DE102008058329A1

DE102008058329A1 - Verfahren zur Temperierung einer Heiß Isostatischen Presse und eine Heiß Isostatische Presse

Info

Publication number: DE102008058329A1
Application number: DE102008058329A
Authority: DE
Inventors: Matthias Graf
Original assignee: Dieffenbacher GmbH and Co KG
Current assignee: Cremer Thermoprozessanlagen GmbH
Priority date: 2008-11-23
Filing date: 2008-11-23
Publication date: 2010-05-27
Also published as: EP2367677A1; RU2011125637A; CN102282010A; JP2012509192A; US20110283901A1; WO2010057670A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung einer heiß isostatischen Presse und eine heiß isostatische Presse, bestehend aus einem Druckbehälter (1) mit innen liegendem Beladungsraum (19) und dazwischen angeordneter Isolierung (8), wobei innerhalb der Isolierung (8) Heizelemente (4) und ein Beladungsraum (19) mit einer Beladung (18) angeordnet ist. Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht nun darin ein Verfahren zur gleichmäßigen Temperierung während des Aufheizens, des Abkühlens oder des Haltens einer Temperatur in einer heiß isostatischen Presse anzugeben und eine eigenständige oder eine heiß isostatische Presse zu schaffen. Die Erfindung für das Verfahren besteht darin, dass zusätzlich zu zumindest einer bestehenden natürlichen oder aktivierten Konvektionsströmung zur Aufheizung oder Abkühlung oder zum Halten eines Temperaturniveaus zumindest eine Rotationsströmung (23) aktiv oder passiv innerhalb des Druckbehälters (1) entwickelt wird. Eine eigenständige oder auch für das Verfahren geeignete heiß isostatische Presse zeichnet sich dadurch aus, dass aktive und/oder passive Mittel zur Ausbildung einer Rotationsströmung (23), die im Wesentlichen winkelig zur Konvektionsströmung auftritt, im Druckbehälter (1) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung einer Heiß Isostatischen Presse nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Heiß Isostatische Presse nach dem Oberbegriff des Anspruches 13.
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 der Druckmittel 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- 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. Beispielsweise wird im Beladungsraum (unterhalb der Beladung) aufgeheizt und es entsteht eine Aufwärtsströmung in der Mitte des Beladungsraumes und Außenseitig an den Wänden (kühlerer Temperatur) eine Abwärtsströmung. Um Probleme mit unkalkulierbaren Vermischungsströmungen zu vermeiden bietet die bereits erwähnte Konvektionshülse den Vorteil, dass im Konvektionsspalt (zwischen Konvektionshülse und Isolierung außenseitig) eine kontrollierte Abwärtsströmung generiert wird, wobei sichergestellt ist, dass die wieder abgekühlten Fluide erst in den Heizraum eintreten und aufgeheizt werden, bevor sie wieder in den Beladungsraum eintreten. Auch im Abkühlungsprozess fällt das erkaltende Fluid zwischen der Konvektionshülse und der kühlenden Außenwand/Isolierung nach unten, wo es in den Beladungsraum als kälteres Fluid eintritt und somit das wärmere Fluid im Inneren der Konvektionshülse an der Beladung vorbei nach oben schiebt. 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 Konvektionshülse wieder nach unten. Dabei entsteht wieder eine entsprechende Abkühlung wodurch der kontinuierliche Kühlprozess aufrechterhalten wird. Ein zumindest ähnlicher Vorgang ist mit WO 2003/070 402 A1 und einem darin vorgestellten Verfahren zur Kühlung einer heiß isostatischen Presse bekannt geworden. Dabei wird in dem Verfahren heißes Fluid aus dem Beladungsraum entlassen, mit einem kühlen fallendem Fluid außerhalb des Beladungsraumes vermischt und das vermischte Fluid wieder dem Beladungsraum zugeführt. Das Verfahren selbst ist in seinem angestrebten Bedingungen komplex und benötigt dazu weiter auch noch einen komplexen Aufbau einer zugehörigen heiß isostatischen Presse mit vielen angeordneten Leitungsbereichen. Nachteilig ist auch, dass das wiedereingeleitete vermischte Fluid in nicht kontrollierbarer Art und Weise in den Beladungsraum zurückströmt und dort unter Umständen zu unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten führen kann, wenn Hinterschneidungen der Beladung oder Stützbauten der Beladung eine ordentliche Durchströmung des Beladungsraumes verhindern. Zudem wird weiterhin das auf Mischtemperatur gekühlte Gas von unten in den Beladungsraum zugeführt, was unweigerlich zu einem Temperaturgefälle zwischen unterem Ende und oberem Ende des Beladungsraumes führt und somit keine gleichmäßige Abkühlgeschwindigkeit realisiert werden kann.
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.
