DE102007023703A1

DE102007023703A1 - Verfahren zur Schnellkühlung einer Heiß Isostatischen Presse und eine Heiß Isostatische Presse

Info

Publication number: DE102007023703A1
Application number: DE200710023703
Authority: DE
Inventors: Matthias Graf
Original assignee: Dieffenbacher GmbH and Co KG
Current assignee: Cremer Thermoprozessanlagen GmbH
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2008-11-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schnellkühlung einer heiß isostatischen Presse und eine heiß isostatische Presse, die aus einem Druckbehälter (1) mit innen liegendem Beladungsraum (23) und dazwischen angeordneter Isolierung (4) mit einer oben angeordneten Öffnung (14) besteht, wobei zwischen Beladungsraum (23) und Isolierung (4) ein Konvektionsrohr (15) zur Bildung eines Ringspaltes (26) angeordnet ist und das Konvektionsrohr (15) oben wie unten offen ausgestaltet ist, um eine zirkulierende Strömung zu ermöglichen. Dabei ist außerhalb der Isolierung (4) in einem Bodenraum (25) zumindest ein Schnellkühlventil (9) zur Ein- und Ausschaltung des äußeren Zirkulationskreises (18); am Umfang des Mischraums (27) innerhalb der Isolierung (4) zumindest eine Saugstrahlpumpe, bestehend aus einer Venturidüse (7) mit einem zugehörigen Einblasrohr (22) angeordnet, wobei diese Saugstrahlpumpe zwischen Ringkanal (26) und Mischraum (27) angeordnet ist und wobei in der Isolierung (4) zumindest eine Durchbrechung (8) zwischen dem Bodenraum (25) und dem Mischraum (27) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schnellkühlung einer Heiß Isostatischen Presse nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Heiß Isostatische Presse nach dem Oberbegriff des Anspruches 10.
Heiß Isostatische Pressen (HIP) oder Autoklav-Öfen werden heute für vielfältige Anwendungsgebiete eingesetzt. Hierbei werden feste Werkstücke oder aus Pulver bestehende Formmassen in einer Matrize unter hohem Druck und hoher Temperatur verdichtet. Dabei können artgleiche aber auch unterschiedliche Werkstoffe miteinander Verbunden werden. In der Regel werden die Werkstücke in einem Ofen mit einer Heizung eingelegt, der wiederum von einem Hochdruckbehälter umschlossen ist. Während oder nach der Erhitzung wird durch den allseitigen Druck eines Fluids bzw. Inertgases, meist Argon, eine vollständige isostatische Verpressung durchgeführt, bis die Werkstücke optimal verdichtet sind. Dieses Verfahren wird auch verwendet, um eine Nachverdichtung von Bauteilen, zum Beispiel aus keramischen Werkstoffen, z. B. für Hüftgelenksprothesen, für Aluminium-Gussbauteile im Automobil- oder Motorenbau, als Zylinderköpfe von PKW-Motoren, oder Präzisionsgussteile aus Titanlegierungen, z. B. Turbinenschaufeln zu bewirken. Bei der Nachverdichtung unter hohem Druck und hoher Temperatur werden die im vorhergehenden Herstellungsprozess entstandenen Poren geschlossen, bestehende Fehlstellen verbunden und die Gefügeeigenschaften verbessert. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Herstellung von endkonturnahen Bauteilen aus Pulverwerkstoffen, die bei dem Prozess verdichtet und gesintert werden.
HIP-Zyklen dauern in der Regel sehr lange, von mehreren Stunden bis hin zu mehreren Tagen. Ein beträchtlicher Teil der Zykluskosten werden dabei durch den Maschinenstundensatz aufgrund der Kapitalbindung verursacht. Speziell die relativ langen Abkühlzeiten von Betriebstemperatur auf eine zulässige Temperatur, bei der die Pressenanlage gefahrlos geöffnet werden kann, schlagen in der Regel mit über einem Drittel der Zykluszeit zu buche und sind prozesstechnisch nicht von Nutzen. Es ist nun bekannt, dass die Abkühlung auch für die Werkstoffeigenschaften der zu produzierenden Teile eine wesentliche Rolle spielt. Viele Werkstoffe benötigen die Einhaltung einer bestimmten maximalen Abkühlungsgeschwindigkeit aus Gründen der Werkstoffqualität. Daneben ist bei der Abkühlung zu beachten, dass ein Werkstück selbst in seinem Volumen gleichmäßig und nicht ungleichmäßig mit unterschiedlichen Temperaturzonen abgekühlt wird. Bei der Herstellung von Großbauteilen können die Eigenspannungen bei Temperaturunterschieden zu Verzug, zu Rissen mit entsprechender Kerbwirkung oder zu einer vollständigen Zerstörung führen. Aber auch bei Kleinteilen, die in der Regel in einem Gestell oder Regal im Ofen deponiert werden, können derartige Probleme auftreten.
