CN105636670A - 空气分离装置、惰化装置和包括这种装置的飞行器 - Google Patents

空气分离装置、惰化装置和包括这种装置的飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种空气分离装置，该空气分离装置包括容纳过滤元件的大体圆筒形外壳(1，2)，所述过滤元件包括形成膜的中空长圆形纤维束(3)，所述纤维的纵向轴线与所述圆筒形外壳(1，2)的纵向轴线(A)平行，所述外壳(1，2)在第一端部处包括空气的入口(4)且在第二端部处包括用于净化后的气体的出口(5)。所述装置包括用于将纤维束(3)保持在外壳(1，2)中的部件，其特征在于该保持部件包括布置在外壳(1，2)内的至少一个弹簧元件(6)，所述弹簧元件(6)被装载在由外壳(1，2)形成的端部止挡部(12)与纤维束(3)的纵向端部之间以便将纤维束(3)纵向地保持在适当位置，同时允许其膨胀和收缩。

Description

空气分离装置、惰化装置和包括这种装置的飞行器
技术领域
本发明涉及一种空气分离装置，以及一种惰化装置和包括这种装置的飞行器。
更具体地，本发明涉及一种空气分离装置，其包括具有大体圆筒形形状的外壳，该外壳容纳包括过滤元件，该过滤元件包括形成膜的中空长圆形纤维的束，所述纤维的纵向轴线与圆筒形外壳的纵向轴线平行，所述外壳在第一端部处包括空气的入口孔且在第二端部包括净化后的气体的出口孔，所述装置包括用于将纤维保持在所述外壳中的单元。
背景技术
借助于中空纤维膜来从空气过滤气体是工业且尤其是航空领域中普遍使用的方法。此技术包括收集从压缩机/多个压缩机或发动机/多个发动机获得的空气并使其在分离系统中循环，所述分离系统包含仅容许一种化学类型的分子(例如氧气)“通过”的选择性渗透膜。通过以密闭方式分隔此系统，可以在首先出口回收少氧的空气——其中的氮因此非常浓——然后次回收富氧的空气。富氮的空气可用于例如使燃料箱惰化，而富氧的空气可单纯地被排出到大气中。
空气分离系统通常包括外壳，该外壳包括在一个端部处通过基部(其被焊接、胶粘或螺接)封闭且在另一端部处由盖部(其通常借助于凸缘螺纹连接或组装)封闭的金属圆筒(已知为封套)。盖部由允许空气进入的入口孔贯穿，而基部由容许将富氮的气体在系统的出口处收集的出口孔贯穿。另一出口设置为用于分离后的气体(氧气)。圆筒形封套例如可设置有与圆筒的轴线垂直的孔，从而容许排出由系统过滤的氧气。
入口孔和出口孔的几何形状可具有不同性质和形状。
布置在外壳内的过滤元件一般由以非常大的数量存在的中空聚合物纤维束构成。纤维的纵向轴线与外壳的圆筒的纵向轴线对齐。
在这些纤维的端部处可以设置铸造并再加工的热固性材料，热固性材料理想而言为环氧树脂。这些刚性材料端部容许纤维的机械保持，并与O形环密封件系统协作以维持系统的不同腔室之间的密封。
文献US7717983B2记载了一种用于由锥体组成的束的轴向保持的单元，所述锥体两侧在于膜的外表面的两侧存在的中空圆筒中对中。。
然而，这种布置产生装置的组件的刚性，并且在系统的某些操作阶段期间在膜中产生有害的应力。
发明内容
本发明的一个目的是消除现有技术的一些或全部上述缺点。
为此，根据本发明的装置——其此外还符合在前面的序言中提供的一般定义——的特征主要在于，保持单元包括布置在外壳内的至少一个弹簧单元，所述弹簧单元在由外壳形成的止挡部与纤维束的纵向端部之间被压缩，以便确保纤维束的纵向保持，同时容许其膨胀或收缩。
此类型的装置容许膜束的保持和简单组装。
此外，根据这种布置，在系统的工作和储存阶段期间容许膜的膨胀和收缩(温度例如在-50℃与70℃之间变化)。
此外，本发明的实施例可包括以下特征中的一个或多个：
-保持单元包括至少一个弹簧，例如弹性垫圈；
-保持单元包括波形垫圈类型的弹性垫圈；
-保持单元包括多个弹性垫圈；
-保持单元包括在由外壳形成的止挡部与纤维束的纵向端部之间在外壳的同一侧堆叠的多个弹性垫圈(6)；
-保持单元包括多个弹性垫圈，其中两个垫圈分别布置在外壳的两个端部处，即至少第一弹性垫圈布置在由外壳形成的第一止挡部与纤维束的第一纵向端部之间，而至少第二弹性垫圈布置在由外壳形成的第二止挡部与纤维束的第二纵向端部之间；
