JP3275970B2 - Ultra high pressure and high temperature equipment - Google Patents

Ultra high pressure and high temperature equipment

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JP3275970B2 JP36096391A JP36096391A JP3275970B2 JP 3275970 B2 JP3275970 B2 JP 3275970B2 JP 36096391 A JP36096391 A JP 36096391A JP 36096391 A JP36096391 A JP 36096391A JP 3275970 B2 JP3275970 B2 JP 3275970B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は例えばダイヤモンド、立
方晶窒化ホウ素の合成ならびに育成、およびダイヤモン
ド、立方晶窒化ホウ素の焼結体を製造する場合に用いら
れる超高圧高温装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultra-high pressure and high temperature apparatus used, for example, for synthesizing and growing diamond and cubic boron nitride, and for producing a sintered body of diamond and cubic boron nitride.

【0002】[0002]

【従来の技術】ピストン−シリンダー型超高圧高温装置
は、米国のG.C.Kennedy教授による開発以
来、研究が続けられているが、装置の大型化にはまだ成
功しておらず、シリンダーの内径1インチが実用化され
た最大装置と報じられいるものの、工業的に成功したと
の報道はない。
2. Description of the Related Art A piston-cylinder type ultra-high pressure high temperature apparatus is disclosed in US Pat. C. Research has been ongoing since the development by Professor Kennedy, but the scale of the device has not yet been successfully increased, and although it has been reported that the one-inch inner diameter of the cylinder is the largest device that has been put into practical use, it has been industrially successful. There is no report.

【0003】従来技術によるこの種の典型的な装置を図
1に示す。図において、一般に15%程度のコバルトを
含むWC−Co系超硬合金で構成されるシリンダー1
は、全体をほぼ一定直径、乃至小さな傾斜角を有する軸
孔が設けられている。孔の周囲は上方の固定ピストン2
および下方の圧縮リング3により軸方向の圧縮加重が加
えられる。下方ピストン4の進行により反応室内の試料
5にダイヤモンド合成に必要な5.5GPaの圧力を反
応室内に発生する際には、圧力発生によってシリンダー
内に生じる、ポアソン効果による上下方向の応力に対抗
する荷重が、シリンダーの上下端面に加えられ、シリン
ダーの破損防止が計られている。この際の荷重値として
は、最大限ポアソン効果による変形を打消せば十分であ
るとされている。即ち、このような構成によるKenn
edy教授による装置では、ポアソン効果によるシリン
ダーの横割れ破壊を防止するために、ポアソン効果によ
って発生する応力を最高限度として、外部からの加圧に
よって補強するという思想に基づいており,液圧プレス
の能力の許す範囲内で反応室の加圧断面積をできるだけ
大きくとるために、必要最低限の荷重をシリンダーの補
強に用いる設計となっている。したがって、シリンダー
は耐圧限界ぎりぎりの条件において繰返し加圧操作を受
けることになり、シリンダーの耐用回数は、十分な配慮
がなされない限り100回以下に過ぎないので経済的な
合成装置とはなり得ず、また装置の大型化は不可能であ
った。
A typical device of this type according to the prior art is shown in FIG. In the figure, a cylinder 1 generally made of a WC-Co cemented carbide containing about 15% cobalt is shown.
Is provided with a shaft hole having a substantially constant diameter as a whole and a small inclination angle. Fixed piston 2 around the hole
And the lower compression ring 3 applies an axial compression load. When a pressure of 5.5 GPa required for diamond synthesis is generated in the reaction chamber by the movement of the lower piston 4 in the sample 5 in the reaction chamber, the pressure in the cylinder due to the pressure generation is opposed to the vertical stress caused by the Poisson effect. A load is applied to the upper and lower end surfaces of the cylinder to prevent damage to the cylinder. It is considered that the load value at this time is sufficient if the deformation due to the Poisson effect is canceled at the maximum. That is, Kenn with such a configuration is used.
The device by Prof. edy is based on the idea that, in order to prevent lateral cracking of the cylinder due to the Poisson effect, the stress generated by the Poisson effect is maximized and reinforced by external pressure. The design is such that the minimum required load is used to reinforce the cylinder in order to maximize the pressurized cross-sectional area of the reaction chamber as far as the capacity allows. Therefore, the cylinder is subjected to repeated pressurizing operation under the condition of the pressure limit, and the service life of the cylinder is only 100 times or less unless sufficient care is taken, so that it cannot be an economical synthesizer. In addition, it was impossible to increase the size of the apparatus.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
による装置が果たし得なかった大型化と、シリンダーの
耐圧性を向上させることにより、耐用回数の増大乃至発
生可能な圧力を向上させることにより、より経済的に超
高圧下での合成反応を実施し得る装置を提供することを
目的とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to increase the number of times of use or to increase the pressure that can be generated by increasing the size and the pressure resistance of the cylinder which could not be achieved by the prior art apparatus. Accordingly, it is an object of the present invention to provide an apparatus capable of more economically performing a synthesis reaction under ultrahigh pressure.

