Hochdruckapparat
Um einen Druck von mehreren Zehntausend Atmosphären zustandezubringen, der u. a. erforderlich ist, um Graphit in Diamant umzuwandeln, hat man die Verwendung eines Hochdruckapparates vorgeschlagen, in dem ein zylindrischer Druckraum längs der Mantelfläche des Raumes von einem rohrförmigen Teil umgeben ist, der seineseits von um den genannten Teil angeordneten sektorförmigen Blöcken umgeben ist, die von einem äusseren druckaufnehmenden Mantel zusammengehalten werden. Der Druck im Raum wird von mindestens einem in den Druckraum an einer Endfläche einführbaren Stempel erzeugt.
Die sektorförmigen Blöcke, die längs Flächen aneinandergrenzen, die in Ebenen durch die Symmetrieachse des Druckraumes liegen, bilden nach innen eine dem rohrförmigen Teil zugekehrte Fläche, die sich an den äusseren Teil des rohrförmigen Teils anschliesst, und nach aussen eine dem äusseren druckaufnehmenden Mantel zugekehrte konische Fläche, die sich an die Innenwand des Mantels anschliesst, die konisch ist. Der Anlass dazu, dass das Organ zwischen dem rohrförmigen Teil und dem äusseren Mantel aus mehreren sektorförmigen Blöcken ausgeführt ist und nicht aus einem einheitlichen Körper mit derselben Form, wie sie die sektorförmigen Blöcke zusammen bilden, wenn sie aneinanderliegen, ist, dass in einem einheitlichen Körper auf Grund der auftretenden tangentialen Spannungen leichter Sprünge entstehen als in einem in sektorförmige Teile aufgeteilten Körper.
Bei der Anwendung des bekannten Hochdruckapparats werden erst die sektorförmigen Blöcke um den rohrförmigen Teil herum angeordnet und der Mantel axial auf die dabei erhaltene Anordnung gepresst. Dabei kann ein zum voraus bestimmter Stützdruck gegen die Aussenseite des rohrförmigen Teils erzeugt. werden.
Erst danach wird der Druck im Druckraum durch Einführen eines oder beider Stempel in den Druckraum erzeugt.
Ein Nachteil des bekannten Apparates ist, dass die Bewegung der Stempel dadurch, dass sie an den Endflächen eingeführt werden, verhältnismässig gross wird, wenn hohe Drücke im Druckraum erzeugt werden sollen. Grosse Bewegungen steigern u. a. die Reibungsverluste und erschweren die Möglichkeit, gute Dichtungen für den Druck zu schaffen. Der Apparat hat ferner einen besonders grossen Nachteil, der damit zusammenhängt, dass der Stützdruck auf den rohrförmigen Teil ausgeübt wird, bevor der Druck im Druck raum erzeugt wird. Es ist dann nämlich sehr schwierig, Undichtheiten zwischen den Innenwänden des rohrförmigen Teils und dem oder den Stempeln zu vermeiden.
Der Stützdruck auf den rohrförmigen Teil kann nämlich nicht grösser gemacht werden, als dass der bewegliche oder die beweglichen Stempel in den Druckraum eingeführt werden können, und wenn dann der hohe Druck im Druckraum beim Einführen des oder der Stempel in den Druckraum erzeugt wird, findet eine gewisse Erweiterung des rohrförmigen Teils statt, wodurch ein Spalt zwischen dem oder den Stempeln und der Innenwand des rohrförmigen Teils entsteht mit entsprechender Gefahr des Undichtwerdens des Druckraumes. Dasselbe Problem liegt bei anderen bekannten Hochdruckapparaten vor, bei denen ein bewegliches, druckerzeugendes Organ im Druckraum an Wänden grenzt, die von einem vor der Druckerzeugung angebrachten und danach unveränderlichen Stützdruck unterstützt werden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt erstens, den erstgenannten Nachteil zu vermeiden, dassdie Seitenwände des Druckraumes für Druckerzeugung ausgenutzt werden. Ferner können die genannten, mit der Anwendung von unveränderlichem Stützdruck zusammenhängenden Ungelegenheiten dadurch vermieden werden, dass druckaufnehmende Wände mit während der Druckerzeugung regelbarem und kontrollierbarem, gegen den Druckraum gerichteten Druck angeordnet werden. Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung können durch das Benutzen einer einzigen druckerzeugenden Anordnung, z. B. einer hydraulischen Presse, erreicht werden.
