等静压技术

利用密闭高压容器内制品在各向均等的超高压压力状态下成型的超高压液压先进设备

等静压技术是一种利用密闭高压容器内制品在各向均等的超高压压力状态下成型的超高压液压先进设备。等静压技术按成型和固结时的温度高低，分为冷等静压、温等静压、热等静压三种不同类型。

等静压技术原理

等静压工作原理为帕斯卡定律：“在密闭容器内的介质（液体或气体）压强，可以向各个方向均等地传递。” 等静压技术已有70多年的历史，初期主要应用于粉末冶金的粉体成型；近20年来，等静压技术已广泛应用于陶瓷铸造、原子能、工具制造、塑料、超高压食品灭菌和石墨、陶瓷、永磁体、高压电磁瓷瓶、生物药物制备、食品保鲜、高性能材料、军工等领域。

冷等静压技术

冷等静压技术，(Cold Isostatic Pressing,简称CIP)

是在常温下，通常用橡胶或塑料作包套模具材料，以液体为压力介质主要用于粉体材料成型，为进一步烧结，煅造或热等静压工序提供坯体。一般使用压力为100~ 630MPa。

温等静压技术

温等静压技术，压制温度一般在80～120℃下．也有在250~450℃下，使用特殊的液体或气体传递压力，使用压力为300MPa左右。主要用于粉体物料在室温条件下不能成型的石墨、聚酰胺橡胶材料等。以使能在升高的温度下获得坚实的坯体。

热等静压技术

热等静压技术(hot isostatic pressing，简称HIP)

HIP ，是一种在高温和高压同时作用下，使物料经受等静压的工艺技术，它不仅用于粉末体的固结．传统粉末冶金工艺成型与烧结两步作业一并完成，而且还用于工件的扩散粘结，铸件缺陷的消除，复杂形状零件的制作等。在热等静压中，一般采用氩、氨等惰性气体作压力传递介质，包套材料通常用金属或玻璃。工作温度一般为1000~2200℃ ，工作压力常为100~200MPa。

与常规成型技术相比特点

等静压技术作为一种成型工艺，与常规成型技术相比，具有以下特点：a．等静压成型的制品密度高，一般要比单向和双向模压成型高5 ～l5 。热等静压制品相对密度可达99 8%～99．09% 。

b．压坯的密度均匀一致。在模压成型中，无论是单向、还是双向压制，都会出现压坯密度分布不均现象。这种密度的变化在压制复杂形状制品时，往往可达到10% 以上。这是由于粉料与钢模之间的摩擦阻力造成的。等静压流体介质传递压力，在各方向上相等。包套与粉料受压缩大体一致，粉料与包套无相对运动，它们之间的摩擦阻力很少，压力只有轻微地下降，这种密度下降梯度一般只有1% 以下，因此，可认为坯体密度是均匀的。

c-因为密度均匀．所以制作长径比可不受限制，这就有利于生产棒状、管状细而长的产品。

d．等静压成型工艺，一般不需要在粉料中添加润滑剂，这样既减少了对制品的污染，又简化了制造工序。

e．等静压成型的制品，性能优异，生产周期短，应用范围广。等静压成型工艺的缺点是，工艺效率较

低，设备昴贵。本文着重介绍冷等静压技术的应用，以及冷等静压设备的一些情况。

冷等静压设备

冷等静压成塑有湿袋法和干袋法两种．相应地等静压机的结构也有所不同。

湿袋法等静压

将粉末装入塑性袋，直接打入液体压力介质，和液体相接触．因此称湿袋法。这种方法可任意改变塑性包套的形状和尺寸．制品灵活性很大．适用于小规模生产。每次都要进行装袋、卸袋操作，生产效率不高，不能连续进行大规模生产。

干袋法等静压

橡皮袋首先放在缸内．工作时不取出，粉末装入另外的成型塑性袋后．放进加压橡皮袋内，与液体不相接触．因此称为干袋法。这种方法可连续操作，即把上盖打开．从料斗装料．然后盖好上盖加压成受．出料时．把上盖打开．通过底部的顶棒把压坯从上边顶出去。操作周期短，适用于成批生产．但产品规格受限制．因为加压塑性模不能经常更换。由于大量使用的主要是湿袋法．因此下面着重介绍湿袋冷等静压设备结构。

