CN1830532A - 具有带表面特征的可渗透氧膜的燃料脱氧系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于一能量转换装置的燃料系统，包括一个带有一具有带表面特征的表面的可渗透氧的膜的脱氧系统。一股扫气和/或真空在该膜两边保持一个氧浓度差异，以便从该燃料脱氧。该带表面特征的表面增大该可渗透氧的膜的表面积。该可渗透氧的膜的带表面特征的表面是通过将带表面特征的表面压入带有以微复制为基础的工具系统的可渗透氧的膜中而制成的。另一种制造方法将带表面特征的表面压入一牺牲薄层，然后在该牺牲薄层上形成可渗透氧的膜而将该带表面特征的表面转移到可渗透氧的膜上，随后除去该牺牲薄层。另一种制造方法通过一个多孔的牺牲薄层而将附加材料敷贴在可渗透氧的膜上。

Description

具有带表面特征的可渗透氧膜的燃料脱氧系统
发明领域
本发明涉及通过脱氧来稳定燃料，尤其涉及通过邻近一氧接收通道的带表面特征的可渗透氧膜来脱氧。
背景技术
喷气发动机燃料常用于飞机中作为各种飞机系统的冷却剂。在喷气发动机碳氢化合物燃料中存在溶解的氧可能是有害的，因为氧支持产生不希望有的副产品的氧化反应。空气在喷气发动机燃料中的溶解形成约70ppm的氧浓度。当有空气的燃料在350°F至850°F之间加热时，氧触发燃料的自由基反应而形成通常称为“焦炭”或“焦炭化”的沉积物。焦炭可能对燃料管线有害并可能妨碍燃烧。这些沉积物的形成可能损害燃料系统的正常功能，或者是有关预期的热交换功能，或者是燃料的高效喷射。
当前利用各种传统的燃料脱氧技术来使燃料脱氧。通常，将氧的浓度降低到2ppm就足以克服焦炭化的问题。
在飞机中使用的一种传统的燃料稳定化装置(FSU)通过产生跨越可渗透氧的膜的氧压梯度来从喷气发动机燃料中除去氧。虽然十分有效，但该梯度是由该膜的一侧上的真空产生的。该膜相当薄(约2～5微米)而可能缺乏机械整体性。当该真空在该膜上引入机械力时，该膜被支承在一个多孔的支承板上，该板可起阻碍渗滤的作用。该薄膜可能还要求一条相当长的流动路径来保证与燃料的相当大的表面接触，以便从其有效地脱氧。
因此，需要在经得住跨越相当薄的膜的真空的一个尺寸和重量经济的系统中提供对碳氢化合物燃料脱氧。
发明概要
按照本发明的一种用于能量转换装置的燃料系统包括一个带有可渗透氧的膜的脱氧系统，该可渗透氧的膜包括一个带表面特征的表面。一种扫气和/或真空保持一个跨越该膜的浓度差别，以对燃料脱氧。该带表面特征的表面增大该可渗透氧的膜的表面积。该带表面特征的表面也增大了该可渗透氧的膜的强度和刚性，这使得能够尽可能减小多孔衬底，从而尽可能减小对扩散的阻碍。
该可渗透氧的膜的带表面特征的表面是通过将带表面特征的表面压入带有以显微复制为基础的工具系统的可渗透氧的膜中而制造的。
另一种制造方法将带表面特征的表面压入一个牺牲薄层上，而后在该牺牲薄层上形成该可渗透氧的膜，从而将带表面特征的表面转移到该可渗透氧的膜上。然后除去该牺牲薄层而形成最终的带有形成于其上的带表面特征的表面的可渗透氧的膜。
又一种制造方法是通过一个安置在初始的可渗透氧的膜的附近的多孔的牺牲薄层来敷贴附加的可渗透氧的膜。随后，除去该牺牲薄层，留下一个带表面特征的可渗透氧的膜。
又一种制造方法包括在该膜上安置一个多孔的牺牲薄层并通过该牺牲薄层沉积附加材料，使其接触该初始的膜。随后除去该牺牲薄层，留下一个带表面特征的膜。
因此，本发明在一个经得住跨越相当薄的膜的真空的一个尺寸和重量经济的系统中提供对碳氢化合物燃料脱氧的装置和方法。
附图简述
该技术的专业人员将从下列当前优选实施例的详述中清楚本发明的各种特点和优点。附图中：
图1是一种能量转换装置(ECD)和一个利用按照本发明的燃料脱氧器的相关的燃料系统的总的示意框图；
图2是在一燃料通道和一扫气通道之间的氧可渗透多孔膜的放大图；
图3A是一可渗透氧的膜的带表面特征的表面的放大图；
图3B是一可渗透氧的膜的带表面特征的表面的放大图；
图3C是一可渗透氧的膜的带表面特征的表面的放大图；
图3D是一可渗透氧的膜的带表面特征的表面的放大图；
