JP4585441B2 - サーモプレート - Google Patents

Description

本発明は、伝熱体としてのプレートと、線状または管状に形成され、前記プレートの板面に形成された溝部内に、その溝部の底部に沿って組み込まれた、それぞれ発熱または冷却可能な複数の熱源体とを備えたサーモプレートに関する。

ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長法）、特に熱ＣＶＤを行う際の加熱手段として、従来より、サーモプレートが用いられている。
従来のサーモプレートの一形態が、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載されたサーモプレート（特許文献１にはヒータープレートと記載。以下サーモプレートと呼ぶ）を、図１２に示す。
特許文献１記載のサーモプレートは、伝熱体としてのアルミニウム部材（プレート）９２，９３と、線状に形成され、アルミニウム部材９２に形成された溝９６内に組み込まれた、発熱可能なシーズヒーター（熱源体）９４とを備える。シーズヒーター９４は、プレート９２，９３をなるべく満遍なく加熱するようにプレート上の経路をとるべく、適当な形状に折り曲げられている。また、シーズヒーター９４は、プレート９２，９３上の適当な箇所において、電源供給用の端子９４ａを有する。

特開２００２−２７０３４７号公報（第１図）

しかしながら、特許文献１に記載されたような従来のサーモプレートには、以下のような課題がある。
すなわち、シーズヒーター等の熱源体は、プレート上の一つの溝部内に組み込まれるから、交差しない一筆書きの経路を取らざるを得ず、その経路や電源供給用の端子の形成箇所に制限がある。したがって、プレート上の温度分布を最適化させる際の、熱源体の配置の工夫に対する制限が大きく、温度分布を十分に最適化することができず、さらに、サーモプレートが搭載される装置（半導体製造装置等）に対する端子の取り合い位置に制限があるという課題がある。
なお、シーズヒーターは、過大な負荷が掛けられると内部のコイルの断線や過加熱等の問題が生じるため、過度に小径の曲げ加工はできない。この制限により、さらに熱源体や端子の配置に対する制限が大きくなっている。

本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、熱源体の経路や熱源体の端子の配置の自由度が高く、その結果、温度分布を十分に最適化することができるとともに端子の取り合い位置を自由に設計できるサーモプレートを提供することにある。

本発明に係るサーモプレートは、上記課題を解決するために、以下の構成を備える。すなわち、伝熱体としてのプレートと、線状または管状に形成され、前記プレートの板面に形成された溝部内に、該溝部の底部に沿って組み込まれた、それぞれ発熱または冷却可能な複数の熱源体とを備え、該複数の熱源体のうちの少なくとも一組は、互いに交差するよう配設され、当該交差する熱源体が組み込まれる各前記溝部は、互いに異なる深さに形成されているサーモプレートにおいて、前記複数の熱源体のうち所要複数の熱源体が、前記プレートの中央部に両端子が位置するようにしてループ状に形成されるとともに、プレートの周方向に複数に分割された仮想分割ゾーン内にそれぞれ一つずつ配設され、前記複数の熱源体のうち他の一つの熱源体が、前記プレートの中央部に両端子が位置するようにしてループ状に形成されるとともに、前記所要複数の各熱源体の各ループ部の中途部にまたがるように交差して配設されていることを特徴とする。
これによれば、複数の熱源体を、それぞれ異なる深さの溝部内に配して、互いに交差するよう配置するから、熱源体の経路やその端子の配置の自由度を著しく高めることができる。また、所要複数の熱源体をプレートの周方向に複数に分割されたゾーンにそれぞれ配することで、プレート上の広い面積に熱源体を配することができるとともに、当該所要複数の熱源体をまたがるよう交差する他の熱源体を設けることで、前記各ゾーンに配された熱源体の各ループ内にも熱源を設けることができ、当該ループの中心近傍における温度分布の不均一を防ぐことができる。

