Bagriantsev, Dmitri (C/Paseo del Estatuto 35, Carmona, E-41410, ES)
Martin Parrondo, Ramon (C/Paseo del Estatuto 35, Carmona, E-41410, ES)
Bagriantsev, Dmitri (C/Paseo del Estatuto 35, Carmona, E-41410, ES)
| 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 cilindrica, 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 Ia 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 cilindrica 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 Ia reivindicación 1o se caracteriza porque en el pistón o los pistones cilindricos 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 Ia máquina se realiza a través de conexiones de alta presión por donde entra aceite de alta presión a Ia 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 cilindricas en donde se alojan una serie de yunques o sectores cilindricos, que están centrados mediante tetones y se apoyan radialmente sobre los aros, tanto en el pistón o pistones semiesféricos como en Ia 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 cilindricos se encuentran aislados eléctricamente mediante Ia 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 cilindricos 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 cilindricos, se transmiten también a los otros yunques que están separados mediante juntas de alta presión que confinan a Ia 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 cilindricos que empujan a los otros yunques y de estos a Ia cámara de reacción, por tres direcciones mutuamente perpendiculares (cúbicas) consiguiendo de esta forma una intensificación de Ia presión en el interior de Ia cápsula de reacción debido a Ia relación geométrica de fuerzas y componentes que se descomponen de acuerdo con Ia geometría del sistema. |
| 8. | Máquina multiyunque cúbica de pistones semlesféricos 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 cm3 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 Ia 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 Ia cámara de reacción este se realiza por resistencia eléctrica conduciendo Ia corriente eléctrica a través de los electrodos que a su vez están en contacto con los sectores cilindricos superiores que transmiten Ia corriente eléctrica a Ia cámara de reacción a través de los yunques debidamente aislados en todas sus caras excepto en Ia cara de contacto con Ia cámara de reacción y los sectores cilindricos 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 Ia válvula de refrigeración. El circuito de refrigeración se encuentra perfectamente presurizado incluso durante el movimiento del pistón o pistones semiesféricos mediante Ia junta de caucho u otro elastómero similar. lil i Máquina mulíiyunque cúbica de pistones semiesféricos para producir altas presiones y altas temperaturas que de acuerdo con las reivindicaciones anteriores se caracteriza porque Ia disposición de una máquina de dos pistones tiene una particularidad con respecto a Ia máquina de un pistón y es que en ella el suministro de corriente eléctrica debe efectuarse mediante electrodos horizontales con objeto de que Ia corriente eléctrica no se introduzca a través de Ia zona de altas presiones que se generan en Ia cámara semiesférica, sino que se realiza a través del espacio que queda entre el pistón semiesférico inferior y el superior. |
| 11. | Una disposición de esta característica permite duplicar Ia fuerza generada por Ia máquina de Ia presente invención de forma simple y sin modificación apreciable del volumen y Ia masa de Ia 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 (C0). |
| 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 cilindrica 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 Ia 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 Ia altura si fuera requerido por el diseño de Ia máquina. |
OBJETO DE LA INVENCIÓN
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.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
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 Ia generación de presiones y temperaturas similares a las existentes en las profundidades de Ia 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 "BeIt" (cinta/cinturón) y los tipo Molde o Matriz. En ellos Ia cámara de reacción se encuentra confinada por un disco perforado metálico formado por varias capas cilindricas 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 Ia muestra, cámara o cápsula o cámara de reacción confinada en el molde. Tales aparatos son bien conocidos y están descritos en Ia 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 2000 0 C o superiores.
Con objeto de superar determinados problemas relacionados con Ia enorme fricción interna que se genera en las máquinas tipo molde y de pistones opuestos, y para desarrollar presiones más próximas a Ia hidrostática, se han desarrollado máquinas conocidas como multiyunques. En ellas varios pistones (o coyunques) presionan
simultáneamente a Ia muestra (cápsula o cámara de reacción). Habitual mente estos pistones son cuatro, dispuestos según Ia geometría de un tetraedro (máquina tetraédrica), seis dispuestos según Ia 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 Ia 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 Ia 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 Ia linealidad de sus múltiples pistones y de Ia 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 produptivo que permita su uso rentable en entornos industriales y en aplicaciones avanzadas de Investigación y Desarrollo, aumentando su fiabilidad, productividad y facilidad de fabricación.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención preconiza una máquina de multiyunques con Ia posibilidad de aumentar Ia presión en Ia 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 Ia técnica. Dicha máquina es capaz de generar en una cámara de reacción para aplicaciones industriales, grandes presiones y temperaturas, como las necesarias para Ia fabricación de diamante, nitruro de boro y similares. Tales condiciones se generan además de forma reproducible y estable en el tiempo.
Otro objetivo de Ia presente invención es proporcionar un cerrojo de fácil fabricación que sea capaz de contener Ia fuerza generada por Ia 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 Ia cámara de reacción o las presiones necesarias así Io exigieran.
Otro objetivo es proporcionar una máquina multiyunques que se pueda operar de forma fácil y eficiente.
Los elementos característicos de Ia invención son:
Pistón/es semiesféricos.- El pistón esférico se encuentra alojado en una cámara esférica, Ia cual tiene mayor resistencia a Ia deformación y a Ia rotura que una cámara de igual diámetro cilindrica. 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 cilindrico.
