ПРЕСС ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH-PRESSURE MOULDING MACHINE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к прессу высокого давления для удержания прессуемых изделий. В частности, изобретение относится к охлаждению электродвигателя, предусмотренного в прессе высокого давления.
Характеристика предшествующего уровня техники
Прессы высокого давления часто используются для уплотнения порошкообразных или литых материалов, например, таких как применяемые в лопатках турбин, для достижения устранения пористости материала. Таким образом, прессование применяется к изделию, размещенному в прессе, чтобы существенно увеличить срок службы и прочность этого изделия, в частности усталостную прочность. Еще одной областью применения является производство изделий, которые должны быть максимально плотными и иметь поверхности без пор, посредством сжатия порошка.
Изделие, подвергаемое обработке с помощью прессования под высоким давлением, располагают в загрузочном отсеке камеры давления. После загрузки камеру герметизируют и вводят находящуюся под давлением рабочую среду - либо жидкость, либо газ - в камеру давления и ее загрузочный отсек. Затем увеличивают давление и температуру находящейся под давлением рабочей среды, так что изделие подвергается воздействию повышенного давления и повышенной температуры в течение выбранного периода времени. Нагревание обычно обеспечивают посредством нагревательного элемента или печи, расположенного или расположенной в печной камере камеры давления.
Давления, температуры и времена обработки зависят, например, от таких факторов, как свойства материала изделия, подлежащего обработке, области применения, требуемого качества обработанного изделия и т.п. Прикладываемые давления и температуры в типичном случае могут находиться в диапазоне от 20 до 500 МПа (от 200 до 5000 бар) и от 300 до 3000°C соответственно. Когда прессование изделий заканчивается, зачастую нужно охлаждать изделия перед их выемкой или выгрузкой из камеры давления.
Обработка изделий посредством прессования под высоким давлением является дорогостоящей, в частности, вследствие затрат, связанных со временем пребывания изделий в камере давления. Поэтому были предприняты усилия с целью обеспечить более эффективное нагревание и охлаждение изделий для сокращения времен пребывания, по-прежнему удовлетворяя при этом требования к свойствам нагревания и охлаждения, например, таким как градиенты температуры в конкретных пределах.
Чтобы достичь усовершенствованного нагревания и охлаждения изделий в камере давления, предпочтительно предусмотреть циркуляцию находящейся под давлением рабочей среды в камере. Эту циркуляцию можно воплощать с применением или без применения механических вспомогательных средств. При использовании циркуляции без механических вспомогательных средств обеспечивают конвекцию тепла и его перераспределение благодаря существующим или стимулируемым разностям температур, например, когда нагревают или охлаждают внешнюю стенку. Таким образом, циркуляция основана на соблюдении закономерности, в соответствии с которой более холодная текучая среда течет вниз, а более теплая текучая среда поднимается.
Пример такого пресса высокого давления с конвекцией тепла описан в патентном документе DE3833337. Однако проблема, связанная с такой компоновкой, заключается в том, что трудно управлять циркуляцией тепла, связанной с циркуляцией находящейся под давлением рабочей среды.
Чтобы преодолеть эту проблему, можно использовать механические вспомогательные средства, такие как вентилятор, чтобы улучшить циркуляцию находящейся под давлением рабочей среды. В патентном документе US7011510 указано, что вентилятор, перемешивающий газообразную, находящуюся под давлением рабочую среду, приводится в действие электродвигателем, чтобы стимулировать одинаковость температур внутри камеры пресса, где заключены изделия.
Благодаря высоким температурам и предельным давлениям, прикладываемым в прессе высокого давления во время работы, оборудование, предусмотренное в камере давления, должно удовлетворять высоким требованиям по долговечности, выносливости, работоспособности и т.п. Это суждение особенно справедливо для электродвигателя, предусмотренного в камере давления, в которой КПД электродвигателя восприимчив к условиям пресса высокого давления при работе. Таким образом, важно, чтобы электродвигатель, предусмотренный в прессе высокого давления, удовлетворял рабочим условиям, таким как срок службы, что позволило бы увеличить срок службы электродвигателя и тем самым избежать дорогостоящих перерывов в работе и/или трудоемкого технического обслуживания.
Однако с компоновкой, описанной в упомянутом патентном документе, связана проблема, заключающаяся в том, что электродвигатель привода перемешивающего вентилятора не пригоден для рабочих условий пресса высокого давления. Более конкретно эта компоновка страдает ненадежной работой электродвигателя, поскольку электродвигатель подвержен, например, поломкам и/или КПД двигателя является низким.
Сущность изобретения
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы смягчить вышеупомянутые проблемы и разработать пресс высокого давления, который обеспечивает улучшенную работу электродвигателя внутри камеры пресса во время эксплуатации электродвигателя.
Решение этой и других задач достигается путем разработки системы электродвигателя, имеющей признаки, охарактеризованные в независимом пункте формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с данным изобретением, поставленная задача решается с помощью пресса высокого давления, содержащего сосуд высокого давления, ограждающий камеру высокого давления для удержания изделий, подлежащих прессованию, и находящейся под высоким давлением рабочей среды, причем камера высокого давления выполнена с возможностью нагревания во время работы пресса высокого давления, корпус, имеющий стенку корпуса, причем корпус предусмотрен внутри камеры пресса высокого давления для отделения некоторого объема от камеры пресса высокого давления, при этом корпус выполнен с возможностью удержания текучей среды, вентилятор, расположенный в камере пресса высокого давления снаружи корпуса, для циркуляции находящейся под высоким давлением рабочей среды в камере пресса высокого давления, электродвигатель, расположенный в корпусе, причем электродвигатель оперативно соединен с вентилятором для привода вентилятора, охлаждающее устройство, выполненное с возможностью охлаждения участка стенки корпуса, и насосное устройство, выполненное с возможностью циркуляции упомянутой текучей среды внутри корпуса с прохождением мимо упомянутого участка стенки корпуса, который охлаждается охлаждающим устройством, и прохождения мимо электродвигателя, так что эта текучая среда обеспечивает перенос холода от этого участка стенки корпуса к электродвигателю для охлаждения электродвигателя.
