EP2367678A1 - Verfahren zur temperierung einer heiss isostatischen presse und ein heiss isostatische presse - Google Patents

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

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Publication number
EP2367678A1
EP2367678A1 EP09795317A EP09795317A EP2367678A1 EP 2367678 A1 EP2367678 A1 EP 2367678A1 EP 09795317 A EP09795317 A EP 09795317A EP 09795317 A EP09795317 A EP 09795317A EP 2367678 A1 EP2367678 A1 EP 2367678A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
loading space
pressure vessel
convection
nozzle
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Withdrawn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
EP09795317A
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 EP2367678A1 publication Critical patent/EP2367678A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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 12.
  • 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 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 injected into the interior of the pressure vessel and / or the loading space to form a rotational flow via at least one nozzle fluid is mixed with the local fluid and that at the same time the fluid forms a circulation circuit around the convection from the convection enters the loading space, that in the upper region of the pressure vessel in the interior of the loading space to form a rotational flow through at least one nozzle fluid is injected, wherein during the passage of the rotational flow in the vicinity of the insulation, the fluid falls down past the charge and mixes with fluid from the vicinity of the load and wherein the injected fluid has a lower temperature than the fluid in the load space and / or the load.
  • the solution of the problem for a hot isostatic press which is also suitable for carrying out the method, is that within the pressure vessel at least one line is arranged with connection to at least one nozzle in the interior of the pressure vessel, wherein the
  • Outlet angle of the nozzle is suitable for forming a rotational flow within the loading space and wherein the conduit is connected to a region of the pressure vessel with different temperature.
  • 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, radiators, heat sinks, injections or circulation blowers targeted a Rotational flow to be formed within the pressure vessel. This is in addition to an excited or already existing by temperature differences in the pressure vessel natural convection flow with vertical orientation an angular rotational flow form this, which optimally for a thorough mixing of the existing or the
  • the loading space flows through more uniformly and there are no or significantly less dead areas with insufficient gas and temperature exchange.
  • injecting at high speed preferably at the upper end of the loading space, but also conceivable in the lower area, creates a cyclone effect within the loading space, that is, cooler fluid from the nozzle is moved by the rotation along the insulation in a circle and drops through the higher fluid density while down.
  • 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 case falling down fluid hereby pulls hot fluid from the inner region of the loading space with it creating a mixing temperature.
  • Optimum mixing and protection of the charge from too cold a fluid ensures an optimal and uniform cooling gradient of the individual loading parts.
  • the rotational movement of the fluid and the associated turbulent flows in the interior of the loading space also ensures that ascending and descending fluid can not cause any temperature niches in the loading space due to undercutting of the load or a load carrier. Spatial niches with normally stationary fluid are still sufficiently mixed due to the rotating fluid and the resulting turbulence to perfectly compensate for temperature differences. This ensures that also workpieces with Undercuts or complex geometries evenly cooled down (heated) can be.
  • the cooling gradient is greatly increased because no laminar protective flows can form around the workpieces or temperature differences forming cooling or heating elements and the rotational flows for sufficiently turbulent flow to the workpieces or thedetial. Radiators provide. This significantly increases the thermodynamic transition to the workpiece during cooling or heating.
  • the fluids flowing in the convection direction still have a rotation pulse in the convection gap, insofar as they are not driven there by active means or are conducted through 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 ratios or the circulating fluid quantities in the circulation circuits can be adjusted 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.
  • Circulation cycle the speed of cooling from very fast to very slowly regulated and easily adapted to the particular application.
  • 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.
  • 1 is a schematic representation of a vertical section through the central axis of a pressure vessel with external fluid cooling
  • 2 shows a horizontal section through the injection level in the upper region of the loading space of the pressure vessel after
  • FIG. 1 A first figure.
  • Figure 3 shows a further horizontal section through the mixing plane between the areas outside and inside the insulation of the pressure vessel
  • Figure 4 is a vertical section through the central axis of a
  • Circulation device and Figure 5 shows another simplified embodiment with a specific rotational flow within a convection sleeve, triggered by a nozzle within the loading space, for a rapid cooling ..
  • 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.
