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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum isostatischen
Heißpressen.
Sie betrifft insbesondere eine Vorrichtung, die einen Druckbehälter, ein
wärmeisolierendes
Gehäuse,
das in dem Druckbehälter
angeordnet ist, eine Ofenkammer von dem Gehäuse umschlossen wird und darin
angeordnet ist, eine Füllkammer,
die zu pressende Gegenstände
aufnimmt, eine Steuereinrichtung umfasst, die zwischen der Füllkammer
und einer inneren Decke des Gehäuses
angeordnet ist und die einen Raum zwischen sich selbst und der inneren
Decke begrenzt, wobei die Steuereinrichtung so eingerichtet ist,
dass sie einen Strom eines Druckmediums aus der Füllkammer
zu dem Raum und damit zu einem Bereich nahe an einer Seitenwand
des Gehäuses steuert,
und die Steuereinrichtung wenigstens eine Öffnung umfasst, um den Strom
von Druckmedium aus der Füllkammer
in den Raum zu ermöglichen.
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Technischer
Hintergrund
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Das
isostatische Heißpressen
(HIP) ist ein Verfahren, das aufgrund der ausgezeichneten Ergebnisse,
die damit erzielt werden, mehr und mehr eingesetzt wird. Es wird
beispielsweise mit Hilfe von Erhitzen in Kombination mit hohem Gasdruck
in der Ofenkammer eingesetzt, um das Auspressen von "Lunkern" in Gussteilen, beispielsweise
für Turbinenflügel für Flugzeuge,
zu erreichen, um ihre Festigkeit und ihre Lebensdauer wesentlich
zu verbessern. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Herstellung von
Erzeugnissen mit außerordentlich
kompaktem und porenfreiem Material, indem Pulver verdichtet und
das Material gleichzeitig erhitzt wird.
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Typische
Drücke,
die beim isostatischen Heißpressen
eingesetzt werden, betragen 300-5000 bar,
wobei die Temperatur dann normalerweise zwischen 500 und 2200°C liegt.
Eine Temperatur von ungefähr
75 % der Schmelztemperatur des betreffenden Materials wird im Allgemeinen
ausgewählt.
Ein inertes Gas, wie beispielsweise Argon, wird normalerweise als
ein Druckmedium verwendet.
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Vorrichtungen
für das
isostatische Heißpressen
sind normalerweise nicht mit Heizelementen versehen, die im Bereich
der inneren Decke des Gehäuses
angeordnet sind, da derartige Lösungen
teuer sind und zu Problemen hinsichtlich zuverlässiger Funktion der Vorrichtung
führen.
Heizelemente sind daher normalerweise nur an der Innenseite der
Gehäusewände und/oder
am Boden der Vorrichtung unterhalb der Füllkammer angeordnet.
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Selbst
wenn die Ofendecke sehr gut isoliert ist, bewirkt der Wärmestrom
durch die Decke, dass das Gas am nächsten an der Fläche der
inneren Decke abgekühlt
wird. Dies führt
zur Instabilität,
da das kühlere
Gas, das höhere
Dichte hat, an verschiedenen Stellen im Beschickungskorb nach unten
sinkt. Dadurch wird eine nicht annehmbare Ungenauigkeit bezüglich der
Temperatur des oberen Teils der Beschickung bewirkt. Vorrichtungen
des in der Einleitung beschriebenen Typs sind vorgeschlagen worden,
um dieses Problem zu lösen.
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Bekannten
Verfahren entsprechend hat die Steuereinrichtung, die das Druckmedium
aus dem Raum zwischen der Steuereinrichtung und der Innendecke des
Gehäuses
steuert, vorzugsweise die Form einer im Wesentlichen horizontalen
Abschirmung.
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Derartige
Anordnungen haben jedoch den Nachteil, dass das durch die Innendecke
des Gehäuses
abgekühlte
Gas dazu neigt, im Raum zwischen der Abschirmung und der Innendecke
zu verbleiben oder auf den Rand der Abdeckung zuzuströmen, d.
h. in Richtung der Seitenwand des Gehäuses, und zwar lediglich in
kleinen Mengen. Dies führt
dazu, dass das Gas in dem Raum relativ stark gekühlt wird und damit auch die
Abschirmung abkühlt.
