EP2367677A1 - Verfahren zur temperierung einer heiss isostatischen presse und eine heiss isostatische presse - Google Patents

Verfahren zur temperierung einer heiss isostatischen presse und eine heiss isostatische presse

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Publication number
EP2367677A1
EP2367677A1 EP09759678A EP09759678A EP2367677A1 EP 2367677 A1 EP2367677 A1 EP 2367677A1 EP 09759678 A EP09759678 A EP 09759678A EP 09759678 A EP09759678 A EP 09759678A EP 2367677 A1 EP2367677 A1 EP 2367677A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure vessel
convection
flow
fluid
loading space
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09759678A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Graf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cremer Thermoprozessanlagen GmbH
Original Assignee
Dieffenbacher GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dieffenbacher GmbH and Co KG filed Critical Dieffenbacher GmbH and Co KG
Publication of EP2367677A1 publication Critical patent/EP2367677A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B11/00—Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses
    • B30B11/001—Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses using a flexible element, e.g. diaphragm, urged by fluid pressure; Isostatic presses
    • B30B11/002—Isostatic press chambers; Press stands therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B22F3/14—Both compacting and sintering simultaneously
    • B22F3/15—Hot isostatic pressing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B5/00—Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated
    • F27B5/04—Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated adapted for treating the charge in vacuum or special atmosphere
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B5/00—Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated
    • F27B5/06—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types
    • F27B5/16—Arrangements of air or gas supply devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a method for tempering a hot isostatic press according to the preamble of claim 1 and a hot isostatic press according to the preamble of claim 10.
  • Hot isostatic presses (HIP) or autoclave ovens are used today for a variety of applications.
  • Compressed and high temperature In this case, similar but also different materials can be interconnected.
  • the workpieces are placed in an oven with a heater, which in turn is surrounded by a high pressure vessel. During or after the heating, a complete isostatic pressing is performed by the all-round pressure of a fluid or inert gas, usually argon, until the workpieces are optimally compressed.
  • a fluid or inert gas usually argon
  • This method is also used to effect recompression of components, for example of ceramic materials, eg for hip joint prostheses, for aluminum cast components in automotive or engine construction, as cylinder heads of car engines, or precision castings of titanium alloys, eg turbine blades.
  • HIP cycles usually take a long time, from several hours to several days. A significant part of the cycle costs are caused by the machine hourly rate due to the capital tie-up.
  • the relatively long cooling times from operating temperature to a permissible temperature at which the press installation can be opened without risk usually make up more than one third of the cycle time and are not of any use in terms of process technology.
  • the cooling also plays an essential role for the material properties of the parts to be produced. Many materials require compliance with a certain maximum cooling rate for reasons of material quality.
  • Convection sleeves used which consist of a top and bottom open tube. When heated, heat sources in the oven provide power and the flow will commence depending on the location of the heat source. For example, it is heated in the loading space (below the loading) and there is an upward flow in the middle of the loading space and on the outside of the walls (cooler temperature) a downward flow.
  • the already mentioned convection sleeve offers the advantage that in the convection gap (between convection sleeve and insulation on the outside) a controlled
  • An embodiment for the rapid cooling of a HIP plant has become known, for example, from DE 38 33 337 A1.
  • a gas circulation between the hot space inside the insulating hood and the cold room outside the insulating produced by valves in the bottom space of the circuit is opened.
  • In the upper lid of the insulating constantly open holes are available through which the hot fluid can escape.
  • a disadvantage of this embodiment is that very cold fluid from below flows back into the hot room and comes directly into contact with the loading of the furnace or the workpieces. The hot room is thus filled from bottom to top with cold gas. This has the disadvantage that on the one hand a sudden cooling can occur with too uncertain einberichtbaren parameters and that no uniform cooling rate over the entire batch space is achieved.
  • the problems described above can occur due to the uneven cooling.