Таким образом, пресс высокого давления согласно данному изобретению основан на идее обеспечения улучшенной работы электродвигателя, расположенного в прессе, для циркуляции находящейся под высоким давлением рабочей среды камере пресса. Чтобы обеспечить подходящее рабочее состояние для электродвигателя в прессе высокого давления, нужно охлаждать электродвигатель. Это осуществляется посредством циркуляции текучей среды внутри корпуса в камере пресса высокого давления, причем в этом корпусе предусмотрен электродвигатель. Насосное устройство, выполненное с возможностью циркуляции текучей среды внутри корпуса, дает текучей среде возможность переносить холод от участка стенки корпуса, который охлаждается охлаждающим устройством, к электродвигателю. Корпус ограничивает пространство для циркуляции текучей среды в камере пресса. Кроме того, корпус отделяет операцию охлаждения электродвигателя от камеры пресса. За счет этого можно обеспечить более эффективное охлаждение электродвигателя.
Таким образом, в данном изобретении предложено усовершенствование работы электродвигателя в прессе по сравнению с известным уровнем техники. Вследствие этого можно обойти некоторые препятствия, например, такие как пониженный КПД двигателя, дополнительные затраты на ремонт и/или перерывы в работе электродвигателя.
Термин «камера пресса высокого давления» означает камеру, подвергающуюся воздействию давления внутри камеры во время работы, например, такую как камера пресса для горячего изостатического прессования.
Корпус, предусмотренный внутри камеры пресса высокого давления, по существу, отделяет внутренность корпуса от камеры пресса. Это выгодно, поскольку пространство для циркуляции текучей среды, ограничиваемое корпусом внутри камеры пресса, ограничено корпусом. За счет этого работа электродвигателя становится эффективнее.
Корпус выполнен с возможностью удержания текучей среды. Этой текучей средой для пресса высокого давления может быть газ, такой как аргон, азот или аналогичный газ, который под высоким давлением находится в жидком состоянии. В качестве примера отметим, что стенки можно сконструировать таким образом, что появится возможность избежать любой нежелательной утечки текучей среды сквозь стенки корпуса.
Термин «корпус» можно было бы в этом контексте воспринимать как кожух, оболочку, крышку или аналогичное средство, посредством которого достигается решение задач данного изобретения. В возможном варианте осуществления согласно данному изобретению материалом корпуса является медь. Вместе с тем подходяще варианты осуществления могут предусматривать любой другой материал со свойствами, аналогичными меди.
Вентилятор, расположенный в камере пресса высокого давления, предусмотрен снаружи корпуса. Назначение вентилятора состоит в том, чтобы улучшить конвекцию путем принудительной циркуляции находящейся под давлением рабочей среды, подаваемой к изделиям в камере пресса высокого давления. С тем же успехом вместо вентилятора возможны центробежный насос, турбина, крыльчатка или аналогичное средство, с помощью которого решается задача циркуляции находящейся под давлением рабочей среды в камере пресса снаружи корпуса.
Электродвигатель, расположенный в корпусе, оперативно соединен с вентилятором для привода вентилятора. Вследствие этого во время работы электродвигателя внутри корпуса вентилятор, расположенный в камере пресса, тоже работает. Поэтому термин «оперативно соединен» можно рассматривать как интерпретирующий непосредственную передачу вращения от ротора внутри электродвигателя к вентилятору либо косвенную передачу от электродвигателя к вентилятору посредством вала электродвигателя или аналогичного средства.
Электродвигатель может быть, например, индукционным электродвигателем или аналогичным электродвигателем, известным в данной области техники, в котором статор вращает ротор во время работы электродвигателя. Однако электродвигатель, предусмотренный в камере пресса высокого давления и подвергающийся воздействию высоких давлений и высоких температур, может иметь дополнительные признаки, вследствие которых этот электродвигатель оказывается более приспособленным к использованию в камере пресса.
В соответствии с возможным вариантом осуществления согласно данному изобретению, электродвигатель может быть относительно плоским, чтобы оптимизировать пространство камеры пресса. Это выгодно с учетом того, что можно обеспечить большее пространство для обработки изделий в камере. В альтернативном варианте камеру пресса можно сделать меньшей, чтобы сэкономить средства, связанные с иногда дорогостоящими материалами, часто используемыми в стенках прессов высокого давления, например, такими как молибден.
Компоненты электродвигателя можно выполнить такими, что они будут выдерживать высокие температуры и предельные давления, которые могут присутствовать в камере пресса высокого давления во время работы. В качестве примера отметим, что компоненты электродвигателя, такие как роторы, статоры, подшипники, оси и т.д., могут иметь избыточные размеры и/или могут быть выполнены из таких материалов, что электродвигатель окажется способным работать в тяжелых условиях камеры пресса во время его эксплуатации. За счет этого еще больше увеличивается срок службы электродвигателя, что вносит вклад в работу пресса высокого давления.
Охлаждающее устройство пресса высокого давления выполнено с возможностью охлаждения участка стенки корпуса. Иными словами, охлаждающее устройство переносит холод к стенке корпуса во время работы, так что участок стенки корпуса охлаждается.