  • a load 18 is usually on a load carrier plate 6 is arranged or placed on the load carrier plate 6 in the case of piece goods by means of a load carrier (not shown).
  • the pressure vessel 1 has, moreover, closure cap 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 in order to simplify the description.
  • closure cap 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 in order to simplify 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 lower temperature than the fluid in the loading space 19 and / or the load 18 itself. Due to the physical laws, cool fluid is forced by the rotation flow 23 against the inner wall of the insulation 8.
  • the rotational flow 23 drops during the cycles in the loading space down while simultaneously mixing the outside rotating colder fluid with warmer fluid from the vicinity of the load 18.
  • the fluid is horizontal to the central axis 26 of the pressure vessel 1
  • Pressure vessel 1 from at least one nozzle 13 has flowed.
  • Optimal is a tangential Ausdüsung the fluid to the central axis 26 of the pressure vessel 1.
  • These can be arranged according to the figures within the convection sleeve 27, outside the convection sleeve 27 and / or outside of the insulation 8.
  • the fluid is removed either at a lower temperature from the bottom space 22 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 a fluid cooler 10 and supplied then be fed via an inlet 25 into the conduit 12.
  • Pressure vessel 1 recirculated cooled fluid via a suction jet pump, consisting of a sparger 15 and a Venturi nozzle 16, with the addition of fluid from the bottom space 22 in the line 12 is fed ( Figure 1).
  • a suction jet pump consisting of a sparger 15 and a Venturi nozzle 16
  • the fluid from the perforations 7 can enter directly into the bottom space 22 from the loading space 19 and / or from the second annular gap 17. This is a structurally possible design and is dependent on the necessary cooling rates, because the fluid from the loading space 19 is significantly warmer than from the second annular gap 17th
  • an outer circulation circuit 20 by means of natural convection in two mutually parallel annular gaps 9, 17 are established, 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 in the loading space 19. This guide During the heating or cooling, the fluid streams fluctuating between loading space 19 and convection gap 28 are gently transferred from or into the edge regions of loading space 19.
  • useful advantages arise, for example, when cold fluid passes from convection gap 28 into the area Loading space 19 prevents the cold fluid uncontrollably falls into the means of the loading space 19 on the load, because it enters the interior of the convection sleeve close to the inside of the convection sleeve 27 and is entrained by the rotational flow initiated there or even by an active rotational flow in the
  • Loading space 19 is pressed against the inside of the convection sleeve 27.
  • a suitable design of the guide device 30 to avoid in terms of flow, that an incalculable second flow within the convection sleeve 27 rises centrally, where it cools down and falls or that uncontrollably poorly mixed flows in the vicinity of the center line 26 arise during the crossing
  • FIG. 5 shows a simplified representation of an exemplary embodiment.
  • the charge 18 of cooler fluid which entrains cool fluid from the bottom space 22 via the sparger tube 15 and the venturi 16, and flows into the loading space 19 via the line 12 and the nozzle 13, flows around it.
  • a mixing temperature is formed within the loading space 19 and the convection sleeve 27, which cools down the load 18 gently.
  • the convection sleeve 27 is below the load 18, in this example below the heating elements 4, the fluid from the convection gap 28, in which it is sucked up again and above the injection nozzle 13 again enters the loading space.
  • the fluids exiting below the convection sleeve 27 can leave the insulation 8 via the perforations 14 and can pass into an outer annular gap 17 and inner annular gap 9.
  • the fluids preferably rise via an annular gap 9 via a lying on the insulation 8 warm lateral surface upward and form a second circulation circuit 20 from. This preferably passes above the top of the pressure vessel 1 from the annular gap 9 into the outer annular gap 17, which rests against the cold jacket surface of the pressure vessel 1.