Autoklaven mit Heißgasumwälzung mit oder ohne mechanische Hilfsmittel, wie Gebläse, sind hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt. Bei der Anwendung ohne mechanische Hilfsmittel werden die natürliche Konvektion und die Umverteilung des Gases im Autoklaven durch vorhandene oder geförderte Temperaturunterschiede (Beheizung oder Abkühlung an Aussenwänden) eingesetzt. Dabei fällt kälteres Fluid nach unten und heißeres Fluid steigt auf. Durch den Einsatz von Leitorganen können derartige Fluidströmungen kontrolliert benutzt werden, um eine gleichmäßige Erwärmungs- und/oder Abkühlungsumwälzung im Autoklaven zu schaffen. Im Stand der Technik werden hierbei bevorzugt so genannte Leit- oder Konvektionshülsen verwendet, die aus einem oben und unten offenen Rohr bestehen. Bei der Erhitzung sorgen Wärmequellen im Ofen für den Antrieb und die Strömung kommt je nach Anordnung der Wärmequelle entsprechend in Gang. Im Abkühlungsbetrieb fällt das erkaltende Fluid zwischen der Konvektionshülse und der kühlenden Außenwand nach unten und schiebt so das wärmere Fluid im Inneren der Hülse an den Werkstücken vorbei nach oben. Am Deckel der HIP-Anlage schiebt die von unten ankommende Strömung das Fluid in Richtung der Außenbereiche und somit fällt das Fluid zwischen der Außenwand und der Hülse wieder nach unten. Dabei entsteht wieder eine entsprechende Abkühlung wodurch der kontinuierliche Kühlprozess aufrecht erhalten wird.
Eine Ausführungsform zur Schnellkühlung einer HIP-Anlage ist beispielsweise mit der DE 38 33 337 A1 bekannt geworden. Bei dieser Lösung wird zum Einsetzen der Schnellkühlung, eine Gaszirkulation zwischen dem Heißraum innerhalb der Isolierhaube und dem Kaltraum außerhalb der Isolierhaube hergestellt, indem über Ventile im Bodenraum der Kreislauf geöffnet wird. Im oberen Deckel der Isolierhaube sind ständig offene Bohrungen vorhanden, über die das heiße Fluid austreten kann. Ein Nachteil dieser Ausführungsform ist, dass sehr kaltes Fluid von unten in den Heißraum zurückströmt und direkt mit der Beladung des Ofens bzw. den Werkstücken in Berührung kommt. Der Heißraum wird somit von unten nach oben mit Kaltgas aufgefüllt. Dies hat den Nachteil, dass zum einen eine schlagartige Abkühlung mit zu unsicher einsteuerbaren Parametern entstehen kann und dass keine gleichmäßige Abkühlgeschwindigkeit über den gesamten Chargenraum erreicht wird. Gerade bei großen Bauteilen können hierbei durch die ungleichmäßige Abkühlung die oben beschriebenen Probleme wie Verzug, Risse oder Zerstörung eintreten.
Aus der EP 395 884 A1 ist ein Hochdruckgefäß zum isostatischen Heißpressen mit Anordnungen zur Abkühlung bekannt geworden. In diesem Hochdruckgefäß wird bei der Abkühlung kontrolliert kühles Fluid eingetragen und mittels zweier Pumpenantriebe in und um die Ofenkammer der Werkstücke herum geführt, wobei neben einer stetigen Umwälzung der Gase auch eine gute Durchmischung stattfinden soll. Die optimale Auswirkung der angeordneten Leitbleche (Hülsen) und Kanäle in diesem Hochdruckgefäß kann bezweifelt werden, da der vorgestellte optimale Umlauf der Gase nicht sichergestellt ist.
Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht nun darin ein Verfahren zur Schnellkühlung einer heiß isostatischen Presse anzugeben und eine heiß isostatische Presse geeignet zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die eine gleichmäßige Abkühlung des Beladungsraumes bzw. der Beladung trotz Zufuhr von kälterem Fluid von außen ermöglichen, wobei das kältere Fluid von außen zügig mit heißem Fluid in der heiß isostatischen Presse durchmischt wird bevor es in Kontakt mit der Beladung treten kann und gleichzeitig eine ausreichend schnelle Umwälzung des Fluids im gesamten Druckbehälter erreicht wird, um eine gleichmäßige Abkühlung über den gesamten Beladungsraum zu erreichen.