Охлаждающее устройство системы электродвигателя может быть, например, блоком, пластиной или аналогичным компонентом, посредством которого можно подавать охлаждающую среду. Охлаждающее устройство может иметь любую форму и размеры, подходящие для выполнения функции охлаждения участка стенки корпуса.
Охлаждающий блок и стенка корпуса могут находиться в непосредственном физическом контакте, вследствие чего можно обеспечить перенос холода непосредственно от охлаждающего блока к стенке корпуса. В альтернативном варианте охлаждающий блок и участок стенки корпуса могут быть разделены. С учетом этого можно обеспечить перенос холода от охлаждающего блока к стенке корпуса посредством теплопроводящей среды, теплопроводящего элемента или аналогичным образом, вследствие чего и будет охлаждаться участок стенки корпуса.
В этом контексте термин «стенка корпуса» следует понимать как любую часть корпуса, которая ограничивает корпус, т.е. нижнюю, боковую, верхнюю или аналогичную часть. Участок стенки корпуса может иметь произвольные размеры, т.е. участок стенки корпуса может составлять значительную часть стенки корпуса, а также незначительную часть стенки корпуса.
Насосное устройство пресса высокого давления выполнено с возможностью циркуляции текучей среды внутри корпуса с прохождением мимо участка стенки корпуса, который охлаждается охлаждающим блоком, и мимо электродвигателя. Таким образом, насосное устройство выполнено с возможностью обеспечения циркуляции текучей среды внутри корпуса с прохождением мимо участка стенки корпуса и электродвигателя, а затем обратно к участку стенки корпуса во время работы электродвигателя. За счет этого насосное устройство создает циркуляцию текучей среды, которая обеспечивает перенос холода от участка стенки корпуса к электродвигателю для охлаждения электродвигателя.
Преимущество, достигаемое с помощью насосного устройства, заключается в том, что это устройство движет текучую среду, заставляя ее циркулировать, что приводит к улучшению теплообмена с помощью текучей среды по сравнению с циркуляцией, являющейся результатом конвекции без каких-либо механических вспомогательных средств. Следовательно, с помощью насосного устройства передача холода от участка стенки корпуса к электродвигателю происходит эффективнее, что улучшает охлаждение электродвигателя.
Участок стенки корпуса, охлаждаемый охлаждающим блоком, обеспечивает перенос холода в текучую среду. Поэтому участок стенки корпуса может быть выполнен из материала, обладающего свойствами высокой электропроводности. Этот вариант осуществления имеет преимущество, заключающееся в том, что перенос холода из охлаждающего блока в текучую среду становится эффективнее.
Прохождение текучей среды мимо участка стенки корпуса можно интерпретировать так: текучая среда проходит мимо участка стенки корпуса таким образом, что участок стенки корпуса может обеспечить перенос холода в текучую среду. В качестве примера отметим, что текучая среда может проходить в непосредственной близости к участку стенки корпуса, вследствие чего можно даже достичь еще более эффективного переноса холода.
Аналогичным образом прохождение текучей среды мимо электродвигателя можно интерпретировать так: текучая среда проходит мимо электродвигателя таким образом, что текучая среда может обеспечить перенос холода к электродвигателю. В качестве примера отметим, что текучая среда может проходить в непосредственной близости к электродвигателю, что еще больше увеличивает эффективность переноса холода для охлаждения электродвигателя.
В этом контексте термин «циркуляция» следует понимать так, что насосное устройство выполнено с возможностью циркуляции текучей среды в пределах корпуса внутрь, по существу, с циклическим возвратом внутрь к участку корпуса. Однако следует отметить, что циркуляция текучей среды может прерываться из-за турбулентности, конвекции или аналогичного явления.
Направленность текучей среды можно обеспечить таким образом, что циркуляцию текучей среды будет обуславливать конструкция корпуса. В качестве примера отметим, что корпус можно выполнить так, что текучая среда, циркуляция которой осуществляется с помощью насосного устройства, будет направлена с обеспечением оптимизации, например, таких факторов, как положение текучей среды внутри корпуса, расход текучей среды и т.п. За счет этого прохождение мимо участка стенки корпуса и/или прохождение мимо электродвигателя может улучшить перенос холода от текучей среды к электродвигателю во время циркуляции текучей среды.
В альтернативном варианте текучую среду можно направлять, по меньшей мере, на протяжении части циркуляции посредством труб, трубок, трубопроводов или аналогичных средств с тем, чтобы в большей степени управлять, например, такими характеристиками циркуляции текучей среды, как положение и/или расход текучей среды.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, насосное устройство расположено в корпусе, причем это насосное устройство оперативно соединено с электродвигателем.
Преимущество насосного устройства, расположенного в корпусе, заключается в том, что эффективность циркуляции текучей среды в корпус повышается по сравнению, например, с насосным устройством, предусмотренным снаружи корпуса.
Насосное устройство, оперативно соединенное с электродвигателем, приводит к тому, что электродвигатель для обеспечения работы, например, перемешивающего вентилятора, способствующего одинаковости температур внутри камеры пресса, также приводит в действие насосное устройство для циркуляции текучей среды в корпусе. Это дополнительно улучшает функционирование пресса высокого давления, поскольку электродвигатель одновременно может приводить в действие вентилятор снаружи корпуса и насосное устройство в корпусе. Следовательно, любые устройства, например, такие как вспомогательные электродвигатели, предусматриваемые для вращения насосного устройства и работающие независимо друг от друга по сравнению с предлагаемым электродвигателем, можно исключить. Это дает преимущество пресса высокого давления, который дешевле, проще в изготовлении, меньше зависит от дорогостоящего и/или трудоемкого технического обслуживания.
