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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung und/oder Aufnahme hoher Drücke zwecks Unterdrucksetzung von Körpern, mit einem eine Reaktionszone aufweisenden Gehäuse und Einrichtungen zum Aufbringen eines Kompressionsdruckes auf die den zu behandelnden Körper in seinen Mittelbereich einschliessende Reaktionszone.
Eine solche Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Umwandlung von Graphit oder andern kohlenstoffhaltigen Materialien in Diamant.
Bei bekannten Vorrichtungen der oben angeführten Art hängt die erreichbare Druckgrenze in erster Linie vom Material ab, welches für das Gehäuse und für die den Druck aufbringenden Druckelemente verwendet wird, und von der räumlichen Ausdehnung der Vorrichtung. Mit bekannten Vorrichtungen dieser Art können Drücke bis zu höchstens 4750 kg/mm2 bei einem sehr kleinen Volumen des zu behandelnden Körpers im Laboratorium erhalten werden.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese Druckgrenze zu überschreiten und den Druck über diesen Wert zu erhöhen. Weiters soll der Druck auf einen Körper von grösserem Volumen als bisher üblich ausgeübt werden.
Dies wird bei einer Vorrichtung der eingangs angeführten Art dadurch erreicht, dass der Raum zwischen der Reaktionszone und dem Gehäuse mit einem unter Normalbedingungen nicht fluiden, nach Wirksamwerden des hohen Druckes verformbaren Material gefüllt ist, wobei, wie an sich bekannt, druckerzeugende Einrichtungen nahe der Reaktionszone und/oder am Umfang des Gehäuses angeordnet sind.
Als nicht fluides Material eignet sich insbesondere ein schüttfähiges Gut, wie Sand oder Metallpulver, wobei das Gut vorzugsweise einen unterschiedlichen Körnungsgrad aufweist. Sand besitzt keine Zugfestigkeit aber eine nahezu unbegrenzte Druckfestigkeit. Eine Vergrösserung des Druckes bewirkt lediglich eine andere Ausrichtung der Körner. Er ist fliessfähig, überträgt aber nicht gleiche Drücke an sämtlichen Punkten, wie dies etwa bei Flüssigkeiten der Fall ist. Bei Auftreten des hohen Druckes wird dieser zwischen den Sandkörnern verteilt und auf Grund der Reibung zwischen den Sandkörnern zum Teil vernichtet, so dass nur ein Teil des in der Reaktionszone erzeugten Druckes vom Gehäuse aufgenommen werden muss. Aber auch duktile Metalle, wie etwa Blei, Gold oder Zinn, eignen sich als nicht fluides Material.
Diese besitzen genügend innere Reibung, um dieselbe Wirkung wie schüttfähiges Gut zu erzielen.
Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind um die Reaktionszone im nicht fluiden Material feste Körper, etwa aus keramischem Material, eingebettet.
Zum Aufbau der hohen Drücke können sämtliche bekannte Mittel zum Aufbringen von Aussendruck, von Vorkompression und von Innendruck herangezogen werden.
Durch Kühlung des äusseren Gehäuses der Vorrichtung mittels flüssigem Stickstoff vor Aufbau des Druckes kann die Vorkompression ebenfalls erhöht werden.
Durch Einschliessen des Gehäuses in einen hydraulischen Mantel, welcher hohem Flüssigkeitsdruck unterworfen ist, wird der Ausdehnung der einzelnen Teile der Vorrichtung entgegengewirkt und eine Vorkomprimierung des zu behandelnden Körpers erreicht.
Die Erfindung wird nun näher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben : In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 eine Schnittansicht durch eine erfmdungsgemässe Vorrichtung, Fig. 2 eine Teilansicht der Vorrichtung gemäss Fig. l im vergrösserten Massstab, die Fig. 3 und 4 zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, Fig. 5 eine Teilansicht der Vorrichtung gemäss Fig. 4 im vergrösserten Massstab und die Fig. 6 bis 8 Diagramme, welche zur Erklärung der Arbeitsweise der Vorrichtung gemäss Fig. 4 dienen.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 wird Graphit oder eine kohlenstoffhältige Mischung --1-- von einer Hüllschicht--2--aus Pyrophyllit od. dgl. umgeben, welche im Bezug auf die auftretenden Temperaturen beständig sind. An eine Seite dieser Hüllschicht--2--ist eine schalenförmige Schicht --3-- angeordnet, welche aus einem explosiven Material besteht. Die oben beschriebene Anordnung kann erforderlichenfalls in einem weiteren Hüllmaterial eingeschlossen sein, welches dehnbar oder selbsthärtend ist.