【0005】本発明のピストン・シリンダー型超高圧高
温装置においては、シリンダーは大径の円筒乃至円錐状
部分と、この大径部分より内方に位置し、壁面からの張
出しによって直径が不連続的に減少した小径円筒状部分
とを有し、これらの両部分は軸に垂直な、あるいはこれ
に近い、傾斜の急な接続部で接続されている。一方ピス
トンは、少なくとも一つの可動ピストンが先端に向かっ
て不連続的に直径の減少する小径及び大径の本質的円筒
乃至円錐状部分とを有し、これらの両部分も軸に垂直
な、あるいはこれに近い、急傾斜の接続部で接続されて
いる。
[0005] In the piston-cylinder type ultra-high pressure and high temperature apparatus of the present invention, the cylinder is located inside the large-diameter cylindrical or conical portion and the large-diameter portion. A reduced diameter cylindrical portion, both of which are connected by a steep connection perpendicular to or near the axis. The piston, on the other hand, has a small and a large diameter essentially cylindrical or conical section in which at least one movable piston has a discontinuously decreasing diameter towards the tip, both of which are also perpendicular to the axis, or It is connected by a steep connection near this.

【0006】これらのシリンダーおよびピストンの大径
および小径部分は、本質的に軸に平行な円筒状壁面を呈
するのがより好ましいが、十分な加圧ストロークが確保
される範囲内で、軸に対して15°程度までの傾斜角を
有する円錐状とすることができる。また嵌合部にはスト
ロークの確保、電気絶縁などの目的のために、ガスケッ
ト材を挿入することもできる。
[0006] The large and small diameter portions of these cylinders and pistons more preferably have cylindrical wall surfaces essentially parallel to the axis, but within a range in which a sufficient pressure stroke is secured, And a conical shape having an inclination angle of about 15 °. In addition, a gasket material can be inserted into the fitting portion for the purpose of securing a stroke, electrical insulation, and the like.

【0007】本発明においては、ピストンの小径部分と
接続部およびシリンダーの大径円筒状部分とその端面で
囲まれた環状の空間に、高圧条件下で塑性流動する無機
または有機物質、あるいはこれらの複合体から成る加圧
媒体が充填配置される。この構成とすることにより、加
圧装置によって外部からピストンに荷重が加えられ、反
応室内に超高圧を発生する際に、同時に加圧された可塑
性加圧媒体によって、ピストンに対しては半径方向、シ
リンダーに対しては軸方向への圧縮応力が作用する。こ
れらの力は、反応室内の加圧の際に、ポアソン効果によ
ってピストン、シリンダーに生じる変形に対抗し、相殺
する作用を果たすだけでなく、加圧を大きくすることに
よって、ピストン、シリンダーに圧縮応力を加え、より
高い耐圧性を付与することを可能としている。したがっ
て可塑性加圧媒体に発生させる圧力の大きさとしては、
通常はピストン先端面、シリンダー内壁面に生じる圧力
値の0.2〜0.3の値が用いられる。さらに高い圧力
は上記した圧縮応力として寄与する。なおこの力の上限
値は、理論上はピストン、シリンダーを構成する材料の
圧縮強度値で規定される。一方上記よりも小さな値の圧
力値であっても、ピストン、シリンダーの変形を部分的
に相殺するので、装置の耐用圧力の向上、または耐用回
数の向上に寄与する点において、それなりの効果が得ら
れる。
In the present invention, an inorganic or organic substance which plastically flows under high pressure conditions, or an inorganic or organic substance thereof, flows into an annular space surrounded by a small-diameter portion and a connecting portion of a piston and a large-diameter cylindrical portion of a cylinder and an end face thereof. A pressurized medium consisting of the composite is filled and arranged. With this configuration, a load is applied to the piston from the outside by the pressurizing device, and when an ultra-high pressure is generated in the reaction chamber, the plastic pressurized medium simultaneously pressurized is applied to the piston in the radial direction. An axial compressive stress acts on the cylinder. These forces not only act to counteract and cancel the deformation of the piston and cylinder due to the Poisson effect when pressurized in the reaction chamber, but also to increase the compressive stress on the piston and cylinder by increasing the pressure. , It is possible to impart higher pressure resistance. Therefore, as the magnitude of the pressure generated in the plastic pressurizing medium,
Usually, a value of 0.2 to 0.3 of the pressure value generated on the piston tip surface and the cylinder inner wall surface is used. Higher pressures contribute as the compressive stress described above. Note that the upper limit of this force is theoretically defined by the compressive strength of the material constituting the piston and cylinder. On the other hand, even if the pressure value is smaller than the above value, the deformation of the piston and the cylinder is partially offset, so that a certain effect is obtained in that it contributes to the improvement of the service pressure or the service frequency of the device. Can be

