JP2005171261A - 音響燃料脱酸素化システム - Google Patents

Abstract

【課題】 廉価で寸法及び重量において効率的なシステムにおけるコーキングを最小にする炭化水素燃料の脱酸素化の方法及びシステムを提供することである。
【解決手段】 本発明のエネルギー変換の燃料システムは、脱酸素化システムを含む。信号発生システムは、燃料システムに近接する多数のトランスデューサを含む。トランスデューサは、酸素枯渇境界層を破壊する音響フローカオス及びキャビテーション誘起相分離を発生し、フローミキシングを大幅に改善し、脱酸素化システムの酸素除去膜の表面への酸素供給を増大するように構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料から溶解した酸素を除去する発明に関し、特に、音響（アコスティック）誘起フローミキシング（流れ混合）及びガスキャビテーション（気体空洞現象）に係る発明に関するものである。

炭化水素ジェット燃料は、それが加熱されると熱容量を著しく増大する。ジェット燃料において溶解した酸素の存在は、それが不要な副産物を作り出す酸化反応をサポートするので好ましくない。ジェット燃料における空気の溶解は約70ppm酸素濃度になる。空気を含まされた燃料を350°Ｆから850 °Ｆの間の温度まで加熱すると、酸素は、通常“コーク”又は“コーキング”と称される沈殿物（デポジット、残渣）を生成することになる燃料のフリーラジカル反応を開始させる。コークは燃料ラインに対して有害であり、燃焼を抑制し得る。このような沈殿物の形成は、所望の熱交換機能又は燃料の効率的な注入のいずれかについて、燃料供給システムの通常の機能を損なう。

典型的には、コーキングについての問題を克服するのには酸素濃度を約2ppmまで低下することで十分である。種々の従来の燃料脱酸化技術を最近用いている。航空機の分野で用いられる一の従来型の燃料安定化ユニット（ＦＳＵ）は、酸素に対して透過（浸透）可能な膜（メンブレン）における酸素圧力差（勾配）を誘起することによってジェット燃料から酸素を除去する。かなり有効だが、脱ガス速度は、周囲の流体からの溶質の拡散速度によって決まるサブ表面メンブレン層における気体濃度に比例する。

通常、ジオメトリカルに配列されているグルーブ（溝）及びバッフル構造を利用する種々のフローミキシングシステムはさらに効果的には、枯渇した境界領域に気体を供給する。他の乱流ミキシングシステムは、燃料フロー内に配置するインペラー（羽根車）のような動的構造を含む。しかしながら、十分に発達した乱流フローが航空機において象徴されるような比較的長い燃料チャネルを要する応用品において容認できないほど高い圧力降下を引き起こし得るので、乱流ミキシングは常に実施でき又はエネルギー的に有利というわけではない。さらに、ジオメトリ的に強制的な（無理やりの）ミキシング構造は製造が比較的難しく、長い時間詰まることになる。

従って、ジオメトリ的に強制的なミキシング構造を回避する、廉価であって、サイズ及び重量的に効率的なシステムにおいてコーキングを最小にする炭化水素燃料の脱酸素の方法及びシステム（装置）が提供されるのが望ましい。

本発明のエネルギー変換の燃料システムは、音響誘起フローシステムを備えた脱酸素化システムとガスキャビテーションシステムとを含み、燃料脱酸素化システムは、燃料チャネルに近接して配置された複数のトランスデューサを含む信号発生システムを含む。トランスデューサが音響フローカオスを発生するように構成され、酸素枯渇境界層を破壊すると共に大幅にフローミキシングを改善し、酸素除去膜の表面への酸素供給を増大する。軸をはずすように配置された少なくとも２つの励起トランスデューサは、液体トルクを生成し、燃料ミキシングを増大する層流フローに摂動を付与する。

本発明によって、燃料脱ガス全体は、液体からバブルへかつバブルから燃料脱酸素化システムの酸素透過（可能）膜への少なくとも容積（容量、定量）気体拡散を通して強化される。バブルが膜に接触するときに、膜への気体拡散は、燃料内の気体拡散より少なくとも２桁大きな大きさの気体／蒸気における拡散係数によって制御される。

