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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer
Beladung in einem Beladeraum in einer Ofenkammer einer heißisostatischen
Pressvorrichtung sowie eine heißisostatische
Pressvorrichtung.
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Hintergrund der Erfindung
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Heißisostatische
Pressen werden bei der Herstellung verschiedener Arten von Artikeln,
wie zum Beispiel von Turbinenschaufeln für Flugzeuge oder von künstlichen
Hüftgelenken
für die
Implantation beim Menschen, verwendet. Die Presse umfasst üblicherweise
einen Ofen, der mit elektrischen Heizelementen zum Erhöhen der
Temperatur in der Ofenkammer versehen ist, in der die Beladung,
das heißt die
Artikel, in einem Beladeraum gepresst werden. Nach einem abgeschlossenen
Pressvorgang ist es oft wichtig, den Beladeraum rasch abzukühlen, so dass
die Beladung in demselben die gewünschten Eigenschaften beibehalten
wird und dass Kornwachstum vermieden oder minimiert wird. Weiterhin
führt rasches
Abkühlen
zu erhöhter
Produktivität,
da die Beladung rasch herausgenommen werden kann, wodurch die Durchlaufzeit
verkürzt
wird. Es ist jedoch auch wichtig, dass eine gleichmäßige Kühlung in dem
gesamten Beladeraum erzielt wird.
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Es
sind Anstrengungen unternommen worden, um den Beladeraum und die
Ofenkammer durch Einspritzen eines kalten Gases direkt in den Beladeraum
zu kühlen.
Wenngleich rasches Kühlen
durch dieses Verfahren erzielt wird, besteht der Nachteil darin,
dass die Beladung ungleichmäßig gekühlt wird, da
Gas, das wesentlich kühler
ist als das Gas in dem Beladeraum durch die Beladung strömen wird.
Dies kann zu einer ungleichmäßigen Qualität der Beladung
führen
und sogar zu Rissbildung.
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US 5,123,832 beschreibt
eine heißisostatische
Presse zum Erzielen eines gleichmäßigeren Kühlens der Beladung, wobei ein
Gasgemisch durch Mischen von kal kaltem Gas mit heißem Gas
von der Ofenkammer in einem Ejektor gewonnen wird. Die Temperatur
des Gasgemisches, das in den Beladeraum ausgestoßen wird, ist etwa zehn Prozent
niedriger als die augenblickliche Temperatur in dem Beladeraum.
Das Mischen des kalten Gases und des heißen Gases in dem Ejektor erfordert
ein beachtliches Drosseln oder Beschränken, um eine gute Mischwirkung
zu erzielen. Der Einlass für
das Gasgemisch in den Beladeraum ist somit sehr klein, üblicherweise 100
mm im Durchmesser, wohingegen der Durchmesser des Beladeraumes üblicherweise
etwa 1,2 m beträgt.
Selbst wenn zufriedenstellendes Kühlen erzielt werden kann, weist
diese Ausführung
auch Nachteile auf. Während
des Pressvorganges, wenn die Ofenkammer zu erwärmen ist, sind das Erwärmen der
Ofenkammer und insbesondere des Beladeraumes aufgrund der geringen
Eintrittsfläche
in den Beladebereich äußerst ungleichmäßig, wenn
keine Heizelemente an der Seite der Ofenkammer vorgesehen werden.
In zahlreichen Fällen
ist es wünschenswert,
nur Heizelemente an dem Bodenteil der Ofenkammer zu haben, unter
anderem aus solchen Gründen,
wie zum Beispiel Unkompliziertheit und Kosteneinsparung. Somit besteht
nach wie vor Bedarf an einer einfachen Alternative, die gutes Mischen
bereitstellt und die die oben genannten konstruktionstechnischen
Einschränkungen
nicht aufweist.
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Kurzfassung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Verfahrens und einer Vorrichtung für heißisostatisches Pressen, die gleichmäßiges Kühlen eines
Beladeraumes in einer Ofenkammer bereitstellen und die die Nachteile
des Standes der Technik abschwächen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines
Verfahrens und einer Vorrichtung für heißisostatisches Pressen, die
auch für einen
Ofen geeignet sind, der keine Heizelemente auf der Seite des Ofens
aufweist.
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Diese
und weitere Aufgaben, die aus dem Folgenden ersichtlich sein werden,
werden durch ein Verfahren und eine heißisostatische Pressvorrichtung
gemäß den anhängenden
Patentansprüchen
erzielt.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass gutes Mischen
eines kühlen
Druckmediums mit einem heißen
Druckmedium, das aus dem Beladeraum in einer Ofenkammer freigesetzt
wird, ohne die Nutzung spezieller Mischgeräte erzielt werden kann. Mit
anderen Worten kann passives Mischen eingesetzt werden, bei dem
sich das kühle Druckmedium
ohne Unterstützung
oder zwangsweise mit dem heißen
Druckmedium vermischt. Das auf diese Weise gemischte Druckmedium
wird in die Ofenkammer eingeleitet. Das bedeutet, dass der eigentliche
Mischvorgang durch die Bewegungen unterschiedlich temperierter Druckmedien
erzielt wird, das heißt
durch Selbstumwälzung.
