本專利要求2014年8月29日提交的題為“對稱單元設(shè)計(jì)”的美國臨時(shí)專利申請?zhí)?2/044,094的優(yōu)先權(quán)；2014年9月4日提交的題為“用于高壓單元的單獨(dú)的電阻加熱”的美國臨時(shí)專利申請?zhí)?2/045,752的優(yōu)先權(quán)；以及2014年9月18日提交的題為“用于HPHT單元的包括凹口的中心導(dǎo)體”的美國臨時(shí)專利申請?zhí)?2/052,191的優(yōu)先權(quán)；這些臨時(shí)專利申請以其包含的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。

本專利還是2015年8月27日提交的題為“用于高壓高溫壓力機(jī)的平衡單元”的美國專利申請?zhí)?4/837,761的部分繼續(xù)申請。

背景技術(shù)：

在如路面銑削、挖坑道和挖溝這類領(lǐng)域中，可以使用諸如多晶金剛石的超硬材料來使諸如瀝青、混凝土和石塊等堅(jiān)韌材料破裂。通常使用高壓高溫(“HPHT”)壓力機(jī)來創(chuàng)建這種超硬材料。雖然HPHT壓力機(jī)多年來已被制成各種式樣，但許多HPHT壓力機(jī)包括多個(gè)活塞組件，這些活塞組件可以一致作用來給單元加壓。授予霍爾(Hall)的美國專利號(hào)6,336,802中披露了這種HPHT壓力機(jī)的一個(gè)示例，該專利描述了一種具有框架的壓力機(jī)，該框架包含多個(gè)交叉鉆孔，這些鉆孔作為用于附接多個(gè)筒的手段。每個(gè)筒中可包括活塞，壓砧從活塞伸出進(jìn)入由這些鉆孔的交叉而造成的空腔中。朝向該空腔的中心推進(jìn)的多個(gè)壓砧可以圍繞和限定壓力機(jī)內(nèi)的高壓腔。

單元可以被布置在這種高壓腔內(nèi)，該高壓腔包含形成超硬材料所需的原料組成部分。能夠形成超硬材料的原料組成部分的一個(gè)示例包括被布置在金屬罐內(nèi)、鄰近碳化物基底的金剛石晶粒。碳化物基底可以包含催化劑，該催化劑在特定HPHT條件下吹入金剛石晶粒中以幫助將金剛石晶粒燒結(jié)在一起。一個(gè)或多個(gè)這樣的罐可以被壓力傳遞介質(zhì)(諸如葉蠟石)圍繞，這樣可以在相鄰的壓砧之間的間隙內(nèi)形成壓力密封墊，連同在這些罐周圍形成平衡壓力。還可以將電阻材料布置在這樣的單元內(nèi)，當(dāng)電流從一個(gè)壓砧到另一個(gè)壓砧穿過該單元時(shí)可以將這些單元加熱到所需的溫度。

圖1中示出的一個(gè)已知的單元構(gòu)型包括通常由葉蠟石制成的立方體100。該立方體100包括從其中穿過的圓柱形孔105。多個(gè)金屬罐110可以被面對面堆疊，可以被固定在鹽模108內(nèi)，該鹽模被布置在圓柱形孔105內(nèi)。金屬管109可以圍繞該鹽模108并且提供從一端到另一端的電路徑。至少一個(gè)電阻加熱器107可以位于鹽模108的任一端并且當(dāng)電流從其中穿過時(shí)提供熱。

雖然圖1中示出的單元構(gòu)型可以是端對端對稱，但該單元構(gòu)型缺少圖2中示出的其他八個(gè)可能的對稱平面202的對稱性。這種不對稱性可能導(dǎo)致不均勻的壓力和/或熱分配。具體地，該多個(gè)罐中的各罐可以基于其相對于壓砧和電阻加熱器的獨(dú)特位置地穿過其內(nèi)部而經(jīng)歷不同的壓力梯度和溫度梯度。因此，存在著比之前存在的更平衡的單元設(shè)計(jì)的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

用于HPHT壓力機(jī)的單元可以包括其中布置有多個(gè)罐的本體。至少一個(gè)獨(dú)特的加熱器元件，例如，電阻加熱器，可以鄰近這些罐中的各罐來布置。

在該本體內(nèi)還可以布置至少一個(gè)溫度傳感器來測量溫度。在不同的實(shí)施例中，這些罐中的各罐或這些獨(dú)特的加熱器元件中的各加熱器元件可以具有至少一個(gè)溫度傳感器。

