Многокамерное устройство для выращивания крупных кристаллов алмазов
MULTI-CHAMBER DEVICE FOR GROWING LARGE DIAMOND CRYSTALS

Изобретение относится к химическому машиностроению, к технике высоких давлений и может быть использовано для выращивания крупных кристаллов алмазов и синтеза других материалов при высоком давлении и температуре, процесс производства которых требует продолжительного времени.
В настоящее время синтез (выращивание) крупных кристаллов алмазов осуществляют в основном в многопуансонных аппаратах с камерой высокого давления в форме куба, или октаэдра, или другого правильного многоугольника, а также в камерах типа «тороид» и «белт» (Физика высоких давлений, страница в Интернете http://lomonosov-fond.ru/enc/ru/encyclopedia:01275:article). Для создания и поддержки давления в камерах высокого давления используются индивидуальные силовые рамы. Так для работы на камерах «тороид» и «белт» используются гидравлические прессы. В многопуансонных аппаратах с гидравлическим приводом пуансонов усилие, развиваемое в контейнере, удерживается индивидуальной силовой рамой, либо сам контейнер выполнен в виде силовой рамы (система «БАРС»).
Наиболее близким к предложенному является 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. Усилие, создаваемое в контейнере высокого давления этого устройства, удерживается силовыми скобами или рамой пресса
Размеры камеры высокого давления, ее объем и величина давления в ней ограничены усилием пресса, силовой рамой, или контейнером, посредством которых создается и удерживается высокое давление в камере. Материалоемкость и энергоемкость существующих силовых конструкций для камер высокого давления большого объема очень велики.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание компактного, многокамерного, с низкой металлоемкостью и энергоемкостью устройства для выращивания крупных кристаллов алмазов  при высоком давлении в большом объеме, процесс производства которых требует продолжительного времени.
Техническая проблема решается устройством для выращивания крупных кристаллов алмаза, содержащим силовую раму, установленные в ней соосно в ряд контейнеры цилиндрической формы с размещенным в каждом контейнере соответствующим многопуансонным аппаратом высокого давления в форме куба, между крайними контейнерами и силовой рамой установлены полуцилиндрические вкладыши, цилиндрическая поверхность каждого из которых контактирует с ответной ей полуцилиндрической поверхностью рамы, между вкладышами внутри силовой рамы, с противоположных сторон ряда контейнеров установлены распорки, причем в распорках и в вкладышах выполнены пазы, в которых расположена высокопрочная лента.
При горизонтальном расположении устройства между одной из распорок (нижней) и контейнерами расположен стол для контейнеров.
Кроме того, каждый контейнер закрыт по меньшей мере одной из боковых сторон подвижной в осевом направлении пробкой.
В другом варианте каждая пара соседних контейнеров могут быть закрыты с обращенных друг к другу боковых сторон одной подвижной в осевом направлении пробкой.
Для обеспечения уплотнения контейнеров вдоль оси силовой рамы и удерживания контейнеров закрытыми в процессе синтеза между одним из крайних контейнеров и соответствующим вкладышем могут быть установлены две плиты в форме клиньев, соединенные каждая с соответствующим гидравлическим цилиндром.
Возможно другое выполнение, когда для обеспечения уплотнения пакета контейнеров на оси силовой рамы и удерживания контейнеров закрытыми в процессе синтеза один из контейнеров имеет внутренний диаметр больше чем остальные контейнеры, а длина цилиндра, то есть рабочий ход подвижной пробки этого контейнера больше суммарной ширины всех зазоров между контейнерами при первоначальной установке их на ось рамы.
Кроме того, в каждом контейнере между многопуансонным аппаратом и внутренней цилиндрической поверхностью контейнера могут быть расположены вкладыши, которые зафиксированы на цилиндрической стенке контейнера.
Кроме того, в каждом контейнере многопуансонный аппарат может быть установлен на салазках.
