ГАЗОСТАТ Российский патент 2011 года по МПК B22F3/15 

Изобретение относится к оборудованию для обработки материалов при высоких давлениях и температурах и наиболее эффективно может быть использовано для компактирования изделий из гранул и порошков различных материалов, для залечивания пор в отливках и для диффузионной сварки материалов.

Аналогом заявляемого технического решения является газостат, описанный в статье Peter E.Price. Hot isostatic pressing equipment and applications. MPR, 1984, №1 p.p.29-30, оснащенный системой ускоренного охлаждения, разработанной фирмой «Индастриал материалз технолоджи» США. Газостат включает контейнер с пробками, газовый привод, теплоизоляцию рабочего пространства (колпак и донную часть), нагреватель. Камера нагрева газостата выполнена в виде открытого сверху стакана. Нагреватели установлены в пространстве между стенками камеры нагрева и термоизоляционным колпаком. Устройство оснащено внешним теплообменником и газовым насосом. При охлаждении холодный газ из внешнего теплообменника с помощью газового насоса через газовый ввод в нижней пробке контейнера нагнетается в пространство между колпаком и стенками камеры нагрева. Проходя через нагреватель, газ поступает сверху внутрь рабочего пространства, охлаждает заготовки и через отверстие в дне этой камеры и газовый ввод нижней пробки контейнера поступает по трубопроводу в теплообменник.

Основным недостатком аналога является низкая стойкость керамических деталей нагревателя, которые при резком охлаждении испытывают тепловой удар и преждевременно разрушаются, выводя нагреватель из строя. Кроме того, невозможно обеспечить равномерность температуры по всей рабочей зоне газостата при ускоренном охлаждении.

Наиболее близко к предлагаемому изобретению относится газостат с устройством для ускоренного охлаждения фирмы «Pressure technology ink.» (Патент США №4349333 от 14 сент. 1982 г., кл. B27B 5/04, заявл. 9.02.1981 г. «Газостат»), содержащий силовой контейнер, образующий рабочую камеру, герметично закрытую верхней и нижней пробками с уплотнениями и соединенную с источником давления газа через каналы в одной из пробок, теплоизоляционный колпак, охватывающий боковые нагреватели, донный нагреватель с теплоизоляцией, установленный в столе над опорной плитой нижней пробки, загрузочный стакан для обрабатываемых изделий, установленный на столе, механизм перемещения рабочего газа с приводом на нижней пробке, установленным соосно с контейнером.

Основным недостатком прототипа являются сложность конструкции, повышенные потери тепла за счет негерметичности стыков съемной крышки колпака, за счет зазора между патрубком и теплоизоляционным стаканом в верхней пробке, за счет сообщения зоны нагревателей с зоной охлаждения между колпаком и контейнером. В результате этого нагретый газ, имеющий меньшую плотность, из рабочей камеры и зоны нагревателей перемещается в холодную зону контейнера в процессе всего цикла обработки.

Задачей изобретения является создание такой конструкции газостата, которая наиболее эффективно может быть использована для компактирования изделий из гранул и порошков различных материалов, для залечивания пор в отливках и для диффузионной сварки материалов.

Задача решается тем, что газостат содержит силовой контейнер, образующий рабочую камеру, герметично закрытую верхней и нижней пробками с уплотнениями и опорной плитой и соединенную с источником давления газа через каналы в одной из пробок, теплоизоляционный колпак, охватывающий боковые нагреватели, донный нагреватель с теплоизоляцией, установленный в столе над опорной плитой нижней пробки, стол, загрузочный стакан для обрабатываемых изделий, установленный на столе, клапан с приводом, установленный на нижней пробке газостата соосно с ним, и систему циркуляции газа, при этом система циркуляции газа выполнена с приводом, установленным соосно с контейнером на нижней пробке, и расположена внутри клапана соосно с ним, привод системы циркуляции газа теплоизолирован от рабочей зоны, при этом в опорной плите выполнены каналы всасывания нагретого или охлажденного газа, соединяющие полости нагретого газа или охлажденного газа с полостью всасывания газа системы циркуляции газа, а клапан расположен с возможностью соединения в крайних положениях с каналами всасывания нагретого или охлажденного газа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является более равномерный нагрев стакана с заготовками при подъеме температуры, минимальный перепад температуры в рабочей зоне при выдержке и ускоренном охлаждении, т.е. в конечном итоге - повышение точности поддержания температуры в процессе всего цикла обработки.

