基于半导体制冷技术的交换机外置散热系统研制

引言

2019年3月,我公司提出了扎实推进泛在电力物联网建设,而网络安全、稳定运行是信息化建设的基础。如今公司所属网络设备已全面接入监控平台,具备状态全面感知功能,为网络层提供有力支撑。经长期监测发现,由于受空间、成本等因素影响,机房环境温度过高,交换机长时间在高温环境下运行极易发生故障。半导体制冷技术是比较常用的制冷技术,将其科学、合理地应用在交换机上能够提高网络稳定性,降低安全隐患发生的概率。

目前,制冷系统在家用、汽车发动机等行业得到普及,并取得良好的应用效果,但市场上流通的制冷设备成本较高,占地面积大,缺少应用于交换机等网络设备的小型制冷散热设备。本文针对当前半导体制冷技术进行简单分析,提出了外置散热系统的结构设计方案,通过制冷效果试验,证明了该系统达到了预期效果,能有效提升计算机信息网络的安全性和可靠性。

1半导体制冷技术分析

半导体制冷技术以温差电现象为基础,半导体元件通过直流电源供电。因电流方向不同,使得其热电偶接触点产生吸热和放热现象,称为塞贝克效应。半导体制冷材料结构独特,更容易产生温差电现象。

半导体制冷系统和压缩机制冷、吸收式制冷方式相比,其结构简单、占地面积小、精度高且降温快速,已经在医学、军事、红外探测等很多领域得到了广泛应用。此外,半导体制冷不需要使用大量制冷剂,既能够避免制冷剂泄漏造成交换机故障,影响网络安全运行,还能有效避免对机房环境造成污染。同时,半导体制冷在制冷过程中噪声较小,不需要多余的制冷设备,基本不会影响周围员工的正常办公,也便于后期维护,具有一定的实用价值和推广价值。

2外置散热系统的方案设计

外置散热系统总体设计分4个单元,分别为温度控制单元、散热器单元、信息采集单元和数据处理单元,具体如下:

（1）温度控制单元,能够根据环境或设备温度进行判断。当环境或设备温度>22℃（可自行设置温度）时,断电器吸合,启动散热器单元:当温度≤22℃（可自行设置温度）时,断电器会自动断开,关闭散热器单元,起到了节能环保的作用。在温控开关工作电源和开关型号的选择上,遵循安全、节能、成本低等原则,选取了12V低压电源和xH-w1209数字温控器。

（2）散热器单元,是散热系统的核心,通过直流电源给半导体制冷片供电,采用硅胶密封方式,确保与外界空气完全隔离,冷热端分别加装风扇,保持冷热端的温差,使其具有良好的制冷及散热条件。笔者通过调研市场上常见的半导体制冷片内部阻值、额定电压、制冷功率等参数,最终选取了TEC1-12705制冷片。

（3）信息采集单元,采集环境温度信息、散热模块工作状态信息、交换机运行状态信息等,将数据采集到数据处理单元。该单元主要涉及传输过程中数据的质量和安全,并对数据传输方式、数据加解密方式以及加密算法进行对比选择,最终选择移动4G/5G网络传输,采用端对端方式进行加密,加密通过软件实现,可以进行用户认证,安全性能相对较高。另外,对比了MD5、RsA和AEs三种数据加密算法,AEs运算速度快、安全性高、资源消耗低,而且适合大数据量的加解密处理,符合该单元的要求。

（4）数据处理单元,根据采集单元收集到的数据在服务器端生成数据库图表,更直观显示交换机和散热器工作状态,能够进行智能分析,并提前预判可能发生的网络安全隐患。该单元主要选取可视化形式展示数据信息,其可以直观反映温度超过标准温度的时长以及变化趋势。

3外置散热系统性能分析试验

3.1半导体制冷芯片制冷效果测试

半导体制冷芯片的制冷效果好坏直接影响交换机外置散热系统的有效性,实验选用型号为TEC1-12705的半导体制冷片,尺寸为40mm×40mm×3.8mm,额定电压12V。分别对风冷散热和水冷散热两种散热模式达到规定温度时进行数据对比,如表1所示。

从表1可以看出,两种散热模式均能满足交换机运行适宜温度。水冷较风冷节省时间,且制冷保持时间长,风冷模式具备价格便宜、技术较成熟、占地面积小、置放要求低等特点,更重要的是可靠性高,而水冷模式可能会出现设备漏水现象,造成交换机故障,影响网络的稳定运行。因此,本文选取风冷模式,达到了理想的制冷效果。

3.2智能温控开关性能测试

笔者将散热系统模型安装在公司11楼配线间一台交换机上进行实验,并将温度控制器的控制温度设置为22℃,经过1h后的观测,结果如表2所示。

经过测试,交换机温度超过22℃时,温控开关断电器闭合,启动散热单元,否则断开断电器,正确率达100%,符合目标要求。

4结语

本文提出了基于半导体制冷技术的交换机外置散热系统研制方案,该系统采用半导体制冷、智能温控、加解密等技术,能够科学、合理地达到降温效果,并实时采集交换机状态信息。但由于网络设备不断增加,仅仅依赖设备降温进行网络安全防御也是不够的,还需要智能分析采集到的数据并将数据、告警信息等实时发送到移动端APP,提高故障处理的及时率,这也是笔者下一阶段将要研究的内容。