专利名称：一种新型的压力和超高压力的产生方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压力和超高压力的产生方法和装置，特别是涉及一种流体动力的压力和超高压力的产生方法和装置。
背景技术：
高压和超高压设备在人造金刚石制备、高压成形、塑性加工、超高压食品加工、高压灭菌、机械加工等领域有着广泛应用，并且在有些应用的过程中起着关键性的作用。
目前，产生高压和超高压的方法主要有如下几种1.基于液压传动的方法；2.基于炸药爆炸的方法；3.基于机电的方法。
基于液压传动的方法是产生高压和超高压的一种主要方法。它通过高压泵产生高压流体，再通过增压缸等增压装置来获得高压和超高压，需要液压阀等控制元件和其他一些辅助元件。常用流体介质为液压油、水等流体或压缩空气等气体介质。市面上已有许多国内外厂家能够生产多种型号的较成熟的产品，也有很多相关的专利。流体压力的产生有静态的和动态的两大类，前者为稳定的压力生成，后者可以是变化的或瞬间产生的压力。
基于炸药爆炸的方法是利用炸药爆炸瞬时产生的气体膨胀的压力能来产生高压和超高压方法。控制炸药量、药性、药型、点火方式可以获得不同作用效果的压力和超高压。此类方法产生的压力和超高压多为瞬间高压，多用于爆炸成形。
基于机械的方法产生高压和超高压的方法是最传统、最古老的一种方法。大多利用电动机带动飞轮旋转，储存机械能，再通过机械传动方法，将机械能转化为作用在工件上的压力能。曲柄压力机、螺旋压力机等是常用的基于机械方法产生高压和超高压的设备。
还有电磁压力机等基于电磁原理的其它类型的压力生成装置。
这些压力产生装置各有特点。基于液压传动方法的装置可以做成产生很大压力的压力装置，但产生高精度压力的装置造价昂贵、维护复杂、效率较低、可能对环境产生油污染、噪音大、发热大等；基于机械方法的装置结构简单、制造不太复杂，但受材料强度和性价比的限制，一般压力输出不会太大、压机吨位较大时受到限制；基于炸药爆炸方法一次压力生成简单，但压力精确控制较困难、使用场合也受到限制；电磁压力机结构简单、噪音小，但压力输出较小，一般都用于小吨位压机。
特别是普遍应用的基于液压传动方法的超高压装置，由于液压泵(齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等)的瞬时流量不均匀，使得流体动力系统存在前端的一定幅值的周期性的压力脉动，同时和前端的一定幅度的压力波动一起在通过增压器的压力放大过程后，在末端会形成较大的压力波动，压力的精确控制困难，误差较大。无形之中会要求前端的压力控制精度很高，设备成本增大，效果也很难达到。
本发明提出了不同于以上压力生成原理的一种新的压力产生的方法，可以精确地生成压力和超高压力，并且没有噪音和污染，特别是没有了前端的压力脉动，压力生成稳定、持久、可控，具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明提出了一种新型的压力和超高压力的产生方法和装置，用这种方法和装置能够产生大于1个标准大气压的压力，也能够产生远高于1个标准大气压的超高压力，用这种方法和装置产生的压力没有周期性的压力脉动，能够维持长的时间的(不是瞬间的)压力，能够转化为压力能、机械能等其他形式的能量或对外直接作功。本发明的提出，从原理上克服了上述其他压力生成方法的许多不足。
本发明的一种压力和超高压力的产生方法和装置，是利用相变物质产生相变过程后的相变生成物的体积增大而挤压相变物质产生压力和超高压的方法。
相变物质发生相变时，装盛该相变物质的压力容器内部是密闭空间，压力容器本身的强度和刚度达到设计要求。
本发明的一种压力和超高压力的产生方法和装置，是通过相变控制装置来控制相变的进行和终止。
本发明的一种压力和超高压力的产生方法和装置的压力生成单元是由相变控制装置、相变生成物、控制阀门、连接管道、相变物质、压力容器组成；压力生成单元之间的联接方式有串联的、并联的、混合联接的方式。
