JP2005273658A - 吸熱型燃料のプロセスにおけるコークスの抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 航空機用の燃料の、吸熱体としての能力を更に増加させ、高いエンジンの作動温度においても、触媒の望ましい反応を妨げるコークスの生成を抑制する吸熱型燃料システムを提供する。
【解決手段】 燃料供給システム２０は、燃料脱酸素装置２２と触媒材料３６を含む触媒モジュール２４とを備える。燃料脱酸素装置２２は、燃料３０から溶存酸素を除去することにより、触媒を汚染し望ましい触媒の反応を妨害する不溶性物質の生成を防止する。これにより、吸熱燃料の利用可能な吸熱体としての能力が増大される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に高速推進システム用、具体的には吸熱反応を受け得る炭化水素系燃料の吸熱体としての能力を増大させるための脱酸素装置及び触媒を含む冷却装置に関するに関する。

航空機に搭載される種々の装置に冷媒として燃料を利用することが良く行われる。
エンジンの作動温度が高くなるほど、サイクル効率と燃費は増加する。
エンジンの作動温度は、燃料の利用可能な吸熱体としての能力によって制約を受ける。
燃料の吸熱体としての能力は、その燃料が、点火特性と燃焼特性を改善するであろう可燃性の産物に吸熱分解されることにより増大され得る。

触媒は、吸熱型燃料が吸熱反応を受けて元の燃料より低い分子量の可燃性産物に分解されることを促進することが知られている。
しかしながら、燃料内の溶存酸素により生ずる熱酸化反応によって、触媒を汚染し、触媒の望ましい反応を妨げるコークスが生成される。

華氏２５０度〜８００度（摂氏約１２１度〜４２７度）の温度では、燃料内の溶存酸素は、コークスの前駆体を形成し、コークスの堆積形成に至る反応を開始し増殖させるように反応する。
華氏８００度（摂氏約４２７度）よりも高い温度では、コークスの堆積形成のメカニズムは、化学的な結合が破壊されてコークスを生成する熱クラッキング（熱分解）反応によって制御される。
燃料内の溶存酸素量を低減することにより、比較的低温ではコークスの堆積が減少し、燃料の吸熱体としての能力が増大する。

脱酸素装置を用いて燃料内の溶存酸素をいかにして除去するかは知られている（例えば特許文献１参照）。
この特許文献１及び本出願人による米国特許出願１０／４０７，００４号明細書は、燃料システム内にガス透過性の薄膜を用いた溶存酸素除去装置を開示する。
燃料がガス透過性の薄膜を通過する際に、燃料内の酸素分子は、このガス透過性の薄膜を横断して燃料外に拡散する。
米国特許第６，３１５，８１５号明細書

ところが、燃料からの溶存酸素の除去によっては、利用可能な吸熱体としての能力は限定的にしか増加されない。
航空機用の燃料における性能向上の要請に応えるためには、利用可能な吸熱体としての能力を更に増加させる必要がある。
従って、高いエンジンの作動温度においても、触媒の望ましい反応を妨げるコークスの生成を抑制する吸熱型燃料システムの開発が望まれる。

この発明は、触媒の望ましい反応を潜在的に妨害する不溶性物質の形成を防止するために、燃料から溶存酸素を除去する燃料の脱酸素装置を備える燃料供給システムであって、これにより、吸熱型燃料の利用可能な吸熱体としての能力を増加させるものである。

前記燃料供給システムは、触媒装置に進入する前に燃料から溶存酸素を除去するための燃料の脱酸素装置を備える。
触媒装置は、利用可能な吸熱特性の増大を伴って、燃料の、好適な可燃性の産物への吸熱分解を開始させる。

燃料の脱酸素装置は、多孔質基板によって支持される透過性薄膜を備える。
前記透過性薄膜の前後では酸素分圧の差が生じる。
そして溶存酸素は、燃料から排出されて取り除かれる。
燃料から溶存酸素を除去することにより、華氏２５０度（摂氏約１２１度）よりも高い温度で形成されることが知られている不溶性物質やコークスの形成が本質的に低減される。

