JP3474098B2 - ホットプレートの均熱体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、液晶ガラス基板
（ＬＣＤ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）等
の製造ラインやシリコンウェハー等の製造ラインにおい
て加熱による熱処理を行うプロセスに使用されるホット
プレートの均熱体に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来のホットプレートとしては、カート
リッジヒーターや面状にパターン化されたヒーターを挟
み込んだ金属板式のものが一般的であった。このような
ホットプレートでは、熱容量を大きくするためにプレー
トの厚みや重量を大きくしたり、プレート表面の電力密
度を調整することにより、プレート表面の温度分布の精
度向上を図っていた。 【０００３】しかしながら、このようなホットプレート
では、プレート表面自体ではある程度精度の良い温度分
布を得られるが、ワークを載せて実際に熱処理するに当
たっては、ワークの温度分布や熱容量の不均一性等によ
ってプレートの温度分布が影響を受け、プレート自体や
ワークの温度分布が不均一になるという問題があった。
又、近年ＬＣＤやＰＤＰ等のガラス基板の大型化によ
り、従来のホットプレートではこのようなガラス基板を
良好な温度分布の下に熱処理することが困難になってき
た。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術に於
ける上記問題を解決し、表面の温度分布が良いと共に、
ワークを精度の良い温度分布で熱処理できるホットプレ
ートの均熱板を提供することを課題とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、請求項１の発明は、ホットプレートの均熱
体が、ホットプレートを構成する加熱体で加熱される下
板とホットプレートで処理される被処理物に対向する上
板と周囲の側板とを備え内部にヒートパイプ用の熱媒体
を封入できるように囲われていて板状に形成された外部
構造体と、前記外部構造体の内部を占める断面格子状の
内部構造体であって多数のセルを形成し該セルの長さ方
向の両端において前記下板及び前記上板に接合されてい
て互いに隣接する前記それぞれのセルが前記熱媒体の液
体側及び蒸気側のそれぞれにおいて導通するように開口
を備えている内部構造体と、を有することを特徴とす
る。 【０００６】 【発明の実施の形態】図１は、本発明を適用した均熱体
である均熱プレートの概略構造の一例を示す。均熱プレ
ートは、外部構造体としてのプレート体１と、その内部
を占める断面格子状の内部構造体としてハニカム状のハ
ニカム体２とを備えている。プレート体１は、ホットプ
レートを構成する加熱体１００で加熱される下板１１と
ホットプレートで処理される被処理物であるＬＣＤガラ
ス基板等のワークＷに対向する上板１２と周囲の側板１
３とを備えていて、内部にヒートパイプ用の熱媒体Ｈを
封入できるように囲われていて、全体として板状に形成
されている。ハニカム体２は、多数のセル２１を形成し
ていて、それぞれのセル２１の長さ方向の両端において
それぞれ下板１１及び上板１２に接合されていると共
に、互いに隣接するそれぞれのセル２１が液面Ｌまで入
れられた熱媒体Ｈの液体側及び蒸気側のそれぞれにおい
て導通するように開口２２を備えている。 【０００７】プレート体１は、熱処理すべきワークの大
きさによって異なるが、大サイズのワークを対象とする
ものでは、１ｍ角程度の大きさで全体の厚みが２ｃｍ程
度の板状のものである。なお、図１（ａ）では、構造を
分かりやすくするために均熱プレートの厚みを実際より
も厚く示している。 【０００８】上下板及び側板１１〜１３としては、通常
３ｍｍ程度の厚みのステンレス鋼板が用いられる。但
し、更に厚みを薄くすることも可能であり、又他の材料
を用いることも当然可能である。プレート体１には、図
示していないが熱媒体注入用の口が適当な位置に適当数
設けられる。又、プレート体１の上板１２上でワークＷ
を複数本のピンで支持する場合には、それらを貫通させ
る穴がハニカム体２の部分も含めて全体を貫通して開け
られる。そのときには、短管状のものをろう付け等によ
って穴の周囲に接着して耐圧構造を維持するようにす
る。なお、図１の例では全体が角形のものを示している
