DE69221212T2

DE69221212T2 - Verfahren zur behälterlosen Behandlung von sich in einem Zustand von kompensierter Schwerkraft befindlichen Materialien und Vorrichtung dafür

Info

Publication number: DE69221212T2
Application number: DE69221212T
Authority: DE
Inventors: Kozo Ishizaki; Makoto Nanko
Original assignee: PLATA Ltd CO
Current assignee: Si-Nano Technology Nagaoka Niigata Jp
Priority date: 1991-05-22
Filing date: 1992-05-22
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2012-05-23
Also published as: EP0515999A2; EP0515999B1; DE69221212D1; US5516481A; EP0515999A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein behälterloses Verfahren zur Verarbeitung von Material in einem Zustand von kompensierter Schwerkraft und auf eine entsprechende Vorrichtung.
Die Verarbeitung von Materialien in einem Zustand von kompensierter Schwerkraft macht es möglich, wahre Kugeln zu bilden oder Materialien zu schmelzen, ohne daß ein Schmelztiegel benutzt wird, so daß es möglich ist, eine Verunreinigung durch Fremdstoffe der Schmelze zu vermeiden. Aus diesem Grund sind verschiedene Experimente zum Darstellen von Materialien in einem Zustand von kompensierter Schwerkraft ausgefuhrt worden.
Ein Verarbeitungsverfahren und eine Vorrichtung, wie sie oben definiert sind, sind in der EP 0 313 069 A offenbart. Die bekannte Vorrichtung weist eine Kammer, die das Material enthält, Fluid in der Kammer und Behandlungsmittel zum Behandeln des Materiales in der Kammer auf. Das Fluid weist drei Schichten von Flüssigkeiten jeweils mit unterschiedlicher Dichte auf. Die obere Schicht weist eine niedrigere Dichte, die mittlere Schicht weist eine Dichte entsprechend dem zu behandelnden Material und eine Bodenschicht weist eine höhere Dichte auf. Das Material ist daher in der mittleren Flüssigkeitsschicht in einem Zustand der Nichtgravitation schwebend gehalten. Dieses bekannte Verfahren und die Vorrichtung weisen jedoch den Nachteil auf, daß die mittlere Schicht gemäß den Eigenschaften des Materiales ausgewählt werden muß und daß daher die Flexibilität der Vorrichtung ziemlich begrenzt ist.
Die US 4,344,787 offenbart eine Vorrichtung mit einem Volumen mit einem Fluid mit innerem Überdruck zum Bilden von Kugeln eines Materiales. Der Druck wird so gesteuert, daß er dem Gasdruck innerhalb der Kugeln anstatt der Dichte des Materiales entspricht. Somit ist das Material nicht in der Kammer schwe bend gehalten, sondern fällt auf den Boden.
In der Druckschrift JP 61-168596 wird das Material in einem Gasstrom schwebend gehalten, und in der SU 444 735 A werden Glaskugeln bearbeitet, wenn sie aufwärts als Resultat eines Schwerkraftunterschiedes innerhalb einer umgebenden Flüssigkeit fließen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verringern der Kosten und Erhöhen der Flexibilität der Bearbeitung eines Materiales in einem Zustand von kompensierter Schwerkraft vorzusehen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, wie es in Ansprüchen 1 und 2 definiert ist, und eine Vorrichtung, wie sie in Ansprüchen 8 und 9 definiert ist.
Daher ist entweder eine Dichtevariation in einer vertikalen Richtung gemäß den Ansprüchen 2 und 9 erzeugt, oder keine solche Dichtevariation tritt gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 8 auf. Das Druckmedium oder -fluid kann aus einem unter hohen Druck gsetzten einzigen Gas oder Fluid oder aus einer hohen Druck gesetzten Mischung von mehreren Gasen oder Flüssigkeiten bestehen. Diese Gase und Flüssigkeiten können entweder statisches Fluid oder driftendes Fluid sein.
In dem Fall, in dem das Druckmedium aus mehreren Arten von Fluiden besteht, wobei jedes eine unterschiedliche Dicht aufweist, können die Fluide getrennt in Schichten oder gemischt angeordnet sein.
Unterwerfen des Materiales einer physikalischen, chemischen oder metallurgischen Behandlung bedeutet: Erzeugen eines anderen Materiales aus einem Material durch Vorsehen einer physikalischen, chemischen oder metallurgischen Änderung für das Material; und Herstellungs- oder Verarbeitungswege von Material in verschiedenen Phasen wie physikalische Zusammensetzung eines Materiales, Synthese eines Materiales durch chemische Reaktion, Glasbildung aus einer Schmelze durch Erhitzen und Verfestigen und Steuern einer Feinstruktur. Eine physikalische, chemische oder metallurgische Änderung von Materialen bedeutet Erweichen des Materiales, Verformen des Materiales und Umwandeln der Zusammensetzung oder Struktur.
