JP7525660B2 - 光トランシーバー - Google Patents

Description

本発明は、光トランシーバーに関する。
本願は、２０２１年１月６日に日本に出願された特願２０２１－０００７０５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

特許文献１には、放熱手段として、ＴＯＳＡ（発光素子サブアセンブリ、Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｕｂ－Ａｓｓｅｍｂｌｙ）および筐体に接触したシート状のヒートパイプを用い、前記ヒートパイプとＴＯＳＡとは圧入部品の押圧力により接触が保持され、前記ヒートパイプと筐体とは押さえバネの押圧力によって接触が保持されることによって、それぞれ熱的に接続される光トランシーバーが開示されている。

日本国特開２００８－１１８３５７号公報

ところで、近年の光トランシーバーの伝送速度の高速化に伴い、ＴＯＳＡだけでなく、受信回路や送信回路などのケースに収容された発熱体の発熱量が増加しており、その冷却が課題となっている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、受信回路や送信回路などのケースに収容された発熱体を効率よく冷却できる光トランシーバーの提供を目的とする。

本発明の一態様に係る光トランシーバーは、ヒートシンクが設けられたケースと、前記ケースに収容された発熱体と、前記ケースの内壁面から突出し、前記発熱体と熱的に接触する熱伝導部と、前記熱伝導部が前記発熱体から受けた熱を前記ヒートシンクに伝えるヒートパイプと、を備える。
この構成によれば、ケースに収容された発熱体に対し、ケースの内壁面から突出した熱伝導部が熱的に接触するため、発熱体の熱は熱伝導部に伝わる。ヒートパイプは、熱伝導部が発熱体から受けた熱をヒートシンクに効率よく伝え、発熱体の放熱を促進させる。このため、受信回路や送信回路などのケースに収容された発熱体を効率よく冷却できる。

上記光トランシーバーにおいて、前記ヒートパイプは、前記ケースに形成された溝に収容されていてもよい。

上記光トランシーバーにおいて、前記ヒートパイプは、前記ケースの外壁面に形成された前記溝に収容されて、前記ケースの外壁面の表面以下に配置され、前記ヒートシンクは、前記ヒートパイプが収容された前記溝を閉塞するように、前記ケースの外壁面の表面に取り付けられていてもよい。

上記光トランシーバーにおいて、前記発熱体を含む複数の発熱体が設けられ、前記熱伝導部を含む複数の熱伝導部が複数の前記発熱体ごとに設けられ、前記ヒートパイプは、複数の前記熱伝導部を通過するように配置されていてもよい。

上記光トランシーバーにおいて、前記ヒートパイプは、前記ケースの内壁面に形成された前記溝に収容された収容部分と、前記ケースの内壁面に形成された前記溝から突出し、前記熱伝導部を形成する突出部分と、を有してもよい。

上記光トランシーバーにおいて、前記突出部分は、前記収容部分に対して鈍角で曲がっていてもよい。

上記本発明の一態様によれば、受信回路や送信回路などのケースに収容された発熱体を効率よく冷却できる光トランシーバーを提供できる。

第１実施形態に係る光トランシーバーの平面図である。 図１に示す矢視ＩＩ－ＩＩ断面図である。 第１実施形態に係る発熱体に対するヒートパイプの配置を示すアッパーケースの平面図である。 第１実施形態に係るヒートパイプ有りの光トランシーバーと、ヒートパイプ無しの従来の光トランシーバーの性能を比較した図である。 第２実施形態に係る光トランシーバーの断面図である。 第２実施形態に係る発熱体に対するヒートパイプの配置を示すアッパーケースの平面図である。 第３実施形態に係る光トランシーバーの断面図である。 第３実施形態に係る発熱体に対するヒートパイプの配置を示すアッパーケースの底面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光トランシーバー１の平面図である。
光トランシーバー１は、電気信号と光信号を相互に変換するためのデバイスである。光トランシーバー１は、データセンターなどの機器間を繋ぐデータネットワークで用いられ、近年の増加する帯域幅に伴い、高速化が進んでいる。