が、熱処理するワークの形状に合わせて丸型やその他の
適当な形状にすることができる。 【０００９】ハニカム体２は、例えば、厚みが０．０５
〜０．１ｍｍ程度の薄膜状のステンレスシートを歯車に
通す穴明け加工によって開口２２を形成し、これを図２
のように折り曲げてコルゲート状のシート体２３にして
組み合わせ、それぞれのセル２１の接合部分の間にろう
材シート２４を介装し、これらを一体として真空炉の中
で高温焼成して接合することによって製造される。プレ
ート体１とハニカム体２の上下端とは同様にろう付けに
よって接合される。 【００１０】ハニカム体２の開口２２は、図１、図２の
ように上下方向に連通した形状のものの外、図３のよう
に液側及び蒸気側に別個に開けられた開口２２ａ、２２
ｂや、これらに加えて中央部分にも開けられた開口２２
ｃを持つ形状のものであってもよい。中央部分の開口
は、熱媒体Ｈの封入されるべき量で定まる液面Ｌの両側
にわたって延設されるようにする。これにより、液側及
び蒸気側の双方が導通し、双方の移動性が確保され、全
てのセルの液レベルも一定になる。なお、図３ではシー
ト体２３を展開して示している。 【００１１】加熱体１００としては、電気式のカートリ
ッジヒータ等を内蔵した通常のホットプレートを使用す
ることができる。この場合、温度分布性能は均熱プレー
トによって得られるので、加熱体１００としては厳しい
温度分布性能を要求されない。従って、大型のものでも
低コストで容易に製作可能になる。又、均熱プレート内
の熱媒体が熱容量を有するので、加熱体としては、温度
分布を良くするために、従来のように厚肉で重量を重く
して熱容量を大きくする必要がなくなる。従って加熱体
の軽量化が図られる。プレート体１はこのような加熱体
１００上に載せられて一体化され、これから熱の供給を
受ける。従って、ヒータが埋め込まれず、局部加熱のお
それがなくなる。なお、プレート体１の温度制御として
は、これに圧力又は温度を検出するセンサを設け、この
センサによって加熱体１００のヒータ出力を制御する方
法等を用いることができる。 【００１２】図４はハニカム体２の一部分における開口
断面部分の状態を示す。図１に示したように、ハニカム
体２にはレベルＬまで熱媒体Ｈが入れられる。熱媒体と
しては水や市販の種々の液を用いることができる。例え
ばプレートの使用温度が１７０℃〜３００℃程度のとき
には、ダウサムを用いることにより、３００℃で３kgf/
cm²G程度の使用圧力にすることができる。使用温度が１
３０℃程度の比較的低温であれば、メタノールを４kgf/
cm²G程度の圧力で使用することができる。このように、
均熱プレートの使用条件によって適正な熱媒体を選定す
れば、内部の極端な高圧化を防止することができる。 【００１３】均熱プレートに熱媒体が入れられて加熱体
１００で加熱されると、ハニカム体２では、熱媒体が目
的とする温度ｔに加熱されてその一部分が蒸発し、内部
に温度ｔの飽和蒸気が充満し、全てのセル２１内は全体
的にその温度の飽和蒸気圧ｐになって平衡する。このよ
うな状態で加熱体１００から均熱プレートに更に熱が伝
達され、内部の熱媒体が蒸発すると、発生蒸気が上板１
２を介してその上部に配置されたワークＷに凝縮熱を与
え、これを昇温させる。このとき、ハニカム体２の全て
のセル２１内はその開口２２を介して常に均圧化されて
いて、ワークはどこでも同じ飽和温度ｔの蒸気によって
均一な温度分布のもとに加熱される。 【００１４】ワークの熱負荷が不均一であったり変動す
るような場合には、これを修正する方向にワークが加熱
される。説明を簡単にするために、図４に示すように仮
に中心のセル２１−１の部分の熱負荷が大きくなり、そ
の温度が周囲のセル２１よりΔｔだけ下がったとする
と、セル２１−１内の圧力も周囲のセル２１よりΔｐだ
け下がる。このときには、矢印で示す如く周囲のセルか
ら直ちに熱媒体の蒸気が高速で移動して流入し、セル２
１−１内の圧力が回復し、セルの上板の低温部分により
多い蒸気が供給され、その凝縮潜熱の供給によって熱的
不均一が修正され、上板自体の温度分布及びその上のワ
ークの温度分布が修正される。 【００１５】周囲のセル２１には更にその周囲から少量
の蒸気が流入し、これらのセルの蒸気の不足量が補償さ
れる。そしてこの場合、上板の厚みが薄いこととこれを
結合しているハニカム体１がシート体２３が膜状に極め
て薄くできていることから、これらの熱容量が小さいた