本发明中的相变物质，常温常压状态下是一般是液体(液相的)，温度或压力(或其他外部条件)变化后，该物质将发生相变，从液相转变为固相，或其他类型的相。这些能够使相变物质发生相变的决定条件称为相变条件，例如温度条件、压力条件、光照条件、辐射条件、电场条件、磁场条件等等。相变过程中，新生成的相的物质，本文称为相变生成物。反过来，将相变生成物转变为原来的相变物质的过程称为反转变，反转变也有其相应的相变条件。
相变过程中，物质从一种相(例如液相)转变到另一种相(例如固相)，物质内部结合的键发生变化，物质内部的结构也发生变化，宏观上表现为物质的体积发生变化，拥有这一相变后体积发生变化的性能的物质才能在本发明中作为相变物质。
本发明的相变物质，可以是单质，也可以是化合物或多种物质的混合物，只要能够产生相变时的体积变化即可，正常状态下一般为液体。有时需要在相变物质中添加其他物质来改变或改善相变条件，便于对相变过程的控制。
本发明的相变过程是在一定强度和刚度的压力容器中进行的，压力容器本身的强度和刚度达到设计要求。压力容器的强度表示了容器受压后不被破坏的能力，压力容器的强度大，就能够承受更大的压力；压力容器的刚度表示了容器受压后变形的能力，容器的刚度大，就能够在高的压力下的变形小。
上述所指的压力容器本身的强度和刚度达到设计要求，是指对压力容器的使用在压力容器材料强度极限允许的范围内的使用，同时考虑到安全、结构等限制因素后的最大压力承受能力，设计和制作过程中要满足这种能力的要求。现实存在的许多超高压容器也说明了，通过合理的设计，压力容器是可以达到很大的强度和刚度的。
压力容器在相变物质发生相变时，压力容器、连接管道和控制阀门共同构成了压力容器内部的一个密闭空间，在此空间内压力才能建立起来。
压力容器内的相变物质发生相变后，相变生成物的体积和原来的(相变前)状态下的相变物质的体积相比是有变化的，当相变生成物的体积比原来的(相变前)状态下的相变物质的体积增大时，压力容器内的相变物质受挤压产生压力；当相变生成物的体积比原来的(相变前)状态下的物质的体积减小时，压力容器内的物质受负压力(低于1个大气压)作用。
当装置的压力容器内的物质受挤压产生压力时，此压力通过压力容器内的(流体)物质传递给容器的内壁，此时，压力容器会有一定量的变形，容器内的压力得以保持；当容器的变形在设计的一定范围内，同时物质相变仍然能够继续进行，相变生成物的体积不断增大，容器内的压力就会继续增加。
相变生成物体积的增加量、容器的刚度、容器内(流体)物质的压缩性和容器内的压力大小之间存在一定的数学关系。较理想的情况下，压力容器刚度很大(变形小)、(流体的)相变物质压缩性很小时，相变发生后的相变生成物体积的增加量大多都会转化为压力容器内的压力的增加。只要相变不断进行，相变发生后的相变生成物体积的增加就会不断发生，只要压力容器的刚度允许，压力容器内的压力就会相应不断增加，达到高压和超高压。
本发明的相变过程是可控制的，相变控制装置是整个压力系统的重要组成部分。物质从一种相(例如液相)转变到另一种相(例如固相)是有条件的，有时是温度条件，有时是压力条件，也可能是电、磁、光等其他条件。通过对相变条件的控制，就可以控制相变的进行和终止，即控制相变的速度、过程和相变结果，从而控制相变生成物的体积增加量，进而控制压力容器内的压力，这就是能够通过物质相变来产生压力或超高压力的基本前提和原理。
上述的本发明中的压力或超高压力的生成只是对单个压力容器内的压力产生过程进行了阐述，将单个压力容器的压力生成的独立系统称为压力生成单元，每个压力生成单元的压力容器在相变物质发生相变时，其内部是一个密闭空间。
每个压力生成单元都有相应的相变控制装置，每个压力生成单元都有各自的体积大小，当需要产生不同的压力、流量、功率时，本发明还提出了多个压力生成单元之间进行组合的系统的结构。