さらに、前記交差する熱源体はヒーターであり、当該交差する熱源体の少なくとも一方の、当該交差する箇所は、非発熱部、または、他の箇所より発熱量の小さい低発熱部に設けられていることを特徴とする。
これによれば、熱源体（ヒーター）が交差する箇所において、過加熱を避けることができる。

また、前記熱源体と前記溝部内壁の間には、発熱または冷却時に熱源体または前記プレートが膨張または収縮した際に熱源体を逃がすためのクリアランスが形成されていることを特徴とする。
これによれば、発熱または冷却時に熱源体またはプレートが膨張または収縮した際に、熱源体が逃げるクリアランスがあるから、熱源体とプレートとが強く当接して損傷することを防ぐことができる。

また、前記熱源体は、前記溝部の底部に埋設されて取り付けられていることを特徴とする。

また、前記溝部を覆う蓋部を備えることを特徴とする。
これによれば、ヒーターの脱落を防止できるとともに、蓋部が伝熱路となってプレートに対する伝熱効率を高めることができる。

本発明に係るサーモプレートによれば、熱源体の経路や熱源体の端子の配置の自由度が高く、その結果、温度分布を十分に最適化することができるとともに端子の取り合い位置を自由に設計できる。

以下、本願発明に係るサーモプレートを実施するための最良の形態を説明する。

実施例に係るサーモプレートＡの説明図（一部透視図）を図１に示す。図１（ａ）はサーモプレートＡの平面図であり、図１（ｂ）は正面図である。
サーモプレートＡは、伝熱体としてのプレート２と、プレート２の板面に形成された溝部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ（溝部２ａ，２ｂ，２ｃは図示せず）内にそれぞれ組み込まれた、線状の熱源体としての５本のシーズヒーター４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅと、前記溝部２ａ〜２ｅを覆う蓋部６とを備える。

プレート２は、アルミニウム合金から成る矩形の平板状に形成され、その一面に、線状のシーズヒーター４ａ〜４ｅがそれぞれ組み込まれる溝部２ａ〜２ｅが形成されている。

シーズヒーター４ａ〜４ｅは、外管がニッケル合金であるインコロイから成り、その外管内に、電気絶縁体と、通電時に当該電気絶縁体を介して発熱するコイルとが設けられている。なお、前記外管はインコロイ製に限定されず、例えばステンレスやアルミニウムで構成してもよい。

シーズヒーター４ａ〜４ｅは、それぞれ溝部２ａ〜２ｅ内に入れられてプレート２上で所定の経路に配設される。
本実施例においては、図１（ａ）に示すように、各シーズヒーター４ａ〜４ｅの電源供給用の端子４ｆは、プレート２の中央部近傍に集中するよう配設されている。

また、５本のシーズヒーター４ａ〜４ｅのうち４本のシーズヒーター４ａ〜４ｄは、プレート２の中央部に両端子が位置するようにしてループ状に形成されるとともに、プレート２の周方向に複数に分割された仮想分割ゾーン３ａ〜３ｄ内にそれぞれ一つずつ配設される。仮想分割ゾーン３ａ〜３ｄは、矩形のプレート２を、その各外辺の垂直二等分線で四等分した、４つの仮想的な矩形のゾーンのことである（図１（ａ）参照）。
言い換えると、シーズヒーター４ａ〜４ｄは、プレート２上の経路がループ状に形成されるとともに、端子４ｆが位置するプレート２の中央部を中心に、互いに放射状に配設される。４本のシーズヒーター４ａ〜４ｄは、矩形のプレート２を、その各外辺の垂直二等分線で四等分した各矩形（仮想分割ゾーン３ａ〜３ｄ）の形状に沿うように、それぞれ配設される。

他方、５本のシーズヒーター４ａ〜４ｅのうち他の一つのシーズヒーター４ｅは、プレート２の中央部に両端子が位置するようにしてループ状に形成されるとともに、前記４本の各シーズヒーター４ａ〜４ｄの各ループ部の中途部にまたがるように交差して配設されている（図１（ａ）参照）。
言い換えると、前記他の一つのシーズヒーター４ｅは、端子４ｆが位置するプレートの中央部を中心として囲う、ほぼ矩形のループ状の経路をとり、前記放射状に配設されたシーズヒーター４ａ〜４ｄを、当該放射の周方向にまたいで交差するよう配設される。