Die Lösung der Aufgabe für das Verfahren besteht nach Anspruch 1 in der Kombination folgender Merkmale während einer Schnellkühlung:
die im unteren Bereich des Druckbehälters angeordneten Schnellkühlventile werden zur Freigabe des äußeren Zirkulationskreises nach Bedarf geöffnet, wobei eine natürliche Konvektion entsteht, bei der Fluid über die Öffnung aus dem Beladungsraum austritt und zwischen Isolierung und dem Druckbehälter nach unten strömt, hierbei zunehmend abkühlt und nach Durchtritt durch die Schnellkühlventile im Bodenraum und nachfolgenden Durchtritt durch zumindest einen Durchbruch innerhalb der Isolierung in einen Mischraum und anschließend in Richtung Beladungsraum zurückströmt, während zur Sicherstellung eines inneren Zirkulationskreises Fluid aus dem Beladungsraum in den Ringspalt überführt indem von außerhalb des Druckbehälters zugeführtes Fluid durch Einblasrohre innerhalb der Isolierung in zugehörige Venturidüsen eingeblasen wird, wobei sich das Fluid aus den Einblasrohren mit Fluid aus dem Ringspalt vermischt und in einen Mischraum unterhalb des Beladungsraumes eintritt, wobei im Mischraum durch Eintritt des vorgemischten Fluids aus den Venturidüsen und die damit entstehende turbulente Strömungsverteilung ein weiterer Mischvorgang stattfindet, in dem auch die über zumindest einen Durchbruch aus dem Bodenraum austretenden kühlen Fluide des äußeren Zirkulationskreises eingebunden sind sofern die Schnellkühlventile geöffnet sind, wobei während der Schnellkühlung im inneren Zirkulationskreis innerhalb der Isolierung ein Vielfaches des Fluids pro Zeiteinheit gegenüber dem äußeren Zirkulationskreis umgewälzt wird.
Die Lösung der Aufgabe für eine heiß isostatische Presse besteht nach Anspruch 10 darin, dass außerhalb der Isolierung in einem Bodenraum zumindest ein Schnellkühlventil zur Ein- und Ausschaltung des äußeren Zirkulationskreises angeordnet ist, dass am Umfang des Mischraums innerhalb der Isolierungzumindest eine Saugstrahlpumpe bestehend aus einer Venturidüse mit einem zugehörigen Einblasrohrangeordnet ist, dass diese Saugstrahlpumpe zwischen Ringkanal und Mischraum angeordnet ist und dass in der Isolierung zumindest eine Durchbrechung zwischen dem Bodenraum und dem Mischraum angeordnet ist.
Die Lehre der Erfindung besteht darin, dass zwei Zirkulationskreise im Druckbehälter etabliert werden, wobei ein äußerer Zirkulationskreis an der Außenwand des Druckbehälters außerhalb der Isolierung entlang fließt und ein innerer Zirkulationskreis der um ein Konvektionsrohr innerhalb der Isolierung fließt. Dabei sind diese beiden Zirkulationskreise durch den Beladungsraum geführt und werden oberhalb des Beladungsraumes aufgeteilt und unterhalb des Beladungsraumes in einem Mischraum wieder zusammengeführt. Dabei ist entscheidend, dass der innere Zirkulationskreislauf durch das Prinzip einer Saugstrahlpumpe angetrieben wird, wobei zumindest eine Saugstrahlpumpe mit kühlem Fluid von außen versorgt wird und sich das Fluid des inneren Zirkulationskreises mit dem kühlen Fluid von außen vermischt, bevor es in den eigentlichen Mischraum unterhalb des Beladungsraumes eintritt und dort nochmals mittels einer turbulenten Strömung vermischt und/oder mit kühlem Fluid des äußeren Zirkulationskreislaufes vermischt wird bevor das optimal vermischte und gekühlte Fluid in den Beladungsraum eintreten kann.
Weiter zeichnet sich das Verfahren und die zugehörige heiß isostatische Presse dadurch aus, dass

– der innere Zirkulationskreis gegenüber dem äußeren Zirkulationskreis ein Vielfaches an Fluid pro Zeiteinheit umwälzt,
– und damit einen optimalen gleichmäßigen Abkühlungsgradienten der Beladung im Beladungsraum des Druckbehälters sicherstellt,
– der äußere Zirkulationskreis die im heißen Gas gespeicherte Wärme aus dem Beladungsraum aufnimmt und an die gekühlten Flächen des Druckbehälters abgibt und somit wesentlich zur schnellen Abkühlung des Beladungsraumes beiträgt,
– eine mehrfache Durchmischung von zum einen neu in den Druckbehälter eingeführtem Fluid und
– eine zusätzliche Vermischung des außerhalb der Isolierung an den Außenwänden des Druckbehälters abgekühlten Fluids vor dem Eintritt in den Beladungsraum ermöglicht wird, wobei
– schlussendlich sichergestellt ist, dass beide Zirkulationskreise unabhängig von einander oder im Zusammenspiel miteinander während den unterschiedlichen Abkühlungsphasen eingeregelt werden können.