【0008】以上のような見地から、例えば反応室内に
6GPaの圧力を発生させる場合に、可塑性加圧媒体に
は2.5GPa程度の圧力が生じるように構成するのが
好ましい。こうすることによって、本発明装置において
は、発生可能圧力の上限値が従来のピストン・シリンダ
ー装置に比べて高くなり、ダイヤモンド合成に必要な
5.5GPa程度の圧力を発生する使用法においても、
相対的な圧力負担が小さいので、装置寿命が向上する効
果が得られる。また可塑性加圧媒体によるシリンダーの
小径円筒状部分(スリーブ)の端面への加圧を行うこと
によって、シリンダーの大径円筒状部分(シリンダー本
体)に対する軸方向の応力支持を不要とすることも可能
となる。
[0008] From the above viewpoint, it is preferable that, for example, when a pressure of 6 GPa is generated in the reaction chamber, a pressure of about 2.5 GPa is generated in the plastic pressurizing medium. By doing so, in the device of the present invention, the upper limit value of the pressure that can be generated is higher than that of the conventional piston-cylinder device, and even in a method of generating a pressure of about 5.5 GPa required for diamond synthesis,
Since the relative pressure load is small, the effect of improving the life of the device can be obtained. By applying pressure to the end face of the small-diameter cylindrical part (sleeve) of the cylinder with a plastic pressurizing medium, it is possible to eliminate the need for axial stress support for the large-diameter cylindrical part (cylinder body) of the cylinder. Becomes

【0009】本発明のピストンにおいて、小径の円筒・
円錐状の部分と、接続部によって接続されている、大径
の円筒・円錐状の部分とは一体物としてもよく、また接
続部に続く平面で分割してもよい。なお構成材料は超硬
合金、またはダイス鋼、高速度鋼のような高剛性物質と
するのが好ましい。接続部の角度は任意とすることがで
きるが、実用上から0〜40°の間の角度を用いるのが
よい。また本発明装置におけるピストンは、上記の1個
または1組から成る片押しタイプ、または2個または2
組から成る両押しタイプとして用いることができる。
In the piston of the present invention, a small-diameter cylinder
The conical portion and the large-diameter cylindrical / conical portion connected by the connecting portion may be formed integrally or may be divided by a plane following the connecting portion. The constituent material is preferably a hard metal or a highly rigid material such as die steel or high-speed steel. Although the angle of the connecting portion can be arbitrarily set, it is preferable to use an angle between 0 and 40 ° for practical use. The piston in the device of the present invention may be a single-push type consisting of one or one of the above, or two or two
It can be used as a double push type consisting of a set.

【0010】本発明における可塑性加圧媒体としては、
鉛、スズ、亜鉛、アンチモン、銀、金、アルミニウム、
インジウム、各種アルカリ金属またはこれらを主成分と
する合金、ろう(蝋)石、粘土、タルク、Nacl、K
Brといったアルカリ金属のハロゲン化物、塩化銀、h
−BN、黒鉛等の無機混合物、ビニル、ポリエチレン、
ポリプロピレン、テフロン等の有機化合物が単独で、あ
るいは組合わせて用いられる。黒鉛と油との混合物も好
適な加圧媒体の一つとして挙げられる。要は加圧によっ
て容易に変形し、加圧媒体収容部に静水圧に近い圧力を
生じるものであればよい。可塑性加圧媒体中での圧力発
生と、シリンダーに対するピストンの移動(加圧ストロ
ーク)とを確保するには、加圧媒体の圧縮率の利用や、
必要に応じて加圧媒体の一部を、より低圧の空間へ排出
させる手段が用いられる。
[0010] The plastic pressurizing medium in the present invention includes:
Lead, tin, zinc, antimony, silver, gold, aluminum,
Indium, various alkali metals or alloys containing these as main components, wax (wax), clay, talc, Nacl, K
Halides of alkali metals such as Br, silver chloride, h
-BN, inorganic mixtures such as graphite, vinyl, polyethylene,
Organic compounds such as polypropylene and Teflon are used alone or in combination. Mixtures of graphite and oil are also mentioned as one suitable pressurized medium. In short, any material may be used as long as it is easily deformed by pressurization and generates a pressure close to the hydrostatic pressure in the pressurized medium container. In order to secure the pressure generation in the plastic pressurized medium and the movement of the piston with respect to the cylinder (pressurized stroke), use of the compressibility of the pressurized medium,
Means for discharging a part of the pressurized medium to a lower pressure space as needed is used.

