专利名称：一种适用浮空器的大功率氦气回收纯化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用浮空器的大功率氦气回收纯化系统，属于氦气机械设备领域。
二、 背景技术:
浮空器是一种重要的空间科学研究运载工具，分为有动力(飞艇)和无动力(气球)两 种，它利用氦气浮力克服平台自重和载荷重力，有效载荷为数百千克甚至数吨，耗能小，可 回收，相对成本低，无论对国防还是对科学研究都有实用的意义。
但随着各行业的快速发展，氦气广泛的应用于浮空器、检漏、电子、化学分析等行业。 由于氦气在空气中的含量非常小，仅为5ppm，所以大量的氦气都是从天然气中提取，资源和 技术都在少数国家的掌握之中，价格十分昂贵。我国是氦气资源比较贫乏的国家，目前国内 绝大部分氦气是从美国进口的液氦汽化得到的。
为了使浮空器飞行后内部氦气可以重复使用，并保持原有升力，需要对浮空器中的氦气 进行快速回收和纯化。目前国内通常采用大口径管路、配合大功率压缩气体设备、以及液氮 纯化和吸附剂吸附技术，这样的系统会有三个致命的缺点1.回收管路需要插入浮空器内部， 并且浮空器蒙皮材料容易被硬物损伤后漏气，若管路吸力过大会造成浮空器蒙皮材料吸入管 路后损坏，若管路吸力过小回收时间变的非常久，当遇到突风时浮空器很容易破坏；2.液氮 纯化和吸附剂吸附的纯化方法，对氮气和吸附剂的消耗和依赖性非常大，成本较高；3.系统 不能够同时实现对多个浮空器进行回收和充气的功能。针对以上缺点，研究了一种适用于浮 空器的大功率氦气回收纯化方法。
三
发明内容
(1) 目的本发明的目的在于提供一种适用浮空器的大功率氦气回收和纯化系统，一
方面该系统中的碳纤维回收探头可以在大功率吸力时并不对浮空器蒙皮造成伤害；另一方面
它采用了氦气净化膜技术，无消耗，效率高。系统集成采用了分布式的架构，保证回收纯化
后的氦气纯度在99.9%以上，流量大于200立方米/小时，并且可以对多个浮空器进行回收纯 化。
(2) 技术方案见图l，本发明一种适用浮空器的大功率氦气回收纯化系统，它是由l
号增压机、过滤器、汇流排、调压阀、热交换器、纯化封闭舱、列管冷却器、流量控制阀、
合格氦气罐、2号增压机、3号增压机和碳纤维回收探头组成。l号增压机位于系统的前部， 它与碳纤维回收探头和过滤器通过阀门连接；调压阀安装在汇流排与热交换器之间；热交换器分别与纯化封闭舱和列管冷却器进行连接；列管冷却器通过流量控制阀与合格氦气罐相 通；合格氦气罐与2号增压机、3号增压机相连。
所述l号增压机位于系统的前部，与碳纤维回收探头通过阀门连接，该l号增压机为 GDZ-10/150型隔膜氦气压縮机，形状为Z型，风冷，隔膜氦气压縮机，公称容积流量为 L5m3/min，额定排气压力为10Mpa。
所述过滤器为TP型过滤器，其作用是除去氦气中的油和水，与l号增压机通过阀门进行 连接。
所述调压阔是美国HALE-DN25型阀门，通过阀门和调压阀控制，能提供稳定、连续的气 体流量。它采用英国hamilton的高压氦气使用特别设计，符合ASME/ANSI， CGA和OSHA标准。
所述热交换器是NHPP-25型热交换器，其功能是将氦气温度进行调节，在纯化前加大温 度，以加强分子的活跃程度，在纯化后降低氦气的温度，使其快速进入增压机。
所述纯化封闭舱是一个椭球型密封舱，由厚度为20cm厚的钢板制成，其作用是完成了氦 气的纯化和分离。
所述列管冷却器是10阵列水冷型冷却器，其作用是为了将纯化后的氦气进行温度调节， 降温处理。
