KR20070097342A - 열간 등압 성형 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

작업편을 처리하기 위해 작업편이 고압 용기 내부에 수용되고 고압 용기 내부가 고온 및 고압의 불활성 가스로 채워지는 열간 등압 성형 방법이 개시된다. 이 방법은 고압 용기 내부를 소정 시간 동안 고온 및 고압에서 유지한 후에 수행되고 액체 불활성 가스가 고압 용기 내부로 공급되는 냉각 단계를 포함한다. 이러한 방법에 따라 HIP 처리의 사이클 시간을 단축하는 것이 가능하다.

작업편, 고압 용기, 열간 등압 성형, HIP 처리, 액체 불활성 가스

Description

열간 등압 성형 방법 및 장치 {HOT ISOSTATIC PRESSING METHOD AND APPARATUS}

도1은 본 발명을 구현하는 열간 등압 성형 장치의 개략도.

도2는 고압 용기의 전방 단면도.

도3은 HIP 처리의 플로우 차트.

도4는 HIP 처리에 있어서 온도 및 압력의 변화를 도시한 도면.

도5는 HIP 처리에 있어서 고압 용기 내부의 아르곤의 이동을 도시한 도면.

도6은 HIP 처리에 있어서 고압 용기 내부의 아르곤의 이동을 도시한 도면.

도7은 HIP 처리에 있어서 고압 용기 내부의 아르곤의 이동을 도시한 도면.

도8은 HIP 처리에 있어서 고압 용기 내부의 아르곤의 이동을 도시한 도면.

도9는 본 발명의 다른 실시예에서의 고압 용기의 전방 단면도.

도10은 풀리 및 벨트를 사용하는 냉각 팬용 구동 기구를 도시한 도면.

도11은 HIP 처리에 있어서 고압 용기 내부의 아르곤의 이동을 도시한 도면.

도12는 HIP 처리에 있어서 고압 용기 내부의 아르곤의 이동을 도시한 도면.

도13은 HIP 처리에 있어서 고압 용기 내부의 아르곤의 이동을 도시한 도면.

도14는 HIP 처리에 있어서 고압 용기 내부의 아르곤의 이동을 도시한 도면.

도15a 및 도15b는 냉각 팬 내의 기류 상태를 도시한 도면.

도16a 및 도16b는 본 발명의 추가 실시예에서의 고압 용기의 전방 단면도.

도17a 및 도17b는 본 발명의 추가 실시예에서의 고압 용기의 전방 단면도.

도18은 종래의 고압 용기의 전방 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 열간 등압 장치

2: 고압 용기

4: 내압 실린더

5: 상부 뚜껑

6: 하부 뚜껑

7: 단열 구조물

8: 유동용 자켓

10: 구조물 본체

11: 뚜껑

13: 유동 균일화 실린더

본 발명은 열간 등압 성형 방법 및 열간 등압 성형 장치, 예를 들면 고온 및 고압에서 유지되는 불활성 가스 분위기 내에서의 다양한 재료의 확산 접합에 관한 것이다.

열간 등압 성형 방법(이후 "HIP 방법"이라 칭할 수도 있음)은 기계적인 특성을 향상시키고, 특성에 있어서의 편차를 감소시키고, 수율을 향상시키는데 있어서 효과적인 것으로 입증되었으며, 작업편이 세라믹 제품과 같은 주조품 또는 소결품에 잔류하는 기공을 제거하기 위해 수십 내지 수백 MPa의 고압의 가스 분위기 내에서 그 재결정 온도 이상의 고온에서 처리되는 기술로서 광범위한 산업적 용도를 가진다.

전술된 목적으로 사용되는 종래의 열간 등압 성형 장치(이후 "HIP 장치"로 칭할 수도 있음)는 저항선 가열식의 전기로가 수직 실린더형 고압 용기(101) 내부에 수용되는 도18에 도시된 바와 같은 구조를 가진다. 고압 용기의 내부에 있어서, 저항선 가열식의 가열기(102)는 처리 챔버를 둘러싸도록 복수의 단계로 수직으로 배치된다. 이는 다음의 이유 때문이다. 고압 가스의 활발한 자연 대류로 인해 상부는 온도가 높고 하부는 온도가 낮은 온도 분포가 발생하기 쉽고, 따라서, 수직 방향 전체에 걸친 가열에 의해 등온 조건이 보장되어야만 한다. 또한, 가스의 자연 대류는 처리 챔버(103)의 온도를 가열 및 상승시키는 열이 시스템 외부로 과도하게 소산되는 현상에 일조할 수 있다. 이러한 현상이 효율적으로 억제될 수 있도록, 가열기(102) 및 처리 챔버(103)가 바닥이 있는 실린더형 단열 구조물(104)에 의해 둘러싸이는 구조가 최적의 방법으로서 인기가 많다. 단열 구조물(104)을 통과하여 고압 용기(101)로 전달되는 열은 수냉 자켓부(105) 내에서 유동하는 냉각수에 의해 제거된다.

HIP 방법에서 수행되는 통상의 처리에 따르면, HIP 장치 내부로부터 공기를 제거하기 위해 제1 소기(evacuation) 및 가스 정화가 첫번째로 실시되고, 이어서 온도 및 압력을 상승시키고, 두 번째로 온도 및 압력을 소정 조건으로 유지하고, 마지막으로는 처리된 제품을 꺼내기 위해 온도 및 압력을 감소시킨다. HIP 방법에 있어서, 이들 단계 모두에 대해 요구되는 사이클 시간은 길며, 따라서 고가인 고압 용기의 처리 용량이 훼손되어, 처리 비용의 증가를 초래한다. 따라서, HIP 방법의 광범위한 확산을 이루기 위해서, 사이클 시간의 단축은 산업적인 생산에 있어 매우 중요한 과제가 되어왔다.

특히, 사이클 시간에 있어서, 냉각 단계에 요구되는 시간의 비중은 냉각이 천천히 이루어지기 때문에 길어지며, 이는 문제점을 제기한다. 이러한 결점을 처리하기 위한 기술로서 급냉 기술이 급속하게 발전 되어 왔으며, 현재는 직경이 1 m를 초과하는 처리 챔버를 가지는 HIP 장치에서도 급냉이 이루어지는 것이 일반적이다.

급냉 방법으로서 가스 밀도의 차이에 의해 생성되는 자연 대류를 이용하는 방법(미국 특허 제4,217,087호) 및 가스의 자연 대류에 추가하여 강제 대류를 만들어내도록 팬 또는 펌프가 고압 용기 내부에 설치되는 방법(일본 실용신안 공개 평3-34638호)이 제안되어 왔다.

그러나, 이들 방법에서는, 처리 챔버의 내부에 있어서, 상부측이 온도가 더 높게 될 수도 있어서, 온도 분포가 쉽게 발생되는 결과를 낳을 우려가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 노력으로서, 각기 독립적으로 제어될 수 있는 두 개의 팬이 제공됨으로써, 처리 챔버 내부의 균열(soaking) 및 냉각 속도 제어가 각기 독 립적으로 이루어지게 하는 방법(미국 특허 제6,250,907호)이 제안되어 왔다.

일반적으로, 냉각 속도를 증가시키기 위해서는, 제거되는 열의 양을 증가시킬 필요가 있다. HIP 장치에 있어서는, 앞선 3개의 관련 기술 문헌에서 기술된 바와 같이 물이 냉각 매체로서 사용되고, 통상 냉각수가 내압 실린더의 외부면에 장착되는 수냉 자켓 내부로 도입되어서 열이 내압 실린더를 통해 분산되는 방법이 채택된다. 그러나, 제거되는 열의 양은 냉각될 목표물의 온도와 냉각수 온도 사이의 차이에 실질적으로 비례하고, 처리 챔버의 내부 온도가 하강하는 경우, 냉각수에 의해 제거되는 열의 양은 급속하게 감소한다. 따라서, 앞선 3개의 관련 기술 문헌에서 기술된 바와 같은 방법에 있어서도, HIP 장치에 있어서의 사이클 시간이 길어지게 되는 것을 방지하기 위해서, 완전하게 냉각되기 이전에 HIP 장치로부터 작업편을 꺼내서 공기 중에서 수시간 동안 이를 냉각시킬 필요가 있는 경우가 때때로 존재하게 된다. 이는 해결하여야할 문제점으로 남아 있다.

본 발명은 전술된 문제점에 비추어 이루어졌으며 HIP 장치에 있어서 사이클 시간을 단축할 수 있는 열간 등압 성형 방법 및 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

전술된 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 다음의 기술 수단을 채택한다.

