JP2007313553A - Hot-isotropic pressure pressing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高温高圧の不活性ガス雰囲気下において、例えば異種材料の拡散接合を行う熱間等方圧プレス装置に関する。 The present invention relates to a hot isostatic pressing apparatus that performs diffusion bonding of different materials, for example, in an inert gas atmosphere of high temperature and pressure.
熱間等方圧プレス法(以下「HIP法」ということがある)は、数10〜数100MPaの高圧ガス雰囲気下において処理対象物の再結晶温度以上の高温で処理することにより鋳造製品中およびセラミックス等の焼結製品中の残留気孔を消滅させる技術として、機械的特性の向上、特性のバラツキの低減および歩留まり向上などの効果が確認され、広く工業的に使用されるに至っている。
このような目的で使用される通常の熱間等方圧プレス装置(以下「HIP装置」ということがある)の構造は、図16に示されるように、縦形円筒状の高圧容器101の内部に抵抗線加熱方式の電気炉が収納された構造となっている。高圧容器101の内部には、処理室103を取り囲むように抵抗線加熱方式のヒータ102,102,102が上下方向に複数段に分割されて配置されている。これは、高圧のガスの激しい自然対流によって上部が高温で下部が低温という温度分布が発生しやすいために、上下方向全体に渡って加熱することにより均熱性を確保するためである。また、ガスの自然対流は処理室103を加熱昇温するための熱が過度に系外に放散される要因ともなるため、これを効率よく抑制できるように底付き円筒形状の断熱構造体104で処理室103とヒータ102,102,102とを取囲む構造が最適の方法として多く採用されている。断熱構造体104を通過して高圧容器101に伝達された熱は、水冷ジャケット部105を流れる冷却水により除去される。
The hot isostatic pressing method (hereinafter sometimes referred to as “HIP method”) is performed in a cast product by processing at a temperature higher than the recrystallization temperature of the object to be processed in a high-pressure gas atmosphere of several tens to several hundreds of MPa. As a technique for eliminating residual pores in sintered products such as ceramics, effects such as improvement of mechanical characteristics, reduction of variation in characteristics, and improvement of yield have been confirmed, and they have been widely used industrially.
The structure of a normal hot isostatic pressing device (hereinafter sometimes referred to as “HIP device”) used for such a purpose is arranged inside a vertical cylindrical high-
HIP法における通常の処理は、はじめにHIP装置内部の空気を除去するための真空引きおよびガス置換を行い、続いて昇温および昇圧工程、温度および圧力を所定の状態に保持する工程、ならびに取り出しのための降温および減圧を行う工程からなっている。HIP法では、これら全体の工程の処理時間(サイクルタイム)が長いために高価な高圧容器の処理能力が低下して処理コストの上昇を招き、サイクルタイムの短縮化はHIP法の広範な展開を図るうえで工業生産上の大きな課題となっていた。
とくに、冷却が緩慢なためにサイクルタイムにおける冷却工程の占める時間が長いことが問題視され、これを改善するための急速冷却技術が進歩し、現在では処理室の直径が1mを越えるようなHIP装置において急速冷却を行うことが一般化している。
The normal processing in the HIP method is to first perform evacuation and gas replacement to remove the air inside the HIP apparatus, and subsequently perform a temperature rise and pressure increase step, a step of maintaining the temperature and pressure in a predetermined state, and a removal step. It consists of the process of performing temperature reduction and pressure reduction for the purpose. In the HIP method, the processing time (cycle time) of these entire processes is long, so that the processing capacity of expensive high-pressure vessels is reduced, resulting in an increase in processing cost. It was a big issue in industrial production.
In particular, since the cooling is slow, the time taken by the cooling process in the cycle time is considered to be a problem, and rapid cooling technology has improved to improve this, and now the HIP whose processing chamber diameter exceeds 1 m has been developed. It is common to perform rapid cooling in equipment.
急速冷却の方法としては、ガスの温度差に起因する密度差により発生する自然対流を利用する方法(特許文献1)、および高圧容器の内部にファンやポンプを設置してガスの自然対流に加えて強制的な対流を生じさせる方法(特許文献2)が提案されている。しかしながら、これらの方法では処理室の内部において上側がより高温になり温度分布が発生し易いことが懸念され、この問題を改善するために2つの独立に制御可能なファンを設けて、処理室内部の均熱化と冷却速度の制御とを個別に行うことができる装置も提案されている(特許文献3、図1)。
As a method of rapid cooling, a method using natural convection caused by a density difference caused by a temperature difference of gas (Patent Document 1) and a fan or a pump installed in a high-pressure vessel to add to the natural convection of gas. A method for generating forced convection is proposed (Patent Document 2). However, in these methods, there is a concern that the upper side of the inside of the processing chamber is hotter and temperature distribution is likely to occur, and in order to improve this problem, two independently controllable fans are provided, There has also been proposed an apparatus that can individually perform soaking and cooling rate control (
2つの独立に制御可能なファンを設置する場合、個別に制御するにはモータが2つ必要である。そのようなモータの設置およびファンとの結合については、特許文献3に開示された高圧容器内の下部に2つのモータを横に並べて配置しそれぞれの駆動軸にファンを直結する方法の他に、本発明者らが特許文献4において提案した循環流を促進させるファンを高圧容器内の上部に配置しガス撹拌用ファンを高圧容器内の下部に配置してそれぞれをモータの駆動軸に直結する方法が開示されている。
熱間等方圧プレス装置は垂直円筒型の電気炉であり、処理室内のガスの流れは軸対称になるのが好ましい。しかしながら、特許文献3に開示された発明では、2つのファンが横に並べたモータの駆動軸に直結する方式であることから、いずれか一方のファンの回転中心は軸心から外して配置せざるをえず、処理室内のガスの流れが軸対称にならないので偏流が生じやすいという問題がある。このような処理室内のガスの偏流は処理室内に温度分布を発生させ、処理対象物の載置場所の違いによる温度分布が生じて処理対象物を均一の温度に維持することが保証されないために品質管理が容易ではなく、また高圧容器内の局部的な過熱を防止するという安全性確保の観点からも好ましくない。
The hot isostatic pressing apparatus is a vertical cylindrical electric furnace, and the gas flow in the processing chamber is preferably axisymmetric. However, since the invention disclosed in
特許文献4に開示された発明は、処理室内のガスの流れが軸対称になることが期待できる。ここに開示された方法では、撹拌用のファンが断熱構造体の上部に配置され、このファンを回転させるためのモータは高圧容器の上蓋に収容または上蓋に懸垂される。しかし、高圧容器の上部は処理条件によっては200〜300℃の高温になることもあり、その場合にはモータの損傷を防止する手段、例えば水冷された容器内にモータを収容する等の手段等が必要となって、上蓋の構造が複雑になるという問題がある。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、処理室内にガスの偏流が生じにくくかつファン駆動用モータの過熱を防止できる熱間等方圧プレス装置を提供することを目的とする。
In the invention disclosed in
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a hot isostatic pressing device that is unlikely to cause a gas drift in a processing chamber and can prevent overheating of a fan driving motor.