Die Erfindung betrifft demnach einen Hochdruckapparat, der einen Druckraum umfasst, der zwei Stirnflächen und Seitenflächen und eine durch die Stirnflächen gehende Achse hat. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen des Druckraumes von einer Anzahl um den Druckraum angeordneter Blöcke mit einander zugekehrten Seitenflächen gebildet werden, zwischen welchen Spalte angeordnet sind, welche Blöcke in axialer Richtung in einer äusseren, druckaufnehmenden Hülle beweglich sind bei gleichzeitiger Ausübung einer gegen das Innere gerichteten Bewegung zur Komprimierung eines im Druckraum angeordneten Materials, und dass die Stirnflächen des Druckraumes von axial beweglichen Gegendruckorganen gebildet werden, die gegen die Blöcke abgedichtet sind und die der axialen Bewegung der Blöcke folgen.
Die Dichtung zwischen den Blöcken und den Gegendruckorganen an den Stirnflächen kann mit deformierbaren Dichtungsmitteln erreicht werden.
Ferner kann die äussere druckaufnehmende Hülle zweckmässig eine Ausnehmung mit einer mit dem Druckraum gemeinsamen Achse und mit einem in der einen Richtung der Achse sukzessiv abnehmenden Querschnitt aufweisen, wobei die Blöcke gegen die Flächen der Ausnehmung anliegende, nach aussen gewendete Flächen haben und mit einem axial wirkenden druckgebenden Organ in Bezug auf die druckaufnehmende Hülle längs der Anliegeflächen der Blöcke und der druckaufnehmenden Hülle verschiebbar sind. Dadurch sind die Blöcke gleichzeitig gegen das Innere des Druckraumes zwecks Druckerzeugung im Druckraum verschiebbar. Infolge der Anordnung, dass die Blöcke im Verhältnis zur druckaufnehmenden Hülle verschoben werden, erfolgt eine gleichzeitige Verschiebung des Druckraumes in seiner Achsenrichtung.
Das axial wirkende, druckgebende Organ, das die Verschiebung der Blöcke zustandebringt, kann auch eine Stütze für das eine der Gegendruckorgane an den Stirnflächen des Druckraumes bilden. Wenigstens das eine der Gegendruckorgane ist mit Vorteil so angeordnet, um einen regelbaren Druck mit einer gegen den Druckraum gewendeten Fläche auszuüben, wodurch der Druck gegen die Stirnfläche bzw. Stirnflächen des Druckraumes während des ganzen Druckerzeugungsvorganges so angespannt werden kann, dass er dem bei Verschiebung der Blöcke gegen das Innere des Druckraumes erreichten Druck im Druckraum widerstehen kann. Die Funktion des einen oder beider Gegendruckorgane kann zweckmässig durch die betreffenden Organe beeinflussende Kompressionskammern mit regelbarem Druck geregelt werden.
Die Dichtungsanordnungen zwischen den Blöcken und den Gegendruckorganen können gegen Anliegeflächen auf den beiden Organen gleitend angeordnet sein. Der Druckraum kann auch gegen die Spalte zwischen den Blöcken mit besonderen Dichtungsanordnungen abgedichtet sein. Diese Dichtungsanordnungen können gegen Anliegeflächen der Blöcke auf beiden Seiten jedes Spaltes gleitend ausgebildet sein.
Um die Verschiebung der Blöcke in bezug auf die druckaufnehmende Hülle zu erleichtern, ist es zweckmässig, eine Schmiermittelschicht längs der Anliegefläche vorzusehen.
Gemäss einer besonders vorteilhaften Ausführungsform, die unter Hinweis auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben werden soll, hat der Druckraum eine zylindrische Form. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 einen Hochdruckapparat im Längsschnitt mit einem zylindrischen Druckraum. In Fig. 2 ist ein Querschnitt des Apparats nach Fig. 1 dargestellt. Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen Einzelheiten des Hochdruckapparats nach Fig. 1 in grösserem Massstab, die Fig. 3 und 4 insbesondere den Druckraum im Längsschnitt bzw. Querschnitt. Fig.
