CN117507470A - 一种热等静压设备及其冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热等静压设备及其冷却方法，属于热等静压设备技术领域。该热等静压设备包括壳体，壳体内设有隔热体；隔热体的内部设有螺旋导流板、循环风扇和喷嘴，螺旋导流板的螺距由下至上逐渐缩小；喷嘴的出口处设有出口面积调节机构。本申请利用喷嘴射出高速冷却气流沿着螺旋导流板旋转向上流动形成外侧旋转气流，带走循环风扇形成的中心垂直气流无法吹到的气流死角；同时采用逐渐缩小螺距的导流通道，使得喷嘴的冷却气流在流动过程中速度逐渐增加，实现快速冷却工件的目的。该冷却方法通过调节循环风扇以及喷嘴的工作参数，使中心垂直气流和外侧旋转气流同时到达隔热体顶部，使隔热体内的温度尽可能均匀，进一步提高冷却效果。
Description
技术领域
本发明属于热等静压设备技术领域，具体涉及一种热等静压设备及其冷却方法。
背景技术
热等静压机(HIP)是利用高温高压对工件或粉末等材料进行致密化处理的设备，使用时将要加工的材料装入热等静压机加热腔内，通入惰性气体并加热加压，从各个方向压缩工件，可使工件达到最佳密度，消除内部的铸造缺陷或微孔，并提高工件寿命和机械性能。该设备适用于如涡轮叶片、汽车发动机、医用假体等高精度要求的场景。可以处理多种材料，如金属、陶瓷、玻璃等，还可以进行扩散焊接等。
热等静压机工作温度可达2000℃，压力可达200MPa，不但需要精准控制温度还需要尽快地降温冷却。传统热等静压机采用自然降温，冷却的时间很长，对于企业生产来说增加了大量时间成本，若加入冷却装置可以让冷却时间大幅缩短，效率可以提高数倍，对时间成本和制造工艺都有明显的益处，并可以进一步提升工件的材料性能。
现有技术中一般在传统热等静压机的基础上，在顶部或底部布置热交换元件，现有技术中热交换元件一般采用翅片管式换热器，采用水或冷气作冷却介质，冷却介质冷却能力有限，如果希望具有更快的冷却速率就需要增加热交换元件体积或者更复杂的结构。另外一方面，很多热等静压机壳体上设有水冷夹层，可以降低壳体温度，防止其过热影响使用寿命。
现有技术中另外一种冷却方法是直接从上或从下向热等静压设备内部喷入冷却气体与设备内部热气流掺混进行冷却，然而无论是从上方喷入冷却气体还是从下方喷入冷却气体，均存在一定的气体流动死角，导致加热腔内气体掺混不均匀，局部散热慢，影响冷却效果。若设置多个气流导管可以一定程度解决气流死角问题，但继而容易造成气体流量减小且结构复杂的问题，进一步加剧了气流的不均匀，而且增加了生产成本。
另外一方面冷却气流随着流动距离的增加，流动损失随之增加，气流流速降低，从而影响整体冷却效果。
发明内容
本发明的目的就在于为解决现有技术的不足而提供一种热等静压设备及其冷却方法。
本发明第一方面提供了一种热等静压设备，包括壳体，所述壳体上设有冷却组件，所述壳体的内部设有隔热体，所述隔热体的内部的中心区域设有用于盛放炉料的装料架；所述隔热体与所述壳体之间设有外循环通道；所述隔热体的顶部设有与所述外循环通道连通的气体出口；
所述隔热体的内部的边缘区域设有螺旋导流板，所述螺旋导流板的螺距由下至上逐渐缩小；所述隔热体的内部于所述装料架的正下方设有循环风扇，在所述循环风扇的侧方靠近所述螺旋导流板处设有至少一个喷嘴；
所述循环风扇和所述喷嘴进口处的所述隔热体上开设有与所述外循环通道连通的气体进口；
所述喷嘴的出口方向与所述螺旋导流板的旋向一致，且所述喷嘴的出口处设有出口面积调节机构。