前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る熱間等方圧プレス装置は、処理対象物を収容し高温高圧の不活性ガスにより前記処理対象物の処理を行うための熱間等方圧プレス装置であって、高圧容器と、その外面が前記高圧容器の内面と間隔を設けて前記高圧容器内に収容された隔離室形成体と、その外面が前記隔離室形成体の内面と間隔を設けて配設された断熱構造体と、その外面が前記断熱構造体の内面と間隔を設け中心軸を上下方向にして配設された処理室形成体と、を有し、前記隔離室形成体は、上端または下端の一方が開放されもしくは前記一方に内外を連通させる第1の通路が設けられ、かつ上端または下端の他方に内外を連通させる第2の通路と回転方向の正逆切替により前記第2の通路に向けて吐出しまたは前記第2の通路から吸引する第1のファンとが設けられており、前記処理室形成体は、上端または下端の一方が開放されもしくは前記一方に内外を連通させる第3の通路が設けられ、かつ上端または下端の他方に換気のための前記第1のファンとは独立して回転可能な第2のファンが設けられており、前記第1のファンおよび前記第2のファンの回転軸がいずれも前記処理室形成体の中心軸に一致するように配置されてなる。
In order to achieve the above object, the present invention takes the following technical means.
That is, the hot isostatic pressing apparatus according to the present invention is a hot isostatic pressing apparatus for accommodating a processing object and processing the processing object with a high-temperature and high-pressure inert gas. A container, an isolation chamber forming body accommodated in the high pressure vessel with an outer surface thereof spaced from the inner surface of the high pressure vessel, and a heat insulation in which an outer surface thereof is disposed at an interval from the inner surface of the isolation chamber forming body. And a processing chamber forming body having an outer surface spaced from the inner surface of the heat insulating structure and arranged with a central axis in the vertical direction, and the isolation chamber forming body has one of an upper end and a lower end. Or a first passage that communicates the inside and the outside to one of the two, and a second passage that communicates the inside and the outside to the other of the upper end or the lower end and the second passage by switching forward and backward in the rotational direction. Discharging or suctioning from the second passage The processing chamber forming body is provided with a third passage in which one of the upper end and the lower end is opened or communicated with the one inside and outside, and the other of the upper end and the lower end is for ventilation. A second fan rotatable independently of the first fan is provided, and the rotation axes of the first fan and the second fan are both center axes of the processing chamber forming body. Arranged to match.
前記第1のファンが前記隔離室形成体の下部に設けられており、前記第1のファンおよび前記第1のファンの駆動軸には軸方向に貫通する貫通孔が設けられており、前記第2のファンの駆動軸が前記貫通孔を回転自在に貫通している。
好ましくは、前記高圧容器は内部下方に前記隔離室形成体内と隔離された下部空間が設けられており、前記第1のファン駆動用モータおよび前記第2のファン駆動用モータが前記下部空間に配置される。
好ましくは、前記第1のファンが遠心流方式のファンであり、前記第2のファンが軸流方式のファンである。
The first fan is provided at a lower portion of the isolation chamber forming body, and a drive hole of the first fan and the first fan is provided with a through hole penetrating in an axial direction. The drive shafts of the two fans pass through the through holes in a rotatable manner.
Preferably, the high-pressure vessel is provided with a lower space separated from the isolation chamber forming body in the lower part of the interior, and the first fan driving motor and the second fan driving motor are arranged in the lower space. Is done.
Preferably, the first fan is a centrifugal fan, and the second fan is an axial fan.
前記第1のファンは、前記第1のファンの駆動軸および前記第1のファン駆動用モータのシャフトに取り付けられたギヤの噛み合わせ、スプロケットとチェーンによる連結、またはプーリとベルトによる連結のいずれかにより駆動される。 The first fan is either meshed with a gear attached to a drive shaft of the first fan and a shaft of the first fan driving motor, connected by a sprocket and a chain, or connected by a pulley and a belt. Driven by.
本発明によると、処理室内にガスの偏流が生じにくくかつファン駆動用モータの過熱を防止できる熱間等方圧プレス装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a hot isostatic pressing device that is unlikely to cause gas drift in the processing chamber and that can prevent overheating of the fan driving motor.