【0011】一つの構成においては、シリンダーの小径
円筒状部分(スリーブ)は、外周部の大径円筒状部分
(シリンダー本体)と分割されており、前者は圧入、焼
きばめ、冷やしばめなどの手段によって、後者によって
円周方向に締め付けられ、予加圧される構成となってい
る。この際両者の接触部に減摩剤を配することによっ
て、反応室に接するスリーブ部は、加圧媒体によって端
面に加えられるポアソン効果に対応する応力以上で、材
質の圧縮強度以下の応力によって、反応室内に生じる圧
力による変形が抑えられる。この構成によってスリーブ
部の補強が大きくなるのに加えて、逆にスリーブ部内壁
にポアソン効果による応力も生じるので、スリーブ部の
耐圧の向上と、スリーブ部内壁を予加圧したのに相当す
る効果も得られることになり、第一発明装置に比してよ
り高い圧力を発生することが可能な超高圧高温装置とな
る。この場合の反応室に接するスリーブ部の材質は、通
常のダイヤモンド合成装置としては超硬合金が好ましい
が、合金鋼も用いることができる。また外周部のシリン
ダー本体の材料には、合金鋼を用いることが可能であ
る。
In one configuration, the small-diameter cylindrical portion (sleeve) of the cylinder is divided into a large-diameter cylindrical portion (cylinder body) on the outer periphery, and the former is press-fit, shrink fit, cold fit, or the like. By means of (1), the latter is tightened in the circumferential direction and pre-pressurized. At this time, by arranging the lubricant in the contact portion between the two, the sleeve portion in contact with the reaction chamber, by a stress equal to or more than the Poisson effect applied to the end face by the pressurized medium, but less than the compressive strength of the material, Deformation due to pressure generated in the reaction chamber is suppressed. This configuration not only increases the reinforcement of the sleeve portion, but also generates a stress due to the Poisson effect on the inner wall of the sleeve portion, thereby improving the pressure resistance of the sleeve portion and the effect equivalent to pre-pressing the inner wall of the sleeve portion. Thus, an ultrahigh-pressure high-temperature apparatus capable of generating a higher pressure than the first invention apparatus can be obtained. In this case, the material of the sleeve portion that is in contact with the reaction chamber is preferably a cemented carbide as a general diamond synthesizer, but alloy steel can also be used. Further, alloy steel can be used as the material of the cylinder body at the outer peripheral portion.

【0012】別の構成においては、反応室に接するシリ
ンダーの小径円筒状部分(スリーブ)が、外周部の大径
円筒状部分(シリンダー本体)と分割されており、前者
は反応の加圧時と同時に、可塑性加圧媒体を介しての端
面からの押圧力によって、シリンダー本体内に圧入する
ことにより補強される。この構成によって上記に比べて
より強力なスリーブの補強がなされる。
In another configuration, a small-diameter cylindrical portion (sleeve) of a cylinder in contact with a reaction chamber is divided into a large-diameter cylindrical portion (cylinder main body) of an outer peripheral portion. At the same time, it is reinforced by being pressed into the cylinder body by the pressing force from the end face through the plastic pressurizing medium. With this configuration, a stronger sleeve is reinforced as compared to the above.

【0013】第三の構成例においては、反応室に接する
小径円筒状部分(スリーブ)が、外周部の大径円筒状部
分(シリンダー本体)と分割されており、かつ反応室に
接するスリーブ部の外径は、外周部のシリンダー本体の
内径に比して小さく、両円筒状部分の間の間隙に可塑性
加圧媒体が配置されている。この構成によって、加圧の
際に反応室に接するスリーブの外側面が可塑性加圧媒体
によって加圧され、該スリーブの内面には内外径比に応
じた圧縮応力が生じることになり、スリーブの補強がな
される。例えば反応室に接するスリーブの内外径比を
1:3とした場合には、引張り強度250kg/mm
の高速度鋼で5.6GPaの内部圧力の発生が可能な超
高圧高温装置とすることができる。かくして上記第二の
構成例よりもさらに高い圧力の発生が可能な超高圧高温
装置が得られる。
In the third configuration example, a small-diameter cylindrical portion (sleeve) in contact with the reaction chamber is divided into a large-diameter cylindrical portion (cylinder main body) in the outer peripheral portion, and the sleeve portion in contact with the reaction chamber is formed. The outer diameter is smaller than the inner diameter of the cylinder body at the outer peripheral portion, and the plastic pressurizing medium is disposed in the gap between the two cylindrical portions. With this configuration, the outer surface of the sleeve that is in contact with the reaction chamber during the pressurization is pressurized by the plastic pressurizing medium, and a compressive stress is generated on the inner surface of the sleeve in accordance with the inner-outer diameter ratio, thereby reinforcing the sleeve. Is made. For example, when the inner / outer diameter ratio of the sleeve in contact with the reaction chamber is 1: 3, the tensile strength is 250 kg / mm 2
An ultrahigh-pressure high-temperature device capable of generating an internal pressure of 5.6 GPa with the high-speed steel of the present invention. Thus, an ultrahigh-pressure high-temperature device capable of generating a higher pressure than the second configuration example can be obtained.