Eine abgekühlte
Abschirmung führt
dazu, dass das Gas in der Füllkammer,
das mit der Unterseite der Abschirmung in Kontakt kommt, gekühlt wird
und sich daher kalte Gasansammlungen bilden können, die in der Füllkammer
nach unten sinken und die Temperatursituation darin ungünstig beeinflussen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
zu schaffen, die es ermöglicht,
zu verhindern, dass ein Druckmedium, das über die Innendecke des Ge häuses gekühlt wird,
direkt oder indirekt zu Ansammlungen von kühlem Druckmedium führt, die
in der Füllkammer
nach unten sinken und die Temperatursituation darin ungünstig beeinflussen.
Die Vorrichtung sollte zuverlässiges isostatisches
Heißpressen
mit so wenig wie möglich ungünstigen
Temperaturänderungen
in der Füllkammer
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird mit Hilfe einer Vorrichtung des in der Einleitung definierten
Typs erfüllt,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Öffnung in den Raum in einer
Höhe über der
Höhe eintritt,
an der sich ein Randteil der Steuereinrichtung in einem Bereich
in der Nähe
der Seitenwand des Gehäuses
befindet. Ein derartiger Höhenunterschied
fördert
den Strom des kälteren
Druckmediums aus dem Raum auf die Seitenwände des Gehäuses zu und an ihnen entlang.
Ein kontinuierlicher und ausreichender Strom verhindert ein starkes
Abkühlen
der Steuereinrichtung, durch das ein Druckmedium, vorzugsweise ein
Gas, in der Füllkammer
unmittelbar unterhalb der Steuereinrichtung abgekühlt wird
und kalte Ansammlungen bildet, die anschließend in Füllkammer nach unten sinken.
Die Gefahr, dass kalte Ansammlungen des Druckmediums in dem Raum
zwischen der Steuereinrichtung und der Innendecke in die Füllkammer über die Öffnung in
der Steuereinrichtung nach unten sinken, wird ebenfalls verringert
oder ausgeschlossen.
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Es
versteht sich, dass der Randteil der Steuereinrichtung nahe an der
Seitenwand des Gehäuses liegt,
dass jedoch ein Zwischenraum zwischen dem Randteil und der Gehäusewand
vorhanden ist, so dass sich das Druckmedium weiter an der Gehäusewand
nach unten an eine Stelle in der Ofenkammer bewegen kann, an der
es wieder erwärmt
und dann in die Füllkammer
zurückgeführt werden
kann. Die Grenze zwischen der Füllkammer
und dem Bereich nahe an der Gehäusewand,
an der das gekühlte Druckmedium
entlanggeleitet wird, kann leicht diffus sein, da keine Wand oder
dergleichen diese Bereiche in der Ofenkammer trennen muss. Von vorrangiger Bedeutung
für die
Erfindung ist jedoch, dass der Bereich, in den das gekühlte Medium
geleitet wird, gegenüber
der Füllkammer
so weit seitlich versetzt ist, dass das sich nach unten bewegende
kalte Druckmedium die Lastkammer nicht erreichen und örtlich begrenzte
kalte Zonen darin erzeugen kann, die das Pressergebnis beeinträchtigen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
die Steuereinrichtung eine Abschirmung, die im Wesentlichen gasdicht
ist und die Füllkammer
gegenüber
dem Raum zwischen der Steuereinrichtung und der Innendecke des Gehäuses abschirmt.
Die Abschirmung besteht vorzugsweise aus einem wärmebeständigen Material, so beispielsweise
einem wärmebeständigen Metall
bzw. einer Metalllegierung. Sie hat vorzugsweise einen Außenumfang
mit einer Form, die im Wesentlichen der Innenabmessung des Gehäuses in
dem Bereich entspricht, in dem der Außenumfang und die Innenabmessung
aneinander grenzen. Da das Gehäuse
vorzugsweise einen Zylinder bildet, ist der Umfang der Abschirmung
vorzugsweise kreisförmig.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführung
ist die Öffnung
im Wesentlichen mittig in der Steuereinrichtung angeordnet. Die
Steuereinrichtung ist vorzugsweise so angeordnet, dass die Öffnung im Wesentlichen
mittig über
der Füllkammer
angeordnet ist. Ein stabiler kontinuierlicher Strom des Druckmediums
aus der Füllkammer
in den Raum zwischen der Steuereinrichtung und der Innendecke und
weiter auf die Seitenwand des Gehäuses zu wird so gewährleistet.
Durch die Ausführung
als Abschirmung ist eine Reihe unterschiedlicher Formen für die Steuereinrichtung
möglich.