본 발명에 따른 열간 등압 성형 방법은 작업편을 고압 용기 내부에 수용하는 단계 및 작업편을 처리하기 위해 고압 용기 내부를 고온, 고압 가스로 충전하는 단 계를 포함하고, 소정 시간 동안 고압 용기의 내부를 고온 및 고압에서 유지하는 단계 이후에 수행되는 냉각 단계는 액화 가스를 고압 용기 내부로 공급하는 단계를 포함한다.

양호하게는, 가스는 불활성 가스이다.

양호하게는, 가스 및 액화 가스는 동일한 물질이다.

양호하게는, 냉각 단계는 액화 가스를 고압 용기 내부로 공급하지 않고 작업편을 냉각하는 제1 단계 및 제1 단계 이후에 액화 가스를 고압 용기 내부로 공급하면서 작업편을 냉각하는 제2 단계를 포함한다.

양호하게는, 냉각 단계에 있어서, 고압 용기 내부에 제공되는 팬은 고압 용기 내부에 존재하는 가스를 교반시키도록 회전한다.

양호하게는, 고압 용기로의 액화 가스의 공급은 초저온 펌프를 사용하여 수행된다.

본 발명에 따른 열간 등압 성형 장치는 작업편을 그 안에 수용하고 고온, 고압 가스를 사용하여 작업편을 처리하는 고압 용기, 가스를 고압 용기 내부로 공급하는 가스 공급 수단 및 액화 가스를 고압 용기 내부로 공급하는 액화 가스 공급 수단을 포함한다.

양호하게는, 가스를 고압 용기 내부로 공급하는 통로 및 액화 가스를 고압 용기 내부로 공급하는 통로는 서로 분리되어 있다.

양호하게는, 팬은 고압 용기 내부에 제공된다.

양호하게는, 고압 용기는 그 외부면이 고압 용기의 내부면으로부터 이격되는 방식으로 고압 용기 내부에 수용되는 절연 챔버 형성 부재 및 그 외부면이 절연 챔버 형성 부재의 내부면으로부터 이격되는 방식으로 절연 챔버 형성 부재 내부에 수용되는 처리 챔버 형성 부재를 포함하고, 절연 챔버 형성 부재가 그 상단부 및 하단부 중 일단부에서 개방되거나, 절연 챔버 형성 부재의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 통로가 일단부에 형성되고, 절연 챔버 형성 부재의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 통로 및 통로를 개방 및 폐쇄하기 위한 밸브가 타단부에 형성되고, 처리 챔버 형성 부재는 그 상단부 및 하단부 중 일단부에서 개방되거나, 처리 챔버 형성 부재의 내부와 외부를 연통하는 통로가 일단부에 형성되고 팬이 환기를 위해 타단부에 제공된다.

그와는 달리, 양호하게는, 고압 용기는 그 외부면이 고압 용기의 내부면으로부터 이격되는 방식으로 고압 용기 내부에 수용되는 절연 챔버 형성 부재 및 그 외부면이 절연 챔버 형성 부재의 내부면으로부터 이격되는 방식으로 절연 챔버 형성 부재 내부에 수용되는 처리 챔버 형성 부재를 포함하고, 절연 챔버 형성 부재는 그 상단부 및 하단부 중 일단부에서 개방되거나, 절연 챔버 형성 부재의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 통로가 일단부에 형성되고, 냉각 팬이 타단부에 제공되고, 냉각 팬은 팬의 회전 방향의 정방향 역방향 전환전환전환동 방향이 가역되도록 구성되며, 처리 챔버 형성 부재는 그 상단부 및 하단부 중 일단부에서 개방되거나, 처리 챔버 형성 부재의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 통로가 일단부에 형성되고, 팬이 환기를 위해 타단부에 제공된다.

양호하게는, 팬 및 냉각 팬은 개별 방향이 독립적으로 제어될 수 있도록 구 성된다.

양호하게는, 액화 가스 공급 수단은 초저온 펌프이다.

본 발명에 따르면, 장치에서의 사이클 시간을 단축할 수 있는 열간 등압 성형 방법 및 장치를 제공하는 것이 가능하다.

도1은 본 발명을 채용하는 열간 등압 성형 장치(1, 이후 "HIP 장치"로 칭할 수도 있음)의 개략도이고, 도2는 고압 용기(2)의 전방 단면도이다.

도1에 있어서, 열간 등압 성형 장치(1)는 고압 용기(2) 및 불활성 매체 공급 시스템(3)을 포함한다.

도2를 참조하면, 고압 용기(2)는 내압 실린더(4), 상부 뚜껑(5), 하부 뚜껑(6) 및 단열 구조물(7)을 포함한다.

내압 실린더(4)의 상단부는 상부 뚜껑(5)으로 폐쇄되고 그 하단부는 하부 뚜껑(6)으로서 폐쇄된다. 내압 실린더(4)는 상부 및 하부 뚜껑과 함께 1000 MPa 이상의 압력에 견딜 수 있는 내압 용기를 구성한다. 냉각수 유동용 자켓(8)은 내압 실린더(4)의 외주연부 상에 제공된다. 고압 용기(2)의 외부와 내부 사이의 연통을 위한 두 개의 별도의 연통 통로(9a, 9b)는 하부 뚜껑(6)의 내부에 형성된다.

단열 구조물(7)은 구조물 본체(10) 및 뚜껑(11)을 포함한다.

도2에 있어서, 구조물 본체(10)는 내압 실린더(4)의 내경보다 작은 외경을 가지는 실린더이고 그 상단부는 뚜껑(11)과 일체이다. 구조물 본체(10)의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 복수의 상부 가스 통로(18)는 구조물 본체(10)와 뚜껑(11) 사이의 정합부에 형성된다. 구조물 본체(10)의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 하부 가스 통로(19)는 구조물 본체(10)와 하부 뚜껑 커버(12) 사이의 정합부에 형성된다. 구조물 본체(10)는 하부 뚜껑 커버(12)를 통해 고압 용기(2) 상에 위치된다.

유동 균일화 실린더(13)는 구조물 본체(10)의 내경보다 작은 외경을 가지고 그 상단부가 그 자신과 뚜껑(11)의 내부면 사이에 갭을 형성하는 방식으로 구조물 본체(10) 내측에 수용된다. 유동 균일화 실린더(13)의 상단부는 개방되고 그 하단부는 폐쇄된다. 일반적인 원형 팬 구멍(20)은 유동 균일화 실린더(13)의 폐쇄된 하단부의 중심에 형성된다. 유동 균일화 실린더(13)에는 그 내부에 각기 수평으로 배치되고 유동 균일화 실린더의 하단부로부터 대략 동등하게 이격되어 배열되는 4개의 선반형 판(14a, 14b, 14c, 14d)이 제공된다. 선반형 판(14a, 14b, 14c, 14d)은 그 위에 열간 등압 성형 처리(이후 "HIP 처리"로 칭할 수도 있음)가 적용되는 작업편(W)을 위치시키기 위한 것이다. 가열기(15)는 유동 균일화 실린더(13)의 하단부와 최하부 선반형 판(14a) 사이에 배치된다. 유동 균일화 실린더(13)는 브라켓(도시 생략) 등을 사용하여 구조물 본체(10)에 고정된다. 이어지는 설명에 있어서, 유동 균일화 실린더(13)의 내측은 "처리 챔버(21)"로 표시된다.

다수의 수직 관통 구멍(22a, 22b, 22c, 22d)은 가스가 유동 균일화 실린더(13) 내부에서 수직으로 자유롭게 이동할 수 있도록 개별적으로 선반형 판(14a, 14b, 14c, 14d) 내에 형성된다.

교반기(16)는 팬(23) 및 모터(24)로 이루어진다. 팬(23)은 처리 챔버(21)의 환기를 위한 것이다. 팬(23)은 기울어진 블레이드를 가지는 종래의 프로펠러식 팬 이고 팬 구멍(20) 내에 배치된다. 팬(23)은 구동 샤프트를 통해 팬을 밑에서 받치는 모터(24)에 연결되어 모터에 의해 구동된다. 모터(24)는 하부 뚜껑(6) 내에 형성되는 모터 구멍(25) 내에 수용되고 모터와 모터 구멍(25)의 바닥부 사이에 배치되는 냉각 제어 밸브 작동 스프링(26)에 의해 상향으로 가압된다.