图3E是一可渗透氧的膜的带表面特征的表面的放大图；
图4A是例示一种形成带表面特征的表面的方法的以显微复制为基础的工具系统的示意图；
图4B是例示一种形成带表面特征的表面的方法的另一以显微复制为基础的工具系统的示意图；以及
图4C是通过敷贴附加的可渗透氧的膜来形成该带表面特征的表面的另一种方法。
优选实施例详述
图1例示一种能量转换装置(ECD)12用的燃料系统10的总示意图。脱氧系统14接受从容器16如燃料箱来的液体燃料F。燃料F通常为碳氢化合物如喷气发动机燃料。ECD 12可以以各种形式存在，其中，在最终用于处理之前的某些点，如果燃料中存在的溶解氧达到任何显著程度，那么用于燃烧或用于能量释放的某些形式的燃料需要足够的热量来支持自动氧化反应和焦化作用。
ECD 12的一种形式是燃气涡轮发动机，尤其是高性能飞机中的此类发动机。通常，该燃料也用作飞机中一个或多个子系统用的冷却剂，并在将其于燃烧前立即输送到燃烧喷射器时受到加热。
热交换区段18代表一个其中燃料以热交换关系通过的系统。应当理解，热交换区段18可以与ECD 12直接联接和/或在别的位置分布于较大的系统10中。热交换器系统18可以另外地或补充地包括分布于整个系统的多个热交换器。
如普遍理解的，储存于容器16中的燃料F通常含有溶解的氧，其浓度可能为70ppm的饱和水平。燃料泵20从容器16引出燃料F。燃料泵20经燃料容器导管22和阀24而与容器16连通，并通到脱氧系统14的燃料入口26。由燃料泵20施加的压力帮助使燃料F通过脱氧系统14和燃料系统10的其它部分而循环。当燃料F通过脱氧系统14时，氧被选择地移入扫气系统28。
脱氧燃料Fd从脱氧系统14的燃料出口30经脱氧燃料导管32流到热交换系统18和ECD 12如燃气涡轮发动机的燃料喷射器。一部分脱氧燃料可以再循环，如由再循环导管33到脱氧系统14和/或容器16之一所代表的。应当理解，虽然在例示的实施例中公开了一种特定的部件配置，但其它配置将得益于本发明。
参照图2，脱氧系统14最好包括多个气体/燃料微通道装置34。装置34包括一个在燃料通道38和氧接收通道如扫气通道40之间的可渗透氧的膜36。扫气通道40最好包含氮和/或另一种惰气。应当理解，这些通道可以是各种形状和配置，以便提供一种压力差，后者使膜的两边保持一种氧浓度差，从而使燃料脱氧。燃料和扫气最好沿相反方向流动。
可渗透氧的膜36最好包括多孔膜和可渗透膜，多孔膜能使溶解的氧(和其它气体)通过埃量级尺寸(angstrom-size)的孔扩散而排斥较大的燃料分子，可渗透膜使用溶液-扩散机制来溶解氧(和其它气体)，并使其通过该膜扩散而排斥燃料。美国特拉华州成尔敏顿市的杜邦公司用“特氟隆(Teflon)”商标注册的聚四氟乙烯类化合物(PTFE)族己证明能为燃料脱氧提供有效的结果。据信该PTFE材料利用一种溶液-扩散机制，但也可通过其多孔性而操作，这取决于组成和结构。多孔膜材料的另一例子是50埃多孔氧化铝陶瓷或二氧化锆的薄层。可渗透膜的另一例子是硅酮橡胶的薄层。可以使用暴露的膜或者该膜可以通过随后的操作而改性，这些操作包括(但不限于)化学反应、物理过程、辐射处理(包括对X射线、可见光、红外光、微波、超声波的曝光)及其组合。在组合中也可使用各种成分和性能参数的多重膜。
在操作中，通过燃料通道38流动的燃料与可渗透氧的膜36接触。真空在燃料通道38的内壁和可渗透氧的膜36之间产生一个氧分压差，该分压差使溶于燃料内的氧扩散而通过支承膜36的多孔衬底42迁移，并通过与燃料通道38隔开的扫气通道40而流出脱氧系统14。在该完全充满燃料流的微通道内，可燃挥发物的浓度减到最小，而氧在膜壁上冒泡排放后通过可渗透氧的膜36除去。
应当理解，在例示的实施例中公开的燃料通过38是示范性质的，而燃料通道38可以是一种以膜为基础的燃料脱氧系统中的微通道、一种导管、一种管路和/或除了容器16(图1)以外的任何其它燃料连通系统。为了进一步理解一种以膜为基础的燃料脱氧系统及其有关部件的其它方面，请参考题为“平面膜脱氧器”的美国专利No.6,315,815和序列号为No.10/407,004的美国专利申请，它们转让给本发明的受让人，并完全参考合并于此。