Термин «оперативно соединенный» можно рассматривать как интерпретирующий, например, тот факт, что вращение ротора внутри электродвигателя приводит в действие насосное устройство. Соединение между электродвигателем и насосным устройством может быть непосредственным, вследствие чего угловая частота ротора электродвигателя будет линейно соответствовать рабочей частоте насосного устройства. В альтернативном варианте можно предусмотреть редукторное устройство между электродвигателем и насосным устройством.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, охлаждающий блок предусмотрен снаружи камеры пресса высокого давления. Здесь слово «снаружи» означает, что охлаждающий блок отделен от высокого давления внутри камеры пресса высокого давления во время работы. Это выгодно, поскольку охлаждающий блок может быть чувствительным к условиям высокого давления и высоких температур в камере пресса во время работы пресса высокого давления.
Кроме того, охлаждающий блок, предусмотренный снаружи камеры пресса, может эффективнее сохранять свою температуру по сравнению с охлаждающим блоком, подвергающимся воздействию высокотемпературной среды камеры пресса, например, в период пребывания в прессе. Избегая воздействия высокого давления на охлаждающий блок, можно также улучшить свойства охлаждения, присущие охлаждающему блоку. В качестве примера отметим, что охлаждающая среда, подвергающаяся воздействию высокого давления, увеличивает свою температуру, тем самым ухудшая свои свойства охлаждения.
За счет этого, когда на охлаждающий блок действует давление, можно избежать влияния на него тех вредных воздействий, которые приводят к уменьшенной эффективности охлаждения и/или сокращенному сроку службы. Таким образом, изолируя охлаждающий блок от камеры пресса, можно даже получить еще более усовершенствованный пресс высокого давления.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, охлаждающее устройство заключено в стенке корпуса. В качестве примера отметим, что охлаждающее устройство может быть заключено в нижней стенке корпуса.
Преимущество, достигаемое с помощью охлаждающего устройства, заключенного в стенке корпуса, состоит в том, что улучшается перенос холода от охлаждающего устройства к стенке корпуса. Это осуществляется с учетом того, что охлаждающий блок, предусмотренный снаружи стенки корпуса, может обуславливать потерю эффективности переноса холода между охлаждающим блоком и стенкой корпуса. Кроме того, охлаждающее устройство может быть выполнено из такого материала, как медь, сталь или аналогичный материал, чтобы дополнительно способствовать переносу холода к стенке корпуса.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, охлаждающий блок содержит трубопровод, выполненный с возможностью проведения по нему охлаждающей жидкости, такой как вода, или аналогичной жидкости. Предусматривая трубопровод внутри охлаждающего блока, можно избежать ситуации, в которой трубопровод окажется подверженным воздействию давления. Преимущество использования воды заключается в том, что она дешева и легкодоступна. В этом контексте термин «трубопровод» следует понимать как трубу, канал, трубку или аналогичное средство, так что по этому трубопроводу может проходить охлаждающая жидкость. В качестве примера отметим, что трубопровод может иметь форму эвольвенты, такую как подобная криволинейной спиральной форме трубопровода. Одно преимущество такой конструкции заключается в том, что улучшается перенос холода из трубопровода, поскольку эвольвента обеспечивает относительно равномерный перенос холода в охлаждающий блок.
Материал трубопровода может быть любым материалом, который способствует обеспечению охлаждающим блоком переноса холода от охлаждающего блока к участку стенки корпуса. В качестве примеров такого материала можно привести теплопроводный материал, такой как медь, алюминий, сталь или аналогичный материал.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, участок стенки корпуса, по меньшей мере, частично огражден изолирующим материалом с целью термоизоляции участка стенки корпуса от камеры пресса высокого давления. В этом контексте термин «изолирующий материал» следует понимать как материал, обладающий низкой удельной теплопроводностью, так что этот изолирующий материал термически отделяет, по меньшей мере, один участок корпуса от камеры.
За счет этого упомянутый, по меньшей мере, один участок корпуса можно изолировать, например, от высокой температуры в камере. В качестве примера отметим, что температура в камере рядом с корпусом может превышать 300°C во время работы, а температура в корпусе может составлять приблизительно 70°C. Изолирующий материал может быть предусмотрен, например, в стенках и в верхушке корпуса. Изолирующим материалом может быть керамическая ткань, керамическое волокно, стекловолокно или аналогичный материал. Эти материалы или материалы другого сорта дополнительно улучшают изолирующие свойства участка стенки корпуса, так что между участком стенки корпуса и камерой обеспечивается термическое разделение.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, корпус имеет отверстие для обеспечения сообщения по текучей среде между корпусом и камерой пресса высокого давления. Упомянутое, по меньшей мере, одно отверстие может быть малым отверстием и предусматривать наличие клапана, жалюзи или аналогичного средства для обеспечения прохождения текучей среды между пространствами внутри и снаружи корпуса через это отверстие.
Обеспечивая прохождение текучей среды, отверстие также способствует выравниванию давлений между камерой пресса и внутренним пространством корпуса. В качестве примера отметим, что если давление в камере выше, чем во внутреннем пространстве корпуса, находящаяся под высоким давлением рабочая среда, предусмотренная в камере пресса, может проходить во внутреннее пространство корпуса, так что давления в камере и во внутреннем пространстве корпуса оказываются ближе друг к другу. Аналогичным образом, если давление во внутреннем пространстве корпуса выше, чем давление в камере пресса, текучая среда может проходить из внутреннего пространства корпуса в камеру, так что обеспечивается выравнивание давления между камерой пресса и внутренним пространством корпуса.
