KR20220107918A

KR20220107918A - 히터 플레이트 및 히터 플레이트의 제조 방법

Info

Publication number: KR20220107918A
Application number: KR1020210151285A
Authority: KR
Inventors: 카츠미 와타나베; 아키라 후쿠치; 히데노리 쿠와타
Original assignee: 가부시키가이샤 유에이씨제이 츄탄
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-11-05
Publication date: 2022-08-02
Also published as: JP2022114131A; JP7285867B2; TW202231119A; KR102637053B1; CN114793375A

Abstract

(과제)
온도 조정 시스와 제2 부재 사이의 높은 밀착성을 실현할 수 있는 히터 플레이트 및 그 제조 방법을 제공한다.
(해결 수단)
히터 플레이트(1)는 서로 단접 접합하고 있는 알루미늄 또는 알루미늄 합금제의 패널 부재(제1 부재)(2)와 플러그 부재(제2 부재)(4)에 의해, 히터 시스(온도 조정 시스)(3)가 사이에 끼워져 유지된 히터 플레이트(1)로서, 패널 부재(2)에는, 플러그 부재(4)가 들어가는 제2 홈부(5B)와, 제2 홈부(5B)의 바닥면(5B2)에 있어서 히터 시스(3)가 들어가는 제1 홈부(5A)가 설치되어 있고, 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)의 적어도 한쪽에, 히터 시스(3)의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우(6)가 형성되어 있다.

Description

히터 플레이트 및 히터 플레이트의 제조 방법{HEATER PLATE AND METHOD FOR MANUFACTURING HEATER PLATE}

본 명세서가 개시하는 기술은 히터 플레이트 및 히터 플레이트의 제조 방법에 관한 것이다.

종래의 히터 플레이트의 일례로서 하기 특허문헌 1에 기재된 것이 알려져 있다. 특허문헌 1에 기재된 히터 플레이트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금기 부재에 내부 부품으로서 시스 히터가 수납되고, 그 위로부터 접합용 알루미늄 또는 알루미늄 합금 부재를 단압 압접하여 밀봉한 구조를 가지고, 액정 제조 장치 등의 각종 박형 디스플레이(FPD) 제조 장치나 반도체 제조 장치의 히터 플레이트로서 사용 가능하다.

일본 특허 제4806179호 공보

그러나, 특허문헌 1에 있어서, 시스 히터와 접합용 알루미늄 또는 알루미늄 합금 부재의 밀착성이 부족한 것에 의해, 열전도성이 저하된다는 문제가 있었다.

본 명세서에 기재된 기술은, 상기와 같은 사정에 기초하여 완성된 것으로서, 시스 히터와 접합용 알루미늄 또는 알루미늄 합금 부재 사이의 높은 밀착성을 실현할 수 있는 히터 플레이트 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1) 본 명세서에 기재된 기술에 관계되는 히터 플레이트는, 서로 단접 접합하고 있는 알루미늄 또는 알루미늄 합금제의 제1 부재와 제2 부재에 의해, 온도 조정 시스가 사이에 끼워져 유지된 히터 플레이트로서, 상기 제1 부재에는, 상기 제2 부재가 들어가는 제2 홈부와, 상기 제2 홈부의 바닥면에 있어서 상기 온도 조정 시스가 들어가는 제1 홈부가 설치되어 있고, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 적어도 한쪽에, 상기 온도 조정 시스의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우가 형성되어 있다.

(2) 또 상기 히터 플레이트는, 상기 (1)에 더해, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재에는, 상기 제2 홈부의 측면을 걸치도록 배치됨과 아울러 상기 제2 홈부의 측면에 대하여 교차하도록 뻗는 형상의 제2 그레인 플로우가 형성되어도 된다.

(3) 또 상기 히터 플레이트는, 상기 (1) 또는 상기 (2)에 더해, 상기 제2 부재는, 폭이 상기 온도 조정 시스의 외경보다 크게 되어 있고, 상기 제1 부재는, 상기 제2 홈부가 상기 제1 홈부보다 넓은 폭이 되도록 구성되어도 된다.

(4) 또 상기 히터 플레이트는, 상기 (3)에 더해, 상기 제1 부재는, 상기 제2 홈부의 바닥면에 복수의 상기 제1 홈부가 개구되도록 구성되어도 된다.

(5) 또 상기 히터 플레이트는, 상기 (3) 또는 상기 (4)에 더해, 상기 제1 부재는, 상기 제1 홈부의 깊이가 상기 온도 조정 시스의 외경의 절반보다 커도 된다.

(6) 또 상기 히터 플레이트는, 상기 (5)에 더해, 상기 온도 조정 시스의 외경의 절반을 「r」이라고 하고, 상기 제1 홈부의 깊이를 「D」라고 했을 때, 상기 제1 부재는, 상기 제1 홈부의 깊이가 다음의 식(1)을 만족시키도록 구성되어도 된다.

D≤r+r·sin54° (1)

(7) 또 상기 히터 플레이트는, 상기 (1) 내지 상기 (6) 중 어느 하나에 더해, 상기 그레인 플로우는, 적어도 상기 제2 부재 중 상기 온도 조정 시스와 대향하는 부분에 형성되어도 된다.

(8) 또 상기 히터 플레이트는, 상기 (1) 내지 상기 (7) 중 어느 하나에 더해, 상기 그레인 플로우는, 적어도 상기 제1 부재 중 상기 제1 홈부의 홈 가장자리에 형성되어도 된다.

(9) 또 상기 히터 플레이트는, 상기 (1) 내지 상기 (8) 중 어느 하나에 더해, 상기 제1 부재 및 제2 부재는, 서로 단접 접합되는 상기 제2 홈부의 측면과 상기 제2 부재의 측면이 함께 단접 방향에 대하여 경사지도록 구성되어도 된다.

(10) 본 명세서에 기재된 기술에 관계되는 히터 플레이트의 제조 방법은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금제의 제1 부재와 제2 부재를 단접 접합함으로써, 온도 조정 시스를 사이에 끼워 유지시키는 단접 공정을 포함하는 히터 플레이트의 제조 방법으로서, 상기 제1 부재에는, 상기 제2 부재가 들어가는 제2 홈부와, 상기 제2 홈부의 바닥면에 있어서 상기 온도 조정 시스가 들어가는 제1 홈부가 설치되어 있고, 상기 단접 공정에서는, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 적어도 한쪽에, 상기 온도 조정 시스의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우가 형성되도록 단접 접합한다.

본 명세서에 기재된 기술에 의하면, 온도 조정 시스와 제2 부재 사이의 높은 밀착성을 실현할 수 있는 히터 플레이트 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 실시형태 1에 따른 히터 플레이트의 단면도이다.
도 2는 히터 플레이트의 평면도이다.
도 3은 히터 플레이트의 A-A선 단면도이다.
도 4는 히터 플레이트를 구성하는 패널 부재, 히터 시스 및 플러그 부재의 단면을 촬영한 사진이다.
도 5는 도 4를 확대하여 플러그 부재의 그레인 플로우를 나타내는 사진이다.
도 6은 도 4를 확대하여 패널 부재의 그레인 플로우를 나타내는 사진이다.
도 7은 패널 부재 및 플러그 부재의 단면을 촬영한 사진으로서, 제2 그레인 플로우를 나타내는 사진이다.
도 8은 히터 플레이트의 제조 방법에 포함되는 단접 공정에 있어서 히터 시스를 제1 홈부에 넣기 전의 상태를 나타내는 단면도이다.
도 9는 단접 공정에 있어서 플러그 부재를 제2 홈부에 넣기 전의 상태를 나타내는 단면도이다.
도 10은 단접 공정에 있어서 플러그 부재를 제2 홈부에 넣는 도중의 상태를 나타내는 단면도이다.
도 11은 화학적 기상 성장 처리 장치의 개략적인 단면도이다.
도 12는 실시형태 2에 따른 히터 플레이트를 구성하는 패널 부재, 히터 시스 및 플러그 부재의 단면도이다.
도 13은 단접 공정에 있어서 플러그 부재를 제2 홈부에 넣는 도중의 상태를 나타내는 단면도이다.
도 14는 실시형태 3에 따른 히터 플레이트를 구성하는 패널 부재, 히터 시스 및 플러그 부재의 단면도이다.

