Air duct containing hybrid cooled signal connectors in a server chassis

Abstract

A server chassis contains a motherboard having a plurality of processing units, front and rear grills supporting air flow across the motherboard in a chassis air flow direction from the front to the rear, and signal connectors positioned in rearward alignment with one or more of the processing units. An air duct has an air inlet, an air outlet, and an air duct fan establishing an air duct air flow direction. The air inlet is positioned out of rearward alignment with any of the processing units and at least a major portion of the signal connectors are disposed in the air duct between the air inlet and outlet. Furthermore, for each signal connector disposed in the air duct, the air duct has a rearward-directed opening, and the signal connector has a rearward-directed socket or plug that is aligned with the opening to enable selective coupling with a mating signal connector.

Description

AIR DUCT CONTAINING HYBRID COOLED SIGNAL CONNECTORS IN A SERVER CHASSISBACKGROUND

[0001] The present disclosure relates to an apparatus for cooling signal connectors in a server chassis.

[0002] Background of the Related Art

[0003] Signal connectors are needed to support cable connections between components in a system, such as between two compute nodes or between a compute node and a network switch. These signal connectors are typically positioned along the rear side of a compute node chassis so that the signal connectors are accessible for attaching a cable connector and so that the cables connected to those signal connectors do not block the front side of the compute node chassis.

[0004] A compute node includes numerous components that perform various useful functions while consuming electrical power and generating waste heat as an undesirable byproduct. To prevent the components from reaching inefficient or damaging temperatures, heat may be removed from the components of the compute node by forcing cool air to pass through a compute node chassis from the front to the rear. However, because there are numerous components producing waste heat within the compute node chassis, the cool air entering the front of the chassis will pick up heat from components positioned in the front area of the chassis and then components positioned in the middle area of the chassis before even reaching components positioned in the rear area of the chassis. Accordingly, the relative positioning of components within the compute node chassis will directly affect how well each component is cooled by the air flow through the chassis. For example, the compute node may include one or more central processing units (CPUs) and / or graphics processing units (GPUs) that produce relatively large amounts of heat that must be removed in the air flowing through the chassis. For example, these processing units will typically be in thermal conduction with a relatively large heat exchanger or heat sink having a plurality of heat transfer fins extending upward from a base and oriented parallel to the air flow direction from front to rear. Unfortunately, the airflow  reaching components that are positioned downstream of these processing units (i.e., directly rearward of the processing units) and their heat exchangers will already have an elevated temperature and may have limited further capacity for cooling of those downstream components.

[0005] While air cooling of signal connectors is challenging due to their typical positioning downstream of one or more processing units, the amount of heat produced by the signal connectors has increased over time due to the increasing speed of signals being transmitted through these signal connectors. While these signal connectors may be equipped with their own heat exchangers having fins that extend in a front to back direction, the elevated temperature of the air downstream of the processing units reduces the temperature differential with the signal connector and limits how much cooling is provided to the signal connectors. Furthermore, the air passing through a compute node chassis in an edge computing environment may not be very cool when it enters the front of the chassis, which makes it even more challenging to remove heat from a signal connector positioned near the rear of the chassis.

[0006] BRIEF SUMMARY

[0007] Some embodiments provide an apparatus comprising a server chassis containing a motherboard having a plurality of processing units, a front grill and a rear grill supporting air flow across the motherboard in a chassis air flow direction from the front grill to the rear grill, and one or more signal connectors positioned inside the server chassis in rearward alignment with one or more of the processing units. The apparatus further comprises an air duct disposed in the server chassis and having an air inlet, an air outlet, and an air duct fan establishing an air duct air flow direction from the air inlet to the air outlet. The air inlet of the duct is positioned out of rearward alignment with any of the plurality of processing units and at least a major portion of each of the one or more signal connectors are disposed in the air duct between the air inlet and the air outlet. Furthermore, for each of the one or more signal connectors disposed in the air duct, the air duct has a rearward-directed opening, and the signal connector has a rearward-directed socket or plug that is aligned with the opening to enable selective coupling with a mating signal connector.

[0008] Some embodiments of the apparatus comprise a server chassis containing a motherboard having a plurality of processing units, a front grill and a rear grill supporting air  flow across the motherboard in a chassis air flow direction from the front grill to the rear grill. A plurality of signal connectors are positioned in the server chassis rearward of the plurality of processing units, where one or more of the signal connectors are positioned in rearward alignment with one or more of the processing units. A first air duct is disposed in the server chassis and has a first air inlet, a first air outlet, and a first air duct fan establishing a first air duct air flow direction from the first air inlet to the first air outlet, wherein the first air inlet is positioned out of rearward alignment with any of the plurality of processing units, and wherein one or more of the plurality of signal connectors are disposed in the first air duct between the first air inlet and the first air outlet. The apparatus further comprises a second air duct disposed in the server chassis and having a second air inlet, a second air outlet, and a second air duct fan establishing a second air duct air flow direction from the second air inlet to the second air outlet, wherein the second air inlet is positioned out of rearward alignment with any of the plurality of processing units, and wherein one or more of the plurality of signal connectors are disposed in the second air duct between the second air inlet and the second air outlet.