光トランシーバー１は、ケース１０と、ケース１０に収容された回路基板２０及び光モジュール２１，２２と、を備えている。ケース１０は、平面視長方形の箱状に形成され、その長手方向の第１端部１０Ａに光ファイバーの挿入口１０ａが形成されている。なお、ケース１０の長手方向の第２端部１０Ｂには、外部装置と回路基板２０とを接続可能とする外部端子（不図示）がケース１０外に突出して設けられている。ケース１０には、ヒートシンク１３が設けられている。

＜方向定義＞
ここで、本実施形態ではＸＹＺ直交座標系を設定して各構成の位置関係を説明する。Ｘ方向は、ケース１０の延びる長手方向である。Ｙ方向は、ケース１０およびヒートシンク１３が積層された厚さ方向である。Ｘ方向およびＹ方向の双方に直交する方向をＺ方向とする。以下、Ｘ方向を長手方向といい、Ｙ方向を厚さ方向といい、Ｚ方向を幅方向という。

ケース１０には、内部空間を仕切る仕切壁１０ｂが設けられている。仕切壁１０ｂには、光モジュール２１，２２が保持されている。光モジュール２１，２２のいずれか一方は、挿入口１０ａから挿入された受信側の光ファイバーを接続可能な受信レセプタクルを備えている。光モジュール２１，２２の他方は、挿入口１０ａから挿入された送信側の光ファイバーを接続可能な送信レセプタクルを備えている。

ケース１０の内部空間における、仕切壁１０ｂより第２端部１０Ｂ側には内部空間Ｓが形成されている。内部空間Ｓには回路基板２０が収容されている。
回路基板２０は、光モジュール２１，２２と接続されると共に、複数の発熱体２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを備えている。発熱体２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃは、回路基板２０の実装部品で比較的発熱量の多い受信回路または送信回路を含む。また、発熱体２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの一つには、ＣＰＵや、クロックデータリカバリーチップ（ＣＤＲチップ）、トランスインピーダンスアンプチップ（ＴＩＡチップ）が含まれていてもよい。

図２は、図１に示す矢視ＩＩ－ＩＩ断面図である。
ケース１０は、図２に示すように、アッパーケース１１と、ロアケース１２を組み合わせて構成されている。ロアケース１２は、上部が開口し、回路基板２０を収容する箱状に形成されている。アッパーケース１１は、ロアケース１２の上部開口を閉塞する蓋状に形成されている。アッパーケース１１は、内部空間Ｓを向く内壁面１１ａと、内壁面１１ａとは反対側を向く外壁面１１ｂと、を有する。

アッパーケース１１の外壁面１１ｂ（上面）には、ヒートシンク１３が取り付けられている。ヒートシンク１３は、回路基板２０の直上に配置されている。厚さ方向から見て、ヒートシンク１３は回路基板２０を覆うように配置されていてもよい。また、厚さ方向から見て、ヒートシンク１３は、複数の発熱体２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃと重なるように配置されていてもよい。
ヒートシンク１３は、平板状のベースプレート１３ａと、ベースプレート１３ａに立設する複数のフィン１３ｂと、を備えている。ヒートシンク１３は、放熱性の高い素材で構成されることが好ましく、例えば銅、アルミニウム、ステンレスなどの金属材で構成されていることが好ましい。

アッパーケース１１の内壁面１１ａ（下面）には、熱伝導部３０が設けられている。熱伝導部３０は、アッパーケース１１の内壁面１１ａに設けられた凸部である。熱伝導部３０は、ケース１０の内壁面１１ａから突出し、発熱体２３Ａの上面と熱的に接触している。熱伝導部３０は、放熱シート３１などのＴＩＭ（Thermal Interface Material）を介して発熱体２３Ａと熱的に接触している。熱伝導部３０（アッパーケース１１）は、熱伝導性の高い素材で構成されることが好ましく、例えば銅、アルミニウム、ステンレスなどの金属材で構成されていることが好ましい。

