WO2024111479A1 - 等方圧加圧装置 - Google Patents

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WO2024111479A1
WO2024111479A1 PCT/JP2023/041080 JP2023041080W WO2024111479A1 WO 2024111479 A1 WO2024111479 A1 WO 2024111479A1 JP 2023041080 W JP2023041080 W JP 2023041080W WO 2024111479 A1 WO2024111479 A1 WO 2024111479A1
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WO
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pressure vessel
pressurizing
processing
chamber
axial direction
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PCT/JP2023/041080
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English (en)
French (fr)
Inventor
明紀 前川
克充 渡邉
昌典 栗田
Original Assignee
株式会社神戸製鋼所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J3/00—Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
    • B01J3/06—Processes using ultra-high pressure, e.g. for the formation of diamonds; Apparatus therefor, e.g. moulds or dies
    • 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
    • F27B17/00—Furnaces of a kind not covered by any preceding group

Definitions

  • the present invention relates to an isostatic pressure device.
  • the workpiece such as a sintered product (ceramics, etc.) or a cast product
  • the workpiece is heated to a high temperature above its recrystallization temperature and processed in an atmospheric pressure medium gas set at a high processing pressure of several tens to 200 MPa.
  • Patent Document 1 discloses a HIP apparatus that includes a pressure vessel that includes a treatment space that contains the workpiece, and a piston that is slidably fitted into the pressure vessel. During HIP treatment, the piston is inserted into the pressure vessel, and the pressure inside the pressure vessel is increased to the treatment pressure.
  • HIP equipment such as that described in Patent Document 1 has the problem that it is difficult to perform HIP processing on the workpiece under ultra-high pressure while securing a large processing space.
  • conventional technology such as that described in Patent Document 1
  • in addition to the processing space for containing the workpiece in the pressure vessel it is necessary to secure space to accommodate the piston.
  • ultra-high pressures of more than 300 MPa
  • it is necessary to use high-strength materials for the pressure vessel but there is a limit to the size of pressure vessels that can be manufactured using such materials. For this reason, with conventional HIP equipment, it is difficult to perform HIP processing under ultra-high pressures, for example, exceeding 300 MPa, while securing a large processing space.
  • the object of the present invention is to provide an isostatic pressurizing device that can perform HIP processing on a workpiece while ensuring a large processing space even under ultra-high pressure.
  • An isotropic pressure pressurizing device is an isotropic pressure pressurizing device that performs isotropic pressure pressurization processing on a workpiece using a pressure medium gas, and includes a piston having a center line, a pressurizing pressure vessel having a pressurizing chamber that receives the piston along the axial direction of the center line, a processing pressure vessel that is disposed on the opposite side of the piston in the axial direction as viewed from the pressurizing pressure vessel and has a processing chamber that accommodates the workpiece, and an intermediate member that is disposed between the pressurizing pressure vessel and the processing pressure vessel in the axial direction, the intermediate member including a communication passage that communicates the pressurizing chamber and the processing chamber along the axial direction.
  • FIG. 1 is a side cross-sectional view of an isostatic pressing apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional side view of a portion of the isostatic pressing apparatus of FIG.
  • HIP apparatus 1 hot isostatic pressing apparatus, isostatic pressing apparatus
  • the HIP apparatus 1 performs isostatic pressing processing on a workpiece W (workpiece) using a pressure medium gas at a predetermined target pressure.
  • Figure 1 is a side cross-sectional view of the HIP apparatus 1 according to this embodiment.
  • the HIP apparatus 1 has a structure roughly similar to that of Figure 1 rotated around the center line CL.
  • the HIP device 1 comprises a processing pressure vessel 10, a pressurizing pressure vessel 12, an intermediate member 14, an upper lid 20, a lower lid 30, an insulating layer 40, and a heater 50.
  • the processing pressure vessel 10 has a cylindrical shape with a center line CL along the vertical direction.
  • a cylindrical processing chamber 10H that is airtightly isolated from the outside is formed inside the processing pressure vessel 10.
  • the processing pressure vessel 10 accommodates the workpiece W in the processing chamber 10H.
  • the upper and lower ends of the processing chamber 10H are both open.
  • the processing pressure vessel 10 has a multi-layer structure in order to withstand ultra-high pressure processing. In particular, by providing a structure in which pre-compressive stress is applied to the innermost layer of the processing pressure vessel 10, the life of the processing pressure vessel 10 can be maintained long.
  • the pressurizing pressure vessel 12 is disposed above the processing pressure vessel 10 at a distance.
  • the pressurizing pressure vessel 12, like the processing pressure vessel 10, is cylindrical with a center line CL along the vertical direction.
  • a cylindrical pressurizing chamber 12H that is airtightly isolated from the outside is formed inside the pressurizing pressure vessel 12.
  • the upper and lower ends of the pressurizing chamber 12H are open.
  • the pressurizing chamber 12H receives the upper lid piston portion 20A of the upper lid 20 along the axial direction of the center line CL.
  • the pressurizing pressure vessel 12 also has a multi-layer structure to withstand ultra-high pressure processing.
  • the life of the pressurizing pressure vessel 12 can be maintained long.
  • the above-mentioned processing pressure vessel 10 is disposed on the opposite side of the upper lid piston portion 20A in the axial direction as viewed from the pressurizing pressure vessel 12.
  • the intermediate member 14 is disposed between the pressurizing pressure vessel 12 and the processing pressure vessel 10 in the axial direction of the center line CL.
  • the intermediate member 14 has a disk-shaped central portion centered on the center line CL that protrudes cylindrically upward and downward.
  • the intermediate member 14 has a main body portion 141, an upper sealing portion 142 (first lid portion), a lower sealing portion 143 (second lid portion), and a communication passage 14H.
  • the main body 141 is a disk-shaped portion of the intermediate member 14 that is interposed between the pressurizing pressure vessel 12 and the intermediate member 14. That is, the upper surface of the main body 141 supports the lower surface of the pressurizing pressure vessel 12. In addition, the lower surface of the main body 141 is supported by the upper surface of the processing pressure vessel 10.
  • the upper sealing portion 142 has a shape that protrudes upward from the center of the main body portion 141.