図1は本発明に係る熱間等方圧プレス装置1の正面断面図、図2は撹拌装置7および冷却撹拌装置8の正面断面図、図3は撹拌用ファン29の概要図、図4は冷却用ファン33の正面断面図、図5は図4におけるA−A矢視断面図である。
図1および図2において、熱間等方圧プレス装置1は、高圧容器2、隔離筒3、断熱構造体4、処理室形成体5、ヒータ6、撹拌装置7および冷却撹拌装置8などからなる。
高圧容器2は、耐圧円筒部9、耐圧円筒部9の上端を閉じる上蓋10および耐圧円筒部9の下端を閉じる下蓋11からなる。高圧容器2は、耐圧円筒部9と上蓋10との嵌合部および耐圧円筒部9と下蓋11との嵌合部にシールリング12,12が設けられて、100MPa以上の圧力に耐えることができる。耐圧円筒部9の外周には、冷却水を流通させるためのジャケット13が設けられている。下蓋11の内部には、高圧容器2の内外を連通させるアルゴンガス導入路14および液体アルゴン導入路15が設けられている。
1 is a front sectional view of a hot isostatic
1 and 2, a hot isostatic
The high-
隔離筒3は、耐圧円筒部9の内径よりも小さな外径を有する円筒部16、円筒部16の下方において円筒部16の内部を上下に仕切るように略水平に設けられた底板17、および下蓋カバー18からなる。円筒部16は上端が開放されており、下端が下蓋カバー18により閉じられている。また円筒部16における下蓋カバー18に接合される部分には、隔離筒3の内外を連通させる第1下部通路19,19が複数設けられている。
底板17には、中心部に貫通する円形の孔20が設けられている。
隔離筒3は、本発明における隔離室形成体をいう。
The
The
The
断熱構造体4は、形状が上底付きの円筒状であって、下方の円筒開放端が底板17に着脱可能に支持される。断熱構造体4の下端には、断熱構造体4の内外を連通させる第2下部通路21,21が複数設けられている。
処理室形成体5は、整流筒22、棚板23a〜23dおよびケーシング24などからなる。
整流筒22は、断熱構造体4の内径よりも小さな外径を有する円筒であって、断熱構造体4内側に、上端が断熱構造体4の上部内面との間に適度な間隙を設けて収容される。整流筒22の上端は開放され下端はケーシング24に連続している。整流筒22は、その内部に下端から上に向けてほぼ等間隔で水平に配置された棚板23a〜23dを4つ支持している。整流筒22は、上端を開放するのではなく蓋を設け整流筒22の内外を連通させる通路を複数備えた構成とすることができる。
The
The processing
The rectifying
なお、以下の説明において整流筒22の内側の空間を「処理室25」という。
棚板23a〜23dは、熱間等方圧プレス処理(以下「HIP処理」ということがある)が行われる処理対象物Wを載置するためのものである。棚板23a〜23dは、それぞれに上下に貫通する多数の孔26a,…,26a,26b,…,26b,26c,…,26c,26d,…,26dが設けられて、処理室25内において気体が上下方向に支障なく移動できるように構成されている。
ケーシング24は、ケーシング本体43およびファン外枠部28からなる。ケーシング本体43は、整流筒22の下方に配置され整流筒22を延長したような円筒形状を有しており、その上下方向の中程で略円形のファン孔27を中央に有するファン外枠部28により上下に区分されている。ファン孔27の中心は整流筒22の軸心、つまり処理室形成体5の軸心に略一致している。また、ケーシング本体43の周側面におけるファン外枠部28の直下には、ケーシング24の内外を連通させる複数の第3下部通路32,32が設けられている。ケーシング本体43の下端は底板17に接合されている。
In the following description, the space inside the rectifying
The
The
この実施形態では、処理室形成体5を、整流筒22,棚板23a〜23d、ケーシング24などから構成したが、この態様に限定されるものではなく、処理室形成体は、空間としての処理室25を形成するものであればよい。例えば棚板23a〜23dを含まないものとすることができる。
ヒータ6は、ケーシング24の内部に設けられている。
撹拌装置7は、撹拌用ファン29および撹拌用ファン29を駆動するモータ30からなる。撹拌用ファン29は、図3に示されるように、傾斜羽根を有する一般的な軸流式のプロペラファンであって、正面視(図3(a))において翼48,…,48が回転軸に対して45度傾斜している。図3に示される撹拌用ファン29は、板材を傾斜させてボス49に接合したものであり、そのため製作が容易であり製作費が安価である。特に、例えばHIP処理が1200℃前後の高温で行われる場合には、モリブデン等の耐熱金属またはニッケル基スーパーアロイ等の高ニッケル合金の使用が一般的であり、そのような材料では複雑な加工が容易でないことから、図3のように製作が容易な単純な構造であることが好ましい。
In this embodiment, the processing
The
The stirring
撹拌用ファン29は、ファン孔27内に回転中心を処理室形成体5の軸心と略一致させて配置される。撹拌用ファン29は、処理室内23を換気するためのものであり、いわゆるヘッド差よりも風量を稼ぐことが重要であり同時に小型化が求められることから、軸流(アキシャル)タイプのファンを使用することが好ましい。
撹拌用ファン29は、下方に配置されたモータ30のシャフト31に直接接続されて駆動される。モータ30は下蓋11にその一部が収容されて固定されている。
冷却撹拌装置8は、冷却用ファン33および冷却用ファン33を駆動するモータ34からなる。冷却用ファン33は、底板17に近接させて孔20の上方に配置される。冷却用ファン33は、図4および図5に示されるように、翼35,…,35の各面が回転軸に対して平行な遠心流(ラジアル)タイプのファンであり、翼35,…,35は、図5によく示されるように中心のボス36の外周から法線に45度傾斜させて外方に延びている。翼35,…,35の上端は、軸に直交してボス36に接合された上部円板37に接合され、翼35,…,35の下端は、軸に直交する下部円板38に接合されており、翼35,…,35はボス36には接合されてはいない。下部円板38には円形の孔が設けられており、下部円板38とボス36との間に生じた隙間が、撹拌用ファン29が正回転時の吸入口および逆回転時の吐出口となる。
