KR101653881B1 - 직접 가열식 온간 등방압 프레스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력 용기 내부의 매질을 직접적으로 가열함으로써 고온 및 고압으로 등방 가압 성형을 수행할 수 있는 직접 가열식 온간 등방압 프레스에 관한 것이며, 내부를 관통하되 서로 대향하는 양면 중 적어도 어느 일면을 개방하는 중공이 형성되는 몸체부; 상기 중공에 의해 개방된 적어도 어느 일면을 마감하는 마감부; 내부에 원료를 수용한 상태로 상기 중공 내부에 배치되는 성형틀; 상기 중공 내부에 충진되되 상기 성형틀을 가압하도록 마련되는 압력 전달 매질; 상기 마감부에서 상기 중공을 마주보는 면에 장착되되 상기 압력 전달 매질이 상기 성형틀을 가압하도록 상기 압력 전달 매질을 가열하는 가열 수단;을 포함하는 직접 가열식 온간 등방압 프레스가 제공된다.

Description

직접 가열식 온간 등방압 프레스{DIRECT HEATING WORM ISOSTATIC PRESS}

본 발명은 직접 가열식 온간 등방압 프레스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압력 용기 내부의 매질을 직접적으로 가열함으로써 고온 및 고압으로 등방 가압 성형을 수행할 수 있는 직접 가열식 온간 등방압 프레스에 관한 것이다.

온간 등방압 프레스(Worm isostatic press:WIP)는 설정된 온도에서의 높은 유압으로 성형체의 모든 방향에서 성형체를 가압하여 성형체의 치밀화를 이루는 장비이다.

즉, 온간 등방압 프레스(Worm isostatic press:WIP)는 소정의 탄성력을 갖는 성형틀 내부에 분말 형태의 원료 물질을 주입하고, 유체의 압력을 통해 성형틀, 더 정확하게는 성형틀 내부의 원료 물질을 가압하는 장비로서, 일반적으로 물 또는 오일을 압력 전달 매질로 사용하며, 압력 전달 매질을 통해 대략 200MPa 내지 400MPa의 압력을 전달하며, 분말 형태의 원료 물질을 이론상 약 60~ 95%의 치밀한 구조로 성형할 수 있는 장비이다.

한편, 온간 등방압 프레스에서 압력 전달 매질의 온도를 상승시키기 위해서 종래에는 압력 용기 외부로 가열된 열매체유를 순환하여 압력 전달 매질을 가열하는 제1 방법과 밴드 히터로 압력 용기 외부를 감싸서 가열하는 제2 방법과 압력 용기 외부에 압력 전달 매질을 두어 외부에서 가열된 압력 전달 매질을 압력 용기에 투입하고 압력 전달 매질과 압력 용기를 동시에 가열되는 방법 등이 사용되고 있다.

그러나, 제1 방법 및 제2 방법은 단순 간접 가열 방식으로 압력 용기 외부에서 압력 용기를 가열하되 전도열에 의하여 압력 전달 매질의 온도를 상온에서부터 높이는 가열방식으로 대형 장비에는 사용하기 곤란한 문제점이 있다.

또한, 제3 방법은 압력 용기 외부에 별도의 압력 전달 매질 가열 장치를 마련하고, 이를 통해 압력 전달 매질을 가열하게 됨으로써 대형 장비에 사용할 수 있지만, 유지비가 상당히 소모되고, 설치 공간이 과도하게 요구된다는 문제점이 존재한다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 압력 용기 내부에서 압력 전달 매질을 직접 가열함으로써 장치를 소형화시키고 효과적으로 압력 전달 매질을 가열할 수 있는 직접 가열식 온간 등방압 프레스를 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 내부를 관통하되 서로 대향하는 양면 중 적어도 어느 일면을 개방하는 중공이 형성되는 몸체부; 상기 중공에 의해 개방된 적어도 어느 일면을 마감하는 마감부; 내부에 원료를 수용한 상태로 상기 중공 내부에 배치되는 성형틀; 상기 중공 내부에 충진되되 상기 성형틀을 가압하도록 마련되는 압력 전달 매질; 상기 마감부에서 상기 중공을 마주보는 면에 장착되되 상기 압력 전달 매질이 상기 성형틀을 가압하도록 상기 압력 전달 매질을 가열하는 가열 수단;을 포함하는 직접 가열식 온간 등방압 프레스에 의해 달성된다.

