JP5613974B2 - 温度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバを用いて温度を測定する温度測定方法に関する。

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

一般的に、データセンターの室内は、ラックを設置する機器設置エリアと、その下の電力ケーブルや通信ケーブル等が配置されるフリーアクセスフロアとに分離されている。フリーアクセスフロアには空調機から冷風が供給され、この冷風は機器設置エリアとフリーアクセスフロアとを分離する床に設けられた通風口（グリル）を介して機器設置エリアに入る。そして、ラックに設けられたファンによりラック内に冷風が取り込まれ、計算機を冷却する。

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

従来から、データセンターのように複数の熱源を有するエリアの温度分布を測定する際に、温度センサとして光ファイバを用いることが提案されている。
特開２００３−１４５５４号公報 特開２００３−５７１２６号公報 特開昭６２−１１０１６０号公報 特開平７−１２６５５号公報 特開平２−１２３３０４号公報 特開２００２−２６７２４２号公報 株式会社富士通研究所 PRESS RELEASE 「データセンター向けリアルタイム多点温度測定技術を開発」 2008年4月4日

光ファイバを用いた温度測定では、広い範囲の温度を高い精度で測定することは比較的容易であるものの、狭い範囲の温度を高い精度で測定する方法は確立されていない。例えばデータセンターでは、複数の計算機を収納した多数のラックが相互に近接して配置されている。そのため、単に各ラックを通るように光ファイバを敷設しただけでは、隣接するラックの温度の影響を受けてしまい、ラック毎の温度を精度よく測定することができない。

ラック内の温度を精度よく測定するためには、ラック内の温度計測ポイントに十分な長さの光ファイバをとぐろ状に巻いて配置することが考えられる。しかし、ラック内に複数の温度計測ポイントがある場合は、１台のラック当たりに必要な光ファイバの長さが著しく長くなってしまう。そのため、多数のラックを配置したデータセンターでは必要な光ファイバの長さが膨大になってしまい、現実的ではない。

以上から、データセンターのように複数の発熱源を有する場所の温度分布を光ファイバを用いて良好な精度で測定できる温度測定方法を提供することを目的とする。

一観点によれば、第１の温度測定エリアと第２の温度測定エリアとにわたり連続して敷設した光ファイバにより前記第１の温度測定エリア及び／又は前記第２の温度測定エリア内の１又は複数の計測ポイントの温度を測定する温度測定方法において、前記第１の温度測定エリアに導入前及び導出後の光ファイバをそれぞれ前記第１の温度測定エリアの端部から前記光ファイバ内を通る光信号のパルス幅により決まる最小加熱長の１／２以上の長さにわたり近接させて配置し、前記第２の温度測定エリアに導入前及び導出後の光ファイバをそれぞれ前記第２の温度測定エリアの端部から前記最小加熱長の１／２以上の長さにわたり近接させて配置し、前記第１の温度測定エリア及び／又は前記第２の温度測定エリア内の前記計測ポイントの温度と前記第１の温度測定エリア及び／又は前記第２の温度測定エリアに導入前及び導出後の光ファイバを近接して配置した近接配置場所の温度とを測定し、前記近接配置場所の温度を基準にして前記計測ポイントの温度を補正する温度測定方法が提供される。

上記一観点によれば、温度測定エリアに導入前の光ファイバと温度測定エリアから導出後の光ファイバとをそれぞれ光信号のパルス幅により決まる最小加熱長の１／２以上の長さにわたり近接して配置する。これにより、各温度測定エリア間のクロストークの影響を排除することができる。また、上記観点によれば、温度測定エリアに導入前及び導出後の光ファイバを近接して配置した近接配置場所の温度を測定し、その温度を基準にして温度測定エリア内の各計測ポイントの温度を補正する。従って、計測ポイントに光ファイバをとぐろ状に巻回しなくても、計測ポイントの温度を精度よく測定することができる。

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

図１は光ファイバを用いた温度分布測定装置の構成を示す模式図である。また、図２は後方散乱光のスペクトルを示す図、図３は光検出器２６で検出されるラマン散乱光の強度の時系列分布を示す図である。

図１に示すように、温度分布測定装置は、レーザ光源２１と、レンズ２２ａ，２２ｂと、ビームスプリッタ２３と、光ファイバ２４と、波長分離部２５と、光検出器２６とを有している。

レーザ光源２１からは、所定のパルス幅のレーザ光が一定の周期で出力される。このレーザ光は、レンズ２２ａ、ビームスプリッタ２３及びレンズ２２ｂを通って光ファイバ２４の光源側端部から光ファイバ２４内に進入する。なお、図１において、２４ａは光ファイバ２４のコアを示し、２４ｂは光ファイバ２４のクラッドを示している。

光ファイバ２４内に侵入した光の一部は、光ファイバ２４を構成する分子により後方散乱される。後方散乱光には、図２に示すように、レイリー（Rayleigh）散乱光と、ブリルアン（Brillouin）散乱光と、ラマン（Raman）散乱光とが含まれる。レイリー散乱光は入射光と同一波長の光であり、ブリルアン散乱光及びラマン散乱光は入射波長からシフトした波長の光である。

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

これらの後方散乱光は、図１に示すように、光ファイバ２４を戻って光源側端部から出射する。そして、レンズ２２ｂを透過し、ビームスプリッタ２３により反射されて、波長分離部２５に進入する。

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

波長分離部２５に入射した光は、ビームスプリッタ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ及び光学フィルタ３３ａ，３３ｂ，３３ｃによりレイリー散乱光、ストークス光及び反ストークス光に分離され、光検出器２６の受光部２６ａ，２６ｂ，２６ｃに入力される。その結果、受光部２６ａ，２６ｂ，２６ｃからはレイリー散乱光、ストークス光及び反ストークス光の強度に応じた信号が出力される。