In der Ausführung nach dem Ausführungsbeispiel wird dementsprechend Kälte von der Außenwand des Druckbehälters an das Fluid im äußeren Zirkulationskreislauf übertragen und gleichzeitig wird der äußere Zirkulationskreislauf nur durch eine natürliche Konvektion betrieben und über die Schnellkühlventile geregelt. Parallel dazu wird der innere Zirkulationskreis durch mindestens eine Saugstrahlpumpe angetrieben, die durch eine oder mehrere am Umfang des Mischraumes verteilte eigenständige Saugstrahlpumpen, bestehend aus Einblasrohren mit zugehörigen Venturidüsen. Dabei wird das von außen zugeführte kühle Fluid mit heißem Fluid aus dem Ringspalt innerhalb der Isolierung vermischt und ggf. bei offenen Schnellkühlventilen im Mischraum mit Fluid aus dem äußeren Zirkulationskreis vermischt bevor es dem Beladungsraum zugeführt wird. Außerhalb der Isolierung ist im Bodenraum ein mit der von außen kommenden Kühlleitung verbundener Verteiler angeordnet. An den Verteilter ist zumindest ein Einblasrohr mit zugehöriger Saugstrahlpumpe für den inneren Zirkulationskreis angeschlossen. Der Verteiler ist bei mehreren Einblasrohren in der Lage die verschiedenen Einblasrohre mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zu fahren oder ganz auszuschalten. Dies kann zum Beispiel abhängig von der Beladung nötig sein, wenn große Einzelstücke eine große Fläche der Bodenplatte mit den zugehörigen Durchbrechungen aus dem Heizungs- bzw. dem darunter angeordneten Mischraum verstellen.
Mit den erfindungsgemäßen Merkmalen ist es nun möglich beim Einsetzen der Schnellkühlung eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Beladungsraum während der andauernden Abkühlphase zu erzielen. Dabei wird das entnommene Fluid außen gekühlt und wieder in den Druckbehälter im Bodenraum in einen Verteiler eingeführt, wobei eine externe Vermischung von kaltem und heißem Fluid entfällt und nur innerhalb des Druckbehälters eine mehrfache Vermischung (Saugstrahlpumpe, Mischraum) der Fluide stattfindet.
Die dargestellte heiß isostatische Presse ist im Übrigen zur Durchführung des Verfahrens geeignet, kann aber auch eigenständig mit großem Erfolg betrieben werden.
Durch Steuerung und Regelung der Schnellkühlventile außerhalb der Isolierung und/oder der Saugstrahlpumpen im inneren der Isolierung, kann die Intensität der Schnellkühlung im Beladungsraum und auch über den gesamten Druckbehälter gezielt gesteuert werden. Mit dem inneren Zirkulationskreis wird eine möglichst intensive innere Gaszirkulation mit ständiger Kühlung erzeugt, die mehrfach durchmischt wird, wobei in der Regel zusätzlich eine ständige Vermischung der vom äußeren Zirkulationskreis kommenden kalten Fluide, mit dem innerhalb der Isolierung zirkulierenden Fluide stattfindet. Diese Vermischung findet mittels der vorzugsweise waagrecht angeordneten Saugstahlpumpe am Umfang des Mischraumes und im Mischraum selbst innerhalb der Isolierung statt.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen und Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung mit der Zeichnung hervor.
Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, wird innerhalb des Druckbehälters 1, der zwei Verschlussdeckel 2 und 3 aufweist, zwischen der Isolierung 4 und dem Beladungsraum 23 für die Beladung 10 ein Konvektionsrohr 15 und in einer bevorzugten Ausführungsform darüber ein dachförmiges Leitblech 16 angeordnet. Hierbei wird ein Zirkulationskreis 17 innerhalb der Isolierung 4 ermöglicht. Dieser innere Zirkulationskreis 17 kann während der Beheizung durch natürliche Konvektion einen Kreislauf zur gleichmäßigen Erwärmung der Beladung 10 im Beladungsraum 23 gewährleisten. Der äußere Zirkulationskreis 18 ist durch die geschlossenen Schnellkühlventile 9 deaktiviert und führt zur keiner strömungsartigen Bewegung des Gases innerhalb des Druckbehälters 1. Durch die Öffnung 14 in der Isolierhaube 4 kann theoretisch an der Wand des Druckbehälters 1, bzw. des Verschlussdeckels 2, abgekühltes Fluid in den Beladungsraum 23 eintreten und die Beladung 10 schädigen. Dies wird aber durch das oberhalb des Konvektionsrohrs 15 dachähnlich angeordnete Leitblech 16 verhindert. Sollte es hier doch zu einer minimalen Restströmung während der Beheizung kommen, so wird dieses abgekühlte Fluid zwischen Isolierung 4 und dem Konvektionsrohr 15 den Heizelementen 6 zugeführt und erwärmt.