コークスの形成を防止することによって、吸熱分解の開始を妨げるであろう触媒の汚染が防止される。
吸熱分解は、溶存酸素によってコークスの生成を生じる温度よりも十分に高い温度で起きる。
燃料の脱酸素装置は、燃料内の溶存酸素によって、触媒を汚染すると共に燃料の望ましい吸熱分解を妨げる形成コークスが堆積されることを防止する。
更に燃料の脱酸素装置により、燃料の利用可能な吸熱体としての能力の本質的な増加がもたらされ、より高いエンジンの作動温度が許容される。

従って、本発明の吸熱燃料供給システムは、より高温のエンジン作動時での触媒の望ましい反応を妨げるコークスの形成を抑制する燃料の脱酸素装置を備えるものである。

本発明によれば、燃料から溶存酸素を除去することにより、華氏２５０度（摂氏約１２１度）よりも高い温度で形成されることが知られている不溶性物質やコークスの形成を本質的に低減することができる。
また、本発明によれば、コークスの形成を防止することによって、吸熱分解の開始を妨げるであろう触媒の汚染を防止することができる。
また、本発明によれば、燃料の脱酸素装置によって、触媒を汚染すると共に燃料の望ましい吸熱分解を妨げる形成コークスが堆積されることを防止することができる。
更に、本発明によれば、燃料の脱酸素装置によって、燃料の利用可能な吸熱体としての能力を本質的に増加させることができると共に、より高い温度でエンジンを作動させることができる。

本発明の種々の特徴や利点は、以下に詳述される現時点での好適な実施形態から、本技術分野の当業者にとって明らかにされる。

図１において、推進システム１０は、燃料供給システム２０を備える。
燃料供給システム２０は、燃料脱酸素装置２２及び触媒モジュール２４を備える。
また、燃料供給システム２０は、燃料への伝熱を防止することによって、推進システムのコンポーネントや他のシステム２８を直接的且つ間接的に冷却するための熱交換器２６を備える。
推進システム１０は、好適には高速航空機用のガスタービンエンジン、ラムジェット（ramjet）エンジン、あるいはスクラムジェット（scramjet）エンジンである。
しかしながら、本発明の開示の利益を享受する当業者であれば、当該利益を他の公知のエネルギー変換装置に適用可能であることを認識するであろう。
他のシステム２８は、推進システム１０のコンポーネントを冷却するための、抽気（bleed air）や他の液体による冷却装置を備える。

触媒モジュール２４は、燃料の吸熱分解を促進する触媒材料３６を備える。
触媒材料３６は、銅（copper）、クロム（chromium）、白金（platinum）、ロジウム（rhodium）、イリジウム（iridium）、ルテニウム（ruthenium）、パラジウム（palladium）、あるいはこれらの任意の組み合わせによる金属とされ得る。
また、触媒材料３６は、ゼオライト（zeolite）であっても構わない。
本発明の開示の利益を享受する当業者であれば、触媒の具体的な組成として、燃料を好ましい可燃性の産物に分解することを要求されるものであることを理解するであろう。

ゼオライトは、金属に比べて、より活性であり不燃性の産物の生成が少ないので、触媒として好適である。
不燃性の産物の生成がより少なくなる結果、吸熱燃料において、利用可能な吸熱体としての能力が増大する。
特定のタイプのゼオライトは、触媒として燃料を分解することが知られているフォージャサイト（faujasites）、菱沸石（Chabazites）、モルデン沸石（Mordenites）、シリカライト（silicalites）、あるいは他のタイプのゼオライトを含む。

好適には触媒材料３６は、触媒モジュール２４内に配置されたハニカム部材３８上に支持される。
しかしながら、触媒材料は、粒剤（granules）、押出し物（extrudates）、モノリス（monoliths）、あるいは他の公知の触媒担持構造であっても構わない。
触媒材料に要求される反応温度は、華氏１０００度〜１５００度（摂氏約５３８度〜８１６度）である。
反応温度が低くなると、変換量が小さくなり、それゆえ燃料の吸熱能力も低くなる。