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

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

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

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

図３は、横軸に時間をとり、縦軸に光検出器の受光部から出力される信号強度をとって、ラマン散乱光の強度の時系列分布の一例を示す図である。光ファイバにレーザパルスを入射した直後から一定の間、光検出器にはストークス光及び反ストークス光が検出される。光ファイバの全長にわたって温度が均一の場合、レーザパルスが光ファイバに入射した時点を基準とすると、信号強度は時間の経過とともに減少する。この場合、横軸の時間は光ファイバの光源側端部から後方散乱が発生した位置までの距離を示しており、信号強度の経時的な減少は光ファイバによる光の減衰を示している。

光ファイバの長さ方向にわたって温度が均一でない場合、例えば長さ方向に沿って高温部及び低温部が存在する場合は、ストークス光及び反ストークス光の信号強度は一様に減衰するのではなく、図３に示すように信号強度の経時変化を示す曲線に山及び谷が現れる。図３において、ある時間ｔにおける反ストークス光の強度をＩ₁、ストークス光の強度をＩ₂とする。

図４は、図３のラマン散乱光の強度の時系列分布を基にＩ₁／Ｉ₂比を時間毎に計算し、且つ図３の横軸（時間）を距離に換算し、縦軸（信号強度）を温度に換算した結果を示す図である。この図４に示すように、反ストークス光とストークス光との強度比（Ｉ₁／Ｉ₂）を計算することにより、光ファイバの長さ方向における温度分布を測定することができる。

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

以下、図５，図６を参照して最小加熱長について説明する。

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

Ｗ＝ｔ₀・ｃ／ｎ＝１０（nsec）・３×１０⁸（ｍ/sec）／１．５≒２（ｍ） …（２）
このパルス幅分のレーザ光の後方散乱光は光検出器２６に１つの信号として取り込まれ、光検出器２６はこのパルス幅分の信号の積算値から温度を検出する。そのため、光ファイバのうちパルス幅Ｗに相当する長さが均一な温度を示す状態でないと正確な温度計測ができない。ガラスの熱伝導率は鉄等の金属よりも２桁小さいため、これは光ファイバのうちパルス幅Ｗに相当する長さに均一に熱を加えないとならないこととほぼ等価である。以下、正確な温度計測に必要な最小加熱長をＬminという。

図５（ａ）に示す実温度分布で光ファイバを加熱した場合、すなわち光ファイバのうち長さＬの部分のみを均一に加熱した場合（以下、このような温度分布をステップ型温度分布という）、計測温度分布は図５（ｂ）に示すようにガウシアン（正規分布）的な曲線を描く。図６に示すように加熱部の長さＬが最小加熱長Ｌminよりも短い場合は、計測温度分布のピークが低くなり、加熱部の長さＬが長くなれば計測温度分布のピークは高くなる。計測温度と加熱温度との差を±５％以内とするためは、加熱部の長さＬを最小加熱長Ｌmin以上とすることが必要になる。

また、図６に示すように、加熱部の長さＬが短い場合には、２つの加熱部が近接していても計測温度分布は重ならない。しかし、加熱部の長さＬが最小加熱長Ｌmin以上の場合は、２つの加熱部の間の距離が最小加熱長Ｌmin以上離れていなければ、計測温度分布が重なってしまう。このことから、加熱部の温度を高精度に測定するためには、計測可能な熱分布の最小周期ＬMは最小加熱長Ｌminを約２倍した値となる。

図７は、横軸に光ファイバの長さ方向の位置をとり、縦軸に温度をとって、温度が２５℃の環境に光ファイバを配置し、光源から５ｍの位置を中心に８０℃の熱をステップ型温度分布となるように印加した場合の計測温度分布を示す図である。ここでは、加熱部の長さを、それぞれ４０ｃｍ、１ｍ、１．６ｍ、２．２ｍとしている。この図７からもわかるように、加熱部の長さが２ｍ（最小加熱長Ｌmin）よりも短い場合は計測温度分布のピークは実温度よりも低く観測され、加熱部の長さが２ｍ以上の場合は計測温度分布のピークと実温度とがほぼ一致する。

図８は、横軸に加熱中心からの距離をとり、縦軸に相対強度をとって、図７の温度分布における伝達関数（温度計測系の伝達関数）を示す図である。図８の伝達関数を図７のステップ型温度分布に対し畳み込み（コンボリューション）することで、図７の計測温度分布となる。図８の伝達関数は、この温度計測系のインパルス応答特性にほぼ等しいものとなる。

温度計測系の伝達関数は、光ファイバが群遅延特性を有しているため、距離に応じて変化する。そのため、光ファイバの全長にわたって伝達関数を一義的に定義することはできない。しかし、短い距離範囲であれば、光信号の損失や遅延は一様であるとみなして伝達関数を定義することができる。伝達関数は、光源からの距離だけでなく光ファイバの種類によっても異なる。本実施形態においては、予め光ファイバの長さ方向の一定の領域毎に伝達関数を求めておくことが重要である。

一方、温度計測ポイント（以下、単に「計測ポイント」という）は最小加熱長と関係なく、測定装置のサンプリング周波数等を考慮して決定することができる。測定装置において平均化に要する時間等の実用的な計測時間を考慮すると、計測ポイントの間隔は最小５０ｃｍ程度にすることが可能である。

以下、データセンターにおける光ファイバの敷設について説明する。

図９，図１０は、光ファイバの敷設の第１の例を示す模式図である。図９はラックを側方から見たときの光ファイバの敷設状態を示し、図１０はラックを上から見たときの光ファイバの敷設状態を示している。なお、図１０において、太い実線は機器設置エリア（ラック内を含む）１０に配設された光ファイバを示し、太い破線はフリーアクセスフロア１５に配設された光ファイバを示している。また、図１０中の丸印は光ファイバの立ち上がり部又は立下り部を示している。