Beim Start der Schnellkühlung und damit einhergehender, ggf. nur taktweise, Öffnung der Schnellkühlventile 9, tritt heißes Fluid aus der Isolierung 4 des Beladungsraumes 23 über eine oder mehrere Öffnungen 14 oben aus der Isolierung 4 aus und gelangt an die mit Wasser (nicht dargestellt) gekühlte Innenfläche des Druckbehälters 1, wo sie abkühlt und entlang des Spaltes 13 zwischen Druckbehälter 1 und Isolierung 4 nach unten strömt. Hier wird sie über die geöffneten Schnellkühlventile 9 in den Bodenraum 25 unterhalb der Isolierung 4 eingeleitet. Je nach Stärke der Abkühlung des Fluids im Spalt 13 drückt kaltes Fluid in den Bodenraum 25 über die Schnellkühlventile 9 nach und schiebt kaltes Fluid aus dem Bodenraum 25 über eine oder mehrere Durchbrechungen 8 in den Mischraum 27. Gleichzeitig wird im Mischraum 27 eine turbulente Strömung erzeugt, in dem durch vorzugsweise waagrecht liegende Saugstrahlpumpen ein Mischfluid eingedüst wird. Das Mischfluid entsteht dadurch, dass im Bodenraum 25 oder an anderer geeigneter Stelle von außerhalb des Druckbehälters 1 über die Kühlzufuhr 19 kühleres Fluid in den Verteiler 21 eingeführt und von dort an ein oder mehrere Einblasrohre 22 verteilt wird. Diese Einblasrohre 22 düsen wiederum in Venturidüsen 7 ein, die am Umfang des Mischraums 27 angeordnet sind. Damit wird kühles Fluid von außen mit heißem Fluid aus dem Ringkanal 26 durchmischt und in einer turbulenten Strömung in dem Mischraum 27 eingebracht, in dem wiederum das kalte Fluid aus dem Bodenraum 25 zugemischt wird, bevor es in Richtung Beladungsraum 23 aufsteigt. Damit ist in vorteilhafter Weise der zweite innere Zirkulationskreis 17 innerhalb der Isolierung 4 angetrieben und gleichzeitig wird für eine mehrfache Vermischung des von außen kommenden kühlen Fluids gesorgt, bevor es in Kontakt mit der Beladung 10 kommen kann. Schäden durch Temperaturschwankungen innerhalb eines Teiles der Beladung 10 werden somit sicher vermieden.
Grundsätzlich erfolgt die Druckerzeugung, die zum Eindüsen und somit zum Antrieb des Zirkulationskreises 17 im Druckbehälter 1 notwendig ist, über einen externen Gaskompressor (nicht dargestellt). Dabei entnimmt der Kompressor Fluid aus dem Druckbehälter 1 über den Auslass 20, welches zunächst gekühlt und nach der Druckerhöhung über den Kompressor wieder über die Kühlzufuhr 19 in den Druckbehälter 1 eingebracht und dort an den Verteiler 21 übergeben. Zusätzlich hierzu kann der Gaskompressor kaltes Fluid aus einem Vorratsbehälter (nicht dargestellt) ansaugen, um einem Druckabfall im Druckbehälter 1, welcher durch die Gaskühlung einsetzt, entgegen zu wirken. Durch dieses Prinzip kann auch die Abkühlleistung der Schnellkühlung weiter erhöht werden bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des hohen Druckes, da neben der Kühlfläche im Inneren des Druckbehälters 1 auch zusätzlich noch ein externe Gaskühler zum Einsatz kommt und somit eine höhere Kühlleistung zur Verfügung steht.
Im Rahmen der Erfindung ist es nun möglich über den Umfang nicht nur eine sondern mehrere Venturidüsen 7 mit zugeordneten Einblasrohren 22 anzuordnen, welche aber je nach Anwendungsfall unterschiedlich über den Verteiler 21 angesteuert werden. Beispielsweise können von acht derartigen angeordneten Saugstrahlpumpen – dem Fachmann ist das physikalische Prinzip des Einblasrohrs mit zugehöriger Venturidüse zur Erstellung einer Saugstrahlpumpe bekannt – nur 6, 4, 2 oder nur eine betrieben werden, je nachdem in welcher Intensität der innere Zirkulationskreis 17 angetrieben werden soll. Der Verteiler 21 selbst lässt sich über einfache mechanische Schiebeglieder ausbilden, die ähnlich einem Register, über die Durchflussmenge und Durchflussstärke des Fluids die Stärke des inneren Zirkulationskreises 17 definieren. Die genaue Ausgestaltung wird hierbei dem konstruktiven Fachmann überlassen. Neben der Einstellung wie viele Einblasrohre 22 mit welcher Menge und Stärke des Fluids beaufschlagt werden bietet natürlich auch die von außen über den Einlass 19 zugeführte gekühlte Fluidmenge in Menge, Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit genügend Regelmöglichkeiten für eine ordentlich ablaufende Schnellkühlung. Durch diesen Antrieb über eine oder mehrere Saugstrahlpumpen für den inneren Zirkulationskreislauf 17 wird sichergestellt, dass das Zirkulationsvolumen des inneren Zirkulationskreises 17 idealer weise ein Vielfaches größer ist als das Zirkulationsvolumen des äußeren Zirkulationskreises 18.