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Der
Vorteil des Ermöglichens
von Mischen unabhängig
von speziellen Mischanordnungen, wie zum Beispiel einer Drosselung
eines Ejektors oder einer Pumpe oder von Gebläsen besteht unter anderem darin,
dass die Wartungs- und Betriebskosten begrenzt werden. Weitere Vorteile
werden aus dem Folgenden ersichtlich werden.
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Der
Ausdruck „kühles" Druckmedium hat eine
relative Bedeutung und ist als ein Druckmedium, dessen Temperatur
niedriger ist als die Temperatur eines erwärmten Druckmediums, das in
der Ofenkammer vorliegt, betreffend zu verstehen. Demzufolge ist
ein „heißes" Druckmedium ein
Druckmedium, das vor oder während
des eigentlichen Pressvorganges in der Ofenkammer erwärmt worden
ist und das eine relativ höhere
Temperatur hat als das kühle Druckmedium.
Der Ausdruck gemischtes Druckmedium ist als ein Druckmedium zu verstehen,
das durch Mischen des kühlen
und des heißen
Druckmediums gewonnen wird und das somit eine Temperatur zwischen
der des heißen
und der des kühlen
Druckmediums hat.
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Es
wurde als besonders vorteilhaft festgestellt, die Druckmedien durch
Selbstumwälzung
zu mischen. Dies kann dadurch erzielt werden, dass das kühle Druckmedium
durch das freigesetzte relativ heiße Druckmedium fallen gelassen
wird. Wenn das Fallen des kühlen
Druckmediums aus einer bestimmten Höhe erfolgt, werden das kühle und
das heiße Druckmedium
in Bezug auf die Temperatur gut gemischt werden. Das gut gemischte
Druckmedium wird danach in den Beladeraum zurückgeführt und wird somit eine etwas
niedrigere Temperatur als die augenblickliche Temperatur in dem
Beladeraum haben. Der Höhenunterschied
treibt somit die Strömung der
Druckmedien an, das heißt
Selbstumwälzung.
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Nachdem
das gemischte Druckmedium zum Kühlen
der Beladung in die Ofenkammer zurückgeführt worden ist, wird es aus
dem Beladeraum freigesetzt und erneut mit einem Druckmedium gemischt, das
eine vergleichsweise niedrigere Temperatur als das neu freigesetzte
Druckmedium haben wird, und danach wird es erneut in den Beladeraum
zurückgeführt. Dieser
Zyklus wird somit die Temperatur in dem Beladeraum und in der Ofenkammer
kontinuierlich reduzieren, wodurch eine gleichmäßige Temperatursenkung der
Beladung erzielt wird.
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Der
Kreislauf für
die Strömung
des gemischten Druckmediums wird vorzugsweise so angeordnet, dass
der Eintritt in den Beladeraum unterhalb des Bereiches liegt, zu
dem ein relativ kühles
Druckmedium zugeführt
wird. Somit wird das kühle
Druckmedium aufgrund seiner hohen Dichte von einem hohen Niveau
durch das freigesetzte heiße
Druckmedium auf ein niedrigeres Niveau fallen und sich mit diesem
vermischen, und dabei kann ein gleichmäßig temperiertes gemischtes
Druckmedium in den Beladeraum auf dem niedrigeren Niveau geleitet
werden. Dies ist eine offensichtlich leichte und durchführbare Lösung. Es
ist jedoch vorstellbar, den Einlass an einer anderen Stelle vorzusehen,
solange die Druckmedien gut gemischt werden danach möglicherweise auf
ein höheres
Niveau gepumpt werden.
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Der
Fall des relativ kühlen
Druckmediums ist so zu dimensionieren, dass dieses Druckmedium in Bezug
auf die Temperatur gut mit dem freigesetzten heißen Druckmedium gemischt wird,
bevor es in den Beladeraum zurückgeführt wird.
Es wurde festgestellt, dass eine gute Mischwirkung erzielt werden kann,
wenn das kühle
Druckmedium auf einem Niveau entsprechend der halben Höhe des Beladeraumes
zugeführt
wird und somit durch das freigesetzte heiße Druckmedium auf ein Niveau
entsprechend dem Boden des Beladeraumes fällt. Ein Beladeraum wird üblicherweise
eine Höhe
von 500 mm haben, wobei die halbe Höhe einem Fall von 250 mm entspricht.
In geeigneter Weise wird das kühle
Druckmedium auf einem noch höheren
Niveau zugeführt,
wie zum Beispiel auf einem Niveau nahe dem Oberteil der Ofenkammer,
um gutes Durchmischen zu gewährleisten.
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Gutes
Durchmischen der unterschiedlich temperierten Druckmedien ist weiterhin
abhängig von
dem Verhältnis
des kühlen
Druckmediums zu dem heißen
Druckmedium. Ein geeignetes Verhältnis ist
1:4. Eine geringere Menge des kühlen
Druckmediums ist jedoch ebenfalls möglich. Die Menge des kühlen Druckmediums,
die in das heiße
Druckmedium zu mischen ist, muss gesteuert und kontrolliert werden,
um weitaus zu schnelles und ungleichmäßiges Kühlen der Beladung zu verhindern.
