一种高发热量的云服务器低温试验系统.pdf

本发明特别涉及一种高发热量的云服务器低温试验系统。该高发热量的云服务器低温试验系统，采用两台半封闭压缩机，其中一台为6缸压缩机，另一台为4缸压缩机；工作室温度在0℃以上时，仅6缸压缩机工作，工作室温度在0℃以下时，两台压缩机同时工作；工作室进行湿热试验时仅启动6缸压缩机进行交变或恒定湿热试验；工作室恒温时，制冷量的调节采用控制冷媒流过换热器的量和压缩机卸载调节。该高发热量的云服务器低温试验系统，采用一大一小两台制冷功率非对称的压缩机封闭压缩机协同工作，实现了在试验时大幅度节能；此外，满足了云服务器最大30KW发热量的高低温交变湿热试验要求。

权利要求书
1.  一种高发热量的云服务器低温试验系统，其特征在于：采用两台半封闭压缩机，其中一台为6缸压缩机，另一台为4缸压缩机；工作室温度在0℃以上时，仅6缸压缩机工作，工作室温度在0℃以下时，两台压缩机同时工作；工作室进行湿热试验时仅启动6缸压缩机进行交变或恒定湿热试验；工作室恒温时，制冷量的调节采用控制冷媒流过换热器的量和压缩机卸载调节。

2.  根据权利要求1所述的高发热量的云服务器低温试验系统，其特征在于：所述压缩机分别为一台HGX7/1620-4S，R404A级，功率约40P的6缸压缩机和一台HGX6/1240-4，R23级，功率约25P的4缸压缩机。

3.  根据权利要求1或2所述的高发热量的云服务器低温试验系统，其特征在于：所述6缸压缩机通过增加能量调节阀，自动调节关闭压缩机气缸的吸气通道，减少压缩机气缸的工作数量，减少2个，能够与4缸压缩机复叠式制冷关系的功率匹配。

说明书一种高发热量的云服务器低温试验系统
技术领域
本发明涉及计算机测试技术领域，特别涉及一种高发热量的云服务器低温试验系统。
背景技术
随着云计算技术的快速发展，云服务器应运而生。云服务器通过硬件聚合实现了计算、存储、网络的模块化，散热、供电、管理的集中化。基于云服务器的基础架构，可设计出丰富多样的节点及配置。因此，云服务器具有计算密度高、存储密度高、体积大、发热量大的特征。为了科学验证云服务器的散热设计，需要设计一个满足高发热量的云服务器的高低温交变湿热试验室。
云服务器为整机柜一体化设计，包含了42U高度的机柜、冗余AC供电电源、散热风扇模组、32个服务器节点、3台48口以太网交换机等，云服务器的外形尺寸较大。
云服务器不带外包装时的尺寸：
600 mm W（宽）× 1200 mm D（深）× 2500mm H（高）
云服务器带外包装时的尺寸：
1000 mm W（宽）× 1400 mm D（深）× 2550mm H（高）
单台服务器最大负载功率为15KW，同时放置两台服务器，共计30KW。30KW供电负载，100%用于发热，即30KW的发热量。
机柜内的服务器节点采取水平放置，冷风从前部进风，经过发热的CPU、内存、硬盘、主板等，热风从后部出风。为了满足云服务器节点的散热需要，云服务器配置了风扇进行风冷。每套云服务器最大配置33个140mm x 140mm x 38mm规格的风扇，循环风量大于20400CMH（立方米每时）。
云服务器体积大，发热量大，风流量大，为了对云服务器进行高低温交变湿热试验，需要设计一个大型的工作室，2500mm W（宽）×3000mm D（深）×3000mm H（高），可以同时放入两台云服务器进行试验。
