TWI659292B - 收發器冷卻設備以及包含其之交換器 - Google Patents

Abstract

本揭露提出一種冷卻設備，用以冷卻一收發器。該冷卻設備包含冷卻夾套、冷卻裝置以及散熱裝置。冷卻夾套配置以接收收發器，其中收發器藉由連接結構固定於冷卻夾套之中。冷卻裝置固定於收發器之外殼之外部表面，其中冷卻裝置包含高度導熱材料。散熱裝置連接至冷卻裝置每一者離收發器較遠的一端。

Description

收發器冷卻設備以及包含其之交換器

本揭露有關於一種收發器冷卻設備以及包含其之交換器。

一般而言，資料中心擁有為數龐大的機架，每個機架都塞滿了系統中各種用於資料、計算及/或傳輸的電子元件及配備。電子機架為裝設各種電子元件(如：伺服器)的基本設備。可在每個機架上，以依序疊放的方式安裝多種組件。這些組件通常由前側外框所支撐，該些外框由平面板金裁切，並在側緣具有多個孔隙或插槽以將外框固定至機架。通常來說，會相對緊密地安裝這些組件來塞滿機架。安裝於機架中的電子元件常常產生過多的熱能。需從機架移除所產生的熱能以避免該些電子元件過熱。一般而言，散熱器會與對溫度敏感或產熱的電子元件進行熱接觸，並藉由風扇迫使空氣通過散熱器以進行降溫。

肇因於網路擴張而大增的資料儲存以及高頻傳輸，造成資料中心內連系統的密度需求跟著增加。這些資料中 心通常由成排的伺服器機架組成。這些伺服器需要在資料中心內與其他伺服器進行高頻傳輸。高頻傳輸可由屏蔽電纜或日益活絡的光學纜線支援。有源光纜(active optical cable,AOC)支援更長的傳輸距離以及更高的傳輸頻寬。有源光纜至少一端通常具有合併於收發器內的光學引擎。光學引擎會將電訊號轉換為光訊號(傳送函數T[x])，並將光訊號轉換為電訊號(接收函數[Rx])。電子機架可具有數百上千的內部連接，每一者皆會產生不可不移除的熱能。若無法移除該些熱能，將造成電子機架中內連的其他元件加速老化及/或早期損壞。因此，提供一種能用於高速傳輸元件中，並可在高密度內部連接的情形下達成高效熱移除的冷卻系統，確有其必要性。

本揭露提出一種冷卻設備，用以冷卻一收發器。該冷卻設備，依據各種實施方式，包含配置以接收收發器的冷卻夾套。在一些實施方式中，收發器藉由連接結構固定於冷卻夾套之中。冷卻設備可包含固定於冷卻夾套外部表面的冷卻裝置，其中冷卻裝置包含高度導熱材料。冷卻設備亦可包含連接至冷卻裝置每一者離收發器較遠的一端的散熱裝置。

在一些實施方式中，散熱裝置包含散熱器，散熱器連接至管線，管線包含從水槽來的冷卻水。進一步而言，在本揭露的一些實施方式中，冷卻夾套包含導熱材料，導熱材料選自鋁、銅、鑽石、合金、或上述之複合材料組成之一群組。在本揭露的一例示性實施方式的冷卻設備中，散熱裝置包含散 熱器、被動熱交換器以及鰭片的至少其中一者。在一些實施方式中，冷卻裝置包含至少一熱管，其包含高度導熱材料。在一其他例示性實施方式的冷卻設備中，冷卻裝置包含至少一蒸氣箱，其包含高度導熱材料。