従って、本発明は、ジオメトリ的に無理しているミキシング構造の利用を避けるために、廉価で寸法及び重量において効率的なシステムにおけるコーキングを最小にする炭化水素燃料の脱酸素化の方法及びシステムを提供するものである。

本発明の種々の特徴及び利点は、現在好適な実施形態の以下の詳細な説明から当業者には明らかになるだろう。

図１は、エネルギー変換装置（ECD）１２用の燃料システム１０の一般的に概略図である。脱酸素化システム１４は、リザーバ１６から液体燃料Ｆを受け取る。燃料Ｆは典型的にはジェット燃料のような炭化水素である。ＥＣＤ１２は種々の形態で存在し得、この形態では、燃料が、処理のため、燃焼のため又はエネルギーのリリース（放出）のいくつかの形態のための最終的な使用の前のいくつかの点で十分な熱すなわち、溶解している酸素が燃料においてかなりの含量で存在するならば、自動酸化（オートオキシデーション）反応及びコーキングをサポートするのに十分な熱を獲得するものである。

ＥＣＤ１２の一の形態は、燃料が熱容量が増加するようにプレヒート（前加熱）され、航空機において一又は複数のシステム用の液体冷却剤（冷媒）として使用されるガスタービンエンジンである。いかなる事象においても、燃料は、燃焼の直前に燃料入射器（インジェクター）に供給されるときに加熱される。

熱交換セクション１８はシステムであって、それを燃料が熱交換関係で通過していくものである。熱交換セクション１８はＥＣＤ１２に直接関連し及び／又はより大きなシステムにおいてあらゆるところに分布していてもよい。熱交換セクション１８は代替して又は追加的に、システム全体に配備（ディストリビュート）された多数の熱変換を含んでもよい。

一般に理解されるように、リザーバ１６に収容されている燃料Ｆは通常、可能には、70ppmの飽和レベルで溶解している酸素を含む。燃料ポンプ２０はリザーバ１６から燃料Ｆを引く。燃料ポンプ２０は、燃料リザーバ導管２２及びバルブ２４を介してリザーバ１６を脱酸素化システム（deoxygenator system）１４の燃料インレット（注入口）２６に連通させている。ポンプ２０によって付与された圧力は、脱酸素システム１４及び燃料システム１０の他の部分１０を介して燃料Ｆを循環させるのを助けている。燃料Ｆは脱酸素化システム１４を通り抜けるので、符号２８で示したように、酸素は選択的に除去され、収集され及び／又はシステム１０から排出される。

脱酸素化された燃料Ｆｄは脱酸素化システム１４の燃料アウトレット（出口）３０から、脱酸素化された燃料導管３２を介して、熱交換システム１８やガスタービンエンジンの燃料入射器のようなＥＣＤ１２へ流れていく。図示された実施形態では特定のコンポーネント構成を開示しているが、他の構成も可能であることは理解されたい。

図２に示したように、音響及び／又は超音波誘起安定ガスキャビテーションによって燃料脱酸素率を増加させる信号発生システム３６を含むのが好ましい。信号発生システム３６は、燃料チャネル４０に近接（隣接）して配置した多数のトランスデューサ３８を含むのが好ましい。トランスデューサ３８は例えば、脱酸素化システム１４（図１）内の燃料チャネル壁及び／又はマイクロチャネルスタート及び／又はエンド（端部）プレートに取り付けてもよいことは理解されたい。