触媒モジュール２４は、推進システム１０中の熱を発生する部材に隣接して配置される。
好ましくは、触媒モジュール２４は、エンジンアセンブリ（engine assembly）１０のハウジング１９内に配置される。
推進システム１０によって発生した熱によって、触媒モジュール２４の温度は、燃料の吸熱反応を起こす触媒反応の開始に必要な温度まで上昇される。

触媒モジュール２４の温度は、燃料自身の温度によっても上昇され得る。
触媒モジュール２４を通過する燃料は、他のシステムからの熱を吸収するために利用される。
この吸収された熱によって、触媒モジュール２４の温度は、最適な動作を提供する温度まで上昇される。
更には、他の手段あるいはデバイスによって触媒モジュール２４を加熱することも本発明の企図するところである。

燃料は、その吸熱能力により、航空機のクーラントとして長い間使用されている。
化学的な反応を伴わないで吸熱する能力は、燃料の物理的な吸熱として知られている。
かかる物理的な吸熱は、熱の存在下において溶存酸素が燃料の成分と反応する結果として生成される不溶性物質の形成によって制限される。

燃料内の溶存酸素の量と関連性のある不溶性物質の形成は、触媒の反応に要求される温度よりも低い温度で発生する。
不溶性物質が生成することによって、触媒材料３６上にコークスの堆積層が生じるという問題がある。
コークスの堆積層によって、燃料の相当の部分が触媒材料３６と接触することが妨げられ、それにより、望ましい触媒の反応も妨げられる。
本発明の燃料供給システム２０は、燃料から相当な量の溶存酸素を除去する燃料脱酸素装置２２を備える。
溶存酸素を除去することによって、典型的には華氏８００度（摂氏約４２７度）より低い温度で形成されるコークスの堆積が遅延される。
温度が上昇されると、触媒の反応によって、燃料が好ましい燃焼特性及びより大きな吸熱能力を有する望ましい成分への分解が開始される。

本発明による燃料脱酸素装置２２'の概略図である図２に示されるように、この燃料脱酸素装置２２'は、ハウジング４０内に配置される複数のチューブ４２を備える。
燃料３０は、入口４４から出口４６に向けてチューブ４２の周囲を流れる。 チューブ４２は、燃料３０内に溶解された酸素分子を吸収する複合された透過性の薄膜４８を備える。 チューブ４２を通過して流れるストリップガス（strip gas）５０は、複合された透過性の薄膜４８の前後で分圧差を生じさせ、この分圧差によって、燃料３０からチューブ４２の中へ溶存酸素が引き付けられ、ストリップガス５０と共に出される。
そして、酸素はストリップガス５０から除去され、システム２０から排出される。
ストリップガス５０は、燃料脱酸素装置２２'内をリサイクルされる。
脱酸された燃料は、出口４６から外に出され、この脱酸された燃料３０を伴って触媒反応を行うために触媒モジュール２４内に至る。

本発明による他の燃料脱酸素装置２２"の概略図である図３に示されるように、この燃料脱酸素装置２２"は、上下に積層された一連の燃料プレート５２を備える。
複合された透過性の薄膜４８は、燃料通路５４の一部を画成するように各燃料プレート５２の上に配される。
燃料は、入口５６から出口５８を通じて流出される。
開口部６０は、真空源６２に向けて開口される。
燃料３０は、積層された燃料プレート５２によって構成される燃料通路５４内を流れる。
燃料プレート５２は、入口５６及び出口５８を構成するハウジング５５内に配置される。
燃料プレート５２を用いれば、燃料プレート５２を適宜増減することによって、燃料脱酸素装置２２"を種々のアプリケーションに適合させ得る。
燃料脱酸素装置が記述されているけれども、このアプリケーションの利益を享受する当業者であれば、他の構成の燃料脱酸素装置も本発明の企図するところであることを理解するであろう。