30‧‧‧冷卻組件

30N‧‧‧冷卻組件模組

50、450、451‧‧‧氣流

100‧‧‧收發器

102‧‧‧散熱器

104‧‧‧邊緣卡

200‧‧‧交換器

201‧‧‧前端

202‧‧‧後端

210‧‧‧第一側壁

220‧‧‧第二側壁

300‧‧‧收發器

301‧‧‧本體

301N(1)、301N(2)‧‧‧收發器本體

302‧‧‧冷卻夾套

302N(1)、302N(2)‧‧‧冷卻夾套

303‧‧‧纜線接口

320、320A、320B、320N(1)、320N(2)、320N(3)、320N(4)‧‧‧冷卻裝置

321、322‧‧‧固定元件

321A、322A‧‧‧螺孔

321B、322B‧‧‧螺絲組件

340‧‧‧連接結構

350、350N‧‧‧散熱裝置

400‧‧‧交換器

500‧‧‧交換器

A-A‧‧‧線段

B-B‧‧‧線段

第1圖繪示了傳統的收發器的立體圖，其具有安裝於收發器外殼頂側的散熱器。

第2圖繪示傳統的交換器的立體圖，其包含多個傳統的收發器，該些收發器具有安裝於收發器外殼頂側的散熱器。

第3圖繪示依據本揭露一或多個實施方式的收發器的冷卻組件的立體圖。

第4圖繪示依據本揭露一或多個實施方式中具有多個收發器並對應安裝有多個冷卻組件的交換器的部分立體圖。

第5A圖繪示依據本揭露一或多個實施方式中安裝有多個冷卻組件模組的交換器的立體圖。

第5B圖繪示兩個第5A圖中的收發器本體設置於冷卻夾套中的剖面示意圖。

第6A圖繪示依據本揭露一或多個實施方式於第3圖的冷卻組件的頂視圖。

第6B圖為沿著第6A圖中線段A-A的剖面圖。

第6C圖為沿著第6A圖中線段B-B的剖面圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。並且，除非有其他表示，在不同圖式中相同之元件符號可視為相對應的元件。這些圖式之繪示是為了清楚表達這些實施方式中各元件之間的連接關係，並非繪示各元件的實際尺寸。

大體而言，於此處所揭露的內容裡，其中一個實施方式有關一種冷卻組件，其用以冷卻可插拔的收發器。在一或多個實施方式中，熱能由收發器外殼朝向收發器後側的散熱器移動，使得熱能可以藉由散熱裝置、冷卻風扇、或類似者散發至較冷的氣流中。依據一或多個實施方式，由收發器的外部進行冷卻。在本實施方式中，將由導熱材料製成的外殼附加到收發器。進一步而言，高度導熱的材料或元件(如熱管)附加到外殼的側面或頂面。高導熱能力的熱管具有足以接觸至散熱器或熱散發裝置的長度。接著熱管將熱能由收發器傳送至熱散發裝置。可藉使用高導熱能力的材料製作外殼部分，及/或加寬熱管使其與外殼內部接觸的表面積加大，來增進此技術的效果。

第1圖繪示了傳統的收發器100的立體圖。於2013/10/31公開的收發器100與四路小型熱插拔規範(Quad Small Form-factor pluggable,QSFP+)SFF-8436及多源協議修訂4.8(multi-source agreement revision 4.8)相容，於此併入全文中作為參考。其他已知類型的收發器包含小封裝熱插拔收發器(small form factor pluggable transceiver,SFP)、四路小型熱插拔收發器、微型四路小型熱插拔收發器(microQSFP)等。如第1圖中所示的收發器100可支援5~8瓦特的收發器功率。收發器100可插入機架中的插座，或自機架中的插座拔出(第1圖並未繪示機架以及插座)。插座可安裝於印刷電路板(printed circuit board,PCB)。將收發器100插入插座中將產生物理及電性上的接觸。電訊號則可在插座以及印刷電路板之間傳輸。收發器100可包含散熱器102以及邊緣卡104。散熱器102通常直接安裝於收發器100的頂側，使得當收發器100插入其中一個插座連接器時，散熱器102的位置得以固定。一般而言，散熱器102可包含擠壓或彎折的板金。散熱器102定義出氣流通道。邊緣卡104可以與插座中的連接器配對。邊緣卡104可以與收發器100互相傳輸電訊號。

收發器100可為光學式、電子式、或包含光學及電子的混合式。如果收發器100為光學式，則連接線(第1圖中未繪示)包含有能傳輸(接收或發送)光信號的光纖。光纖可為單模(single-mode)光纖或多模(multi-mode)光纖。收發器100可包含用以將光訊號轉換為電訊號及/或將電訊號轉換為光訊號的光學引擎。

