JP2009115448A - ヒートプレートおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属または合金からなる基板2と、この基板2の表面3に沿って形成され且つ平面視で蛇行状を呈し、上記基板2の表面3寄りで且つ開口部の両側に位置する一対の段部8、および係る一対の段部8,8間に位置し且つこれらの段部8よりも深い位置に形成される熱媒体用流路7からなる凹溝6と、金属または合金からなり、上記凹溝6の熱媒体用流路7を閉塞し、且つ基板2の表面3と上記段部8ごととの間に摩擦攪拌接合による接合部Sを介して上記基板2に接合される蓋板5bと、を含み、該蓋板5bは、一対の段部8,8間に挿入されて凹溝6の開口部を閉鎖し、底面に熱媒体用流路7内の上部に進入する圧肉部5cを一体に有する断面ほぼ逆ハット形を呈する、ヒートプレート1。
【選択図】 図16
Description
更に、従来のヒートプレートや特許文献1のヒートプレートでは、一対の板材を溶接または鍛圧圧縮により接合しているため、冷却媒体流路でない位置にも一対の板材が位置している。このため、ヒートプレートが厚肉で且つ重量が嵩む、という問題もあった。
即ち、本発明のヒートプレート(請求項1)は、金属または合金からなる基板と、係る基板の表面に沿って形成され、直線部および屈曲部の少なくとも一方からなり、上記基板の表面寄りで且つ開口部の両側に位置する一対の段部、および係る一対の段部間に位置し且つこれらの段部よりも深い位置に形成される熱媒体用流路からなる凹溝と、金属または合金からなり、上記凹溝の熱媒体用流路を閉塞し、且つ上記一対の段部間に摩擦攪拌接合による接合部を介して上記基板に接合される蓋板と、を含むヒートプレートであって、上記蓋板は、上記一対の段部間に挿入されて凹溝の開口部を閉鎖すると共に、底面に上記熱媒体用流路内の上部に進入する圧肉部を一体に有する断面ほぼ逆ハット形を呈するか、あるいは、底面から上記熱媒体用流路の両側壁に沿って垂下する一対の平行な凸条を一体に有する断面ほぼゲタ形状を呈するものである、ことを特徴とする。
しかも、凹溝は、前記一対の段部と熱媒体用流路からなるため、係る熱媒体用流路を挟んだ一対の段部間に蓋板を容易に配置でき、且つ表面が平坦な熱交換面を形成し易くなる。更に、摩擦攪拌接合による接合部が、蓋板の底面から垂下する前記圧肉部あるいは一対の前記凸部により、熱媒体流路から離れたものとなっているため、熱媒体流路の断面積を設定通りに確保することも容易となる。
従って、例えば半導体製造装置において真空中での冷却用に用いる場合、ガス漏れなどの不具合を解消できると共に、少ない素材と工数により安価に製作することも可能となる。
また、基板や蓋板の材質には、合金基板や蓋板の金属または合金と摩擦攪拌接合が可能なアルミニウム、鋼材、ステンレス鋼、チタン合金などの同種金属または異種金属も含まれる。
更に、蓋板は、凹溝における一対の段部間または熱媒体流路の対向する一対の側壁間に、厚肉部を有する断面逆ハット形や、係る一対の側壁間などに沿って短く垂下する凸条を有する断面ゲタ形の形態からなる。係る断面逆ハット形や断面ゲタ形の蓋板を用いることにより、摩擦攪拌接合時において、凹溝の幅方向におけるずれを容易に防止することができる。
加えて、前記熱媒体には、冷却媒体と加熱媒体の双方が含まれる。
従って、少ない素材と工数により、ガス漏れなどの不具合を生じにくいヒートプレートを確実且つ安価に提供することが可能となる。
これによれば、少ない工数によって凹溝の開口部を迅速に密封したヒートプレートを製造できるため、ガス漏れなどの不具合を生じにくいヒートプレートを効率良く且つ一層安価に提供することが可能となる。