[0009] BRIEF DESCRIPTION OF THE SEVERAL VIEWS OF THE DRAWINGS

[0010] FIG. 1 is a perspective view of a server chassis disposed in a rack with fans that cause air flow through the server chassis from a front panel having a grill across the motherboard to a rear panel having a grill.

[0011] FIG. 2 is a top view of the server chassis illustrating a chassis air flow direction from front to rear of the server chassis forming areas a warm air rearward of the processing units.

[0012] FIG. 3 is a top view of the server chassis including an air duct disposed in the server chassis and having an air inlet, an air outlet, and an air duct fan establishing an air duct air flow direction from the air inlet across a plurality of signal connectors to the air outlet.

[0013] FIG. 4 is a cross-sectional view of the air duct positioned around a signal connector to force air through the heat sink fins to cool the signal connector.

[0014] FIG. 4A is a partial cross-sectional diagram illustrating an upright wall of the air duct secured to a printed circuit board.

[0015] FIG. 5 is a rear perspective view of an individual signal connector disposed in an air duct as in FIG. 4.

[0016] FIG. 6 is a rear perspective view of an individual signal connector disposed in an air duct as in FIG. 5, but with the addition of a liquid cooling plate in thermal conduction with one side of the signal connector.

[0017] FIG. 7 is a rear perspective view of an array of signal connectors disposed in an air duct.

[0018] FIG. 8 is a rear schematic diagram illustrating cooling liquid supply and return lines providing cooling liquid to the cooling plates coupled to each of the signal connectors.

[0019] FIG. 9 is a top schematic diagram of an air duct having a plurality of air inlets and a single air outlet.

[0020] FIG. 10 is a rear schematic diagram of a pair of air ducts, where each air duct has an air inlet near the center of the server chassis and an air outlet near a lateral side of the server chassis.

[0021] FIG. 11 is a rear schematic diagram of a pair of air ducts, where each air duct has an air inlet near a lateral side of the server chassis and an air outlet near the center of the server chassis.DETAILED DESCRIPTION

[0022] Some embodiments provide an apparatus comprising a server chassis containing a motherboard having a plurality of processing units, a front grill and a rear grill supporting air flow across the motherboard in a chassis air flow direction from the front grill to the rear grill, and one or more signal connectors positioned inside the server chassis in rearward alignment with one or more of the processing units. The apparatus further comprises an air duct disposed in the server chassis and having an air inlet, an air outlet, and an air duct fan establishing an air duct air flow direction from the air inlet to the air outlet. The air inlet of the duct is positioned out of rearward alignment with any of the plurality of processing units and at least a major portion of each of the one or more signal connectors are disposed in the air duct between the air inlet and the air outlet. Furthermore, for each of the one or more signal connectors disposed in the air duct, the air duct has a rearward-directed opening, and the signal connector has a rearward-directed socket or plug that is aligned with the opening to enable selective coupling with a mating signal connector.

[0023] The server chassis is a structure including a supporting frame or housing that contains the motherboard, processing units, and signal connectors along with other components needed for the functioning of the server. The server chassis may also guide the air flow that is caused by one or more fans, which may be disposed in the server chassis or in a rack in which the server  chassis is installed. For example, a front panel of the server chassis may include a front grill structure having a number of openings for the intake of cool air from the environment in front of the server chassis. Similarly, a rear panel of the server chassis may also include a rear grill structure having a number of openings for the release of warm air from the server chassis into the environment behind the server chassis. The server chassis will typically have lateral side walls, a top panel and a bottom panel that are either solid or have relatively few small openings such that the air flow through the server chassis is substantially directed through the server chassis from the front grill to the rear grill. The one or more fans, whether positioned within the server chassis or within a rack in which the server chassis is installed, are positioned to the rear of the motherboard and draw cool air through the front grill and either draw or push the warm air through the rear grill.

[0024] It should be understood that cool air, which may be either chilled air or ambient air, entering the front of the server chassis will pick up waste heat from the electronic components that are performing operations within the server chassis. Accordingly, the air flowing through the server chassis will become warmer as it moves through the server chassis from the front grill to the rear grill. A processing unit may produce a relatively large amount of heat and is typically accompanied by a large heat exchanger, which conducts heat away from the processing unit and into a set of fins (i.e., conduction) and then transfers the heat from the fins into the air that is moving across the fins (i.e., convection) . Air that passes through the heat exchanger connected to a processing unit will have a significant increase in temperature when it leaves the heat exchanger. Accordingly, components such as a signal connector that is located in rearward alignment with a processing unit may not be adequately cooled by the chassis air flow since the moving chassis air downstream of the processing unit will have an elevated temperature. As the signal connector performs its own operations and generates its own waste heat, the temperature of the signal connector rises and can only be air-cooled if the circulating air has a temperature below that of the signal connector.