ここでは、図９のａ〜ｄに示す位置、すなわちフリーアクセスフロア１５のラック１１内に冷気を取り込む通風口（グリル）近傍ａ、ラック１１の吸気口近傍ｂ、計算機のＣＰＵ近傍ｃ及びラック１１の排気口近傍ｄの温度を計測するものとする。図９には、各部の経路長の例を併せて示している。なお、ラック１１の高さＨは２ｍ、幅Ｗは０．６ｍ、奥行きＤは０．９５ｍ、ラックから次のラックまでの経路長は０．７ｍである。この場合、ラック１台当りの光ファイバの長さは６．８ｍ（＝０．３＋２．１＋０．６＋１．６＋０．３＋１．２＋０．７）となる。

図１１は、横軸に光ファイバの長さをとり、縦軸に温度をとって、図９、図１０に示すように光ファイバを配設したときの実温度分布（設定値：実線）の一例と、図８の伝達関数を用いて想定したラマン散乱を用いた計測温度分布（予想値：一点鎖線）とを示す図である。この図１１からわかるように、ラック１１の吸気口近傍ｂでは実温度分布と計測温度分布とがほぼ一致するが、ラック１１と次のラック１１との間ｅの温度の影響により、排気口近傍ｄの温度が実際の温度よりも３℃程度低く計測される。また、ＣＰＵ近傍ｃの温度も、実際の温度よりも低く計測される。

すなわち、図９，図１０に示すように光ファイバ２４を敷設した場合は、ラック１台当たりの光ファイバ２４の長さは約７ｍと短くてすむものの、隣接するラックの影響（クロストーク）によりラック内の温度分布を精度よく計測することができない。

図１２，図１３は、光ファイバの敷設の第２の例を示す模式図である。図１２はラックを側方から見たときの光ファイバの敷設状態を示し、図１３はラックを上から見たときの光ファイバの敷設状態を示している。また、図１２，図１３には、各部の光ファイバの長さを併せて示している。なお、図１３において、太い実線は機器設置エリア（ラック内を含む）１０に配設された光ファイバを示し、太い破線はフリーアクセスフロア１５に配設された光ファイバを示している。また、図１３中の丸印は光ファイバの立ち上がり部又は立下り部を示している。

この第２の例では、１台のラック毎に、フリーアクセスフロア１５からラック１１内に導入した光ファイバ２４を再びフリーアクセスフロア１５に戻している。そして、ラック１１と次のラック１１との間には３ｍ分の光ファイバを最小曲げ半径で巻回してなる巻回部２８を設け、この巻回部２８をフリーアクセスフロア１５に配置している。この場合、ラック１台当たりの光ファイバの長さは約１３ｍとなる。

図１４は、横軸に光ファイバの長さをとり、縦軸に温度をとって、図１２，図１３に示すように光ファイバを敷設したときの実温度分布（設定値：実線）と、計測温度分布（予想値：一点鎖線）とを示す図である。なお、ここではフリーアクセスフロア１５の一部の温度を５℃としている。

この図１４に示すように、１台のラック毎に光ファイバ２４をフリーアクセスフロア１５に戻し、且つ隣接するラック１１間に長さが３ｍの光ファイバを巻回してなる巻回部２８を設けた場合は、フリーアクセスフロア１５の通風口（グリル）近傍ａだけでなく、吸気口近傍ｂ及び排気口近傍ｄにおいても実温度と計測温度とがほぼ一致する。

図１５は、光ファイバの敷設の第３の例を示す模式図である。この第３の例は、巻回部２９が１ｍ分の光ファイバを巻回して形成されていること以外は基本的に第２の例と同じである。この場合、ラック１台当たりの光ファイバの長さは約１１ｍとなる。

図１６は、横軸に光ファイバの長さをとり、縦軸に温度をとって、図１５に示すように光ファイバを敷設したときの実温度分布（設定値：実線）と、計測温度分布（予想値：一点鎖線）とを示す図である。この図１６に示すように、第３の例においても、第２の例と同様に、フリーアクセスフロア１５の通風口（グリル）近傍ａだけでなく、吸気口近傍ｂ及び排気口近傍ｄにおいても実温度と予測温度とがほぼ一致している。

図１４及び図１６と図１１とを比較してわかるように、ラックから次のラックへと連続的に光ファイバを敷設するのではなく、ラックと次のラックとの間に低温かつ温度がほぼ一定のフリーアクセスフロア１５に配置した巻回部を設けることにより、温度分布の重なり（クロストーク）の影響を少なくすることができる。例えば図１１に示す例では排気口近傍ｄの実温度と計測温度との差が３℃以上あるのに対し、図１４，図１６に示す例では排気口近傍ｄの実温度と計測温度との差が２℃以内になっている。また、１ラック当たりの光ファイバの長さが比較的短くてすみ、１本の光ファイバで多くのラックの温度計測が可能である。

なお、光ファイバを用いた温度計測では、隣接する計測ポイントの温度差が大きくなると測定精度が低下する。これは、光ファイバ温度計測は低い空間周波数しかもたないため、隣合う計測ポイントの温度差が大きいところ（空間周波数が高いところ）では測定誤差が大きくなるためである。また、図１６に示す例では巻回部の光ファイバ長が１ｍと短いにもかかわらず、図１４の例と同様にクロストークの影響が小さい。このことから、クロストークの影響を抑制するためには、ラックと次のラックとの間の光ファイバの長さを長くすることよりも、ラックと次のラックとの間に温度が一定の部分を設ける効果のほうが大きいと考えられる。

図１７は、図１５で示すように光ファイバを敷設したときの実温度分布（設定値：実線）と計測温度分布（予想値：一点鎖線）とを示す図である。ここでは、フリーアクセスフロアの温度を１５℃とし、そのフリーアクセスフロアに光ファイバの巻回部を配置している。また、ここでは、５０ｃｍ間隔で温度計測（サンプリング）が行われるものとする。