所述流量控制阀是美国瑞高的DN50型流量控制阀门，在出口设有流量计，检测瞬时流量 和累计流量。
所述合格氦气罐是DN5000型氦气储罐，在增压前进行氦气的预存处理，将纯化好的氦气 预先存储在氦气罐中。
所述2号增压机是VF-1. 5/200-D型氦气压縮机，形状为V型，风冷，四级压縮氦气压縮机， 公称容积流量为1.5m3/min，额定排气压力为20. OMpa。
所述3号增压机与2号增压机并行工作，加大回收的流量，也是VF-1. 5/200-D型氦气压縮 机，形状为V型，风冷，四级压縮氦气压縮机，公称容积流量为1.5m3/min，额定排气压力为 20. OMpa。
所述碳纤维回收探头是6米长的碳纤维管与一个滤网状的碳纤维结构件组成，它可以保 持巨大吸力的同时，不将浮空器蒙皮材料吸入管路中，并且外观曲线明快，不会因为操作失 误将蒙皮误伤，为了减轻其重量，利于操作，材料选用了碳纤维复合材料。使用时将碳纤维 回收探头伸入浮空器的中上部进行回收；
所述氦气选择性隔膜是由两层选择性薄膜、两层涂层和一层承力编织布交叉层叠构成。 它可以通过区别氦气、氧气、氮气和水蒸气等气体的分子体积大小，使小分子气体氦气快速 通过，阻止大分子气体的通过，从而达到了纯化氦气的目的。其中，选择性薄膜是采用了耐高压HE-2型小分子选择性薄膜； 其中，涂层采用了lmm厚度的聚氨酯薄膜涂层； 其中，承力编织布是1000D的芳纶kevlar编织而成承力编织布。 (3)优点及功效本发明一种适用浮空器的大功率氦气回收纯化系统，它与现有技术
比，其优点是
a. 功率达到200m3/h，并且在大功率回收的时候可以不伤害浮空器囊体材料；
b. 现有技术需要液氮和吸附剂等附加材料的消耗，并且纯度不能达到使用要求。该系 统采用了气体隔膜技术，无污染、易操作、纯度可以达到99%以上；
c. 回收探头采用了复合材料加工技术，更加便于操作和携带。
四
图l为本发明大功率氦气回收纯化系统设计示意图。
图2为本发明碳纤维回收探头三维示意图。 图3为本发明氦气选择性隔膜的组成示意图。
图中符号说明如下
1 l号增压机；2过滤器；3汇流排；4调压阀；5热交换器；6纯化封闭舱；7 列管冷却器；8流量控制阀；9合格氦气罐；10 2号增压机；11 3号增压机；12碳纤 维回收探头；13排气口； 14冷却水入口； 15冷却水出口； 16取样口； 17选择性薄膜；18
涂层；19承力编织布；20涂层；21选择性薄膜。
五具体实施例方式
下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。
见图1，本发明一种适用浮空器的大功率氦气回收纯化系统，它是由1号增压机1、过 滤器2、汇流排3、调压阀4、热交换器5、纯化封闭舱6、列管冷却器7、流量控制阀8、 合格氦气罐9、 2号增压机10、 3号增压机11、碳纤维回收探头12、排气口 13、冷却水入 口 14、冷却水出口 15和取样口 16组成，氦气通过碳纤维回收探头12进入回收纯化系统， 经过1号增压机1进行增压，将气体压縮至3-5Mpa压力，1号增压机1后安装有过滤器2， 将回收气体中的水蒸汽和油质等杂质进行过滤；多个碳纤维回收探头12回收的气体通过汇 流排3，调节气体压力，使其以稳定的压力进入热交换器5与纯化封闭舱6，在纯化封闭舱 6中通过氦气选择性隔膜，将大分子气体氧气和氮气阻隔在隔膜的另一侧，并且排出管路。 纯化后的氦气通过列管冷却器7将氦气冷却，然后经过取样口 16对氦气纯度进行测量。将 纯度达到99.9%的氦气经过2号、3号增压机10、 11，将20Mpa的高压氦气打入氦气存储设 备合格氦气罐9中。