优选地，所述螺旋导流板的截面为斜向下的平行四边形。
优选地，所述螺旋导流板为1个或多个。
优选地，所述喷嘴为多个，多个所述喷嘴环绕所述循环风扇均匀布置。
优选地，所述出口面积调节机构包括环形控制盘、控制盘旋转驱动机构以及多个围绕所述控制盘圆周均匀分布的月牙形叶片；
所述控制盘的内孔对准所述喷嘴的出口设置，盘面上设有多个与所述叶片数量相对应的放射状槽；
所述叶片上设有固定销和驱动销，所述固定销与所述喷嘴的出口管壁转动连接，所述驱动销设于对应的放射状槽内，且能够沿所述放射状槽移动，进而带动所述叶片围绕所述喷嘴的出口旋转，形成对所述喷嘴的出口不同面积的遮挡；
所述控制盘旋转驱动机构用于驱动所述控制盘旋转，进而带动所述驱动销移动以及进一步的带动所述叶片围绕所述喷嘴的出口旋转，实现对所述喷嘴的出口面积的调节。
优选地，所述叶片的下圆边的半径与所述喷嘴的出口管壁的内半径相适应；
所述放射状槽的尺寸设置为能够使多个所述叶片将所述喷嘴的出口完全遮挡以及使所述喷嘴的出口完全暴露。
优选地，所述控制盘旋转驱动机构包括位于所述控制盘一侧的球头以及控制杆；
所述控制杆上设有与所述球头相对应的球头接头；所述控制杆还连接有执行机构，所述执行机构用于驱动所述控制杆上下移动，进而通过所述球头接头及所述球头带动所述控制盘旋转。
优选地，所述控制杆上设有推杆，所述球头接头位于所述推杆上。
本发明另一方面提供了一种热等静压设备的冷却方法，适用于如第一方面所述的热等静压设备；
所述冷却方法包括以下步骤：
打开所述喷嘴和所述循环风扇，所述隔热体内部的热气体从所述气体出口进入所述外循环通道流动；
打开所述冷却组件，热气体在所述外循环通道流动过程中在所述冷却组件的作用下换热降温，形成冷却气体；
冷却气体经所述气体进口进入所述隔热体内部，与所述隔热体内部的热气体混合，并在所述循环风扇的作用下形成中心垂直气流，在所述螺旋导流板的作用下形成外侧旋转气流；
调节所述循环风扇以及所述喷嘴的工作参数，使所述中心垂直气流和所述外侧旋转气流同时到达所述隔热体顶部，然后经所述气体出口、所述外循环通道及所述气体进口从底部重新进入所述隔热体内循环冷却。
优选地，所述循环风扇的工作参数包括风扇转速，所述喷嘴的工作参数包括喷嘴出口面积和喷射气体流量。
本申请在隔热体内部边缘四周区域设置螺旋导流板，在底部中心和四周区域分别设置循环风扇和喷嘴，利用喷嘴射出高速冷却气流沿着螺旋导流板旋转向上流动形成外侧旋转气流，带走循环风扇形成的中心垂直气流无法吹到的气流死角；同时采用逐渐缩小螺距的导流通道，使得喷嘴的冷却气流在流动过程中速度逐渐增加，克服了流动阻力，配合循环风扇加速冷却速率，使隔热体内气流掺混得更迅速更均匀，实现快速冷却工件的目的。
附图说明
图1为本发明一个优选实施例中的热等静压设备的结构示意图；
图2为本申请一个优选实施例中的循环风扇和喷嘴的布置结构示意图；
图3为本申请一个优选实施例提供的喷嘴的结构示意图；
图4为图3喷嘴另一个视角的结构示意图；
图5为图3的侧视剖面结构示意图；
图6为图3的主视剖面结构示意图；
图7为本申请一个优选实施例提供的叶片的主视结构示意图；
图8为本申请一个优选实施例提供的叶片的侧视结构示意图；
图9为本申请一个优选实施例提供的控制盘的主视结构示意图；
图10为本申请一个优选实施例提供的控制盘的侧视结构示意图；
其中，1-壳体；11-水冷夹层；2-隔热体；3-装料架；4-循环风扇；5-喷嘴；51-控制盘；52-放射状槽；53-球头；54-叶片；55-驱动销；56-固定销；57-控制杆；58-推杆；59-球头接头；6-螺旋导流板；7-外循环通道；8-气体进口；9-气体出口。