可渗透氧的膜36最好包括一个带表面特征的表面44。该带表面特征的表面44增大了可渗透氧的膜36的表面积，从而增强了氧的清除。该带表面特征的表面44增大了可渗透氧的膜36的表面积，也增强了膜36的牢度(如强度和刚性)，这能够尽量减少多孔衬底42，从而减小对扩散的阻碍。也就是，当需要减少可渗透氧的膜36的支撑时，多孔衬底42可以提供增大的多孔度。
带表面特征的表面44优选地包括尺寸为100纳米～大于200微米而纵横比在4∶1以下的微结构细部，最优选的尺寸为小于100微米。该带表面特征的表面44可以制成凸出的或凹入的细部，凸出的细部如小丘或柱(图3A)、菱形(图3B)、尖峰、针状(图3C)、销、钮或隆起状(图3D)等、凹入的细部如井状、槽、V形通道(图3E)、谷等，或其相对于膜的底面和多孔衬底42的任何组合。其它合适的微结构细部包括微井、微流体通道、通孔等。应当理解，带表面特征的表面44可以相对于多孔衬底42取向，使得凸出的和凹入的细部是相对于衬底42的。膜的表面特征可以设计成满足流体流动需要、膜的尺寸特性、膜的物理性能以及工具制造的限制。表面特征的成分可以设计成满足化学功能、化学兼容性、氧渗透率的加快和催化增强的额外要求。
带表面特征的表面44可以以各种方式取向和安置，包括将该带表面特征的表面安置在可渗透氧的膜36的一面或两面上。可渗透氧的膜36的全部或部分表面积可包括带表面特征的表面44。可以在全部氧渗透膜36上形成一致的带表面特征表面44，也可以在可渗透氧的膜36的不同区域形成不同的带表面特征的表面44，以便燃料脱氧性能的特征最优化。其次，层状可渗透氧的膜36如带有不同特性的和带有不同带表面特征的表面的两个或多个聚合物层也可用于本发明。
参照图4A，可渗透氧的膜36的带表面特征的表面44最好通过将带表面特征的表面44压入带有以显微复制为基础的工具系统(示意例示于46处)的可渗透氧的膜36中而制成的。适合于FSU用途的可渗透氧的膜36被引入工具系统46的滚柱系统48中，使得可渗透氧的膜36在一组其上形成了微结构细部的微细部滚柱50下受压。也就是，微细部滚柱50包括微结构细部的镜象，使得在可渗透氧的膜36上碾压微细部滚柱50能够将该带表面特征的表面转移到可渗透氧的膜36中。当可渗透氧的膜36经受热滚柱52的碾压时，微细部滚柱50将带表面特征的表面44压入可渗透氧的膜36中，使得带表面特征的表面44直接形成于可渗透氧的膜36中。然后可渗透氧的膜36经过冷滚柱54，使得带表面特征的表面44固定在可渗透氧的膜36中。
参照图4B，一种间接方法包括以图4A中所述方式将带表面特征的表面44’压入牺牲层56中。然后在牺牲薄层56上形成可渗透氧的膜36，以便将带表面特征的表面44转移到可渗透氧的膜36上。可渗透氧的膜36最好是通过各种已知工艺如叠合、溶剂铸造、沉淀、气相沉积和/或其组合或其它类似工艺而形成于牺牲薄层56上的。然后通过溶解、热降解、剥离和其它合适的除去技术而除去牺牲薄层56，产生最终的具有形成于其上的带表面特征的表面44的可渗透氧的膜36。
参照图4C，另一种制造方法通过安置在初始的可渗透氧的膜36附近的多孔牺牲薄层56P而敷贴附加的可渗透氧的膜材料M，使得附加的膜材料M通过多孔的牺牲薄层56P而附着在可渗透氧的膜36上。该附加的可渗透氧的膜材料M最好为下列形式：一种其溶剂能随后除去的液体，一种能冷凝的挥发性物质，或固体形式如薄层、粉粒、复合材料或其组合。随后，除去多孔牺牲薄层56P，留下通过附加的可渗透氧的膜材料M而形成的带有带表面特征的表面44的可渗透氧的膜36。
或者是，材料M可以是一种与膜材料不同的材料，如薄层、粉粒、复合材料或其组合的金属、陶瓷、聚合物或其组合。只作为例子，通过一个多孔的牺牲薄层将金属细部电镀在可渗透氧的膜上，可以形成有金属表面特征的可渗透氧的膜。可以优选地选择金属或其它材料来对可渗透氧的膜提供催化功能或增强通过可渗透氧的膜的氧渗透率。
虽然特定的步骤程度已被图示、描述和请求保护，但应当理解，除非以其它方式指示，这些步骤可以以任何顺序，单独的或组合的来完成，而且它们仍然将得益于本发明。
