JP2005214204A - 燃料が微小孔性ポリマー膜に浸透するのを防止する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微小孔性ポリマー膜に燃料が浸透するのを防止すること。
【解決手段】 燃料から溶存酸素を除去するために航空機の燃料脱酸素器装置で用いられるもののような、燃料が微小孔性ポリマー膜へ移動する、すなわち浸透することを防止する方法は、第１サイズから、膜を介した酸素の移動を許容する程十分に大きくかつ膜への燃料の移動を防止する程十分に小さい第２サイズへ、膜の微小孔のサイズを減少させるために膜を加熱することを含む。膜は、ＰＶＤＦ基板上のアモルファスフルオロポリマーであり、微小孔は、膜を１３０℃と１５０℃との間の温度で２時間加熱することによってサイズが減少する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、燃料が微小孔性ポリマー膜に浸透するのを防止する方法、及び燃料から溶存酸素を除去するために微小孔性ポリマー膜を用いる燃料脱酸素器装置に関する。

航空機用のような燃料システムにおいて、燃料は主に動力を生み出すために用いられる。しかしながら、燃料は航空機の様々なシステムのための冷却液としても用いることができる。冷却液としてジェット機用燃料を有効に使用することで、航空機の動作温度の上昇、及び航空機システムのより効果的な操作が可能になる。

ジェット機用燃料は、多くの他の液体と同様に、大量の大気中の気体を吸収することがある。ジェット機用燃料が空気と接触するとき、空気中の酸素が燃料に溶ける。吸収された気体は、燃料の化学的性質を変更し、航空機の性能に影響を与える。例えば、吸収された酸素は、約１５０℃よりも上まで加熱されたときに、反応してフリーラジカル種を形成することがある。フリーラジカル種は、ジェット機用燃料において自動酸化反応を起こし、これにより「コークス」と呼ばれる炭素を含む堆積物が形成される。

残存酸素及びコークス堆積物の存在はいくつかの有害な影響を有する。第１に、コークス堆積物は、航空機の燃料供給システムを一貫して流れる可能性があり、システムの様々な構成要素の機能性（functionality）を妨げる可能性がある。第２に、酸素の存在及びコークス堆積物の形成は、冷却液としてのジェット機用燃料の使用を制限する。例えば、溶存酸素を有するジェット機用燃料は、約１５０℃よりも上でコークス堆積物を形成するので、それゆえジェット機用燃料によって冷却される航空機システムの動作温度は、コークス堆積物の形成を最小限度に抑えるために約１５０℃に制限される。他方で、ジェット機用燃料が脱酸素される場合には、際立ったコークス堆積物を形成することなく、約４５０℃まで加熱され得る。

ジェット機用燃料から溶存酸素を除去するのに適切な現存の気体分離方法が少なくとも一つある；しかしながら、この方法で用いる現存の膜は適切ではない。本方法は、膜フィルタを介して２つの流体の間に気体を移動させることを含む。この知られている方法は、気体の混合物から特定の気体を分離するか、又は水溶液に溶かされた特定の気体を分離するために用いられてきたが、膜の質が不十分なために、ジェット機用燃料に対しては完全に成功してはいなかった。

溶存酸素を除去する一つの装置は、燃料システム内に配置された気体透過膜を用いる。燃料が透過膜に沿って通過するとき、燃料内の酸素分子は気体透過膜を横切って燃料から拡散する。透過膜を横切る酸素分圧差は、膜を通過するときに燃料から酸素を追い出す。

上述の装置で用いられる従来の気体透過膜は、溶媒キャスティング、熔融キャスティング、又は他のキャスティング技術のような知られている方法を用いて製造される。これらの技術を用いて製造される従来の膜は、ジェット機用燃料内の酸素を分離するために十分に高い品質の膜をもたらして来なかった。

従来の膜の第１の不利益の一つは、膜内における「微小孔」の影響である。微小孔は、膜を形成するポリマーの分子間の自由体積空間（free volume space）である。自由体積空間は、分子が膜の一方の側から膜の他の側まで透過する、すなわち移動することを可能とする膜を通じて小道、又は微小孔を形成する。従来の膜では、微小孔のサイズがあまりにも大き過ぎ、このため燃料が例えば膜に移動し浸透するままであった。燃料が膜に浸透するとき、膜は、溶存酸素を除去するのにあまり効果的でなくなり、かつ燃料から溶存酸素を十分に除去することができなくなる。