図４に断面図として示されるように、複合された透過性の薄膜４８は、好適には、多孔部材６４上に配置される透過層６２を備える。
多孔部材６４は、燃料からの酸素拡散を最大限許容すると共に、必要とされる透過層６２の支持部材としても機能する。
透過層６２は、この多孔部材６４上にコーティングされると共に、２つの多孔部材６４の機械的な接着層として形成される。
透過層６２は、好適には、０．２５μｍの孔径を有するポリビニリデンフッ化物（ＰＶＤＦ）を０．００５インチ（約０．１３ｍｍ）の厚さとした多孔部材６４上に形成された０．５μｍ〜２０μｍのテフロン（登録商標）ＡＦ２４００のコーティング層である。
必要な強度と開口性を満足すれば、異なる材料の支持部材、厚さ及び孔径とすることもできる。

好適には、透過層６２は、デュポン製のテフロン（登録商標）ＡＦアモルファスフッ素重合体であるが、当業者にとって公知の他の材料、例えばソルベーハイフロンＡＤペルフルオロ化ガラス質重合体や旭ガラス製サイトップ（登録商標）ペルフルオロブテニルビニルエーテルのような物も本発明の企図するところである。
それぞれの複合された透過性の薄膜４８は、多孔質基板６６によって支持される。
この多孔質基板６６は、複合された透過性の薄膜４８の前後で酸素分圧の差を生じるように真空源６２と連通されている。

装置が作動している際には、透過性の薄膜４８の、燃料に接していない側６８と燃料に接している側７０との間では、真空源６２によって差圧が生じている。
図４において矢印７２で示されるように、酸素は燃料３０から複合された透過性の薄膜４８を横断して拡散され、多孔質基板６６に至る。
そして、酸素７２は、多孔質基板６６から燃料システム２０の外部に放出される。

次に図５を参照すると、触媒モジュール２４は、推進システム１０のハウジング１９内に取り付けられる。 推進システム１０から発生する熱によって、触媒材料３６及びその中を流れる燃料３０は、望ましい触媒反応を促進する温度まで加熱される。
燃料の触媒反応によって燃料の吸熱能力が増加され、好ましい可燃性物質が生成される。

推進システム１０が初期起動されている間のように温度がより低い際には、脱酸素装置２２において溶存酸素が除去されることにより、コークスの形成が防止される。
都合の良いことに、燃料から溶存酸素を除去しなくても、コークスの堆積は、燃料システム２０の内部コンポーネント上で生じる。
この燃料システム２０は、触媒モジュール２４内に配置されたハニカム部材３８を備える。
このような理由により、吸熱分解燃料を提供する触媒は、実用的に広く用いられてはこなかった。

本実施の形態によれば、燃料脱酸素装置２２を用いることにより、より低温での触媒材料３６の汚染が防止され、吸熱燃料の吸熱体としての能力が増加する上昇された温度における有利な触媒反応を可能ならしめる。
吸熱体としての能力が増加されることによって、推進システム１０は、より高い温度及びより高い効率で作動され得る。

以上の記述内容は例示に過ぎないものであって、これに限定されるものではない。
本発明は図示的な態様で記述されており、使用されている用語は、限定的に解釈するのではなく、その用語が本来有する意味内容で解釈されるべきである。
上述した教示内容に照らせば、本発明の様々な改変が可能である。
本発明の好適な実施例が開示されてはいるが、本技術分野における通常の知識を有する者であれば、一定の改変は、本発明の技術的範囲に含まれることが理解されるであろう。
特許請求の範囲内で、本発明は特に明記した以外に実施し得ることを理解されたい。
従って、特許請求の範囲が、本発明の真の技術的範囲と内容を決定するために勘案されるべきである。

