[发明专利]一种适用于微重力下的气液分离器

说明书

技术领域

本发明涉及一种气液分离装置，特别涉及一种适用于航天微重力情况下的气液分离器。

背景技术

在地面环境重力场的作用下，为了使重力势能(能量)最小，密度(质量)小的在上、大的在下将处于稳态。在地面环境的气液混合体中，密度小的气体会自发上升，而密度大的液体会自发下降，并形成明确的界面，自然实现气液分离。因此地面应用的气液分离技术都利用了这个自然现象，即气体出口在上，液体出口在下，并且气液分离装置较简单。

地面环境与空间环境最大的差异之一是重力场的强弱，地面环境中重力场强度为g，而在空间环境中重力场很小，几乎为零，称为微重力环境。在空间微重力环境下，气泡失去浮力而处于悬浮态，气液将不再自动分离，气液彻底分离将是一大难题。不管是从液态中分离气体，或是从气体中分离出水，都不像在地面重力环境下那样简单。因此，空间气液分离技术必不可少。载人航天器的多个分系统中都使用了气液分离技术，控制液体中的气体浓度或空气中的湿度，使密封舱内空气温湿度控制在适当的范围内，以适宜人居住，为航天员工作的高效提供保障，并且保证舱内仪表设备正常运行的大气环境，达到载人航天器正常运行的目的。

在绝大多数载人飞行任务中，不同物质间气液两态的分离是一项基本需求。例如在主动热控回路中，工质中的气泡达到一定浓度，会对循环泵、热交换器等设备造成损坏，同时，气泡还会影响传感器的工作，导致回路仪表读数失准。

空间环境没有重力场这样的优越条件，要实现气液分离必须利用其他途经创造条件。从早期载人飞船采用被动式气液分离技术以来，气液分离技术已广泛应用在载人航天器上，并已发展为多种技术的综合应用。目前空间气液分离技术主要可分为两大类。1)静态分离技术：气液分离设备中不存在运动部件，利用管路的几何形状、材料的亲水/憎水特性等，实现气液分离。2)动态分离技术：气液分离设备中存在运动部件，利用运动产生对流体的力场作用，如离心力等，而实现气液分离。进一步静态气液分离技术又可分为以下3种：基于毛细作用的气液分离技术，主要利用亲水/憎水材料的特性和表面张力产生的毛细管效应；旋流气液分离技术，主要利用气液混合流在设计好的涡旋管路中流动产生的离心作用；惯性气液分离技术，主要利用气体与液体的惯性差异很大，液体不易改变运动方向而被亲水膜收集。动态气液分离技术主要是离心气液分离技术，利用电机带动流体旋转产生的离心力场实现气液的分离。

但是，静态、动态分离技术都存在各自的优缺点。静态分离法具有耗能少,无运动部件,易维护等优点；但是其单位时间内的分离量少,分离速度慢,且亲水材料等易污染,工作时击穿压力受到参数的选择限制。动态分离法分离量大,分离速度快,耐污染性强,对其的控制可以通过电路等实现；但是离心力场的产生主要是利用由电机带动的转子的转动来实现,所以分离器中存在运动部件,工作时需要配合驱动部件,需要消耗额外功率,这对于远在太空的航天器而言，是应尽量避免的，并且还需要实现转子与分离器筒体之间的动态密封，存在一定的技术难度。

经调查，已有文献均存在各自的缺点。专利文献CN104043293A提出了一种螺旋式的气液分离器，该分离器利用离心力，使气体、液体出现分界面，当液体处于通道的外围时通过预先设计的小孔，实现气液分离，该分离器仅仅利用了离心力，而并没有利用气液的惯性差异设置挡板，亦没有利用空间分离的重要技术--毛细作用力，且该分离器分离效果差，存在耗能部件，并不适用于微重力环境。专利文献CN104667584A提出了一种基于多孔材料的微重力下螺旋式气液分离器，该分离器利用预先设计的折流板构成螺旋管道，利用离心力使混合流体产生分离，再利用亲液相、憎液相多孔材料的特性，实现气液分离，该分离器虽然利用了离心力与毛细作用力，但分离量亦不大，且多孔材料(亲水/憎水膜材料)容易被污染物堵塞，液体中的微生物生长到一定浓度时，对材料上的微孔亦有堵塞作用，都将使压降增大，影响分离性能，且维修较昂贵；另外混合流体中的液体和多孔亲水材料不能很好地接触，接触面积也不大，亦会影响效果，且该装置没有安全泄压装置，当分离器内部堵塞严重时，器内压力持续增大，将会对航天器产生较大危害。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种结构简单，分离性能高效，分离量大，可靠性高，重量轻，噪音小，振动低的适用于微重力下的气液分离器。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：