Отверстие корпуса для установления выравнивания давлений является желательным с учетом возможных поломок или разрывов корпуса из-за разностей давлений во время работы камеры. В качестве примера отметим, что если бы давление в камере пресса оказалось значительно выше, чем давление во внутреннем пространстве корпуса, то неспособность корпуса к установлению выравнивания давлений могла бы привести к поломке корпуса. Такая поломка могла бы иметь серьезные последствия в контексте затрат на техническое обслуживание, перебоев в эксплуатации и т.п. Аналогичным образом, если бы давление во внутреннем пространстве корпуса оказалось бы значительно выше, чем давление в камере пресса, то корпус мог бы разорваться, что могло бы привести к таким же негативным последствиям, как упомянутые ранее.
Отверстию можно придать такую форму, которая обеспечит желаемое сообщение по текучей среде между корпусом и камерой пресса. В качестве примера отметим, что отверстие можно сделать маленьким или большим, чтобы тем самым обеспечить высокую скорость текучей среды или низкую скорость текучей среды в отверстии.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, текучая среда в корпусе является той же самой, что и находящаяся под высоким давлением рабочая среда в камере пресса высокого давления. Это выгодно с учетом того, что в камере пресса и в корпусе можно использовать одну и ту же текучую среду. Это обуславливает тот факт, что находящаяся под высоким давлением рабочая среда, предусматриваемая в камере и подаваемая на изделия, также может служить в качестве текучей среды в корпусе, обеспечивающей охлаждение электродвигателя. Таким образом, пресс высокого давления упрощается, поскольку любые меры по обеспечению вспомогательной среды для охлаждения электродвигателя оказываются излишними.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, внутри корпуса предусмотрен направляющий элемент для направления текучей среды во время циркуляции текучей среды, причем направляющий элемент обеспечивает канал между направляющим элементом и стенкой корпуса и канал между направляющим элементом и электродвигателем, а эти каналы обеспечивают прохождение текучей среды. В данном случае, направляющий элемент следует понимать как элемент, направляющий текучую среду для прохождения ее между направляющим элементом и стенкой корпуса, а также между направляющим элементом и электродвигателем.
Таким образом, направляющий элемент может улучшать направленность циркулирующей текучей среды, так что можно достичь даже еще лучшего охлаждения электродвигателя. В качестве примера отметим, что форма направляющего элемента оптимизирует путь, идя по которому текучая среда вступает в контакт с компонентами электродвигателя. Более того, направляющий элемент может экранировать текучую среду вблизи электродвигателя, тем самым снижая нежелательную турбулентность или аналогичные явления.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, направляющий элемент снабжен впускным отверстием в основании направляющего элемента и выпускным отверстием у верхушки направляющего элемента, при этом насосное устройство перекачивает текучую среду от впускного отверстия к выпускному отверстию во время работы электродвигателя. За счет впускного отверстия в основании направляющего элемента и выпускного отверстия у верхушки направляющего элемента направленность текучей среды посредством направляющего элемента способствует даже еще лучшему охлаждению электродвигателя, поскольку текучая среда направляется так, что проходит мимо большего участка электродвигателя.
Кроме того, за счет перекачивания текучей среды от основания к верхушке направляющего элемента, например в вертикальном направлении, еще больше улучшается конвекция. Это происходит, поскольку текучая среда, нагреваемая электродвигателем, поднимается, становясь еще лучшим движителем конвекции.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, направляющий элемент представляет собой кожух, корпус, крышку или аналогичный элемент, посредством которого достигается решение задач данного изобретения. В возможном варианте осуществления согласно данному изобретению, материалом направляющего элемента является сталь. Однако подходящими вариантами осуществления может быть предусмотрен любой другой материал со свойствами, аналогичными стали.
Направляющий элемент вносит дополнительный вклад в охлаждение электродвигателя, поскольку он может вносить существенное различие между температурами во внутреннем пространстве направляющего элемента и внутреннем пространстве корпуса. В качестве примера отметим, что температура в корпусе может составлять приблизительно 70°C во время работы, а температура в направляющем элементе может составлять приблизительно 150°C.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, электродвигатель содержит ротор, выполненный с возможностью вращения вокруг оси, и статор, по меньшей мере, частично ограждающий ротор в плоскости, перпендикулярной оси, причем статор отделен от ротора и направляющего элемента в плоскости, перпендикулярной оси, тем самым образуя первый канал между статором и ротором, второй канал между статором и направляющим элементом и третий канал между обмотками статора, при этом первый и второй каналы параллельны оси, а третий канал перпендикулярен оси, причем эти каналы обеспечивают прохождение текучей среды во время циркуляции текучей среды.
Таким образом, направляющий элемент разделяет текучую среду, циркуляция которой осуществляется с помощью насосного устройства, так, что она проходит по первому каналу между статором и ротором и во втором канале между статором и направляющим элементом. Между первым и вторым каналами предусмотрен третий канал для текучей среды между обмотками статора. В качестве примера отметим, что первый канал и второй канал могут быть выполнены так, что направление текучей среды в этих каналах окажется, по существу, вертикальным. Аналогичным образом третий канал может быть выполнен так, что направление текучей среды в этом канале окажется, по существу, горизонтальным.
При наличии ротора цилиндрической формы и статора цилиндрической формы, ограждающего ротор, первый канал ограничен внешним радиусом ротора и внутренним радиусом статора, вследствие чего и образуется цилиндр с внешним и внутренним радиусами. Расстояние между статором и ротором оптимизировано таким образом, что канал текучей среды оказывается достаточно широким, чтобы обеспечить охлаждение статора за счет обеспечения прохождения текучей среды во время работы, а также достаточно узким, чтобы поддержать КПД электродвигателя, зависящий от расстояния между статором и ротором.