該至少一個(gè)加熱器元件可以形成到達(dá)該本體外部的電路的一部分。這樣的電路可以具有各種構(gòu)型。在一個(gè)示例構(gòu)型中，電流可以從第一壓砧穿過進(jìn)入單元、穿過鄰近第一罐的第一加熱器元件、穿過圍繞該第一罐直徑的第一導(dǎo)電管、穿過該本體內(nèi)的中心模、穿過圍繞第二罐的第二導(dǎo)電管、穿過第二加熱器元件，到達(dá)第二壓砧。

當(dāng)這些壓砧被通電時(shí)，在該單元內(nèi)可以產(chǎn)生熱。此外，每個(gè)獨(dú)特的加熱器元件上的電壓降以及因此產(chǎn)生的熱可以由這些壓砧處的電壓來確定。一旦確定，可以通過調(diào)整這些壓砧處的電壓來調(diào)節(jié)每個(gè)獨(dú)特的加熱器元件上的電壓降。

當(dāng)單元包括多個(gè)加熱器元件時(shí)，可以創(chuàng)建額外的電路，這些額外的電路包括至少一個(gè)不同的加熱器元件和至少一個(gè)不同的壓砧。因此，可以從這些壓砧處的電壓確定多個(gè)獨(dú)特的加熱器元件之間的電阻差。在一些實(shí)施例中，可能令人期望的是在各種不同的電路之間交替。

在中心模包括第一電路的一部分、該第一電路的任一側(cè)具有獨(dú)特的加熱器元件的情況下，第二電路可以具有該第一電路的獨(dú)特加熱器元件中的至少一者和至少一個(gè)不同的獨(dú)特加熱器元件。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中已知的HPHT單元構(gòu)型的實(shí)施例的透視圖。

圖2是示出九個(gè)可能的對稱平面的立方體的實(shí)施例的透視圖。

圖3是HPHT單元構(gòu)型的多個(gè)部分的實(shí)施例的局部分解透視圖，該單元構(gòu)型包括由兩個(gè)匹配模殼形成的總體上立方體形狀的本體。

圖4是HPHT單元構(gòu)型的多個(gè)部分的實(shí)施例的分解透視圖，該單元構(gòu)型包括由六個(gè)總體上金字塔形狀的模殼形成的總體上立方體形狀的本體。

圖5是HPHT單元構(gòu)型的多個(gè)部分的實(shí)施例的透視圖，該單元構(gòu)型包括由八個(gè)總體上立方體形狀的模殼形成的總體上立方體形狀的本體。

圖6是HPHT單元構(gòu)型的實(shí)施例的截面視圖，該單元構(gòu)型包括被布置在其各面上的孔內(nèi)的罐。

圖7a和圖7b是穿過HPHT單元構(gòu)型的電流的實(shí)施例的截面表示。

圖8a是總體上金字塔形狀的模殼的實(shí)施例的透視圖，該模殼包括底座，該底座包含不同于該模殼其余部分的材料。

圖8b和圖8c是合成葉蠟石壓制操作的實(shí)施例的示意性表示。

圖9是將總體上金字塔形狀的模殼的邊緣固持在一起的楔形榫頭的實(shí)施例的透視圖。

圖10a和圖10b是分別被成形為四面體和十二面體的HPHT單元構(gòu)型的實(shí)施例的透視圖。

具體實(shí)施方式

圖3示出了用于HPHT壓力機(jī)的單元的多個(gè)部分的實(shí)施例，該單元包括總體上立方體形狀的本體300，該立方體形狀的本體由兩個(gè)匹配模殼320a、b形成。這兩個(gè)匹配模殼320a、b可以由天然的或合成的葉蠟石或其他壓力傳遞材料制成并且裝配成如同布置在本體300內(nèi)的中心模330上的蛤殼。該中心模330可以由鹽或其他壓力傳遞材料制成。為將本體固持在一起，這兩個(gè)匹配模殼320a、b可以是壓力配合在中心模330上或者包括可裝配在配對槽326中的銷釘324。

總體上立方體形狀的本體300包括六個(gè)面321a、b、c(這些面中僅有三個(gè)是可見的)，其中各包括孔323a、b、c。這些孔323a、b、c中的各孔可以包括穿過本體的中心的相應(yīng)的中心軸線329a、b、c，并且各孔的大小可以被確定為接納單獨(dú)的罐(未示出)。類似地，該中心模330可以包括六個(gè)座333a、b、c，每個(gè)座與這些孔323a、b、c中的一個(gè)對齊并且大小可以被確定為接納罐。

