JP6652777B2 - トランシーバ冷却設備及びそれを含む交換機 - Google Patents

トランシーバ冷却設備及びそれを含む交換機 Download PDF

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Description

本開示は、トランシーバ冷却設備及びそれを含む交換機に関する。
一般的に、データセンターは、各々がシステムにおけるデータ、算出及び/又は伝送のための様々な電子素子及び機器で詰め込まれる膨大な数のラックを有する。電子ラックは、様々な電子素子(例えば、サーバー)を取り付けるための基本的な設備である。複数のラックの各々に、多種類の部品を順に積み重ねてよい。これらの部品は、一般的に、前側フレームにより支持される。これらの前側フレームは、平らな板金から切り取られ、外側フレームをラックに固定するために、側縁に複数の隙間又はスロットを有する。一般的には、ラックを詰め込むために、これらの部品を比較的にしっかりと取り付ける。ラックの中に取り付けられる電子素子は、常に、多すぎる熱エネルギーを発生させる。これらの電子素子が過熱にならないように、発生した熱エネルギーをラックから除去する必要がある。一般的に、放熱器は、温度に敏感な電子素子又は熱を発生する電子素子と熱的に接触し、ファンによって冷却のために放熱器を通って空気を流す。
なお、本発明に関して記載すべき先行技術文献はない。出願人が知っている先行技術が文献公知発明に係るものではないからである。
ネットワークの拡張によるデータ格納と高周波伝送の増加は、データセンター内のシステムに接続された密度に対する要求を増加させた。これらのデータセンターは、通常、サーバーラックの列で構成されている。これらのサーバーは、データセンター内の他のサーバーとの間で高頻度の送信を必要とする。高周波伝送は、シールドケーブル又はますますアクティブな光ケーブルによって対応することができる。アクティブ光ケーブル(active optical cable、AOC)は、より長い伝送距離とより高い伝送帯域幅に対応する。アクティブ光ケーブルの少なくとも一端は、通常、トランシーバ内に組み込まれた光学エンジンを有する。光学エンジンは、電気信号を光信号(送信関数T[x])に変換し、その光信号を電気信号(受信関数R[x])に変換する。電子ラックは何百の内部接続を有することができ、その各々は除去できない熱エネルギーを発生する。この熱エネルギーを除去できないと、電子ラック内に接続された他の素子の劣化及び/又は早期損傷が加速する。従って、高速伝送素子に使用可能であり、高密度内部接続の場合効率的な熱除去を達成することができる冷却システムを提供することが必要である。
本開示は、トランシーバを冷却するための冷却設備を開示する。前記冷却設備は、各種の実施形態によれば、トランシーバを受けるように配置される冷却ジャケットを含む。ある実施形態において、トランシーバは接続構造によって冷却ジャケットの中に固定される。冷却設備は、冷却ジャケットの外面に固定される冷却装置を備えてもよく、冷却装置が高熱伝導性材料を含む。冷却設備は、冷却装置の各トランシーバから遠く離れる一端に接続される放熱装置を含んでもよい。
ある実施形態において、放熱装置は、水タンクからの冷却水を含むパイプラインに接続される放熱器を備える。更に、本開示のある実施形態において、冷却ジャケットは、アルミニウム、銅、ダイヤモンド、合金、又は上記の複合材料からなる群から選ばれる熱伝導材料を含む。本開示の例示的な実施形態の冷却設備において、放熱装置は、放熱器、受動熱交換器及びフィンの少なくとも1つを含む。ある実施形態において、冷却装置は、高熱伝導性材料を含む少なくとも1つのヒートパイプを備える。他の例示的な実施形態の冷却設備において、冷却装置は、高熱伝導性材料を含む少なくとも1つのスチームボックスを備える。
