(57)【要約】  本発明は、多アンビル機械、さらに詳しくは工業反応チャンバーの内側に液圧と高温を生成する多アンビル立方形機械を提供する。チャンバーでは、ダイヤモンド、立方形窒化ホウ素及び類似の材料のような材料が製造される。これらの条件は安定した効率的な方法で達成される。力の小行程を有し、半球形チャンバーに収容された半球形ピストンにより圧力が生成される。可搬性要素の数が減少し、各作業サイクル中の組立が単純化され促進される。
2008529782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温高圧を生成するのに使用される半球形ピストンを有する多アンビル立方形機械において、
上部カバーと呼ばれる上部本体とチャンバーと呼ばれる下部本体とからなる基本的に円筒形の対称な２つの本体を有し、
前記本体は、１又は２つの半球形ピストンが適合された１又は２つのチャンバーハウジング又は２つの半球形チャンバーであり、
前記半球形ピストンは、アバットメントと、径と比較したときに短い長さの円筒面上を移動する小ガイドとにより案内されて軸方向に移動し、
この移動は、径に関して非常に短いピストンの行程を示す、ことを特徴とする多アンビル立方形機械。
【請求項２】
前記円筒形ピストンは圧力流体を閉じ込める高圧シール継手が取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の高温高圧を生成するのに使用される半球形ピストンを有する多アンビル立方形機械。
【請求項３】
前記機械の動作に必要な油圧は、高圧継手を介して実現され、
前記高圧継手を介して、高圧油が流入し、１又は２つの半球形ピストンが収容されている半球形チャンバーに達することを特徴とする、請求項１又は２に記載の高温高圧を生成するのに使用される半球形ピストンを有する多アンビル立方形機械。
【請求項４】
前記半球形ピストンの内部は円筒空間であり、
前記円筒空間に、一連のアンビル又は円筒セクターが収容され、アバットメントによりセンタリングされ、
前記アバットメントは、前記半球形ピストンと前記上部カバーの両方にて、前記リングに半径方向に接触していることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の高温高圧を生成するのに使用される半球形ピストンを有する多アンビル立方形機械。
【請求項５】
前記アンビル又は前記円筒セクターは、シール継手により、半径方向と軸方向に、電気的に絶縁されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の高温高圧を生成するのに使用される半球形ピストンを有する多アンビル立方形機械。
【請求項６】
前記アンビル又は前記円筒セクターは、一度組み立てると八面体を形成する幾何学的配置で他のアンビルを収容するように、設計されていることを特徴とする、請求項４又は５の記載の高温高圧を生成するのに使用される半球形ピストンを有する多アンビル立方形機械。
【請求項７】
前記アンビル又は円筒セクター上の前記ピストンのスラスト力は、高圧シール継手により分離されて反応チャンバーを閉じ込めている他のアンビルに伝達され、
前記スラスト力は、前記ピストンを押圧する高圧油によりもたらされ、
前記ピストンはその動作を前記アンビル又は前記円筒セクターに作用させ、
前記アンビル又は前記円筒セクターは、他のアンビルを押圧し、
前記他のアンビルは３つの相互に垂直な方向（３次元）から前記反応チャンバーを押圧し、
これにより、システムの結合構造に従って分解する力と要素の間の幾何学的関係により、前記反応チャンバー内の圧力の倍増を達成することを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の高温高圧を生成するのに使用される半球形ピストンを有する多アンビル立方形機械。
【請求項８】
前記アンビルを製造するのに使用される材料と前記反応チャンバーの内容物とサイズに依存して、４ＧＰａ以上及び１０ＧＰａ以上の圧力を有する３０ｃｃ以上の反応チャンバーを達成することができることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の高温高圧を生成するのに使用される半球形ピストンを有する多アンビル立方形機械。