當收發器100為電子式時，連接線(第1圖中未繪示)包含用以傳送電訊號的導電電線。連接線可為，舉例而言， 同軸電線(coaxial cable)，有時亦稱為同軸線(coax)。同軸線包含由介電質以及屏蔽層包圍的單一導電體。連接線亦可為雙軸電線(twinaxial cable)，有時亦稱為雙軸線(twinax)。雙軸線包含由介電質以及屏蔽層包圍的雙導電體。連接線亦可包含其他適當的傳輸線。收發器100可包含用以傳送電訊號(包含高頻寬電訊號)的電子電路。

如果收發器100為混合式，則連接線(第1圖中未繪示)同時包含有光學線以及電子線。在此配置中，收發器100包含可將光訊號轉換為電訊號及/或將電訊號轉換為光訊號的光學引擎。而這樣的收發器100亦包含用以藉由電子線發送及接收電訊號的適當電子電路。

第2圖繪示傳統的交換器200的立體圖。在一些實施方式中，交換器200包含多個收發器100。交換器200可包含前端201以及後端202。交換器200亦包含第一側壁210以及第二側壁220。第一側壁210以及第二側壁220由前端201往後端202延伸。可藉由多個風扇模組(第2圖中未繪示)使氣流50穿過交換器200，並環繞前端201以及後端202之間的多個收發器100。多個風扇模組通常安裝於散熱器附近，如此一來該些風扇模組將直接迫使氣流50通過散熱器上方。氣流50傾向於在擠壓或彎折的板金之間的一或多個氣流通道中流動。應了解，交換器200可包含此處未提及的其他元件。上述所提到的元件僅為舉例，而非用以限制本揭露。本領域中通常知識者可依據本揭露彈性包含其他元件。

承上所述，更高頻寬收發器100的需求與日俱 增。然而，隨著頻道密度以及頻寬增加，在交換器200中的收發器100所產生的熱能亦增加。過高的溫度可能會導致提前損壞或效能低落。因此，本揭露中多種實施方式提出一種新的收發器設計，其具有改善的冷卻能力，於此同時仍然維持高密度封裝與高頻寬收發能力。

第3圖繪示依據本揭露一或多個實施方式的收發器300的冷卻組件30的立體圖。冷卻組件30可包含收發器300、散熱裝置350以及冷卻夾套302。收發器300可包含本體301以及用以接收連接線的纜線接口303。冷卻夾套302可包含耦接至散熱裝置350的冷卻裝置320(如熱管)。冷卻夾套302可由任何導熱材料製成，諸如：鋁、銅、鑽石、合金、或複合材料。冷卻組件30可由連接結構340彼此固定。連接結構340配置以將收發器300固定於冷卻夾套302之中，其中冷卻夾套302提供空間給冷卻裝置320。在一些實施方式中，連接結構340亦配置以沿其底部連接收發器300以及散熱裝置350。在其他實施方式中，散熱裝置350可直接連接至冷卻裝置320。冷卻組件30的組成將於下文中細部討論。雖然說冷卻組件30是用以冷卻收發器300，但本揭露的實施方式並不以此為限。舉例而言，此處描述的冷卻組件30可用以冷卻其他電子元件(舉例而言，小型熱插拔元件及/或光學輸入/輸出元件)。

在一或多個實施方式中，散熱裝置350可為任何得以藉由傳導、對流、輻射或類似方法提供散熱能力的適當元件。如此處所用，「散熱裝置」用以包含任何散熱器、被動熱交換器、鰭片、或類似物。散熱裝置350可由任何高導熱材料 製成，諸如：鋁、銅、鑽石、合金、或複合材料。散熱裝置350可藉由導熱膠、導熱矽脂(thermal grease)或類似物耦接至冷卻裝置320。在一些實施方式中，散熱裝置350可包含水冷系統。舉例而言，由水槽中輸送冷水的管子可連接至散熱裝置350，該管可與交換器位於一處或分隔兩地。