更に、本発明には、前記接合工程に用いる摩擦接合ツールにおける攪拌ピンの移動軌跡の終端は、前記凹溝中の熱媒体流路の真上から離れた前記基板上に位置する、ヒートプレートの製造方法(請求項4)も含まれる。
これによれば、攪拌ピンの終端が熱媒体流路の位置から確実に外れるため、終端に形成される攪拌ピンの凹んだ抜け跡が熱媒体流路に接近または連通する事態を防止でき、信頼性を高められる。
これによれば、前記摩擦攪拌接合する工程において、攪拌ピンの位置決めが容易になると共に、健全な接合部を確実に形成することができる。更に、位置ずれや熱媒体流路の断面積を小さく変形させるなどの接合部不良を確実に予防することもでき、歩留まりと生産性の向上を図ることも可能となる。
図1は、本発明の前提となる参考形態のヒートプレート1の平面図、図2は、図1中のB−B線の矢視に沿った垂直断面図、図3は、図2中の一点鎖線部分Cの拡大図である。
ヒートプレート1は、図1,図2に示すように、厚さが約30mmのアルミニウム合金からなる平坦な基板2と、係る基板2の表面3に沿って平面視で直線部および屈曲部を含む蛇行形状に形成された凹溝6と、係る凹溝6の開口部を閉塞し且つ密封する蓋板5と、を含む。
基板2は、例えばJIS:A6061−T5のアルミニウム合金からなり、その表面3に沿って、エンドミルによる座ぐり加工を施すことにより、直線部と曲線部とを交互に有する凹溝6を形成している。図3に拡大して示すように、凹溝6は、基板2の表面3寄りで且つ当該凹溝6の開口部の両側に対称に位置する一対の段部8,8と、係る段部8,8間に位置し且つこれらよりも深い位置で且つ基板2の裏面4寄りに形成される断面角形の熱媒体流路7とからなる。
因みに、凹溝6における開口部の幅は約30mm、段部8の幅と深さはそれぞれ5mmずつ、熱媒体流路7の幅と深さはそれぞれ20mmずつのサイズであり、蓋板5の幅は約30mm弱で、且つ厚みは5mmである。
図4に示すように、基板2の表面3に沿って、前述した蛇行形状の凹溝6を、例えばエンドミルまたはフライスによる切削加工にて形成する工程を行う。この際、大径および小径の2種類のエンドミルを順次使用して切削加工する方法の他に、刃先を有する先端部が断面逆ハット形の1種類エンドミルを用いて、連続して切削する方法により、段部8,8および熱媒体流路7からなる凹溝6を1パスで形成しても良い。図4に示すように、熱媒体流路7は、底面7bと一対の側壁7a,7aとに囲まれ、各段部8は底面8bと縦壁8aとを有する。
次に、図5に示すように、凹溝6の段部8,8間に跨って蓋板5を載置し、当該凹溝6の開口部を閉鎖する工程を行う。
係るツール10のツール本体11の底面12には、図8,図9に示すように、その周縁において底面視が円形のリング状凸部13が垂下し、その内側には断面ほぼ三角形のリング溝(外側メタル溜まり溝)14が形成されている。
係るツール10は、100〜1500rpmで高速回転しつつ、図7中の矢印で示すように、0.05〜2m/分の移動速度で右方向に移動される。この際、ツール本体11および攪拌ピン17は、数kN〜30kNの押圧力(押込み力)を軸心方向に伴っている。また、図6,図7に示すように、その底面12が基板2の表面3と蓋板5の表面に接するように、ツール本体11を垂直姿勢にして回転および移動される。尚、攪拌ピン17先端の先端面18は、段部8の縦壁8aと底面8bとのコーナーよりもやや高い部位に位置している。
更に、上記メタルの一部は、リング溝(外側メタル溜まり部)14内に入った後、基板2などの表面3側に段階的に拡がって固化する。このため、突き合わせ面9に沿って、バリの少ない表面の接合部Sを形成することができる。
以上のような接合部Sは、前記図1に示したように、蛇行形状の蓋板5の全周縁に沿って連続して、即ち1パスで施される。これにより、表面3に沿って蛇行する熱媒体流路7が密封された前記ヒートプレート1を得ることができる。尚、図6中の符号19は、次述する攪拌ピン17の外周端を示す。
