CN104781145B - 使用膜的航空器燃料罐可燃性降低方法和系统以及空气分离方法 - Google Patents

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Abstract

航空器燃料罐可燃性降低方法包括使膜过滤器接触供气(17)，使来自供气的氧和氮渗透通过膜(22)，和从过滤器(22)产生过滤的空气(21)。由于膜去除任何包含六个或更多个碳原子的烃以产生0.001ppm w/w或更少的总数，从过滤器产生过滤的空气(21)。空气分离方法包括使空气进料至包含中空纤维膜的过滤器，所述中空纤维膜展示抵抗由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的特性。过滤器(22)展示小于5psi的跨过膜(22)的压降。方法包括使过滤的空气(21)进料至包含中空纤维膜的空气分离模块(12)，所述中空纤维膜展示对由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的易感性。

Description

使用膜的航空器燃料罐可燃性降低方法和系统以及空气分离 方法
技术领域
实施方式涉及使用膜降低航空器燃料罐中可燃性的方法和系统，以及使用膜的空气分离方法。
背景技术
存在各种目的在于降低航空器燃料罐中可燃性的已知系统。这种系统可由许多包括但不限于机载惰性气体产生系统(OBIGGS)、氮产生系统(NGS)、可燃性降低系统(FRS)、燃料罐惰性系统(FTIS)等的命名而为人所知。但是，系统之间的共性涉及通过使惰性气体进料至燃料罐中减少燃料罐罐空的氧含量。通常，系统产生富含氮的空气(NEA)，用作惰性气体。具有更低百分比氧的空气是较不可燃的。
用于产生富含氮的空气的惰性系统可以依靠来自媒介的变压吸附和解吸附作为分离机制或通过聚合物膜的扩散作为另一分离机制，以去除氧。在具有聚合物中空纤维膜的系统中，压缩空气进入聚合物中空纤维的孔并且氧渗透通过聚合物中空纤维壁。收集氧渗透物并且向机外排出。剩余的富含氮的滞留物流经孔并且在空气分离模块产品气体出口处收集，用于分布至航空器燃料罐。不幸地，空气分离模块的使用寿命和系统操作条件可能受在气体分离模块的构造中使用的聚合物的限制。因此，期望增加空气分离模块的可靠性。
发明内容
在实施方式中，航空器燃料罐可燃性降低方法包括将加压的空气进料至包含膜的过滤器中，使膜接触供气，使来自供气的氧和氮渗透通过膜，和从过滤器产生过滤的空气。加压的空气中的污染物包括包含六个或更多个碳原子的烃。由于膜去除任何包含六个或更多个碳原子的烃以产生按重量/重量计(ppm w/w)百万分之0.001或更少的总数，从过滤器产生过滤的空气。方法包括使过滤的空气进料至空气分离模块中和从空气分离模块产生富含氮的空气。将富含氮的空气进料至航空器机载的燃料罐。
在另一实施方式中，空气分离方法包括将加压的空气进料至包含中空纤维膜的过滤器中，使中空纤维膜接触供气，使来自供气的氧和氮渗透通过膜，和从过滤器产生过滤的空气。加压的空气中的污染物包括包含六个或更多个碳原子的烃。中空纤维膜展示抵抗由于暴露于烃而降解的特性。由于膜去除包含六个或更多个碳原子的烃，从过滤器产生过滤的空气。此外，过滤器展示小于5psi的跨过膜的压降。方法包括使过滤的空气进料至包含中空纤维膜的空气分离模块和从空气分离模块产生富含氮的空气。ASM中空纤维膜展示对由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的易感性。
在进一步实施方式中，航空器燃料罐可燃性降低系统包括空气源；过滤器，其配置为接收来自空气源的供气；和过滤器中的膜。膜被配置为使来自供气的氧和氮以跨过膜小于5psi的压降渗透通过膜和由于膜去除包含六个或更多个碳原子的烃，从过滤器产生过滤的空气。系统包括空气分离模块，其配置为从过滤器接收过滤的空气和从空气分离模块产生富含氮的空气。航空器机载的燃料罐配置为接收富含氮的空气。