[0025] The air duct disposed in the server chassis may, for example, be constructed from molded plastics or sheet metal that is cut or stamped before being bent into shape. The air duct preferably has a generally rectangular profile with various cutouts. The cutouts may include a forward-facing air inlet, a rearward-facing air outlet and one or more rearward-facing openings that provide access to the sockets or plugs of each signal connector that is disposed in the air duct.  In one option, the air duct may include front, rear and top sides, where the front and rear sides are secured to a printed circuit board that also secures the signal connectors. For example, the front and rear sides of the air duct may include press-fit pins that are securable in through-holes in the printed circuit board. In such a configuration, the printed circuit board and / or the bodies of the signal connectors may cooperate with the air duct to guide the air duct air flow from the air inlet to the air outlet. Furthermore, the air duct preferably has little or no gaps or opening that would allow mixing of the chassis air that has passed over a processing unit with the air duct air that is passing through the air duct. Rather, it is desirable for the air inlet of the air duct to be positioned out of rearward alignment with any of the processing units so that the operation of the air duct fan will draw cool air into the air duct through that air inlet and over or through each signal connector along the length of the air duct before exhausting the air duct air flow through the air outlet. The positioning of the air inlet allows the air duct to receive cool air and the sides of the air duct, possibly in cooperation with the printed circuit board and / or the signal connector housings, should limit any mixing of that cool air with the warm chassis air directly downstream of any of the processing units. Accordingly, it is preferable for the cool air in the air duct to be dedicated to cooling of the signal connectors.

[0026] The air duct fan that establishes the air duct air flow direction from the air inlet to the air outlet is preferably positioned at the air outlet. The air duct fan is preferably a centrifugal fan having a central axis aligned with the longitudinal axis of the air duct. The air duct fan may blow air out an air outlet formed in the end of the air duct. Alternatively, the air duct may have a closed end and a rearward-facing air outlet such that the air is redirected (at about a 90-degree angle) rearward before leaving the air duct.

[0027] In some embodiments, the air inlet is adjacent a lateral side of the server chassis. Where the processing units are located in the middle (i.e., centered between the lateral sides of the motherboard, and therefore centered between the lateral sides of the server chassis) , placing the air inlet of the air duct adjacent a lateral side of the server chassis may be optimal for exposing the air inlet to chassis air flow that has not been warmed by a processing unit. For example, in many embodiments, the air inlet is further from the front grill than any of the processing units, yet by offsetting the air inlet so that the air inlet is not rearwardly aligned with any of the processing units the air inlet may still receive chassis air flow that is cool. In one option, the air duct may extend beyond a lateral edge of the motherboard, such that the air inlet may be  disposed between the lateral edge of the motherboard and the lateral side of the server chassis. Still, other embodiments may position the air inlet anywhere along the length of the air duct between the lateral sides of the server chassis so long as the air inlet is out of rearward alignment with any of the processing units. The air inlet preferably has an inlet opening that is directed toward the front of the server chassis, but the air inlet might also be located in an end of the of the air duct or still other positions. It is believed that a forward-facing air inlet will be the most efficient for drawing cool air into the air duct since the chassis air flow direction will tend to cause the air to flow into the air duct.

[0028] In some embodiments, the air duct is substantially linear and may have a longitudinal axis that is perpendicular to a longitudinal axis of the server chassis. Similarly, the air duct air flow direction may be perpendicular to the chassis air flow direction.

[0029] In some embodiments, the air duct air flow direction causes air that bypasses the plurality of processing units to flow across the one or more signal connectors that are rearwardly aligned with one or more of the processing units. Furthermore, the air duct may form a barrier protecting the one or more signal connectors from the chassis air flow downstream of the processing units.

[0030] In some embodiments, each of the one or more signal connectors that are disposed in the air duct may be included in a separate signal connector module. The signal connector module may include a heat sink with fins disposed in the air duct, wherein the heat sink fins are parallel to a longitudinal axis of the air duct. Optionally, the heat sink fins may extend from the signal connector or a base in thermal communication with the signal connector to an opposing side of the air duct such that the air flow through the air duct must pass between the heat sink fins.

[0031] In some embodiments, the air duct may include multiple air inlets, wherein each air inlet is positioned out of rearward alignment with any of the plurality of processing units. In this embodiment, each air inlet may allow cool air to enter the air duct. For example, one or more of the connector spaces where a signal connector is located may be designed with an adjacent air inlet.