また、幅が29.8mmで且つ厚さが5mmの上記と同じアルミニウム合金からなる複数の蓋板5を上記各凹溝6の段部8,8間に個別に挿入・載置し、図10に示すように、当該凹溝6の開口部を閉塞した後、係る状態で基板2および蓋板5を図示しない治具により拘束した。
この際、ツール本体11および攪拌ピン17の回転数は900rpm、突き合わせ面9に沿った移動速度は0.3m/分、攪拌ピン17の軸心方向に沿った押込み力は1kN、接合(移動)長さは200mmとして全て共通とした。
尚、図11のグラフ中で、○印は内部欠陥がなく接合位置も適正であった接合部Sを、△印は欠陥はないが位置ずれぎみであった接合部Sを、×印は位置ずれによる内部欠陥が生じ且つ熱媒体流路7の断面が狭くなった接合部Sを示す。
図11のグラフによれば、各例において、攪拌ピン17の先端面18における凹溝6寄りの外周端19が、図11のグラフ中のカーブKの左側にある場合(実施例)は、接合部Sは○印または△印となり、上記カーブKよりも右側また下側に位置する場合(比較例)は、×印となった。
以上の各実施例から摩擦攪拌接合の工程を適正な範囲で行うことにより、基板2の表面3に沿って凹溝6の熱媒体流路7を厳正に密封した本発明のヒートプレート1を確実に製造することが可能となる。
係るツール10は、基板2の表面3における左下側のスタート点(S始)から、図12中の実線で示す矢印に沿って、蓋板5およびこれに覆われた凹溝6の段部8に沿った蛇行形状の経路(往路:S往)を移動し、基板2の表面3における右上隅付近の折り返し部TPを経て、図12中の破線で示す矢印に沿って、同様に蛇行形状の経路(復路:S復)を移動する。これにより、蓋板5はその全周縁を接合部Sを介して基板2に接合される。
以上のような長い移動経路に沿って、前記ツール10を回転しつつ移動する1パス(一筆書き)により摩擦攪拌接合することにより、ヒートプレート1a(1)を効率よく製造することができる。しかも、蓋板5により覆われた凹溝6の熱媒体流路7は、前記ツール10の移動軌跡の終端(S終)から離れているので、攪拌ピン14の抜け跡の凹みに影響されず、十分な気密性をもって密封される。従って、薄肉且つ軽量であり、信頼性の高いヒートプレート1aを安価に提供し得る。
係るヒートプレート1bを得るため、前記摩擦接合ツール10の攪拌ピン17を、図15に示すように、基板2bの右下隅寄りのスタート点(S始)の位置から挿入し、内周側の接合部S1を、図14,図15中の実線の矢印で示すように、蓋板5aの内周に沿って且つ時計回り方向に沿って円形に移動して形成する。
これにより、攪拌ピン17の抜け跡に形成される凹みは、リング形の凹溝における同形(相似形)の熱媒体流路の真上から離れた位置に形成される。この結果、前記ツール10を回転しつつ移動する1パス(一筆書き)によって摩擦攪拌接合することにより、平面視でリング形の熱媒体流路を内包した薄肉で軽量なヒートプレート1bを得ることができる。
係る蓋板5bは、図16に示すように、基板2の表面3に沿って形成された凹溝6の段部8,8間に挿入されることにより、凹溝6の開口部を閉鎖すると共に、その底面から熱媒体流路7内に短く進入する厚肉部5cを一体に有する断面ほぼ逆ハット形のものである。係る厚肉部5cが熱媒体流路7の上部に嵌合することにより、蓋板5b自体の摩擦攪拌接合の際における幅方向へのずれを予防することができ、係る接合工程で用いる拘束治具を低減することが可能となる。