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Das
relativ heiße
Druckmedium wird in geeigneter Weise an dem Oberteil aus der Ofenkammer freigesetzt,
um eine gleichmäßige Wärmeübertragung
von dem Druckmedium auf die gesamte Beladung zu ermöglichen.
Somit wird das Druckmedium durch das Bodenteil der Ofenkammer eingeleitet
und an dem Oberteil des Beladeraumes freigesetzt.
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Das
relativ kühle
Druckmedium kann auf verschiedene Arten zugeführt werden. Eine Möglichkeit besteht
darin, während
des gesamten Kühlvorganges
frisches kühles
Druckmedium von einer externen Quelle zuzuführen. Eine Alternative besteht
darin, einen Teil des gemischten Druckmediums an sich abzukühlen. Mit
anderen Worten, nachdem das kühle Druckmedium
außerhalb
des Beladeraumes mit dem heißen
Druckmedium gemischt worden ist, wird ein Teil dieses gemischten
Druckmediums in den Beladeraum eingelassen, während ein anderer Teil, vorzugsweise
aus der Ofenkammer heraus, umgeleitet wird und abgekühlt wird.
Das umgeleitete und abgekühlte
Druckmedium wird danach recycelt und für Mischen mit neu freigesetztem,
relativ heißem
Druckmedium verwendet. Das neue gemischte Druckmedium kann erneut
in zwei Teile aufgeteilt werden, und so weiter. Eine Kombination
der beiden Alternativen ist ebenfalls möglich, das heißt sowohl
eine externe Zuführung
von kühlem
Druckmedium als auch des recycelten, umgeleiteten Druckmediums durch
den gesamten Kühlvorgang
hindurch zu verwenden.
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Eine
Vorrichtung gemäß der Erfindung
kann, abgesehen von einer Ofenkammer, in geeigneter Weise ein Standard-Wärmedämmgehäuse aufweisen,
das in einem Druckgefäß angeordnet
ist und das die Ofenkammer umschließt. Die oben genannte Aufteilung
oder Umleitung der Strömung
von gemischtem Druckmedium wird in geeigneter Weise durch Umleitungseinrichtungen
ausgeführt,
wie zum Beispiel eine Öffnung,
die in einem Wärmedämmgehäuse bereitgestellt
wird, durch die ein Teil des gemischten Druckmediums nach außerhalb
des Gehäuses austreten
kann. Die Öffnung
ist vorzugsweise auf einem niedrigeren Niveau angeordnet als das
Niveau des Ein lasses in den Beladeraum. Da ein Teil des gemischten
Druckmediums nach außerhalb
des Wärmedämmgehäuses hindurchgegangen
ist, kann es auf verschiedenen Wegen abgekühlt werden, wie zum Beispiel
mittels eines Wärmetauschers,
eines Labyrinthkanals mit wassergekühlten Wänden oder ähnlichem. Ein Durchgang oder
Kanal bringt das Druckmedium schließlich für einen weiteren Mischvorgang
mit dem freigesetzten heißen
Druckmedium zurück.
Der Druckbehälter
ist in geeigneter Weise mit einem Ventil in einer Leitung zur Abgabe
von überschüssigem Druckmedium
versehen.
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Das
kühle Druckmedium
kann auf zahlreichen verschiedenen Wegen eingespeist oder zugeführt werden,
bevor es mit dem heißen
Druckmedium vermischt wird. Es kann zum Beispiel durch eine motorgetriebene
Pumpe, die an dem Boden des Druckbehälters montiert ist, oder durch
ein Gebläse
oder durch beliebige andere geeignete Zuführvorrichtungen zugeführt werden.
Das wesentliche Merkmal besteht darin, dass das kühle Druckmedium
aus einer bestimmen Höhe
fallen können
muss. Ein weiteres wesentliches Merkmal, das das kühle Druckmedium betrifft,
besteht in dem Vermeiden von direktem Kontakt mit den gepressten
Artikeln oder der Beladung, die in dem Beladeraum abzukühlen sind.
Eine Möglichkeit
besteht in der Zuführung
des kühlen
Druckmediums durch eine Leitung, die außerhalb des Beladeraumes angeordnet
ist. Eine andere Möglichkeit besteht
in der Zuführung
des kühlen
Druckmediums in abgeschirmter Weise, wie zum Beispiel durch ein Standrohr,
durch den Beladeraum von dem Bodenteil zu dem Oberteil desselben,
wodurch verhindert wird, dass sich das kühle Druckmedium in dem Beladeraum
mit dem heißen
Druckmedium vermischt, wodurch jedoch ermöglicht wird, dass es sich außerhalb des
Beladeraumes an dem Oberteil desselben mit dem heißen Druckmedium
vermischt. Diese zentrale Anordnung weist den Vorteil auf, dass
eine gerade Leitung verwendet werden kann, die das kühle Medium
zuführt,
so dass es sich mühelos
in allen radialen Richtungen ausbreiten kann und dass es sich somit mit
dem heißen
Druckmedium vermischt, das aus verschiedenen Bereichen um den Kreisumfang
der Beladeraum-Wand ausgetreten ist.