Zusammenfassend ist also dem Fachmann bekannt, dass in der technologisch wichtigen Temperaturhaltephase die Charge im Beladungsraum in einem sehr engen Toleranzfeld von beispielsweise ±5°C gehalten werden. In dieser Phase neigen die bekannten Druckbehältersysteme zu einer Entmischung von heißen und kaltem Gas im Beladungsraum. Durch gezieltes Gegensteuern mit Hilfe der aktiven Heizelemente versucht man diesen Effekt zu kompensieren. Allerdings wirken in den Druckbehältersystemen die Heizelemente an den Mantelflächen des Beladungsraumes und können somit im Inneren des Beladungsraumes eine Entmischung nicht vollständig verhindern. Bei einer Ausführung nach WO 2003/070 402 A1 wird eine aktive Konvektionsströmung durch den Beladungsraum gezielt genutzt, wobei allerdings in Haltephasen, beispielsweise zwischen der Aufheizphase und Abkühlphasen oder treppenförmigen Änderungen der Temperatur, durch die damit einhergehende Reduzierung der erforderlichen Heizleistung die Konvektionsströmung fast zum Erliegen kommt und demnach in der Haltephase nicht mehr der gewünschte Effekt erzielt werden kann. Bei anderen Druckbehältersystemen mit Umluftgebläsen ist die Strömung rein vertikal durch den Beladungsraum gerichtet. Hierbei kann es je nach Aufbau bzw. Geometrie der Beladung und/oder verwendeten Beladungsgestellen zu einer ungleichmäßigen Durchströmung im Druckbehälter kommen, wenn Zonen mit unterschiedlichem Durchströmungswiderstand entstehen. Da eine Fluidströmung sich dem Weg des geringsten Widerstandes anpasst, werden Zonen mit geringem Strömungswiderstand besser und schneller durchströmt und entsprechend schneller temperiert. Dementsprechend werden nicht oder nur wenig durchströmte Bereiche weniger schnell an die neuen Temperaturverhältnisse angepasst und es entsteht eine inhomogene Temperaturverteilung im Druckbehälter bzw. im Beladungsraum.
Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht nun darin ein Verfahren zur gleichmäßigen Temperierung einer heiß isostatischen Presse anzugeben und eine heiß isostatische Presse zu schaffen, die nicht nur geeignet zur Durchführung des Verfahrens ist, sondern eigenständig mit den Vorteilen einer gleichmäßigen Temperierung betrieben werden kann.
Im Blickpunkt steht natürlich die gleichmäßige Abkühlung des Beladungsraumes bzw. der Beladung, wobei ein kälteres Fluid zügig mit heißem Fluid im Druckbehälter bzw. vorzugsweise im Beladungsraum der heiß isostatischen Presse durchmischt wird und gleichzeitig eine ausreichend schnelle und vor allem sichergestellte Umwälzung des Fluids im gesamten Druckbehälter, aber besonders im Beladungsraum erreicht wird, um eine gleichmäßige Abkühlung der gesamten Beladung zu erreichen. Das Verfahren kann jedoch auch vorteilhaft in der Aufheiz- und Haltephase des heissisostatischen Prozesses eingesetzt werden, um eine bestmögliche Temperaturgleichförmigkeit im Beladungsraum zu erzielen.
Die Lösung der Aufgabe für das Verfahren besteht nach Anspruch 1 darin, dass zusätzlich zu zumindest einer bestehenden natürlichen oder aktivierten Konvektionsströmung zur Aufheizung oder Abkühlung oder zum Halten eines Temperaturniveaus zumindest eine Rotationsströmung aktiv oder passiv innerhalb des Druckbehälters entwickelt wird.
Hinsichtlich der Begrifflichkeit sei hinzugefügt, dass unter einer natürlichen Konvektion Temperaturunterschiede im Druckbehälter zu Fluidströmungen führen. Diese können durch Heiz- oder Kühlelemente innerhalb oder außerhalb des Druckbehälters gefördert werden. Dabei ist der Übergang zu aktivierten Konvektionsströmungen relativ fließend, wobei üblicherweise unter aktivierten Konvektionsströmungen das Anschieben der Konvektionsströmung verstanden wird, wobei wiederum Heiz- oder Kühlelemente, Ventile, Kältelager, Umwälzvorrichtungen (Ventilatoren) und/oder Düsen zum Einsatz kommen können. Eine ähnliche Unterscheidung betrifft die aktive bzw. die passive Entwicklung einer Rotationsströmung im Druckbehälter, wobei unter einer aktiven Entwicklung der Rotationsströmung wiederum Hilfsmittel verstanden werden, die durch ihren Einsatz die Rotationsströmung anschieben oder verstärken, wie Umwälzvorrichtungen (Ventilatoren) und/oder Düsen und bei einer passiven Entwicklung der Rotationsströmung mittels Leitvorrichtungen die kinetischen Energien der Konvektionsströmung genutzt werden.
Die Lösung der Aufgabe für die heiß isostatische Presse zur Durchführung des Verfahrens besteht nach Anspruch 7 darin, dass aktive und/oder passive Mittel zur Ausbildung einer Rotationsströmung 23, die im Wesentlichen winkelig zur Konvektionsströmung auftritt, im Druckbehälter 1 angeordnet sind.