トランシーバのシェルの頂上側に取り付けられる放熱器を有する従来のトランシーバを示す斜視図である。 トランシーバのシェルの頂上側に取り付けられる放熱器を有する複数の従来のトランシーバを含む従来の交換機を示す斜視図である。 本開示の1つ又は複数の実施形態によるトランシーバの冷却部品を示す斜視図である。 本開示の1つ又は複数の実施形態による複数のトランシーバを有し対応的に複数の冷却部品が取り付けられる交換機を示す部分斜視図である。 本開示の1つ又は複数の実施形態による冷却部品モジュールが取り付けられる交換機を示す斜視図である。 の図5Aに示す交換機において2つトランシーバ本体が冷却ジャケットに設けられる状態を示す断面模式図である。 本開示の1つ又は複数の実施形態の図3における冷却部品の上面図である。 図6Aにおける線分A−Aに沿う断面図である。 図6Aにおける線分B−Bに沿う断面図である。
以下、図面で本発明の複数の実施形態を開示し、明らかに説明するために、多くの実務上の細部は、以下の説明において併せて説明する。しかしながら、理解すべきなのは、これらの実務上の細部は、本発明を制限するためのものではない。つまり、本発明の一部の実施形態において、これらの実務上の細部は、必要なものではない。又、図面を簡略化するために、いくつかの従来の慣用の構造と素子は、図面において簡単に模式的に示す。又、別の指示がない限り、異なる図面を通して同様の素子番号は同様の素子として認識されてもよい。これらの図面は、実施形態における各素子の接続関係を明確に示すために示されており、各素子の実際の寸法を示していない。
大体、ここで開示される内容において、そのうちの1つの実施形態は、プラガブルトランシーバを冷却するための冷却部品に関する。1つ又は複数の実施形態において、熱エネルギーは、トランシーバシェルからトランシーバの後側の放熱器へ移動して、放熱装置、冷却ファン、又は類似のものによって冷たい気流の中に分散される。1つ又は複数の実施形態によれば、トランシーバの外部から冷却を行う。本実施形態において、熱伝導材料で製造されるシェルをトランシーバに取り付ける。更に、高熱伝導性材料又は素子(ヒートパイプ等)をシェルの側面又は頂上面に取り付ける。高熱伝導性ヒートパイプは、放熱器又は熱放出装置に到達するのに十分な長さを有する。そして、ヒートパイプは、熱エネルギーをトランシーバから熱放出装置に伝送する。高熱伝導性材料でシェル部を製造し、及び/又はヒートパイプを広くしてシェル内部と接触する表面積を大きくすることで、この技術の効果を向上させることができる。
図1は、従来のトランシーバ100を示す斜視図である。2013/10/31に公開されたトランシーバ100がクワッドスモールフォームファクタプラガブル(Quad Small Form−factor pluggable;QSFP+)SFF−8436及びマルチソース契約リビジョン4.8(multi−source agreement revision 4.8)と互換性があり、ここで参照として全文に加える。他の既知タイプのトランシーバとしては、小型フォームファクタプラガブルトランシーバ(small form factor pluggable transceiver;SFP)、クワッドスモールフォームファクタプラガブルトランシーバ、マイクロクワッドスモールフォームファクタプラガブルトランシーバ(microQSFP)等を含む。図1に示すトランシーバ100は、5〜8Wのトランシーバ電力に対応可能である。トランシーバ100は、ラックにおけるプラグに挿入し、又はラックにおけるプラグから引き出すことができる(図1においてラック及びプラグを示せず)。プラグは、プリント回路基板(printed circuit board;PCB)に取り付けらることができる。トランシーバ100をプラグに挿入すると、物理的及び電気的接触を起こす。電気信号は、プラグとプリント回路基板との間に伝送されることができる。トランシーバ100は、放熱器102及びエッジカード104を含んでもよい。放熱器102は、通常、トランシーバ100の頂上側に直接取り付けられることで、トランシーバ100がその中の1つのプラグコネクタに挿入される場合、放熱器102の位置が固定されるようになる。一般的に、放熱器102は、押し出された又は曲がった板金を含んでもよい。放熱器102は、気流チャネルを定義する。エッジカード104は、プラグにおけるコネクタとペアにすることができる。エッジカード104は、トランシーバ100と互いに電気信号を伝送することができる。