6见图2，为碳纤维回收探头12三维示意图。碳纤维回收探头12可以保持巨大吸力的同 时，不将浮空器蒙皮材料吸入管路中，并且外观曲线明快，不会因为操作失误将蒙皮误伤， 为了减轻其重量，利于操作，材料选用了碳纤维复合材料。使用时将碳纤维回收探头12伸 入浮空器的中上部进行回收。具体的实施方法如下
1. 铺层方法在已刷涂过脱模剂的模具外表面包覆纤维增强体铺层材料，在其外表面采
用两块纤维增强体预浸胶布共同作为碳纤维回收探头12的铺层材料，完成回碳纤维收探头 12有连续的纤维增强体的铺层，放入设计的一体化成型模具中，整体一次热固化成型。该 蒙皮包覆纤维增强体铺层的工艺方法大大提高了碳纤维回收探头12的力学性能。
2. 所选用的基体可以是环氧树脂、常温固化高性能的有机结构胶和高强度耐高温无机 结构胶。
3. 多轴向定位一体化成型模具的工艺方法适合制作复杂连接件。
见图3，氦气选择性隔膜可以通过区别氦气、氧气、氮气和水蒸气等气体的分子体积大 小，使小分子气体氦气快速通过，阻止大分子气体的通过，从而达到了纯化氦气的目的。具 体实施方法如下
将面涂和底涂树脂分别溶于相应的有机溶剂中，添加一定的促进剂等助剂后均匀搅拌制 成涂层浆，然后用刮棒按照先底涂后面涂的顺序，直接涂在有一定张力的织物上。底涂树脂
只涂固定厚度的一层，主要起粘合作用；选择性薄膜粘于底涂层上，可以起到阻止大分子 02与N2的作用，面涂树脂薄膜将树脂用带有间隙的刮棒来控制其厚度，然后涂好的材料经 过相应温度的烘箱加热相应的时间，使水分和溶剂蒸发，树脂通过自身的凝聚力或树脂的交 联作用形成坚韧的中间层。最后将材料在一定的温度湿度条件下静置24h完成熟化。 该系统进行过充气回收纯化试验，具体实施过程如下
1. 将氦气从高压集装管束中经过减压，打入直径4米氦气球中，充满氦气球为止；
2. 用鼓风机打入部分空气，取样测试不纯氦气的浓度；
3. 将碳纤维回收探头12伸入氦气球的顶部，打开l号压縮机l;
4. 氦气经过过滤器2进入系统，使用调压阀4将管路压力调整至3MPa;
5. 氦气进入纯化系统中的纯化封闭舱6进行纯化，排出氧气和氮气；
6. 打开冷却水系统中的冷却水入口 14、列管冷却器7，将高温氦气冷却；
7. 在取样口 16将纯化后的氦气取样进行纯度测试；
8. 打开2号、3号增压机10、 11，，将氦气压缩至集装管束合格氦气罐9中。 经过测试，氦气回收纯化系统的效率达到205.6立方米/每小时，纯化前的氦气纯度为 78.23%,纯化后的氦气纯度为99.93%，达到了系统的设计指标。
权利要求
1、一种适用浮空器的大功率氦气回收纯化系统，其特征在于该系统是由1号增压机、过滤器、汇流排、调压阀、热交换器、纯化封闭舱、列管冷却器、流量控制阀、合格氦气罐、2号增压机、3号增压机和碳纤维回收探头组成；1号增压机位于系统的前部，它与碳纤维回收探头和过滤器通过阀门连接；调压阀安装在汇流排与热交换器之间；热交换器分别与纯化封闭舱和列管冷却器进行连接；列管冷却器通过流量控制阀与合格氦气罐相通；合格氦气罐与2号增压机、3号增压机相连；所述1号增压机位于系统的前部，它与碳纤维回收探头通过阀门连接；该1号增压机为隔膜氦气压缩机，形状为Z型，风冷；所述过滤器为TP型过滤器，它除去氦气中的油和水，与1号增压机通过阀门进行连接；所述调压阀是美国HALE-DN25型阀门，通过阀门和调压