在一或多個實施方式中，冷卻裝置320可包含由高度導熱材料製成的熱管或蒸氣箱。在一些實施方式中，可採用由高度導熱材料製成的熱管。此種高度導熱材料可包含，舉例而言，銅。在其他實施方式中，可採用蒸氣箱。舉例而言，冷卻裝置320可包含結合熱導與相變原理的熱傳送元件。在熱管中的熱接面處，與熱管的導熱固體表面接觸的液體會藉由吸收導熱固體表面的熱能而轉變為蒸氣。然後蒸氣會沿著熱管行進至冷接面處，而被凝結回液體，並釋放出潛熱。液體接著藉由毛細作用或重力回到熱接面處，並在該處再一次汽化並重複上述循環。在所說明的實施方式中，冷卻裝置320接觸冷卻夾套302。在一實施方式中，高度導熱的冷卻裝置320可藉由黏著劑、夾鉗、或其他適當機構附加至冷卻夾套302。

第4圖繪示依據本揭露一或多個實施方式中具有多個收發器300並對應安裝有多個冷卻組件30的交換器400的部分立體圖。在一些實施方式中，藉由放置高導熱度的熱管於收發器300的兩個側面以及頂側(如第3圖以及第4圖中所部分繪示)上來達成更佳冷卻。在此配置中，多個收發器300安裝於交換器400中，且每個收發器300配置有所揭露的冷卻組件30。熱管可介於每個收發器300之間，且沿著每個收發器300 的頂側延伸。高導熱度的熱管(冷卻裝置320)可位於將收發器300切為兩半的位置。藉由確保熱管與收發器300接觸，可以增進冷卻能力。因此，冷卻裝置320被安插於冷卻夾套302(如第3圖所示)中以使冷卻裝置320以及收發器300之間的距離最小化。高導熱度的熱管(冷卻裝置320)小到足夠與冷卻夾套302切齊。並且，冷卻夾套302固定至收發器300。因此，冷卻裝置320更有效率的對收發器300進行冷卻。此將參照第6圖進行更詳細的討論。

冷卻組件30可受益於氣流450或氣流451。也就是說，所揭露的冷卻組件30可受益於兩個方向的氣流。因為熱能由收發器300朝向冷卻組件30離收發器300較遠的一端移除，其會接收到冷空氣。也就是說，熱能被傳送到另一個區域並且被射進散熱裝置350、冷卻風扇或類似者的氣流中。因此，冷卻組件30提供了交換器400的設計彈性。多個冷卻風扇(未繪示)可在相對於多個收發器300的各種位置安裝。

第5A圖繪示依據本揭露一或多個實施方式中具有多個冷卻組件模組30N的交換器500的立體圖。應了解，上文中描述及繪示於第3圖中的冷卻組件30係配置以安裝於單一個收發器300，而多個冷卻組件模組30N可作為用於多個收發器300的單一冷卻組件配置。熱管可介於每個收發器300之間，並途經每個收發器300的頂側。高度導熱的熱管(冷卻裝置320)可位於將該些收發器300分割為兩半的區域。可藉由確保在散熱裝置350N中的每個散熱裝置350彼此接觸，來改善冷卻機構的效能。

第5B圖繪示收發器本體301N(1)以及收發器本體301N(2)兩者。收發器本體301N(1)以及收發器本體301N(2)分別設置於冷卻夾套302N(1)以及冷卻夾套302N(2)之中。冷卻夾套302N(1)可包含冷卻裝置320N(1)以及冷卻裝置320N(2)。進一步而言，冷卻夾套302N(2)可包含冷卻裝置320N(3)以及冷卻裝置320N(4)。因為收發器本體301N(1)以及收發器本體301N(2)兩者鄰近，兩者可共用冷卻裝置320N(3)。在一些實施方式中，在此排列中可配置12個收發器300於交換器500中。此外，散熱裝置350N(如第5A圖所示)可作為單一個散熱裝置350。因此，冷卻組件模組30N(如第5A圖所示)可作為單一模組來冷卻交換器500中的該些收發器300。

第6A圖依據本揭露一或多個實施方式繪示第3圖的冷卻組件30的頂視圖。冷卻組件30包含沿著線段A-A以及線段B-B的剖面圖，將分別參照第6B圖以及第6C圖進行討論。第6B圖為沿著第6A圖中線段A-A的剖面圖。第6C圖為沿著第6A圖中線段線段B-B的剖面圖。在所繪示的圖式中，可看出冷卻裝置320A以及冷卻裝置320B如何放置於冷卻夾套302中。冷卻裝置320A以及冷卻裝置320B位於冷卻夾套302之中，使得冷卻裝置320A及冷卻裝置320B與冷卻夾套302於外部切齊。冷卻裝置320A以及冷卻裝置320B可使用導熱膠、導熱矽脂、或類似物耦接置冷卻夾套302。進一步而言，可藉由點焊法、或將兩高度導熱材料接合起來的其他方法，將冷卻裝置320A以及冷卻裝置320B耦接至冷卻夾套302。