仮想分割ゾーン３ａ〜３ｄのそれぞれに配設された４本のシーズヒーター４ａ〜４ｄと、シーズヒーター４ａ〜４ｄを前記周方向にまたいで交差するシーズヒーター４ｅとは、それぞれ、互いに異なる深さに形成された溝部２ａ〜２ｄ、および、溝部２ｅの、各底部に沿って組み込まれている。溝部２ａ〜２ｄは、線状のシーズヒーター４ａ〜４ｅのほぼ直径分の深さに形成され、溝部２ｅは、溝部２ａ〜２ｄよりも、線状のシーズヒーター４ａ〜４ｅの直径分、さらに深く形成されている。
これにより、図１（ｂ）に示すように、シーズヒーター４ａ〜４ｄとシーズヒーター４ｅとは、プレート２の厚さ方向に、その直径分だけずれて配設される。
従って、シーズヒーター４ａ〜４ｄとシーズヒーター４ｅとは、プレート２の厚さ方向に変形することなく交差することができる。
なお、溝部２ｅは、溝部２ａ〜２ｄに対し、少なくとも前記直径分深く形成されていればよく、当該直径分よりさらに深く形成してもよい。

シーズヒーター４ａ〜４ｅの各両端部は、図１（ｂ）に示すように、プレート２の中央部近傍において、プレート２の前記一面側から、プレート２より離間するよう屈曲されて、各シーズヒーター４ａ〜４ｅへの電源供給用の端子４ｆとして形成される。
なお、図２に示すように、シーズヒーター４ａ〜４ｄの端子４ｇとシーズヒーター４ｅの端子４ｈとを、それぞれプレート２の逆の面から取り出すよう構成してもよい。

シーズヒーター４ａ〜４ｅは、溝部２ａ〜２ｅの開口部を覆う蓋部６により、溝部２ａ〜２ｅ内に保持される（図３参照）。蓋部６は、プレート２の前記一面側に取り付けられ、当該一面全面を覆うことで溝部２ａ〜２ｅを覆う。
蓋部６は、プレート２に、ピン１５および／またはボルト１６により取り付けられる。
また、溝部２ｅ内の、蓋部６と、より深く形成された溝部２ｅ内に保持されたシーズヒーター４ｅとの間に形成された空隙には、スペーサ２２が設けられる。スペーサ２２は、溝部２ｅの底部との間にほぼシーズヒーター４ｅの直径分の隙間が生じる厚みに形成され、シーズヒーター４ｅを、溝部２ｅの底部に沿うよう保持している。なお、スペーサ２２と蓋部６とを一体に形成してもよい。
なお、スペーサ２２を設けない場合には、シーズヒーター４ａ〜４ｅを、ろう付けなどの手段により、溝部２ａ〜２ｅの底部に取り付けてもよい。

なお、プレート２に対する蓋部６の取り付け方法は、ピン１５および／またはボルト１６によれば、プレート２と蓋部６との熱膨張差を好適に吸収できるが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、図４（ａ）に示すように、蓋部６に突起部６ａ，６ｂを形成するとともに、プレート２に、その突起部６ａ，６ｂが嵌合する凹部２ｆ，２ｇを形成し、凹部２ｆ，２ｇに突起部６ａ，６ｂを嵌合させることでプレート２に蓋部６を取り付けるよう構成しても良い。または、サーモプレートＡが置かれる環境が平坦で振動等がなく安定している場合には、プレート２と蓋部６とを必ずしも接合する必要はなく、図４（ｂ）に示すように、平板状の蓋部６上にプレート２を載置するのみの構成としてもよい。
その他にも、プレート２への蓋部６の取り付けは、溶接、ＦＳＷ（摩擦撹拌接合）、または、かしめ等、様々な手法を採用できる。