図１８は、温度計測を行うラックの位置における伝達関数を示している。この伝達関数は、図７，図８に示すように光ファイバにステップ状の温度分布を印加したときの計測温度分布から得られたものである。ここでは、この伝達関数を近似的に、（-1，0.07）、（-0.5，0.54）、（0，1）、（0.5，0,54）、（1，0.07）の５点で代表する。

図１９に、図１７の５０ｃｍ毎の計測ポイントにおける実温度の値（設定値）に伝達関数をコンボリューションした結果を示す。計測温度は、実温度に対し伝達関数をコンボリューションして得た値とほぼ一致する。この値から逆算すれば（すなわち、計測温度に対しデコンボリューションすれば）、元の実温度を再現できるはずである。Ｔ_iをｉ番目の計測ポイントの実温度とすると、ｉ番目の計測ポイントにおける計測温度ＡＰ_iは下記（３）式により表される。

ＡＰ_i＝(0.07×Ｔ_i-2＋0.54×Ｔ_i-1＋Ｔ_i＋0.54×Ｔ_i+1＋0.07×Ｔ_i+2)/2.22 …（３）
ここで、２．２２は規格化のための定数であり、具体的には伝達関数から抽出した５点（-1，0.07）、（-0.5，0.54）、（0，1）、（0.5，0,54）、（1，0.07）のＹ軸の値を合計したものである。Ｔ_i+2以外、すなわちＴ_i-2、Ｔ_i-1、Ｔ_i、Ｔ_i+1の値が既知であるとすると、Ｔ_i+2は下記（４）式により算出することができる。

Ｔ_i+2＝(2.22/0.07)ＡＰ_i−Ｔ_i-2−(0.54/0.07)Ｔ_i-1−(1/0.07)Ｔ_i−(0.54/0.07)Ｔ_i+1 …（４）
図１５に示す敷設例では、前述したようにラックと次のラックとの間に光ファイバの巻回部を設け、この巻回部を低温かつ温度がほぼ一定のフリーアクセスフロアに配置している。そのため、フリーアクセスフロアの温度を比較的良好な精度で計測することができる。このフリーアクセスフロアの４つの計測ポイントにおける計測温度をＴ_i-2、Ｔ_i-1、Ｔ_i、Ｔ_i+1とすれば、前述の（４）式によりＴ_i+2の温度（補正値）を算出することができる。

その後、Ｔ_i-1、Ｔ_i、Ｔ_i+1、Ｔ_i+2、ＡＰ_i+1をそれぞれＴ_i-2、Ｔ_i-1、Ｔ_i、Ｔ_i+1、ＡＰ_iとすれば、次の計測ポイントの温度Ｔ_i+2を算出することができる。このようにして、ピークの両側の低温部から計測温度ＡＰ_iを順次補正して実温度分布に近似の温度分布（補正後の温度分布）を得ることができる。

なお、図１８に示す伝達関数は先鋭な関数であるため、Ｔ_i-2、Ｔ_i-1、Ｔ_i、Ｔ_i+1の誤差が大きいときに、Ｔ_i+2の値が振動して確定できないことがある。このような不具合を回避するために、バンドパス帯域を変更することが必要になることがある。すなわち、上述した方法により計測値を補正しても実温度分布（設定値）を良好な精度で再現することができない場合は、もう少し帯域の高い伝達関数を用いてサンプル値を導出する。そして、このサンプル値を用いて実温度分布を再現可能か否かを判定し、再現可能と判定したときはこのサンプル値を用いて重み付け平均によるデータ補正を行う。その後、元の実温度分布（設定値）を十分再現できているか否かを確認するという処理を実施する。そして、例えば、各領域で誤差が±２℃未満であればＯＫとし、誤差が±２℃以上であれば再度伝達関数のサンプル値を変更する。

例えば、先ほどよりも帯域の高い伝達関数として、（-0.5，1）、（0，1)、（0.5，1）というステップ型伝達関数を採用する。この伝達関数を用いてハイパスフィルタとなる移動平均を求めると、下記（５）式のようになる。

ＡＰ_i−ＡＰ_i-1＝（Ｔ_i+1−Ｔ_i-2）／３
Ｔ_i+1＝３×（ＡＰ_i−ＡＰ_i-1）＋Ｔ_i-2 …（５）
ここで、Ｔ_i-2を既知とすれば、Ｔ_i+1が求まる。その後、ｉの値を順次変更して同様の計算を行うことにより、実温度分布に近似の温度分布（補正後の温度分布）を得ることができる。

上述したように、フリーアクセスフロアのあるデータセンターでは、フリーアクセスフロアの温度がほぼ一定に維持されているので、隣接するラックとの間の光ファイバをフリーアクセスフロア内に配置することで、クロストークの影響を排除することができる。しかし、フリーアクセスフロアがないデータセンターも存在する。以下に、フリーアクセスフロアがないデータセンターにおける温度測定方法について説明する。

（第１実施形態）
一部のデータセンターでは、複数のラックを列毎に冷却する列単位冷却（In Row）方式を採用している。本実施形態は、このような冷却方式を採用するデータセンターにおける温度測定方法について説明する。

図２０，図２１は、第１実施形態に係る温度測定方法における光ファイバの敷設例を示す模式図である。図２０はラックを側方から見たときの光ファイバの敷設状態を示し、図２１はラックの吸気側から見たときの光ファイバの敷設状態を示している。なお、これらの図２０，図２１では、ラック内に収納されている計算機等の図示を省略している。

ラック４１には、図２０に示すように、吸気側及び排気側にそれぞれ開閉扉４２ａ，４２ｂが設けられている。本実施形態では、ラック４１の吸気側の開閉扉４２ａの内側に光ファイバ４５を敷設して、ラック４１内の吸気側の温度を測定する。

