DE1667202A1

DE1667202A1 - Einrichtung zum Erzeugen ultrahoher Druecke

Info

Publication number: DE1667202A1
Application number: DE19681667202
Authority: DE
Inventors: Naoto Asami; Shuichiro Takahashi
Original assignee: Mitsubishi Atomic Power Industries Inc
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1967-02-28
Filing date: 1968-02-28
Publication date: 1972-04-20
Also published as: JPS492577B1; DE1667202C3; US3517413A; DE1667202B2; FR1555232A; GB1213385A

Description

Mitsubishi Atomic Power Industries, Inc. Tokyo/Japan

Einrichtung zum Erzeugen ultrahoher Drücke

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Einrichtung zum Erzeugen von ultrahohen Drücken und insbesondere auf die Konstruktion einer Stempelanordnung für eine solche Einrichtung.

Die konventionellen Einrichtungen zum Erzeugen ultrahoher
Drücke können allgemein in zwei Arten unterteilt werden, nämlich die Art mit Stempeln und die Art mit einer Kolben-Zylinder-Kombination. Die Art mit Stempeln,auf die sich die Erfindung bezieht, kann weiterhin in die Art mit Bridgemannstempeln oder die Art mit Gegenstempeln, die Art mit Tetraederstempeln, die Art mit kubischen Stempeln, die Art mit Oktaederstempeln usw. unterteilt werden.

Die üblichen Druckerzeugungsvorrichtungen zum Zuführen von
Drücken zu den vorhandenen Stempeln können außerdem in drei
Arten unterteilt werden, von denen die eine getrennte Druckvorrichtungen für jede Richtung besitzt, um den zugehörigen
Stempel zu bewegen, und von denen die andere eine senkrechte Druckvorrichtung hat, die ein Gehäuse in der Form eines abgestumpften Konus und eine Vielzahl von komplementären Stempeln besitzt, die in dem Gehäuse angeordnet sind, um eine daran
angreifende einseitige Kraft in mehraxiale Kräfte umzuwandeln.

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Die letzte ader dritte Art von Druckerzeugungsvorrichtungen umfaßt einen Hochdruckbehälter, in dem sich ein Stempelsystem und ein flüssiges Arbeitsmedium befinden. Das Stempelsystem besteht aus einer Vielzahl von Stempeln und den Halterungen dafür, um die Stempel zu einem einheitlichen Gebilde zusammenzubauen, das eine einfache Konfiguration besitzt und mit irgendeinem geeigneten weichen elastischen Material, wie z.B. Gummi, verschlossen ist, wobei die äußere Kraft durch das weiche elastische Material auf die Stempel wirkt. Die Erfindung hat eine Verbesserung der zuletzt erwähnten Art von Druckerzeugungsvorrichtungen zum Ziele.

Obgleich die zur Verfügung stehenden Bridgemanstempel, die aus Wolframkarbid (Widiametall) bestehen, dazu dienen, einen Druck bis zu ungefähr I50 kb zu erzeugen, haben sie den Nachteil, daß das Volumen eines zusammenzupressenden Werkstücks sehr klein ist, eine innere Erhitzung schwierig durchzuführen ist und eine Druckkraft unterschiedlich, entsprechend der Richtung des Zusammendrückens auf das Werkstück ausgeübt wird, wodurch sich in dem Werkstück Spannungen als Funktion der Richtung des Zusammendrückens ergeben.

Die einfachen Arten von Tetraederstempeln und kubischen Stempeln üblicher Konstruktion konnten nur Drücke erzeugen, die eine maximale Stärke von 8O bis 120 kb hatten, weil in starkem Maße eine lokale Konzentration von Spannungen in dem für

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die Stempel verwendeten Material auftrat und im Betrieb insbesondere von Mehrstempeleinrichtungen schwierig wurde. Außerdem konnten die gewöhnlichen Systeme, die einen Flüssigkeitsdruck benutzten, einen Druck von l80 kb auch mit Oktaederstempeln durch Verringern des Volumens eines Werkstücks erzeugen. Wenn jedoch versucht wurde, einen Druck über 180 kb zu erzeugen, dann trat häufig eine lokale Konzentration von Spannungen in dem Material für den Stempel auf, die zu einer Beschädigung des letzteren führte. Außerdem war diese lokale Konzentration von Spannungen oft von einer Deformation und/ oder einem Brechen des sich ergebenden Werkstücks infolge eines Schervorganges begleitet, was einer der Nachteile der einfachen Spaltstempelsysteme ist.