【請求項９】
前記反応チャンバーは必要なときに電気抵抗によって加熱され、前記電気抵抗は電極を介して電流を伝導し、前記電極は前記上部円筒セクターと接触し、前記上部円筒セクターはアンビルを介して電流を反応チャンバーに伝導し、前記アンビルの全辺は反応チャンバーと対応する円筒セクターと接触する面を除いて十分に絶縁されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の高温高圧を生成するのに使用される半球形ピストンを有する多アンビル立方形機械。
【請求項１０】
全システムは、冷却弁を介して流入する水又は冷却流体により冷却され、冷却回路は、半球ピストンの移動中でも、ゴム又は任意の類似のエラストマーで形成されたシール継手によって加圧されることを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の高温高圧を生成するのに使用される半球形ピストンを有する多アンビル立方形機械。
【請求項１１】
２ピストン機械の配置は、１ピストン機械と区別される特徴を有し、
すなわち、電流が半球形チャンバーで生成される高圧の領域を介して導入されるのではなく、下部半球形ピストンと上部半球形ピストンの間の空間を介して導入されるように、水平電極により電源が設けられなければならなし、
このような配置により、特に非常に大きな反応チャンバーで非常な高圧を達成するために、機械の容量や質量を修正することなく、簡単な方法で、本発明の対象とする機械により生成される圧力を倍増することができることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の高温高圧を生成するのに使用される半球形ピストンを有する多アンビル立方形機械。
【請求項１２】
前記機械を製造するのに最も適した材料は、高抵抗鋼、特に６％と１０％の間のリガンド（Ｃｏ）を含むタングステンカーバイドであることを特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載の高温高圧を生成するのに使用される半球形ピストンを有する多アンビル立方形機械。
【請求項１３】
前記機械を作っている２つの本体は、基本的に円筒で対称であり、上部カバーと呼ばれる上部本体とチャンバーと呼ばれる下部本体上で、上部と下部の２つの半リングにより構成される２つの半ロックにより閉じ込められ、
前記半リングは、下部半リングに挿通された締結具により接合され、ナットにより締め付けられ、
中間半リング２６を導入することで、高圧機械を閉じ込める半ロックの高さを増大し、
追加の中間リングが多反応チャンバー又は非常に高い反応チャンバー等に含められ、
必要であれば、他の補足半リングを導入して高さの増大を継続し、
これにより、ロックのモジュール化設計は、必要であれば、機械の高さを増加することができることを特徴とする、請求項１から１２のいずれかに記載の高温高圧を生成するのに使用される半球形ピストンを有する多アンビル立方形機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の目的は、立方形アンビル（anvil）用と、モジュール式錠を備えた半球形ピストンの作用によりダイヤモンド、窒化ホウ素、及び類似物質を得るための工業用反応槽に収容される高温高圧機械を提供することである。
【背景技術】
【０００２】
高温高圧を発生するのに使用される装置及び機械は、工業及び研究上の要求に答えるために開発された。ダイヤモンドの工業的生産には、天然水晶が形成される地球の最深部と同様の高温高圧が必要である。また、地質学及び鉱業の研究とシミュレーションも前記条件が必要である。
【０００３】
この意味において、高温で高圧を発生し、毎日長時間この状態を維持することができる多様な装置が開発されている。このグループの装置には、ベルトタイプ、成形型又は鋳型タイプとして知られているものがある。これらの装置では、反応槽は互いに適合された幾つかの円筒金属層によって形成された多孔金属板、又は、あるタイプでは発生する張力を維持するように設計されている成型型又は鋳型によって閉じ込められている。お互いに向かって移動する２つの軸方向に対向するピストンによって力が発生し、試料を押圧し、チャンバー又はカプセル、又は反応槽が成形型に閉じ込められる。前記装置は公知であり、高圧及び結晶合成に関する一般文献及び種々の特許文献に記載されている。これらの装置は、２０００℃又はそれ以上の温度はもちろん、１０Ｇｐａのオーダー及びそれ以上の大きさの圧力を達成することができる。