Кроме того, предпочтительно в одной из пробок каждого контейнера выполнить герметично электрические вводы, вводы охлаждающей среды, вводы среды высокого давления, а также вводы датчиков контроля за процессом синтеза.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности одновременного выращивания нескольких алмазов в одной установке, в камере каждого из контейнеров алмазы разного цвета и качества. Технический результат достигается за счет того, что в устройстве использована одна силовая рама, в
которой размещены соосно раме несколько контейнеров с многопуансонными аппаратами высокого давления для выращивания алмазов, а для создания давления, управления и контроля за процессом синтеза, к каждому из многопуансонных аппаратов через систему управляемых клапанов и вентилей подведена жидкость высокого давления, от одной насосной станции, единого блока управления. В результате чего на малой площади размещается большое количество аппаратов высокого давления. Раздельное управление каждым из контейнеров, позволяет вести одновременно процесс синтеза различных материалов при разных режимах и синтезировать различные материалы. В силовой раме отсутствует силовой цилиндр для создания осевой нагрузки на закрытие контейнеров, а его функцию выполняет один из контейнеров, или зазоры между контейнерами, образующиеся при сборке, выбираются клиновыми плитами, снабженными гидравлическими цилиндрами.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показано предложенное устройство, вид спереди в разрезе.
На фиг. 2 показано предложенное устройство, вид сверху.
На фиг. 3 показан многопуансонный аппарат в разрезе.
В предложенном устройстве для выращивания крупных кристаллов алмазов силовая рама 1 (фиг. 1) имеет сильно вытянутую в горизонтальном направлении и закругленную на концах форму, что позволяет разместить в ней ряд контейнеров 2, 3 с многопуансонными аппаратами 4 высокого давления. Также может использоваться вертикальная силовая рама. Контейнеры 2, 3 имеют цилиндрическую форму и установлены соосно. В правой и левой части силовой рамы 1 между ней и крайними контейнерами 2, 3 размещены полуцилиндрические вкладыши 5, цилиндрическая поверхность которых соответствует внутренней поверхности силовой рамы 1 на ее концах. На полуцилиндрической поверхности вкладышей 5 выполнен паз для размещения в
нем обмотки из высокопрочной стальной ленты (на чертежах не показано), удерживающей усилие, создаваемое в контейнерах 2, 3 высокого давления. Между вкладышами 4 внутри рамы 1 вставлены распорки 6, имеющие паз на наружной поверхности, в котором уложена указанная обмотка из высокопрочной стальной ленты.
В одном из вариантов выполнения установки к одному из полуцилиндрических вкладышей 5 с двух сторон от силовой рамы 1 прикреплены два гидравлических цилиндра 7, которые связаны внутри рамы 1 с плитами в форме клина (на чертежах не показаны), плиты перемещаются внутри рамы 1 и служат для поджатая контейнеров 2, 3 в раме 1. При горизонтальном расположении силовой рамы нижняя распорка 6 перекрыта столом 8, на котором размещены контейнеры 2, 3 высокого давления. К каждому контейнеру 2, 3 посредством управляемых клапанов, вентилей 9 и электрических разъемов 10 от коллекторов подводится жидкость высокого давления, охлаждающая среда, электропитание для нагрева камеры высокого давления и система контроля процесса синтеза. Жидкость высокого давления и охлаждающая среда поступают в контейнеры 2, 3 от одного источника - насосной станции 11 высокого давления. Контейнеры 2, 3 цилиндрической формы с размещенными в них многопуансонными аппаратами уплотняются и закрываются подвижными пробками 12 и 13. Контейнеры 2, 3 снабжены салазками (на чертежах не показаны) для перемещения их на ось силовой рамы 1 и вывода из нее.
На фиг. 3 показан пример контейнера 2 высокого давления с многопуансонным аппаратом 4 для синтеза алмазов. В контейнерах высокого давления 2, 3 цилиндрической формы размещены многопуансонные аппараты 4 высокого давления в форме куба. Между поверхностями многопуансонного аппарата 4 и внутренней цилиндрической поверхностью контейнера 2, 3 установлены на шпонках 14 по четыре вкладыша 15, имеющих внешнюю поверхность, ответную внутренней поверхности контейнера 2, 3. Контейнеры 2, 3 закрываются с обеих сторон подвижными пробками 12 и 13. В другом варианте пары соседних
контейнеров 2, 3 закрыты одной общей пробкой. В пробках 12 и 13 напротив вкладышей 15 выполнены по четыре отверстия, в которых находятся поршни, образующие гидроцилиндры 16 для выталкивания пробок 12 и 13 при разборке контейнеров 2, 3. В пробках 12 выполнены отверстия 17 для ввода в камеру электропитания, для нагрева камеры, для датчиков контроля процесс синтеза, отверстия 18 для охлаждения камеры и отверстия 19 для создания в контейнере 2, 3 высокого давления. Контейнеры 2, 3 поочередно устанавливаются на ось силовой рамы 1 и поджимаются в пакет посредством двух гидравлических цилиндров 7, соединенных с плитами в форме клина.