The stirring
The stirring
The cooling and stirring
冷却用ファン33には、下蓋カバー18を回転可能に貫通する冷却用ファン駆動軸39がボス36の下方に設けられている。冷却用ファン駆動軸39は、下蓋カバー18に固定された軸受け40によって支持されており、冷却用ファン駆動軸39の下端には従動ギヤ41が固定されている。ボス36、冷却用ファン駆動軸39および従動ギヤ41の中心には貫通孔42が設けられ、貫通孔42を撹拌用ファン29を回転させるためのモータ30のシャフト31が貫通している。冷却用ファン33を駆動するためのモータ34は、モータ30と並べて下蓋11にその一部が収容されて固定されている。モータ34のシャフトには駆動ギヤ44が取り付けられ、駆動ギヤ44は冷却用ファン駆動軸39と一体化された従動ギヤ42に噛み合わされて冷却用ファン33を回転させる。
The cooling
撹拌装置7および冷却撹拌装置8を上に説明したように構成することにより、撹拌用ファン29および冷却用ファン33の回転中心を一致させることができ、かつ、これらの回転中心をいずれも処理室形成体5の軸心に配置することが可能となる。したがって、熱間等方圧プレス装置1では、撹拌用ファン29および冷却用ファン33が作り出す処理室25内外の強制対流による処理室25内のアルゴンガスの流れを処理室形成体5の軸心に対称な温度分布の少ないものにすることができる。その結果、処理対象物Wの載置位置による温度保持時の温度変化および冷却工程での冷却程度の相違が解消されることが期待できる。
By configuring the
また、一般に、熱間等方圧プレス装置の高圧容器は、高温になったときに下蓋近傍に温度の低いガスが滞留し易いという特徴があり、下蓋11に撹拌用ファン29および冷却用ファン33を回転させるモータ30,34を配置することでモータ30が過度に加熱されることを防止することが期待できる。モータ30が設置された空間は、下蓋カバー18によってケーシング24および隔離筒3内と分断され高温のガスが循環しないので、処理室25内が高温となっても比較的低い温度に維持され、いずれものモータ30,34も過熱による損傷が軽減されまたは損傷を受けることがない。
In general, the high-pressure vessel of the hot isostatic pressing apparatus is characterized in that a gas having a low temperature tends to stay in the vicinity of the lower lid when the temperature becomes high. By arranging the
冷却撹拌装置8における冷却用ファン33とモータ34との間の動力の伝達には、上述したようなギアの噛み合わせ機構以外にも、図6に示されるようなプーリ45,46とベルト47とを用いた駆動機構、またはプーリ45,46およびベルト47をスプロケットおよびチェーンに置き換えた駆動機構を用いてもよい。ギアの噛み合わせ機構では、増速または減速比によって各ギア41,44の直径の比率が決まってしまうために、2つのモータ30,34間の設置間隔が制約されるが、プーリ45,46とベルト47とを用いた駆動機構およびスプロケットとチェーンとを用いた駆動機構ではモータ30,34間の設置間隔を比較的自由に決定することができる。スプロケットとチェーンとを用いた駆動機構は、全て金属で構成され高温環境下における損傷が少ない点で推奨される。
In addition to the gear meshing mechanism as described above, the transmission of power between the cooling
次に、熱間等方圧プレス装置1による、温度約1200℃、圧力約100MPaの処理条件で行われるニッケル基超合金材料のHIP処理について説明する。
図7はHIP処理のフローチャート、図8はHIP処理の温度および圧力変化を示す図、図9ないし図12はHIP処理における熱間等方圧プレス装置1内のアルゴンガスの動きを示す図である。
初めに、上蓋10および耐圧円筒部9が一体で上方に移動され、次に断熱構造体4が上方に移動されて、処理対象物Wが処理室25の各棚板23a〜23dに載置される。断熱構造体4が底板17の上に降ろされ、上蓋10および耐圧円筒部9が降ろされて、これらが高圧に耐えられるように下蓋11と一体化されて耐圧容器として密閉される(#11)。
Next, the HIP processing of the nickel-base superalloy material performed under the processing conditions of a temperature of about 1200 ° C. and a pressure of about 100 MPa by the hot isostatic
FIG. 7 is a flowchart of the HIP process, FIG. 8 is a diagram showing changes in temperature and pressure of the HIP process, and FIGS. 9 to 12 are diagrams showing the movement of argon gas in the hot
First, the
続いて、アルゴンガス導入路14に接続された図示しない真空ポンプにより熱間等方圧プレス装置1内の空気を排気する(排気工程、#12)。高圧容器2または真空ポンプへの真空ラインに取り付けられた図示しない真空計が所定の圧力以下になったら排気作業を終了し、図示しないアルゴンガスのカードル(ボンベの集合体)において約1MPaに減圧されたアルゴンガスを、アルゴンガス導入路14を経由させて熱間等方圧プレス装置1内に注入する。熱間等方圧プレス装置1内の圧力がアルゴンガスの供給圧に略等しくなったらアルゴンガスの供給を停止し、熱間等方圧プレス装置1内のアルゴンガスを、アルゴンガス導入路14から外部に放出する。このような作業を2回または3回行い、熱間等方圧プレス装置1内の残留空気をアルゴンガスに置換する(置換工程、#13)。
