DE4416335A1

DE4416335A1 - Behälter, der Extremdrücken standhält

Info

Publication number: DE4416335A1
Application number: DE19944416335
Authority: DE
Original assignee: BEHRENDS HOLGER 26639 WIESMOOR DE
Current assignee: BEHRENDS HOLGER 26639 WIESMOOR DE
Priority date: 1994-05-09
Filing date: 1994-05-09
Publication date: 1995-11-16

Description

Die Patentanmeldung unter dem Aktenzeichen P 42 15 845.1-41 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von überharten Materialien, insbesondere die Herstellung von Diamant. Dabei wird ein Druckbehälter gefordert, der auf Dauer Drücke von mehr als 0,5 Mbar aushält. Diese Erfindung betrifft einen solchen Behälter insbesondere im Zusammenhang mit der oben genannten Erfindung. Diese Erfindung kann aber auch zu anderen Zwecken verwendet werden soweit diese einen solchen Behälter vorsehen.

Ein Behälter hält nicht unbegrenzt um so mehr Druck aus, je stärker die Wandung ist. Wenn man die Druckfestigkeit des Behälters als Funktion von der Wandstärke darstellt so wird man feststellen, daß die Funktion asymtotisch gegen einen Grenzwert auf der Y-Achse läuft. Dieser Grenzwert ist materialabhängig. Dieses Verhalten hat folgenden Grund: Durch den Druck auf die Innenwand dehnt sich das Material geringfügig aus. Der Umfang der Außenwand nimmt um dieselbe Strecke zu, um die der Umfang der Innenwand zunimmt, wenn man näherungsweise davon ausgeht, daß das Material nicht komprimiert wird. Damit jedoch sowohl innen als auch außen die gleiche Materialspannung als Gegendruck herrscht, muß der Umfang innen sowie außen um denselben Prozentsatz zunehmen. Das bedeutet, daß das Material innen stärker belastet ist als außen. Je größer die Verhältniszahl des Umfanges der Außenwand zu dem der Innenwand ist, um so bedeutungsloser ist die Zunahme der Wandstärke. Bei einem bestimmten Druck bildet sich unabhängig von der Wandstärke in der Innenwand ein Bruch. Die Kraft, die vorher auf den Bindungen lastete, wird jetzt auf die Mündung der Bruchstelle geleitet. Dort tritt sie sehr konzentriert auf, und ruft wesentlich stärkere Spannungen hervor. Das hat zur Folge, daß ein Riß wie eine Laufmasche durch den ganzen Behälter wandert und dieser zerstört wird. Deshalb paßt man die Verfahren, bei denen man diese Extremdrücke braucht, diesem Umstand an, indem man extrem kurzzeitige dynamische Drücke erzeugt. Die Behälter fungieren dabei als Druckwellenüberträger, welche bei der einmaligen Verwendung zerstört werden oder als Auffangbehälter die erheblich weniger belastet werden. Beispiele solcher Behälter sind in den Deutschen Patentschriften 977 825 und 30 50 564 C2 zu finden. Wenn man eine zur Wandquerschnittsfläche proportional steigende Druckbeständigkeit haben möchte, muß man den Behälter aus einem spannbaren Material konstruieren. Dieses muß bei der Herstellung mit derart von innen nach außen zunehmender Spannungsstärke gespannt werden, daß die Materialspannung zum Zeitpunkt der höchsten oder höchstmöglichen Belastung durch den Innendruck beim Gebrauch an allen Orten des Behälters gleich stark ist. Der Behälter sollte aus einem harten, hitzebeständigen und elastischen Material bestehen. Für das oben genannte Verfahren zur Herstellung überharter Stoffe muß das Behältermaterial bis zu ca. 700 K hitzebeständig sein, ohne daß der Behälter in seinen Funktionen beeinträchtigt wird. Diesen Anforderungen sind Mineralstoffe, wie Korund und Quarz, und einige Metallegierungen, wie Widia-Stahl gewachsen. Diese Stoffe müssen gegen die vorgesehenen Inhaltsstoffe des Behälters vor, während und nach der Reaktion inert sein oder die Behälterwand muß mit einer inerten Schutzschicht bedeckt sein. Es gibt mehrere Möglichkeiten, einen solchen Behälter zu konstruieren. Folgende Ausführungen sind erarbeitet und auch als Patentansprüche formuliert worden.

