CN103415389B - 改进的外冷却回路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于通过热压制且具体地通过热等静压制处理物件的装置。压机装置包括压力容器和适于保持物件的炉腔，该炉腔设置在压力容器内部。与炉腔连通的至少一个引导通路形成外冷却回路，其中外冷却回路中的一部分中的压力介质在该压力介质重新进入炉腔中之前被引导以邻近压力容器壁和顶端盖。进一步，引导通道元件位于形成外冷却回路的所述至少一个引导通路中，所述引导通道元件设置有用于将所述压力介质从隔热罩壳的中心开口径向且周向地引向压力缸的侧壁。至少一个通道沿压力介质的流动方向具有大致恒定的横截面面积。

Description

改进的外冷却回路

技术领域

本发明涉及用于通过热压制且具体地通过热等静压制处理物件的装置。

背景技术

热等静压制(HIP)是被发现越来越广泛的用途的技术。热等静压制例如用于实现诸如涡轮叶片之类的铸件的孔隙的消除，以在相当大程度上增加所述铸件的使用寿命和强度，并且特别地增加疲劳强度。另一个应用领域是通过压缩粉末制造要求完全致密且具有无孔表面的产品。

在热等静压制中，通过压制处理的物件定位在隔热压力容器的装载室中。循环或处理循环包括下述步骤：物件的装载、处理和卸载，并且整个循环持续时间在此称为循环时间。处理又可以分成多个部分或阶段，如压制阶段、加热阶段和冷却阶段。

在装载之后，密封容器，并将压力介质引入压力容器及其装载室中。压力介质的压力和温度随后增加，使得物件在选定的时间段期间受到增加的压力和增加的温度。压力介质并且因而物件的温度增加由设置在压力容器的炉腔中的加热元件或炉子提供。然而，压力、温度和处理时间取决于多种因素，如被处理物件的材料特性、应用领域和被处理物件所要求的质量。热等静压制中的压力和温度通常的范围分别可以是从200巴至5000巴，并且优选地800巴至200巴，以及从300℃至3000℃，并且优选地从800℃至2000℃。

当完成物件的压制时，物件在从压力容器中移除或卸载之前通常需要被冷却。在多种冶金处理中，冷却速率将影响冶金特性。例如，热应力(或温度应力)和晶粒生长应当被最小化以获得高质量材料。因此，理想的是均匀地冷却材料，并且如果可能，控制冷却速率。本领域已知的多种压机对物件的冷却缓慢，并且因此已经作出努力来减少物件的冷却时间。

在美国专利No.5118289中，提供了一种热等静压机，其适于在完成压制和热处理之后快速地冷却物件。这是通过采用位于热区上方的热交换器实现的。因而，压力介质将在接触压力容器壁之前由热交换器冷却。因此，热交换器允许增加冷却能力，而不存在例如过度加热压力容器的壁的风险。然而，由于热交换器靠近压力容器的顶盖定位，因此存在热交换器的冷却能力由于由压力容器内的上升热能引起的热交换器的不希望的加热而被消弱的风险。因此，可能希望增强热交换器的冷却能力。本领域公知的是，压力介质的流量的增加由于传热系数的增加而使得冷却增强。在US5,118,289中，流量的增加是通过允许循环气体(压力介质)经由泵或风扇等通过热交换器实现的。另一方面，这种解决方案会增加压机装置的构造的复杂性，以及会增加维护要求和需求。