阀控制，它能提供稳定、连续的气体流量；所述热交换器是NHPP-25型热交换器，它将氦气温度进行调节，在纯化前加大温度，以加强分子的活跃程度，在纯化后降低氦气的温度，使其快速进入增压机；所述纯化封闭舱是一个椭球型密封舱，由厚度为20cm厚的钢板制成，其作用是完成了氦气的纯化和分离；所述列管冷却器是10阵列水冷型冷却器，其作用是为了将纯化后的氦气进行温度调节，降温处理；所述流量控制阀是美国瑞高的DN50型流量控制阀门，在出口设有流量计，检测瞬时流量和累计流量；所述合格氦气罐是DN5000型氦气储罐，在增压前进行氦气的预存处理，将纯化好的氦气预先存储在氦气罐中；所述2号增压机是形状为V型、风冷、四级压缩氦气压缩机；所述3号增压机与2号增压机并行工作，加大回收的流量，它也是形状为V型、风冷、四级压缩氦气压缩机；所述碳纤维回收探头是6米长的碳纤维管与一个滤网状的碳纤维结构件组成，它可以保持巨大吸力的同时，不将浮空器蒙皮材料吸入管路中，材料选用了碳纤维复合材料，使用时将碳纤维回收探头伸入浮空器的中上部进行回收；所述氦气选择性隔膜是由两层选择性薄膜、两层涂层和一层承力编织布交叉层叠构成；它可以通过区别氦气、氧气、氮气和水蒸气的分子体积大小，使小分子气体氦气快速通过，阻止大分子气体的通过而达到了纯化氦气的目的。
2、 根据权利要求l所述的一种适用浮空器的大功率氦气回收纯化系统，其特征在于 该选择性薄膜是采用耐高压HE-2型的小分子选择性薄膜。
3、 根据权利要求l所述的一种适用浮空器的大功率氦气回收纯化系统，其特征在于 该涂层是采用lmm厚度的聚氨酯薄膜涂层。
4、 根据权利要求l所述的一种适用浮空器的大功率氦气回收纯化系统，其特征在于该承力编织布是1000D的芳纶kevlar编织而成的承力编织布。
5、 根据权利要求l所述的一种适用浮空器的大功率氦气回收纯化系统，其特征在于 该1号增压机型号为GDZ-10/150型隔膜氦气压縮机，公称容积流量为1.5m3/min，额定排气压 力为10Mpa。
6、 根据权利要求l所述的一种适用浮空器的大功率氦气回收纯化系统，其特征在于 该2号增压机型号为VF-1.5/200-D型氦气压縮机，公称容积流量为1.5m3/min，额定排气压力 为20. OMpa。
7、 根据权利要求l所述的一种适用浮空器的大功率氦气回收纯化系统，其特征在于 该3号增压机型号为VF-1.5/200-D型氦气压縮机，公称容积流量为1.5m3/min，额定排气压力 为20. OMpa。
全文摘要
一种适用浮空器的大功率氦气回收纯化系统，它是由1号增压机、过滤器、汇流排、调压阀、热交换器、纯化封闭舱、列管冷却器、流量控制阀、合格氦气罐、2号增压机、3号增压机和碳纤维回收探头组成。1号增压机位于系统的前部，它与碳纤维回收探头和过滤器通过阀门连接；调压阀安装在汇流排与热交换器之间；热交换器分别与纯化封闭舱和列管冷却器进行连接；列管冷却器通过流量控制阀与合格氦气罐相通；合格氦气罐与2号增压机、3号增压机相连。本系统采用了氦气净化膜技术，无消耗，效率高，保证回收纯化后的氦气纯度在99.9％以上，流量大于200立方米/小时，并且可以对多个浮空器进行回收纯化。本发明具有广泛地实用价值和应用前景。
文档编号C01B23/00GK101654231SQ200910092800
公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者吕明云, 杨永强, 哲 武, 马云鹏 申请人:北京航空航天大学