作動に際して、矢印方向に燃料チャネル４０を通って流れる燃料Ｆは方向を変えられ、信号発生システム３６によって混合され、透過膜４２に接触するようにされる。真空は、燃料通路４０と酸素透過膜４２との間の酸素分圧差を形成する。ここで、この差は、燃料内に溶解された酸素の拡散を、膜４２を支持する多孔性（ポーラス）基板４６を介して、かつ、燃料チャネル４８から離間した酸素輸送通路４４を介して脱酸素化システム１４の外への移動（マイグレーション）を引き起こす。燃料流れ（ストリーム）で十分に充填されたマイクロチャネルにおいて、可燃性揮発物の濃度を最小にし、膜壁（メンブレンウォール）上でのバブル放出の直後に酸素透過膜４２を介して（膜を挟んだ圧力差によって）酸素を除去する。

図示した実施形態で開示した燃料チャネル４０は例示であり、燃料チャネル４０は膜をベース（基本）にした燃料脱酸素化システム内のマイクロチャネル、導管、通路（パッセージ）及び／又は燃料タンク１６以外の他の燃料連通システム（図１）であってもよい。一の膜をベース（基本）にした燃料脱酸素化システム及びそれに関連するコンポーネントの他の態様の理解のために、米国特許第６，３１５，８１５号明細書、及び、本発明の譲受人に譲渡され本発明に組み込まれている“プラナー膜脱酸素化装置（PLANAR MEMBRANE DEOXYGENATOR）”との発明の名称の米国特許出願第１０／４０７，００４号を参照されたい。

トランスデューサ３８は音響フローカオスを生成するために具備され、酸素枯渇境界層を壊し、フローミキシングをかなり改善し、酸素除去膜の表面への酸素供給を増強するものである。0kHz〜1MHzのカオスミキシングのための典型的な励起周波数は、1チャネルジオメトリに依存する。

トランスデューサ３８は燃料チャネル４０に対して中心軸Ａをはずした軸はずし位置に配置されるのが好ましい。トランスデューサ３８は効果的なミキシングを生ずるように互いに角度を有するように配向している（図３参照）。一般的には軸はずし配置のトランスデューサ３８ａは、インフロー（フロー内）配置のトランスデューサ３８ｂによって形成された周期的なフローに摂動（パータベーション）を付与する。

トランスデューサ３８は燃料チャネル４０内に音響／超音波信号Ｓを発生する。信号Ｓは、音響フローカオス化を生成し、酸素枯渇境界層を壊し、フローミキシングをかなり改善し、酸素除去膜４４の表面への酸素供給を増強するものである。

トランスデューサ信号は、連続信号又は繰り返しパルスのいずれかとして燃料フローにインパクト（影響）を与える。制御システムは、全ミキシング効果をエンハンス及び／又は最適化するために、近接するトランスデューサ３８の相対位相を調整するように作動する。

トランスデューサ３８は、初期には（図４に矢印Ｃで示した）層流だった液体燃料内の液体トルクとキャビテーション誘起相分離を生成するようにも作用する。

これによって、全燃料脱ガスは、少なくとも液体からバブルへの容積（体積）気体拡散とバブルから膜４２への気体拡散を通して、本発明によって強化される。バブルが膜４２に接触するとき、膜４２への気体拡散を、燃料中での気体拡散より少なくとも２桁大きな気体／蒸気中での拡散係数によって制御される。音響圧力が相分離を引き起こし、燃料中に溶解している酸素がバブルへ拡散するとき、超音波場におけるキャビテーションが生じる。バブルは流れ（ストリーム）と共に移動し、特に、高い率で放出するチャネル部材面に付着する。このようなバブリングは燃料脱酸素化速度（率）をかなり増大し、同時に、境界層を撹拌して、枯渇境界層領域への酸素の供給をエンハンス（増大）する。

図５に示したように、蛇行性脱酸素化システム１４’は、蛇行性脱酸素化システム１４’に共通の多数の隣接燃料チャネル４０’用の外乱（ディスターバンス）源として作用するように、代替して又は追加的に、トランスデューサ３８’を配備する。

以上の記載は限定によって画定するものでなく、単なる例示に過ぎない。本発明の多くの変更及び変形が以上の教示に基づいて可能である。本発明の好適な実施形態を開示したが、当業者には、どのような変更が本発明の範囲内になるか認識する。従って、特許請求の範囲内において、本発明が特に記載したものとは異なるように実施されてもよいことは理解されたい。特許請求の範囲は本発明の範囲及び内容を決定するものである。