また、蓋部は、必ずしもプレート２の一面全面を覆うよう設ける必要はない。例えば、図５に示すように、溝部２ｃ，２ｅのそれぞれに対してその開口部を覆う蓋部７ｃ，７ｅを設けても良い（その他の溝部２ａ，２ｂ，２ｄに対しても同様である）。この場合、蓋部７ｃ，７ｅは、それぞれ溝部２ｃ，２ｅとの間にシーズヒーター４ｃ，４ｅのほぼ直径分の隙間を形成するスペーサの機能も兼ねるよう構成するとよい。

また、図６に示すように、溝部２ａ〜２ｅは、それぞれシーズヒーター４ａ〜４ｅの直径よりも幅広に形成される。これにより、シーズヒーター４ａ〜４ｅと溝部２ａ〜２ｅ内壁との間に、発熱時にシーズヒーター４ａ〜４ｅまたはプレート２が膨張した際にシーズヒーター４ａ〜４ｅを逃がすためのクリアランスが形成される。これによれば、前記膨張によりシーズヒーター４ａ〜４ｅとプレート２とが強く当接して損傷することを防ぐことができる。

また、各シーズヒーター４ａ〜４ｅには、発熱部と非発熱部とが設けられている。図７に、シーズヒーター４ａ〜４ｅの発熱部と非発熱部とを示す説明図を示す。図７中、斜線部が、通電時に発熱する発熱部であり、斜線のない部分が、通電時であっても発熱しない非発熱部である。非発熱部は、シーズヒーター４ａ〜４ｄと、シーズヒーター４ｅとの交差する箇所およびその近傍に設けられている。非発熱部は、シーズヒーター４ａ〜４ｅ内部のコイルを巻かないよう構成することで実現できる。これにより、シーズヒーター同士が交差する箇所において過加熱を避けることができるとともに、プレート２上の温度分布を均一化することができる。
なお、非発熱部に替えて、シーズヒーター内のコイルを粗巻きにすることで、交差する箇所の他の箇所より発熱量が小さい低発熱部を設けても、同様の効果を得られる。

参考例

参考例に係るサーモプレートＢの説明図（一部透視図）を図８に示す。図８（ａ）はサーモプレートＢの側面図であり、図８（ｂ）は平面図である。
サーモプレートＢは、伝熱体としてのプレート３２と、プレート３２の板面に形成された溝部（図示せず）内にそれぞれ組み込まれた、線状の熱源体としてのシーズヒーター３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄと、前記溝部を覆う蓋部３６とを備える。
なお、プレート３２、シーズヒーター３４ａ〜３４ｄおよび蓋部３６の基本的な構成は、実施例のプレート、シーズヒーターおよび蓋部と同様であるため説明を省略し、実施例と異なる構成についてのみ説明を行う。

シーズヒーター３４ａ〜３４ｄは、それぞれ溝部内に入れられてプレート３２上でＵ字状の経路に配設される。
本参考例においては、図８（ｂ）に示すように、各シーズヒーター３４ａ〜３４ｄの電源供給用の端子３４ｅは、矩形のプレート３２の一辺部から出るよう配設されている。
また、シーズヒーター３４ａとシーズヒーター３４ｂとは、Ｕ字を構成する直線部分が互いに平行になるとともに、それぞれの二つの直線部分の間に、他方のシーズヒーターの直線部分のうち一方が位置し、Ｕ字の曲線部分において交差するよう配設されている。シーズヒーター３４ｃとシーズヒーター３４ｄも、同様に、Ｕ字を構成する直線部分が互いに平行になるとともに、それぞれの二つの直線部分の間に、他方のシーズヒーターの直線部分のうち一方が位置し、Ｕ字の曲線部分において交差するよう配設されている。
なお、本参考例においては、二つのシーズヒーターが交差するよう設けられているが、本発明はこれに限定されず、三つ以上のシーズヒーターが、それぞれの直線部分の間に他の所要複数のシーズヒーターの直線部分が位置するよう配設されていてもよい。