【０００４】
成形型と対向ピストン形機械の内側で発生する非常に大きな内部摩擦に関する問題を解決するために、また液圧に近い圧力を生成するために、多アンビル機械として知られた装置が開発されている。これらの機械では、幾つかのピストン（又は同一アンビル）が試料（カプセル、又は反応槽）を同時に押圧する。一般に、４面体形状に配置された４つのピストン（４面体機械）、立方体形状に配置された６つのピストン（立方形機械）、
１又は複数の単純で独創性のある配置がある。高圧継手とともに同じピストンは試料を閉じ込めるのに役立つ。これらのタイプの機械とその動作の良好な再検討と様々な応用分野を見つけることができる。
【０００５】
これらのタイプの機械は、非常に良い品質を有し、高温高圧材料の合成に適応できるが、幾つかの問題を有する。多アンビル機械の主な不都合は、操作の複雑性である。
【０００６】
これらの多くの機械は、作業サイクルを開始する前に、異なる部品や継手を複雑に組み立てることであり、複数のピストンの線状配列を注意深く調整し、各ピストンにより作用する力を調整する必要があることである。
【０００７】
他の重要な欠点は、生産性の低いことであり、それは一般に数立方センチメートルより大きな反応カプセルと作業することが不可能であることによる。
【０００８】
したがって、これらのタイプの機械を、工業的環境、及び研究開発の先進的応用に適した動作を許容する生産工程に適用し、信頼性、生産性を向上し、製造工程を簡単にする要求がある。
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、従来技術で見られた問題を解決する、半球形チャンバーに収容された１又は２つの半球形ピストンにより反応チャンバー内の圧力を増加する可能性を有する多アンビル機械に関する。前記機械は、ダイヤモンド、窒化ホウ素、及び類似の物質の製造のような産業上利用で必要とされる、大圧力と高温度を反応チャンバー内で生成することができる。さらに、前記条件は、時間的に安定した再生可能な方法で生成される。
【００１０】
本発明の他の目的は、機械によって生成される圧力を保有することができ、組立部品のサイズを減少することができる、容易に製造可能なロックを提供することである。また、前記ロックは、モジュール設計であり、反応チャンバーのサイズ又は必要圧力が要求される場合に、ロックのサイズを増大することができる。
【００１１】
他の目的は、容易にかつ効率的に動作することができる多アンビル機械を提供することである。
【００１２】
本発明の特徴的要素は以下の通りである。
【００１３】
・半球形ピストン
球形ピストンは、同径の円筒形チャンバーよりも変形や破断に対する抵抗が大きい球形チャンバーに収容されている。この特徴は２つの利点に言い換えられる。第一に、その幾何学的形態により液圧に対する抵抗が大きく、円筒形ピストンの材料費と同等の材料費で、より大きなスラスト力を生成する。第二に、円筒形ピストンで生成されるスラスト力と同じスラスト力で、ハウジング要素の壁を減少することができる。
【００１４】
短いピストン行程は、動作のために収容される液圧流体の容量が非常に小さいので、大きな力を達成し、最小の危険性で高圧を生成する。この容量は、ハウジング要素が破損したとしても危険ではない大量のエネルギーを貯蔵する。破損した場合には、僅かな亀裂で液圧流体の圧力が迅速に減少し、液体がハウジング本体を流出する前にあらゆる危険性が消失する。
【００１５】
・モジュールロック
モジュールロックの主な特徴は、中間リングを含むので、異なる高さの反応チャンバーの利用を促進することである。この特徴は、製造コストが全体ピースよりも安価であるという利点を有する。さらなる利点は、単に中間ピースを導入してキャッチ締結具（catch tie）を伸ばすだけでチャンバーの高さを調整することができることである。この高さ調整の特徴により、より大きな反応チャンバーを有する機械を設計することができる。