Es ist deshalb eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, die oben erwähnten Nachteile der früheren Druckerzeugungseinrichtungen zu beseitigen.

Eine speziellere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine neue und verbesserte Druckerzeugungseinrichtung mit aus Wolframkarbid (Widiametall) bestehenden Sternpein zu schaffen, um infolge des geringen Ausfalls des verwendeten Materials in relativ einfacher Weise ultrahohe Drücke zu erzeugen, die höher sind als diejenigen, die mit den üblichen Einrichtungen erzeugt wurden.

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Erfindungsgemäß wird eine Polyederstempeleinrichtung zum Erzeugen ultrahoher Drücke geschaffen, mit einer Stempelanordnung mit mindestens zwei Stempelsystemen, von denen das eine Stempelsystem in dem äußeren Stempelsystem sitzt und das innerste Stempelsystem einen Arbeitsraum bildet, und mit einer äußeren Hülle aus weichem elastischem Material zum hermetischen abdichten der Stempelanordnung, wobei sich die Stempelanordnung in einer Druckflüssigkeit befindet, durch welche sie unter einen hydrostatischen Druck gesetzt wird. Diese Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stempelanordnung die Form eines rotationssyrametrischen Körpers hat, jedes der Stempelsysteme einen bestimmten Innenraum in der Form eines regulären Polyeders hat und eine Anzahl von Stempelelementen umfaßt, die sich in ihrer Form gleichen und deren Anzahl gleich der Zahl der Flächen des Innenraumes ist, in dem sie sitzen, und daß die Anzahl von Stempelelementen jedes Stempelsystems im zusammengesetzten Zustand eine äußere Fläche bildet, die in ihrer Form komplementär ist zu dem Innenraum, in dem sie sitzen, und die innere Endflächen besitzen, die in entsprechender'Weise die Flächen des inneren Polyederraumes bilden, der durch das Stempelglied begrenzt wird.

Die Innenräume der innen sitzenden Stempelsysteme können vorzugsweise aus regulären Hexaedern oder Würfeln bestehen, die mit regulären Oktaedern abwechseln und die äußersten Räume können entweder ein Würfel oder ein regulärer Oktaeder sein.

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Andererseits können reguläre Tetraeder mit Würfeln abwechseln oder umgekehrt.

Eine Schicht aus irgendeinem geeigneten weichen elastischen Material kann vorteilhafterweise zwischen jedes Paar von benachbarten Stempelsystemen eingefügt werden, um zu ermöglichen, daß sich eines der Stempelsysteme gegenüber dem anderen Stempelsystem glatt bewegt, und um zu bewirken, daß ein auf das äußere System ausgeübter Druck gleichmäßig auf das innere Stempelsystem übertragen wird.

Die Erfindung wird leichter verständlich aus der folgenden ins Einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, in denen:

Figur 1 ein Schnitt durch die Mitte einer Einrichtung gemäß der Erfindung zum Erzeugen von ultrahohen Drücken ist;

Figur 2 eine schematische Ansicht ist, die die Geometrie und die Anordnung einer dreifachen Stempelanordnung nach Figur 1 zeigt, wobei jedoch aus Gründen der Vereinfachung einige Teile weggelassen sind;

Figur 5 eine Ansicht ähnlich der von Figur 2 ist, aber eine Abwandlung der dreifachen Stempelanordnung zeigt;

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Figur 4 eine vergrößerte anisometrische Ansicht eines der in Figur 1 und 2 gezeigten mittleren Stempelelemente istj

Figur 5 eine vergrößerte isometrische Ansicht eines der in Figur 1 gezeigten inneren Stempelelemente ist;

Figur 6 ein Diagramm ist, welches die Verteilung des Druckes zeigt, der in der in Figur 1 gezeigten Einrichtung in einer radialen Richtung hervorgerufen wird;

Figur 7 eine Abwandlung der Figur 4 zeigt und Figur 8 eine Abwandlung der Figur 5 zeigt.

Figur 1 zeigt eine Einrichtung, die eine Stempelanordnung mit einem ersten Stempelsystem besitzt, das aus einer Anzahl von ersten Stempelelementen 1 von gleicher Form zusammengesetzt ist, einem zweiten Stempelsystem, das aus einer Anzahl von zweiten untereinander gleichen Stempelelementen 2 zusammengesetzt ist und in dem ersten Stempelsystem 1 sitzt, und einem dritten Stempelsystem, das aus einer Anzahl von dritten untereinander gleichen Stempelelementen 3 zusammengesetzt ist und in dem zweiten Stempelsystem sitzt, um einen Arbeitsraum 0 zu bilden, wobei jedes Stempelelement aus einem Grund, der hier noch erläutert wird, von den benachbarten Stempelelementen etwas entfernt ist. Die Stempelelemente bestehen aus einem geeigneten harten Material, wie z.B. Wolframkarbid (Widiametall).

