JP2005272841A - 燃料脱酸システム - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的薄い膜を挟んで真空を生じさせるのに比較的大掛かりな機械装置の必要性を避けられ、安価でかつ効率的なサイズおよび重量のシステムによって、炭化水素燃料の脱酸方法とそのシステムを提供する。
【解決手段】 エネルギー変換装置のための燃料システムは、多孔質膜を有する脱酸システムを含む。脱酸装置は多孔質膜によって燃料チャンネルから分離された酸素受け取りチャンネルを含む。毛管力は膜を挟んだ圧力差に対抗し、燃料のいかなる漏れも防ぎ、一方で、膜を挟んだ酸素濃度差が多孔質膜を通して燃料の脱酸素を可能にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、脱酸による燃料の安定化に係わり、特に、酸素受け取りチャンネルに隣接する自己回復性(self-supporting)の多孔質膜を通した脱酸法に関する。

ジェット燃料は様々な航空機システムの冷媒として航空機でしばしば利用される。炭化水素ジェット燃料における溶解酸素の存在は、酸素が望ましくない副産物を生み出す酸化反応を助長するので、好ましくない可能性がある。ジェット燃料における空気の溶解は約７０ｐｐｍの酸素濃度に達する。空気にさらされた燃料が３５０°Ｆから８５０°Ｆの間に加熱される場合、酸素は通常「コークス」あるいは「コーキング」と言われる析出をもたらす燃料のフリーラジカル反応を生起する。「コークス」は燃料配管に有害であろうし、燃焼を抑制する可能性がある。このような析出物の生成は、意図する熱交換機能あるいは燃料の効率的な注入に関して、燃料システムの正常な機能を損なう可能性がある。

現在、従来のいろいろな燃料脱酸（脱酸素）の技法が脱酸燃料に利用されている。コーキング問題を克服するのには、通常、２ｐｐｍに酸素濃度を低下させれば十分である。

航空機で利用される従来の燃料安定化ユニット（ＦＳＵ）の１つは、酸素に対して透過性のある膜を挟んで酸素圧力勾配を発生させることによって、ジェット燃料から酸素を除去するものである。かなり効果的であるが、この勾配は膜の片側における真空によって発生させる。真空が膜において機械的な力をも導入し、それに伴って、膜は多孔性のステンレス・バッキング・プレート(steel backing plate)上で支持(support)されるのであるが、そのプレートは製造するのが比較的高価で、ＦＳＵの相対的なサイズの増大を必要とするような拡散障壁となりうる。膜は比較的薄く（２〜５ミクロン程度）、機械的健全性を欠き、ひいては、多孔性であるがゆえの補助を欠いている。機械ポンプ及び真空ハウジングはＦＳＵのサイズと重量をさらに増加させるような圧力勾配を発生させることも要求される。

このような薄膜（２−５ミクロン）は欠陥及びピンホールを有する可能性がある。そして、燃料は、膜を通して浸透し、バッキング・プレートに蓄積される可能性があり、そのため脱酸に対するさらなる抵抗をもたらす可能性がある。

従って、比較的薄い膜を挟んで真空を生じさせるのに比較的大掛かりな機械装置の必要性を避けられ、安価でかつ効率的なサイズおよび重量のシステムによって、炭化水素燃料の脱酸方法とそのシステムを提供することが望ましい。

本発明によるエネルギー変換装置のための燃料システムは、自己回復性の多孔質膜を有する脱酸システムを含む。スイープガス及び／または真空は、燃料を脱酸するために膜を挟んだ酸素濃度差を維持する。

他のシステムでは、燃料濃縮器が窒素流出の下流側に組み込まれ、スイープガスによって流れ出すいかなる燃料をも回収する。

他のシステムでは、燃料が複数の熱交換サブシステムのために冷媒として利用されるのにつれて、連続的に上昇した燃料温度において動作する複数の段階で、酸素が取り除かれる。

従って、本発明は、比較的薄い膜を挟んで真空を生じさせるのに比較的大掛かりな機械装置の必要性を避けられ、安価でかつ効率的なサイズおよび重量のシステムによって、炭化水素燃料の脱酸方法とそのシステムを提供する。

