多層伝熱プレート及びその製造方法
【課題】温度斑が発生し易い、複数枚のチタン板の間にアルミプレートが挟まれている従来の多層伝熱プレートの課題を解消する。
【解決手段】両面がチタン板１２，１２によって形成されるように、複数枚のチタン板１２，１２・・が伝熱層を挟んで積層されて一体化され、前記両面の一面側に加熱源又は冷却源に接続される加熱プレート又は冷却プレートに用いられる多層伝熱プレート１０であって、前記伝熱層が、面内方向に炭素六角網平面構造が延出された結晶構造を有するカーボンシート１４ｂによって形成されている。
【解決手段】両面がチタン板１２，１２によって形成されるように、複数枚のチタン板１２，１２・・が伝熱層を挟んで積層されて一体化され、前記両面の一面側に加熱源又は冷却源に接続される加熱プレート又は冷却プレートに用いられる多層伝熱プレート１０であって、前記伝熱層が、面内方向に炭素六角網平面構造が延出された結晶構造を有するカーボンシート１４ｂによって形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多層伝熱プレート及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造工程で基板の加熱処理や冷却処理に用いられている伝熱プレートとしては、通常、アルミニウムから成る伝熱プレートが用いられている。
しかし、半導体装置の製造工程では、アルミニウムを腐食する腐食性ガスが使用されたりするため、耐腐食性の伝熱プレートが要望されている。また、アルミニウムから成る伝熱プレートは、比強度が小さいためにプレートが厚くなり全体として重くなって、その軽量化も要請されている。
ところで、耐腐食性に優れた金属としては、チタンが好適である。また、チタンから成る伝熱プレートは、薄くしても強度を確保できるため、その軽量化も可能である。しかし、チタンから成る伝熱プレートは、アルミニウムから成る伝熱プレートに比較して、その熱伝導性が劣る。
このため、下記特許文献１では、図１１（ａ）に示す様に、チタン板１０２，１０２の間にアルミプレート１０４が挟まれている多層伝熱プレート１００が提案されている。
かかる多層伝熱プレート１００は、図１１（ｂ）に示す様に、その一面側に面状発熱体１１０が設けられている。この面状発熱体１１０は、電気絶縁被膜１０６とマイカ板１０８とに挟まれて、押え板１１２によって多層伝熱プレート１００と一体化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２８９３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１１に示す多層伝熱プレート１００は、その両面がチタン板１０２，１０２によって形成されており、アルミニウムを腐食する腐食性ガス中でも使用できる。また、多層伝熱プレート１００は、アルミニウムから成る伝熱プレートよりも薄くでき、軽量化を図ることもできる。
しかし、図１１に示す多層伝熱プレート１００では、温度斑が発生し易いことが判明した。
そこで、本発明は、温度斑が発生し易い、複数枚のチタン板の間にアルミプレートが挟まれている従来の多層伝熱プレートの課題を解消し、複数枚のチタン板を用いて耐腐食性が向上され、且つ均熱性に優れた多層伝熱プレートを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者等は、前記課題を解決すべく、図１２に示す様に、表面に露出する二枚のチタン板２０２ａ，２０２ａの間に複数枚のチタン板２０２ｂ，２０２ｂ・・を配設し、且つチタン板２０２ｂ，２０２ｂ・・の間に伝熱層２０４を介して積層した多層伝熱プレートについて、その伝熱特性についてコンピュータシュミレーションを試みた。
かかるコンピュータシュミレーションでは、温度２５℃の多層伝熱プレート２００に対し、その一面側の中央部表面に３００℃の加熱物体を押し当てたとき、他面側の中央部表面温度Taと周縁部表面温度Tbとの温度差の経時変化を検討した。
また、多層伝熱プレート２００は、厚さ５ｍｍ、直径５０ｍｍの多層伝熱プレート２００であって、伝熱層２０４，２０４・・が１０層（厚さ０．２５ｍｍ）積層されているものとした。
この多層伝熱プレート２００の両面を形成するチタン板２０２ａの厚さを０.５ｍｍ、内部のチタン板２０２ｂ、２０２ｂ・・の各厚さを０．１７ｍｍとし、チタンの熱伝導率１７W／(m・K)、比熱５２０J／(kg・K)、密度４５１０kg/m3とした。
ここで、伝熱層２０４，２０４・・として、熱伝導が厚さ方向及び面内方向ともに等しい熱伝導率が等方性のシート状部材と、熱伝導率が厚さ方向よりも面内方向が高い熱伝導率が異方性のシート状部材とを用いた。
具体的には、熱伝導率が等方性のシート状部材としては、アルミ板（熱伝導率２１０W／(m・K)、比熱９００J／(kg・K)、密度２６９８．９kg/m3）、銅板（熱伝導率３８５W／(m・K)、比熱３８５J／(kg・K)、密度８９００kg/m3）を用いた。
また、熱伝導率が異方性のシート状部材としては、シート状のカーボン部材１［熱伝導率４００W／(m・K)（面内方向）、熱伝導率３．５W／(m・K)（厚さ方向）、比熱８５０J／(kg・K)、密度２０００kg/m3］、シート状のカーボン部材２［熱伝導率１４０W／(m・K)（面内方向）、熱伝導率５W／(m・K)（厚さ方向）、比熱８５０J／(kg・K)、密度２０００kg/m3］を用いた。
これらのシート部材を用いたコンピュータシュミレーションの結果を、図１３に示す。
【０００６】
図１３から明らかな様に、伝熱層２０４，２０４・・として、熱伝導率が等方性のアルミ板を用いた場合よりも、熱伝導率が厚さ方向よりも面内方向が高い熱伝導率が異方性のシート状のカーボン部材２を用いることによって、多層伝熱プレート２００の均熱性が向上されること、及びシート状のカーボン部材１を用いることによって、銅板を用いた場合よりも、多層伝熱プレート２００の均熱性が向上されることが判明した。
本発明者等は、熱伝導率が厚さ方向よりも面内方向が良好なシート状のカーボン部材としては、炭素繊維から成るカーボンクロス又は面内方向に炭素六角網平面構造が延出された結晶構造を有するカーボンシートが好適であることを知った。
すなわち、本発明者等は、前記課題を解決する手段として、両面がチタン板によって形成されるように、複数枚のチタン板が伝熱層を挟んで積層されて一体化され、前記両面の一面側に加熱源又は冷却源に接続される加熱プレート又は冷却プレートに用いられる多層伝熱プレートであって、前記伝熱層が、厚さ方向よりも面内方向の熱伝導率が高いシート状のカーボン部材によって形成されている多層伝熱プレートを提供できる。
また、本発明者等は、前記課題を解決する手段として、複数枚のチタン板を、厚さ方向よりも面内方向の熱伝導率が高いシート状のカーボン部材を挟んで積層して、両面にチタン板を配設した積層体を得た後、前記積層体を、その側面を拘束した状態で且つ両面のチタン板を挟み込むように加圧して焼結する一軸加圧焼結法によって一体化する多層伝熱プレートの製造方法を提供できる。