基于此，本发明对云服务器的发热量进行了分析和测算，提出了一种针对高发热量云服务器产品的高低温交变湿热试验室的设计方法，可推广应用到同类高发热量服务器产品的试验设计中。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种合理有效的高发热量的云服务器低温试验系统。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种高发热量的云服务器低温试验系统，其特征在于：采用两台半封闭压缩机，其中一台为6缸压缩机，另一台为4缸压缩机；工作室温度在0℃以上时，仅6缸压缩机工作，工作室温度在0℃以下时，两台压缩机同时工作；工作室进行湿热试验时仅启动6缸压缩机进行交变或恒定湿热试验；工作室恒温时，制冷量的调节采用控制冷媒流过换热器的量和压缩机卸载调节。
所述压缩机分别为一台HGX7/1620-4S，R404A级，功率约40P的6缸压缩机和一台HGX6/1240-4，R23级，功率约25P的4缸压缩机。
所述6缸压缩机通过增加能量调节阀，自动调节关闭压缩机气缸的吸气通道，减少压缩机气缸的工作数量，减少2个，能够与4缸压缩机复叠式制冷关系的功率匹配。
本发明的有益效果是：该高发热量的云服务器低温试验系统，采用一大一小两台制冷功率非对称的压缩机封闭压缩机协同工作，实现了在试验时大幅度节能；此外，满足了云服务器最大30KW发热量的高低温交变湿热试验要求。
具体实施方式
为了满足云服务器的高低温试验，根据试验技术指标要求进行热工估算，然后选择对应的压缩机方案予以解决。
所述高发热量的云服务器低温试验系统，技术指标要求如下：
1、工作室尺寸：2.5m×3m×3m (W×D×H)=22.5m3；
2、温度范围：-50~80℃；
3、湿度范围：10~98％；
4、负载特性：静态时3200kg；工作状态时3000kg，30kw发热输出；
5、升降温要求：
1）静态：3200kg（分为两种情况：①不开机，无包装；②不开机，有完整的纸板栈板包装）。
降温时间要求：
从25℃～－40℃ 约65min；
从70℃～－40℃ 约110min。
升温时间要求：
从25℃～70℃约40min；
从-40℃～70℃ 约70min。
工作状态：3000kg；有最大30kw发热量输出。
降温时间要求：
从25℃～0℃ 约30min；
从55℃～0℃ 约60min。
升温时间要求：
从25℃～55℃约20min；
从0℃～55℃ 约40min。
试验室所需制冷功率主要应能满足以下要求，即：
3200Kg静态负载下，从70℃降至-40℃，平均降温速率约1℃/min；
3000Kg负载，30kw发热量条件下，从55℃降至0℃，平均降温速率约1℃/min；
所选压缩机如能满足以上制冷功率情况，则在其它严酷度小于以上条件的试验条件下运行，其所选压机均可满足，且降温时间还可缩短。
以下为上述技术指标要求所需制冷功率：
（一）3200kg静态负载，从70℃降至-40℃，平均降温速率约1℃/min。
1、传热功率：
1）、围护传热：用δ100硬聚胺脂发泡板（内表面不锈钢板δ1；外表面钢板δ1）传热系数K取0.03W／m2℃：
q1＝k1 F1(T1－T2)*η1＝0.03×54×(70＋40)×1.1≈196w
式中：1.1为系数，考虑到围护结构的漏热及其它因素；
K1--传热系数，当墙板厚为100mm厚时，K≈0.03W/m2℃，并近似取各面K值相同。
F1--围护结构的传热面积约54m2
T1=70℃
T2=-40℃
1）、观察窗：观察窗面积F2＝0.4×0.5=0.2m2，k2取3W／m2℃；2扇观察窗：
q2＝2×k2 F2(T1－T2)＝2×3×0.2×(70＋40)＝132w
2）、观察窗防霜加热器：
取q3＝300W
2）、风机发热：考虑6台离心风机，总功率为9000w
q4＝η·N＝ 9000×0.75＝6750w
3）、门框加热器：
取q5=1500W
总传热功率Σq1＝q1＋q2＋q3＋q4＋q5＝11128w
2、热负载：