일반적으로, 열간 등압 성형 장치 내의 고압 용기는 온도가 높은 경우 저온 가스가 하부 뚜껑 근처에 머무르게 되기 쉬운 특징을 가진다. 따라서, 하부 뚜껑(6) 내에 모터(24)를 배치함으로써, 모터(24) 근처의 온도가 모터(24)의 내열 온도 이하의 수준에서 쉽게 유지될 수 있다. 모터(24)의 하향 이동은 예를 들면 가스압, 유압 또는 전기 모터를 사용하는 구동 유닛(도시 생략)을 사용하여 수행된다.

냉각 제어 밸브(17)는 바닥 판(27) 및 밸브 본체(28)에 의해 형성된다. 바닥 판(27)은 중심 원형 구멍(29)을 가지는 디스크이다. 원형 구멍(29)의 에지 근처 부분은 밸브 시트로서 작용한다. 바닥 판(27)은 유동 균일화 실린더(13) 아래에서 실질적으로 수평으로 구조물 본체(10)에 고정된다. 밸브 본체(28)는 관통 구멍(32)이 밸브 본체의 중심에 형성된 상태로, 두꺼운 디스크형 밸브 본체부(30) 및 밸브 본체부(30)의 하부면의 중심으로부터 하향으로 돌출하는 원주형 지지부(31)로 이루어진다.

밸브 본체(28)에 있어서, 구동 샤프트는 관통 구멍(32)을 통해 연장되고 지지부(31)의 돌출 단부는 모터(24)에 고정된다. 즉, 팬(23) 및 모터(24)와 함께, 밸브 본체(28)는 고압 용기(2)를 통해 수직으로 이동할 수 있다. 밸브 본체(28)에 있어서, 밸브 본체(30)의 상부면의 에지 근처 부분은 바닥 판(27) 내 구멍(29)의 에지부 근처 부분으로부터 멀어지거나 인접하도록 이동함으로써, 밸브 본체(28)는 구멍(29)을 개방 또는 폐쇄시킨다. 밀봉 링(33)은 밸브 본체부(30)의 상부 에지의 주연부 상에 배치되어 냉각 제어 밸브(17)가 폐쇄되는 경우 밀폐식 밀봉 조건을 보장한다.

연통 통로(9a) 및 액체 아르곤 입구 포트(35)와 연통하는 아르곤 가스 입구 포트(34)는 바닥 판(27)과 하부 뚜껑 커버(12) 사이에서 개방된다.

본 발명에 있어서의 절연 챔버 형성 부재는 구조물 본체(10) 및 뚜껑(11)으로 구성된다.

본 발명에 있어서의 처리 챔버 형성 부재는 유동 균일화 실린더(13)로 구현된다.

불활성 매체 공급 시스템(3)은 아르곤 가스 공급 유닛(36), 아르곤 가스 공급 라인(37), 액체 아르곤 공급 유닛(38), 액체 아르곤 공급 라인(39) 및 배출 라인(40)으로 이루어진다.

아르곤 가스 공급 유닛(36)은 모두 가스 저장부의 출구에 연결되는 감압 밸브 및 안전 밸브(양 밸브 모두 도시 생략)와 함께, 단지 하나의 출구만 형성된 상태로 합류 파이프에 의해 함께 연결되고 아르곤 가스로 충전되는 복수의(25 또는 30) 가스 실린더를 가지는 가스 저장부(도시 생략)로 이루어진다. 아르곤 가스 공급 유닛(36)으로부터 공급되는 아르곤 가스는 아르곤 가스 공급 라인(37)을 통해 고압 가스 용기(2)로 공급된다.

아르곤 가스 공급 라인(37)은 압축기(41) 및 제1 스톱 밸브(42)를 포함하고 아르곤 가스 공급 유닛(36)으로부터 공급되는 아르곤 가스의 압력을 소정 수위까지 상승시키고, 이어서 이렇게 압축된 아르곤 가스를 고압 용기(2) 내의 연통 통로(9a)로 공급한다.

액체 아르곤 공급 유닛(38)은 안전 밸브를 구비한 진공 단열 구조물인 저장 탱크(도시 생략)로 구성된다. 액체 아르곤 공급 유닛(38)으로부터 공급되는 액체 아르곤은 액체 아르곤 공급 라인(39)을 통해 고압 용기(2)로 공급된다.

액체 아르곤 공급 라인(39)은 초저온 펌프(43) 및 제2 스톱 밸브(44)를 포함하고 액체 아르곤 공급 유닛(38)으로부터 공급된 액체 아르곤을 고압 용기(2) 내의 연통 통로(9b)로 공급한다.

초저온 펌프는 고압에서 극저온의 액화 가스를 배출할 수 있는 공지된 상용으로 입수 가능한 펌프이다.

배출 라인(40)은 고압 용기(2)로부터의 아르곤 가스의 회수 또는 배출을 위한 라인이다. 배출 라인(40)은 그 일단부에서 연통 통로(9a)와 연통하고 제3 스톱 밸브(45)를 통해 연장하며, 이어서 제4 스톱 밸브(46)를 통해 대기와 연통하는 라인 및 아르곤 가스 공급 유닛(36)과 연통하는 라인으로 분기된다.

이후에는, 약 100 MPa의 압력 및 약 1200 ℃의 온도 조건하에서 열간 등압 성형 장치(1)에 의해 그 처리가 이루어지는 니켈계 초합금 재료에 대한 HIP 처리가 설명될 것이다.

도3은 HIP 처리의 플로우 차트이고, 도4는 HIP 처리에 있어서의 온도 및 압 력 변화를 도시하는 도면이고, 도5 내지 도8은 각각 고압 용기(2) 내부에서의 아르곤의 이동을 도시하는 도면이다.

먼저, 단열 구조물(7)의 뚜껑(11) 및 상부 뚜껑(5)은 상향으로 이동되고 작업편(W)은 처리 챔버(21) 내의 선반형 판(14a, 14b, 14c, 14d) 상에 위치된다. 뚜껑(11)은 폐쇄되고 고압 용기(2)의 뚜껑(5)은 상부 뚜껑(5)이 고압에 확실하게 견딜 수 있게 하면서 폐쇄된다(#11).

그 후에, 고압 용기(2) 내부에 존재하는 공기는 아르곤 가스 공급 라인(37)에 연결된 진공 펌프(도시 생략)에 의해 배기된다(#12). 고압 용기(2)로 연통되는 라인 또는 진공 펌프에 부착되는 진공 표시기(도시 생략)가 소정 수위 이하의 압력을 표시하는 경우, 소기 작업은 종결되고 아르곤 가스 공급 유닛(36) 내에서 약 1 MPa까지 감압된 아르곤 가스는 제3 스톱 밸브(45) 및 연통 통로(9a)를 통해 고압 용기(2) 내부로 분사된다. 고압 용기(2)에 부착되는 압력 게이지(도시 생략)가 아르곤 가스 공급 유닛(36) 내의 아르곤 가스 공급 압력과 대략 동일한 압력을 나타내는 경우, 아르곤 가스의 분사는 정지되고 제4 스톱 밸브(46)가 개방되어, 고압 용기(2) 내부에 존재하는 아르곤 가스가 배출 라인(40)을 통해 배출되는 것을 허용한다. 고압 용기(2) 내에 잔류하는 공기를 아르곤 가스로 대체하기 위한 정화 작업은 2 또는 3회에 걸쳐 수행된다(#13).

아르곤 가스 공급 유닛(36)으로부터의 아르곤 가스 공급 압력은 약 10 MPa 정도로 설정되고 아르곤 가스는 제3 스톱 밸브(45)를 통해 고압 용기(2) 내부로 분사된다(차압 분사, #14).

고압 용기(2)의 내압 및 아르곤 가스 공급 압력이 서로 거의 동일하게 되고 고압 용기(2)의 내압 상승이 정지되는 경우, 가열기(15)는 턴온되어 가열을 시작하고, 제1 스톱 밸브(42)가 개방되면서 제3 스톱 밸브(45)는 폐쇄되고, 이어서 압축기(14)가 구동되어 가압된 아르곤 가스는 고압 용기(2)로 공급된다(#15). 또한, 모터(24)는 턴온되어 팬(23)을 회전시킨다.

도5를 참조하면, 아르곤 가스 입구 포트(34)로부터 고압 용기(2) 내부로 공급된 아르곤 가스는 하부 가스 통로(19)를 통과하여 내압 실린더(4)와 단열 구조물(7) 사이에서 상승하고, 이어서 상부 가스 통로(18)를 통과하여 단열 구조물(7) 내부로 들어간다. 단열 구조물(7)의 내부에 있어서, 아르곤 가스는 두 가지 대류, 즉 가열기의 가열에 의해 유도되는 자연 대류 및 팬(23)의 회전에 의해 유도되는 강제 대류 하에서 처리 챔버(21) 내측에서 상승 가스 유동을 형성하고 동일한 챔버 외측에서 하강 가스 유동을 형성함으로써, 처리 챔버(21) 내외측에서 순환한다. 처리 챔버(21) 외측의 하강 가스 유동은 단열 구조물(7)의 하단부 근처에 위치되는 바닥 판(27)에 충돌하여 내향 유동이 되며, 이어서 팬(23)에 의해 흡입되고 작업편(W)이 그 안에 수용된 상태에서 처리 챔버(21) 내부에서 순환함으로써, 등온 조건을 생성시킨다.