  • the upper sealing portion 142 is inserted from below into the pressurized chamber 12H so as to block the pressurized chamber 12H from the opposite side of the upper lid piston portion 20A in the axial direction.
  • An upper seal portion 142S (seal portion) is disposed on the outer peripheral surface of the upper sealing portion 142 that is inserted into the pressurized chamber 12H.
  • the upper seal portion 142S prevents the pressurized gas from leaking from the pressurized chamber 12H.
  • the lower sealing portion 143 protrudes downward from the center of the main body portion 141.
  • the lower sealing portion 143 is disposed on the opposite side of the upper sealing portion 142 in the axial direction, and is inserted into the processing chamber 10H from above so as to block the processing chamber 10H.
  • a lower seal portion 143S (seal portion) is disposed on the outer peripheral surface of the lower sealing portion 143 that is inserted into the processing chamber 10H.
  • the lower seal portion 143S prevents the pressure medium gas from leaking from the processing chamber 10H.
  • the communicating passage 14H is a flow path for the pressurized gas that is arranged from the upper surface of the upper sealing portion 142 to the lower surface of the lower sealing portion 143.
  • the communicating passage 14H connects the pressurized chamber 12H and the processing chamber 10H along the axial direction.
  • the communicating passage 14H is disposed on the center line CL.
  • the top lid 20 closes the upper opening of the pressurizing chamber 12H of the pressurizing pressure vessel 12.
  • the top lid 20 has a top lid piston portion 20A (piston) and a top lid seal portion 20S.
  • the top lid piston portion 20A has a cylindrical shape centered on the center line CL.
  • the top lid piston portion 20A has an outer diameter corresponding to the inner diameter of the pressurizing pressure vessel 12 (the diameter of the pressurizing chamber 12H).
  • the top lid piston portion 20A receives a driving force from a hydraulic cylinder 100 (driving portion), which is simply shown, and can enter (descend) into the pressurizing chamber 12H to the area indicated by the two-dot chain line in FIG. 1. As a result, the pressurizing chamber 12H and the processing chamber 10H connected thereto are pressurized.
  • the top cover seal portion 20S is disposed on the outer peripheral surface of the tip of the top cover piston portion 20A and prevents the pressurized gas from leaking from the pressurized chamber 12H.
  • the bottom lid 30 closes the lower opening of the processing chamber 10H of the processing pressure vessel 10.
  • the bottom lid 30 has a bottom lid insertion portion 30A, a bottom lid seal portion 30S, a gas supply pipe 30T, a valve 30V (stop valve), a support portion 32, and a mounting portion 34.
  • the lower lid insertion portion 30A has a cylindrical shape centered on the center line CL.
  • the lower lid insertion portion 30A has an outer diameter that corresponds to the inner diameter of the processing pressure vessel 10 (the diameter of the processing chamber 10H).
  • the bottom lid seal portion 30S is disposed on the outer peripheral surface of the tip of the bottom lid insertion portion 30A, and prevents the pressurized gas from leaking from the processing chamber 10H.
  • the bottom lid 30 is formed with a flow path (not shown) for supplying the pressurized gas (pressurized argon gas or nitrogen gas) to the pressurized chamber 12H (to seal in the initial pressure) or for discharging the pressurized gas from the processing chamber 10H.
  • the path may be formed in any of the pressurizing pressure vessel 12, the intermediate member 14, and the top lid 20.
  • the gas supply pipe 30T is a flow path for supplying gas when the inside of the processing chamber 10H is first pressurized.
  • the gas supply pipe 30T connects the outside of the bottom cover 30 to the processing chamber 10H.
  • the upstream side of the gas supply pipe 30T is connected to an external compressor via a pipe (not shown).
  • Valve 30V is disposed in gas supply pipe 30T and opens upon receiving a command signal from a control unit (not shown). When valve 30V opens, compressed gas from the external compressor can flow into processing chamber 10H. Since the gas supply pipe 30T described above has a pressure resistance of, for example, up to 200 MPa, during the secondary pressure increase by top lid piston portion 20A of top lid 20, valve 30V is closed so that ultra-high pressure exceeding 200 MPa does not act on gas supply pipe 30T.
  • the support part 32 is attached to the bottom cover 30 so as to define the lower end of the processing chamber 10H.
  • the mounting part 34 is supported by the support part 32, and the workpieces W are placed on the mounting part 34. Note that the structure of the support part 32 and the mounting part 34, and the shape and number of the workpieces W supported on the mounting part 34 are not limited to those shown in FIG. 1.
  • the bottom lid 30 can be moved vertically relative to the processing pressure vessel 10 by a drive unit (not shown). As a result, the bottom lid insertion part 30A is attached to and detached from the processing pressure vessel 10.
  • the bottom lid insertion part 30A of the bottom lid 30 is inserted from below into the processing chamber 10H of the processing pressure vessel 10, the workpiece W is placed in the processing chamber 10H, and HIP processing becomes possible.
  • the bottom lid insertion part 30A is moved downward from the processing chamber 10H, the workpiece W is detached from the processing chamber 10H.
  • the processed workpiece W can be removed from the placement part 34, and a new workpiece W can be placed on the placement part 34.
  • the bottom lid 30 may be moved laterally by the drive unit, making it easy to attach and detach the workpiece W.
  • the insulating layer 40 is supported by the support portion 32 and is an inverted cup-shaped member arranged to surround the workpiece W.
  • a gas-impermeable heat-resistant material is used for the insulating layer 40.
  • the insulating layer 40 may be filled with a graphite material woven with carbon fiber, a porous material such as ceramic fiber, or a fibrous material.
  • the heater 50 is disposed in the processing chamber 10H, and generates heat to heat (increase the temperature of) the processing chamber 10H (pressure medium gas).
  • the temperature increase of the heater 50 also has the function of increasing the pressure in the processing chamber 10H.
  • the upper lid piston portion 20A of the upper lid 20, the pressurizing pressure vessel 12, the intermediate member 14, the processing pressure vessel 10, and the lower lid insertion portion 30A of the lower lid 30 are arranged vertically in a line on the center line CL.
