СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВНУТРИ ЯЧЕЙКИ, ГДЕ ПРОИСХОДИТ СИНТЕЗ АЛМАЗА
CONTROL SYSTEM FOR MAINTAINING CONSTANT TEMPERATURE INSIDE CELL, WHERE DIAMOND SYNTHESIS TAKES PLACE

Заявленное изобретение относится к обработке материалов в области высоких давлений и температур, вызывающих химическую и физическую модификацию веществ, в частности, к системе управления для поддержания постоянной температуры внутри ячейки, где происходит синтез алмаза, методом поддержания постоянной температуры на поверхности пуансонов многопуансонной установки синтеза алмаза.
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является многопуансонная установка шарового типа для создания высоких давлений и температур, содержащая основание, на котором установлен корпус с внутренней сферической полостью, состоящий из двух частей, расположенных одна над другой. В корпусе расположена сферическая оболочка, состоящая из двух частей, причем части оболочки закреплены на соответствующих частях корпуса, образуя камеру первичного давления с двумя изолированными полостями. Внутри частей оболочки расположены пуансоны, наружные части которых имеют форму усеченных пирамид со сферическим большим основанием, расположены с зазорами между боковыми поверхностями и образуют своими усеченными поверхностями полость, в которой установлены внутренние пуансоны, контактирующие с внутренними плоскостями наружных пуансонов через изолирующие прокладки. Между боковыми поверхностями внутренних пуансонов образованы зазоры, в которых размещены деформируемые прокладки, а внутренние поверхности внутренних пуансонов образуют камеру сжатия с размещенным в ней деформируемым контейнером из термо- и электроизоляционного материала с внутренней полостью для размещения обрабатываемого материала, камера сжатия имеет отношение высоты к ширине в пределах от 1,03 до 1,4. Внутри оболочки электрически изолировано от наружных пуансонов расположены средства для перекрытия зазоров между боковыми поверхностями наружных пуансонов. В многопуансонной установке предусмотрены также устройства, образующие цепь нагрева и измерительную цепь, устройства, обеспечивающие автоматизацию всего процесса, устройства для охлаждения наружных и внутренних пуансонов, а также средства для удобного извлечения и установки деформируемого контейнера с материалом из самой установки (патент RU 2077375 С1, опубл. 20.04.1997).
Недостатком прототипа является недостаточно высокая точностью поддержания температуры в ячейке, где происходит рост кристаллов алмаза.
Решаемой технической проблемой или задачей является устранение существующих недостатков наиболее близкого аналога.
Техническим результатом, проявляющимся при решении вышеуказанной проблемы, является поддержание постоянной температуры на поверхности пуансонов на протяжении всего времени цикла синтеза вне зависимости от изменения температуры окружающей среды при поддержании мощности нагрева с высокой точностью, а также получение кристаллов с заранее заданными свойствами, размерами и качеством, за счет возможности в процессе роста, влиять на скорость роста кристаллов.
Технический результат достигается за счет того, что система управления для поддержания постоянной температуры внутри ячейки, где происходит синтез алмаза, методом поддержания постоянной температуры на поверхности пуансонов многопуансонной установки синтеза алмаза, включает пропорциональные клапаны Y1 … Y6 с моторизированным управлением для регулировки протока охлаждающей жидкости, подаваемой через запорный вентиль V21 от установки охлаждения жидкости, датчик температуры TE14 измеряет температуру охлаждающей жидкости, подаваемую через запорные вентили V14 … V19 на вход кольца охлаждения (1) - протока для охлаждающей жидкости вокруг каждого пуансона, температурные датчики TE8 … TE13,  установленные на поверхности пуансонов с кольцом охлаждения (1), измеряют температуру на поверхности, первый блок измерения температуры, соединенный с датчиками для измерения температуры охлаждающей жидкости, второй блок измерения температуры, соединенный с датчиками для измерения температуры на поверхности пуансонов, и блок управления клапанами для управления пропорциональными клапанами Y1 … Y6, при этом все три блока соединены с программируемым логическим контроллером (ПЛК) и управляются им, трехходовые краны V8 … V13, на которые, после прохождения кольца охлаждения (1), поступает охлаждающая жидкость, выполнены с возможностью переключения режима работы системы охлаждения на:
- вспомогательный режим работы, при котором охлаждающая жидкость движется по замкнутому контуру через циркуляционный насос, нагреватель, запорный вентиль V20, при этом запорный вентиль V21 закрыт, и далее через запорные вентили V14 … V19, охлаждающие кольца, трехходовые краны V8 … V13
- основной режим работы, при котором охлаждающая жидкость проходит через пропорциональные клапаны Y1 … Y6, которые изменяют проток охлаждающей жидкости в соответствии с сигналом ПЛК, тем самым поддерживая постоянную температуру на поверхности пуансонов,
при этом на выходе из колец охлаждения установлены датчики температуры TE2 … TE7, которые  измеряют температуру охлаждающей жидкости, датчик температуры TE1 установлен между запорными вентилями V2 … V7 и вентилем V1, через который охлаждающая жидкость поступает обратно в установку для охлаждения жидкости, при этом датчик температуры TE1 измеряет температуру охлаждающей жидкости, протекающей через указанные запорные вентили V2 … V7, после прохождения ротаметров FL1 … FL6.
