JP2006314993A - 燃料酸素除去器アッセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】コークスの形成を抑制するように溶存酸素を燃料から除去する透過性膜システムを提供する。
【解決手段】酸素除去器１０は、ハウジング１２内の軸１５に沿った排気管１４と、管１４の周囲にらせん状に巻かれた透過性膜２２と、を備える。膜２２は、第１および第２の端部２４，２６を備える。膜２２は、膜スペーサ４２と燃料スペーサ４４との間に配置される。膜スペーサ４２により溶存酸素３８用の排気通路３０が画定され、酸素３８が管１４に向かって移動し除去器１０から流出する。燃料スペーサ４４により燃料通路２８が画定され、燃料が入口１８から出口２０へと軸方向に流れる。燃料通路２８内の燃料から酸素３８を抜き出すように、真空源４０により酸素分圧差が膜２２に亘って生じる。酸素３８は、管１４の開口部３４を通り開口端部３２から流出する。シール５４により排気通路３０の軸方向端部がシールされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料から溶存酸素を除去する方法および装置に関し、特に、液体炭化水素燃料から溶存酸素を除去するらせん状に巻かれた膜に関する。

燃料は、エネルギー変換装置の種々のシステム用の冷媒として利用され得る。しかし、燃料の温度を上昇させると、酸化反応が生じる速度も上昇する。特定の燃料の有効な冷却能力は、コークスの形成および堆積により制限され、これは、前もって空気にさらされることにより燃料内に含まれた溶存酸素の量によって異なる。燃料内の溶存酸素の量を減少させることにより、エネルギー変換装置の燃料供給システム内に形成されるコークスが減少する。

燃料内に存在する溶存酸素の量を減少させることにより、不溶性の生成物の形成（コークまたはコーキングと呼ばれる）が減少する。燃料内の溶存酸素量を減少させることにより、コークスの堆積速度が減少し、最大許容温度が増す。換言すると、燃料内の溶存酸素量が少ないほど、コークスの堆積の問題が生じるまでの温度が高くなる。脱酸素の程度は、その後の燃料の加熱量により異なるが、多くの燃料においては、コークスの堆積を抑制するために、溶存酸素の濃度を約２ｐｐｍ（約２ｍｇ／ｋｇ）以下または飽和濃度の約３％に減少させることが好ましい。中程度の温度では、あまり高い程度の脱酸素が要求されないが、高温（８００°Ｆ（約４２６°Ｃ）まで）で作用する燃料においては、溶存酸素レベルが２ｐｐｍ以下であることが望ましい。コークス化に対する改良された性能を有する燃料は、通常、より高価であり、添加剤を必要とするため、常に利用することはできない。

溶存酸素を除去する公知の装置は、燃料システム内に配置されたガス透過性の膜を備える。燃料は透過性膜に沿って流れ、該燃料中の酸素分子は、膜に溶け込み、膜に亘って拡散して除去される。透過性膜に亘る真空ないし酸素分圧差により、燃料から酸素が取り除かれる。燃料は、影響を受けずに膜上を通過する。

認識されているように、透過性膜は、製造が困難であるとともに、サイジングや経済的な要因により、サイズや構造が制限されてしまう。性能は間隔や幾何学形状に大きく依存しており、したがって、予測が困難となるため、束状の膜はスケールの拡大縮小が困難である。また、高圧は膜の構造に関する問題である。さらに、スペースや重量は、あらゆるシステムにとって重要な要因であるため、スペースおよび重量が減少することは、作動に対する直接的な利点となり得る。

したがって、コークスの形成を抑制するのに必要なレベルまで溶存酸素を燃料から除去することが可能な透過性膜のシステムを設計することが望ましい。さらに、透過性膜のシステムが、効果的にスペースを利用し、重量を減少し、容易にスケールの拡大縮小が可能であり、予測どおりに作動し、かつ経済的に製造可能であるように、該システムを形成することが望ましい。

本発明は、排気管の周囲にらせん状に巻かれた複数の透過性膜を備えるとともに、炭化水素燃料から溶存酸素を除去する酸素除去器に関する。

例示的ならせん状に巻かれた燃料酸素除去器は、ハウジング内に設けられた排気管を備える。ハウジングにより、燃料流の入口および出口が画定される。複数の透過性膜により、排気管の周囲がらせん状に覆われる。複数の透過性膜は、燃料通路および排気通路を形成するように互いに対応する。