压力生成单元的压力容器的容积大小将决定其流体最大输出量，压力容器的强度将决定其最大生成压力。
本发明提出了多个压力生成单元之间进行组合的系统的结构，本发明中的压力生成单元之间的组合可以是串联的、并联的、混合联接的等多种结构，各个压力生成单元之间有控制阀门，通过对这些控制阀门的通、断时间和通断次序的控制来确定系统的压力传递和压力控制方式。
串联的结构是指一个压力生成单元的出口和另一个压力生成单元的入口通过管道和控制阀串接在一起，压力通过流体介质从一级(一个容器)到另一级(另一个容器)相互传递。
并联的结构是指一个压力生成单元和另一个压力生成单元的入口通过管道联接在一起，而它们的出口可通过管道联接在一起，也可能不联接在一起的连接方式，或者一个压力生成单元和另一个压力生成单元的出口通过管道联接在一起，而它们的入口可通过管道联接在一起，也可能不联接在一起的连接方式。
混合联接是指在一个压力系统中，既存在前述的串联的方式，也存在前述的并联的方式，是串、并联混合在一起的方式。
无论是上述哪种联接方式，这些连接管道、控制阀门和压力容器可以各自或共同构成几个或一个密闭的空间，相变过程能够在此密闭空间进行。
对于串联的结构，当其中一个容器(上一级)有相变生成物生成后，串联的压力生成单元的几个(多于一个)容器内具有相同的压力，其中，上一级是指相变生成物体积增大而排出流体介质的那一级容器，而下一级是指接收上一级排出的流体介质的那一级容器，其内部因流入了相对于启始状态的额外的多余介质而压力相应增大，并且因为是串联结构两级之间内部压力因相互传递而相同。
串联结构的各个压力生成单元之间有控制阀门，通过对这些控制阀门的通、断时间和通断次序的控制来确定系统的压力传递和压力控制方式。此时，有两种办法使得下一级的容器内的压力进一步提高。
其一当压力升高到一定程度后，将串联结构的压力生成单元之间的控制阀门关闭，通过控制阀门切断上、下级之间的压力传递通道。将上一级内部的相变生成物反转变为相变前的状态(一般为液态的)，同时补充因前一次相变后相变生成物体积增大而挤压排出到下一级容器中去的部分介质，然后再次进行同样的相变过程使得这一级的容器中因相变生成物的产生其体积增大而压力升高，直到内部压力高于下一级先前的内部压力后，再开启控制阀门导通上、下级，上、下两级的内部压力会在更高压力水平上保持平衡，然后再关闭两级间的控制阀，再重复上述反相变→补充介质→相变的过程，使得下一级的压力不断提高到新的水平，直至达到设计要求的超高压力值。
上述的串联结构的压力生成单元之间也可以是不止两级的多级结构，也就是说，在上述的两级的结构后面再串联若干级构成多级结构，各级之间的压力传递和压力控制方式和上述的两级结构相同。
其二同上述方法的前部分相似，当压力升高到一定程度后，将串联结构的压力生成单元之间的控制阀门关闭，通过控制阀门切断上、下级之间的压力传递通道。将上一级内部的相变生成物反转变为相变前的状态(一般为液态的)，同时通过控制阀门补充因前一次相变后相变生成物体积增大而挤压排出到下一级容器中去的部分相变物质(流体介质)。然后，对下一级的压力生成单元之间进行同样的升压过程，即在下一级的压力生成单元中进行相变过程，使得内部压力升高，达到设计要求后，再开启控制阀门导通上、下级，从而使上一级的压力达到新的水平，再通过控制阀门切断上、下级之间的压力传递通道，然后再在上一级的压力生成单元中进行相变过程，同时下一级中进行反相变和补充相变生成物质。当上一级的压力生成单元中的压力又达到新的要求的更高的水平后，再开启控制阀门导通上、下级，下一级的压力又提高一步。循环往复，上、下级的压力生成单元中的压力将交替、不断上升，最终达到要求值。
上述的串联结构的压力生成单元之间也可以是不止两级的多级结构，压力传递和压力控制方式基本原理和两级的串联结构是相同的，只是多级串联结构的压力传递和压力控制方式的次序可以更加复杂。