超高压容器

超高压容器是冷等静压技术的主要设备，是压制粉末或其他物品的工作室．必须要有足够的强度和可靠的密封性。容器缸体的结构．常采用螺纹式结构和框架式结构。螺纹式结构：缸体是一个上边开口的坩埚状圆筒筒体，为了安全可靠．在外面常装加固钢箍（热套和钢筒）．形成双层缸体结构。缸筒的上口用带螺纹的塞头连接和密封。这种结构制造起来较简单．但螺纹易损坏，安全可靠性较差．工作效率较低。为了操作方便．有的设计成开口螺纹结构，塞头装入后，旋转45’，上端另有液压压紧装置。

框架式缸体结构：缸体为一个圆筒，用高强度钢制成．或用高强度钢丝带绕制，简体内的上、下塞是活动的，无螺纹连接。缸体的轴向力靠框架来承受。这佯，避免了螺纹结构的应力集中，工作起来安全可靠。对于缸体直径大、压力高的情况，更具有优越性，但投资较高。

超高压泵及液压系统

向容器内注入高压液体．是通过高压泵以及相应的管道、阀门来实现的。高压泵有柱塞高压泵（一般由电机皮带轮带动曲轴推动柱塞做往复运动）、超高压倍增器（由大面积活塞缸推动小面积柱塞高压缸做往复式运动）等。

辅助设备

为了使等静压机高效率地工作，必须配备辅助设备。自动冷等静压机的辅助设备主要有开、闭缸盖移动框架．模具装卸．粉末充填振动，压坯脱模．压力侧量和操作系统等装置。

瑞典ASEA公司

冷等静压机系列数据参考图表

往：表中QIC100等为冷等静压机型号．其中QIC代表冷等静压机，100代表框架承受的总轴向力为

100MN。

ASEA公司简介

瑞典，是世界上最早研究成功并生产等静压机的国家，质量水平也较高，出口量也最大。早在1939年就研制成功冷等静压机。六十年代后，又从事热等静压机的研制。后来发展很快，到七十年代中期，已能大批量生产象工作缸尺寸达 l290mm ×2500mm，介质工作温度为1450℃ 工作压力达320MPa的大型热等压机系列产品，并有出口。另外，还能根据用户要求设计制造新产品。其中由ASEA公司(后来的全球500强企业之ABB集团,ABB由两个历史100多年的国际性企业瑞典的阿西亚等静压机，已在世界许多家和地获得满意的使用。据统计资料，仅60年代中l期至70年代中瑞典就向美、英日、前西德和前苏联等十三个国家和地区出口各种型号的等静压机5 0多台(此期间，我国也进口了一台型号为QICH80/63型等静压机)，其中热等静压机就有30多台.

美国是研制成功热等静压机最早的国家。早在1955年，Battelle试验室就研制了一台供试验用的用氦作传力介质的热等静压机。据称工作缸尺寸仅4．7mm，介质温度为816℃。但从这以后的十年间，则形成了工业应用规模。而且，到了1975年，一台工作缸体尺寸为直径305Omm×915 0mm，介质温度为1400℃的特大型热等静压机建成投入应用。另外，也制成仅供试验用的，工作压力达1050MPa，温度为1540℃ ，可成型压坯尺寸为直径25mm×高76mm的高压热等静压机。还出现了工作缸体尺寸为直径229mm x1 624mm，工作温度为2700℃ ，工作压力为1 40MPa，可成型压坯尺寸为直径76mm x 1 02mm 的高温热等静压机。

超高压灭菌（UHP）

超高压灭菌技术（ultra—high pressure processing ）简称UHP，又称超高压技术（ultra-high pressure, UHP），高静压技术（high hydrostatic pressure , HHP），或高压食品加工技术（high pressure processing, HPP）

超高压杀菌技术（等静压技术在食品杀菌方面的运用）是20 世纪90 年代由日本明治屋食品公司首创的杀菌方法，它同加热杀菌一样，经100MPa 以上超高压处理后的食品，可以杀死其中大部分或全部的微生物、钝化酶的活性，从而达到保藏食品的目的，它是一个物理过程，在食品加工过程中主要是利用Le Chace－lier 原理和帕斯卡原理

作用原理

超高压灭菌（UHP）技术，就是在密闭容器内，用水作为介质对软包装食品等物料施以400～600MPa的压力，从而杀死其中几乎所有的细菌、霉菌和酵母菌，而且不会像高温杀菌那样造成营养成分破坏和风味变化。超高压灭菌的机理是通过破坏菌体蛋白中的非共价键，使蛋白质高级结构破坏，从而导致蛋白质凝固及酶失活。超高压还可造成菌体细胞膜破裂，使菌体内化学组分产生外流等多种细胞损伤，这些因素综合作用导致了微生物死亡。