  • the person skilled in the art is aware that in the technologically important temperature maintenance phase, the charge in the Loading space are kept in a very narrow tolerance range of, for example, ⁇ 5 ° C.
  • the known pressure vessel systems tend to segregation of hot and cold gas in the loading space.
  • the active heating elements By targeted countermeasures using the active heating elements to try to compensate for this effect.
  • the heating elements act on the lateral surfaces of the loading space and thus can not completely prevent segregation in the interior of the loading space.
  • an active convection flow through the loading space is used selectively, but in holding phases, for example between the heating phase and cooling phases or staircase changes in temperature, by the concomitant reduction of the required heating power convection almost to a standstill comes and therefore no longer the desired effect can be achieved in the holding phase.
  • the flow is directed purely vertically through the loading space.
  • uneven flow in the pressure vessel may occur when zones with different flow resistance occur. Since a fluid flow adapts to the path of least resistance, zones with low flow resistance are flowed through better and faster and tempered correspondingly faster. Accordingly, not or Only slightly flowed through areas adapted less quickly to the new temperature conditions and there is an inhomogeneous temperature distribution in the pressure vessel or in the loading space.
  • the object of the present invention is now to provide a method for uniform tempering of a hot isostatic press and to provide a hot isostatic press, which is not only suitable for carrying out the method, but can also be operated independently with the advantages of a uniform temperature. In the focus of course is the even cooling of the
  • Loading space or the loading wherein a colder fluid is rapidly mixed with hot fluid in the pressure vessel or preferably in the loading space of the hot isostatic press and at the same time a sufficiently fast and above all ensured circulation of the fluid throughout the pressure vessel, but especially in the loading space is achieved to achieve a uniform cooling of the entire load.
  • the method can also be used advantageously in the heating and holding phase of the hot isostatic process in order to achieve the best possible temperature uniformity in the loading space.
  • the solution of the task for the method according to claim 1 is that in addition to at least one existing natural or activated convection flow for heating or cooling or for holding a Temperature levels at least one rotational flow is actively or passively developed within the pressure vessel.
  • a similar distinction relates to the active and passive development of a rotary flow in the pressure vessel, wherein an active development of the rotary flow turn aids are understood to push or enhance the rotation flow through their use, such as circulation devices (fans) and / or nozzles and a passive development of the rotational flow by means of guiding devices the kinetic energies of the convection flow are used.
  • an active development of the rotary flow turn aids are understood to push or enhance the rotation flow through their use, such as circulation devices (fans) and / or nozzles and a passive development of the rotational flow by means of guiding devices the kinetic energies of the convection flow are used.
  • the solution to the problem for a stand-alone hot isostatic press or for a hot isostatic press for performing the method according to claim 10 is that active and / or passive means for Forming a rotational flow, which occurs substantially at an angle to the convection flow, are arranged in the pressure vessel.
  • the isostatic press is suitable for carrying out the method, but can also be operated independently.
  • a teaching of the invention is that in addition to a convection by Leitvoriquesen, radiator, heat sink, injections or circulation blowers targeted a rotational flow is to be formed within the pressure vessel.
  • a rotational flow is to be formed within the pressure vessel.
  • Konvezzysströmung with vertical orientation this is to form an angular rotational flow thereto, which optimally ensures a thorough mixing of the existing or the admixed fluid avoids temperature nests and ensure a high Aufchristungs- or Abkühlungsgradienten can carry.
  • the vertical segregation of the cold and hot fluid particles is prevented and at the same time the energy transport from the load to the cooled outside, for example, spent within the pressure vessel.
  • the rotational flow results in increased turbulence in the loading space and at the same time a longer overflow length, which gives the fluid more time to absorb or release the energy to the load or other temperature-controlled surfaces, such as a cooled outside.
  • Compared to the vertical flow through the load space is flowed through more uniformly and there are no or substantially less dead zones with insufficient gas and temperature exchange.