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Abstract

Ein Verfahren zur Temperierung einer heiß isostatischen Presse und eine heiß isostatische Presse, bestehend aus einem Druckbehälter (1) mit innen liegendem Beladungsraum (19) und dazwischen angeordneter Isolierung (8), wobei innerhalb der Isolierung (8) Heizelemente (4) und ein Beladungsraum (19) mit einer Beladung (18) angeordnet ist, wobei zumindest der Beladungsraum (19) zur Ausbildung eines Konvektionsspaltes (28) mit einer Konvektionshülse (27) umgeben ist, wobei im Inneren des Druckbehälters (1) und/oder des Beladungsraumes (19) zur Bildung einer Rotationsströmung (23) über zumindest eine Düse (13) Fluid eingedüst wird und sich dabei mit dem dortigen Fluid vermischt und dass gleichzeitig das Fluid einen Zirkulationskreislauf (29) um die Konvektionshülse (27) ausbildet und aus dem Konvektionsspalt (28) in den Beladungsraum (19) eintritt. Eine heiß isostatische Presse, wobei innerhalb des Druckbehälters (1) zumindest eine Leitung (12) mit Verbindung zu zumindest einer Düse (13) im Inneren des Druckbehälters (1) angeordnet ist, wobei der Austrittswinkel der Düse (13) zur Ausbildung einer Rotationsströmung (23) innerhalb des Beladungsraumes (19) geeignet ist und wobei die Leitung (12) mit einem Bereich des Druckbehälters (1) mit unterschiedlicher Temperatur verbunden ist.

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 12.
Heiß Isostatische Pressen (HIP) oder Autoklav-Öfen werden heute für vielfältige Anwendungsgebiete eingesetzt. Hierbei werden feste Werkstücke oder aus Pulver bestehende Formmassen in einer Matrize unter hohem
Druck und hoher Temperatur verdichtet. Dabei können artgleiche aber auch unterschiedliche Werkstoffe miteinander Verbunden werden. In der Regel werden die Werkstücke in einem Ofen mit einer Heizung eingelegt, der wiederum von einem Hochdruckbehälter umschlossen ist. Während oder nach der Erhitzung wird durch den allseitigen Druck eines Fluids bzw. Inertgases, meist Argon, eine vollständige isostatische Verpressung durchgeführt, bis die Werkstücke optimal verdichtet sind. Dieses Verfahren wird auch verwendet, um eine Nachverdichtung von Bauteilen, zum Beispiel aus keramischen Werkstoffen, z.B. für Hüftgelenksprothesen, für Aluminium-Gussbauteile im Automobil- oder Motorenbau, als Zylinderköpfe von PKW-Motoren, oder Präzisionsgussteile aus Titanlegierungen, z.B. Turbinenschaufeln zu bewirken. Bei der Nachverdichtung unter hohem Druck und hoher Temperatur werden die im vorhergehenden Herstellungsprozess entstandenen Poren geschlossen, bestehende Fehlstellen verbunden und die Gefügeeigenschaften verbessert. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Herstellung von endkonturnahen Bauteilen aus Pulverwerkstoffen, die bei dem Prozess verdichtet und gesintert werden.
HIP-Zyklen dauern in der Regel sehr lange, von mehreren Stunden bis hin zu mehreren Tagen. Ein beträchtlicher Teil der Zykluskosten werden dabei durch den Maschinenstundensatz aufgrund der Kapitalbindung verursacht. Speziell die relativ langen Abkühlzeiten von Betriebstemperatur auf eine zulässige Temperatur, bei der die Pressenanlage gefahrlos geöffnet werden kann, schlagen in der Regel mit über einem Drittel der Zykluszeit zu buche und sind prozesstechnisch nicht von Nutzen. Es ist nun bekannt, dass die Abkühlung auch für die Werkstoffeigenschaften der zu produzierenden Teile eine wesentliche Rolle spielt. Viele Werkstoffe benötigen die Einhaltung einer bestimmten maximalen Abkühlungsgeschwindigkeit aus Gründen der Werkstoffqualität. Daneben ist bei der Abkühlung zu beachten, dass ein Werkstück selbst in seinem Volumen gleichmäßig und nicht ungleichmäßig mit unterschiedlichen Temperaturzonen abgekühlt wird. Bei