【００１６】
・アンビル又は円筒セクター
これは、他のアンビルを収容することができる特別な設計である。他のアンビルは、一度組み立てると正八面体を形成し、３つの相互に垂直な方向（３次元）から反応チャンバーを押圧する。可搬性要素（mobile elements）の数が減少し、各作業サイクルの動作中の組立行程が単純化する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、基本的に円筒形状の２つの本体を有する機械を示し、１つは上部本体で上部カバー５といい、他は下部本体でチャンバー６という。チャンバー６は半球形空間を有し、そこに半球形ピストン１７が適合されている。
【００１８】
この球形チャンバーは、内部で発生する液圧を最適に支えるように設計され、設計に選択された材料に依存するが、４０００及び６０００Ｋｇｆ/ｃｍ２のオーダーの使用条件が許容できる。これらの２つの本体は、上部半リング３と下部半リング４により構成された２つの半ロック（semi-lock）により閉じられ（confine）ている。
【００１９】
前記半リングは、下部半リングに挿通された締結具（tie）２により接合され、ナット１により締め付けられている。このようにして、半ロックは、コンパクトであるがモジュール化された装置セットを形成し、ピストンにより生成される圧力に耐えることができる。ピストンは、図３に示すようなアンビルとカプセルのセットを介して上部カバー５を押している。
【００２０】
図１ａは、半球形ピストン領域の詳細を示し、そこで以下のような機械の動作により必要な液圧が生成される。
【００２１】
半球形ピストンが収容されている半球形高圧チャンバーに、高圧油が高圧継手１５を介して流入する。前記ピストンは、アバットメント（abutment）１３と小ガイド１０とにより案内されて軸方向に移動する。小ガイド１０は径に比べて短い長さを有する円筒面を通って移動する。この進行運動は半球形ピストンの行程を示し、その行程は径に対して小さい。この小行程は機械が安全に作動することを保証する。なぜなら、高圧を受ける要素のいずれかが万一破損した場合に危険となるであろうエネルギーの蓄積が、ピストンの回りの薄い半球形シートまで減少するからである。この材料の起こりうる破壊又は破損は過酷な結果をもたらさない。なぜなら、高圧を受ける層はピストンの径に対して非常に薄いからである。あるタイプの破損の場合、圧力流体を保持する空間の容積が迅速に増加し、瞬時に圧力を非危険点まで低下させる。換言すれば、このタイプの機械では、液圧チャンバーが爆発することはありえないし、また機械を構成している部品のいずれかの激しい放出を伴うような事故が生じることもありえない。
【００２２】
ガイド１０の下方には、高圧継手１４とともに高圧流体を閉じ込める高圧シール継手１１があり、漏曳を防止している。半球形ピストンの内側には、円筒セクター１９と呼ばれる一連のアンビルを収容する円筒形空間がある。図３は、アバットメント１２によりセンタリングされた円筒セクター１９のアセンブリの詳細を示す。また、それらは、リング２０の上方で、半球形ピストンと上部カバーの両方に半径方向に支持されている。これらの円筒セクターは、絶縁接合板１８により、半径方向と軸方向の両方に、電気的に絶縁されている。このピストンは、スラスト力を円筒セクター１９に作用させる。ここで、円筒セクターは、一度組み立られると八面体を形成するような幾何学的配置に他のアンビル２２を収容するように、設計されている。
【００２３】
円筒セクター１９上のピストンのスラスト力は、これらのアンビル２２に伝達される。アンビル２２は、反応チャンバー２４を閉じ込める高圧シール継手２３により分離されている。
【００２４】
スラストの連鎖（thrust chain）は以下の通りである。
【００２５】