したがって、微小孔性ポリマー膜に燃料が浸透するのを防止する方法が、そのような酸素除去装置に必要とされている。

一般的な点で、この発明は、燃料が微小孔性ポリマー膜に浸透するのを防止する方法、及び燃料から溶存酸素を除去するために微小孔性ポリマー膜を用いる燃料脱酸素器装置である。

一実施例において、微小孔性ポリマー膜は、微小孔性ポリマー膜における微小孔のサイズを減少させるために熱処理される。微小孔は、酸素分子の移動を大部分許容する程十分に大きく、かつ燃料の浸透を大部分防止する程十分に小さい。

他の実施例において、熱処理は、２時間の所定の時間の間、１３０℃と１５０℃との間の所定の温度で微小孔性ポリマー膜を加熱することを含む。所定の温度は、微小孔性ポリマー膜のポリマーのガラス転移とほぼ等しいか又はそれよりも高い。

他の実施例において、微小孔性ポリマー膜のポリマーは、微小孔のサイズを減少させるために熱処理されるアモルファスフルオロポリマー、テフロン（登録商標）ＡＦ２４００である。テフロン（登録商標）ＡＦ２４００は、約２４０℃のガラス転移を有する。所定の熱処理温度は１３０℃と１５０℃との間であり、所定の加熱時間は２時間である。

他の実施例において、本発明に係る微小孔性ポリマー膜は、航空機用燃料から溶存酸素を除去するために航空機用燃料システムで用いられる燃料脱酸素器のような、燃料分離装置で用いられる。燃料は、脱酸素器装置に入り、微小孔性ポリマー膜と接触して流れる。溶存酸素は膜を通過し、これにより燃料から除去される；しかしながら、燃料は、微小孔性ポリマー膜に浸透することができない。

この発明の様々な特徴及び優位点は、現在のところ好ましい実施例の次の詳細な説明から当業者に明らかとなろう。詳細な説明に伴う図面は、図面の詳細な説明において簡潔に記述され得る。

図１は、燃料脱酸素器装置１４と流体伝達している燃料貯蔵タンク１２を含む、航空機の燃料システム１０を概略的に示す。燃料脱酸素器装置１４は、様々な航空機システム及び構成要素１８に対する冷却液として使用するために燃料をより効率的にする、航空機の燃料から溶存酸素を除去するための微小孔性ポリマー膜１６を含む。結局は燃料は、航空機エンジン２０によって燃料脱酸素器１４か又は航空機システム及び構成要素１８のどちらかの下流で用いられる。

図２を参照すると、燃料脱酸素器装置１４は、燃料側２２と非燃料側２４とを備える。燃料は、インレット２６を介して燃料側２２に入り、微小孔性ポリマー膜１６と接触する。微小孔性ポリマー膜１６は、例えば燃料に溶けている酸素が燃料脱酸素器１４の非燃料側２４へ移動することを許容し、かくして燃料から酸素が除去される。拡散を促進するために、開口部２８が、燃料側２２と非燃料側２４との間に酸素分圧差を生み出すために用いられる。次いで一般的に酸素のない燃料は、アウトレット２９を介して脱酸素器１４を離れる。

図３は、燃料から酸素を除去するために燃料脱酸素器装置１４で例えば用いられる微小孔性ポリマー膜１６の例を示す。この実施例において、微小孔性ポリマー膜１６は、多孔質基板３０に配置されている。微小孔性ポリマー膜１６は好ましくは燃料側２２に配置され、多孔質基板３０は好ましくは燃料脱酸素器装置１４の非燃料側２４に配置される。

多孔質基板３０は好ましくは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から形成され、約１００マイクロメートルの厚さである。多孔質基板３０は微小孔性ポリマー膜１６に対する支持及び強度を与える。

微小孔性ポリマー膜１６は好ましくは、溶液キャスティングの知られている方法によってアモルファスフルオロポリマーから形成される；しかしながら、この開示の知識を有する当業者は、他のポリマー及び本発明を適用した他の形成方法を用いる利点に気づくであろう。微小孔性ポリマー膜は好ましくは、約４マイクロメートルと６マイクロメートルとの間の厚さであり、微小孔３２を含む。微小孔３２は、微小孔性ポリマー膜１６を介して分子が透過、すなわち移動する道である。

図４は、知られている初期の微小孔性ポリマー膜１６の分子２次元図の一つの例を示す。初期のとは、膜自身を製造するプロセスの後にさらなるプロセスをもたなかったポリマー膜のことをいう。アモルファス部分３４はポリマーチェーン３６から形成される。ポリマーチェーン３６は長距離秩序をもたず、すなわちアモルファス形態を有する。微小孔３２は、ポリマーチェーン３６間の自由空間によって形成され、平均サイズ、すなわち平均直径３８を有することで特徴づけられ得る。