여기서, 상기 마감부는 외주연 상에 마련되되 상기 마감부를 상기 몸체부 내벽에 밀착시키는 실링부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 가열 수단은, 상기 압력 전달 매질과 접촉함으로써 상기 압력 전달 매질 측으로 열을 전달하는 열전달 플레이트; 상기 열전달 플레이트 내부에 마련되어 발열하는 발열부;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발열부는, 상기 열전달 플레이트 내부에 마련되는 파이프; 상기 파이프 내부에 삽입되는 열선; 상기 파이프 내부의 공간을 충진하는 절연재;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 마감부와 상기 가열 수단을 절연된 상태로 연결하는 연결 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발열부는 상기 마감부의 외측으로 노출되게 연장되고, 상기 마감부는 상기 발열부가 연장되는 경로에 대응되는 관통부가 형성되며, 상기 연결 수단은 일단은 상기 열전달 플레이트와 상기 마감부 사이에 밀착되고 타단은 상기 관통부 측으로 연장되는 연결부;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 연결 수단은, 상기 연결부와 상기 관통부 벽면 사이에 개재되어 실링하는 절연 부재; 상기 절연 부재의 위치를 고정하는 고정부재;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발열부는 상기 고정부재의 외측으로 노출되게 연장되며, 상기 고정부재의 외측으로 노출되는 발열부 상에 체결되어 상기 열전달 플레이트를 상기 마감부 상에 고정시키는 체결부재;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열전달 플레이트는 상기 연결부 상에 체결되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 성형틀은 탄성 소재로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 압력 전달 매질을 가열하는 시간을 단축할 수 있는 직접 가열식 온간 등방압 프레스가 제공된다.

또한, 압력 용기 내부에서 압력 전달 매질을 직접적으로 가열하게 됨으로써 압력 전달 매질을 가열하는 과정을 단순화시킬 수 있고, 열이 외부로 방출되지 않으므로 불필요한 열 손실을 방지할 수 있다.

또한, 압력 전달 매질을 가열하기 위한 별도의 장치들을 배제할 수 있어 장치가 차지하는 공간 및 설치비용을 최소화시킬 수 있다.

또한, 종래의 장치보다 압력 전달 매질가 더 높은 온도 및 더 높은 압력을 가지도록 가열할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스를 개략적으로 도시한 절개사시도이고,
도 2는 도 1에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스를 개략적으로 도시한 분해사시도이고,
도 3은 도 1에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 4는 도 1에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스에서 가열 수단을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 5는 도 1에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스에서 가열 수단과 마감부의 결합관계를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 6은 도 1에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스에서 연결 수단을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 7은 도 1에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스에서 압력 전달 매질을 통해 성형틀을 가압하는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스를 개략적으로 도시한 절개사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스를 개략적으로 도시한 분해사시도이고, 도 3은 도 1에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스(100)는 몸체부(110) 내부에서 압력 전달 매질(140)을 직접적으로 가열하여 고온 및 고온 상태에서 원료를 가압할 수 있는 것으로서, 몸체부(110)와 마감부(120)와 성형틀(130)과 압력 전달 매질(140)과 가열 수단(150)을 포함한다.

상기 몸체부(110)은 본 발명의 일실시예에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스의 메인 프레임 역할을 하는 것으로, 상면과 하면을 모두 개방하도록 내부를 관통하는 중공(111)이 형성된다.

여기서, 중공(111)은 원료의 성형이 이루어지는 공간, 즉, 원료가 후술할 압력 전달 매질(140)에 의해 가압되는 공간을 제공한다.

상기 마감부(120)는 몸체부(110)의 상부 및 하부에 각각 마련되어 마감부(110)의 중공(111)을 외부와 마감하는 부재로서, 몸체부(110)의 상부에 장착되는 제1 마감부(121)와 몸체부(110)의 하부에 장착되는 제2 마감부(122)를 포함한다.