各燃料通路が排気通路の各々の側に隣接するように、燃料通路および排気通路は交互に並んでいる。燃料通路内の燃料から溶存酸素を引き出すように、透過性膜を横切って酸素分圧差が生じる。次いで、溶存酸素は排気管の外周に設けられた開口部を通って開口端部から流出する。

各透過性膜は、膜スペーサと燃料チャネルスペーサとの間に配設される。膜スペーサにより、溶存酸素が排気管に向かって移動し酸素除去器から流出するように、溶存酸素用の排気通路が画定される。燃料チャネルスペーサにより、燃料通路が画定され、その中を通って燃料流が酸素除去器を入口から出口に向かって軸方向に流れる。

透過性膜は、テフロンＡＦアモルファスフルオロポリマーまたはポリテトラフルオロエチレンなどを備える。

したがって、本発明の酸素除去器により、コークスの形成を抑制するのに要求されるレベルまで燃料から溶存酸素を除去するとともに、スペースを有効利用し、重量を減少させ、容易にスケールの拡大縮小が可能であり、予測可能に作動するように構成可能であり、経済的に製造可能な透過性膜システムが提供される。

図１を参照すると、らせん状に巻かれた燃料酸素除去器１０は、ハウジング１２内の軸１５に沿って設けられた排気管１４を備える。ハウジング１２により、燃料流１６の入口１８および出口２０が画定される。入口１８に流入する燃料流１６には、ある程度の溶存酸素が含まれている。透過性膜２２は、排気管１４の周囲にらせん状に巻かれている。例示的ならせん状の膜２２は、排気管１４に取付けられた第１の端部２４と、排気管１４の周囲にらせん状に巻かれた第２の端部２６と、を備えたシートからなる。例示的な酸素除去器１０は、燃料通路２８および排気通路３０を形成するように互いに対応する複数の透過性膜２２を備える。

各燃料通路２８が排気通路３０の各々の側に隣接するように、燃料通路２８および排気通路３０は交互に並んでいる。燃料通路２８内の燃料から溶存酸素３８を抜き出すように、酸素分圧差が透過性膜２２を横切って生じる。例示的な実施例においては、酸素分圧差は、真空源４０によって引き起こされる。溶存酸素３８は、排気管１４の外周に設けられた開口部３４を通って、開口端部３２から流出する。排気通路３０をシールするように、シール５４が酸素除去器１０の各軸方向端部に設けられる。したがって、酸素除去器１０から流出する燃料１６は、流入時の燃料１６より実質的に少ない溶存酸素を含んでいる。

各透過性膜２２は、膜スペーサ４２と燃料チャネルスペーサ４４との間に配置される。膜スペーサ４２により、溶存酸素３８が排気管１４に向かって移動し酸素除去器１０から流出するように溶存酸素３８用の排気通路３０が画定される。燃料チャネルスペーサ４４により、燃料が酸素除去器１０内を入口１８から出口２０に向かって軸方向に流れるように燃料通路２８が画定される。外側ラップ４６により、複数の透過性膜２２が所望の外周を有するアッセンブリとしてハウジング１２内に保持される。図１においては、外側ラップ４６は燃料通路２８に接しているが、真空の通路と接触する場合もある。

図２を参照すると、排気溶存酸素３８は、排気管１４において終端をなしているらせん状に形成された通路内を円周方向に流れる。開口部３４は、排気通路３０と連通して配置されているが、燃料通路２８とは連通していない。膜スペーサ４２により単一のらせん形状の排気通路３０が画定されるように、透過性膜２２の第２の端部２６は封止される。らせん形状の排気通路３０は、第２の端部２６から始まり、排気管１４の表面において終端をなし複数の開口部３４の１つと連通するように排気管１４の周囲を覆っている。

燃料通路２８は、燃料スペーサ４４により透過性膜２２の間に画定される。燃料は、酸素除去器１０に亘る燃料通路２８内を軸方向に流れる。溶存酸素３８が燃料から抜き出されて透過性膜２２を通って排気通路３０に流入するように、燃料通路２８内の燃料は透過性膜２２に接して流れる。