【０００７】
かかる多層伝熱プレート及びその製造方法において、シート状のカーボン部材とチタン板とを、その境界面に形成した炭素とチタンとの反応層によって接合することによって、シート状のカーボン部材とチタン板とを強固に接合できる。この反応層は、シート状のカーボン部材を挟んで複数枚のチタン板を積層した積層体を、一軸加圧焼結法によって一体化するときに形成できる。
また、複数の貫通孔を形成したシート状のカーボン部材を用い、前記貫通孔の各々に、前記シート状のカーボン部材と当接するチタン板と接続するようにチタンを充填することによって、多層伝熱プレートのせん断強度を向上できる。
この様に、せん断強度が向上された多層伝熱プレートは、シート状のカーボン部材として、複数の貫通孔を形成したシート状のカーボン部材を用い、積層体を形成する前記シート状のカーボン部材の貫通孔の各々にチタン粉末を充填して一軸加圧焼結法によって一体化することによって得ることができる。
或いは、せん断強度が向上された多層伝熱プレートは、シート状のカーボン部材として、複数の貫通孔を形成したシート状のカーボン部材を用い、前記シート状のカーボン部材の貫通孔の各々にチタン粉末を充填することなく積層体を一軸加圧焼結法によって焼結する際に、焼結温度をチタンの変態温度以上とし、チタン板を塑性流動化して前記貫通孔を充填することによっても得ることができる。
更に、シート状のカーボン部材として、チタン板よりも小面積のシート状のカーボン部材を用い、多層伝熱プレートの周面をチタンによって覆うことによって、多層伝熱プレートの耐腐食性を更に向上できる。
この様に、周面がチタンによって覆われている多層伝熱プレートは、シート状のカーボン部材として、チタン板よりも小面積のシート状のカーボン部材を用い、前記シート状のカーボン部材の外周面に沿ってチタン粉末を充填した積層体を、一軸加圧焼結法によって一体化することによって得ることができる。
尚、シート状のカーボン部材として、炭素繊維から成るカーボンクロス又は面内方向に炭素六角網平面構造が延出された結晶構造を有するカーボンシートを好適に用いることができる。
【発明の効果】
【０００８】
一般に、伝熱プレートでは、加熱処理や冷却処理に供される基板等が載置される載置面となる一面側及びこの一面側に対して反対側面となる他面側は、伝熱プレートの厚さよりも遥かに幅広である。このため、伝熱プレートの他面側の中央部近傍が加熱された場合、伝熱プレートの一面側の中央部近傍の温度は、熱が短時間で伝熱されて昇温されるものの、伝熱プレートの一面側の周縁部近傍に熱が伝熱されて昇温されるまでに時間が掛り、伝熱プレートの中央部近傍と周縁部近傍とに温度差が解消されるまで時間が掛る。
この点、本発明者等が提案した多層伝熱プレートでは、厚さ方向よりも面内方向の熱伝導率が高い熱伝導率が異方性のシート状のカーボン部材を伝熱層に用いている。このため、多層伝熱プレートの他面側の中央部近傍に加えられた熱は、伝熱層によって迅速に周縁部近傍に伝熱され、多層伝熱プレートの一面側においても、その中央部近傍と周縁部近傍との温度差が迅速に解消される結果、多層伝熱プレートの均熱性を向上できる。
尚、伝熱層及びチタン板の各々の厚さは、その面内方向に比較して著しく薄いため、伝熱層及びチタン板の各々の厚さ方向の伝熱も良好である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明者等が提案した多層伝熱プレート１０の斜視図及び断面図を示す。
【図２】図１に用いるカーボンシート１４ｂの結晶構造を説明する説明図である。
【図３】図１に示す多層伝熱プレート１０のチタン板１２とカーボンシート１４ｂとの境界の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。
【図４】図１に示す多層伝熱プレート１０の製造方法を説明する工程図である。
【図５】多層伝熱プレート１０の製造に用いるパルス電流焼結装置の概略を示す概略図である。
【図６】得られた多層伝熱プレート１０の温度分布を測定する測定装置の概略を示す概略図である。
【図７】多層伝熱プレート１０の温度分布状態の経時変化をサーモビュアで測定した結果を示すサーモビュア写真である。
【図８】図７に示すサーモビュア写真に基づいて多層伝熱プレート１０の温度分布の経時変化をグラフ化したグラフである。
【図９】チタン合金又は純チタンから成るチタン板を用いた多層伝熱プレート１０の中央部と周縁部との温度差の経時変化を示すグラフである。
【図１０】多層伝熱プレート１０の他の態様を説明するための断面図である。
【図１１】従来の多層伝熱プレート１００の使用状態を示す斜視図及び断面図である。
【図１２】コンピュータシュミレーションに用いた多層伝熱プレートを説明する断面図である。
【図１３】コンピュータシュミレーションの結果を示す多層伝熱プレートの中央部と周縁部との温度差の経時変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明者等が提案した多層伝熱プレートの一例を図１に示す。図１（ａ）に示す様に、多層伝熱プレート１０は、円盤状のプレートであって、厚さよりも直径が著しく大きい。
かかる多層伝熱プレート１０の縦断面形状を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）から明らかな様に、多層伝熱プレート１０は、複数枚の純チタン又はチタン合金から成るチタン板１２，１２・・の間に伝熱層としてのカーボンシート１４ｂが配設されて一体化されている。
このカーボンシート１４ｂは、図２に示す様に、面内方向に炭素六角網平面構造が延出された結晶構造を有している。かかる結晶構造を有するカーボンシート１４ｂでは、炭素六角網平面構造が延出されている面内方向の熱伝導率が、炭素六角網平面構造の延出方向に対して直交する厚さ方向の熱伝導率よりも高いものとなる。
この様なカーボンシート１４ｂは、例えば高分子フィルムを熱分解によりグラファイト化することによって得ることができる。或いは、黒鉛を粉砕後、発泡工程で重なったグラファイト結晶をほぐし、圧延工程でシート状に製膜することによっても、カーボンシート１４ｂを得ることができる。
このカーボンシート１４ｂには、貫通孔１６，１６・・が形成されており、貫通孔１６，１６・・には、上下のチタン板１２，１２と接続するチタンが充填されている。
図１に示す多層伝熱プレート１０では、チタン板１２とカーボンシート１４ｂとの界面に、図３に示す様に、チタンと炭素との反応層が形成されている。かかる反応層では、チタンカーバイト（ＴｉＣ）が形成されているものと考えられる。
【００１１】