因而，在本领域中仍然存在对用于热等静压制的、能够进行物件和压力介质的受控的快速冷却的改进的压机装置的需求。

发明内容

本发明的总体目标是提供改进的压机装置，其能够在热等静压制期间对在压机装置中被处理的物件和压力介质进行受控的快速冷却。

本发明的另一个目标是提供改进的压机装置，其能够在不需要诸如用于冷却的风扇或泵之类的专用设备的情况进行这种受控的快速冷却。

本发明的另一个目标是提供维护要求减少的改进的压机装置。

本发明的又一个目标是提供改进的压机装置，其能够在例如压制阶段和稳态阶段提供高温度均匀性。

本发明的再一个目标是提供改进的压机装置，其中与用于热等静压制的现有压机装置相比，明显地降低过度加热压力容器的风险。

本发明的这些和其它目标是通过具有在独立权利要求中限定的特征的压机装置实现的。本发明的实施例在从属权利要求中被表征。

在本发明的上下文中，术语“热交换单元”表示能够储存热能并与周围环境交换热能的单元。

而且，在本发明的上下文中，应当在压力容器内的平均温度意义上解释术语“冷”和“热”或“温”(如，冷和温或热压力介质，或者冷和温或热温度)。类似地，也应当在压力容器内的平均温度意义上解释“低”和“高”温度。

根据本发明的主要方面，提供了一种用于热压制的压机装置，包括压力容器，所述压力容器包括设置有顶端盖和底端盖的压力缸。适于保持物件的炉腔设置在压力容器内部并且至少部分地由隔热罩壳包围。与炉腔连通的至少一个引导通路形成外冷却回路，其中外冷却回路中的一部分中的压力介质在该压力介质重新进入炉腔之前被引导以邻近压力容器壁和所述顶端盖。进一步，引导通道元件位于形成外冷却回路的所述至少一个引导通路中，并设置有至少一个压力介质通道，所述至少一个压力介质通道用于将压力介质从隔热罩壳的中心开口径向且周向地引向压力缸的侧壁。至少一个压力介质通道在该至少一个压力介质通道的整个长度上沿压力介质的流动方向具有大致恒定的横截面面积。

总之，本发明基于利用用于压力介质的外冷却回路的不能用于载送负载的通路和空间以增强压机装置的冷却能力的思想。

根据本发明的主要方面，这通过在外冷却回路中在炉腔上方靠近或接触顶端盖设置引导通道元件来实现。引导通道元件被设置有压力介质通道，所述压力介质通道被设计为沿径向和周向方向具有横截面面积和曲率，以便在压力介质通过引导通道元件期间获得压力介质的高且大致恒定的速度。由于压力介质在其靠近顶端盖的通过期间的高且恒定速度，热传递比在通过引导通道元件的整个通过期间可以被维持在高的比率，并且因而又可以在压力介质从引导通道元件通向顶端盖期间从压力介质传递热能。

通过将热交换元件或散热元件设置在外冷却回路中的通路或空间中，例如，与引导通道元件相连或邻近压力容器的侧壁，甚至可以实现冷却能力的进一步改善。因而，可以在未由热交换元件占据额外空间的同时实现增强的冷却能力。也就是说，由热交换元件占据的空间不与负载载送空间竞争。在常规压力结构中，这些通路和空间仅用于引导压力介质或使压力介质通过。因此本发明在不必使用有价值的负载空间的情况下提供增强的冷却能力。

在优选实施例中，引导通道元件本身由具有热交换或散热能力的材料制成。

经由顶端盖传递的热能的量尤其取决于下述因素：

-压力介质在其通过引导通道元件的通道期间的速度；

-压力介质在其通过引导通道元件的通道期间与顶端盖接触的量；

-压力介质和引导通道元件之间的相对温差；

-引导通道元件的材料；

-热交换元件的设计，例如，引导通道元件暴露到经过的压力介质的表面。

来自上文概述的两个或更多个实施例的特征可以在另一个实施例中组合，除非它们明显互补。同样，在不同权利要求引用两个特征的事实不排除它们可以被组合以带来好处。

本发明的在本文中描述的不同实施例可以单独地或以不同的组合与在由同一申请人在与本申请同一天递交的专利申请“非均匀缸”和“压机装置”中描述的不同组合中的实施例组合。通过引用将专利申请“非均匀缸”和“压机装置”的内容分别包括于此。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的实施例，在附图中：

