МНОГОПУАНСОННЫЙ АППАРАТ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИНТЕЗА АЛМАЗОВ Российский патент 2009 года по МПК B01J3/06 C30B29/04 C01B31/06 

Изобретение относится к химическому машиностроению, к технике высоких давлений для синтеза алмазов, в частности для выращивания кристаллов крупных размеров, процесс выращивания которых требует продолжительного времени.

В настоящее время синтез (выращивание) кристаллов алмазов осуществляется в многопоршневых (многопуансонных) аппаратах с камерой высокого давления в форме куба, или октаэдра, или другого правильного многогранника.

Известен аппарат высокого давления (RU 2071823, опуб. 20.01.1997), содержащий многопуансонный блок, имеющий наружную поверхность в виде правильного многогранника, каждый пуансон которого представляет собой правильную пирамиду с усеченной вершиной. Основание этой пирамиды служит одной из наружных сторон многопуансонного блока, а усеченная вершина одной из сторон сжимаемого объема. Контейнер состоит из двух полукорпусов, между которыми заключена внутренняя полость, в которую помещен многопуансонный блок. Она имеет форму обратного многогранника, соответствующего по форме наружной поверхности многопуансонного блока. Многопуансонный блок в эластичном герметизирующем чехле, края которого в области разъема герметично закреплены на поверхности полукорпусов, помещен во внутреннюю полость контейнера. Жидкость высокого давления подается в камеру высокого давления между эластичным чехлом и поверхностью внутренней полости контейнера. Усилие, воспринимаемое наружной поверхностью пуансона, передается на его усеченную вершину, которая имеет меньшую площадь, в результате во внутреннем объеме создается высокое давление.

Размеры камеры высокого давления, ее объем и величина давления в ней ограничены усилием прессов, силовых рам или контейнеров, посредством которых создается высокое давление в камере. Материалоемкость и энергоемкость силовых конструкций для камер высокого давления большого объема очень велики.

Задачей изобретения является создание аппарата высокого давления с низкой материалоемкостью и энергоемкостью.

Технический результат изобретения заключается в исключении из аппарата силовых конструкций и компрессоров за счет обеспечения возможности использования природного давления водяного столба, создаваемого гравитационным полем земли.

Указанный технический результат достигается тем, что аппарат высокого давления содержит многопуансонный блок, который заключен в герметичную эластичную оболочку, а также, по меньшей мере, две герметичные полости, по меньшей мере, одна из которых соединена через вентиль с внешней средой для заполнения водой при погружении, а во второй полости расположен двигатель с насосом для откачки воды из первой герметичной полости при подъеме аппарата.

Кроме того, технический результат также достигается за счет того, что:

- в той же второй герметичной полости расположена система трубопроводов с вентилями дистанционного управления для заполнения, по меньшей мере, одной герметичной полости водой и для откачки из нее воды, а также средства контроля и управления процессом, связанные с датчиками контроля за процессом, размещенными в ячейке высокого давления многопуансонного блока, а также с вентилями дистанционного управления;

- многопуансонный блок может быть установлен на герметичной полой платформе, имеющей, по меньшей мере, два герметичных отсека, образующих указанные, по меньшей мере, две герметичные полости;

- в другом варианте многопуансонный блок установлен на герметичной полой платформе, имеющей, по меньшей мере, один герметичный отсек, образующий указанную, по меньшей мере, одну первую герметичную полость, а один из пуансонов многопуансонного блока выполнен полым с образованием второй указанной герметичной полости, в которой расположен указанный двигатель с насосом;

- в третьем варианте, по меньшей мере, два пуансона многопуансонного блока выполнены полыми с образованием указанных, по меньшей мере, двух герметичных полостей, при этом многопуансонный блок может быть установлен на платформе;

- полость между пуансонами многопуансонного блока соединена трубопроводом через вентили дистанционного управления с внешней средой и насосом;

- аппарат может быть снабжен баллоном со сжатым воздухом, соединенным трубопроводом через автоматический вентиль с первой герметичной полостью, для аварийного подъема аппарата;

- платформа может быть снабжена якорем, буем и тросом, на котором закреплены кабели питания.

На фиг.1 представлена схема первого варианта аппарата высокого давления, на фиг.2 - схема второго варианта аппарата.

Аппарат высокого давления содержит многопуансонный блок, который в свою очередь состоит из нескольких блоков пуансонов. Каждый их этих блоков включает пуансоны в виде монолитных плит 4 и пуансон 5.

Монолитные плиты 4 имеют форму усеченных пирамид, вершины которых направлены в центр аппарата, и меньшее основание одной из плит контактирует с большим основанием другой. Эти пуансоны воспринимают наибольшие напряжения в процессе генерации давления.