Die isostatische Presse ist zur Durchführung des Verfahrens geeignet, kann aber auch eigenständig betrieben werden. Eine Lehre der Erfindung besteht darin, dass neben einer Konvektion durch Leitvorrichtungen, Heizkörper, Kühlkörper, Eindüsungen oder Umwälzgebläsen gezielt eine Rotationsströmung innerhalb des Druckbehälters gebildet werden soll. Diese soll neben einer angeregten oder bereits durch Temperaturunterschiede im Druckbehälter vorhandenen natürlichen Konvektionsströmung mit vertikaler Ausrichtung eine hierzu winkelige Rotationsströmung ausbilden, die in optimaler Weise für eine Durchmischung des vorhandenen oder des Zugemischten Fluids sorgt, Temperaturnester vermeidet und für eine hohen Aufheizungs- bzw. Abkühlungsgradienten Sorge tragen kann.
Am leichtesten lassen sich die Vorteile anhand einer vorzugsweise schnell durchzuführenden Abkühlung bzw. Schnellkühlung darstellen, wobei die jeweiligen Vorteile, ablaufende Verfahrensschritte und/oder einhergehende physikalischen Reaktionen bei einer gegensätzlich anzuwendenden Aufheizung und Haltephase für den Fachmann ohne weiteres Nachvollziehbar und Verwendbar sind.
In vorteilhafter Weise wird bei der Abkühlung durch die Rotationsströmung die vertikale Entmischung der kalten und heißen Fluidteilchen verhindert und gleichzeitig der Energietransport von der Beladung zur beispielsweise gekühlten Außenseite innerhalb des Druckbehälters verbracht. Durch die Rotationsströmung entsteht eine erhöhte Turbulenz im Beladungsraum und gleichzeitig eine längere Überströmlänge, wodurch dem Fluid mehr Zeit zur Aufnahme bzw. Abgabe der Energie an die Beladung bzw. an anderen temperierten Flächen, wie eine gekühlte Außenseite, gegeben wird. Im Vergleich zur vertikalen Durchströmung wird der Beladungsraum gleichmäßiger Durchströmt und es bilden sich keine bzw. wesentlich weniger Totbereiche mit ungenügendem Gas- und Temperaturaustausch.
Dabei kann die Rotationsströmung indirekt durch passive Mittel ausgeführt werden, indem die natürliche oder aktivierte Konvektionsströmung (meist durch Kältenester angeregt) gestartet wird und durch Leitvorrichtungen oder den geometrischen Aufbau innerhalb des Druckbehälters die auf- und absteigenden Konvektionsströmungen einen winkeligen Impuls zur Konvektionsströmung erhalten. Dies kann beispielsweise durch Leitbleche, Lüfter oder gezielte Absperrungen gefördert werden. Alternativ für extreme geplante Temperaturgradienten bietet sich das Eindüsen von Fluiden mit vorzugsweise differenziertem Temperaturwert an. Durch das Eindüsen mit hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise am oberen Ende des Beladungsraumes, aber auch im unteren Bereich oder außerhalb des Beladungsraumes denkbar, entsteht eine Zykloneffekt innerhalb des Druckbehälters oder des Beladungsraumes. Das heißt, kühleres Fluid wird durch die Rotation entlang der jeweiligen Wandungen im Kreis bewegt und sinkt durch die höhere Fluiddichte dabei nach unten. Im Außenbereich des Beladungsraums kommt es zu einer Vermischung zwischen dem heißen Fluid aus der Nähe der Beladung und dem zyklonartig bewegten kalten Fluid. Das dabei nach unten fallende Fluid zieht hierbei heißes Fluid aus dem inneren Bereich des Beladungsraumes mit sich wodurch eine Mischtemperatur entsteht. Durch die optimale Durchmischung und dem aus physikalischen Gründen sichergestellten Schutz der Beladung vor zu kaltem Fluid ist ein optimaler und gleichmäßiger Abkühlungsgradient der einzelnen Beladungsteile sichergestellt. Durch die Rotationsbewegung des Fluids und den einhergehenden turbulenten Strömungen im inneren des Beladungsraumes wird auch sichergestellt, dass nur durch auf- oder absteigendes Fluid keine Temperaturnischen im Beladungsraum aufgrund von Hinterschneidungen der Beladung oder eines Beladungsträgers entstehen können. Räumliche Nischen mit normalerweise stehendem Fluid bei reiner vertikaler Anwendung der Konvektionsströmung werden aufgrund des rotierenden Fluids und den dadurch zusätzlich entstehenden Turbulenzen trotzdem ausreichend durchmischt um Temperaturunterschiede perfekt auszugleichen. Somit ist sichergestellt, dass auch Werkstücke mit Hinterschneidungen oder komplexen Geometrien gleichmäßig heruntergekühlt (aufgeheizt) werden können. Zusätzlich wird der Abkühlungsgradient stark erhöht, da sich keine laminaren Schutzströmungen um die Werkstücke oder temperaturunterschiede ausbildenden Kühl- bzw. Heizelementen ausbilden können und die Rotationsströmungen für ausreichend turbulente Anströmungen an die Werkstücke oder die Kühl- bzw. Heizkörper sorgen. Damit erhöht sich der thermodynamische Übergang auf das Werkstück während der Abkühlung oder der Aufheizung deutlich.