ラック４１の側面下側には光ファイバ導入・導出口４３が設けられており、この光ファイバ導入・導出口４３を介してラック４１内に光ファイバ４５が導入される。ラック４１内に導入された光ファイバ４５は、開閉扉４２ａの回転軸４４の近傍でラック本体側から開閉扉４２ａ側にわたり、開閉扉４２ａを下から上に往復するように敷設される。そして、光ファイバ４５は、回転軸４４の近傍を開閉扉４２ａ側からラック本体側にわたり、光ファイバ導入・導出部４３からラック４１の外に導出される。なお、光ファイバ導入・導出部４３と開閉扉４２ａとの間には、開閉扉４２ａの開閉に支障がでないように光ファイバ４５を弛ませてなる弛み部を設けている。

光ファイバ導入・導出部４３の外側には、ラック４１に導入する前及びラック４１から導出した後の光ファイバ４５をそれぞれ同一の巻き取り治具に巻いてなる巻回部４６を設けている。

前述したように、隣接するラック４１による熱の影響（クロストーク）を回避するためには、ラックとラックとの間の光ファイバ４５の長さが光信号のパルス幅により決まる最小加熱長Ｌmin以上必要である。本実施形態では、ラック４１毎に巻回部４６を設けてラック導入側及びラック導出側の光ファイバ４５を巻回している。この場合、ラック導入側及びラック導出側の光ファイバ４５をそれぞれ最小加熱長Ｌminの１／２以上の長さで巻回部４６に巻回すれば、隣接するラック４１による熱の影響（クロストーク）を回避することができる。そのため、本実施形態では、巻回部４６にラック導入前及びラック導出後の光ファイバ４５をそれぞれ最小加熱長Ｌminの１／２以上の長さに巻回している。すなわち、本実施形態では、ラック導入前及びラック導出後の光ファイバ４５をそれぞれ最小加熱長の１／２以上の長さにわたり近接して配置している。例えば前述したように最小加熱長Ｌminが２ｍとすると、巻回部４６にはラック導入前及びラック導出後の光ファイバ３５をそれぞれ１ｍ以上巻回すればよい。

以下、上述の第１実施形態のように光ファイバを敷設した実施例の温度測定について、比較例と比較して説明する。

図２２に示すように光ファイバを敷設した場合（実施例）の温度測定と、図２３に示すように光ファイバを敷設した場合（比較例）の温度測定とを比較した。

実施例では、図２２に示すように、前段のラックとの間及び後段ラックとの間の光ファイバ４５の長さをそれぞれ０．８ｍ、巻回部４６の光ファイバ４５の長さを１．５ｍ（導入側及び導出側それぞれ１．５ｍ）、光ファイバ導入・導出口４３と開閉扉４２ｂとの間の弛み部の光ファイバ４５の長さを０．４ｍ（往路及び復路それぞれ０．４ｍ）、開閉扉４２ａの内側に敷設された光ファイバ４５の立ち上がり部及び立下り部の長さをそれぞれ１．８ｍ、折り返し部の光ファイバ４５の長さを０．２ｍとしている。また、巻回部４６の温度を１６℃としている。更に、図２２に示すようにラック４１内を高さ方向に５つの領域に分割し、各領域の温度を下側から順に１８℃、１９℃、２２℃、２２℃、２５℃としている。

図２４は、横軸に光ファイバ４５の長さ方向に沿った位置をとり、縦軸に温度をとって、図２２のように光ファイバ４５を敷設した場合（実施例）の実温度分布と計測温度分布とを示す図である。

実施例では、図２４に示すようにラック導入側及びラック導出側の光ファイバ４５を同一箇所に巻回して配置しているので、巻回部４６におけるラック導入側の計測温度とラック導出側の計測温度とが同一（１６℃）になる。また、実施例では、光ファイバ４５の長さ方向に隣接する計測ポイントの温度差が小さくなるように光ファイバ４５を敷設しており、更に温度がほぼ一定の箇所にラック導入側及びラック導出側の光ファイバ４５をそれぞれ１．５ｍ分巻回してなる巻回部４６を配置しているため、前述したように隣接するラックの影響（クロストーク）が無視できる。従って、巻回部４６におけるラック導入側の計測温度及びラック導出側の計測温度は正しい温度を示していると考えることができ、前述したようにピークの両側の低温部から計測温度を順次補正して、実温度分布に近似の温度分布（補正後の温度分布）を得ることができる。

なお、上記の補正には、インパルス応答から求まる逆補正関数を用いる逆フィルタ（デコンボリューションフィルタ等）を使用する。図２６は、逆補正関数の一例を示している。この図２６において、横軸は距離を示し、縦軸は係数を示している。但し、図２６に示す逆補正関数は、インパルス応答から求めた逆補正関数に対し高周波応答性をカットしてマージン耐性を高めている。

図２７に、実温度分布（ステップ型温度分布）と、計測温度分布と、計測温度分布に対し逆フィルタを用いて求めた温度分布（補正後の温度分布）とを示す。この図２７に示すように、ステップ型温度分布（実温度分布）に対しガウシアン曲線形状の計測温度分布が得られる。この計測温度分布に対し逆フィルタを用いて補正する（逆補正関数を用いてデコンボリューションする）と、実温度分布に近似の温度分布（補正後の温度分布）が得られる。この場合、補正後の温度分布にはピークの両側（図２７中に破線の円で囲んだ部分）にアンダーシュートが発生する。このアンダーシュートは、デコンボリューションによる産物として考えることができる。