Insgesamt vermischt sich das von außen zugeführte kältere Fluid mit großen Mengen an heißem Fluid aus dem Druckbehälter 1 und bildet eine in den Beladungsraum eintretende Mischtemperatur, die nur wenig kälter ist als das heiße Fluid im Beladungsraum 23 bzw. als die Beladung 10 selbst. Durch die stark angeregte Umwälzung im inneren Zirkulationskreis 17 und unterstützt durch die natürliche Konvektionsströmung im äußeren Zirkulationskreis 18 wird in kürzester Zeit das Gasvolumen im gesamten Druckbehälter 1 mehrfach umgewälzt, gemischt und nahezu gleichmäßig abgekühlt. Bevorzugt werden in diesem Zusammenhang die Einblasrohre 22 das Fluid mit hoher Strahlgeschwindigkeit in die Venturidüsen 7 eindüsen.
Grundsätzlich kann der innere Zirkulationskreis 17 und der äußere Zirkulationskreis 18 in ihrer Strömungsgeschwindigkeit unabhängig voneinander durch Öffnen bzw. Schließen der Schnellkühlventile 9 und/oder durch verschiedene bereits beschriebene Parameter bei Ausströmen des Fluids aus den Einblasrohren 22 geregelt werden.
Auch kann die Strömungsgeschwindigkeit in den Zirkulationskreisen 17, 18 und/oder die Abkühlgeschwindigkeit des Beladungsraumes 23 und/oder die Abkühlgeschwindigkeit der Beladung 10 selbst über geeignete Messmittel 5 erfasst und zur Regelung der Schnellkühlung über die oben bereits angeführten Stellmechanismen zur Steuerung der Zirkulationskreise 17, 18 verwendet werden. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass der innere Zirkulationskreis 17 auch bei vorübergehend geschlossenen Schnellkühlventilen 9 weiter über die Einblasrohre 22 betrieben werden kann, um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Beladungsraumes 23 zu erzielen.
Soll der Druck im Druckbehälter 1 konstant gehalten werden wird die gleiche Menge Gas die über die Einblasrohre 22 zugeführt wird über den Auslass 20 aus dem Druckbehälter entnommen. Diese Gasmenge strömt hierbei über den Durchbruch 8 vom Mischraum 27 in den Bodenraum 25 zurück. Da diese Gasmenge jedoch klein ist im Vergleich zur gesamten Menge des inneren Zirkulationskreises 17 kommt es zu keiner kritischen Erwärmung im Bodenraum 25. Soll dies gänzlich vermieden werden kann auch die Gaszufuhr über einen externen Gasspeicher erfolgen, wodurch es zu einem Druckanstieg im Druckbehälter 1 kommt, der aber durch die Gasabkühlung teilweise kompensiert wird. Alternativ stünde hierbei auch die Möglichkeit im Raum den oder die Durchbrüche 8 verschließbar auszuführen und die Schnellkühlventile 9 während dieser Zeit offen zu lassen.
In diesem Zusammenhang kann über geeignete Ausgestaltung bzw. Anordnung des Auslasses 20 auch ein zusätzlicher Antrieb des äußeren Zirkulationskreislaufes 18 bei offenen oder geschlossenen Schnellkühlventilen 9 ermöglicht werden. Denkbar ist den Auslass 20 nicht im Bodenraum 25 sondern außenseitig im unteren Bereich des Spaltes 13 anzuordnen um selbst bei geschlossenen Strömungsventilen 9 einen äußeren Teilkreislauf zu ermöglichen, wobei das Fluid nach einer externen Kühlung direkt in den inneren Zirkulationskreislauf 17 eingespeist wird. Dem Fachmann stehen hier mehrere Variationen oder Zusammenführungen der Merkmale gemäß der Erfindung offen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zum Schutz der Innenwände des Druckbehälters 1, vorzugsweise des Verschlussdeckels 2, vor ausströmendem heißem Fluid aus der Öffnung 14 der Isolierung 4 ein perforierter Stahlmantel 11 um die Isolierung 4 herum beabstandet angeordnet. Durch diese Anordnung bildet sich zwischen der Wand des Druckbehälters und der Isolierung 4 ein zusätzlicher Strömungskanal 12. Durch die Perforationen in dem Stahlmantel 11, kann die Menge des heißen Fluids, das direkt mit der Wand des Druckbehälters 1 in Berührung kommt, reguliert werden, da nur je nach Anzahl und Größe der Perforationen im Stahlmantel 11 ein begrenzter Übertritt des Fluids in den Spalt 13 an der Wand des Druckbehälters 1 entstehen kann, wodurch eine örtliche Überhitzung der Wand des Druckbehälters 1 vermieden wird und die Temperaturbelastung über die gesamte Wand des Druckbehälters gleichmäßig verteilt werden kann.
