具有多層透氧膜的燃料脫氧系統的製作方法

2023-11-05 07:43:57 2

專利名稱：具有多層透氧膜的燃料脫氧系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及通過脫氧穩定燃料，且更具體而言，涉及通過使燃料吸收最小化的複合透氧膜進行脫氧。
背景技術：
噴氣燃料通常用於飛行器中作為多種飛行器系統的冷卻劑。溶解氧在烴噴氣燃料中的存在可能是不適宜的，原因在於氧支持產生不希望的副產物的氧化反應。空氣溶於噴氣燃料中導致產生大小為約70ppm的氧濃度。當充氣燃料被加熱至350至850之間的溫度時，氧啟動燃料的自由基反應，從而導致產生通常被稱作「焦炭」或「結焦」的沉積物。焦炭可能對於燃料管線產生危害且可抑制燃燒。這種沉積物的形成可能會損害燃料系統的正常功能，所述正常功能與預期的換熱功能或高效燃料注射有關。
多種常規燃料脫氧技術目前用於對燃料進行脫氧。通常，將氧濃度降至約2ppm足以克服結焦問題。
用於飛行器中的一種常規燃料穩定單元(FSU)通過產生跨過透氧膜的氧分壓梯度而從噴氣燃料中去除氧。該膜與燃料流接觸且被支承在多孔支承板上，從而使得可從燃料中抽出氧。
儘管非常有效，但是極少量的燃料可滲漏通過透氧膜的尺寸為6-12埃的孔隙。燃料滲漏速率與膜厚成反比然而，除氧速率也與膜厚成反比。因此，膜厚的增加將減少燃料滲漏量，但增加膜厚也將成比例地減少脫氧量。然而，燃料滲漏量較少可能是有害的，其原因在於，經過一定時期，燃料可使膜飽和，阻擋氧的滲透，並降低其脫氧效率。
因此，所希望的是，在一種尺寸和重量有效的系統中提供烴燃料的脫氧，所述系統使透氧膜的燃料飽和最小化。

發明內容
根據本發明的用於能量轉換裝置的燃料系統包括脫氧器系統，所述脫氧器系統具有由多個材料層形成的複合透氧膜。所述多個層包括密封劑層、透氧層和多孔支承層。分層的複合透氧膜使得氧輸送速率最大化而使燃料滲漏速率最小化。
申請人已經通過實驗證實了本發明的複合透氧膜與常規單層膜相比的有效性。具體而言，本發明中所述的Teflon AF 1600/Teflon AF2400複合透氧膜具有約2微米的總厚度，且與約4微米厚的Teflon AF2400膜相比，顯示出噴氣燃料脫氧產生20％的改進而燃料滲漏速率僅為1/10，且在1000小時的連續工作運行中基本上沒有跡象顯示性能發生劣化。利用Hyflon AD複合膜已獲得了相似的性能改進。
因此，本發明在尺寸和重量有效的系統中提供對烴燃料的脫氧，所述系統使透氧膜的燃料飽和最小化。


從下面對當前優選實施例的詳細描述中，本領域的技術人員將易於理解本發明的多個特徵和優點。詳細描述所結合的附圖可簡要描述如下圖1是根據本發明的能量轉換裝置(ECD)和採用燃料脫氧器的相關聯燃料系統的總示意框圖；圖2A是脫氧器系統的放大透視圖；圖2B是脫氧器系統的分解視圖；圖2C是圖2B所示的脫氧器系統的燃料板組件的放大透視圖；圖3是示出燃料通道和氧接收通道的燃料板組件的放大剖視圖；圖4是複合多孔透氧膜的放大剖視圖；和圖5是非平面複合多孔透氧膜的放大剖視圖。
具體實施例方式
圖1示出了用於能量轉換裝置(ECD)12的燃料系統10的總示意圖。脫氧器系統14接收來自貯存裝置16如燃料箱的液體燃料F。燃料F通常為烴如噴氣燃料。能量轉換裝置12可以多種形式存在，其中如果在燃料中存在的溶解氧達任何有效量，那麼燃料在最終用於加工、用於燃燒或用於一些形式的能量釋放之前的一些點處獲得了足夠的熱量以支持自氧化反應並結焦。
能量轉換裝置12的一種形式是燃氣輪機引擎，且具體而言為飛行器中的這種引擎。通常，燃料還用作飛行器中的一個或多個子系統的冷卻劑且在就要進行燃燒之前被傳輸至燃料注射器時受到加熱。
換熱部分18表示燃料通過以進行換熱的系統。應該理解，換熱部分18可直接與能量轉換裝置12相關聯和/或分布在更大系統10中的其它位置處。另一種可選方式是或此外，換熱系統18可包括分布在整個系統中的多個換熱器。
