(57)【要約】      （修正有）【課題】熱交換効率が向上し、かつ、半導体ウエハや液晶ガラスなどの製造物の汚染や循環式ポンプ等の設備故障の要因となる脱粒が少なく信頼性の向上した熱交換部材を提供する。【解決手段】アルミナ質焼結体からなり、流体との熱交換に用いられる熱交換部材１０であって、前記流体との接触面における粗さ曲線から求められるクルトシス（Ｒｋｕ）が３〜９の熱交換部材。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナ質焼結体からなり、流体との熱交換に用いられる熱交換部材であって、前記流体との接触面における粗さ曲線から求められるクルトシス（Ｒｋｕ）が３を超えて９以下であることを特徴とする熱交換部材。
【請求項２】
前記接触面における粗さ曲線から求められるクルトシス（Ｒｋｕ）が４以上９以下であることを特徴とする熱交換部材。
【請求項３】
前記接触面を鏡面加工した面において観察されるアルミナ結晶の平均結晶粒径が１μｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換部材。
【請求項４】
前記アルミナ質焼結体がシリカを含んでなり、前記接触面の表面部におけるシリカの含有量が、前記アルミナ質焼結体の内部におけるシリカの含有量よりも多いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱交換部材。
【請求項５】
前記アルミナ質焼結体がシリカを含み、流路を内側に備えてなり、露出面の表面部におけるシリカの含有量が、前記アルミナ質焼結体の内部におけるシリカの含有量よりも少ないことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱交換部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体との熱交換に用いられる熱交換部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置や液晶製造装置などにおいては、高温や低温の流体と接触させることによって温度調整を図ったり、熱源から受けた熱を放散したりするのに、熱交換部材が用いられている。そして、このような熱交換部材として、アルミナ質焼結体用いられている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第4762168号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アルミナ質焼結体は、多結晶体であり、複数の粒子によって構成されているものであるため、アルミナ質焼結体からなる熱交換部材と流体との接触の繰り返しによって粒子が脱落（以下、脱粒という場合がある。）した場合には、例えば、半導体ウエハや液晶ガラスなどの製造物を汚染してしまう。また、流体とともに脱落した粒子が流れた場合には、流体を循環させるためのポンプ等の設備に粒子が入り込むこととなり、設備を故障させてしまう。そのため、アルミナ質焼結体からなる熱交換部材には、流体との接触を繰り返したとしても脱粒が少ないことが求められている。また、今般の熱交換部材には、更なる熱交換効率の向上が求められている。
【０００５】
本発明は、上記要求を満たすべく案出されたものであり、熱交換効率が向上し、かつ、製造物の汚染や設備故障の要因となる脱粒が少なく信頼性の向上した熱交換部材を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の熱交換部材は、アルミナ質焼結体からなり、流体との熱交換に用いられる熱交換部材であって、前記流体との接触面における粗さ曲線から求められるクルトシス（Ｒｋｕ）が３を超えて９以下であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の熱交換部材によれば、流体の流れがスムーズであること、製造物の汚染や設備故障の要因となる脱粒が少ないことから、熱交換効率や信頼性の向上した熱交換部材とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態の熱交換部材の一例を示す斜視図である。
【図２】本実施形態の熱交換部材の他の例を示す、流体の流れる方向に対して直交する方向に切断した部分断面を含む斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本実施形態の熱交換部材の一例を示す斜視図であり、以降の図において同一の構成を指す場合には、同一の番号を付するものとする。図１に示す例の熱交換部材10は、主面１を有し、主面１の反対側に複数のフィン２を有している。