本実施形態では、ラック導入側及びラック導出側の光ファイバ４５の巻回部４６の位置（０．７ｍ及び７ｍの位置）における計測温度が同じであり、この計測温度は正しい温度を示していると考えることができる。従って、補正後の温度分布のうちアンダーシュートの部分（巻回部４６の温度よりも低い部分）の温度を巻回部４６の温度に置き換えることで、より正確な温度分布を得ることができる。

また、図２２に示すように光ファイバ４５を敷設した場合、風量が大きく変化しない状況下ではラック４１内の計算機の稼働状態に応じてピーク温度（ピーク高さ）は変化するが、温度分布の基本的な形状は変化しないと考えることができる。従って、上述した逆フィルタを用いなくても、予め想定した温度分布（以下、「基準温度分布」という）の積分値と実際に測定した温度分布の積分値とを比較することにより、ピーク温度を推定することもできる。

この場合、計測温度分布と基準温度分布との基本的な形状が同じであることが必要である。図２２に示す実施例では、ラック導入側及びラック導出側の光ファイバの巻回部４６の位置における温度（１６℃）が同じであるので、ラック導入側の巻回部４６の温度を示す点（図２４中にＡで示す点）とラック導出側の巻回部４６の温度を示す点（図２４中にＡ’で示す点）とを結ぶ線は図２４のＸ軸に平行になる。従って、風量に大きな変化がなければ計測温度分布を示す曲線（１６℃以上の部分）の積分値がラック内で発生した熱の総量と考えることができ、計測温度分布の積分値と基準温度分布の積分値との比較からピーク温度を推定することが可能である。

風量は空調機のインバータレベル等により大きく数段階に分けて考えることができるため、予め数段階の風量に対してこれらの推定値を切り替えるようにしておけば、風量変化に対しても良好な推定をすることが可能になる。

一方、比較例では、図２３に示すようにラック４１内の光ファイバ４５の敷設状態は実施例と同じであるが、ラック導入側の巻回部４６ａとラック導出側の巻回部４６ｂとを異なる位置に配置している。この例では、ラック導入側の巻回部４６ａの配設位置における温度を１６℃、ラック導出側の巻回部４６ｂの配設位置における温度を１８℃としている。

図２５は、横軸に光ファイバ４５の長さ方向に沿った位置をとり、縦軸に温度をとって、図２３のように光ファイバ４５を敷設した場合（比較例）の実温度分布（実線）と計測温度分布（破線）とを示す図である。ここでは、ラック導入側の巻回部４６ａに巻回された光ファイバ４５の中心を０．７ｍの位置、ラック導出側の巻回部４６ｂに巻回された光ファイバ４５の中心を７ｍの位置としている。

比較例では、光ファイバ４５のラック導入側の巻回部４６ａの温度とラック導出側の巻回部４６ｂの温度とが２℃異なっている。この場合、計測温度分布に対し巻回部４６ａ，４６ｂの温度を基準にして計測温度をピークの両側から補正することは可能ではあるが、巻回部４６ａ，４６ｂの温度が正しい温度であるという保証がなく、隣接するラックの温度の影響を受けていることも考えられる。このため、補正後の温度分布の信頼性が低い。また、補正によりアンダーシュートが発生しても、巻回部４６ａ，４６ｂの計測温度が正しい温度か否かが不明であるため、アンダーシュートを除去することができない。

更に、ラック導入側の巻回部４６ａの温度とラック導出側の巻回部４６ｂの温度とが異なるため、巻回部４６ａの温度を示す点（図２５中にＡで示す点）と巻回部４６ｂの温度を示す点（図２５中にＡ’で示す点）とを結ぶ直線（図２５中に一点鎖線で示す）が図２５のＸ軸に対し斜めになる。このため、単に１６℃又は１８℃以上の部分の計測温度分布を積分しただけではラック内で発生した熱量にはならず、計測温度分布と基準温度分布とを比較してピーク温度を推定する方法を採用することができない。

（第２実施形態）
一部のデータセンターでは、天井据え付け型のエアコンから噴出される冷気をラック上部からラック内に取り込んでラック内の計算機を冷却する方式を採用している。本実施形態は、このような冷却方式を採用するデータセンターにおける温度測定方法について説明する。

図２８は、第２実施形態に係る温度測定方法における光ファイバの敷設例を示す模式図である。ラック５１の上部には光ファイバ導入・導出口が設けられており、この光ファイバ導入・導出口を介してラック５１内に光ファイバ５５が導入される。ラック５１内に導入された光ファイバ５５は、開閉扉５２ａの回転軸５４の近傍でラック本体側から開閉扉５２ａ側にわたり、開閉扉５２ａの内側を上から下に往復するように敷設される。そして、光ファイバ５５は、回転軸５４の近傍を開閉扉５２ａ側からラック本体側にわたり、光ファイバ導入・導出口を介してラック５１の上側に導出される。

ラック５１の上方には、ラック導入前及びラック導出後の光ファイバ５５をそれぞれ同一の巻き取り治具に巻いてなる巻回部５６を配置している。巻回部５６には、ラック導入前及びラック導出後の光ファイバ５５がそれぞれ１．５ｍの長さで巻回されている。ラック５１の上方にはエアコンからの冷気が供給される。このため、巻回部５６が配置された場所の温度は低温かつほぼ一定であると考えることができる。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、ラック導入前及びラック導出後の光ファイバ５５を同一箇所に巻回して配置しているので、巻回部５６におけるラック導入側及びラック導出側の計測温度は同一になる。また、本実施形態では、隣接する計測ポイントの温度差が小さくなるように光ファイバ５５を敷設しており、かつ巻回部５６を温度がほぼ一定の場所に配置している。従って、第１実施形態と同様に、ラック５１内の温度を良好な精度で測定することができる。