여기서, 마감부(120)는 단순히 몸체부(110)의 중공(111)을 마감하는 역할을 하는 것은 아니며, 중공(111) 내부에 충진되는 압력 전달 매질(140)이 가열되어 압력이 상승할 경우, 이러한 압력을 지지하는 역할도 수행해야 하며, 이러한 압력 전달 매질(140)이 외부로 유출되는 것을 방지하는 역할도 수행해야 한다.

이에 따라, 각각의 마감부(121, 122)의 외주연에는 중공(111) 내벽면과의 밀착되어 중공(111) 내부를 실링(sealing)하는 실링부(121a, 122a)가 장착될 수 있다.

상기 성형틀(130)는 내부에 원료(M), 더 바람직하게는 분말 형태의 원료를 수용하는 것으로, 중공(111) 내부에 배치되어 후술할 압력 전달 매질(140)에 의해 원료(M)와 함께 가압되어 원료(M)가 성형되는 공간을 제공한다.

즉, 성형틀(130) 내부는 사용자가 성형하고자 하는 성형체의 형상과 대응되게 형성되며, 고온 및 고압 상태에서도 견딜 수 있도록 탄성 소재로 마련되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 분말 형태의 원료(M)는 금속 또는 세라믹일 수 있다.

상기 압력 전달 매질(140)은 중공(111) 내부에 성형틀(130)이 차지하는 공간을 제외한 공간에 충진되되, 후술할 가열 수단(150)에 의해 가열되어 성형틀(130), 더 자세히는 성형틀(130) 내부의 원료(M)를 가압하도록 마련되는 매질이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 중공(111) 내부의 압력 전달 매질(140)은 압력 및 온도가 200MPa 및 150°C 이상으로 가열되어야 하므로 오일(oil)을 사용하나 이에 제한되는 것은 아니며, 100°C 이하로 사용될 경우를 가정하여 방청유를 첨가한 물을 사용해도 무방하다.

도 4는 도 1에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스에서 가열 수단을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 4를 참조하면, 상기 가열 수단(150)은 마감부(120)의 중공(111)을 마주보는 면에 장착되어 중공(111) 내부의 압력 전달 매질(140)을 가열하는 것으로서, 열전달 플레이트(151)와 발열부(152)를 포함한다.

상기 열전달 플레이트(151)는 가열 수단(150)의 메인 프레임 역할을 하는 것으로서, 후술할 발열부(152)로부터 발생하는 열 에너지를 압력 전달 매질(140)에 전달하는 매개체 역할을 한다.

즉, 열전달 플레이트(151)는 압력 전달 매질(140)과 직접적으로 접촉하며 열전달에 의해 열 에너지를 압력 전달 매질(140)에 전달한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 열전달 플레이트(151)는 동, 신주, 알루미늄과 같은 금속 소재로 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일실시예에서 열전달 플레이트(151)는 제2 마감부(122) 측에 장착되며, 단면적이 제2 마감부(122)와 실질적으로 동일하거나 그 이하로 마련되나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 발열부(152)는 열전달 플레이트(151) 내부에 마련되어 발열하는 것으로서, 파이프(153)와 열선(154)과 절연재(155)를 포함한다.

상기 파이프(153)는 열전달 플레이트(151)에 삽입되며 후술할 열선(154)이 차지하는 공간을 제공하며, 상기 열선(154)은 외부로부터 전압을 인가받아 열에너지를 방출하고, 상기 절연재(155)는 상기 파이프(153) 내부의 공간에서 열선(154)을 제외한 공간을 충진하여 절연하는 것이다.

즉, 본 발명의 일실시예에 있어서, 가열 수단(150)의 열 에너지는 열선(154)으로부터 발생하며, 절연재(155), 파이프(153) 및 열전달 플레이트(151)를 순차적으로 거쳐 압력 전달 매질(140)에 제공되나 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 상술한 것과 같은 구성의 가열 수단(150)은 본 발명을 구현하기 위한 일례로서 동일한 기능을 수행하는 다른 수단을 배제하는 것은 아니다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 가열 수단(150)은 선형 파이프(153)에 열선(154)을 삽입하고, 절연재(155)를 충진한 후, 사용자가 의도한 열전달 플레이트(151)의 형상 및 크기를 고려하여 파이프(153)를 구부린 후, 주물을 부어 열전달 플레이트(151)를 형성함으로써 제조될 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 제2 마감부(122)와 가열 수단(150)이 밀봉된 상태로 연결되도록 연결 수단(160)을 통해 제2 마감부(122)와 가열 수단(150)을 연결할 수 있다.

