JP2012520170A - サイクロン式分離器 - Google Patents

Abstract

液体燃料タンクと、エンジンと、燃料タンクに流体的に接続される注入口２、エンジン燃料供給システムに流体的に接続される第１の排出口、及び第２の排出口４を有する、サイクロン式分離器１とを備える、燃料システム。サイクロン式分離器１は、第１の排出口３から比較的より高密度の物質と、第２の排出口４から比較的より低密度の物質とを吐出するように構成される。燃料システムは、サイクロン式分離器を使用して、タンクの中の液体燃料を、水を多く含む燃料及び精製燃料に分離することによって、燃料タンクから水又は氷を除去するように使用してもよい。水を多く含む燃料は、水が燃料とともに燃焼されるエンジンへ吐出される。サイクロン式分離器１は、既存の燃料システムに組み込まれてもよい。燃料システムは、航空機の中にあってもよい。

Description

本発明は、サイクロン式分離器を含む燃料システムに関する。また、燃料タンクから水又は氷を除去する方法及び燃料システムにサイクロン式分離器を設置する方法に関する。

水は、燃料における不可避の混入物質である。水は、燃料システム中の成分に影響し、運用の遅延及びメンテナンス作業の増大を引き起こし得る。加えて、微生物汚染の傾向は、水の存在及び燃料タンク内の温度に直接比例する。

水は、陸又は水を基盤とする車両の燃料システムに影響する場合があるが、航空機の燃料システムで特に問題である。水は、燃料補給中に航空機の燃料タンクの中に積み込まれた燃料から（溶存水）、及びその通気システムを介して航空機の燃料タンクに進入する空気から、航空機の燃料タンクに進入する場合がある。外気への通気システムは、通常、航空機の上昇及び降下中に、燃料タンク内の圧力を正常化するために必要とされる。

燃料中の水の溶解性は、温度の低下とともに減少するため、燃料の温度が低下するにつれて、航空機の巡航中、燃料からの水の溶解が発生する。これによって、ミクロン単位の小さな液滴が形成される。液滴は、燃料の中で懸濁したまま、燃料の中にほぼ均質のもや又は霧のような現象を作り出す。水滴は、航空燃料の密度（約８００ｋｇ／ｍ³）に類似の密度（約１０００ｋｇ／ｍ³）を有する。水滴サイズ、ならびに水滴及びに周囲の燃料の関連密度は、液滴の沈降速度を判定する、鍵となるパラメータである（ストークスの法則）。沈降速度は、液滴の半径の２乗に比例する。ミクロン単位の液滴のサイズでは、液滴がタンクの底に沈降するのに長い時間がかかる。密度の差は有意ではあるが小さく、この場合、液滴の遅い降速度を判定する主因はそのサイズである。懸濁した水滴を伴う燃料がエンジンに供給され、そこで燃料とともに燃焼される。しかしながら、懸濁水が低濃度であることは、燃料システムからの水の除去速度が遅いことを意味する。

航空機の飛行の巡航フェーズ中に、燃料タンク内の温度が低下すると、懸濁した水滴は氷を形成する「雪」に変わり得る。氷の密度（約９００ｋｇ／ｍ³）は水滴より燃料の密度にさらに近いため、雪は燃料タンクの底に沈むのにさらに長い時間がかかる。

加えて、燃料の中のもや又は霧のような現象は、十分な自然対流が燃料タンクの中に確立されると一掃される傾向がある。より冷たいタンク構造及び表面からの自然対流によって運ばれる、より乾燥した（不飽和）燃料は、懸濁した水滴を再分解する。自然対流によって飽和燃料が運ばれ、冷たいタンク表面と接触し、燃料から水の分解によって冷たい表面に凝縮をもたらす。凝縮は、燃料タンクの壁を下方へ動き、タンクの底にたまりとなって集まる傾向がある。航空機が着陸すると、これらのたまりから水を排水することができるが、これには時間がかかり、費用も高く、運用効率の損失につながる。

米国特許第４０８１３７３号は、サイクロン式分離器及び水コアレッサが燃料システム内で接続するシステムについて記載している。燃料タンクからの燃料は、強烈なサイクロンのような螺旋の中へと燃料を回転させる、サイクロン式分離器の中へ供給され、遠心力によって、燃料不純物の濃縮物から比較的純粋な燃料を分離する。組み合わされたサイクロン式分離器及び水コアレッサは、「純化された」燃料を燃料タンクに返送し、燃料不純物の混合物は、補助分離器に供給される。補助分離器は、さらに「純化された」燃料を燃料タンクに返送し、水‐個体（不純物）スラッジは分離され、周期的に排出される。不純物スラッジは、大気中又は収集容器のいずれかに排出される。収集容器が使用される場合、これは依然として、航空機が着陸する時に排出される必要がある。大気中に排出する場合には、好適な排出システムが必要とされ、それによって、重量、メンテナンス費用などが燃料システムに追加され、排出口の着氷問題につながり得る。

米国特許第４０８１３７３号

本発明の第１の態様は、液体燃料タンクと、エンジンと、燃料タンクに流体的に接続される注入口、エンジン燃料供給システムに流体的に接続される第１の排出口、及び第２の排出口を有する、サイクロン式分離器とを備え、サイクロン式分離器は、第１の排出口から比較的より高密度の物質と、第２の排出口から比較的より低密度の物質とを吐出するように構成された燃料システムを提供する。

発明の第２の態様は、燃料タンクから水又は氷を除去する方法であって、燃料タンクの中の液体燃料を提供することと、サイクロン式分離器を使用して、タンクの中の液体燃料を、水を多く含む燃料及び精製燃料に分離することと、水を多く含む燃料をエンジンへ吐出することと、を含む、方法を提供する。