【００１０】
そして、隣り合うフィン２の間が、流体の流路３であり、フィン２の表面およびフィン２間に挟まれている表面が流体との接触面であり、この接触面に高温や低温の流体を接触させることにより、主面１に載置した部材の温度調整を行なったり、主面１に載置した部材から伝わった熱を放熱したりすることができるものである。なお、流体とは、気体であっても液体であってもよい。
【００１１】
そして、本実施形態の熱交換部材10は、アルミナ質焼結体からなり、流体との接触面における粗さ曲線から求められるクルトシス（Ｒｋｕ）が３を超えて９以下である。ここで、粗さ曲線から求められるクルトシス（Ｒｋｕ）とは、表面、本実施形態における接触面の凹凸の山の尖り度を示すパラメータであり、平たく言えば、本実施形態の熱交換部材10における接触面は、山となるアルミナ結晶が尖っているものである。
【００１２】
本実施形態の熱交換部材10は、上記構成を満たしていることにより、流体と接触するアルミナ結晶は鋭利になっているため、接触面において流体が層流になりにくくなり、流体の流れがスムーズであることから、熱交換効率が向上する。また、流体の流れがスムーズであることから、流体との接触を繰り返したとしても脱粒しにくく、製造物の汚染や設備故障の要因が減少するため、信頼性が向上する。なお、脱粒しにくいのには、アルミナ結晶の露出していない部分も尖っていることにも起因していると推察される。また、上記構成を満たしていることにより、流体中に浮遊しているゴミ等を捕集することもできる。
【００１３】
そして、流体との接触面における粗さ曲線から求められるクルトシス（Ｒｋｕ）は４以上９以下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、さらに、流体の流れがスムーズになることから、流体との接触を繰り返したとしても脱粒しにくくなる。また、製造物の汚染や設備故障の要因がさらに減少するため、信頼性がより向上する。特に、流体との接触面積の大きい面において、粗さ曲線から求められるクルトシス（Ｒｋｕ）は４以上９以下であることが好適である。
【００１４】
ここで、接触面における粗さ曲線から求められるクルトシス（Ｒｋｕ）の確認方法としては、ＪＩＳ  Ｂ  0601−2001に基づいて、接触型もしくは非接触型の粗さ測定器を用いて測定すればよい。
【００１５】
また、本実施形態の熱交換部材10は、アルミナ質焼結体からなるものであることから、流体が腐食性を有していたり、用いられる環境が腐食性ガス環境であったりしても使用可能である。
【００１６】
次に、図２は、本実施形態の熱交換部材の他の例を示す、流体の流れる方向に対して直交する方向に切断した部分断面を含む斜視図である。この図２に示す例の熱交換部材20は、天板４、隔壁５、底板６と、流体の流入口７と、図示していない流出口を有している。そして、天板４、隔壁５および底板６で囲まれた空間が流路３であり、流入口７から入った流体は、各流路３に分岐して流れ、流出口から排出されるものである。
【００１７】
そして、熱交換部材20においては、流路３を形成するそれぞれの面が接触面であり、この接触面に高温や低温の流体を接触させることにより、主面１に載置した部材の温度調整を行なったり、主面１に載置した部材から伝わった熱を放熱したりすることができるものである。
【００１８】
本実施形態の熱交換部材20は、図１に示した熱交換部材10同様に、アルミナ質焼結体からなり、流体との接触面における粗さ曲線から求められるクルトシス（Ｒｋｕ）が３を超えて９以下である。このような構成を満たしていることにより、接触面において流体が層
流になりにくくなり、流体の流れがスムーズであることから熱交換効率が向上し、製造物の汚染や設備故障の要因となる脱粒が少ないことから信頼性が向上する。
【００１９】
また、本実施形態の熱交換部材10，20においては、接触面を鏡面加工した面において観察されるアルミナ結晶の平均結晶粒径が１μｍ以上２μｍ以下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、原料を細かく粉砕することによる作製コストを増加させることなく、アルミナ結晶の脱落をより少なくすることができる。
【００２０】