der Herstellung von Großbauteilen können die Eigenspannungen bei Temperaturunterschieden zu Verzug, zu Rissen mit entsprechender Kerbwirkung oder zu einer vollständigen Zerstörung führen. Aber auch bei Kleinteilen, die in der Regel in einem Gestell oder Regal im Ofen deponiert werden, können derartige Probleme auftreten. Autoklaven mit Heißgasumwälzung mit oder ohne mechanische Hilfsmittel, wie Gebläse, sind hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt. Bei der Anwendung ohne mechanische Hilfsmittel werden die natürliche Konvektion und die Umverteilung der Druckmittel im Autoklaven durch vorhandene oder geförderte Temperaturunterschiede (Beheizung oder Abkühlung an Aussenwänden) eingesetzt. Dabei fällt kälteres Fluid nach unten und heißeres Fluid steigt auf. Durch den Einsatz von Leitorganen können derartige Fluidströmungen kontrolliert benutzt werden, um eine gleichmäßige Erwärmungs- oder Abkühlungsumwälzung im Autoklaven zu schaffen. Im Stand der Technik werden hierbei bevorzugt so genannte Leit- oder
Konvektionshülsen verwendet, die aus einem oben und unten offenen Rohr bestehen. Bei der Erhitzung sorgen Wärmequellen im Ofen für den Antrieb und die Strömung kommt je nach Anordnung der Wärmequelle entsprechend in Gang. Beispielsweise wird im Beladungsraum (unterhalb der Beladung) aufgeheizt und es entsteht eine Aufwärtsströmung in der Mitte des Beladungsraumes und Außenseitig an den Wänden (kühlerer Temperatur) eine Abwärtsströmung. Um Probleme mit unkalkulierbaren Vermischungsströmungen zu vermeiden bietet die bereits erwähnte Konvektionshülse den Vorteil, dass im Konvektionsspalt (zwischen Konvektionshülse und Isolierung außenseitig) eine kontrollierte
Abwärtsströmung generiert wird, wobei sichergestellt ist, dass die wieder abgekühlten Fluide erst in den Heizraum eintreten und aufgeheizt werden, bevor sie wieder in den Beladungsraum eintreten. Auch im Abkühlungsprozess fällt das erkaltende Fluid zwischen der Konvektionshülse und der kühlenden Außenwand/Isolierung nach unten, wo es in den Beladungsraum als kälteres Fluid eintritt und somit das wärmere Fluid im Inneren der Konvektionshülse an der Beladung vorbei nach oben schiebt. Am Deckel der HIP-Anlage schiebt die von unten ankommende Strömung das Fluid in Richtung der Außenbereiche und somit fällt das Fluid zwischen der Außenwand und der Konvektionshülse wieder nach unten. Dabei entsteht wieder eine entsprechende Abkühlung wodurch der kontinuierliche Kühlprozess aufrechterhalten wird. Ein zumindest ähnlicher Vorgang ist mit WO 2003 / 070 402 A1 und einem darin vorgestellten
Verfahren zur Kühlung einer heiß isostatischen Presse bekannt geworden. Dabei wird in dem Verfahren heißes Fluid aus dem Beladungsraum entlassen, mit einem kühlen fallendem Fluid außerhalb des Beladungsraumes vermischt und das vermischte Fluid wieder dem Beladungsraum zugeführt. Das Verfahren selbst ist in seinem angestrebten Bedingungen komplex und benötigt dazu weiter auch noch einen komplexen Aufbau einer zugehörigen heiß isostatischen Presse mit vielen angeordneten Leitungsbereichen. Nachteilig ist auch, dass das wiedereingeleitete vermischte Fluid in nicht kontrollierbarer Art und Weise in den Beladungsraum zurückströmt und dort unter Umständen zu unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten führen kann, wenn Hinterschneidungen der Beladung oder Stützbauten der Beladung eine ordentliche Durchströmung des Beladungsraumes verhindern. Zudem wird weiterhin das auf Mischtemperatur gekühlte Gas von unten in den Beladungsraum zugeführt, was unweigerlich zu einem Temperaturgefälle zwischen unterem Ende und oberem Ende des Beladungsraumes führt und somit keine gleichmäßige Abkühlgeschwindigkeit realisiert werden kann.