본 명세서에 있어서, 내부에 히터 시스(시스 히터)를 배열설치한 히터 플레이트는, 금속 부재에 히터 시스를 밀착시킨 것으로, 히터 시스의 발열이 히터 플레이트의 금속 부재에 전해진다. 또 히터 시스는 히터 플레이트를 균일한 온도로 가열하도록 히터 플레이트의 내부에 배열설치되어 있는 것이다. 예를 들면, 히터 시스를 사행, 소용돌이 형상 등으로 배열설치하여 히터 플레이트가 균일한 온도로 가열되도록 하고 있다. 또 히터 시스는 스테인레스강 예를 들면 SUS304, 니켈 합금 예를 들면 인콜로이, 티탄의 시스재(파이프) 안에 전열선과 절연재가 봉입되어 있는 것이다.

본 명세서에 있어서, 내부에 히터 시스를 배열설치한 히터 플레이트는, 반도체나 액정 등의 제조 장치의 진공 용기(진공 챔버) 내에서 히터 플레이트로서 사용되는 것이다. 도 11에 내부에 히터 시스를 배열설치한 히터 플레이트의 사용예를 나타낸다. 도 11은 화학적 기상 성장(CVD) 처리 장치를 나타내고, 진공 챔버(122) 내에 히터 시스(123)를 배열설치한 히터 플레이트(121)가 지지 부재(124)에 의해 설치되어 있다. 히터 플레이트(121)에는 기판(125)이 재치된다. 또 진공 챔버(122) 내에는 CVD 처리를 위한 가스 공급부(126)가 설치되어 있어, 공급구(127)로부터 가스를 공급하여 화학적 기상 성장에 의해 기판(125)에 성막하는 것이다.

이하, 본 명세서의 바람직한 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다. 도 1은 실시형태 1에 따른 히터 플레이트(1)의 단면도이다. 히터 플레이트(1)는 패널 부재(제1 부재)(2)에 내부 부품으로서 히터 시스(온도 조정 시스)(3)가 수용되고, 그 위를 플러그 부재(제2 부재)(4)로 밀봉한 구조를 가진다. 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)는 어느 것이나 알루미늄 또는 알루미늄 합금제로 되어 있다. 또 히터 시스(3)는 단면 형상이 원형으로 되어 있다.

도 2는 히터 플레이트(1)의 평면도이다. 히터 플레이트(1)는 평면 형상이 도 2에 나타내는 바와 같은 직사각형 형상이어도 되고, 또 원형 형상이어도 된다. 히터 플레이트(1)의 레이아웃 형상은 서로 직교하는 2개의 중심축의 적어도 1개에 대하여 대칭이거나, 또는 중심에 대하여 점대칭인 것이 바람직하다. 패널 부재(2)는 도 2에 나타내는 바와 같이 히터 플레이트(1)와 동일한 평면 형상으로 판 형상을 이루고 있다. 플러그 부재(4)는 패널 부재(2)의 판면을 따라 뻗음과 아울러 사행하는 것 같은 평면 형상으로 되어 있다. 히터 시스(3)는 플러그 부재(13)와 마찬가지의 평면 형상으로 되어 있다.

도 3은 도 2의 A-A선 단면도이다. 패널 부재(2)는 도 3에 나타내는 바와 같이 한쪽의 판면에 히터 시스(3)와 플러그 부재(4)를 수용하는 홈부(5)가 개구되어 설치되어 있다. 홈부(5)는 히터 시스(3)가 들어가는 안측(깊은 측)의 제1 홈부(5A)와, 플러그 부재(4)가 들어가는 앞측(얕은 측) 제2 홈부(5B)가 연통되는 구성으로 되어 있다. 히터 플레이트(1)의 제조시에는 제1 홈부(5A)에 히터 시스(3)를 수용한 후에, 제2 홈부(5B)에 플러그 부재(4)를 수용하고, 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 단접 접합하고 있다. 이 때의 단접 방향은 도 3에 나타내는 Z축 방향(상하 방향)과 일치하고 있다. 히터 시스(3)는 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)에 의해 사이에 끼워져 밀착 상태에서 유지된다.

이어서, 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)에 대해서 상세하게 설명한다. 플러그 부재(4)는 도 3에 나타내는 바와 같이 단면 형상이 대략 직사각형으로 되어 있는데, 히터 시스(3)에 접하는 면이 히터 시스(3)의 외형을 따라 원호 형상으로 함몰되어 있다. 플러그 부재(4)는 양측면(4A)이 단접 방향을 따라 대략 곧은 면으로 되어 있다. 플러그 부재(4)는 그 폭(W)이 히터 시스(3)의 외경(R)보다 크다.

제1 홈부(5A)의 단면 형상이 대략 U자형으로 되어 있음과 아울러, 제2 홈부(5B)의 단면 형상이 직사각형으로 되어 있다. 상세하게는 제1 홈부(5A)는 그 폭이 단접 방향의 앞측에서는 최대값(W1)으로 대략 일정하게 되지만, 단접 방향의 안측에서는 안측단에 근접할수록 작아지도록 가변으로 되어 있다. 제1 홈부(5A)는 그 폭의 최대값(W1)이 히터 시스(3)의 외경(R)과 대략 일치하고 있다. 제1 홈부(5A)는 그 둘레면이 단접 방향의 안측에 있는 원호형상면(5A1)과, 단접 방향의 앞측에 있어서 단접 방향을 따라 대략 곧은 진직면(5A2)으로 이루어진다. 원호형상면(5A1)은 그 곡률반경이 히터 시스(3)의 곡률반경과 대략 동일하게 되어 있고, 제1 홈부(5A)에 들어간 히터 시스(3)의 외주면에 접촉된다. 진직면(5A2)은 한 쌍이 폭(W1)분의 간격을 두고 대향하도록 배치되어 있고, 제1 홈부(5A)에 들어간 히터 시스(3)의 외주면과는 대략 비접촉으로 되어 있다.

제2 홈부(5B)는 그 폭(W2)이 단접 방향에 대해서 대략 일정하게 되어 있다. 제2 홈부(5B)는 그 둘레면이 단접 방향을 따라 대략 곧은 측면(5B1)과, 단접 방향에 대하여 대략 직교하는 바닥면(5B2)으로 이루어진다. 측면(5B1)은 바닥면(5B2)으로부터 대략 수직으로 기립하는 면이다. 제2 홈부(5B)는 그 폭(W2)이 제1 홈부(5A)의 폭의 최대값(W1)보다 크다. 즉, 제2 홈부(5B)의 폭(W2)은 히터 시스(3)의 외경(R)보다 크다. 따라서, 제1 홈부(5A)는 폭이 넓은 제2 홈부(5B)의 바닥면(5B2)에 있어서의 중앙측 부분을 더욱 함몰시켜 형성되어 있다고 할 수 있고, 잔존하는 제2 홈부(5B)의 바닥면(5B2)에 있어서의 양단측 부분에 의해 사이에 끼워져 있다. 또 제1 홈부(5A)는 제2 홈부(5B)에 있어서의 폭 방향(도 3의 좌우 방향)에 대한 대략 중앙 위치에 배치되어 있다.

그리고, 제1 홈부(5A)는 그 깊이(D)가 히터 시스(3)의 외경(R)보다 작다. 따라서, 제1 홈부(5A)에 들어간 히터 시스(3)는 그 일부가 제2 홈부(5B)측으로 돌출된 상태로 되어 있다. 한편, 제1 홈부(5A)는 그 깊이(D)가 히터 시스(3)의 외경(R)의 절반(반경)(r)보다 크다. 따라서, 히터 시스(3)가 제1 홈부(5A)에 들어간 상태에서는, 히터 시스(3)의 중심(C)이 제1 홈부(5A) 내에 존재하고 있어서 제2 홈부(5B)의 바닥면(5B2)보다 낮은 배치가 된다. 이 상태에서는, 히터 시스(3)의 외주면 중 제1 홈부(5A) 내에 존재하고 또한 중심(C)보다 높은 부분(제2 홈부(5B)측의 부분)에 대해서는, 제1 홈부(5A)의 둘레면 중 히터 시스(3)의 중심(C)보다 높은 부분과의 사이에 간극이 생겨 있어 당해 부분과는 비접촉으로 되어 있다. 히터 시스(3)의 외주면 중 제1 홈부(5A)의 둘레면과의 비접촉 부분(3A)은 히터 시스(3)의 중심(C)을 사이에 끼우고 좌우에 2개소 존재하고 있다. 비접촉 부분(3A)은 히터 시스(3)에 있어서 중심(C)을 통과하는 2개의 반경에 의해 절취되는 부채형 부분의 원호로 되어 있다. 히터 시스(3)의 외주면은 상기한 2개의 비접촉 부분(3A)을 제외한 부분이 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)에 대하여 접촉된 상태로 되어 있다.