ここで、本実施形態の熱交換部材10，20の接触面を鏡面加工した面において観察されるアルミナ結晶の平均結晶粒径の測定方法としては、まず、接触面を鏡面加工し、焼成温度から50〜100℃低い温度の範囲でファイヤーエッチングする。そして、走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ  日本電子製のJSM-7001F等）で1000〜3000倍の倍率で撮影し、撮影した画像を
画像解析装置（例えば三谷商事製のWin ROOF）を用いて各結晶粒の面積を求め、その面積から各結晶の円相当径を算出して平均結晶粒径を求めればよい。
【００２１】
また、本実施形態の熱交換部材10，20は、アルミナ質焼結体がシリカ（酸化珪素）を含んでなり、接触面の表面部におけるシリカの含有量が、アルミナ質焼結体の内部におけるシリカの含有量よりも多いことが好適である。
【００２２】
このように、アルミナ質焼結体の接触面の表面部におけるシリカの含有量が、アルミナ質焼結体の内部におけるシリカの含有量よりも多いときには、アルミナ結晶が、より脱落しにくくなり、製造物の汚染や設備故障の要因がさらに減少することとなるため、さらに信頼性の向上した熱交換部材10，20となる。なお、接触面の表面部とは、接触面の表面に垂直な深さ方向において、この表面から50μｍまでの範囲のことであり、アルミナ焼結体の内部とは、表面から50μｍを超えて、他方の表面から50μｍまでの範囲のことである。
【００２３】
また、本実施形態の熱交換部材20は、流路３を内側に備えてなり、露出面の表面部におけるシリカの含有量が、内部におけるシリカの含有量よりも少ないことが好適である。このような構成を満たしているときには、露出面は耐食性が向上したものとなることから、腐食性を有する環境に有用であり、腐食性を有する環境において、主面１に載置した部材の温度調整を行なったり、主面１に載置した部材から伝わった熱を放熱したりすることができる。なお、露出面の表面部とは、露出面の表面に垂直な深さ方向において、この表面から50μｍまでの範囲のことである。そして、図２においては、主面１、主面１の他方の面、側面等が露出面にあたる。
【００２４】
そして、接触面の表面部におけるシリカの含有量と内部におけるシリカの含有量との比較、露出面の表面部におけるシリカの含有量と内部におけるシリカの含有量との比較については、熱交換部材10，20の接触面若しくは露出面の表面に垂直な断面を測定面とし、ＳＥＭに付設のエネルギー分散型Ｘ線分析器（ＥＤＳ）により、接触面の表面部と内部、露出面の表面部と内部のＳｉの含有量差で判断すればよい。また、熱交換部材10，20の接触面若しくは露出面の表面に垂直な断面を測定面とし、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて、Ｓｉのカラーマッピングの色調差で判断してもよい。
【００２５】
次に、本実施形態の熱交換部材の作製方法の一例について説明する。
【００２６】
まず、粒径が５μｍ程度のアルミナ粉末を用意し、このアルミナ粉末を1400℃程度の温度で熱処理する。そして、熱処理後のアルミナ粉末をアルミナボールとともにミルに入れて、粒径が１μｍ程度になるまで粉砕する。このように、熱処理後に粉砕することにより、尖った粒子からなるアルミナ粉末を得ることができる。以降、識別のため、粉砕アルミナ粉末と記載する。
【００２７】
また、シリカ、カルシア（酸化カルシウム）、マグネシア（酸化マグネシウム）等の焼結助剤粉末を用意し、粉砕アルミナ粉末と焼結助剤粉末との合計100質量％のうち、焼結
助剤粉末を７質量％以下とし、残部が粉砕アルミナ粉末となるように秤量する。これを出発原料とする。
【００２８】
そして、この出発原料と、水と、アルミナボールとをミルに入れて混合し、さらに、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、アクリル樹脂等の成形用バインダを入れて混合することにより、スラリーを得る。なお、この成形用バインダの添加量としては、例えば、出発原料100質量部に対して、４質量部以上８質量部以下とすればよい。
【００２９】
次に、スプレードライヤーを用いて、得られたスラリーを噴霧乾燥させることにより、造粒された顆粒を得る。そして、得られた顆粒をゴム型内へ投入し、静水圧プレス法（ラバープレス法）により成形し、ブロック状の成形体を得る。
【００３０】
次に、得られた成形体を所定形状となるように切削加工を施す。このとき、図１に示す形状の熱交換部材10を得るには、複数のフィン２が設けられたものとなるように、外形状を切削加工すればよい。また、図２に示す熱交換部材20を得るには、天板４、隔壁５、底板６の所定形状となるように切削加工すればよい。なお、焼成後の研削加工によって最終製品形状となればよいものであるため、切削加工の時点で、最終製品と同じ形状する必要はない。