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Oberhalb
des Beladeraumes, jedoch unterhalb eines Innendaches des oben genannten
Wärmedämmgehäuses, kann
eine Steuereinrichtung zum Steuern der Strömung von Druckmedium aus einem
Raum, der durch das Gehäuse
und das Innendach gebildet wird, zu einem Bereich in der Nähe einer
Seitenwand des Gehäuses
bereitgestellt werden. Die Steuereinrichtung wird vorzugsweise als
eine Abschirmung umfassend ausgeführt, welche den Beladeraum
im Wesentlichen gegen den genannten Raum abschirmt. Eine vorteilhafte
Konfiguration der Abschirmung ähnelt
allgemein einer Kegelform, das heißt die Abschirmung verläuft schräg von ihrer
Mitte nach unten zu ihrem Kreisumfang hin. Eine ähnliche Abschirmungs-Konfiguration
wird in
WO 01/14087 gezeigt.
Die Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung
ermöglicht
effektive Selbstumwälzung durch
Zuführen
des kühlen
Druckmediums zu dem Raum oberhalb der Mitte der Abschirmung, der
sich somit auf einem höheren
Niveau befindet als das Niveau, auf dem der Umfangsteil der Abschirmung
in einem Bereich nahe der Wand des Gehäuses angeordnet ist. Aufgrund
dieser Neigung der Abschirmung wird das kühle Druckmedium an der Wand
des Gehäuses
nach unten gedrückt
werden und wirksam mit dem heißen
Druckmedium vermischt werden. Es ist zu beachten, dass das eigentliche
Mischen bereits oberhalb der Abschirmung in dem genannten Raum beginnt,
wenn der Austritt des heißen
Druckmediums des Beladeraumes in diesen Raum mündet. Das Mischen kann jedoch
auch stattfinden, nachdem das kühle
Druckmedium den Raum verlassen hat und die Wand des Gehäuses erreicht
hat, und dort beginnt es, durch das heiße Druckmedium zu fallen, das
von der Seite der den Beladeraum bildenden Wand freigesetzt worden
ist. In dem letztgenannten Fall wird das fallende Druckmedium einen
Unterdruck erzeugen, der das Druckmedium innerhalb des Beladeraumes
zwingt, seitlich abgezogen zu werden.
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Das
kühle Druckmedium
wird vorzugsweise mittels eines Standrohres, das sich in der Ofenkammer
nach oben erstreckt und das mit einer Mündung oder Düse oder
mit mehreren Düsen,
wie zum Beispiel als kurze Abzweigrohre, versehen ist, zu dem Raum
zwischen der Abschirmung und dem Innendach oberhalb der Abschirmung
zugeführt,
um relativ kühles
Druckmedium zu dem Raum zuzuführen.
Das Standrohr kann geeignet angeordnet sein, um sich entlang der
zentralen Längsachse
der Ofenkammer und nach oben durch eine zentrale Öffnung in
der Abschirmung zu erstrecken. Die zentrale Öffnung kann auch als der Auslass
für heißes Druckmedium
aus dem Beladeraum dienen, was bedeutet, dass der Durchmesser des
Standrohres kleiner ist als der Durchmesser der zentralen Öffnung,
um zu ermöglichen,
dass heißes
Druckmedium durch die zentrale Öffnung
hindurchgeht. Das heiße
Druckmedium kann auch an einem Ort zwischen der Abschirmung und der
Seitenwand des Beladeraumes entweichen. Eine Alternative zu der
zentralen Anordnung des Standrohres ist wenigstens ein Standrohr
außerhalb
der Ofenkammer, wobei Mündungen
oder Düsen
der Standrohre um den Kreisumfang der Ofenkammer herum angeordnet
sind. Solche Mündungen
können in
der Form von Drosselbohrungen vorliegen, die in einem kreisförmigen Kanal
vorhanden sind, der um den Beladeraum herum angeordnet ist.
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Wie
weiter oben bereits beschrieben worden ist, kann ein gutes Mischen
auch erzielt werden, wenn das kühle
Druckmedium zum Beispiel aus der halben Höhe des Beladeraumes herabfällt. Dies kann
mittels Rohrleitungen für
das kühle
Druckmedium außerhalb
des Beladeraumes oder mittels eines zentralen Standrohres realisiert
werden, das in dem Beladeraum angeordnet wird, wobei das Standrohr Abzweigungen
zu der und durch die Seitenwand des Beladeraumes aufweist.