Bei dieser Erfindung ist der Zustand kompensierter Schwerkraft in einem unter hohen Druck gesetzten Medium gebildet. Wenn ein Medium wie ein Gas oder eine Flüssigkeit auf einen hohen Druck unter Druck gesetzt wird, wird die spezifische Schwerkraft dieses Mediums sehr groß. Folglich wirkt ein extrem hoher Auftrieb auf Materialien in diesem Medium mit großer spezifischer Schwerkraft, somit ist es möglich, einen Zustand kompensierter Schwerkraft zu bilden.
Allgemein wird von einem Gas angenommen, daß es eine kleine spezifische Schwerkraft aufweist. Wenn jedoch das Gas einem hohne Druck ausgesetzt ist, ist seine spezifische Schwerkraft bemerkenswert erh:ht. Wenn z.B. Ar-Gas auf 1.000atm bei Zimmertemperatur unter Druck gesetzt wird, ist seine spezifische Schwerkraft praktisch gleich der des Wassers.
Fig. 1 zeigt eine Beziehung von Druck und Dichte von Ar-Gas bei verschiedenen Temperaturen, wobei Druck (mPa) als Abszisse und Dichte von Ar-Gas (kg/r3) als Ordinate genommen werden. Dieses Diagramm zeigt, daß ein unter hohen Druck gesetztes Gas in der Lage ist, einen extrem hohen Auftrieb zu erzielen.
Wie oben angegeben ist, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein großer Auftrieb durch ein Medium erhalten, das einem hohen Druck unterworfen ist und dem daher eine große spezifische Schwerkraft gegeben ist. Wenn folglich eine Substanz mit einem hohen Molekulargewicht oder Atomgewicht zur Benutzung gewählt wird, kann eine spezifische Schwerkraft groß genug zum Bilden eines Zustandes kompensierter Schwerkraft leicht bei einem relativ niedrigen Druck erhalten werden. Mit anderen Worten, die Benutzung eines Gases mit einer großen spezifischen Schwerkraft bei einem normalen Druck macht es möglich, einen weiter großen Auftrieb zu erzeugen.
Weiterhin macht die Benutzung einer Mischung von mehreren Arten von Fluiden, von denen jedes eine unterschiedliche Dichte aufweist, als ein Druckmedium zum Vorsehen eines Auftriebes für das Material es möglich, eine behälterlose Bearbeitung bei dem gleichen Druck in einem Fall zu erreichen, in dem zu verarbeitende Materiale in einem Zustand kompensierter Schwerkraft verschiedene Dichten aufweisen. Mit anderen Worten, durch richtiges Einstellen des Mischungsverhältnisses mehrerer Arten von Fluiden kann der Einfluß des Druckes auf Materiale gleich gemacht werden unabhängig von der Art der zu verarbeitenden Materiale.
Andererseits wird durch Vorsehen einer Variation für ein einzelnes Medium oder für ein Mischungsmedium einer Mehrzahl von Fluiden in Dichte entlang einer vertikalen Richtung eine Feinsteuerung des Mediumdruckes unnötig, die notwendig zum Schwebendhalten eines Materiales ist, wenn ein Medium keine Dichtevariation aufweist.
Wenn weiter Sauerstoff, Stickstoff oder andere reaktive Gase in das Medium gemischt werden, ist es möglich, das zu verarbeitende Material zu oxidieren, zu nitridieren oder mit dem Material zu reagieren, wodurch, wenn das zu bearbeitende Material ein Oxyd, ein Nitrid oder eine andere Verbindung (Chlorid oder ähnliches) ist, es möglich ist, die Zersetzung zu verhindern.
Wie oben erörtert wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Material in einem Druckmedium schwebend gehalten, das aus einem einzelnen Fluid oder einer Mehrzahl von Arten von Fluiden besteht, von denen jedes eine unterschiedliche Dichte aufweist, und es wird einer physikalischen oder chemischen Behandlung unterworfen. Bei dieser Behandlung wird das Material mit einer physikalischen, chemischen, metallurgischen oder anderen Änderung versehen und in eine Produktion verarbeitet. Als Resultat ist es möglich, einen extrem großen Auftrieb auf das Material auszuüben, wodurch das Material verarbeitet werden kann oder hergestellt werden kann in einem Zustand von im wesentlichen kompensierter Schwerkraft. Da bei dieser Erfindung solch ein gewichtsloser Zustand durch ein leicht steuerbares Mittel erhalten werden kann, d.h. eine Steuerung des Unterdrucksetzen des Mediums, ist es möglich, leicht und gewerbsmäßig auf der Grundlage eine Verarbeitung eines Materiales oder eine Herstellung auszuführen, die einen schwerkraftfreien Zustand benötigt, und die daher im Weltraum oder in Freifallexperimenten durchgeführt wurde. Aus diesem Grund kann die vorliegende Erfindung einen großen Beitrag zu der Entwicklung und Herstellung nützlicher oder neuer Materiale beitragen.