  • the rotational flow can be carried out indirectly by passive means by the natural or activated convection (usually excited by Kältenester) is started and obtained by Leitvorraumen or the geometric structure within the pressure vessel, the ascending and descending convection currents an angular momentum to the convection flow. This can be promoted for example by baffles, fans or targeted barriers.
  • the injection of fluids with preferably differentiated temperature value offers. By injecting at high speed, preferably at the upper end of the loading space, but also in the lower region or outside of the loading space conceivable, creates a cyclone effect within the pressure vessel or the loading space.
  • cooler fluid is moved by the rotation along the respective walls in a circle and it sinks downwards due to the higher fluid density.
  • the outer area of the loading space there is a mixing between the hot fluid from the vicinity of the load and the cyclone-like moving cold fluid. The thereby falling down fluid in this case pulls hot fluid from the inner region of the loading space with it by a
  • Loading space is also ensured that only by ascending or descending fluid no temperature niches in the loading space due to undercuts of the load or a load carrier can arise. Spatial niches with normally stationary fluid with pure vertical application of the convection flow are still sufficiently mixed due to the rotating fluid and the resulting turbulence in order to compensate for temperature differences perfectly. This ensures that even workpieces with undercuts or complex geometries can be evenly cooled down (heated up). In addition, the
  • the fluids flowing in the convection direction still have a rotational momentum in the convection gap, provided that they are not powered by active means or directed by passive means (baffles).
  • the rotation flows in the convection gap also ensure optimum mixing and equalization of the temperatures and prevents punctual temperature differences.
  • the heat transfer between the walls is significantly increased by the turbulent flow.
  • the overflow length is decisively extended by the rotation flow, which leads to a significantly better heat transfer and thus more efficient cooling, especially on tempered surfaces (cooled pressure vessel wall).
  • baffles or similar acting resistors can be arranged in the convection gap, which support the rotational speed of the fluid during the ascent, brake or ensure a better turbulent mixing.
  • two circulating circuits can now be set up in such a pressure vessel, one inside in the region of the loading space and one outside in the region of the wall of the pressure vessel, wherein the regions can be separated by thick-walled elements or by insulation.
  • the flowing fluid conditions or the circulating Set fluid quantities in the circulation circuits to each other, for example by adapted formation of the transition openings or by adjusting means such as valves. These openings can also be resized manually every time they are loaded.
  • the flowing past the outer parts of the pressure vessel rotational flow provides for improved temperature transfer from the walls of the pressure vessel inwards and through the targeted controllable exchange between the outer convection and the inner Konvezzysniklauf offers the ability to easily control the temperature difference in their intensity.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a vertical section through the central axis of a pressure vessel with a plan view of a convection sleeve to the loading space
  • Figure 2 shows a horizontal section through a Eindüsungsebene in the upper region of the loading space of the pressure vessel after
  • FIG. 1 showing the sectioning of FIG. 1
  • Figure 3 shows a further horizontal section through the
  • Figure 4 is a vertical section through the center axis of a pressure vessel with an internal temperature control by means of a
  • Circulation device shows a simplified embodiment of a pressure vessel with a convection sleeve and circulating device and Figure 6 shows another simplified embodiment of a pressure vessel with a large loading space and passive
  • the pressure vessel 1 shown in the figures has a loading area 19, which is usually located on the inside, and an insulation 8 arranged between the loading space 19 and the outer walls of the pressure vessel 1.
  • a convection sleeve 27 is arranged within the loading space 19.
  • An active heating with heated fluid or by means of heating elements is analogous to those skilled in the art, possibly with changes concerning the convection.
  • a load 18 is usually placed on a not visible here loading carrier plate or at Piece goods by means of a load carrier (not shown) placed on the load carrier plate.
  • the pressure vessel 1 has the closure caps 2 and 3 which can serve for loading and unloading of the pressure vessel 1, but will be regarded as belonging to the pressure vessel 1 for the purpose of simplifying the description.
