ES2258920B2 - Maquina multiyunque cubica de pistones semiesfericos, para producir altas presiones y altas temperaturas. - Google Patents
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Abstract
Máquina multiyunque cúbica de pistones semiesféricos, para producir altas presiones y altas temperaturas. La presente invención proporciona una máquina multiyunques, más concretamente una máquina multiyunques cúbica, que genera presiones sustancialmente hidrostáticas y altas temperaturas en una cámara de reacción industrial. En dicha cámara pueden obtenerse materiales tales como el diamante, el nitruro de boro cúbico y otros similares. Estas condiciones se consiguen de forma estable y eficiente. La generación de fuerza se produce mediante pistones semiesféricos de corto recorrido alojados en cámaras semiesféricas. El número de componentes móviles se han reducido con objeto de simplificar y facilitar su montaje durante la operación de cada ciclo de trabajo.
Description
Máquina multiyunque cúbica de pistones
semiesféricos, para producir altas presiones y altas
temperaturas.
La invención tiene por objeto proporcionar una
máquina de alta presión y alta temperatura, en una cámara de
reacción industrial, al objeto de obtener diamante, nitruro de boro
y similares, por efecto de acciones multiyunques cúbica y pistones
semiesféricos con cerrojos modulares.
Los dispositivos y máquinas para generar altas
presiones y temperaturas, se han desarrollado con objeto de cubrir
necesidades industriales y de investigación. La producción
industrial de diamantes requiere la generación de presiones y
temperaturas similares a las existentes en las profundidades de la
tierra donde se forman los cristales naturales. Igualmente el
estudio y simulación de condiciones geológicas y mineras requiere
de tales condiciones.
En este sentido se han desarrollado múltiples
variantes de aparatos capaces de generar grandes presiones a altas
temperaturas y mantener esas condiciones durante muchas horas,
incluso días. Dentro de estos aparatos se encuentran los conocidos
como tipo "Belt" (cinta/cinturón) y los tipo Molde o Matriz.
En ellos la cámara de reacción se encuentra confinada por un disco
perforado metálico formado por varias capas cilíndricas de metal
ajustadas unas con otras o en algún tipo de molde o matriz de
contención, diseñada para soportar las tensiones producidas. La
fuerza es generada por dos pistones opuestos axialmente que se
mueven el uno hacia el otro presionando la muestra, cámara o
cápsula o cámara de reacción confinada en el molde. Tales aparatos
son bien conocidos y están descritos en la bibliografía normal
sobre altas presiones y síntesis de cristales y en diversas
patentes. Estos aparatos son capaces de obtener presiones del orden
de 10 GPa y superiores así como temperaturas del orden de 2000ºC o
superiores.
Con objeto de superar determinados problemas
relacionados con la enorme fricción interna que se genera en las
máquinas tipo molde y de pistones opuestos, y para desarrollar
presiones más próximas a la hidrostática, se han desarrollado
máquinas conocidas como multiyunques. En ellas varios pistones (o
coyunques) presionan simultáneamente a la muestra (cápsula o cámara
de reacción). Habitualmente estos pistones son cuatro, dispuestos
según la geometría de un tetraedro (máquina tetraédrica), seis
dispuestos según la geometría de un cubo (máquina cúbica) y otras
simples e ingeniosas disposiciones en una o varias capas. Los
mismos pistones con sus correspondientes juntas de alta presión
sirven para contener a la muestra. Se puede encontrar una buena
revisión de este tipo de máquinas y su funcionamiento, así como
aplicaciones diversas.
Este tipo de máquinas poseen muy buenas
cualidades aplicables a la síntesis de materiales de alta presión y
temperatura. Ahora bien, también disponen de una serie de
desventajas que las hacen susceptibles de mejora. El principal
inconveniente de las máquinas multiyunques es su complejidad para
operar.