図１〜図３に示す多層伝熱プレート１０を製造する際には、図４（ａ）に示す様に、複数枚のチタン板１２，１２・・を、黒鉛をシート状に加工し、複数個の貫通孔１６，１６・・を形成したカーボンシート１４ｂを挟んで積層し、図４（ｂ）に示す様に、両面にチタン板１２，１２を配設した積層体２０を得る。この積層体２０には、カーボンシート１４ｂに形成した貫通孔１６，１６・・には、純チタン又はチタン合金から成るチタン粉末を充填する。
次いで、積層体２０を一軸加圧焼結法によって一体化する。この一軸加圧焼結法は、積層体２０の側面を拘束し且つ両面のチタン板１２，１２を挟み込むように加圧して焼結する方法である。かかる一軸加圧焼結法としては、パルス通電焼結法を挙げることができる。
このパルス通電焼結法では、図５に示す様に、カーボン型３０内に挿入された電極３２，３２間に挟み込まれた積層体２０を、その側面をカーボン型３０によって拘束した状態で、両面に配設されたチタン板１２，１２が電極３２，３２によって挟み込まれるように所定圧力を加えつつ、直流電源３４から電極３２，３２にパルス電流を印加して加熱焼結を施す。
【００１２】
このパルス通電焼結法では、圧力を３０MPa以上とし、焼結温度をチタンの六方最密充填構造から体心立方構造に変態する温度以上（好ましくは１０００℃以下）とすることによって、チタン板１２，１２・・やチタン粉末が軟化して、積層体２０を一体化できる。
或いは、焼結温度を純チタン又はチタン合金の融点の絶対温度の０．４〜０．６倍程度の温度とすることによっても、積層体２０を拡散接合によって一体化できる。
かかる焼結温度に到達するまでは、直流電源３４から加える電流値を調整して徐々に昇温することが好ましい。また、この焼結温度での保持時間は、５〜１０分間程度とすることが好ましい。この際のパルス電流としては、直流電源３４の周波数を３００Hz、ON/OFF比を１２／２とした。この様に、所定の焼結温度で所定時間保持した後、冷却した。
尚、一軸加圧焼結法である限り、パルス通電焼結法に代えてホットプレス法を採用してもよい。
【００１３】
パルス通電焼結法によって得られた多層伝熱プレート１０について、図６に示す方法によって伝熱特性を調査した。図６に示す方法では、加熱源としてのホットプレート４０上に銅製の柱状体４２を設置し、柱状体４２が所定温度（３１１℃）に到達したとき、柱状体４２の上面が多層伝熱プレート１０の一面側の中央部に当接するように載置する。この多層伝熱プレート１０とホットプレート４０との間には、断熱材４５を載置し、ホットプレート４０からの輻射熱の影響を除いている。
【００１４】
この様にして、一面側の中央部近傍が加熱される多層伝熱プレート１０の他面側をサーモビュア４４で観察して、その温度分布の経時変化を測定した。
また、多層伝熱プレート１０に代えて、純チタンから成るチタンプレートやアルミニウム合金から成るアルミプレートについても、同様にして温度分布の経時変化を観察して、その結果を図７に示す。
更に、サーモビュア４４の結果に基づいて、各プレートの温度分布の経時変化をグラフ化したものを図８に示す。
図７及び図８に示す多層伝熱プレート１０は、厚さ０．２ｍｍのチタン板１２，１２の間に厚さ０．２ｍｍのカーボンシート１４ｂを交互に挟み込んで形成し、両面にチタン板１２，１２を配設すると共に、カーボンシート１４ｂは８枚使用した。このカーボンシート１４ｂには、多数個の貫通孔１６，１６・・が形成されており、チタン板１２と積層する際に、チタン粉末（純チタン）を充填した。
尚、パルス電流焼結では、圧力５０MPa、焼結温度９００℃、焼結時間５分とした。
【００１５】
図７及び図８から明らかな様に、チタンプレート（図７及び図８では「Ｔｉ」と示す）では、１８０秒経過しても依然として中央部の温度が周縁部の温度よりも高い。これに対して、多層伝熱プレート及びアルミプレートでは、６０秒経過後には、ほぼ均一温度に加熱されている。
この様に、チタン板１２とカーボンシート１４ｂとが交互に積層された多層伝熱プレート１０は、アルミ合金から成るアルミプレートに近似した伝熱特定を呈することができる。
【００１６】
多層伝熱プレート１０として、チタン合金（α+β型）から成る厚さ０．２ｍｍのチタン板１２と炭素繊維から成るカーボンクロス１４ａとから成る多層伝熱プレート１０と、チタン合金（α+β型）から成るチタンプレートとの温度分布データを図９（ａ）に示す。図９（ａ）は、縦軸に多層伝熱プレートの中央部の温度（Ｔ０）と中心から２０ｍｍ離れた個所の温度（Ｔ２０）との温度差（ΔＴ）を示し、横軸に経時を示す。
かかる多層伝熱プレート１０は、チタン合金（α+β型）から成る厚さ０．２ｍｍのチタン板１２との間に炭素繊維（長繊維）から成るカーボンクロス１４ａが挟み込まれて積層されている。このカーボンクロス１４ａは４枚用いた。かかるチタン板１２とカーボンクロス１４ａとを積層する際には、チタン板１２とカーボンクロス１４ａとの間にチタン粉末（α+β型）を散布した。
図９（ａ）から明らかなように、チタンプレートよりも多層伝熱プレート１０の伝熱特性は改善されている。
【００１７】
同様にして、純チタンから成るチタン板１２とカーボンクロス又はカーボンシートとを用いた多層伝熱プレート、純チタンから成るチタンプレート及びアルミ合金から成るアルミプレートについての各々の温度分布データを図９（ｂ）に示す。
図９（ｂ）から明らかな様に、多層伝熱プレートのいずれも、チタンプレートに比較して、その伝熱特性が改善されている。特に、カーボンクロス１０枚を用いた多層伝熱プレートやカーボンシート８枚を用いた多層伝熱プレートでは、アルミニウムプレートに近い伝熱特性を呈することができる。
ところで、カーボンクロスを構成する炭素繊維は、その長手方向に炭素分子が配向されているため、炭素分子が配向されている炭素繊維の長手方向の熱伝導率が、炭素分子の配向方向に直交する炭素繊維の短手方向の熱伝導率よりも高い。従って、かかる炭素繊維から成るカーボンクロスでは、炭素繊維の長手方向と同一方向となるカーボンクロスの面内方向の熱伝導率が、炭素繊維の短手方向と同一方向となるカーボンクロスの厚さ方向よりも高くなる。
【００１８】
図１に示す多層伝熱プレート１０は、複数枚のチタン板１２，１２・・とカーボンシート１４ｂ，１４ｂ・・とを交互に積層し、両面にチタン板１２，１２が配設されている。かかる多層伝熱プレート１０のせん断強度について調査した。
調査に用いた多層伝熱プレートは、そのせん断強度を測定し易くするため、厚さ２ｍｍのチタン板１２，１２の間に厚さ０．２ｍｍのカーボンシート１４ｂを１枚挟んだ三層の積層体２０を、図５に示すパルス電流焼結装置を用い、圧力５０MPa、焼結温度９００℃、焼結時間5分の条件でパルス通電焼結を行って得たものである。せん断強度の測定は、得られた多層伝熱プレートから、幅１５ｍｍ、長さ１０ｍｍの試験片を切り出して行った。
かかるせん断強度の測定は、カーボンシート１４ｂに複数の直径２ｍｍの貫通孔１６，１６・・（カーボンシート１４ｂの全面積に対する貫通孔１６，１６・・の合計面積の割合が１２％となるように調整した）を形成し、貫通孔１６，１６・・の各々にチタン粉末を充填して得た多層伝熱プレートと、貫通孔１６，１６・・を形成しなかったカーボンシート１４ｂを用いた多層伝熱プレートとについて行った。