또한 제1 홈부(5A)는 그 깊이(D)가 다음의 식(2)을 만족시키도록 구성되어 있다. 여기서, 식(2) 중의 「r·sin54°」는 히터 시스(3)의 중심(C)을 통과하는 저변과, 그 저변에 대하여 54°의 각도를 이루고 또한 중심(C)을 통과하는 사변을 가지는 직각삼각형의 높이를 나타내고 있다. 따라서, 제1 홈부(5A)의 깊이(D)가 식(2)을 만족시키고 있으면, 히터 시스(3)의 중심(C)과 제2 홈부(5B)의 바닥면(5B2) 사이의 단접 방향에 대한 거리(L)가 「r·sin54°」보다 작게 된다. 한편, 히터 시스(3)에 있어서, 중심각이 54°가 되는 부채형 부분의 원호의 길이가 히터 시스(3)의 외주 길이에 차지하는 비율은 15%로 되어 있다. 따라서, 제1 홈부(5A)의 깊이(D)가 식(2)을 만족시키고 있으면, 히터 시스(3)의 비접촉 부분(3A)의 길이가 히터 시스(3)의 외주 길이에 차지하는 비율이 30% 미만이 된다. 즉, 제1 홈부(5A)의 깊이(D)가 식(2)을 만족시키고 있으면, 단접 접합에 따라 소성 변형한 플러그 부재(4)가 제1 홈부(5A) 내에 충전되지 않은 경우에는, 히터 시스(3)의 외주면이 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)에 대하여 비접촉이 되는 비접촉 면적의 비율이 30% 미만이 된다.

r<D≤r+r·sin54° (2)

상기와 같은 구성의 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)는 사이에 히터 시스(3)를 끼운 상태에서 단접 접합되어 있다. 그리고, 단접 접합된 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4) 중 히터 시스(3)를 둘러싸는 부분에는, 도 4 내지 도 6에 나타내는 바와 같이 히터 시스(3)의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우(단유선)(6)가 형성되어 있다. 「그레인 플로우」란 금속 재료를 단조하거나 했을 때 보여지는 섬유상의 금속 조직의 흐름이다. 도 4는 패널 부재(2), 히터 시스(3) 및 플러그 부재(4)의 단면을 촬영한 사진이다. 도 5는 도 4를 확대한 사진으로서, 플러그 부재(4)의 그레인 플로우(6)를 나타내는 사진이다. 도 6은 도 4를 확대한 사진으로서, 패널 부재(2)의 그레인 플로우(6)를 나타내는 사진이다. 도 4에는 히터 시스(3)의 외형을 따른 파선을 병기하고 있다. 또 도 5 및 도 6에는 그레인 플로우(6)를 따른 파선을 병기하고 있다. 플러그 부재(4) 중 히터 시스(3)와 대향하는 부분에는, 도 5에 나타내는 바와 같이 히터 시스(3) 중 제2 홈부(5B)측으로 돌출된 부분의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우(6)가 형성되어 있다. 패널 부재(2) 중 히터 시스(3)와 대향하는 부분에는, 도 6에 나타내는 바와 같이 히터 시스(3) 중 제1 홈부(5A)에 수용된 부분의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우(6)가 형성되어 있다. 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)에 형성된 그레인 플로우(6)는 어느 것이나 히터 시스(3)의 외형을 따르도록 곡선 형상을 이룸과 아울러 단접 방향에 대하여 교차하도록 뻗어 있다.

상기한 바와 같이, 히터 시스(3)의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우(6)가 형성될 정도로 히터 시스(3)를 강하게 누른 상태에서 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)가 단접 접합되어 있으므로, 히터 시스(3)에 대하여 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 높은 밀착 정도로 밀착시킬 수 있다. 따라서, 히터 시스(3)의 열을 효율적으로 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)에 전도시킬 수 있다. 이것에 의해, 가열된 히터 시스(3)의 온도와, 히터 시스(3)로부터의 전열에 의해 가열된 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)의 온도에 생길 수 있는 차가 작아진다. 이 온도차가 작아짐으로써, 히터 시스(3)의 가열 온도를 쓸데없이 높게 하지 않아도 되어 에너지 절약화를 도모할 수 있음과 아울러, 히터 시스(3)의 열팽창량과, 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)의 각 열팽창량의 차가 저감되어, 히터 시스(3)가 열팽창시에 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)로부터 받는 압축 응력과 인장 응력을 저감시킬 수 있다. 그 결과, 가열 사이클에 있어서의 히터 시스(3)의 반복 응력을 억제할 수 있고, 히터 시스(3)의 피로 파괴가 저감되어, 히터 시스(3)의 장수명화를 실현할 수 있다.

단접 접합된 패널 부재(2) 중 제2 홈부(5B)의 홈 가장자리와, 플러그 부재(4) 중 측가장자리부에는, 도 7에 나타내는 바와 같이 제2 그레인 플로우(7)가 형성되어 있다. 도 7은 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)의 단면을 촬영한 사진이다. 또 도 7에는 제2 그레인 플로우(7)를 따른 파선을 병기하고 있다. 제2 그레인 플로우(7)는 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)에 대하여 교차하도록 뻗어 있고, 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)을 걸치도록 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)의 양쪽에 설치되어 있다. 제2 그레인 플로우(7)는 플러그 부재(4)측 쪽이 낮아지는 것에 대해서 패널 부재(2)측 쪽이 높아지도록 기울어짐과 아울러 곡선 형상을 이루고 있다. 또 제2 그레인 플로우(7)는 그레인 플로우(6)와 마찬가지로, 단접 방향에 대하여 교차하도록 뻗어 있다.

상기한 바와 같이, 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)을 걸치도록 배치됨과 아울러 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)에 대하여 교차하도록 뻗는 형상의 제2 그레인 플로우(7)가 형성될 정도로 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)가 단접 접합되어 있으므로, 플러그 부재(4)가 패널 부재(2)에 대하여 강고하게 유지된다. 이것에 의해, 히터 시스(3)에 대하여 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 보다 높은 밀착 정도로 밀착시킬 수 있다.

또 패널 부재(2)는 제1 홈부(5A)의 깊이(D)가 상기한 식(2)을 만족시키도록 구성되어 있으므로, 히터 시스(3)의 외주면이 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)에 대하여 비접촉이 되는 비접촉 면적의 비율이 30% 미만으로 되어 있다. 만일 히터 시스의 외주면이 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)에 대하여 비접촉이 되는 비접촉 면적의 비율이 30%를 넘으면, 히터 시스(3)로부터 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)로의 전열 성능이 악화되는 것이 우려되지만, 그러한 사태를 피할 수 있다. 이것에 의해, 히터 시스(3)로부터 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)로의 전열 성능을 양호하게 유지할 수 있다.

본 실시형태에 따른 히터 플레이트(1)는 이상과 같은 구조이며, 계속해서 히터 플레이트(1)의 제조 방법을 구조에 기초하는 작용 및 효과와 함께 설명한다. 본 실시형태에 따른 히터 플레이트(1)의 제조 방법에서는, 미리 패널 부재(2), 히터 시스(3) 및 플러그 부재(4)를 각각 제조해 두고, 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 단접 접합(단압 압접)함으로써, 히터 시스(3)를 사이에 끼워서 유지시키는 단접 공정을 행하도록 하고 있다. 단접 공정의 전처리로서, 물, 뜨거운 물, 또는 질산 등을 사용한 세정 처리, 질산 등을 사용한 표면의 기름 제거 처리 등을 패널 부재(2)나 플러그 부재(4)에 행하는 것도 가능하다. 이와 같은 전처리를 행함으로써, 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)의 접합성이 향상된다.

단접 공정에 대해서 도 8 내지 도 10을 사용하여 상세하게 설명한다. 도 8은 히터 시스(3)를 제1 홈부(5A) 내에 넣기 전의 상태를 나타내는 단면도이다. 도 9는 히터 시스(3)를 제1 홈부(5A) 내에 넣은 후에 플러그 부재(4)를 제2 홈부(5B) 내에 넣기 전의 상태를 나타내는 단면도이다. 도 10은 플러그 부재(4)를 제2 홈부(5B) 내에 넣는 도중의 상태를 나타내는 단면도이다. 단접 공정에서는 도 8에 나타내는 바와 같이 우선 패널 부재(2)의 제1 홈부(5A) 내에 히터 시스(3)를 넣는 작업이 행해진다. 히터 시스(3)를 제1 홈부(5A)에 넣을 때는, 히터 시스(3)가 제2 홈부(5B)를 통과한다. 이 제2 홈부(5B)의 폭(W2)이 히터 시스(3)의 외경(R)보다 크므로, 제2 홈부(5B)를 통과하는 히터 시스(3)가 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)에 간섭하는 사태가 생기기 어려워, 히터 시스(3)를 제1 홈부(5A)에 넣기 쉽다. 제1 홈부(5A)에 들어간 히터 시스(3)는 도 9에 나타내는 바와 같이 일부(상단부)가 제2 홈부(5B)측으로 돌출된 상태가 됨과 아울러, 중심(C)이 제2 홈부(5B)의 바닥면(5B2)보다 낮은 배치로 되어 있다.

