专利名称：热等静压机快速冷却方法以及热等静压机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热等静压机的快速^4卩方法，以及一种热等静压机。
背景技术：
热等静压机(HIP)或者高压釜在当今的应用领域十分广泛。在高温高压条件下， 在型模中对固体工件或，末构成的模压材料进行致密化处理。可以将同类材料以及
不同材料结合在一起。通常将工件置于被一个高压容器包围的加热炉中。在加热过 程中或者在加热之后，通过一种流体或者惰性气体(通常是氩气)从各个方向施加压 力，实施彻底的等静压处理，超工件达到最佳致密度。这种方、她被用舰构件进 行再致密化处理，例如陶瓷材料制成的构件，例如用预关节假体、汽车或者发动机 制造用的铝铸件、轿车发动机的汽缸盖或者钛合金精密铸件，例如涡轮机叶片。在高 温高压斜牛下进行再致密化处理，可封闭前道生产工序中产生的微孔、愈^陷部位、 改善结构特性。另一个应用领域是制造粉^W料近终成形构件，在工艺过程中对其进 行致密化和烧结处理。
HIP周期通常要持续非常长的时间，从几小时到几天不等。周期成本的主要部分 是占压资金的机器小时率所弓胞的。尤其是从工作鹏斷氐到倉^安全打开压机的允 许ag所需的冷却时间相当长，通常占到周期时间的三分之一以上，且在工艺过程中
无法加以利用。现在己经知道7賴卩过禾就于生产零件的材禾辦性有着至关重要的作
用。许多材料均需要严格遵守一定的最大冷却速度，以便保证材料质量。此外，在
7賴卩过程中还要注意应当使工# 均匀7賴卩，不得不均匀地有不同的f显度区。在
制造大型构件时，温度差异所引起的内应力可能会导致翘曲、切口应力集中开裂或者
导致彻底毁坏。即使;^S常放在加热炉内的支架上的小型构件，也有可能出现此类问题。
已知现有技术水准下的高压釜均采用热气体循环方式，配有或者没有机械式辅助
设备，例如Kt几。在没有l舰式辅助设备的应用中，Sil现有的或者强制的f鹏差(加
热或7賴P外壁)在高压釜中实现气体的自然对流和重新分布。较冷的流体下降，较热 的流体则上升。可以4顿导淑几构以有控制的方式对这种流体的流动加以利用，从而
在高压釜内实现均匀的加热或者冷却循环。现有技术所使用的就是由HiJ:、下开口
的管子构成的导流套m流套。在加热过程中，加热炉中的热源iij共驱动力，并且根
据热源的布置情况开始流动。在7賴瞎式下，低温流# 流套和起7转卩作用的夕卜壁 之间下降，并且推动套管内部较热的流体向上流过工件。在HIP设备的顶盖上，从
下而上的流动推动流体朝向夕卜侧部分运动，使得流体在外壁和套管之间又重新下降。
这时又重新形成相应的冷却作用，从而维,续的7賴卩过程。
例如，编号为DE 38 33 337 Al的公开说明书就公开了一种使HIP设备快速冷 却的实施型式。根据这种解决方^0 述，ffiil底层空间内的阀门打开循环回路，在隔 热罩内的高温区与隔热罩外的低温区之间形成气体循环，从而形成快速冷却作用。在 隔热罩的上盖中有一些始终常开的 L高温流体可以Mii^些孔流出。这种实施型式 的缺点在于鹏非常低的流体会从下方回流到高温区之中，并且与加热炉中的工件
发生直 触，这样就会使低温气体从下而上充满高温区。其不^处在于可能会
出现参数过于不确定的骤然7賴卩，无制射#^炉料区实现均匀的7賴卩速度。对于大 型构件而言，这种不均匀^4卩可能会引feJ^问题，如翘曲、开裂或毁坏。