图1是其中实施本发明的一个实施例的压机装置的示意性侧视图；

图2a是根据本发明的一个实施例的引导通道元件的详细示意性视图；

图2b是图2a中示出的引导通道元件的详细示意性剖视图；

图3是由申请人提供的其中实施本发明的另一个实施例的压机装置的示意性侧视图；

图4a是根据本发明的另一个实施例的引导通道元件的详细示意性视图；

图4b是图4a中示出的引导通道元件的详细示意性视图；

图4c是图4a和4b中示出的引导通道元件的详细示意性剖视图；

图5是本发明的在压机装置中实施的另一个实施例的详细示意性视图；

图6是本发明的在压机装置中实施的另一个实施例的详细示意性视图；以及

图7是其中实施本发明的又一个实施例的压机装置的示意图。

具体实施方式

接下来是说明本发明的实施例的描述。该描述意图仅用于说明目的，且不应被认为是限制性的。应当注意到，附图是示意性的并且所描述的实施例的压机装置包括为简单起见未在附图中指示的特征和元件。

根据本发明的压机装置的实施例可以用来通过压制、特别是通过热等静压制处理由多种不同的可能材料制成的物件。

首先参照图1，将讨论其中实施本发明的压力装置。用于物件的压制的压机装置100包括压力容器1，其具有用于供给和排放压力介质的装置(未示出)，如一个或多个端口、入口和出口。压力容器1分别设置有顶端盖8和底端盖9。

压力介质可以是关于将被处理的物件具有低化学亲和力的液态或气态介质。压力容器1包括炉腔18，炉腔18包括用于在处理循环的压制阶段期间加热压力介质的炉子(或加热器)36或加热元件。例如图1所示，炉子36可以位于炉腔18的下部处，或者可以位于炉腔18的侧部处(未示出)。本领域技术人员认识到，还可行的是将位于侧部处的加热元件与位于底部处的加热元件组合以获得位于炉腔的侧部处和底部处的炉子。明显地，本领域已知的炉子的关于加热元件的布置的任何实施方案可以应用本文中示出的实施例。将注意到，术语″炉子″表示用于加热的装置，而术语″炉腔″表示定位负载和炉子的容积。炉腔18未占据整个压力容器1，而是在其周围留下中间空间或第一引导通路10。第一引导通路10用作如在图1中由箭头指示的外冷却回路中的引导通路。在压机装置的正常操作期间，第一引导通路10通常比炉腔18冷但处于相等的压力。

炉腔18还包括用于容纳和保持将被处理的物件5的装载室19。炉腔18由隔热罩壳3包围，这能够在加热状态期间节省能量。还能够确保以更有序的方式发生对流。具体地，由于炉腔18的垂直细长形状，隔热罩壳3可以防止形成难以监测和控制的水平温度梯度。隔热罩壳3的底部包括底部隔热部7b。压力容器1内的配件-包括装载室19、罩壳3、隔热部7b、炉腔18和第一引导通路10之间的任何孔、以及甚至可调节阀-将形成引导流动通道或以其它方式在压力介质流作为对流或强制流动的结果出现时作为用于压力介质流的的引导装置而其作用。应当注意到，可以以多种方式改变所公开的配件的布局以例如用于满足具体要求。

而且，压力容器1可以设置有包括通道或管的一个或多个冷却回路，在所述冷却回路中，可以提供有用于冷却的冷却剂。以这种方式，容器壁可以被冷却以保护容器壁免于有害的热量。冷却剂流在图1中由压力容器外侧的箭头指示。外部冷却回路的使用使得即使压力容器可以被谨慎地隔热以用于节能运行也能够有效地冷却。优选地，以泵推动对流循环回路的方式设置引导装置，对流循环回路的大部分邻近压力容器的在外面被冷却的外壁。这导致远离热物件并离开压力容器的热传递。