次に図３を参照すると、燃料通路２８は、燃料スペーサ４４により画定される。例示的な燃料スペーサ４４は、燃料の流れを導く複数のバッフル（邪魔板）４８を備える。燃料からの溶存酸素３８の移動が向上するように、燃料流１６はバッフル４８により対向する透過性膜２２に向かって交互に方向づけられる。燃料と透過性膜２２の面との接触を最適化することにより、向上した酸素の移動が促進される。例示的なバッフル４８は、Ｌ字型であり、酸素除去器１０の軸１５に対して横方向（直交方向）に燃料流を方向付ける湾曲面を備える。横方向の流れにより、透過性膜２２との接触が促進され、それにより、酸素除去器１０の効率が増す。好ましい実施例においては、例示的なスペーサ４４は、シート状のプラスチック材料から形成され、隣接する透過性膜２２のシートとの間で層をなしている。例示的なバッフル４８の形態について示しているが、燃料と透過性膜２２との接触を促進する他の形状および形態が本発明の意図する範囲内にある。

排気通路３０は、膜スペーサ４２により画定される。膜スペーサ４２は、隣接する透過性膜２２の間に所望の間隔をもたらすスクリーンつまり多孔質材からなる。所望の間隔により、排気通路３０の所望の容積が画定される。排気通路３０は、終端において排気管１４の開口部３４と連通する（図２参照）。

真空源４０（図１参照）により、所望の酸素分圧差が生じる。真空源４０は、排気管１４と連通しており、その結果、排気通路３０中に連通している。膜スペーサ４２は、溶存酸素流に対するあらゆる抵抗を最小限にする特性を有する。例示的な膜スペーサ４２は、プラスチック材料から形成される。さらに、当業者であれば、膜スペーサ４２の他の材料および形態が本発明の意図する範囲内にあることを理解されるであろう。

さらに、酸素分圧差を生じさせるようにストリップガスを用いてもよい。したがって、排気管１４は、第２の開口端部を備え、透過性膜２２に隣接する燃料から溶存酸素３８を引き込むようにストリップガスが排気管１４を軸方向に流れてもよい。

次に図４を参照すると、透過性膜２２には、透過性バッキング（裏当て）５２上に配設された透過層５０が含まれる。透過性バッキング５２により、燃料通路２８から最大の酸素拡散が許容されながら、透過性層５０に要求される支持構造が付与される。透過層５０は、透過性バッキング５２上にコーティングされ、透過層５０とバッキング５２との間に機械的な結合が形成される。好ましくは、透過層５０は、テフロンＡＦ２４００からなる０．５μｍ〜２０μｍの厚さのコーティングであり、０．１μｍ〜０．３μｍのポアサイズを有するポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリエーテルイミド（ＰＥＩ）からなる０．００５インチ（約０．１２７ｍｍ）の厚さの多孔性のバッキング５２上に適用される。必要とされる強度および開放性を付与する異なった材料、厚さおよびポアサイズを備える他の支持材を用いてもよい。

透過層５０は、デュポン社（Ｄｕｐｏｎｔ）のテフロンＡＦ、アモルファスフルオロポリマー（無定形フッ素重合体）であることが好ましいが、当業者に周知の他の材料が本発明の意図する範囲内にある。他の材料としては、例えば、ソルベイ社のハイフロンＡＤ過フッ化ガラス状ポリマー（Ｓｏｌｖｅｙ Ｈｙｆｌｏｎ ＡＤ ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｇｌａｓｓｙ ｐｏｌｙｍｅｒ）および旭硝子株式会社のサイトップ、ポリパーフルオロブテニルビニルエーテル（ＣＹＴＯＰ ｐｏｌｙｐｅｒｆｌｕｏｒｏｂｕｔｅｎｙｌ ｖｉｎｙｌ ｅｈｔｅｒ）などが挙げられる。多孔性のバッキング５２は、排気管１４の周囲をらせん状に覆うことができるように可撓性である。

酸素除去器１０は、第１の端部２４が排気管１４に取付けられた複数の透過性膜２２を備える。透過性膜２２は、膜スペーサ４２と燃料スペーサ４４との間で交互に重ね合わされている。燃料スペーサ４４は、各透過性膜２２の透過層５０と接するように配設され、膜スペーサ４２は、対向するバッキング５２の間に配設される。透過性膜２２、膜スペーサ４２および燃料スペーサ４４からなる交互に重ね合わされた層は、排気管１４の周囲において、所望の外周を備えるように巻かれる。次いで、酸素除去器１０の軸１５に近接した排気管１４の開口部３４（第１の端部２４に隣接）だけを通って排気流が流れるように、各透過性膜２２の第２の端部２６は封止される。
排気通路３０をさらに塞ぐように、シール５４により、酸素除去器１０の軸方向端部に隣接した排気通路３０の側部がシールされる。しかし、酸素除去器１０を通る所望の軸方向の燃料流を許容するため、燃料通路２８の軸方向端部はシール５４によりシールされない。らせん状に巻かれた透過性膜２２は、燃料流の入口１８および出口２０を画定するハウジング１２内に収容される。