Um die gesamten Vorteile der Rotationsströmung sinnvoll nutzen zu können, kann vorgesehen sein im Beladungsraum eine Konvektionshülse anzuordnen. Dies ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Durch die räumliche Aufteilung des Beladungsraumes ist nun die Ausbildung einer eigenständigen und zumindest ansatzweise rotierenden Strömung innerhalb des Konvektionsspaltes möglich. Nach dem Austritt aus dem Konvektionsspalt im oberen oder unteren Bereich des Beladungsraumes des Druckbehälters strömt das Fluid wieder in den inneren Beladungsraum ein und wird dort von der vorhandenen Rotationsströmung mitgerissen und vermischt.
Somit ergibt sich in vorteilhafter Weise eine optimale Durchmischung von erkaltetem Fluid aus dem unteren Bereich des Beladungsraumes mit dem noch warmen Fluid aus dem oberen Bereich des Beladungsraumes und dem neu einströmenden Fluid aus dem Bodenraum des Druckbehälters während der Abkühlungsphase. Wiederum ist diese Anwendung bei der Aufheizung gegensätzlich zu durchdenken.
Es ist also davon auszugehen, dass die in Konvektionsrichtung strömenden Fluiden noch einen Rotationsimpuls im Konvektionsspalt aufweisen, sofern sie dort nicht durch aktive Mittel angetrieben werden oder durch passive Mittel (Leitbleche) geleitet werden. In vorteilhafter Weise sorgen die Rotationsströmungen im Konvektionsspalt ebenfalls für eine optimale Durchmischung und Angleichung der Temperaturen und verhindert punktuelle Temperaturdifferenzen. Gleichzeitig wird der Wärmeübergang zwischen den Wandungen durch die turbulente Anströmung signifikant erhöht. Zudem wird die Überströmlänge durch die Rotationsströmung entscheidend verlängert, was speziell an temperierten Flächen (gekühlte Druckbehälterwand) zu einem wesentlich besseren Wärmeübergang und somit effizienteren Kühlung führt. Gleiches gilt analog hierzu auch für den Aufheizvorgang bzw. Haltephase, wo durch die Rotationsströmung effizienter die erzeugte Heizleistung von den Heizleitern abgeführt wird. Je nach Ausführungsform können im Konvektionsspalt Leitbleche oder ähnliche wirkende Widerstände angeordnet sein, die die Rotationsgeschwindigkeit des Fluids während des Aufstiegs unterstützen, ausbremsen oder für eine bessere turbulente Durchmischung sorgen.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel lassen sich nun in einem solchen Druckbehälter zwei Zirkulationskreise einrichten, einer innen im Bereich des Beladungsraumes und einen außen im Bereich der Wand des Druckbehälters, wobei die Bereiche durch dickwandige Elemente oder durch Isolierungen getrennt sein können. Durch einfache geometrische Mittel lassen sich die strömenden Fluidverhältnisse bzw. die zirkulierenden Fluidmengen in den Zirkulationskreisen zueinander einstellen, beispielsweise durch angepasste Ausbildung der Übergangsöffnungen oder durch Stellmittel wie Ventile. Diese Öffnungen können auch manuelle bei jeder Beladung neu in ihrer Größe justiert werden.
Zusammenfassen stellt sich somit eine optimale und gleichmäßige Temperaturveränderung im Inneren des Beladungsraumes ein und es werden Temperaturgefälle durch die eingebrachte Rotationsströmung vermieden. Gleichzeitig kann durch Einstellung der auszutauschenden Fluidmenge von dem äußeren zu dem inneren Zirkulationskreislauf die Geschwindigkeit der Abkühlung von sehr schnell bis sehr langsam reguliert und auf den jeweiligen Anwendungsfall einfach angepasst werden.
Mit den erfindungsgemäßen Merkmalen ist es nun möglich beim Einsetzen von Temperaturänderungen als auch während der Haltephase innerhalb des Druckbehälters, aber bevorzugt bei der Schnellkühlung, eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Beladungsraum bzw. je nach Aufbau im gesamten Druckbehälter zu erzielen. Dies gilt besonders für Werkstücke mit Hinterschneidungen oder für Werkstücke, die in besonderen Gestellen oder Halterungen aufgestellt werden müssen. Hierdurch ist es möglich eine heissisostatische Presse mit sehr präziser Prozessführung und sehr geringen Temperaturtoleranzen im Beladungsraum herzustellen, die den Anforderungen an das HIPen von modernen Hochleistungsbauteilen gerecht wird. Durch die zusätzlich beabstandete Isolierung innerhalb des Druckbehälters können zwei Konvektionskreisläufe mit ggf. zwei zugehörigen Rotationskreisläufen ausgeführt werden. Die an den Außenteilen des Druckbehälters vorbei fließende Rotationsströmung sorgt für eine verbesserte Temperaturübernahme von den Wänden des Druckbehälters nach innen und durch den gezielt steuerbaren Austausch zwischen dem äußeren Konvektionskreislauf und dem inneren Konvektionskreislauf bietet sich die Möglichkeit die Temperaturdifferenz in ihrer Intensität einfach zu steuern.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen und Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung mit der Zeichnung hervor.