【0014】第四の構成例においては、上記の各装置内
に同様の装置を二段、三段またはそれ以上内蔵させるこ
とにより、最終反応室内における発生圧力をさらに増加
させ、黒鉛からダイヤモンドへの直接変換反応や、無バ
インダーのダイヤモンド焼結に必要とされる10GPa
以上の超高圧の発生を可能とするものである。
In the fourth configuration example, the pressure generated in the final reaction chamber is further increased by incorporating two, three or more similar devices in each of the above-mentioned devices, thereby reducing the pressure from graphite to diamond. 10GPa required for direct conversion reaction and binder-free diamond sintering
This makes it possible to generate the above ultrahigh pressure.

【0015】いずれの構成においても、シリンダーの小
径と大径円筒状部分の直径の比は1.5以上、5以下、
実用上は3以下とするのが好ましい。
In any of the configurations, the ratio of the small diameter of the cylinder to the diameter of the large diameter cylindrical portion is 1.5 or more and 5 or less,
In practice, it is preferably 3 or less.

【0016】本発明を図面によって説明する。図2〜4
は本発明に従って構成された超高圧高温装置のいくつか
の例を示す、軸面における主要部の縦断面図である。図
において、高剛性材料で構成され、中央に軸孔を有する
シリンダー(全体を20として示す)は、外方(下部)
がほぼ円筒状に構成され、内方はこの壁面からの張出し
によって、より小径の円筒状壁面を呈する。張出しは図
2においてはシリンダーの一部として、図3および4に
おいてはシリンダー本体21とは別体のスリーブ22と
して構成され、特に図4の構成ではさらに、スリーブ2
2とシリンダー本体21との間に、加圧媒体製の薄いス
リーブ23が挾装されている。シリンダーの上面は補強
のための傾斜が付けられているが、下の面は平らであ
る。上面には固定ピストン24が、シリンダー20、シ
リンダー本体21およびスリーブ22の上面に合わされ
ている。可動ピストン25は下方に配置され、より大径
円筒状の基部26上に載置された小径円筒状部分27は
シリンダーの小径本質的円筒状部分を進行し、反応試料
28を加圧する。
The present invention will be described with reference to the drawings. Figures 2-4
1 is a longitudinal sectional view of a main part in an axial plane, showing several examples of an ultra-high pressure and high temperature device configured according to the present invention. In the figure, a cylinder (shown as 20 as a whole) made of a highly rigid material and having a shaft hole in the center is located outward (lower).
Is formed in a substantially cylindrical shape, and the inner side has a cylindrical wall of a smaller diameter by projecting from the wall. The overhang is configured as part of the cylinder in FIG. 2 and as a sleeve 22 separate from the cylinder body 21 in FIGS. 3 and 4, and in particular in the configuration of FIG.
Between the cylinder body 2 and the cylinder body 21, a thin sleeve 23 made of a pressurized medium is sandwiched. The upper surface of the cylinder is beveled for reinforcement, while the lower surface is flat. On the upper surface, a fixed piston 24 is fitted to the upper surfaces of the cylinder 20, the cylinder body 21, and the sleeve 22. The movable piston 25 is positioned below and a small diameter cylindrical portion 27 mounted on a larger diameter cylindrical base 26 travels through the small diameter essentially cylindrical portion of the cylinder and pressurizes the reaction sample 28.

【0017】[0017]

【実施例1】図2の装置において、シリンダーはWC−
15%Coの超硬合金製とし、小径円筒状部分の内径は
50mm、大径円筒状部分の内径を100mmとした。
シリンダーの小径円筒状部分の端面、(張出し部)大径
円筒状部分の内壁、およびピストンで囲まれた空間に塩
化銀を充填し、この部分に生じる圧力の大きさを200
kg/mmに制御することにより、5.5GPaの反
応圧力に耐える高圧容器とした。
[Embodiment 1] In the apparatus shown in FIG.
The inner diameter of the small-diameter cylindrical portion was 50 mm, and the inner diameter of the large-diameter cylindrical portion was 100 mm.
The end face of the small-diameter cylindrical portion of the cylinder, the (overhang) inner wall of the large-diameter cylindrical portion, and the space surrounded by the piston are filled with silver chloride, and the pressure generated in this portion is reduced by 200 mm.
By controlling the pressure to kg / mm 2 , a high-pressure container withstanding a reaction pressure of 5.5 GPa was obtained.