Технический результат достигается за счет клапана с приводом, внутри которого расположен механизм циркуляции рабочего газа, за счет каналов всасывания газа, расположенных в опорной плите и соединяющих в крайних положениях зону всасывания механизма циркуляции рабочего газа с каналами всасывания.

В частном варианте выполнения изобретения, для дополнительного повышения равномерности нагрева стакана с заготовками, газостат снабжен кольцевым стаканом, полое дно которого установлено на опорной плите нижней пробки, а его боковая стенка размещена в зазоре между теплоизоляционным колпаком и контейнером, за счет стакана, расположенного на опорной плите, дно которого разделяет горячую зону и зону охлаждения.

Заявляемый газостат изображен в разрезе на чертеже.

В него входят водоохлаждаемые контейнер 1, верхняя 2 и нижняя 3 пробки с уплотнениями 4, имеющий несколько зон нагрева боковой нагреватель 5, донный нагреватель 6, установленный на керамической подставке 7, которая размещена в полости стола 8 на опорной плите 9 нижней пробки 3. На стол 8 устанавливается загрузочный стакан 10 с обрабатываемыми заготовками (садкой). В дне стакана 10 выполнены отверстия для подачи рабочего газа в полость стакана 10. В верхней части стакана 10 на уровне вершины верхней зоны бокового нагревателя 5 выполнены отверстия для выхода газа. Для теплоизоляции зоны нагрева от контейнера 1 предусмотрен теплоизоляционный колпак 11. В зазоре между колпаком 11 и контейнером 1 установлен стакан 12, полое дно которого закреплено на опорной плите 9 нижней пробки 3. Кроме того, на торце нижней пробки 3 в полости опорной плиты 9 установлен клапан 13 с приводом 14, соосно с которым внутри него установлен механизм 15 циркуляции рабочего газа, теплизолированный от зоны нагрева теплоизоляцией 16. Механизм 15 циркуляции рабочего газа может быть выполнен либо в виде вентилятора, либо в виде крыльчатки с приводом 17. Привод механизма 15 циркуляции газа расположен внутри корпуса 18, закрепленного так же, как и привод 17 на нижней пробке 3. Привод клапана 14 может быть электромеханическим, состоящим из электромагнита и пружины 19 возврата (как показано на чертеже) либо гидравлическим или газовым. Он также теплоизолирован от зоны нагрева теплоизоляцией 16.

В опорной плите 9 нижней пробки 3 выполнены всасывающие каналы «А» и «Б», обеспечивающие всасывание газа в полость всасывания «В» механизма 15 циркуляции газа.

Работа газостата осуществляется следующим образом. В исходном положении нижняя пробка 3 выдвинута из контейнера 1. На стол 8 нижней пробки устанавливается сменный загрузочный стакан 10 с заготовками. Нижняя пробка 3 подается в контейнер 1, герметизируя пространство внутри контейнера 1. После вакуумирования рабочего пространства, внутрь контейнера 1 закачивается рабочий газ, включаются нагреватели 5 и 6, и осуществляется нагрев до требуемой температуры. Для выравнивания температуры по диаметру и высоте садки клапан 13 периодически перемещается вниз, перекрывая канал «А». Одновременно с опусканием клапана 13 включается механизм 15 циркуляции газа, обеспечивая его перемещение из зоны боковых нагревателей 5 через каналы «Б» в зону донного нагревателя 6 и далее через отверстия в дне стакана 10 внутрь садки и затем снова в зону боковых нагревателей. После достижения рабочей температуры периодическая циркуляция газа позволяет снизить перепад температур в рабочей зоне газостата.

После завершения выдержки, для ускоренного охлаждения садки, нагрев отключается, клапан 13 поднимается пружиной 19 возврата, перекрывая каналы «Б» и открывая всасывающие каналы «А». При включенном механизме 15 циркуляции газа охлажденный газ от стенки контейнера 1 через всасывающий канал «А» поступает в полость всасывания «В» механизма 15 циркуляции газа и далее через отверстия в дне стакана 10 в зону с заготовками, охлаждая их. Затем газ через зону боковых нагревателей 5 поступает в зазор между теплоизоляционным колпаком 11 и стаканом 12, а далее в зазор между стаканом 12 и водоохлаждаемым контейнером 1, в котором и происходит охлаждение газа с максимальной скоростью. Перемещение газа при ускоренном охлаждении на чертеже обозначено стрелками. Если требуется контролируемое охлаждение с определенным перепадом температур, то охлаждение производят при постепенном снижении мощности нагрева и периодическом опускании клапана 13, обеспечивающим циклическую подачу газа в полость всасывания «В» механизма 15 циркуляции газа, то из зоны нагрева боковых нагревателей 5 через каналы «Б», то из зоны охлажденного газа через каналы «А».

