JP6356562B2

JP6356562B2 - 流路部材

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Publication number: JP6356562B2
Application number: JP2014196861A
Authority: JP
Inventors: 信也宮崎; 隆人本庄; 一憲竹之内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: JP2016069197A

Description

本発明は、流路部材に関するものである。

従来より、主面を被処理物の載置面とし、内部に形成した流路に温かい流体または冷たい流体を流すことにより、被処理物を温めたり、被処理物が持つ熱を冷却したりする温度調節に流路部材が用いられている。そして、このような流路部材は、一方の部材若しくは両方の部材に溝を形成し、これらの部材を接合することにより、流路が形成されている。

例えば、特許文献１には、円盤状の第１の焼成セラミックス成形体と第２の焼成セラミックス成形体の接合面の少なくとも一方の接合面に流体通路（流路）を形成する溝を設け、該第１の焼成セラミックス成形体と第２の焼成セラミックス成形体とを接合することによって、該溝と他方の接合面とによって流体通路が設けられたセラミックス接合体からなる流路部材であるセラミックスヒータ基体が提案されている。

特開平７−272834号公報

近年、載置面の中央部、すなわち、流路部材の中心付近のみを被処理物の温度調節領域とした構成の流路部材が求められている。しかしながら、流路部材の中心付近のみを温度調節領域にすべく、中心付近のみに流路を形成し、流路の領域外を接合面として接合によって流路部材を形成した場合、流路の領域外部分に未接合箇所が多く存在し、流体の密閉性が保てないという問題があった。

本発明は、上記問題を解決すべく案出されたものであり、中心付近に流路が位置する構成の流路部材であっても、未接合部が少なく、密閉性に優れた流路部材を提供することを目的とする。

本発明の流路部材は、接合面に形成された流路を備える円盤状のセラミック接合体からなり、該セラミック接合体における中心からの半径寸法をＡとしたとき、前記中心から０．６Ａの半径寸法の領域内に前記流路を備え、接合面における前記領域外のみに、前記領域と同心円状の囲繞溝を有していることを特徴とするものである。

本発明の流路部材によれば、接合面に形成された流路を備える円盤状のセラミック接合体からなり、該セラミック接合体における中心からの半径寸法をＡとしたとき、前記中心から０．６Ａの半径寸法の領域内に前記流路を備え、接合面における前記領域外のみに、
前記領域と同心円状の囲撓溝を有したものであることにより、領域外における未接合部が少なく、密閉性に優れる。

本実施形態の流路部材の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面透過図である。本実施形態の流路部材の他の例を示す、平面透過図である。

以下、本実施形態の流路部材について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本実施形態の流路部材の一例を示す、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面透過図である。図１に示す例の流路部材１は、第１部材２と第２部材３とが接合された接合体からなり、第１部材２の主面に開口した流入口７および流出口８を有している。なお、本実施形態の流路部材１は、第１部材２および第２部材３のいずれもセラミックスからなるものであるため、セラミック接合体である。

そして、図１（ｂ）に示すように、流入口７および流出口８は、流路４にそれぞれ繋がっており、本実施形態の流路部材１は、流路部材１（セラミック接合体）における中心からの距離をＡとしたとき、中心から0.6Ａの半径寸法の領域５（以下、単に領域５とも言
う。）内に流路４を備えるものである。なお、流路４の外周の内接円が領域５であり、図１においては、色調を異ならせて示している。

そして、本実施形態の流路部材１は、図１（ｂ）に示すように、領域５外の接合面に、領域５と同心円状の囲繞溝６を有している。このような構成を満たしていることにより、領域５外における未接合部が少なく、密閉性に優れた流路部材１となる。このように、領域５外における未接合部が少なく、密閉性に優れた流路部材１とすることができるのは、領域５外の接合面に、領域５と同心円状の囲繞溝６を有していることにより、接合時の膨張や収縮による第１部材および第２部材の挙動のズレに伴って領域５外に生じる内部応力を解放することができるからである。

なお、囲撓溝６とは、領域５と同じ中心の同心円の円周と70％以上重なるもののことを指す。また、囲繞溝６は、連続したものでなければならないものではなく、短い溝が同心円状に並んで設けられていてもよい。また、流路４の形状や、流入口７および流出口８の形成位置等は、図１に示す例に限られるものでないことは言うまでもない。