  • the closure caps 2 and 3 which can serve for loading and unloading of the pressure vessel 1, but will be regarded as belonging to the pressure vessel 1 for the purpose of simplifying the description.
  • at least one nozzle 13 is arranged in the loading space 19 through which fluid 23, preferably at high speed, is flowed through to form a rotational flow 23.
  • the fluid may have a higher, a lower or an identical temperature than the fluid surrounding the nozzle 13. Due to the physical laws, cooler fluid is forced through the rotary flow 23 against the inner wall of the insulation 8 or against the inner wall of the convection sleeve 27.
  • a rotational flow 23 can be started by means of the nozzles 13, wherein the guide plates 31 are aligned upward for an upward pulse and thus the convection flow 23 in the convection gap 28 is directed upward and is forced. If injection is dispensed with, the fluid in the convection gap 28 would tend to assume a downward flow due to the colder insulation 8, with the guide plates 31 simultaneously providing an opposed rotational flow 23 shown in the drawing. This is the operator when installing nozzles 13 and corresponding baffles 31 gives any option to realize a rotational flow 23 in both directions, or even to reverse it during a tempering phase (cooling, heating).
  • the heated fluid would rise upwards in the interior of the convection sleeve. If a prior mixing of the heated fluid at sensitive loading 18 is desired, an upward flow in the convection gap 28 can be forced by the nozzles in addition to a simultaneous rotational flow 23, as shown. Thus, despite a heating by heating elements 4 below the load, the fluid would first enter the convection gap 28, there properly mixed by the rotational flow and then enter only in the loading space 19 within the convection sleeve 27.
  • the fluid is flowed horizontally to the central axis 26 of the pressure vessel 1 from at least one nozzle 13.
  • Optimal is a tangential Ausdüsung of the fluid to the central axis 26 of the pressure vessel 1.
  • Bottom space 22 is removed by means of a circulating device 5 and fed directly into the ascending line 12, or it can as shown in Figure 1 via an outlet 24 outside the pressure vessel 1 fed to a fluid cooler 10 and then fed via an inlet 25 into the conduit 12.
  • a circulating device 5 is removed by means of a circulating device 5 and fed directly into the ascending line 12, or it can as shown in Figure 1 via an outlet 24 outside the pressure vessel 1 fed to a fluid cooler 10 and then fed via an inlet 25 into the conduit 12.
  • an outer circulation circuit 20 can be established by means of natural convection in two mutually parallel annular gaps 9, 17, wherein the circulation circuit 20 is disposed completely outside the insulation 8.
  • the fluid of the outer circulation circuit 20 and the rotating fluid from the loading chamber 19 can exchange and mix with each other below the loading space by means of openings 14 in the insulation 8.
  • Hot gas from the rotary flow 23 can in this case pass through the openings 14 in the outer circulation circuit 20, where it is first mixed with the outer circulation flow and is further cooled by the circulation of the pressure vessel wall 1 and as cooled gas through the openings 14 back below the Loading space 19 can flow.
  • a guide device 30 is arranged above the loading space 19.
  • a similar guide device 30 may also be arranged below the loading space 19.
  • the nozzles 13 are arranged here within the convection sleeve 28.
  • This guide device 30 transfers the fluctuating between loading space 19 and convection gap 28 fluid flows during heating or cooling gently from or into the edge regions of the loading space 19.
  • there are useful advantages such as in a transfer of cold fluid from the convection 28th is prevented in the loading space 19 that the cold fluid uncontrollably falls into the means of the loading space 19 on the load 18, because it is close to the inside of the
  • Convection sleeve 27 enters the interior of the convection sleeve and is entrained by the rotational flow initiated there or even pressed by an active rotational flow in the loading chamber 19 to the inside of the convection sleeve 27.
  • Method of course, analogously applicable for heating or for holding a temperature, wherein the heating can take place conventionally with pure heating elements and / or additionally with heated fluid.