6 zeigt eine andere beispielsweise Ausführungsform der Erfindung.
Im Hochdruckaparat nach den Fig. 1 bis 5 wird der Druckraum, der zylindrisch ist, längs des Mantelfläche von den sektorförmigen Blöcken 10 begrenzt, deren am nächsten dem Druckraum gelegene Teile 11 zweckmässige aus einem härteren Material bestehen als die weiter davon abliegenden Teile. Die sektorförmigen Blöcke 10, zwischen denen die Spalte 12liegen, bilden zusammen ein druckübertragendes Organ, bei dem die Begrenzungsflächen 13, 14 und 25 konisch sind und die Begrenzungsfläche 16 zylindrisch ist.
Die Spalten 12 liegen in Ebenen, die durch die Symmetrieachse des Druckraumes gehen, und ihre Breite ist in einer vorteilhaften Ausführungsform ausreichend gross, damit nicht einmal dann ein Kontakt zwischen einander zugekehrten Wänden der angrenzenden Blöcke entstehen kann, wenn sie sich so weit einander genähert haben, dass der beabsichtigte Druck in der Druckkammer erreicht worden ist. An den Stirnflächen wird der Druckraum von den nach innen gewendeten kreisförmigen Flächen der als Gegendruckorgane dienenden konischen Kolben 17 und 18 begrenzt, deren am nächsten zum Druckraum gelegene Teile 19 bzw. 20 zweckmässig aus einem härtbaren Material bestehen als die weiter davon abliegenden Teile.
Das aus den sektorförmigen Blöcken 10 bestehende drucküberführende Organ ist aussen von einem mechanisch starken, als druckaufnehmendes Organ dienenden Metallmantel 21 mit innwendig konischer Form umgeben, die dem Äusseren des drucküberführenden Organs angepasst ist. Zwischen dem genannten drucküberführenden Organ und dem Mantel 21 ist eine Schicht 22 aus einem Schmiermittel, z. B. Graphit, Molybdänsulfid, öl, an geordnet. Oberhalb des Mantels sitzt ein starker Metallzylinder 23, der vom Mantel 21 durch eine Scheibe 24 aus Asbest, Glimmer, Papier, Presspan oder einem ähnlichen Material isoliert ist. Zwischen den Teilen 10 (11) und 17 (19) ist ebenfalls eine Schicht 25 aus einem solchen Isoliermaterial eingelegt.
Zwischen dem Kolben
17 und der zylindrischen Deckelplatte 26 befindet sich eine Kompressionskammer 27, die mit einem Kompressionsmittel, z. B. öl, Wasser oder einem anderen geeigneten Mittel, gefüllt ist. Der Druck in der Kompressionskammer 27 kann mit einem regelbaren Ventil 28 geregelt werden, das in einer Leitung 29 zwischen der Kammer 27 und einem nicht gezeigten Behälter angeordnet ist. Oberhalb der Platte 26 und des Metall ; zylinders 23 ist eine feste Stütze 30 vorgesehen. Die Kompressionskammer 27 ist gegen den Zylinder 23 mittels Dichtungsringen 31, zweckmässig aus Gummi, abgedichtete. Statt der Kompressionskammer 27 kann eine mechanische Federanordnung mit regelbarem Feder druck verwendet werden.
In dem peripherischen Teil des Druckraumes ist eine rohrförmige Isolierung 32 vorhanden, die z. B. aus Pyrophyllit oder Talk bestehen kann, und innerehalb dieser Isolierung befindet sich die verwendete Reaktionsmischung 33, die z. B. ein Gemisch aus Graphit oder einem anderen kohlehaltigen Material und einem Metall, wie Nickel oder Eisen sein kann. Durch Behandlung dieser Mischung bei für Diamantbildung erforderlichem Druck von mehreren Zehntausend Atmosphären und erforderlicher Temperatur von über 10000C kann der Graphit bzw. das kohlehaltige Material in Diamant umgewandelt werden. Die Spalten 12 zwischen den Blöcken 10 sind gegen den Druckraum mittels der axial verlaufenden Dichtungsleisten 34 mit paralleltrapezförmigem Querschnitt abgedichtet.