また、流路４および囲繞溝６は、第１部材２側または第２部材３側の一方のみに設けてもよいし、流路４を第１部材２側、囲繞溝６を第２部材３側、または、囲繞溝６を第１部材２側、流路４を第２部材３側に設けてもよい。さらに、流路４に関しては、第１部材２と第２部材３とにそれぞれ溝を形成し、これらを接合によって合わせることで形成するものであってもよい。

次に、図２は、本実施形態の流路部材の他の例を示す、平面透過図である。この図２に示すように、異なる同心円状の囲繞溝６を複数有していることが好適である。上記構成を満たすときには、領域５外に生じる内部応力をより解放しやすくなることから、未接合部がさらに少なくなるため、密閉性にさらに優れた流路部材10となる。

また、図２に示すように、半径の最も小さい囲繞溝６を第１の囲繞溝６ａ、半径が２番目に小さい囲繞溝６を第２の囲繞溝６ｂとし、領域５の外周と第１の囲繞溝６ａの内周との間隔をＸ、第１の囲繞溝６ａの外周と第２の囲繞溝６ｂの内周との間隔をＹとしたとき、Ｙ／Ｘが0.8〜1.2の範囲内であることが好適である。このような構成を満たしているときには、内部応力の解放効果を有しつつ、囲繞溝６間には接合面には接合に十分な面積を取ることができるとともに、機械的特性を低下させることの少ない囲繞溝６間のリブ厚みを有していることから、流体の密閉性や機械的特性から、さらに信頼性に優れた流路部材10とすることができる。

そして、本実施形態の流路部材１，10を構成するセラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、コージェライト、イットリアなどの酸化物セラミックスや炭化珪素、窒化珪素などの非酸化物セラミックスのいずれも適用可能であるが、流路４に流す流体が持つ熱を効率よく利用するには、熱伝導率の高い炭化珪素を用いることが好適である。

次に、本実施形態の流路部材の製造方法の一例として、炭化珪素を適用した例を説明する。

まず、出発原料として、炭化珪素粉末（平均粒径Ｄ50＝0.5〜10μｍ）と、焼結助剤と
して炭化硼素（Ｂ_４Ｃ）粉末、炭素粉末あるいは酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）粉末を準備し、所定量秤量した後、秤量後の粉末を所定量の溶媒（水）とともにボールミルなどの粉砕機に投入して平均粒径２μｍ以下となるように整粒する。その後さらにポリエチレングリコール，ポリエチレンオキサイド等のバインダーを適量添加してスラリーとした後、このスラリーをスプレードライヤーを用いて噴霧造粒することにより炭化珪素質顆粒を得る。

次に、炭化珪素質顆粒を静水圧プレス成形法（ラバープレス）や粉末プレス成形法にて所定形状に成形し、切削加工により第１部材２となる成形体および第２部材３となる成形体を得る。そして、さらに切削加工を施すことにより、第１部材２となる成形体または第２部材３となる成形体に、流路４、囲撓溝６、流入口７、流出口８等を設ける。

次に、第１部材２となる成形体および第２部材３となる成形体の少なくともいずれかの接合面に接合剤を塗布する。このときに用いる接合剤として、炭化珪素質顆粒の作製時のスラリーを用いれば、接合も兼ねた焼成時において、第１部材２となる成形体および第２部材３となる成形体と同様の収縮挙動を示すため好適である。なお、第１部材２となる成形体および第２部材３となる成形体への接合剤の塗布は、刷毛などを用いてもよいが、塗布厚さをより均一とするためには、接合部のみに接合剤を塗布可能なようにマスキングされたスクリーンを使用して塗布することが好適である。

そして、接合剤塗布後に、第１部材２となる成形体および第２部材３となる成形体の接合面同士を貼り合わせ、所定の圧力で加圧した後、これを焼成炉にて非酸化雰囲気中1800〜2100℃の最高温度で焼成し、焼成後の焼結体に研削加工により最終仕上げを施すことで本実施形態の流路部材１を得ることができる。なお、成形体の切削加工において、囲繞溝６を複数有するものとし、その後の工程を上述した方法により作製すれば、図２に示すような、流路部材10を得ることができる。

また、本実施形態の流路部材の他の製造方法について説明する。まず、流路４、囲撓溝６、流入口７、流出口８等を切削加工により形成済みの第１部材２となる成形体および第２部材３となる成形体を得るところまでは、上述した方法と同様であり、その後これらを焼成し、炭化珪素質焼結体からなる第１部材２および第２部材３を得た後、少なくとも一方の接合面にガラスからなる接合剤を塗布し、熱処理する。以下に接合に関し、詳細を説明する。

