JP6851896B2 - モジュールを冷却する方法 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０１３年４月２４日に出願された米国仮特許出願第６１／８１５，５６５号、および２０１３年１２月６日に出願された米国仮特許出願第６１／９１３，００８号に対する優先権を主張するものであり、これら両方ともに、全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、コネクタの分野に関し、より具体的には、高データ速度を支援するのに好適なコネクタの分野に関する。

コネクタシステムは、ラック上のサーバおよびスイッチを接続するために使用されることが多い。ある特定の用途では、サーバおよびスイッチは、同じまたは隣接したラックを共有し、パッシブケーブルアセンブリと連結され得る。他の用途では、これらの２つのデバイス間の距離は大き過ぎ、それ故にアクティブケーブルアセンブリを必要とする。従来、例えば、パッシブケーブルアセンブリは、１０メートルまでの距離に好適であることが多く、アクティブ銅ケーブルアセンブリは、１００メートルまでの距離に好適であり、それを超えると、これは、信号を転送するために光学ベースの媒体を使用することが一般に必要であった。しかしながら、システムをより柔軟にするために、３つのケーブルアセンブリ（パッシブ銅、アクティブ銅、および光学）すべての嵌合界面は同じである。したがって、同じ入力／出力（ＩＯ）ポートが使用され得、スイッチまたはサーバが幅広い用途で使用され得る。

しかしながら、符号化周波数が５Ｇｈｚを超えるまで増加しているため、銅ベースのアセンブリでの作業がますます困難になっている。例えば、ＮＲＺ符号化を用いて約２５Ｇｂｐｓまでのデータ速度に達することが可能であるが、必要な信号周波数は、長さ約５〜８メートルより長いケーブルを有することを難しくする。より高いデータ速度では、単純に銅線に自然に生じる減衰のため、十分な信号対ノイズ比を有することが次第に困難になる。

銅の物理的特性、および銅の好適な代替の欠如の結果として、将来の設計が２メートルのパッシブケーブル、１０メートルのアクティブ銅ケーブル、およびそれより長い光学ベースである可能性の高いケーブルアセンブリを目指すであろうことが予測される。この１つの重大な影響は、アクティブケーブルアセンブリが使用される可能性がはるかに高いことである。これは、サーバおよびスイッチの重大な問題を引き起こすことが予測される。

現在、スイッチおよびサーバは、１０Ｇｂｐｓチャネル（多くの場合、１ｘ、４ｘ、または１０ｘ）を提供する入力／出力（ＩＯ）ポートで作業するように設計されており、将来のチャネルは、１６〜２５Ｇｂｐｓで機能することが要求されると予測される。典型的に、これらのチャネルは、１つの送信サブチャネルおよび１つの受信サブチャネルを含み、それ故に、１０Ｇｂｐｓの１ｘチャネルは、１０Ｇｂｐｓまで受信することができ、１０Ｇｂｐｓまで送信することができる。多くの用途の要件を満たすために、所定の空間内のポートの数を増加させることが望ましい。したがって、４８個の１ｘポートに対処し得るスイッチは、２４個の１ｘポートに対処し得るスイッチよりも望ましい（より高い性能が有益であると仮定して）。同様に、１６Ｇｂｐｓで動作し得る２４個の１ｘポートを有するスイッチは、１０Ｇｂｐｓでのみ動作し得る２４個の１ｘポートを有するスイッチよりも望ましいであろう。上述のように、ポートの各々は典型的に、任意の種類のケーブルアセンブリ（パッシブ銅、アクティブ銅、または光学）で使用され得る。

しかしながら、理解され得るように、データ速度を増加させることは、アクティブケーブルアセンブリの数を増加させる傾向がある（システムが定期的により長いケーブルを必要とすると仮定して）。アクティブケーブルアセンブリ（例えば、電力消費デバイスとして機能する回路を有するケーブルアセンブリ）は、パッシブケーブルアセンブリとは異なり、システムが確実に機能する場合に冷却されなければならないかなりの熱エネルギーを発生させる。これは、スイッチ製造業者が熱負荷の増加に対処することのできるスイッチ／ボックスを設計しなければならないか、またはスイッチ製造業者が提供されるポートの数を制限しなければならないかのいずれかであることを意味する。モジュール当たりの熱負荷が増加しており、それにより空冷式システムを有する熱システムを管理することが次第に困難になっている。しかしながら、水冷式システムがさらに複雑になり、それ故に、水冷式システムの使用を必要とするサーバおよびスイッチならびに他のそのようなボックスの設計に対する抵抗がある。したがって、ある特定の個人であれば、高データ速度での使用に好適なＩＯシステムの設計のさらなる改善を高く評価するであろう。