계속해서, 단접 공정에서는 도 9에 나타내는 바와 같이 패널 부재(2)의 제2 홈부(5B) 내에 플러그 부재(4)를 넣고 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)를 단접 접합하는 작업이 행해진다. 또한 제2 홈부(5B) 내에 들어가기 전의 플러그 부재(4)의 바닥면(4B)은 제2 홈부(5B)의 바닥면(5B2)에 나란한 대략 평평한 면으로 되어 있다. 플러그 부재(4)의 폭(W)이 제2 홈부(5B)의 폭(W2)보다 약간 크게 되어 있으므로, 플러그 부재(4)는 그 측면(4A)이 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)에 접한 상태에서 제2 홈부(5B) 내의 안쪽으로 밀려들어간다. 따라서, 플러그 부재(4)의 측면(4A) 및 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)은 단접 접합시에 마찰 저항을 발생시킴과 아울러 플러그 부재(4)의 변위를 구속할 수 있는 개소라고 할 수 있다. 플러그 부재(4)는 폭(W)이 히터 시스(3)의 외경(R)보다 크므로, 만일 플러그 부재의 폭이 히터 시스(3)의 외경(R)과 동일하게 되어 있는 경우에 비하면, 플러그 부재(4)의 강도가 높다. 따라서, 플러그 부재(4)를 제2 홈부(5B)에 넣고 단접 접합할 때 플러그 부재(4)에 좌굴 변형 등의 예기치 않은 변형이 생기기 어렵게 되어 있다.

플러그 부재(4)가 제2 홈부(5B) 내에 밀려들어가는 도중의 단계에서, 도 10에 나타내는 바와 같이 제1 홈부(5A) 내에 수용된 히터 시스(3) 중 제2 홈부(5B)측으로 돌출된 부분에 대하여 플러그 부재(4)의 바닥면(4B)이 접한다. 이 상태로부터 더욱 플러그 부재(4)가 안쪽으로 밀려들어가면, 플러그 부재(4)의 바닥면(4B)이 히터 시스(3)에 의해 소성 변형되어, 바닥면(4B)에 있어서의 중앙측 부분이 대략 평평한 형상으로부터 히터 시스(3)의 외주면을 따른 원호 형상이 된다(도 3을 참조). 이 때, 플러그 부재(4)는 바닥면(4B)에 대해서는 소성 변형한다. 제1 홈부(5A)에 들어간 히터 시스(3)의 중심(C)이 제2 홈부(5B)의 바닥면(5B2)보다 낮은 배치로 되어 있으므로, 플러그 부재(4)를 단접 접합할 때, 히터 시스(3)가 제1 홈부(5A)로부터 제2 홈부(5B)측으로 떠오르도록 위치가 어긋나는 사태가 생기기 어렵게 되어 있다.

여기서, 제2 홈부(5B)는 제1 홈부(5A)보다 폭이 넓은 점에서, 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)과 제1 홈부(5A)에 들어간 히터 시스(3) 사이에는 제2 홈부(5B)의 바닥면(5B2)분의 거리가 비어 있다. 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)은 단접 접합에 있어서의 플러그 부재(4)의 측면(4A)과 제2 홈부(5B)의 측면(5B1) 사이에 생기는 마찰 저항에 의해 플러그 부재(4)의 변위가 구속되지만, 당해 개소로부터 히터 시스(3)까지의 거리가 바닥면(5B2)의 존재에 의해 충분하게 확보됨으로써, 플러그 부재(4)의 바닥면(4B) 중 히터 시스(3)와 대향하는 부분이 히터 시스(3)에 도달하게 쉽게 되어 있다. 또한 플러그 부재(4)의 폭(W)이 히터 시스(3)의 외경(R)보다 크므로, 플러그 부재(4)의 바닥면(4B)이 충분히 넓게 되어 있어, 그것에 의해 플러그 부재(4)의 바닥면(4B) 중 히터 시스(3)와 대향하는 부분이 히터 시스(3)의 외형에 추종하도록 소성 변형하기 쉽게 되어 있다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 플러그 부재(4)의 바닥면(4B)이 제2 홈부(5B)의 바닥면(5B2)에 접하는 깊이까지 플러그 부재(4)가 밀려들어가면, 단접 공정이 완료된다. 이와 같이 하여 단접 공정이 행해지고, 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)가 사이에 히터 시스(3)를 끼운 상태에서 단접 접합되면, 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4) 중 히터 시스(3)를 둘러싸는 부분에는 도 4 내지 도 6에 나타내는 바와 같이 히터 시스(3)의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우(6)가 형성된다. 상세하게는 플러그 부재(4) 중 히터 시스(3)와 대향하는 부분에는 도 5에 나타내는 바와 같이 히터 시스(3) 중 제2 홈부(5B)측으로 돌출된 부분의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우(6)가 형성된다. 패널 부재(2) 중 히터 시스(3)와 대향하는 부분에는 도 6에 나타내는 바와 같이 히터 시스(3) 중 제1 홈부(5A)에 수용된 부분의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우(6)가 형성된다.

그런데, 단접 공정을 행하기 전의 상태에서는, 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)의 각 둘레면에는 알루미늄이 산화한 상태의 산화 피막이 존재하고 있다. 한편, 단접 공정이 행해지면, 플러그 부재(4)의 측면(4A)과 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)이 서로 접한 상태에서 플러그 부재(4)가 안쪽으로 밀려들어가므로, 양측면(4A, 5B1)끼리가 서로 스침으로써 각각의 산화 피막이 제거된다. 이 때, 양측면(4A, 5B1)에 있어서 산화하고 있지 않은 알루미늄끼리의 금속 결합(금속 고상 접합)이 생기는데, 금속 결합이 생긴 상태에서 더욱 플러그 부재(4)가 제2 홈부(5B)의 안쪽으로 밀려들어가면, 양측면(4A, 5B1) 사이에 소성 유동이 생기고, 그것에 따라 도 7에 나타내는 제2 그레인 플로우(7)가 형성된다.

이와 같이, 본 실시형태에 따른 히터 플레이트(1)의 제조 방법에 구비되는 단접 공정에서는, 히터 시스(3)를 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)에 의해 사이에 끼운 상태에서, 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4) 중 히터 시스(3)를 둘러싸는 부분에, 히터 시스(3)의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우(6)가 형성될 정도로 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 단접 접합함으로써, 히터 시스(3)에 대하여 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 높은 밀착 정도로 밀착시킬 수 있다. 게다가, 단접 공정에서는, 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)을 걸치도록 배치됨과 아울러 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)에 대하여 교차하도록 뻗는 형상의 제2 그레인 플로우(7)가 형성될 정도로 금속 결합의 개시 후에 있어서도 플러그 부재(4)를 밀려들어가도록 하고 있다. 이것에 의해, 플러그 부재(4)의 바닥면(4B)을 강하게 히터 시스(3)에 눌러 소성 변형시킬 수 있고, 히터 시스(3)에 대하여 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 보다 높은 밀착 정도로 밀착시킬 수 있다. 따라서, 히터 시스(3)의 열을 효율적으로 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)에 전도시킬 수 있다. 이것에 의해, 가열된 히터 시스(3)의 온도와, 히터 시스(3)로부터의 전열에 의해 가열된 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)의 온도에 생길 수 있는 차가 작아진다. 이 온도차가 작아짐으로써, 히터 시스(3)의 가열 온도를 쓸데없이 높게 하지 않아도 되어 에너지 절약화를 도모할 수 있음과 아울러, 히터 시스(3)의 열팽창량과, 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)의 각 열팽창량의 차가 저감되어, 히터 시스(3)가 열팽창시에 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)로부터 받는 압축 응력을 저감시킬 수 있다. 그 결과, 가열 사이클에 있어서의 히터 시스(3)의 반복 응력을 억제할 수 있고, 히터 시스(3)의 피로 파괴가 저감되어, 히터 시스(3)의 장수명화를 실현할 수 있다.