编号为W0 2003 / 070 402 Al的申请说明书公开了一种热等静压机7衬卩方法以 及一种热等静压机。根据该方法戶腿，从装料区放出高温流体，将其与装料区夕卜下降 的低温流fl^昆合，然后将混合流体重ifilA^料区。该方法所要求的条件，，因此 也需要使用构造錢、具有轩髓的热等静压机。如果炉料的侧凹部分或者炉料的 支撑结构妨碍炉料区的正常^ii，贝踵亲腿入的混合流体可能会以无法控制的方式回 流到炉料区之中，且有时会导致不同的7賴卩速度，这也是一僧点。此外，将7賴卩到 混合温度的气体从下方送入炉料区，必然会导致炉料区的下端与上端之间出现温度梯 度，因此不可能实现均匀的7賴卩M。
发明内容
本发明的任务在于阐述一种热等静压机快速冷却方法，以及用来实施该方法的一 种能够使得炉料区或者炉料均匀冷却的热等静压机；根据本发明所述，将 较低的 流体与热等静压机炉料区内的高温流体均匀混合，同时在整个压力容器内，尤其是在
炉料区内使得流体充分fflM可^i也循环，从而实现均匀7转卩全部炉料的效果。
针对该方法提出的任务可根据本发明加以解决，即在压力容器的炉料区内部Mil 至少一个喷嘴喷入流体形成旋流，在旋流经过隔热体附近的过程中，流体与来自炉料 附近的流体相互混合，且从喷嘴流出的流体具有比炉料区内流体和/或炉料更低的温 度。
针对用于实施该方法的热等静压机提出的任务可根据权利要求13加以解决，即 在压力容器内至少有一个管路与炉料区内部的至少一个喷嘴相连，且供应给该管路的
流^as低于炉料区中的流体或者炉料。
本发明的原理在于通过在压力容器上部定向喷入低温流体的方式，在炉料区范 围内形成旋流。在炉料区上端以高速喷入的方式，在炉料区内产生旋流效应，也就是
说，从喷嘴喷出的低温流# 隔热体作圆周运动，并且由于流体密度^:而下降。因
为与炉料区之间并无隔离物，从而在炉料区附近的高温流体与旋转运动的低温流体之 间发生混合。下降的流体夹带着来自炉料区内部的高温流体，从而产生混合^Jt。由 于混匀效果理想，且可根据物理作用可靠防止炉f，触^j^过低的流体，因此能确保
M炉料部分均具有理想、均匀的7賴卩梯度。M3i流体在炉料区内部的旋^动，也
可保证上升、下降流fl^会因为炉料侧凹部分或者炉料支架的妨碍而在炉料区内形成 温度小环境。由于流1tt旋转运动，因lt匕就会在(例如)侧凹部分处产生涡流，即使
存在内有静止流体的小环境，也能将其充分混匀，从而十分有效地平衡^jS差。
利用本发明所述的特征，可以在进行快速冷却时，使fW^炉料区内在^4卩过程
中实现均匀的MS分布。
本发明的其它有益措施和实施型式均在从属权利要求以及下列以附图为参考的描
述中加以阐述。
附图1 一种外部流体Jt4卩型压力容器，沿其中轴线垂直剖开的剖面示意图， 附图2沿着附图1所示压力容器的炉料区上部喷入平面水平剖开的剖面图， 附图3沿着压力容器隔热体夕卜侧与内侧区域之间的混合平面水平剖开的另一个 剖面图，
附图4 a、 b所示为炉料区上部流体导^^置的两种实施例，以及 附图5 —种利用循环装置进行快速内冷却的压力容器，沿其中轴线垂直剖开的 剖面图。
具体实施例方式
这些附图所示的压力容器l均具有一个通常位于内部的炉料区19以及布置于其 间的隔热体8。在隔热体8内安装有加热元件4，炉料18通常放在一^^户料托板6 上，或者利用支架(并未绘出)将其放在炉料托板6上。压力容器1还具有用来给 压力容器上料、卸料的封闭盖2和3，但为了使描述简化起见，以下将其视作压力容 器1的组成部分。在隔热体8范围内的炉料区19之中安装有至少一个喷嘴13，通 过该喷嘴形成旋流23，特别地将流体高速喷入。流体所具有的MS低于炉料区19内 的流体以^/或者炉料18，并且根据物理定律Mil旋转作用使其紧靠在绝缘体8的内 H±。