本発明の第３の態様は、燃料システムにサイクロン式分離器を設置する方法であって、燃料システムは、液体燃料タンク及びエンジンを備え、サイクロン式分離器は、注入口、第１の排出口、及び第２の排出口を有し、サイクロン式分離器は、第１の排出口から比較的より高密度の物質、及び第２の排出口から比較的より低密度の物質を吐出するように構成され、方法は、注入口を燃料タンクに流体的に接続することと、第１の排出口をエンジン燃料供給システムに流体的に接続することとを含む、方法を提供する。

また、固体を液体から分離するための、又は異なる密度（若しくは少なくとも濃度）の液体を分離するためのサイクロン式分離器は、液体遠心分離機又はハイドロクロンとしても知られている。

運転中、燃料の中に自然発生し、かつ燃料より密度の高い水又は氷は、エンジンに供給して燃焼することができる、水を多く含む燃料混合物を形成するように、サイクロン式分離器によって分離されるか、又は少なくとも濃縮される。サイクロン式分離器の第２の排出口から出る、より低密度の精製燃料は、好ましくは、燃料タンクの中に戻して供給される。水を多く含む燃料混合物中の水の濃度は、好ましくは、タンク中の燃料の濃度より数桁高く、そのため、水は本発明の燃料システムによって、燃料タンクからより素早く除去される。水をタンクから除去することによって、単に凝縮をタンクの中に戻して分散させるよりむしろ、タンク中の水の濃度が低く保たれ、タンク内の水の凝縮に関連する問題が防止され、さらに低温にも保たれる。

航空機燃料システムとの関連で、他の手段によって凝縮が最も発生しやすい時に水を除去するためには、飛行の巡航部分の間に、タンク内の最低温度に遭遇するため、好ましくは、サイクロン式分離器は巡航中に操作される。水が燃料の中に懸濁している時に、水を除去するのが好ましい。凝縮が発生し、水滴がより大きな液滴、たまり、及び膜に合体すると、燃料の温度が上がり、燃料中の水の溶解性が増大する時でさえ、水は燃料の中で容易には再分解されない。水除去経路などのさらなるデバイスは、水がタンク内で凝結したまりを作ることを可能にしなくてはならない場合に必要とされる場合があり、重量及び費用の増加につながる。初めは、水を多く含む燃料中の水の濃度が、タンク中の濃度よりもかなり高いため、水の除去速度は最初速い場合があるが、タンク中の燃料の含水量が減少するにつれ、速度は減少する。サイクロン式分離器の動作開始時に、水を素早く除去することによって、タンクの最低温度に達する前に、タンク中の水の蓄積を最小化する。サイクロン式分離器は、好ましくは巡航中に操作されるが、飛行のいかなる段階（地上走行、離陸、巡航、又は着陸）中に操作してもよい。例えば、水は、ジェットポンプによって、飛行の初期段階（地上走行及び離陸）中に燃料タンクサンプから誘導経路の中へと誘導され、サイクロン式分離器への動力流れで吐出されてもよい。

サイクロン式分離器の注入口は、好ましくは、水又は氷が、好ましくは懸濁状態のまま集まる傾向がある燃料タンクの領域から、燃料及び水若しくは氷の混合物を同伴するように構成された燃料供給経路に接続される。燃料が燃料供給経路に流入する時、混合物は流れの中に同伴される。供給経路は、混合物が燃料の流れに同伴されるように流れる、多孔質表面を含んでもよい。多孔質表面は、燃料供給経路壁の中の格子、メッシュ、又は一連の穴であってもよい。

燃料供給経路は、好ましくは、燃料ポンプに接続されるか、又は燃料を送達するための加圧システムの一部を形成する。ポンプは、ジェットポンプなどであってもよい。

エンジン燃料供給システムは、好ましくは、燃料タンクから燃料を同伴するように構成される。エンジンに供給される水の濃度を減少するためには、水を多く含む燃料混合物が、エンジンに供給される前に、タンクからの燃料と混合される。エンジンに供給される水の濃度は、エンジン製造業者によって推奨される限度を超過しないように、制御されてもよい。

低温では、懸濁水は、サイクロン式分離器の中で潜在的に増大し、従ってその性能を損なう可能性のある、氷に変わる場合がある。これを管理するために、サイクロン式分離器は熱交換器を含んでもよい。熱交換器は、例えば、サイクロン式分離器の内表面に増大する氷を防止するために、電子又は油圧システムによって駆動される熱源を含んでもよい。燃料システムが対象とする、航空機などの車両内には多くの熱源があり、それらをこの目的のために使用してもよい。代替として、サイクロン式分離器は、熱源として統合された発熱体を含んでもよい。

サイクロン式分離器の内表面は、水又は氷がサイクロン式分離器に接着するのを防止又は減少するように、疎水性コーティング又は「疎氷性」コーティングを含んでもよい。コーティングは、塗料又は他のコーティング物質であってもよい。