【0018】[0018]

【実施例2】図3の装置において、シリンダーの小径円
筒状部分(スリーブ)として内径50mmのWC−20
%Coの超硬合金を用い、ピストンはWC−10%Co
の超硬合金製とした。内径130mmのダイス鋼製の大
径円筒状部分(シリンダー本体)の圧力容器の締め付け
リングによって、超硬合金製スリーブの内壁に350k
g/mmの予圧を加え、約5.3GPaの圧力に耐え
る容器とした。このスリーブの端面とピストンの側面と
にに接する空間に鉛を満たし、ピストンの加圧によって
この鉛の圧力を200kg/mmとすることにより、
シリンダー、ピストンの耐圧限度をそれぞれ約5.6G
Pa、約6GPaに向上せしめた。
Embodiment 2 In the apparatus shown in FIG. 3, a WC-20 having an inner diameter of 50 mm was used as a small-diameter cylindrical portion (sleeve) of a cylinder.
% Co cemented carbide, piston is WC-10% Co
Made of cemented carbide. The inner diameter of the cemented carbide sleeve is 350k by the clamping ring of the pressure vessel of the large diameter cylindrical part (cylinder body) made of die steel with an inner diameter of 130mm.
A preload of g / mm 2 was applied to the container to withstand a pressure of about 5.3 GPa. By filling lead in the space in contact with the end surface of the sleeve and the side surface of the piston, and setting the pressure of the lead to 200 kg / mm 2 by pressurizing the piston,
Cylinder and piston withstand pressure limit of about 5.6G each
Pa, about 6 GPa.

【0019】[0019]

【実施例3】図3の装置構成を用いた。シリンダー本体
(大径円筒状部分)の材質として、引張り強度170k
g/mm圧縮強度250kg/mmのダイス鋼を使
用し、スリーブ(小径円筒状部分)の材質として、引張
り強度250kg/mm圧縮強度280kg/mm
の高速度鋼を用いた。スリーブ内壁に250kg/mm
の予圧が加わるようにシリンダー本体内に圧入し、約
5GPaの耐圧容器を作製した。この際にシリンダー本
体の内壁には約150kg/mmの力が加わってい
た。このスリーブの端面と可動ピストンの側面とにに接
する空間に充填した、Pb−10%Zn合金に300k
g/mmの力を加えることにより、シリンダー、ピス
トンの耐圧限度をそれぞれ約5.7GPa、約6.6G
Paに高めた。
Embodiment 3 The apparatus configuration shown in FIG. 3 was used. 170k tensile strength as the material of the cylinder body (large diameter cylindrical part)
g / mm 2 Die steel having a compressive strength of 250 kg / mm 2 was used, and as a material of the sleeve (small cylindrical portion), a tensile strength of 250 kg / mm 2 and a compressive strength of 280 kg / mm 2 were used.
High speed steel was used. 250 kg / mm on sleeve inner wall
2 was press-fitted into the cylinder body so as to apply a preload, thereby producing a pressure-resistant container of about 5 GPa. At this time, a force of about 150 kg / mm 2 was applied to the inner wall of the cylinder body. 300k of Pb-10% Zn alloy filled in the space in contact with the end face of this sleeve and the side face of the movable piston
By applying a force of g / mm 2 , the withstand pressure limits of the cylinder and piston are about 5.7 GPa and about 6.6 G, respectively.
Pa.

【0020】[0020]

【実施例2】図4の装置構成を用いた。スリーブ(シリ
ンダー小径円筒状部分)、大径円筒状部分(シリンダー
本体)の材質には上記と同じものを用いた。スリーブと
シリンダー本体との間に3mmの隙間を設け、この隙間
に鉛を充填した。同時にスリーブの端面とピストンの側
面とに接する空間にも鉛を充填した。この鉛に300k
g/mmの力を加えることにより、約7GPaの圧力
に耐える高速度鋼製のシリンダーが得られた。
Embodiment 2 The apparatus configuration shown in FIG. 4 was used. The same material as described above was used for the sleeve (cylinder small-diameter cylindrical portion) and the large-diameter cylindrical portion (cylinder main body). A gap of 3 mm was provided between the sleeve and the cylinder body, and the gap was filled with lead. At the same time, the space in contact with the end face of the sleeve and the side face of the piston was filled with lead. 300k for this lead
By applying a force of g / mm 2 , a cylinder of high-speed steel withstanding a pressure of about 7 GPa was obtained.