当旋流23在隔热体8附ifiM过时，夕卜侧旋转的流购炉料18时逝 较高 的流体相混合。在垂直于压力容器1中轴线26的剖面中，中轴线26附近的流術显 度最高。離在旋流23经过时朝向隔热体8方向遊卖降低。在一种j雌实施型式 中，相对于压力容器1的中轴线26从喷嘴13沿水平方向喷出流体。相对于压力容 器1的中轴线26沿切线方向喷出流体最为理想。若从喷嘴13喷出的流体具有较高 ffi，并57或者布置有多个喷嘴13，贝U较为有益。根据附图5所示，要么利用循环 装置5义A/S层空间22抽取，较低的流体后直g^A导管12，或者如附图l和4所 示，通过出口 24在压力容器1之外将流体ij^合流体y賴口器10，然后再3Iil入口 25将 其送入导管12。
在一种特别优选的实施型式中，通过由一个喷射管15和一个文丘里喷嘴16构 成的真空喷射泵，将经由入口 25回想l」压力容器1之中的冷却流体与来自底层空间 22的流体混合之后送入导管12之中(附图1)。在旋流23的所有驱动方法中，流 体可以直接从炉料区19以^/或者M二环状间隙17经由通孔7 fflA底层空间22 之中。这是一种结构性设计，取决于所要实现的7賴卩速度，因为从炉料区19流出的 流体^t显度明显高于从第二环状间隙17流出的流体。
为了进一步优化,压力容器的快速冷却效果，在两个彼此平行的环状间隙9、 17中利用自然对流建立夕M则循环回路20，所述循环回路20完全位于隔热体8之外。 外侧循环回路20中的流体以及来自炉料区19的旋转流体可以在炉料区下方利用隔
热体8内的通孔14相互交换并且混合。旋流23中的高温气体可以经由通 L 14进 入外侧循环回路20之中，在这里首先与夕M则环流混合，并_§3131￡力容鹏1上的 循环作用继续7賴卩，7賴脂的气体经由通 L 14流回到炉料区19下方。
将经由入口 25送入的外部7賴卩流体和/或者在夕卜侧环形腔17内经舰力容器1 的壁面7t4卩后的流体混合之后，就能按照附图1、 4或5所示的快速7賴卩方法，达到 极充分和快的炉料区19冷却效果。当然，对于专业人士而言，本发明所公开的方法 有多种变化型式可供使用。
在附图4所示的另一种优选实施型式中，通过喷嘴13在导流装置27之中或者 在其上方将流体喷入炉料区19之中。该导流装置27可以设计成水平布置的单片或 双片圆盘(附图4a)或者环(附图4b)，从而保证从喷嘴13流出的H^卩流j^E进 入旋流23之前到达炉料区19的外iit彖，这里就是隔热体8构成的夕卜,。这样就 可避免不可控制的7賴卩流体iaA炉料区19的中部。
导》1^置27还可设计成7K平布置的双板^K环，如同附图4a、 b所示的实施型 式一样，通过从喷嘴13流入的^4卩流体，在两个板片之间实现极佳的并且受到严格 限制的气体导向作用，可以不受隔热体8的上部区域的结构与高度(顶盖)的影响。
可想而知，也可将导纟線置27设计成一种扩宽的喷嘴13，使得经由喷嘴13进 入导 置27的流4tt双板之内产生初级旋流，然后才在隔热体8的壁面附3ffitA 炉料区19之中。这时的至少一个入口具有喷嘴13的定向特征。
为了强制使得从喷嘴13流出的'/转卩流体与上隔热体8附近的热流体立即混合， 可以使从喷嘴13流出的流体喷入一个真空喷嘴之中(图中没有绘出)。
在另一种实施型式中，在夕卜侧环形间隙17与底层空间22之间还可以附加布置 一些通 L 7，使得经过压力容鹏7賴脂的流体t嫩直接回流到廳空间22之中(附 图5)。
附图^H己清单:
1. 压力容器
2. ，闭盖
3. 下封闭盖
4. 加热元件
5. 循环装置
6. 炉料托板
7. 通孔