モジュールおよびレセプタクルを含むコネクタシステムが開示される。モジュールは、嵌合面および第１の側を有する本体を含む。熱表面が第１の側に提供され、熱表面は、熱エネルギーの消散に役立つように表面積の増加を提供するように構成される。熱表面は、表面積の増加を提供するためにフィンを含み得る。レセプタクルは、熱表面を受容するように寸法決めされた第１の部分を含み、第１の部分より小さく寸法決めされた第２の部分を含む。レセプタクルは、通気壁を含み得る。空気は、モジュールに冷却を提供するためにポートに流入し、熱表面上を流れ、その後、通気壁を通じて流れることができる。空気はまた、反対方向に流れ、モジュールを冷却することができる。

本発明は、一例として図解され、同様の参照番号が同様の要素を示す添付の図に限定されない。

嵌合されていない位置での例示的なコネクタシステムの斜視図である。 部分的に嵌合された位置での図１に示された実施形態の斜視図である。 嵌合された位置での図１に示された実施形態の斜視図である。 図３に示された実施形態の断面の斜視図である。 図２に示された実施形態の断面の斜視図である。 レセプタクルの実施形態の斜視図である。 図６に示されたレセプタクルの断面の斜視図である。 図６に示されたレセプタクルの別の斜視図である。 図８に示された実施形態の部分斜視図である。 モジュールの実施形態の斜視図である。 図１０に示された実施形態の別の斜視図である。 図１１に示された実施形態の拡大斜視図である。 望ましい様式で冷却を提供するように構成された例示的なコネクタシステムの概略図である。

後述の詳細な説明は、例示的な実施形態を説明し、明示的に開示された組み合わせに限定されるようには意図されていない。したがって、別途記載されない限り、本明細書に開示される特徴は、簡潔さのために別の方法で示されなかった追加の組み合わせを形成するようにともに組み合わせられ得る。

モジュール１０およびレセプタクル６０を含むコネクタシステムが開示される。理解され得るように、コネクタシステムは、モジュールおよびレセプタクルが別のものと適合するように構成される場合に最良に稼働するが、基本設計は、いくつかの潜在的な構成で使用され得る。例えば、モジュールは、ケージ内に位置決めされた熱表面を有することなく論じられる利益をもたらすように構成され得る。加えて、熱表面の位置は、モジュールの片側（図示されるようなその上ではなく）に調整され得る。積層構造などのさらなる変形も可能である。熱表面がその片側に提供された場合、積層構成は、単純であろう。熱表面が上面に提供される場合、空気が上部および下部ポート上を流れることができるようにレセプタクル内に適切な通気を提供することが有益であろう。

示された図では、理解され得る特徴の１つは、電力消費デバイスと、気流によって熱エネルギーを消散させるために使用される熱表面との間の熱抵抗の低下があることである。ヒートシンクを乗せる設計等の先行設計では、モジュールとヒートシンクとの間の熱抵抗は、約２Ｃ／ワットの範囲である傾向がある。ばねフィンガー設計により、モジュールとヒートシンクとの間の熱抵抗は、１Ｃ／ワットまで低下し得るが、それでさえも、より高い出力のモジュールには高過ぎる場合がある。これは、熱抵抗が本質的に直列であり、それ故に加算するためである。したがって、１Ｃ／ワットの抵抗は、ヒートシンクと冷却用空気との間の熱抵抗に加えられるであろう。ヒートシンクと冷却用空気との間の熱抵抗が１．５Ｃ／ワットであり、ばねフィンガーがモジュールとヒートシンクとの間で使用された場合、モジュールと冷却用空気との間の温度上昇は、約２．５Ｃ／ワットであろう。１０ワットのモジュールおよび冷却用空気のための３０Ｃの温度により、モジュールの温度は、約５５Ｃであろう（他の熱抵抗が存在しないと仮定した場合であるが、そうである可能性は低い）。理解され得るように、このような設計は、モジュールの耐用年数に潜在的に影響を及ぼし得るため、望ましくない場合がある。しかしながら、図示された設計により、熱抵抗は、引き起こされるであろう一次熱抵抗が冷却用空気と熱表面との間の熱接合であるように最小化され得る。これは、例えば、依然として約１．５Ｃ／ワットであり得るが、これは、１０ワットを生成し、かつ冷却のために３０Ｃの空気を使用する場合、４５Ｃの温度のモジュールをもたらすであろう。必然的に、モジュールの温度のそのような低下は、モジュールの信頼性を改善するのに有益であり、周囲空気（例えば、別の方法で冷却されない空気）での冷却適用の可能性をさらに可能にするであろう。