[0032] In some embodiments, the apparatus may further comprise one or more liquid cooling plates, where each liquid cooling plate is disposed in thermal communication with one of the signal connectors. Inlet and outlet liquid tubing provides flowing liquid to each of the liquid  cooling plates. This is intended to supplement the cooling provided by the air flow through the air duct. Still, the air duct prevents the warm chassis air flow downstream of the processing units from adding to the heat load on the liquid cooling plates. Optionally, the liquid cooling plates may include fins that extend into the air duct.

[0033] In some embodiments, the apparatus may further comprise a temperature sensor connected to the signal connector that is closest to the air outlet of the air duct. The temperature sensor produces an output signal that is used to control operation of the air duct fan. For example, as the sensed temperature approaches a high temperature setpoint, a controller may increase the speed of the air duct fan in order to draw cool air through the air duct at a higher flow rate and cool the signal connectors. The temperature is preferably sensed from the signal connector that is closest to the air outlet, since that signal connector is mostly likely to have an elevated temperature since it is downstream from all the other signal connectors in the air duct. However, embodiments may include a temperature sensor on any or more of the signal connectors. For example, the signal connectors may be different types or handle signals at different transmission speeds, such that the last signal connector is not necessarily expected to be the warmest of all the signal connectors.

[0034] In some embodiments, the air duct and the one or more signal connectors are secured to the motherboard or a printed circuit board that forms a connector module secured to a rear edge of the motherboard. In one option, the air duct may be secured to a printed circuit board forming the motherboard or the connector module using press-fit pins that are pressed into through-holes formed in the printed circuit board. Alternatively, the air duct may be attached to the server chassis and held in a cooperative position relative to the signal connectors as described herein.

[0035] Some embodiments of the apparatus comprise a server chassis containing a motherboard having a plurality of processing units, a front grill and a rear grill supporting air flow across the motherboard in a chassis air flow direction from the front grill to the rear grill. A plurality of signal connectors are positioned in the server chassis rearward of the plurality of processing units, where one or more of the signal connectors are positioned in rearward alignment with one or more of the processing units. A first air duct is disposed in the server chassis and has a first air inlet, a first air outlet, and a first air duct fan establishing a first air duct air flow direction from the first air inlet to the first air outlet, wherein the first air inlet is positioned out of rearward alignment with any of the plurality of processing units, and wherein  one or more of the plurality of signal connectors are disposed in the first air duct between the first air inlet and the first air outlet. The apparatus further comprises a second air duct disposed in the server chassis and having a second air inlet, a second air outlet, and a second air duct fan establishing a second air duct air flow direction from the second air inlet to the second air outlet, wherein the second air inlet is positioned out of rearward alignment with any of the plurality of processing units, and wherein one or more of the plurality of signal connectors are disposed in the second air duct between the second air inlet and the second air outlet.

[0036] In the later embodiments, the first and second air ducts may be axially aligned, wherein the first air duct air flow direction is the opposite of the second air duct air flow direction. For example, the air flow directions may be from the lateral sides toward the middle or center of the server chassis or from the middle or center of the server chassis toward the lateral sides. Specifically, the first air inlet to the first air duct may be positioned adjacent a first lateral side of the server chassis and the second air inlet to the second air duct may be positioned adjacent a second lateral side of the server chassis, wherein the first and second air outlets are positioned in a central area between the first and second lateral sides of the server chassis. Embodiments having multiple air ducts may provide improved cooling since the cool air drawn into each air duct is used to cool fewer signal connectors, such as only one half of the total number of signal connectors.

[0037] In some embodiments, the first and second air ducts may be parallel to each other, wherein the one or more of the plurality of signal connectors that are disposed in the first air duct provide communication with the motherboard, and wherein the one or more of the plurality of signal connectors that are disposed in the second air duct provide communication with a printed circuit board that is positioned rearward of the motherboard. Such a multiple board system is more complex but illustrated the flexibility of the air ducts described herein.

[0038] Embodiments provide the technical benefit of an air cooling solution that provides a scalable thermal management solution for individual signal connectors or signal connector arrays that may be implemented in any server architecture or configuration. It is also a technical benefit that the use of the thermal management solution is compatible with existing thermal management systems for various server chassis and does not require reconfiguration of the motherboard or the server chassis. Furthermore, the air cooling solution of the present embodiments may be easily configured and implemented in a server chassis in a manner that is easily serviced. Importantly,  one or more signal connectors may be positioned in rearward alignment of a processing unit yet be cooled with air that has not been warmed by the processing unit.