サイクロン式分離器は、本発明の第３の態様の方法に従う、既存の燃料システムに組み込まれてもよい。

本発明の実施形態については、添付の図面を参照して記載する。

図１は、サイクロン式分離器を図式的に示す。 図２ａは、サイクロン式分離器の上面図を図式的に示す。 図２ｂは、動作中のサイクロン式分離器内の流れの３Ｄ図を図式的に示す。 図３は、図１のサイクロン式分離器を取り入れている燃料システムを図式的に示す。 図４は、図３の燃料システムにおけるサイクロン式分離器の注入口の上流における流れの配置の詳細を図式的に示す。 図５は、図３の燃料システムにおける図４に示す流れの配置と置き換えるための、サイクロン式分離器の注入口の上流における代替の流れの配置を図式的に示す。 図６は、図３の燃料システムにおけるサイクロン式分離器の第１の排出口の下流における流れの配置の詳細を図式的に示す。 図７は、図３の燃料システムにおける図６に示す流れの配置と置き換えるための、サイクロン式分離器の第１の排出口の下流における代替の流れの配置を図式的に示す。 図８は、図３の燃料システムの一般的な配置のブロック図を示す。 図９は、図８に示すブロック図に対する代替の制御原理を有する、図３の燃料システムの一般的な配置のブロック図を示す。 図１０は、サイクロン式分離器を含む燃料システムの代替の一般的な配置のブロック図を示す。 図１１は、図１０に示すブロック図に対する異なる制御原理を有するサイクロン式分離器を含む、燃料システムのさらなる代替の一般的な配置のブロック図を示す。 図１２は、１つのタンク中の水の濃度を、もう一方のタンク中の水の濃度を増加させることによって、減少させるように配設された、２つのサイクロン式分離器、２つの燃料タンク、及び１つのエンジン供給システムを含む、燃料システムの一般的な配置のブロック図を示す。 図１３は、代替のサイクロン式分離器を図式的に示す。

図１は、注入口２、第１の排出口３、及び第２の排出口４を有する、サイクロン式分離器１を図式的に示す。サイクロン式分離器１は、円筒形上部及び円錐形下部を有する。円錐形下部は、中央に配置される縦軸の周囲に対称的に延在する、下方に向かって狭まる円錐台形を有する、円錐筐体５を有する。サイクロン式分離器１の上端６は、より大きい直径を有し、より小さい直径を有するサイクロン式分離器１の下端７の上方に配置される。注入口２は上端６に隣接して配置され、第１の排出口３は下端７に隣接して配置される。管８は、サイクロン式分離器１の上部の中に延在し、第２の排出口４に流体的に接続される。

図２ａは、サイクロン式分離器１の注入口２から上端６までの配置を示すように、サイクロン式分離器１の上面図を図式的に示している。図２ｂは、動作中のサイクロン式分離器１内の３次元の流れを示している。

注入口２を通過する液体は、円筒形上部の内部へ接線方向に導入され、円錐筐体５の下部１０に向かって下方に延在するにつれて先細になり、又は狭まる円錐形下部を通って、螺旋軌道９（図１及び２ｂを参照）の中を下方に流れる。流れは、接線方向の進入及び筐体の円筒／円錐形によって、螺旋軌道９へ送り込まれる。回転（螺旋）の流れによって、液体の中に懸濁するより高密度の物質が、円錐筐体５の断面積内の最外周へと移動するように、遠心力による重力加速度を生成し、より低密度の物質を螺旋の流れの中心部に残す。断面積が筐体の底部に向かって減少すると、過流は窮屈な内側（中心部）螺旋の中を上方へと送り込まれる（図２ｂ参照）。管８への注入口１１は、比較的より低密度の物質が、第２の排出口４から吐出されるように配置される。

サイクロン式分離器１を通る主要な螺旋流９の一般的な流れの方向、及び円錐筐体５の形状によって、比較的より高密度の分子及び粒子が、円錐筐体５のより低い領域１０に集められる。このように、比較的より高密度の物質は、第１の排出口３から吐出される。

図１は、垂直方向に配向されるサイクロン式分離器１を示しているが、サイクロン式分離器１は、空間要件が垂直配向を許容しない場合、非垂直方向に配向されてもよいことは、当業者には理解されるであろう。

熱交換器１２は、凍結物質を解かすために、サイクロン式分離器１の円筒形上部及び円錐形下部の周囲に提供されるが、凍結物質は、熱交換器が提供されなければ、サイクロン式分離器１の内表面に接着する傾向があるであろう。専用の熱源であってもよく、又は電気、油圧、若しくは他の生成システムによって生成される廃熱用のエネルギー集積装置であってもよい熱源から、熱エネルギーが熱交換器１２に供給される。

サイクロン式分離器１の内表面１３は、水若しくは氷が、第１の排出口３に向かってより素早く動くように、内表面１３に張り付くのを防止する、又は減少させるために、疎水性若しくは「疎氷性」塗料又は物質で塗布されるか、又はコーティングされる。

運転中、サイクロン式分離器は、燃料内から懸濁水、氷、及び粒子状物質の量を分離する、又は少なくとも濃縮するように、燃料システムで使用される。体積の大きい燃料の流れは、サイクロン式分離器１の注入口２へ送り込まれる。注入口２の流れは、円錐筐体５の中心軸に垂直である。流れが螺旋軌道９に沿って移動すると、遠心力によって、より密度の高い氷、水、及び粒子状物質が、円錐筐体５の内部の外側周辺部分へ、及び円錐筐体５の内表面１３とは反対に動かされる。より低密度の精製燃料は、円錐筐体５の内部の中央領域内を通過し、管８の注入口１１に送る。管８は、精製燃料を第２の排出口４へと送る。

サイクロン式分離器１を通る流れの主要な駆動力は、体積の大きい流量から注入口２に進入する流れである。第１の排出口３は、サイクロン式分離器を通る流れを引き込む何らかの効果を提供する、比較的低い静圧領域に吐出してもよい。それでもなお、この効果は二次的でしかない。第２の排出口４からの流出は、サイクロン式分離器１の中の流れによって駆動される。第１の排出口３及び第２の排出口４の直径は、サイクロン式分離器１によって望ましい動作特性を与えられるような大きさである。第２の排出口４の直径は、第１の排出口３の直径より大きい、小さい、又は等しくてもよい。第２の排出口４の流出は、流出特性を最適化するように、吸引デバイス又はシステムに接続されてもよい。