炉腔18的隔热罩壳3带有用于将另一层添加至循环回路的外壳2，外壳2包括顶部孔13。引导通路11形成在炉腔18的外壳2和炉腔18的隔热部7之间。第二引导通路11用来将将压力介质经由顶部孔3引向压力容器的顶端盖8(或可替换地，引向压力容器壁，此处未示出)。因此，除了炉腔18内的内部循环之外，在外冷却回路中，压力介质在罩壳3和外壳2之间形成的引导通路11中基本上被向上引导，在压力容器1的外壳和外壁之间的第一引导通路10中基本上被向下引导。注意到，内部循环的一部分被引导返回到炉腔18中，而第二部分汇合外壳2和罩壳3之间的向上流，第三部分直接流入中间空间10中。通过改变底部隔热部7b、外壳2和罩壳3之间的间距，可以调节这三个流动的比例。

引导通道元件40设置在空间22a中，位于外壳2的上方和上盖8的下方。引导通道元件40设置有用于将压力介质从隔热罩壳3的中心开口13径向且周向地引向压力缸1的侧壁的至少一个通道50(参见图2a和图2b)。所述至少一个通道50沿径向和周向方向具有横截面几何形状和曲率，使得压力介质在通过所述至少一个通道50期间的速度基本上恒定。

然而，还能想得到，每个通道50具有在该通道的整个长度范围内恒定的特定横截面面积，即，所有的通道没有必要都具有相同的横截面面积。

通过确保引导通道元件40被压靠在上盖8上，可以实现热能从压力介质到上盖8的有效传递。在图1中示出的实施例中，引导通道元件40通过连接装置，例如，通过使用螺钉，连接至上盖8。根据另一个实施例(在图3和4a-4c中示出)，这可以如图3所示通过将引导通道元件构造为具有对应于外壳2和上盖8之间的空间22的厚度，或者如图4所示，通过将弹簧元件设置在引导通道元件上以提供将引导通道元件压靠在上盖8上的力来实现。在压机装置400的另一个实施例中，如图7，引导通道元件40’由支撑装置120压靠在上盖8上或者被保持在适当位置与上盖8邻接。支撑装置120可以包括能够以非弹性方式将引导通道元件40’保持在适当位置的刚性支撑杆或者能够以弹性方式将引导通道元件40’保持在适当位置的弹簧元件。支撑装置120可以连接至引导通道元件40’或连接在外壳2中。

在图2a中，示出沿图1中的箭头A的方向看到的引导通道元件40的视图。压力介质经由引导通道元件的中心开口51进入由壁57隔开的通道50。在该实施例中，设置了5个通道，然而，可以设置任意数量的通道。引导通道元件的中心开口51被设置为允许流过中心开口13的压力介质经由引导通道元件40的中心开口51进入通道50。通道50优选地在对应的通道50的整个长度范围内具有相同的宽度b和相同的高度h(参见图2b)，并且因而在整个长度范围内具有相同的面积。因而，在进入引导通道元件40的中心开口51的入口处的压力介质的给定流速处，压力介质的入口速度v_入口将与出口速度v_出口近似相同。在图2b中，示出了引导通道元件40的沿着图2a中的C-C线的剖视图。通道50的横截面面积(A＝b×h)在对应的通道50的整个长度范围内是大致恒定的。在该实施例中，壁57的厚度t对引导通道元件50的所有壁57来说都是相同的。

现在参照图3，将讨论本发明的另一个实施例。在接下来的描述中将省略图1中的压机装置的相似或对应的部件。根据该实施例，具有上部61和下部62的引导通道元件60在外壳2上方设置在空间22上。下部62包括至少一个通道65，参见图4a和4c，所述至少一个通道65被设置为将压力介质从隔热罩壳3的中心开口13径向且周向地向外引向压力容器1的侧壁。在图4a中，示出了下部62沿箭头B的方向的视图。压力介质经由引导通道元件60的下部62的中心开口66进入由壁67隔开的通道65。在该实施例中，设置了5个通道，然而，可以设置任意数量的通道。引导通道元件的中心开口66被设置为允许流过中心开口13的压力介质经由引导通道元件60的中心开口66进入通道65中。所述至少一个通道65沿径向和周向方向被设置有横截面几何形状和曲率，以便将压力介质以基本上恒定的速度径向且周向地向外引向压力容器1的侧壁。所述至少一个通道65由下部62的壁67和外壳2(在该实施例中)限定。下部62的壁67可以用作热交换器元件。通道65优选地在对应的通道65的整个长度范围内具有相同的宽度b2和相同的高度h₂(参见图4c)，并且因而在整个长度范围内具有相同的面积。

