JP2013102163A - 熱冷却機能を有するコネクタシステム - Google Patents

Abstract

【課題】熱負荷の処理に適したコネクタシステムを提供する。
【解決手段】コネクタはヒートスプレッダを含む。ヒートスプレッダは熱をポートから、コネクタより離れて配置されたサーマルプレートへ向けるよう構成される。複数のコネクタが支持され得、ヒートスプレッダが、各コネクタによって結合され得る。１つ以上のサーマルプレートが、各コネクタから離れた方向に熱エネルギーを向けるよう、対応するヒートスプレッダと熱的に接合され得る。冷却ブロックが、ヒートスプレッダを対応するサーマルプレートと熱的に接合するために使用され得る。
【選択図】図１

Description

（関連出願）
本出願は、２０１１年１１月８日出願の米国仮出願第６１／５５６，８９０号、及び２０１２年５月１日出願の米国仮出願第６１／６４０，７８６号に基づく優先権を主張し、その両方の仮出願全体は、参照によって援用される。

本発明は、コネクタ分野に関し、より具体的には、熱負荷の処理に適したコネクタの分野に関する。

I ／Ｏコネクタ、特に高速データ通信向けのコネクタは既知である。そのようなコネクタの一例として一般的にＱＳＦＰコネクタと呼ばれるものがある。ＱＳＦＰコネクタは、４Ｘ構成（４送信チャンネルと４受信のチャンネル）で１０Ｇｂｐｓのデータレートを提供する事を目的とする。他の同等なデータレートを提供するコネクタは、インフィニバンド１２Ｘコネクタ（１２Ｘ構成で１０Ｇｂｐｓを提供する事を目的とする）、及びＳＦＰ＋コネクタ（１Ｘ構成で１０Ｇｂｐｓを提供する事を目的とする）を含む。より高速のデータレート（例えば、１６Ｇｂｐｓ、または２８Ｇｂｐｓチャンネル）で同等のインタフェースを提供するための開発も進行中である。

理解できるように、これらの高速データレートは大いに有益であり、遠距離通信技術やネットワークアプリケーション、ならびに特定のサーバアプリケーションにおいて必要とされる帯域幅に関する課題への取り組みを支援するように、実施されている。これらの典型的な用途から予想できるように、２つの基本的な使用様式がある。使用様式の１つは、一箇所から近くの他所へデータを提供するものである。データはたいてい１０メートル未満しか移動しないため、これらの用途において、全ての銅による解決策は、良好に機能する。パッシブケーブルアッセンブリは、そのような用途によく適していて、費用効率が良い傾向がある。しかしながら、距離が増加するにつれて、動力ケーブルが必要となる。中距離（例えば１００メートル未満）用にはアクティブケーブルが、使用されることが多く、それらケーブルは銅の導体を通して信号を提供するが、高周波数信号が導体の長さに沿って伝わる際に発生する減衰を管理するように、信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を高めている。最後に、より長距離（例えば１キロメートル）にわたって伝送するには、光伝送媒体を利用するのが合理的である。それらのケーブルは両端に電気信号を光信号に変換するモジュールを使用し、それによってはるかに長距離間に信号を送ることを可能にする。このように、２つの使用パターンは、１）パッシブケーブル装置、及び２）動力ケーブル装置である。

動力ケーブルシステムに関する１つの大きな問題は、対応するケーブルを通して信号を送るために使用されるチップ／モジュールが動力を必要とすることである。相当なエネルギーを必要とし得、光モジュールにおいては、しばしば３ワットの範囲となる。この熱エネルギー量は、信号の伝送に使用される構成要素が過熱しないことを確実にするため、冷却を必要とする。冷却の対策が既知である（例えば、１００ワット以上を放散させる必要があり得るＣＰＵのための対策）が、ケーブルアッセンブリに関する問題は、冷却を必要とするモジュールが冷却の手段との取り外しが可能なインタフェースを必要とするといった事実から非常に複雑である。言い換えれば、モジュールはレセプタクルに挿入され、十分な熱エネルギーがモジュールから除去されるように、冷却の手段と適切に接触（多くの場合滑動的に接触）されなければならない。

かねてから用いられている冷却方法は、ライディングヒートシンクである。この種類のヒートシンクは、モジュールがレセプタクルに挿入される時にモジュールと係合するよう意図された平面を提供する。この平面は、ヒートシンクをケージに固定するクリップによりモジュールの表面に対してバイアスをかけられ、そのため、ヒートシンクはケージ、ヒートシンク、及びモジュールにおいて、許容範囲の量まで垂直に移動することができる。しかしながら、この設計に関する問題の１つは、平面を備えたヒートシンクを提供することが困難であることと、モジュールも完全な平面にはなり難い傾向にあるということである。このように、実際上、基本的にヒートシンクとモジュールの間に３つの直接的な接点があることが一般的である。したがって、理解できるように、ある特定の個人は、改善された熱管理システムが有益なものと評価するであろう。