  • At least the materials for the processing pressure vessel 10 and the pressurizing pressure vessel 12 are preferably SKD61 or SA723 Grade 3 Class 4, because they have high pressure resistance.
  • SKD61 is an alloy steel for hot molds specified in the JIS standard (G4404: alloy tool steel).
  • the intermediate member 14, the top lid piston portion 20A, and the bottom lid insertion portion 30A may also be made of the same materials as above, but other materials with lower pressure resistance than the processing pressure vessel 10 and the top lid 20 may also be used.
  • the treatment chamber 10H, the pressurized chamber 12H, and the connecting passage 14H are evacuated using a vacuum pump (not shown) or the like. After that, the pressure medium gas is sealed in these areas from the external compressor through the gas supply pipe 30T, thereby increasing the pressure primarily, and the inside of the insulating layer 40 is heated by the heater 50. Then, as shown by the two-dot chain line in FIG. 1, when the top lid 20 descends, the top lid piston portion 20A descends inside the pressurized chamber 12H, thereby increasing the pressure secondary to the pressurized chamber 12H, the connecting passage 14H, and the treatment chamber 10H. As a result, the workpiece W can be subjected to isotropic pressure treatment at a predetermined target pressure.
  • the pressurizing pressure vessel 12 that receives the upper lid piston portion 20A and the processing pressure vessel 10 that contains the workpiece W are arranged independently in the axial direction, which allows the axial dimensions of each pressure vessel to be smaller than in the conventional configuration in which a single pressure vessel receives the piston and contains the workpiece W. Therefore, even if there are manufacturing limitations on the dimensions of a pressure vessel made of a high-strength material that can withstand ultra-high pressure, it is possible to perform HIP processing under ultra-high pressure while securing a large processing chamber 10H using that material. In particular, processing under ultra-high pressure exceeding 300 MPa, and even ultra-high pressure of 1 GPa or higher, of 500 MPa or more, is possible.
  • the shrink fitting process can be easily performed by suppressing the axial dimensions as described above. As a result, it is also possible to reduce manufacturing errors during the process.
  • the volume of the internal processing chamber 10H is constant (constant volume) regardless of the movement of the upper lid piston portion 20A, so the temperature distribution inside the processing pressure vessel 10 can be easily estimated. Furthermore, in FIG. 1, by lowering the lower lid 30, the workpiece W can be easily removed from the processing chamber 10H. This improves the workability of the HIP process.
  • the time until the temperature of the processing pressure vessel 10 reaches a steady state during HIP processing is shortened, and the power required for heating can be reduced.
  • the end surface of each vessel is increased, making it possible to increase the cooling rate after HIP processing. As a result, not only can the workpiece W be removed quickly after HIP processing is completed, but the increased cooling rate is also expected to impart a quenching effect to the workpiece W.
  • the upper sealing portion 142 of the intermediate member 14 is inserted into the pressurization chamber 12H of the pressurization pressure vessel 12, while the lower sealing portion 143 is inserted into the processing chamber 10H of the processing pressure vessel 10.
  • the relative positional relationship between the pressurization pressure vessel 12, the intermediate member 14, and the processing pressure vessel 10 can be stably maintained.
  • the dimension of the communication passage 14H in the width direction (left-right direction) perpendicular to the axial direction is set to be smaller than the respective width dimensions of the pressurized chamber 12H and the processing chamber 10H.
  • the area of the intermediate member 14 surrounding the communication passage 14H can be utilized to enhance the cooling effect of the processing chamber 10H and the seal portion.
  • the communication passage 14H relatively narrow, it is possible to increase the independence of the processing chamber 10H from the pressurized chamber 12H, and the processing chamber 10H has a more constant volume, making it even easier to predict the temperature distribution within the processing chamber 10H.
  • the maximum dimension of the intermediate member 14 in the width direction is set to be smaller than the maximum dimension of each of the pressurizing pressure vessel 12 and the processing pressure vessel 10 in the width direction.
  • the intermediate member 14 has a shape that is recessed inward, so that the material cost of the intermediate member 14 can be reduced and peripheral devices can be arranged using the recessed area.
  • the surface area of the recessed area can be used to further enhance the cooling effect of the processing chamber 10H and the seal portion.
  • the intermediate member 14 can withstand the large stress caused by the ultra-high pressure in each vessel, compared to a connection by known high-pressure piping.
  • the communication passage 14H is not a known high-pressure piping, but a gas flow passage formed in the center of the solid intermediate member 14. That is, since the radial outside of the communication passage 14H is solid up to the outer periphery of the intermediate member 14, even if high-pressure gas flows through the communication passage 14H, deformation and damage of the communication passage 14H are prevented.
  • FIG. 2 is an enlarged side cross-sectional view of a portion of the HIP apparatus 1 in FIG. 1.
  • the intermediate member 14 may be formed with a cooling passage through which a cooling fluid can flow.
  • FIG. 2 different cooling passage configurations are shown on the right and left sides of the intermediate member 14. Specifically, the left side of FIG. 2 shows a cooling passage 14J extending in a circumferential direction centered on the center line CL (FIG. 1). On the other hand, the right side of FIG. 2 shows a cooling passage 14K extending in a radial direction centered on the center line CL.
  • the cooling passages 14J and 14K are actively formed in the intermediate member 14, thereby further enhancing the cooling effect of the processing chamber 10H and the surrounding seal parts.
  • the shape and arrangement of the cooling passages are not limited to those shown in FIG. 2.
  • various cooling fluids such as gas and liquid can be flowed through each cooling passage.
  • HIP apparatus 1 isostatic pressurizing apparatus
  • present invention is not limited to these forms.
  • modified embodiments are possible for the isostatic pressurizing apparatus according to the present invention.
  • the pressurizing pressure vessel 12 is disposed above the processing pressure vessel 10, and the upper cover piston portion 20A is lowered at the upper end of the HIP device 1 to pressurize the processing chamber 10H.
  • the positional relationship between the processing pressure vessel 10 and the pressurizing pressure vessel 12 may be reversed, and the upper cover piston portion 20A may be raised at the lower end of the HIP device 1 to pressurize the processing chamber 10H.