Die Abschirmung kann beispielsweise die Form eines Kegelstumpfes
haben, wobei sich die Öffnung
in der Mitte des Kegels befindet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführung
hat die Steuereinrichtung eine solche Abmessung in der horizontalen
Richtung, dass sie im Wesentlichen die Füllkammer abdeckt und verhindert, dass
durch die Innendecke des Gehäuses
abgekühltes
Druckmedium aus dem Raum in die Füllkammer nach unten sinkt.
Eine Steuereinrichtung bzw. Abschirmung, die in der horizontalen
Richtung nicht groß genug
ist, würde
den Effekt der Erfindung erheblich verringern bzw. vollständig aufheben.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführung
ist die Abschirmung, die die Steuereinrichtung bildet, wärmeisoliert.
Dies erleichtert es, unterschiedliche Temperaturen oberhalb und
unterhalb der Abschirmung und auch den Strom von Druckmedium aus
dem Raum in den Bereich in der Nähe
der Seitenwand des Gehäuses
aufrechtzuerhalten.
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Die
Vorrichtung umfasst vorzugsweise Heizelemente zum Erhitzen des Druckmediums,
die an Seiten des Gehäuses
oder seiner Unterseite angeordnet sind. Die Steuereinrichtung ist
dann so eingerichtet, dass sie einen Strom des Druckmediums, das durch
die Innendecke des Gehäuses
abgekühlt
wird, aus dem Raum zwischen der Steuereinrich tung und der Innendecke
zu den Heizelementen steuert, ohne dass das abgekühlte Druckmedium
durch die Füllkammer
strömt.
Wenn die Heizelemente an den Seitenwänden des Gehäuses angeordnet
sind, ist die Steuereinrichtung vorzugsweise so eingerichtet, dass
sie den Strom des Druckmediums in einen Zwischenraum zwischen der
Gehäusewand
und den Heizelementen steuert. Wenn das Druckmedium durch die Heizelemente
ausreichend erhitzt worden ist, kann es in die Füllkammer strömen. Bei
einer offenen Ofenkammer ohne Trennwand zwischen der Füllkammer
und dem Bereich in der Nähe
der Gehäusewand
findet dies aufgrund der Strömungsvorgänge, die
in der Ofenkammer auftreten, automatisch statt.
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Zusätzliche
Merkmale und Vorteile der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden in der
ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten
Ansprüchen
offengelegt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden als Beispiel unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine Schnittansicht einer
ersten Ausführung
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
von der Seite ist, und
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2 eine Schnittansicht einer
zweiten Ausführung
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
von der Seite ist.
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Ausführliche
Beschreibung bevorzugter Ausführungen
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1 zeigt eine erste Ausführung der
Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Die Vorrichtung dient für
isostatisches Heißpressen,
und daher versteht sich, dass die verschiedenen Teile derselben
für diesen
Zweck geeignet dimensioniert sind. Die Vorrichtung umfasst einen
Druckbehälter 1,
der mit unterbrochenen Linien angedeutet ist und dessen Wände vorzugsweise
eine Wicklung aus Drahtseilen umfasst, um den hohen Drücken zu
widerstehen, die im Inneren des Behälters erzeugt werden. Ein Kompressor ist
ebenfalls schematisch mit einem Kasten 2 angedeutet und
so eingerichtet, dass er ein Gas, vorzugsweise ein inertes Gas,
wie beispielsweise Argon, in eine Ofenkammer 3 pumpt, wobei
es so verdichtet wird, dass ein außerordentlich hoher Gasdruck,
beispielsweise in der Größenordnung
von 300-5000 bar, in der Ofenkammer erreicht wird. Die Vorrichtung
ist des Weiteren mit einem wärmeisolierenden
Gehäuse 4 versehen,
das die Ofenkammer 3 umgibt und Wärmeverlust an den umgebenden
Druckbehälter 1 verringert.
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Die
Ofenkammer 3 umfasst eine Füllkammer 5, in der
Beschickungen in Form von zu pressenden Erzeugnissen 6 auf
Gittern 7 auf einer Reihe von Ablagen angeordnet sind.
Die Gitter 7 und die Erzeugnisse 6 sind so angeordnet,
dass das Druckmedium, beispielsweise das heiße Gas, an ihnen vorbei durch die
Füllkammer 5 nach
oben strömen
kann.
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Das
Gehäuse 4 ist
im Wesentlichen zylindrisch geformt, wobei eine Seitenwand eine
im Wesentlichen kreisförmige
Innenabmessung begrenzt. Eine Anzahl von Heizelementen 8 ist
an der Seitenwand des Gehäuses 4 angeordnet.