Die gesamte oben beschriebene Anordnung ist von einem unter Normalbedingungen nicht fluiden, nach Wirksamwerden des hohen Druckes verformbaren Material--4--, wie etwa Sand, umgeben. Das Ganze ist von einem kugelförmigen Gehäuse --5-- eingeschlossen, welches in der Praxis einen Durchmesser von mehreren Metern besitzt.
Vom Gehäuse --5-- ragen in das Material --4-- mehrere im Abstand voneinander angeordnete Keile
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und an den inneren Enden--7--abgerundet.
Die Keile--6--dienen zur Vorkompression des Materials--4--und werden zu diesem Zweck durch
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die Reaktionszone angeordnet sind. Diese Körper --10-- sind näher der Reaktionszone angeordnet als die Keile--6--. Der Zweck dieser Körper --10-- besteht darin, den Druck zu erhöhen und ihn von den inneren Enden--7--der Keile--6--in Richtung zur Reaktionszone zu übertragen.
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Im Gehäuse-5--gegenüber der schalenförmigen Schicht --3-- aus explosivem Material befindet sich eine Öffnung mit einem geeigneten Verschluss
Das Gehäuse umschliesst ferner eine Hülle--12-, welcher Druckflüssigkeit --13-- über den Einlass --22-- zugeführt wird.
Um den Graphit hohen Drücken und einer hohen Temperatur zu unterwerfen, werden die Keile--6-- zunächst in das Material --4-- eingedrückt, um unterstützt von der Druckflüssigkeit --13-- eine Vorkompression der Reaktionszone zu erreichen. Das nicht fluide Material--4--absorbiert einen Grossteil des von der Reaktionszone nach aussen wirkenden Druckes auf Grund der zwischen den Teilchen des Materials --4-- auftretende Reibung, so dass nun ein Bruchteil des in der Reaktionszone erzeugten Druckes vom äusseren Gehäuse aufgenommen werden muss.
Werden die Keile --6-- nach innen gedrückt, entsteht in der Nähe der inneren Enden --7-- der Keile ein hoher Druck. Dieser Druck wird auf die Reaktionszone übertragen und kann noch vergrössert werden, wenn man das Material --4-- auch zwischen den Körpern --10-- und der Reaktionszone anordnet.
Die chemische Reaktion zur Erzeugung der gasförmigen Produkte und des gewünschten Reaktionsdruckes kann elektrisch über Leitungen --16-- ausgelöst werden, welche durch das körnige Material --4-- führen und wenn durch die Reaktion nicht eine genügend hohe Temperatur erhalten wird, kann eine zusätzliche Erwärmung des Graphits auch durch einen elektrischen Stromfluss erzielt werden. An Stelle der chemischen Reaktion kann der Reaktionsdruck auch allein durch Erwärmung auf elektrischem Wege erzeugt werden.
Der resultierende von der Reaktionszone nach aussen gerichtete Druck wird durch den geometrischen Aufbau der Vorrichtung und durch die zwischen den Teilchen des Materials --4-- auftetende Reibung nach
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unmittelbarer Nähe der Reaktionszone angeordnet sind, müssen sie doch so ausgeführt sein, dass sie den hohen Drücken standhalten. Sie werden daher relativ dünn unter Vermeidung von unstetigen Konturänderungen ausgeführt. Sie sind vorzugsweise kreisförmig im Querschnitt.
Um den Temperaturgradienten bei hohem Druck zu stabilisieren, werden in der äusseren Zone des Materials - 4--Kühlrippen--15--eingebettet, welche die erzeugte Wärme nach aussen abgeben.
Nach der Umwandlung von Graphit in Diamant, wird der Druck schrittweise vermindert und darauf der Verschluss --11-- an der Öffnung des Gehäuses --5-- entfernt und das Material--4--bis zur Reaktionszone aufgebohrt, um zum Diamanten zu gelangen.
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aufweisen. Alle Schichten bestehen jedoch aus nach Wirksamwerden des hohen Druckes verformbaren Material, wobei die Schicht in der Nähe der Reaktionszone aus wärmebeständigem Material, etwa aus Oxyden von Metallen, wie etwa Magnesium, Kalzium oder Aluminium gebildet werden. In den äusseren Schichten können inkompressible Materialien, etwa Karbide oder seltene Erden verwendet werden.
Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung können auch Materialien hohen Drücken für längere Zeit wirtschaftlich ausgesetzt werden.
Gemäss einer andern in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung werden die explosiven Stoffe oder die andern druckerzeugenden Stoffe nicht in unmittelbarer Nähe der Reaktionszone angeordnet, sondern es ist die den hohen Druck erzeugende Quelle und die Reaktionszone über eine Druckleitung miteinander verbunden.
Die übertragung des hohen Druckes von einer Erzeugerquelle zur Reaktionszone war bisher durch die Zugfestigkeiten bekannter Materialien, aus denen die Druckleitungen gebildet wurden, beschränkt. Durch Verwendung eines unter Normalbedingungen nicht fluiden, nach Wirksamwerden des hohen Druckes verformbaren Materials in den Druckleitungen, wird eine wirkungsvolle Druckübertragung ermöglicht.
Diese Ausführungsform ist besonders nützlich bei Autoklaven oder Druckleitungen, welche in chemischen Anlagen verwendet werden, wobei die Druckleitung eine dünnschichtige Auskleidung aus einem teuren Material aufweist, welches von billigem Material--4--umgeben ist, das seinerseits von einem äusseren Gehäuse, beispielsweise aus Stahl, umschlossen ist.
Die Vorrichtung gemäss Fig. 3 besteht aus zwei kugelförmigen Teilen--40, 42--, welche durch einen zylindrischen Teil --44-- miteinander verbunden sind. Die Teile--40, 42, 44--sind mit einem körnigen Material--4--, wie etwa Sand, gefüllt. Der unter Druck zu setzende Körper befindet sich in einer Reaktionszone--41--innerhalb des Teiles--40--. Die Reaktionszone--41--ist über eine im Material
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Bei der oben beschriebenen Anordnung kann die Vorkompression der Aufbau des Druckes oder die Verstärkung des Druckes und die Kühlung in ähnlicher Weise erfolgen, wie beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1.
Gemäss einer andern in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann das mit hohem Druck zu behandelnde Material kontinuierlich der Vorrichtung zugeführt werden. Es ist bekannt, dass Metalle durch Wärmebehandlung unter hohem Druck bestimmte Eigenschaften erhalten.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 4 ist das zu behandelnde Material eine Metallstange--100--, die in Richtung des Pfeiles--A-vorgeschoben wird.
Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung arbeitet im wesentlichen in gleicher Weise wie die oben beschriebenen Ausführungsformen, doch besitzt die Reaktionszone die Form eines länglichen Kanals --102-- aus einem nachgiebigen Material, welches den auftretenden Drücken und Temperaturen standhält.
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Gehäuse --104-- umgeben ist. In das Material --110-- können zur Erhöhung des Druckes Keile--106-in das Material--110--eingetrieben werden. Die Erwärmung der Metallstange --100-- erfolgt auf
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zur Metallstange--100--bildet.
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht durch einen Keil --106-- mit den dazugehörigen Einrichtungen zum
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der Stange --100-- einzustellen.
Es ist auch möglich, den Druck in Form einer Druckwelle auf die Metallstange --100-- aufzubringen, durch welche die Metallstange--100--gleichzeitig in Richtung des Pfeiles--A--vorwärtsbewegt wird.
Die in Längsrichtung in der Vorrichtung herrschende Druckverteilung ist bei einer sich nicht fortbewegenden Stange --110-- graphisch in Fig. 6 dargestellt, wobei statische Reibungskräfte den Druck ausgleichen.
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hinter dem Scheitel und das Druckdifferential in Vorwärtsrichtung ausreicht, um eine Bewegung der Stange --100-- in Vorwärtsrichtung sicherzustellen.
Die aufgebrachten Druckwellen sind graphisch in Fig. 8 mit ihren Momentscheiteln bei--P. Ps und Ps-gezeigt. In Fig. 7 reicht der Druckgradient --#1-- nicht aus, um eine Bewegung der Stange --100-- nach der
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dar.
In sämtlichen Ausführungsformen werden durch die Verwendung eines unter Normalbedingungen nicht fluiden nach Wirksamwerden des hohen Druckes verformbaren Materials Diskontinuitäten und eine daraus folgende Schwächung der den Druck aufbringenden, verstärkenden oder verteilenden Mitteln verhindert. Ferner kann eine kontinuierliche Zuführung des Materials zur Vorrichtung erfolgen.
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