Subsequently, the air in the hot isostatic
次に、カードルからのアルゴンガスの供給圧を約10MPaに設定し、アルゴンガスをアルゴンガス導入路14から熱間等方圧プレス装置1に注入する(差圧注入工程、#14)。
アルゴンガスの注入が進み熱間等方圧プレス装置1内の圧力がアルゴンガスの供給圧にほぼ等しくなって熱間等方圧プレス装置1内の圧力上昇が停止したら、ヒータ6に通電して処理室25内の加熱を開始するとともに、図示しない圧縮機により昇圧されたアルゴンガスを、アルゴンガス導入路14を経由させてアルゴンガス注入口50から熱間等方圧プレス装置1内に供給する(昇温昇圧工程、#15)。また、モータ30,34を起動し、撹拌用ファン29および冷却用ファン33を回転させる。かかる昇温昇圧工程(#15)では、冷却用ファン33は逆回転される(図5(a))。
Next, the supply pressure of the argon gas from the curdle is set to about 10 MPa, and the argon gas is injected into the hot isostatic
When the argon gas injection proceeds and the pressure in the hot
図9を参照して、アルゴンガス注入口50から熱間等方圧プレス装置1内に供給されたアルゴンガスは、第1下部通路19,19から耐圧円筒部9と円筒部16との間に進入して上昇し、上蓋10により反転して円筒部16と断熱構造体4との間を下降する。下降したアルゴンガスは、第2下部通路21,21から第3下部通路32,32を通過して撹拌用ファン29に吸引されて処理室25内に進入する。処理室25内に進入したアルゴンガスは、ヒータ6により加熱されてアルゴンガス自体の浮力による自然対流と撹拌用ファン29による強制対流とにより上方へのアルゴンガスの流れを形成して処理対象物Wを加熱する。処理室25内を上昇したアルゴンガスは断熱構造体4の上底に当たり、整流筒22と断熱構造体4との間を下降する。下降したアルゴンガスは、断熱構造体4の下端近傍で底板17に当たって第3通路32,32を通る内側への流れとなり、撹拌用ファン29に吸引されて処理室25に進入する。昇温昇圧工程(#15)では、熱間等方圧プレス装置1内に注入されたアルゴンガスは、処理室25および整流筒22と断熱構造体4との間を循環して均熱状態を実現させる。
Referring to FIG. 9, the argon gas supplied from the
撹拌用ファン29は、自然対流を促進させればよく吐出側の圧損も大きくないことから、大きな吐出流量が得易い軸流方式のファンの使用が適している。
この昇温昇圧工程(#15)では、冷却用ファン33は、処理室25内の高温のアルゴンガスと隔離筒3の外側の温度の低いアルゴンガスとの密度差により生ずる自然対流による放熱を抑制するために、逆回転させてこの自然対流に拮抗するように運転される(図5(a)参照)。このため、冷却用ファン33には、正逆回転の切替により吐出流の方向が反転し、かつ自然対流の駆動力となるガス密度によるヘッド差以上のヘッド差を発生できる遠心流(ラジアル)タイプのファンを用いることが推奨される。
The
In this temperature raising / pressurizing step (# 15), the cooling
各棚板23a〜23dにはそれぞれれ多数の孔26a,…,26a,26b,…,26b,26c,…,26c,26d,…,26dが設けられているので、アルゴンガスの処理室25内外の循環は棚板23a〜23dに妨げられることなく順調に行われ、処理対象物Wは効率よく加熱される。
熱間等方圧プレス装置1内の圧力が所定圧力(100MPa)に達したら、熱間等方圧プレス装置1へのアルゴンガスの供給を停止する。また、処理室25の温度が所定温度(1200℃)になったら、昇温を停止してヒータ6のオンオフによる温度保持に切り替える(温度圧力保持工程、#16)。
Each of the
When the pressure in the hot isostatic
この工程(#16)においても、撹拌用ファン29および冷却用ファン33の回転は継続して行われる。断熱構造体4内および処理室25内で、アルゴンガスは図10に示されるような循環流を形成して温度分布の発生を防止する。逆回転される冷却用ファン33は、アルゴンガスが第1下部通路19,19を経由して孔20からケーシング24内に入らないようにし、円筒部16と耐圧円筒部9との間のアルゴンガスの通過を止め、これらの間でアルゴンガスが急冷されることによる処理室25内の温度低下を防止する。このように、冷却用ファン33を逆回転させることによって、アルゴンガスは断熱構造体4の内側のみを循環して比較的温度の低い耐圧円筒部9の内面への伝熱が抑制され、少ない熱損失で高温を維持することができる。
Also in this step (# 16), the stirring
熱間等方圧プレス装置1内の圧力および処理室25の温度を所定時間保持した後、冷却が行われる。冷却工程は、温度に応じて少なくとも3段階に分けて実施される。
最初の冷却は、それまでの高温高圧を保持した工程(#16)からヒータ6による加熱を完全に停止して、ジャケット13に冷却水を流通させることにより開始される。撹拌用ファン29および冷却用ファン33は、前の工程(#16)の動作が継続される。したがって、熱間等方圧プレス装置1内に閉じこめられ断熱構造体4内部を循環するアルゴンガスは、冷却水により冷やされた耐圧円筒部9に直接冷却されるのではなく、主に耐圧円筒部9と円筒部16との間および円筒部16と断熱構造体4との間における放射および局部的な対流による自然放冷により冷却される(自然放冷、#17)。自然放冷(#17)では、処理室25内が高温であるため、このようなアルゴンガスの間接的な冷却でも十分な冷却速度を得ることができる。