現在の好適な実施の形態に関する以下の詳細な説明により、本発明の様々な特徴と利点が、この技術分野の当業者にとって明らかとなるだろう。詳細な説明を伴った図面は［図面の詳細な説明］で示される如く簡潔に説明できる。

図１はエネルギー変換装置（ＥＣＤ）１２のための燃料システム１０の全体概略図を示す。脱酸システム１４は貯留槽１６から液体燃料Ｆを受け取る。通常、燃料Ｆはジェット燃料などの炭化水素である。ＥＣＤ１２は様々な形態で存在可能であり、その形態では、溶解酸素が燃料中のかなりの程度まで存在している条件下で、処理、燃焼、あるいはエネルギー開放の何らかの状態のための最終的な使用に先立ついくつかの段階において、自動的な酸化反応とコーキングを生じさせられるくらい充分な熱を燃料が取得する。

ＥＣＤ１２の１つの形態は、ガスタービンエンジンと、とりわけ高性能航空機のエンジンなどである。通常、燃料は、航空機の１つ以上のサブシステムに対する冷媒としても役立ち、いずれにしても、燃焼の直前に燃料噴射機に供給されるのにつれて加熱されるようになる。

熱交換部１８は一つのシステムを表しており、このシステムを通して燃料が熱交換関係を経過する。熱交換部１８はＥＣＤ１２に直接関連付けることができ、及び／または、より大きなシステムの他の場所に配置できる、ということが理解されるべきである。熱交換システム１８は、システムの至るところに配置された複数の熱交換を択一的、または追加的に含むことができる。

一般的に理解されているように、貯留槽１６に貯められた燃料Ｆは、通常、溶解酸素を、ことによると７０ｐｐｍの飽和レベル程度含んでいる。燃料ポンプ２０は貯留槽１６から燃料Ｆを汲み取る。燃料ポンプ２０は、燃料貯留導管２２を介して貯留槽１６、及び脱酸システム１４の燃料入口２６への弁２４に連結している。ポンプ２０によって加えられた圧力は、脱酸システム１４、及び燃料システムｌ０の他の部分を介して、燃料Ｆを循環させることの助力となる。燃料Ｆが脱酸システム１４を通過しながら、酸素が選択的にスイープガスシステム２８に排出される。

脱酸された燃料Ｆｄは、脱酸燃料導管３２を介して脱酸システム１４の燃料出口３０から、熱交換システム１８へ、またガスタービンエンジンの燃料噴射器などのＥＣＤ１２へ流れる。脱酸された燃料の一部は、脱酸システム１４、及び／または、貯留槽１６への再循環導管３４によって表現されているように再循環できる。特定の構成部品配置がこの実施の形態で開示されているが、他の配置によっても本発明からの利益を得ることができる、ということが理解されるべきである。

図２を参照すると、脱酸システム１４は、望ましくは、燃料チャンネル３８とスイープガスチャンネル４０などの酸素受け取りチャンネルとの間に自己回復性(self-supporting)の酸素透過性の多孔質膜３６を有する、ガス／燃料接触器３４を含む。スイープガスチャンネル４０は窒素、及び／または、他の不活性ガスを含んでいることが望ましい。燃料脱酸のための膜を挟んだ酸素濃度差を維持する圧力差を提供するように、上記チャンネルの様々な形態及び配置が可能である、ということが理解されるべきである。燃料及びスイープガスは逆方向に流れることが望ましい。ここで、Ｕは速度、Ｃ_O2は燃料中の酸素濃度、Ｌはチャンネル／層の厚さ、Ｚはチャンネルの長さ、Ｐは圧力である。上付添え字及び下付添え字については、ｓがスイープガス、ｆが燃料、ｉｎが流入口、ｏｕｔが流出口、ｍが膜３６を示している。

スイープガスチャンネル４０内のスイープガス（例えばＮ_２）の移動量は、膜３６（図３）を挟んだ濃度差を維持する。膜を通した酸素の流量は、スイープガス中の酸素の拡散率に比例して、次式を与える。