トランシーバ100は、光学型、電子型、又は光学及び電子を含む混合型であってもよい。トランシーバ100が光学型であれば、接続線(図1において示せず)は、光信号を伝送(受信又は発信)可能な光ファイバを含む。光ファイバは、シングルモード(single−mode)光ファイバ又はマルチモード(multi−mode)光ファイバであってもよい。トランシーバ100は、光信号を電気信号に転換する及び/又は電気信号を光信号に転換する光学エンジンを含んでもよい。
トランシーバ100が電子型である場合、接続線(図1において示せず)は、電気信号を伝送する導線を含む。接続線は、例としては、同軸ケーブル(coaxial cable)であってもよく、同軸線(coax)とも呼ばれる。同軸線は、誘電体及び遮蔽層により囲まれた単一の電気導体を含む。接続線は、二軸ケーブル(twinaxial cable)であってもよく、二軸線(twinax)とも呼ばれる。二軸線は、誘電体及び遮蔽層により囲まれたダブル電気導体を含む。接続線は、他の適切な伝送線を含んでもよい。トランシーバ100は、電気信号(高周波ワイド信号を含む)を伝送するための電子回路を含んでもよい。
トランシーバ100が混合型である場合、接続線(図1において示せず)は、同時に光学線及び電子線を含む。この配置において、トランシーバ100は、光信号を電気信号に転換する及び/又は電気信号を光信号に転換することのできる光学エンジンを含む。これらのトランシーバ100は、また、電子線によって電気信号を発信・受信するための適切な電子回路を含む。
図2は、従来の交換機200を示す斜視図である。ある実施形態において、交換機200は、複数のトランシーバ100を含む。交換機200は、前端201及び後端202を含んでもよい。交換機200は、第1の側壁210及び第2の側壁220を含んでもよい。第1の側壁210及び第2の側壁220は、前端201から後端202へ延在する。複数のファンモジュール(図2において示せず)によって、気流50を交換機200から通過させ、前端201と後端202との間の複数のトランシーバ100を取り囲む。複数のファンモジュールが一般的に放熱器の付近に取り付けられるので、前記ファンモジュールは、直接気流50を放熱器の上方から通過させる。気流50は、押し出された又は曲がった板金の間の1つ又は複数の気流チャネルを流れる傾向がある。理解すべきなのは、交換機200は、ここで説明しない他の素子を含んでもよい。上記に言及された素子は、例示だけであり、本開示を制限するものではない。当業者であれば、本開示に基づいて柔軟的に他の素子を含んでもよい。
上記によれば、より高い高周波トランシーバ100の要求が増加している。しかしながら、チャネル密度及び帯域幅が増加すると、交換機200内のトランシーバ100によって生成される熱エネルギーも増加する。過度の温度により、早すぎる損傷又は性能の低下につながる。従って、本開示の様々な実施形態は、高密度パッケージング及び高帯域幅トランシーバ能力を依然として維持しながら、冷却能力を改善した新しいトランシーバ設計を提案する。
図3は、本開示の1つ又は複数の実施形態によるトランシーバ300の冷却部品30を示す斜視図である。冷却部品30は、トランシーバ300、放熱装置350及び冷却ジャケット302を含んでもよい。トランシーバ300は、本体301と、接続線を受けるためのケーブルインターフェイス303と、を含んでもよい。冷却ジャケット302は、放熱装置350に結合される冷却装置320(ヒートパイプ等)を含んでもよい。冷却ジャケット302は、例えば、アルミニウム、銅、ダイヤモンド、合金、又は複合材料のような如何なる熱伝導材料で製造されてもよい。冷却部品30は、接続構造340によって互いに固定されてもよい。接続構造340は、トランシーバ300を冷却ジャケット302に固定するように配置される。冷却ジャケット302が冷却装置320に空間を提供する。ある実施形態において、接続構造340もその底部に沿ってトランシーバ300及び放熱装置350を接続するように配置される。他の実施形態において、放熱装置350は、直接冷却装置320に接続されてもよい。冷却部品30の構成については、以下に詳しく説明する。冷却部品30がトランシーバ300を冷却するためのものであるが、本開示の実施形態はこれに限定されない。例としては、ここで説明される冷却部品30は、他の電子素子(例としては、小型ホットプラグ素子及び/又は光入力/出力素子)を冷却することに用いられてもよい。