В качестве примера направляющего элемента и электродвигателя в прессе высокого давления отметим, что направляющий элемент может обеспечивать впускное отверстие для текучей среды в основании направляющего элемента. Когда насосное устройство работает, первая порция текучей среды может выходить из впускного отверстия, проходить в вертикальном первом канале между статором и ротором, по контуру, соединяющему первый канал и горизонтальный третий канал у верхушки направляющего элемента, проходить в третьем канале и выходить из направляющего элемента через выпускное отверстие у верхушки направляющего элемента.
Аналогичным образом направляющий элемент и электродвигатель могут обеспечивать прохождение второй порции текучей среды из впускного отверстия в горизонтальный третий канал у основания направляющего элемента между статором и ротором, прохождение в вертикальном втором канале и выход из направляющего элемента через выпускное отверстие у верхушки направляющего элемента.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, насосное устройство содержит центробежный насос, вентилятор, турбину, крыльчатку или аналогичное средство. В этом контексте термин «насосное устройство» следует понимать как устройство, способное транспортировать текучую среду так, что это приведет к решению задачи циркуляции текучей среды внутри корпуса.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, камера пресса высокого давления является камерой пресса для горячего изостатического прессования. Давления и температуры, прикладываемые в такой камере пресса, могут в типичном случае находиться в диапазоне от 20 до 500 МПа (200 до 5000 бар) и от 300 до 3000°C соответственно. Камера пресса для горячего изостатического прессования требует наличия компонентов, приспособленных к этим условиям, и предлагаемый здесь пресс высокого давления удовлетворяет этим требованиям.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты данного изобретения теперь будут описаны подробнее со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предпочтительный в настоящее время вариант осуществления изобретения, при этом:
на фиг.1 показано перспективное изображение в сечении пресса высокого давления; и
на фиг.2 представлено сечение электродвигателя.
Подробное описание изобретения
В нижеследующем описании данное изобретение будет охарактеризовано применительно к прессу высокого давления.
На фиг.1 показан пресс 1 высокого давления, в котором электродвигатель 2, схематически показанный в виде цилиндра с точечными границами, предусмотрен в камере 3 пресса. Имеющая цилиндрическую форму камера 3 пресса ограничена сосудом 4 высокого давления, предназначенным для использования с целью прессования изделий. Сосуд 4 высокого давления содержит технические элементы (не показаны), такие как один или более каналов, впускных патрубков и выпускных патрубков, для подачи и выпуска находящейся под давлением рабочей среды. Камера 3 пресса содержит корпус 5 с внутренним пространством 6 корпуса, причем корпусу 5 придана форма цилиндра, имеющего внешний радиус 7 и внутренний радиус 8. Корпус 5 предусмотрен на нижнем центральном участке камеры 3 пресса. Корпус 5 снабжен нижним участком 9, боковым участком 10 и верхним участком 11.
Изоляция 12, которой придана форма цилиндра, имеющего боковой участок 13 и верхний участок 14, ограждает бок нижнего участка 9, боковой участок 10 и верхний участок 11 корпуса 5. Радиус внутреннего участка 15 изолирующего цилиндра 12 является, по существу, таким же, как радиус корпуса 5, так что изолирующий цилиндр 12 обеспечивает плотное покрытие для корпуса 5. За счет этого изоляция 12 изолирует боковой участок 10 и верхний участок 11 корпуса 5, например, от высокой температуры в камере 3 пресса. Специалист в данной области техники поймет, что изоляцию 12 корпуса 5 можно выполнить любым другим способом, который позволит изолировать корпус 5.
Верхний участок 11 корпуса 5 и верхний участок 14 изоляции 12 имеют отверстие 16 круглой формы в их соответствующих центрах. За счет этого обеспечивается вертикальное прохождение вала 17 электродвигателя от электродвигателя 2 сквозь корпус 5 и изоляцию 12. Во время работы электродвигателя 2 вал 17 электродвигателя приводит в действие вентилятор (не показан) над корпусом 5 с тем, чтобы обеспечить циркуляцию текучей рабочей среды в камере 3 пресса.
Кроме того, сквозь боковой участок 10 корпуса 5 и боковой участок 13 изоляции 12 проделано отверстие 18 круглой формы. Таким образом, отверстие 18 обеспечивает сообщение по текучей среде, осуществляемое текучей рабочей средой 19 между камерой 3 пресса и внутренним пространством 6 корпуса. За счет этого обеспечивается выравнивание давлений между камерой 3 пресса и внутренним пространством 6 корпуса. Помимо этого отверстие 18 обеспечивает использование одной и той же текучей рабочей среды 19 в камере 3 пресса и во внутреннем пространстве 6 корпуса. Текучей рабочей средой 19 предпочтительно является газ, такой как аргон, азот, или аналогичный газ, находящийся в жидкой фазе, но возможными альтернативами также являются и другие среды.
В нижнем участке 9 предусмотрен трубопровод 20 в форме трубы, имеющей впускное отверстие 21 и выпускное отверстие 22. От впускного отверстия 21 трубопровода трубопровод 20 идет кругами с уменьшающимися радиусами к центру нижнего участка 9, тем самым приобретая форму спирали. Затем от центра нижнего участка 9 трубопровод 20 направляется к выпускному отверстию 22 трубопровода. Во время работы электродвигателя 2, охлаждающая среда 24 направляется от впускного отверстия 21 трубопровода по этому трубопроводу 20 спиральной формы к выпускному отверстию 22 трубопровода. Таким образом, нижний участок 9 служит в качестве охлаждающего устройства для пресса 1 высокого давления, поскольку трубопровод 20 переносит холод к нижнему участку 9.
В альтернативном варианте вместо расположения в нижнем участке 9 корпуса 5 трубопровод 20 спиральной формы может быть расположен в другом месте, предпочтительно таком, где он не будет подвержен воздействию высокого давления. В качестве примера отметим, что трубопровод 20 может быть расположен в боковом участке 10 корпуса 5. В качестве еще одного примера отметим, что трубопровод 20 может быть расположен в сосуде 4 высокого давления. Охлаждающей средой 24 предпочтительно является вода, но можно также предусмотреть и другие хладагенты.
