(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的薄い膜全体にわたる真空に耐性を有する経済的な燃料の脱酸素システムを提供する。【解決手段】燃料の脱酸素システム１４は、燃料チャネル３８と、酸素受容チャネル４０と、燃料チャネル３８及び酸素受容チャネル４０と連通し、テクスチャー加工された表面を有する、酸素透過膜３６を含む構成からなる。該酸素透過膜３６は、マイクロ複製ベースの型押し装置を用いて、該酸素透過膜３６にテクスチャー加工された表面を押しつけることによって製造され、スイープガス及び／又は真空により燃料を脱酸素するために膜全体にわたる酸素濃度差を維持し、かつ、テクスチャー加工された表面は、該酸素透過膜３６の表面積を増大する特徴を有する。【選択図】図２
2006213923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料チャネルと、
酸素受容チャネルと、
燃料チャネル及び酸素受容チャネルと連通し、テクスチャー加工された表面を有する、酸素透過膜、
を含むことを特徴とする、燃料システム。
【請求項２】
前記テクスチャー加工された表面が前記燃料チャネルに面していることを特徴とする、請求項１記載の燃料システム。
【請求項３】
前記酸素透過膜が支持されていないことを特徴とする、請求項１記載の燃料システム。
【請求項４】
前記酸素透過膜が多孔質基体上に支持されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料システム。
【請求項５】
前記酸素受容チャネルが、そこを通る不活性ガスを伝達することを特徴とする、請求項１記載の燃料システム。
【請求項６】
前記テクスチャー加工された表面が、１００μｍ未満の寸法を有するマイクロ構造のフィーチャーを備えることを特徴とする、請求項１記載の燃料システム。
【請求項７】
前記テクスチャー加工された表面が、ダイアモンド状のパターンを画定する、マイクロ構造のフィーチャーを備えることを特徴とする、請求項１記載の燃料システム。
【請求項８】
前記テクスチャー加工された表面が、多数のＶ字形チャネルを画定する、マイクロ構造のフィーチャーを備えることを特徴とする、請求項１記載の燃料システム。
【請求項９】
前記テクスチャー加工された表面が、多数の微小な杭形状を画定する、マイクロ構造のフィーチャーを備えることを特徴とする、請求項１記載の燃料システム。
【請求項１０】
前記テクスチャー加工された表面が、多数の畝形状を画定する、マイクロ構造のフィーチャーを備えることを特徴とする、請求項１記載の燃料システム。
【請求項１１】
前記テクスチャー加工された表面が、多数の微小な針形状を画定する、マイクロ構造のフィーチャーを備えることを特徴とする、請求項１記載の燃料システム。
【請求項１２】
前記酸素受容チャネルが真空を含むことを特徴とする、請求項１記載の燃料システム。
【請求項１３】
酸素透過膜にテクスチャーパターンを適用することと、
酸素透過膜を酸素受容チャネルと燃料チャネルに隣接して配置すること、
を含むことを特徴とする、燃料システム内の溶存酸素を最低限にするための酸素透過膜を製造する方法。
【請求項１４】
テクスチャーパターンを燃料チャネルに向かって直面させることをさらに含むことを特徴とする、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
犠牲フィルムにテクスチャーパターンを押しつけることと、
テクスチャーパターンを酸素透過膜に転写するために犠牲フィルム上に酸素透過膜を形成することと、
酸素透過膜から犠牲フィルムを除去すること、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記酸素透過膜に有孔の犠牲フィルムを適用することと、
酸素透過膜上にテクスチャーパターンを形成するために、有孔の犠牲フィルムを介して酸素透過膜に材料を適用することと、
酸素透過膜から有孔の犠牲フィルムを除去すること、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
前記酸素透過膜に材料を適用することが、酸素透過膜材料である材料を適用することを含むことを特徴とする、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記酸素透過膜に材料を適用することが、酸素透過膜を通る酸素の透過率を増強するために、酸素透過膜に材料を適用することを含むことを特徴とする、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
前記酸素透過膜に材料を適用することが、酸素透過膜に触媒機能を与えるために材料を適用することを含むことを特徴とする、請求項１６記載の方法。