【００１９】
その結果、貫通孔１６，１６・・を形成しなかったカーボンシート１４ｂを用いた多層伝熱プレートのせん断強度は、７６〜９２kPaであった。これに対し、貫通孔１６，１６・・を形成したカーボンシート１４ｂを用いた多層伝熱プレートのせん断強度は、３４〜４１MPaと大幅に改善されていた。
但し、貫通孔１６，１６・・を形成しなかったカーボンシート１４ｂを用いた多層伝熱プレートのせん断強度であっても、実用的には使用できる水準である。
ところで、貫通孔６，１６・・の合計面積は、カーボンシート１４ｂの全面積に対して５〜２０％、特に１０〜１４％とすることが好ましい。貫通孔６，１６・・の合計面積がカーボンシート１４ｂの全面積に対して５％未満では、得られた多層伝熱プレートのせん断力を充分に向上することが困難となる傾向にある。他方、貫通孔６，１６・・の合計面積がカーボンシート１４ｂの全面積に対して２０％を超えると、カーボンシート１４ｂとチタン板１２，１２とを接合し難くなり、且つカーボンシート１４ｂの面内方向に炭素六角網平面構造が延出された結晶構造を有する面積が減少して面内方向の熱伝導率が低下し易くなる傾向にある。
【００２０】
以上、説明してきた多層伝熱プレート１０では、カーボンシート又はカーボンクロスに形成した複数の貫通孔に、チタン粉末を充填していたが、チタン粉末とカーボンナノチューブとを混合した混合粉を充填してもよい。かかるチタン粉末とカーボンナノチューブとは、パルス電流焼結法によって焼結する際に、チタンと炭素とが反応してチタン合金複合材が形成される。このため、得られた多層伝熱プレート１０の機械的強度や伝熱特性の向上が期待できる。
更に、このチタン粉末に代えて、チタン箔、チタンボール或いはチタン棒を用いることができる。また、カーボンシート又はカーボンクロスに形成した複数の貫通孔１６，１６・・に、チタン粉末を充填せずに、積層体２０の一軸加圧焼結法による焼結の際に、焼結温度をチタンの変態温度以上として、チタン板１２を塑性流動することによって貫通孔１６，１６・・にチタンを充填させてもよい。
図１に示す多層伝熱プレート１０では、その周面にカーボンシート１４ｂが露出しているが、多層伝熱プレート１０の耐腐食性を更に向上する際には、図１０（ａ）に示す様に、カーボンシート１４ｂが露出しないように、周面をチタンによって覆うことが好ましい。
図１０（ａ）に示す多層伝熱プレート１０は、図１０（ｂ）に示す様に、チタン板１２よりも小径のカーボンシート１４ｂを使用し、カーボンシート１４ｂの外周面に沿ってチタン粉末１８が充填された積層体２０を、図５に示すカーボン型３０内に挿入された電極３２，３２間に挟み込むことによって得ることができる。
尚、これまでは、多層伝熱プレート１０を、その一面側が加熱源に接続される加熱プレートとして説明してきたが、その一面側が冷却源に接続される冷却プレートとしても用いることができる。
【符号の説明】
【００２１】
１０ 多層伝熱プレート
１２ チタン板
１４ａ カーボンクロス
１４ｂ カーボンシート
１６ 貫通孔
１８ チタン粉末
２０ 積層体
３０ カーボン型
３２，３２ 電極
３４ 直流電源
４０ ホットプレート
４２ 柱状体
４４ サーモビュア
４５ 断熱材
【技術分野】
【０００１】
本発明は多層伝熱プレート及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造工程で基板の加熱処理や冷却処理に用いられている伝熱プレートとしては、通常、アルミニウムから成る伝熱プレートが用いられている。
しかし、半導体装置の製造工程では、アルミニウムを腐食する腐食性ガスが使用されたりするため、耐腐食性の伝熱プレートが要望されている。また、アルミニウムから成る伝熱プレートは、比強度が小さいためにプレートが厚くなり全体として重くなって、その軽量化も要請されている。
ところで、耐腐食性に優れた金属としては、チタンが好適である。また、チタンから成る伝熱プレートは、薄くしても強度を確保できるため、その軽量化も可能である。しかし、チタンから成る伝熱プレートは、アルミニウムから成る伝熱プレートに比較して、その熱伝導性が劣る。
このため、下記特許文献１では、図１１（ａ）に示す様に、チタン板１０２，１０２の間にアルミプレート１０４が挟まれている多層伝熱プレート１００が提案されている。
かかる多層伝熱プレート１００は、図１１（ｂ）に示す様に、その一面側に面状発熱体１１０が設けられている。この面状発熱体１１０は、電気絶縁被膜１０６とマイカ板１０８とに挟まれて、押え板１１２によって多層伝熱プレート１００と一体化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２８９３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１１に示す多層伝熱プレート１００は、その両面がチタン板１０２，１０２によって形成されており、アルミニウムを腐食する腐食性ガス中でも使用できる。また、多層伝熱プレート１００は、アルミニウムから成る伝熱プレートよりも薄くでき、軽量化を図ることもできる。
しかし、図１１に示す多層伝熱プレート１００では、温度斑が発生し易いことが判明した。
そこで、本発明は、温度斑が発生し易い、複数枚のチタン板の間にアルミプレートが挟まれている従来の多層伝熱プレートの課題を解消し、複数枚のチタン板を用いて耐腐食性が向上され、且つ均熱性に優れた多層伝熱プレートを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者等は、前記課題を解決すべく、図１２に示す様に、表面に露出する二枚のチタン板２０２ａ，２０２ａの間に複数枚のチタン板２０２ｂ，２０２ｂ・・を配設し、且つチタン板２０２ｂ，２０２ｂ・・の間に伝熱層２０４を介して積層した多層伝熱プレートについて、その伝熱特性についてコンピュータシュミレーションを試みた。
かかるコンピュータシュミレーションでは、温度２５℃の多層伝熱プレート２００に対し、その一面側の中央部表面に３００℃の加熱物体を押し当てたとき、他面側の中央部表面温度Taと周縁部表面温度Tbとの温度差の経時変化を検討した。
また、多層伝熱プレート２００は、厚さ５ｍｍ、直径５０ｍｍの多層伝熱プレート２００であって、伝熱層２０４，２０４・・が１０層（厚さ０．２５ｍｍ）積層されているものとした。
この多層伝熱プレート２００の両面を形成するチタン板２０２ａの厚さを０.５ｍｍ、内部のチタン板２０２ｂ、２０２ｂ・・の各厚さを０．１７ｍｍとし、チタンの熱伝導率１７W／(m・K)、比熱５２０J／(kg・K)、密度４５１０kg/m3とした。