サイクロン式分離器１は、氷がサイクロン式分離器１の内表面１３上に張り付くのを防止するように、２本の防御経路を有する。１次防御は、内表面１３上の疎水性及び／又は疎氷性コーティングである。コーティングは、サイクロン式分離器１の内表面すべてに適用される。２次防御は、熱交換器１２による内表面１３の加熱である。印加される熱は、サイクロン式分離器１の内表面１３上のいかなる氷の粒子も、接触点で解かし、氷の粒子を螺旋流９によって削ぎ取ることを可能にするであろうように、最適化される。螺旋流９の中の懸濁する氷の粒子を解かすことは、意図していないことには留意するべきである。螺旋流９の中の水は、内表面１３上の疎水性コーティングによって、サイクロン式分離器１の内表面１３に張り付くのを、防止又は阻止される。水、燃料、及びいかなる粒子状物質ならびに残りの氷の混合物は、サイクロン式分離器１の第１の排出口３を通過する。

図３は、燃料システムに設置されるサイクロン式分離器１を示す。燃料システムは、サイクロン式分離器１、床２１を有する燃料タンク２０、及び燃料を消費するエンジン（図３には図示せず）を含む。サイクロン式分離器の注入口２への流れ５２は、水除去ジェットポンプシステム３０によって送達される。サイクロン式分離器１の第２の排出口４は、燃料タンク２０の最適化領域（通常、より上方の領域）に、精製燃料の流れ７１を返送する。サイクロン式分離器１の第１の排出口３から吐出される、水を多く含む燃料の流れ６１は、エンジン供給システム８０によってエンジンに供給される。

水除去ジェットポンプシステム３０について、以下により詳細に記載する。水除去ジェットポンプシステム３０は、ポンプ３１を有する動力流れ経路３４、誘導流れ経路３２、ジェットポンプ３５、及び混合流れ経路３６を含む。ポンプ３１は、タンク２０から流れ４０を引き込み、ジェットポンプ３５への動力流れ経路３４の圧力下で流れ４１を送達する。誘導流れ経路３２は、燃料タンク２０のサンプ２２からジェットポンプ３５へ流れ４２を送達する。ジェットポンプ３５は、動力流れ経路３４及び誘導流れ経路３２からの流れを混合し、混合流れ経路３６に混合流れ５０を吐出する。

燃料タンクサンプ２２は、タンク２０の統合部である。タンク２０の最下点に位置する。ある期間にわたって、タンクの中のいかなる自由水も、水の流れ２４として下に動き、サンプ２２に集められる。誘導流れ経路３２は、サンプ２２に隣接して配置される、鐘形の口をした注入口３３を有する。

水除去ジェットポンプシステム３０の動作の開始時には、サンプ２２に収集される水が限定された体積分あってもよい。動力流れ４１は、誘導流れ経路３２の中の流れ４２を誘導する。サンプ２２の中のいかなる自由水も、タンク２０から鐘形の口をした注入口３３に進入する流れ４３における同伴によって、拾得されるであろう。ジェットポンプ３５は、流れ５０で水を小さい液滴に霧化する。混合流れ５０は、以下で図４を参照してより詳細に記載される流れの配置によって、サイクロン式分離器の注入口２に送達される。サンプ２２の中の自由水が消費されると、サンプはタンクの統合部であるため、誘導流れ経路３２がタンク２０から燃料を誘導する。

図４を参照すると、図３の燃料システムにおけるサイクロン式分離器１の注入口２のちょうど上流における流れの配置の詳細が図式的に示されている。混合流れ経路３６は、体積の大きい混合流れ５０を運ぶ。サイクロン式分離器の注入口２は、混合流れ経路３６の排出口３７から分離される、鐘の口形注入口１５を有する、流れ経路１４を有する。混合流れ経路３６の中の流れ５０は、混合流れ経路３６の排出口３７と、流れ経路１４の注入口１５との間を通過する時に、燃料の流れ５１と、燃料タンク２０内からその中に懸濁するいずれかの水とを同伴する。

流れ経路３６及び１４は、主にエンジン供給システム８０が、タンクの底部に載置されるため、好ましくは、タンク２０の底部近くに配置される。加えて、サイクロン式分離器１は、精製燃料の流れ４をタンクの上方領域に返送するように設計されるため、サイクロン式分離器１は、より高い濃度がタンクの底部近くに見つけられるように、動作期間にわたって、懸濁水濃度の層化を作り出す。それゆえ、タンクの底部近くに流れ経路３６及び１４を配置することによって、懸濁するより高い濃度の水を有する燃料は、システムがこの層化から恩恵を受け、最適条件で動作することができるように、流れ経路１４の中の流れ５２の中に同伴される。しかしながら、流れ経路３６、１４が、タンクの底部に提供される必要はないことは、当業者には理解されるであろう。