Es zeigen:
1 In schematischer Darstellung einen vertikalen Schnitt durch die Mittelachse eines Druckbehälters mit einer Draufsicht auf eine Konvektionshülse um den Beladungsraum,
2 einen waagrechten Schnitt durch eine Eindüsungsebene im oberen Bereich des Beladungsraumes des Druckbehälters nach 1 mit Darstellung des Schnittverlaufs von 1,
3 einen weiteren waagrechten Schnitt durch die Vermischungsebene zwischen den Bereichen außerhalb und innerhalb der Isolation des Druckbehälters,
4 einen vertikalen Schnitt durch die Mittelachse eines Druckbehälters mit einer internen Temperierung mittels einer Umwälzungsvorrichtung,
5 eine vereinfachtes Ausführungsbeispiels eines Druckbehälters mit einer Konvektionshülse und Umwälzvorrichtung und
6 ein weiteres vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines Druckbehälters mit einem großen Beladungsraum und passiven Mitteln zur Bildung einer Rotationsströmung.
Der in den Figuren dargestellte Druckbehälter 1 weist einen üblicherweise innen liegenden Beladungsraum 19 und eine zwischen dem Beladungsraum 19 und der Außenwänden des Druckbehälters 1 angeordnete Isolierung 8 auf. Zur Ausbildung eines Konvektionsspaltes 28 ist innerhalb des Beladungsraumes 19 eine Konvektionshülse 27 angeordnet. Im Folgenden wird wie bereits weiter oben ausgeführt eine Abkühlung des Druckbehälters 1 erläutert. Eine aktive Aufheizung mit beheiztem Fluid oder mittels Heizelementen verläuft sinngemäß für den Fachmann, ggf. mit Änderungen betreffend die Konvektionsrichtung. Weiter findet sich innerhalb der Isolierung 8 Heizelemente 4 und eine Beladung 18 wird üblicherweise auf einer hier nicht sichtbaren Beladungsträgerplatte angeordnet oder bei Stückgut mittels eines Lastenträgers (nicht dargestellt) auf die Beladungsträgerplatte gestellt.
Der Druckbehälter 1 weist im Übrigen die Verschlussdeckel 2 und 3 auf, die zur Be- und Entladung des Druckbehälters 1 dienen können, aber im Weiteren zur Vereinfachung der Beschreibung als dem Druckbehälter 1 zugehörig angesehen werden. Innerhalb der Isolierung 8 ist im Beladungsraum 19 zumindest eine Düse 13 angeordnet, durch die zur Bildung einer Rotationsströmung 23 Fluid, vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit, eingeströmt wird. Das Fluid kann dabei eine höhere, eine niedrigere oder eine gleiche Temperatur als das die Düse 13 umgebende Fluid aufweisen. Aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten wird kühleres Fluid durch die Rotationsströmung 23 an die Innenwand der Isolierung 8 oder an die Innenwand der Konvektionshülse 27 gedrückt. In vorliegender 1 kann mittels der Düsen 13 eine Rotationsströmung 23 gestartet werden, wobei die Leitbleche 31 für einen Aufwärtsimpuls nach oben ausgerichtet sind und somit die Konvektionsströmung 23 im Konvektionsspalt 28 nach oben gerichtet ist und erzwungen wird. Kann oder wird auf eine Eindüsung verzichtet, würde durch die kältere Isolierung 8 das Fluid im Konvektionsspalt 28 eher eine nach unten gerichtete Strömung annehmen, wobei gleichzeitig die Leitbleche 31 für eine in der Zeichnung dargestellte entgegen gesetzte Rotationsströmung 23 sorgen würden. Damit ist dem Betreiber bei Einbau von Düsen 13 und entsprechenden Leitblechen 31 jegliche Option gegeben eine Rotationsströmung 23 in beiden Richtungen zu verwirklichen oder sogar während einer Temperierungsphase (Abkühlung, Aufheizung) umzukehren. Würde beispielsweise während des Aufheizens mit den Heizelementen 4 innerhalb der Konvektionshülse 27 auf den Einsatz der Düsen 13 verzichtet, würde im Innern der Konvektionshülse das aufgeheizte Fluid nach oben steigen. Ist eine vorherige Durchmischung des aufgeheizten Fluids bei empfindlicher Beladung 18 gewünscht, kann mittels der Düsen neben einer gleichzeitigen Rotationsströmung 23 auch eine aufwärts gerichtete Strömung im Konvektionsspalt 28 erzwungen werden, wie dargestellt. Damit würde trotz einer Aufheizung durch Heizelemente 4 unterhalb der Beladung das Fluid zuerst in den Konvektionsspalt 28 eintreten, dort durch die Rotationsströmung ordentlich vermischt und anschließend erst in den Beladungsraum 19 innerhalb der Konvektionshülse 27 eintreten. Allen Möglichkeiten gemein ist der Vorteil gemäß der Lehre der Erfindung, dass mit aktiven oder passiven Mitteln eine Rotationsströmung 23 innerhalb eines Druckbehälters 1 entwickelt werden kann, die gleichzeitig für eine ordentliche Durchmischung des gesamten Fluids sorgt, weil sie zur natürlichen Konvektionsströmung eine winkelige Impulsrichtung aufweist.