Eine Ausführungsform zur Schnellkühlung einer HIP-Anlage ist beispielsweise mit der DE 38 33 337 A1 bekannt geworden. Bei dieser Lösung wird zum Einsetzen der Schnellkühlung, eine Gaszirkulation zwischen dem Heißraum innerhalb der Isolierhaube und dem Kaltraum außerhalb der Isolierhaube hergestellt, indem über Ventile im Bodenraum der Kreislauf geöffnet wird. Im oberen Deckel der Isolierhaube sind ständig offene Bohrungen vorhanden, über die das heiße Fluid austreten kann. Ein Nachteil dieser Ausführungsform ist, dass sehr kaltes Fluid von unten in den Heißraum zurückströmt und direkt mit der Beladung des Ofens bzw. den Werkstücken in Berührung kommt. Der Heißraum wird somit von unten nach oben mit Kaltgas aufgefüllt. Dies hat den Nachteil, dass zum einen eine schlagartige Abkühlung mit zu unsicher einsteuerbaren Parametern entstehen kann und dass keine gleichmäßige Abkühlgeschwindigkeit über den gesamten Chargenraum erreicht wird. Gerade bei großen Bauteilen können hierbei durch die ungleichmäßige Abkühlung die oben beschriebenen Probleme wie Verzug, Risse oder Zerstörung eintreten. Zusammenfassend ist also dem Fachmann bekannt, dass in der technologisch wichtigen Temperaturhaltephase die Charge im Beladungsraum in einem sehr engen Toleranzfeld von beispielsweise ± 5°C gehalten werden. In dieser Phase neigen die bekannten Druckbehältersysteme zu einer Entmischung von heißen und kaltem Gas im Beladungsraum. Durch gezieltes Gegensteuern mit Hilfe der aktiven Heizelemente versucht man diesen Effekt zu kompensieren. Allerdings wirken in den Druckbehältersystemen die Heizelemente an den Mantelflächen des Beladungsraumes und können somit im Inneren des Beladungsraumes eine Entmischung nicht vollständig verhindern. Bei einer Ausführung nach WO 2003 / 070 402 A1 wird eine aktive Konvektionsströmung durch den Beladungsraum gezielt genutzt, wobei allerdings in Haltephasen, beispielsweise zwischen der Aufheizphase und Abkühlphasen oder treppenförmigen Änderungen der Temperatur, durch die damit einhergehende Reduzierung der erforderlichen Heizleistung die Konvektionsströmung fast zum Erliegen kommt und demnach in der Haltephase nicht mehr der gewünschte Effekt erzielt werden kann. Bei anderen Druckbehältersystemen mit Umluftgebläsen ist die Strömung rein vertikal durch den Beladungsraum gerichtet. Hierbei kann es je nach Aufbau bzw. Geometrie der Beladung und/oder verwendeten Beladungsgestellen zu einer ungleichmäßigen Durchströmung im Druckbehälter kommen, wenn Zonen mit unterschiedlichem Durchströmungswiderstand entstehen. Da eine Fluidströmung sich dem Weg des geringsten Widerstandes anpasst, werden Zonen mit geringem Strömungswiderstand besser und schneller durchströmt und entsprechend schneller temperiert. Dementsprechend werden nicht oder nur wenig durchströmte Bereiche weniger schnell an die neuen Temperaturverhältnisse angepasst und es entsteht eine inhomogene Temperaturverteilung im Druckbehälter bzw. im Beladungsraum.
Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht nun darin ein Verfahren zur gleichmäßigen Temperierung einer heiß isostatischen Presse anzugeben und eine heiß isostatische Presse zu schaffen, die nicht nur geeignet zur Durchführung des Verfahrens ist, sondern eigenständig mit den Vorteilen einer gleichmäßigen Temperierung betrieben werden kann. Im Blickpunkt steht natürlich die gleichmäßige Abkühlung des
Beladungsraumes bzw. der Beladung, wobei ein kälteres Fluid zügig mit heißem Fluid im Druckbehälter bzw. vorzugsweise im Beladungsraum der heiß isostatischen Presse durchmischt wird und gleichzeitig eine ausreichend schnelle und vor allem sichergestellte Umwälzung des Fluids im gesamten Druckbehälter, aber besonders im Beladungsraum erreicht wird, um eine gleichmäßige Abkühlung der gesamten Beladung zu erreichen. Das Verfahren kann jedoch auch vorteilhaft in der Aufheiz- und Haltephase des heissisostatischen Prozesses eingesetzt werden, um eine bestmögliche Temperaturgleichförmigkeit im Beladungsraum zu erzielen.