めに均圧化によって迅速な均温化が図られる。なお、複
数のセルに温度変化があった場合にも、それらの周囲の
セルからの蒸気の流入によって瞬時の均圧化、均温化が
図られることは同様である。 【００１６】図５は、以上のようにハニカム体２のシー
ト体２３で結合される上下板１２、１１に掛かる力及び
その変形状態を示す。上下板は多数のセル上で連続して
いるが、図５ではその１個分だけを示している。図示の
如く、上下板１２、１１には内圧ｐが作用すると共に、
その周囲はシート体２３の均等な張力ｆ（合力ではＦ）
で引っ張られていて、両者の合力Ｐ＝ＡｐとＦ＝ｆｔＳ
とが釣り合った状態になっている。この場合、単位セル
の大きさは使用圧力等との関係で定められるが、例え
ば、対辺３／８インチのセルで１個分の面積Ａを０．７
２cm² 、全周Ｓを３cm（１セル当たりの有効長さ２c
m）、ｔを０．０５ｍｍ、ｐを５kgf/cm² とすると、ｆ
＝３６０kgf/cm² になり、ステンレス鋼の許容応力に対
して十分小さい安全な応力になる。即ち、ハニカムセル
構造により、シート体２３を薄膜状に十分薄くしても、
内圧を維持できる強度を持たせることができる。 【００１７】次に上下板１２、１１については、実際の
セルの正六角形の形状に代えて、これに比較的近い応力
状態になると考えられる正六角形の外接円（半径５ｍ
ｍ）で支持されていると仮定すれば、圧縮容器の法令で
定められている式 ｔ＝ｄ（ＺＣＰ）^1/2 ＋α から、ｔ≒０．４６ｍｍとなり、本例の均熱プレートで
例示したｔ＝３ｍｍの厚みは極めて十分な値である。な
お上式において、ｄは最小スパンで前記３／８インチ、
Ｚは円板と近い形状であるため約１、Ｃは平板の取付状
態即ち支持状態で定まる定数で固定支持に相当し０．
５、そしてαは腐食しろでステンレス鋼では０である。
従って、ハニカム体２で支持された上下板１２、１１を
持つプレート体１は、平板構造の圧力容器として十分な
強度を持つ。その結果、平板の撓みδ即ち局部歪みも全
く問題にならない値になる。 【００１８】更に、均熱プレートは加熱板１００上に載
せられるので、その全体としての曲げ応力及び撓みは問
題にならない。又、基本的に圧縮荷重はかからないの
で、シート体２３の厚みが薄くても座屈のおそれはな
い。但し、ヒートパイプを構成させるために上下板１
２、１１はある程度の間隔をもってハニカム体２で一体
結合されているため、上下板の断面二次モーメント、従
って曲げ剛性はある程度大きくなっている。又、シート
体２３がハニカムセルを形成するように互いに六角形に
結合して構成されていることとプレート体１の全体とし
ての厚みが薄いことから、本来的に圧縮にもある程度耐
える構造になっている。なお、このようにプレート体１
の高さが低いため、側板１３は応力的に全く問題になら
ないのことは言うまでもない。 【００１９】以上から、プレート体１の厚みを薄くする
と共にハニカム体２のシート体２３の厚みを十分薄くす
ることができる。その結果、ワークへの熱伝達率が大き
いと共に、熱容量が小さくなり、温度変化への追従性が
良く、急速加熱特性が良い。従って本例の均熱プレート
は温度サイクル試験等にも適している。 【００２０】なお以上では、断面格子状の内部構造体と
してハニカム状のハニカム体２の例を示したが、例えば
図６に示す三角形や四角形断面のものや、その他各種の
格子状断面の内部構造体を採用することも可能である。 【００２１】 【発明の効果】以上の如く本発明によれば、外部構造体
は上下板と側板とで囲われていて、内側構造体がその中
を占めるように設けられ、内部構造体で多数のセルを形
成しその長さ方向の両端を外部構造体の下板及び上板に
接合しているので、外部構造体を内部構造体によって合
理的に補強することができる。即ち、外部構造体の上下
板を内部構造体のセルに相当する部分によって十分小さ
い面積に分割して支持するので、内圧が発生したとき
に、上下板が平面であり且つ薄い板であっても、その応
力及び撓みを十分小さい値にすることができる。又、内
部構造体としては主として内圧による引張力を問題にす
ればよいため、セルを厚みの薄い薄膜状のものにするこ
とができる。その結果、内外構造体、従って均熱体の全
体を軽量化することができる。 【００２２】このような内外構造体を持つ均熱体では、
外部構造体が内部にヒートパイプ用の熱媒体を封入でき
るように囲われていると共に、内部構造体の互いに隣接
するそれぞれのセルが熱媒体の液体側及び蒸気側のそれ