已经讨论的特征、功能和优势可以独立地在各种实施方式中实现或可以在仍其他实施方式中结合，其进一步细节可以参考以下描述和附图可见。
此外，本公开内容包括根据以下条款的实施方式：
条款1.航空器燃料罐可燃性降低方法，其包括：
将加压的空气进料至包含膜的过滤器，加压的空气中的污染物包括包含六个或更多个碳原子的烃；
使膜接触供气，使来自供气的氧和氮渗透通过膜，和由于膜去除任何包含六个或更多个碳原子的烃，以产生0.001ppm w/w或更少的总数，从过滤器产生过滤的空气；
使过滤的空气进料至空气分离模块(ASM)和从空气分离模块产生富含氮的空气；和
使富含氮的空气进料至航空器机载的燃料罐。
条款2.条款1所述的方法，其中过滤器展示小于5磅/英寸2(psi)的跨过膜的压降。
条款3.条款1所述的方法，其中膜展示抵抗由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的特性。
条款4.条款1所述的方法，其中膜包括中空纤维膜。
条款5.条款1所述的方法，其中ASM包括中空纤维膜。
条款6.条款5所述的方法，其中ASM中空纤维膜展示对由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的易感性。
条款7.条款1所述的方法，进一步包括操作在包含膜的过滤器的上游缺少膜的颗粒过滤器。
条款8.空气分离方法，其包括：
将加压的空气进料至包含中空纤维膜的过滤器，加压的空气中的污染物包括包含六个或更多个碳原子的烃，和中空纤维膜展示抵抗由于暴露于烃而降解的特性；
使中空纤维膜接触供气，使来自供气的氧和氮渗透通过膜，和由于膜去除包含六个或更多个碳原子的烃，从过滤器产生过滤的空气，过滤器展示小于5磅/英寸2(psi)的跨过膜的压降；和
使过滤的空气进料至包含中空纤维膜的空气分离模块(ASM)和从空气分离模块产生富含氮的空气，ASM中空纤维膜展示对由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的易感性。
条款9.条款1所述的方法，其中过滤器膜去除任何包含六个或更多个碳原子的烃，以产生0.001ppm w/w或更少的总数。
条款10.条款1所述的方法，进一步包括使用富含氮的空气降低航空器燃料罐可燃性。
条款11.航空器燃料罐可燃性降低系统，其包括：
空气源；
过滤器，其配置为接收来自空气源的供气；
过滤器中的膜，所述膜被配置为使来自供气的氧和氮以跨过膜小于5磅/英寸2(psi)的压降渗透通过膜，和由于膜去除包含六个或更多个碳原子的烃，从过滤器产生过滤的空气；
空气分离模块(ASM)，其配置为从过滤器接收过滤的空气和从空气分离模块产生富含氮的空气；和
航空器机载的燃料罐，并且被配置为接收富含氮的空气。
条款12.条款8所述的系统，其中空气源被配置为提供加压的空气。
条款13.条款8所述的系统，其中膜被配置为去除任何包含六个或更多个碳原子的烃，以产生0.001ppm w/w或更少的总数。
条款14.条款8所述的系统，其中膜展示抵抗由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的特性。
条款15.条款8所述的系统，其中膜包括中空纤维膜。
条款16.条款8所述的系统，其中ASM包括中空纤维膜。
条款17.条款13所述的系统，其中ASM中空纤维膜展示对由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的易感性。
条款18.条款8所述的系统，进一步包括在包含膜的过滤器的上游缺少膜的颗粒过滤器。
附图说明
下面参考下述附图描述一些实施方式。
图1-3显示根据数个实施方式的燃料罐可燃性降低系统的图。
发明详述
