一种基于多孔材料的微重力下螺旋式气液分离器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种气液分离器，具体涉及一种基于多孔材料的微重力下螺旋式气液 分离器。
【背景技术】
[0002] 自上个世纪50年代以来，航天事业蓬勃发展，人类在太空中的活动越来越频繁， 航天工业的发展水平已经成为评价一国科研能力的一个重要指标，其中，微重力下的流体 管理技术作为航天技术的重要组成部分，受到各国的普遍重视。微重力流体管理技术是指 通过对微重力环境中的流体的输运、储存等过程进行控制，从而使某系统能够运行并完成 所需要的功能。从工程应用的角度出发，微重力下流体管理技术主要应用于空间飞行器的 以下系统中：1)推进剂管理系统：航天器的芯级燃料一般采用高比冲的低温LH 2, LO2燃料， 流体管理技术主要应用于低温流体的储存，运输和加注过程中的流量控制过程。另外，航 天器在轨运行时，低温推进剂的增压输送过程，液面晃动的控制等过程也需要该技术；2) 物质再生、环境控制与生命保障系统：该系统简称再生环控系统，该环节涉及到航天器内部 H20,0)2等的循环，工作环境的温湿度调节，并直接关系到航天员的生命安全，因此是载人航 天的关键技术之一。航天器作为一个微型的人造生态环境，内部的气体温度场和流场的分 布、温度和湿度的控制、航天器废水等的处理与净化、二氧化碳还原过程、航天服内部的液 体的收集与排放等过程都涉及到微重力下的流体管理技术。3)电源及控制系统：燃料电池 由于具有高能量密度，不存在过冲等优点，使得其在航天领域具有非常好的应用前景。微重 力下水的电解两相流动，传热与传质的规律与地面明显不同，在电极端实现氢气和氧气从 水的分离技术也非常的复杂，水作为燃料电池最常见的产物，微重力下的水管理对燃料电 池的性能具有重要的影响。4)航天器热控制系统：随着太空研宄的逐步深入，所应用的高 精端的电子设备的发热量越来越大。由于气液两相流具有很高的传热系数，因此被广泛的 应用于微重力下电子器件的热控制领域。对热控制系统内部的工质进行高效的流量、温度、 组分等的控制是热控制系统发挥效能的重要前提。
[0003] 气液分离技术作为流体管理的一个重要组成部分，受到国内外的广泛关注，在常 重力下常见的气液分离手段有重力沉降分离法，折流分离法，离心分离法和填充分离法等。 这些分离方法按照分离的原理可以分为以下两大类：1)利用组分的密度差进行分离：气相 的密度值一般比同种工质的液相密度值要小很多，因此可以利用气相与液相工质的密度差 来实现气体与液体的分离，这种分离方法最常用，也最简单。比如重力沉降分离法，离心分 离法等；2)利用混合流体中的聚集状态不同进行分离：液体分子的聚集状态与气相分子的 聚集状态不同，因此可以利用其聚集状态进行液体与气体的分离，比如半透膜分离法，填充 分离法，丝网分离法，微孔分离法等。通常而言，重力沉降分离法的分离性能相对较低，当系 统所需要的气液分离程度要求较高时，可以选择折流分离法，离心分离法，甚至是丝网分离 法和微孔分离法等。
[0004] 以上所提到的气液分离方法在常重力下能够很好的实现气液的分离，而在微重力 环境下却不能直接的利用，主要是因为微重力环境下的气液流动与常重力下具有明显不同 的特征。在微重力环境下，由重力引起的浮力对气泡的影响几乎消失，一些表面力（如表面 张力和热毛细力等）的作用显著增强，由此引起的润湿、接触角滞后、热毛细对流等物理现 象主导相变换热的整个过程。但由于表面力的数量级很小，因此相变过程中产生的气泡从 加热表面的脱离变得困难。一般而言，微重力下相变过程中产生气泡的直径为常重力同等 条件下的数倍。对于微重力环境中的气液两相流流型也有同样的规律，浮力的消失使得液 相与气相相互混合在一起，而不出现分层。因此在微重力环境下不能依靠重力的作用实现 气液分离，必须有针对性的设计其气液分离器结构。