  • a targeted redistribution of the fluid from warm and / or cold areas of the pressure vessel is specifically conceivable by suction or promotion in the line 12 to the nozzle 13, even in the case of heating. It may be useful, for example, to provide two sets of nozzles / lines or switchable lines 12, which optionally cool the nozzle 13, supply hot or similar tempered areas of the pressure vessel 1.
  • the only optional guide device 30 at the upper end of the loading space 19 ensures better guidance or start of the convection flow.
  • the cooled at the loading 18 fluid within the convection sleeve 27 are transported to the outside in the direction of the heating elements 4, whereby the heat transfer from the heating elements 4 on Cooler fluid is promoted and the formation of a counterflow is avoided, since the heating of the fluid, the kinetic direction is maintained up ..
  • the kinetic direction is maintained up .
  • warm fluid accumulates in the vicinity of the load 18 and through the rotary flow 23 to a Mixing temperature is mixed.
  • the carrier frame for loading have corresponding baffles or loaded in the necessary manner to optimally temper all parts of the load (18) with the mixture of convection and rotational flow.
  • different means for active and / or passive promotion of the rotational flow can be set up for different applications, whereby the pressure vessel 1 can be optimally adapted to the respective technological application.
  • Loading space 19 can be achieved. For example, if hot gas flows from below by means of active heating elements 4 in the loading space 19, this is due to the buoyancy and the interposition of correspondingly shaped baffles 31 rise in a rotational manner upward and releases the heat to the load 18. The resulting in the course of heat radiator fluid particles are due to their higher density by the rotational movement and compared to the hotter fluid particles higher centrifugal forces flowed outside and thus reach outside of the loading space 19 to the inner wall of the insulation 8.
  • the formation of the active or passive means for producing a rotational flow in the pressure vessel 1 must be left to the application. In some cases, it may make sense that preferably in the loading space 19 of a pressure vessel 1, the rotational flow 23 has its highest speed.

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Abstract

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. Wobei 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

Verfahren zur Temperierung einer Heiß Isostatischen Presse und eine Heiß Isostatische Presse
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 10.
Heiß Isostatische Pressen (HIP) oder Autoklav-Öfen werden heute für vielfältige Anwendungsgebiete eingesetzt. Hierbei werden feste Werkstücke oder aus Pulver bestehende Formmassen in einer Matrize unter hohem
Druck und hoher Temperatur verdichtet. Dabei können artgleiche aber auch unterschiedliche Werkstoffe miteinander Verbunden werden. In der Regel werden die Werkstücke in einem Ofen mit einer Heizung eingelegt, der wiederum von einem Hochdruckbehälter umschlossen ist. Während oder nach der Erhitzung wird durch den allseitigen Druck eines Fluids bzw. Inertgases, meist Argon, eine vollständige isostatische Verpressung durchgeführt, bis die Werkstücke optimal verdichtet sind. Dieses Verfahren wird auch verwendet, um eine Nachverdichtung von Bauteilen, zum Beispiel aus keramischen Werkstoffen, z.B. für Hüftgelenksprothesen, für Aluminium-Gussbauteile im Automobil- oder Motorenbau, als Zylinderköpfe von PKW-Motoren, oder Präzisionsgussteile aus Titanlegierungen, z.B. Turbinenschaufeln zu bewirken. Bei der Nachverdichtung unter hohem Druck und hoher Temperatur werden die im vorhergehenden Herstellungsprozess entstandenen Poren geschlossen, bestehende Fehlstellen verbunden und die Gefügeeigenschaften verbessert. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Herstellung von endkonturnahen Bauteilen aus Pulverwerkstoffen, die bei dem Prozess verdichtet und gesintert werden.