Beispiel 1

Es werden viele dünnwandige kugelförmige Gefäße ineinander verschachtelt, woraus sich ein dickwandiger Behälter zusammensetzt. Diese werden durch die Wahl ihrer Größe während des Verschachtelungsprozesses so stark vorgespannt, daß sie alle ihren Kugeldurchmesser bis zum Zerreißen um dasselbe Längenmaß vergrößern.

Das bedeutet, daß dieser Behälter zum Zeitpunkt der höchstmöglichen Belastung an allen Orten gleich stark gespannt ist. Die Kugelform garantiert eine optimale Ausnutzung der Materialfestigkeit. Wenn man die Gefäße so nah wie möglich an die Elastizitäts- bzw. Bruchgrenze vorspannt, erreicht man, daß sich der Behälter bis zum Zerreißen nicht mehr verformen kann, also bis zum Zerreißen einen Innenraum konstanten Volumens hat. Es darf zwischen den Wandungen der verschachtelten Gefäße keine Hohlräume geben, weil Hohlräume Schwachstellen in der Konstruktion des Behälters sind. Das innerste Gefäß ist eine mit den vorgesehenen Inhaltsstoffen gefüllte hermetisch abgeschlossene Kugel.

Die anderen Gefäße sind jeweils aus zwei gleichgroßen Halbkugeln zusammengesetzt und dabei so verschachtelt, daß die beiden aufeinanderliegenden Ränder eines Halbkugelpaares immer senkrecht zu denen der nächsten beiden darunterliegenden bzw. darüberliegenden Halbkugelpaaren angebracht sind, (Fig. 1a und Fig. 1b). Die letzten beiden Halbkugeln des Behälters sind mit lückenlos aufeinanderliegenden, fest miteinander verschraubten Flanschen versehen, (Fig. 1b, 2).

Beispiel 2

Ein hermetisch abgeschlossenes, kugelförmiges, inneres Gefäß (Fig. 2, 1) ist mittig in ein scheibenförmiges äußeres Gefäß lückenlos eingebettet und das äußere Gefäß besteht aus zwei identischen, lückenlos aufeinanderliegenden Scheiben (Fig. 2, 2), in die das innere Gefäß je zur Hälfte eingebettet ist. Das äußere Gefäß ist durch von innen nach außen zunehmende Temperatur der Scheiben beim Abkühlen der Schmelze, aus der sie hergestellt sind, automatisch vorgespannt. Das erreicht man dadurch, indem man die Wärme des in einer entsprechenden Schmelzform befindlichen geschmolzenen Materials zum Abkühlen nur an der Stelle ableitet, die den inneren Teil des Gefäßes darstellt. Dadurch erreicht man das gewünschte Temperaturgefälle dessen Intensität von Geschwindigkeit des Abkühlungsprozesses abhängt. Man erreicht dieses Temperaturgefälle auch, wenn man die Schmelze gleichmäßig schichtweise aufträgt oder aufsprüht, und jede Schicht kurz abkühlen läßt, bevor man die nächste aufträgt. Die Intensität des Temperaturgefälles, die die Intensität der Vorspannung bestimmt, läßt sich so direkt steuern.

Zum Gebrauch muß das äußere Gefäß überall gleichmäßig mit so hohem Druck (Fig. 2, 3) beaufschlagt werden, daß die dadurch die beiden Scheiben zusammenhaltende Kraft größer als die durch den höchsten Innendruck des Behälters beim Gebrauch die Scheiben auseinanderdrückende Kraft ist. Man kann das zum Beispiel durch einen speziell angefertigten Schraubstock erreichen.