已知的航空器燃料罐可燃性降低系统包括加压空气源；配置为从加压空气源接收供气的空气分离模块(ASM)；和配置为从空气分离模块接收富含氮的空气的航空器机载的燃料罐。仔细观察和评估已经显示航空器上可用的已知的加压空气源——比如发动机放气——可被各种尺寸的各种气体(包括烃气体)和液体或固体气溶胶污染。也可存在较大的颗粒。更具体地，已经证明发动机放气包含来自喷气燃料的残留物和降解产物、发动机润滑油、液压流体、除冰剂和在大气中、在地面上及高空中存在的其他污染物。主要的污染物是仅仅包含氢和碳的烃，但是可存在其他烃和其他污染物，比如醛、酮、酸和其他气体。一般而言，气体分离膜非常容易受大的烃分子影响，其降解产物进一步显示包含六个或更多个碳原子。
已知用于航空航天的空气分离模块(ASM)包含中空纤维膜，其使氧相比氮优先渗透通过膜。不渗透的分子被保留(滞留物)并且称为富含氮的空气。但是，在操作环境中，ASM由于污染和由于纤维的自然松弛展示性能下降。在一些情况下，ASM展示缩短的使用寿命。污染物可以以数个方式不利地影响聚合物性能和寿命。纤维孔可被颗粒堵塞。液体可涂覆膜(形成边界层)，造成聚合物溶胀，或损害膜完整性。聚合物溶剂可有助于聚合物分离层分层或在分离层内并且可导致致密(分离层厚度增加)或纤维变形。气体可填充自由体积或以显著水平缓慢积聚至膜表面，使渗透率下降(尤其是具有大于15个碳原子的重烃)。气体在升高的浓度可造成塑化或抗塑化或可以降低聚合物的分子量(打开聚合物链)。另外，用于形成中空纤维膜和其他膜的聚合物材料可以展示对由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的易感性。
已知的航空器燃料罐可燃性降低系统可以包括试图去除颗粒的颗粒过滤器，和/或包括另一过滤器，比如液体气溶胶过滤器。但是，已知的ASM的上游过滤器不被知道去除包含六个或更多个碳原子的烃或小的液体或固体气溶胶。
为了使可用的压力最大化和使系统重量和维护最小化，已知的航空航天系统在系统设计时使用液体和颗粒过滤并且考虑由于气体污染(除了臭氧)的性能下降。因此，ASM上游的过滤器去除包含六个或更多个碳原子的烃或小的液体或固体颗粒并且也展示小于5磅/英寸2(psi)的压降是未知的。以相关的方式，展示高渗透性对这种过滤器是未知的。
此外，尽管已知中空纤维膜用于ASM从空气分离氧，但是它们被用于航空器燃料罐可燃性降低系统的其他组件中，比如用于过滤器是未知的。所以，容易受从加压空气源接收的污染物影响的ASM中的中空纤维膜当用作过滤器时也容易受来自加压空气源的污染物的影响。这种过滤器中的膜可以展示在ASM中观察到的相同有限的使用寿命。但是，在航空航天之外的应用中发挥作用的膜材料科学的进展显示了展示适于用于ASM上游的过滤器的特征的希望。
具体而言，新材料可以抵抗由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃的降解。尽管这种材料可能未起作用以便有效地从空气去除氧，但是它们可以有效地用作膜过滤器，去除小的液体或固体颗粒和包含六个或更多个碳原子的烃。
从而，可以选择已知的材料用作ASM中的膜并且设计为有效地从空气去除氧。用于这种材料的潜在适当的已知聚合物的例子包括聚苯醚(PPO)、聚酰亚胺、聚砜、聚碳酸酯和其他聚合物，比如Beers的美国专利号8,245,978和Zhou的7,699,911中描述的。另外，与ASM膜不同的材料可作为膜用在ASM上游的过滤器中，以有效地去除污染物。因此，与ASM中的膜相比，过滤器中的膜可以较不易受由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃的降解的影响。即使这样，与过滤器中的膜相比，ASM中的膜可以更有效地从空气去除氧。膜过滤器中的不同材料可能之前不被知道用于这种用途。保留在膜过滤器的滞留物中的污染物可以被收集用于一些稍后的用途或排出，单独或与来自ASM的渗透物(氧)一起。
尽管本文的实施方式讨论为在与中空纤维膜ASM一起使用是重要的，但是它们也可对其他气体分离技术具有适用性。而且，尽管本文在航空器燃料罐可燃性降低系统的背景下进行讨论，但是其他气体分离系统可以从描述的实施方式中的观点获益。