После охлаждения заготовок до требуемой температуры газ откачивается в баллонную станцию, нижняя пробка опускается, и заготовки извлекаются из загрузочного стакана 10.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить точность нагрева, обеспечивая минимальный перепад температур, как при подъеме температуры, так и при выдержке, а также позволяет проводить контролируемое ускоренное охлаждение с требуемой скоростью охлаждения и допустимым перепадом температуры по высоте садки за счет:

- снабжения газостата клапаном с приводом, внутри которого соосно с ним расположен механизм циркуляции газа, привод которого теплоизолирован от рабочей зоны и укреплен так же, как и клапан на нижней пробке;

- снабжения газостата кольцевым стаканом, полое дно которого установлено на опорной плите нижней пробки, а боковая стенка размещена в зазоре между колпаком и контейнером;

- размещения в опорной плите каналов всасывания, соединяющих полости нагретого газа над дном и холодного газа под дном стакана с полостью всасывания механизма циркуляции газа;

- расположения клапана с возможностью соединения в крайних положениях с каналами всасывания нагретого или охлажденного газа.

Изобретение относится к газостатическому оборудованию для обработки материалов при высоких давлениях и температурах. Газостат содержит силовой контейнер, образующий рабочую камеру, герметично закрытую верхней и нижней пробками с уплотнениями и опорной плитой и соединенную с источником давления газа через каналы в одной из пробок, теплоизоляционный колпак, охватывающий боковые нагреватели, донный нагреватель с теплоизоляцией, установленный в столе над опорной плитой нижней пробки, стол, загрузочный стакан для обрабатываемых изделий, установленный на столе, клапан с приводом, установленный на нижней пробке газостата соосно с ним, и систему циркуляции газа, которая выполнена с приводом, установленным соосно с контейнером на нижней пробке и расположена внутри клапана соосно с ним, привод системы циркуляции газа теплоизолирован от рабочей зоны, при этом в опорной плите выполнены каналы всасывания нагретого или охлажденного газа, соединяющие полости нагретого газа или охлажденного газа с полостью всасывания газа системы циркуляции газа, а клапан расположен с возможностью соединения в крайних положениях с каналами всасывания нагретого или охлажденного газа. В частном варианте выполнения изобретения газостат может быть снабжен кольцевым стаканом, полое дно которого установлено на опорной плите нижней пробки, а его боковая стенка размещена в зазоре между теплоизоляционным колпаком и контейнером. Периодическое переключение клапана в процессе охлаждения позволяет поддерживать требуемую скорость охлаждения при минимальном перепаде температур в рабочей зоне газостата и повысить точность поддержания температуры при нагреве, выдержке и ускоренном охлаждении обрабатываемых материалов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газостат, содержащий силовой контейнер, образующий рабочую камеру, герметично закрытую верхней и нижней пробками с уплотнениями и опорной плитой и соединенную с источником давления газа через каналы в одной из пробок, теплоизоляционный колпак, охватывающий боковые нагреватели, донный нагреватель с теплоизоляцией, установленный в столе над опорной плитой нижней пробки, стол, загрузочный стакан для обрабатываемых изделий, установленный на столе, клапан с приводом, установленный на нижней пробке газостата соосно с ним, и систему циркуляции газа, отличающийся тем, что система циркуляции газа выполнена с приводом, установленным соосно с контейнером на нижней пробке, и расположена внутри клапана соосно с ним, привод системы циркуляции газа теплоизолирован от рабочей зоны, при этом в опорной плите выполнены каналы всасывания нагретого или охлажденного газа, соединяющие полости нагретого газа или охлажденного газа с полостью всасывания газа системы циркуляции газа, а клапан расположен с возможностью соединения в крайних положениях с каналами всасывания нагретого или охлажденного газа.

2. Газостат по п.1, отличающийся тем, что снабжен кольцевым стаканом, полое дно которого установлено на опорной плите нижней пробки, а его боковая стенка размещена в зазоре между теплоизоляционным колпаком и контейнером.