또 단접 공정을 행할 때의 단접 온도는 250~500℃의 온도 범위가 바람직하고, 300~450℃의 온도 범위가 보다 바람직하며, 350~420℃가 더욱 바람직하다. 또 단접 공정을 행하는 장치의 사용 온도에 맞추어 단접 온도를 적절하게 선택하는 것이 가능하다. 또 단접 공정에 있어서는, 플러그 부재(4)의 체적을 제2 홈부(5B)의 체적으로 나눈 비율이나 단접시의 압력 등을 서서히 크게 하거나 하여, 그레인 플로우(6)나 제2 그레인 플로우(7)를 형성하기 위한 조건을 낼 수 있다. 또 단접 공정을 행한 후에는, 절삭, 연마, 알루마이트 및 쇼트 블라스트 등의 후처리를 행하는 것이 바람직하다.

또 단접 공정이 행해진 후에 자연 냉각되어 상온이 되면, 패널 부재(2)와 히터 시스(3)의 수축차에 의해 응력이 생기는데, 상온에서는 패널 부재(2)의 내력은 크므로 히터 플레이트(1)가 변형하는 일은 없다. 또 히터 시스(3)의 스테인레스강의 강도도 높으므로, 히터 시스(3)의 변형이나 파손도 일어나는 일은 없다. 400℃ 부근에서 단압된 히터 플레이트(1)가 사용 온도 영역인 400℃ 부근으로 가열된다고 하는 것은, 단압되었을 때의 상태로 되돌아가게 되고, 플러그 부재(4)와 히터 시스(3)의 시스재 사이의 응력은 매우 작아져, 히터 플레이트(1)의 변형, 히터 시스(3)의 시스재의 변형이나 파손이 생길 우려가 없어진다.

또 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)에 사용하는 구체적인 알루미늄 재료 또는 알루미늄 합금 재료로서는 JIS1050, 1100, 3003, 3004, 5005, 5052, 6063, 6061, 7003, 7N01 중 어느 하나를 선택할 수 있다. 패널 부재(2)는 재질, 제법에 대해서는 특정하지 않지만, 내리크성을 고려하면 내부 결함이 적은 압연판, 단조품을 소재로 하는 것이 바람직하다. 또 세정 가스에 대한 내식성의 관점으로부터는 알루미늄 재질은 순도 99.5% 이상의 JIS1050이 가장 바람직하다. 히터 플레이트(1)의 대형화에 따라 크리프 변형 방지의 점에서는 1100, 6061 등 보다 고강도의 합금이 사용되도록 되어 있지만, 상기한 어느 알루미늄 또는 알루미늄 합금도 사용할 수 있다. 그 밖에, 마그네슘 함유량이 적은 5005, 5052 등의 Al-Mg 합금도 압접성을 만족시키고, 금속 결합을 확보할 수 있는 조성 범위에 있어서는 사용할 수 있다.

패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)가 동일 재료인 경우에는, 단접 접합시의 변형에 의해 부재끼리가 압접되어 물리적으로 금속 결합하기 쉽다. 또 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)가 이종의 재료여도, 단접 압축시의 변형에 의해 부재끼리가 압접되어 물리적으로 금속 결합하는 것이며, 예를 들면, JIS1000계의 알루미늄재와 JIS3000계의 알루미늄재의 상이한 재료끼리여도 단접 접합에 의해 물리적으로 금속 결합한다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시형태의 히터 플레이트(1)는 서로 단접 접합하고 있는 알루미늄 또는 알루미늄 합금제의 패널 부재(제1 부재)(2)와 플러그 부재(제2 부재)(4)에 의해, 히터 시스(온도 조정 시스)(3)가 사이에 끼워져 유지된 히터 플레이트(1)로서, 패널 부재(2)에는 플러그 부재(4)가 들어가는 제2 홈부(5B)와, 제2 홈부(5B)의 바닥면(5B2)에 있어서 히터 시스(3)가 들어가는 제1 홈부(5A)가 설치되어 있고, 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)의 적어도 한쪽에, 히터 시스(3)의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우(6)가 형성되어 있다.

히터 시스(3)를 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)에 의해 사이에 끼운 상태에서, 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)의 적어도 한쪽에 히터 시스(3)의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우(6)가 형성될 정도로 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 단접 접합함으로써, 히터 시스(3)에 대하여 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 높은 밀착 정도로 밀착시킬 수 있다. 따라서, 히터 시스(3)의 열을 효율적으로 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)에 전도시킬 수 있다. 이것에 의해, 가열된 히터 시스(3)의 온도와, 히터 시스(3)로부터의 전열에 의해 가열된 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)의 온도에 생길 수 있는 차가 작아진다. 이 온도차가 작아짐으로써, 히터 시스(3)의 가열 온도를 쓸데없이 높게 하지 않아도 되어 에너지 절약화를 도모할 수 있음과 아울러, 히터 시스(3)의 열팽창량과, 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)의 각 열팽창량의 차가 저감되어, 히터 시스(3)가 열팽창시에 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)로부터 받는 압축 응력과 인장 응력을 저감시킬 수 있다. 그 결과, 가열 사이클에 있어서의 히터 시스(3)의 반복 응력을 억제할 수 있고, 히터 시스(3)의 피로 파괴가 저감되어, 히터 시스(3)의 장수명화를 실현할 수 있다.

또 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)에는 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)을 걸치도록 배치됨과 아울러 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)에 대하여 교차하도록 뻗는 형상의 제2 그레인 플로우(7)가 형성되어 있다. 이와 같이 하면, 제1 홈부(5A)에 히터 시스(3)를 넣은 상태에서 제2 홈부(5B)에 플러그 부재(4)를 넣을 때, 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)가 단접 접합되면, 히터 시스(3)가 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)에 의해 사이에 끼워진다. 이 때, 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)에 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)을 걸치도록 배치됨과 아울러 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)에 대하여 교차하도록 뻗는 형상의 제2 그레인 플로우(7)가 형성될 정도로 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 단접 접합함으로써, 플러그 부재(4)가 패널 부재(2)에 대하여 강고하게 유지된다. 이것에 의해, 히터 시스(3)에 대하여 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 보다 높은 밀착 정도로 밀착시킬 수 있다.

또 플러그 부재(4)는 폭(W)이 히터 시스(3)의 외경(R)보다 크게 되어 있고, 패널 부재(2)는 제2 홈부(5B)가 제1 홈부(5A)보다 넓은 폭이 되도록 구성된다. 이와 같이 하면, 제1 홈부(5A)에 히터 시스(3)를 넣은 상태에서 제2 홈부(5B)에 플러그 부재(4)를 넣을 때, 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)가 단접 접합되면, 히터 시스(3)가 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)에 의해 사이에 끼워진다. 플러그 부재(4)는 폭(W)이 히터 시스(3)의 외경(R)보다 크므로, 만일 플러그 부재의 폭이 히터 시스(3)의 외경(R)과 동일하게 되어 있는 경우에 비하면, 플러그 부재(4)의 강도가 높다. 따라서, 플러그 부재(4)를 제2 홈부(5B)에 넣고 단접 접합할 때 플러그 부재(4)에 좌굴 변형 등의 예기치 않은 변형이 생기기 어렵게 된다. 또 히터 시스(3)를 제1 홈부(5A)에 넣을 때는 히터 시스(3)가 제2 홈부(5B)를 통과하게 되는데, 이 제2 홈부(5B)가 제1 홈부(5A)보다 폭이 넓게 되어 있으므로, 히터 시스(3)가 제2 홈부(5B)의 측면(5B1)에 간섭하는 사태가 생기기 어렵고, 히터 시스(3)를 제1 홈부(5A)에 넣기 쉽다.

또 패널 부재(2)는 제1 홈부(5A)의 깊이(D)가 히터 시스(3)의 외경(R)보다 작다. 이와 같이 하면, 제1 홈부(5A)에 들어간 히터 시스(3)의 일부가 제2 홈부(5B)측으로 돌출된 상태가 된다. 따라서, 플러그 부재(4)를 그 일부가 제1 홈부(5A)측으로 돌출되는 것 같은 형상으로 하지 않아도, 플러그 부재(4)를 히터 시스(3)에 대하여 밀착시킬 수 있다. 게다가, 제2 홈부(5B)가 제1 홈부(5A)보다 폭이 넓으므로, 제2 홈부(5B)의 둘레면에는 측면(5B1)에 더해 바닥면(5B2)이 포함되어 있다. 따라서, 단접 접합시에 플러그 부재(4)의 변위가 구속되지만, 제2 홈부(5B)의 바닥면(5B2)분의 거리가 비워지게 되므로, 플러그 부재(4)의 바닥면(4B) 중 히터 시스(3)와 대향하는 부분이 히터 시스(3)에 도달하기 쉽게 되어 있다. 또한 플러그 부재(4)의 폭(W)이 히터 시스(3)의 외경(R)보다 크므로, 플러그 부재(4)의 바닥면(4B)이 충분히 넓게 되어 있어, 그것에 의해 플러그 부재(4)의 바닥면(4B) 중 히터 시스(3)와 대향하는 부분이 히터 시스(3)의 외형에 추종하도록 소성 변형하기 쉽게 되어 있다. 이상에 의해, 플러그 부재(4)를 히터 시스(3)에 대하여 보다 높은 밀착 정도로써 밀착시킬 수 있다.