  • the containers are described as having a cylindrical shape, but the shape of each container is not limited to being cylindrical.
  • the center line CL of the HIP apparatus 1 is not limited to being oriented vertically, and may be oriented horizontally.
  • the present invention is not limited to being equipped with a heater 50 that is disposed in the processing chamber 10H and generates heat to heat the processing chamber 10H. In other words, the present invention can be applied to isostatic pressing apparatuses other than hot isostatic pressing apparatuses.
  • An isotropic pressure pressurizing device is an isotropic pressure pressurizing device that performs isotropic pressure pressurization processing on a workpiece using a pressure medium gas, and includes a piston having a center line, a pressurizing pressure vessel having a pressurizing chamber that receives the piston along the axial direction of the center line, a processing pressure vessel that is disposed on the opposite side of the piston in the axial direction as viewed from the pressurizing pressure vessel and has a processing chamber that accommodates the workpiece, and an intermediate member that is disposed between the pressurizing pressure vessel and the processing pressure vessel in the axial direction, the intermediate member including a communication passage that communicates the pressurizing chamber and the processing chamber along the axial direction.
  • the pressurizing pressure vessel that receives the piston and the processing pressure vessel that contains the workpiece are arranged independently in the axial direction, which allows the axial dimensions of each pressure vessel to be smaller than in conventional configurations in which a single pressure vessel receives the piston and contains the workpiece. Therefore, even if there is a limit to the dimensions of a pressure vessel made of a high-strength material that can withstand ultra-high pressure, it is possible to perform HIP processing under ultra-high pressure while securing a large processing chamber using this material.
  • the intermediate member has a first lid portion that is inserted into the pressurizing chamber from the opposite side of the piston in the axial direction to block the pressurizing chamber, and a second lid portion that is positioned on the opposite side of the first lid portion in the axial direction and is inserted into the processing chamber to block the processing chamber, and the communication passage may be arranged from the first lid portion to the second lid portion in the axial direction.
  • the first lid part of the intermediate member is inserted into the pressurization chamber of the pressurization pressure vessel, while the second lid part is inserted into the processing chamber of the processing pressure vessel.
  • the dimension of the communication passage in a width direction perpendicular to the axial direction may be set smaller than the respective dimensions of the pressure chamber and the processing chamber in the width direction.