1つ又は複数の実施形態において、放熱装置350は、伝導、対流、放射又は類似的な如何なる方法によって放熱能力を提供する適切な素子であってもよい。例えば、ここで使われるように、「放熱装置」は、放熱器、受動熱交換器、フィン、又は類似物を含むことに用いられる。放熱装置350は、例えば、アルミニウム、銅、ダイヤモンド、合金、又は複合材料のような如何なる高熱伝導材料で製造されてよい。放熱装置350は、サーマルプラスチック、サーマルグリス(thermal grease)又は類似物によって冷却装置320に結合されてもよい。ある実施形態において、放熱装置350は、水冷システムを含んでもよい。例としては、水タンクで冷水を伝送するパイプは、放熱装置350に接続されてもよく、前記パイプが交換機と同じ場所にあり又は別々の場所にあってもよい。
1つ又は複数の実施形態において、冷却装置320は、高熱伝導性材料で製造されるヒートパイプ又はスチームボックスを含んでもよい。ある実施形態において、高熱伝導性材料で製造されるヒートパイプを採用してもよい。このような高熱伝導性材料は、例えば、銅を含んでもよい。他の実施形態において、スチームボックスを採用してもよい。例としては、冷却装置320は、熱伝導と相変化の原理を結び付けた熱伝達素子を含んでもよい。ヒートパイプの熱接面において、ヒートパイプの熱伝導性固体表面と接触する液体は、熱伝導性固体の表面のおける熱エネルギーを吸収することで蒸気に変換される。次に、蒸気は、ヒートパイプに沿って冷接面に移動し、凝縮して液体に戻り、潜熱を放出する。液体は、毛細管作用又は重力によって熱接面に戻り、またここで気化され、上記のサイクルが繰り返される。説明された実施形態では、冷却装置320は、冷却ジャケット302に接触する。一実施形態では、高熱伝導性冷却装置320は、接着剤、クランプ、又は他の適切な機構によって冷却ジャケット302に取り付けられてもよい。
図4は、本開示の1つ又は複数の実施形態による複数のトランシーバ300を有し対応的に複数の冷却部品30が取り付けられる交換機400を示す部分斜視図である。ある実施形態において、高い熱伝導率のヒートパイプをトランシーバ300の2つの側面及び頂上側(図3及び図4において部分的に示す)に置くことで、より優れた冷却を実現する。この配置において、複数のトランシーバ300は、交換機400に取り付けられ、且つそれぞれに開示された冷却部品30が配置される。ヒートパイプは、各トランシーバ300の間に介在し、且つ各トランシーバ300の頂上側に沿って延在してもよい。高い熱伝導率のヒートパイプ(冷却装置320)は、トランシーバ300を半分にするところに位置してもよい。ヒートパイプとトランシーバ300との接触を確保することで、冷却能力を高めることができる。従って、冷却装置320とトランシーバ300との距離を最小にするように、冷却装置320は、冷却ジャケット302(図3に示す)に挿入される。高い熱伝導率のヒートパイプ(冷却装置320)は、冷却ジャケット302と面一になる程度に十分に小さい。且つ、冷却ジャケット302は、トランシーバ300に固定される。従って、冷却装置320は、トランシーバ300に対してより効率的に冷却を行う。図6を参照して更に詳しく説明する。
冷却部品30は、気流450又は気流451の恩恵を受けることができる。つまり、開示される冷却部品30は、2つの方向の気流の恩恵を受けることができる。熱エネルギーがトランシーバ300から冷却部品30のトランシーバ300から遠く離れる一端へ取り除かれてから、冷空気を受ける。つまり、熱エネルギーは、別の領域に伝送され且つ放熱装置350、冷却ファン又は類似物の気流の中に放射される。従って、冷却部品30は、交換機400の設計の柔軟性を提供する。複数の冷却ファン(未図示)は、複数のトランシーバ300に対応する各種の位置に取り付けられることができる。