アッパーケース１１には、熱伝導部３０が発熱体２３Ａから受けた熱をヒートシンク１３に伝えるヒートパイプ４０が設けられている。ヒートパイプ４０は、作動流体の潜熱を利用する熱輸送素子である。このヒートパイプ４０は、作動流体が内部に封入された扁平状のコンテナと、コンテナの内部に設けられた図示しないウイックと、を備えている。作動流体は、周知の相変化物質からなる熱輸送媒体であって、コンテナ内で液相と気相とに相変化する。例えば、作動流体として、水（純水）やアルコールやアンモニア等を採用できる。

ヒートパイプ４０は、ケース１０に形成された溝１１ｂ１に収容されている。第１実施形態のヒートパイプ４０は、ケース１０の外壁面１１ｂに形成された溝１１ｂ１に収容されて、ケース１０の外壁面１１ｂの表面以下に配置されている。すなわち、ヒートパイプ４０が外壁面１１ｂから突出しないよう、溝１１ｂ１の深さはヒートパイプ４０の厚さと同等以上となっている。ヒートシンク１３は、ヒートパイプ４０が収容された溝１１ｂ１を閉塞するように、ケース１０の外壁面１１ｂに取り付けられる。
ヒートシンク１３は、ヒートシンク１３が収容された溝１１ｂ１を閉塞するように、ケース１０の外壁面１１ｂに放熱シート４１などのＴＩＭを介して取り付けられている。すなわち、ヒートシンク１３の一部が溝１１ｂ１に収容されていてもよい。
ヒートシンク１３とヒートパイプ４０とは、放熱シート４１などのＴＩＭを介して熱的に接触するように配置されていてもよい。

図３は、第１実施形態に係る発熱体２３Ａに対するヒートパイプ４０の配置を示すアッパーケース１１の平面図である。
図３に示すように、ヒートパイプ４０は、発熱体２３Ａの直上を通るように直線状に延びている。ヒートパイプ４０の全長は、図２に示すように、ヒートシンク１３の全長以下でヒートシンク１３の長手方向に延び、ベースプレート１３ａから飛び出さない程度の長さとなっている。ヒートパイプ４０の幅は、発熱体２３Ａの幅よりも小さくてもよい。図３の例では、ヒートパイプ４０の第１端部４０ａ側に発熱体２３Ａは配置されており、第２端部４０ｂ側には発熱体は配置されていない。

上記構成の光トランシーバー１によれば、図２に示すように、ケース１０に収容された発熱体２３Ａに対し、ケース１０の内壁面１１ａから突出した熱伝導部３０が熱的に接触するため、発熱体２３Ａの熱は熱伝導部３０に伝わる。ヒートパイプ４０は、熱伝導部３０が発熱体２３Ａから受けた熱をヒートシンク１３に効率よく伝え、発熱体２３Ａの放熱を促進させる。特に、ヒートパイプ４０において、発熱体２３Ａの熱が第２端部４０ｂ側へ輸送され、長手方向に沿って輸送された熱もヒートシンク１３により放熱される。すなわち、ヒートパイプを有さない構成と比較し、本実施形態の光トランシーバー１は、ヒートパイプ４０により熱がより広い面積にわたって輸送されるため、効率よく放熱させることができる。このため、受信回路や送信回路などのケース１０に収容された発熱体２３Ａを効率よく冷却できる。

図４は、第１実施形態に係るヒートパイプ４０有りの光トランシーバー１と、ヒートパイプ４０無しの従来の光トランシーバーの性能を比較した図である。図４のグラフの横軸は発熱体２３Ａにおける消費電力であり、縦軸は発熱体２３Ａの温度である。
図４に示すように、ヒートパイプ４０有りの光トランシーバー１は、ヒートパイプ４０無しの従来の光トランシーバーに比べて、発熱体２３Ａの温度を効果的に下げることができる。例えば、発熱体２３Ａの消費電力が１２Ｗの場合は、１３℃以上温度を下げることができる。