エネルギー変換装置（ECD)及び本発明による燃料脱酸素化装置（デオキシゲネレーター）を利用する関連燃料システムの概略模式図である。 本発明の脱酸素化（装置）システムの概略模式図である。 図２の線３−３に沿った燃料フローパスに近接した信号発生システムの断面図である。 燃料フローに近接した信号発生システムの断面図である。 本発明によるインターディジテートな脱酸素化（装置）システムの拡大図である。

符号の説明

１０ 燃料システム
１２ エネルギー変換装置（ECD）
１４ 脱酸素化システム
１８ 熱交換セクション
２０ 燃料ポンプ
３６ 信号発生システム
３８ トランスデューサ
４０ 燃料チャネル
４２ 酸素透過膜

Claims (17)

1. 軸を画定する燃料チャネルと；
   前記燃料チャネルに近接しかつ前記軸からはずれて配置する第１のトランスデューサと；
   前記燃料チャネルに近接しかつ前記軸からはずれて配置する第２のトランスデューサと；を備えた燃料システム。
2. 前記第１のトランスデューサは前記第２のトランスデューサへの方向に対して角度を有するように配置されている請求項１に記載の燃料システム。
3. 前記第１のトランスデューサ及び前記第２のトランスデューサは、音響信号を発生する請求項１に記載の燃料システム。
4. 前記第１のトランスデューサ及び前記第２のトランスデューサは、超音波信号又は繰り返しパルス群として発生する請求項１に記載の燃料システム。
5. 前記第１のトランスデューサ及び前記第２のトランスデューサは、前記燃料チャネル内に音響フローカオスを発生する請求項１に記載の燃料システム。
6. 前記燃料チャネルに連通する酸素透過膜を備えた請求項１に記載の燃料システム。
7. 前記第１のトランスデューサ及び前記第２のトランスデューサは、酸素除去膜の表面への酸素供給を強化するために、前記燃料チャネル内に音響フローカオスを発生する請求項６に記載の燃料システム。
8. 前記燃料チャネルは、マイクロチャネルのシステムを備えた請求項１に記載の燃料システム。
9. 前記マイクロチャネルが燃料脱酸素化システム内に配備されている請求項８に記載の燃料システム。
10. （１）液体燃料から酸素透過膜の面への酸素を増大するために、溶解された酸素を含む液体燃料内に音響フローカオスを発生する段階を備えた燃料システム内からの溶解された酸素を減少させる方法。
11. 溶解された酸素を含む液体燃料を輸送する燃料チャネルによって画定される軸からはずれるように第１のトランスデューサを配備する段階を備えた請求項１０に記載の方法。
12. 溶解された酸素を含む液体燃料を輸送する燃料チャネルによって画定される軸からはずれるように、かつ、第１のトランスデューサに対して角度を有するように第２のトランスデューサを配備する段階を備えた請求項１１に記載の方法。
13. 溶解された酸素を含む液体燃料を輸送する燃料チャネルによって画定される軸からはずれるように、第１及び第２のトランスデューサを配備する段階と；
    第１及び第２のトランスデューサが燃料チャネルに接する液体に連通するように、第１及び第２のトランスデューサを配備する段階と；備えた請求項１０に記載の方法。
14. （２）燃料脱酸素化システムに連通している酸素透過膜を介して酸素を連通させる段階；を備えた請求項１０に記載の方法。
15. 前記（２）の段階で、溶解される酸素の濃度を燃料内で2ppm以下まで低下させる段階を備えた請求項１４に記載の方法。
16. 液体燃料内でキャビテーション誘起相分離を発生する段階を備えた請求項１０に記載の方法。
17. （３）燃料脱酸素化システムに連通している酸素透過膜を介して、キャビテーション誘起相分離によって生成した酸素を連通する段階をさらに備えた請求項１６に記載の方法。
    

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