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Ein
großer
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Mischen
mühelos
und wirksam durchgeführt
werden kann, weit bevor das auf diese Weise gemischte Druckmedium
in den Beladeraum eingeleitet wird. Demzufolge ist es nicht notwendig,
den Einlass auf eine kleine Fläche
zu beschränken,
wie zum Beispiel auf die der Konstruktion, die in
US 5,123,832 gezeigt wird. Im Gegenteil,
es ist möglich,
eine weitaus größere Einlassfläche zu nutzen,
die über
den Boden des Ofens verteilt ist. Die Erfindung ermöglicht,
dass die Eintrittsfläche,
das heißt die
Fläche,
durch die Druckmedium in den Beladeraum eintreten kann, typischerweise
etwa 30% der Boden-Querschnittsfläche des
Beladeraumes ausmacht. Diese Lösung
stellt nicht nur die gewünschte kontrollierte
Kühlung
des Beladeraumes und der Ofenkammer bereit, sondern ermöglicht auch
das Arbeiten mit Heizelementen, die nur unterhalb des Beladeraumes
angeordnet sind, um Erwärmen
während des
eigentlichen Pressvorganges zu bewirken. Natürlich können erfindungsgemäß Heizelemente
auch an der Seite der Ofenkammer verwendet werden.
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Das
in der vorliegenden Erfindung verwendete Druckmedium ist geeignet
ein Gas, vorzugsweise ein Inertgas, wie zum Beispiel Argon, das
zur Übertragung
von Wärme
auf die Beladung vor und während
des Pressens sowie zum Kühlen
der Beladung nach dem Pressen verwendet wird. Es ist jedoch auch
möglich,
eine Flüssigkeit,
wie zum Beispiel Öl,
als das Druckmedium zu verwenden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 veranschaulicht
eine heißisostatische Presse
nach dem Stand der Technik.
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2 veranschaulicht
schematisch einen Druckbehälter
einer heißisostatischen
Presse gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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3 veranschaulicht
schematisch einen Druckbehälter
einer heißisostatischen
Presse gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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4 veranschaulicht
schematisch einen Druckbehälter
einer heißisostatischen
Presse gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 veranschaulicht
eine heißisostatische Presse 10 nach
dem Stand der Technik. Die bekannte heißisostatische Presse 10 weist
eine herkömmlichen
Druckbehälterwand 12 auf,
die mit einem Kanal für
Wasserkühlung
versehen ist. Artikel 16 werden in einem Beladeraum in
einer Ofenkammer 18 beladen. Die Ofenkammer ist von einem
Wärmedämmmantel 20 und
einer Bodendämmplatte 22 umgeben.
Ein Korb 24 ist in der Ofenkammer 18 um die Artikel 16 in
dem Beladeraum herum so angeordnet, dass ein Spalt 26 zwischen
dem Korb 24 und dem Wärmedämmmantel 20 gebildet
wird. Zwei Ejektoren 28, 30 sind jeweils unterhalb
beziehungsweise oberhalb der Bodendämmplatte 22 angeordnet.
Der Wärmedämmmantel 20 ist
in seinem unteren Teil mit Öffnungen 32 versehen.
Zwischen dem Wärmedämmmantel 20 und
der Druckbehälterwand 12 wird
ein Raum 34 ausgebildet. In den Raum 34 wird eine
Muffe 36 eingeführt
und in ihrem oberen Teil mit einer Öffnung sowie mit einem offenen
unteren Teil 38 versehen. Der offene untere Teil 38 ist
unterhalb der Öffnung 32 in
dem Wärmedämmmantel 20 angeordnet.
Gas aus dem Kühlkreislauf
in dem Raum 34 entlang der Druckbehälterwand 12 wird in
den unteren Ejektor 28 angesaugt. Der untere Ejektor 28 stellt
dem oberen Ejektor 30 seine Treibgasströmung aus relativ kühlem Gas
bereit. Der obere Ejektor 30 ist oberhalb der Bodendämmplatte 22 angeordnet.
In dem oberen Ejektor 30 wird warmes Gas aus dem Spalt 26 in
den Ejektor 30 angesaugt und mit der Treibgasströmung aus
relativ kühlem
Gas vermischt. Der obere Ejektor 30 ist unterhalb des Beladeraumes
angeordnet, und das Gas wird von unten eingespritzt. Wie aus der
Figur ersichtlich ist, wird der obere Ejektor 30 benötigt, um
eine gute Mischung der Gase zu erhalten. Weiterhin kann nur eine
begrenzte Eintrittsfläche
zum Einspritzen des wie beschrieben gemischten Gases verwendet werden.
Diese begrenzte Fläche
hat ebenfalls einen Nachteil bei dem Erwärmen der Beladung während des
eigentlichen Pressvorganges. Um gleichmäßiges Erwärmen des Beladungsraumes in der
Ofenkammer 18 zu erzielen, müssen Heizelemente (nicht gezeigt)
auf der Seitenfläche
der Ofenkammer 18 bereitgestellt werden.