コネクタはヒートスプレッダを含む。ヒートスプレッダは熱をポートから、コネクタと離して設置されるサーマルプレートへ向けるよう構成される。一実施形態において、ボックスは、複数のコネクタを支持することができ、２つのサーマルプレートを提供し各コネクタに付随するヒートスプレッダは、熱エネルギーを両方のサーマルプレートへ向けることができる。コネクタを小型の構成で配置し得ることを確実にするため、ヒートスプレッダは薄型に保持され得る。ヒートスプレッダを対応するサーマルプレートへ熱的に結合するため、冷却ブロックを使用することができる。

本発明は実施例によって示され、添付の図に限定されることなく、これらの図においては、同一の参照番号は同様の構成要素を指す。

コネクタシステムの実施形態の斜視図である。 非嵌合位置にあるプラグコネクタを伴った、図１に図示される実施形態を示す斜視図である。 コネクタシステムの実施形態の部分分解斜視図である。 簡略化されたコネクタシステムの実施形態の部分分解斜視図である。 図４に図示される実施形態の別の斜視図である。 コネクタシステムの実施形態の正面図である。 図６に図示される実施形態の６Ａ−６Ａの線に沿った部分の拡大図である。 コネクタシステムの実施形態の斜視図である。 図７に図示される実施形態の線８−８に沿った断面の立面図である。 図８に図示される実施形態の斜視図である。 ２段の熱管理システムの簡易化された斜視図である。 １段の熱管理システムの簡易化された斜視図である。

以下の詳細な説明は例示的な実施形態を示すものであり、明確に開示された組み合わせに限定することは意図されていない。従って、特に断りのない限り、本明細書に開示される特徴は、共に組み合わせられて、簡潔化の目的のために示されていない別の組み合わせを形成し得る。加えて、本明細書に図示されるある特定の特徴は任意のものであることに留意しなければならない。熱管理（及び付随するシステム）は、予想される熱負荷に依存する。そのため、より大きな熱処理の許容量を提供することを目的とする特徴は、熱負荷が比較的低いと予想される実施形態においては省略され得る。加えて、環境が比較的温和である場合（例えば、非常に低温の空気が利用できる場所にシステムが配置された場合）での適用においては、いくつかの特徴は、所望の熱管理性能を提供するには不要であり得る。

図１は、第１のサーマルプレート３１、サイドプレート、及び第２のサーマルプレート３３を有するボックス３０を含むコネクタシステムを示す。サーマルプレートはボックスの外部にあるように図示されているが、ボックスは、図示されたプレートの外部に位置した追加のプレート、及び／または構造を含み得るということに留意しなければならない（従って、図示されたサーマルプレート３１、３３は内部のサーマルプレートとなり得る）。ボックス設計にかかわらず、設計の潜在的な利益の１つは、ボックス３０がヒートシンクとして機能し得ることである。ボックス３０は通常、大幅により大きく、サーマルプレートを通過する大量の空気の流れを享受することが多いため、このシステムは、冷却性能の向上に適した機構を提供する。

ボックス３０は、ケージ８０の開口部４２であるポート４１のカラムを含み、ポート４１は、好ましくは平面である面７を有する外郭６を含む信号ケーブル８の端にあるプラグコネクタ５を受容するように構成される。図示された構成は、間隔の量を最小化するよう、互いに隣接して配置される３つの分離コネクタ１００を提供し、図示されるように、ボックス３０は、上部サーマルプレート３１に据え付けられる上部冷却ブロック５２ａ、及び下部サーマルプレート３３に据え付けられる下部冷却ブロック５２ｂを有し、１つの上部冷却ブロック５２ａ及び１つの下部冷却ブロック５２ｂは、各コネクタに付随する。理解できるように、目的とする空気の通り方によって、いくつかの実施形態では、各コネクタに付随する上部の冷却ブロック５２ａまたは下部の冷却ブロック５２ｂ（両方ではなく）のいずれかのみで十分であり得る。更に、各コネクタ１００は、コネクタアセンブリを単一の装置として提供するように、ヒートスプレッダ７０に取り付けたケージ８０を含み得る。