对于并联结构，上、下两级压力生成单元之间可以采用上述串联结构的压力传递和压力控制方式来产生、传递压力，但由于并联结构本身同一级的压力生成单元要么是入口或者是出口(或者入口、出口分别同时)连接在一起，每一个压力生成单元的压力产生的先后次序、排出流体的多少可按照设计要求进行组合和匹配，可以通过对每一个压力生成单元的控制阀门的通、断控制来协调，达到对系统的压力升和降、输出流量多和少的综合控制。
对于混合联接结构的系统，上、下两级压力生成单元之间也可以采用上述串联结构的压力传递和压力控制方式来产生、传递压力，由于系统又有串联、又有并联，每一个压力生成单元的压力产生的先后次序、排出流体的多少可按照设计要求组合和匹配，可以通过对每一个压力生成单元的控制阀门的通、断控制来协调，达到对系统的压力的升和降、输出流量的多和少的综合控制。
压力生成单元最终通过控制阀门、连接管道形成串联的、并联的、混合联接的连接方式形成流体动力系统，当系统内部整体或局部的相变物质产生相变时，压力容器、控制阀门和连接管道构成一个与上述的“整体或局部”相一致的密闭空间，相变物质产生相变过程后的相变生成物体积增大而挤压该整体或局部空间内的相变物质产生压力和超高压。
本发明中的压力或超高压力的生成单元和系统仍然是一个流体动力系统，单元间的连接方式、密封结构、控制元件、控制策略、机械结构可以借鉴已有的流体动力传动经验和知识，特别是超高压的系统设计、容器设计、加工、应用等诸多方面更是可以利用已有的成果。
本发明中的压力或超高压力的产生方法和装置与传统的的压力的产生方法相比，有明显的特点。本发明中的压力或超高压力的生成过程完全不同于通常的液压传动方法，其相变过程可以连续进行控制，没有传统液压泵的瞬时压力的周期性变化，没有了压力脉动，能从原理上消除了压力的脉动，没有了压力脉动也没有了由此引起的噪音、振动；本发明中的压力或超高压力的生成过程完全没有了通常的液压传动方法的流体从缝隙中挤出的过程，避免了发热、温升及其带来的不良影响，无用功率损耗小，效率也会明显提高；本发明中的压力或超高压力的生成过程也没有了从液压泵到液压系统之间的复杂的传输管道和控制元件，设备集成度高、流体污染的可能性很低。
与传统的机械、电磁方法相比较，本发明中的压力或超高压力的产生方法和装置可以产生更高的压力，仅受到压力容器的强度的限制，传动结构也简单，压力控制方便。
与基于炸药爆炸方法相比较，本发明中的压力或超高压力的产生方法和装置可以产生恒定的超高压力，压力控制更方便。
本发明的压力或超高压力的产生方法和装置从原理上不同与其他已有的方法，是一种新型的压力或超高压力的产生方法和装置。
下面将结合附图和实施实例对本发明进行进一步的说明。
图1为压力生成单元的结构示意图；图2为压力生成单元串联的结构示意图；图3为压力生成单元并联的结构示意图；图4为压力生成单元混合联接的结构示意图。
具体实施例本发明选择最常见的液态的水作为相变物质为例来进一步说明本发明的原理。
从化学上说，水是极性很强的分子，分子间除范德华力外，还存在特殊的作用力——氢键，氢键比化学键的键能小得多，但比范德华力大，它能使水分子结合形成许多种不同的无规则三维网络；在正常温度下，水处于稳定的液态，水蒸气则是由水蒸发或冰升华而成的气体；常压下在4℃(277.15K)时，水的密度最大。
若温度降低，水分子会彼此接合形成六面体的结构，即为冰。冰的结构没有通融性而无法挤压，因此体积比同量液态水的体积大。特别是当水凝结成冰时，体积会膨胀，固态的水(冰)的密度小于液态水。此时，对于水相变物质最直接、最重要的相变条件就是温度条件，常压下低于零摄氏度就会发生相变水结冰。当容器内部压力增大后，水的相变条件会随之变化，一般来说压力增大，水的结冰温度(相变条件)会更低。