圖4示出了HPHT壓力機(jī)的單元的多個(gè)部分的另一個(gè)實(shí)施例，該單元包括總體上立方體形狀的本體400，該本體由六個(gè)總體上金字塔形狀的模殼420a、b、c、d、e、f形成。該本體400包括六個(gè)面421b、d、f(這些面中僅有三個(gè)是可見的)，其中各包括孔423a、b、c、d、e、f。這些孔423a、b、c、d、e、f中的各孔可以包括穿過本體的中心的相應(yīng)的中心軸線429a、b、c、d、e、f，并且各孔的大小可以被確定為接納單獨(dú)的罐(未示出)。這些總體上金字塔形狀的模殼420a、b、c、d、e、f可以各自包括截?cái)嗟募舛?，使得它們可以配合在本體400內(nèi)布置的中心模430的周圍。這些總體上金字塔形狀的模殼(例如420c和e)中的一些可以包括邊緣425c、e，這些邊緣在組裝時(shí)可以與相鄰的模殼的邊緣重疊。

圖5示出了HPHT壓力機(jī)的單元的多個(gè)部分的又另一個(gè)實(shí)施例，該單元包括由八個(gè)總體上立方體形狀的模殼520a、b、c、d、e、f、g和h形成的總體上立方體形狀的本體500，每個(gè)模殼具有截?cái)嗟慕?，截?cái)嗟慕前砻妫摫砻娲怪庇诖┻^本體500的中心的軸線。孔523a、b、c、d、e、f、g和h被布置在每個(gè)相應(yīng)的立方體形狀的模殼520a、b、c、d、e、f、g和h內(nèi)?？?23a、b、c、d、e、f、g和h中的各孔的大小可以被確定為接納單獨(dú)的罐(未示出)，該單獨(dú)的罐包括穿過本體500的中心并且穿過本體500的相應(yīng)的角的軸線。

不論所選擇的構(gòu)型，在HPHT壓力機(jī)中使用這種平衡的單元具有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，圖6示出了單元的實(shí)施例，該單元包括罐640，這些罐被布置在單元的每個(gè)面上的孔內(nèi)。這些罐640各自可以由諸如鈮的金屬形成、并且具有諸如金剛石晶粒的超硬晶粒642，這些超硬晶粒被布置與罐中的基底(諸如碳化鎢基底)644相鄰。單獨(dú)的金屬管609可以圍繞這些罐640中的各罐并且可以提供從一端到另一端的電路徑。進(jìn)一步，這些罐640中的各罐可以具有至少一個(gè)電阻加熱器607，這些電阻加熱器位于這些罐的任一端，當(dāng)電阻加熱器中有電流通過時(shí)可以提供熱。在示出的實(shí)施例中，被布置在單元內(nèi)的中心模630還可以是電阻式的并且可以擔(dān)當(dāng)用于單元的統(tǒng)一的加熱器。

在這樣的構(gòu)型中，由于HPHT壓力機(jī)的壓砧靠攏并且向單元的各面施加壓力，這些罐中的各罐可以接收基本上等量的壓力并且是從同樣多的相對方向。所認(rèn)為的是這種基本上等量的壓力可以導(dǎo)致更均勻的最終產(chǎn)品。進(jìn)一步，由于電流從一個(gè)壓砧傳到另一個(gè)壓砧，因此，電流可以穿過第一電阻加熱器、第一金屬管、中心模行進(jìn)，然后離開第二金屬管和第二電阻加熱器。穿過此電路徑，這些罐中的各罐可以接納基本上等量的熱并且是從同樣多的相對方向。所認(rèn)為的是這種基本上等量的熱可以進(jìn)一步導(dǎo)致更均勻的最終產(chǎn)品。為了更準(zhǔn)確地確保基本上等量的熱，至少一個(gè)溫度傳感器632(諸如熱電偶或熱敏電阻器)可以被布置在本體內(nèi)來測量溫度。在不同的實(shí)施例中，這些罐640中的各罐或這些電阻加熱器607中的各電阻加熱器可以具有至少一個(gè)溫度傳感器。

圖7a和圖7b示出了電流750a、b的實(shí)施例，電流穿過單元，這些單元在位于單元中所布置的罐的任一端的電阻加熱器內(nèi)具有不同的自然電阻。電阻的這些自然差異可以導(dǎo)致橫跨這類電阻加熱器的電壓降的差異，并且由此導(dǎo)致熱耗散的量的差異。通過交替對壓砧充電，有可能確定哪一對電阻加熱器自然地將更多熱耗散到其相鄰的罐中。用這一知識(shí)，有可能通過調(diào)整每個(gè)壓砧的電壓來增加或減少每個(gè)電阻加熱器耗散的熱，來使每個(gè)罐經(jīng)歷的溫度相等或者更準(zhǔn)確地控制每個(gè)罐經(jīng)歷的溫度。