Fig. 1 ist ein Diagramm, das Beziehungen zwischen Druck und Dichte bei Temperaturen von 300K, 600K, 1.000K und 1.500K von Ar-Gas zeigt;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der ein Material durch eine Vorrichtung bearbeitet wird, die ein Druckgefäß 1, einen Heizer 2 und eine Probenplatte 3 aufweist;
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der eine Mischung als ein Druckmedium so ausgelegt ist, daß es durch einen Konvektionsheizer 8 zirkuliert wird;
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der ein Konvektionsventilator anstelle des in Fig. 3 dargestellten Konvektionsheizer eingebaut ist;
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht, die eine noch andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der ein Heizer nur in einem oberen Teil zum Bilden einer Auftriebsverteilung eingebaut ist;
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht, die eine noch andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der ein Material kontinuierlich in einem im wesentlichen gewichtslosen Zustand bearbeitet werden kann;
Fig. 7 ist eine schematische Ansicht, die eine noch andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der eine Mehrzahl von Materialen gleichzeitig bearbeitet werden kann, wobei eine horizontal lange Druckkammer benutzt wird;
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die eine noch andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der ein Material oder ein Druckmedium lokal unter Benutzung eines optischen Mittels wie ein Infra rotstrahl oder ähnliches erwärmt werden kann;
Fig. 9 ist eine schematische Ansicht, die eine noch andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der ein Ultraschallgenerator außerhalb einer Druckkammer vorgesehen ist; und
Fig. 10 ist eine schematische Ansicht, die eine noch andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der ein Ultraschallgenerator innerhalb einer Druckkammer eingebaut ist.
Es wird nun Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, in denen die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wird.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die ein Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein Heizer 2 ist in einer Druckkammer 1 zum Bearbeiten eines Materiales eingebaut. Das zu bearbeitende Material 4 ist auf eine Probenplatte 3 gesetzt und in die Druckkammer 1 eingeführt. In Fig. 2 ist unbearbeitetes Material durch eine strichpunktierte Linie gezeigt. Ein Medium wie ein unter hohen Druck gesetztes Gas oder ähnliches ist in die Druckkammer 1 eingeführt. Dann wird unter dem Einfluß der hohen Dichte des Druckmediums das Material 4 durch Auftrieb des Mediums von der Position auf der Probenplatte 3 zu einer Position ausgerichtet mit dem Heizer 2 angehoben (durch das Material 5 gezeigt) und schwebend an der Position ausgerichtet mit dem Heizer 2 gehalten. Das Material 5 wird in diesem Zustand einer Wärmebehandlung mittels des Heizers 2 unterworfen.
Wenn bei diesem Vorgang eine Mischung, die aus mehreren Arten von Fluiden zusammengesetzt ist, von denen jedes eine unterschiedliche Dichte aufweist, als das Druckmedium benutzt wird, ist es möglich den Einfluß des Druckes auf das Material unabhängig von der Art des zu bearbeitenden Materiales auszugleichen. Zusätzlich ist es möglich, durch Mischen von Sauerstoff, Stickstoff, Chlor oder anderer reaktiver Gase in das benutzte Medium, das zu verarbeitende Material zu oxidieren, zu nitridieren, zu chlorieren oder mit dem Material zu reagieren, während es ebenfalls möglich ist zu verhindern, daß das zu verarbeitende Material zerfällt, wenn das Material Verbindungen aus Sauerstoff, Stickstoff, Chlor oder anderen ist.