高圧油はピストン１７を押圧し、該ピストン１７は円筒セクター１９を押圧し、そして円筒セクター１９はアンビル２２を押圧し、次にアンビル２２は３つの相互に垂直な方向（３次元）から反応チャンバー２４を押圧する。これにより、システムの結合構造（geometry）に従って分解する力と要素の幾何学的関係による、反応チャンバー２４の内側の圧力の増大を可能にする。３０ｃｃ以上の反応チャンバーで４ＧＰａ以上の圧力を得ることができる。アンビル２２を製造するのに使用される材料、反応チャンバーの内容物及びサイズに依存して、１０ＧＰａ以上の圧力を得ることも可能である。
【００２６】
反応チャンバーを加熱することが必要なとき、その加熱は電極７，８を介して電流を伝導する電気抵抗により達成される。電極７，８は上部円筒セクターと接触している。上部円筒セクターはアンビル２２を介して電流を反応チャンバーに伝導する。アンビル２２の全面は、反応チャンバーと対応する円筒セクターと接触する面を除いて、十分に絶縁されている。
【００２７】
全システムは、冷却弁１６を介して流入する冷却水又は冷却流体により冷却される。冷却システムは、半球ピストン１７の移動中でも、ゴム又は任意の類似のエラストマーで形成されたシール９によって、加圧されることが好ましい。
【００２８】
図２は、２ピストン機械の配置を示し、１ピストン機械と区別される特徴を有する。すなわち、半球形チャンバーで生成される高圧の領域を介して、あるいは下部半球形ピストンと上部半球形ピストンの間の空間を介して電流が流れるのを防止するために、水平電極２５を介して電源を設けなければならない。このような配置により、特に非常に大きな反応チャンバーで非常な高圧を達成することが望まれるときに、機械の容量や質量を修正することなく、簡単な方法で、本発明の対象とする機械により生成される圧力を倍増（duplicate）することができる。
【００２９】
これらの機械を製造するのに最も適した材料は、カバーに対しては高抵抗鋼、チャンバーに対しては適切な熱処理をしたＦ−１２５，Ｆ−１２７又はその類似品、締結具やナットに対しては処理されたＦ−１２７鋼又はその類似品、半球形ピストンに対してはＦ−１２７、マレージング（Maragin）鋼又は他の高抵抗合金鋼である。円筒セクターに対してはＦ−５３１８、硬化ＤＩＮ１．２３７８又はその類似品、アンビルに対しては６％と１０％の間のリガンド（Ｃｏ）を含むタングステンカーバイドが使用される。 
である。
【００３０】
図４は、半球形ピストンのスラスト力に抵抗する半ロックの一つの外観を示す。
【００３１】
図５は、中間半リング２６が導入され、高さをロックに与えた実施例を示す。この装置は、中間部品が組み込まれた高圧機械、例えば必要な大きな高さの複合反応チャンバーを閉じ込めるのに役立つ。
【００３２】
この同一のモデルは図６に繰り返されている。ここで他の補足半リング２７が導入されている。このように、ロックのモジュール設計により、機械設計により要求されるとき、ロックのコストを過剰に増加させることなく、高さを増大することができる。鋳造所で特別注文したり、非常に制限されたバッチで生産しなければならないような、大きな部品を利用することを必要としない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】１ピストン機械の断面図。
【図１Ａ】ピストンの詳細Ａ。
【図２】２ピストン機械の断面図。
【図３】８面体の縁を通る機械の断面図。
【図４】ロック部。
【図５】中間半リングを含むロック部。
【図６】２つの補足半リングを含むロック部。
【符号の説明】
【００３４】
１  ナット
２  締結具（tie）
３  上部半リング
４  下部半リング
５  上部カバー
６  チャンバー
７  分離ナット
８  電極
９  シール継手
１０  ガイド
１１  シール継手
１２  アバットメント（abutment）
１３  アバットメント（abutment）
１４  シール継手
１５  高圧継手
１６  冷却弁
１７  半球形ピストン
１８  絶縁接合板
１９  円筒セクター（cylindrical sector）
２０  リング
２１  （なし）
２２  アンビル
２３  高圧シール継手
２４  反応カプセル
２５  電極
２６  中間半リング
２７  中間半リング
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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