  • the area of the intermediate member surrounding the communicating passage can be used to enhance the cooling effect of the processing chamber and the seal portion.
  • the communicating passage relatively narrow, it is possible to increase the independence of the processing chamber from the pressurized chamber, and the processing chamber has a more constant volume, making it easier to predict the temperature distribution within the processing chamber.
  • the maximum dimension of the intermediate member in the width direction perpendicular to the axial direction may be set smaller than the maximum dimension in the width direction of each of the pressurizing pressure vessel and the processing pressure vessel.
  • the intermediate member has a shape that is recessed inward, which reduces the material cost of the intermediate member and makes it possible to use the recessed area to place peripheral devices.
  • the surface area of the recessed area can be used to enhance the cooling effect of the processing chamber and the seal portion.
  • the intermediate member may be formed with a cooling flow passage that allows a cooling fluid to flow.
  • the cooling effect of the processing chamber and the seal portion can be further enhanced by actively forming a cooling flow path in the intermediate member.
  • the present invention provides an isostatic pressurizing device that can perform HIP processing on a workpiece while ensuring a large processing space even under ultra-high pressure.

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Abstract

超高圧下においても被処理物にＨＩＰ処理を施すことが可能な等方圧加圧装置を提供する。ＨＩＰ装置（１）は、中心線（ＣＬ）を有するピストン（２０Ａ）と、前記中心線の軸方向に沿って前記ピストンを受け入れる加圧室（１２Ｈ）を有する加圧用圧力容器（１２）と、前記加圧用圧力容器から見て前記軸方向において前記ピストンの反対側に配置され、被処理物（Ｗ）を収容する処理室（１０Ｈ）を有する処理用圧力容器（１０）と、軸方向において加圧用圧力容器（１２）と処理用圧力容器（１０）との間に配置される中間部材（１４）であって、軸方向に沿って加圧室（１２Ｈ）と処理室（１０Ｈ）とを連通する連通路（１４Ｈ）を含む中間部材（１４）と、を備える。

Description

等方圧加圧装置
　本発明は、等方圧加圧装置に関する。
　従来、ＨＩＰ法（Ｈｏｔ　Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ　Ｐｒｅｓｓｉｎｇ法：熱間等方圧加圧装置を用いたプレス方法）では、数１０～２００ＭＰａ程度の高圧の処理圧力に設定された雰囲気の圧媒ガスのもと、焼結製品（セラミックス等）や鋳造製品等の被処理物が、その再結晶温度以上の高温に加熱され処理される。
　特許文献１には、被処理物を収容する処理空間を含む圧力容器と、当該圧力容器に摺動可能に内嵌されたピストンと、を備えるＨＩＰ装置が開示されている。ＨＩＰ処理時には、前記ピストンを前記圧力容器内に挿入することで、前記圧力容器内が処理圧力まで昇圧される。
特開昭６２－１７２１８１号公報
　特許文献１に記載されたようなＨＩＰ装置では、広い処理空間を確保しつつ、超高圧下で被処理物に対してＨＩＰ処理を施すことが難しいという問題があった。具体的に、特許文献１のような従来の技術では、圧力容器内に被処理物を収容する処理空間に加え、ピストンを受け入れる空間を確保する必要がある。一方、３００ＭＰａを超える超高圧に耐えるためには、圧力容器に高強度材料を用いる必要があるが、このような材料を用いて製造可能な圧力容器のサイズには限界がある。このため、従来のＨＩＰ装置では、広い処理空間を確保しつつ、例えば３００ＭＰａを超えるような超高圧下でＨＩＰ処理を行うことが困難であった。
　本発明の目的は、超高圧下においても広い処理空間を確保しつつ、被処理物にＨＩＰ処理を施すことが可能な等方圧加圧装置を提供することにある。
　本発明の一の局面に係る等方圧加圧装置は、圧媒ガスを用いて被処理物に対して等方圧加圧処理を行う等方圧加圧装置であって、中心線を有するピストンと、前記中心線の軸方向に沿って前記ピストンを受け入れる加圧室を有する加圧用圧力容器と、前記加圧用圧力容器から見て前記軸方向において前記ピストンの反対側に配置され、前記被処理物を収容する処理室を有する処理用圧力容器と、前記軸方向において前記加圧用圧力容器と前記処理用圧力容器との間に配置される中間部材であって、前記軸方向に沿って前記加圧室と前記処理室とを連通する連通路を含む中間部材と、を備える。
図１は、本発明の一実施形態に係る等方圧加圧装置の側断面図である。 図２は、図１の等方圧加圧装置の一部を拡大した拡大側断面図である。
　以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係るＨＩＰ装置１（熱間等方圧加圧装置、等方圧加圧装置）について説明する。ＨＩＰ装置１は、圧媒ガスを用いて所定の目標圧力で被処理物Ｗ（被処理物）に対して等方圧加圧処理を行う。図１は、本実施形態に係るＨＩＰ装置１の側断面図である。なお、ＨＩＰ装置１は、概ね図１を中心線ＣＬ回りに回転させた構造を有する。