팬(23)과 관련하여서는, 작은 치수에도 불구하고 바람 용량이 큰 축형인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

다수의 구멍(22a, 22b, 22c, 22d)이 선반형 판(14a, 14b, 14c, 14d) 내에 개별적으로 형성되기 때문에, 아르곤 가스의 순환은 선반형 판(14a, 14b, 14c, 14d) 에 의해 방해받지 않고 만족스런 방식으로 수행되고 작업편(W)은 효율적으로 가열된다.

압력 게이지(도시 생략)에 의해 측정되는 고압 용기(2)의 내압이 소정 압력(100 MPa)에 도달하는 경우, 제1 스톱 밸브(42)는 폐쇄되어 아르곤 가스 공급 라인(37)으로부터의 아르곤 가스 공급을 정지시킨다. 온도계(도시 생략)에 의해 측정되는 처리 챔버(21)의 온도가 소정 온도(1200 ℃)에 도달하는 경우, 온도 상승 작동은 정지되고 가열기(15)를 턴온 및 턴오프시킴으로써 온도를 유지하도록 전환된다.

아르곤 가스가 그 안에 밀봉된 상태인 고압 용기(2)의 내부에 있어서, 처리 챔버(21)의 내부는 소정 기간 동안 대략 일정한 온도에서 유지된다(#16). 압력 및 온도가 이러한 상태로 유지되는 경우에 있어서도, 단열 구조물(7) 내부에 존재하는 아르곤 가스는 팬(23)에 의해 순환되고 작업편은 고압의 가스 유동에 의해 가열되어 고온에서 유지된다.

이러한 단계(#16)에 있어서, 가스 유동은 자기 스스로 도6에 도시된 바와 같은 루프를 나타내는 상승 유동으로서의 가벼운 유동이 되는 고압 가스 및 가열기(15)에 의해 가열된다. 팬(23)은 이러한 가스 유동을 증진시키기 위한 것이다. 가스 유동은 팬(23)의 회전 방향을 반대로 함으로써 약화될 수 있다. 어쨌든, 등온 조건을 달성하기 위해서, 자연 대류가 강제 대류에 의해 증진되는 것으로서, 즉 소위 자연 현상이 이용되는 것이다. 이러한 점에서 본 가열 방법은 우수한 가열 방법인 것이다.

고압 용기(2)의 내압 및 처리 챔버(21)의 온도가 소정 기간 동안 유지된 이후에, 냉각이 수행된다.

냉각 단계는 온도에 따라 적어도 3 단계로 수행된다. 먼저, 즉 아르곤 가스가 고압 용기(2) 내부에서 밀봉된 상태로 유지되는 단계의 마지막에서, 가열기(15)에 의한 가열은 완전히 정지되고 이러한 상태에서 냉각은 시작된다. 단열 구조물(7)의 내부에 존재하는 아르곤 가스는 팬(23)에 의해 도6에 도시된 바와 같이 단열 구조물(7) 내부를 통해 순환하게 되고 구조물 본체(10) 및 뚜껑(11) 모두를 통과하는 열 전도에 기초한 열 손실에 의해 냉각된다. 작업편(W)은 이렇게 냉각된 아르곤 가스에 의해 냉각된다(#17). 특히, 처리 챔버(21)의 온도가 HIP 처리시 소정 온도(1200 ℃)인 초기 냉각 단계에 있어서, 단열 구조물(7)을 통해 소산되는 열량은 크며, 따라서 처리 챔버(21), 즉 처리 챔버(21) 내의 작업편(W)은 비교적 높은 냉각 속도로 냉각된다. 이 시점에서, 처리 챔버(21) 내의 온도 분포를 감소시키기 위해 팬(23)을 구동하는 것이 바람직하다.

자연 냉각에 있어서, 고압 용기(2)의 내압은 보일-샤를의 법칙에 따라 자연스럽게 떨어진다(도4 참조)

처리 챔버(21)의 온도가 자연 냉각에 기초한 냉각 속도가 감소하게 되는 800 ℃ 근처 온도가 될 때(이 시점 압력은 약 80 MPa), 강제 (대류) 냉각이 시작된다. 또한, 모터(24)가 아래로 이동되어 냉각 제어 밸브(17)를 개방시킨다(#18). 개방된 냉각 제어 밸브(17)의 결과로서, 처리 챔버(21) 내부에 존재하는 아르곤 가스는 도7에 도시된 바와 같이, 처리 챔버(21)를 출발하여, 상부 가스 통로(18), 내압 실 린더(4)와 단열 구조물(7) 사이, 하부 가스 통로(19), 냉각 제어 밸브(17) 및 팬(23)을 통하여 처리 챔버(21)로 복귀하는 순환 유동을 생성한다. 이러한 경로를 통해 순환하는 아르곤 가스의 열은 자켓(8)의 내부를 통해 유동하는 냉각수에 의해 직접 냉각되는 고압 용기(2)의 내부면에 의해 제거되어서, 작업편(W)의 냉각은 이렇게 열이 제거된 아르곤 가스에 의해 증진된다.

밸브 본체(28)는 팬(23) 및 모터(24)와 함께 고압 용기(2)의 내부를 통해 수직으로 이동하도록 구성됨으로써, 바닥 판(27) 내에 형성되는 구멍(29)을 개방 및 폐쇄시켜서 팬(23) 및 개방/폐쇄부가 고압 용기(2)의 중심에 배치되는 것을 허용한다. 결과적으로, 처리 챔버(21) 내부에 존재하는 아르곤 가스가 편향 유동 또는 정체부를 야기시키지 않고 유동하고 온도 분포의 발생을 방지하게 하는 것이 가능하다.

처리 챔버(21)의 내부 온도가 500 내지 800 ℃ 범위 내인 경우, 그리고 이러한 온도의 아르곤 가스가 상부 가스 통로(18)로부터 내압 실린더(4)와 단열 구조물(7) 사이로 대량으로 유동하여 나오는 경우, 내압 실린더(4)가 상부 가스 통로(18) 근처에 위치되는 부분에서 국부적으로 과열될 수도 있다는 불안 요소가 있다. 이러한 불편함을 방지하기 위해, 상부 가스 통로(18)로부터 내압 실린더(4)와 단열 구조물(7) 사이로 유동하여 나오는 아르곤 가스의 양은 냉각 제어 밸브(17)의 개방 각도 또는 개방/폐쇄 운동을 제어함으로써 조정된다. 팬(23)의 회전 속도의 제어는 또한 아르곤 가스 양의 조정과 동시에 이루어질 수도 있다. 내압 실린더의 국부적인 과열을 억제하기 위해, 상부 가스 통로(18)의 개방부를 덮도록 뚜껑(11) 에 스커트 부재를 부착하는 것도 제안된다.

처리 챔버(21)의 내부 온도가 500 ℃ 이하가 되는 경우, 냉각 속도는 감소하고, 따라서 냉각을 증진시키기 위해 팬(23)의 회전 속도가 증가될 뿐만 아니라 냉각 제어 밸브(17)도 완전 개방된다.

냉각의 다음 단계는 처리 챔버(21)의 내부 온도가 300 ℃ 정도로 감소된 이후(이때 압력은 약 40 MPa)에 수행된다.

처리 챔버(21)의 내부 온도가 300 ℃ 정도가 되는 경우, 냉각수에 의한 냉각에 의해 그 온도가 100 ℃ 정도로 하강된 내압 실린더(4)의 내부면에 의한 열의 제거만으로, 냉각 속도는 극심한 정도까지 감소된다. 이를 방지하기 위해서, 제2 스톱 밸브(44)가 도8에 도시된 바와 같이 초저온 펌프(43)를 작동시키도록 개방되어, 액체 아르곤은 액체 아르곤 공급 유닛(38)으로부터 액체 아르곤 공급 라인(39) 및 연통 통로(9b)를 통해 공급되고 작업편(W)의 냉각을 증진시키도록 액체 아르곤 입구 포트(35)로부터 내압 실린더(4) 내부로 분사된다(#19).