[0039] FIG. 1 is a perspective view of a server chassis 10 disposed in a rack 20 with fans 22 that cause air flow (see the wavy arrows) through the server chassis 10 from a front panel 12 having a grill 14 across the motherboard 30 to a rear panel 16 having a grill 18. In the illustrated embodiment, the motherboard 30 has a plurality of processing units (see processor sockets 32; eight shown) . The front grill 14 and the rear grill 18 support or guide air flow across the motherboard 30 in a chassis air flow direction (see bold arrow 34) from the front grill 14 to the rear grill 18. The server chassis 10 further includes one or more signal connectors 40 (either shown) positioned inside the server chassis 10 in rearward alignment with one or more of the processing units 32.

[0040] The server chassis 10 is a structure including a housing that contains the motherboard 30, processing units 32, and signal connectors 40 along with other components (not shown) needed for the functioning of the server. Although the signal connectors 40 are shown coupled to a connector module 31 (aseparate printed circuit board) that is coupled to the motherboard 30, the signal connectors 40 could be directly connected to the motherboard 30. Each of the processing units 32 has a heat exchanger or heat sink 36 (eight shown) disposed in thermal communication with the processing unit 32 to cool the processing units. The server chassis 10 may also guide the air flow that is caused by the fans 22, which may be disposed in the server chassis 10 or in the rack 20 outside the server chassis 10. For example, the front panel 12 of the server chassis may include a front grill structure 14 having a number of openings for the intake of cool air from the environment in front of the server chassis 10 (see “FRONT” ) . Similarly, a rear panel 16 of the server chassis 10 may also include a rear grill structure 18 having a number of openings for the release of warm air from the server chassis 10 into the environment to the rear of the server chassis (see “REAR” ) . The server chassis 10 will typically have lateral side walls 11, 13, a top panel (not shown, but extending across the top of the sides 11, 12, 13, 16) and a bottom panel 15 that are either solid or have relatively few and small openings such that the air flow through the server chassis is substantially directed through the server chassis from the front grill 14 to the rear grill 18 (see chassis air flow direction 34) . The one or more fans 22, whether positioned within or outside the server chassis 10, are oriented / operated to draw cool air through the front grill 14 and either draw or push the warm air through the rear grill 18.

[0041] FIG. 2 is a top view of the server chassis 10 illustrating the chassis air flow direction 34 from front 12 to rear 16 of the server chassis and forming areas (see the cross-hatched areas 50) of warm air rearward of the processing units (represented by their heat exchangers 36) .

[0042] It should be understood that cool air, which may be either chilled air or ambient air, entering the front 14 of the server chassis 10 will pick up waste heat from the electronic components that are performing operations within the server chassis. Accordingly, the air flowing through the server chassis will become warmer as it moves through the server chassis from the front grill 14 to the rear grill 18. A processing unit (under the heat exchanger 36) may produce a large amount of heat and is typically accompanied by the large heat exchanger 36, which conducts heat away from the processing unit and into a set of fins (i.e., conduction) and then transfers the heat from the fins into the air that is moving across the fins (i.e., convection) . Air that passes through the heat exchanger 36 connected to a processing unit will have a significant increase in temperature when it leaves the heat exchanger. For example, if the inlet air temperature is T1, then the air downstream of a first processing unit / heat exchanger 36 may be T2, and the air downstream of a second processing unit / heat exchanger 36 may be T3, wherein T3>T2>T1. Accordingly, components such as a signal connector 40 that is located in rearward alignment with any of the processing units (i.e., heat exchangers 36) may not be adequately cooled by the chassis air flow 34 since the moving chassis air downstream of the processing units will have an elevated temperature (T3) . As the signal connector performs its own operations and generates its own waste heat, the temperature of the signal connector rises and can only be air-cooled if the circulating air has a temperature below that of the signal connector.

[0043] FIG. 3 is a top view of the server chassis 10 including an air duct 60 disposed in the server chassis and having a forward-facing air inlet 62, a rear-facing air outlet 64, and an air duct fan 66 establishing an air duct air flow direction 68 from the air inlet 62 across a plurality of signal connectors 40 to the air outlet 64. Importantly, the air inlet 62 of the air duct 60 is positioned out of rearward alignment or chassis longitudinal alignment with any of the plurality of processing units / heat exchangers 36. Note that the air inlet 62 is positioned along the right-hand lateral edge of the server chassis 10 (near side wall 13) and outside the path of warm air downstream of the closest processing unit. Accordingly, the chassis air flow entering the air inlet 62 is still at the cool ambient temperature T1 (or at a temperature relatively close to the cool ambient temperature T1) rather than warmed temperature T3. The air flow through the main areas  of the server chassis is substantially “plug flow” where there is little or no lateral mixing of the air.