熱表面と冷却用空気との間の実際の熱抵抗は、これらに限定されないが、表面積の量、熱表面のプロファイル、冷却用空気の速度、および冷却用空気の温度を含むいくつかの事実に基づいて大きく変化することが予測されることに留意されたい。したがって、熱抵抗は、設計によって変化することが予測される。しかしながら、図示された実施形態の潜在的な利益の１つは、モジュールとヒートシンクとの間の移行を避ける能力によるかなりの熱抵抗の除去である。

図を参照すると、コネクタシステム５は、レセプタクル６０と嵌合するように構成されるモジュール１０を含む。図示されたモジュール１０は、本体２０を含み、ケーブル１５（光ファイバーであり得る）を支持し、第１の側２０ａにフィンで形成される熱表面２５を含む。図示されるように、本体は、第１の距離Ｄ１である高さを有するが、熱表面２５は、第１の側の距離Ｄ２を超えて延在する。一実施形態では、距離Ｄ２は、距離Ｄ１の５０％以上であり得る。理解され得るように、熱表面２５は、フィンを有するように示されるが、メッシュまたはハニカム構造等の他の構造も表面積をさらに増大させるために使用され得る。しかしながら、ある時点で表面積をさらに増大させることは、表面積の増大が生じる冷却の量を減少させるように気流を減少させ始めるため、収益逓減を有することに留意されたい。好ましくは、熱表面の表面積は、平面の１．５倍を超え、より好ましくは平面の少なくとも２倍である。所望される場合、モジュールおよびレセプタクルは、動作中に熱表面２５上の気流が乱流であるように寸法決めおよび構成され得る。

モジュール１０は、１つ以上のパドルカード２６ａ、２６ｂを含み、これらのパドルカードは、回路２７に接続されるか、またはそれを含み、この回路は、回路の活性性質に与える熱エネルギーを発生させる。図示されるように、熱表面２５は、突起部２９の両側に位置決めされるフィンを含む。突起部２９は、図示されたモジュールが電気信号を光信号に変換するように設計された光モジュールであり、かつ突起部２９を本体２０内に含めてファイバーへの接続を改善するため、含まれる。突起部２９が必要とされなかった場合、またはモジュールがアクティブ銅ケーブルアセンブリ（突起部から恩恵を受けない傾向がある）を提供するために使用されていた場合、熱表面のプロファイルは、より均一な様式でモジュールの第１の側を超えて延在し得る。

モジュール１０は、レセプタクル内に提供されたＥＭＩガスケットに係合するように構成されるＥＭＩ表面２８を含む。理解され得るように、ＥＭＩ表面２８は、モジュール１０の熱表面２５と嵌合面２１との間に位置決めされる。これにより、空気が熱表面２５上を流れることを依然として許容すると同時に、レセプタクル６０とモジュール１０との間のＥＭＩシーリングを可能にする。ＥＭＩ表面が、レセプタクルによって提供されたＥＭＩガスケットとの容易な係合を可能にするように実質的に平坦であるように図示されるが、ＥＭＩ表面は、レセプタクル上の表面に係合するＥＭＩガスケットを支持し得る（それ故に、ＥＭＩガスケットは、所望に応じて、モジュール、レセプタクル、またはこれら両方のいくつかの組み合わせ上に位置決めされ得る）ことに留意されたい。加えて、ＥＭＩ表面は、平坦である必要はない。通気壁内の開口部が大き過ぎて所望のＥＭＩ性能を提供することができない場合、ＥＭＩガスケットは、通気壁と筐体との間のポート内に位置決めされ得る（例えば、ＥＭＩガスケットがより小さい周辺を有するポートの部分に提供され得る）。