Das Konvektionsrohr 15 kann in einer bevorzugten Anwendung durch die Außenwand eines sogenannten Lastenträgers (nicht dargestellt) gebildet werden. Ein derartiger Lastenträger wird verwendet um Kleinteile in einem Druckbehälter 1 zu lagern und als vollständige Charge bzw. Beladung 10 in den Druckbehälter 1 ein- oder auszubringen. Weiterhin können bei einer derartigen Anordnung Grossteile im Druckbehälter 1 angeordnet werden, wobei die Grossteile in diesem Fall in einem eimerartigen Konvektionsrohr in den Druckbehälter 1 eingebracht werden. In beiden Anwendungen müssen natürlich die einzelnen Ebenen bzw. der Boden des Konvektionsrohres mit Perforationen versehen sein um die Zirkulationskreise 17, 18 nicht zu behindern.
Zwischen dem Beladungsraum 23 und dem Mischraum 27 kann eine Einstellvorrichtung für die Durchströmungsmenge des Fluids in Richtung Beladungsraum 23 in Form eines Diffusorblechs 24 oder eines zueinander verstellbaren doppelten Lochbleches angeordnet sein. Die Einstellvorrichtung wirkt dabei derart, dass das Fluid aus dem Mischraum 27 erst nach Überwindung eines einstellbaren oder festgelegten Widerstandes in Richtung des Beladungsraumes 23 entweichen kann und somit eine ausreichende Durchmischung der unterschiedlich temperierten Fluide im Mischraum 27 sichergestellt ist.

1: Druckbehälter
2: Verschlussdeckel oben
3: Verschlussdeckel unten
4: Isolierung
5: Messmittel
6: Heizelemente
7: Venturidüse
8: Durchbruch
9: Schnellkühlventil
10: Beladung
11: Stahlmantel
12: Strömungskanal
13: Spalt
14: Öffnung
15: Konvektionsrohr
16: Leitblech
17: Zirkulationskreislauf innen
18: Zirkulationskreislauf außen
19: Kühlzufuhr
20: Auslass
21: Verteiler
22: Einblasrohr
23: Beladungsraum
24: Diffusorblech
25: Bodenraum außen
26: Ringspalt
27: Mischraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3833337 A1 [0005]
- EP 395884 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Schnellkühlung einer heiß isostatischen Presse, bestehend aus einem Druckbehälter (1) mit innen liegendem Beladungsraum (23) und dazwischen angeordneter Isolierung (4) mit einer oben angeordneten Öffnung (14), wobei zwischen Beladungsraum (23) und Isolierung (4) ein Konvektionsrohr (15) zur Bildung eines Ringspaltes (26) angeordnet ist, und das Konvektionsrohr (15) oben wie unten offen ausgestaltet ist um eine zirkulierende Strömung zu ermöglichen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale während einer Schnellkühlung: 1.1 die im unteren Bereich des Druckbehälters (1) angeordneten Schnellkühlventile (9) werden zur Freigabe des äußeren Zirkulationskreises (18) nach Bedarf geöffnet, wobei eine natürliche Konvektion entsteht, bei der Fluid über die Öffnung (14) aus dem Beladungsraum (23) austritt und zwischen Isolierung (4) und dem Druckbehälter (1) nach unten strömt, hierbei zunehmend abkühlt und nach Durchtritt durch die Schnellkühlventile (9) im Bodenraum (25) und nachfolgenden Durchtritt durch zumindest einen Durchbruch (8) innerhalb der Isolierung (4) in einen Mischraum (27) und anschließend in Richtung Beladungsraum (23) zurückströmt und 1.2 während zur Sicherstellung eines inneren Zirkulationskreises (17) Fluid aus dem Beladungsraum (23) in den Ringspalt (26) überführt indem von außerhalb des Druckbehälters (1) zugeführtes Fluid durch Einblasrohre (22) innerhalb der Isolierung (4) in zugehörige Venturidüsen (7) eingeblasen wird, wobei sich das Fluid aus den Einblasrohren (22) mit Fluid aus dem Ringspalt (26) vermischt und in einen Mischraum (27) unterhalb des Beladungsraumes (23) eintritt, 1.3 wobei im Mischraum (27) durch Eintritt des vorgemischten Fluids aus den Venturidüsen (7) und die damit entstehende turbulente Strömungsverteilung ein weiterer Mischvorgang stattfindet, in dem auch die über zumindest einen Durchbruch (8) aus dem Bodenraum (27) austretenden kühlen Fluide des äußeren Zirkulationskreises (18) eingebunden sind sofern die Schnellkühlventile (9) geöffnet sind, 1.4 wobei während der Schnellkühlung im inneren Zirkulationskreis (17) innerhalb der Isolierung (4) ein Vielfaches des Fluids pro Zeiteinheit gegenüber dem äußeren Zirkulationskreis (18) umgewälzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einblasrohre (22) das Fluid mit hoher Strahlgeschwindigkeit in die Venturidüsen (7) eindüsen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einblasrohre (22) mit einem Verteiler (21) verbunden sind, der die Strömungsgeschwindigkeit und die Menge des austretenden Fluids je nach Bedarf der Regelung für