8. 隔热体
9. 环状间隙110.流体,器11.压縮机12.导管13.喷嘴14.通孔15.喷射管16.文丘里喷嘴17.环状间隙218.炉料19.炉料区20.夕M则循环回路21.用于20的导流板22.底层空间23.旋流24.出口25.入口26.中心线27.导流装置
权利要求
1.一种热等静压机快速冷却方法，所述热等静压机由一个压力容器(1)构成，压力容器内部有炉料区(19)以及布置于其间的隔热体(8)，且在隔热体(8)范围内有加热元件(4)以及炉料(18)布置于炉料托板(6)上，其特征在于通过至少一个喷嘴(13)在压力容器(1)的炉料区(19)内部形成旋流(23)，流体在旋流(23)经由隔热体(8)附近的过程中与炉料(18)附近的流体混合，并且从喷嘴(13)流出的流体所具有的温度低于炉料区(19)以及/或者炉料(18)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从喷嘴(13)喷出的低温流j材目对 于压力容器(1)的中轴线(26)沿切向喷入炉料区(19)之中。
3. 根据权禾腰求1所述的方法，其特征在于，从喷嘴(13)喷出的做显流体向下 或者向上与水平线相交皿微的角度沿切向喷入炉料区(19)之中。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从喷嘴(13)喷出的低温流体以高 速喷入炉料区(19)之中。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从喷嘴(13)流出的流体以较低的 、皿从底层空间(22)直接喷入导管(12)之中。
6. 根据权利要求1戶腿的方法，其特征在于，ffii!A口 (24)将流4糊送到压力 容器(1)夕刚的流体7賴卩器(10)，然后iffi!A口 (25)将其送入导管(12)。
7. 根据权利要求1戶脱的方法，其特征在于，在願空间(22)之中舰由一个 喷射管(15)和一个文腿喷嘴(16)构成的真空喷射泵，将在压力容器(1)夕卜侧经 过冷却后的流体直接或者将其混合来自底层空间(22)的流体之后送入导管(12)之 中。
8. 根据权利要求1戶舰的方法，其特征在于，禾拥(两个彼此平行布置的环形间 隙(9， 17)中的)自然对流^Z1—个完全布置于隔热体(8)之外的外侧循环回路(20) 进一步优化快速 賴卩效果。
9. 根据权禾腰求1戶腿的方法，其牛射寺征在于，从炉料区(19)的环流(23)中 流出的流体在炉料区(19)下方经由隔热体(8)中的通孔(14)进入外侧循环回路(20)之中，并且与外侧循环回路(20)中的流体混合，接着在环流作用下流乡，力容器(1) 的壁面，^^低温流体经由通孔(14)回流到炉料区(19)下方。
10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，流体可以通过垂直通孔(7) 从炉料区(19)和/或从水平通孔(7) ^A底层空间(22)之中。
11. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从喷嘴(13)喷出的低温流 亍枯iSA炉料区(19)之前被喷入导流装置(27)之中，导流装置(27)在靠近隔热 体(8)壁面的夕卜侧区域内将低温流体送往炉料区(19)。
12. 根据权利要求1戶脱的方法，辦征在于，从喷嘴(13)喷出的低温流 亍枯iSA炉料区(19)之前被喷入导織置(27)之中，在导流装置(27)在靠近隔 热体(8)壁面的夕卜侧区域内将低温流体送往炉料区(19)之前，导織置(27)内产 生第一旋流。