　ＨＩＰ装置１は、処理用圧力容器１０と、加圧用圧力容器１２と、中間部材１４と、上蓋２０と、下蓋３０と、断熱層４０と、ヒータ５０と、を備える。
　処理用圧力容器１０は、上下方向に沿った中心線ＣＬを有する円筒形状からなる。処理用圧力容器１０の内部には外部から気密的に隔離された円筒状の処理室１０Ｈが形成されている。処理用圧力容器１０は、処理室１０Ｈに被処理物Ｗを収容する。処理室１０Ｈの上端および下端はそれぞれ開口されている。本実施形態では、処理用圧力容器１０は、超高圧処理に耐えるために、多層構造とされている。特に、処理用圧力容器１０の最内層に予圧縮応力を与えた構造とすることで、処理用圧力容器１０の寿命を長く維持することができる。
　加圧用圧力容器１２は、処理用圧力容器１０の上方に間隔をおいて配置される。加圧用圧力容器１２は、処理用圧力容器１０と同様に、上下方向に沿った中心線ＣＬを有する円筒形状からなる。加圧用圧力容器１２の内部には外部から気密的に隔離された円筒状の加圧室１２Ｈが形成されている。加圧室１２Ｈの上端および下端はそれぞれ開口されている。加圧室１２Ｈは、中心線ＣＬの軸方向に沿って上蓋２０の上蓋ピストン部２０Ａを受け入れる。本実施形態では、加圧用圧力容器１２も、処理用圧力容器１０と同様に、超高圧処理に耐えるために、多層構造とされている。特に、加圧用圧力容器１２の最内層に予圧縮応力を与えた構造とすることで、加圧用圧力容器１２の寿命を長く維持することができる。なお、図１に示すように、前述の処理用圧力容器１０は、加圧用圧力容器１２から見て軸方向において上蓋ピストン部２０Ａの反対側に配置される。
　中間部材１４は、中心線ＣＬの軸方向において加圧用圧力容器１２と処理用圧力容器１０との間に配置される。本実施形態では、中間部材１４は、中心線ＣＬを中心とする円板状の中央部が上下に円柱状に突出した形状からなる。具体的に、中間部材１４は、本体部１４１と、上封止部１４２（第１蓋部）と、下封止部１４３（第２蓋部）と、連通路１４Ｈとを有する。
　本体部１４１は、中間部材１４のうち加圧用圧力容器１２と中間部材１４との間に介在する円板状の部分である。すなわち、本体部１４１の上面部は、加圧用圧力容器１２の下面部を支持する。また、本体部１４１の下面部は、処理用圧力容器１０の上面部に支持される。
　上封止部１４２は、本体部１４１の中央部から上方に突出した形状からなる。上封止部１４２は、前記軸方向において上蓋ピストン部２０Ａの反対側から加圧室１２Ｈを塞ぐように加圧室１２Ｈに下から挿入される。加圧室１２Ｈに挿入される上封止部１４２の外周面には、上シール部１４２Ｓ（シール部）が配置されている。上シール部１４２Ｓは、加圧室１２Ｈから圧媒ガスが漏れることを防止する。
　下封止部１４３は、本体部１４１の中央部から下方に突出した形状からなる。下封止部１４３は、前記軸方向において上封止部１４２の反対側に配置され、処理室１０Ｈを塞ぐように処理室１０Ｈに上から挿入される。処理室１０Ｈに挿入される下封止部１４３の外周面には、下シール部１４３Ｓ（シール部）が配置されている。下シール部１４３Ｓは、処理室１０Ｈから圧媒ガスが漏れることを防止する。
　連通路１４Ｈは、上封止部１４２の上面部から下封止部１４３の下面部に至るまで配設された圧媒ガスの流路である。連通路１４Ｈは、前記軸方向に沿って加圧室１２Ｈと処理室１０Ｈとを連通する。本実施形態では、連通路１４Ｈは、中心線ＣＬ上に配置されている。なお、ＨＩＰ装置１が一旦組み立てられると、処理用圧力容器１０、加圧用圧力容器１２および中間部材１４は互いに固定された状態が維持される。
　上蓋２０は、加圧用圧力容器１２の加圧室１２Ｈの上側の開口を塞ぐ。具体的に、上蓋２０は、上蓋ピストン部２０Ａ（ピストン）と、上蓋シール部２０Ｓとを有する。
　図１に示すように、上蓋ピストン部２０Ａは、中心線ＣＬを中心とする円柱形状からなる。上蓋ピストン部２０Ａは、加圧用圧力容器１２の内径（加圧室１２Ｈの直径）に対応した外径を有する。上蓋ピストン部２０Ａは、簡易的に図示する油圧シリンダ１００（駆動部）の駆動力を受けて、図１の二点鎖線で示す領域まで加圧室１２Ｈ内に進入する（下降する）ことができる。この結果、加圧室１２Ｈおよびこれに繋がる処理室１０Ｈが昇圧される。
　上蓋シール部２０Ｓは、上蓋ピストン部２０Ａの先端部の外周面に配置されており、加圧室１２Ｈから圧媒ガスが漏れることを防止する。
　下蓋３０は、処理用圧力容器１０の処理室１０Ｈの下側の開口を塞いでいる。下蓋３０は、下蓋挿入部３０Ａと、下蓋シール部３０Ｓと、ガス供給配管３０Ｔと、バルブ３０Ｖ（塞止弁）と、支持部３２と、載置部３４とを有する。
　下蓋挿入部３０Ａは、中心線ＣＬを中心とする円柱形状からなる。下蓋挿入部３０Ａは、処理用圧力容器１０の内径（処理室１０Ｈの直径）に対応した外径を有する。
　下蓋シール部３０Ｓは、下蓋挿入部３０Ａの先端部の外周面に配置されており、処理室１０Ｈから圧媒ガスが漏れることを防止する。なお、下蓋３０には、加圧室１２Ｈに圧媒ガス（昇圧されたアルゴンガスや窒素ガス）を供給するため（初期圧力を封入するため）、あるいは、処理室１０Ｈから圧媒ガスを排出するための不図示の流路が形成されている。当該経路は、加圧用圧力容器１２、中間部材１４および上蓋２０の何れかに形成されてもよい。
　ガス供給配管３０Ｔは、処理室１０Ｈ内を一次昇圧する際にガスを供給するための流路である。ガス供給配管３０Ｔは、下蓋３０の外部と処理室１０Ｈとを連通する。なお、ガス供給配管３０Ｔの上流側は、不図示の配管を介して外部圧縮機に接続されている。
　バルブ３０Ｖは、ガス供給配管３０Ｔに配置されており、不図示の制御部からの指令信号を受けて開弁する。バルブ３０Ｖが開くと、前記外部圧縮機からの圧縮ガスが処理室１０Ｈに流入可能とされる。前述のガス供給配管３０Ｔは、例えば２００ＭＰａまでの耐圧性能を有するものであるため、上蓋２０の上蓋ピストン部２０Ａによる二次昇圧時には、２００ＭＰａを超える超高圧がガス供給配管３０Ｔに作用しないように、バルブ３０Ｖが閉じられる。
　支持部３２は、処理室１０Ｈの下端部を画定するように、下蓋３０に装着されている。また、載置部３４は、支持部３２に支持されており、当該載置部３４の上に被処理物Ｗが載置される。なお、支持部３２、載置部３４の構造および載置部３４上に支持される被処理物Ｗの形状、数は、図１に示されるものに限定されない。
　下蓋３０は、不図示の駆動部によって処理用圧力容器１０に対して上下に相対移動することができる。この結果、下蓋挿入部３０Ａが、処理用圧力容器１０に対して着脱される。下蓋３０の下蓋挿入部３０Ａが処理用圧力容器１０の処理室１０Ｈに下から挿入されると、被処理物Ｗが処理室１０Ｈに配置され、ＨＩＰ処理が可能となる。一方、下蓋挿入部３０Ａが処理室１０Ｈから下方に移動されると、被処理物Ｗが処理室１０Ｈから脱離される。この結果、載置部３４から処理後の被処理物Ｗを取り外すとともに、新しい被処理物Ｗを載置部３４に載置することができる。この際、下蓋３０は前記駆動部によって横方向に移動され、被処理物Ｗの着脱作業が容易に行われても良い。