冷卻夾套302藉由固定元件321以及固定元件322連接至連接結構340。固定元件321可包含螺絲組件321B與螺孔321A，螺孔321A位於冷卻夾套302的前柄上，螺絲組件321B連接至冷卻夾套302中。固定元件322可包含螺絲組件322B與螺孔322A，螺孔322A位於冷卻夾套302的前柄上，螺絲組件322B連接至冷卻夾套302中。一旦冷卻夾套302固定至連接結構340，連接結構340便被固定至收發器300的本體301。因此，由收發器300產生的熱能可從本體301經由連接結構340遞送至冷卻夾套302，並外傳至冷卻裝置320A以及冷卻裝置320B。此時，冷卻裝置320A以及冷卻裝置320B變為熱能傳送器，將來自收發器300的熱能載送至冷卻組件30較冷的區域。可藉使用高導熱能力的材料製作連接結構340以及冷卻夾套302兩者，及/或加寬冷卻裝置320A與冷卻裝置320B使其與冷卻夾套302內部接觸的表面積加大，來增進此技術的效果。

本揭露已由範例及上述實施方式描述，應了解本發明並不限於所揭露之實施方式。相反的，本發明涵蓋多種更動及近似之佈置(如，此領域中之通常技藝者所能明顯得知者)。因此，附加之請求項應依據最寬之解釋以涵蓋所有此類更動及近似佈置。

Claims (10)

1. 一種冷卻設備，用以冷卻一收發器，該冷卻設備包含：一冷卻夾套，配置以接收該收發器，其中該收發器藉由一連接結構固定於該冷卻夾套之中；複數個冷卻裝置，固定於該冷卻夾套之一外表面，其中該些冷卻裝置包含高度導熱材料，且其中該些冷卻裝置被安插於該冷卻夾套內，並與該收發器直接接觸；以及一散熱裝置，連接至每一該些冷卻裝置之遠離收發器的一端。
2. 如請求項1所述之冷卻設備，其中該散熱裝置包含一散熱器，該散熱器連接至一管線，且該管線包含從一水槽來的冷卻水。
3. 如請求項1所述之冷卻設備，其中該散熱裝置包含一散熱器、一被動熱交換器與一鰭片的至少其中一者。
4. 如請求項1所述之冷卻設備，其中該些冷卻裝置包含至少一熱管，其包含高度導熱材料。
5. 如請求項1所述之冷卻設備，其中該些冷卻裝置包含至少一蒸氣箱，其包含高度導熱材料。
6. 一種交換器，具有一前端、一後端、一第一側壁以及一第二側壁，該第一側壁以及該第二側壁由該前端往該後端延伸，該交換器包含：至少一排的複數個收發器，該些收發器至少部分地由該第一側壁延伸至該第二側壁，其中該至少一排的該些收發器係配置以接收複數個冷卻組件，其中每一該些冷卻組件包含：一冷卻夾套，配置以藉由一連接結構固定該至少一排的該些收發器之一者；複數個冷卻裝置，固定至該冷卻夾套之一外表面，其中該些冷卻裝置包含一高度導熱材料，且其中該些冷卻裝置被安插於該冷卻夾套內，並與該收發器直接接觸；以及一散熱裝置，連接至每一該些冷卻裝置遠離該收發器的一端。
7. 如請求項6所述之交換器，其中該散熱裝置包含一散熱器，該散熱器連接至一管線，且該管線包含從一水槽來的冷卻水。
8. 如請求項6所述之交換器，其中該散熱裝置包含一散熱器、一被動熱交換器與一鰭片的至少其中一者。
9. 如請求項6所述之交換器，其中該些冷卻裝置包含至少一熱管，該熱管包含高度導熱材料。
10. 如請求項6所述之交換器，其中該些冷卻裝置包含至少一蒸氣箱，該蒸氣箱包含高度導熱材料。