In einem lotrechten Schnitt zur Mittelachse 26 des Druckbehälters 1 findet sich in der Nähe der Mittelachse 26 somit immer das Fluid höchster Temperatur, sofern keine speziellen anderen Anordnungen getroffen worden sind. Die Temperatur nimmt also während einer initialisierten Rotationsströmung 23 kontinuierlich in Richtung Isolierung 8 ab. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Fluid horizontal zur Mittelachse 26 des Druckbehälters 1 aus zumindest einer Düse 13 eingeströmt. Optimal ist eine tangentiale Ausdüsung des Fluids zur Mittelachse 26 des Druckbehälters 1. Von Vorteil ist natürlich auch eine hohe Geschwindigkeit des Fluids beim Austritt aus der Düse 13 und/oder die Anordnung von mehreren Düsen 13. Diese können nach den Figuren innerhalb der Konvektionshülse 27, außerhalb der Konvektionshülse 27 und/oder außerhalb der Isolierung 8 angeordnet sein. Nach 4 wird das Fluid entweder mit einer differenzierten oder gleichen Temperatur aus dem Bodenraum 22 mittels einer Umwälzvorrichtung 5 entnommen und direkt in die aufsteigende Leitung 12 eingespeist, oder es kann wie in 1 dargestellt über einen Auslass 24 außerhalb des Druckbehälters 1 einem Fluidkühler 10 zugeführt und anschließend über einen Einlass 25 in die Leitung 12 eingespeist werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das über den Einlass 25 in den Druckbehälter 1 zurückgeführte gekühlte Fluid über eine Saugstrahlpumpe, bestehend aus einem Einblasrohr 15 und einer Venturidüse 16, unter Zumischung von Fluid aus dem Bodenraum 22 in die Leitung 12 eingespeist (1). Bei allen Antriebslösungen für die Rotationsströmung 23 kann das Fluid aus den Durchbrechungen 7 direkt aus dem Beladungsraum 19 und/oder aus dem zweiten Ringspalt 17 in den Bodenraum 22 eintreten. Dies ist eine konstruktiv mögliche Gestaltung und ist abhängig von den notwendigen Abkühlungsgeschwindigkeiten, denn das Fluid aus dem Beladungsraum 19 ist signifikant wärmer als aus dem zweiten Ringspalt 17.
Zur weiteren Optimierung der Schnellkühlung des gesamten Druckbehälters 1 kann ein äußerer Zirkulationskreis 20 mittels natürlicher Konvektion in zwei parallel zueinander angeordneten Ringspalten 9, 17 etabliert werden, wobei der Zirkulationskreis 20 vollständig außerhalb der Isolierung 8 angeordnet ist. Das Fluid des äußeren Zirkulationskreises 20 und das rotierende Fluid aus dem Beladungsraum 19 können sich unterhalb des Beladungsraumes mittels Durchbrechungen 14 in der Isolierung 8 miteinander austauschen und vermischen. Heißes Gas aus der Rotationsströmung 23 kann hierbei durch die Durchbrechungen 14 in den äußeren Zirkulationskreis 20 gelangen, wo es sich zunächst mit der äußeren Zirkulationsströmung vermischt und durch die Zirkulation an der Druckbehälterwand 1 weiter abgekühlt wird und als gekühltes Gas über die Durchbrechungen 14 zurück unterhalb den Beladungsraum 19 strömen kann.
Durch die Vermischung aus dem über den Einlass 25 zugeführten extern gekühlten Fluid und/oder dem im äußeren Ringraum 17 über die Wand des Druckbehälters 1 gekühltem Fluid, wird eine sehr intensive und schnelle Abkühlung des Fluids und in der Folge auch des Beladungsraumes 19 bei einer Schnellkühlung nach den 1 oder 4 erzielt. Natürlich steht hier dem Fachmann eine Vielzahl an Variationsmöglichkeiten im Rahmen dieser oder anderer Offenbarungen zur Verfügung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach 4 ist oberhalb des Beladungsraumes 19 eine Leitvorrichtung 30 angeordnet. Eine ähnliche Leitvorrichtung 30 kann auch unterhalb des Beladungsraumes 19 angeordnet sein. Die Düsen 13 sind hier innerhalb der Konvektionshülse 28 angeordnet. Diese Leitvorrichtung 30 übergibt die zwischen Beladungsraum 19 und Konvektionsspalt 28 fluktuierenden Fluidströme während des Aufheizens oder des Abkühlens schonend aus oder in die Randbereiche des Beladungsraumes 19. In beiden Anwendungsfällen ergeben sich dabei nützliche Vorteile, wie beispielsweise bei einem Übertritt von kaltem Fluid aus dem Konvektionsspalt 28 in den Beladungsraum 19 verhindert wird, dass das kalte Fluid unkontrolliert in die Mittel des Beladungsraumes 19 auf die Beladung 18 fällt, weil es randnah an der Innenseite der Konvektionshülse 27 in den Innenraum der Konvektionshülse eintritt und durch die dort initiierte Rotationsströmung mitgerissen wird oder selbst durch eine aktive Rotationsströmung im Beladungsraum 19 an die Innenseite der Konvektionshülse 27 gedrückt wird. Im umgekehrten Falle soll eine geeignete Ausbildung der Leitvorrichtung 30 in strömungstechnischer Hinsicht vermeiden, dass eine unkalkulierbare Zweitströmung innerhalb der Konvektionshülse 27 mittig nach oben steigt, dort abkühlt und nach unten fällt oder dass unkontrolliert schlecht durchmischte Strömungen in der Nähe der Mittellinie 26 während des Übertritts entstehen. In vorliegendem Fall wird dies aber bereits durch die innerhalb der Konvektionshülse 28 angeordneten Düsen 13 verhindert.