또 패널 부재(2)는 제1 홈부(5A)의 깊이(D)가 히터 시스(3)의 외경(R)의 절반(r)보다 크다. 이와 같이 하면, 제1 홈부(5A)에 들어간 히터 시스(3)의 중심(C)이 제2 홈부(5B)의 바닥면(5B2)보다 낮은 배치가 되므로, 플러그 부재(4)를 단접 접합할 때, 히터 시스(3)가 제1 홈부(5A)로부터 제2 홈부(5B)측으로 떠오르도록 위치가 어긋나는 사태가 생기기 어려워진다.

또 패널 부재(2)는 제1 홈부(5A)의 깊이(D)가 다음의 식(3)을 만족시키도록 구성된다.

D≤r+r·sin54° (3)

제1 홈부(5A)의 깊이(D)가 히터 시스(3)의 외경(R)의 절반(r)보다 크면, 히터 시스(3)의 외주면의 일부가 제1 홈부(5A)의 둘레면의 일부와는 비접촉이 될 가능성이 있다. 여기서, 만일 히터 시스의 외주면이 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)에 대하여 비접촉이 되는 비접촉 면적의 비율이 30%를 넘으면, 히터 시스(3)로부터 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)로의 전열 성능이 악화되는 것이 우려된다. 그 점에서 패널 부재(2)는 제1 홈부(5A)의 깊이(D)가 상기한 식(3)을 만족시키도록 구성되어 있으므로, 히터 시스(3)의 외주면이 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)에 대하여 비접촉이 되는 비접촉 면적의 비율이 30% 미만이 된다. 이것에 의해, 히터 시스(3)로부터 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)로의 전열 성능을 양호하게 유지할 수 있다.

또 그레인 플로우(6)는 적어도 플러그 부재(4) 중 히터 시스(3)와 대향하는 부분에 형성되어 있다. 이와 같이 하면, 히터 시스(3)를 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)에 의해 사이에 끼운 상태에서, 플러그 부재(4) 중 히터 시스(3)와 대향하는 부분에 그레인 플로우(6)가 형성될 정도로 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 단접 접합함으로써, 히터 시스(3)에 대하여 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 높은 밀착 정도로 밀착시킬 수 있다.

또 그레인 플로우(6)는 적어도 패널 부재(2) 중 제1 홈부(5A)의 홈 가장자리에 형성되어 있다. 이와 같이 하면, 히터 시스(3)를 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)에 의해 사이에 끼운 상태에서, 패널 부재(2) 중 제1 홈부(5A)의 홈 가장자리에 그레인 플로우(6)가 형성될 정도로 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 단접 접합함으로써, 히터 시스(3)에 대하여 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 높은 밀착 정도로 밀착시킬 수 있다.

또 본 실시형태에 따른 히터 플레이트(1)의 제조 방법은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금제의 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 단접 접합함으로써, 히터 시스(3)를 사이에 끼워서 유지시키는 단접 공정을 포함하는 히터 플레이트(1)의 제조 방법으로서, 패널 부재(2)에는 플러그 부재(4)가 들어가는 제2 홈부(5B)와, 제2 홈부(5B)의 바닥면(5B2)에 있어서 히터 시스(3)가 들어가는 제1 홈부(5A)가 설치되어 있고, 단접 공정에서는 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)의 적어도 한쪽에 히터 시스(3)의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우(6)가 형성되도록 단접 접합한다.

단접 공정에서는 히터 시스(3)를 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)에 의해 사이에 끼운 상태에서, 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)의 적어도 한쪽에 히터 시스(3)의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우(6)가 형성될 정도로 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 단접 접합함으로써, 히터 시스(3)에 대하여 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)를 높은 밀착 정도로 밀착시킬 수 있다. 따라서, 히터 시스(3)의 열을 효율적으로 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)에 전도시킬 수 있다. 이것에 의해, 가열된 히터 시스(3)의 온도와, 히터 시스(3)로부터의 전열에 의해 가열된 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)의 온도에 생길 수 있는 차가 작아진다. 이 온도차가 작아짐으로써, 히터 시스(3)의 가열 온도를 쓸데없이 높게 하지 않아도 되어 에너지 절약화를 도모할 수 있음과 아울러, 히터 시스(3)의 열팽창량과, 패널 부재(2) 및 플러그 부재(4)의 각 열팽창량의 차가 저감되어, 히터 시스(3)가 열팽창시에 패널 부재(2)와 플러그 부재(4)로부터 받는 압축 응력을 저감시킬 수 있다. 그 결과, 가열 사이클에 있어서의 히터 시스(3)의 반복 응력을 억제할 수 있고, 히터 시스(3)의 피로 파괴가 저감되어, 히터 시스(3)의 장수명화를 실현할 수 있다.

<실시형태 2>

실시형태 2를 도 12 또는 도 13에 의해 설명한다. 이 실시형태 2에서는 패널 부재(12) 및 플러그 부재(14)의 구성을 변경한 것을 나타낸다. 또한 상기한 실시형태 1과 마찬가지의 구조, 작용 및 효과에 대해서 중복되는 설명은 생략한다. 또 본 실시형태의 설명에서 등장하는 상기한 실시형태 1과 동일한 명칭의 구성 요소에는 동일한 부호를 사용함과 아울러 그 선두에 첨자 「1」을 붙인다.

도 12는 히터 플레이트(11)를 구성하는 패널 부재(12), 히터 시스(13) 및 플러그 부재(14)의 단면도이다. 본 실시형태에 따른 플러그 부재(14)는 도 12에 나타내는 바와 같이 단접 방향에 대한 전단측(도 12의 하단측)이 단접 방향에 대한 후단측(도 12의 상단측)보다 좁은 폭으로 되어 있어, 단면 형상이 역사다리꼴 형상을 이루고 있다. 이것에 따라, 패널 부재(12)는 제2 홈부(15B)의 단면 형상이 역사다리꼴 형상을 이루도록 구성되어 있다. 플러그 부재(14)의 측면(14A) 및 제2 홈부(15B)의 측면(15B1)은 함께 직선 형상을 이룸과 아울러 단접 방향에 대하여 경사 형상(테이퍼 형상)을 이루고 있다. 플러그 부재(14)의 측면(14A) 및 제2 홈부(15B)의 측면(15B1)은 단접 방향에 대한 전단측이 폭 방향(도 12의 좌우 방향)에 대해서 히터 시스(13)에 가깝게 되고, 단접 방향에 대한 후단측이 폭 방향에 대해서 히터 시스(13)로부터 멀어지는 것 같은 구배로 되어 있다. 또 플러그 부재(14)는 그 폭의 최소값(바닥면(14B)의 폭)(W3)이 히터 시스(13)의 외경(R)보다 크다.

또 플러그 부재(14)의 높이(h1)와 폭의 최소값(W3)의 관계(비율)는 단접 방향에 대한 측면(14A)의 경사 각도(테이퍼 각도)를 조정함으로써 좌굴 저항을 향상시킬 수 있는 점에서 특별히 제약을 두지 않아도 되는데, 히터 플레이트(11)의 전체 두께와 히터 시스(13)의 외경(R)의 관계나 상기 경사 각도가 0°에 가까운 경우 등의 좌굴 저항을 고려하면 1 이상 5 이하가 바람직하고, 또한 단접 접합시에 제2 홈부(15B)의 측면(15B1)으로부터 받는 저항을 고려하면, 1 이상 3 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한 1 이하라도 접합은 가능하지만, 단접 접합되는 부분의 히터 플레이트(11) 사용중의 열변형이나 접합부 강도 등을 고려하면 1 이상이 바람직하기 때문에, 여기서는 하한값은 1 이상으로 했다.