このように、上述した第１実施形態によれば、光トランシーバー１は、ヒートシンク１３が設けられたケース１０と、ケース１０に収容された発熱体２３Ａと、ケース１０の内壁面１１ａから突出し、発熱体２３Ａと熱的に接触する熱伝導部３０と、熱伝導部３０が発熱体２３Ａから受けた熱をヒートシンク１３に伝えるヒートパイプ４０と、を備える。この構成を採用することによって、受信回路や送信回路などのケース１０に収容された発熱体２３Ａを効率よく放熱できる光トランシーバー１を提供できる。

また、本実施形態の光トランシーバー１では、ヒートパイプ４０は、ケース１０に形成された溝１１ｂ１に収容されている。この構成によれば、ヒートパイプ４０とケース１０との接触面積が大きくなり、熱伝導部３０が得た熱を、ケース１０を介してヒートパイプ４０に効率よく伝えることができる。

また、本実施形態の光トランシーバー１では、ヒートパイプ４０は、ケース１０の外壁面１１ｂに形成された溝１１ｂ１に収容されて、ケース１０の外壁面１１ｂの表面以下に配置され、ヒートシンク１３は、ヒートパイプ４０が収容された溝１１ｂ１を閉塞するように、ケース１０の外壁面１１ｂの表面に取り付けられている。この構成によれば、ヒートパイプ４０がケース１０の外壁面１１ｂから突出しないため、ヒートシンク１３がケース１０の外壁面１１ｂに密着し易くなり、放熱性が高まる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図５は、第２実施形態に係る光トランシーバー１の断面図である。図６は、第２実施形態に係る発熱体２３Ａ，２３Ｂに対するヒートパイプ４０の配置を示すアッパーケース１１の平面図である。
図５に示すように、第２実施形態の光トランシーバー１は、複数の発熱体２３Ａ，２３Ｂに対して熱的に接触する複数の熱伝導部３０Ａ，３０Ｂを備えている。つまり、アッパーケース１１の内壁面１１ａには、発熱体２３Ａ，２３Ｂにそれぞれ接触する複数の凸部が形成されている。

図６に示すように、ヒートパイプ４０は、平面視において角度θで曲がっており、発熱体２３Ａ，２３Ｂの直上を通るように配置されている。つまり、ヒートパイプ４０は、複数の熱伝導部３０Ａ，３０Ｂを通過し、それぞれの熱伝導部３０Ａ，３０Ｂから熱を受けることができるようになっている。なお、角度θは、ヒートパイプ４０の内部空間を潰さないように鈍角であることが好ましい。なお、発熱体２３Ａの直上に配置されたヒートパイプ４０の第１端部４０ａと反対側の第２端部４０ｂは、作動流体の凝縮部となるため、発熱体２３Ａ，２３Ｂから熱を受けないようにするとよい。

上記構成の第２実施形態の光トランシーバー１によれば、発熱体２３Ａ，２３Ｂごとに熱伝導部３０Ａ，３０Ｂが設けられ、ヒートパイプ４０は、複数の熱伝導部３０Ａ，３０Ｂを通過するように配置されているため、発熱体２３Ａ，２３Ｂのそれぞれの熱をヒートシンク１３に効率よく伝え、発熱体２３Ａ，２３Ｂの放熱を促進させることができる。このため、ケース１０に収容された発熱体２３Ａ，２３Ｂ（例えば受信回路及び送信回路の両方）を効率よく冷却できる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図７は、第３実施形態に係る光トランシーバー１の断面図である。図８は、第３実施形態に係る発熱体２３Ａに対するヒートパイプ４０の配置を示すアッパーケース１１の底面図である。
図７に示すように、第３実施形態の光トランシーバー１では、ヒートパイプ４０が、ケース１０の内壁面１１ａに形成された溝１１ａ１に収容されている。