　断熱層４０は、支持部３２に支持されており、被処理物Ｗを囲むように配置される逆コップ状の部材である。断熱層４０には、ガス不透過性の耐熱材料が用いられる。なお、当該断熱層４０には、カーボンファイバを編み込んだ黒鉛質材料やセラミックファイバなどの多孔質材料、繊維質材料などが充填されてもよい。
　ヒータ５０は、処理室１０Ｈに配置され、発熱することで処理室１０Ｈ（圧媒ガス）を加熱（昇温）する。ヒータ５０の昇温も、処理室１０Ｈの昇圧機能を有している。
　上記のように、本実施形態では、上蓋２０の上蓋ピストン部２０Ａ、加圧用圧力容器１２、中間部材１４、処理用圧力容器１０および下蓋３０の下蓋挿入部３０Ａが、中心線ＣＬ上に上下に並んで配置されている。
　なお、上記のＨＩＰ装置１の構造のうち、少なくとも処理用圧力容器１０および加圧用圧力容器１２の材料には、高い耐圧性を有するためにＳＫＤ６１またはＳＡ７２３グレード３クラス４が好適に用いられる。ＳＫＤ６１は、ＪＩＳ規格（Ｇ４４０４：合金工具鋼鋼材）に規定されている熱間金型用の合金鋼である。なお、中間部材１４、上蓋ピストン部２０Ａおよび下蓋挿入部３０Ａについても、上記と同様の材料が用いられても良いが、処理用圧力容器１０および上蓋２０よりも耐圧性の低いその他の材料が用いられても良い。
　上記のような構造を有するＨＩＰ装置１において、処理室１０Ｈ内に被処理物Ｗが配置されると、不図示の真空ポンプなどを用いて処理室１０Ｈ、加圧室１２Ｈおよび連通路１４Ｈが真空引きされる。その後、これらの領域に前記外部圧縮機からガス供給配管３０Ｔを通じて圧媒ガスが封入されることで一次昇圧されるとともに、ヒータ５０によって断熱層４０の内部が加熱される。そして、図１の二点鎖線で示すように、上蓋２０が降下すると、上蓋ピストン部２０Ａが加圧室１２Ｈ内を下降することで、加圧室１２Ｈ、連通路１４Ｈおよび処理室１０Ｈが二次昇圧される。この結果、所定の目標圧力において被処理物Ｗに対して等方圧加圧処理を施すことができる。
　本実施形態では、上蓋ピストン部２０Ａを受け入れる加圧用圧力容器１２と、被処理物Ｗを収容する処理用圧力容器１０とを軸方向において独立して配置することで、従来のように一つの圧力容器によってピストンを受け入れるとともに被処理物Ｗを収容する構成と比較して、各々の圧力容器の軸方向の寸法を小さくすることができる。このため、超高圧に耐えうる高強度材料製の圧力容器の寸法に製造上の限界がある場合でも、当該材料を用いて広い処理室１０Ｈを確保しつつ、超高圧下でＨＩＰ処理を行うことが可能になる。特に、３００ＭＰａを超える超高圧、更には５００ＭＰａ以上の１ＧＰａ級の超高圧下での処理も可能となる。
　なお、処理用圧力容器１０および加圧用圧力容器１２が、図１に示すように、互いに外径および内径の異なる複数の円筒部材を焼き嵌め処理することによって製造される場合、上記のように軸方向の寸法を抑えることで、焼き嵌め作業を容易に行うことが可能になる。この結果、当該作業における製造ミスを低減することも可能になる。
　また、処理用圧力容器１０においては、内部の処理室１０Ｈの容積が上蓋ピストン部２０Ａの動きに関わらず一定であるため（定積）、処理用圧力容器１０内の温度分布を容易に推測することができる。更に、図１において、下蓋３０を下降させることで、処理室１０Ｈから被処理物Ｗを容易に取り出すことが可能になる。このため、ＨＩＰ処理における作業性を高めることができる。
　また、前述のように、処理用圧力容器１０の軸方向における寸法を抑えることによって、ＨＩＰ処理時に処理用圧力容器１０の温度が定常状態になるまでの時間が短くなり、加熱に必要な電力を低減することも可能になる。また、１つの圧力容器を用いる場合と比較して、処理用圧力容器１０および加圧用圧力容器１２を備えることによって、各々の容器端面が増えるため、ＨＩＰ処理後の冷却速度を大きくすることができる。このため、ＨＩＰ処理終了後に、早期に被処理物Ｗを取り出すことが可能になるだけでなく、冷却速度増加による被処理物Ｗに対する焼入れ効果の付与も期待できる。
　更に、本実施形態では、中間部材１４の上封止部１４２が加圧用圧力容器１２の加圧室１２Ｈに挿入される一方、下封止部１４３が処理用圧力容器１０の処理室１０Ｈに挿入される。このため、各封止部（蓋部）の挿入方向に沿って、圧媒ガスの漏れを防ぐための上シール部１４２Ｓ、下シール部１４３Ｓ（いずれもシール部）を確保することが可能になる。また、各封止部が各室に挿入されることによって、加圧用圧力容器１２、中間部材１４および処理用圧力容器１０の相対的な位置関係を安定して保持することができる。
　また、本実施形態では、軸方向と直交する幅方向（左右方向）の連通路１４Ｈの寸法は、加圧室１２Ｈおよび処理室１０Ｈの各々の前記幅方向の寸法よりも小さく設定されている。このような構成によれば、中間部材１４のうち連通路１４Ｈの周辺の領域を利用して、処理室１０Ｈや前記シール部の冷却作用を高めることができる。また、連通路１４Ｈが相対的に細く設定されることで、加圧室１２Ｈに対する処理室１０Ｈの独立性を高めることが可能になり、処理室１０Ｈがより定積になるため、処理室１０Ｈ内の温度分布の予測が更に容易になる。
　更に、本実施形態では、幅方向の中間部材１４の最大寸法は、加圧用圧力容器１２および処理用圧力容器１０の各々の幅方向の最大寸法よりも小さく設定されている。このような構成によれば、加圧用圧力容器１２、処理用圧力容器１０と比較して、中間部材１４が内側に窪んだ形状となるため、中間部材１４の材料費を低減することができるとともに、前記窪んだ領域を利用して周辺装置を配置することが可能になる。また、前記窪んだ領域の表面積を利用して、処理室１０Ｈや前記シール部の冷却作用を更に高めることができる。
　また、本実施形態のように、処理用圧力容器１０と加圧用圧力容器１２とを中間部材１４によって接続する場合、公知の高圧配管による接続と比較して、中間部材１４が各容器内の超高圧によってもたらされる大きな応力にも耐えることが可能になる。特に、本実施形態では、連通路１４Ｈが公知の高圧配管ではなく、中実状の中間部材１４の中心に形成されたガス流路である。すなわち、連通路１４Ｈの径方向外側は、中間部材１４の外周部に至るまで中実状であるため、高圧のガスが連通路１４Ｈを流れても、連通路１４Ｈの変形、破損が防止される。また、中間部材１４の一部（上封止部１４２、下封止部１４３）がそれぞれ処理用圧力容器１０および加圧用圧力容器１２に挿入されているため、中間部材１４の強度を高く維持することが可能になる。また、連通路１４Ｈの入口側、出口側を加圧用圧力容器１２および処理用圧力容器１０が径方向外側から押さえる構造となるため、超高圧下での連通路１４Ｈの損傷を抑止することができる。