La mayoría de este tipo de máquinas requiere de
un montaje complejo de diferentes cuerpos y juntas antes de iniciar
el ciclo de trabajo, o bien requieren de un cuidadoso ajuste de la
linealidad de sus múltiples pistones y de la fuerza que cada uno
ejerce.
Otro serio inconveniente es su poca
productividad, debido en general a que no son capaces de trabajar
con cápsulas de reacción mucho mayores de unos pocos centímetros
cúbicos.
Existe, pues, una necesidad de adaptar este tipo
de máquinas a un proceso productivo que permita su uso rentable en
entornos industriales y en aplicaciones avanzadas de Investigación
y Desarrollo, aumentando su fiabilidad, productividad y facilidad
de fabricación.
La presente invención preconiza una máquina de
multiyunques con la posibilidad de aumentar la presión en la cámara
de reacción, mediante el empleo de uno o dos pistones semiesféricos
alojado/s en cámara/s semiesférica/s que resuelve los problemas del
estado de la técnica. Dicha máquina es capaz de generar en una
cámara de reacción para aplicaciones industriales, grandes
presiones y temperaturas, como las necesarias para la fabricación
de diamante, nitruro de boro y similares. Tales condiciones se
generan además de forma reproducible y estable en el tiempo.
Otro objetivo de la presente invención es
proporcionar un cerrojo de fácil fabricación que sea capaz de
contener la fuerza generada por la máquina, aligerando el tamaño de
las piezas que intervienen en su montaje. Además, dicho cerrojo es
de diseño modular, permitiendo aumentar su tamaño, si el tamaño de
la cámara de reacción o las presiones necesarias así lo
exigieran.
Otro objetivo es proporcionar una máquina
multiyunques que se pueda operar de forma fácil y eficiente.
Los elementos característicos de la invención
son:
Pistón/es semiesféricos.- El pistón esférico se
encuentra alojado en una cámara esférica, la cual tiene mayor
resistencia a la deformación y a la rotura que una cámara de igual
diámetro cilíndrica. Esto se traduce en dos ventajas: primera, esta
geometría permite un diseño que resista mayor presión hidráulica y
genera mayor fuerza de empuje con un gasto de material similar al
de un pistón cilíndrico.
Segundo, a igual fuerza de empuje que un pistón
cilíndrico, se puede disminuir la pared del cuerpo de
alojamiento.
El corto recorrido del pistón permite conseguir
grandes fuerzas para generar altas presiones, con un peligro
mínimo, puesto que el volumen de líquido hidráulico almacenado para
su funcionamiento es muy pequeño. Dicho volumen almacena una
cantidad de energía que no es peligrosa ni siquiera en caso de
rotura del cuerpo de alojamiento. Si dicha rotura sucediera, la
presión del líquido hidráulico disminuye rápidamente con la menor
grieta, disipando todo peligro antes de salir ningún líquido al
exterior del cuerpo.
Cerrojo modular.- El cerrojo modular
tiene como característica, por conformarse con la inclusión de los
semiaros intermedios para facilitar la utilización de cámaras de
reacción de distintas alturas y posee la ventaja de que puede
fabricarse a menor coste que si fuera de una sola pieza. Otra
ventaja es que permite que su altura sea regulable sin más que
introducir piezas intermedias y alargar los tirantes de cogida. Esta
regulación en altura, permite diseñar máquinas con mayores cámaras
de reacción.
Yunques o sectores cilíndricos.- Son de
diseño especial, que permiten el alojamiento de otros yunques, que
una vez montados forman un octaedro regular, que empujan a la
cápsula de reacción por tres direcciones mutuamente perpendiculares
(cúbitas).
El número de componentes móviles se ha reducido
con objeto de facilitar y simplificar su montaje durante la
operación de cada ciclo de trabajo.