After maintaining the pressure in the hot isostatic
The first cooling is started by completely stopping the heating by the
処理室25の温度が自然放冷による冷却速度が鈍化する800℃近辺(このときの圧力は約80MPa)になったら、強制(対流)冷却を開始する(#18)。すなわち、冷却用ファン33を正回転させて(図5(b)参照)アルゴンガスが通過しないように実質的に閉じられていた底板17の孔20にアルゴンガスを積極的に通過させ、ジャケット13内を流通する冷却水により効率的にアルゴンガスを冷却する。
この冷却段階においては、図11に示されるように、整流筒22と断熱構造体4との間を下降するアルゴンガスの一部は、第2下部通路21,21を経由して断熱構造体4と円筒部16との間を上昇し、円筒部16と耐圧円筒部9との間を下降しながら直接に耐圧円筒部9内面により冷却される。冷却されたアルゴンガスは、正回転する冷却用ファン33により底板17の孔20からケーシング24内に吸引され、撹拌用ファン29によって吐出されて棚板3aの孔26a,…,26aから処理室25内に流入し、処理対象物Wを冷却する。
When the temperature of the
In this cooling stage, as shown in FIG. 11, a part of the argon gas descending between the rectifying
なお、断熱構造体4の下端部において、アルゴンガスを撹拌用ファン29の吸引圧に抗して第2下部通路21,21を通過させ断熱構造体4と円筒部16との間を上昇させるには、冷却用ファン33として図4および図5に示されるような、大きなヘッド差でもガスを効率よく吸入し吐出できる遠心流方式のファンの使用が好ましい。
さて、冷却用ファン33が正回転することにより円筒部16と耐圧円筒部9との間をアルゴンガスが通過するようになり、耐圧円筒部9からの除熱が自然対流の場合に比べて大幅に増加し、処理室25内の温度低下により一旦鈍化したアルゴンガスの冷却が促進されて、処理対象物Wの冷却速度を速めることが可能となる。冷却速度は、冷却用ファン33の回転数を制御することにより行われるが、予め冷却速度をプログラミングしておき、これに従って冷却用ファン33の回転数を制御するのが実際的である。均熱性については、通常±5℃程度が目標となるが、処理においてこの管理幅を外れた場合には撹拌用ファン29の回転数を増加させて循環するアルゴンガスの量を増大させる。
In addition, at the lower end portion of the
Now, when the cooling
処理室25内の温度が300℃前後になると、水冷されて100℃前後になった耐圧円筒部9の内面による除熱のみでは冷却速度が極端に低下するので、図12に示されるように、液体アルゴンを液体アルゴン導入路15を経由させて液体アルゴン注入口52から熱間等方圧プレス装置1内に注入して、処理対象物Wの冷却を促進させる(液体アルゴン注入工程、#19)。
注入された液体アルゴンは熱間等方圧プレス装置1の内部で蒸発し、そのときに周囲から気化潜熱を奪って温度を低下させる。温度が低くなったアルゴンガスは、冷却用ファン33および撹拌用ファン29により処理室25内に送り込まれ、処理対象物Wを冷却する。液体アルゴン注入口52は、冷却用ファン33が正回転したときの吸入側に開口している。
When the temperature in the
The injected liquid argon evaporates inside the hot isostatic
このように、液体アルゴンを気化させその気化熱により処理室25内を冷却することによって、300℃前後から100℃前後まで冷却するのに要する時間を大幅に短縮することができる。また、撹拌用ファン29および冷却用ファン33がいずれも回転中心を処理室形成体5の軸心に一致させて配置されているので、処理室25内のアルゴンガスは軸対称かつ温度分布の少ない流れになり、処理対象物Wの載置位置による冷却への影響(バラツキ)を無視できる程度に少なくすることができる。
冷却の最終段階は、熱間等方圧プレス装置1内の高圧のアルゴンガスを、アルゴンガス導入路14から外部に放出することにより行われる(放出工程、#20)。高圧のアルゴンガスの放出により、熱間等方圧プレス装置1内のアルゴンガスは断熱状態で急激に膨張して温度が低下する。このような断熱膨張による冷却効果により、アルゴンガスの放出が進行し熱間等方圧プレス装置1内の圧力が大気圧近くに低下した時点では、処理対象物Wの温度は取り出し(#21)可能な程度にまで低下させることができる。
Thus, by evaporating liquid argon and cooling the inside of the
The final stage of cooling is performed by discharging high-pressure argon gas in the hot isostatic
熱間等方圧プレス装置を、図13または図15に示すように構成することができる。
図13において、熱間等方圧プレス装置1Bは、処理室形成体5Bの上端に、ファン孔27を有するファン外枠部28および撹拌用ファン29を備えている。そのため、駆動用のモータ30は長尺シャフト31Bを有し、撹拌用ファン29は長尺シャフト31Bに直接取り付けられている。長尺シャフト31Bは、冷却用ファン33および冷却用ファン駆動軸39を貫通する貫通孔42を貫通しており、熱間等方圧プレス装置1と同様に冷却用ファン33の回転方向および回転の有無に関係なく撹拌用ファン29を駆動する。また、熱間等方圧プレス装置1Bは、断熱構造体4を有していない点においても熱間等方圧プレス装置1と異なる。熱間等方圧プレス装置1Bに熱間等方圧プレス装置1おけるような断熱構造体4を設けてもよい。
The hot isostatic pressing apparatus can be configured as shown in FIG. 13 or FIG.