互いに交差するシーズヒーター３４ａとシーズヒーター３４ｂとは、それぞれ、互いに異なる深さに形成された溝部の、各底部に沿って組み込まれている。一方のシーズヒーター３４ｂが組み込まれる溝部は、シーズヒーター３４ｂのほぼ直径分の深さに形成され、他方のシーズヒーター３４ａが組み込まれる溝部は、それよりも、線状のシーズヒーターの直径分、さらに深く形成されている。
これにより、図８（ａ）に示すように、シーズヒーター３４ａとシーズヒーター３４ｂとは、プレート３２の厚さ方向に、その直径分だけずれて配設される。
従って、シーズヒーター３４ａとシーズヒーター３４ｂとは、プレート２の厚さ方向に変形することなく交差することができる。
なお、シーズヒーター３４ａが組み込まれる溝部は、シーズヒーター３４ｂが組み込まれる溝部３４ｂに対し、少なくとも前記直径分深く形成されていればよく、当該直径分よりさらに深く形成してもよい。
シーズヒーター３４ｃとシーズヒーター３４ｄに関しても、同様の構成が採られている。

また、各シーズヒーター３４ａ〜３４ｄには、発熱部と非発熱部とが設けられている。図９に、シーズヒーター３４ａ〜３４ｄの発熱部と非発熱部とを示す説明図を示す。図９中、斜線部が、通電時に発熱する発熱部であり、網掛け部が、通電時であっても発熱しない非発熱部である。非発熱部は、シーズヒーター３４ａ〜３４ｄとが互いに交差する箇所およびその近傍に設けられている。
非発熱部の構成は、実施例と同様であるため説明を省略する。なお、非発熱部に替えて、シーズヒーター内のコイルを粗巻きにすることで、交差する箇所の他の箇所より発熱量が小さい低発熱部を設けても良い。

次に、実施例および参考例に共通する、本願発明のバリエーションについて説明する。

実施例に係るサーモプレートＡおよび参考例に係るサーモプレートＢにおいて、条件によっては、シーズヒーター４４ａ，４４ｂの交差部で過加熱を起こしたり、シーズヒーター４４ａ，４４ｂの交差部近傍の温度が他の部位に比較して高くなり、サーモプレートの温度分布が均一とならなかったりする場合がある。
このような場合の対策として、例えば、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、シーズヒーター４４ａ，４４ｂの交差部に、溝部４２ａ，４２ｂ内の空隙を埋めるスペーサ４０を設けることが考えられる。スペーサ４０は、プレート４２の材質と同じ材質で構成する。スペーサ４０を設けることにより、シーズヒーター４４ａ，４４ｂからの伝熱面積を均一化することができ、上記問題を解消することができる。

また、サーモプレートＡ，Ｂの伝熱効率を高めるためには、図１１に示すように、シーズヒーター５４ａを、溝部５２ａの底部に、かしめまたは圧入等の手段により埋設するとよい。これによれば、シーズヒーター５４ａとプレート５２との密着性が増すため、伝熱効率が高くなり、その結果、投入電力の削減や熱制御応答性の向上を図ることができる。

実施例および参考例に係るサーモプレートＡ，Ｂによれば、複数のシーズヒーターをそれぞれ異なる深さの溝部内に配して、互いに交差するよう配置するから、従来と比較して、シーズヒーターの経路やその端子の配置の自由度を著しく高めることができる。

特に実施例に係るサーモプレートＡによれば、所要複数（４本）のシーズヒーター４ａ〜４ｄをプレート２の周方向に複数に分割された仮想分割ゾーン３ａ〜３ｄにそれぞれ配することで、プレート２上の広い面積にシーズヒーターを配することができるとともに、当該４本のシーズヒーター４ａ〜４ｄをまたがるよう交差する他のシーズヒーター４ｅを設けることで、各ゾーン３ａ〜３ｄに配されたシーズヒーター４ａ〜４ｄの各ループ内にも熱源を設けることができ、当該ループの中心近傍における温度分布の不均一を防ぐことができる。