Andere bevorzugte Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Lehre der Erfindung sind folgende Möglichkeiten: Um eine sofortige Vermischung des aus der Düse 13 austretenden kühlen Fluids mit heißem Fluid aus der Nähe der oberen Isolierung 8 zu erzwingen ist es denkbar das Fluid aus der Düse 13 in eine Saugstrahldüse (nicht dargestellt) einzudüsen. In einer weiteren Gestaltungsvariante können zusätzliche Durchbrechungen 7 zwischen dem äußeren Ringspalt 17 und dem Bodenraum 22 vorgesehen sein, wodurch das an der Wand des Druckbehälters 1 abgekühlte Fluid unmittelbar in den Bodenraum 22 zurückströmen kann (4).
Das für eine Abkühlung sehr detailliert beschriebene System, bzw. das Verfahren, ist natürlich analog für eine Aufheizung oder für das Halten einer Temperatur anwendbar, wobei die Aufheizung herkömmlich mit reinen Heizelementen und/oder zusätzlich mit erwärmten Fluid stattfinden kann. Eine gezielte Umverteilung des Fluids aus warmen und/oder kalten Bereichen des Druckbehälters ist gezielt durch Absaugung bzw. Förderung in die Leitung 12 zur Düse 13 denkbar, auch im Falle der Aufheizung. Dabei kann es sinnvoll sein beispielsweise zwei Sätze Düsen/Leitungen oder schaltbare Leitungen 12 vorzusehen, die wahlweise die Düse 13 aus kühlen, heißen oder ähnlich temperierten Bereichen des Druckbehälters 1 versorgen.
Mit den 5 und 6 ist eine vereinfachte Darstellung eines Druckbehälters 1 dargestellt, die so für sich auch funktionsfähig ist. Eine derartige Ausführung des Druckbehälters und die Anwendung des Verfahrens darin ist denkbar bei Serienprodukten mit geringen oder mittleren Ansprüchen an das Herstellungsvefahren und die Gleichmäßigkeit der Temperierung, wobei dies nicht limitierend auf den Erfindungsgedanken aufgesetzt werden darf. In der vereinfachten Form des Druckbehälters nach 5 findet sich eine Umwälzvorrichtung 5 im Beladungsraum 19, der eine Konvektionshülse 27 aufweist. Werden während des Aufheizbetriebes die Heizelemente 4 aktiviert steigt das Fluid innerhalb der Konvektionshülse 27 nach oben. Gleichzeitig fällt das Fluid im Konvektionsspalt 28 durch die kühlere Außenwand der Isolierung 8 nach unten. Es stellt sich eine Konvektionsströmung ein, die je nach Bedarf durch die Umwälzvorrichtung unterstützt oder ausgebremst werden kann. Durch die Leitbleche 31 erfährt die nach oben steigende Konvektionsströmung eine Ablenkung, die für eine Rotationsströmung innerhalb des Druckbehälters sorgt. Die nur optionale Leitvorrichtung 30 am oberen Ende des Beladungsraumes 19 sorgt für eine bessere Führung oder Start der Konvektionsströmung. In vorteilhafter Weise werden das an der Beladung 18 abgekühlte Fluid innerhalb der Konvektionshülse 27 nach außen in Richtung der Heizelemente 4 transportiert, wodurch der Wärmeübergang von den Heizelementen 4 auf kühleres Fluid gefördert wird und die Ausbildung einer Gegenströmung vermieden wird, da durch die Aufheizung des Fluids die kinetische Richtung nach oben erhalten bleibt. Gleichzeitig ist dafür gesorgt, dass sich warmes Fluid in der Nähe der Beladung 18 ansammelt und durch die Rotationsströmung 23 zu einer Mischtemperatur vermischt wird. Bei Einsatz eines Trägergestells (nicht dargestellt) wird sichergestellt, dass die von unten nach oben geführten Fluide, die an der unteren Teilen der Beladung 18 bereits Energie abgegeben haben nach außen geführt werden und Fluide mit ausreichender Energie weiter nach oben steigen und die oberen Teile der Beladung 18 erwärmen. In vorteilhafter Weise kann das Trägergestell für die Beladung entsprechende Leitbleche aufweisen oder in notwendiger Art und Weise beladen werden, um alle Teile der Beladung (18) optimal mit der Mischung aus Konvektions- und Rotationsströmung zu temperieren. Gleichzeitig können für verschiedene Anwendungsfälle untererschiedliche Mittel zur aktiven und/oder passiven Förderung der Rotationsströmung eingerichtet werden, wodurch der Druckbehälter 1 an den jeweiligen technologischen Anwendungsfall optimal angepasst werden kann.