具体实施方式
本实施例提供了一种热等静压设备，如图1~10所示，包括壳体1，壳体1上设有冷却组件，冷却组件优选为水冷夹层11，通过在水冷夹层内通入冷却水可以降低壳体温度；壳体的内部设有隔热体2，隔热体的内部即工作区的中心区域设有用于盛放炉料的装料架3，炉料在装料架内被加热加压。
隔热体与壳体之间设有外循环通道7；隔热体的顶部设有与外循环通道连通的气体出口9，隔热体内部的气体可通过气体出口9流入外循环通道7。
隔热体的内部的边缘区域设有螺旋导流板6，螺旋导流板的螺距由下至上逐渐缩小；螺旋导流板6可位于隔热体2筒壁或支撑材料上，数量可为一个或多个。
隔热体的内部于装料架的正下方设有循环风扇4，在循环风扇的侧方靠近螺旋导流板处设有至少一个喷嘴5，喷嘴优选为多个，多个喷嘴环绕循环风扇均匀布置。
喷嘴5的出口方向与螺旋导流板的旋向一致，使气流初始就具有角度，进而使后续导流更加顺畅。
循环风扇和喷嘴进口处的隔热体2底部上开设有与外循环通道连通的气体进口8，外循环通道7内部的气体可通过气体进口8进入隔热体内部，喷嘴进口处的气体通过喷嘴5高速喷出，经螺旋导流板6的作用能够形成外侧旋转气流，循环风扇4处的气体在循环风扇的作用下能够形成中心垂直气流。
当需要冷却时，打开喷嘴和循环风扇，隔热体内部的热气体从气体出口进入外循环通道流动；打开冷却组件，通入循环冷却水，由于外循环通道与壳体直接接触，因此热气体在外循环通道流动过程中可以在冷却组件的作用下换热降温，形成冷却气体；冷却气体经气体进口、喷嘴和循环风扇进入隔热体内部，与隔热体内部的热气流接触，对其进行冷却。由于喷嘴出口旋向与螺旋导流板一致，因此，喷嘴喷射的冷却气体自然高速流向螺旋导流板，在螺旋导流板的导流作用下，形成外侧旋转气流对工作区进行冷却。喷嘴的出口处设有出口面积调节机构，通过调整出口面积，能够调节冷却气体喷射速度。
出口面积调节机构可采用现有技术，本申请提供一种优选的方案，如图3~10所示，调节机构包括环形控制盘51、控制盘旋转驱动机构以及多个围绕控制盘环形均匀分布的月牙形叶片54。
控制盘的内孔对准喷嘴的出口设置，盘面上设有多个与叶片数量相对应的放射状槽52。
叶片54上设有固定销56和驱动销55，固定销56与喷嘴5的出口管壁转动连接，驱动销55设于对应的放射状槽52内，且能够沿放射状槽52移动，进而带动叶片围绕喷嘴的出口旋转，形成对喷嘴的出口不同面积的遮挡。
控制盘旋转驱动机构驱动环形控制盘旋转，进而带动驱动销沿放射状槽移动以及进一步的带动叶片围绕喷嘴的出口旋转，实现对喷嘴的出口面积的调节。如图6所示，当控制盘顺时针旋转时，叶片绕固定销从控制盘盘面逐渐转动至喷嘴出口上方，对喷嘴出口的遮挡面积逐渐增加，喷嘴出口面积逐渐减小。反之，当控制盘逆时针旋转时，叶片对喷嘴出口的遮挡面积逐渐减小，喷嘴的出口面积逐渐增加。
本申请设置多个月牙形叶片调节出口面积，不论叶片旋转至任何角度，除了叶片将喷嘴出口完全遮挡时，多个叶片叠加组合后中心可形成接近圆形的通道供气流通过，使喷射气流均匀喷入隔热体内。叶片设置越多，可使中心通道越接近圆形，但是结构相对更加复杂，因此，本申请叶片优选设置为4~8个，进一步优选为6个。设置的带有放射状槽的控制盘虽然结构简单，但是可一次性快速带动多个叶片同步转动，从而可以快速精准地调整喷嘴出口面积，进一步可以调整喷嘴出口的气流速度与循环风扇的转速相配合，来实现更快的冷却速度。