燃料及び水、ならびにいかなる氷又は他の粒子状物質の流れ５２は、サイクロン式分離器１の流れ経路３６から注入口２へ、ジェットポンプ３５の圧力下で供給される。

図５を参照すると、図４に示す流れの配置と置き換えてもよい、サイクロン式分離器１の注入口２のちょうど上流における、第２の代替の流れの配置が図式的に示されている。第２の代替の流れの配置では、流れ経路３６及び１４は、多孔質流れ経路１３６によって接続され、水除去ジェットポンプシステム３０からのいくらかの懸濁する水、氷、又は他の粒子状物質を含有してもよい、体積の大きい燃料の混合流れ５０を運ぶ。流れ５０は、多孔質流れ経路１３６を通過する時、燃料の流れ５１と、タンク２０内からその中に懸濁するいずれかの水とを同伴する。多孔質流れ経路は、一連の穴を含んでもよく、又はメッシュなどであってもよい、多孔質壁を有する。その結果得られる流れ５２は、サイクロン式分離器１の注入口２に吐出される。多孔質流れ経路１３６は、図４に描写する配置について概要を述べた同一の理由で、好ましくは、燃料タンク２０の底部近くに配置される。

図３に戻ると、サイクロン式分離器１の第１の排出口３は、水、燃料、及びいかなる粒子状物質、ならびに残りの氷の水を多く含む燃料の流れ６１を吐出する。サイクロン式分離器１は、第１の排出口３からいかなる粒子状物質をも吐出する傾向があるため、なおさら、好適なフィルタリング手段である第２の排出口４が、サイクロン式分離器１の第１の排出口３の下流に必要とされる場合がある。このようなフィルタは、周期的に洗浄又は交換される必要がある場合がある。サイクロン式分離器１は、燃料タンク２０の周囲で粒子状物質の再循環を防止するように働き、フィルタは、このようないかなる粒子状物質がエンジンに進入するのを防止するように働くであろう。

第２の排出口４を介してサイクロン式分離器１から出る精製燃料は、燃料タンクに戻り、好ましくは、燃料タンクの上方領域に供給される。このように、燃料タンクに戻って再循環する燃料は、燃料タンクからサイクロン式分離器１の注入口２に進入する燃料よりも、有意に低い濃度の水、氷、又は粒子状物質を有する。

エンジン供給システム８０について、以下により詳細に記載する。エンジン供給システム８０は、エンジン供給経路８１及びエンジン供給ポンプ８２を含む。エンジン供給経路８１は、タンク床２１に隣接して配置される、鐘形の口をした注入口８３を有する。注入口８３は、エンジン供給経路８１に進入する、より大きい粒子状物質をフィルタリングするために、その口の周囲にメッシュ（図示せず）を有する。さらなるフィルタリング手段が、より微細な粒子状物質をフィルタリングするために、エンジン供給システム８０における他のどこかに提供されてもよい。エンジン供給ポンプ８２は、燃料の流れ６４を燃料システムのエンジンへ方向付ける。エンジン供給ポンプ８２が操作されると、燃料の流れ６２は、タンク２０から注入口８３を介してエンジン供給経路８１の中へと引き込まれる。注入口８３は、タンク中の使用不能燃料を最小化するように、タンクの底部近くに配置される。懸濁水の濃度は、サイクロン式分離器１の第１の排出口３からの流れ６１のために、より高くなる傾向がある。動作中、サイクロン式分離器１の第１の排出口３から吐出される、水を多く含む燃料の流れ６１は、流れ経路６３によって示される、エンジン供給経路８１の流れの中に同伴される。

図６を参照すると、図３の燃料システムのサイクロン式分離器１の第１の排出口３のちょうど下流における、流れの配置の詳細が図式的に示されている。サイクロン式分離器１の第１の排出口３から流れる、水を多く含む燃料の流れ６１は、吐出経路８４の中を流れる。吐出経路８４は、タンク床２１に隣接し、かつエンジン供給経路８１の注入口８３に隣接して位置する、排出口８５を有する。水を多く含む燃料の流れ６１は、エンジン供給ポンプ８２が操作されると、エンジン供給経路８１の注入口８３の中へ引き込まれる、燃料の流れ６２の中に同伴される。

エンジン供給経路８１の中の水の濃度は、エンジン製造業者によって推奨される限度を超過しないように制御されることが重要である。エンジン供給経路８１の中の流れ６３の水の濃度は、好適な弁又は他の燃料制御デバイスによって制御されてもよい。エンジンは、動作中に水が燃料タンク２０から除去されるように、エンジンに供給される燃料の中の水を消費する。

サイクロン式分離器１の第１の排出口３の下流にある、エンジン供給システムにおける第２の代替の流れの配置が、図７に図式的に示されている。エンジン供給システム１８０は、サイクロン式分離器１の第１の排出口３から流れる、水を多く含む燃料の流れ６１が、エンジン供給経路の中に直接流れることを除いては、エンジン供給システム８０と同一である。水を多く含む燃料の流れ６１は、その鐘形の口をした注入口１８３と、エンジン供給ポンプ（図７には図示せず）との間のエンジン供給経路１８１に流体的に接続される、吐出経路１８４の中を流れる。タンク床２１からの燃料の流れ６２は、エンジン供給ポンプが動作可能である時、注入口１８３でエンジン供給経路１８１の中へ引き込まれる。流れ６１は、エンジン供給ポンプによってさらに下流のエンジンへと汲み出される流れ６３を形成するように、エンジン供給経路１８１の中の流れ６２の中に同伴される。エンジンは、流れ６３の中の燃料及び水を消費する。燃料の流れ６３中の水の濃度は、図６に描写する流れの配置に類似の方法で、好適な弁又は他の燃料管理デバイスによって制御されてもよい。

図８は、図３に示す燃料システムの一般的な配置のブロック図である。流路及び流れの成分は実線で示され、制御リンク及び制御部品は破線で示されている。流路及び流れの成分については、図３に関連して上に記載している。燃料システムはさらに、エンジン８８へのエンジン供給経路８１の流れ６３で懸濁水の濃度を検出するように、エンジン供給経路８１（又は１８１）にセンサ８６を含む。センサ８６からの信号は、ジェットポンプ３５に動力流れ４１を送達するポンプ３１を制御するように、制御器８７で処理される。