Auch ohne den Einbau einer Konvektionshülse 27, kann bei Verwendung der Rotationsströmung 23 eine vorteilhafte Konvektionsströmung im Beladungsraum 19 erreicht werden. Wird beispielsweise heißes Gas von unten mittels aktiver Heizelemente 4 in den Beladungsraum 19 eingeströmt, so wird dies durch den Auftrieb und der Zwischenschaltung von entsprechend geformten Leitblechen 31 rotationsförmig nach oben steigen und gibt die Wärme an die Beladung 18 ab. Die im Zuge der Wärmeabgabe entstehenden kühleren Fluidteilchen, werden wegen ihrer höheren Dichte durch die Rotationsbewegung und die gegenüber den heisseren Fluidteilchen höheren Zentrifugalkräfte nach außen geströmt und gelangen somit außerhalb des Beladungsraumes 19 an die Innenwand der Isolierung 8. Dort sammeln sich die kühleren Fluidteilchen und durch die höhere Dichte kehrt sich die nach oben gerichtete Strömung in eine nach unten gerichtete Strömung um, die nach unten in den Bodenraum 22 unterhalb des Beladungsraumes 19 zurück gelangt und dort erneut erwärmt, sofern sie durch noch kälteres Fluid nach oben in Richtung der Heizelemente 4 verdrängt wird. Natürlich sind auch hier Umwälzvorrichtungen denkbar.
Es ist dem Fachmann verständlich, dass die Ausbildung der aktiven oder passiven Mittel zur Herstellung einer Rotationsströmung im Druckbehälter 1 dem Anwendungsfall überlassen werden muss. Teilweise kann es sinnvoll sein, dass vorzugsweise im Beladungsraum 19 eines Druckbehälters 1 die Rotationsströmung 23 ihre höchste Geschwindigkeit aufweist.

1: Druckbehälter
2: Verschlussdeckel oben
3: Verschlussdeckel unten
4: Heizelemente
5: Umwälzvorrichtung
6
7: Durchbrechungen
8: Isolierung
9: Ringspalt 1
10: Fluidkühler
11: Kompressor
12: Leitung
13: Düse
14: Durchbrechungen
15: Einblasrohr
16: Venturidüse
17: Ringspalt außen
18: Beladung
19: Beladungsraum
20: Zirkulationskreis außen
21: Leitblech für 20
22: Bodenraum
23: Rotationsströmung
24: Auslass
25: Einlass
26: Mittellinie
27: Konvektionshülse
28: Konvektionsspalt
29: Zirkulationskreis innen
30: Leitvorrichtung
31: Leitbleche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2003/070402 A1 [0004, 0006]
- DE 3833337 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Temperierung einer heiß isostatischen Presse, bestehend aus einem Druckbehälter (1) mit innen liegendem Beladungsraum (19) und dazwischen angeordneter Isolierung (8), wobei innerhalb der Isolierung (8) Heizelemente (4) und ein Beladungsraum (19) mit einer Beladung (18) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu zumindest einer bestehenden natürlichen oder aktivierten Konvektionsströmung zur Aufheizung oder Abkühlung oder zum Halten eines Temperaturniveaus zumindest eine Rotationsströmung (23) aktiv oder passiv innerhalb des Druckbehälters (1) entwickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsströmung (23) zur verstärkten Vermischung des Fluids genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsströmung (23) zur Verstärkung des thermischen Überganges von den Mantelflächen der Isolierung (8), zumindest einer Konvektionshülse (27) und/oder von der Mantelfläche des Druckbehälters (1) auf das Fluid genutzt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsströmung (23) im Wesentlichen winkelig zur bestehenden Konvektionsströmung ausgerichtet ist und/oder wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsströmung (23) durch aktive Mittel wie Umwälzvorrichtungen (5) oder Düsen (13) gestartet und/oder angetrieben wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsströmung (23) durch passive Mittel wie Leitbleche (31) oder dergleichen angetrieben und/oder verstärkt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsströmung (23) im Wesentlichen lotrecht zur natürlichen Konvektionsströmung mit einer vom Lot abweichenden Komponente in Richtung der Konvektionsströmung bei der Aufheizung oder der Abkühlung oder beim Halten eines Temperaturniveaus innerhalb des Druckbehälters (1) betrieben wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise im Beladungsraum (19) eines Druckbehälters (1) die Rotationsströmung (23) ihre höchste Geschwindigkeit aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trägergestell für die Beladung (18) entsprechende Leitbleche (31) aufweist oder in notwendiger Art und Weise beladen wird, um die Beladung (18) optimal mit der Mischung aus Konvektions- und Rotationsströmung zu temperieren.
Heiß Isostatische Presse, bestehend aus einem Druckbehälter (1) mit innen liegendem Beladungsraum (19) und dazwischen angeordneter Isolierung (8), wobei innerhalb der Isolierung (8) Heizelemente (4) und ein Beladungsraum (19) mit einer Beladung (18) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass aktive und/oder passive Mittel zur Ausbildung einer Rotationsströmung (23), die im wesentlichen winkelig zur Konvektionsströmung auftritt, im Druckbehälter (1) angeordnet sind.
Heiß Isostatische Presse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als aktive Mittel Umwälzvorrichtungen (5) und/oder Düsen (13) angeordnet sind.
Heiß Isostatische Presse nach Anspruch 10 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als passive Mittel Leitbleche (31) oder dergleichen angeordnet sind.
Heiß Isostatische Presse nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Beladungsraum (19) für die Beladung (18) ein Trägergestell angeordnet ist, dass aktive und/oder passive Mittel zur Bildung einer Rotationsströmung aufweist.