액체 아르곤의 끓는 점은 185 내지 186 ℃로서, 이는 극저온이고, 따라서 액체 상태로 분사되는 경우, 액체 아르곤은 고압 용기(2)의 내부에서 기화한다. 이 시점에서, 최종 아르곤 가스는 주위로부터 증발 잠열을 빼앗아 온도를 하강시킨다. 이렇게 온도가 감소된 아르곤 가스는 팬(23)에 의해 처리 챔버(21) 내부로 공급되어 작업편(W)을 효율적으로 냉각시킨다.

내압은 고압 용기(2) 내부에서의 액체 아르곤의 증발 시에 상승하지만, 압력이 과도하게 상승하는 경우, 고압 용기(2) 내부에 존재하는 아르곤 가스는 아르곤 가스 입구 포트(34), 연통 통로(9a) 및 배출 라인(40)을 통해 외부로 배출된다.

압력의 과도한 상승시 수행되는 아르곤 가스의 외부로의 배출에 있어서, 고압 용기(2) 내에 존재하는 열의 흡수에 의해 완전하게 증발되고 온도가 상승된 상태는 효율적으로 냉각을 증진시키므로, 액체 아르곤 입구 포트(35)가 아르곤 입구 포트(34)로부터 이격된 위치에 형성되는 것이 바람직하다.

액체 아르곤이 공급 시작 직후 수분 동안 액체 아르곤 공급 라인(39) 및 연통 통로(9b) 내에서 증발하거나 특정한 외부 온도에서의 공급 중에 부분적으로 증발할 가능성이 있다. 그러나, 증발에 기인한 아르곤 가스의 온도는 극저온이기 때문에, 처리 챔버(21) 내부에서의 냉각에는 영향을 거의 미치지 않는다.

이렇게 액체 아르곤을 증발시키고 증발열로서 처리 챔버(21)의 내부를 냉각시킴으로써, 300 ℃ 정도로부터 100 ℃ 정도까지 냉각시키는데 필요한 시간을 크게 단축시키는 것이 가능하다.

액체 아르곤의 분사는 처리 챔버(21)의 내부 온도가 100 내지 150 ℃의 온도까지 하강하는 경우 종료되고 냉각의 최종 단계가 수행된다.

냉각에 최종 단계에 있어서, 제3 스톱 밸브(45) 및 제4 스톱 밸브(46)는 제1 스톱 밸브(42) 및 제2 스톱 밸브(44)가 폐쇄된 상태에서 개방되어, 고압 용기(2) 내부에 존재하는 35 내지 45 MPa의 아르곤 가스가 시스템 외부로 나가는 것을 허용한다(#20). 이 시점에서, 배출 라인(40)으로부터 분기되어 액체 아르곤 공급 유닛(38)에 도달하는 라인은 밸브(도시 생략)가 폐쇄된 상태에서 차단된다.

고압 아르곤 가스의 배출 결과로서, 고압 용기(2) 내부에 존재하는 아르곤 가스는 단열 상태에서 급속하게 팽창하여 그 온도는 열역학 제1 법칙(단열 팽창)에 기초하여 급속하게 하강한다. 이러한 단열 팽창에 기초한 냉각 효과에 의해, 작업편(W)의 온도는 고압 용기(2)의 내압이 대기압 근처까지 하강하는 경우 실내 온도[작업편(W)을 꺼내는 것(#21)을 허용하는 온도] 근처까지 감소될 수 있다. 따라서, 고압 아르곤 가스의 배출은 효율적으로 작업편(W)을 냉각시킨다.

따라서, 고압 용기(2) 내부에 존재하는 고압 아르곤 가스의 배출에 의해, 작업편(W)을 100 내지 150 ℃로부터 작업편을 꺼내는 것을 허용하는 온도 아래로 냉각시키는데 필요한 시간을 크게 단축하는 것이 가능하다.

냉각 제2 단계에서 액체 아르곤의 분사(#19)가 수행되지 않는 경우, 앞선 방법에서의 시간에 수십 배로 긴 시간이 처리 챔버(21)를 100 ℃ 이하의 온도로 냉각시키는데 필요하다.

도9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열간 등압 성형 장치에 사용되는 고압 용기(2B)의 전방 단면도이다. 고압 용기(2B)에 연결되는 불활성 매체 공급 시스템은 열간 등압 성형 장치(1)에서 사용되는 불활성 매체 공급 시스템(3)의 것과 동일한 구성을 가진다. 고압 용기(2B, 도9 참조)에 있어서, 고압 용기(2, 도2 참조)에서와 동일한 도면 부호로 표시된 부분은 고압 용기(2)에서와 동일한 구성이다. 도9를 참조하여, 주로 고압 용기(2)와의 고압 용기(2B)의 구성에 있어서의 차이점에 대해서 이후 설명할 것이다.

고압 용기(2B)는 내압 실린더(4), 상부 뚜껑(5), 하부 뚜껑(6B) 및 단열 구조물(7B)을 포함한다.

내압 실린더(4)는 그 상단부에서 상부 뚜껑(5)으로 폐쇄되고 그 하단부에서 하부 뚜껑(6B)으로 폐쇄되며, 상부 및 하부 뚜껑과 함께 내압 용기를 구성한다.

고압 용기(2B)의 외부와 내부 사이의 연통을 위한 두 개의 별도의 연통 통로(9Ba, 9Bb)는 하부 뚜껑(6B)의 내부에 형성된다.

단열 구조물(7B)은 하부 뚜껑 커버(12B), 절연 실린더(47B), 구조물 본체(10B), 유동 균일화 실린더(13B), 선반형 판(14a, 14b, 14c, 14d), 가열기(15), 교반기(16) 및 냉각기(48B) 등을 포함한다.

하부 뚜껑 커버(12B)는 평면도에서 그 내부측 상에서 상향으로 원형으로 돌출되는 판 부재에 의해 형성되고, 그 주연부는 하부 뚜껑(6B)에 고정된다.

절연 실린더(47B)는 내압 실린더(4)의 내경보다 작은 직경을 가지는 원통형부(49B) 및 원통형부(49B)의 내부를 수직으로 분할하도록 원통형부(49B)의 하부에 대해 실질적으로 수평으로 고정되는 바닥 판(27B)으로 이루어진다. 원형 구멍(29B)은 바닥 판(27B)의 중심에 형성된다. 절연 실린더(47B)는 그 하단부에서 하부 뚜껑 커버(12B)에 고정되고 원통형부(49B)의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 복수의 하부 가스 통로(19B)는 절연 실린더(47B)의 하단부에 형성된다.

본 발명에 있어서의 절연 챔버 형성 부재는 절연 실린더(47B)에 의해 구현된다.

구조물 본체(10B)는 상부 바닥부를 가지는 실린더 형상이고 그 하부 개방 단부는 제거 가능하게 바닥 판(27B)과 일체로 이루어진다. 구조물 본체(10B)의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 복수의 제1 가스 통로(59B)는 구조물 본체(10B)의 하 단부에 형성된다.

유동 균일화 실린더(13B)는 구조물 본체(10B)의 내경보다 작은 외경을 가지고 갭이 구조물 본체(10B)의 상부 바닥부의 내부면과 그 상단부 사이에 형성되는 방식으로 구조물 본체(10B) 내측에 수용된다. 유동 균일화 실린더(13B)는 그 상단부에서 개방되고 그 내부를 수직으로 분할하도록 그 하부에 격벽 판(50B)이 제공된다. 전체적으로 원형인 팬 구멍(20B)은 격벽 판(50B)의 중심에 형성된다. 유동 균일화 실린더(13B)의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 복수의 제2 가스 통로(60B)는 격벽 판(50B)에 근접한 아래 위치에서 유동 균일화 실린더(13B) 내에 형성된다.

유동 균일화 실린더(13B)에는 그 내부에 유동 균일화 실린더의 하단부로부터 대략 동등한 간격으로 배열되고 각기 수평으로 배치되는 4 개의 선반형 판(14a, 14b, 14c, 14d)이 제공된다. 가열기(15)는 유동 균일화 실린더의 하단부와 최하부 선반형 판(14a) 사이에 배치된다. 유동 균일화 실린더(13B)는 그 하단부에서 바닥 판(27B)에 고정되고 구조물 본체(10B) 및 절연 실린더(47B)와 일체로 이루어진다. 이어지는 설명에 있어서, 유동 균일화 실린더(13B)의 내측은 "처리 챔버(21B)"를 의미할 것이다.

고압 용기(2)와 유사하게, 선반형 판(14a, 14b, 14c, 14d)은 각기 다수의 수직 관통 구멍(22a, 22b, 22c, 22d)을 구비하여 형성된다.