[0005] 目前，微重力下的气液分离方法有静态分离法和动态分离法两种方法，静态分离 法主要是通过毛细作用、膜分离作用等实现微重力下的气液分离方法。基于毛细作用分离 方法的设计思想是利用液相对一些特殊材料的润湿特性不同进行气液的分离过程。以水的 气液分离过程为例，主要利用吸水材料的吸水特性、憎水材料的憎水特性进行气液分离，在 气液分离器中该种材料设计成多孔通道，液相的工质在亲水材料里面的润湿较好，会在其 表面逐步铺展形成液膜，因此多孔的亲水材料作为液相工质的"通道"从混合流中分离，其 驱动力来自于多孔亲水材料所形成的毛细力。同理，由憎水材料制成的多孔材料形成了气 相工质的"通道"，在液相"通道"和气相"通道"的作用下，从而实现气液的分离。对于基于 毛细作用分离原理设计的气液分离器，多孔材料的空隙大小，亲水材料的选择对于分离器 的分离性能影响较大。由此可见，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，因此一般应用于温湿度控制的分系统，二氧化碳的回收处理组件等。动态分离 法主要是利用离心力等实现气液混合流中的气体和液体的相分离，由于气体和液体的密度 大小差异，当混合流体以一定的旋转角速度做旋转运动时，气泡会更多的聚集在半径较小 的区域内，而液相的工质则聚集在半径较大的区域内，从而形成中心"气柱"和外部"液环" 的结构，然后通过专门的气液分离管道将液体工质和气相工质分别从筒体的外部和内部进 行分离。目前微重力下的动态气液分离方法有毕托管式气液分离器和转筒式气液分离器。 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，还需要实现转子与分离器筒体之间的动态 密封。另外，为了控制液相的波动和稳定性，还需要布置有专门的检测设备等，因此一般应 用于航天器中的废水、卫生水的处理系统等。静态分离方法和动态分离方法具有各自的优 势和应用场合，也具有各自的劣势。
[0006] 经调查，已有专利文献利用螺旋流动产生得离心力场实现气相与液相的分离。专 利文献CN203737048U提出了一种工业用气液分离器，气相与液相的分离通过布置在分离 器筒体内部的螺旋折流板实现，并在出气口布置丝网进一步的实现气液的分离。该文献在 一定程度上提高了分离速度，但是整体分离效果比较差；同时该专利文献并不适用于微重 力下的气液分离过程。专利文献CN104043293A提出了一种螺旋管式气液分离器，分离器 筒体内部布置有螺旋管道和折流板，并在螺旋管的内侧和折流板上均开有小孔，该孔用来 实现液相工质从管道内部的分离，该专利文献在气液分离过程同样只是利用了离心力的作 用，而没有毛细力的作用，同样的存在整体分离效率效果比较差的技术问题，而且该专利文 献也不适用于微重力下的气液分离过程。专利文献CN2396866Y提出了一种微重力下的旋 转式两相分离装置，该装置利用调速电动机带动转子运动，从而实现气液的相分离，同时利 用布置与壁面处的内栅片产生的毛细作用实现液相的收集。由于该专利文献中的气液相分 离过程并没有利用重力的作用，因此能够很好的应用于微重力下的气液分离过程，但由于 专利引入了电机等驱动机构，使得装置需要额外的机械装置，且存在转子与筒体之间的密 封问题，再加上壁面内栅片的毛细力不足，该分离器的分离量也受到限制。
【发明内容】
[0007] 为克服现有技术中静态分离器分离量小，驱动力不足和动态分离器的运动部件的 耗能等技术问题，本发明提供了一种基于多孔材料的微重力下螺旋式气液分离器，该气液 分离器能够在微重力环境中顺利的实现气相与液相的分离，同时分离量大，且无运动部件 能耗。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案分别如下：
[0009] -种基于多孔材料的微重力下螺旋式气液分离器，包括壳体，该壳体上设有混合 流体进口、气相工质出口和液相工质出口，所述壳体内设有：
[0010] 位于所述壳体轴心处的憎液相多孔材料柱；
[0011] 位于所述壳体内壁的亲液相多孔材料层；
[0012] 设于所述憎液相多孔材料柱