1）、试验室内空气Q1：
Q1＝G1 C1(T1－T2)＝26.76×1.29×1.005×(70＋40)＝3816kj
式中G1为空气重量（kg），C1为空气比热等于1.005KJ/Kg·℃
空气的密度大约为1.29千克每立方米
2）、保温层Q2：
Q2＝G 2·C2(T1－T2)/2
＝5.72×0.837×39×(70＋40)/2＝10270kj
式中G2为保温材料重量（取容重39kg/m3，库板厂家提供）。C2为保温材料的比热，其值等于0.837 KJ/Kg·℃，考虑到保温材料温度为内低、外高，其温度变化近似按ΔT/2计算。
3）、内胆、风板Q3：
Q3＝G 3·c3 ·(T1－T2) ＝84×1×7.85×0.5×(70＋40)＝36267kj
式中G3为试验室内胆与风板重量之和，C3为比热，取0.5 KJ/Kg·℃。
4）、蒸发器、风机Q4：
Q4＝G 4·C4(T1－T2) ＝300×0.6×110＝19800kj
式中G4为蒸发器、风机重量之和，C4为平均比热，取0.6 KJ/Kg·℃。
5）、试品Q5：
Q5＝G 5·C5(T1－T2) ·η5 ＝2×1600×0.55×(70＋40)×0.7＝135524kj
式中：G 5为试品重量3200Kg；C5为比热，因负载材料的组成特点，其中钢材为主要成分，故取此系数为0.55KJ/Kg·℃。η5为系数，考虑到箱内空气温度降至-40℃时，负载温度变化由表及内滞后于空气温度，故近似按负载已有70％的材料降至-40℃计算。
带载热负载ΣQ1＝Q1＋Q2＋Q3＋Q4＋Q5＝205677kj
3、需要制冷功率：
3.2吨静态负载温度从70℃降至-40℃（降温速率平均1℃/min)所需制冷功率为：W1=N1＋Σq1。
N1＝ΣQ1/T＝(205677×1000)/｛3600×（70＋40）/60｝≈31kw
W1=N1＋Σq1=31kw＋11kw≈42kw
由以上可得：3.2T静态负载温度从70℃降至-40℃（降温速率平均1℃/min)，压缩机应选择能在蒸发温度-50℃、冷凝温度0℃时提供大于42kw的制冷功率。
（二）3000kg负载、发热输出功率30kw，从55℃降至0℃，平均降温速率约1℃/min。
1、传热功率Σq2=11128w＋30000w=41128w
2、热负载：
a、室内空气Q1′=26.76×1.29×1.005×55=1908kj
b、保温层Q2′=5.72×39×0.837×55/2=5135kj
c、内胆及风板Q3′=84×1×7.85×0.5×55=18134kj
d、蒸发器Q4′=300×0.6×55=9900kj
e、负载Q5′=3000×0.55×55×0.7=63525kj
ΣQ2=Q1′＋Q2′＋Q3′＋Q4′＋Q5′=98602kj
3、所需制冷功率：
3000Kg负载、发热输出功率30kw，从55℃降至0℃，平均降温速率约1℃/min为W2=N2＋Σq2。
N2＝ΣQ2/T＝(98602×1000)/｛3600×（55）/60｝≈30kw
W2=N2＋Σq2=30kw＋41128w≈71kw
由以上可得：3000Kg负载、发热输出功率30kw，从55℃降至0℃（降温速率平均1℃/min)，压缩机应选择能在蒸发温度-10℃、冷凝温度35℃时提供大于71kw的制冷功率。
（三）制冷方式选择。
1、由于实验室工作温度要求最低能到-50℃，即制冷系统的蒸发温度应在-60~ -57℃，因此采用复叠式制冷方式。
1）、制冷工况的选取（考虑加载到-40℃）：
取R404A级工况为35℃/－10℃；
取R23级工况为0℃/－50℃。
2）、根据以上制冷功率选取压缩机：
选R23级  V1=W1/391=42000/391=107.4m3/h