図5Aは、本開示の1つ又は複数の実施形態による冷却部品モジュール30Nを有する交換機500を示す斜視図である。理解すべきなのは、以上に説明され且つ図3に示す冷却部品30は、単一のトランシーバ300に取り付けられるように配置される。冷却部品モジュール30Nは、複数のトランシーバ300に対応する単一の冷却部品として配置されてもよい。ヒートパイプは、各トランシーバ300の頂上側を経由するように、各トランシーバ300の間に介在されてもよい。高熱伝導性ヒートパイプ(冷却装置320)は、前記トランシーバ300を半分にする領域に位置してもよい。放熱装置350Nにおける各放熱装置350が互いに接触することを確保することで、冷却構造の効能を改善することができる。
図5Bは、トランシーバ本体301N(1)及びトランシーバ本体301N(2)の両者を示す。トランシーバ本体301N(1)及びトランシーバ本体301N(2)は、それぞれ冷却ジャケット302N(1)及び冷却ジャケット302N(2)の中に設けられる。冷却ジャケット302N(1)は、冷却装置320N(1)及び冷却装置320N(2)を含んでもよい。更に、冷却ジャケット302N(2)は、冷却装置320N(3)及び冷却装置320N(4)を含んでもよい。トランシーバ本体301N(1)及びトランシーバ本体301N(2)の両者が近接するので、その両者は冷却装置320N(3)を共有することができる。ある実施形態において、この配列において12のトランシーバ300を交換機500に配置してもよい。又、放熱装置350N(図5Aに示す)は、単一の放熱装置350とされてもよい。従って、冷却部品モジュール30N(図5Aに示す)は、単一のモジュールとして交換機500における前記トランシーバ300を冷却してもよい。
図6Aは、本開示の1つ又は複数の実施形態による図3の冷却部品30を示す上面図である。冷却部品30は、線分A−A及び線分B−Bに沿う断面図を含み、それぞれ図6B及び図6Cを参照して検討する。図6Bは、図6Aにおける線分A−Aに沿う断面図である。図6Cは、図6Aにおける線分線分B−Bに沿う断面図である。示される図面において、冷却装置320A及び冷却装置320Bが如何に冷却ジャケット302に置かれるかを視認できる。冷却装置320A及び冷却装置320Bが冷却ジャケット302に位置するので、冷却装置320A及び冷却装置320Bは、冷却ジャケット302と外部で面一になる。冷却装置320A及び冷却装置320Bは、サーマルプラスチック、サーマルグリス、又は類似物によって冷却ジャケット302に結合されることができる。更に、スポット溶接法又は2つの高熱伝導性材料を接合する他の方法によって、冷却装置320A及び冷却装置320Bを冷却ジャケット302に結合することができる。
冷却ジャケット302は、固定素子321及び固定素子322によって接続構造340に接続される。固定素子321は、ねじ部品321Bとねじ孔321Aを含んでもよい。ねじ孔321Aが冷却ジャケット302のフロントハンドルに位置し、ねじ部品321Bが冷却ジャケット302の中に接続される。固定素子322は、ねじ部品322Bとねじ孔322Aを含んでもよい。ねじ孔322Aが冷却ジャケット302のフロントハンドルに位置し、ねじ部品322Bが冷却ジャケット302に接続される。冷却ジャケット302が接続構造340に固定されると、接続構造340は、トランシーバ300の本体301に固定される。従って、トランシーバ300による熱エネルギーは、本体301から接続構造340を経て冷却ジャケット302に伝送され、外へ冷却装置320A及び冷却装置320Bに伝送される。この場合、冷却装置320A及び冷却装置320Bは、熱エネルギー伝送器になり、トランシーバ300からの熱エネルギーを冷却部品30の冷たい領域に伝送される。高熱伝導性材料で接続構造340及び冷却ジャケット302の両者を製造し、及び/又は冷却装置320Aと冷却装置320Bを広くして冷却ジャケット302の内部と接触する表面積を大きくすることで、この技術の効果を高めることができる。