如通常理解地，貯存裝置16中貯存的燃料F通常包含可能處於70ppm飽和水平的溶解氧。燃料泵20從貯存裝置16中抽出燃料F。燃料泵20通過燃料貯存裝置導管22和閥24與貯存裝置16連通且被連通至脫氧器系統14的燃料入口26。燃料泵20施加的壓力有助於使燃料F循環通過脫氧器系統14和燃料系統10的其它部分。當燃料F通過脫氧器系統14時，氧被選擇性地去除並進入真空或尾氣系統28內。尾氣可以是基本上無氧的任何氣體。
脫氧燃料Fd通過脫氧燃料導管32從脫氧系統14的燃料出口30流至換熱系統18且到達能量轉換裝置12如燃氣輪機引擎的燃料注射器。一部分脫氧燃料可再循環至脫氧系統14和/或貯存裝置16，如再循環導管33所示。應該理解，儘管在所示實施例中披露了特定部件布置，但其它布置將得益於本發明。
參見圖2A，脫氧器系統14優選包括多個氣體/燃料微通道組件34(圖2B)。組件34包括燃料通道38與氧接收真空或尾氣通道40之間的複合透氧膜36，所述氧接收真空或尾氣通道優選為允許氮氣和/或另一種無氧氣體流動的篩眼(圖3)。應該理解，通道可具有多種形狀和布置以提供壓力差，所述壓力差維持跨過膜的氧濃差以對燃料進行脫氧。
複合透氧膜36優選包括透氧膜，所述透氧膜允許溶解氧(和其它氣體)擴散通過埃數量級尺寸的空隙但排除了更大的燃料分子；和可透過膜，所述可透過膜利用溶解擴散機理溶解氧(和/或其它氣體)且允許其(或它們)擴散通過膜，同時排除了燃料。Teflon AF系列和Hyflon AD系列已經證實提供了有效的燃料脫氧結果，所述Teflon AF系列是通常具有註冊給Wilmington，Del.的E.I.Dupont de Nemours的商標名為「Teflon AF」的全氟-2，2-二甲基-1，3-間二氧雜環戊烯(PDD)無定形共聚物，所述Hyflon AD系列是註冊給義大利米蘭SolvaySolexis的2，2，4-三氟-5-三氟甲氧基-1，3-間二氧雜環戊烯(TTD)共聚物。Teflon AF 2400和/或Teflon AF 1600材料被認為利用了溶解擴散機理。
參見圖2B，形成脫氧器系統14的一個微通道組件34的一組板包括夾在複合透氧膜36之間且鄰近所述膜的燃料板組件44，所述膜受到多孔載體42如非織造聚酯的支承。應該理解，儘管示意性地示出了多孔基板，但所述多孔基板可採用多種形式。相鄰的一個或多個組件34是隔板48。隔板48防止燃料滲漏穿過由燃料板組件34限定出的預限定燃料通路。無論微通道組件34的數量如何，脫氧系統14被界面板46和外殼板50a、50b密封，所述外殼板分別包括燃料輸入口26、真空孔口29和燃料輸出口30(同樣如圖2A所示)。外殼板50a、50b優選通過多個緊固件如螺栓或類似物附接在一起以使得微通道組件34被夾在其間。外殼板50a、50b優選為相對剛性的部件，所述部件壓縮微通道組件34以使得由此保持板之間的密封。儘管在圖示實施例中被示作線性的，但本領域的技術人員將認識到，其它可選的形狀、尺寸或構型也是適合的且落入本發明的範圍內。
每個燃料板組件44限定出位於輸入口26與輸出口28之間的燃料通道38的一部分。真空孔口29(圖2A)通過界面板46和多孔載體42與真空孔口29f(圖2B)連通。真空在每個多孔載體42內產生分壓梯度以通過複合透氧膜36從燃料通道38中抽出溶解氧和其它溶解氣體。通過真空孔口29排出氧。
微通道組件34的具體數量由特定應用需求如燃料類型、燃料溫度和引擎的質量流量需求確定。進一步地，包含不同溶解氧量的不同燃料可能需要不同的脫氧量以去除所需量的溶解氧。
每個燃料板組件44限定出位於輸入口26與輸出口28(圖2A)之間的一條燃料通道38(圖3)。燃料通道38的構型優選被限定以使材料最大化地暴露於複合透氧膜36從而使從燃料中去除的溶解氧量最大化。這可通過提供為燃料提供混合和/或最優的流動模式而實現。燃料通道38被形成以使與可透過膜接觸的燃料區域量最大化從而使從燃料中去除的溶解氧量最大化。燃料通道38優選足夠小以使得燃料與複合透氧膜36接觸但同時足夠大以便不限制燃料流。
每個燃料板組件44包括第一燃料板52、第二燃料板54和其間的燃料板墊片56。應該理解，圖示實施例中披露的燃料板組件44為清楚起見僅示出了兩塊燃料板和一個墊片，但應該理解，任何數量的板可位於外殼板50a、50b之間。外殼板50a、50b之間的所有板優選為非金屬。