查BOCK选用手册
HGX6/1240-4型号、25P、4缸压缩机满足要求（排气量V1′=107.6m3/h）。
W1′=391V1′=391×107.6≈42.1kw（可以选用）
冷凝蒸发器热负载功率（设为W3）
W3=450V1=107.4×450=48150w≈48.3kw
选R404A级压缩机
V2=W2/502   令V2=V1 得
W2′=107.6×502≈54kw>W3=48.2kw（即R404A级压缩机可与R23级压缩机相同）。
式中：V1、V2为压缩机所需排气量(分别为R23、R404A级) ；W1′、W2′为所选压机的制冷功率(分别为R23、R404A级) ；391、450、502为低温型压机在工况确定条件下的多因子导出系数，所述系数包括容积系数λ、比容υ及焓值h。
结论：选HGX6/1240-4型号、25P、4缸压缩机2台组成复叠式制冷系统可满足3.2T静态负载温度从＋70℃降至-40 ℃，降温速率平均1℃/min要求。
2、如采用复叠式制冷系统对以上工况（0℃工况）提供制冷，第一级（R404A级）负载将会很大，压缩机工作在极恶劣状态，对性能和使用寿命有严重的影响。
2）、3000Kg负载、发热输出功率30kw，从55℃降至0℃，平均降温速率约1℃/min，需要的实际制冷功率为71kw，而HGX6/1240-4型号、25P、4缸压缩机实际只能提供391V1′=107.6×391=42kw。
2）、如果用复叠式制冷系统对以上工况（0℃工况）提供制冷，第一级（R404A级）负载将会很大，压缩机工作在极恶劣状态，对性能和使用寿命有严重的影响。
（四）实现说明。
3.2吨静态负载温度从70℃降至-40 ℃，降温速率平均1℃/min采用复叠式制冷；3000Kg负载、发热输出功率30kw，从55℃降至0℃，平均降温速率约1℃/min及湿热模式采用单级工作。即0℃以下为2台压缩机复叠制冷工作方式，0℃以上温度及湿热模式仅1台压缩机单级工作方式，通过程序根据工作温度自动切换压缩机的工作方式。
可根据0℃工况需71kw制冷功率重新选择R404A级压缩机，并令其单独工作，即采用多蒸发器系统，第一级蒸发器、第二级蒸发器、除湿蒸发器彼此独立。
查BOCK选用手册，HGX7/1620-4S型号、40P、6缸压缩机在冷凝温度40℃，蒸发温度-10℃时可提供73.7kw制冷功率，即：W2′>W2（可以选用）。
为节能减耗，R404A级压缩机采用加装能量调节阀根据负载情况自动调节与R23级压缩机的功率匹配。通过自动关闭压缩机气缸的吸气通道，减少2个气缸工作，从而减少制冷量，降低运转功耗，满足R404A级压缩机与R23级压缩机复叠式制冷关系的功率匹配。
本发明通过对云服务器的发热量进行了分析和测算，提出了一种针对高发热量云服务器产品的高低温试验室的设计方法，可以满足云服务器最大30KW发热量的高低温交变湿热试验要求，还可以推广应用到同类高发热量服务器产品的试验设计中。具体设计结论见下文。
该高发热量的云服务器低温试验系统，采用两台半封闭压缩机，其中一台为6缸压缩机，另一台为4缸压缩机；工作室温度在0℃以上时，仅6缸压缩机工作，工作室温度在0℃以下时，两台压缩机同时工作；工作室进行湿热试验时仅启动6缸压缩机进行交变或恒定湿热试验；工作室恒温时，制冷量的调节采用控制冷媒流过换热器的量和压缩机卸载调节。
所述压缩机分别为一台HGX7/1620-4S，R404A级，功率约40P的6缸压缩机和一台HGX6/1240-4，R23级，功率约25P的4缸压缩机。
所述6缸压缩机通过增加能量调节阀，自动调节关闭压缩机气缸的吸气通道，减少压缩机气缸的工作数量，减少2个，能够与4缸压缩机复叠式制冷关系的功率匹配。