ここで、伝熱層２０４，２０４・・として、熱伝導が厚さ方向及び面内方向ともに等しい熱伝導率が等方性のシート状部材と、熱伝導率が厚さ方向よりも面内方向が高い熱伝導率が異方性のシート状部材とを用いた。
具体的には、熱伝導率が等方性のシート状部材としては、アルミ板（熱伝導率２１０W／(m・K)、比熱９００J／(kg・K)、密度２６９８．９kg/m3）、銅板（熱伝導率３８５W／(m・K)、比熱３８５J／(kg・K)、密度８９００kg/m3）を用いた。
また、熱伝導率が異方性のシート状部材としては、シート状のカーボン部材１［熱伝導率４００W／(m・K)（面内方向）、熱伝導率３．５W／(m・K)（厚さ方向）、比熱８５０J／(kg・K)、密度２０００kg/m3］、シート状のカーボン部材２［熱伝導率１４０W／(m・K)（面内方向）、熱伝導率５W／(m・K)（厚さ方向）、比熱８５０J／(kg・K)、密度２０００kg/m3］を用いた。
これらのシート部材を用いたコンピュータシュミレーションの結果を、図１３に示す。
【０００６】
図１３から明らかな様に、伝熱層２０４，２０４・・として、熱伝導率が等方性のアルミ板を用いた場合よりも、熱伝導率が厚さ方向よりも面内方向が高い熱伝導率が異方性のシート状のカーボン部材２を用いることによって、多層伝熱プレート２００の均熱性が向上されること、及びシート状のカーボン部材１を用いることによって、銅板を用いた場合よりも、多層伝熱プレート２００の均熱性が向上されることが判明した。
本発明者等は、熱伝導率が厚さ方向よりも面内方向が良好なシート状のカーボン部材としては、炭素繊維から成るカーボンクロス又は面内方向に炭素六角網平面構造が延出された結晶構造を有するカーボンシートが好適であることを知った。
すなわち、本発明者等は、前記課題を解決する手段として、両面がチタン板によって形成されるように、複数枚のチタン板が伝熱層を挟んで積層されて一体化され、前記両面の一面側に加熱源又は冷却源に接続される加熱プレート又は冷却プレートに用いられる多層伝熱プレートであって、前記伝熱層が、厚さ方向よりも面内方向の熱伝導率が高いシート状のカーボン部材によって形成されている多層伝熱プレートを提供できる。
また、本発明者等は、前記課題を解決する手段として、複数枚のチタン板を、厚さ方向よりも面内方向の熱伝導率が高いシート状のカーボン部材を挟んで積層して、両面にチタン板を配設した積層体を得た後、前記積層体を、その側面を拘束した状態で且つ両面のチタン板を挟み込むように加圧して焼結する一軸加圧焼結法によって一体化する多層伝熱プレートの製造方法を提供できる。
【０００７】
かかる多層伝熱プレート及びその製造方法において、シート状のカーボン部材とチタン板とを、その境界面に形成した炭素とチタンとの反応層によって接合することによって、シート状のカーボン部材とチタン板とを強固に接合できる。この反応層は、シート状のカーボン部材を挟んで複数枚のチタン板を積層した積層体を、一軸加圧焼結法によって一体化するときに形成できる。
また、複数の貫通孔を形成したシート状のカーボン部材を用い、前記貫通孔の各々に、前記シート状のカーボン部材と当接するチタン板と接続するようにチタンを充填することによって、多層伝熱プレートのせん断強度を向上できる。
この様に、せん断強度が向上された多層伝熱プレートは、シート状のカーボン部材として、複数の貫通孔を形成したシート状のカーボン部材を用い、積層体を形成する前記シート状のカーボン部材の貫通孔の各々にチタン粉末を充填して一軸加圧焼結法によって一体化することによって得ることができる。
或いは、せん断強度が向上された多層伝熱プレートは、シート状のカーボン部材として、複数の貫通孔を形成したシート状のカーボン部材を用い、前記シート状のカーボン部材の貫通孔の各々にチタン粉末を充填することなく積層体を一軸加圧焼結法によって焼結する際に、焼結温度をチタンの変態温度以上とし、チタン板を塑性流動化して前記貫通孔を充填することによっても得ることができる。
更に、シート状のカーボン部材として、チタン板よりも小面積のシート状のカーボン部材を用い、多層伝熱プレートの周面をチタンによって覆うことによって、多層伝熱プレートの耐腐食性を更に向上できる。
この様に、周面がチタンによって覆われている多層伝熱プレートは、シート状のカーボン部材として、チタン板よりも小面積のシート状のカーボン部材を用い、前記シート状のカーボン部材の外周面に沿ってチタン粉末を充填した積層体を、一軸加圧焼結法によって一体化することによって得ることができる。
尚、シート状のカーボン部材として、炭素繊維から成るカーボンクロス又は面内方向に炭素六角網平面構造が延出された結晶構造を有するカーボンシートを好適に用いることができる。
【発明の効果】
【０００８】
一般に、伝熱プレートでは、加熱処理や冷却処理に供される基板等が載置される載置面となる一面側及びこの一面側に対して反対側面となる他面側は、伝熱プレートの厚さよりも遥かに幅広である。このため、伝熱プレートの他面側の中央部近傍が加熱された場合、伝熱プレートの一面側の中央部近傍の温度は、熱が短時間で伝熱されて昇温されるものの、伝熱プレートの一面側の周縁部近傍に熱が伝熱されて昇温されるまでに時間が掛り、伝熱プレートの中央部近傍と周縁部近傍とに温度差が解消されるまで時間が掛る。
この点、本発明者等が提案した多層伝熱プレートでは、厚さ方向よりも面内方向の熱伝導率が高い熱伝導率が異方性のシート状のカーボン部材を伝熱層に用いている。このため、多層伝熱プレートの他面側の中央部近傍に加えられた熱は、伝熱層によって迅速に周縁部近傍に伝熱され、多層伝熱プレートの一面側においても、その中央部近傍と周縁部近傍との温度差が迅速に解消される結果、多層伝熱プレートの均熱性を向上できる。
尚、伝熱層及びチタン板の各々の厚さは、その面内方向に比較して著しく薄いため、伝熱層及びチタン板の各々の厚さ方向の伝熱も良好である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明者等が提案した多層伝熱プレート１０の斜視図及び断面図を示す。
【図２】図１に用いるカーボンシート１４ｂの結晶構造を説明する説明図である。
【図３】図１に示す多層伝熱プレート１０のチタン板１２とカーボンシート１４ｂとの境界の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。
【図４】図１に示す多層伝熱プレート１０の製造方法を説明する工程図である。
【図５】多層伝熱プレート１０の製造に用いるパルス電流焼結装置の概略を示す概略図である。
【図６】得られた多層伝熱プレート１０の温度分布を測定する測定装置の概略を示す概略図である。
【図７】多層伝熱プレート１０の温度分布状態の経時変化をサーモビュアで測定した結果を示すサーモビュア写真である。
【図８】図７に示すサーモビュア写真に基づいて多層伝熱プレート１０の温度分布の経時変化をグラフ化したグラフである。
【図９】チタン合金又は純チタンから成るチタン板を用いた多層伝熱プレート１０の中央部と周縁部との温度差の経時変化を示すグラフである。