[0044] The air duct 60 has a generally rectangular profile with various cutouts. The cutouts may include the forward-facing air inlet 62, the rearward-facing air outlet 64 and one or more rearward-facing openings that provide access to the sockets or plugs 42 (see also FIGS. 4 and 5) of each signal connector 40 that is disposed in the air duct.

[0045] The air duct fan 66 establishes the air duct air flow direction 68 from the air inlet 62 to the air outlet 64. The air duct fan 66 is preferably a centrifugal fan having a central axis aligned with the longitudinal axis 69 of the air duct 60. The air duct 60 may have a closed end and a rearward-facing air outlet 64 such that the air is redirected from the air duct fan 66 (at about a 90-degree angle) rearward before leaving the air duct. Alternatively, the air duct fan 66 may blow air directly out the end of the air duct.

[0046] Notice that the air duct air flow direction 68 is perpendicular to the chassis air flow direction 34 and is supplied with air that has not been warmed by the plurality of processing units / heat exchangers 36. Furthermore, the air duct 60 forms a barrier protecting the one or more signal connectors 40 from being exposed to the warm chassis air flow downstream of the processing units.

[0047] FIG. 4 is a cross-sectional view of the air duct 60 taken along line 4-4 in FIG. 3. The air duct 60 is positioned in the server chassis 10 (showing only the top 17, rear 16 and bottom 15 panels) . The air duct 60 is positioned around a signal connector 40 to force air through heat sink fins 44 to cool the signal connector 40. Specifically, the air duct 60 has a front wall 61, a top wall 63, and a rear wall 65 which cooperate with the printed circuit board 31 to guide air across the signal connectors 40. The heat sink fins 44 are parallel to the longitudinal axis 69 (see FIG. 3) of the air duct and are shown extending from the signal connector 40 to the top 63 of the air duct 60 such that the air flow through the air duct must pass between the heat sink fins 44.

[0048] At least a major portion of the signal connector 40 is disposed in the air duct 60, but the signal connector has a rearward-directed socket or plug 42 that is accessible through the rear side of the air duct 60 to enable selective coupling with a mating signal connector 41. As shown, the signal connector 40 may extend rearward through an opening in the air duct 60 and may extend rearward through an opening in the rear panel 16 of the server chassis 10.

[0049] FIG. 4A is a partial cross-sectional diagram illustrating an upright wall 61 of the air duct 60 secured to a printed circuit board 31. As shown, the upright wall 61 includes a set of press-fit pins 67 that are pressed into through-holes 33 formed in the printed circuit board 31. Alternatively, the air duct may be attached to the server chassis 10 and held in a cooperative position relative to the signal connectors 40 as described herein.

[0050] FIG. 5 is a rear perspective view of an individual signal connector 40 disposed in an air duct as in FIG. 4. However, in FIG. 5 the air duct 60 is illustrated with dashed lines and shown as being transparent in order to emphasis the arrangement of components within the air duct) . Under the forces of the air duct fan (not shown) , the air flowing in the air flow direction 68 through the air duct 60 passes through the heat sink fins 44 and continues along the air duct. The socket 42 extends rearward through a cutout or opening 70 formed in the rear wall 61 so that the socket is accessible for connection with the plug (not shown; see FIG. 4) of another device, such as a cable.

[0051] FIG. 6 is a rear perspective view of an individual signal connector 40 disposed in an air duct as in FIG. 5, but with the addition of a liquid cooling plate 80 in thermal conduction with one side or area of the signal connector 40. The liquid cooling plate 80 may be connected to a cooling fluid supply line 82 and a cooling fluid return line 84. Where there are multiple liquid cooling plates 80 similarly arranged to cool multiple signal connectors 40, the liquid cooling plates 80 may be fluidically connected in series or parallel flow. Where multiple liquid cooling plates are fluidically connected in series, the liquid cooling fluid preferably flows counter to the air flow direction 68 within the air ducts. For example, if the air flow through the air duct 60 passed from signal connector 1 to signal connector 2 and then to signal connector 3, the cooling fluid supply is preferably delivered to cooling plate 3 (cooling signal connector 3) , the cooling fluid return from cooling plate 3 is connected to the cooling fluid supply of cooling plate 2 (cooling signal connector 2) , and the cooling fluid return from cooling plate 2 is connected to the cooling fluid supply of cooling plate 1 (cooling signal connector 1) before the cooling fluid return from cooling plate 1 is returned to a source of the cooling fluid.