描述的膜过滤器可放置在已知的过滤器的下游。描述的膜过滤器可以从通过已知的过滤器进行的去除颗粒和/或液体气溶胶获益。如果放置在已知的颗粒和/或液体气溶胶过滤器的下游，膜过滤器的使用寿命可能因此增加。另外，或代替使用已知的过滤器，膜过滤器可结合吹扫气部件以帮助清洁积聚了污染物的膜，比如是一般已知的。
使用一个或多个本文所述的实施方式，通过限制由于气体污染的膜性能劣化可以延长ASM的使用寿命和可提高系统性能。因此，ASM可具有更小的尺寸，节省重量和空间。目前，ASM的尺寸通常基于考虑随着时间的推移性能劣化的寿命末端性能。随着由于本文所述污染物的膜的劣化下降，可用于渗透氧的给定表面积可保持更长时间。更长的寿命可以减小达到与没有本文的实施方式期望的相同使用寿命所需的表面积。可选地，可使用相同的表面积并且实现延长的使用寿命。
在已知的、非航空航天应用中，多个过滤器可被分级，以提供有效的去除空气分离系统上游的污染物。多过滤器对系统增加成本和维护时间，并且可被消除或减少数量，这取决于本文的实施方式。在非航空航天应用中，已知活性炭用作吸附剂，以从空气源去除有害的烃。但是，认为活性炭不适于用在航空航天应用中，原因是需要活性炭过滤替换的再生和/或另外的飞机维护成本。另外，由于通过活性炭过滤器的压降，膜进料压力可下降，其不利地影响气体分离膜性能。更多重量和体积的活性炭可用于使得烃去除，而不用频繁的再生和/或替换。因此，除非提供大量的活性炭，严格限制活性炭作为烃去除媒介的使用和效用。
结果，代替关注新材料以替换ASM中的膜，本文的实施方式采用具有容易受污染物影响但是对于空气分离有效的膜材料的保留已知技术的方法。已知技术可以结合作为不适于O2/N2分离(比如，高O2和N2渗透性和低选择性)但是关注不渗透更高分子量污染物的膜过滤器的材料。可在两个方面实现膜技术的好处。
在实施方式中，航空器燃料罐可燃性降低方法包括将加压的空气进料至包含膜的过滤器中，使膜接触供气，使来自供气的氧和氮渗透通过膜，和从过滤器产生过滤的空气。加压的空气中的污染物包括包含六个或更多个碳原子的烃。由于膜去除任何包含六个或更多个碳原子的烃以产生按重量/重量计(ppm w/w)百万分之0.001份或更少的总数，从过滤器产生过滤的空气。方法包括使过滤的空气进料至空气分离模块中和从空气分离模块产生富含氮的空气。使富含氮的空气进料至航空器机载的燃料罐。
作为例子，过滤器可以展示小于5psi的跨过膜的压降。膜可以展示抵抗由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的特性。作为一个选择，膜可以包括中空纤维膜，其可以基于聚合物的。ASM也可以包括中空纤维膜。ASM的中空纤维膜可以展示对由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的易感性。方法可进一步包括操作在包含膜的过滤器的上游缺少膜的颗粒过滤器。
对降解的易感性可降低由于气体污染(除了臭氧)的渗透性并且可通过聚合物改变。聚合物的自由体积越高，性能越高，但是由于污染物渗透性下降也越大，因为其包括更多的自由体积以便被占据。使用膜过滤可以增加ASM中某些聚合物的实用性，否则其经受由于纤维的自然松弛和气体污染引起的约20％或更大的渗透性下降。没有包括膜过滤的所述的实施方式，这种聚合物可以在使用寿命内展示足够高的性能下降，使得在系统尺寸上考虑渗透性丧失可能不现实。具有可以在系统设计中实际考虑的渗透性下降的膜聚合物仍可从如本文所讨论的膜过滤获益，因为更低的下降可有利地影响系统组件尺寸。
在另一实施方式中，空气分离方法包括将加压的空气进料至包含中空纤维膜的过滤器，使中空纤维膜接触供气，使来自供气的氧和氮渗透通过膜和从过滤器产生过滤的空气。加压的空气中的污染物包括包含六个或更多个碳原子的烃。中空纤维膜展示抵抗由于暴露于烃而降解的特性。由于膜去除包含六个或更多个碳原子的烃，从过滤器产生过滤的空气。此外，过滤器展示小于5psi的跨过膜的压降。方法包括使过滤的空气进料至包含中空纤维膜的空气分离模块中和从空气分离模块产生富含氮的空气。ASM中空纤维膜展示对由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的易感性。