본 발명에 있어서의 처리 챔버 형성 부재는 유동 균일화 실린더(13B)에 의해 구현된다.

교반기(16)는 팬(23) 및 모터(24)로 이루어진다. 팬(23)은 기울어진 블레이 드를 가지는 종래의 프로펠러식 팬이고 팬 구멍(20B) 내에 배치된다. 팬(23)은 구동 샤프트(51B)를 통해 모터(24)에 의해 연결되고 구동되며, 모터(24)는 팬(23)을 밑에서 받치고 하부 뚜껑(6B)에 고정된다.

냉각기(48B)는 냉각 팬(52B) 및 모터(53B)로 이루어진다. 냉각 팬(52B)은 그 블레이드 면이 구동 샤프트에 평행한 레이디얼형 팬이다. 도15a 및 도15b에 도시된 바와 같이, 블레이드(54B)는 중심 보스(55B)로부터 외향으로 만곡되어 연장한다. 회전 가능하게 하부 뚜껑 커버(12B)를 통해 연장하는 구동 샤프트(56B)는 보스(55B)의 하부면과 일체로 이루어지고 구동 샤프트(51B)는 구동 샤프트(56B) 및 보스(55B)의 중심에 형성되는 관통 구멍을 통해 연장한다. 종동 기어(57B)는 구동 샤프트(56B)에 고정된다.

모터(53B)는 모터(24)의 측면으로 배치되고 하부 뚜껑(6B)에 고정된다. 구동 기어(58B)는 모터(53B)의 샤프트 상에 장착되고 구동 기어(57B)와 정합한다.

모터(24, 53B)는 HIP 처리시 고압 용기(2B) 내부에 존재하는 고온 고압 가스에 의해 야기되는 손상을 방지하기 위해 하부 뚜껑 커버(12B) 내부에 수용된다.

이렇게 교반기(16) 및 냉각기(48B)를 구성함으로써, 팬(23) 및 냉각 팬(52B)은 고압 용기(2B)의 축 상에 배치되고 각기 독립적으로 회전 및 정지될 수 있다. 또한, 이후 설명될 온도 및 압력 증가 단계(#15) 및 HIP 처리 시 고온 및 고압 유지 단계(#16)에 있어서, 모터(24)는 상대적으로 낮은 온도의 가스가 머물기 쉬운 하부 뚜껑(6B)에 배치될 수 있고, 따라서 모터(24, 53B)의 손상을 방지하는 것이 가능하다.

냉각 팬(52B)과 모터(53B) 사이의 동력 전달 기구는 앞선 기어 정합 기구에 제한되지 않는다. 또한, 한 쌍의 풀리(61C, 62C) 및 벨트(63C)를 사용하는 도10에 도시된 바와 같은 구동 기구 또는 풀리 및 벨트가 각기 스프라켓 및 체인으로 대체되는 구동 기구가 사용될 수도 있다. 기어 정합 기구에 있어서, 기어(57B, 58B)의 직경비는 증속비 또는 감속비에 따르며, 따라서 두 개의 모터(24, 53B) 사이의 설치 거리는 제한된다. 반면에, 풀리(61C, 62C)와 벨트(63C)를 사용하는 구동 기구 및 스프라켓과 체인을 사용하는 구동 기구에 있어서, 모터(24, 53B) 사이의 설치 거리는 비교적 자유롭게 결정될 수 있다. 그 모든 구성 요소가 금속으로 형성되고 고온 환경에서 손상이 거의 없기 때문에, 스프라켓 및 체인을 사용하는 구동 기구가 추천된다.

약 1200 ℃의 온도 및 약 100 MPa의 압력 조건 하에서 고압 용기(2B)를 가지는 열간 등압 성형 장치에 의해 그 처리가 수행되는 니켈계 초합급 재료의 HIP 처리가 이후 설명된다.

도11 내지 도14는 고압 용기(2B) 내부의 아르곤의 이동을 도시하고 도15a 및 도15b는 냉각 팬(52B) 내의 기류 상태를 도시한다.

HIP 처리의 단계 및 처리 조건은 열간 등압 성형 장치(1)를 사용하는 HIP 처리에서의 것과 동일하므로 도3 및 도4가 이하에서 다시 참조된다.

먼저, 상부 뚜껑(5) 및 내압 실린더(4)는 함께 상향으로 이동되고, 이어서 구조물 본체(10B)가 상향으로 이동되어, 작업편(W)은 처리 챔버(21B) 내에서 선반형 판(14a, 14b, 14c, 14d) 상에 놓여진다. 구조물 본체(10B)는 바닥 판(27B) 상 으로 내려오게 되고 상부 뚜껑(5) 및 내압 실린더(4)는 고압에 견딜 수 있도록 내려와 하부 뚜껑(6B)에 고정되어서, 고압 용기(2B)와 같은 밀폐식 밀봉 용기를 제공한다(#11).

고압 용기(2B)는 상부 뚜껑(5) 및 내압 실린더(4)가 작업편(W)을 넣고 꺼내기 위해 하부 뚜껑(6B)으로부터 분리되는 전술한 실시예에서의 고압 용기(2)와는 다르다.

이어지는 고압 용기(2B) 내부의 소기(#12), 고압 용기(2B) 내부의 아르곤 가스로의 정화(#13) 및 아르곤 가스의 차압 분사(#14)는 열간 등압 성형 장치(1) 내에서 수행된 것과 동일하다.

차압 분사(#14)가 완료된 이후에, 가열기(15)는 가열을 시작하도록 턴온되고 압축기(14)에 의해 압력이 증가된 아르곤 가스는 아르곤 가스 입구 포트(34)로부터 고압 용기(2) 내부로 공급된다(#15). 또한, 모터(24, 53B)는 팬(23) 및 냉각 팬(52B)을 회전시키도록 턴온된다.

도11을 참조하면, 고압 용기(2) 내부로 공급된 아르곤 가스는 하부 가스 통로(19B)를 통과하고, 내압 실린더(4)와 절연 실린더(47B) 사이에서 상승하고, 이어서 절연 실린더(47B)와 구조물 본체(10B) 사이에서 방향을 바꾸어 하강한다. 하강 후 아르곤 가스는 제1 가스 통로(59B)에 이어서 제2 가스 통로(60B)를 통과하고, 그 후, 팬(23)에 의해 흡입되어 처리 챔버(21B)로 들어간다. 처리 챔버(21B)에 있어서, 아르곤 가스는 가열기(15)에 의해 가열되고 아르곤 가스 자체의 부력에 의해 유도되는 자연 대류 및 팬(23)에 의해 유도되는 강제 대류 하에서 상향 유동을 형 성하여서, 작업편(W)을 가열시킨다. 상승하는 아르곤 가스는 구조물 본체(10B)의 상부 바닥에 충돌하여 유동 균일화 실린더(13B)와 구조물 본체(10B) 사이에서 하강한다. 하강하는 아르곤 가스는 구조물 본체(10B)의 하단부 근처에 위치되는 바닥 판(27)에 충돌하여 내향 유동을 형성하고, 이어서 팬(23)에 의해 흡입되어 처리 챔버(21B)로 들어간다. 온도/압력 상승 단계(#15)에 있어서, 고압 용기(2B) 내부로 분사된 아르곤 가스는 유동 균일화 실린더(13B)뿐만 아니라 처리 챔버(21B)와 구조물 본체(10B) 사이에서 순환하여서 등온 조건을 생성시킨다.

온도/압력 상승 단계(#15)에 있어서, 처리 챔버(21B) 내부에 존재하는 고온의 아르곤 가스와 절연 실린더(47B) 외측에 존재하는 저온의 아르곤 가스 사이의 밀도 차이에 의해 유도되는 자연 대류에 기인한 열의 손실을 억제하기 위해, 냉각 팬(52B)은 자연 대류와 경쟁하여 반대로 회전한다(도15a 참조). 따라서, 냉각 팬(52B)으로서, 자연 대류의 구동력으로서 작용하는 가스 밀도에 기초한 수두차보다 큰 수두차를 발생시킬 수 있는 레이디얼형 팬을 사용하는 것이 추천된다.

고압 용기(2B)는 구조적으로 수직으로 설치되는 실린더형 노이며 아르곤 가스의 유동은 처리 챔버(21B) 내부를 등온 조건에서 유지하고 고온에 의해 야기되는 고압 용기(2B) 재료 강도의 국부적인 훼손을 회피하기 위해 선대칭인 것이 바람직하다. 더 구체적으로는, 팬(23) 및 냉각 팬(52B)의 구동 샤프트(51B, 56B)가 고압 용기(2B)의 축 상에 배치되는 것이 이상적이다.