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2 veranschaulicht
schematisch einen Druckbehälter 40 einer
heißisostatischen
Presse gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. 2 ist vorwiegend
eine Querschnittdarstellung des Druckbehälters 40. Der Druckbehälter 40 umfasst
eine zylindrische Druckbehälterwand 42, die
mit Kanälen
für Kühlwasser
(nicht gezeigt) versehen sein kann. Die Druckbehälterwand 42 umgibt den
Ofen 43. In dem Ofen 43 ist eine Ofenkammer 44 von
einem Wärmedämmgehäuse 46 oder
Mantel umgeben. Ein Korb 48 ist in der Ofenkammer 44 angeordnet
und bildet einen Beladeraum 50, in den Artikel geladen
werden (die Artikel werden der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht
gezeigt). Die Außenseite
des Korbes 48 ist vorzugsweise mit einem Dämmmaterial
beschichtet, um eine geeignete Temperaturdifferenz zwischen der
Innenseite des Korbes 48 und der Außenseite des Korbes 48 aufrecht
zu erhalten. Das Innere des Korbes ist mit Gitterrosten aus Lochregalen 52 versehen,
um die Artikel auf verschiedenen Niveaus in dem Beladeraum 50 anzuordnen
und um Gas durch den Beladeraum 50 nach oben hinter dieselben
strömen
zu lassen. Der Korb 48 ist so angeordnet, dass ein Spalt 54 zwischen dem
Korb und dem Wärmedämmgehäuse 46 gebildet
wird. An dem unteren Teil des Beladeraumes 50 werden Heizelemente 56 zum
Erwärmen
des Gases und dadurch der zu pressenden Artikel bereitgestellt. Oberhalb
des Korbes 48 und des Beladeraumes 50, jedoch
unterhalb eines Innendaches 58, das einen Teil des Wärmedämmgehäuses 46 bildet,
wird eine Abschirmung 60 bereitgestellt, um die Strömung von Gas
aus einem Raum 62, der durch das Gehäuse 46 und das Innendach 58 gebildet
wird, zu einem Bereich 64 nahe einer Seitenwand des Gehäuses 46 zu kontrollieren.
Die Abschirmung 60 schirmt im Wesentlichen den Beladeraum 50 gegen
den Raum 62 ab. Die Abschirmung 60 weist eine
schräge
Form oder eine etwas kegelförmige
Form oder eine Kegelstumpfform auf. Die Abschirmung 60 verlauft
schräg von
ihrer Mitte, die konzentrisch zu der Mittelachse des Korbes 48 oder
der Presse selbst ist, nach unten zu ihrem Kreisumfang nahe der
Seitenwand des Wärmedämmgehäuses 46.
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Eine
Rohrleitungsanordnung 66 steht in Verbindung mit einer
Pumpe 68 oder einem Ejektor, die oder der kühles Gas
von einem externen Gassystem 69 zuführt. Die Rohrleitungsanordnung 66 umfasst ein
Standrohr 70, das sich durch den Beladeraum 50, entlang
der Mittelachse des Korbes 48, von dem Bodenteil des Korbes 48 zu
einem Niveau oberhalb des Oberteiles des Korbes 48, genauer
durch eine zentrale Öffnung 61 in
der schrägen
Abschirmung 60 und oberhalb der schrägen Abschirmung 60,
erstreckt. Das Standrohr 70 steht in Verbindung mit einem
Verteilerstück 72,
das oberhalb der Abschirmung bereitgestellt wird und das mehrere
kurze Abzweigrohre 74 umfasst, die gleichmäßig um den
Kreisumfang des Verteilerstückes
beabstandet sind. Die kurzen Rohre 74 sind so ausgerichtet,
dass sie radial weg von dem Verteilerstück 72 und der Mittelachse
zeigen. Ein Anschluss 76 wird an dem unteren Teil der Presse
zum Ablassen überschüssigen Gases
oder zum Einleiten von Gas bereitgestellt.
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Das
Wärmedämmgehäuse 46 ist
entsprechend dem Stand der Technik mit Öffnungen 78 in seinem
unteren Seitenabschnitt versehen. Weiterhin wird zwischen dem Wärmedämmgehäuse 46 und
der Druckbehälterwand 42 ein
Raum 80 ausgebildet. In dem Raum 80 wird eine
Muffe 82 nach dem Stand der Technik eingeführt und
mit einer Öffnung 84 in
ihrem oberen Teil und in einem offenen unteren Teil 86 versehen.
Der offene untere Teil 86 ist unterhalb der Öffnung 78 in
dem Wärmedämmgehäuse 46 angeordnet.
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Ein
nach einem abgeschlossenen Pressvorgang durchzuführender Kühlvorgang wird nunmehr beschrieben
werden. Um den Beladeraum 50 und die darin enthaltenen
Artikel zu kühlen,
wird kühles
Gas wie folgt mit heißem
Gas gemischt. Das kühle
Gas wird mittels der Pumpe 68 von einer Quelle kühlen Gases
durch ein zentral angeordnetes Standrohr 70 nach oben zu
dem Verteilerstück 72 gepumpt,
wo das kühle
Gas zu dem Raum 62 oberhalb der Abschirmung 60 zugeführt wird.