优选地，叶片的下圆边的半径与喷嘴的出口管壁的内半径相适应，放射状槽的尺寸设置为能够使多个叶片完全闭合，将喷嘴的出口完全遮挡（即全关状态），以及使多个叶片完全展开，叶片的下圆边与喷嘴出口管壁重合，叶片完全居于喷嘴的出口外侧，将喷嘴的出口完全暴露（即全开状态）。
优选地，控制盘旋转驱动机构包括位于控制盘51一侧的球头53以及控制杆57；控制杆57上设有与球头相对应的球头接头59，球头接头59与球头53相接，可自由转动且不分离；控制杆还连接有执行机构，执行机构驱动控制杆上下移动，进而通过球头接头及球头带动控制盘旋转。执行机构可采用电控。
优选地，控制杆上设有推杆58，球头接头59位于推杆58上，设置推杆可以延长控制杆与控制盘之间的距离，方便控制杆和执行机构的设置。如图6所示，控制杆和执行机构可设于隔热体外侧，隔热体底部设有供推杆穿过的通孔。
循环风扇4通过旋转来带动冷却气体从工作区底部向上流动形成中心垂直气流对工作区进行降温。如图1所示，循环风扇形成的中心垂直气流从装料架3中心径直穿过，对装料架的炉料进行直接冷却，喷嘴5和螺旋导流板6形成的外侧旋转气流从装料架的外侧旋转向上，对装料架的炉料从侧方进行冷却，同时可让外侧旋转气流均匀地吹扫隔热体内的气流死角，带动隔热体侧壁聚集的高温气体，使工作区内各位置的温度均迅速下降。到达隔热体顶部的气流从气体出口经外循环通道从底部气体进口重新进入隔热体内部进行循环冷却。在循环风扇的旋转形成的负压作用下，外循环通道内的气流被吸引快速流动，进一步提高了冷却速率。
当气流在隔热体侧壁沿着螺旋导流板的导流通道流动向上时，由于本申请螺旋导流板的螺距逐渐减小，因此螺旋导流通道面积逐渐减小，增加了气流流动速度，进而提高了流动效率，强化了散热，解决了现有技术中“气流沿着导流通道流动过程中，随流动距离的增加，流动损失随之增加”的技术问题。优选地，螺旋导流板的截面为斜向下的平行四边形，可以效果更好地使气流形成湍流，内部气流充分掺混，提高冷却效果。
若仅采用循环风扇进行冷却，受限于循环风扇尺寸，隔热体内部存在气流死角，无法进行冷却。若仅采用喷嘴进行冷却，气流掺混弱，无法快速冷却。因此，本申请在现有技术壳体上设置的冷却组件的基础上，采用循环风扇和喷嘴、螺旋导流板进行组合冷却，不需要额外设置热交换元件，既具有较强较快的气流掺混效果，同时消除了气流死角，而且螺旋导流板设置为螺距逐渐减小，使气流可以持续旋转上升，保持更多的气体动能，吹扫气流更加彻底，并使设备内气流掺混的更迅速更均匀。因此，本申请提供的热等静压设备不需使用复杂的引流结构和额外的热交换元件，即可更快更均匀带走工作区热量，提高了整体冷却效果。
通过分别控制循环风扇和喷嘴的工作参数使中心垂直气流和外侧旋转气流同时到达顶部，可增强内部冷却效果。循环风扇可控制转速调节中心垂直气流速度，喷嘴可控制流量或出口面积调节外侧旋转气流速度。
本申请还提供了一种适用于如上所述的热等静压设备的冷却方法，包括以下步骤：
当需要冷却时，打开喷嘴和循环风扇，隔热体内部的热气体从气体出口进入外循环通道流动；
打开冷却组件，热气体在外循环通道流动过程中在冷却组件的作用下换热降温，形成冷却气体；
冷却气体经气体进口进入隔热体内部，与隔热体内部的热气体混合，并在循环风扇的作用下形成中心垂直气流，在螺旋导流板的作用下形成外侧旋转气流；
热等静压设备工作时希望工作空间内的温度尽可能均匀，因此可以调节循环风扇以及喷嘴的工作参数，使中心垂直气流和外侧旋转气流同时到达隔热体顶部，然后经气体出口、外循环通道及气体进口从底部重新进入隔热体内循环冷却。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种热等静压设备，包括壳体，所述壳体上设有冷却组件，所述壳体的内部设有隔热体，所述隔热体的内部的中心区域设有用于盛放炉料的装料架；其特征在于，所述隔热体与所述壳体之间设有外循环通道；所述隔热体的顶部设有与所述外循环通道连通的气体出口；