ヒートプレート1cは、図16に示すように、基板2の表面3と蓋板5bとの突き合わせ面に沿って、前記同様の摩擦攪拌接合を施し、一対の接合部Sを形成することによって得られる。従って、係るヒートプレート1cによれば、蓋板5bを用いたことにより、凹溝6の幅方向のずれを抑制しつつ熱媒体流路7が高い気密を伴って閉塞され、且つ所要断面が正確に形成されたものとなる。
係る蓋板5dは、図17に示すように、基板2の表面3に沿って形成された凹溝6の段部8,8間に挿入され、その開口部を閉鎖すると共に、底面から熱媒体流路7内にその両側壁7aに沿って短く垂下する一対の平行な凸条5e,5eを一体に有する断面ほぼゲタ形状のものである。この蓋板5dによっても、摩擦攪拌接合の際における幅方向へのずれを予防でき、拘束治具を低減することが可能となる。
ヒートプレート1dは、図17に示すように、基板2の表面3と蓋板5dとの突き合わせ面に沿って、前記同様の摩擦攪拌接合を施して、一対の接合部Sを形成することによって得られる。従って、係るヒートプレート1dによれば、蓋板5dを用いることにより、凹溝6の幅方向のずれを抑制しつつ熱媒体流路7が高い気密を伴って閉塞され、且つ所要断面が正確に形成されたものとなる。
尚、以上のような蓋板5b,5dには、アルミニウム合金の押出形材を用いても良い。また、蓋板5c,5dを用いる上記ヒートプレート1c,1dは、前記ヒートプレート1a,1bの形態にも適用することが可能である。
摩擦接合ツール20は、図18,図19に示すように、SKD61などの工具鋼からなる一体成形物で、円柱形のツール本体22と、その円形の底面24の中心部から本体22と同軸心で垂下する円柱形の攪拌ピン26とを備えている。
また、図18,図19に示すように、ツール本体22の底面24には、攪拌ピン26の根元寄りが深くなる凹部25が上向きに設けられ、且つ先端面28を含む攪拌ピン26の周面には、攪拌促進用のネジ部(図示せず)を刻設している。
以上のような摩擦接合ツール20は、前記ヒートプレート1,1a,1bにおける基板2,2bと蓋板5,5bとの突き合わせ面9に沿って、回転しつつ移動することにより、前記同様の接合部S,S1,S2を形成することができる。この際、ツール本体22および攪拌ピン26の軸心は、図19中の直線の矢印で示す移動方向(右側)の反対側(左側)に3〜5°傾けた状態で使用される。
そして、攪拌ピン26により塑性流動化されたメタルの一部は、一旦凹部25内に入った後、基板2などの表面3側に拡がって固化する。この結果、摩擦接合ツール20を前記各接合工程に用いることにより、薄肉且つ軽量であり、信頼性の高いヒートプレート1,1a,1bを安価に提供することが可能となる。
例えば、前記基板2,2bや蓋板5b,5dの材質には、アルミニウム合金に限らず、基板や蓋板の金属または合金と摩擦攪拌接合が可能な鋼材、ステンレス鋼、チタン合金などの同種金属または異種金属も含まれる。
また、凹溝は、前記段部8,8を開口部の両側に有する形態に限らず、断面正方形または長方形などの矩形や、係る断面形状の開口部側が幅広となった断面逆台形状としても良い。あるいは、開口部よりも底部が幅広の例えば断面ハット形の底広凹溝とし、係る凹溝の開口部の両側に段部8,8を有していても良い。
更に、凹溝6の形成には、2種類以上ドリルを用いたり、直線部や曲線部を適宜成形し得る鍛造型やプレス型などを用いる塑性加工により形成しても良い。
また、本発明のヒートプレートの基板は、前記平坦な基板2,2bに限らず、冷却または加熱すべき対象物の形状に応じて、表面が適宜カーブした湾曲形状や所要の角度で屈曲した屈曲形状、あるいは円筒形や多角筒形状としても良い。
更に、凹溝(熱媒体流路)は、直線部または曲線部のみからなるものでも良い。
尚、本発明のヒートプレートは、冷却用、加熱用、および保温用の何れにも適用することが可能である。
2,2b………………基板
3………………………表面
5b,5d……………蓋板