【0021】[0021]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明装置におい
ては、ピストン−シリンダー型高圧高温装置のピスト
ン、シリンダーを階段状に形成し、ピストンの小径部分
と接続部、及びシリンダーの大径円筒状部分(シリンダ
ー本体)の壁面と小径円筒状部分(スリーブ)の端面と
で囲まれた環状の空間に可塑性の加圧媒体が充填され
る。このためピストンの進行によって超高圧を発生させ
る際に、ピストンとスリーブとに対して、加圧によって
生じるポアソン効果の打ち消し、あるいは圧縮による補
強が行なわれる。従ってピストン、シリンダーの耐用回
数の増大、装置の大型化が可能になり、ピストン−シリ
ンダー型の超高圧高温装置によって、経済的にダイヤモ
ンドと立方晶窒化硼素の合成・育成・これらの焼結体の
製造ができるようになった。
As described above in detail, in the device of the present invention, the piston and the cylinder of the piston-cylinder type high-pressure and high-temperature device are formed in a step shape, and the small-diameter portion and the connection portion of the piston and the large-diameter cylinder of the cylinder are formed. An annular space surrounded by the wall surface of the cylindrical portion (cylinder body) and the end surface of the small-diameter cylindrical portion (sleeve) is filled with a plastic pressurizing medium. For this reason, when an ultrahigh pressure is generated by the advance of the piston, the Poisson effect caused by pressurization is canceled or the piston and the sleeve are reinforced by compression. Therefore, the service life of pistons and cylinders can be increased, and the size of the equipment can be increased. The piston-cylinder type ultra-high pressure and high temperature equipment can economically synthesize and grow diamond and cubic boron nitride. Manufacturing is now possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来技術による典型的な装置構成例を示す縦断
面図である。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a typical example of a conventional apparatus configuration.

【図2】本発明に従って構成された超高圧高温装置の一
例を示す、軸面における主要部の縦断面図である。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a main part in an axial plane, showing an example of an ultrahigh-pressure high-temperature device configured according to the present invention.

【図3】別の例を示す同様の断面図である。FIG. 3 is a similar sectional view showing another example.

【図4】さらに別の例を示す同様の断面図である。FIG. 4 is a similar sectional view showing still another example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリンダー 2 固定ピストン 3 圧縮リング 4 下方ピストン 5 試料 20 シリンダー 21 シリンダー本体 22 スリーブ 23 加圧媒体製スリーブ 24 固定ピストン 25 可動ピストン 26 ピストン基部 27 ピストン小径円筒状部分 28 反応試料 Reference Signs List 1 cylinder 2 fixed piston 3 compression ring 4 lower piston 5 sample 20 cylinder 21 cylinder body 22 sleeve 23 pressurized medium sleeve 24 fixed piston 25 movable piston 26 piston base 27 piston small-diameter cylindrical portion 28 reaction sample