Wenn in diesem Fall die Mischung zum Separieren tendiert, kann die Separation durch Erzeugen von Konvektion unter Benutzung eines Heizers 8 verhindert werden, wie in Fig. 3 gezeigt ist, der das Medium innerhalb der Druckkammer heizt, oder durch Einbauen eines Konvektionsventilators an dem Boden der Druckkammer 1, wie in Fig. 4 gezeigt ist.
Hier werden in einem Fall, in dem mehrere Arten von Medien, von denen jedes eine unterschiedliche Dichte aufweist, als das Druckmedium benutzt werden, diese Fluide voneinander getrennt, und das getrennte Fluid, das den unteren Teil des Gefäßes besetzt, ist so ausgewählt, daß es eine höhere Dichte als die des zu bearbeitenden Materiales aufweist, während das Medium, das den oberen Teil des Gefäßes besetzt, so ausgewählt ist, daß es eine niedrigere Dichte als die des Materiales aufweist. Folglich ist das Material so stabilisiert, daß es an der Schnittstelle zwischen den Fluidschichten positioniert ist. Mit diesem Verfahren wird eine Feinsteuerung des Druckes, die benötigt wird, wenn eine einzelne Substanz als das Druckmedium benutzt wird, unnötig.
Auf der anderen Seite kann ein Druckmedium, das aus einer einzelnen Art von Gas besteht, dazu ausgelegt werden, daß es in der Dichte entlang einer vertikalen Richtung variiert, so daß sich sein Auftrieb ändert. Unter Benutzung der Variationen der Auftriebsverteilung ist es möglich, automatisch den Auftrieb gemäß des Gewichtes des zu bearbeitenden Materiales einzustellen.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Heizer 2 zum Erwärmen nur des Druckmediums den oberen Teil der Druckkammer so besetzt, daß effektiv ein ungleichmäßiger Auftrieb erzeugt wird. Damit tritt eine Dichtevariation entlang einer vertikalen Richtung in der Druckkammer 1 auf, oder ein varuerender Zustand des Auftriebes tritt auf, und folglich ist es möglich, das Material 4 in einer Position entsprechend seiner Dichte schwebend zu halten. Wie in diesem Fall besteht das Druckmedium, wie oben angegeben wurde, aus einer einzelnen Substanz, es ist auch nutzlos zu sagen, daß mehrere Arten von Fluiden als das Druckmedium benutzt werden können, die verschieden Dichte aufweisen.
Weiter ist es unter Anwendung dieses Verfahrens möglich, ein Material kontinuierlich zu bearbeiten. Fig. 6 zeigt diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die kontinuierliche Bearbeitung eines Materiales ermöglicht. Bei dieser Ausführungsform ist der Heizer 2 sowohl zum Heizen eines in dem oberen Teil der Druckkammer 1 positionierten Materiales als auch zum Erzielen einer Auftriebsverteilung in dem Druckmedium vorgesehen. Oberhalb des Heizers 2 ist eine ein Material haltende Probenplatte 3 vorgesehen. Mit dieser Anordnung ist dieser Heizer 2 ausgelegt zum Heizen des Druckmediums an dem oberen Teil der Druckkammer 1 zum Bewirken, daß die Dichte des oberen Mediums niedriger als die des unteren Mediums ist, wodurch eine Auftriebsverteilung gebildet wird, in der die Dichte von oben nach unten größer wird. Beim Bilden dieser Dichte wird die Mediumsdichte an dem oberen Teil der Kammer niedriger als die des zu verarbeitenden Materiales gemacht, während die Mediumsdichte an dem unteren Teil der Kammer höher als die des Materiales gemacht wird.
Bei der so aufgebauten Vorrichtung wird Material 4 (das unverarbeitete Material) als Tröpfchen von dem unteren Mittelabschnitt der Probenplatte 3 geliefert. Die Mediumsdichte ist an der oberen Kammer relativ niedrig, so daß Material 5 (das Material unter Bearbeitung) sich allmählich nach unten bewegt, und es wird durch den Heizer 2 an der Position geheizt, an der der Heizer 2 vorgesehen ist. Dann bewegt sich das Material unterhalb den Heizer 2 und somit wird das fallende Material 6 (das bearbeitete Material, das fällt) abgekühlt. Während sich das Material nach unten bewegt, wird auf das Material ein zunehmender Auftrieb ausgeübt, wodurch das Material 7 (das bearbeitete Material, das schwebend gehalten wird) in dem unteren Teil der Kammer 1 aufhört sich zu bewegen und schwebend gehalten wird. Wie oben ausgeführt wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung das Material bearbeitet, während es in dem Medium mit einer Auftriebsverteilung fällt, und somit kann das bearbeitete Material 7 gekühlt und gesammelt werden, wobei es schwebt und schwebend gehalten wird. Als Resultat ist es möglich, Materiale kontinuierlich zu bearbeiten, ohne ein Gefäß dafür zu benutzen.