Figura 1.- Sección transversal de la máquina de
un solo pistón
Figura 1a.- Detalle A del pistón
Figura 2.- Sección transversal de la máquina de
dos pistones
Figura 3.- Sección transversal de la máquina por
las aristas del octaedro
Figura 4.- Sección de los cerrojos
Figura 5.- Sección de los cerrojos con inclusión
de un semi-aro intermedio
Figura 6.- Sección de los cerrojos con inclusión
de dos semi-aros suplementarios
La máquina que se preconiza en la presente
invención consta de los siguientes elementos, de acuerdo con los
dibujos que se acompañan:
- 1.
- Tuerca
- 2.
- Tirante
- 3.
- Semiaro superior
- 4.
- Semiaro inferior
- 5.
- Tapa superior
- 6.
- Cámara
- 7.
- Tuerca aislada
- 8.
- Electrodo
- 9.
- Junta
- 10.
- Guía
- 11.
- Junta
- 12.
- Tetón
- 13.
- Tetón
- 14.
- Junta
- 15.
- Conexión a alta presión
- 16.
- Válvula de refrigeración
- 17.
- Pistón semiesférico
- 18.
- Placa aislante
- 19.
- Sector cilíndrico
- 20.
- Aro
- 22.
- Yunque
- 23.
- Junta alta presión
- 24.
- Cápsula de reacción
- 25.
- Electrodo
- 26.
- Semiaro intermedio
- 27.
- Semiaro intermedio.
En la figura 1 aparece que la máquina consta de
dos cuerpos, de simetría básicamente cilíndrica, uno superior
denominado tapa superior 5 y otro inferior denominado cámara 6, que
aloja una cavidad semiesférica donde se ajusta un pistón
semiesférico 17.
El diseño de esta cámara en forma esférica
soporta de forma óptima las presiones hidráulicas que pueden
generase en su interior, llegando a ser factible trabajar con
presiones del orden de 4.000 e incluso 6.000 kgf/cm^{2} en función
de los materiales elegidos para su diseño. Estos dos cuerpos se ven
confinados por dos semicerrojos, compuestos a su vez por dos
semiaros superior e inferior 3 y 4 respectivamente.
Dichos semiaros están unidos mediante tirantes
2, roscados en el semiaro inferior y apretados mediante tuercas 1.
De esta forma, los semicerrojos forman un conjunto compacto pero
modular que permite soportar la fuerza generada por el pistón 17,
que a su vez empuja sobre la tapa superior 5 a través del juego de
yunques y cápsula que se aprecia en la figura 3.
En la figura 1a tenemos un detalle de la zona
del pistón semiesférico, donde se generan las presiones hidráulicas
necesarias para el funcionamiento de la máquina que es como
sigue:
A través de la conexión de alta presión 15 entra
aceite de alta presión a la cámara semiesférica, en la que se aloja
el pistón semiesférico 17. Dicho pistón se desplaza axialmente
guiado por los tetones 13 y una pequeña guía 10 que discurre por una
superficie cilíndrica de pequeña longitud en relación a su
diámetro. Este desplazamiento representa el recorrido del pistón
semiesférico que es, pues, pequeño, con relación también a su
diámetro. Debido a este pequeño desplazamiento, nos aseguramos que
la máquina trabaja de una forma muy segura, ya que la posible
acumulación de energía, que pudiera resultar peligrosa en caso de
rotura de algún elemento sometido a alta presión, se encuentra
reducida a una delgada lámina esférica alrededor del pistón. Este
posible fallo o rotura en el material no tendría consecuencias
graves, puesto que al ser muy delgada la capa sometida a presión
alta, con relación al diámetro del pistón, en caso de haber algún
tipo de fallo, el volumen de la cavidad que aloja el líquido
hidráulico aumenta rápidamente, llevando como consecuencia a una
disminución súbita de presión fuera de todo peligro. Es decir, en
este tipo de máquinas es imposible una explosión de la cámara
hidráulica o un accidente que implique una proyección violenta de
cualquiera de las partes que componen la máquina.