上面的描述是示范性的，不受其中的这些限制的结束。按照上述说明可以进行本发明的许多修改和变化。上面已经公开了本发明的优选实施例，但是，该技术的普通专业人员将认识到，一定的修改将包括在本发明的范围内。因此，可以理解，在所附的权利要求书的范围内，可以用不同于特定描述的其它方式来实施本发明。为此，应当研究下述权利要求书来确定本发明的实际的范围和内容。

Claims (20)

1.一种燃料系统，包括：
一个燃料通道；
一个接收氧的通道；以及
一个与所述燃料通道和所述接收氧的通道连通的可渗透氧的膜，所述可渗透氧的膜有一个带表面特征的表面。
2.如权利要求1中所述的燃料系统，其特征在于，所述带表面特征的表面面对所述燃料通道。
3.如权利要求1中所述的燃料系统，其特征在于，所述可渗透氧的膜是未被支承的。
4.如权利要求1中所述的燃料系统，其特征在于，所述可渗透氧的膜被支承在一个多孔的衬底上。
5.如权利要求1中所述的燃料系统，其特征在于，所述接收氧的通道与通过其间的惰性气体连通。
6.如权利要求1中所述的燃料系统，其特征在于，所述带表面特征的表面包含带有尺寸小于100微米的微结构细部。
7.如权利要求1中所述的燃料系统，其特征在于，所述带表面特征的表面包含限定一菱形图案的微结构细部。
8.如权利要求1中所述的燃料系统，其特征在于，所述带表面特征的表面包含限定多个V形通道的微结构细部。
9.如权利要求1中所述的燃料系统，其特征在于，所述带表面特征的表面包含限定多个微型柱的微结构细部。
10.如权利要求1中所述的燃料系统，其特征在于，所述带表面特征的表面包含限定多个隆起的微结构细部。
11.如权利要求1中所述的燃料系统，其特征在于，所述带表面特征的表面包含限定多根微针的微结构细部。
12.如权利要求1中所述的燃料系统，其特征在于，所述接收氧的通道包含一真空度。
13.一种制造用于尽可能减少燃料系统中溶解的氧的可渗透氧的膜的方法，其特征在于，包括下列步骤：
将一种带表面特征的图案敷贴在一个可渗透氧的膜上；以及
将该可渗透氧的膜设置在一个接收氧的通道和一个燃料通道的附近。
14.一种如权利要求13中所述的方法：其特征在于，还包括以下步骤：
使带表面特征的图案面向该燃料通道。
15.一种如权利要求13中所述的方法：其特征在于，还包括以下步骤：
将一带表面特征的图案压入一牺牲薄层内；
在该牺牲薄层上形成一个可渗透氧的膜，以便将该带表面特征的图案转移到该可渗透氧的膜上；以及
从该可渗透氧的膜上除去该牺牲薄层。
16.一种如权利要求13中所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将一个多孔的牺牲薄层敷贴在该可渗透氧的膜上；
通过该多孔的牺牲薄层将一种材料敷贴在该可渗透氧的膜上，以便在该可渗透氧的膜上形成带表面特征的图案；以及
从该可渗透氧的膜上除去该多孔的牺牲薄层。
17.一种如权利要求16中所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括：
敷贴该材料作为可渗透氧的膜材料。
18.一种如权利要求16中所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括：
将该材料敷贴在可渗透氧的膜材料上，以提高氧通过该氧渗透膜的渗透率。
19.一种如权利要求16中所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括：
敷贴该材料，以便向该可渗透氧的膜提供一种催化功能。
20.一种尽可能减少燃料系统中溶解的氧的方法，包括以下步骤：
(1)将一个具有一带表面特征的表面的可渗透氧的膜设置在一股包括溶解的氧的液体燃料流附近；以及
(2)在与该液体燃料流对向的该可渗透氧的膜的附近产生一种氧浓度差异，以便经该可渗透氧的膜从该液体燃料流中抽取氧。
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