HIP-Zyklen dauern in der Regel sehr lange, von mehreren Stunden bis hin zu mehreren Tagen. Ein beträchtlicher Teil der Zykluskosten werden dabei durch den Maschinenstundensatz aufgrund der Kapitalbindung verursacht. Speziell die relativ langen Abkühlzeiten von Betriebstemperatur auf eine zulässige Temperatur, bei der die Pressenanlage gefahrlos geöffnet werden kann, schlagen in der Regel mit über einem Drittel der Zykluszeit zu buche und sind prozesstechnisch nicht von Nutzen. Es ist nun bekannt, dass die Abkühlung auch für die Werkstoffeigenschaften der zu produzierenden Teile eine wesentliche Rolle spielt. Viele Werkstoffe benötigen die Einhaltung einer bestimmten maximalen Abkühlungsgeschwindigkeit aus Gründen der Werkstoffqualität. Daneben ist bei der Abkühlung zu beachten, dass ein Werkstück selbst in seinem Volumen gleichmäßig und nicht ungleichmäßig mit unterschiedlichen Temperaturzonen abgekühlt wird. Bei der Herstellung von Großbauteilen können die Eigenspannungen bei Temperaturunterschieden zu Verzug, zu Rissen mit entsprechender Kerbwirkung oder zu einer vollständigen Zerstörung führen. Aber auch bei Kleinteilen, die in der Regel in einem Gestell oder Regal im Ofen deponiert werden, können derartige Probleme auftreten. Autoklaven mit Heißgasumwälzung mit oder ohne mechanische Hilfsmittel, wie Gebläse, sind hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt. Bei der Anwendung ohne mechanische Hilfsmittel werden die natürliche Konvektion und die Umverteilung 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 auch 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 eine eigenständige heiß isostatische Presse oder für eine heiß isostatische Presse zur Durchführung des Verfahrens besteht nach Anspruch 10 darin, dass aktive und/oder passive Mittel zur Ausbildung einer Rotationsströmung, die im Wesentlichen winkelig zur Konvektionsströmung auftritt, im Druckbehälter 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 Kühlbzw. 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:
Figur 1 In schematischer Darstellung einen vertikalen Schnitt durch die Mittelachse eines Druckbehälters mit einer Draufsicht auf eine Konvektionshülse um den Beladungsraum,
Figur 2 einen waagrechten Schnitt durch eine Eindüsungsebene im oberen Bereich des Beladungsraumes des Druckbehälters nach
Figur 1 mit Darstellung des Schnittverlaufs von Figur 1 , Figur 3 einen weiteren waagrechten Schnitt durch die
Vermischungsebene zwischen den Bereichen außerhalb und innerhalb der Isolation des Druckbehälters, Figur 4 einen vertikalen Schnitt durch die Mittelachse eines Druckbehälters mit einer internen Temperierung mittels einer
Umwälzungsvorrichtung, Figur 5 eine vereinfachtes Ausführungsbeispiels eines Druckbehälters mit einer Konvektionshülse und Umwälzvorrichtung und Figur 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 Figur 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 Figur 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, öder es kann wie in Figur 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 (Figur 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 Figuren 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 Figur 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 Ausfϋhrungsbeispiele 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 (Figur 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 Figuren 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 Figur 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.
Bezugszeichenliste:
1. Druckbehälter
2. Verschlussdeckel oben
3. Verschlussdeckel unten 4. Heizelemente
5. Umwälzvorrichtung
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

Claims

Patentansprüche
1. 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.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsströmung (23) zur verstärkten Vermischung des Fluids genutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. Heiß Isostatische Presse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als aktive Mittel Umwälzvorrichtungen (5) und/oder Düsen (13) angeordnet sind.
12. Heiß Isostatische Presse nach Anspruch 10 und/oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass als passive Mittel Leitbleche (31) oder dergleichen angeordnet sind.
13. Heiß Isostatische Presse nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n e t, dass im
Beladungsraum (19) für die Beladung (18) ein Trägergestell angeordnet ist, dass aktive und/oder passive Mittel zur Bildung einer Rotationsströmung aufweist.
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