Ｄ_O2はスイープガスにおける酸素の拡散係数、Ｃ_O2は酸素濃度、Ｌ_ｍは多孔質膜の厚さ、Ｚはチャンネルの長さ、ｂはチャンネルの幅、Ｈ_fuel-N2は燃料とスイープガス（Ｎ_２）の間の熱学的拡散係数である。下付添え字ｍは膜を示し、一方上付添え字ｓはスイープガスを、ｆは燃料を示す。スイープガス中の酸素濃縮は無視できる。

一方、従来技術では、酸素の流量は非多孔性膜（Ｄ_m）における酸素の拡散率に比例する。

ここで、Ｌ_m’は膜の厚さ、Ｈ_{fuel-membrane}は燃料と膜の間の熱力学的拡散係数である。膜を通した移動に制限がある場合の、可能な脱酸性能の改善は、次の通りである。

膜における酸素の拡散係数は、Ｎ_２などのスイープガスにおける酸素の拡散係数よりも３桁分以上低い。しかしながら本発明では、これまで利用されてきた薄い非多孔質膜より１桁分大きな厚さ（図３）を有する多孔質膜を利用する。拡散係数の比Ｈ_fuel-N2／Ｈ_{fuel-membrane}は、通常1より小さく、本発明による多孔性膜の性能における改善を表している。

図３を参照すると、膜３６は複数の微細孔４２を含む（うち一つが示されている）。燃料からの酸素除去のための２つの基本的経路は以下の通りである。１）膜３６スイープガス界面を通したもの、及び、２）微細孔４２内の燃料−スイープガス界面を通したものであり、通常、後者は最小抵抗経路である。

図３において、Ｐは圧力であり、下付添え字ｓはスイープガス、ｆが燃料、ｉｎが流入口、ｏｕｔが流出口を示す。Ｃ_O2は燃料中の酸素濃度であり、Ｄ_O2はスイープガス中の酸素の拡散係数、Ｌはチャンネル／層の厚さ、Ｚはチャンネルの長さ、ｂはチャンネルの幅、Ｈは熱力学的拡散係数である。

半径ｒ_Pの微細孔４２における燃料Ｆ_cの毛管力より低い値に、膜を挟んだ圧力差を維持することによって、燃料は多孔質膜３６の微細孔４２を通して流れることが防止される。その圧力差は、スイープガスが微細孔４２を通して燃料内で泡立つことを防止するために、燃料側の圧力よりも低いスイープガス側の圧力を供給する働きもする。

両者が互いに逆に流れる配置においては、多孔質膜３６を挟んだ最大の圧力差は、燃料の入口にある（図４）。従って、最も大きな膜微細孔４２の燃料半月体を確実に入口に位置させれば、スイープガスへの燃料漏れは確実に最小になるであろう。よって、

室温では、ケロシン(kerosene)の表面張力σは２５ダイン／ｃｍまたは０．０２５Ｎｍ^-1である。テフロン（登録商標）ＡＦ−２４００膜上のＪＰ−８に対して、また微細孔の最大半径ｒ_Pが１ミクロでンある場合に対して、接触角θは約１４０°であり、１０ｋＰａの圧力差によって燃料がスイープガスに漏れるのが防止される。改善性能の利益を得るため、一般には、燃料と多孔質膜の間の接触角が垂直でないのが望ましく、接触角θは９０°より大きいことが最も望ましい。

図５を参照すると、脱酸システム１４は、燃料回路とスイープガス回路の間にガス／燃料接触器３４ａを含む。燃料はスイープガスに対し順方向または逆方向に流れる。ガス／燃料接触器３４ａ下流の比較的高い酸素量を含むスイープガスは、リサイクルブロワ４４及びパージシステム４８を通して酸素を一掃され、また、純粋窒素がスイープガス貯留槽４６からスイープガス回路に加えられ、ガス／燃料接触器３４ａに戻る酸素の低濃度（Ｃ_O2 ^S）が維持される。本システムにおける膜を挟んだ酸素の駆動力は、次の式によって計算される。

図６を参照すると、脱酸システム１４ｂは、ガ燃料回路とスイープガス回路の間にガス／燃料接触器３４ｂを含む。いくつかの状況では、スイープガスは膜３６を通して漏れる燃料を吸収することが可能である。それ故、スイープガス回路からの窒素流出４８は、スイープガスと酸素の混合ガスから燃料を分離するための燃料濃縮システム５０で凝縮される。そして、濃縮システム５０からの凝縮燃料が、燃料貯留槽１６に返され、混合ガスが放出される。その代わりに、あるいはそれに加えて、燃料濃縮システム５０からの混合ガスはスイープガス貯留槽４６に送られる。

