Многокамерное устройство для выращивания крупных кристаллов алмазов без силовой рамы
MULTI-CHAMBER DEVICE FOR GROWING LARGE DIAMOND CRYSTALS WITHOUT POWER FRAME

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-fand.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.
Развитие производства (выращивания) крупных кристаллов алмазов сдерживает высокая стоимость аппаратуры высокого давления, которая состоит из камеры высокого давления и силового устройства (гидропресс - рама и гидравлический цилиндр) или контейнер и силовая рама, которая удерживает нагрузку, создаваемую в контейнере. Наиболее металлоемкой частью этих устройств является силовая рама.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание простого, неметаллоемкого многокамерного устройства, удерживающего большие нагрузки продолжительное время, для выращивания крупных кристаллов алмазов и других материалов в большом объеме, процесс выращивания которых требует продолжительного времени, в камерах высокого давления с большим рабочим объемом.
Техническая проблема решается устройством для выращивания кристаллов алмаза, содержащим установленные в заглублении земли соосно в ряд контейнеры с размещенным в каждом контейнере соответствующим многопуансонным аппаратом высокого давления, а между каждым из крайних контейнеров и соответствующей стеной заглубления установлена по меньшей мере одна разгрузочная плита.
Контейнеры целесообразно устанавливать на столе.
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 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 равен суммарной ширине 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, в одной из пробок каждого контейнера могут быть выполнены 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 характеристик алмазов и других материалов в одной установке в отсутствии силовой рамы. Это достигается за счет того, что используют соосно установленные в ряд в заглублении земли несколько контейнеров с многопуансонными аппаратами высокого давления для выращивания алмазов. При этом осевое усилие, создаваемое в контейнерах высокого давления, сдерживает реакция массы породы земли и трение через две противоположно расположенные параллельные стены, например, железобетонные, установленные в заглублении земли или шахте, и через разгрузочные плиты. В результате 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.
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.
На фиг. 1 показано многокамерное устройство для выращивания крупных кристаллов алмаза, расположенное в заглублении земли. В нем отсутствует силовая рама. Устройство состоит из пакета контейнеров 1, 2 высокого давления, в которых размещены многопуансонные аппараты 3 высокого давления. Контейнеры 1, 2 закрыты подвижными пробками 4, 5 и установлены соосно в ряд на рабочем столе 6 между разгрузочными плитами 7. Разгрузочные плиты 7 выполнены из металла и железобетона и служат для уменьшения удельного давления на единицу площади земли.
Один из крайних контейнеров 2 имеет большую длину и больший ход подвижной пробки 5 по сравнению с остальными контейнерами 1, для того чтобы выбрать зазоры, образующиеся при сборке пакета из контейнеров 1, 2 и компенсировать деформационную составляющую, которая возникает при нагрузках.
Работа устройства организована следующим образом. В помещении, выполненном в заглублении земли или в шахте, между двух противоположных параллельных стен 8 установлены разгрузочные плиты 7 по одной или несколько с каждой стороны. Между ними находится рабочий стол 6. На столе 6 соосно разгрузочным плитам 7 размещают в собранном виде контейнеры 1 и 2 высокого давления с многопуансонными аппаратами 3 для выращивания кристаллов. Контейнером 2 высокого давления осуществляется уплотнение пакета контейнеров 1 на оси разгрузочных плит 7, внутренний канал которого имеет большую площадь или большее давление внутри по сравнению с остальными, а одна из его подвижных пробок 6 имеет ход, позволяющий уплотнить пакет контейнеров 1, 2 высокого давления и компенсировать деформационную составляющую пакета и разгрузочных плит 7 при максимальной нагрузке.