Пуансон 5 испытывает малые напряжения и является продолжением пирамидальных пуансонов - плит 4. Эти пуансоны 5 имеют каркасную конструкцию, являются полыми и герметичными внутри.

В частном случае наружные поверхности пуансонов 5 являются сегментами сферы, так что внешняя поверхность многопуансонного блока представляет собой сферу. Но она может также иметь и форму правильного многогранника с числом граней по числу блоков пуансонов, в частности форму куба. Число пуансонов в каждом блоке может быть различным. Пуансоны изготовлены из материалов, прочность которых максимальна для пуансонов в центре камеры и является более низкой для пуансонов 5 на периферии.

С наружной стороны многопуансонный блок заключен в разъемную герметичную эластичную оболочку 6, которая препятствует проникновению жидкости в блок. Через оболочку 6 проходят герметичные вводы 8, связанные через пуансоны с ячейкой 2 высокого давления и служат для подачи электропитания к нагревателю и датчикам контроля давления и температуры.

Многопуансонный блок, имеющий отрицательную плавучесть, установлен на полой герметичной платформе 1, объем которой обеспечивает положительную плавучесть всего аппарата. По первому варианту (фиг.1) внутри платформы 1 имеется, по меньшей мере, два герметичных отсека. В отсеке 10 установлены электродвигатель 11 с насосом, система трубопроводов, соединяющих полости остальных отсеков платформы 1 и внутреннюю полость многопуансонного блока с внешней средой и с насосом. На трубопроводах установлены вентили 12-16 дистанционного управления. В отсеке 10 также установлены блоки управления и контроля, связанные с датчиками контроля давления и температуры, с вентилями дистанционного управления и с другими элементами гидравлической и электрической схем.

Во втором варианте (фиг.2) один из пуансонов 5 имеет полость, в которой расположены электродвигатель 11 с насосом и система трубопроводов с вентилями 12-15 дистанционного управления, а также блоки управления и контроля.

В третьем варианте, когда многопуансонный блок имеет собственную положительную плавучесть, по меньшей мере, два из пуансонов 5 выполнены с герметичными полостями, одна или более из которых заполняется водой при погружении через вентили дистанционного управления и откачиваются при подъеме аппарата, а в другой полости расположены двигатель 11 с насосом и система трубопроводов. В этом случае аппарат похож на аппарат, изображенный на фиг.2, только в этом случае платформа служит только для устойчивости аппарата на земле.

Для аварийного подъема в случае отказа двигателя 11 или насоса аппарат снабжен баллоном со сжатым воздухом, соединенным трубопроводом через автоматический вентиль с первой герметичной полостью (не показано).

Аппарат работает следующим образом. Кубическая ячейка 2 высокого давления для выращивания алмазов собирается известным способом. В ней устанавливают датчики контроля за процессом. Ячейку помещают в центр многопуансонного блока. Камеру высокого давления вначале образуют пять блоков пуансонов, разделенных эластичными прокладками 7. Датчики контроля за процессом и кабели нагревателя ячейки 2 соединяют через герметичные вводы 8 с внешними кабелями 8. Устанавливают последний шестой блок пуансонов, и собранный многопуансонный блок герметизируют эластичной оболочкой 6 и устанавливают на платформе 1.

Давление в камере создают следующим образом. Аппарат с подключенными к нему кабелями для нагревания и управления работой помещают в водоем или в шахту, затопленную водой. Открывают вентили 12, 13 и 16, внутренняя полость платформы 1 (или пуансона 5) заполняется водой, и аппарат погружается под воду. С увеличением глубины погружения в кубической камере будет расти давление. Если пренебречь потерями нагрузки на раздавливание эластичных прокладок 7, то давление в камере будет равно внешнему давлению, умноженному на отношение площади большего основания пирамидального блока пуансонов к площади его меньшего основания, расположенного ближе к вершине пирамиды. За площадь большего основания принимается площадь проекции наружной поверхности блока пуансонов на плоскость, параллельную меньшему основанию. При достижении необходимого давления в камере поднимается температура и начинается процесс синтеза алмазов.

По окончании процесса отключается система нагрева. Для сброса высокого давления закрывается вентиль 14, включается электродвигатель 11 насоса и происходит откачка воды из полости платформы 1 (или пуансона 5). По мере откачки воды аппарат поднимается за счет выталкивающей силы, пока не достигнет поверхности. После этого осуществляют разгерметизацию аппарата, разделяют электрические разъемы, вытаскивают верхний блок пуансонов и извлекают ячейку с выращенными кристаллами. После чистки камеры процесс можно повторить.