ヒートパイプ４０は、ケース１０の内壁面１１ａに形成された溝１１ａ１に収容された収容部分４０Ａと、ケース１０の内壁面１１ａに形成された溝１１ａ１から突出し、熱伝導部３０を形成する突出部分４０Ｂと、を有している。突出部分４０Ｂは、収容部分４０Ａに対して鈍角θ１で曲がっている。また、突出部分４０Ｂの先端部は、さらに鈍角θ２で曲がって、金属プレート４２に接合されている。金属プレート４２は、発熱体２３Ａの上面と放熱シート３１などのＴＩＭを介して熱的に接触している。

上記構成の第３実施形態の光トランシーバー１によれば、ヒートパイプ４０は、ケース１０の内壁面１１ａに形成された溝１１ａ１に収容された収容部分４０Ａと、ケース１０の内壁面１１ａに形成された溝１１ａ１から突出し、熱伝導部３０を形成する突出部分４０Ｂと、を有するため、ヒートパイプ４０は、発熱体２３Ａから直接熱を受けることができる。このため、ヒートシンク１３に効率よく熱を伝え、発熱体２３Ａの放熱を促進させることができる。

また、第３実施形態の光トランシーバー１では、突出部分４０Ｂは、収容部分４０Ａに対して鈍角θ１で曲がっているため、ヒートパイプ４０の内部空間を潰さないように突出部分４０Ｂを形成できる。なお、突出部分４０Ｂの先端部も鈍角θ２で曲がっている理由は、同じである。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、図８に示すように、平面視において、ヒートパイプ４０は曲がりながら長手方向に延びていてもよい。この際の曲がり角度は、鈍角としてもよい。また、ヒートパイプ４０の第２端部４０ｂ側は、幅方向においてヒートシンク１３の中央部分を延びるように配置されていてもよい。

また、第１および第３実施形態において、１つの熱伝導部３０がケース１０に形成されている例を説明したが、この例に限定されない。例えば、複数の発熱体を効率よく冷却するために、発熱体の数に応じて複数の熱伝導部３０や複数のヒートパイプ４０が配置されていてもよい。

上述した第３実施形態に係る光トランシーバー１の一部又は全部は、以下のように付記することができる。

（付記）
ヒートシンクが設けられたケースと、
前記ケースに収容され、受信回路及び送信回路の少なくともいずれか一方を含む発熱体と、
一部が前記ケースの内壁面から突出し、前記発熱体と熱的に接触すると共に、前記発熱体から受けた熱を前記ヒートシンクに伝えるヒートパイプと、を備える、光トランシーバー。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…光トランシーバー、１０…ケース、１１ａ…内壁面、１１ａ１…溝、１１ｂ…外壁面、１１ｂ１…溝、１３…ヒートシンク、２３Ａ…発熱体、３０…熱伝導部、４０…ヒートパイプ、４０Ａ…収容部分、４０Ｂ…突出部分、θ１…鈍角

Claims (2)

1. ヒートシンクが設けられたケースと、
   前記ケースに収容された発熱体と、
   前記ケースの内壁面から突出し、前記発熱体と熱的に接触する熱伝導部と、
   前記熱伝導部が前記発熱体から受けた熱を前記ヒートシンクに伝えるヒートパイプと、を備え、
   前記ヒートパイプは、前記ケースに形成された溝に収容され、
   前記ヒートパイプは、
   前記ケースの内壁面に形成された前記溝に収容された収容部分と、
   前記ケースの内壁面に形成された前記溝から突出し、前記熱伝導部を形成する突出部分と、を有する、光トランシーバー。
2. 前記突出部分は、前記収容部分に対して鈍角で曲がっている、請求項１に記載の光トランシーバー。

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