In FIG. 13, the hot isostatic
その他の構成、例えば、隔離筒3が円筒部16、底板17、および下蓋カバー18からなり、処理室形成体5Bが整流筒22、棚板23a〜23dおよびケーシング24Bなどからなり、撹拌装置7が撹拌用ファン29および駆動用のモータ30からなり、および冷却撹拌装置8が冷却用ファン33および駆動用のモータ34からなる点を含め、熱間等方圧プレス装置1Bを構成する各要素は、図1に示される熱間等方圧プレス装置1における同一番号が付された各構成要素と略同一である。
図14はHIP処理における熱間等方圧プレス装置1B内のアルゴンガスの動きを示す図である。図14(a)は昇温昇圧工程(#15)におけるアルゴンガスの動き、図14(b)は温度圧力保持工程(#16)および自然放冷(#17)におけるアルゴンガスの動き、ならびに図14(c)は強制冷却(#18)および液体アルゴン注入工程(#19)におけるアルゴンガスの動きを示す。熱間等方圧プレス装置1BによるHIP処理における各工程の操作条件等は、熱間等方圧プレス装置1におけるHIP処理と略同じである。
In other configurations, for example, the
FIG. 14 is a diagram showing the movement of argon gas in the hot isostatic
図15において、熱間等方圧プレス装置1Cは、処理室形成体5Cの上端にファン孔27Cを有するファン外枠部28Cおよび撹拌用ファン29を備え、隔離筒3Cの上端には、熱間等方圧プレス装置1の底板17に相当し中心部に貫通する円形の孔20Cが設けられた上板53Cと冷却用ファン33とを備えている。
撹拌用ファン29には長く延びた撹拌用ファン駆動軸54Cが一体化されており、撹拌用ファン駆動軸54Cは、その軸心を処理室形成体5Cの軸心に一致させて下端部で軸受け40によって下蓋カバー18に回転自在に取り付けられている。撹拌用ファン駆動軸54Cの下端には従動ギヤ55Cが取り付けられており、撹拌用ファン29、撹拌用ファン駆動軸54Cおよび従動ギヤ55Cの軸心を貫通孔56Cが貫通している。
In FIG. 15, the hot isostatic
The agitating
従動ギヤ55Cは、下蓋11に一部が収容されたモータ30Cのシャフトに固定された駆動ギヤ57Cに噛み合わされている。撹拌用ファン29は、モータ30Cの回転が駆動ギヤ57Cおよび従動ギヤ55Cにより伝達されて回転される。
冷却用ファン33は、下蓋11にその一部が収容されて固定されたモータ34Cにより駆動される。モータ34Cのシャフト58Cは、回転自在に貫通孔56Cを貫通しており、撹拌用ファン駆動軸54Cの回転と独立して、その上端に直接取り付けられた冷却用ファン33を正方向または逆方向に回転させる。
The driven
The cooling
熱間等方圧プレス装置1Cでは、円筒部16の下方に、処理室形成体5Cを支持するための下板59Cが設けられている。下板59Cには処理室形成体5Cの内外を連通させる流路60Cが設けられている。
熱間等方圧プレス装置1Cにおける上に説明した以外の構成は、上に説明した図1に示される熱間等方圧プレス装置1における同一番号が付された各構成要素と略同一である。
熱間等方圧プレス装置1,1B,1CによるHIP処理では、処理室25内のアルゴンガスの偏流を極力減少させて処理対象物Wの載置場所の違いに起因するHIP処理のバラツキを解消することができ、かつ撹拌用ファン29および冷却用ファン33の駆動用モータ30,34の過熱を防止してこれらの耐用年数を延ばし保全作業の負担を軽減することができる。また、従来問題とされてきた、(1)サイクルタイムの長時間化、とくに300℃以下の温度域での冷却時間が長くなる問題、および(2)冷却過程における処理室内の上部および下部における温度分布(温度差)の発生の問題、が解消され、短い冷却時間で処理対象物WをHIP装置から取り出すことが可能となり、HIP装置の占有時間を短縮することができる。
In the hot isostatic
The configurations other than those described above in the hot isostatic
In the HIP process using the hot isostatic
とくに、近年、処理対象物Wの大型化が進み、処理室径が2mを超えるような超大型のHIP装置の設置が予測されており、このような大型のHIP装置において上に説明した撹拌装置7および冷却撹拌装置8を組み合わせることにより、短時間でのHIP処理が可能となる。また、大型化およびサイクルタイムの短縮化によって処理コストの低減が期待でき、これまでHIP処理が適用できなかった多くの製品、例えば自動車用のアルミ合金鋳造品等への適用も実現が容易となるなど、工業生産へのHIP処理の適用分野が拡大され、産業の発達に資するところ極めて大きい。
In particular, in recent years, the size of the processing object W has increased, and it has been predicted that an ultra-large HIP apparatus having a processing chamber diameter exceeding 2 m has been installed. The stirring apparatus described above in such a large-
上述の実施形態において、昇圧用ガスおよび冷却時の液化ガスとして窒素ガス(液化窒素)またはヘリウムガス(液化ヘリウム)を使用することができる。
その他、熱間等方圧プレス装置1,1B,1Cおよび熱間等方圧プレス装置1,1B,1Cの各構成または全体の構造、形状、寸法、個数、材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
In the above-described embodiment, nitrogen gas (liquefied nitrogen) or helium gas (liquefied helium) can be used as the pressurizing gas and the liquefied gas at the time of cooling.