Por debajo de la guía 10 se encuentra una junta
de alta presión 11 que confina el líquido hidráulico junto con la
junta de alta presión 14, evitando su fuga. Dentro del pistón
semiesférico existe una cavidad cilíndrica, en la que se alojan una
serie de yunques, a los que denominamos sectores cilíndricos 19. En
la figura 3 se aprecia el detalle de montaje de los sectores
cilíndricos 19, que se encuentran centrados mediante los tetones 12.
Asimismo se apoyan radialmente sobre los aros 20, tanto en el
pistón semiesférico como en la tapa superior. Estos sectores
cilíndricos se encuentran aislados eléctricamente mediante la junta
18, tanto radial como axialmente. El pistón ejerce un empuje sobre
los sectores cilíndricos 19, donde dichos sectores cilíndricos
están diseñados de tal forma que alojan a su vez a otros yunques 22
de forma geométrica tal que una vez montados forman un octaedro
regular.
El empuje del pistón sobre los sectores
cilíndricos, a su vez se transmite a estos yunques 22 que están
separados mediante juntas de alta presión 23 que confinan a la
cápsula de reacción 24.
La cadena de empuje es pues la siguiente:
El aceite de alta presión empuja el pistón 17
que a su vez empuja a los sectores cilíndricos 19, que a su vez
empujan a los yunques 22, que a su vez empujan a la cápsula de
reacción 24, por tres direcciones mutuamente perpendiculares
(cubitas), consiguiendo de esta forma una intensificación de la
presión en el interior de la cápsula de reacción 24, debido a la
relación geométrica de fuerzas y componentes que se descomponen de
acuerdo a la geometría del sistema. De esta forma es posible
conseguir en cápsulas de reacción de más de 30 cm^{3}, presiones
muy superiores a los 4 GPa, incluso es posible conseguir presiones
superiores a los 10 GPa en función del material con que se fabriquen
los yunques 22 y el contenido y tamaño de la cápsula de
reacción.
Cuando es necesario el calentamiento de la
cámara de reacción, éste se realiza por resistencia eléctrica,
conduciendo la corriente eléctrica a través de los electrodos 7 y 8
que a su vez están en contacto con los sectores cilíndricos
superiores que transmiten la corriente eléctrica a la cámara de
reacción a través de los yunques 22, debidamente aislados en todas
sus caras, excepto en la cara de contacto con la cámara de reacción
y los sectores cilíndricos correspondientes.
Todo el sistema se refrigera mediante agua o
líquido refrigerante que entra a través de la válvula de
refrigeración 16. El circuito de refrigeración se encuentra
perfectamente presurizado, incluso durante el movimiento del pistón
semiesférico 17, mediante la junta de caucho u otro elastómero
similar 9.
En la figura 2 se aprecia la disposición de una
máquina de dos pistones, que tiene una particularidad respecto a la
máquina de un pistón y es que en ella el suministro de corriente
eléctrica debe efectuarse mediante electrodos horizontales 25 con
objeto de que la corriente eléctrica no se introduzca a través de
la zona de altas presiones que se generan en la cámara
semiesférica, sino que se realiza a través del espacio que queda
entre el pistón semiesférico inferior y el superior. Una disposición
de estas características permite duplicar la fuerza generada por la
máquina de la presente invención, de forma simple, sin modificación
apreciable del volumen y la masa de la máquina, estando
especialmente indicado cuando se pretende conseguir presiones muy
elevadas en cápsulas de reacción muy grandes.
Los materiales más indicados para estas máquinas
son los aceros de alta resistencia: para las tapas y la cámara
F-125, F-127 o similar, con el
tratamiento térmico adecuado; para los tirantes y las tuercas, el
acero F-127 tratado o similar, para los seriaros
F-125 o similar, para los pistones semiesféricos
F-127, Acero Maragin u otros aceros aleados de alta
resistencia. Para los sectores cilíndricos F-5318,
DIN 1.2379 endurecido o similares. Para los yunques, carburo de
wolframio, con un contenido entre el 6% y 10% de ligante
(C_{O}).