液体固化的关键过程在于临界核的形成。临界核是一块足够大到不会再液化的固体物质，其余物质就以它为核心继续固化。它可以在杂质微粒的基础上形成，也可以通过机械振动产生。在不受外界干扰的纯水中，临界核由某一区域的水分子之间产生几个持续时间异常长的氢键而产生。以这些水分子构成的临界核缓慢地增长、形状发生变化，直至更多稳定的氢键在整个系统中迅速地扩散开来，使水从液体变为固体。水分子结冰除温度条件外，还要求在水中有冻结核。有了冻结核，乱动着的水分子才能按冰的晶体结构排列起来，水分子有了核心或有依附而按冰的晶体结构排列起来，成为冰。
本发明选择水作为本发明中的相变生成物质，正是基于上述水的独特相变特性考虑的，当然还有其他物质也可以考虑，只要相变时有体积变化就可以实现本发明的思想。
为了增加冻结核，可在单质的水中加入一些粉末状的物质，构成混合物，或者其它性状的利于结冰(相变)的物质，冻结核在容器中的性状和具体结构形式可以根据系统需求灵活设计。
图1所示的为压力生成单元的结构示意图。图1所示的压力生成单元是指只有单个压力容器的压力产生装置，包括相变控制装置1、相变生成物2、控制阀门3、连接管道4、相变物质5、压力容器6。控制阀门3、连接管道4和压力容器6能够构成一个密闭的空间，相变过程将在此密闭的空间进行。
图1中的相变控制装置1是指利用相变转变条件(温度、压力、磁场、光、电等条件)的变化，并通过控制这些转变条件来控制相变物的生成、相变物生成的速度、相变物的生成量，进而控制容器内的压力连续变化。
本例中选择了水作为相变物质5，可以通过相变控制装置1来控制压力容器6内部的温度条件(相变条件)，就可以控制相变生成物2——冰的生成量，从而来控制压力容器6内部的压力。在本发明的原理介绍中选择水作为相变生成物质，水向冰的相变，就是液相向固相的转变，由液相向固相转变的相变产物——相变生成物就是冰；反之，由固相向液相转变的相变产物——相变生成物就是水。
压力生成单元中的密闭的压力容器内的水向冰的转化增加后，冰相对于原来体积的水会有约10％的体积增加量，冰就会挤压密闭的压力容器内的水，从而产生内部压力。结冰越多，压力会越大，直至水完全结成冰为止。
图1中的压力容器6本身的强度和刚度要符合设计要求，否则会因压力过大超过材料的极限而涨破，或者压力容器6本身的刚度不足导致变形过大，容器内部的压力难以达到较高水平。
图1中的控制阀门3、连接管道4是作为相变物质5——水的进、出通道和控制流量的装置，控制阀门3的导通和截止的时间、平均过流面积的大小就可以控制进、出容器的水量，通过连接管道4使得该压力生成单元可以和其他的压力生成单元进行串联的、并联的、混合的连接。
本例中选择了水作为相变物质5，相变物质5所指的也可以是水与其他物质的混合物(粉末、固体、液体等性状)，一般应为流体，本例中为水或水基混合物。其他物质的加入，主要为结冰容易，也为改善水的其他条件而加入的，比如排除水中溶解的气体、防锈等辅助性能。
图2中为压力生成单元的串联结构示意图。图2中的压力生成单元7为多于一个的压力生成单元，每个压力生成单元都是图1中的单个压力生成单元，各自拥有自己的控制装置、连接管道，控制阀门控制容器内的相变物质的进和出、导通和截止，这些连接管道、控制阀门和压力容器可以各自或共同构成几个或一个密闭的空间，相变过程在此密闭空间进行。压力可以通过流体介质水和连接管道，在不同的压力生成单元7之间相互传递，各压力生成单元7串联连接在一起。
图3为压力生成单元并联的结构示意图。图3中的压力生成单元7为多于一个的压力生成单元，每个压力生成单元都是图1中的单个压力生成单元，各自拥有自己的控制装置、连接管道，控制阀门3控制容器内的相变物质的进和出、导通和截止。这些连接管道、控制阀门和压力容器可以各自或共同构成几个或一个密闭的空间，相变过程在此密闭空间进行。压力可以通过流体介质的水和连接管道，在不同的压力生成单元7之间相互传递。压力生成单元并联的结构可以为两中方式，其一各压力生成单元7入口处并联连接在一起，出口可以不在同一处，就象图3中上半部分；其二各压力生成单元7出口处并联连接在一起，入口可以不在同一处，就象图3中下半部分。当然，各压力生成单元7的出口连接在一起、入口连接在一起的连接结构更是类似电路中的并联的并联结构了。