【図１０】多層伝熱プレート１０の他の態様を説明するための断面図である。
【図１１】従来の多層伝熱プレート１００の使用状態を示す斜視図及び断面図である。
【図１２】コンピュータシュミレーションに用いた多層伝熱プレートを説明する断面図である。
【図１３】コンピュータシュミレーションの結果を示す多層伝熱プレートの中央部と周縁部との温度差の経時変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明者等が提案した多層伝熱プレートの一例を図１に示す。図１（ａ）に示す様に、多層伝熱プレート１０は、円盤状のプレートであって、厚さよりも直径が著しく大きい。
かかる多層伝熱プレート１０の縦断面形状を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）から明らかな様に、多層伝熱プレート１０は、複数枚の純チタン又はチタン合金から成るチタン板１２，１２・・の間に伝熱層としてのカーボンシート１４ｂが配設されて一体化されている。
このカーボンシート１４ｂは、図２に示す様に、面内方向に炭素六角網平面構造が延出された結晶構造を有している。かかる結晶構造を有するカーボンシート１４ｂでは、炭素六角網平面構造が延出されている面内方向の熱伝導率が、炭素六角網平面構造の延出方向に対して直交する厚さ方向の熱伝導率よりも高いものとなる。
この様なカーボンシート１４ｂは、例えば高分子フィルムを熱分解によりグラファイト化することによって得ることができる。或いは、黒鉛を粉砕後、発泡工程で重なったグラファイト結晶をほぐし、圧延工程でシート状に製膜することによっても、カーボンシート１４ｂを得ることができる。
このカーボンシート１４ｂには、貫通孔１６，１６・・が形成されており、貫通孔１６，１６・・には、上下のチタン板１２，１２と接続するチタンが充填されている。
図１に示す多層伝熱プレート１０では、チタン板１２とカーボンシート１４ｂとの界面に、図３に示す様に、チタンと炭素との反応層が形成されている。かかる反応層では、チタンカーバイト（ＴｉＣ）が形成されているものと考えられる。
【００１１】
図１〜図３に示す多層伝熱プレート１０を製造する際には、図４（ａ）に示す様に、複数枚のチタン板１２，１２・・を、黒鉛をシート状に加工し、複数個の貫通孔１６，１６・・を形成したカーボンシート１４ｂを挟んで積層し、図４（ｂ）に示す様に、両面にチタン板１２，１２を配設した積層体２０を得る。この積層体２０には、カーボンシート１４ｂに形成した貫通孔１６，１６・・には、純チタン又はチタン合金から成るチタン粉末を充填する。
次いで、積層体２０を一軸加圧焼結法によって一体化する。この一軸加圧焼結法は、積層体２０の側面を拘束し且つ両面のチタン板１２，１２を挟み込むように加圧して焼結する方法である。かかる一軸加圧焼結法としては、パルス通電焼結法を挙げることができる。
このパルス通電焼結法では、図５に示す様に、カーボン型３０内に挿入された電極３２，３２間に挟み込まれた積層体２０を、その側面をカーボン型３０によって拘束した状態で、両面に配設されたチタン板１２，１２が電極３２，３２によって挟み込まれるように所定圧力を加えつつ、直流電源３４から電極３２，３２にパルス電流を印加して加熱焼結を施す。
【００１２】
このパルス通電焼結法では、圧力を３０MPa以上とし、焼結温度をチタンの六方最密充填構造から体心立方構造に変態する温度以上（好ましくは１０００℃以下）とすることによって、チタン板１２，１２・・やチタン粉末が軟化して、積層体２０を一体化できる。
或いは、焼結温度を純チタン又はチタン合金の融点の絶対温度の０．４〜０．６倍程度の温度とすることによっても、積層体２０を拡散接合によって一体化できる。
かかる焼結温度に到達するまでは、直流電源３４から加える電流値を調整して徐々に昇温することが好ましい。また、この焼結温度での保持時間は、５〜１０分間程度とすることが好ましい。この際のパルス電流としては、直流電源３４の周波数を３００Hz、ON/OFF比を１２／２とした。この様に、所定の焼結温度で所定時間保持した後、冷却した。
尚、一軸加圧焼結法である限り、パルス通電焼結法に代えてホットプレス法を採用してもよい。
【００１３】
パルス通電焼結法によって得られた多層伝熱プレート１０について、図６に示す方法によって伝熱特性を調査した。図６に示す方法では、加熱源としてのホットプレート４０上に銅製の柱状体４２を設置し、柱状体４２が所定温度（３１１℃）に到達したとき、柱状体４２の上面が多層伝熱プレート１０の一面側の中央部に当接するように載置する。この多層伝熱プレート１０とホットプレート４０との間には、断熱材４５を載置し、ホットプレート４０からの輻射熱の影響を除いている。
【００１４】
この様にして、一面側の中央部近傍が加熱される多層伝熱プレート１０の他面側をサーモビュア４４で観察して、その温度分布の経時変化を測定した。
また、多層伝熱プレート１０に代えて、純チタンから成るチタンプレートやアルミニウム合金から成るアルミプレートについても、同様にして温度分布の経時変化を観察して、その結果を図７に示す。
更に、サーモビュア４４の結果に基づいて、各プレートの温度分布の経時変化をグラフ化したものを図８に示す。
図７及び図８に示す多層伝熱プレート１０は、厚さ０．２ｍｍのチタン板１２，１２の間に厚さ０．２ｍｍのカーボンシート１４ｂを交互に挟み込んで形成し、両面にチタン板１２，１２を配設すると共に、カーボンシート１４ｂは８枚使用した。このカーボンシート１４ｂには、多数個の貫通孔１６，１６・・が形成されており、チタン板１２と積層する際に、チタン粉末（純チタン）を充填した。
尚、パルス電流焼結では、圧力５０MPa、焼結温度９００℃、焼結時間５分とした。
【００１５】
図７及び図８から明らかな様に、チタンプレート（図７及び図８では「Ｔｉ」と示す）では、１８０秒経過しても依然として中央部の温度が周縁部の温度よりも高い。これに対して、多層伝熱プレート及びアルミプレートでは、６０秒経過後には、ほぼ均一温度に加熱されている。
この様に、チタン板１２とカーボンシート１４ｂとが交互に積層された多層伝熱プレート１０は、アルミ合金から成るアルミプレートに近似した伝熱特定を呈することができる。
【００１６】
多層伝熱プレート１０として、チタン合金（α+β型）から成る厚さ０．２ｍｍのチタン板１２と炭素繊維から成るカーボンクロス１４ａとから成る多層伝熱プレート１０と、チタン合金（α+β型）から成るチタンプレートとの温度分布データを図９（ａ）に示す。図９（ａ）は、縦軸に多層伝熱プレートの中央部の温度（Ｔ０）と中心から２０ｍｍ離れた個所の温度（Ｔ２０）との温度差（ΔＴ）を示し、横軸に経時を示す。
