МНОГОПУАНСОННЫЙ АППАРАТ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИНТЕЗА АЛМАЗОВ

Полезная модель 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 полезной модели является создание аппарата высокого давления с низкой материалоемкостью и энергоемкостью.
Технический результат полезной модели 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 насос 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, соединенный 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 12-16 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, соединенный 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.