[0052] FIG. 7 is a rear perspective view of an array of four signal connectors 40 disposed in an air duct 60 consistent with FIG. 5. The air duct fan 66 causes air flow through the air duct in the air duct air flow direction 68, where the air enters the air duct through the forward-facing air inlet 62, across the heat sink fins 44 connected to the four signal connectors 40, through the air duct  fan 66 and out the rear-facing air outlet 64. A temperature sensor 90 is connected to the signal connector 40 that is closest to the air outlet 64 of the air duct. The temperature sensor 90 produces an output signal that is used to control operation of the air duct fan 66. As the sensed temperature approaches a high temperature setpoint, a controller 92 may increase the speed of the air duct fan 66 in order to draw cool air through the air duct at a higher volumetric flow rate and cool the signal connectors 40. The temperature is preferably sensed from the signal connector that is closest to the air outlet 64, since that signal connector is mostly likely to have an elevated temperature since it is downstream from all the other signal connectors in the air duct. However, embodiments may include a temperature sensor on any or more of the signal connectors. For example, the signal connectors may be different types and / or may handle signals at different transmission speeds, such that the last signal connector is not necessarily expected to be the warmest of all the signal connectors. While the air duct fan controller 72 may be a stand-alone controller, it may also be implemented as control logic executed by a processor, such as the processor of a baseboard management controller (BMC) of the server.

[0053] FIG. 8 is a rear schematic diagram illustrating cooling liquid supply and return lines providing cooling liquid to the cooling plates 80, where each liquid cooling plate is disposed in thermal communication with one of the signal connectors 40. As shown, each liquid cooling plate 80 is connected to a fluid supply line 81 by a fluid supply line branch 82 and connected to a fluid return line 83 by a fluid return line branch 84. Accordingly, the cooling fluid plates are fluidically connected in parallel. This fluid cooling system is intended to supplement the cooling provided by the air flow through the air duct 60. Still, the air duct prevents the warm chassis air flow downstream of the processing units from adding to the heat load on the liquid cooling plates.

[0054] FIG. 9 is a top schematic diagram of an air duct 100 having a plurality of air inlets 62A-D and a single air outlet 64. While the air duct 100 includes multiple air inlets, each air inlet 62A-D is positioned out of rearward alignment with any of the plurality of processing units 36 (see FIGS. 1-3) so that each air inlet may allow cool air to enter the air duct.

[0055] FIG. 10 is a rear schematic diagram of a pair of air ducts 60, where each air duct has an air inlet 62 near the center of the server chassis and an air outlet 64 near a lateral side of the server chassis. In this configuration, the two air outlets 64 should be out of rearward alignment with any of the processing units / heat exchangers 36 (see FIGS. 1-3) in order to receive air that has not been warmed by the processing units / heat exchangers 36. The air duct fans 66 operate in  the same manner previously described to establish an air flow direction from the air inlet 62 to the air outlet 64 while passing through the heat exchanger fins 44 that are in thermal communication with the signal connectors 40.

[0056] FIG. 11 is a rear schematic diagram of a pair of air ducts 60, where each air duct has an air inlet 62 near a lateral side of the server chassis and an air outlet 64 near the center of the server chassis. The air ducts of FIG. 11 are the reverse of the air ducts of FIG. 10 but may include all of the same elements. In particular, the configuration of FIG. 11 is appropriate where the lateral sides are not rearwardly aligned with any of the processing units / heat exchangers 36 (see FIGS. 1-3) so that the air inlets receive cool or ambient air. Furthermore, the dual air ducts configurations shown in FIGS. 10-11 are helpful where the signal connectors 40 produce so much heat that they need independent cool air inlets and / or independent fan control (see temperature sensor and controller in FIG. 7) .

[0057] The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the scope of the claims. As used herein, the singular forms “a” , “an” and “the” are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. It will be further understood that the terms “comprises” and / or “comprising, ” when used in this specification, specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components and / or groups, but do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and / or groups thereof. The terms “preferably, ” “preferred, ” “prefer, ” “optionally, ” “may, ” and similar terms are used to indicate that an item, condition or step being referred to is an optional (not required) feature of the embodiment.

[0058] The corresponding structures, materials, acts, and equivalents of all means or steps plus function elements in the claims below are intended to include any structure, material, or act for performing the function in combination with other claimed elements as specifically claimed. Embodiments have been presented for purposes of illustration and description, but it is not intended to be exhaustive or limited to the embodiments in the form disclosed. Many modifications and variations will be apparent to those of ordinary skill in the art after reading this disclosure. The disclosed embodiments were chosen and described as non-limiting examples to enable others of ordinary skill in the art to understand these embodiments and other embodiments involving modifications suited to a particular implementation.