【請求項２０】
（１）溶存酸素を含む液体燃料の流れに隣接して、テクスチャー加工された表面を有する酸素透過膜を配置することと、
（２）酸素透過膜を介して液体燃料の流れから酸素を引き出すために、液体燃料の流れとは反対側の酸素透過膜に隣接して酸素濃度差を提供すること、
を含むことを特徴とする、燃料システム内の溶存酸素を最低限にする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脱酸素により燃料を安定化させることに関し、より詳細には、酸素受容チャネルに隣接したテクスチャー加工された酸素透過膜による脱酸素化に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジェット燃料は、様々な航空システムのための冷却剤として、航空機内で利用されることが多々ある。ジェット燃料の炭化水素中に溶解した酸素が存在することは、酸素が酸化反応を促進し、その反応により望ましくない副生成物が生じるため、好ましくない。ジェット燃料中への空気の溶解によって、おおよそ７０ｐｐｍの酸素濃度が生じる。空気と混和された燃料が３５０°Ｆ〜８５０°Ｆ（４４９．８１７Ｋ〜７２７．５９４Ｋ）に加熱されるとき、酸素により、燃料のフリーラジカル反応が開始し、その結果、通常「コークス」あるいは「コークス化」と呼ばれる析出物が生じる。コークスは、燃料ラインに悪影響を及ぼす可能性があり、かつ、燃焼の妨げとなる場合もある。そのような析出物の形成は、意図する熱交換機能又は燃料の効率的な噴射のいずれかに関して、燃料システムの正常な機能を損なう場合がある。
【０００３】
様々な従来の燃料脱酸素化技術が、燃料を脱酸素化するのに現在使用されている。通常、酸素濃度を２ｐｐｍまで低下させることが、コークス化問題を克服するのには十分である。
【０００４】
航空機で利用される１つの在来型燃料安定化ユニット（ＦＳＵ）は、酸素に対して透過性を有する膜全体にわたって酸素の圧力勾配を形成することにより、ジェット燃料から酸素を取り除く。かなり効果的ではあるが、膜の片側に真空によって勾配を生じさせるものである。この膜は、比較的薄いため（２〜５μｍまで）、機械的な完全性に欠けている。真空により、膜に機械的な力が加わるため、膜は、多孔質の背板で支持されるが、この背板は拡散に対する障壁として作用する場合がある。薄い膜は又、効果的な燃料の脱酸素のために燃料との十分な表面接触を確実にするために、比較的長い流路を必要とする。
【０００５】
従って、比較的薄い膜全体にわたる真空に対抗した、寸法並びに重量において経済的な炭化水素燃料の脱酸素のためのシステムが望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、経済的で効率の改善されたガスタービン・エンジンなどの燃料システムのための、燃料の脱酸素化システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、テクスチャー加工された表面（ｔｅｘｔｕｒｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ）を備える、酸素透過膜を有する脱酸素システムを備える。スイープガス及び／又は真空により、燃料を脱酸素するよう、膜全体にわたって酸素濃度差が維持される。テクスチャード加工された表面は、酸素透過膜の表面積を増大する。テクスチャード加工された表面は又、酸素透過膜の強度と剛性を増強するため、拡散の障壁を最小限に抑えるための、多孔質基体の最小化を可能にする。
【０００８】
酸素透過膜のテクスチャー加工された表面は、マイクロ複製ベースの型押し装置（ｔｏｏｌｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）を用いて、酸素透過膜にテクスチャー加工された表面を押しつけることによって作製される。
【０００９】
その他の製造方法では、犠牲フィルム中へテクスチャー加工された表面を押しつけて、その犠牲フィルムの上に酸素透過膜を形成することにより、酸素透過膜に、テクスチャー加工された表面が転写される。犠牲フィルムは次いで除去され、その結果、テクスチャー加工された表面が形成された最終的な酸素透過膜が得られる。
【００１０】
さらに別の製造法は、本来の酸素透過膜に隣接して配置される有孔の犠牲フィルムを介して、追加の酸素透過膜を適用するものである。続いて、犠牲フィルムは除去され、テクスチャー加工された酸素透過膜が残る。
【００１１】
また別の製造法は、有孔の犠牲フィルムを膜上に配置し、本来の膜と接触するよう、犠牲フィルムを介して追加材料を堆積させることを包含する。犠牲フィルムはその後除去され、テクスチャー加工された膜が残される。
【００１２】