Die Lösung der Aufgabe für das Verfahren besteht nach Anspruch 1 darin, dass im Inneren des Druckbehälters und/oder des Beladungsraumes zur Bildung einer Rotationsströmung über zumindest eine Düse Fluid eingedüst wird und sich dabei mit dem dortigen Fluid vermischt und dass gleichzeitig das Fluid einen Zirkulationskreislauf um die Konvektionshülse ausbildet aus dem Konvektionsspalt in den Beladungsraum eintritt, dass im oberen Bereich des Druckbehälters im Inneren des Beladungsraumes zur Bildung einer Rotationsströmung über zumindest eine Düse Fluid eingedüst wird, wobei das Fluid während des Durchlaufes der Rotationsströmung in der Nähe der Isolation an der Beladung vorbei nach unten fällt und sich mit Fluid aus der Nähe der Beladung vermischt und wobei das eingedüste Fluid eine niedrigere Temperatur als das Fluid im Beladungsraum und/oder die Beladung aufweist.
Die Lösung der Aufgabe für eine heiß isostatische Presse, die auch zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist, besteht darin, dass innerhalb des Druckbehälters zumindest eine Leitung mit Verbindung zu zumindest einer Düse im Inneren des Druckbehälters angeordnet ist, wobei der
Austrittswinkel der Düse zur Ausbildung einer Rotationsströmung innerhalb des Beladungsraumes geeignet ist und wobei die Leitung mit einem Bereich des Druckbehälters mit unterschiedlicher Temperatur verbunden ist.
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 tote Bereiche mit ungenügendem Gas- und Temperaturaustausch. Durch das Eindüsen mit hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise am oberen Ende des Beladungsraumes, aber auch im unteren Bereich denkbar, entsteht eine Zykloneffekt innerhalb des Beladungsraumes, das heißt, kühleres Fluid aus der Düse wird durch die Rotation entlang der Isolierung 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 der aus physikalischen Gründen sichergestellte 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 aufsteigendes und abfallendes Fluid keine Temperaturnischen im Beladungsraum aufgrund von Hinterschneidungen der Beladung oder eines Beladungsträgers entstehen können. Räumliche Nischen mit normalerweise stehendem Fluid 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 ausbildende 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 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 externer Fluidkühlung, Figur 2 einen waagrechten Schnitt durch den Eindüsungsebene im oberen Bereich des Beladungsraumes des Druckbehälters nach
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 Schnellkühlung mittels einer
Umwälzungsvorrichtung und Figur 5 ein weiteres vereinfachtes Ausführungsbeispiel mit einer konkreten Rotationsströmung innerhalb einer Konvektionshülse, angestoßen durch eine Düse innerhalb des Beladungsraumes, für eine Schnellkühlung..
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. Weiter findet sich innerhalb der Isolierung 8 Heizelemente 4 und eine Beladung 18 wird üblicherweise auf eine Beladungsträgerplatte 6 angeordnet oder bei Stückgut mittels eines Lastenträgers (nicht dargestellt) auf die Beladungsträgerplatte 6 gestellt. Der Druckbehälter 1 weist im übrigen 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 niedrigere Temperatur als das Fluid im Beladungsraum 19 und/oder die Beladung 18 selbst aufweisen. Aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten wird kühles Fluid durch die Rotationströmung 23 an die Innenwand der Isolierung 8 gedrückt. Die Rotationsströmung 23 sinkt während der Umläufe im Beladungsraum nach unten während sich gleichzeitig das außen rotierende kältere Fluid mit wärmerem Fluid aus der Nähe der Beladung 18 vermischt. In einem lotrechten Schnitt zur Mittelachse 26 des Druckbehälters 1 findet sich in der Nähe der Mittelachse 26 somit das Fluid höchster Temperatur. 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 niedrigeren Temperatur aus dem Bodenraum 22 mittels einer Umwälzvorrichtung 5 entnommen und direkt in die aufsteigende Leitung 12 eingespeist, oder 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 des Beladungsraumes 19 eine Leitvorrichtung 30 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 wird verhindert, dass das kalte Fluid unkontrolliert in die Mittel des Beladungsraumes 19 auf die Beladung 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.