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Genauer gesagt besteht das erste oder äußere Stempelsystem aus acht identischen Stempelelementen 1 (von denen in Figur 1 nur vier dargestellt sind), die so gestaltet und angeordnet sind, daß sie eine bestimmte äußere Gestalt haben und einen bestimmten Innenraum in der Form eines regulären Oktaeders bilden«, Beispielsweise können acht Polyeder, von denen jedes drei Flächen besitzt, die sich unter einem rechten Winkel in einer gemeinsamen Spitze schneiden, die schräg abgeschnitten ist, aneinander angrenzen, indem die drei Flächen an die entsprechenden Flächen der benachbarten Polyeder anstoßen, um auf diese Weise den Innenraum in der Form eines Oktaeders zu bilden, dessen Flächen durch die Endflächen gebildet sind, die durch Abschneiden der Spitzenteile geschaffen wurden.

Damit das zweite oder mittlere Stempelsystem dicht in das auf diese Weise gebildete Oktaeder paßt, ist das zweite Stempelsystem aus sechs untereinander gleichen Stempelelementen 2 zusammengesetzt, die so gestaltet und angeordnet sind, daß sie eine äußere Form bilden, die komplementär zu derjenigen des inneren Oktaederraumes ist, -der durch das äußere Stempelsystem begrenzt ist, und um außerdem einen bestimmten Innenraum in der Form eines regulären Hexaeders oder Würfels zu bilden. Zu diesem Zweck können sechs Polyeder, wie sie in Figur 4 gezeigt sind, in der in Figur 2 gezeigten Weise nebeneinander angeordnet werden, in der die x-, y- und z-Achse eines orthogonalen kartesischen Kooerdinatensystems darge-

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stellt sind. Das Polyeder, wie es in Figur 4 dargestellt ist, ist einem tetragonalen Oktaeder ähnlich und besitzt vier Flächen LMNM, die sich an einer gemeinsamen Spitze L unter einem rechten Winkel schneiden, sowie eine Fläche FFFF, die dadurch geschaffen wurde, daß der der Spitze diametral gegenüberliegende Teil senkrecht zu der durch die Spitze L gehenden Rotationssymmetrieachse abgeschnitten wurde.

Wenn die sechs Polyeder, wie oben beschrieben, in der in Figur 2 gezeigten Weise angeordnet sind, haben je drei von ihnen drei nebeneinanderliegende Flächen LMNM, die in einer Ebene liegen und wie oben beschrieben eine Fläche des Oktaederraumes bilden, während die inneren Flächen FFFF derselben die entsprechenden Flächen des kubischen Raumes bilden, der durch das mittlere Stempelsystem begrenzt wird.

Das dritte oder innerste Stempelsystem, das wie oben beschrieben in dem kubischen Raum sitzt, ist aus acht dritten Stempelelementen 3 in Form eines Würfels zusammengesetzt, dessen eine Ecke, wie in Figur 5 zu sehen, abgeschnitten ist. Es ist leicht einzusehen, daß vier dieser Würfel, wenn sie nebeneinanderliegen, vier aneinander angrenzende Flächen haben, die in einer Ebene liegen und eine Fläche des kubischen Raumes ergeben, der durch das zweite Stempelsystem begrenzt ist, und die diametral gegenüber liegenden schrägen Flächen vier aneinander angrenzende Flächen eines Innenraumes in der

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Form eines regulären Oktaeders bilden, Dieser Innenraum ergibt einen Arbeitsraum, der mit dem Bezugszeichen 0 bezeichnet ist.

In dem Arbeitsraum, der mit irgendeinem geeigneten plastischen Druckmedium gefüllt ist, kann ein Werkstück angeordnet werden, obgleich dieses nicht dargestellt ist.

Andererseits kann auch eine Vielzahl von Stempelsystemen, wie sie oben beschrieben sind, aufeinanderfolgend in der oben beschriebenen Weise in dem Innenraum sitzen*

Es dürfte folglich ersichtlich sein, daß das erste oder äußere Stempelsystem in acht gleiche Stempelelemente 1 unterteilt ist, um einen Innenraum in der Form eines regulären Oktaeders zu bilden, in dem das in sechs gleiche Stempelelemente 2 unterteilte zweite Stempelsystem sitzt, um einen zweiten Innenraum in der Form eines regulären Hexaeders oder Würfels zu bilden, und daß das dritte Stempelsystem, das in dem zweiten Raum sitzt, in acht gleiche Stempelelemente 5 unterteilt ist, um einen dritten Innenraum zu bilden usw. Mit anderen Worten, jedes der Stempelsysteme sollte aus so vielen in ihrer Form gleichen Stempelelementen zusammengesetzt sein, wie Flächen des durch jenes Stempelsystem begrenzten Raumes vorhanden sind, was eines der charakteristischen Merkmale der Erfindung ist.