Fig. 7 ist eine schematische Ansicht, die eine noch andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist eine flache oder seitlich lange Druckkammer 10 benutzt, und die Probenplatte 3 ist auf dem Boden vorgesehen. Materiale werden in großen Mengen auf diese Probenplatte 3 geführt, und daher können sie gleichzeitig verschiedenen Behandlungen unterworfen werden, wie oben ausgeführt wurde, wie eine physikalische, eine chemische und metallurgische Behandlung.
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die eine noch andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform kann das schwebend gehaltene Material so manipuliert werden, daß es sich nicht frei bewegt und z.B. nicht den Heizer in dem Gefäß berührt.
Bei dieser Ausführungsform sind eine optische Heizquelle 11 wie Emitieren von Infrarot oder ähnlichem und konkave Spiegel 12 in dem oberen Teil des Gefäßes vorgesehen. Bei diesem Aufbau ist es möglich, den Platz um den Fokuspunkt der konkaven Spiegel 12 lokal zu heizen, womit die Dichte des Druckmediums um die Fokusposition niedrig gemacht wird. Folglich hält, wenn das Material 5 aufsteigt und um den Abschnitt niedriger Dichte kommt, das Material oder ruht an der Schnittstelle zwischen dem Abschnitt niedriger Dichte und dem Abschnitt hoher Dichte, wobei ein Teil des Materiales in dem Abschnitt niedriger Dichte positioniert ist und der Restteil in dem Abschnitt hoher Dichte positioniert ist. Da zusätzlich eine Dichteverteilung in einer horizontalen Richtung vorgesehen ist, wird, wenn sich das Material 5 wünscht, in horizontaler Richtung zu bewegen, das Material an dem Bewegen gehindert, und es ruht an der Position. Somit ist es gemäß dieser Ausführungsform möglich, das Material 5 an einer vorbestimmten Position zu stabilisieren.
In Bezug auf jede der Verarbeitungen ist es möglich, das Mate rial in einer seitlichen Richtung zu halten oder eine zusätzliche Stütze des Materiales in einer vertikalen Richtung unter Benutzung von Ultraschall und/oder elektromagnetischer Induktion vorzusehen.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform, in der ein Ultraschallgenerator 13 außerhalb der Kammer 1 vorgesehen ist. Mit diesem Ultraschallgenerator 13 kann das Material 5 schwebend nicht nur durch den Auftrieb des Druckmediums sondern auch durch den Schalldruck des Ultraschalles gehalten werden. Folglich kann der durch diesen Ultraschallgenerator 13 erzeugte Schalldruck sowohl als seitliche Stütze benutzt werden als auch als ein Hilfshaltemittel, daß das Druckmedium unterstützt.
Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform, in der der Ultraschallgenerator 14 innerhalb der Druckkammer 1 zum Ausführen des gleichen Effektes vorgesehen ist. Anstelle der Benutzung des Schalldruckes von Ultraschall zum sekundären Stützen des Materiales ist es auch möglich, wenn das Material elektrisch leitend ist, eine magnetische Tragkraft mittels einer elektromagnetischen Induktionsspule zur Benutzung als ein Hilfshaltemittel zu machen.
Weiter ist es bei der Benutzung einer jeglichen oben beschriebenen Vorrichtung auch möglich, ein Material einer Wärmebehandlung oder einer anderen Behandlung durch das Vorgehen zur unterwerfen, das die Schritte aufweist: Unterdrucksetzen eines Mediums bei Zimmertemperatur, Einführen des unter Druck gesetzten Mediums in die Kammer zum Schwebendhalten eines Materiales, Laden und Einschließen dieses Druckmediums in die Kammer durch Schließen eines Ventiles und Erwärmen bei konstantem Volumen des Druckmediums, das in der Kammer eingeschlossen ist, während der Auftrieb konstant gehalten wird, das heißt unter Halten des Materiales schwebend an einer konstanten Position.