ガラス接合剤としては、Ｙ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、Ｙｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２，Ｌｕ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２等のガラスを適用可能であり、ここではＹ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２を用いた例を説明する。まず、酸化イットリウム粉末（平均粒径0.5〜1.5μｍ）、アルミナ粉末（平均粒径0.5〜２μｍ）、酸化珪素粉末（平均粒
径１μｍ以下）を準備し、所定量秤量した後、攪拌ミルを用いて混合粉末とする。そして、この混合粉末にアルミナボール、有機溶剤（イソプロピルアルコールなど）を適量加えたものを円筒プラスチック容器中に入れ、回転装置を用いて８時間以上回転させ混合する
。

その後、円筒プラスチック容器から金属製容器内にスラリーを排出し、排出後、金属製容器にスラリーを入れたまま乾燥機内で所定の温度で８時間以上乾燥し、乾燥後に得られた粉体の固まりを解砕して接合剤用原料とする。

次に、接合剤用原料と溶媒と分散剤とを調合する。なお、調合量としては、接合剤用原料100質量％に対し、溶媒を10〜20質量％、分散剤を0.5〜２質量％の割合で秤量する。ここで、前記溶媒としては、疎水性有機溶媒、例えばパラフィン系等の溶媒を使用することが好適である。また、分散剤については、前記疎水性溶媒に適した非イオン界面活性剤を用いるのが良く、例えば、しょ糖脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、脂肪酸アルカノールアミド等を用いるのがよい。そして、秤量後に円筒プラスチック容器内に投入して、回転装置にて回転させながら８時間以上混合する。

次に、炭化珪素質焼結体からなる第１部材２および第２部材３の少なくとも一方の接合面に接合剤を塗布する。接合剤の塗布は、接合部のみが目開きし、その他は目封止したスクリーンを準備し、そのスクリーンの目開き部分を接合部に合わせ、スクリーン上に接合剤を垂らし、樹脂性のスキージでスクリーンを介して接合剤を塗布する。このとき、接合剤の塗布厚みは例えば、10〜500μｍの範囲内とする。その後は、第１部材２および第２
部材３の接合面同士を貼り合わせ、所定の圧力で加圧した後、窒素雰囲気中1200〜1500℃にて0.5〜３時間保持して熱処理することで本実施形態の流路部材１，10を得ることがで
きる。

次に、未接合部の有無の確認方法について説明する。まず、装置として、超音波探傷装置（株式会社ジーネス社製）を用い、この超音波探傷装置の水槽内の所定位置に流路部材をセットし、測定距離30〜100ｍｍ、プローブ出力15ＭＨｚ、走査ピッチ１ｍｍおよび検
出周波数500ＭＨｚの条件で測定し、得られたチャートを確認することによって未接合部
を確認することができる。また、全接合面積をＡ、チャートによって確認された未接合部の面積をＢとし、Ｂ／Ａ×100の式により計算すれば、接合面積率を算出することができ
る。

図１に示す例の本実施形態の流路部材１の接合面積率は90％以上となり、図２に示す例の本実施形態の流路部材10の接合面積率は93％以上となる、この結果から明らかなように、本実施形態の流路部材は、領域５外における未接合部が少なく、密閉性に優れたものである。

１：流路部材
２：第１部材
３：第２部材
４：流路
５：中心から0.6Ａの半径寸法の領域（領域）
６：囲繞溝
７：流入口
８：流出口

Claims

接合面に形成された流路を備える円盤状のセラミック接合体からなり、該セラミック接合体における中心からの半径寸法をＡとしたとき、前記中心から０．６Ａの半径寸法の領域内に前記流路を備え、接合面における前記領域外のみに、前記領域と同心円状の囲繞溝を有していることを特徴とする流路部材。
異なる同心円状の前記囲繞溝を複数有していることを特徴とする請求項１に記載の流路部材。
半径の最も小さい前記囲繞溝を第１の囲繞溝、半径が２番目に小さい前記囲繞溝を第２の囲繞溝とし、前記領域の外周と前記第１の囲繞溝の内周との間隔をＸ、前記第１の囲繞溝の外周と前記第２の囲繞溝の内周との間隔をＹとしたとき、Ｙ／Ｘが０．８〜１．２の範囲内であることを特徴とする請求項２に記載の流路部材。