Claims

1.An apparatus, comprising:a server chassis containing a motherboard having a plurality of processing units, a front grill and a rear grill supporting air flow across the motherboard in a chassis air flow direction from the front grill to the rear grill;one or more signal connectors positioned inside the server chassis in rearward alignment with one or more of the processing units; andan air duct disposed in the server chassis and having an air inlet, an air outlet, and an air duct fan establishing an air duct air flow direction from the air inlet to the air outlet, wherein the air inlet of the duct is positioned out of rearward alignment with any of the plurality of processing units, wherein at least a major portion of each of the one or more signal connectors are disposed in the air duct between the air inlet and the air outlet, and wherein, for each of the one or more signal connectors disposed in the air duct, the air duct has a rearward-directed opening and the signal connector has a rearward-directed socket or plug that is aligned with the opening to enable selective coupling with a mating signal connector.2.The apparatus of claim 1, wherein the air inlet of the air duct is adjacent to a lateral side of the server chassis.3.The apparatus of claim 2, wherein the air duct extends beyond a lateral edge of the motherboard, and wherein the air inlet is disposed between the lateral edge of the motherboard and the lateral side of the server chassis.4.The apparatus of claim 1, wherein the air inlet has an inlet opening that is directed toward the front of the server chassis.5.The apparatus of claim 1, wherein the air duct has a longitudinal axis that is perpendicular to a longitudinal axis of the server chassis.6.The apparatus of claim 1, wherein the air duct air flow direction is perpendicular to the chassis air flow direction.7.The apparatus of claim 1, wherein the air duct air flow direction causes air that bypasses the plurality of processing units to flow across the one or more signal connectors.8.The apparatus of claim 7, wherein the air duct forms a barrier protecting the one or more signal connectors from the chassis air flow downstream of the processing units.9.The apparatus of claim 1, wherein, for each of the one or more of the signal connectors that are disposed in the air duct, the signal connector is in thermal communication with a heat sink having a set of heat sink fins, wherein the heat sink is disposed within the air duct and the heat sink fins are oriented parallel to the air duct air flow direction.10.The apparatus of claim 9, wherein the heat sink fins extend from the signal connector to an opposing side of the air duct.11.The apparatus of claim 1, wherein the air duct includes multiple air inlets, wherein each air inlet is positioned out of rearward alignment with any of the plurality of processing units.12.The apparatus of claim 1, further comprising:one or more liquid cooling plates, each liquid cooling plate disposed in thermal communication with one of the signal connectors; andinlet and outlet liquid tubing providing flowing liquid to each of the liquid cooling plates.13.The apparatus of claim 1, wherein, for each of the one or more signal connectors that are disposed in the air duct, the air duct includes a rearward-direct cutout enabling a socket or plug of the signal connector to be selectively coupled to a mating signal connector.14.The apparatus of claim 1, further comprising:a temperature sensor connected to the signal connector that is closest to the air outlet of the air duct, wherein the temperature sensor produces an output signal that is used to control operation of the air duct fan.15.The apparatus of claim 1, wherein the air duct and the one or more signal connectors are secured to a printed circuit board that forms a connector module secured to a rear edge of the motherboard.16.The apparatus of claim 1, wherein the signal connectors are secured to a printed circuit board and electronically connected to conductive elements formed in or on the printed circuit board, and where the air duct is secured to the printed circuit board using press-fit connectors inserted into through-holes in the printed circuit board.17.An apparatus, comprising:a server chassis containing a motherboard having a plurality of processing units, a front grill and a rear grill supporting air flow across the motherboard in a chassis air flow direction from the front grill to the rear grill; a plurality of signal connectors positioned in the server chassis rearward of the plurality of processing units, where one or more of the signal connectors are positioned in rearward alignment with one or more of the processing units;a first air duct disposed in the server chassis and having a first air inlet, a first air outlet, and a first air duct fan establishing a first air duct air flow direction from the first air inlet to the first air outlet, wherein the first air inlet is positioned out of rearward alignment with any of the plurality of processing units, and wherein one or more of the plurality of signal connectors are disposed in the first air duct between the first air inlet and the first air outlet;a second air duct disposed in the server chassis and having a second air inlet, a second air outlet, and a second air duct fan establishing a second air duct air flow direction from the second air inlet to the second air outlet, wherein the second air inlet is positioned out of rearward alignment with any of the plurality of processing units, and wherein one or more of the plurality of signal connectors are disposed in the second air duct between the second air inlet and the second air outlet.18.The apparatus of claim 17, wherein the first and second air ducts are axially aligned, and wherein the first air duct air flow direction is the opposite of the second air duct air flow direction.19.The apparatus of claim 18, wherein the first air inlet to the first air duct is positioned adjacent a first lateral side of the server chassis and the second air inlet to the second air duct is positioned adjacent a second lateral side of the server chassis, and wherein the first and second air outlets are positioned in a central area between the first and second lateral sides of the server chassis.20.The apparatus of claim 17, wherein the first and second air ducts are parallel to each other, wherein the one or more of the plurality of signal connectors that are disposed in the first air duct provide communication with the motherboard, and wherein the one or more of the plurality of signal connector that are disposed in the second air duct provide communication with a printed circuit board that is positioned rearward of the motherboard.

Images