Mit diesem Verfahren ist es möglich, ein Material schwebend zu halten, wie es bei gewöhnlicher Temperatur der Fall ist, wenn der schwebendgehaltene Zustand des Materiales bei gewöhnlicher Temperatur erreicht wird. Auf dieses Verfahren wird die Tatsache angewendet, daß die spezifische Schwerkraft des Gasmediums nicht in isometrischer Änderung variiert.
Bei jeder der oben angegebenen Ausführungsformen kann als das Mittel zum Unterdrucksetzen eines Mediums eine HIP-(heiße isostatische Druck-)Einheit z.B. benutzt werden. Die HIP-Einheit ist weit verbreitet als ein Mittel zum Erzielen einer unter hohen Druck gesetzten Umgebung in verschiedenen Gebieten der Materialherstellung benutzt worden, und dieses macht die Erfindung auf dem gewerblichen Niveau anwendbar.
Bei der Benutzung der HIP-Einheit wird ein Material in eine Kammer dieser HIP geladen. Wenn das Innere der Kammer unter hohen Druck gesetzt wird, nachdem die Kammer mit einem vorbestimmten Medium, z.B. Argongas, gefüllt worden ist, wird auf das in die Kammer geladene Material Auftrieb ausgeübt, wodurch dem Material ermöglicht wird, daß es schwebend gehalten wird. In diesem Zustand wird das Material behandelt oder in ein gewünschtes Material durch Vorsehen physikalischer, chemischer, metallurgischer oder anderer Änderungen geformt. Die Variationen der Merkmale der Behandlungen können erweitert werden, indem eine spezielle HIP-Einheit für die Zwecke der vorliegenden Erfindung vorbereitet wird.
Wie oben erörtert wurde, wird es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die Materialherstellungsvorgänge auf dem Boden durchzuführen, insbesondere Materialsynthesen durch Schmelzen ohne Benutzung eines Behälters, Steuerung von Kristallwachstum, Darstellung von wahrer Kugeln und hnliches, was bis jetzt herkömmlicherweise im Weltraum oder in Freifallexpenmenten durchgeführt wurde Da weiterhin das Druckmittel selbst eine eingeführte Technologie ist, weist die vorliegende Erfindung eine hohe Allgemeinheit und gewerbliche Anwendbarkeit auf.
Es ist anzumerken, daß das bei dieser Erfindung benutzte Medium in dem Zustand eines Fluid, d.h. Gas oder Flüssigkeit vor dem Unterdrucksetzen ist. Obwohl ein Gas als ein Medium benutzt wird, ändern sich manche Arten von Media von dem Gaszustand zu dem flüssigen Zustand, wenn das Medium unter Druck gesetzt wird. Der Fluidzustand beinhaltet jedoch den Flüssigkeits- und Gaszustand, die oberhalb des kritischen Punktes der Substanz nicht unterschieden werden können. Selbst wenn z.B. ein Medium im Gaszustand in die Kammer der HIP-Einheit geladen wird, kann sich das Medium in den flüssigen Zustand ändern, wenn das Medium zum Erzeugen eines Zustandes kompensierter Schwerkraft unter Druck gesetzt wird.
Ein flüssiges Medium kann ebenfalls unter Druck gesetzt werden. Wenn ein Medium im flüssigen Zustand, in das ein Material zu laden ist, unter Druck gesetzt wird, ist das Kompressionsverhältnis einer Flüssigkeit jedoch geringer als das eines Gases, so daß die Variation in der spezifischen Schwerkraft aufgrund des Druckes klein ist. Somit kann nur ein Feststoff, der eine spezifische Schwerkraft nahe der des flüssigen Mediums aufweist, in einem Zustand kompensierter Schwerkraft schwebend gehalten werden, daher zeigt eine Flüssigkeit Uneffektivität als Medium. Im Gegensatzt dazu kann, wenn ein Gasmedium unter Druck gesetzt wird, eine große Variation in spezifischer Schwerkraft mit einer kleinen Änderung im Druck erhalten werden, so daß verschiedene Arten von Feststoffen vorteilhafterweise in einem Zustand kompensierter Schwerkraft durch Steuern des Druckes schwebend gehalten werden können.
Die Beispiele der vorliegenden Erfindung, in denen einen normale HIP-Einheit benutzt wird, werden im folgenden unter Bezugnahme auf Vergleichsbeispiele beschrieben.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wurde eine Kugel aus Polyethylen erzeugt.
Ein Druckmedium aus Argongas wurde in der HIP-Einheit benutzt.
Das Material wurde auf eine Temperatur von 160ºC während einer Minute in dem Druckmedium von 130MPa erwärmt. Der Druck des Druckmediums wurde in einem engen Bereich zum Schwebendhalten des Materiales in der Kammer gesteuert.