本発明による推進システム及び燃料供給システムの概略図である。 本発明による燃料脱酸素装置の実施例の概略図である。 本発明による燃料脱酸素装置の他の実施例の概略図である。 本発明による透過性薄膜の概略図である。 本発明による触媒及び燃料脱酸素装置の概略図である。

符号の説明

１０ 推進システム
２０ 燃料供給システム
２２，２２'，２２" 燃料脱酸素装置
２４ 触媒モジュール
３０ 燃料
３６ 触媒材料
４２ チューブ
４８ 薄膜
５２ 燃料プレート
６２ 透過層
６４ 多孔部材
６６ 多孔質基板

Claims (28)

1. エネルギー変換装置と、
   燃料を調整するための触媒に向けて流れる前記燃料から溶存気体の一部を除去するための燃料脱酸素装置を具備する燃料供給システムとを備える推進システム。
2. 前記燃料脱酸素装置が、燃料通路を通過する前記燃料と接触する透過性薄膜を備えることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記透過性薄膜の燃料と接触される側には、ポリテトラフルオロエチレンのコーティングを備えることを特徴とする請求項２に記載のアセンブリ。
4. 前記透過性薄膜の燃料と接触されない側を支持する多孔質基板を備えることを特徴とする請求項２に記載のアセンブリ。
5. 前記透過性薄膜の、燃料に接している側と燃料に接していない側との間で差圧を生じさせ、前記燃料通路を通じて燃料から溶存気体を取り出すデバイスを備えることを特徴とする請求項４に記載のアセンブリ。
6. 前記触媒が、発熱素子に対して露出されることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
7. 前記触媒が、この触媒中を流れる燃料によって加熱されることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
8. 前記触媒が取り付けられるハウジングが前記推進システムに隣接して設けられることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
9. 前記触媒が金属を含むことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
10. 前記触媒がゼオライトを含むことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
11. 前記触媒が前記燃料の吸熱分解を開始させることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
12. 燃料から溶存気体の一部を除去するための燃料脱酸素装置と、
    該燃料脱酸素装置から流出した燃料を受け入れる触媒とを備える推進システム用の燃料供給システム。
13. 前記燃料脱酸素装置が、燃料通路を通過する前記燃料と接触する透過性薄膜を備えることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 前記透過性薄膜の燃料と接触される側には、アモルファスフッ素重合体のコーティングを備えることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 前記透過性薄膜の燃料と接触されない側を支持する多孔質基板を備えることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
16. 前記透過性薄膜の、燃料に接している側と燃料に接していない側との間で差圧を生じさせ、前記燃料通路を通じて燃料から溶存気体を取り出すデバイスを備えることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
17. 前記触媒が前記燃料の吸熱分解を開始させることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
18. 前記触媒が金属を含むことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
19. 前記触媒がゼオライトを含むことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
20. 前記触媒が前記推進システムの発熱素子に隣接して設けられることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
21. 前記触媒が、この触媒中を流れる燃料によって加熱されることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
22. ａ） 燃料から溶存酸素を除去するステップと、
    ｂ） 前記溶存酸素を除去した後に、燃料の触媒反応を開始させるステップとを具備する推進システム用の吸熱燃料のコークス形成を防止する方法。
23. 前記燃料から溶存酸素を除去することにより、触媒材料上の不溶性物質の形成を防止するステップを具備することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 燃料の吸熱分解を促進する温度まで前記触媒を加熱するステップを具備することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
25. 前記燃料から好適な可燃生産物が形成されるように前記燃料を分解させるステップを具備することを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 分解後の前記燃料が、分解前の前記燃料よりも大きな吸熱体としての能力を有することを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. 透過性薄膜の前後で差圧を生じさせ、前記燃料がら酸素を拡散させるステップを具備することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
28. 前記透過性薄膜を多孔質基板上に支持させると共に、前記燃料から前記多孔質基板を通じて拡散された酸素を取り出すステップを具備することを特徴とする請求項２７に記載の方法。
    

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