На фиг. 3 показан пример контейнера 2 высокого давления с многопуансонным аппаратом 3 для синтеза алмазов. В контейнерах 1, 2 высокого давления цилиндрической формы размещены многопуансонные аппараты 3 высокого давления в форме куба. Между поверхностями многопуансонного аппарата 3 и внутренней цилиндрической поверхностью контейнера 1, 2 установлены на шпонках 9 по четыре вкладыша 10, имеющих внешнюю поверхность, ответную внутренней поверхности контейнера 1, 2. Контейнеры 1, 2 закрываются с обеих сторон подвижными пробками 4 и 5. В другом варианте пары соседних контейнеров 2, 3 закрыты одной общей пробкой. В пробках 4 и 5 напротив вкладышей 10 выполнены по четыре отверстия, в которых находятся поршни, образующие гидроцилиндры 11 для выталкивания пробок 4 и 5 при разборке контейнеров 1 и 2. В пробках 5 выполнены электрические вводы 12 для нагрева и для контроля за температурой и давлением, вводы 13 охлаждающей среды, вводы 14 среды высокого давления.
Уплотнение пакета контейнеров 1, 2 реализуется с помощью контейнера 2 (фиг. 1), который имеет больший внутренний диаметр (или большее давление внутри) по сравнению с остальными контейнерами 1, а одна из его подвижных пробок - пробка 5 имеет ход, равный суммарному зазору между контейнерами 1, 2 после их установки на стол 5, позволяющий уплотнить пакет контейнеров 1, 2.
Гидравлическая система устройства высокого давления состоит из насосной станции 15 высокого давления, мультипликатора - аккумулятора 16, соединенного с ней коллектора высокого давления с управляемыми клапанами и вентилями 17. Система 18 управления процессом синтеза соединена посредством электроразъемов 19 с датчиками 20 контроля, установленными в многопуансонных аппаратах 3. Давление в каждом контейнере 1, 2 поддерживается посредством индивидуального контроллера высокого давления. Электропитание подводится посредством электроразъемов 19. Процесс синтеза в каждом аппарате 3 контролируется известным способом.
Устройство работает следующим образом.
Кубическая ячейка 21 для выращивания алмазов собирается известным способом. На ней устанавливают датчики 20 для контроля за процессом синтеза, ячейку 21 помещают в центре многопуансонного аппарата 3, размещенного на салазках 22, которые прикреплены к подвижной пробке 5. Камеру для синтеза вначале образуют пять пуансонов 23, разделенных эластичными прокладками 24. Датчики 20 контроля за процессом синтеза и кабели нагревателя ячейки 21 соединяют через герметичные вводы 12 в подвижной пробке 5 с внешними кабелями. Устанавливают последний шестой пуансон 23, и весь многопуансонный аппарат 3 герметизируют эластичным чехлом 25. Многопуансонный аппарат 3 помещают в контейнер 1, 2 и закрывают контейнер 1, 2 подвижными пробками 4 и 5.
Контейнеры 1, 2 поочередно устанавливают на стол 5 на ось разгрузочных плит 7, и весь пакет уплотняется посредством контейнера 2. Этим контейнером 2 создается осевое усилие, превышающее усилие необходимое для синтеза в остальных контейнерах 1 высокого давления. Каждый контейнер 1, 2 высокого давления подсоединяется к известному устройству автоматического контроля за процессом синтеза к коллектору высокого давления, охлаждения и сети электропитания. При достижении необходимого давления в многопуансонном аппарате 3 в ячейке 21 поднимается температура и начинается процесс синтеза алмазов. Процедура подключения повторяется последовательно со всеми контейнерами 1, 2, размещенными на оси разгрузочных плит 7. Поскольку процесс выращивания алмазов длится сутками, системы контроля давления и температуры работают в автономном автоматическом режиме. По окончании процесса в каждом из аппаратов 3 отключается система нагрева, стравливается высокое давление из контейнера 1, отключается система охлаждения. В последнюю очередь давление сбрасывается из контейнера 2, который поджимает пакет. После этого каждый контейнер 1, 2 высокого давления отсоединяется от коллектора высокого давления, электросети и системы контроля, за процессом синтеза. После чего контейнеры 1, 2 поочередно выдвигаются на стол 5. Из контейнеров 1, 2 вытаскиваются подвижные пробки 4, 5 вместе с многопуансонным аппаратом 3, осуществляется разгерметизация многопуансонного аппарата 3. Вытаскивается один из шести пуансонов 22 и извлекается ячейка 20 с выращенными кристаллами. После чистки аппарата и осмотра пуансонов процесс можно повторять.