Andere bevorzugte Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Lehre der Erfindung sind folgende Möglichkeiten: Um eine sofortige Vermischung des aus der Düse 13 austretenden kühlen Fluids mit heißem Fluid aus der Nähe der oberen Isolierung 8 zu erzwingen ist es denkbar das Fluid aus der Düse 13 in eine Saugstrahldüse (nicht dargestellt) einzudüsen. In einer weiteren Gestaltungsvariante können zusätzliche Durchbrechungen 7 zwischen dem äußeren Ringspalt 17 und dem Bodenraum 22 vorgesehen sein, wodurch das an der Wand des Druckbehälters 1 abgekühlte Fluid unmittelbar in den Bodenraum 22 zurückströmen kann (Figur 4).
In Figur 5 ist eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels dargestellt. Dabei wird über die Leitung 12 und die Düse 13 gezielt in den Beladungsraum 19 eingedüst, um eine Rotationsströmung 23 innerhalb der Konvektionshülse 27 zu etablieren. Dabei wird die Beladung 18 von kühlerem Fluid, das über das Einblasrohr 15 und die Venturidüse 16 kühles Fluid aus dem Bodenraum 22 mitnimmt und über die Leitung 12 und die Düse 13 in den Beladungsraum 19 eindüst, umspült. Gleichzeitig bildet sich innerhalb des Beladungsraum 19 und der Konvektionshülse 27 eine Mischtemperatur aus, die die Beladung 18 schonend herunterkühlt. Die Konvektionshülse 27 gibt unterhalb der Beladung 18, in diesem Beispiel unterhalb der Heizelemente 4, das Fluid an den Konvektionsspalt 28 ab, in dem es wieder nach oben gesaugt wird und oberhalb der Eindüsung über die Düse 13 wieder in den Beladungsraum eintritt. Für eine Ultraschnellkühlung ist vorgesehen, dass anteilig die unterhalb der Konvektionshülse 27 austretenden Fluide über die Durchbrechungen 14 die Isolierung 8 verlassen können und in einen äußeren Ringspalt 17 und inneren Ringspalt 9 übertreten können. Dort steigen die Fluide vorzugsweise über einen Ringspalt 9 über eine an der Isolierung 8 liegenden warmen Mantelfläche nach oben und bilden einen zweiten Zirkulationskreislauf 20 aus. Diese tritt vorzugsweise oben unterhalb des Deckels des Druckbehälters 1 aus dem Ringspalt 9 in den äußeren Ringspalt 17 über, der an der kalten Mantelfläche des Druckbehälters 1 anliegt. Das meiste kalte Volumen aus dem äußeren Ringspalt 17 sammelt sich aber im Bodenraum 22, in dem es wie beschreiben über die Venturidüse 16 und die Leitung 12 durch die Düse 13 wieder direkt, und das ist in diesem Ausführungsbeispiel sehr wichtig, innerhalb des Beladungsraumes 19 bzw. der Konvektionshülse 28 austritt. Das für eine Abkühlung sehr detailliert beschriebene System ist natürlich analog für eine Aufheizung 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.