本開示は、例示及び上記の実施形態として記載されており、本発明は、開示された実施形態に限定されないことを理解されたい。それに対して、本発明は、様々な修正及び近似配置(例えば、当業者が容易に理解できるもの)を包含する。従って、追加の請求項は、このような修正及び近似配置をすべて包含するように最も広い解釈に基づくべきである。
30 冷却部品
30N 冷却部品モジュール
50、450、451 気流
100 トランシーバ
102 放熱器
104 エッジカード
200、400、500 交換機
201 前端
202 後端
210 第1の側壁
220 第2の側壁
300 トランシーバ
301 本体
301N(1)、301N(2) トランシーバ本体
302 冷却ジャケット
302N(1)、302N(2) 冷却ジャケット
303 ケーブルインターフェイス
320、320A、320B、320N(1)、320N(2)、320N(3)、320N(4) 冷却装置
321、322 固定素子
321A、322A ねじ孔
321B、322B ねじ部品
340 接続構造
350、350N 放熱装置
A−A、B−B 線分

Claims (10)

  1. トランシーバを冷却するための冷却設備であって、
    前記トランシーバを受けるように配置される冷却ジャケットと、
    高熱伝導性材料を含む少なくとも2つの冷却装置と、
    各前記少なくとも2つの冷却装置の前記トランシーバから離れる一端に接続される放熱装置と、
    を備え、
    前記冷却ジャケットは、第1部分と前記第1部分に直角な第2部分とを有して、前記第1部分と前記第2部分は前記トランシーバの2つの隣接する側面をそれぞれカバーし、
    前記少なくとも2つの冷却装置は、前記冷却ジャケットの前記第1部分と前記第2部分にそれぞれ埋め込まれ、
    前記トランシーバが接続構造によって前記冷却ジャケットの中に固定される冷却設備。
  2. 前記放熱装置は、水タンクからの冷却水を含むパイプラインに接続される放熱器を備える請求項1に記載の冷却設備。
  3. 前記放熱装置は、放熱器、受動熱交換器及びフィンの少なくとも1つを含む請求項1〜2の何れか1項に記載の冷却設備。
  4. 前記冷却装置は、高熱伝導性材料を含む少なくとも1つのヒートパイプを備える請求項1〜3の何れか1項に記載の冷却設備。
  5. 前記冷却装置は、高熱伝導性材料を含む少なくとも1つのスチームボックスを備える請求項1〜4の何れか1項に記載の冷却設備。
  6. 前端、後端、第1の側壁及び第2の側壁を有し、前記第1の側壁及び前記第2の側壁が前記前端から前記後端へ延在する交換機であって、
    少なくとも部分的に前記第1の側壁から前記第2の側壁まで延在し、複数の冷却部品を受けるように配置される少なくとも1列の複数のトランシーバを備え、
    各前記冷却部品は、
    接続構造によって前記少なくとも1列の前記トランシーバの1つを固定するように配置される冷却ジャケットと、高熱伝導性材料を含む少なくとも2つの冷却装置と、各前記少なくとも2つの冷却装置の前記トランシーバから離れる一端に接続される放熱装置と、を含み、
    前記冷却ジャケットは、第1部分と前記第1部分に直角な第2部分とを有して、前記第1部分と前記第2部分は前記トランシーバの2つの隣接する側面をそれぞれカバーし、
    前記少なくとも2つの冷却装置は、前記冷却ジャケットの前記第1部分と前記第2部分にそれぞれ埋め込まれる交換機。
  7. 前記放熱装置は、水タンクからの冷却水を含むパイプラインに接続される放熱器を備える請求項6に記載の交換機。
  8. 前記放熱装置は、放熱器、受動熱交換器及びフィンの少なくとも1つを含む請求項6〜7の何れか1項に記載の交換機。
  9. 前記少なくとも2つの冷却装置は、高熱伝導性材料を含む少なくとも1つのヒートパイプを備える請求項6〜8の何れか1項に記載の交換機。
  10. 前記少なくとも2つの冷却装置は、高熱伝導性材料を含む少なくとも1つのスチームボックスを備える請求項6〜9の何れか1項に記載の交換機。
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