처리 챔버(21B)의 온도가 소정 온도(1200 ℃)에 도달하는 경우, 온도 상승 작동은 정지되고 가열기(15)의 온/오프에 의한 온도 유지로 전환된다(#16).

또한, 이 단계(#16)에 있어서, 팬(23)의 회전 및 냉각 팬(52B)의 회전은 계속된다. 구조물 본체(10B) 및 처리 챔버(21B) 내부에서, 아르곤 가스는 온도 분포의 발생을 방지하도록 도12에 도시된 바와 같은 순환 유동을 형성한다. 냉각 팬(52B)은 절연 실린더(47B)와 내압 실린더(4) 사이에서 냉각되는 아르곤 가스가 바닥 판(27B)과 하부 뚜껑 커버(12B) 사이를 통과하여 구멍(29B)으로부터 구조물 본체(10B) 내부에 도달하는 것을 방지하는데 적절한 회전 속도로 반대 방향으로 회전된다.

고압 용기(2B)의 내압 및 처리 챔버(21B)의 온도가 소정 시간 동안 유지된 이후에 냉각은 3 단계로 수행된다.

초기 냉각은 고온, 고압 유지 단계(#16) 이후 가열기에 의한 가열의 완전한 정지시에 시작된다. 고압 용기(2B) 내부에 존재하는 아르곤 가스는 아르곤 가스보다 온도가 낮은 내압 실린더(4) 및 상부 뚜껑(5)에 의한 자연 대류로서 냉각된다(#17).

처리 챔버(21B)의 온도가 자연 냉각에 의한 냉각 속도가 감소되는 800 ℃(약 80 MPa)에 근접한 온도가 되는 경우, 강제 (대류) 냉각이 시작된다. 더 구체적으로는, 냉각 팬(52B)은 절연 실린더(47B)와 내압 실린더(4) 사이에서 수냉되는 아르곤 가스 내에서 흡입하도록 정방향으로 회전되고(도15b 참조) 이렇게 온도가 떨어진 아르곤 가스는 도13에 도시된 바와 같이 작업편(W)을 냉각시키도록 순환 유동을 형성한다.

냉각 팬(52B)의 정방향 회전에 의해, 절연 실린더(47B)와 내압 실린더(4) 사 이에서 유동하는 아르곤 가스의 양은 자연 대류 시 양과 비교하여 큰 범위로 증가하여서, 내압 실린더의 내부면에 의한 냉각은 증진되고 작업편(W)의 냉각 속도를 증가시키는 것이 가능하게 된다. 냉각 속도는 냉각 팬(52B)의 회전 속도를 제어함으로써 제어된다. 실제, 냉각 속도는 프로그램되고 냉각 팬(52B)의 회전 속도는 프로그램에 따라 제어된다. 균열과 관련하여, 목표는 ±5 ℃이지만, 그 온도가 처리시 이러한 제어 범위를 벗어나는 경우, 팬(23)의 회전 속도는 아르곤 가스의 양을 증가시키도록 증가된다.

처리 챔버(21) 내 온도가 300 ℃ 정도가 되는 경우, 온도가 100 ℃가 된 내압 실린더(4)의 내부면에 의한 열의 제거 또는 수냉에 의한 열의 제거 만으로는 냉각 속도는 심한 정도까지 감소하게 된다. 따라서, 도14에 도시된 바와 같이, 액체 아르곤은 작업편(W)의 냉각을 증진시키도록 액체 아르곤 입구 포트(35)로부터 고압 용기(2B) 내부로 분사된다(#19).

분사된 액체 아르곤은 고압 용기(2B) 내부에서 기화한다. 이 시점에서, 최종 아르곤 가스는 주위로부터 잠열을 빼앗아 온도를 하강시킨다. 이렇게 온도가 감소된 아르곤 가스는 냉각 팬(52B) 및 팬(23)에 의해 처리 챔버(21B) 내부로 공급되어 작업편(W)을 효율적으로 냉각시킨다. 액체 아르곤 입구 포트(35)는 팬(23) 및 냉각 팬(52B)의 흡입 측에서 개방되고 온도가 낮은 아르곤 가스가 처리 챔버(21B) 내부로 직접 공급된다.

이렇게 액체 아르곤을 증발시키고 증발열을 사용하여 처리 챔버(21B) 내부를 냉각시킴으로써, 약 300 ℃로부터 약 100 ℃까지 냉각시키는데 필요한 시간을 크게 단축시키는 것이 가능하다.

냉각의 최종 단계는 고압 용기(2B) 내부에 존재하는 고압의 아르곤 가스를 외부로 배출시킴(#20)으로써 수행된다. 고압 아르곤 가스의 배출의 결과로서, 고압 용기(2B) 내부에 존재하는 아르곤 가스는 단열 상태에서 급속하게 팽창하여 온도가 하강한다. 이러한 단열 팽창에 기초한 냉각 효과에 의해, 압력이 대기압 근처까지 하강하는 경우, 작업편(W)의 온도는 작업편(W)을 꺼내는 것(#21)을 허용하는 온도까지 내려갈 수 있다. 고압 아르곤 가스의 배출은 작업편(W)의 냉각에 효과적이다.

따라서, 고압 용기(2B) 내부에 존재하는 고압 아르곤 가스를 배출시킴으로써, 작업편(W)을 냉각시키는데 필요한 시간을 크게 단축시키는 것이 가능하다.

고압 용기(2)는 도16a 및 도16b 또는 도17a 및 도17b에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.

도16a에 도시된 고압 용기(2D)에 있어서, 유동 균일화 실린더(13D)의 하단부는 개방되고 처리 챔버(21D)를 환기하기 위한 팬(23)은 유동 균일화 실린더(13D)의 상단부에 제공된다. 유동 균일화 실린더(13D)는 갭이 유동 균일화 실린더(13D)의 외부면과 구조물 본체(10D)의 내부면 사이에 형성된 상태로 구조물 본체(10D) 내부에 수용된다. 뚜껑이 구조물 본체(10D)의 상단부에 제공되지는 않았지만, 고압 용기(2)의 상부 뚜껑(11)에 대응하는 상부 뚜껑이 제공될 수도 있고 복수의 상부 가스 통로가 구조물 본체(10D)의 외부와 내부 사이의 연통을 위해 그 안에 형성될 수도 있다.

도16b에 도시된 고압 용기(2E)에 있어서, 고압 용기(2D)와 유사하게, 유동 균일화 실린더(13E)의 하단부는 개방되고 처리 챔버(21E)를 환기하기 위한 팬(23)은 유동 균일화 실린더(13E)의 상단부에 제공된다. 고압 용기(2) 내에서의 냉각 제어 밸브(17)와 동일한 구성인 냉각 제어 밸브는 구조물 본체(10E)의 상단부에 제공된다. 냉각 제어 밸브에 있어서, 두꺼운 디스크형 밸브 본체부(30E)는 구동 샤프트(51E)에 고정되고 팬(23)과 함께 회전한다. 밸브 본체부(30E)가 폐쇄 동작을 수행하는 경우에, 상부 판(27E) 내에 형성되는 구멍(29E)의 에지 근처에 맞닿게 되지는 않고, 상부 판(27E)에 대해 약간의 갭을 남겨둔다. 그러나, 밸브의 폐쇄 동작에 있어서, HIP 처리에 있어서 실질적인 폐쇄 상태를 획득하는 것은 가능하다.

도16a 및 도16b에 있어서, 고압 용기(도2)에서와 동일한 도면 부호로서 표시되는 부분은 고압 용기(2)에서와 동일한 구성이다. 고압 용기(2D, 2E) 내 냉각 제어 밸브 및 팬(23)의 작동은 모두 고압 용기(2)에서 사용되는 냉각 제어 밸브(17) 및 팬(23)의 HIP 처리시 작동과 동일하다.

도17a에 도시된 고압 용기(2F)에 있어서, 유동 균일화 실린더(13F)에는 그 하부에 유동 균일화 실린더(13F)의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 통로(64F)가 제공되고 그 상단부에는 처리 챔버(21F)의 환기를 위한 팬(23)이 제공된다. 유동 균일화 실린더(13F)는 갭이 유동 균일화 실린더의 외부면과 절연 실린더(47B)의 원통형부(49B)의 내부면 사이에 형성되는 상태로 절연 실린더(47B) 내부에 수용된다. 냉각 팬(52B)은 바닥 판(27)의 구멍에 걸쳐 제공된다.