Diese umfassen vorzugsweise Metalldrähte, die auf bekannte Weise angeordnet
sind. Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise des Weiteren Heizelemente 9,
die am Boden der Ofenkammer 3 unter der Füllkammer 5 angeordnet
sind.
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Die
Füllkammer 5 erstreckt
sich nach oben zu einer Innendecke 10 des Gehäuses 4 hin.
Aus an sich bekannten Gründen
sind im Bereich der Innendecke 10 keine Heizelemente vorhanden.
Heißes Gas,
das aus der Füllkammer 5 nach
oben auf die Innendecke zuströmt, überträgt daher
Wärme auf
die Innendecke 10 und wird abgekühlt. Um zu vermeiden, dass
Ansammlungen von abgekühltem
Gas in diesem Bereich verbleiben und anschließend nach unten sinken und
die Temperatursituation in der Füllkammer 5 beeinträchtigen,
umfasst die Vorrichtung eine erste Steuereinrichtung 11,
die sich wie eine Abschirmung in dem Bereich nahe an der Innendecke 10 erstreckt.
Die Abschirmung 11 begrenzt mit der Innendecke 10 einen
Raum 12, der in einem Bereich nahe am äußersten Rand der Abschirmung 11 mit
einem Bereich der Ofenkammer 3 nahe an der Seitenwand 19 des
Gehäuses 4 in
Verbindung steht. Die Abschirmung 11 umfasst eine Öffnung 13,
vorzugsweise ein im Wesentlichen kreisförmiges Loch, das mittig in
der Abschirmung 11 angeordnet ist. Die Öffnung 13 ist im Wesentlichen
unmittelbar über
der Mitte bzw. der Mittellinie der Füllkammer 5 angeordnet. Die
Abschirmung 11 steuert einen Strom von heißem Gas
aus der Füllkammer 5 über die Öffnung 13 in
den Raum 12 und weiter in den Bereich an die Seitenwand 19 des
Gehäuses 4 angrenzend.
Die Ab schirmung 11 verhindert, dass Ansammlungen von Gas, das
durch die Innendecke 10 abgekühlt wird, wieder in die Füllkammer 5 nach
unten sinken. Stattdessen leitet die Abschirmung 11 das
Gas schräg
nach unten und nach außen
in Richtung der Seitenwand 19 des Gehäuses 4. Da kaltes
Gas dichter ist als heißes Gas,
bewegt sich das Gas an der Seitenwand 19 des Gehäuses 4 nach
unten. Es wird jedoch durch die Heizelemente 8 und/oder 9 erhitzt,
so dass es schließlich
im Wesentlichen die gleiche Temperatur wie das andere Gas hat und
mit diesem in der Füllkammer 5 strömen und
sich mit ihm vermischen kann, ohne die Temperatursituation darin
nachteilig zu beeinflussen.
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Um
einen gleichmäßig verteilten
und kontinuierlichen Strom von Gas durch den Raum 12 und weiter
auf die Seitenwand 19 des Gehäuses 4 zu erreichen,
tritt die Öffnung 13 in
den Raum 12 in einer Höhe
in der Ofenkammer 3 über
der Höhe
ein, in der der äußere Rand 14 der
Abschirmung 11 in dem Bereich angeordnet ist, in dem der
Raum 12 mit der Ofenkammer 3 an der Seitenwand 19 des
Gehäuses 4 in
Verbindung steht. Dieser Höhenunterschied nutzt
die Tatsache, dass das abgekühlte
Gas eine größere Dichte
hat als das heiße
Gas. So wird eine automatische Konvektion erreicht, die den Strom durch
Raum 12 drückt
und so verhindert, dass kaltes Gas in dem Raum 12 verbleibt.
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Die
Abschirmung 11 ist vorzugsweise wärmeisoliert. So kann ein Temperaturunterschied
zwischen der unteren Seite und der oberen Seite der Abschirmung
erreicht werden, der wiederum den Strom durch den Raum 12 ermöglicht.
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Die
Vorrichtung gemäß 1 und 2 umfasst des Weiteren eine zweite Steuereinrichtung 15 in Form
eines Zylinders, der in der Ofenkammer 3 angeordnet ist
und sich in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung im Inneren
der Ofenkammer 3 erstreckt, die Füllkammer 5 umgibt,
einen Zwischenraum 16 zwischen sich und der Seitenwand 19 des Gehäuses 4 begrenzt
und einen Strom von Druckmedium, d. h. dem Gas, nach oben in die
Füllkammer 5 leitet.