每個燃料板組件44包括第一燃料板52、第二燃料板54和其間的燃料板墊片56。墊片56可由E.I.duPont de Nemours and Companyof Delaware USA製造的KAPTON薄膜製成。應該理解，圖示實施例中披露的燃料板組件44為清楚起見僅示出了兩塊燃料板和一個墊片，但應該理解，任何數量的板組件可位於外殼板50a、50b之間。
第一燃料板52和第二燃料板54優選由非金屬材料如熱塑性塑料或聚苯硫醚(PPS)製成。應該理解，另一種可選方式是，可使用與燃料相容且導電(以防止靜電荷積聚)的其它塑料以及通過機加工而不是模製成型得到的材料。
第一燃料板52和第二燃料板54包括增加氧擴散率的流衝擊元件55(圖2C和3)。當燃料板52、54被組裝在一起時，流衝擊元件55產生交織且交替以提供由燃料板52、54限定出的具有複雜的3維流特徵的燃料通道38(圖3)。換句話說，每塊燃料板52、54上的流衝擊元件55在其相應的燃料板52、54的平面表面上延伸。當燃料板52、54與墊片56組裝在一起以形成燃料板組件44時，流衝擊元件55形成完整的燃料通道38，在所述通道中，相鄰的燃料板52、54的流衝擊元件55進行延伸(圖3)。
流衝擊元件55通過增強氧分子向透氧膜表面的傳輸而增強脫氧過程，同時非金屬材料使重量和要不然可能會損傷透氧膜36的尖銳邊緣最小化。脫氧器系統14的流衝擊元件55增強了燃料流與複合透氧膜36之間的接觸以增加溶解氧的傳質。
參見圖3，流動通過燃料通道38的燃料與複合透氧膜36接觸。真空在燃料通道38的內壁與複合透氧膜36之間形成氧分壓差，這導致溶解在燃料內的氧進行擴散從而遷移通過支承膜36的多孔載體42且通過與燃料通道38分開的氧接收通道40離開脫氧器系統14。為了進一步理解基於一個膜的燃料脫氧器系統及其相關部件的其它方面，應該關注題目為基於膜的燃料脫氧器(Membrane based fueldeoxygenator)的美國專利No.6,315,815；題目為熱管理的系統和方法(System and method for thermal management)的美國專利No.6,939,392；題目為平面膜脫氧器(PLANAR MEMBRANE DEOXYGENATOR)的美國專利No.6,709,492，所述美國專利被轉讓給本發明的受讓人且其整體內容在此作為參考被引用。
參見圖4，複合透氧膜36由多層形成。所述多層優選包括密封劑層60、透氧層62和多孔支承層64。分層的複合透氧膜36使氧輸送速率最大化且使燃料滲漏速率最小化以提供基於產品性能需求的有效折衷。由於燃料滲漏通過膜36的速率明顯低於氧的滲漏速率，因此，相對較薄的密封劑層60對於降低燃料滲漏速率而不會明顯影響氧滲漏速率有重要影響。
多孔支承層64優選為約兩千分之一英寸(two thousands of aninch)厚的不對稱的多孔基底，這樣一種材料是通過相變方法進行溶液澆鑄產生的聚醚醯亞胺，所述相變方法提供了約40納米大小的表面孔隙，例如由Membrane Technology and Research，Inc.of MenloPark，CA USA製造的材料。
多孔支承層64支承透氧層62以使得透氧層62可塗覆在所述支承層上且基本上橫跨其上的表面孔隙。透氧層62優選為約1-2微米厚且優選由具有高透氧率的聚合物如Teflon AF 2400製成。
密封劑層60塗覆透氧層62。密封劑層60優選小於1微米厚且優選由具有更低分數自由體積(FFV)的透氧聚合物如Teflon AF 1600、Hyflon AD等製成，所述聚合物提供了耐受相鄰燃料流的耐燃料性質。
複合透氧膜36位於鄰近多孔載體42的位置處，所述多孔載體42當被夾在多個氣體/燃料微通道組件34內(圖2B)時為複合透氧膜36提供了穩定性。此外，多孔載體42在多孔支承層64與限定出氧接收通道40(圖3)的真空篩眼之間提供緩衝。應該理解，另一種可選方式是或此外，本發明可利用通過層如篩眼、蜂窩結構或其它氣體輸送通道結構的多種流。