ポンプ３１を制御することによって、動力流れ４１及び最終的に混合流れ５０が変化してもよい。サイクロン式分離器１に送達される流れは、サイクロン式分離器１の動作特性に２つの影響を与える。注入口２へのより低い流量によって、より低い回転（角）速度を生成し、それによって、サイクロン式分離器１で高密度の物質を分離する効率がより低くなるような、より低い重力加速度（遠心力）を作り出すであろう。加えて、より低い流量によって、サイクロン式分離器１を通る押し出し量が、サイクロン式分離器１の第１の排出口３及び第２の排出口４の両方で、流出がより少なくなるように減少する。このように、エンジン８８への流れ６３の中の懸濁水の濃度を、制御することができる。

加えて、ポンプ３１を制御することによって、サイクロン式分離器１に供給される混合流れ５０で、水の濃度を変化させるために使用することができる、ジェットポンプ３５で誘導流れ４２及び動力流れ４１の混合を制御する。飛行の初期段階中、誘導流れ経路３２はサンプ２２から水を誘導し、そのため、ポンプ３１の制御は、混合流れ５０中の水の濃度の主要な制御である。サンプ２２中の水が消費され、誘導流れ経路３２がタンク２０から燃料の流れを誘導している時、混合流れ５０の水の濃度は、動力流れ中の水の濃度が、誘導流れ４２中の水の濃度と同一であろうため、変動する動力流れ４１とともには変わらない。

図９は、図８に示すブロック図に対する代替の制御原理を有する、図３に示す燃料システムの一般的な配置のブロック図である。流路及び流れの成分は実線で示され、制御リンク及び制御部品は破線で示されている。図８及び図９の燃料システムの唯一の違いは、図９の燃料システムはさらに、精製流れ経路７３に沿ってポンプ３１への流れ７１のいくらかをそらすように、サイクロン式分離器１の第２の排出口４の下流に配置される弁７２を含む。弁７２は、ポンプ３１への流れ７１で適切な量の精製燃料をそらし、ジェットポンプ３５に供給される動力流れ７４の中に同伴させるように、センサ８６からの信号に基づき、制御器８７によって制御される。ジェットポンプ３５は、サイクロン式分離器１の注入口２に、混合流れ７５を吐出する。

この場合、制御器８７は、サイクロン式分離器１の注入口２に送達される流量には影響を及ぼさない。そのため、サイクロン式分離器１の動作特性（すなわち、処理量及び重力加速度）は、制御器８７によって変化しない。ポンプ３１への精製燃料の流れ７３を制御することによって、動力流れ７４、及び最終的に混合流れ７５中の水の濃度が変化してもよい。ポンプ３１へのより高い精製燃料の流量は、混合流れ７５中の懸濁水の濃度を減少させ、その逆の場合も同じである。このように、エンジン８８への流れ６３中の懸濁水の濃度を、制御することができる。

図１０は、サイクロン式分離器１を含む燃料システムの代替の一般的な配置のブロック図である。図８及び１０に現れる同様の参照符号は、同様の実体を意味する。

図１０に示す燃料システムは、ジェットポンプ３５及びサンプ２２が省略され、ポンプ３１が、サイクロン式分離器１の注入口２に向かう、タンク２０からの体積の大きい燃料の流れ４５（その中に懸濁するいかなる水も含む）を汲み出すように配設される点で、図８に示す燃料システムとは異なる。ポンプ３１から吐出される流れ４５は、混合流れ４６を形成するように、タンク２０からの燃料の流れ５１（その中に懸濁するいかなる水も含む）を同伴する。流れ４６は、流れ４５及び流れ５１が、タンク２０の異なる部分に由来する場合、異なる濃度の懸濁水を含有する可能性があるため、混合流れとする。混合流れ４６は、サイクロン式分離器１の注入口２に供給される。

ポンプ３１を制御することによって、サイクロン式分離器１に送達される流れ４６が変化してもよく、それによって、上記図８を参照して記載する通り、サイクロン式分離器１の動作特性（すなわち、処理量及び重力加速度）を制御する。このように、エンジン８８への流れ６３中の懸濁水の濃度を制御することができる。

図１１は、サイクロン式分離器１を含む燃料システムの代替の一般的な配置のブロック図である。図９及び１１に現れる同様の参照符号は、同様の実体を意味する。

図１１に示す燃料システムは、ジェットポンプ３５及びサンプ２２が省略され、ポンプ３１が、サイクロン式分離器１の注入口２に向かう、タンク２０からの体積の大きい燃料の流れ７６（その中に懸濁するいかなる水も含む）を汲み出すように配設される点で、図９に示す燃料システムとは異なる。ポンプ３１から吐出される流れ７６は、混合流れ７７を形成するように、タンク２０からの燃料の流れ５１（その中に懸濁するいかなる水も含む）を同伴する。混合流れ７７は、サイクロン式分離器１の注入口２に供給される。

ポンプ３１への精製燃料の流れ７３を制御することによって、サイクロン式分離器１の注入口２に送達される混合流れ７７中の水の濃度が変化してもよい。制御器８７は、サイクロン式分離器１の動作特性（すなわち、処理量及び重力加速度）には影響を及ぼさない。このように、エンジン８８への流れ６３中の懸濁水の濃度は、上記図９を参照して概要を述べたのと類似の方法で、制御することができる。