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Aus der in Figur 1 und 2 gezeigten Anordnung ist ersichtlich, daß das Zuführen eines Druckes zu der Stempelanordnung das gleichzeitige und gleichmäßige Zusammenpressen der einzelnen Stempelsysteme auf die Mitte der Stempelanordnung zu bewirkt. Betrachtet man die oben beschriebene Kombination aus mit

V-.

8-6-8 Flächen versehenen Polyedern, so wird'iein auf das äußere Stempelsystem ausgeübter hydrostatischer Druck durch die äußeren Stempelelemente 1 zu ihren inneren Flächen entsprechend weitergeleitet. Jede dieser Flächen steht mit drei mittleren Stempelelementen 2 in Verbindung und der Druck, der auf jede dieser Flächen ausgeübt wird, wird im wesentlichen unter rechten Winkeln auf die drei entsprechenden Stempelelemente 2 und zwar auf die zugeordneten Flächen LMNM übertragen. Mit anderen Worten, der Druck wird in drei axiale Drücke zerlegt. Deshalb werden bei jedem der mittleren Stempelelemente 2 die vier Flächen durch die vier damit in Verbindung stehenden Stempelelemente 1 senkrecht mit vier Drücken beaufschlagt. Wie in Figur 2 zu sehen ist, werden die vier Drücke zu einem einzigen Druck zusammengesetzt, der senkrecht zu der inneren Fläche FFFF gerichtet ist und der darauf abzielt, die damit in Verbindung stehenden Flächen des durch das mittlere Stempelsystem begrenzten kubischen Raumes zusammenzupressen. Während dieses Vorganges hat der senkrecht auf jede Fläche des kubischen Raumes wirkende Druck eine Größe, die theoretisch umgekehrt proportional dem Verhältnis der äußeren Oberfläche zu der inneren Oberfläche des zweiten Stempelsystems

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vergrößert ist, und eine Richtung, die gegenüber der Richtung, in der der entsprechende Druck auf die zugeordnete Fläche des Oktaederraumes wirkt, um einen Winkel von 55°^ oder einen Winkel geändert ist, der zwischen den zugeordneten Flächen des Oktaederraumes und ;des kubischen Raumes gebildet

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ist. Wenn man von der Kristallographie Gebrauch macht, so ist dieser Winkel gleich einem solchen, der beispielsweise zwischen den <^111 ^> und <flÖO J> Richtungen besteht.

Weil jede der Flächen des kubischen Raumes mit vier Stempelelementen 3 in Verbindung steht, wird der Druck auf der erwähnten Fläche auf jene Stempelelemente übertragen, wodurch er in ähnlicher Weise in seiner Stärke vergrößert und in seiner Richtung verändert wird, bis in dem durch das innerste Stempelsystem umgrenzten Arbeitsraum 0 ein maximal möglicher Druck entwickelt ist. Dieser maximal mögliche Druck wird als quasi-hydrostatischer Druck auf ein plastisches Druckmedium und damit auf ein in dem Arbeitsraum angeordnetes Werkstück ausgeübt.

Damit dürfte ersichtlich sein, daß der jedem Stempelsystem zugeführte Druck dieses als ein verstärkter Druck verläßt, der auf die Mitte des Arbeitsraumes zu gerichtet ist, während die in jedem Stempelelement in Richtung des Umfangs entwickelten Komponenten des Druckes im wesentlichen gegeneinander aufgehoben werden.

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Wie in Figur 1 zu sehen ist, sind Druckübertragungsglieder 4 und 4' in engen Spalten angeordnet, die zwischen dem ersten, dem zweiten und dem dritten Stempelsystem 1, 2 bzw» 3 gebildet sind, um eine auf die Mitte des Arbeitsraumes zu gerichtete gleichmäßige Relativbewegung zwischen dem ersten, dem zweiten und dem dritten Sfcempelsystem zu bewirken und den Druck von einem der Stempelsysteme auf das folgende Stempelsystem wirksam zu übertragen, um das eine von ihnen gegenüber den anderen elektrisch zu isolieren und um Scherspannungen in den entsprechenden Stempelelementen im wesentlichen zu beseitigen. Die Druckübertragungsglieder haben vorzugsweise eine lamellierte Struktur aus irgend einem geeigneten anorganischen Material oder einem organischen Kunststoff, wie z.B. Preßspan, Teflonplatten, Glimmerplatten oder Pyrophyllit.