einzelne Einblasrohre (22) unterschiedlich ein- oder sogar ausstellt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Zirkulationskreis (17) und der äußere Zirkulationskreis (18) in ihrer Strömungsgeschwindigkeit unabhängig voneinander durch Öffnen der Schnellkühlventile (9) und/oder durch Einstellung der Parameter des aus den Einblasrohren (22) austretenden Fluids geregelt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlgeschwindigkeit des Beladungsraums (23) durch entsprechende Ansteuerung der Schnellkühlungsventile (9) und/oder Ansteuerung der Einblasrohre (22) der Venturidüsen (7) geregelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit in den Zirkulationskreisen (17, 18) und/oder die Abkühlgeschwindigkeit des Beladungsraumes (23) und/oder die Abkühlgeschwindigkeit der Beladung (10) selbst über geeignete Messmittel (5) erfasst und zur Regelung der Schnellkühlung verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Zirkulationskreis (17) auch bei vorübergehend geschlossenen Schnellkühlventilen (9) weiter über die Einblasrohre (22) betrieben wird, um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Beladungsraumes (23) zu erzielen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der verminderte Druck im Inneren des Druckbehälters (1) durch Zugabe von Fluid aus einem Vorratsbehälter ausgeglichen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertrittsgeschwindigkeit bzw. die Menge des Fluids aus den Mischraum (27) in Richtung des Beladungsraumes mittels einer Einstellvorrichtung geregelt werden kann um eine sichere Durchmischung der Fluide im Mischraum (27) zu gewährleisten.
Heiß Isostatische Presse, bestehend aus einem Druckbehälter (1) mit innen liegendem Beladungsraum (23) und dazwischen angeordneter Isolierung (4) mit einer oben angeordneten Öffnung (14), wobei zwischen Beladungsraum (23) und Isolierung (4) ein Konvektionsrohr (15) zur Bildung eines Ringspaltes (26) angeordnet ist, und das Konvektionsrohr (15) oben wie unten offen ausgestaltet ist um eine zirkulierende Strömung zu ermöglichen, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass außerhalb der Isolierung (4) in einem Bodenraum (25) zumindest ein Schnellkühlventil (9) zur Ein- und Ausschaltung des äußeren Zirkulationskreises (18) angeordnet ist, – dass am Umfang des Mischraums (27) innerhalb der Isolierung (4) zumindest eine Saugstrahlpumpe bestehend aus einer Venturidüse (7) mit einem zugehörigen Einblasrohr (22) angeordnet ist, – dass diese Saugstrahlpumpe zwischen Ringkanal (26) und Mischraum (27) angeordnet ist und – dass in der Isolierung (4) zumindest eine Durchbrechung (8) zwischen dem Bodenraum (25) und dem Mischraum (27) angeordnet ist.
Heiß Isostatische Presse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (26) für den inneren Zirkulationskreis (17) durch einen den Beladungsraum (23) definierenden aus dem Druckbehälter (1) ein- und aushebbaren Lastenträger gebildet wird.
Heiß Isostatische Presse nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bodenraum (25) ein mit einer von außen kommenden Kühlleitung verbundener Verteiler (21) angeordnet ist, der die Parameter des aus den Einblasrohren (22) austretenden Fluids unterschiedlich einstellen kann und/oder die Anzahl der aktiven Einblasrohre (22) einstellt.
Heiß Isostatische Presse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz der Innenwände des Druckbehälters (1) vor ausströmendem Fluid aus der Öffnung (14) ein perforierter Stahlmantel (11) um die Isolierung (4) herum beabstandet angeordnet ist.
Heiß Isostatische Presse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Förderung und Sicherstellung des inneren Zirkulationskreises (17) ein Leitblech (16) oberhalb des Konvektionsrohrs (15) angeordnet ist.
Heiß Isostatische Presse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit in den Zirkulationskreisen (17, 18) und/oder der Abkühlgeschwindigkeit des Beladungsraumes (23) und/oder der Abkühlgeschwindigkeit der Beladung (10) Messmittel (5) mit Verbindungen zur Regelungsvorrichtung der Schnellkühlung bzw. des Verteilers (21) im Druckbehälter (1) angeordnet sind.
Heiß Isostatische Presse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Druckbehälter (1) ein Gaskompressor und ein Vorratstank angeordnet sind.
Heiß Isostatische Presse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Beladungsraum (23) und Mischraum (27) eine Einstellvorrichtung, vorzugsweise in Form eines Diffusorbleches (24) oder eines Lochbleches (24), angeordnet ist.