従って、本発明は、比較的薄い膜全体にわたる真空に耐性を有する、寸法並びに重量において経済的な、炭化水素燃料の脱酸素システムを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の種々の特徴並びに利点は、以下の、現時点で好ましい実施態様の詳細な説明から、当業者等には明らかになるであろう。詳細な説明に関連する図面は以下で簡単に説明する。
【００１４】
図１は、エネルギー変換装置（ＥＣＤ）１２の燃料システム１０の概略図を示している。脱酸素システム１４は、液体燃料Ｆを燃料タンクなどの燃料溜め１６から受容する。燃料Ｆは、通常、ジェット燃料などの炭化水素である。ＥＣＤ１２は、工程の最終使用の前のある点において、燃焼又は別の形態でエネルギーを放出する燃料が、十分に加熱されることにより、燃料中に相当量の溶存酸素が存在する場合に、自動酸化反応並びにコークス化が生じるような、いずれの形態であってもよい。
【００１５】
ＥＣＤ１２の一形態は、ガスタービン・エンジンであり、特に、高性能航空機内のエンジンなどである。通常、燃料は又、航空機中の１つ又はより多くのサブシステムのための冷却剤とし作用し、燃焼の直前に燃料インジェクタに送られる際に加熱される。
【００１６】
熱交換セクション１８は、熱交換関係において、燃料がそこを通過するシステムである。熱交換セクション１８は、ＥＣＤ１２に直接連結され、かつ／又はより大型のシステム１０内の他の箇所へ設けられてもよいことは理解すべきである。熱交換セクション１８は、代替としてあるいは追加として、システム全体に設けられる多数の熱交換器を具備してもよい。
【００１７】
一般的に理解されるように、燃料溜１６に貯蔵される燃料Ｆは、通常、７０ｐｐｍの飽和レベルであり得る溶存酸素を含む。燃料ポンプ２０は、燃料溜１６から燃料Ｆを引き出す。燃料ポンプ２０は、燃料溜コンジット２２と脱酸素システム１４の燃料入口２６への弁２４を介して燃料溜１６と連通している。燃料ポンプ２０が付与する圧力は、脱酸素システム１４及び燃料システム１０のその他の部分を通る燃料Ｆの循環を助ける。燃料Ｆが脱酸素システム１４を通過すると、酸素は選択的にスイープガスシステム２８内へ移動される。
【００１８】
脱酸素化された燃料Ｆｄは、脱酸素システム１４の燃料出口３０から、脱酸素化燃料コンジット３２を介して、熱交換システム１８、次いで、ガスタービン・エンジンの燃料インジェクタなどのＥＣＤ１２へ流れる。脱酸素化燃料の一部は、脱酸素システム１４及び／又は燃料溜１６のいずれかへの再循環コンジット３３で示されるように、循環可能である。例示の実施態様では、特定の構成要素の配置を示しているが、その他の配置においても本発明の利益を享受できることは理解すべきである。
【００１９】
図２を参照すると、好ましい脱酸素システム１４は、多数のガス／燃料マイクロチャネルアッセンブリ３４を備えている。アッセンブリ３４は、燃料チャネル３８と、スイープガスチャネル４０などの酸素受容チャネルの間に酸素透過膜３６を備える。スイープガスチャネル４０は、窒素及び／又はその他の不活性ガスを含むのが好ましい。チャネルが、様々な形状を有し、かつ、燃料を脱酸素化するために、膜全体にわたって酸素濃度差を維持するよう差圧を提供するよう配置され得ることは理解すべきである。燃料及びスイープガスは、反対向きの方向に流れることが好ましい。
【００２０】
酸素透過膜３６は、１オングストローム大の孔を介して溶存酸素（並びに他のガス）を拡散させ、一方でそれより大型の燃料分子は遮断する多孔質の膜と、燃料を除く酸素（並びに他のガス）を溶解させる溶液拡散機構を利用し、酸素（又は他のガス）を、膜を介して拡散させる透過膜を具備していることが好ましい。ポリテトラフルオロエチレン型の化合物（ＰＴＦＥ）群、「テフロン（“Ｔｅｆｌｏｎ”、米国デラウェア州ウィルミントンのイー・アイ・デュ・ポン社の登録商標）」として識別される場合が多い、は、燃料の脱酸素に対して有効な結果が得られることが証明されている。ＰＴＦＥ材料は、溶液拡散機構を利用すると考えられているが、組成並びに構造に依存して、その多孔な性質によっても又機能し得る。多孔質膜材料の別の例は、５０オングストロームの薄層の有孔アルミナセラミック、即ちゼオライトである。また、透過膜の他の例は、薄層のシリコンゴムである。裸膜を使用するか、あるは、これらに限定されるものではないが、化学反応、物理処理工程、放射線処理（Ｘ線、可視光、赤外、マイクロ波、超音波への暴露を含む）及びそれらの組み合わせを包含する、その後の操作で改善してもよい。組成並びに性能パラメータを変更した多数の膜を組み合わせて使用することも可能である。
【００２１】