En la figura 4 se aprecia el conjunto de uno de
los semicerrojos que resisten el empuje de los pistones
semiesféricos.
La figura 5 muestra un ejemplo donde se ha
introducido un semiaro intermedio 26, dotando al cerrojo de mayor
altura. Con ello se consigue confinar máquinas de alta presión en
las que se han incluido piezas intermedias, como pudieran ser
múltiples cámaras de reacción de gran altura si fuera necesario.
Este mismo modelo puede repetirse en la figura
6, donde se vuelve a introducir otro semiaro suplementario 27. De
esta forma, el diseño modular del cerrojo permite ir aumentando la
altura si fuera requerido, por el diseño de la máquina, sin
incrementar excesivamente el coste de dicho cerrojo, ya que no
requiere del empleo de grandes piezas que tuvieran que fabricarse
en fundiciones a medida o en lotes muy restringidos.
Claims (13)
1. Máquina multiyunque cúbica de pistones
semiesféricos para producir altas presiones y altas temperaturas,
que se caracteriza porque consta de dos cuerpos de simetría
básicamente cilíndrica, uno superior llamado tapa superior y otro
inferior denominado cámara, que puede ser una o dos donde se alojan
una o dos cámaras semiesféricas en la que se ajustan uno o dos
pistones semiesféricos, que se desplazan axialmente guiados por
unos tetones y una pequeña guía que discurre por una superficie
cilíndrica de pequeña longitud en relación a su diámetro, en el que
este desplazamiento representa el recorrido de los pistones que es
muy corto también en relación con su diámetro.
2. Máquina multiyunque cúbica de pistones
semiesféricos para producir altas presiones y altas temperaturas,
que de acuerdo con la reivindicación 1º se caracteriza porque
en el pistón o los pistones cilíndricos se dispone de juntas de
altas presión que confina el liquido hidráulico.
3. Máquina multiyunque cúbica de pistones
semiesféricos para producir altas presiones y altas temperaturas,
que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, se
caracteriza porque las presiones hidráulicas necesarias para
el funcionamiento de la máquina se realiza a través de conexiones
de alta presión por donde entra aceite de alta presión a la cámara
semiesférica en donde se alojan uno o dos pistones
semiesféricos.
4. Máquina multiyunque cúbica de pistones
semiesféricos para producir altas presiones y altas temperaturas,
que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores se
caracteriza porque dentro del pistón o pistones
semiesféricos existen cavidades cilíndricas en donde se alojan una
serie de yunques o sectores cilíndricos, que están centrados
mediante tetones y se apoyan radialmente sobre los aros, tanto en
el pistón o pistones semiesféricos como en la tapa superior.
5. Máquina multiyunque cúbica de pistones
semiesféricos para producir altas presiones y altas temperaturas,
que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores se
caracteriza porque los yunques o sectores cilíndricos se
encuentran aislados eléctricamente mediante la junta tanto radial
como axialmente.
6. Máquina multiyunque cúbica de pistones
semiesféricos para producir altas presiones y altas temperaturas,
que de acuerdo con las reivindicaciones 4º y 5º se
caracteriza porque los yunques o sectores cilíndricos están
diseñados de tal forma que alojan a su vez a otros yunques de forma
geométrica tal que una vez montados forman un octaedro regular.
7. Máquina multiyunque cúbica de pistones
semiesféricos para producir altas presiones y altas temperaturas,
que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, se
caracteriza porque el empuje del pistón o pistones sobre los
yunques o sectores cilíndricos, se transmiten también a los otros
yunques que están separados mediante juntas de alta presión que
confinan a la cápsula de reacción y el proceso de empuje se efectúa
mediante el aceite de alta presión que empuja al pistón o pistones
que a su vez ejercen su acción a los yunques o sectores cilíndricos
que empujan a los otros yunques y de estos a la cámara de reacción,
por tres direcciones mutuamente perpendiculares (cúbicas)
consiguiendo de esta forma una intensificación de la presión en el
interior de la cápsula de reacción debido a la relación geométrica
de fuerzas y componentes que se descomponen de acuerdo con la
geometría del sistema.