レセプタクル６０は、前部６２および後部６３を有するケージ６１を含み、ケージは、筐体９０の周囲に位置決めされ、ケージは、回路基板５９上に取り付けられ得る。筐体９０は、カードスロット９１の両側９１ａ、９１ｂに位置決めされ得る接点を有する端子９６を支持し、一実施形態では、端子は、ウェハ９２（当該技術分野において既知であるように）によって支持され得る。前部６２は、熱表面２５がレセプタクル６０の中に挿入されることを可能にするように寸法決めされるが、後部６３はより小さく、本体２０によって支持されたパドルカードが筐体９０と適切に整列することを確実にするように整列機能性を提供するのに役立ち得る。換言すれば、前部６２は、第１の大きさである内周を有し、後部６３は、第２の大きさである内周を有し、第２の大きさは、第１の大きさより小さい。

前部６２は、上壁６４ａおよび一連の開孔６７を有する通気壁６５を含むが、後部６３は、上壁６４ｂおよび後壁６４ｃを含む。後部６３内に位置決めされた筐体９０は、１つ以上のカードスロット９１を含み得る（カードスロットの数は、パドルカードの数と一致するように構成される）。レセプタクル６０は、ポート６８を画定する前縁７１を含み、ポート６８は、ポート入口７２およびモジュール入口７２ａを提供し、モジュール入口７２ａは、ポート入口７２より小さい内周を有する。挿入されたモジュールの配向を提供するために、ケージ６１は、整列部材７４を含み、この部材は、パドルカード２６ａ（２６ｂ）が筐体９０の前面９４でカードスロット９１に係合し得るように、挿入されたモジュールが挿入過程の早い段階で適切に位置決めされることを確実にするのに役立ち得る。

図示されたレセプタクル６０は、フィンガー７８を含むＥＭＩガスケット７７を含む。フィンガー７８は、モジュール１０のＥＭＩ表面２８に係合し、筐体９０の前面９４とポート入口７２との間にＥＭＩ境界を提供するのに役立つ。上述のように、ＥＭＩ境界は、前面９４と前縁７１との間に位置決めされ得るが、より大きい表面積を有する熱表面２５を有したいという要望のため、熱表面は、ＥＭＩガスケットへの係合にあまり理想的には適していないことが予測され、それ故に、これは典型的に、熱表面２５と前面９４との間のＥＭＩ境界を位置決めすることが合理的である。

理解され得るように、空気は、ポート入口７２に流入し、熱表面（図示されるように、フィンであり得る）上を流れ、その後、通気壁６５から流出する。通気壁６５における一連の開孔６７により、空気は、通気壁６５を通って流れることができる。したがって、空気は、入口を通過し、通気壁から出て、この過程でモジュールを冷却する。熱性能を改善するために、十分な伝熱が生じ得るようにケージの前面（例えば、入口が存在する）と通気壁６５との間の距離を増大させることが有用であり得る。図８から理解され得るように、通気壁６５における一連の開孔６７は、モジュール１０の熱表面２５と整列するように構成され得る。

図示されたレセプタクル６０は、後壁６４ｃと整列し、かつそれに隣接して位置決めされた筐体９０を有する。このような構築物は、レセプタクル６０の第２の部分６３内にＥＭＩ境界を提供するように十分な間隔を許容することが決定されている。

図１３は、潜在的なシステムの概略図である。本システムは、内部空間１０６ａおよび外部空間１０６ｂを画定するエンクロージャ１０５を含む。理解され得るように、外部空間１０６ｂに部分的に位置決めされ得るモジュール１１０は、レセプタクル１６０の中に挿入されるように構成され、レセプタクルは、外部空間１０６ｂと内部空間１０６ａとの間に仕切板を提供する。モジュール１１０は、モジュール１１０から延在し、かつ電気信号または光信号を運ぶように構成され得るケーブル１１５を含む。ケーブル１１５は、モジュール１１０に取り外し可能に接続されるように構成され得るか、またはユーザの選好に応じてモジュールに永久的に固定され得ることに留意されたい。