Das kühle
Gas wird mit schwarzen Pfeilen veranschaulicht. Das kühle Gas, das
eine größere Dichte
als das Umgebungsgas hat, wird entlang der Abschirmung 60 nach
unten zu dem Bereich 64 nahe dem Wärmedämmgehäuse 46 und in den
Spalt 54 zwischen dem Korb 48 und dem Wärmedämmgehäuse 46 fallen.
Heißes
Gas, das in dem Beladeraum 50 vorliegt, wird freigesetzt
oder wird vielmehr von dem Beladeraum 50 durch eine Öffnung 88 oder
einen Austritt zwischen der Abschirmung 60 und dem Oberteil
des Korbes 48 herausgesaugt. Heißes Gas wird mit weißen Pfeilen
veranschaulicht. Das kühle
Gas wird weiter durch das heiße
Gas fallen, das in dem Spalt 54 vorliegt und das kontinuierlich
aus dem Beladeraum 50 freigesetzt wird. Die Gase werden
somit vermischt und dieses Gasgemisch wird eine niedrigere Temperatur
aufweisen als das freigesetzte heiße Gas, wie zum Beispiel üblicherweise
von zehn Prozent weniger in °C.
Das Verhältnis
zwischen der Menge von kühlem
Gas und heißem
Gas zum Mischen kann üblicherweise
1:4 betragen oder ein noch größeres Verhältnis sein.
Im Vergleich zu dem Stand der Technik wird in dem Ofen 43 gemäß der vorliegenden
Erfindung ein relativ großer Teil
des Ofens 43 für
das eigentliche Mischen von kühlem
und heißem
Gas genutzt. Anstelle der Nutzung einer kleinen Einengung, in der
die Gase gemischt werden, wird ein Volumen oder ein Spalt 54 in Form
einer kreisförmigen
Säule um
den Korb 48 herum für
passives Mischen mittels Selbstumwälzung genutzt.
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Ein
Teil des Gasgemisches wird in den Beladeraum 50 zurückgeführt, nachdem
es durch die abgeschalteten Heizelemente 56 an dem unteren
Teil des Korbes 48 hindurchgegangen ist. Ein anderer Teil
des Gasgemisches wird so umgeleitet, dass er durch die Öffnungen 78 in
dem Wärmedämmgehäuse 46 austritt
und entlang einer Seite der Muffe 82 strömt, durch
die Öffnungen 84 in
der Muffe hindurchgeht und danach entlang der anderen Seite der
Muffe 82 und der Druckbehälterwand 42 zurückströmt, wobei
die Druckbehälterwand 42 mit
geeigneten Kühlvorrichtungen
versehen ist, wie zum Beispiel mit einem Wasserkanal. Dieser umgeleitete
Teil des Gasgemisches wird daher weiter abgekühlt werden, wenn er an der
Druckbehälterwand 42 vorbeiströmt und wird
auf geeignete Weise zu der Pumpe 68 zurückgeführt, um als kühles Gas
in die Rohrleitungsanordnung 66 gepumpt zu werden. Es ist
zu beachten, dass der äußere Kühlkreislauf
nur genutzt wird, wenn Gas durch die Rohrleitungsanordnung 66 gepumpt worden
ist.
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Zum
besseren Verständnis
ist lediglich veranschaulicht worden, dass das heiße Gas an
einem Auslass oder einer Öffnung 88 zwischen
der Abschirmung 60 und dem Korb 48 austritt. Es
ist jedoch auch möglich,
heißes
Gas an der zentralen Öffnung 61 der Abschirmung 60 freizusetzen,
wenn zum Beispiel der Außendurchmesser
des Standrohres 70 kleiner ist als der Durchmesser der
zentralen Öffnung.
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Während des
Erwärmens
und des Pressens muss das Gas nicht nach der Außenseite des Wärmedämmgehäuses 46 umgeleitet
werden. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist die Eintrittsfläche zu dem Beladeraum 50 an
dem unteren Teil desselben recht groß. Wenngleich die Erfindung
vorwiegend das Kühlen
der Beladung betrifft, stellt sie auch dahingehend einen Vorteil
bereit, was das Erwärmen
der Beladung betrifft. Die große
Eintrittsfläche
ermöglicht,
dass die Ofenkammer 44 und die Beladung durch die Heizelemente 56,
die unter dem Beladeraum 50 angeordnet sind, zufriedenstellend
erwärmt
werden, und somit besteht keine Notwendigkeit, Heizelemente 56 auf der
Seitenfläche
des Beladeraumes 50, das heißt um seinen Kreisumfang, anzuordnen.
Wenn somit in dem Beladeraum 50 angeordnete Artikel zu
pressen sind, werden die unter dem Beladeraum 50 angeordneten
Heizelemente angeschaltet, und das externe Gassystem 69 (das
einen Speicher und einen Verdichter aufweist), wird Gas, wie zum
Beispiel Argon, durch den Anschluss 76 zuführen und
dieses verdichten, so dass ein hoher Druck von üblicherweise 300 bis 5000 bar
in dem Beladeraum 50 der Ofenkammer 44 erreicht
wird. Das Gas, das in den Beladeraum 50 eintritt, wird
durch den großen
Bereich hindurchgehen, der von den Heizelementen 56 eingenommen
wird, wobei gleichmäßiges Erwärmen der Artikel
in dem Beladeraum 50 erzielt wird.