微小孔３２の平均直径３８は、どの分子が微小孔性ポリマー膜１６を介して移動するかを制御する。知られている初期の微小孔性ポリマー膜３４の微小孔３２の平均直径３８は、酸素とかなりの量の炭化水素燃料とが微小孔性ポリマー膜１６にかつ該膜１６を介して移動するのを許容する程十分に大きい。

図５は、本発明の方法に従って熱処理された微小孔性ポリマー膜１６の分子２次元図の一つの例を表す。アモルファス部分４０は、長距離秩序をもたないポリマーチェーン４２を含む。微小孔４４は、ポリマーチェーン４２間の自由空間によって形成され、平均直径４６を有することで特徴づけられ得る。アモルファス部分４０（すなわち本発明の方法に従って熱処理された）の微小孔４４の平均直径４６は、アモルファス部分３４（すなわち初期の）の微小孔３２の平均直径３８よりも小さい。それゆえに、本発明の方法に従って熱処理される前の微小孔性ポリマー膜１６は、第１サイズ、すなわち平均直径３８を有する微小孔を有する。熱処理の後、微小孔性ポリマー膜１６は、第２のより小さなサイズ、すなわち平均直径４６を有する微小孔を有する。

より小さな微小孔４２を製造するために微小孔性ポリマー膜１６を熱処理する方法は、所定量の時間、オーブンで所定の温度で加熱することを含む。好ましくは、微小孔性ポリマー膜１６の汚染を防止するためにちりのない環境で加熱を実施するために測定が行われる。

オーブンの所定の温度は、微小孔性ポリマー膜１６のポリマーのガラス転移温度と等しいか又はそれよりも高い。好ましい温度は、１３０℃と１５０℃との間である。１５０℃の最大温度が、ＰＶＤＦ基板３０に基づいて選択された。１５０℃を超える温度ではＰＶＤＦ基板３０の物理的性質は望まれないものとなる可能性があった。

１３０℃と１５０℃との間の温度でのオーブンにおける所定の時間は２時間である；しかしながら、この開示の利点を有する当業者の一人は、オーブンの温度及び時間はまた、所望の結果の範囲と膜を形成するのに用いられるポリマーとにも依存するということに気づくだろう。

他の実施例では、デュポン社のテフロン（登録商標）ＡＦ２４００が、微小孔性ポリマー膜１６のポリマーとして用いられる。テフロン（登録商標）ＡＦ２４００は、おおよそ２４０℃のガラス転移温度を有する。所定のオーブン温度は１３０℃と１５０℃との間であり、所定のオーブン時間は２時間である。これらのオーブン条件は、図５で言及されたように、微小孔４４のより小さな平均直径４６を達成するのに適切であるが、しかしながら、より長い時間に対してはより低い温度が用いられ得るか、又は実質的に同一の結果を達成するためにより短い時間に対してはより高い温度が用いられ得ることを理解されたい。

１３０℃と１５０℃との間の温度で２時間アモルファスフルオロポリマー微小孔性膜を加熱すると、ポリマーチェーン４２を非平衡状態からより優れた平衡状態に緩和させることが可能である。より優れた平衡状態にある場合には、ポリマーチェーン４２間の自由空間によって形成された微小孔４４はより小さな平均直径４６を有する。

より小さな平均直径４６は、全ての微小孔４４の直径を減少させることによって、平均の微小孔よりも大きな微小孔の集団を減少させる又は排除することによって、又はこれらの組み合わせによって、達成される。

あるいは、ガラス転移温度よりも下、又は１３０℃よりも下の温度で加熱することでも、同様の細孔減少効果がもたらされ得る；しかしながら、結果を達成するためには、ガラス転移よりも上、又は１３０℃よりも上で加熱するのに要求される時間よりもより多くの時間が要求され得る。テフロン（登録商標）ＡＦ２４００を用いる一実施例において、オーブン温度は１００℃と同じ位低いが、しかしながら、要求される時間は、２時間よりも何倍も長く、製造の見地からは実用的でない。

この開示の利点を有する当業者は、気体酸素及び液体燃料以外の流体と、制限されることなくガソリン及びディーゼルシステムのような、航空機用燃料システム以外のシステムと、への適用性に気づくであろうことは理解されるべきであるが、本発明の方法に従って熱処理された微小孔性ポリマー膜１６は、航空機の燃料が微小孔４４へ浸透するのを防止するのに特に都合よく適している。