酸素除去器１０のスケールを拡大縮小するために、透過性膜２２の数量およびサイズを特定用途の要求条件に適応させてもよい。圧力損出を最小限にし、溶存酸素の除去を最大限にするように、または特定設計の外形状内に嵌合するように、酸素除去器１０を所定のサイズにしてもよい。軸の長さを変え、透過性膜２２の長さを変えることにより、あるいは透過性膜２２の数を変え、酸素除去器１０の直径を変えることにより、酸素除去器１０のスケールを変更することができる。

例示的ならせん状に巻かれた酸素除去装置の部分分解図。 例示的ならせん状に巻かれた酸素除去装置を通る燃料および溶存酸素の流れを示す概略図。 例示的な排気通路および燃料通路の一部分の断面図。 例示的な透過性膜の断面図。

符号の説明

１０…酸素除去器
１２…ハウジング
１４…排気管
１５…軸
１６…燃料流
１８…入口
２０…出口
２２…透過性膜
２４…第１の端部
２６…第２の端部
２８…燃料通路
３０…排気通路
３２…開口端部
３４…開口部
３８…溶存酸素
４０…真空源
４２…膜スペーサ
４４…燃料スペーサ
４６…外側ラップ
４８…バッフル
５０…透過層
５２…透過性バッキング
５４…シール

Claims (20)

1. 入口および出口を有するハウジングと、
   前記ハウジング内に配設されるとともに、前記ハウジングから延びる少なくとも１つの開口端部を有する排気管と、
   前記入口と前記出口との間において前記ハウジング内を通る燃料用の第１の通路と、
   前記ハウジング内で前記排気管の周囲にらせん状に巻かれるとともに、前記第１の通路を通って流れる燃料に隣接して配設される透過性膜と、
   前記排気管の少なくとも１つの開口端部に連通する第２の通路であって、前記燃料から前記透過性膜を通して前記第２の通路に溶存酸素を引き込み前記排気管の前記少なくとも１つの開口端部から流出させるように酸素分圧差を生じさせる第２の通路と、
   を備える燃料酸素除去器アッセンブリ。
2. 前記透過性膜が、前記排気管に取付けられた第１の端部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
3. 隣接する透過性膜の間に前記第１の通路を画定する第１のスペーサを備える請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
4. 前記第１のスペーサが、前記第１の通路を通って流れる燃料の撹拌を促進するように前記第１の通路の側面の間に延在する複数の部材を備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
5. 前記透過性膜が前記第１の通路の一部を画定するように、前記第１のスペーサが前記透過性膜のらせん状に巻かれた層の間に挟まれることを特徴とする請求項３に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
6. 隣接する透過性膜の間に前記第２の通路を画定する第２のスペーサを備える請求項３に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
7. 前記透過性膜が、多孔性のバッキング上にフルオロポリマーのコーティングを備える ことを特徴とする請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
8. 前記透過性膜上に設けられたソルベイ社のハイフロンＡＤペルフルオロガラス状ポリマーをさらに備える請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
9. 前記透過性膜上に設けられた旭硝子株式会社のサイトップポリパーフルオロブテニルビニルエーテルをさらに備える請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
10. 前記透過性膜を横切って前記酸素分圧差を生じさせるとともに、前記少なくとも１つの開口端部に設けられた真空源を備える請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
11. 前記酸素分圧差をもたらすように前記多孔性のバッキングと連通するとともに、前記排気管を通るストリップガス流用の第２の開口部を備える請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
12. 前記透過性膜が、テフロンＡＦアモルファスフルオロポリマーを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
13. 前記透過性膜が、ポリテトラフルオロエチレンを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
14. 前記透過性膜の厚さが、約４μｍであることを特徴とする請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
15. 前記透過性膜の厚さが、１μｍ〜４μｍの間であることを特徴とする請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
16. 前記透過性膜の厚さが、４μｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
17. 約９７％以上の溶存酸素が前記燃料通路内の燃料から除去されることを特徴とする請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
18. 前記燃料通路内の燃料が、約２００°Ｆ（約９３．３３°Ｃ）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
19. 前記燃料通路内の燃料が、約１５０°Ｆ（約６５．５５°Ｃ）を超えることを特徴とする請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
20. 約８０％以上の溶存酸素が前記燃料通路内の燃料から除去されることを特徴とする請求項１に記載の燃料酸素除去器アッセンブリ。
    

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