13. —种用于实施权禾腰求1戶腿方法的热等静压机，由一个压力容器(l) 构成，压力容器内部有炉料区(19)以及布置于其间的隔热体(8)，且在隔热体(8) 范围内有加热元件(4)以及炉料(18)布置于炉料托板(6)上，其特征在于，在压 力容器(1)之内至少有一个导管(12)与炉料区(19)内部的至少一个喷嘴(13)相 连，且供应给该导管(12)的流^m^低于炉料区(19)中的流体和/^):户料(18)。
14. 根据权利要求13所述的热等静压机，其特征在于，喷嘴(13)的出流 方向布置成水平和/或与压力容器(1)的中轴线(26)相切。
15. 根据权利要求13或14所述的热等静压机，其特征在于，喷嘴(13) 的出流方向与中轴线(26)相切，并且向下或者向上与水平线斜交。
16. 根据，权利要求13 15中任一项所述的热等静压机，其特征在于， 导管(12) i!A并^或者穿过底层空间(22)。
17. 根据，权利要求13 16中任一项戶，的热等静压机，其特征在于， 在底层空间(22)中安装有用来从底层空间(22)将流体供应给导管(12)的循环装 置(5)。
18. 根据Jl^权利要求13 17中任一项所述的热等静压机，其特征在于， 在底层空间(22)中有一个用来输送7賴P流体的入口 (25)。
19. 根据±^权利要求13 18中任一项所述的热等静压机，其特征在于， 在底层空间(22)中有一个出口 (24)，该出口与压力容器(1)之外的一个流体7賴口器(10)以^/或者与一个压縮机(11)相连，且最终与入口 (25)相连。
20. 根据，权利要求13 19中任一项所述的热等静压机，其特征在于， 在底层空间(22)中安装有一个由喷射管(15)和文丘里喷嘴(16)构成的真空喷射 泵，且喷射管与入口 (25)相连。
21. 根据±3^权利要求13 20中任一项所述的热等静压机，其特征在于， 隔热体(8)夕刚具有一个上、下均有通孔的导流板(21)形成一个环状间隙(9)。
22. 根据战权利要求13 21中任一项戶舰的热等静压机，其特征在于， 在炉料区(19)和底层空间(22)之间的隔热体(8)之中布置有若干通 L (14)。
23. 根据，权利要求13 22中任一项所述的热等静压机，其特征在于， 在炉料区(19)禾B/或者环形腔(17)与底层空间(22)之间布置有轩通孔(7)。
24. 根据，权利要求13 23中任一项所述的热等静压机，其特征在于， 在炉料区(19)和喷嘴(13)之间安装有至少由一个水平板构成的导流装置(27)。
全文摘要
本发明涉及一种热等静压机快速冷却方法，所述热等静压机由一个压力容器(1)构成，压力容器内部有炉料区(19)以及布置于其间的隔热体(8)，且在隔热体(8)范围内有加热元件(4)以及炉料(18)布置于炉料托板(6)上，该方法的特征在于在压力容器(1)的炉料区(19)内部通过至少一个喷嘴(13)喷入流体形成旋流(23)，流体在旋流(23)经过隔热体(8)附近的过程中与炉料(18)附近的流体混合，且从喷嘴(13)流出的流体其温度低于炉料区(19)中的流体或者炉料(18)。在本发明所推荐的热等静压机中，在压力容器(1)之内至少有一个导管(12)与炉料区(19)内的至少一个喷嘴(13)相连，并且给导管(12)供应低温流体。
文档编号B22F3/15GK101347837SQ20081021473
公开日2009年1月21日 申请日期2008年5月21日 优先权日2007年5月22日
发明者M·格拉夫 申请人:迪芬巴赫有限两合公司