図７を参照すると、脱酸システム１４ｃは、燃料回路とスイープガス回路の間にガス／燃料接触器３４ｃ１、３４ｃ２、．．．、３４ｃｎを含む。燃料回路に沿った燃料−オイル熱交換サブシステムなどの複数の燃料交換部Ｑ１、Ｑ２、．．．Ｑｎに対する冷媒として燃料が利用されるのにつれて、ガス−燃料接触器３４ｃ１、３４ｃ２、．．．、３４ｃｎを、燃料温度を連続的に昇温させるように操作するのが望ましい。燃料温度を昇温させることにより、燃料における酸素溶解度の減少（Ｈ_fuel-N2の減少）によって酸素除去が促進され、燃料／膜における酸素の拡散係数（Ｄ_O2,Ｄ_m）が増加し、よって酸素の除去のための高い駆動力及び／または低体積システムが提供される。

昇温した燃料温度は、燃料の動作温度に一様に比例する好ましい熱力学効果に起因して、直接、ガス−燃料接触器体積の増加に変わる。複数の熱交換部Ｑ１〜Ｑｎにおいて燃料を加熱することにより、複数の連続した燃料−ガス接触器３４ｃ１、３４ｃ２、．．．、３４ｃｎが、各熱交換段階の出口で燃料中に含まれる酸素量に応じてコーキングを発生させることなく、より高温に燃料を加熱することを可能にする。即ち、前の方の熱交換部を冷却するのに利用された後には、燃料温度がより高くなるが、より高い温度の燃料は、一様に同等な酸素低減を達成する次の段階では、より小さな燃料ガス接触器を必要とする。従って、燃料が燃料システムを通して流れるのにつれて、燃料は次第に脱酸され、昇温される。

特定の一連ステップが示され、説明され、主張されたが、そのステップが、別段の指示がなければ、いかなる順序、分離、または組合せにおいても遂行でき、依然として本発明の利益を享受できる、ということを理解すべきである。

以上の説明は、内部の限定によって定義されるというよりは、むしろ模範的である。上記の教示に照らして、本発明の多くの修正と変更が可能である。本発明の好適な実施の形態が開示されたが、しかしながら、この技術分野の当業者ならば、一定の修正が本発明の範囲内に含まれることを理解するであろう。従って、添付の特許請求の範囲内で、本発明において特に記述されたのとは別の実施が可能であるということが理解されるべきである。その理由のため、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲と内容を決定するために検討されるべきである。

本発明によるエネルギー変換装置（ＥＣＤ）、及び燃料脱酸を利用した関連する燃料システムの概略全体ブロック図である。 脱酸システムのブロック図である。 本発明の脱酸システムのブロック図における燃料チャンネルとスイープガスチャンネルの間の自己回復型の酸素透過性の多孔質膜を示す拡張図である。 脱酸装置の長さ方向に沿った圧力分布のグラフ表示であり、燃料入り口の箇所での膜を挟んだ最大圧力勾配を表す。 本発明の脱酸システムのブロック図である。 燃料濃縮サブシステムを有する脱さんシステムのブロック図である。 本発明の段階式脱酸システムのブロック図である。

符号の説明

１０ 燃料システム
１２ エネルギー変換装置（ＥＣＤ）
１４、１４ｂ、１４ｃ 脱酸システム
１６ 燃料貯留槽
１８ 熱交換システム
２０ 燃料ポンプ
２２ 燃料貯留導管
２４ 弁
２６ 燃料入口
２８ スイープガスシステム
３０ 燃料出口
３２ 脱酸燃料導管
３４、３４ａ、３４ｂ ガス／燃料接触器
３４ｃ１、３４ｃ２、．．．、３４ｃｎ ガス／燃料接触器
３６ 多孔質膜
３８ 燃料チャンネル
４０ スイープガスチャンネル
４２ 微細孔
４４ リサイクルブロワ
４６ スイープガス貯留槽
４８ パージシステム
５０ 燃料濃縮システム