作为例子，过滤器膜去除任何包含六个或更多个碳原子的烃，以产生0.001ppm w/w或更少的总数。而且，方法可以包括使用富含氮的空气降低航空器燃料罐可燃性。
在进一步的实施方式中，航空器燃料罐可燃性降低系统包括空气源；配置为接收来自空气源的供气的过滤器；和过滤器中的膜。膜被配置为使来自供气的氧和氮以跨过膜小于5psi的压降渗透通过膜和由于膜去除包含六个或更多个碳原子的烃从过滤器产生过滤的空气。系统包括空气分离模块，其配置为从过滤器接收过滤的空气和从空气分离模块产生富含氮的空气。航空器机载的燃料罐配置为接收富含氮的空气。
作为例子，空气源可被配置为提供加压的空气。膜可被配置为去除任何包含六个或更多个碳原子的烃，以产生0.001ppm w/w或更少的总数。膜可以展示抵抗由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的特性。作为一个选择，膜可以包括中空纤维膜，其可以是基于聚合物的。ASM也可以包括中空纤维膜。空气分离模块可以包括中空纤维膜，其展示对由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的易感性。系统可进一步包括在包含膜的过滤器的上游缺少膜的颗粒过滤器。
图1显示燃料罐可燃性降低系统10的图。在系统10中，加压空气源16提供供气17至膜过滤器22。膜过滤器22产生过滤的空气21和滞留气体24，包含从供气17去除的污染物。膜过滤器22可以去除任何包含六个或更多个碳原子的烃，以产生0.001ppm w/w或更少的总数。而且，膜过滤器22可以展示小于5psi的跨过其膜的压降。此外，其膜可以展示抵抗由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的特性。作为例子，膜可以是中空纤维膜。
下游空气分离模块12接收过滤的空气21并且产生富含氮的空气19与渗透物气体18。空气分离模块12可以包括中空纤维膜。膜可以展示对由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的易感性。假定通过膜过滤器22去除滞留气体24中的污染物，空气分离模块12能够更有效地使氧通过渗透膜(未显示)并且成为渗透物气体18。将富含氮的空气19提供至燃料罐14用于可燃性降低。
图2显示燃料罐可燃性降低系统20的图，其包括系统10的所有元件，但是进一步包括颗粒过滤器26。尽管未显示，但是颗粒过滤器26可额外地用作液体气溶胶过滤器，或者单独的液体气溶胶过滤器可在颗粒过滤器26的上游或下游被添加至系统20。颗粒过滤器26提供过滤的空气23至膜过滤器22。在系统20中，通过去除可能限制膜过滤器22中的膜(未显示)的有效的表面积的污染物，比如大的颗粒和液体气溶胶，颗粒过滤器26可以延长膜过滤器22的使用寿命。
图3显示航空器燃料罐可燃性降低系统30的图，其包括图1所显示的系统10的所有元件，并且额外地包括换热器32。通常，加压空气源16的已知来源以可能不适于空气分离模块12中的膜和/或膜过滤器22中的膜的升高的温度提供供气17。换热器32可用于产生冷却的供气34以减少对下游组件中的膜的损害。可选地，可以想到的是，加压空气源16可以在限制下游组件中的膜的性能的温度下提供供气17，因为其太冷。在这种情况下，换热器32可转而产生加热的供气(未显示)。进一步可以想到的是，膜过滤器22中的膜和空气分离模块12中的膜可以在不同的温度范围内最有效地操作。因此，换热器32可转而位于膜过滤器22和空气分离模块12之间或可以提供另外的换热器以满足各自膜的温度范围。甚至进一步，可想到的膜过滤器22和空气分离模块12可以包括在使得换热器32可以转而位于空气分离模块下游以冷却富含氮的空气19然后提供至燃料罐14的温度下可操作的膜。