Beispiel 2

Bei diesem Beispiel wurde eine B&sub2;O&sub3;-Glaskugel in einer HIP- Einheit unter Benutzung eines Druckmediums von xenongas erzeugt. Bei dieser Behandlung wurde das Glasmaterial auf 600ºC während 30 Minuten erwärmt. Zum Schwebendhalten des Glasmateriales wurde ein hydrostatischer Druck von ungefähr 200MPa auf das Druckmedium ausgeübt. Diese Behandlungsbedingung diente für eine Glaskugel von ungefähr lomm Durchmesser.
Die so gebildete Glaskugel wurde bezüglich ihrer Kugelform zu 0,05µm bestimmt, was so hoch ist, wie die höchste Genauigkeit für Stahlkugeln, die in industriellen Lagern benutzt werden.

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel wurde eine Kugel aus Nylon-6 erzeugt. Ein Druckmedium von Argongas wurde in der HIP-Einheit benutzt. Das Material wurde auf eine Temperatur von 250ºC während 30 Minuten in dem Druckmedium von 350MPa erwärmt. Der Druck des Druckmediums wurde in einem engen Bereich zum Schwebendhalten des Materiales in der Kammer gesteuert. Diese Bedingungen dienten zum Erzeugen einer Kugel von ungefähr 10mm Durchmesser.
Eine Kugelform der erhaltenen Nylon-6 Kugel war ungefähr 2µm, was so hoch ist wie die Kugeln aus Nylon-6, die in der Industrie erzeugt werden.

Beispiel 4

Bei diesem Beispiel war ein Material zu behandeln, in dem ein Druckmedium von mehreren Fluiden benutzt wurde, die in Schichten horizontal angeordnet waren. B&sub2;O&sub3;-Glas wurde mit einem Druckmedium behandelt, das aus xenongas und Argongas bestand. Bei dem Einfüllen des Gases wurde zuerst Argongas und dann xenongas injiziert. Bei dieser Behandlung wurde das Glasmaterial auf 600ºC erwärmt und bei dieser Temperatur während 230 Minuten gehalten. Damit das Glas schwebt, wurde ein hydrostatischer Druck von 200MPa auf die oben erwähnte Gasmischung ausgeübt. In diesem Fall war keine Feinsteuerung des Druckes notwendig, anders als in dem Fall des Benutzens eines einzelnen Gases.
Die so gebildete Glaskugel wurde auf ihre Kugelform durch eine Kugelformmeßvorrichtung gemessen. Die resultierende Kugelform betrug 0,05µm, was so hoch ist wie die höchste Genauigkeit von den Stahlkugeln, die in industriellen Lagern benutzt werden.