他の実施例において、初期の微小孔性ポリマー膜は本発明の方法に従って熱処理された。初期の微小孔性膜は、約１３マイクロメートルの複合微小孔平均直径を有し、約２３マイクロメートルの平均直径を有するかなりの数の微小孔を含んだ。本発明の方法に従って初期の微小孔性ポリマーを熱処理した後、微小孔性ポリマー膜は、約１２マイクロメートルの複合平均微小孔直径を有し、もはや大きな微小孔（すなわち２３マイクロメートルの直径の微小孔）の集団は持たなかった。この実施例において、熱処理された微小孔性ポリマー膜は、大きな２３マイクロメートルの微小孔とより小さな平均微小孔サイズとが排除されているために、液体が膜へ浸透するのを防止する上で初期の微小孔性ポリマー膜よりも適切である。この開示の利点を有する当業者は、微小孔のサイズと、本発明の方法に従って熱処理されたときの微小孔のサイズの減少の範囲とが、膜に用いられるポリマーの種類と選択された加熱条件とに関係して変化するということに気づくであろうことを理解されたい。

図６及び図７に示された実施例は、本発明の方法に従って熱処理された微小孔性ポリマー膜に燃料が浸透するのを防止する有益な効果を知られている初期の微小孔性ポリマー膜に対して示す。図６において、線４８は、初期の微小孔性ポリマー膜に対して除去された酸素のパーセンテージでの損失を１７時間燃料にさらされた初期の微小孔性ポリマー膜に対して表す。除去された酸素のパーセントでの損失はほぼ２５％である。すなわち、さらされた膜は、初期の膜と比べてたった５０％の酸素除去効率を維持するのみである。ひとたび燃料が微小孔性ポリマー膜に浸透すれば、膜は、膜を介した酸素の移動を妨げ、燃料から酸素を除去するのにあまり有効でなくなる。この様子は図６にかなりはっきりと示されている。

図７の実施例において、点５０は、本発明の方法に従って熱処理され、１０８時間までの間燃料にさらされた微小孔性ポリマー膜に対して除去された酸素のパーセンテージでの損失がないことを示す。この実施例の微小孔性ポリマー膜は、１５０℃で２時間熱処理され、いまや燃料が浸透するのを防止する。結果は、膜が、燃料にさらされたにも拘わらず酸素を除去するのに有効であり続ける、すなわちさらされ熱処理された膜が、さらされずに熱処理された膜と比べてほぼ１００％の酸素除去効率を維持する、ということである。

微小孔性ポリマー膜１６を介した分子の移動は透過率として測定される。本発明の方法に従って熱処理された微小孔性ポリマー膜１６が初期の微小孔性ポリマー膜と比べて気体透過率の損失を受ける可能性があるということは理解されたい。微小孔４４は、気体酸素のような分子の移動を許容する程十分に大きく、より小さな平均直径３８は、そのような移動の妨げとなる影響を有する。

本発明は、例を挙げて説明されたが、使用された専門用語は制限ではなく説明の表現のために意図されたものであることを理解されたい。明らかに、この発明の多くの修正及び変形が上述の教示内容を考慮に入れて可能である。したがって、添付の特許請求の範囲内で本発明は詳細に説明されたようなものとは異なって実施することができることを理解されたい。

航空機の燃料札酸素器装置における微小孔性ポリマー膜の一般的な概略図である。 燃料脱酸素器装置の例を示す概略図である。 代表的な微小孔性ポリマー膜の概略図である。 知られている初期の微小孔性ポリマー膜の分子２次元図である。 本発明の方法に従って熱処理された微小孔性ポリマー膜の分子２次元図の一つの例である。 知られている初期膜に浸透する燃料の影響の例を示す図である。 本発明の方法に従って熱処理され、燃料の浸透を阻止する膜の一つの例を示す図である。

符号の説明

１２ 燃料貯蔵タンク
１４ 燃料脱酸素器
１６ 微小孔性ポリマー膜

Claims (21)