Во внутреннем пространстве 6 корпуса предусмотрен направляющий элемент 23, ограждающий электродвигатель 2, так что направляющий элемент 23, по существу, отделяет корпус 5 от электродвигателя 2. Направляющему элементу 23 придана форма цилиндра, имеющего внешний радиус и внутренний радиус. За счет этого во внутреннем пространстве 6 корпуса между корпусом 5 и направляющим элементом 23 оказывается выполненным участок 25 цилиндрической формы. Кроме того, направляющий элемент 23 ограничивает внутреннее пространство 26 направляющего элемента, имеющее цилиндрическую форму. И участок 25, и внутреннее пространство 26 направляющего элемента обеспечивают прохождение текучей среды внутри участка 25 и во внутреннем пространстве 26 направляющего элемента.
Сверху направляющего элемента 23 между направляющим элементом 23 и верхним участком 11 корпуса 5 предусмотрена верхняя крышка 27. Верхней крышке 27 придана форма диска с внешним радиусом, который больше, чем внешний радиус направляющего элемента 23. Таким образом, направляющий элемент 23 и верхняя крышка 27 направляющего элемента 23 вместе образуют внешний профиль перевернутого головного убора типа «цилиндр».
Вверху направляющего элемента 23 под верхней крышкой 27 предусмотрено множество выпускных отверстий 28, проделанных сквозь направляющий элемент 23 и обеспечивающих сообщение по текучей среде между внутренним пространством 26 направляющего элемента и участком 25. Выпускные отверстия 28 выполнены горизонтально вокруг направляющего элемента 23, проходя радиально наружу от центральной оси направляющего элемента 23.
В основании направляющего элемента 23 имеется выпускное отверстие 29, предусмотренное в направляющем элементе 23, для обеспечения сообщения по текучей среде между внутренним пространством 26 направляющего элемента и внутренним пространством 6 корпуса. Это означает, что во время работы текучая рабочая среда 19 может входить во впускное отверстие 29 в основании направляющего элемента 23, протекать через внутреннее пространство 26 направляющего элемента и выходить из направляющего элемента 23 через выпускные отверстия 28. Следует отметить, что выпускные отверстия 28 можно выполнить любым другим образом, но так, чтобы они обеспечивали сообщение по текучей среде между внутренним пространством 26 направляющего элемента и участком 25.
У основания направляющего элемента в его внутреннем пространстве 26 к валу 17 электродвигателя прикреплен центробежный насос 30 (показанный схематически). Во время работы электродвигателя 2 вращение вала 17 электродвигателя обуславливает вращение центробежного насоса 30. Во внутреннем пространстве 26 направляющего элемента центробежный насос 30 обеспечивает течение текучей рабочей среды 19 от основания во внутреннем пространстве 26 направляющего элемента к верхушке направляющего элемента во внутреннем пространстве 26.
Если описывать подробнее, то центробежный насос 30 обеспечивает циркуляцию текучей рабочей среды 19 из множества выпускных отверстий 28 на участке 25 между корпусом 5 и направляющим элементом 23 во время работы электродвигателя 2. Циркуляция направляется сверху направляющего элемента 23 вниз, к впускному отверстию 29 направляющего элемента 23. Наличие выпускных отверстий 28 вокруг направляющего элемента 23 обеспечивает равномерное распределение текучей среды 19 из направляющего элемента 23. Таким образом, центробежный насос 30 обеспечивает циркуляцию текучей среды 19 через внутреннее пространство 26 направляющего элемента от основания к верхушке направляющего элемента 23, через участок 25 и обратно во внутреннее пространство 26 направляющего элемента. В альтернативном варианте можно обеспечить свойства корпуса 5 и/или направляющего элемента 23 любым другим образом, но так, чтобы обуславливалось направление циркуляции текучей рабочей среды 19.
Для переноса холода от нижнего участка 9 к участку корпуса 5 предусмотрена транспортировка охлаждающей среды 24 в трубопроводе 20 нижнего участка 9. Специалист в данной области техники поймет, что участок корпуса 5, к которому переносится холод, может иметь любые размеры и располагаться в любом месте в корпусе 5. Таким образом, циркуляция текучей среды 19 может предусматривать, например, прохождение мимо большого участка корпуса 5 или маленького участка корпуса 5 соответственно. В качестве примера отметим, что участок корпуса 5, к которому переносится холод, может быть нижним участком 9 корпуса 5.
Кроме того, участок корпуса 5 обеспечивает перенос холода в текучую среду 19 во время работы электродвигателя 2. Таким образом, циркулирующий поток на участке 25 охлаждается, проходя мимо участка корпуса 5. Затем охлажденная текучая среда 19 попадает во впускное отверстие 29, идя к центробежному насосу 30 во время работы электродвигателя 2. Таким образом, циркуляция текучей среды 19 происходит так, что, проходя из внутреннего пространства 26 направляющего элемента через участок 25 и возвращаясь обратно во внутреннее пространство 26 направляющего элемента, эта текучая среда охлаждает электродвигатель 2. Следует отметить, что этот перенос холода можно провести несколькими разными способами, отличающимися от того, который проиллюстрирован на фиг.1, но такими, которые обеспечивают циркуляцию с охлаждением текучей среды 19 во время работы электродвигателя 2.