Bezugszeichenliste:
1. Druckbehälter
2. Verschlussdeckel oben
3. Verschlussdeckel unten 4. Heizelemente
5. Umwälzvorrichtung
6. Beladungsträgerplatte Bodenplatte
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

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, wobei zumindest der Beladungsraum (19) zur Ausbildung eines Konvektionsspaltes (28) mit einer Konvektionshülse (27) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Druckbehälters (1) und/oder des Beladungsraumes (19) zur Bildung einer Rotationsströmung (23) über zumindest eine Düse (13) Fluid eingedüst wird und sich dabei mit dem dortigen Fluid vermischt und dass gleichzeitig das Fluid einen Zirkulations- kreislauf (29) um die Konvektionshülse (27) ausbildet und aus dem
Konvektionsspalt (28) in den Beladungsraum (19) eintritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Düse (13) tangential zu einem Kreisbogen um die Mittelachse (26) des Druckbehälters (1 ) eingedüst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zur Horizontalen geneigten Winkel aus der Düse (13) in den Beladungsraum (19) eingedüst wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Konvektionsspalt (28) des Druckbehälters (1) Leitbleche die Rotationsströmung unterstützen oder behindern.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Optimierung der Temperierung ein äußerer Zirkulationskreis (20) mittels natürlicher Konvektion (in zwei parallel zueinander angeordneten Ringspalten (9, 17)) etabliert wird, der vollständig außerhalb der Isolierung (8) im Druckbehälter (1) angeordnet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Schnellkühlung das aus der Düse (13) austretende
Fluid mit einer niedrigeren Temperatur aus dem Bodenraum (22) direkt in die Leitung (12) eingespeist wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Schnellkühlung Fluid über einen Auslass (24) einem
Fluidkühler (10) außerhalb des Druckbehälters (1 ) zugeführt wird und anschließend über einen Einlass (25) in die Leitung (12) eingespeist wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Schnellkühlung im Bodenraum (22) das außerhalb des Druckbehälters (1) gekühlte Fluid über eine Saugstrahlpumpe, bestehend aus einem Einblasrohr (15) und einer Venturidüse (16), direkt oder unter Zumischung von Fluid aus dem Bodenraum (22) in die Leitung (12) eingespeist wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Schnellkühlung das Fluid aus der Rotationsströmung (23) aus dem Beladungsraum (19) unterhalb des Beladungsraumes (19) über Durchbrüche (14) in der Isolierung (8) in den äußeren Zirkulationskreis (20) eintritt und sich mit dem Fluid des äußeren Zirkulationskreises (20) vermischt, im weiteren durch die Zirkulation an der Wand des Druckbehälters (1) vorbeiströmt und als kühleres Fluid über die Durchbrechungen (14) unterhalb des Beladungsraumes (19) zurückströmt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid entweder über senkrecht liegende Durchbrechungen (7) zwischen dem Beladungsraum (19) und dem Bodenraum (22) und/oder zwischen waagrecht liegenden Durchbrechungen (7) und dem Bodenraum (22) ausgetauscht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Schnellkühlung das Fluid des inneren Zirkulationskreises (29) nach dem Austritt aus dem Konvektionsspalt
(28) und vor Eintritt in den Beladungsraum (19) in einer Leitvorrichtung (30) eine gleichförmige Richtungsumkehr erfährt, und zumindest nicht mittig des Beladungsraumes (19) in den Beladungsraum (19) übergeht.
12. 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 zumindest der Beladungsraum (19) zur
Ausbildung eines Konvektionsspaltes (28) mit einer Konvektionshülse (27) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Druckbehälters (1) zumindest eine Leitung (12) mit Verbindung zu zumindest einer Düse (13) im Inneren des Druckbehälters (1 ) angeordnet ist, wobei der
Austrittswinkel der Düse (13) zur Ausbildung einer Rotationsströmung (23) innerhalb des Beladungsraumes (19) geeignet ist und wobei die Leitung (12) mit einem Bereich des Druckbehälters (1) mit unterschiedlicher Temperatur verbunden ist.
13. Heiß Isostatische Presse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmrichtung der Düse (13) horizontal und/oder tangential zur Mittelachse (26) des
Druckbehälters (1) angeordnet ist.
14. Heiß Isostatische Presse nach Anspruch 12 und/oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmrichtung der Düse (13) tangential zur Mittelachse (26) und aus der
Horizontalen nach unten oder nach oben geneigt angeordnet ist.
15. Heiß Isostatische Presse nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen und/oder im unteren Bereich des Beladungsraumes (19) eine
Leitvorrichtung (30) für eine gezielte Richtungsumkehr für das zwischen dem Konvektionsspalt (28) und dem Beladungsraum (19) überwechselnde Fluid angeordnet ist.
16. Heiß Isostatische Presse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Druckbehälter (1 ) oder zumindest im Konvektionsspalt (28) zumindest ein Leitblech zur Unterstützung oder Behinderung der Rotationsströmung angeordnet sind.
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