在并联结构中，每个入口连接在一起的各压力生成单元7的进口处具有相同的压力，每个出口连接在一起的各压力生成单元7的出口处具有相同的压力，分别通过各自的控制阀门3进行通、断控制，通过连接管道传递流体介质和压力传递。
图4为压力生成单元混合联接的结构示意图。图4中的压力生成单元7为多于一个的压力生成单元，每个压力生成单元都是图1中的单个压力生成单元，各自拥有自己的控制装置、连接管道，控制阀门3控制容器内的相变物质的进和出、导通和截止。这些连接管道、控制阀门和压力容器可以各自或共同构成几个或一个密闭的空间，相变过程在此密闭空间进行。压力可以通过流体介质的水和连接管道，在不同的压力生成单元7之间相互传递。此联接方式是建立在上述串联、并联方式的基础上的，其一部分(图3中的上半部)为并联结构，另一部分为(图3中的下半部)串联结构，而两部分之间串接在一起；或者其一部分内部为并联而与另一部分之间为串联，再或者其一部分内部为串联而与另一部分之间为并联的结构。混合联接的结构较复杂，压力控制和传递的路径也多种多样，但基本原理建立在图1所示的压力生成单元的基础上，压力控制和传递还是要依靠控制阀门3(通、断控制)和连接管道来完成。
借助图4的压力生成单元混合联接的结构可以产生多种压力等级的组合、叠加，为系统复杂压力控制提供物理层面的支持。
本发明的压力和超高压力生成方法和装置的实例，选择水作为相变物质，冰是水从液相向固相转变的相变生成物，在水→冰→水的相变或反相变过程中，两相物质体积发生变化，利用前述的压力生成单元压力生成原理、压力生成单元的多种联接结构可以生成高压和超高压。
本发明的压力和超高压力生成方法和装置是不同于以往的方法和装置的新型方法和装置，具有明显的特点，能够广泛应用于工业生产、军事领域等场合。
权利要求
1.一种流体的压力和超高压力的产生方法和装置，其特征在于，利用相变物质产生相变过程后的相变生成物体积增大而挤压相变物质产生压力和超高压的方法。
2.根据权利要求1所属的压力和超高压力的产生方法和装置，其特征在于，相变物质发生相变时，装盛该相变物质的压力容器内部是密闭空间，压力容器本身的强度和刚度达到设计要求。
3.根据权利要求1所属的压力和超高压力的产生方法，其特征在于，通过相变控制装置来控制相变的进行和终止。
4.根据权利要求1所属的压力和超高压力的产生方法和装置，其特征在于，压力生成单元是由相变控制装置(1)、相变生成物(2)、控制阀门(3)、连接管道(4)、相变物质(5)、压力容器(6)组成。
5.根据权利要求4所属的压力和超高压力的产生方法和装置，其特征在于，压力生成单元之间的联接方式有串联的、并联的、混合联接的方式。
全文摘要
本发明的压力和超高压力的产生方法和装置适用于人造金刚石制备、高压成形、塑性加工、超高压食品加工、高压灭菌、机械加工等领域。本发明是利用相变物质产生相变过程后的相变生成物体积增大而挤压相变物质产生压力和超高压的，相变物质发生相变时压力容器内部是密闭空间的，通过相变控制装置来控制相变的进行和终止。本发明的压力生成单元由相变控制装置(1)、相变生成物(2)、控制阀门(3)、连接管道(4)、相变物质(5)、压力容器(6)组成，压力生成单元之间有串联的、并联的、混合联接的方式，压力容器本身的强度和刚度要达到设计要求。本发明的方法和装置产生的压力没有压力脉动，维持时间长，可转化为其它能量形式对外作功。
文档编号F17C1/00GK1776284SQ200510128068
公开日2006年5月24日 申请日期2005年11月25日 优先权日2005年11月25日
发明者许宏 申请人:许宏