Изобретение относится к химическому машиностроению, к технике высоких давлений для синтеза алмазов, в частности для выращивания кристаллов крупных размеров, процесс выращивания которых требует продолжительного времени. Аппарат высокого давления содержит многопуансонный блок, который заключен в герметичную эластичную оболочку 6. В первом варианте многопуансонный блок установлен на герметичной полой платформе 1, имеющей, по меньшей мере, две герметичные полости 10, по меньшей мере, одна из которых соединена через вентиль с внешней средой для заполнения водой при погружении, а во второй полости расположен двигатель 11 с насосом для откачки воды из первой герметичной полости при подъеме аппарата. Во втором варианте выполнения герметичные полости могут быть выполнены в герметичной полой платформе и одном из пуансонов. В третьем варианте герметичные полости могут быть выполнены в, по меньшей мере, двух пуансонах многопуансонного блока. Технический результат изобретения заключается в исключении из аппарата силовых конструкций и компрессоров за счет обеспечения возможности использования природного давления водяного столба, создаваемого гравитационным полем земли. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Аппарат высокого давления, содержащий многопуансонный блок, который заключен в герметичную эластичную оболочку, отличающийся тем, что многопуансонный блок установлен на герметичной полой платформе, имеющей, по меньшей мере, две герметичные полости, по меньшей мере, одна из которых соединена через вентиль с внешней средой для заполнения водой при погружении, а во второй полости расположен двигатель с насосом для откачки воды из первой герметичной полости при подъеме аппарата.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что во второй герметичной полости расположена система трубопроводов с вентилями дистанционного управления для заполнения, по меньшей мере, одной герметичной полости водой и для откачки из нее воды, а также средства контроля и управления процессом, связанные с датчиками контроля за процессом, размещенными в ячейке высокого давления многопуансонного блока, а также с вентилями дистанционного управления.

3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что полость между пуансонами многопуансонного блока соединена трубопроводом через вентили дистанционного управления с внешней средой и насосом.

4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что снабжен баллоном со сжатым воздухом, соединенным трубопроводом через автоматический вентиль с первой герметичной полостью, для аварийного подъема аппарата.

5. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что платформа снабжена якорем, буем и тросом, на котором закреплены кабели питания.

6. Аппарат высокого давления, содержащий многопуансонный блок, который заключен в герметичную эластичную оболочку, отличающийся тем, что многопуансонный блок установлен на герметичной полой платформе, имеющей, по меньшей мере, одну первую герметичную полость, соединенную через вентиль с внешней средой для заполнения водой при погружении, а один из пуансонов многопуансонного блока выполнен полым с образованием второй герметичной полости, в которой расположен двигатель с насосом для откачки воды из первой герметичной полости при подъеме аппарата.

7. Аппарат по п.6, отличающийся тем, что во второй герметичной полости расположена система трубопроводов с вентилями дистанционного управления для заполнения, по меньшей мере, одной герметичной полости водой и для откачки из нее воды, а также средства контроля и управления процессом, связанные с датчиками контроля за процессом, размещенными в ячейке высокого давления многопуансонного блока, а также с вентилями дистанционного управления.

8. Аппарат по п.6, отличающийся тем, что полость между пуансонами многопуансонного блока соединена трубопроводом через вентили дистанционного управления с внешней средой и насосом.

9. Аппарат по п.6, отличающийся тем, что снабжен баллоном со сжатым воздухом, соединенным трубопроводом через автоматический вентиль с первой герметичной полостью, для аварийного подъема аппарата.

10. Аппарат по п.6, отличающийся тем, что платформа снабжена якорем, буем и тросом, на котором закреплены кабели питания.

11. Аппарат высокого давления, содержащий многопуансонный блок, который заключен в герметичную эластичную оболочку, отличающийся тем, что по меньшей мере, два пуансона многопуансонного блока выполнены полыми с образованием, по меньшей мере, двух герметичных полостей, по меньшей мере, одна из которых соединена через вентиль с внешней средой для заполнения водой при погружении, а во второй полости расположен двигатель с насосом для откачки воды из первой герметичной полости при подъеме аппарата.

12. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что многопуансонный блок установлен на платформе.

13. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что полость между пуансонами многопуансонного блока соединена трубопроводом через вентили дистанционного управления с внешней средой и насосом.

14. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что снабжен баллоном со сжатым воздухом, соединенным трубопроводом через автоматический вентиль с первой герметичной полостью, для аварийного подъема аппарата.

15. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что платформа снабжена якорем, буем и тросом, на котором закреплены кабели питания.