Um weiterhin zu ermöglichen, daß die Stempelelemente jedes Stempelsystems zur Mitte des Arbeitsraumes hin bewegt werden können, ist ein enger Spalt 5 zwischen jedem Paar benachbarter Stempelelemente vorgesehen. Wenn es erwünscht ist, kann irgendein geeignetes poröses Material in den Spalten 5 angeordnet werden, um die Umgebungsdrücke auf die Stempelelemente zu erhöhen sowie den Spalt zwischen je zwei benachbarten Elementen aufrecht zu erhalten. Mit dem Ausdruck Umgebungsdruck ist ein Druck gemeint, der einem Drittel der Summe von in einem Material in der x-, y- und z-Achse senkrecht zueinander entwickelten Normalspannungen entspricht. Ein solches poröses

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Material kann zweckmäßigerweise Preßspan sein, das eine Vielzahl von kleinen Hohlräumen besitzt, die in einer bestimmten Weise verteilt sind.

Erfindungsgemäß hat das äußere Stempelsystem die Form eines rotationssymmetrischen Körpers. Wie in Figur 1 gezeigt ist, sind mehrere Sätze, in diesem Fall vier Sätze, von elektrisch isolierenden Platten und Führungen 6 bzw. 7 auf den ebenen freiliegenden Oberflächen des äußeren Stempelsystems angeordnet, um die Rotationssymmetrie der Stempelanordnung herzustellen, die ihrerseits durch eine äußere Hülle 8 aus einem geeigneten weichen Material wie z.B. Gummi hermetisch abgedichtet ist. Die Isolierplatten 6 dienen sowohl der Unterstützung der Bewegung eines der äußeren Stempelelemente relativ zu den benachbarten Stempelelementen als auch zum elektrischen Isolieren der Elemente gegeneinander. Die Führungen 7 dienen dazu, zu verhindern, daß irgendein Teil der weichen äußeren Hülle 8 infolge des äußeren Druckes nach außen hin konkav ist, und um die Stempelelemente 1 während des Zusammensetzens zu führen.

Die resultierende Anordnung wird in einem geeigneten hydraulischen Medium 9 angeordnet, das dazu bestimmt 1st, unter einen hydrostatischen Druck gesetzt zu werden, um in dem Arbeitsraum einen ultrahohen Druck zu erzeugen.

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-U-

Wie in Figur 1 gezeigt ist, können das mittlere und das innere Stempelsystem 2 und J5 und die zugeordneten Druckübertragungsglieder 4 und 4¹ oder das innere Stempelsystem 5 u^d das Druckübertragungsglied 4a·in einer Kapsel 10 oder 10' aus irgend einem geeigneten flexiblen Material, wie z.B. Nylon, aufgenommen werden, um ein Probestück leicht auswechseln zu können.

Insgesamt besteht die vorliegende Einrichtung aus einem plastischen Druckmedium, das sich in dem Arbeitsraum 0 befindet, dem dritten Stempelsystem 3* dem Druckübertragungsglied 4*, dem zweiten Stempelsystem 2, dem Druckübertragungsglied 4, dem ersten Stempelsystem 1, den Isolierplatten 6, den Führungen 7* der weichen elastischen äußeren Hülle 8 und dem hydraulischen Medium 9 in der genannten Reihenfolge beginnend mit der Mitte der Einrichtung. Das hydraulische Medium 9 befindet sich in einem geeigneten Druckkessel (nicht dargestellt) und ist dazu bestimmt, unter einen Druck bis zu

10000 kg/cm gesetzt zu werden.

Gemäß der Erfindung in der einfachsten Form kann die Stempelanordnung ein äußeres Stempelsystem umfassen, das einen Innenraum in der Form eines regulären Oktaeders oder eines Würfels besitzt, in dem ein inneres Stempelsystem sitzt, das in seiner Form komplementär zu dem Raum ist und in sich einen . Arbeitsraum in der Form eines Würfels bzw. eines regulären Oktaeders bildet. Der Arbeitsraum wird dann mit einem geeigneten plastischen Druckmedium und einem Werkstück gefüllt.