上部61包括至少一个通道68，参见图4b和4c，所述至少一个通道68被设置为沿径向和周向方向具有横截面几何形状和曲率，以便将压力介质以基本上恒定的速度径向且周向地向外引向压力容器1的侧壁。所述至少一个通道68由上部61的壁69和顶端盖8限定。通道68优选地在对应的通道68的整个长度范围内具有相同的宽度b₁和相同的高度h₁(参见图4c)，并且因而在整个长度范围内具有相同的面积。

在图4c中，示出了引导通道元件60的沿着图4a中的D-D线和图4b中的E-E线的剖视图。通道68的横截面面积(A₁＝b₁×h₁)在对应的通道68的整个长度范围内是大致恒定的。在该实施例中，壁69的厚度t₂对引导通道元件60的上部61的所有壁69来说都是相同的。

在图4a中，示出了沿图3中的箭头C的方向看到的引导通道元件60的下部62的视图。压力介质经由引导通道元件60的中心开口64进入通道65中，在该实施例中，设置了5个通道，然而，可以设置任意数量的通道。引导通道元件60的中心开口64被设置为允许流过外壳2的中心开口13的压力介质经由引导通道元件60的中心开口64进入通道65。通道65在对应的通道65的整个长度范围内具有相同的宽度b₂和相同的高度h₂(参见图4b)，并且因而在整个长度范围内具有相同的面积。因而，在包括进入引导通道元件60的中心开口64的入口处的压力介质的给定流动速度的给定条件下，压力介质的入口速度v_入口将与出口速度v_出口近似相同。

在图4c中，示出了引导通道元件60的沿着图4a中的D-D线和图4b中的E-E线的剖视图。通道65的横截面面积(A₂＝b₂×h₂)在对应的通道65的整个长度范围内是大致恒定的。在该实施例中，壁67的厚度t₂对引导通道元件60的下部62的所有壁67来说都是相同的。

通道面积A₁和通道面积A₂不需要相同，而是在一些实施例中可以不同。而且，通道65和68在图4c被示出是平行的，这是不必要的。因此，例如可以以重叠图案设置通道65和68。

参照图5，将讨论本发明的另一个实施例。图5是压机装置200的详细剖开视图。在该实施例中，热交换元件91和92设置在压力容器100的外冷却回路10，11中。热交换元件91和92可以与上述引导通道元件40或60组合。在图6中示出了一个示例。

热交换元件91和92设置在外冷却回路10，11的不能用于诸如装载物件5之类的其它目的的空间和/或通路中。因而，通过利用这些其它未使用的空间和/或通路定位热交换元件，可以在维持压力装置100的装载能力的同时改善压力装置100的冷却能力。

箭头指示例如冷却阶段期间压力介质的流动。第一热交换元件92设置在外壳2和压力容器1的外壁之间的第一引导通路10中。进一步，第二热交换元件91设置在形成在炉腔18的外壳2和炉腔18的隔热部7之间的第二引导通路11中。第二引导通路11用来将压力介质引向压力容器的顶部(或可替换地，引向压力容器壁，此处未示出)。其它热交换元件(未示出)可以设置在外壳2下方的空间19中。

热交换元件或散热元件91和92完全设置在压力容器内并且未被供给任何外部冷却介质。因而，热交换元件91和92与压力容器1之外的环境没有物理连接。

由于热交换元件91和92设置在外冷却回路10，11中，可以增强冷却，这是因为除了热能从通过引导通路10下降的压力介质穿过容器壁到容进入到壁之外的冷却回路(未示出)的传输之外，热能从通过和/或借助于热交换元件91和92的压力介质传递至热交换元件91和92。