かかる多層伝熱プレート１０は、チタン合金（α+β型）から成る厚さ０．２ｍｍのチタン板１２との間に炭素繊維（長繊維）から成るカーボンクロス１４ａが挟み込まれて積層されている。このカーボンクロス１４ａは４枚用いた。かかるチタン板１２とカーボンクロス１４ａとを積層する際には、チタン板１２とカーボンクロス１４ａとの間にチタン粉末（α+β型）を散布した。
図９（ａ）から明らかなように、チタンプレートよりも多層伝熱プレート１０の伝熱特性は改善されている。
【００１７】
同様にして、純チタンから成るチタン板１２とカーボンクロス又はカーボンシートとを用いた多層伝熱プレート、純チタンから成るチタンプレート及びアルミ合金から成るアルミプレートについての各々の温度分布データを図９（ｂ）に示す。
図９（ｂ）から明らかな様に、多層伝熱プレートのいずれも、チタンプレートに比較して、その伝熱特性が改善されている。特に、カーボンクロス１０枚を用いた多層伝熱プレートやカーボンシート８枚を用いた多層伝熱プレートでは、アルミニウムプレートに近い伝熱特性を呈することができる。
ところで、カーボンクロスを構成する炭素繊維は、その長手方向に炭素分子が配向されているため、炭素分子が配向されている炭素繊維の長手方向の熱伝導率が、炭素分子の配向方向に直交する炭素繊維の短手方向の熱伝導率よりも高い。従って、かかる炭素繊維から成るカーボンクロスでは、炭素繊維の長手方向と同一方向となるカーボンクロスの面内方向の熱伝導率が、炭素繊維の短手方向と同一方向となるカーボンクロスの厚さ方向よりも高くなる。
【００１８】
図１に示す多層伝熱プレート１０は、複数枚のチタン板１２，１２・・とカーボンシート１４ｂ，１４ｂ・・とを交互に積層し、両面にチタン板１２，１２が配設されている。かかる多層伝熱プレート１０のせん断強度について調査した。
調査に用いた多層伝熱プレートは、そのせん断強度を測定し易くするため、厚さ２ｍｍのチタン板１２，１２の間に厚さ０．２ｍｍのカーボンシート１４ｂを１枚挟んだ三層の積層体２０を、図５に示すパルス電流焼結装置を用い、圧力５０MPa、焼結温度９００℃、焼結時間5分の条件でパルス通電焼結を行って得たものである。せん断強度の測定は、得られた多層伝熱プレートから、幅１５ｍｍ、長さ１０ｍｍの試験片を切り出して行った。
かかるせん断強度の測定は、カーボンシート１４ｂに複数の直径２ｍｍの貫通孔１６，１６・・（カーボンシート１４ｂの全面積に対する貫通孔１６，１６・・の合計面積の割合が１２％となるように調整した）を形成し、貫通孔１６，１６・・の各々にチタン粉末を充填して得た多層伝熱プレートと、貫通孔１６，１６・・を形成しなかったカーボンシート１４ｂを用いた多層伝熱プレートとについて行った。
【００１９】
その結果、貫通孔１６，１６・・を形成しなかったカーボンシート１４ｂを用いた多層伝熱プレートのせん断強度は、７６〜９２kPaであった。これに対し、貫通孔１６，１６・・を形成したカーボンシート１４ｂを用いた多層伝熱プレートのせん断強度は、３４〜４１MPaと大幅に改善されていた。
但し、貫通孔１６，１６・・を形成しなかったカーボンシート１４ｂを用いた多層伝熱プレートのせん断強度であっても、実用的には使用できる水準である。
ところで、貫通孔６，１６・・の合計面積は、カーボンシート１４ｂの全面積に対して５〜２０％、特に１０〜１４％とすることが好ましい。貫通孔６，１６・・の合計面積がカーボンシート１４ｂの全面積に対して５％未満では、得られた多層伝熱プレートのせん断力を充分に向上することが困難となる傾向にある。他方、貫通孔６，１６・・の合計面積がカーボンシート１４ｂの全面積に対して２０％を超えると、カーボンシート１４ｂとチタン板１２，１２とを接合し難くなり、且つカーボンシート１４ｂの面内方向に炭素六角網平面構造が延出された結晶構造を有する面積が減少して面内方向の熱伝導率が低下し易くなる傾向にある。
【００２０】
以上、説明してきた多層伝熱プレート１０では、カーボンシート又はカーボンクロスに形成した複数の貫通孔に、チタン粉末を充填していたが、チタン粉末とカーボンナノチューブとを混合した混合粉を充填してもよい。かかるチタン粉末とカーボンナノチューブとは、パルス電流焼結法によって焼結する際に、チタンと炭素とが反応してチタン合金複合材が形成される。このため、得られた多層伝熱プレート１０の機械的強度や伝熱特性の向上が期待できる。
更に、このチタン粉末に代えて、チタン箔、チタンボール或いはチタン棒を用いることができる。また、カーボンシート又はカーボンクロスに形成した複数の貫通孔１６，１６・・に、チタン粉末を充填せずに、積層体２０の一軸加圧焼結法による焼結の際に、焼結温度をチタンの変態温度以上として、チタン板１２を塑性流動することによって貫通孔１６，１６・・にチタンを充填させてもよい。
図１に示す多層伝熱プレート１０では、その周面にカーボンシート１４ｂが露出しているが、多層伝熱プレート１０の耐腐食性を更に向上する際には、図１０（ａ）に示す様に、カーボンシート１４ｂが露出しないように、周面をチタンによって覆うことが好ましい。
図１０（ａ）に示す多層伝熱プレート１０は、図１０（ｂ）に示す様に、チタン板１２よりも小径のカーボンシート１４ｂを使用し、カーボンシート１４ｂの外周面に沿ってチタン粉末１８が充填された積層体２０を、図５に示すカーボン型３０内に挿入された電極３２，３２間に挟み込むことによって得ることができる。
尚、これまでは、多層伝熱プレート１０を、その一面側が加熱源に接続される加熱プレートとして説明してきたが、その一面側が冷却源に接続される冷却プレートとしても用いることができる。
【符号の説明】
【００２１】
１０ 多層伝熱プレート
１２ チタン板
１４ａ カーボンクロス
１４ｂ カーボンシート
１６ 貫通孔
１８ チタン粉末
２０ 積層体
３０ カーボン型
３２，３２ 電極
３４ 直流電源
４０ ホットプレート
４２ 柱状体
４４ サーモビュア
４５ 断熱材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面がチタン板によって形成されるように、複数枚のチタン板が伝熱層を挟んで積層されて一体化され、前記両面の一面側に加熱源又は冷却源に接続される加熱プレート又は冷却プレートに用いられる多層伝熱プレートであって、
前記伝熱層が、厚さ方向よりも面内方向の熱伝導率が高いシート状のカーボン部材によって形成されていることを特徴とする多層伝熱プレート。
【請求項２】
シート状のカーボン部材とチタン板とが、その境界面に形成された炭素とチタンとの反応層によって接合されている請求項１記載の多層伝熱プレート。
【請求項３】
シート状のカーボン部材が、複数の貫通孔が形成されたシート状のカーボン部材であって、前記貫通孔の各々には、前記シート状のカーボン部材と当接するチタン板と接続されるようにチタンが充填されている請求項１又は請求項２記載の多層伝熱プレート。
【請求項４】
シート状のカーボン部材として、チタン板よりも小面積のシート状のカーボン部材が用いられ、多層伝熱プレートの周面がチタンによって覆われている請求項１〜３のいずれか一項記載の多層伝熱プレート。