燃料タンク、エンジン、エンジン供給ポンプ、及びエンジン供給経路を備える既存の燃料システムは、以下に示す通り、本発明に収容するために修正してもよい。１つ以上のサイクロン式分離器が、エンジン供給経路に向かって吐出する第１の排出口、及び燃料タンクに戻って吐出する第２の排出口で、燃料タンクとエンジン供給経路との間に流体的に接続される必要がある。

航空機燃料システムは、管網によって接続される複数のタンクから成り、１つ以上のエンジン供給システムを有してもよい。エンジン供給システムは、推進力用の１つ以上のエンジンに電力を供給するため、及び／又は航空機機器／システムのためであってもよい。用語「エンジン」は、燃料を消費するいかなるデバイス、すなわち、内燃機関エンジン、ガスタービン、燃料電池などを指す。

少なくとも１つのサイクロン式分離器が、各エンジン供給システムに使用されるであろう。幾つかの場合には、より多くのサイクロン式分離器が、エンジン供給システムによる燃料需要に合致するために使用されるであろう。これらは、概して並行して配設されるであろう。しかしながら、代替として、サイクロン式分離器は、上流のサイクロン式分離器の第１の排出口が、下流のサイクロン式分離器の注入口に吐出して、分離効率を向上させるように、縦列に（連なって）配設されてもよい。

加えて、サイクロン式分離器は、１つのタンクの水の濃度を減少させるために、別のタンク中の水の濃度を増加させるように使用されてもよい。この戦略は、制限された数（例えば、１つ又は２つ）のタンクに水を閉じ込めるために使用されてもよく、サンプ中の排水弁を通って排水する、そこへのアクセスは、他のタンク中よりもアクセスしやすい場合がある。

図１２は、２つのタンク及び１つのエンジン供給システムを有する、このような燃料システムの一般的な配置のブロック図を示している。燃料システムは、基本的に、図８に示す燃料システムに類似する、第１及び第２の燃料システムを含む。第１の燃料システム及び図８の燃料システムの同様の部分は、プライム記号（′）を伴う同様の参照符号によって示され、第２の燃料システム及び図８の燃料システムの同様の部分は、二重プライム記号（″）を伴う同様の参照符号によって示される。流路及び流れの成分は実線で示され、制御リンク及び制御部品は破線で示されている。

図１２に示す燃料システムは、第１の燃料タンク２０′中の懸濁水の濃度を減少させる、優先傾向を有するように配設される。第１の燃料タンク２０′にはエンジン供給経路注入口はない。第２の燃料タンク２０″の中のエンジン供給経路注入口は、流れ６１″及び６２″（図８の配置のように）だけでなく、第１のサイクロン式分離器１′の第１の排出口からの流出６１′（より高密度の流れ）及び第２の燃料タンク２０″内からの第２の流れ１６２を同伴する。エンジン供給経路注入口は、第１の燃料タンク２０′内からの流れは同伴しない。第２のサイクロン式分離器１″の第２の排出口からの流出７１″（より低密度の、精製燃料の流れ）は、第１の燃料タンク２０′の中に吐出する。

サイクロン式分離器に供給される、タンク中の燃料は、いくつかの懸濁した水滴を含んでもよい。加えて、タンクからの燃料は、サイクロン式分離器に供給される前に、ジェットポンプなどによって燃料中に分散する、タンクの底部にあるたまりから排出される水と混合されてもよい。既存の燃料システムは、既に水除去ジェットポンプシステムを含んでいてもよく、又はこのようなシステムが、サイクロン式分離器の設置時に設置されてもよい。燃料システムは、例えば、図８、９、又は１２に示すように配設されてもよい。代替として、例えば、図１０及び１１に示すように、燃料システムは、サイクロン式分離器が加圧燃料システムに配設されるような、水除去ジェットポンプシステムを有さなくてもよい。いずれの場合も、燃料は、サイクロン式分離器のタンクから注入口へ供給される。

サイクロン式分離器の第１の排出口は、エンジン供給ポンプによって占められ、かつエンジンへ供給される、エンジン供給経路の方向に、水を多く含む燃料を吐出する。サイクロン式分離器の第１の排出口の間の流体接続は、例えば図３（詳細は図６）又は図７に示すように、配設されてもよい。

サイクロン式分離器の注入口に供給される、流れを制御するための制御システムは、燃料システムに設置される。例えば、制御システムは、図８から１１のうちのいずれかに示す通りであってもよい。これらの配置における制御システムは、エンジン供給経路にセンサと、センサ出力信号への依存度に従い、サイクロン式分離器への注入口の上流で燃料の流れを制御する制御器とを含む。

サイクロン式分離器の第２の排出口は、タンクに（図８から１１の配置に示す通り）、及び場合によって、サイクロン式分離器の注入口の上流のジェットポンプ又は加圧燃料システムに（図９及び１１に示す通り）も、精製燃料を吐出するように接続される。

他の流れの配置が同様に使用されてもよいことは、理解されるであろう。重要なのは、比較的高い濃度の水を有する、大きい体積の燃料は、加圧システム又はジェットポンプなどを介して、燃料タンクから引き込まれ、又はサイクロン式分離器の注入口に供給されなくてはならない。