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Um andererseits den maximalen Druck, der in dem Arbeitsraum erzeugt werden kann, zu erhöhen, kann die Stempelanordnung mehr als drei Stempelsysteme umfassen, wie sie oben in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 beschrieben wurden. In diesem Fall können die Innenräume, die durch die entsprechenden Stempelsysteme begrenzt werden, beispielsweise in Form von regulären Oktaedern gebildet werden, die mit Würfeln abwechseln. Der äußere Raum kann aus einem regulären Oktaeder oder einem Würfel bestehen. Das Zusammensetzen eines solchen Stempelsystem wird jedoch kompliziert.

Obgleich die Erfindung in Verbindung mit einem Innenraum in der Form eines regulären Oktaeders oder eines Würfels beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, daß sie in gleicher Weise anwendbar ist auf Innenräume in der Form von regulären Tetraedern allein oder in Kombination mit regulären Oktaedern und/oder Würfeln.

Die Stempelelemente, die scharfe Spitzen und Kanten haben, können manchmal infolge der starken Spannungskonzentration deformiert werden und/oder brechen. Um diese Mängel zu beseitigen, können bei mindestens einem Stempelelement vorzugsweise seine Spitzen und Kanten durch Läppen oder Schleifen abgerundet werden. Solche Stempelelemente sind in den Figuren 7 und 8 gezeigt, in denen ein zweites bzw. drittes Element einer Dreifachstempelanordnung dargestellt ist. Wenn es er-

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wünscht ist, daß ein solches Stempelelement scharfe Spitzen und Kanten besitzt, dann kann irgendein geeignetes Material, das etwas weicher als das Material des Stempelelementes ist, an den Spitzen und Kanten angebracht werden, um sie in scharfe Form zu bringen.

Wenn es erwünscht ist, ist es außerdem möglich, den Arbeitsraum in der Richtung der Rotationssymmetrieachse auszudehnen. Dieser abgewandelte Arbeitsraum kann, wenn das Verhältnis der Oberfläche eines der Innenräume zu der des folgenden Innenraumes auf einem üblichen Wert gehalten wird, dazu beitragen, die Konfiguration eines in einem plastischen Druckmedium in dem Arbeitsraum angeordneten Probestücks zu verbessern.

Es wird nunmehr die Arbeitsweise der Einrichtung gemäß der Erfindung beschrieben: Es sei angenommen, daß P einen Druck in dem hydraulischen Medium 9* S_Q einen Bereich der äußeren Oberfläche des ersten oder äußeren Stempelsystems, S. einen Bereich der äußeren Fläche des durch das innerste Stempelsystem oder durch das plastische Druckmedium begrenzten Polyederraumes und P. einen in dem plastischen Medium entwickelten Druck darstellt. Dann erhält man folgende Beziehung:

XXXX f . P. = P . ^So

¹ ° ^I

wobei f einen Verlustfaktor des Druckes darstellt, der eine Funktion der Konstruktion der verwendeten Einrichtung und der

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Parameter P., P , S /S. usw. ist. Der Verlustfaktor kann Jedoch qualitativ als eine Punktion des Druckes P. allein betrachtet werden.

Der Verlustfaktor trägt nicht nur zum Auftreten eines Reibungsverlustes bei, sondern ist außerdem wirksam für das Zusammenpressen der einzelnen Teile, auf die die hohen Drücke einwirken, wie z.B. die Stempelelemente, bewirkt Spannungen, die in den verwendeten Materialien als Druckkräfte auftreten und verhindert, daß die einzelnen Teile infolge Scherung brechen. Obgleich der Verlustfaktor scheinbar zu einem Kraftverlust führt, ist er doch ein wichtiger Faktor in dem Sinne, daß ein erzeugter ultrahoher Druck in seiner Stärke zunimmt, bis ein zur Verfügung stehendes Material, das zum Erzeugen eines ultrahohen Druckes verwendet wird, wie z.B. das für die Stempel, an der Grenze seiner mechanischen Festigkeit ist.

Wie oben beschrieben wurde, wird eine Druckkraft von dem ersten Stempelsystem zu dem zweiten Stempelsystem und von dort zu dem dritten Stempelsystem übertragen, während Ihr Vektor sich bei jedem Übertragungsvorgang in seiner Richtung ändert. Dies 1st die Ursache dafür, daß die Kraft in mehraxiale Druckkräfte zerlegt wird. Dies bedeutet, daß das jeweils nachfolgende Stempelsystem gezwungenermaßen einer Druckspannung unterliegt, was zu einer Erhöhung des Verlustfaktors führt, und deshalb dazu dient, die Materialien für die Stem-

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pelsysteme steifer zu machen, mit dem Ergebnis, daß der in dem Arbeitsraum maximal mögliche Druck zunimmt.