　図２は、図１のＨＩＰ装置１の一部を拡大した拡大側断面図である。中間部材１４には、冷却用流体が流れることを可能する冷却流路が形成されてもよい。図２では、中間部材１４の右側と左側とで、異なる冷却流路の態様を図示している。具体的に、図２の左側では、冷却流路１４Ｊが中心線ＣＬ（図１）を中心とする周方向に延びる態様を図示している。一方、図２の右側では、冷却流路１４Ｋが中心線ＣＬを中心とする径方向に延びる態様を図示している。このような構成によれば、中間部材１４に積極的に冷却流路１４Ｊ、１４Ｋを形成することで、処理室１０Ｈや周辺のシール部の冷却作用を更に高めることができる。なお、冷却流路の形状、配置は、図２に限定されるものではない。また、各冷却流路には、気体、液体など各種の冷却用流体を流すことができる。
　以上、本発明の各実施形態に係るＨＩＰ装置１（等方圧加圧装置）について説明したが、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。本発明に係る等方圧加圧装置として、以下のような変形実施形態が可能である。
　（１）上記の実施形態では、加圧用圧力容器１２が処理用圧力容器１０の上方に配置され、上蓋ピストン部２０ＡがＨＩＰ装置１の上端部において下降することで処理室１０Ｈを加圧する態様にて説明したが、処理用圧力容器１０および加圧用圧力容器１２の位置関係は逆でも良く、ＨＩＰ装置１の下端部において上蓋ピストン部２０Ａが上昇することで処理室１０Ｈを加圧する態様でもよい。
　（２）また、上記の各実施形態では、各容器が円筒形状を備える態様にて説明したが、各容器の形状は円筒形状に限定されるものではない。また、ＨＩＰ装置１の中心線ＣＬは鉛直方向を向くものに限定されず、水平方向を向くものでもよい。更に、本発明は、処理室１０Ｈに配置され、発熱することで処理室１０Ｈを加熱するヒータ５０を備えるものに限定されない。すなわち、本発明は、熱間等方圧加圧装置以外の等方圧加圧装置にも適用することが可能である。
　本発明の一の局面に係る等方圧加圧装置は、圧媒ガスを用いて被処理物に対して等方圧加圧処理を行う等方圧加圧装置であって、中心線を有するピストンと、前記中心線の軸方向に沿って前記ピストンを受け入れる加圧室を有する加圧用圧力容器と、前記加圧用圧力容器から見て前記軸方向において前記ピストンの反対側に配置され、前記被処理物を収容する処理室を有する処理用圧力容器と、前記軸方向において前記加圧用圧力容器と前記処理用圧力容器との間に配置される中間部材であって、前記軸方向に沿って前記加圧室と前記処理室とを連通する連通路を含む中間部材と、を備える。
　本構成によれば、ピストンを受け入れる加圧用圧力容器と、被処理物を収容する処理用圧力容器とを軸方向において独立して配置することで、従来のように一つの圧力容器によってピストンを受け入れるとともに被処理物を収容する構成と比較して、各々の圧力容器の軸方向の寸法を小さくすることができる。このため、超高圧に耐えうる高強度材料製の圧力容器の寸法に限界がある場合でも、当該材料を用いて広い処理室を確保しつつ、超高圧下でＨＩＰ処理を行うことが可能になる。
　上記の構成において、前記中間部材は、前記軸方向において前記ピストンの反対側から前記加圧室を塞ぐように前記加圧室に挿入される第１蓋部と、前記軸方向において前記第１蓋部の反対側に配置され、前記処理室を塞ぐように前記処理室に挿入される第２蓋部と、を有し、前記連通路は、前記軸方向において前記第１蓋部から前記第２蓋部に至るまで配設されているものでもよい。
　本構成によれば、中間部材の第１蓋部が加圧用圧力容器の加圧室に挿入される一方、第２蓋部が処理用圧力容器の処理室に挿入される。このため、各蓋部の挿入方向に沿って、圧媒ガスの漏れを防ぐためのシール部を確保することが可能になる。また、各蓋部が各室に挿入されることによって、加圧用圧力容器、中間部材および処理用圧力容器の相対的な位置関係を安定して保持することができる。
　上記の構成において、前記軸方向と直交する幅方向の前記連通路の寸法は、前記加圧室および前記処理室の各々の前記幅方向の寸法よりも小さく設定されているものでもよい。
　本構成によれば、中間部材のうち連通路の周辺の領域を利用して、処理室やシール部の冷却作用を高めることができる。また、連通路が相対的に細く設定されることで、加圧室に対する処理室の独立性を高めることが可能になり、処理室がより定積になるため、処理室内の温度分布の予測が容易になる。
　上記の構成において、前記軸方向と直交する幅方向の前記中間部材の最大寸法は、前記加圧用圧力容器および前記処理用圧力容器の各々の前記幅方向の最大寸法よりも小さく設定されているものでもよい。
　本構成によれば、加圧用圧力容器、処理用圧力容器と比較して、中間部材が内側に窪んだ形状となるため、中間部材の材料費が低減されるとともに、前記窪んだ領域を利用して周辺装置を配置することが可能になる。また、前記窪んだ領域の表面積を利用して、処理室やシール部の冷却作用を高めることができる。
　上記の構成において、前記中間部材には、冷却用流体が流れることを可能とする冷却流路が形成されているものでもよい。
　本構成によれば、中間部材に積極的に冷却流路を形成することで、処理室やシール部の冷却作用を更に高めることができる。
　本発明によれば、超高圧下においても広い処理空間を確保しつつ、被処理物にＨＩＰ処理を施すことが可能な等方圧加圧装置が提供される。

Claims (5)

  1. 　圧媒ガスを用いて被処理物に対して等方圧加圧処理を行う等方圧加圧装置であって、
    　中心線を有するピストンと、
    　前記中心線の軸方向に沿って前記ピストンを受け入れる加圧室を有する加圧用圧力容器と、
    　前記加圧用圧力容器から見て前記軸方向において前記ピストンの反対側に配置され、前記被処理物を収容する処理室を有する処理用圧力容器と、
    　前記軸方向において前記加圧用圧力容器と前記処理用圧力容器との間に配置される中間部材であって、前記軸方向に沿って前記加圧室と前記処理室とを連通する連通路を含む中間部材と、
    　を備える、等方圧加圧装置。
  2. 　請求項１に記載の等方圧加圧装置であって、
    　前記中間部材は、
    　　前記軸方向において前記ピストンの反対側から前記加圧室を塞ぐように前記加圧室に挿入される第１蓋部と、
    　　前記軸方向において前記第１蓋部の反対側に配置され、前記処理室を塞ぐように前記処理室に挿入される第２蓋部と、を有し、
    　前記連通路は、前記軸方向において前記第１蓋部から前記第２蓋部に至るまで配設されている、等方圧加圧装置。
  3. 　請求項１または２に記載の等方圧加圧装置であって、
    　前記軸方向と直交する幅方向の前記連通路の寸法は、前記加圧室および前記処理室の各々の前記幅方向の寸法よりも小さく設定されている、等方圧加圧装置。
  4. 　請求項１または２に記載の等方圧加圧装置であって、
    　前記軸方向と直交する幅方向の前記中間部材の最大寸法は、前記加圧用圧力容器および前記処理用圧力容器の各々の前記幅方向の最大寸法よりも小さく設定されている、等方圧加圧装置。
  5. 　請求項１または２に記載の等方圧加圧装置であって、
    　前記中間部材には、冷却用流体が流れることを可能とする冷却流路が形成されている、等方圧加圧装置。
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