Jede Dichtungsleiste 34 liegt gegen axial verlaufende abgeschrägte Flächen 35 und 36 der benachbarten Blöcke an. Die Kolben 17 und 18 sind in der Nähe des Druckraumes mit runden Metallscheiben 37 und 38 aus Stahl oder Hartmetall versehen, die rund um den Druckraum abgeschrägt sind, wie aus Fig. 5 näher hervorgeht. Gegen die abgeschrägte Fläche 39 auf der Scheibe 37 liegt ein Dichtungsring 40 mit einer Fläche 41 an und gegen den Block 10 (11) mit einer anderen Fläche 42 über den obersten Teil der Isolierung 32. Der Ring 40 ist plastisch deformierbar. Gegen die untere Scheibe liegt in entsprechender Weise ein anderer Ring 43 aus plastisch deformierbarem Material an. Dieser Ring kann, wie aus Fig. 3 hervorgeht, direkt gegen die Blöcke 10 (11) ohne zwischenliegende Isolation anliegen.
Die Metallscheiben 37 und 38 brauchen keine separaten Teile zu sein, sondern sie können Teile der Kolben 17 und 18 bilden. Wenn die Reaktionsmischung aus mit Metall vermischtem Graphit besteht, hat sie genügende Leitfähigkeit, um direkt einer Widerstandserwärmung unterworfen werden zu können. Wenn die Reaktionsmischung eine schlechtere Leitfähigkeit aufweist, kann die Erwärmung dadurch erreicht werden, dass Rohre, Scheiben, Drähte, Spiralen oder andere Körper aus elektrischem Widerstandsmaterial in die Reaktionsmischung eingebettet werden. Die Zuleitung von Strom erfolgt über die Leitung 44 auf dem Kolben 18 und den Kolben 18, und die Ableitung über den Kolben 17 und das Kabel 45, das in einem Kanal 46 im Mantel 21 angeordnet ist.
Die Reaktionsmischung kann dadurch einem Druck ausgesetzt werden, dass der Kolben 18 mit einer teilweise gezeigten hydraulischen Presse 47 von gewöhnlicher Art nach oben geschoben wird. Der Kolben 18 ist mit einem Ring 48 versehen. Dieser Ring 48 kann ein separater Teil sein, aber Kolben 18 und Ring 48 können auch zusammen ein ganzes Stück bilden. Wenn der Ring 48, der den Kolben 18 umgibt, bei Verschiebung des Kolbens von unten auf die ebene Fläche 49 der Blöcke 10 stösst, beginnen sich diese in dem fest ongeordneten Mantel 21 längs der gemeinsamen Gleitfläche nach oben zu verschieben. Da während dieser Zeit ein Spalt zwischen den Flächen 15 und 50 und Spalte 12 zwischen den Blöcken 10 (11) vorhanden sind, bewirkt dies eine Verschiebung der Blöcke 10 gegen die Mitte des Druckraumes, so dass die Reaktionsmischung von den Blöcken 10 (11) zusammengepresst wird.
Die Dichtungsringe 40 und 43 an den Scheiben 37 und 38 werden dabei deformiert. Der Stützdruck auf die obere Fläche des Druckraumes kann während dieses Vorganges durch Regelung des Druckes in der Kompressionskammer 27 so angepasst werden, dass er dem Druck im Druckraum widersteht. Gleichzeitig kann die Lage der gegen den Druckraum zugekehrten Fläche des oberen Kolbens in axialer Richtung verschoben und den Bewegungen der getrennten Blöcke angepasst werden. Der Stützdruck auf die untere Stirnfläche des Druckraumes wird von der unteren kreisförmigen Fläche des Kolbens 18 ausgeübt.