Die zweite Steuereinrichtung, d. h. der Zylinder 15, weist
eine Öffnung
in Richtung der ersten Steuereinrichtung, d. h. der Abschirmung 11 auf,
wobei die erste Steuereinrichtung 11 in der horizontalen
Richtung so bemessen ist, dass sie die Öffnung in der horizontalen
Richtung abdeckt. Wenn dies nicht der Fall wäre, bestünde die Gefahr, dass Ansammlungen
von kaltem Gas nicht weit genug in Bezug auf die Füllkammer 15 zur
Seite geleitet würden
und stattdessen an der Innenseite des Zylinders 15 in der
Füllkammer 5 nach
unten sinken würden.
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2 zeigt eine alternative
Ausführung
der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Auch hier überdeckt
die erste Steuereinrichtung 11 die zweite Steuereinrichtung 15 in
der vertikalen Richtung, wodurch die Gefahr, dass kalte Ansammlungen
von Gas aus dem Raum 12 in die Füllkammer 5 nach unten
sinken, weiter verringert, praktisch ausgeschlossen wird.
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Die
hier dargestellte erste Steuereinrichtung 12 ist etwas
anders geformt als bei der ersten Ausführung. Der Austritt der Öffnung 13 in
dem Raum liegt jedoch nach wie vor höher als der Rand 14 der ersten
Steuereinrichtung, d. h. der Abschirmung 11, wobei dieser
Rand den vertikal niedrigsten Teil der ersten Steuereinrichtung 11 bildet.
In diesem Fall bildet der Randteil 14 den Rand eines im
Wesentlichen kreisförmigen
Flansches, der Teil der Abschirmung 11 ist und sich an
der Seitenwand 19 des Gehäuses 4 um eine bestimmte
Strecke nach unten in die Ofenkammer 3 hinein erstreckt.
Der Randteil 14 befindet sich daher in einer geringeren
Höhe als
dies bei der in 1 dargestellten
Ausführung
der Fall ist. Desgleichen ist ein im Wesentlichen zylindrischer Flansch
bzw. Rohrabschnitt 17 an der Öffnung 13 angeordnet.
Der Rohrabschnitt 17 bildet eine Verlängerung der Wand, um die Öffnung 13 in
der Abschirmung 11 herum und führt dazu, dass sich der Austritt der Öffnung 13 an
einer größeren Höhe in dem
Raum 12 befindet.
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Sowohl
die Vorrichtung gemäß 1 als auch die gemäß 2 sind mit wenigstens einem Kanal
bzw. Spalt 18 versehen, der zwischen der ersten Steuereinrichtung 11 und
der zweiten Steuereinrichtung 15 angeordnet ist, wobei
der Kanal bzw. Spalt 18 direkte Verbindung zwischen dem
Zwischenraum 16 und der Füllkammer 5 ermöglicht.
Kaltes Gas aus dem Raum 12, das durch die Heizelemente 8 erhitzt
worden ist, kann daher über
den Spalt bzw. Kanal 18 zu der Füllkammer 5 zurückgeleitet werden.
Dies ist in
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1 mit Pfeilen angedeutet.
Als Alternative dazu könnte
der Spalt/Kanal 18 weggelassen werden, und die Abschirmung 11 könnte auf
dem oberen Rand des Zylinders 15 aufliegen. Dies würde zu einem
anderen Strömungsbild
als dem durch den Einsatz des Spalts bzw. Kanals 18 erzielten
führen.
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Es
versteht sich, dass eine Anzahl alternativer Ausführungen
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
für den
Fachmann auf der Hand liegen, ohne vom Schutzumfang der Erfin dung
abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist und der auf
der Beschreibung und den Zeichnungen beruht.
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Es
ist insbesondere anzumerken, dass eine Vielzahl verschiedener Ausführungen
der ersten Steuereinrichtung 11 zweifellos innerhalb des
Schutzumfangs der Erfindung möglich
sind, solange das Grundkonzept der Erfindung, d. h. die Anordnung
mit einem Höhenunterschied
zwischen dem Einlass in den Raum 12 und dem Auslass aus
diesem, eingesetzt wird.
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Der
Ausdruck "Bereich
in der Nähe
der Seitenwand 19 des Gehäuses 4" bezieht sich vor allem auf alle
Bereiche seitlich neben der Füllkammer 5, insbesondere
jedoch auf die Bereiche nahe an der Seitenwand 5. Eine
Abschirmung bzw. ein Kanal, der verhindert, dass das gekühlte Gas
in direkten Kontakt mit der Seitenwand 19 kommt, ist ebenfalls
möglich, ohne
vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.