図１３は、本発明の燃料システムで使用するための、代替のサイクロン式分離器１０１を示している。サイクロン式分離器１の特徴に対応する、サイクロン式分離器１０１の特徴は、図１３の「１００」系列を除いて、同一の番号が与えられている。サイクロン式分離器１０１は、穿孔した多孔内壁１１６が、空洞１１７を形成するように、筐体１０５内の内側に配置される点においてのみ、サイクロン式分離器１とは異なる。空洞１１７は、筐体１０５の内壁と、サイクロン式分離器１０１の内部体積との間に配置される。空洞１１７は、流体注入口１１８を有する。使用時には、精製燃料が、第２の排出口１０４から吐出された流れから抜かれ、圧力下において注入口１１８を介して空洞１１７の中に汲み出される。好適な弁デバイスが、第２の排出口１０４から吐出される流れから、精製燃料を抜くために使用されてもよく、好適なポンプが、注入口１１８へ抜き取られる燃料を汲み出すために提供される。随意で、熱交換器１１２が、空洞１１７で精製燃料を加熱するために提供される。ポンプの圧力下において、空洞１１７の中の精製燃料は、螺旋流１０９からの水／氷が壁１１６に張り付くのを防止するために、壁１１６の内側に暖かい精製燃料の層を作り出すように、穿孔内壁１１６を通って押し流される。これによって、サイクロン式分離器１０１の内部に疎水性又は疎氷性コーティングを不要にする。サイクロン式分離器１０１の残りの特徴及び機能は、サイクロン式分離器１のそれらと同一である。

サイクロン式分離器は、第１の排出口からいかなる粒子状物質も吐出する傾向があるため、なおさら、好適なフィルタリング手段である第２の排出口が、上に記載したように、エンジン供給システムに提供されてもよい。加えて、好適なフィルタリング手段は、流れがサイクロン式分離器に進入する前に、より大きい粒子状物質をフィルタリングするように、サイクロン式分離器の上流に提供されてもよい。このようなフィルタは、周期的に洗浄又は交換される必要がある場合がある。サイクロン式分離器は、粒子状物質が、エンジン供給システムのフィルタによって収集されるように、第２の排出口よりむしろ第１の排出口から吐出されるため、燃料タンクの周囲のいかなる残りの粒子状物質の再循環をも防止するように働く。

燃料タンク、サイクロン式分離器、エンジン、及び種々の供給経路を含む燃料システムは、航空機の燃料システムであってもよい。しかしながら、燃料システムは、事実上、ボート又は大型トラックなど、いかなる陸又は水を基盤とする車両の中にあってもよい。

航空機燃料システムの場合、サイクロン式分離器の熱交換器は、廃熱を生成する、電気又は油圧システムなど、航空機内の熱源によって駆動されてもよい。

本発明は、１つ以上の好ましい実施形態を参照して上に記載しているが、添付の請求項に定義する通り、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の修正又は変更がなされてもよいことは理解されるであろう。

Claims (18)

1. 液体燃料タンクと、
   エンジンと、
   前記燃料タンクに流体的に接続される注入口とエンジン燃料供給システムに流体的に接続される第１の排出口と第２の排出口とを有するサイクロン式分離器と、
   を具備し、
   前記サイクロン式分離器が、前記第１の排出口から比較的より高密度の物質と、前記第２の排出口から比較的より低密度の物質とを吐出するように構成された燃料システム。
2. 前記第２の排出口が前記燃料タンクに流体的に接続される請求項１に記載の燃料システム。
3. 前記サイクロン式分離器の前記注入口が燃料経路に接続され、該燃料経路は、燃料が前記供給経路の中を流れる時に、燃料及び水若しくは氷の混合物を同伴するように構成される請求項１又は２に記載の燃料システム。
4. 前記燃料経路が、燃料ポンプに接続されるか、又は、燃料を送達するための加圧システムの一部を形成する請求項３に記載の燃料システム。
5. 前記エンジン燃料供給システムは、燃料が前記供給システムの中を流れる時に、前記燃料タンクから燃料を同伴するように構成される請求項１から４のいずれか１つに記載の燃料システム。
6. 前記サイクロン式分離器が熱交換器を有する請求項１から５のいずれか１つに記載の燃料システム。
7. 前記サイクロン式分離器の内表面が疎水性及び／又は疎氷性コーティングを有する請求項１から６のいずれか１つに記載の燃料システム。
8. 多孔質壁が前記サイクロン式分離器内に配置される請求項１から６のいずれか１つに記載の燃料システム。
9. 請求項１から８のいずれか１つに記載の燃料システムを有する航空機。
10. 燃料タンクから水又は氷を除去する方法であって、
    燃料タンクの中の液体燃料を提供することと、
    サイクロン式分離器を使用して、前記タンクの中の前記液体燃料を、水を多く含む燃料及び精製燃料に分離することと、
    前記水を多く含む燃料をエンジンへ吐出することと、を含む方法。
11. 前記精製燃料を前記タンクに返送することをさらに含む請求項１０に記載の方法。
12. 前記水を多く含む燃料が、前記エンジンに供給される前に、前記燃料タンクからの燃料と混合される請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 前記サイクロン式分離器が着氷を防止するために加熱される請求項１０から１２のいずれか１つに記載の方法。
14. 航空機に実装される請求項１０から１３のいずれか１つに記載の方法。
15. 前記航空機の飛行の巡航部分中に行われる請求項１４に記載の方法。
16. 燃料システムにサイクロン式分離器を設置する方法であって、
    前記燃料システムが、液体燃料タンク及びエンジンを有し、
    前記サイクロン式分離器が、注入口と第１の排出口と第２の排出口とを有し、
    前記サイクロン式分離器が、前記第１の排出口から比較的より高密度の物質と、前記第２の排出口から比較的より低密度の物質とを吐出するように構成され、
    当該方法が、前記注入口を前記燃料タンクに流体的に接続することと、前記第１の排出口をエンジン燃料供給システムに流体的に接続することとを含む方法。
17. 前記第２の排出口を前記燃料タンクに流体的に接続することをさらに含む請求項１６に記載の方法。
18. 前記燃料システムが航空機上にある請求項１６又は１７に記載の方法。

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