Der durch diese Erfindung gewonnene Vorteil ist, daß man eine zur Wandquerschnittsfläche proportional steigende Druckfestigkeit des Behälters erreicht, der relativ einfach aufgebaut ist. Ein kugelförmiger Behälter, der z. B. aus einem Material mit 1000 Tonnen Reißfestigkeit pro dm², mit einem Innendurchmesser von 10 cm und einem Außendurchmesser von einem Meter konstruiert ist, hält maximal 1 Mbar Druck aus.

Claims

1. Behälter, der Extremdrücken standhält, insbesondere als hitzebeständiger, hermetisch abgeschlossener Behälter für die Synthese harter Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus einem spannbaren Material konstruiert ist und mit derart von innen nach außen zunehmender Spannungsstärke vorgespannt ist, daß die Materialspannung des Behältermaterials zum Zeitpunkt der höchsten oder höchstmöglichen Belastung durch den Innendruck beim Gebrauch, unabhängig von der Wandstärke, an allen Orten des Behälters gleich stark ist.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus harten, hitzebeständigen und elastischen Stoffen konstruiert ist.

3. Behälter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Behältermaterial gegen die vorgesehenen Inhaltsstoffe vor, während und nach der Reaktion inert: ist oder der Behälter innen mit einer inerten Schutzschicht bedeckt ist.

4. Behälter nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß viele dünnwandige kugelförmige Gefäße ineinander verschachtelt sind, woraus sich ein dickwandiger Behälter zusammensetzt und daß durch die Wahl der Größe der ineinander zu verschachtelnden Gefäße diese durch das Verschachteln so stark vorgespannt sind, daß sie alle ihren Kugeldurchmesser bis zum Zerreißen um dasselbe Längenmaß vergrößern.

5. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefäße so nah wie möglich an die Elastizitätsgrenze bzw. Bruchgrenze des Materials gehend, vorgespannt sind.

6. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es zwischen den Wandungen der Gefäße keine Hohlräume gibt.

7. Behälter nach den Ansprüchen 4, 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das innerste kugelförmige Gefäß mit den vorgesehenen Inhaltsstoffen gefüllt und hermetisch verschlossen ist, und daß die anderen Gefäße jeweils aus zwei gleich großen Halbkugeln (Fig. 1a, 1) zusammengesetzt und dabei so verschachtelt sind, daß die beiden aufeinanderliegenden Ränder eines Halbkugelpaares immer senkrecht zu denen der nächsten beiden darunterliegenden bzw. darüberliegenden Halbkugelpaaren angebracht sind.

8. Behälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die letzten beiden Halbkugeln des Behälters mit lückenlos aufeinanderliegenden, fest miteinander verschraubten Flanschen (Fig. 1b, 2) versehen sind.

9. Behälter nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein hermetisch abgeschlossenes, kugelförmiges, inneres Gefäß (Fig. 2, 1) mittig in ein scheibenförmiges äußeres Gefäß lückenlos eingebettet ist und daß das äußere Gefäß aus zwei identischen, lückenlos aufeinanderliegenden Scheiben (Fig. 2, 2) besteht, in die das innere Gefäß je zur Hälfte eingebettet ist.

10. Behälter nach Anspruch 1 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Gefäß durch von innen nach außen zunehmende Temperatur der Scheiben beim Abkühlen der Schmelze, aus der sie hergestellt sind, automatisch vorgespannt ist.

11. Behälter nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Gefäß überall gleichmäßig mit so hohem Druck (Fig. 2, 3) beaufschlagt wird, daß die dadurch die beiden Scheiben zusammenhaltende Kraft größer als die durch den höchsten Innendruck des Behälters beim Gebrauch die Scheiben auseinanderdrückende Kraft ist.