【００３１】
次に、得られた成形体を乾燥させた後、焼成炉に入れて、1450℃以上1600℃以下の最高温度で焼成する。なお、焼成時間については成形体の大きさに応じて設定すればよい。そして、必要に応じて研削加工を施すことにより、図１に示す熱交換部材10を得ることができる。また、図２に示す熱交換部材20については、天板４、隔壁５、底板６となる成形体を個別に焼成した場合は、焼成後に、流入口７および流出口を形成する加工や研削加工を行ない、接着剤を用いて接着することによって、図２に示す熱交換部材20を得ることができる。また、切削加工により、天板４、隔壁５、底板６となる成形体を得た後に、上述したスラリーを接合面に塗布し、焼成することによっても、図２に示す熱交換部材20を得ることができる。
【００３２】
また、成形体を得る他の方法としては、まず、粉砕アルミナ粉末、焼結助剤粉末、成形用バインダ、分散剤、潤滑材および溶媒を所定量秤量し、攪拌混合機にて所定時間攪拌・混合し、さらにこれをニーダー混練機により所定時間混練して坏土を得る。次に、得られた坏土を押出成形機に投入し、図１に示す形状の熱交換部材10となる成形体、図２に示す熱交換部材20を構成する天板４、隔壁５、底板６となる板状の成形体を得ることができる金型を通過させて成形体を得てもよい。
【００３３】
さらに、成形体を得る他の方法としては、スラリーを用いてドクターブレード法により形成したグリーンシートや顆粒を用いてロールコンパクション法により形成したグリーンシートを、レーザー加工や金型により所望形状に加工した後に積層して成形体を形成してもよい。具体的には、図２に示す熱交換部材20であれば、天板４や底板６は、外形のみを所望形状となるように、レーザー加工や金型で打ち抜き、隔壁５となる部分については、流路３となる部分が孔となるように、外形および孔が所望形状となるように、レーザー加工や金型で打ち抜いた後、積層すればよい。
【００３４】
また、接合面には、例えば、上述したスラリーを接合剤として用いればよく、積層後には、平板状の加圧具を介して約0.5ＭＰａ程度の圧力を加えることが好適である。
【００３５】
また、流体との接触面において観察されるアルミナ結晶の平均結晶粒径を１μｍ以上２μｍ以下とするには、最高温度を1450℃以上1500℃以下とし、保持時間を2.5時間以上５
時間未満とすればよい。
【００３６】
また、アルミナ質焼結体の接触面の表面部におけるシリカの含有量を、アルミナ質焼結体の内部におけるシリカの含有量よりも多くするには、焼結助剤粉末として、シリカを用いるとともに、接触部全体、言い換えれば流路３を、通気口が１カ所開いた共材で覆って焼成すればよい。このように、比較的閉じられた空間で焼成することにより、アルミナ質焼結体の内部のシリカの含有量よりも、表面部におけるシリカの含有量を多くすることができる。
【００３７】
なお、図２に示す熱交換部材20のような形状であれば、成形体の段階で、接着または接合により、最終製品外形状とし、流入口７または流出口のみを空けた状態で焼成し、焼成後に成形時に形成しなかった流入口７若しくは流出口を形成する加工を行なえばよい。
【００３８】
または、焼結助剤粉末としてシリカを用いた成形体を真空焼成することにより、成形体の内部に含有されるシリカを軟化させてアルミナ質焼結体全体の表面部に浮き出させてもよい。また、図２に示すような、流路３を内部に備える熱交換部材20において、このような方法により焼成した後に露出面を研磨すれば、露出面の表面部におけるシリカの含有量を、アルミナ質焼結体の内部におけるシリカの含有量よりも少なくすることができる。
【００３９】
さらに、他の製造方法としては、積層において、接触面の表面部となるところにシリカの配合を多くしたグリーンシートを用いたり、露出面の表面部となるところにシリカの配合を少なくしたグリーンシートを用いたりしてもよい。
【００４０】
以上の方法により得られた本実施形態の熱交換部材10，20は、流体の流れがスムーズであることから優れた熱交換効率を有しており、製造物の汚染や設備故障の要因となる脱粒が少ないことから優れた信頼性を有している。
【符号の説明】
【００４１】
10，20：熱交換部材
１：主面
２：フィン
３：流路
４：天板
５：隔壁
６：底板
７：流入口
【図１】
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【図２】
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