（第３実施形態）
図２９は、第３実施形態に係る温度測定方法における光ファイバの敷設例を示す模式図である。

本実施形態においては、計算機ルームが、ラック６１を設置する機器設置フロア７５と、その下のフリーアクセスフロア７０とに分離されている。フリーアクセスフロア７０の温度は、空調機（図示せず）によりほぼ一定に維持される。光ファイバ６５は、フリーアクセスフロア７０から通風口（グリル）７１を通り、ラック６１の下部に設けられた光ファイバ導入・導出口からラック６１内に導入される。

ラック６１内に導入された光ファイバ６５は、開閉扉６２ａの回転軸６４の近傍でラック本体側から開閉扉６２ａ側にわたり、開閉扉６２ａの内側を下から上に往復するように敷設される。そして、光ファイバ６５は、回転軸６４の近傍を開閉扉６２ａ側からラック本体側にわたり、光ファイバ導入・導出口を介してラック６１の外に導出される。

ラック導出後の光ファイバ６５は、通風口７１からフリーアクセスフロア７０に入り、更に次のラック６１に敷設される。但し、本実施形態では、フリーアクセスフロア７０とラック６１との間、ラック導入側の光ファイバ６５及びラック導出側の光ファイバ６５が最小加熱長Ｌminの１／２以上の長さ（例えば１．５ｍ以上）にわたって近接して配置される。ここで、ラック導入側の光ファイバ６５とラック導出側の光ファイバ６５とは必ずしも密着させる必要はなく、要するにラック導入側の光ファイバ６５の温度とラック導出側の光ファイバ６５の温度とが異ならない程度の近さに配置すればよい。例えば、ラック導入側の光ファイバ６５とラック導出側の光ファイバ６５との間隔を、光ファイバ６５の最小曲げ半径の２倍以下（例えば３０ｍｍ以下）とすれば、ラック導入側の光ファイバ６５とラック導出側の光ファイバ６５とは近接して配置されているといえる。

本実施形態では、巻回部を設けていないが、第１実施形態と同様にラック導入前及びラック導出後の光ファイバを同じ位置に配置している。従って、光ファイバ６５のうちラック導入前及びラック導出後の部分の温度が同じになる。また、本実施形態では、光ファイバ６５をその長さ方向に隣接する計測ポイントの温度差が小さくなるように敷設しており、更にラック導入前及びラック導出後の光ファイバ６５を温度がほぼ一定に維持されるフリーアクセスフロア７０に配置している。従って、第１実施形態と同様に、ラック６１内の温度分布を良好な精度で測定することができる。

なお、上述の各実施形態ではいずれもラックの吸気側の開閉扉の内側に光ファイバを敷設した例について説明したが、排気側の開閉扉の内側に光ファイバを敷設してもよい。また、吸気側又は排気側の開閉扉の外側に光ファイバを敷設してもよい。

更に、上述の各実施形態ではいずれもデータセンターに配置されたラック内の温度測定について説明したが、開示した技術をそれ以外の場所の温度測定に適用することもできる。例えば、開示した技術を工場内やオフィスビル内の温度測定に適用することもできる。

更にまた、第１及び第２実施形態では巻回部を最も温度が低くなる場所に配置しているが、巻回部は必ずしも低温の場所に配置する必要はなく、温度が一定であれば高温の場所に配置してもよい。

上記した実施形態を含む諸態様に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）温度測定エリアに敷設した光ファイバにより前記温度測定エリア内の１又は複数の計測ポイントの温度を測定する温度測定方法において、
前記温度測定エリアに導入前の光ファイバと温度測定エリアから導出後の光ファイバとをそれぞれ光信号のパルス幅により決まる最小加熱長の１／２以上の長さにわたり近接して配置し、
前記温度測定エリア内の前記計測ポイントの温度と前記温度測定エリアに導入前及び導出後の光ファイバを近接して配置した近接配置場所の温度とを測定し、
前記近接配置場所の温度を基準にして前記計測ポイントの温度を補正することを特徴とする温度測定方法。

（付記２）前記近接配置場所の温度を基準として前記温度測定エリア内の測定ポイントの温度を、前記光ファイバの温度計測系の伝達関数を用いて前記近接配置場所に近い温度計測ポイントから順に補正することを特徴とする付記１に記載の温度測定方法。

（付記３）前記温度測定エリア内の計測温度の積分値を予め設定された基準温度分布の積分値と比較し、その結果により前記温度測定エリア内のピーク温度を補正することを特徴とする付記１に記載の温度測定方法。

（付記４）前記温度測定エリアに導入前の光ファイバ及び前記温度測定エリアから導出後の光ファイバを同一の治具に巻回して前記近接配置場所に配置することを特徴とする付記１に記載の温度測定方法。

（付記５）前記近接配置場所の温度を一定に維持することを特徴とする付記１に記載の温度測定方法。

（付記６）前記近接配置場所の温度が、前記温度測定エリア内の温度よりも低いことを特徴とする付記１に記載の温度測定方法。

（付記７）前記温度測定エリアが、計算機室内に配置されて複数の計算機を収納するラックの表面近傍又はラック内のエリアであることを特徴とする付記１に記載の温度測定方法。

（付記８）前記ラックには開閉扉が設けられており、前記光ファイバは前記開閉扉の内側又は外側に配置されることを特徴とする付記７に記載の温度測定方法。

（付記９）前記ラックの本体部分と前記開閉扉との間の光ファイバには、前記開閉扉の開閉に支障がでないように弛み部が設けられていることを特徴とする付記８に記載の温度測定方法。

（付記１０）前記ラック内に導入された光ファイバは、前記開閉扉の回転軸の近傍でラック本体側から開閉扉側にわたり、前記開閉扉を上下方向に往復するように敷設され、更に前記回転軸の近傍を開閉扉側からラック本体側にわたり、ラックの外側に導出されることを特徴とする付記８に記載の温度測定方法。