В другом варианте выполнения установки уплотнение пакета контейнеров 2, 3 на оси силовой рамы 1 реализуется не с помощью плит в виде клиньев, а с помощью контейнера 3 (фиг. 1), который имеет больший внутренний диаметр (или большее давление внутри) по сравнению с остальными контейнерами 2, а одна из его подвижных пробок - пробка 20 имеет ход больше суммарного зазора между контейнерами 2, 3 после их установки на силовую раму 1, позволяющий уплотнить пакет контейнеров 2, 3 и компенсировать деформационную составляющую силовой рамы 1 при максимальной нагрузке.
Гидравлическая система устройства высокого давления состоит из насосной станции 11 высокого давления, мультипликатора - аккумулятора 21, коллектора высокого давления, системы автоматически управляемых клапанов и вентилей 9 и датчиков 22 контроля. Давление в каждом контейнере 2, 3 поддерживается посредством индивидуального контроллера высокого давления. Процесс синтеза в каждом аппарате контролируется известным способом.
Устройство работает следующим образом. Кубическая ячейка 23 для выращивания алмазов собирается известным способом. На ней устанавливают датчики 22 для контроля за процессом синтеза, ячейку 23 помещают в центре многопуансонного аппарата 4, размещенного на салазках 24, которые прикреплены к подвижной пробке 12. Камеру для синтеза вначале образуют пять
пуансонов 25, разделенных эластичными прокладками 26. Датчики 22 контроля процесса синтеза и кабели нагревателя ячейки 23 соединяют через герметичные вводы в подвижной пробке 12 с внешними кабелями. Устанавливают последний шестой пуансон 25, и весь многопуансонный аппарат 4 герметизируют эластичным чехлом 27. Многопуансонный аппарат 4 помещают в контейнер 2, 3 и закрывают контейнер 2, 3 подвижными пробками 12 и 13. Контейнер 2, 3 перемещают на ось силовой рамы 1. Заполнив силовую раму 1 контейнерами 2, 3 с многопуансонными аппаратами 4, посредством двух гидравлических цилиндров 16 и клиньев сжимают контейнеры 2, 3 в пакет. Зазор, образовавшийся в результате уплотнения пакета контейнеров 2, 3, выбирается плитами в форме клиньев или посредством хода подвижной пробки 20 контейнера 3. Использование последнего варианта выбора зазора обязывает начинать выходить на режим давления в камерах высокого давления с этого контейнера 3, поскольку в этом контейнере 3 должно создаваться осевое усилие, превышающее усилие, необходимое для синтеза в остальных контейнерах 2 высокого давления. Каждый контейнер 2, 3 высокого давления подсоединяется к известному устройству автоматического контроля процесса синтеза, к коллектору высокого давления, охлаждения и сети электропитания. При достижении необходимого давления в камере высокого давления в ячейке 23 поднимается температура и начинается процесс синтеза алмазов. Силовая рама 1 удерживает осевую нагрузку, создаваемую давлением жидкости в контейнерах 2, 3, размещенных на оси рамы 1. Эта процедура повторяется последовательно со всеми контейнерами 2, 3, размещенными в силовой раме. Поскольку процесс выращивания алмазов длится сутками, системы контроля давления и температуры работают в автономном автоматическом режиме. По окончании процесса в каждом из аппаратов 4 отключается система нагрева, стравливается высокое давление из контейнера 2, отключается система охлаждения. В последнюю очередь давление сбрасывают из контейнера 3, который поджимает пакет. После этого каждый контейнер 2, 3 высокого давления отсоединяют от коллектора высокого давления, электросети и системы контроля процесса синтеза. Гидравлические цилиндры 6 выводят клинья из силовой рамы 1, после чего контейнеры 2, 3 поочередно выдвигают из силовой рамы 1 на столе 8. Из контейнеров 2, 3 вытаскивают подвижные пробки 12 вместе с многопуансонным аппаратом 4, осуществляется разгерметизация многопуансонного аппарата 4. Вытаскивают один из шести пуансонов и извлекают ячейку 23 с выращенными кристаллами. После чистки камеры и осмотра пуансонов 25 процесс можно повторять.