また、特に参考例に係るサーモプレートＢによれば、曲げ加工時の曲げ径に制限のあるシーズヒーターを用いながら、プレート３２上のシーズヒーターのＵ字の直線部分の間に、他のシーズヒーターの直線部分を配することができるから、シーズヒーターを密に配することができ、温度分布を均一化させることができる。

なお、本実施例および参考例においては、熱源体としてシーズヒーターを採用したが、本発明はこれに限定されず、線状または管状に形成された、発熱または冷却可能なあらゆる熱源体を採用することができる。
例えば、熱源体として、内部に熱媒が流れる加熱管を採用してもよい。
また、サーモプレートを冷却に用いる場合には、熱源体として、例えば、内部を冷媒が流れる冷却管を採用してもよい。また、一つのサーモプレートを、加熱および冷却の両方の用途に用いる場合には、例えば、ヒーターと冷却管との両方を混在させ、加熱に用いるときにはヒーターのみを稼動させ、冷却に使用するときには冷却管のみを稼動させればよい。

本発明は、ＣＶＤを行う際の加熱手段として用いるサーモプレートに限定されず、加熱または冷却に用途に用いられるあらゆるサーモプレートを含む。

実施例に係るサーモプレートの説明図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。 端子の別の構成例を示す説明図である。 蓋部およびスペーサの構成を示す説明図である。 蓋部の別の構成例を示す説明図である。 蓋部およびスペーサの別の構成例を示す説明図である。 溝部およびシーズヒーターの構成を示す説明図である。 シーズヒーターの発熱部と非発熱部とを示す説明図である。 参考例に係るサーモプレートの説明図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。 シーズヒーターの発熱部と非発熱部とを示す説明図である。 スペーサの構成を示す説明図である。 溝部およびシーズヒーターの別の構成例を示す説明図である。 従来のサーモプレートを示す図である。

Ａ，Ｂ サーモプレート
２ プレート
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ 溝部
２ｈ クリアランス
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 仮想分割ゾーン
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ シーズヒーター（熱源体）
４ｆ 端子
６ 蓋部
７ｃ，７ｅ 蓋部、スペーサ
２２ スペーサ
３２ プレート
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ シーズヒーター（熱源体）
３４ｅ 端子
３６ 蓋部

Claims (5)

1. 伝熱体としてのプレートと、
   線状または管状に形成され、前記プレートの板面に形成された溝部内に、該溝部の底部に沿って組み込まれた、それぞれ発熱または冷却可能な複数の熱源体とを備え、
   該複数の熱源体のうちの少なくとも一組は、互いに交差するよう配設され、当該交差する熱源体が組み込まれる各前記溝部は、互いに異なる深さに形成されているサーモプレートにおいて、
   前記複数の熱源体のうち所要複数の熱源体が、前記プレートの中央部に両端子が位置するようにしてループ状に形成されるとともに、プレートの周方向に複数に分割された仮想分割ゾーン内にそれぞれ一つずつ配設され、
   前記複数の熱源体のうち他の一つの熱源体が、前記プレートの中央部に両端子が位置するようにしてループ状に形成されるとともに、前記所要複数の各熱源体の各ループ部の中途部にまたがるように交差して配設されていることを特徴とするサーモプレート。
2. 前記交差する熱源体はヒーターであり、当該交差する熱源体の少なくとも一方の、当該交差する箇所は、非発熱部、または、他の箇所より発熱量の小さい低発熱部に設けられていることを特徴とする請求項１記載のサーモプレート。
3. 前記熱源体と前記溝部内壁の間には、発熱または冷却時に熱源体または前記プレートが膨張または収縮した際に熱源体を逃がすためのクリアランスが形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のサーモプレート。
4. 前記熱源体は、前記溝部の底部に埋設されて取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか一項記載のサーモプレート。
5. 前記溝部を覆う蓋部を備えることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか一項記載のサーモプレート。

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