ケージ１６０は、壁とガスケットの組み合わせであり得るＥＭＩ境界１７０を含む。必然的に、ケージ１６０の高さがモジュール１１０の高さに十分に近い場合、ＥＭＩ境界１７０は、ガスケットによって単独で提供される可能性もあり、ガスケットは、所望の位置で離間されたばねフィンガーで作製された従来のＥＭＩガスケットであり得、２つ以上の部分を有するケージ（ケージ６０など）内は、これが容易に実現され得ることが理解される。筐体１９０は、ケージ１６０内に位置決めされ、モジュール１１０に嵌合するように構成される。例えば、限定されるものではないが、筐体１９０は、１つ以上のカードスロットを有し得、モジュールは、端子と嵌合するように構成される嵌合レッジを有し得る。嵌合レッジは、パドルカードまたは他の所望の構造によって提供され得る。

モジュール１１０は、好ましくは発熱構成要素と熱表面１２５との間に低熱抵抗を提供する様式で、モジュール１１０内に提供された発熱構成要素に熱的に連結される熱表面１２５を含む。回路基板１５９を支持し、それが次いで筐体１９０およびケージ１６０を支持するエンクロージャ１０５は、その内部２０６ａと外部２０６ｂとの間に圧差を生じさせるように構成される。ケージは、通気壁１６５と連通するポート入口１７２を含み、圧差のため、空気は、内部２０６ａと外部２０６ｂとの間に流れる。理解され得るように、構成に応じて、空気は、内部２０６ａから外部２０６ｂに向かって流れるか、または逆方向に流れる。

気流の方向にかかわらず、空気は、熱表面１２５上を通過する。空気が熱表面１２５より冷たいため、ポート入口１７２を通過する空気は、熱表面１２５を冷却する（ポート入口１７２を通過する前またはその後のいずれか）。伝熱領域上で空気を方向付けるのに役立つように、通気壁１６５が提供される。所望される場合、通気壁１６５は、空気がポート入口１７２と通気壁１６５との間を移動するときに熱表面１２５を通り過ぎなければならないように位置決めされ得る（熱表面２５がポート入口７２と通気壁６５との間の位置を占める図４に示されるように）。空気入口１７２は、最大気流を許容するように完全に（または実質的に）開放し得るか、またはＥＭＩ漏出を防ぐように寸法決めされた開口部と構成され得ることに留意されたい。入口が完全に開放している場合、開孔を通るＥＭＩの通過を防ぐように寸法決めされる通気壁１６５内に開孔を有することが望ましく、ケージをエンクロージャ２０５の通気壁１６５と対応する壁との間に延在させることがさらに望ましい。

本明細書に提供された本開示は、その好ましい実施形態および例示的な実施形態に関する特徴を説明する。添付の特許請求の範囲および趣旨内での多数の他の実施形態、修正、および変形は、本開示を再考することによって当業者に想起されるであろう。

Claims (4)

1. モジュールを冷却する方法であって、
   エンクロージャ内にレセプタクルを提供することであって、該レセプタクルが、ポート入口を有するポートを画定し、前記エンクロージャが複数の開孔を備える、提供することと、
   前記ポート内にモジュールを位置決めすることであって、該モジュールが、熱表面であって前記モジュールが前記ポート内に位置決めされると前記ポート内に位置決めされる熱表面を含む、位置決めすることと、
   前記エンクロージャの外部と内部との間に空気圧差を生じさせることとを含み、
   該空気圧差によって前記外部と内部との間に流れる空気は、前記ポートを通って前記熱表面に沿い、前記複数の開孔を通るように方向付けられ、前記ポートを通って流れる空気は熱エネルギーを前記熱表面から直接奪って伝導し、前記熱表面は、前記モジュールの挿入方向に平行な方向に延在するフィンを含み、前記空気圧差によって空気は、前記ポート入口と前記複数の開孔との間を流れるときにフィンに沿って通過する、方法。
2. 前記レセプタクルは複数の開孔を有する通気壁を含み、前記外部と内部との間に流れる空気は、前記複数の開孔を通過する、請求項１に記載の方法。
3. 前記熱表面は、前記モジュールの上面を越えて延在する均一なプロファイルを有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記熱表面は、少なくとも平面の１．５倍を超える表面積を有する、請求項１に記載の方法。

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