1. 燃料貯蔵タンクと；
   下流に配置された燃料の使用部と；
   前記燃料貯蔵タンクから前記下流に配置された使用部に燃料を送る流体連結部と；
   前記流体連結部に取り付けられた燃料脱酸素器であって、該燃料脱酸素器は、燃料の流れに対して該燃料脱酸素器装置内に燃料通路を画定する、燃料脱酸素器内に配置された微小孔性ポリマー膜を有し、前記微小孔性ポリマー膜は、熱処理によって第１サイズから第２サイズにサイズが減少された微小孔から構成され、前記第２サイズは、前記微小孔性ポリマー膜を通じた気体の移動を大部分許容する程十分に大きく、かつ前記微小孔性ポリマー膜への燃料の移動を大部分防止する程十分に小さい、燃料脱酸素器と；
   を備えることを特徴とする燃料システム。
2. 請求項１記載の燃料システムにおいて、
   前記微小孔性ポリマー膜は基板によって支持されることを特徴とする燃料システム。
3. 請求項１記載の燃料システムにおいて、
   前記熱処理は、１００℃よりも上の温度で前記微小孔性ポリマー膜を加熱することを含むことを特徴とする燃料システム。
4. 請求項３記載の燃料システムにおいて、
   前記熱処理は、約１３０℃と約１５０℃との間の温度で約２時間、前記微小孔性ポリマー膜を加熱することを含むことを特徴とする燃料システム。
5. 請求項４記載の燃料システムにおいて、
   前記微小孔性ポリマー膜は、アモルファスフルオロポリマーであることを特徴とする燃料システム。
6. 液体が微小孔性ポリマー膜へ移動するのを防止する方法であって、
   微小孔性ポリマー膜の微小孔のサイズを第１サイズから第２サイズへ減少させるために、微小孔性ポリマー膜を所定の時間、所定の温度に加熱する段階であって、前記第２サイズは、前記膜を通じた気体の移動を許容する程十分に大きく、かつ前記膜への液体の移動を防止する程十分に小さい、微小孔性ポリマー膜を所定の時間、所定の温度に加熱する段階と、
   流体分離装置に前記微小孔性ポリマー膜を配置する段階と、
   を備えることを特徴とする方法。
7. 請求項６記載の方法において、
   前記所定の温度は、１００℃よりも上であることを特徴とする方法。
8. 請求項７記載の方法において、
   前記微小孔性ポリマー膜のポリマーはガラス転移温度を有し、前記所定の温度は該ガラス転移温度よりも高いことを特徴とする方法。
9. 請求項７記載の方法において、
   前記微小孔性ポリマー膜のポリマーはガラス転移温度を有し、前記所定の温度は該ガラス転移温度とほぼ等しいことを特徴とする方法。
10. 請求項７記載の方法において、
    前記所定の温度は、約１３０℃と約１５０℃との間であることを特徴とする方法。
11. 請求項７記載の方法において、
    前記所定の時間は、約２時間であることを特徴とする方法。
12. 請求項７記載の方法において、
    前記微小孔性ポリマー膜は、アモルファスフルオロポリマーであることを特徴とする方法。
13. 請求項７記載の方法において、
    前記流体分離装置は、燃料システムにおける燃料脱酸素器であることを特徴とする方法。
14. 請求項７記載の方法において、
    前記流体分離装置は、航空機にあることを特徴とする方法。
15. 熱処理によって第１サイズから第２サイズへサイズが減少された微小孔を含む微小孔性ポリマー膜であって、
    前記第２サイズは、前記微小孔性ポリマー膜を通じた気体の移動を大部分許容する程十分に大きく、かつ前記微小孔性ポリマー膜への液体の移動を大部分防止する程十分に小さいことを特徴とする微小孔性ポリマー膜。
16. 請求項１５記載の微小孔性ポリマー膜において、
    前記熱処理は、１００℃よりも上まで前記微小孔性ポリマー膜を加熱することを含むことを特徴とする微小孔性ポリマー膜。
17. 請求項１６記載の微小孔性ポリマー膜において、
    前記微小孔性ポリマー膜のポリマーはガラス転移温度を有し、前記熱処理は、該ガラス転移温度よりも高い温度まで前記微小孔性ポリマー膜を加熱することを含むことを特徴とする微小孔性ポリマー膜。
18. 請求項１６記載の微小孔性ポリマー膜において、
    前記微小孔性ポリマー膜のポリマーはガラス転移温度を有し、前記熱処理は、該ガラス転移温度とほぼ等しい温度まで前記微小孔性ポリマー膜を加熱することを含むことを特徴とする微小孔性ポリマー膜。
19. 請求項１６記載の微小孔性ポリマー膜において、
    前記熱処理は、約１３０℃と約１５０℃との間まで前記微小孔性ポリマー膜を加熱することを含むことを特徴とする微小孔性ポリマー膜。
20. 請求項１６記載の微小孔性ポリマー膜において、
    前記熱処理は、約２時間の間、前記微小孔性ポリマー膜を加熱することを含むことを特徴とする微小孔性ポリマー膜。
21. 請求項１６記載の微小孔性ポリマー膜において、
    前記微小孔性ポリマー膜は、アモルファスフルオロポリマーであることを特徴とする微小孔性ポリマー膜。

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