例如，圖7a示出了從具有10v電壓的第一壓砧(未示出)經(jīng)過第一電阻加熱器751a、第一金屬管752a、中心模753a、第二金屬管754a、以及第二電阻加熱器755a到具有2v電壓的第二壓砧(未示出)傳送的電流750a。這意味著，由于電路中的電阻，8伏特已經(jīng)以熱的形式被耗散在系統(tǒng)中。圖7b示出了從具有10v電壓的第一壓砧(未示出)經(jīng)過第一電阻加熱器751b、第一金屬管752b、中心模753b、第三金屬管756b、以及第三電阻加熱器757a傳送到具有3v電壓的第三壓砧(未示出)的電流750b。因此，當(dāng)電流穿過不同對的電阻加熱器時(shí)，7伏特以熱的形式被耗散在系統(tǒng)中。用這一知識(shí)，可能令人期望的是增加或減少第二壓砧或第三壓砧處的電壓來使每個(gè)罐接收的熱相等或者更準(zhǔn)確地控制每個(gè)罐接收的熱。如先前討論的，所認(rèn)為的是，被供應(yīng)到每個(gè)罐的基本上等量的熱可以導(dǎo)致更均勻的最終產(chǎn)品。

如上所述的部分地由總體上金字塔形狀的模殼形成平衡單元的這些優(yōu)點(diǎn)之一是易于創(chuàng)建本體，該本體包含具有不同特性的多種材料。例如，圖8a示出了是總體上金字塔形狀的模殼820a的實(shí)施例，該模殼包括底座826a，該底座包含不同于該模殼的其余部分828a的材料。當(dāng)在HPHT壓力機(jī)中加壓時(shí)，當(dāng)單元的一部分(該單元的邊緣)被預(yù)期在相鄰的壓砧之間被擠出時(shí)這種類型的構(gòu)型可能是令人期望的?？赡芰钊似谕氖沁@樣的擠壓形成了相鄰壓砧之間的墊片，從而允許保持足夠高的壓力。由于這樣的墊片的重要性，形成這樣的墊片的材料的性能可能是至關(guān)重要的。單元的其余部分(不形成該墊片的部分)可能需要明顯不同的材料性能。具體地，該其余部分可能需要更容易流動(dòng)以便平衡單元內(nèi)的力。因此，可能令人希望的是圖8a中示出的實(shí)施例的墊片材料或基座826a在HPHT條件下相比其余材料或其余部分828a是較少流動(dòng)的。

當(dāng)與固體立方體一起工作時(shí)，盡管從外部向內(nèi)部形成包括不同材料特性的單元可能是困難的，但壓制合成葉蠟石可能是用于創(chuàng)建包括如圖8a的實(shí)施例中示出的多種材料的金字塔形狀的模殼的簡單操作。例如，圖8b和圖8c示出了合成葉蠟石壓制操作的實(shí)施例，其中，其余部分的材料828b首先被壓入模具860b中，之后，包括不同材料特性的基座材料826c被壓入同一模具860b中。然后，可以通過將多個(gè)如之前所述的金字塔形狀的模殼裝配在一起來創(chuàng)建從外部向內(nèi)部包括不同材料特性的立方體單元。

如圖9所示的實(shí)施例中所示，部分地由總體上金字塔形狀的模殼920a、b形成平衡單元的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過將相鄰的金字塔形狀的模殼920a、b的邊緣與多個(gè)楔形榫頭927結(jié)合在一起來至少將該單元的多個(gè)部分固持在一起的能力。

雖然我們已經(jīng)總體上討論了直至這一點(diǎn)(在該點(diǎn)處，單元的多個(gè)面中的各面總體上是平面的并且被布置成與相鄰面基本上成相同角度)基本上是立方體形狀的單元，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到可以將其他形狀(諸如四面體和十二面體)與本發(fā)明一起使用。各自的實(shí)施例相應(yīng)地在圖10a和圖10b中示出。

雖然，已經(jīng)具體關(guān)于本文附圖描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，可以在本發(fā)明的范圍和精神之內(nèi)作出除在此示出或建議之外的其他的和進(jìn)一步的修改。