尽管上面讨论的系统10、20和30每个包括燃料罐14，但是注意的是与上面的讨论一致，富含氮的空气19可转而被提供至不同系统的不同组件，比如空气分离系统。尽管图1-3显示了本文所述系统的各种可能的实施方式，但是认识到可以考虑图1-3中的特征和本文所述的其他特征的进一步组合。
根据法规，已经以或多或少具体关于结构和方法特征的语言描述了实施方式。但是，应理解的是实施方式不限于所显示和描述的具体特征。所以，根据等同原则，以任何它们的形式或改进要求保护的实施方式在适当解释的所附权利要求的适当范围内。
图中附图标记的表
10 系统
12 空气分离模块
14 燃料罐
16 加压空气源
17 供气
18 渗透物气体
19 富含氮的空气
20 系统
21 过滤的空气
22 膜过滤器
23 过滤的空气
24 滞留气体
26 颗粒过滤器
30 系统
32 换热器
34 冷却的供气

Claims (15)

1.航空器燃料罐(14)可燃性降低方法，其包括：
将加压的空气进料至包含膜的过滤器(22)，所述加压的空气中的污染物包括包含六个或更多个碳原子的烃；
使所述膜接触供气(17)，使来自所述供气的氧和氮渗透通过所述膜，和由于所述膜去除任何包含六个或更多个碳原子的烃以产生0.001ppm w/w或更少的总数，从所述过滤器(22)产生过滤的空气(21)；
使所述过滤的空气(21)进料至空气分离模块(ASM)(12)和从所述空气分离模块(12)产生富含氮的空气(19)；和
使所述富含氮的空气(19)进料至所述航空器机载的所述燃料罐(12)。
2.权利要求1所述的方法，其中所述过滤器(22)展示小于5磅/英寸2(psi)的跨过所述膜的压降。
3.权利要求1或2所述的方法，其中所述膜展示抵抗由于暴露于包含六个或更多个碳原子的所述烃而降解的特性。
4.权利要求1或2所述的方法，其中所述膜包括中空纤维膜。
5.权利要求1或2所述的方法，其中所述ASM(12)包括中空纤维膜。
6.权利要求1或2所述的方法，其中所述ASM中空纤维膜展示对由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的易感性。
7.权利要求1或2所述的方法，进一步包括操作在包含膜的所述过滤器(22)的上游缺少膜的颗粒过滤器(26)。
8.航空器燃料罐(14)可燃性降低系统，其包括：
空气源(16)；
过滤器(22)，其配置为接收来自所述空气源(16)的供气(17)；
所述过滤器(22)中的膜，所述膜被配置为使来自所述供气的氧和氮以小于5磅/英寸2(psi)的跨过所述膜的压降渗透通过所述膜，和由于所述膜去除包含六个或更多个碳原子的烃从所述过滤器(22)产生过滤的空气；
空气分离模块(ASM)(12)，其配置为从所述过滤器(22)接收过滤的空气(21)和从所述空气分离模块(12)产生富含氮的空气(19)；和
燃料罐(14)，其是所述航空器机载的并且配置为接收所述富含氮的空气(19)。
9.权利要求8所述的系统，其中所述空气源(16)被配置为提供加压的空气。
10.权利要求8或9所述的系统，其中所述膜被配置为去除任何包含六个或更多个碳原子的烃，以产生0.001ppm w/w或更少的总数。
11.权利要求8或9所述的系统，其中所述膜展示抵抗由于暴露于包含六个或更多个碳原子的所述烃而降解的特性。
12.权利要求8或9所述的系统，其中所述膜包括中空纤维膜。
13.权利要求8或9所述的系统，其中所述ASM(12)包括中空纤维膜。
14.权利要求8或9所述的系统，其中所述ASM(12)中空纤维膜展示对由于暴露于包含六个或更多个碳原子的烃而降解的易感性。
15.权利要求8或9所述的系统，进一步包括在包含所述膜的所述过滤器(22)的上游缺少膜的颗粒过滤器(26)。
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