作用特点

超高压技术不仅能杀灭微生物，而且能使淀粉成糊状、蛋白质成胶凝状，获得与加热处理不一样的食品风味。超高压技术采用液态介质进行处理，易实现杀菌均匀、瞬时、高效。

但是，UHP技术对杀灭芽孢效果似乎不太理想，在绿茶茶汤中接种耐热细菌芽孢后，采用室温和400MPa静水高压处理，不能杀灭这些芽孢。另一方面，由于糖和盐对微生物的保护作用，在粘度非常大的高浓度糖溶液中，超高压灭菌效果并不明显。由于处理过程压力很高，食品中压敏性成分会受到不同程度的破坏。其过高的压力使得能耗增加，对设备要求过高。而且，超高压装置需要较高的投入，尚须解决其高成本的问题，不利于工业化推广。

另外，超高压灭菌一般采用水作为为压力介质，当压力超过600MPa时，水会出现临界冰（纯水在室温超过600MPa压力会结冰）的现象，因而只能使用油等其他物质作为压力介质。超高压灭菌的效果受多种因素的影响，如微生物种类、细胞形态、温度、时间、压力大小等。

应用

目前，国外超高压灭菌已在果蔬、酸奶、果酱、乳制品、水产品、蛋制品等生产中有了一定的应用。在每cm2的肉食上施加大约6t重的压力进行高压灭菌。结果，其味跟原来一样，色泽也比原先更好看。日本明治屋食品公司将草莓、苹果和猕猴桃等果酱经软包装后在400～600MPa、10～30min条件下灭菌，产品的色泽和风味不变，并保持了水果原有的口感，VC的保留率较高。

高压技术和其它技术相结合，能更有效杀灭微生物，破坏酶，延长货架寿命〔2〕。利用高压CO2和高压技术相结合方法处理胡萝卜汁，使用4.9MPaCO2和300MPa高静水压结合处理，可使需氧菌完全失活，多酚氧化酶、脂肪氧化酶、果胶甲酯酶残留活性分别低于11.3%、8.3%、35.1%。

压力单位及超高压

超高压定义

一般情况液体或气体压力在0.1mpa～1.6mpa称为低压，1.6mpa～10mpa称为中压，10～100MPa称为高压，100MPa以上称为超高压.本文阐述的UHP技术的压力通常在100～1000MPa.或更高。而把液体或气体加压到100MPa以上的技术称为“超高压技术”（ultra-high pressure, 简称UHP）

压力单位换算

注：1. 1工程大气压(at)=1公斤力/厘米2.

2. 用水柱表示的压力，是以纯水在4oC时的密度值为标准的.

1兆帕(MPa)=145磅/英寸2(psi)=10.2千克/厘米2(kg/cm2)=10巴(bar)=9.8大气压(at m)

1磅/英寸2(psi)=0.006895兆帕(MPa)=0.0703千克/厘米2(kg/cm2)=0.0689巴(bar)=0.068大气压(at m)

1巴(bar)=0.1兆帕(MPa)=14.503磅/英寸2(psi)=1.0197千克/厘米2(kg/cm2)=0.987大气压(at m)

1大气压(at m)= 101.325千帕(KPa)=0.101325兆帕(MPa)=14.696磅/英寸2(psi)=1.0333千克/厘米2(kg/cm2)=1.0133巴(bar)

1兆帕(MPa)= 106Pa=7500.63mmHg

1Gpa=1000Mpa（此单位用于金刚石压机和地心压力，所以不常用）

真空度以mmHg（Torr）或Kpa、Pa为单位时，指的是绝压，又称残压、压力，剩余压力或吸入压力。

当以Mpa为单位时，指的是弹簧真空表的表压，例：-0.078Mpa。那么绝压应为0.1-0.078=0.022Mpa。

现今的ASEA

当时瑞典的 ASEA 是第一家将 Battelle Memorial Institute（俄亥俄州哥伦布市）提出的等静压技术实现商业化的公司。 20 年之后，ASEA 成为了 ABB 的一部分，而后者主要致力于等静压和钣金成型压机的市场开发。 1999 年，ABB 的高压事业部被美国 Flow International 收购。而 Flow 引领了高压技术在食品防腐市场的拓展应用，所用的品牌名称即为 Avure。 2005 年，Avure Technologies, Inc. 成为了私有的独立公司。今天，所有四种品牌的压机都在全球各地的制造厂内正常运行着。

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