-保持单元包括与至少一个弹性垫圈相关联的平坦支承垫圈，所述平坦支承垫圈布置在弹性垫圈与纤维束的端部之间，即支承垫圈与纤维束的端部接触；
–所述至少一个弹性垫圈与平坦支承垫圈接触；
-外壳包括互相组装并分别形成外壳的基部和盖部的两个端部；
-所述装置包括在纤维束周围布置在外壳中的圆筒形的中央套筒。
此外，当膜的端部与刚性(环氧树脂或其它)端部一体时，该类型的布置限制这些刚性端部(仅环氧树脂和嵌入在环氧树脂中的纤维)上的剪切力。
本发明还涉及一种用于飞行器燃料箱的惰化装置，该惰化装置包括根据上述或下述特征的任一项的分离装置，其中中空纤维束属于具有选择性的氧吸附的类型。
本发明还涉及一种包括此类型的惰化装置的飞行器。
本发明还可涉及包括上述或下述特征的任意组合的任何替代装置或方法。
附图说明
其它特定特征和优点将根据阅读以下参照附图提供的说明变得显而易见，在附图中：
-图1表示示出了根据本发明的分离装置的第一实施例的示意性的局部剖视图；
-图2示出了根据本发明的可用于分离装置中的弹性单元或弹簧的示例的半剖正视图；
-图3表示根据本发明的另一实施例的分离装置的端部的局部剖视示意图；
-图4表示用于图3中的装置的保持单元的示例的剖视立体图。
具体实施方式
图1中表示的空气分离装置包括具有大体圆筒形状的外壳1、2，该外壳容纳包括形成膜的中空长圆形纤维束3的过滤元件。例如，这些膜是由“MEDAL”公司销售的膜。
如图1所示，外壳可由互相组装并分别形成圆筒形外壳的基部和盖部的两个端部1、2构成。
一个或两个端部1、2可界定出外壳的圆筒形中央部分。此外，可以设置圆筒形的中央芯部7(其例如由金属制成)。该圆筒形的中央芯部7可与两个端部1、2中的至少一个连接。圆筒的中心纵向轴线在图1中示出。
纤维束3的纵向轴线与圆筒形外壳1、2的纵向轴线平行(即与圆筒形部分的母线平行)。通常，外壳1、2在一个端部处包括空气的入口孔4，在第二端部处包括净化后的(富氮的)气体的出口5。出于简化的目的，过滤后的气体(氧气)排出孔未在图中示出。
根据一个有利特征，所述装置包括由诸如弹性垫圈6的弹簧构成的用于将纤维束3纵向保持在外壳1、2中的单元。弹性垫圈6布置在外壳1、2的内部并在由外壳1、2形成的止挡部12与纤维束3的一端之间被压缩。通过这种方式，垫圈6确保纤维束3在外壳1、2中的弹性轴向保持。换言之，弹性垫圈6容许纤维束3在外壳中的膨胀或收缩(尤其是根据使用温度。弹性垫圈6的外径优选对应于外壳1、2的内径)。
弹性垫圈6因而使得可以吸收轴向压缩力，同时允许纤维的圆筒根据温度的变换纵向地自由膨胀和收缩。
弹性垫圈6优选是如在图2中所示的波形弹性垫圈。由弹性垫圈6形成的环的一个面被支承在外壳(或固定在外壳中的元件)中，而垫圈6的另一个面被支承在纤维束3的一端上。
应理解，可以设想任意其它类型的弹性单元如垫圈或弹簧，例如形成根据横截面起伏的多个突起(lobe)的(金属或其它的)压缩弹簧。例如，弹簧单元可包括由BORELLY公司销售的波形垫圈且尤其包括商标表示的垫圈。
在纤维束3的端部被嵌入在刚性热固性材料中的情况中，弹性垫圈6向纤维传力，而不会引起该刚性部分的剪切力。
此外，弹性垫圈6不影响纤维束3与圆筒的其余部分之间的气体交换的表面。
纤维束3的相对的纵向端部可分别包括设计用于对中的中空区域(这些中空区域是可选的且在本例中未使用)。
垫圈6可单独使用(如图1所示)，或它可与平坦支承垫圈16(其不呈波形，且因此不是弹性的)相关联。例如，平坦支承垫圈16可布置成与纤维束3接触，而波形垫圈6布置在外壳1、2的止挡部与平坦支承垫圈16之间。
与波形垫圈6相比，支承垫圈16使得可以更好地分配施加至纤维束3的力(与平坦垫圈16不一样，弹性垫圈6仅不连续地与纤维束3接触)。
在一个可能的变型中，弹性垫圈6(单独或与支承垫圈16相关联)也能以相同方式布置在纤维束3的另一端部处。换言之，在纤维束3的两侧形成弹性保持。
此外，如图4所示，保持单元可由多个堆叠的弹性垫圈6(例如两个或三个垫圈或更多垫圈)构成。
可根据纤维束3的膨胀水平和各个部分的加工精度来选择所使用的弹性垫圈6的数量。
因而，如果需要多个弹性垫圈6，则它们可位于束3的同一侧以便将纤维束3推向外壳1、2的基部。这种情况下，膜膨胀期间的尺寸变化将完全在存在弹性垫圈6的一侧发生(伴随着腔室容积的减小)。相反，当弹性垫圈6设置在纤维束3的两侧时，该容积变化将在束3的两侧相等地分布。