In addition, each configuration or overall structure, shape, size, number, material, and the like of the hot
本発明は、高温高圧の不活性ガス雰囲気下において、例えば異種材料の拡散接合を行う熱間等方圧プレス装置に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in a hot isostatic pressing apparatus that performs diffusion bonding of different materials, for example, in an inert gas atmosphere at high temperature and high pressure.
1,1B,1C 熱間等方圧プレス装置
2 高圧容器
3 隔離室形成体(隔離筒)
4 断熱構造体
5 処理室形成体
19 (隔離室形成体の上端または下端の一方における)通路(第1下部通路)
20,20C 第2の通路(孔)
29 第2のファン(撹拌用ファン)
30 第2のファン駆動用モータ(モータ)
31 第2のファンの駆動軸(シャフト)
31B 第2のファンの駆動軸(長尺シャフト)
32B,32C 第3の通路(第3下部通路)
33 第1のファン(冷却用)ファン
34 第1のファン駆動用モータ(モータ)
39 第1のファンの駆動軸(冷却用ファン駆動軸)
42 貫通孔
W 処理対象物
1, 1B, 1C Hot
4 Heat-insulating
20, 20C Second passage (hole)
29 Second fan (stirring fan)
30 Second fan driving motor (motor)
31 Drive shaft (shaft) of the second fan
31B Second fan drive shaft (long shaft)
32B, 32C Third passage (third lower passage)
33 First fan (for cooling)
39 First Fan Drive Shaft (Cooling Fan Drive Shaft)
42 Through-hole W Object to be treated
Claims (5)
高圧容器と、
その外面が前記高圧容器の内面と間隔を設けて前記高圧容器内に収容された隔離室形成体と、
その外面が前記隔離室形成体の内面と間隔を設けて配設された断熱構造体と、
その外面が前記断熱構造体の内面と間隔を設け中心軸を上下方向にして配設された処理室形成体と、を有し、
前記隔離室形成体は、
上端または下端の一方が開放されもしくは前記一方に内外を連通させる第1の通路が設けられ、
かつ上端または下端の他方に内外を連通させる第2の通路と回転方向の正逆切替により前記第2の通路に向けて吐出しまたは前記第2の通路から吸引する第1のファンとが設けられており、
前記処理室形成体は、
上端または下端の一方が開放されもしくは前記一方に内外を連通させる第3の通路が設けられ、
かつ上端または下端の他方に換気のための前記第1のファンとは独立して回転可能な第2のファンが設けられており、
前記第1のファンおよび前記第2のファンの回転軸がいずれも前記処理室形成体の中心軸に一致するように配置されてなる
ことを特徴とする熱間等方圧プレス装置。 A hot isostatic pressing device for accommodating a processing object and processing the processing object with a high-temperature and high-pressure inert gas,
A high pressure vessel;
An isolation chamber forming body whose outer surface is spaced from the inner surface of the high-pressure vessel and accommodated in the high-pressure vessel;
A heat insulating structure whose outer surface is disposed with an interval from the inner surface of the isolation chamber forming body; and
A processing chamber forming body having an outer surface spaced from the inner surface of the heat insulating structure and disposed with the central axis in the vertical direction;
The isolation chamber forming body is:
One of the upper end or the lower end is opened, or a first passage is provided for communicating the inside and outside with the one,
And a second passage that communicates the inside and the outside with the other of the upper end and the lower end, and a first fan that discharges toward or sucks from the second passage by forward / reverse switching of the rotation direction. And
The processing chamber forming body includes:
A third passage is provided in which one of the upper end or the lower end is opened or the inside communicates with the one;
And a second fan that is rotatable independently of the first fan for ventilation is provided on the other of the upper end and the lower end,
The hot isostatic press apparatus is characterized in that the first fan and the second fan are arranged such that the rotation axes of both the first fan and the second fan coincide with the central axis of the processing chamber forming body.
前記第1のファンおよび前記第1のファンの駆動軸には軸方向に貫通する貫通孔が設けられており、
前記第2のファンの駆動軸が前記貫通孔を回転自在に貫通してなる
請求項1に記載の熱間等方圧プレス装置。 The first fan is provided at a lower portion of the isolation chamber forming body;
The first fan and the drive shaft of the first fan are provided with a through hole penetrating in the axial direction,
The hot isostatic pressing apparatus according to claim 1, wherein a drive shaft of the second fan is rotatably penetrated through the through hole.
前記第1のファン駆動用モータおよび前記第2のファン駆動用モータが前記下部空間に配置された
請求項1または請求項2に記載の熱間等方圧プレス装置。 The high-pressure vessel is provided with a lower space that is isolated from the isolation chamber forming body below the interior thereof,
The hot isostatic pressing apparatus according to claim 1 or 2, wherein the first fan driving motor and the second fan driving motor are arranged in the lower space.
前記第2のファンが軸流方式のファンである
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の熱間等方圧プレス装置。 The first fan is a centrifugal fan;
The hot isostatic press apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the second fan is an axial flow type fan.
前記第1のファンの駆動軸および前記第1のファン駆動用モータのシャフトに取り付けられたギヤの噛み合わせ、スプロケットとチェーンによる連結、またはプーリとベルトによる連結のいずれかにより駆動される
請求項2に記載の熱間等方圧プレス装置。
The first fan is
The motor is driven by meshing of a gear attached to a drive shaft of the first fan and a shaft of the first fan driving motor, connection by a sprocket and a chain, or connection by a pulley and a belt. The hot isostatic pressing apparatus described in 1.
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