传递到热交换元件的热能的量尤其取决于下述因素：

-压力介质和热交换元件之间的相对温度差；

-热交换元件的尺寸；

-热交换元件的材料；

-热交换元件的设计，例如，热交换元件暴露到经过压力介质的表面；

和

-热交换元件例如在引导通路中的位置。

现在参照图6，示出了本发明的压机装置300的另一个实施例。热交换元件91和92在该实施例中与上文参照图1，2a和2b描述的引导通道元件40组合。

如本领域技术人员认识到的那样，热交换元件的数量、该热交换元件各自的位置、图5和6中图示的元件的相对尺寸仅仅是举例说明。

虽然本说明书和附图公开了多个实施例和示例，包括部件、材料、温度范围、压力范围等选择，但本发明不限于这些特定示例。在不偏离本发明的由随附权利要求限定的范围的条件下，可以进行多种修改和变化。

Claims (7)

1.一种用于热压制的压机装置，包括：

压力容器，所述压力容器包括设置有顶端盖和底端盖的压力缸；

适于保持物件的炉腔，所述炉腔由隔热罩壳至少部分地包围，并且所述炉腔设置在压力容器内部；

至少一个引导通路，所述至少一个引导通路与炉腔连通并适于形成外冷却回路，其中所述外冷却回路的一部分中的压力介质在所述压力介质重新进入所述炉腔中之前被引导以邻近压力容器壁和所述顶端盖；和

引导通道元件，所述引导通道元件位于形成所述外冷却回路的所述至少一个引导通路中，所述引导通道元件被设置成邻接所述顶端盖并设置有至少一个压力介质通道，所述至少一个压力介质通道用于将所述压力介质从所述隔热罩壳的中心开口径向且周向地引向所述压力缸的侧壁，其中所述引导通道元件中的所述至少一个压力介质通道在所述至少一个压力介质通道的整个长度上沿所述压力介质的流动方向具有大致恒定的横截面面积，并且其中所述引导通道元件的所述至少一个压力介质通道在该所述至少一个压力介质通道的整个长度上在径向和周向方向上具有一曲率。

2.根据权利要求1所述的压机装置，其中所述至少一个压力介质通道由所述引导通道元件的壁和所述顶端盖限定，其中所述压力介质在通过所述至少一个压力介质通道期间至少部分地与所述顶端盖接触。

3.根据权利要求1所述的压机装置，其中所述引导通道元件包括：

下部，所述下部包括至少一个压力介质通道，所述下部的所述至少一个压力介质通道被设置成用于将所述压力介质从所述隔热罩壳的中心开口径向且周向地向外引向压力容器的侧壁，所述下部的所述至少一个压力介质通道在所述下部的所述至少一个压力介质通道的长度上被设置有大致恒定的横截面面积，其中所述下部的所述至少一个压力介质通道部分地由所述下部的壁限定；以及

上部，所述上部包括至少一个压力介质通道，所述上部的所述至少一个压力介质通道在所述上部的所述至少一个压力介质通道的长度上被设置有大致恒定的横截面面积并被设置为将所述压力介质径向且周向地向外引向压力容器的侧壁，其中所述上部的所述至少一个压力介质通道由所述上部的壁和所述顶端盖限定。

4.根据权利要求1所述的压机装置，其中所述至少一个压力介质通道在所述压力介质的流动方向上被设置有沿所述流动方向在整个通道长度上恒定的横截面面积。

5.根据权利要求2所述的压机装置，其中所述至少一个压力介质通道在所述压力介质的流动方向上被设置有沿所述流动方向在整个通道长度上恒定的横截面面积。

6.根据权利要求3所述的压机装置，其中所述至少一个压力介质通道在所述压力介质的流动方向上被设置有沿所述流动方向在整个通道长度上恒定的横截面面积。

7.根据权利要求1所述的压机装置，其中所述至少一个压力介质通道具有渐开线形几何形状。