弹性垫圈6可完全位于盖部3侧，即位于入口侧。由于气体入口侧的压力一般较大，所以此布置具有使弹簧或垫圈仅为了补偿由热膨胀或收缩引起的尺寸变化而作用的优点。
图3示出分离装置，其中保持单元在纤维束3的端部包括两对堆叠的垫圈，每对垫圈都包括弹性垫圈6和平坦保持垫圈16。用于其中一对垫圈6、16的支承垫圈16被支承在纤维束3的端部上，即在浸渍刚性材料(图3中用圆点表示为斑点的)的端部上。如图3所示，纤维束3的浸渍刚性材料8的边界可包括“纯”刚性材料(即不具有膜的纤维)的外层88。该纯刚性材料层88可被设计成容纳用于与外壳1、2密封的至少一个密封件14(例如O形环密封件)。此外，为了不阻碍活动表面的一部分，垫圈6、16优选被支承在该纯刚性材料层88上(而未被支承在混有纤维的刚性材料层上)。
在图3所示的非限制性的示例中，纤维束3包括中央管12(其例如由铝制成)，该中央管12的端部由阻挡部13封闭(其例如被螺纹连接在管12中)。
上述方案容许所述装置的刚性部分的对称加工且因此允许在一个方向或另一方向上的无差异装配。此外，用于装配的部件的数量相对有限，并且可以形成可靠的系统。
此外，通过与将保持力施加至中央部分的方案相比限制或减少施加至膜的环氧树脂的端部的力臂，所述方案允许纤维组件(膜)自由膨胀和收缩。
如图5所示，装置11可在用于使飞行器的燃料箱10惰化的系统(“OBBIGS”)中使用。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于飞行器燃料箱(10)的惰化装置，包括空气分离装置(11)，所述空气分离装置包括具有大体圆筒形形状的外壳(1，2)，所述外壳(1，2)接纳过滤元件，该过滤元件包括形成膜的具有选择性的氧吸附的中空长圆形纤维的束(3)，所述纤维的纵向轴线与所述圆筒形外壳(1，2)的纵向轴线(A)平行，所述外壳(1，2)在第一端部处包括空气的入口孔(4)且在第二端部处包括净化后的气体的出口孔(5)，所述装置包括用于将所述纤维束(3)保持在所述外壳(1，2)中的单元，其特征在于，所述保持单元包括布置在所述外壳(1，2)内的至少一个弹簧单元(6)，所述弹簧单元(6)在由所述外壳(1，2)形成的止挡部与所述纤维束(3)的纵向端部之间被压缩，以便确保所述纤维束(3)的纵向保持，同时容许该纤维束(3)的膨胀或收缩；所述纤维束(3)至少在该纤维束(3)的一个端部处包括由刚性材料例如热固性材料构成的刚性层(8)；以及，在于所述保持单元被支承在所述刚性层(8)上。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述保持单元包括至少一个弹簧，例如弹性垫圈(6)。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述保持单元包括波形垫圈型的弹性垫圈(6)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述保持单元包括多个弹性垫圈(6)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述保持单元包括在由所述外壳(1，2)形成的止挡部与所述纤维束(3)的纵向端部之间堆叠在所述外壳(1，2)的同一侧的多个弹性垫圈(6)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述保持单元包括多个弹性垫圈(6)，其中两个弹性垫圈(6)分别布置在所述外壳(1，2)的两个端部处，即至少第一弹性垫圈(6)布置在由所述外壳(1，2)形成的第一止挡部与所述纤维束(3)的第一纵向端部之间，而至少第二弹性垫圈(6)布置在由所述外壳(1，2)形成的第二止挡部与所述纤维束(3)的第二纵向端部之间。
7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述保持单元包括与所述至少一个弹性垫圈(6)相关联的平坦支承垫圈(16)，所述平坦支承垫圈(16)布置在弹性垫圈(6)与所述纤维束(3)的一端之间，即所述支承垫圈(16)与所述纤维束(3)的一端接触。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述至少一个弹性垫圈(6)与平坦支承垫圈(16)接触。