Die Richtung in der sich jedes Stempelelement infolge einer zugeführten Kraft bewegen kann oder in der eine zu der inneren Endfläche des Stempelelementes senkrechte Kraft gerichtet ist, ändert sich um einen Winkel von 5²J-⁰^¹ für jedes Stempelsystem, wie aus der vorstehenden Beschreibung in Verbindung mit der Figur 2 leicht ersichtlich ist. Dieser Winkel entspricht annähernd der Richtung, in der ein Material, das mit einer einfachen Druck- oder Zugkraft beansprucht wird, abschert. Deshalb kann man sagen, daß die vorliegende Einrichtung eine solche Konstruktion besitzt, daß die Steinpelsysteme iii den Scherrichtungen vorgeteilt sind, um zu verhindern, daß sie infolge der Scherungen brechen. Dies trägt zu einer Erhöhung des in dem Innenraum des innersten Stempelsystems entwickelten maximal möglichen Druckes bei und schafft eine Methode, um in wirtschaftlicher Weise ultrahohe Drück« zu erzeugen, weil es möglich ist, Materialien geringerer Qualität für die Stempelelemente ftir einen bestimmten zu erzeugenden Druck anzuwenden.

Wenn eine Einrichtung, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, einem hydrostatischen Druck ausgesetzt wird, zeigt Figur 6 ein typisches Verteilungsprofil der darin in einer Richtung OR (siehe Figur 1) entwickelten Drücke, wobei die Abszissenachse

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die Entfernung R von der Mi'tte des Arbeitsraumes in einem beliebigen Maßstab angibt, und die Ordinatenachse den in den verschiedenen Teilen entwickelten Druck im natürlichen logarithmischen Maßstab darstellt. Da außerdem die längs der Kurve aufgetragenen Bezugszeichen a, b, c, d, e, f und g die entsprechenden Teile der Figur 1 kennzeichnen, dürfte es leicht zu verstehen sein, wie der hydraulische Druck in dem Plüssigkeitsmedium 9 von dem äußeren Stempelsystem über die dazwischen liegenden Teile zu dem Arbeitsraum übertragen wird, während er stufenweise in seiner Größe zunimmt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Kurve für das innere Stempelsystem im Punkt t nach oben geknickt ist, was ein Zeichen dafür ist, daß sich das Material dieses Stempelsystems im zusammengepreßten Zustand in einem elasto-plastischen Bereich befindet. Mit anderen Worten, durch die Erfindung kann der Vorgang der Druckvergrößerung auch in dem Fall ausgeführt werden, daß sich ein verwendetes Material in seinem elasto-plastischen Bereich befindet.

Die folgenden Beispiele erläutern die Lehren der Erfindung:

Beispiel I

Es wurde eine DoppeIstempeIeinrichtung gebaut, die ein äußeres Stempelsystem aus einem besonders festen Werkzeugstahl mit einer Bruchfestigkeit von 215 kg/mm und ein inneres Stempelsystem aus Wolframkarbid (Widiametall) mit 5 Gewichts-

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prozent Kobalt besaß, um zwei Innenräume in der Form eines regulären Oktaeder bzw. eines Würfels abzugrenzen, wie oben in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde. Der äußere Raum hatte einen Radius, der um einen Faktor zwanzig (20) größer war als derjenige des inneren Raumes und damit"in seiner Fläche um den Faktor vierhundert (400) größer war als der Letztere. Ein Druckübertragungsglied zwischen den beiden Stempelsystemen wurde aus Schichten von Pyrophyllit, Teflon und pulverisiertem Molybdändisulfid hergestellt und Pyrophyllit in der Form eines Würfels, dessen eine Kante um einen Faktor 1,25 größer war als diejenige des kubischen Raumes, wurde unter Zwang in den Arbeitsraum eingeführt.

Die Druckeichpunkte von Wismut (25 kb und 88 kb) und Blei (l6l kb) wurden genau wieder festgestellt. In dem würfelförmigen Pyrophyllit wurde ein Druck bis zu I95 kb erzeugt, ohne daß die Stempelelemente brachen, wie durch Extrapolation einer abgebrochenen Eichkurve geschlossen wurde. Die Einrichtung hatte einen Verlustfaktor, der auf 3,6 geschätzt wurde.