図１は、光ファイバを用いた温度分布測定装置の構成を示す模式図である。 図２は、後方散乱光のスペクトルを示す図である。 図３は、光検出器で検出されるラマン散乱光の強度の時系列分布を示す図である。 図４は、図３のラマン散乱光の強度の時系列分布を基にＩ₁／Ｉ₂比を時間毎に計算し、且つ横軸を距離に、縦軸を温度に換算した結果を示す図である。 図５は、最小加熱長を説明するための図（その１）である。 図６は、最小加熱長を説明するための図（その２）である。 図７は、温度が２５℃の環境に光ファイバを配置し、光源から５ｍの位置を中心に８０度の熱をステップ型温度分布となるように印加した場合の計測温度分布を示す図である。 図８は、図７の温度分布における伝達関数を示す図である。 図９は、光ファイバの敷設の第１の例を示す模式側面図である。 図１０は、光ファイバの敷設の第１の例を示す模式上面図である。 図１１は、図９，図１０に示すように光ファイバを敷設したときの実温度分布と、図８の伝達関数を用いて想定したラマン散乱を用いた計測温度分布とを示す図である。 図１２は、光ファイバの敷設の第２の例を示す模式側面図である。 図１３は、光ファイバの敷設の第２の例を示す模式上面図である。 図１４は、図１２，図１３に示すように光ファイバを敷設したときの実温度分布と計測温度分布とを示す図である。 図１５は、光ファイバの敷設の第３の例を示す模式側面図である。 図１６は、図１５に示すように光ファイバを敷設したときの実温度分布と計測温度分布とを示す図（その１）である。 図１７は、図１５に示すように光ファイバを敷設したときの実温度分布と計測温度分布とを示す図（その２）である。 図１８は、温度計測を行うラックの位置における伝達関数を示す図である。 図１９は、図１７の５０ｃｍ毎の計測ポイントにおける実温度の値に伝達関数をコンボリューションした結果を示す図である。 図２０は、第１実施形態に係る温度測定方法における光ファイバの敷設例を示す模式図であり、ラックを側方から見たときの光ファイバの敷設状態を示している。 図２１は、第１実施形態に係る温度測定方法における光ファイバの敷設例を示す模式図であり、ラックの吸気側から見たときの光ファイバの敷設状態を示している。 図２２は、実施例の温度測定条件を示す図である。 図２３は、比較例の温度測定条件を示す図である。 図２４は、実施例の実温度分布と計測温度分布とを示す図である。 図２５は、比較例の実温度分布と計測温度分布とを示す図である。 図２６は、逆補正関数の一例を示す図である。 図２７は、実温度分布（ステップ型温度分布）と、計測温度分布と、計測温度分布に対し逆フィルタを用いて求めた温度分布（補正後の温度分布）とを示す図である。 図２８は、第２実施形態に係る温度測定方法における光ファイバの敷設例を示す模式図である。 図２９は、第３実施形態に係る温度測定方法における光ファイバの敷設例を示す模式図である。

符号の説明

１０…機器設置エリア、
１１，３１，４１，５１，６１…ラック、
１５…フリーアクセスフロア、
２１…レーザ光源、
２２ａ，２２ｂ…レンズ、
２３，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…ビームスプリッタ、
２４，４５，５５，６５…光ファイバ、
２５…波長分離部、
２６…光検出器、
２８…巻回部、
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ…光学フィルタ、
３４ａ，３４ｂ，２３ｃ…集光レンズ、
４２ａ，４２ｂ，５２ａ，６２ａ…開閉扉、
４３…光ファイバ導入・導出口、
４４，５４，６４…回転軸、
４６，４６ａ，４６ｂ，５６…巻回部、
７０…フリーアクセスフロア、
７１…通風口（グリル）、
７５…機器設置フロア。

Claims (5)

1. 第１の温度測定エリアと第２の温度測定エリアとにわたり連続して敷設した光ファイバにより前記第１の温度測定エリア及び／又は前記第２の温度測定エリア内の１又は複数の計測ポイントの温度を測定する温度測定方法において、
   前記第１の温度測定エリアに導入前及び導出後の光ファイバをそれぞれ前記第１の温度測定エリアの端部から前記光ファイバ内を通る光信号のパルス幅により決まる最小加熱長の１／２以上の長さにわたり近接させて配置し、
   前記第２の温度測定エリアに導入前及び導出後の光ファイバをそれぞれ前記第２の温度測定エリアの端部から前記最小加熱長の１／２以上の長さにわたり近接させて配置し、
   前記第１の温度測定エリア及び／又は前記第２の温度測定エリア内の前記計測ポイントの温度と前記第１の温度測定エリア及び／又は前記第２の温度測定エリアに導入前及び導出後の光ファイバを近接して配置した近接配置場所の温度とを測定し、
   前記近接配置場所の温度を基準にして前記計測ポイントの温度を補正することを特徴とする温度測定方法。
2. 前記第１の温度測定エリア及び／又は第２の温度測定エリア内の前記計測ポイントの温度を、前記光ファイバの温度計測系の伝達関数を用いて前記近接配置場所に近い計測ポイントから順に補正することを特徴とする請求項１に記載の温度測定方法。
3. 前記第１の温度測定エリア及び／又は第２の温度測定エリア内の計測温度の積分値を予め設定された基準温度分布の積分値と比較し、その結果により前記温度測定エリア内のピーク温度を補正することを特徴とする請求項１に記載の温度測定方法。
4. 前記第１の温度測定エリアに導入前及び導出後の光ファイバを同一の治具に巻回し、前記第２の温度測定エリアに導入前及び導出後の光ファイバを同一の治具に巻回することを特徴とする請求項１に記載の温度測定方法。
5. 前記第１の温度測定エリア及び第２の温度測定エリアがそれぞれ、計算機室内に配置されて複数の計算機を収納するラックの表面近傍又は前記ラック内のエリアであることを特徴とする請求項１に記載の温度測定方法。

Images