도 13은 단접 공정에 있어서 플러그 부재(14)를 제2 홈부(15B)에 넣는 도중의 상태를 나타내는 단면도이다. 이와 같은 구성에 의하면, 단접 공정에 있어서, 제1 홈부(15A)에 히터 시스(13)를 넣은 상태에서 제2 홈부(15B)에 플러그 부재(14)를 넣을 때, 도 13에 나타내는 바와 같이 패널 부재(12)의 제2 홈부(15B)의 측면(15B1)과 플러그 부재(14)의 측면(14A)이 서로 단접 접합되면, 히터 시스(13)가 패널 부재(12)와 플러그 부재(14)에 의해 사이에 끼워진다. 단접 접합시에는 플러그 부재(14)의 측면(14A)과 제2 홈부(15B)의 측면(15B1)이 서로 접한 상태에서 플러그 부재(14)가 안쪽으로 밀려들어가므로, 양측면(14A, 15B1)끼리가 서로 스침으로써 각각의 산화 피막이 제거된다. 여기서, 패널 부재(12)의 제2 홈부(15B)의 측면(15B1)과 플러그 부재(14)의 측면(14A)이 함께 단접 방향에 대하여 경사짐으로써, 각 측면(14A, 15B1)에 존재하고 있던 산화 피막이 박리되기 쉽게 되어 있다. 따라서, 양측면(14A, 15B1)에 있어서 산화하고 있지 않은 알루미늄끼리가 강고하게 금속 결합되도록 되어 있다. 또 패널 부재(12) 및 플러그 부재(14)에는 상기한 실시형태 1에서 설명한 바와 같은 제2 그레인 플로우가 형성된다(도 7을 참조).

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 패널 부재(12) 및 플러그 부재(14)는 서로 단접 접합되는 제2 홈부(15B)의 측면(15B1)과 플러그 부재(14)의 측면(14A)이 함께 단접 방향에 대하여 경사지도록 구성된다. 이와 같이 하면, 제1 홈부(15A)에 히터 시스(13)를 넣은 상태에서 제2 홈부(15B)에 플러그 부재(14)를 넣을 때, 패널 부재(12)의 제2 홈부(15B)의 측면(15B1)과 플러그 부재(14)의 측면(14A)이 서로 단접 접합되면, 히터 시스(13)가 패널 부재(12)와 플러그 부재(14)에 의해 사이에 끼워진다. 단접 접합시에는 패널 부재(12)의 제2 홈부(15B)의 측면(15B1)과 플러그 부재(14)의 측면(14A)에 존재하고 있던 산화 피막이 박리됨으로써, 패널 부재(12)와 플러그 부재(14)가 금속 결합되도록 되어 있다. 여기서, 패널 부재(12)의 제2 홈부(15B)의 측면(15B1)과 플러그 부재(14)의 측면(14A)이 함께 단접 방향에 대하여 경사짐으로써, 각 측면(14A, 15B1)에 존재하고 있던 산화 피막이 박리되기 쉽게 되어 있으므로, 패널 부재(12)와 플러그 부재(14)가 강고하게 금속 결합되도록 되어 있다.

<실시형태 3>

실시형태 3을 도 14에 의해 설명한다. 이 실시형태 3에서는 상기한 실시형태 2로부터 홈부(25)에 넣는 히터 시스(23)의 수를 변경한 것을 나타낸다. 또한 상기한 실시형태 1과 마찬가지의 구조, 작용 및 효과에 대해서 중복되는 설명은 생략한다. 또 본 실시형태의 설명에서 등장하는 상기한 실시형태 1과 동일한 명칭의 구성 요소에는 동일한 부호를 사용함과 아울러 그 선두에 첨자 「2」를 붙인다.

도 14는 히터 플레이트(21)를 구성하는 패널 부재(22), 히터 시스(23) 및 플러그 부재(24)의 단면이다. 본 실시형태에 따른 패널 부재(22)의 홈부(25)에는 도 14에 나타내는 바와 같이 2개의 히터 시스(23)가 수용되도록 되어 있다. 상세하게는 패널 부재(22)의 홈부(25)에는 2개의 제1 홈부(25A)가 포함되어 있고, 이들 2개의 제1 홈부(25A)가 제2 홈부(25B)의 바닥면(25B2)에 개구되도록 설치되어 있다. 2개의 제1 홈부(25A)는 폭 방향(도 14의 좌우 방향)에 대해서 간격을 둔 위치에 배치되어 있다. 따라서, 제2 홈부(25B)의 바닥면(25B2)은 2개의 제1 홈부(25A)의 각각에 대하여 폭 방향에 대해서 단측에 있어서 각 측면(25B1)으로 이어지는 2개의 부분과, 2개의 제1 홈부(25A)의 사이에 끼워지는 부분의 3개로 분할되게 된다. 이와 같이, 제2 홈부(25B)의 바닥면(25B2)에 2개의 제1 홈부(25A)가 개구되도록 구성됨에 따라, 플러그 부재(24)는 그 폭의 최소값(W4)이 상기한 실시형태 2에 있어서의 폭의 최소값(W3)보다 확장되어 있다. 구체적으로는 플러그 부재(24)의 폭의 최소값(W4)은 히터 시스(23)의 외경(R)의 2배보다 크게 되어 있어, 플러그 부재(24)의 바닥면(24B)이 보다 넓게 되어 있다.

이와 같은 구성에 의하면, 단접 공정에서는 2개의 히터 시스(23)가 공통의 제2 홈부(25B)를 통과하여 2개의 제1 홈부(25A)에 대해서 각각 들어간다. 제2 홈부(25B)에 플러그 부재(24)를 넣을 때, 패널 부재(22)와 플러그 부재(24)를 단접 접합하면, 2개의 제1 홈부(25A)에 들어간 2개의 히터 시스(23)가 패널 부재(22)와 플러그 부재(24)에 의해 일괄하여 사이에 끼워진다. 게다가, 플러그 부재(24)의 바닥면(24B)이 상기한 실시형태 1보다 넓게 되어 있으므로, 플러그 부재(24)의 바닥면(24B) 중 히터 시스(23)와 대향하는 부분이 히터 시스(23)의 외형에 추종하도록 보다 소성 변형하기 쉽게 되어 있다. 이것에 의해, 플러그 부재(24)를 히터 시스(23)에 대하여 더욱 높은 밀착 정도로써 밀착시킬 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 패널 부재(22)는 제2 홈부(25B)의 바닥면(25B2)에 복수의 제1 홈부(25A)가 개구되도록 구성된다. 이와 같이 하면, 제2 홈부(25B)를 통과하여 복수의 제1 홈부(25A)에 대해서 각각 히터 시스(23)가 들어간다. 제2 홈부(25B)에 플러그 부재(24)를 넣을 때, 패널 부재(22)와 플러그 부재(24)를 단접 접합하면, 복수의 제1 홈부(25A)의 각 히터 시스(23)가 패널 부재(22)와 플러그 부재(24)에 의해 일괄하여 사이에 끼워진다. 게다가, 제2 홈부(25B)의 바닥면(25B2)에 복수의 제1 홈부(25A)가 개구되도록 구성되어 있으면, 플러그 부재(24)의 폭의 최소값(W4)이 히터 시스(23)의 외경(R)의 2배보다 크므로, 플러그 부재(24)의 바닥면(24B)이 보다 넓게 되어 있다. 따라서, 플러그 부재(24)의 바닥면(24B) 중 히터 시스(23)와 대향하는 부분이 히터 시스(23)의 외형에 추종하도록 보다 소성 변형하기 쉬워진다. 이것에 의해, 플러그 부재(24)를 히터 시스(23)에 대하여 더욱 높은 밀착 정도로써 밀착시킬 수 있다.

<다른 실시형태>

본 명세서가 개시하는 기술은 상기 기술 및 도면에 의해 설명한 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 다음과 같은 실시형태도 기술적 범위에 포함된다.

(1) 플러그 부재(4, 14, 24)는 복수의 부재(분할 플러그 부재)로 분할되어 있어도 상관없다. 그 경우에는 복수의 분할 플러그 부재를 동시에 단접하는 것도,또는 순차적으로 단접해가는 것도 가능하다. 복수의 분할 플러그 부재를 순차적으로 단접하는 경우에는 한번에 단접하는 부위의 범위가 감소하는 점에서, 보다 작은 프레스기를 사용해도 단접이 가능하다.

(2) 그레인 플로우(6)는 패널 부재(2, 12, 22) 및 플러그 부재(4, 14, 24) 중 패널 부재(2, 12, 22)에만 형성되는 경우도 있고, 플러그 부재(4, 14, 24)에만 형성되는 경우도 있다. 그레인 플로우(6)의 구체적인 형상이나 형성 범위는 각 도면 이외에도 가능하다.

(3) 제2 그레인 플로우(7)는 비형성으로 할 가능성도 있다. 또 제2 그레인 플로우(7)의 구체적인 형상이나 형성 범위는 각 도면 이외에도 가능하다.