Claims (22)

1. 燃料チャンネルと、
   酸素受け取りチャンネルと、
   前記燃料チャンネル及び前記酸素受け取りチャンネルに連結する酸素透過性の多孔質膜と、を含む燃料システム。
2. 前記酸素透過性の多孔質膜は、前記燃料チャンネルと前記酸素受け取りチャンネルとにほぼ平行である請求項１に記載の燃料システム。
3. 前記酸素透過性の多孔質膜は前記燃料チャンネルに対し垂直以外の角度となっている請求項１に記載の燃料システム。
4. 前記酸素受け取りチャンネルは不活性ガスを伝達する請求項１に記載の燃料システム。
5. 前記燃料チャンネルは溶解酸素を含む液体燃料を伝達し、前記酸素透過性の多孔質膜は、液体燃料から溶解酸素を分離する動作ができるようになっている請求項１に記載の燃料システム。
6. 前記酸素透過性の多孔質膜は支持されていない請求項１に記載の燃料システム。
7. 前記燃料チャンネルは第１の方向に液体燃料を伝達し、前記酸素受け取りチャンネルは前記最初の方向とは反対の方向にガスを伝達する請求項１に記載の燃料システム。
8. 酸素透過性の多孔質膜を挟んだ圧力差をさらに有し、前記圧力差が前記酸素透過性の多孔質膜の微細孔内における燃料の毛管力より低い請求項１に記載の燃料システム。
9. 前記酸素受け取りチャンネルはスイープガスを含む請求項１に記載の燃料システム。
10. 前記酸素受け取りチャンネルは真空を含む請求項１に記載の燃料システム。
11. 燃料チャンネルと、
    酸素受け取りチャンネルと、
    前記燃料チャンネル及び前記酸素受け取りチャンネルに連結するガス／燃料接触器と、を含む燃料システム。
12. 前記酸素受け取りチャンネルに連結する燃料濃縮器をさらに含む請求項１１に記載の燃料システム。
13. 前記酸素受け取りチャンネルに連結するスイープガス貯留槽をさらに含む請求項１１に記載の燃料システム。
14. 前記燃料チャンネルと前記酸素受け取りチャンネルとに連結する第２のガス／燃料接触器をさらに含み、前記第２のガス／燃料接触器が前記ガス燃料接触器と直列である請求項１１に記載の燃料システム。
15. 前記第２のガス／燃料接触器は、前記ガス／燃料接触器の燃料温度より高い燃料温度で燃料を受け取る請求項１４に記載の燃料システム。
16. 前記ガス／燃料接触器は、前記燃料チャンネルと前記酸素受け取りチャンネルと連結され支持されていない酸素透過性の多孔質膜を含む請求項１１に記載の燃料システム。
17. （１）溶解酸素を含む液体燃料の流れに隣接して酸素透過性の多孔質膜を設置するステップと、
    （２）酸素透過性の多孔質膜に沿ってスイープガスを流し、前記酸素透過性の多孔質膜を通して酸素を取り出すステップと、
    を含み、燃料システム内から溶解酸素を最小にする方法。
18. 前記ステップ（２）は、液体燃料の流れる方向とは反対の方向にガスを流すステップ、
    をさらに含む請求項１７に記載の方法。
19. 前記ステップ（１）は、前記燃料の流れに対し垂直以外の角度で酸素透過性の多孔質膜を設置するステップ、
    をさらに含む請求項１７に記載の方法。
20. 酸素透過性の多孔質膜を挟んだ圧力差を維持し、前記圧力差が前記酸素透過性の多孔質膜の微細孔内における燃料の毛管力より低くなるようにするステップ、
    をさらに含む請求項１７に記載の方法。
21. 前記酸素透過性の多孔質膜を挟んだ圧力差を維持し、前記圧力差が燃料側の圧力よりも低いスイープガス側の圧力を有するようにするステップ、
    をさらに含む請求項１７に記載の方法。
22. 前記スイープガスを前記酸素透過性の多孔質膜下流の燃料濃縮器に伝達するステップと、
    前記スイープガス内からの燃料を濃縮するステップと、
    をさらに含む請求項１７に記載の方法。
    

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