温のエアーは、冷却ファンユニット８２によりコールドアイル９１に送られ、ラック８３の吸気面からラック８３内に導入される。ラック８３内に導入されたエアーは、計算機８４内を通る間にＣＰＵ等の電子部品を冷却して温度が上昇し、ラック８３の排気面からホットアイル９２に排出される。
　ホットアイル９２に排出されたエアーは、暖気流路９３を通って空調機８１の吸気口に移動する。そして、空調機８１により温度が調整された後、再度吹き出し口から吹き出される。
　このようなデータセンターにおいても、例えば第１～第３の実施形態に記載した温度管理システムを採用することにより、計算機８４の実質的な稼働率の低下を抑制しつつ、ＣＰＵの温度に応じた適切な冷却が可能となる。
　なお、上述した各実施形態はいずれも計算機の温度を管理する温度管理システムについて説明しているが、開示した技術を計算機以外の電子機器の冷却に適用することも可能である。
　また、上述した各実施形態では同一のラック１３内に収納されている複数の計算機１４を１つのグループとし、グループ毎（ラック１３毎）に対応する冷却ファンユニット１２を制御する場合について説明している。しかし、例えば各ラック１３の上側に配置された複数の計算機１４を１つのグループとし、下側に配置された複数の計算機１４を他のグループとして、各冷却ファンユニット１２の上側の冷却ファン１２ａ及び下側の冷却ファン１２ａを個別に制御してもよい。
                                                                                

Claims (14)

  1. 　稼働状態に応じて発熱量が変化する複数の電子機器と、
    　前記複数の電子機器の温度を個別に検出する温度検出部と、
    　前記複数の電子機器を冷却する冷却装置と、
    　前記温度検出部の出力に応じて前記冷却装置を制御する制御部とを有し、
    　前記制御部は、前記電子機器がアイドル状態か否かを判定するアイドル状態判定部と、積分器を備え目標値と制御量との差分から操作量を演算する操作量演算部と、前記アイドル状態判定部がアイドル状態と判定したときに前記積分器の蓄積値を所定の値に修正する蓄積値修正部とを有することを特徴とする温度管理システム。
  2. 　前記制御部は、前記冷却装置をＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）制御又はＰＩ（Proportional-Integral）制御することを特徴とする請求項１に記載の温度管理システム。
  3. 　前記制御部は、更に前記温度検出部で検出した温度のうちから基準値以上の温度を抽出して前記制御量とする高水準温度演算部と、前記高水準温度演算部から出力される前記制御量を平滑化する制御量平滑部と、前記操作量演算部から出力される操作量に基づいて前記冷却装置を制御する制御信号を生成する制御信号生成部とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の温度管理システム。
  4. 　前記制御部は、更に前記操作量演算部と前記制御信号生成部との間に配置されて前記操作量演算部から出力される操作量の上限値及び下限値を制約する上下限制約部を有することを特徴とする請求項３に記載の温度管理システム。
  5. 　前記制御部は、更に前記上下限制約部と前記制御信号生成部との間に配置されて前記操作量を平滑化する操作量平滑部を有することを特徴とする請求項４に記載の温度管理システム。
  6. 　前記制御部は、前記アイドル状態判定部がアイドル状態でないと判定したときに前記積分器の蓄積値の上限値及び下限値を制約する蓄積値飽和修正部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の温度管理システム。
  7. 　更に、前記電子機器の外のエアーの温度を検出する温度センサを備え、
    　前記アイドル状態判定部は、前記温度検出部により検出した温度と前記温度センサにより検出したエアーの温度とに基づいて前記電子機器がアイドル状態か否かを判定することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の温度管理システム。
  8. 　更に、前記電子機器の消費電力を検出する消費電力検出部を備え、
    　前記アイドル状態判定部は、前記温度検出部により検出した電子機器の温度と前記消費電力検出部により検出した消費電力とに基づいて前記電子機器がアイドル状態か否かを判定することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の温度管理システム。
  9. 　前記制御部は、前記基準値以上の温度が抽出できないときに、少なくとも１以上の温度が抽出されるまで前記基準値の値を減少することを特徴とする請求項３乃至８のいずれか１項に記載の温度管理システム。
  10. 　前記制御部は、前記複数の電子機器を複数のグループに分割し、前記グループ毎に前記基準値以上の温度を抽出して、前記グループ毎に前記冷却装置を制御することを特徴とする請求項３乃至８のいずれか１項に記載の温度管理システム。
  11. 　前記冷却装置が、複数の冷却ファンを備えた冷却ファンユニットであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の温度管理システム。
  12. 　前記電子機器が計算機であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の温度管理システム。
  13. 　前記計算機はラックに収納されていることを特徴とする請求項１２に記載の温度管理システム。
  14. 　前記ラックが配置された室内には外気が導入されることを特徴とする請求項１３に記載の温度管理システム。
                                                                                    
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