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3 veranschaulicht
schematisch einen Druckbehälter 90 einer
heißisostatischen
Presse gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung. 3 ist eine aufgeschnittene Perspektivansicht
des Druckbehälters 90.
Die strukturellen Details, die denen des Druckbehälters 40 in 2 entsprechen,
sind jeweils mit den gleichen Verweisziffern wie diejenigen in 2 bezeichnet
worden. Somit ist erkennbar, dass der Druckbehälter 90 eine im Allgemeinen
zylindrische Form aufweist. Die Gitterroste aus Lochregalen 52 in
dem Beladeraum 50 sind kreisförmig und mit Perforationen
oder Durchgangslöchern
versehen.
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Der
in 3 veranschaulichte Druckbehälter 90 unterscheidet
sich von dem in 2 veranschaulichten dahingehend,
dass er mit zwei Abschirmungen, einer unteren Abschirmung 92 und
einer oberen Abschirmung 94, oberhalb des Korbes 48,
versehen ist. Der Umfang der unteren Abschirmung 92 steht
in direktem Kontakt mit dem oberen kreisförmigen Rand des Korbes 48.
Somit kann kein Gas zwischen dem Korb 48 und der unteren
Abschirmung 92 austreten. In einer alternativen Ausführung kann
der Umfang jedoch offen sein, so dass Gas zwischen dem Korb 48 und
der unteren Ab schirmung 92 hindurchgehen kann. Die obere
Abschirmung 94 weist im Wesentlichen die gleiche strukturelle
Form auf wie die untere Abschirmung 92. Diese doppelte
Abschirmungsanordnung gewährleistet
eine gute Verteilung des kühlen
Gases zu der Seitenwand, die einen Teil des Wärmedämmgehäuses 46 bildet. Das
Standrohr 70 und der Korb 48 sind geeignet aus
rostfreiem Stahl gefertigt, während
die Innenwand des Wärmedämmgehäuses 46 üblicherweise
aus Molybdän
gefertigt wird. Stahl hat einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als Molybdän.
Diese Differenz der Koeffizienten kann eine Differenz in vertikaler
Bewegung, wie zum Beispiel 60 mm, des Stahl-Standrohres 70 im
Verhältnis
zu dem Wärmedämmgehäuse 46 bei
Temperaturänderungen
während
des Erwärmens
der Ofenkammer bewirken. Die obere Abschirmung 94 ist von
dem Wärmedämmgehäuse 46 abgehängt, dessen
Innenwand üblicherweise
aus Molybdän
besteht. Das Stahl-Standrohr 70 wird sich daher im Verhältnis zu
der oberen Abschirmung 94, jedoch nicht im Verhältnis zu
der unteren Abschirmung 92, die an dem Stahlkorb 48 befestigt
ist, bewegen.
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4 veranschaulicht
schematisch einen Druckbehälter 100 einer
heißisostatischen
Presse gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die gleichen Verweisziffern werden für strukturelle
Details verwendet, die den jeweiligen Details in den 2 und 3 entsprechen. In
diesem Ausführungsbeispiel
wird das kühle
Gas mittels einer Rohrleitung 102, die entlang der Außenseite
des Korbes 48 geführt
wird, zu der Fallhöhe
geführt.
Die Rohrleitung 102 steht in Verbindung mit einer Verteilungsringleitung 104,
die mit zahlreichen Drosselbohrungen 106 versehen ist,
die um ihren Außenumfang
herum gleichmäßig beabstandet
sind. Kühles
Gas, das zu der Verteilungsringleitung 104 zugeführt wird,
wird somit durch die Drosselbohrungen 106 zu dem zylindrischen
Spalt 54 zwischen dem Korb 48 und dem Wärmedämmgehäuse 46 gedrückt. Wenngleich
die Verteilungsringleitung 104 an dem Oberteil des Korbes 48 angeordnet
ist, ist es auch denkbar, diese in einer niedrigeren Höhe anzuordnen.
Wichtig ist, dass das kühle
Gas in einer Entfernung durch das heiße Gas fällt, die ausreichend ist, um
ein gut gemischtes Gas zu erhalten, und dass das eigentliche Mischen
außerhalb
des Beladeraumes 50 stattfindet.
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Es
ist zu beachten, dass zahlreiche Änderungen und Varianten vorgenommen
werden können, ohne
von dem Erfindungsbereich der vorliegenden Erfindung gemäß Definition
in den anhängenden
Patentansprüchen
abzuweichen.
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Somit
ist zu beachten, dass die Zeichnungen lediglich schematische Veranschaulichungen
zum Zweck der Erläuterung
der Grundsätze
der Erfindung sind. Offensichtlich werden in den Zeichnungen nicht alle
strukturellen Elemente der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung
gezeigt. Die verschiedenen Details und Merkmale, wie zum Beispiel Öffnungen
und Löcher,
können
alternative Abmessungen und Positionen aufweisen.