冷却ブロック５２ａ、５２ｂは、据付ブロック５３ａ、５３ｂを含み、据付ブロックは、サーマルプレートと据付ブロックの間で低い熱抵抗を提供する様式でサーマルプレートに据え付けられ得る。例えば、サーマルガスケット５６を据付ブロックとサーマルプレートの間に設置することができ、それによって据付ブロックが適切な位置に固定される時、熱抵抗が、所望の値、好ましくは、２Ｃ／Ｗ未満、より好ましくは、１．５Ｃ／Ｗ未満、そしてより高性能の応用については、１．２５Ｃ／Ｗ未満に保たれる。

冷却ブロック５２ａ、５２ｂは、据付ブロック５３ａ、５３ｂに据え付けられたクリップ６０ａ、６０ｂをも含み、クリップはメインサーマルプレート７１と係合するように構成されたフィンガー６４を有する。図６Ａにおいては、据付ブロックとの締り嵌めを有するように示されるが、実際には移動するであろうフィンガー６４が、メインサーマルウォール７１を圧するため、下部のサーマルプレート３３のような支持プレートに、メインサーマルウォール７１から熱エネルギーを伝導することができる多くの並行サーマルチャネルを提供する。クリップ６０ａ、６０ｂは、２つの構成要素間の低い熱抵抗を確実にするために据付ブロックにはんだ付けされ得る。別の実施形態では、クリップはサーマルプレートに直接据え付けることができ、据付ブロックを省略することができる。しかし、一般的には、据付ブロックは、熱抵抗を減らす手助けをする、付加的な面を提供することができる。

図７から理解できるように、第１及び第２のサーマルウォール７３、７２はメインサーマルウォール７１から延在する。一実施形態において、メインサーマルウォール７１は第１のポートの第１面Ａ、及び第２のポートの第１面Ｃと整列される。第１のサーマルウォール７３は第１のポートの第２面Ｂと整列される。第２のサーマルウォール７２は第２のポートの第２面Ｄと整列される。理解できるように、第１のサーマルウォールは２つのポート４１の間に配置され、第２のサーマルウォールは２つのポートの間には配置されない。あるいは、第２のサーマルウォール７２も２つのポート４１の間に配置され得るが、その場合、光パイプ９５、またはそれの間に配置されることが望まれる他の指示器のような物品のための空間が少なくなるであろう。

サーマルウォールは、所望の形に作製することができることに留意しなければならない。例えば、サーマルウォールは金属板、ヒートパイプ、またはいくつかの液体で満たされた構造物によって形成され得る。理解できるように、所望な熱抵抗のために、費用効果のある構造を有することが望ましい。

図示されるように、ポートへ挿入されたモジュールは、複数の熱接触点７６によって係合される表面を有するであろう。熱接触点７６は第１及び第２のサーマルプレート７３、７２と熱的に接合され、第１及び第２のサーマルプレート７３、７２はメインサーマルプレート７１と熱的に接合され、メインサーマルプレート７１は冷却ブロックに係合する。このことによって、ウェハ４６を有するコネクタ４５が、カードスロットに接合して、プラグコネクタに係合して、比較的密な収納容器で十分な冷却を可能にしながら、良好なＥＭＩ保護を有するようにできる。

図１１に図示されるように、ヒートスプレッダ１７０はメインサーマルウオール１７１と、メインサーマルウォール１７１から延在する第１のサーマルウォール１７２を含む。理解できるように、熱性能を最大にするためには、２つの冷却ブロック１６２ａと１６２ｂが用いられ得る（それぞれ図示される据付ブロック１５３ｂ及びクリップ１６０ｂのような据付ブロックとクリップを有する）。しかし、別の実施形態では、上部または下部の冷却ブロックは省略され得る。ともかく、冷却ブロックは、サーキットボード、サーマルプレート（図示せず）とコネクタの間での寸法変化に起因する積み重ねのような問題を回避すると同時に、良好な熱性能を可能にするスライディングサーマルインタフェースを提供する。

このように、図示された実施形態は、ケージとサーマルプレート間のより低い熱抵抗（一実施形態においては、１．５Ｃ／Ｗ未満、好ましくは１．２５Ｃ／Ｗ未満）を供給する方法を提供する。更に、メインサーマルウォールは、熱性能に大きな影響を与えることなく、サーキットボードにある開口部を通り延在し得る。加えて、この設計は、メインサーマルプレートが、寸法で３ｍｍ未満、一実施形態においては、幅２ｍｍ未満増加し得るような密な構成を可能にする。このように、図示された熱解消の方法は１つのコネクタの列につき追加のスペースは２ｍｍから４ｍｍしか必要としない一方で、より優れた熱性能を提供できる。