所述隔热体的内部的边缘区域设有螺旋导流板，所述螺旋导流板的螺距由下至上逐渐缩小；所述隔热体的内部于所述装料架的正下方设有循环风扇，在所述循环风扇的侧方靠近所述螺旋导流板处设有至少一个喷嘴；
所述循环风扇和所述喷嘴进口处的所述隔热体上开设有与所述外循环通道连通的气体进口；
所述喷嘴的出口方向与所述螺旋导流板的旋向一致，且所述喷嘴的出口处设有出口面积调节机构。
2.如权利要求1所述的热等静压设备，其特征在于，
所述螺旋导流板的截面为斜向下的平行四边形。
3.如权利要求1所述的热等静压设备，其特征在于，
所述螺旋导流板为1个或多个。
4.如权利要求1所述的热等静压设备，其特征在于，
所述喷嘴为多个，多个所述喷嘴环绕所述循环风扇均匀布置。
5.如权利要求1所述的热等静压设备，其特征在于，
所述出口面积调节机构包括环形控制盘、控制盘旋转驱动机构以及多个围绕所述控制盘圆周均匀分布的月牙形叶片；
所述控制盘的内孔对准所述喷嘴的出口设置，盘面上设有多个与所述叶片数量相对应的放射状槽；
所述叶片上设有固定销和驱动销，所述固定销与所述喷嘴的出口管壁转动连接，所述驱动销设于对应的放射状槽内，且能够沿所述放射状槽移动，进而带动所述叶片围绕所述喷嘴的出口旋转，形成对所述喷嘴的出口不同面积的遮挡；
所述控制盘旋转驱动机构用于驱动所述控制盘旋转，进而带动所述驱动销移动以及进一步的带动所述叶片围绕所述喷嘴的出口旋转，实现对所述喷嘴的出口面积的调节。
6.如权利要求5所述的热等静压设备，其特征在于，
所述叶片的下圆边的半径与所述喷嘴的出口管壁的内半径相适应；
所述放射状槽的尺寸设置为能够使多个所述叶片将所述喷嘴的出口完全遮挡以及使所述喷嘴的出口完全暴露。
7.如权利要求5所述的热等静压设备，其特征在于，
所述控制盘旋转驱动机构包括位于所述控制盘一侧的球头以及控制杆；
所述控制杆上设有与所述球头相对应的球头接头；所述控制杆还连接有执行机构，所述执行机构用于驱动所述控制杆上下移动，进而通过所述球头接头及所述球头带动所述控制盘旋转。
8.如权利要求7所述的热等静压设备，其特征在于，
所述控制杆上设有推杆，所述球头接头位于所述推杆上。
9.一种热等静压设备的冷却方法，其特征在于，适用于如权利要求1~8任一项所述的热等静压设备；
所述冷却方法包括以下步骤：
打开所述喷嘴和所述循环风扇，所述隔热体的内部的热气体从所述气体出口进入所述外循环通道流动；
打开所述冷却组件，热气体在所述外循环通道流动过程中在所述冷却组件的作用下换热降温，形成冷却气体；
冷却气体经所述气体进口进入所述隔热体内部，与所述隔热体内部的热气体混合，并在所述循环风扇的作用下形成中心垂直气流，在所述螺旋导流板的作用下形成外侧旋转气流；
调节所述循环风扇以及所述喷嘴的工作参数，使所述中心垂直气流和所述外侧旋转气流同时到达所述隔热体顶部，然后经所述气体出口、所述外循环通道及所述气体进口从底部重新进入所述隔热体内循环冷却。
10.如权利要求9所述的热等静压设备的冷却方法，其特征在于，
所述循环风扇的工作参数包括风扇转速，所述喷嘴的工作参数包括喷嘴出口面积和喷射气体流量。
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