9.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述外壳包括互相组装并分别形成所述外壳(1，2)的基部和盖部的两个端部(1，2)。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置包括在所述纤维束(3)周围布置在所述外壳(1，2)中的圆筒形的中央套筒(10)。
11.一种飞行器，包括如权利要求1至10中任一项所述的惰化装置。

Claims (11)

1.一种用于飞行器燃料箱(10)的惰化装置，包括空气分离装置(11)，所述空气分离装置包括具有大体圆筒形形状的外壳(1，2)，所述外壳(1，2)接纳过滤元件，该过滤元件包括形成膜的具有选择性的氧吸附的中空长圆形纤维的束(3)，所述纤维的纵向轴线与所述圆筒形外壳(1，2)的纵向轴线(A)平行，所述外壳(1，2)在第一端部处包括空气的入口孔(4)且在第二端部处包括净化后的气体的出口孔(5)，所述装置包括用于将所述纤维束(3)保持在所述外壳(1，2)中的单元，其特征在于，所述保持单元包括布置在所述外壳(1，2)内的至少一个弹簧单元(6)，所述弹簧单元(6)在由所述外壳(1，2)形成的止挡部(12)与所述纤维束(3)的纵向端部之间被压缩，以便确保所述纤维束(3)的纵向保持，同时容许该纤维束(3)的膨胀或收缩；所述纤维束(3)至少在该纤维束(3)的一个端部处包括由刚性材料例如热固性材料构成的刚性层(8)；以及，在于所述保持单元被支承在所述刚性层(8)上。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述保持单元包括至少一个弹簧，例如弹性垫圈(6)。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述保持单元包括波形垫圈型的弹性垫圈(6)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述保持单元包括多个弹性垫圈(6)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述保持单元包括在由所述外壳(1，2)形成的止挡部(12)与所述纤维束(3)的纵向端部之间堆叠在所述外壳(1，2)的同一侧的多个弹性垫圈(6)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述保持单元包括多个弹性垫圈(6)，其中两个弹性垫圈(6)分别布置在所述外壳(1，2)的两个端部处，即至少第一弹性垫圈(6)布置在由所述外壳(1，2)形成的第一止挡部(12)与所述纤维束(3)的第一纵向端部之间，而至少第二弹性垫圈(6)布置在由所述外壳(1，2)形成的第二止挡部与所述纤维束(3)的第二纵向端部之间。
7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述保持单元包括与所述至少一个弹性垫圈(6)相关联的平坦支承垫圈(16)，所述平坦支承垫圈(16)布置在弹性垫圈(6)与所述纤维束(3)的一端之间，即所述支承垫圈(16)与所述纤维束(3)的一端接触。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述至少一个弹性垫圈(6)与平坦支承垫圈(16)接触。
9.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述外壳包括互相组装并分别形成所述外壳(1，2)的基部和盖部的两个端部(1，2)。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置包括在所述纤维束(3)周围布置在所述外壳(1，2)中的圆筒形的中央套筒(10)。
11.一种飞行器，包括如权利要求1至10中任一项所述的惰化装置。
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