Segundo, a igual fuerza de empuje que un pistón cilindrico, se puede disminuir Ia 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, Ia presión del líquido hidráulico disminuye rápidamente con Ia 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 Ia inclusión de los semiaros intermedios para facilitar Ia utilización de cámaras de reacción de distintas alturas y posee Ia 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 cilindricos.- Son de diseño especial, que permiten el alojamiento de otros yunques, que una vez montados forman un octaedro regular, que empujan a Ia 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 Ia operación de cada ciclo de trabajo.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Figura 1.- Sección transversal de Ia máquina de un solo pistón Figura 1a.- Detalle A del pistón
Figura 2.- Sección transversal de Ia máquina de dos pistones Figura 3.- Sección transversal de Ia máquina por las aristas del octaedro Figura 4.- Sección de los cerrojos
Figura 5.- Sección de los cerrojos con inclusión de un semi-arp intermedio Figura 6.- Sección de los cerrojos con inclusión de dos semi-aros suplementarios
FORMA DE REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La máquina que se preconiza en Ia 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 cilindrico
20. Aro
22. Yunque
23. Junta alta presión
24. Cápsula de reacción
25. Electrodo 26. Semiaro intermedio
27. Semiaro intermedio
En Ia figura 1 aparece que Ia máquina consta de dos cuerpos, de simetría básicamente cilindrica, 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 Ia fuerza generada por el pistón 17, que a su vez empuja sobre Ia tapa superior 5 a través del juego de yunques y cápsula que se aprecia en Ia figura 3.
En Ia figura 1a tenemos un detalle de Ia zona del pistón semiesférico, donde se generan las presiones hidráulicas necesarias para el funcionamiento de Ia máquina que es como sigue:
A través de Ia conexión de alta presión 15 entra aceite de alta presión a Ia cámara semiesférica, en Ia 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 cilindrica 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 Ia máquina trabaja de una forma muy segura, ya que Ia 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 Ia capa sometida a presión alta, con relación al diámetro del pistón, en caso de haber algún tipo de fallo, el volumen de Ia 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 Ia cámara hidráulica o un accidente que implique una proyección violenta de cualquiera de las partes que componen Ia máquina.
Por debajo de Ia guía 10 se encuentra una junta de alta presión 11 que confina el líquido hidráulico junto con Ia junta de alta presión 14, evitando su fuga. Dentro del pistón semiesférico existe una cavidad cilindrica, en Ia que se alojan una serie de yunques, a los que denominamos sectores cilindricos 19. En Ia figura 3 se aprecia el detalle de montaje de los sectores cilindricos 19, que se encuentran centrados mediante los tetones 12.
Asimismo se apoyan radialmente sobre los aros 20, tanto en el pistón semiesférico como en Ia tapa superior. Estos sectores cilindricos se encuentran aislados eléctricamente mediante Ia junta 18, tanto radial como axialmente. El pistón ejerce un empuje sobre los sectores cilindricos 19, donde dichos sectores cilindricos 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 cilindricos, a su vez se transmite a estos yunques 22 que están separados mediante juntas de alta presión 23 que confinan a Ia cápsula de reacción 24.
La cadena de empuje es pues Ia siguiente:
El aceite de alta presión empuja el pistón 17 que a su vez empuja a los sectores cilindricos 19, que a su vez empujan a los yunques 22, que a su vez empujan a Ia cápsula de reacción 24, por tres direcciones mutuamente perpendiculares (cubitas), consiguiendo de esta forma una intensificación de Ia presión en el interior de Ia cápsula de reacción 24, debido a Ia relación geométrica de fuerzas y componentes que se descomponen de acuerdo a Ia geometría del sistema. De esta forma es posible conseguir en cápsulas de reacción de más de 30 cm 3 , presiones muy superiores a los 4GPa, 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 Ia cápsula de reacción.
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Cuando es necesario el calentamiento de Ia cámara de reacción, éste se realiza por resistencia eléctrica, conduciendo Ia corriente eléctrica a través de los electrodos 7 y 8 que a su vez están en contacto con los sectores cilindricos superiores que transmiten Ia corriente eléctrica a Ia cámara de reacción a través de los yunques 22, debidamente aislados en todas sus caras, excepto en Ia cara de contacto con Ia cámara de reacción y los sectores cilindricos correspondientes.
Todo el sistema se refrigera mediante agua o líquido refrigerante que entra a través de Ia válvula de refrigeración 16. El circuito de refrigeración se encuentra perfectamente presurizado, incluso durante el movimiento del pistón semiesférico 17, mediante Ia junta de caucho u otro elastómero similar 9.
En Ia figura 2 se aprecia Ia disposición de una máquina de dos pistones, que tiene una particularidad respecto a Ia máquina de un pistón y es que en ella el suministro de corriente eléctrica debe efectuarse mediante electrodos horizontales 25 con objeto de que Ia corriente eléctrica no se introduzca a través de Ia zona de altas presiones que se generan en Ia 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 Ia fuerza generada por Ia máquina de Ia presente Invención, de forma simple, sin modificación apreciable del volumen y Ia masa de Ia 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 Ia 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 cilindricos F-5318, DIN 1.2379 endurecido o similares. Para los yunques, carburo de wolframio, con un contenido entre el 6% y 10% de ligante (Co).
En Ia 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 Ia figura 6, donde se vuelve a introducir otro semiaro suplementario 27. De esta forma, el diseño modular del cerrojo permite ir aumentando Ia altura si fuera requerido, por el diseño de Ia 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.