Beispiel 5

Bei diesem Beispiel wurde eine Massenproduktion gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt. Zuerst wurde kontinuierliches Bearbeiten unter Benutzung der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung für kontinuierliches Bearbeiten mit B&sub2;O&sub3; unter Xenongas bei 400MPa, 600ºC ausgeführt. Als Resultat wurde ein zu Beispiel 4 äquivalentes Resutat erhalten.
Als nächstes wurde ein großer Betrag von Material zur gleichen Zeit unter Benutzung eines flachen zylindrischen Druckgefßes, wie es Fig. 7 gezeigt ist, bearbeitet. Die Benutzung eines Druckgefäßes mit solch einer Form erlaubt eine große Fläche zum Absetzen von Material, wodurch es möglich gemacht wird, große Mengen zugleich zu bearbeiten.

Claims

1. Behälterloses Verfahren der Bearbeitung eines Materiales in einem Zustand kompensierter Schwerkraft, wobei das Verfahren aufweist

Einführen des Materiales in eine Kammer, die mit einem Volumen eines komprimierbaren Fluids gefüllt ist,

Unterdrucksetzen des Fluids so, daß seine Dichte steigt, Steuern des Druckes so, daß die Dichte des unter Druck gesetzten Fluids gleich der des Materiales ist, wodurch das Material durch Auftrieb schwebend gehalten wird und in dem Volumen in einem im wesentlichen schwerkraftfreiem Zustand frei schwimmt, und

Unterwerfen des Materiales einer physikalischen, chemischen oder metallurgischen Behandlung in dem Zustand.

2. Behälterloses Verfahren der Bearbeitung eines Materiales in einem Zustand kompensierter Schwerkraft, wobei das Verfahren die Schritte aufweist

Unterdrucksetzen des Fluids so, daß seine Dichte steigt, selektives Erwärmen des Fluids zum Erzeugen einer Dichtevariation in dem Fluid, wobei die Dichte in einer vertikalen Richtung von einem Wert oberhalb von dem des Materiales an dem Boden der Kammer zu einem Wert unterhalb des Materiales an der Oberseite der Kammer abnimmt, wodurch das Material durch Auftrieb schwebend gehalten wird und in der Kammer in einem im wesentlichen schwerkraftfreien Zustand frei schwimmt, und Unterwerfen des Materiales einer physikalischen, chemischen oder metallurgischen Behandlung in dem Zustand.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid ein einzelnes Fluid ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Fluiden besteht, wobei die Fluide innerhalb der Kammer in horizontalen Schichten angeordnet sind, und das weniger dichte Fluid auf dem dichteren Fluid schwimmt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Erwärmen des oberen Teiles der Kammer.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schwebendhalten des Materiales bei gewöhnlicher Temperatur das Material auf eine gewünschte Temperatur erwärmt wird, indem das Fluid in der Kammer abgedichtet wird und das Fluid isometrisch bei konstanter Dichte erwärmt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anlegen einer elektromagnetischen Induktion und/oder einer Überschallinduktion an das Material zum Vorsehen Hilfshalterung.

8. Behälterlose Bearbeitungsvorrichtung für ein Material in einem Zustand kompensierter Schwerkraft, wobei die Vorrichtung aufweist

eine Kammer (1, 10), die das Material (4, 5, 6) enthält, ein Füllmittel eines Druckmediums zum Füllen der Kammer (1, 10) mit einem Fluid und

ein Behandlungsmittel zum Behandeln des Materiales in der Kammer (1, 10) physikalisch, chemisch oder metallurgisch,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Fluid ein kompressibles Fluid ist und

daß die Vorrichtung weiter ein Mittel zum Komprimieren des Fluids und zum Steuern des Druckes des Fluids derart aufweist, daß eine Dichte des Fluids erhalten wird, die gleich der des Materiales ist.

9. Behälterlose Bearbeitungsvorrichtung für ein Material in einem Zustand kompensierter Schwerkraft, wobei die Vorrichtung aufweist

ein Behandlungsmittel zum Behandeln des Materiales in der Kammer (1, 10) physikalisch, chemisch oder metallurgisch, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Heizmittel zum selektiven Heizen von Abschnitten des Fluids so aufweist, daß eine Dichtevariation in dem Fluid erzeugt wird, wobei die Dichte in einer vertikalen Richtung von einem Wert oberhalb der des Materiales an dem Boden der Kammer zu einem Wert unterhalb der des Nateriales an der Oberseite der Kammer abnimmt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid ein einzelnes Fluid oder eine Mehrzahl von verschiedenen Fluiden mit verschiedenen Dichten ist.