도 5는 도 1에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스에서 가열 수단과 마감부의 결합관계를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 6은 도 1에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스에서 연결 수단을 개략적으로 도시한 단면도이다.

상기 연결 수단(160)은 마감부(120)와 가열 수단(150)을 밀봉된 상태 및 절연된 상태로 연결하는 것으로서, 연결부(161)와 절연부재(162)와 고정부재(163)와 체결부재(164)를 포함한다.

이를 설명하기에 앞서, 발열부(152)는 열전달 플레이트(151)로부터 연장되어 제2 마감부(122)를 관통하되 제2 마감부(122)의 외측으로 노출되게 연장된다.

또한, 제2 마감부(122)는 발열부(152)과 통과하는 경로를 포함하되, 발열부(152)의 직경보다 더 큰 내경을 가지는 관통부(122b)가 형성된다.

상기 연결부(161)는 일단이 열전달 플레이트(151)와 제2 마감부(122) 사이에 밀착하여 개재되고, 타단은 관통부(122b)를 따라 연장되는 것으로서, 열전달 플레이트(151)와 제2 마감부(122)를 연결하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 연결부(161)의 일단은 관통부(122b)의 내경보다 더 큰 직경을 가지되, 소정의 두께를 가지게 형성되며, 타단은 관통부(122b)의 내경에 실질적으로 대응되어 형성된다.

즉, 연결부(161)의 일단의 두께만큼 열전달 플레이트(151)와 제2 마감부(122)는 이격되며, 연결부(161)의 일단의 압축 정도에 따라 열전달 플레이트(151)와 제2 마감부(122) 사이의 이격 간격은 더 좁아질 수 있다.

여기서, 연결부(161)의 일단은 체결부(161a)를 통해 열전달 플레이트(151)와 체결된다.

상기 절연 부재(162)는 관통부(122b)와 연결부(161) 사이를 절연된 상태로 밀봉하는 것으로서, 연결부(161)의 외주연을 감싸도록 마련되되 관통부(122b)의 내벽면 상에 밀착한다.

본 발명의 일실시예에 따르면 절연 부재(162)는 5단으로 마련되며, 1단(162a)과 3단(162c)은 비철 경질 부싱(bushing)으로 마련되고, 2단(162b)과 4단(162d)은 비철 연질 부싱(bushing)으로 마련되며, 5단(162e)은 내경이 좁아지는 방향으로 경사면이 형성되는 메탈 부싱(bushing)으로 마련된다.

한편, 상술한 절연 부재(162)가 안착될 수 있도록 관통부(122b)에서 절연 부재(162)가 장착되는 부위를 경계로 내경이 상이하게 마련되어 단차가 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 고정 부재(163)는 관통부(122b)의 길이방향을 따라 절연 부재(162)와 연결되며, 절연 부재(162)를 열전달 플레이트(151) 측으로 가압함으로써 절연 부재(162)를 고정하는 부재이다.

즉, 고정 부재(163)를 통해 절연 부재(162)의 위치를 고정함으로써 절연 부재(162) 측으로 소정의 압력이 가해지더라도 제2 마감부(122)와 가열 수단(150)이 절연되고 밀봉된 상태로 체결을 유지할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서 고정 부재(163)는 고압용 볼트로 마련되나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 체결 부재(164)는 고정 부재(163)의 외측으로 노출되게 연장되는 발열부(152) 상에 체결되어 열전달 플레이트(151)를 제2 마감부(122) 상에 체결시키는 것이다.

즉, 체결부(161a)에 의해 열전달 플레이트(151)에 연결된 연결부(161)의 타단을 체결 부재(164)를 통해 체결시킴으로써 열전달 플레이트(151)를 제2 마감부(122) 측으로 끌어당김과 동시에 절연 부재(162) 및 고정 부재(163)를 확고하게 고정시킬 수 있다.