サーマルプレート３１、３３はボックス３０の一部として図示されているが、上記のように、サーマルプレートは内部の部品にもなり得ることに留意しなければならない。例えば、制限無く、サーマルプレートはより大きなボックスの内部にも配置できる。サーマルプレートは、中実の金属（典型的にヒートスプレッダに使われる）である必要はなく、代わりに、熱エネルギーをコネクタから移動及び／または放散させることを補助するために液体／蒸気を用いるよう構成される液体冷却構造（または、蒸気チャンバ形式のヒートシンクでさえ）でもあり得る。

理解できるように、熱抵抗はそれぞれのインタフェースによって上昇する。例えば、一実施形態において、挿入されたコネクタとサーマルプレート間の全抵抗は、８Ｃ／Ｗ未満であり得り、より好ましい実施形態においては、６Ｃ／Ｗ以下の熱抵抗を提供するよう構成され得る。注意を働かせる場合、熱抵抗が、約４Ｃ／Ｗを越えないよう設計することができる。

本明細書に提供される開示は、その好ましく、例示的な実施形態に関する特徴を記載する。当業者は、本開示を参照して、多くの他の実施形態、修正形態及び変形形態及び用例を、添付の特許請求の範囲と趣旨から逸脱することなく、想起されるであろう。

Claims (13)

1. コネクタシステムであって、
   サーマルプレートを支持するボックスと、
   第１面を有する第１ポートを画定する開口部を含むケージと、
   該ケージ内に配置され、第１のポートと整列された少なくとも１つのカードスロットを有する筐体と、
   第１面と整列されたメインサーマルウォールを含むヒートスプレッダと、
   熱的に前記サーマルプレートへ接合され、前記メインサーマルウォールと熱的に接合するよう構成される冷却ブロックとを含む、コネクタシステム。
2. 前記サーマルプレートが前記ボックスの底壁である、請求項１に記載のコネクタシステム。
3. 前記第１ポートは第２面を有し、前記ヒートスプレッダはメインサーマルウォールから延在する第１面サーマルウォールを含み、該第１面サーマルウォールは前記第２面と整列される、請求項１に記載のコネクタシステム。
4. 前記第１面サーマルウォールが複数のフィンガーと熱的に接合され、該フィンガーは、作動時、嵌合プラグコネクタの面と係合するよう構成される、請求項３に記載のコネクタシステム。
5. 前記ケージが前記サーマルプレートからオフセットされたサーキットボードに据え付けられ、前記第１サーマルウォールが前記サーキットボード内の開口部を通って延在する、請求項４に記載のコネクタシステム。
6. 前記ケージが第２ポートを含み、前記筐体が前記第２ポートと整列される第２カードスロットを少なくとも有し、前記第１面サーマルウォールが前記第１ポートと前記第２ポートの間に配置される、請求項３に記載のコネクタシステム。
7. 前記第２ポートが、前記第１ポートの第２面に隣接していない第３面を含み、前記ヒートスプレッダが前記メインサーマルウォールから延在する第２面サーマルウォールを含み、該第２面サーマルウォールは前記第３面と整列される、請求項６に記載のコネクタシステム。
8. 前記冷却ブロックが、垂直壁と係合するように構成されるタブを含む、請求項１に記載のコネクタシステム。
9. 前記サーマルプレートが液体冷却を提供するよう構成される、請求項１に記載のコネクタシステム。
10. コネクタであって、
    上面と底面と、第１面及び第２面を有する第１ポートを画定する開口部とを有するケージと、
    該ケージに配置され、前記ポートと整列される少なくとも１つのカードスロットを有する筐体と、
    前記第１面と整列されるメインサーマルウォール、及び前記第２壁と整列される第１サーマルウォールとを含むヒートスプレッダとを含み、
    前記第１サーマルウォールは、第２面から前記メインサーマルウォールへ熱エネルギーを向けるよう構成され、前記メインサーマルウォールは、上面及び底面のうち１つを越えて延在する、コネクタ。
11. 前記メインサーマルウォールが前記上面と前記底面の両方を越えて延在する、請求項１０に記載のコネクタ。
12. 前記ケージが第３面と第４面を有する第２のポートを含み、
    前記メインサーマルウォールが前記第３面と整列され、前記ヒートスプレッダが前記第４面と整列された第２サーマルウォールを含む、請求項１１に記載のコネクタ。
13. 前記第１サーマルウォールが前記第１ポートと前記第２ポートの間に配置される、請求項１２に記載のコネクタ。

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