Es ist auch möglich, wie in Fig. 6 gezeigt ist, den unteren Kolben 18 in derselben Weise wie den oberen Kolben 17 mit einer ausserhalb angeordneten Kompressionskammer 51 auszuführen und ein druckgebendes Organ anzuordnen, das nur die Verschiebung der Blöcke 10 ausführt. Mit einer solchen Ausführung kann die Bewegung des Kolbens 18 ganz unabhängig von der Bewegung der Blöcke 10 geregelt werden. Der Hochdruckapparat nach Fig. 6 stimmt mit dem nach Fig. 1 ausser in Bezug auf die Ausformung des unteren druckgebenden Organs 18 überein. Gegen die untere ebene Fläche der Blöcke 10 liegt ein starker Metallzylinder 52 an, der von einer hydraulischen Presse 53 betätigt wird. Zwischen dem Kolben 18 und der zylindrischen Platte 54 ist die Kompressionskammer 51 angeordnet. Diese Kompressionskammer kann desselbe Mittel wie die Kompressionskammer 27 enthalten.
Die Kompressionskammer 51 ist gegen den Zylinder 52 mittels Dichtungsringen 55, zweckmässig aus Gummi, abgedichtet. Anstelle der Kompressionskammer 51 kann eine mechanische Federanordnung mit regelbarem Federdruck verwendet werden. Der Druck in der Kompressionskammer 51 kann mittels eines regelbaren Ventils 56 geregelt werden, das in einer Leitung 57 zwischen der Kammer 51 und einem nicht gezeigten Behälter angeordnet ist. Der elektrische Strom kann zum Druck raum über den Kolben 18 (20) von der Aussenseite des Apparates zugeleitet und in derselben Weise, wie in Fig. 1 beschrieben, abgeleitet werden.
Der Druckraum braucht nicht wie beschrieben zylindrisch zu sein, sondern er kann auch u. a. die Form eines Parallelepipeds mit einem Querschnitt in der Form eines regelmässigen beliebigen Vielecks. Er kann u. a. auch eine nach der einen Richtung der Symmetrieachse zu verjüngte Form haben, so dass die Mantelfläche konisch ist oder die Querschnitte in der genannten Richtung immer kleiner regelmässige Vielecke bilden. Ferner braucht der Querschnitt der äusseren Begrenzungsfläche des in Fig. 2 gezeigten, aus den Blöcken 10 bestehenden drucküberführenden Organs nicht kreisförmig zu sein. Er kann stattdessen ein regelmässiges Vieleck bilden. Dies gilt auch für die innere Begrenzungsfläche des Mantels 21, die an der äusseren Fläche des drucküberführenden Organs anliegt.
Auch bei den Kolben 17 und 18 können die Querschnitte die Form von regelmässigen Vielecken aufweisen, was auch bei den gegen die Kolben zugekehrten Teilen des aus den Blöcken 10 bestehenden rucküberführenden Organs der Fall sein kann.
Als Beispiele für die die Druckräume umgebenden Materialien in den dargestellten Hochdruckapparaten können genannt werden: Für die Teile 10, 11, 17, 18, 19, 20, 37 und 38 ein Hartmetall, z. B. zu (Carboloy 999 oder zu (Coromant HO5) zu oder ein Schnellstahl mit einer Härte von RC 65-67, z. B. WKE 4 der Firma Fagersta Bruks AB, Schweden; für den Teil 21, ein vergüteter Stahl mit einer Härte von RC 45, z. B. RO 7155 der Firma Bofors AB, Schweden, für den Teil 34 ein gehärteter Stahl mit einer Härte von RC 65, z. B. ROP 21 der Firma Bofors AB, Schweden, und für die Teile 40 und 43, z. B. ein vergüteter Stahl mit einer Härte von RC 55, z. B. 19 der Firma Bofors AB, Schweden, ein vergüteter Stahl mit einer Härte von RC 50, z. B. RO 705 der Firma Bofors AB, Schweden, ein austenitischer rostfreier Stahl z. B.
Avesta 832 der Firma Avesta, Schweden, Kupferberylliumlegierungen mit verschiedenen Zusammensetzungen, z. B. mit etwa 97,5% Cu, 2% Be und 0,25% Co, Chrom-Nickel-Eisen-Legierungen mit verschiedenen Zusammensetzungen, z. B. mit 7% Fe, 78% Ni und 15% Cr.