ぞれにおいて導通するように開口を備えているので、熱
媒体を封入すると、熱媒体は全てのセルに対して一定の
レベルになる。そして、外部構造体は加熱体で下板から
加熱されるように形成されているので、内側構造体によ
り、全てのセルに共通な全体として１つのヒートパイプ
を構成させ、加熱体を作動させることにより、上板に対
向するように配置される例えばＬＣＤガラス基板等の被
処理物を加熱することができる。 【００２３】このような均熱体によれば、熱媒体の蒸発
潜熱を利用するヒートパイプ効果により、それ自体の温
度分布が良いと共に、不均一な熱容量を持った被処理物
を加熱するような場合でも、熱媒体の蒸発した蒸気が高
速で移動し、被処理物の昇温状態を均一化することがで
きる。又、均熱体自体にはヒータ等を埋め込む必要がな
いので、局部加熱されることがない。従って、通常のホ
ットプレート等で構成される加熱体の方は、精度の良い
温度分布性能を要求されなくなる。その結果、大サイズ
のものも製作可能になる。 【００２４】又、ヒートパイプを形成する均熱体が主と
して熱媒体によって適当な熱容量を持っているので、加
熱体としては、従来のホットプレートのように温度分布
を良くするために重量を重くして大きな熱容量を備える
必要性がなくなり、均熱体の温度分布に影響を与えるこ
となくその大幅な軽量化を図ることができる。このよう
に、重量の割に比熱の大きい液体からなる熱媒体を用い
るので、均熱体と加熱体とを加えた装置の総重量の軽量
化も可能になり、例えば装置が設置されるクリーンルー
ムの床面グレーチングの耐荷重制限を容易に満たすこと
ができる。 【００２５】更に、前記のように上下板を備えた外側構
造体をハニカム状等の断面格子状の内側構造体で合理的
に補強するので、直接の熱伝達部となる上下板の厚みを
薄くし、熱伝達率を良くすることができる。その結果、
被処理物の昇温又は降温速度を速くし、その熱処理能率
を向上させることができる。なお、内部構造体を三角形
又は六角形の断面形状にすれば、側面荷重に対する安定
性が高まり、ある程度側面強度が生じて加工性や組立性
も良くなる。又、このような構造体は例えば整流格子や
航空機等の部材として用いられ、市販品も多いのでホッ
トプレート均熱体のコスト低減を図ることができる。 【００２６】以上の如く、本発明ではハニカム構造とヒ
ートパイプの熱性能とを組み合わせることにより、これ
らの相乗作用が生じて、温度分布の高精度化、プレート
の軽量化、熱処理可能な対象物の大型化等のホットプレ
ートとして極めて重要な諸効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明を適用した均熱プレートの構成例を示
し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面部分を含む正面図、
（ｂ）は一部断面を含む平面図、（ｃ）はハニカム体の
一部分の構造を示す斜視図である。 【図２】上記ハニカム体の製造過程の一部分の状態を示
す斜視図である。 【図３】（ａ）及び（ｂ）はセルの開口の他の例を示す
展開した正面図である。 【図４】セル間の熱移動の状態の説明図である。 【図５】（ａ）及び（ｂ）はプレート体の上下板に掛か
る力の説明図である。 【図６】（ａ）及び（ｂ）はハニカム状の内部構造体の
他の例を示し、開口を含む位置の一部分の横断面図であ
る。 【符号の説明】 １ プレート体（外部構造体） ２ ハニカム体（内部構造体） １１ 下板 １２ 上板 １３ 側板 ２１ セル ２２ 開口 22a 、22b 、22c 開口 １００ 加熱体 Ｈ 熱媒体 Ｗ ワーク（被処理物）

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 ホットプレートを構成する加熱体で加熱
   される下板とホットプレートで処理される被処理物に対
   向する上板と周囲の側板とを備え内部にヒートパイプ用
   の熱媒体を封入できるように囲われていて板状に形成さ
   れた外部構造体と、前記外部構造体の内部を占める断面
   格子状の内部構造体であって多数のセルを形成し該セル
   の長さ方向の両端において前記下板及び前記上板に接合
   されていて互いに隣接する前記それぞれのセルが前記熱
   媒体の液体側及び蒸気側のそれぞれにおいて導通するよ
   うに開口を備えている内部構造体と、を有することを特
   徴とするホットプレートの均熱体。