應該理解，複合透氧膜36不需要是平面構件且多種形狀的多孔支承層64′(圖5)上可塗覆有密封劑層60和透氧層62以滿足多種封裝考慮；提供多種流特徵以及形成多種燃料通道38部件。
申請人已經通過實驗證實了本發明的複合透氧膜36與常規單層膜相比的有效性。具體而言，上述Teflon AF 1600/Teflon AF 2400複合透氧膜36具有約2微米的總厚度，且與約4微米厚的Teflon AF2400膜相比，顯示出噴氣燃料脫氧產生20％的改進而燃料滲漏速率僅有約1/10，且在1000小時的連續工作運行中基本上沒有跡象顯示性能發生劣化。
前面的描述是示例性而非限制性的。根據上面的教導，本發明的多種變型和改型是可能的。儘管已經披露了本發明的優選實施例，然而本領域的技術人員應該認識到，一定的變型將會落入本發明範圍內。因此，應該理解，在所附技術方案的範圍內，可通過其它方式而不是特定描述的方式實施本發明。為此原因，應該研究下列技術方案以確定本發明的真實範圍和內容。
權利要求
1.一種燃料系統，所述燃料系統包括燃料通道；氧接收通道；和與所述燃料通道和所述氧接收通道連通的複合透氧膜。
2.根據權利要求1所述的燃料系統，其中所述複合透氧膜包括透氧層上的密封劑層，所述密封劑層面對所述燃料通道。
3.根據權利要求2所述的燃料系統，其中所述透氧層被支承在多孔支承層上。
4.根據權利要求2所述的燃料系統，其中所述複合透氧層為1-5微米厚。
5.根據權利要求4所述的燃料系統，其中所述複合透氧層為約1.5微米厚。
6.根據權利要求4所述的燃料系統，其中所述複合透氧層由TeflonAF2400(全氟-2，2-二甲基-1，3-間二氧雜環戊烯的無定形共聚物，PDD)或Hyflon AD(2，2，4-三氟-5-三氟甲氧基-1，3-間二氧雜環戊烯的共聚物，TTD)製成。
7.根據權利要求4所述的燃料系統，其中所述複合透氧層由全氟-2，2-二甲基-1，3-間二氧雜環戊烯的無定形共聚物製成。
8.根據權利要求4所述的燃料系統，其中所述複合透氧層由PDD製成。
9.根據權利要求4所述的燃料系統，其中所述複合透氧層由HyflonAD製成。
10.根據權利要求4所述的燃料系統，其中所述複合透氧層由2，2，4-三氟-5-三氟甲氧基-1，3-間二氧雜環戊烯的共聚物製成。
11.根據權利要求4所述的燃料系統，其中所述複合透氧層由TTD製成。
12.根據權利要求2所述的燃料系統，其中所述密封劑層小於1微米厚。
13.根據權利要求2所述的燃料系統，其中所述密封劑層由TeflonAF1600製成。
14.根據權利要求2所述的燃料系統，其中所述密封劑層由HyflonAD製成。
15.根據權利要求1所述的燃料系統，其中所述氧接收通道與通過其中的基本上無氧的氣體連通。
16.根據權利要求1所述的燃料系統，其中所述氧接收通道包括真空。
17.一種脫氧系統，所述脫氧系統包括第一通道；第二通道；和與所述第一通道和所述第二通道連通的複合透氧膜，所述複合透氧膜包括透氧層上的密封劑層，所述透氧層被支承在多孔支承層上以使得所述密封劑層面對所述第一通道。
18.根據權利要求17所述的系統，其中所述複合透氧層為1-5微米厚且所述密封劑層為小於1微米厚。
19.根據權利要求17所述的系統，其中所述第一通道是燃料通道。
20.一種使燃料系統內的溶解氧減至最少的方法，所述方法包括以下步驟(1)將具有密封劑層的複合層透氧膜設置在鄰近包含溶解氧的液體燃料流的位置處；以及(2)在鄰近與液體燃料流相對的所述複合層透氧膜的位置處提供氧濃差以通過所述複合層透氧膜從所述液體燃料流中抽出氧。
全文摘要
一種用於能量轉換裝置的燃料系統包括具有由多層形成的透氧膜的脫氧器系統。所述多層包括密封劑層、透氧層和多孔支承層。分層的複合透氧膜使氧輸送速率最大化且使燃料滲漏速率最小化。
文檔編號B01D71/32GK1958115SQ20061014329
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月3日 優先權日2005年11月3日
發明者H·科爾達託斯, L·J·斯帕達奇尼 申請人:聯合工藝公司