Признаки и преимущества настоящего технического решения станут очевидными из приводимого ниже подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:
На фигуре 1 изображена схема протока охлаждающей жидкости.
Схема включает кольцо охлаждения (1) - проток для охлаждающей жидкости вокруг пуансона.
На фигуре 2 изображена принципиальная схема системы поддержания температуры на поверхности пуансонов.
Выращивание синтетического алмаза - это длительный процесс. Скорость роста алмаза не превышает 20мг/час (для металл-катализатора на основе Fe-Co-Ni). Для повышения качества конечного продукта в течении всего цикла роста монокристалла алмаза термодинамические параметры синтеза необходимо поддерживать с высокой точностью. Особенно прецизионно необходимо поддерживать температуру в области роста кристаллов.
Для этого применяется заявленная система управления для поддержания постоянной температуры внутри ячейки, где происходит синтез алмаза, методом поддержания постоянной температуры на поверхности пуансонов многопуансонной установки синтеза алмаза. При этом система позволяет поддерживать постоянную температуру на поверхности пуансонов на протяжении всего времени цикла синтеза, вне зависимости от изменения температуры окружающей среды при поддержании мощности нагрева с высокой точностью.
Система управления для поддержания постоянной температуры внутри ячейки, где происходит синтез алмаза, работает следующим образом.
Регулировка температуры, на поверхности пуансонов осуществляется регулировкой протока охлаждающей жидкости при помощи пропорциональных клапанов Y1 … Y6 с моторизированным управлением. На вход системы охлаждения подается, через запорный вентиль V21, охлаждающая жидкость постоянной температуры, от установки охлаждения жидкости (на фигурах не показана). Температура охлаждающей жидкости измеряется датчиком температуры TE14, через запорные вентили V14 … V19 охлаждающая жидкость подается на вход кольца охлаждения (1) - протока для охлаждающей жидкости вокруг пуансона (фиг. 1), механически соединённым с пуансоном. На поверхности пуансона с кольцом охлаждения (1), в определённом месте, установлены температурные датчики TE8 … TE13, которые измеряет температуру на поверхности пуансонов и передают показания в программируемый логический контроллер (ПЛК).
Охлаждающая жидкость, после прохождения кольца охлаждения поступает на трехходовые краны V8 … V13. При помощи трехходовых кранов V8 … V13 можно выбрать режим работы системы охлаждения, когда охлаждающая жидкость проходит от кольца охлаждения к пропорциональным клапанам Y1 … Y6 (основной режим работы) или от кольца охлаждения к циркуляционному насосу Н1.0 (вспомогательный режим).  Вспомогательный режим — это режим подогрева пуансонов, этот режим необходим, когда установка по выращиванию алмазов временно не работает. При включении этого режима охлаждающая жидкость движется по замкнутому контуру через циркуляционный насос Н1.0, нагреватель К1.0, запорный вентиль V20, при этом запорный вентиль V21 должен быть перекрыт, и далее через запорные вентили V14 … V19, охлаждающие кольца, трехходовые краны V8 … V13.
При основном режиме работы охлаждающая жидкость проходит через пропорциональные клапаны Y1 … Y6, которые изменяют проток охлаждающей жидкости в соответствии с сигналом ПЛК по определённому закону, тем самым поддерживая постоянную температуру на поверхности пуансонов.
Датчики температуры TE2 … TE7 измеряют температуру охлаждающей жидкости на выходе из колец охлаждения. Для визуализации протока охлаждающей жидкости используется ротаметры FL1 … FL6, после прохождения ротаметров FL1 … FL6, охлаждающая жидкость протекает через запорные вентили V2 … V7, измеряется температура датчиком температуры TE1 и через запорный вентиль V1 поступает обратно в установку для охлаждения жидкости.
Для измерения температуры охлаждающей жидкости используется первый блок измерения температуры, а для измерения температуры на поверхности пуансонов используется второй блок измерения температуры. Для управления пропорциональными клапанами Y1 … Y6 используется блок управления клапанами, все три блока управляются ПЛК.
Человеко-машинный интерфейс включает в себя «Панель оператора» и «Компьютер управления».
Основной особенностью системы охлаждения является то, что она позволяет при различных температурах на поверхности пуансонов в процессе роста влиять на скорость роста кристаллов и получать кристаллы с заранее заданными свойствами, размерами и качеством.
Применение такой схемы благоприятного сказывается на сроке эксплуатации твердосплавных пуансонов. Это связано с возможностью поддержания постоянной температуры пуансона даже в момент перезагрузки кубического пресса. При регулировке температуры нагревателя К1.0 охлаждающей жидкостью можно постоянно поддерживать температуру пуансона. Стабильное поддержание температуры пуансона не дает возможности появиться напряжениям.
Также этот подход позволяет экономить время на стабилизацию температуры внутри контейнера синтеза, что приводит к большей экономической эффективности работы кубического пресса.