(4) 패널 부재(2, 12, 22)는 제1 홈부(5A, 15A, 25A)의 깊이(D)가 히터 시스(3, 13, 23)의 외경(R)과 동일해도 되고, 또 히터 시스(3, 13, 23)의 외경(R)보다 커도 된다. 어느 경우에 있어서도, 플러그 부재(4, 14, 24)의 바닥면(4B)에는 제1 홈부(5A, 15A, 25A)측으로 돌출되는 돌출부를 설치하도록 하면, 당해 돌출부를 히터 시스(3, 13, 23)에 대하여 압접하는 것이 가능하게 된다.

(5) 패널 부재(2, 12, 22)는 제1 홈부(5A, 15A, 25A)의 깊이(D)가 히터 시스(3, 13, 23)의 외경(R)의 절반(r)과 동일해도 되고, 또 히터 시스(3, 13, 23)의 외경(R)의 절반(r)보다 작아도 된다.

(6) 플러그 부재(4, 14, 24)에 있어서의 폭(W)과 높이(제2 홈부(5B, 15B, 25B)의 깊이)와의 구체적인 비율에 대해서는 도시 이외에도 적절하게 변경 가능하다.

(7) 제1 홈부(5A, 15A, 25A)의 폭의 최대값(W1)과, 제2 홈부(5B, 15B, 25B)의 폭(W2)의 구체적인 비율에 대해서는 도시 이외에도 적절하게 변경 가능하다.

(8) 각 도면에는 히터 시스(3, 13, 23)의 비접촉 부분(3A)이 도시되어 있는데, 단접 접합에 따라 소성 변형한 플러그 부재(4, 14, 24)가 제1 홈부(5A, 15A, 25A) 내에 대략 간극 없이 충전되는 경우도 있고, 그 경우는 히터 시스(3, 13, 23)에는 비접촉 부분이 생기지 않게 될 가능성도 있다. 또 제1 홈부(5A, 15A, 25A)에 있어서의 플러그 부재(4, 14, 24)의 충전 상황에 따라서는 히터 시스(3, 13, 23)의 비접촉 부분(3A)이 각 도면과는 상이한 형태로 잔존할 가능성도 있다.

(9) 실시형태 1, 2에 기재된 구성에 있어서, 제1 홈부(5A, 15A)가 제2 홈부(5B, 15B)에 있어서의 폭 방향에 대한 중앙 위치로부터 편재하고 있어도 상관없다.

(10) 실시형태 2, 3에 기재된 구성에 있어서, 플러그 부재(14, 24)의 측면(14A) 및 제2 홈부(15B, 25B)의 측면(15B1, 25B1)은 직선 형상이 아니라 곡선 형상이어도 된다. 또 플러그 부재(14, 24)의 측면(14A) 및 제2 홈부(15B, 25B)의 측면(15B1, 25B1)이 단접 방향에 대하여 이루는 구체적인 각도는 도시 이외에도 적절하게 변경 가능하다.

(11) 실시형태 3에 기재된 구성에 있어서, 패널 부재(22)는 제2 홈부(25B)의 바닥면(25B2)에 3개 이상의 제1 홈부(25A)가 개구되도록 구성되어도 된다. 그 경우, 패널 부재(22)의 홈부(25)에는 3개 이상의 히터 시스(23)가 수용된다.

(12) 제1 홈부(5A, 15A, 25A) 내에 복수의 히터 시스(3, 13, 23)를 단접 방향을 따라 늘어서는 형태로 넣도록 해도 된다.

(13) 패널 부재(2, 12, 22)나 플러그 부재(4, 14, 24)에 사용하는 구체적인 재료는 알루미늄을 함유하고 있는 한 적절하게 변경 가능하다.

(14) 플러그 부재(4, 14, 24) 및 히터 시스(3, 13, 23)에 있어서의 구체적인 평면 형상은 도시 이외에도 적절하게 변경 가능하다.

(15) 히터 플레이트(1, 11, 21)에 있어서의 구체적인 평면 형상은 도시 이외에도 원형이나 타원형 등으로 변경 가능하다.

(16) 전열(가열)을 행하기 위한 전열선을 가지는 히터 시스(3, 13, 23) 대신에 전열 및 흡열(냉각)을 적절하게 행하여 온도 조정하는 온도 조정 시스를 사용하는 것도 가능하다. 즉, 온도 조정 시스를 통하여 제1 부재와 제2 부재로의 전열이 행해져도 되고, 제1 부재와 제2 부재로부터 흡열해도 된다. 온도 조정 시스는 전열을 행하기 위한 전열선 등의 히터와, 흡열을 행하기 위한 냉매 등의 열유체를 내포해도 된다. 열유체는 온도 조정 시스 내를 유동하고, 외부로부터 흡열하는 것이다. 고온의 열유체가 유동하는 온도 조정 시스를 통하여 제1 부재와 제2 부재를 가열해도 된다. 이와 같은 온도 조정 시스를 사용한 경우라도, 히터 시스(3, 13, 23)를 사용한 경우와 마찬가지의 작용 및 효과를 얻을 수 있다.

1, 11, 21…히터 플레이트, 2, 12, 22…패널 부재(제1 부재), 3, 13, 23…히터 시스(온도 조정 시스), 4, 14, 24…플러그 부재(제2 부재), 4A, 14A…측면, 5A, 15A, 25A…제1 홈부, 5B, 15B, 25B…제2 홈부, 5B1, 15B1, 25B1…측면, 5B2, 25B2…바닥면, 6…그레인 플로우, 7…제2 그레인 플로우, D…깊이, R…외경, r…절반, W…폭

Claims

서로 단접 접합하고 있는 알루미늄 또는 알루미늄 합금제의 제1 부재와 제2 부재에 의해, 온도 조정 시스가 사이에 끼워져 유지된 히터 플레이트로서,
상기 제1 부재에는, 상기 제2 부재가 들어가는 제2 홈부와, 상기 제2 홈부의 바닥면에 있어서 상기 온도 조정 시스가 들어가는 제1 홈부가 설치되어 있고,
상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 적어도 한쪽에, 상기 온도 조정 시스의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 히터 플레이트.
제1항에 있어서, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재에는, 상기 제2 홈부의 측면을 걸치도록 배치됨과 아울러 상기 제2 홈부의 측면에 대하여 교차하도록 뻗는 형상의 제2 그레인 플로우가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 히터 플레이트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 부재는, 폭이 상기 온도 조정 시스의 외경보다 크게 되어 있고,
상기 제1 부재는, 상기 제2 홈부가 상기 제1 홈부보다 넓은 폭이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 히터 플레이트.
제3항에 있어서, 상기 제1 부재는, 상기 제2 홈부의 바닥면에 복수의 상기 제1 홈부가 개구되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 히터 플레이트.
제3항에 있어서, 상기 제1 부재는, 상기 제1 홈부의 깊이가 상기 온도 조정 시스의 외경의 절반보다 큰 것을 특징으로 하는 히터 플레이트.
제5항에 있어서, 상기 온도 조정 시스의 외경의 절반을「r」이라고 하고, 상기 제1 홈부의 깊이를「D」라고 했을 때, 상기 제1 부재는, 상기 제1 홈부의 깊이가 다음의 식(1):
D≤r+r·sin54° (1)
을 만족시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 히터 플레이트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 그레인 플로우는, 적어도 상기 제2 부재 중 상기 온도 조정 시스와 대향하는 부분에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 히터 플레이트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 그레인 플로우는, 적어도 상기 제1 부재 중 상기 제1 홈부의 홈 가장자리에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 히터 플레이트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 부재 및 제2 부재는, 서로 단접 접합되는 상기 제2 홈부의 측면과 상기 제2 부재의 측면이 함께 단접 방향에 대하여 경사지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 히터 플레이트.
알루미늄 또는 알루미늄 합금제의 제1 부재와 제2 부재를 단접 접합함으로써, 온도 조정 시스를 사이에 끼워 유지시키는 단접 공정을 포함하는 히터 플레이트의 제조 방법으로서,
상기 제1 부재에는, 상기 제2 부재가 들어가는 제2 홈부와, 상기 제2 홈부의 바닥면에 있어서 상기 온도 조정 시스가 들어가는 제1 홈부가 설치되어 있고,
상기 단접 공정에서는, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 적어도 한쪽에, 상기 온도 조정 시스의 외형을 따른 형상의 그레인 플로우가 형성되도록 단접 접합하는 것을 특징으로 하는 히터 플레이트의 제조 방법.