도17b에 도시된 고압 용기(2G)에 있어서, 유동 균일화 실린더(13G)에는 그 하부에 유동 균일화 실린더(13G)의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 통로(64G)가 제공되고, 그 상단부에 처리 챔버(21G)를 환기하기 위한 팬(23)이 제공된다. 유동 균일화 실린더(13G)는 갭이 유동 균일화 실린더의 외부면과 절연 실린더(47G)의 원통형부(49G)의 내부면 사이에 형성되는 상태로 절연 실린더(47G) 내부에 수용된다. 상부 판(27G)은 절연 실린더(47G)의 상단부를 폐쇄시키고 원형 구멍(29G)은 냉각 팬(52B)이 구멍(29G)에 걸쳐 제공된 상태에서 상부 판(27G)의 중심에 형성된다.

도17a 및 도17b에 있어서, 고압 용기(2B, 도9 참조)에서와 동일한 도면 부호에 의해 표시되는 부분은 고압 용기(2)에서와 동일한 구성이다. 또한, HIP 처리 중 고압 용기(2F, 2G) 내에서의 팬(23) 및 냉각 팬(52B)의 작동은 HIP 처리 동안 고압 용기(2B)에서의 팬(23) 및 냉각 팬(52B)의 것과 동일하다.

고압 용기(2, 2B)를 구비한 열간 등압 성형 장치(1)를 사용하는 HIP 처리에 있어서, (1) 사이클 시간이 긴, 특히 300 ℃ 이하의 온도 범위에서 냉각 시간이 긴 문제점 및 (2) 냉각 과정 시 처리 챔버 내부의 상부 및 하부에서 온도 분포(온도 차이)가 발생하는 문제점이 해결되어, 짧은 냉각 시간 후에 HIP 장치로부터 작업편(W)을 꺼내는 것이 가능하게 되고 따라서 HIP 장치에서 사이클 시간을 단축시키는 것이 가능하다.

크기의 증가에 의한 더 긴 처리 시간에 기인한 비용 증가가 문제를 일으키지만, 근래의 생산용 HIP 장치는 대형화에 의한 처리 비용의 관점에서 처리 챔버의 직경으로 1 m 이상 그 치수가 커지고 있다. 이러한 대형화된 HIP 장치에 있어서, HIP 처리가 완료되는 경우에도, 작업편은 온도가 약 50 ℃ 이하로 떨어지지 않는 한 다음 단계로 전달될 수 없다. 따라서, 크기 증가에 기인한 비용 절감(규모 이익)의 효과가 실질적으로는 나타나지 않는 문제점이 존재한다.

또한, 작업편의 크기가 최근 들어 점점 더 커지고 있으며 처리 챔버의 직경이 2 m 정도인 초대형 HIP 장치가 가까운 미래에 실용화될 것으로 추측된다. 그러나, 이러한 HIP 장치의 실질적인 적용을 위해서는 앞선 문제점을 해결하는 것이 절대적으로 필요하다. 고압 용기(2, 2B)를 구비한 열간 등압 성형 장치(1)는 이러한 문제점을 해결하며 이러한 초대형 HIP 장치의 확산 및 산업 발전에 크게 기여할 것이다.

앞선 실시예에 있어서, 초저온 펌프(43)는 액체 가스의 압력을 증가시키는 다른 수단으로 대체될 수도 있다. 가압될 가스 또는 액화 가스로서 질소 가스(액화 질소) 또는 헬륨 가스(액화 헬륨)가 사용될 수도 있다.

구성 부품과 재료의 형상, 치수 및 개수뿐만 아니라, 열간 등압 성형 장치, 그 구성 부품의 구성, 장치의 전체 구성은 필요한 경우 변화될 수도 있다.

본 발명이 적용 가능한 고온, 고압 처리는 300 내지 2000 ℃, 양호하게는 1000 내지 1500 ℃의 온도 및 10 내지 300 MPa, 양호하게는 30 내지 150 MPa의 압력에서 수행된다.

본 발명에 의하면, 장치에서의 사이클 시간을 단축할 수 있는 열간 등압 성형 방법 및 장치를 제공하는 것이 가능하다.

Claims (13)

1. 열간 등압 성형 방법이며,

   작업편을 고압 용기 내부에 수용하는 단계와,

   상기 고압 용기 내부를 가스로 충전하고, 상기 작업편을 처리하기 위해 소정 시간 동안 상기 고압 용기의 내부를 고온 및 고압에서 유지하는 단계와,

   고온, 고압 처리 이후에 상기 작업편을 냉각시키는 단계를 포함하고,

   상기 냉각 단계는 액화 가스를 상기 고압 용기 내부로 공급하는 단계를 포함하는 열간 등압 성형 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가스는 불활성 가스인 열간 등압 성형 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 가스 및 상기 액화 가스는 동일한 물질인 열간 등압 성형 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 냉각 단계는 상기 액화 가스를 상기 고압 용기 내부에 공급하지 않고 작업편을 냉각하는 제1 단계 및 상기 제1 단계 이후에 상기 액화 가스를 상기 고압 용기 내부로 공급하면서 작업편을 냉각하는 제2 단계를 포함하는 열간 등압 성형 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 냉각 단계에 있어서, 상기 고압 용기 내부에 제공되는 팬은 상기 고압 용기 내부에 존재하는 가스를 교반시키도록 회전하는 열간 등압 성형 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 고압 용기 내부로의 상기 액화 가스의 공급은 초저온 펌프를 사용하여 수행되는 열간 등압 성형 방법.
7. 열간 등압 성형 장치이며,

   작업편이 수용되고 고온, 고압 가스를 사용하여 상기 작업편을 처리하는 고압 용기와,

   상기 가스를 상기 고압 용기 내부로 공급하는 가스 공급 수단과,

   액화 가스를 상기 고압 용기 내부로 공급하는 액화 가스 공급 수단을 포함하는 열간 등압 성형 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 가스를 상기 고압 용기 내부로 공급하는 통로 및 상기 액화 가스를 상기 고압 용기 내부로 공급하는 통로는 서로 분리되어 있는 열간 등압 성형 장치.
9. 제7항에 있어서, 팬이 상기 고압 용기 내부에 제공되는 열간 등압 성형 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 고압 용기는

    외부면이 상기 고압 용기의 내부면으로부터 이격되는 방식으로 상기 고압 용기 내부에 수용되는 절연 챔버 형성 부재와,

    외부면이 상기 절연 챔버 형성 부재의 내부면으로부터 이격되는 방식으로 상기 절연 챔버 형성 부재 내부에 수용되는 처리 챔버 형성 부재를 포함하고,

    상기 절연 챔버 형성 부재가 그의 상단부 및 하단부 중 일단부에서 개방되거나, 상기 절연 챔버 형성 부재의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 통로가 일단부에 형성되고, 상기 절연 챔버 형성 부재의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 통로 및 상기 통로를 개방 및 폐쇄하기 위한 밸브가 타단부에 형성되고,

    상기 처리 챔버 형성 부재는 그 상단부 및 하단부 중 일단부에서 개방되거나, 상기 처리 챔버 형성 부재의 내부와 외부를 연통하는 통로가 일단부에 형성되고, 상기 팬이 환기를 위해 타단부에 제공되는 열간 등압 성형 장치.
11. 제9항에 있어서, 상기 고압 용기는

    외부면이 상기 고압 용기의 내부면으로부터 이격되는 방식으로 상기 고압 용기 내부에 수용되는 절연 챔버 형성 부재와,

    외부면이 상기 절연 챔버 형성 부재의 내부면으로부터 이격되는 방식으로 상기 절연 챔버 형성 부재 내부에 수용되는 처리 챔버 형성 부재를 포함하고,

    상기 절연 챔버 형성 부재는 그의 상단부 및 하단부 중 일단부에서 개방되거 나, 상기 절연 챔버 형성 부재의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 통로가 일단부에 형성되고, 냉각 팬이 타단부에 제공되고, 상기 냉각 팬은 팬의 회전 방향의 정방향-역방향 전환에 의해 유동 방향이 가역되도록 구성되며,

    상기 처리 챔버 형성 부재는 그의 상단부 및 하단부 중 일단부에서 개방되거나, 상기 처리 챔버 형성 부재의 내부와 외부 사이의 연통을 위한 통로가 일단부에 형성되고, 상기 팬은 환기를 위해 타단부에 제공되는 열간 등압 성형 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 팬 및 상기 냉각 팬은 각각의 회전이 각기 독립적으로 제어될 수 있도록 구성되는 열간 등압 성형 장치.
13. 제7항에 있어서, 상기 액화 가스 공급 수단은 초저온 펌프인 열간 등압 성형 장치.

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