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ピストン・シリンダー型超高圧高温装置に
おいて、高剛性材料で構成され、先端に向かって不連続
的に直径の減少する可動ピストンは、(1)大径の本質的
円筒状部分(ピストン基部)と、(2)ピストン基部の先
端面より突出し、これより小径の本質的円筒状部分(第
一段ピストン)と、(3)第一段ピストンの先端面より突
出し、これより小径の本質的円筒状部分(第二段ピスト
ン)と、(4)ピストン基部と第一段ピストンを結ぶ接続
部と、(5)第一段ピストンと第二段ピストンを結ぶ接続
部とを有し、同様に高剛性材料で構成され、先端に向か
って不連続的に直径の減少するシリンダーは、(6)ピス
トン基部が摺接する大径円筒状部分と、(7)径の内方向
に向けて大径円筒状部分より張り出され、第一段ピスト
ンが摺接する第一段小径円筒状部分と、(8)径の内方向
に向けて第一段小径円筒状部分より張り出され、第二段
ピストンが摺接する第二段小径円筒状部分と、(9)大径
円筒状部分と第一段小径円筒状部分を結ぶ接続部と、(1
0)第一段小径円筒状部分と第二段小径円筒状部分を結ぶ
接続部とを有し、(11)第一段ピストンの外周面、大径円
筒状部分の内周面、ピストン基部と第一段ピストンを結
ぶ接続部の表面および大径円筒状部分と第一段小径円筒
状部分を結ぶ接続部の表面により囲まれる空間、さら
に、第二段ピストンの外周面、第一段小径円筒状部分の
内周面、第一段ピストンと第二段ピストンを結ぶ接続部
の表面および第一段小径円筒状部分と第二段小径円筒状
部分を結ぶ接続部の表面により囲まれる空間に、可塑性
の無機または有機物、あるいはこれらの複合体から成る
加圧媒体を充填し、もってピストンの進行によって超高
圧を発生させる際に、ピストンとシリンダーとに生じる
ポアソン効果を少なくとも部分的に相殺すべくしたこと
を特徴とする超高圧高温装置。
(1) For a piston-cylinder type ultra-high pressure high temperature device
, Made of high-rigidity material, discontinuous toward the tip
The movable piston, whose diameter is gradually reduced, is essentially (1) a large diameter
Cylindrical part (piston base) and (2) tip of piston base
An essentially cylindrical portion (No.
(1st stage piston) and (3) projecting from the end face of the 1st stage piston
And a smaller diameter essentially cylindrical section (second stage piston
(4) Connection between the piston base and the first stage piston
And (5) Connection connecting first stage piston and second stage piston
And similarly made of a highly rigid material,
The cylinder whose diameter is discontinuously reduced by (6)
Large diameter cylindrical part where the tongue base slides and (7) inward of diameter
The first stage piste protrudes from the large diameter cylindrical part toward
The first-stage small-diameter cylindrical part where the blade slides, and (8) inward of the diameter
Projecting from the first-stage small-diameter cylindrical part toward the second stage
The second-stage small-diameter cylindrical portion where the piston slides, and (9) large-diameter
A connecting portion connecting the cylindrical portion and the first-stage small-diameter cylindrical portion;
0) Connect the first-stage small-diameter cylindrical part and the second-stage small-diameter cylindrical part
(11) outer peripheral surface of the first stage piston, large diameter circle
Connect the inner peripheral surface of the cylindrical part, the piston base and the first stage piston.
Surface and large-diameter cylindrical part of the connecting part and first-stage small-diameter cylinder
Space surrounded by the surface of the connection that connects the
The outer peripheral surface of the second stage piston, the first stage small diameter cylindrical portion
Inner circumferential surface, connecting part connecting first stage piston and second stage piston
Surface and first stage small diameter cylindrical part and second stage small diameter cylindrical
Plastic space in the space surrounded by the surface of the connecting part
Consisting of inorganic or organic substances or their composites
Filling with pressurized medium
When pressure is generated, it occurs on the piston and cylinder
At least partially offset the Poisson effect
An ultra high pressure and high temperature device.
【請求項2】上記加圧媒体が鉛、スズ、亜鉛、アンチモ
ン、銀、金、アルミニウム、インジウム、各種アルカリ
金属またはこれらを主成分とする合金である、請求項1
に記載の超高圧高温装置。
2. The pressurized medium is lead, tin, zinc, antimony, silver, gold, aluminum, indium, various alkali metals or an alloy containing these as a main component.
2. The ultra-high pressure and high temperature apparatus according to 1.
【請求項3】上記加圧媒体がろう(蝋)石、粘土、タル
ク、アルカリ金属のハロゲン化物、塩化銀、h−BN、
黒鉛から選ばれる1種、また2種以上の無機混合物であ
る、請求項1に記載の超高圧高温装置。
3. The pressurized medium is wax (wax), clay, talc, an alkali metal halide, silver chloride, h-BN,
The ultrahigh-pressure high-temperature device according to claim 1, wherein the ultrahigh-pressure high-temperature device is one or two or more inorganic mixtures selected from graphite.
【請求項4】上記加圧媒体がビニル、ポリエチレン、ポ
リプロピレン、テフロンから選ばれる1種、また2種以
上の有機混合物である、請求項1に記載の超高圧高温装
置。
4. The ultrahigh-pressure high-temperature apparatus according to claim 1, wherein the pressurized medium is one or more organic mixtures selected from vinyl, polyethylene, polypropylene, and Teflon.
【請求項5】上記張出し部がシリンダー本体と一体とし
て構成されている、請求項1に記載の超高圧高温装置。
5. The ultra-high pressure and high temperature apparatus according to claim 1, wherein the overhang portion is formed integrally with the cylinder body.
【請求項6】上記張出し部がシリンダー本体から分離さ
れたスリーブ状体として構成され、予圧を加えてシリン
ダー本体の内周面に嵌合されている、請求項1に記載の
超高圧高温装置。
6. The ultrahigh-pressure high-temperature apparatus according to claim 1, wherein the overhang portion is formed as a sleeve-like body separated from the cylinder body, and is fitted to an inner peripheral surface of the cylinder body by applying a preload.
【請求項7】上記張出し部がシリンダー本体から分離さ
れたスリーブ状体として構成され、加圧時に連動してシ
リンダー本体の内周面に嵌合圧入される、請求項1に記
載の超高圧高温装置。
7. The ultra-high pressure and high temperature according to claim 1, wherein the overhang portion is formed as a sleeve-like body separated from the cylinder main body, and is fitted and press-fitted into the inner peripheral surface of the cylinder main body in conjunction with pressurization. apparatus.
【請求項8】上記シリンダー本体とスリーブの対向周面
間に加圧媒体を配置した、請求項1に記載の超高圧高温
装置。
8. The ultrahigh-pressure high-temperature apparatus according to claim 1, wherein a pressurized medium is arranged between the opposing peripheral surfaces of the cylinder body and the sleeve.
【請求項9】上記高剛性材料が超硬合金、ダイス鋼、高
速度鋼から選ばれた少なくとも1つである、請求項1に
記載の超高圧高温装置。
9. The ultrahigh-pressure high-temperature apparatus according to claim 1, wherein said high-rigidity material is at least one selected from cemented carbide, die steel, and high-speed steel.
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