【請求項５】
シート状のカーボン部材が、炭素繊維から成るカーボンクロス又は面内方向に炭素六角網平面構造が延出された結晶構造を有するカーボンシートである請求項１〜４のいずれか一項記載の多層伝熱プレート。
【請求項６】
複数枚のチタン板を、厚さ方向よりも面内方向の熱伝導率が高いシート状のカーボン部材を挟んで積層して、両面にチタン板を配設した積層体を得た後、
前記積層体を、その側面を拘束した状態で且つ両面のチタン板を挟み込むように加圧して焼結する一軸加圧焼結法によって一体化することを特徴とする多層伝熱プレートの製造方法。
【請求項７】
一軸加圧焼結法によって、シート状のカーボン部材とチタン板との境界にチタンと炭素との反応層を形成する請求項６記載の多層伝熱プレートの製造方法。
【請求項８】
シート状のカーボン部材として、複数の貫通孔を形成したシート状のカーボン部材を用い、積層体を形成する前記シート状のカーボン部材の貫通孔の各々にチタン粉末を充填する請求項６又は請求項７記載の多層伝熱プレートの製造方法。
【請求項９】
シート状のカーボン部材として、複数の貫通孔を形成したシート状のカーボン部材を用い、前記シート状のカーボン部材の貫通孔の各々にチタン粉末を充填することなく積層体を一軸加圧焼結法によって焼結する際に、焼結温度をチタンの変態温度以上とし、チタン板を塑性流動化して前記貫通孔を充填する請求項６又は請求項７記載の多層伝熱プレートの製造方法。
【請求項１０】
シート状のカーボン部材として、チタン板よりも小面積のシート状のカーボン部材を用い、多層伝熱プレートの周面をチタンによって覆うべく、前記シート状のカーボン部材の外周面に沿ってチタン粉末を充填して得た積層体を、一軸加圧焼結法によって一体化する請求項６〜９のいずれか一項記載の多層伝熱プレートの製造方法。
【請求項１１】
シート状のカーボン部材として、炭素繊維から成るカーボンクロス又は面内方向に炭素六角網平面構造が延出された結晶構造を有するカーボンシートを用いる請求項９〜１０のいずれか一項記載の多層伝熱プレートの製造方法。
【請求項１】
両面がチタン板によって形成されるように、複数枚のチタン板が伝熱層を挟んで積層されて一体化され、前記両面の一面側に加熱源又は冷却源に接続される加熱プレート又は冷却プレートに用いられる多層伝熱プレートであって、
前記伝熱層が、厚さ方向よりも面内方向の熱伝導率が高いシート状のカーボン部材によって形成されていることを特徴とする多層伝熱プレート。
【請求項２】
シート状のカーボン部材とチタン板とが、その境界面に形成された炭素とチタンとの反応層によって接合されている請求項１記載の多層伝熱プレート。
【請求項３】
シート状のカーボン部材が、複数の貫通孔が形成されたシート状のカーボン部材であって、前記貫通孔の各々には、前記シート状のカーボン部材と当接するチタン板と接続されるようにチタンが充填されている請求項１又は請求項２記載の多層伝熱プレート。
【請求項４】
シート状のカーボン部材として、チタン板よりも小面積のシート状のカーボン部材が用いられ、多層伝熱プレートの周面がチタンによって覆われている請求項１〜３のいずれか一項記載の多層伝熱プレート。
【請求項５】
シート状のカーボン部材が、炭素繊維から成るカーボンクロス又は面内方向に炭素六角網平面構造が延出された結晶構造を有するカーボンシートである請求項１〜４のいずれか一項記載の多層伝熱プレート。
【請求項６】
複数枚のチタン板を、厚さ方向よりも面内方向の熱伝導率が高いシート状のカーボン部材を挟んで積層して、両面にチタン板を配設した積層体を得た後、
前記積層体を、その側面を拘束した状態で且つ両面のチタン板を挟み込むように加圧して焼結する一軸加圧焼結法によって一体化することを特徴とする多層伝熱プレートの製造方法。
【請求項７】
一軸加圧焼結法によって、シート状のカーボン部材とチタン板との境界にチタンと炭素との反応層を形成する請求項６記載の多層伝熱プレートの製造方法。
【請求項８】
シート状のカーボン部材として、複数の貫通孔を形成したシート状のカーボン部材を用い、積層体を形成する前記シート状のカーボン部材の貫通孔の各々にチタン粉末を充填する請求項６又は請求項７記載の多層伝熱プレートの製造方法。
【請求項９】
シート状のカーボン部材として、複数の貫通孔を形成したシート状のカーボン部材を用い、前記シート状のカーボン部材の貫通孔の各々にチタン粉末を充填することなく積層体を一軸加圧焼結法によって焼結する際に、焼結温度をチタンの変態温度以上とし、チタン板を塑性流動化して前記貫通孔を充填する請求項６又は請求項７記載の多層伝熱プレートの製造方法。
【請求項１０】
シート状のカーボン部材として、チタン板よりも小面積のシート状のカーボン部材を用い、多層伝熱プレートの周面をチタンによって覆うべく、前記シート状のカーボン部材の外周面に沿ってチタン粉末を充填して得た積層体を、一軸加圧焼結法によって一体化する請求項６〜９のいずれか一項記載の多層伝熱プレートの製造方法。
【請求項１１】
シート状のカーボン部材として、炭素繊維から成るカーボンクロス又は面内方向に炭素六角網平面構造が延出された結晶構造を有するカーボンシートを用いる請求項９〜１０のいずれか一項記載の多層伝熱プレートの製造方法。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図３】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図３】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−２５６４５（Ｐ２０１１−２５６４５Ａ）
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７６５５１（Ｐ２００９−１７６５５１）
【出願日】平成２１年７月２９日（２００９．７．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、文部科学省、地域科学技術振興事業委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９１００１６１９）長野県 (64)
【出願人】（３９０００８４９７）日本電熱株式会社 (32)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２９日（２００９．７．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、文部科学省、地域科学技術振興事業委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９１００１６１９）長野県 (64)
【出願人】（３９０００８４９７）日本電熱株式会社 (32)
【Ｆターム（参考）】
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