8. Máquina multiyunque cúbica de pistones
semiesféricos para producir altas presiones y altas temperaturas,
que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, se
caracteriza porque es posible conseguir cápsulas de reacción
de mas de 30 cm^{3} presiones muy superiores a los 4 GPa, incluso
es posible conseguir presiones superiores a los 10 GPa en función
del material con que se fabriquen los yunques, y el contenido y
tamaño de la cápsula de reacción.
9. Máquina multiyunque cúbica de pistones
semiesféricos para producir altas presiones y altas temperaturas,
que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores se
caracteriza porque cuando es necesario el calentamiento de
la cámara de reacción este se realiza por resistencia eléctrica
conduciendo la corriente eléctrica a través de los electrodos que a
su vez están en contacto con los sectores cilíndricos superiores
que transmiten la corriente eléctrica a la cámara de reacción a
través de los yunques debidamente aislados en todas sus caras
excepto en la cara de contacto con la cámara de reacción y los
sectores cilíndricos correspondientes.
10. Máquina multiyunque cúbica de pistones
semiesféricos para producir altas presiones y altas temperaturas,
que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores se
caracteriza porque todo el sistema se refrigera mediante
agua o líquido refrigerante que entra a través de la válvula de
refrigeración. El circuito de refrigeración se encuentra
perfectamente presurizado incluso durante el movimiento del pistón
o pistones semiesféricos mediante la junta de caucho u otro
elastómero similar.
11. Máquina multiyunque cúbica de pistones
semiesféricos para producir altas presiones y altas temperaturas
que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores se
caracteriza porque la disposición de una máquina de dos
pistones tiene una particularidad con respecto a la máquina de un
pistón y es que en ella el suministro de corriente eléctrica debe
efectuarse mediante electrodos horizontales con objeto de que la
corriente eléctrica no se introduzca a través de la zona de altas
presiones que se generan en la cámara semiesférica, sino que se
realiza a través del espacio que queda entre el pistón semiesférico
inferior y el superior. Una disposición de esta característica
permite duplicar la fuerza generada por la máquina de la presente
invención de forma simple y sin modificación apreciable del volumen
y la masa de la máquina, estando especialmente indicado cuando se
pretenden conseguir presiones muy elevadas en cápsulas de reacción
muy grandes.
12. Máquina multiyunque cúbica de pistones
semiesféricos para producir altas presiones y altas temperaturas
que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores se
caracteriza porque los materiales más indicados para esta
máquina son los aceros de alta resistencia destacando para los
yunques carburo de wolframio con un contenido entre el 6% y el 10%
de ligante (C_{O}).
13. Máquina multiyunque cúbica de pistones
semiesféricos para producir altas presiones y altas temperaturas
que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores se
caracteriza porque los dos cuerpos de que consta a máquina
de simetría básicamente cilíndrica uno superior denominado tapa
superior y otro inferior denominada cámara se ven confinados por
dos semicerrojos compuestos a su vez por dos semiaros superior e
inferior. Dichos semiaros están unidos mediante tirantes roscados
en el semiaro inferior y apretados mediante tuercas, con la
posibilidad de que se puede introducir un semiaro intermedio
dotando al semicerrojo de mayor altura con el fin de confinar
máquinas de alta presión en la que se han incluido piezas
intermedias como pudieran ser múltiples cámaras de reacción o
cámaras de reacción de gran altura si fuera necesario e igualmente
puede volverse a introducir otro semiaro suplementario y de esta
forma el diseño modular del cerrojo permite ir aumentando la altura
si fuera requerido por el diseño de la máquina.
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