이에 따라, 체결 부재(164)는 볼트로 마련되고, 고정 부재(163)의 외측으로 노출되게 연장되는 발열부(162)의 외주연에는 나사산이 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

도 7은 도 1에 따른 직접 가열식 온간 등방압 프레스에서 압력 전달 매질을 통해 성형틀을 가압하는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 7을 참조하면, 가열 수단(150)을 통해 압력 전달 매질(140)을 가열할 경우, 압력 전달 매질(140)의 온도가 상승함과 동시에 압력도 같이 상승한다. 이는 열역학적으로 주지한 사실이므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

본 발명의 일실시예에서 압력 전달 매질(140)은 중공(111) 내부의 압력이 200MPa, 온도가 150°C 이상이 될 때까지 가열되며, 상술한 연결 수단(160)에 의해 마감부(120)와 가열 수단(150)이 긴밀하게 장착되므로 중공(111) 내부의 압력 전달 매질(140)이 외부로 누출되지 않고, 성형틀(130) 내부의 원료(M)를 전면적으로 균일하게 가압할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

100: 직접 가열식 온간 등방압 프레스
110: 몸체부 120: 마감부
130: 성형틀 140: 압력 전달 매질
150: 가열 수단 160: 연결 수단

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 내부를 관통하되 서로 대향하는 양면 중 적어도 어느 일면을 개방하는 중공이 형성되는 몸체부;
   상기 중공에 의해 개방된 적어도 어느 일면을 마감하는 마감부;
   내부에 원료를 수용한 상태로 상기 중공 내부에 배치되는 성형틀;
   상기 중공 내부에 충진되되 상기 성형틀을 가압하도록 마련되는 압력 전달 매질; 및
   상기 마감부에서 상기 중공을 마주보는 면에 장착되되 상기 압력 전달 매질이 상기 성형틀을 가압하도록 상기 압력 전달 매질을 가열하는 가열 수단;을 포함하되,
   상기 마감부는 외주연 상에 마련되되 상기 마감부를 상기 몸체부 내벽에 밀착시키는 실링부를 포함하고,
   상기 가열 수단은 상기 압력 전달 매질과 접촉함으로써 상기 압력 전달 매질 측으로 열을 전달하는 열전달 플레이트와, 상기 열전달 플레이트 내부에 마련되어 발열하는 발열부를 포함하고,
   상기 발열부는 상기 열전달 플레이트 내부에 마련되는 파이프와, 상기 파이프 내부에 삽입되는 열선 및 상기 파이프 내부의 공간을 충진하는 절연재를 포함하는 직접 가열식 온간 등방압 프레스.
5. 제4항에 있어서,
   상기 마감부와 상기 가열 수단을 절연된 상태로 연결하는 연결 수단을 더 포함하는 직접 가열식 온간 등방압 프레스.
6. 제5항에 있어서,
   상기 발열부는 상기 마감부의 외측으로 노출되게 연장되고,
   상기 마감부는 상기 발열부가 연장되는 경로에 대응되는 관통부가 형성되며,
   상기 연결 수단은 일단은 상기 열전달 플레이트와 상기 마감부 사이에 밀착되고 타단은 상기 관통부 측으로 연장되는 연결부;를 포함하는 직접 가열식 온간 등방압 프레스.
7. 제6항에 있어서,
   상기 연결 수단은,
   상기 연결부와 상기 관통부 벽면 사이에 개재되어 실링하는 절연 부재; 상기 절연 부재의 위치를 고정하는 고정부재;를 포함하는 직접 가열식 온간 등방압 프레스.
8. 제7항에 있어서,
   상기 발열부는 상기 고정부재의 외측으로 노출되게 연장되며,
   상기 고정부재의 외측으로 노출되는 발열부 상에 체결되어 상기 열전달 플레이트를 상기 마감부 상에 고정시키는 체결부재;를 더 포함하는 직접 가열식 온간 등방압 프레스.
9. 제8항에 있어서,
   상기 열전달 플레이트는 상기 연결부 상에 체결되는 직접 가열식 온간 등방압 프레스.
10. 제4항에 있어서,
    상기 성형틀은 탄성 소재로 형성되는 직접 가열식 온간 등방압 프레스.

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