Beispiel II

Es wurde eine Einrichtung ähnlich der in Figur 1 gezeigten hergestellt. In diesem Beispiel saß in einem zweiten kubischen Raum ein drittes Stempelsystem mit acht kubischen Stempelelementen aus Wolframkarbid (Widiametall) mit 3 Gewichts-

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prozent Kobalt und eine Druckübertragungsschicht zwischen dem zweiten und dem dritten Stempelsystem, die aus Schichten von speziell gepreßtem Papier und Teflon hergestellt war. Das Verhältnis von innerem zu äußerem Radius war dreißig (j50), und es wurde deshalb ein Verhältnis der Flächen von neunhundert (900) erreicht. In einem Druckmedium aus Pyrophyllit wurde ein Druck bis zu 270 kb entwickelt, wie durch Extrapolation einer gewonnenen Eichkurve geschlossen wurde. Es wurde festgestellt, daß das dritte Stempelsystem etwas deformiert war, jedoch wiederholt verwendet werden konnte. Die Einrichtung hatte einen Verlustfaktor, der auf 6,5 geschätzt wurde.

Beispiel III

Es wurde eine Einrichtung hergestellt, die im wesentlichen identisch mit derjenigen des Beispiels I war, mit der Ausnahme, daß der äußere Raum kubisch war, während der innere Raum ein regulärer Tetraeder war, und daß die Druckübertragungsschicht aus einer Schicht von Pyrophyllit und Teflon hergestellt war. Ein maximaler Druck von 210 kb wurde erreicht, wie durch Extrapolation einer gewonnenen Eichkurve geschlossen wurde, und der Verlustfaktor war 5,85.

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Beispiel IV

Es wurde eine Einrichtung identisch mit der von Beispiel III hergestellt unter Verwendung eines heißgezogenen Werkzeugstahls als Material für das äußere Stempelsystem und eines Stahles mit hohem Kohlenstoffgehalt und einer Vickershärte von ungefähr 950 als Material für das innere Stempelsystem. Es wurde ein maximaler Druck von 110 kb erreicht, ohne daß das innere Stempelsystem brach.

Beispiel V

Es wurde eine Einrichtung identisch mit der von Beispiel II hergestellt, mit der Ausnahme, daß ein Druckübertragungsglied wie das bei 4* in Figur 1 gezeigte, das innere Stempelsystcm, ein Probestück und Ausfüllstücke durch eine Hülle aus Nylongewebe umschlossen waren. Diese Maßnahme gestattete, die Probestückanordnung sehr leicht auszuwechseln.

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Claims

Patentansprüche

1.) Polyederstempeleinrichtung zum Erzeugen ultrahoher Drücke, mit einer Stempelanordnung mit mindestens zwei Stempelsystemen, von denen das eine in dem äußeren Stempelsystem sitzt und das innerste einen Arbeitsraum bildet, und mit einer äußeren Hülle aus weichem elastischen Material zum hermetischen Abschließen der Stempelanordnung, wobei sich die Stempelanordnung in einer Druckflüssigkeit befindet, durch welche sie unter einen hydrostatischen Druck gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempelanordnung die Form eines rotationssymmetrischen Körpers hat, jedes der Stempelsysteme einen bestimmten Innenraum in der Form eines regulären Polyeders hat und eine Anzahl von Stempelelementen (1, 2, 3) umfaßt, die sich in ihrer Form gleichen und deren Anzahl gleich der Zahl der Flächen des Innenraumes ist, in dem sie sitzen, und daß die Stempelelemente jedes Stempelsystems im zusammengesetzten Zustand eine äußere Fläche bilden, die in ihrer Form komplementär ist zu dem Innenraum, in dem sie sitzen, und innere Endflächen besitzen, die in entsprechender Weise die Flächen des inneren Polyederraumes bilden, der durch das Stempelsystem begrenzt wird.

2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenräume abwechselnd die Form von regulären Oktaedern und Würfeln haben.

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ZH

3.) Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Raum die Form eines regulären Oktaeders hat.

4.) Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Raum die Form eines Würfels hat.

5.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenräume abwechselnd die Form von Würfeln und regulären Tetraedern haben.

6.) Einrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Raum die Form eines Würfels hat.

7.) Einrichtung nach Anspruch 5# dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Raum die Form eines regulären Tetraeders hat.

8.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Paar benachbarter Stempelsysteme eine Schicht (4, 4¹) aus weichem elastischem Material angeordnet ist.

9.) Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch glskennzeichnet, daß zumindest das innerete Stempelsystem und die zugehörige flexible Schicht durch eine flexible Hülle (10, 10¹) umschlossen ist.

10.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innerste Stempelsystem in seinem elasto-plastischen Bereich beansprucht ist.

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