На фиг.2 показано сечение электродвигателя 2, предусмотренного во внутреннем пространстве 26 направляющего элемента. Электродвигатель 2 имеет ротор 31, предусмотренный в центре электродвигателя 2, причем ротор 31 крепится к вертикально проходящему валу 17 электродвигателя. Вокруг вала 17 электродвигателя предусмотрен блок 32 ротора, причем блоку 32 ротора придана форма, по существу, цилиндрического блока. Вокруг ротора 31 предусмотрен статор 33, которому придана форма цилиндра. Вокруг статора 33 предусмотрено множество обмоток 34 статора, так что во время работы образуется электромагнит. Функционирование электродвигателя 2 и относительные положения компонентов электродвигателя 2, например, таких как ротор 31, статор 33 и обмотки 34 статора, известны в данной области техники, так что их более подробное описание опущено.
Вместе с тем применительно к назначению электродвигателя 2 в прессе высокого давления следует отметить, что электродвигатель 2 может быть относительно плоским, чтобы можно было оптимизировать пространство камеры 3 пресса. Это выгодно с учетом того, что можно обеспечить большее пространство для обработки изделий в камере 3 пресса. В альтернативном варианте камеру 3 пресса можно сделать меньшей, чтобы сэкономить средства, связанные с иногда дорогостоящими материалами, часто используемыми в производстве камер прессов, например, такими как молибден.
Кроме того, такие компоненты электродвигателя, как ротор 31, статор 33, подшипники, оси и т.д., можно выполнить так, что они будут выдерживать высокие температуры и предельные давления, которые могут присутствовать в камере 3 пресса во время работы. В качестве примера отметим, что упомянутым компонентам можно придать увеличенные размеры и выполнить их из таких материалов, что электродвигатель 2 сможет работать в тяжелых условиях камеры во время эксплуатации.
Центробежный насос 30 предусмотрен на основании направляющего элемента 23 рядом с впускным отверстием 29 направляющего элемента 23. Трубопровод 35, предусмотренный между блоком 32 ротора и основанием направляющего элемента 23, проходит от центробежного насоса 30 к первому участку 36, предусмотренному между блоком 32 ротора и первым участком 37 множества обмоток 34 статора у основания направляющего элемента 23.
От первого участка 36 ко второму участку 39, предусмотренному между блоком 32 ротора и множеством обмоток 34 статора у верхушки направляющего элемента 23, проходит первый вертикальный канал 38. Таким образом, первый вертикальный канал 38 предусмотрен между статором 33 и блоком 32 ротора.
Между первым участком 37 множества обмоток 34 статора у основания направляющего элемента 23 и направляющим элементом 23 предусмотрен третий участок 40. От третьего участка 40 к четвертому участку 42, предусмотренному вверху направляющего элемента 23 между множеством обмоток 34 статора и направляющим элементом 23, проходит второй вертикальный канал 41. Этот второй вертикальный канал 41 предусмотрен между статором 33 и направляющим элементом 23.
Вверху направляющего элемента 23 предусмотрено выпускное отверстие 28, проходящее сквозь направляющий элемент 23 и обеспечивающее сообщение по текучей среде между четвертым участком 42 и внутренним пространством 6 корпуса.
Во время работы электродвигателя 2 центробежный насос 30 всасывает текучую рабочую среду 19 из внутреннего пространства 6 корпуса через впускное отверстие 29 направляющего элемента 23. Центробежный насос 30 выпускает текучую рабочую среду 19 по трубопроводу 35 к первому участку 36. Первая часть текучей рабочей среды 19 течет от первого участка 36 по первому вертикальному каналу 38, через второй участок 39, затем протекает по контуру на втором участке 39, течет через множество обмоток 34 статора и выходит из направляющего элемента 23 в выпускном отверстии 28.
Аналогичным образом вторая часть текучей рабочей среды 19 течет от первого участка 36 между первым участком 37 множества обмоток 34 статора и направляющим элементом 23 по второму вертикальному каналу 41 и выходит из направляющего элемента 23 в выпускном отверстии 28.
Таким образом, текучая рабочая среда 19, идущая из впускного отверстия 29, разделяется, идя от первого участка 36, на первую порцию и вторую порцию текучей рабочей среды 19, которые затем сливаются в выпускном отверстии 28. Следовательно, обе эти порции проходят через внутреннее пространство 26 направляющего элемента снаружи и внутри статора 33 для охлаждения статора 33.
Центробежный насос 30 предпочтительно предусмотрен на основании направляющего элемента в его внутреннем пространстве 26, поскольку это обуславливает подъем текучей рабочей среды 19, подогретой электродвигателем 2, что составляет дополнительную движущую силу конвекции.
Несмотря на то что изобретение описано со ссылками на конкретные возможные варианты его осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что в эти варианты можно внести изменения. Поэтому описанные варианты осуществления не следует считать ограничивающими объем притязаний изобретения, так как он определяется прилагаемой формулой изобретения.
В качестве примера отметим, что любое описанное устройство или любой описанный элемент можно воплотить, в частности, в любой другой форме и/или с любыми другими размерами. Вместо цилиндрической формы корпус 5 и направляющий элемент 23 могут принимать любую другую форму, такую как у прямоугольных параллелепипедов или аналогичных тел. Помимо этого, связь форм и/или размеров между корпусом 5 и направляющим элементом 23 можно предусмотреть таким образом, что они будут создавать отличающуюся циркуляцию текучей среды 19.
Можно также предусмотреть альтернативные формы для множества выпускных отверстий 28, включая треугольную, квадратную и т.п. Вместо спиральной формы трубопроводу 20 можно придать форму решетки, пластины и т.п., чтобы создать требуемый эффект охлаждения.
Кроме того, циркуляцию текучей рабочей среды 19 можно направлять по-другому, например, за счет другого расположения множества выпускных отверстий 28 и впускного отверстия 29.