6………………………凹溝
7………………………熱媒体流路
7a……………………側壁
8………………………段部
8a……………………縦壁
8b……………………底面
9………………………突き合わせ面(境界)
10,20……………摩擦接合ツール
17,26……………攪拌ピン
18……………………先端面
19……………………外周端
S………………………接合部
S終……………………終端
r………………………攪拌ピンの半径
z………………………中心
p………………………垂直線
K………………………カーブ(4分の1の円周)
Claims (5)
- 金属または合金からなる基板と、
上記基板の表面に沿って形成され、直線部および屈曲部の少なくとも一方からなり、上記基板の表面寄りで且つ開口部の両側に位置する一対の段部、および係る一対の段部間に位置し且つこれらの段部よりも深い位置に形成される熱媒体用流路からなる凹溝と、
金属または合金からなり、上記凹溝の熱媒体用流路を閉塞し、且つ上記一対の段部間に摩擦攪拌接合による接合部を介して上記基板に接合される蓋板と、を含むヒートプレートであって、
上記蓋板は、上記一対の段部間に挿入されて凹溝の開口部を閉鎖すると共に、底面に上記熱媒体用流路内の上部に進入する圧肉部を一体に有する断面ほぼ逆ハット形を呈するか、あるいは、底面から上記熱媒体用流路の両側壁に沿って垂下する一対の平行な凸条を一体に有する断面ほぼゲタ形状を呈するものである、
ことを特徴とするヒートプレート。 - 金属または合金からなる基板の表面において、当該表面に沿って直線部および屈曲部の少なくとも一方からなり、上記基板の表面寄りで且つ当該凹溝の開口部の両側に位置する一対の段部、および係る一対の段部間に位置し且つこれらの段部よりも深い位置に形成される熱媒体用流路からなる凹溝を形成する工程と、
上記凹溝における一対の段部間に跨って、金属または合金からなる蓋板を載置することにより当該凹溝の開口部を閉塞する工程と、
上記蓋板の周縁と上記基板との境界付近に沿って摩擦攪拌接合を施すことにより、係る蓋板を上記凹溝の開口部における一対の段部間に沿って接合する工程と、を含むヒートプレートの製造方法であって、
上記閉塞および接合工程に用いる上記蓋板は、上記一対の段部間に挿入されて凹溝の開口部を閉鎖すると共に、底面に上記熱媒体用流路内の上部に進入する圧肉部を一体に有する断面ほぼ逆ハット形を呈するか、あるいは、底面から上記熱媒体用流路の両側壁に沿って垂下する一対の平行な凸条を一体に有する断面ほぼゲタ形状を呈するものである、
ことを特徴とするヒートプレートの製造方法。 - 前記接合工程における摩擦攪拌接合は、前記蓋板の周縁と前記基板との境界付近に沿って、摩擦接合ツールを回転しつつ連続移動させる1パスにより行われる、
請求項2に記載のヒートプレートの製造方法。 - 前記接合工程に用いる摩擦接合ツールにおける攪拌ピンの移動軌跡の終端は、前記凹溝中の熱媒体流路の真上から離れた前記基板上に位置する、
請求項2または3に記載のヒートプレートの製造方法。 - 前記接合工程に用いる摩擦接合ツールの攪拌ピンの先端面における上記凹溝寄りの外周端は、上記凹溝における一方の段部の底面上であって当該凹溝の熱媒体流路の側壁の上端から攪拌ピンの半径分だけ上記段部の縦壁寄りの位置上における当該攪拌ピンの半径分の高さの位置を中心とし、この中心から上記半径分を上記縦壁の底面側に垂下した垂直線を、上記熱媒体流路の側壁の真上に向けてほぼ90°回転することにより形成される4分の1円の円周よりも上記一方の段部の縦壁寄りに位置する、
請求項2乃至4の何れか一項に記載のヒートプレートの製造方法。
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