動作において、燃料チャネル３８を通って流れる燃料は、酸素透過膜３６と接する。真空は、燃料チャネル３８の内壁と酸素透過膜３６の間に酸素分圧の差圧を作りだす膜３６を支持する多孔質基体４２を介して移動し、かつ燃料チャネル３８から離れたスイープガスチャネル４０を介して脱酸素システム１４を出るよう、燃料中に溶存する酸素を拡散させる。マイクロチャネル内は、燃料蒸気で完全に満たされており、可燃性の揮発成分濃度は最低限であり、かつ、膜壁上の気泡が放出した後、酸素は（膜３６全体にわたる差圧のために）酸素透過膜３６を通って除去される。
【００２２】
図示される実施態様で説明する燃料チャネル３８が代表的なものであり、膜ベースの燃料脱酸素システム、コンジット、通路、及び／又は、燃料溜１６（図１）以外の、その他の燃料連絡システム内におけるマイクロチャネルであっても良いことは理解すべきである。その他の、膜ベースの燃料脱酸素システム並びに付随する構成要素の一態様を理解するには、本発明の出願人に譲渡された米国特許番号第６，３１５，８１５号及び米国特許出願第１０／４０７，００４号（発明の名称「平坦な膜脱酸素装置」）に注意を向けるべきである（それらに開示の全ては参照として本開示に組み入れられる）。
【００２３】
酸素透過膜３６は、テクスチャー加工された表面４４を具備することが好ましい。テクスチャー加工された表面４４は、酸素透過膜３６の表面積を増大させるため、酸素除去が増大する。テクスチャー加工された表面４４は、酸素透過膜３６の表面積を増大し、さらには酸素透過膜３６の堅牢性（例えば、強度及び剛性）を増大して、拡散の障壁となるのを最小限にするべく、多孔質基体４２を最小化するのを可能にする。従って、多孔質基板４２は、酸素透過膜３６の低減した支持が要求される際に、増大した多孔性を提供することが可能である。
【００２４】
テクスチャー加工された表面４４は、４：１までのアスペクト比を伴う、１００ｎｍ〜２００μｍ以上の範囲内の寸法、より好ましくは、１００μｍ未満の寸法を有する、マイクロ構造のフィーチャー（ｆｅａｔｕｒｅ）を有することが好ましい。テクスチャー加工された表面４４は、膜のベース平面と多孔質基板４２に対して、塚、又は杭形状（図３Ａ）、ダイアモンド形状（図３Ｂ）、尖頭、針形状（図３Ｃ）、ピン形状、ノブ形状あるいは畝形状型（図３Ｄ）などの凸状のフィーチャー（又は、テクスチャーパターン）、あるいは、ウェル、溝、Ｖ字形チャネル（図３Ｅ）、谷状の凹状のフィーチャー、又はそれらの組み合わせのいずれかとして作製することができる。その他の適したマイクロ構造のフィーチャーは、マイクロウェル、マイクロ流体チャネル、貫通孔などを包含する。テクスチャー加工された表面４４は、凹凸状のフィーチャーが、多孔質基板４２と相関するよう、それに対して配向させ得ることは理解すべきである。膜のテクスチャーは、流体流れの必要条件、膜の寸法形状の特徴、物理特性、並びに工作機械の制限を満たすよう設計することが可能である。テクスチャーの組成は、化学的作用、化学的適合性、酸素透過速度の向上、及び触媒的な強化の補足的な要求を満たすよう設計することが可能である。
【００２５】
テクスチャー加工された表面４４は、テクスチャー加工された表面を酸素透過膜３６の一方の面あるいは両面に配置することを含む様々な方法で配向かつ配置してよい。酸素透過膜３６の表面積の全体又は一部が、テクスチャー加工された表面４４を含んでよい。均一なテクスチャー加工された表面４４を酸素透過膜３６全体に形成してもよく、あるいは、燃料脱酸素化性能特性を最適化するよう、酸素透過膜３６の異なる領域に異なるテクスチャー加工された表面４４を形成してもよい。さらには、例えば、異なる特徴を有する２つ又はより多くのポリマー層、及び異なるテクスチャー加工された表面を積層した酸素透過膜３６も又、本発明の利益を享受し得る。
【００２６】
図４Ａを参照すると、酸素透過膜３６のテクスチャー加工された表面４４は、マイクロ複製ベースの型押しシステム（４６において概略的に図示）を用いて、酸素透過膜３６へテクスチャー加工された表面４４を押しつけることによって好ましく作製されている。ＦＳＵ用途に適した酸素透過膜３６は、酸素透過膜３６が、マイクロ構造の輪郭形状（フィーチャー（ｆｅａｔｕｒｅ））を有する１組のマイクロフィーチャーローラ５０のもとに加圧されるよう、型押しシステム４６のローラシステム４８に導入される。即ち、マイクロフィーチャーローラ５０は、酸素透過膜３６の上を転がるマイクロフィーチャーローラ５０が、酸素透過膜３６にテクスチャー加工された表面を転写するよう、反転したマイクロ構造の輪郭形状を備える。マイクロフィーチャーローラ５０は、酸素透過膜３６が加熱ローラ５２に供給されると、酸素透過膜３６にテクスチャー加工された表面４４が直接形成されるよう、テクスチャー加工された表面４４を酸素透過膜３６に押しつける。次いで、酸素透過膜３６は、テクスチャー加工された表面４４が酸素透過膜３６に固定されるよう冷却ローラ５４の上を通過する。
【００２７】
図４Ｂを参照すると、間接的な製造法は、図４Ａで説明したのと同様の方法で、犠牲フィルム５６にテクスチャー加工された表面４４’を押しつけることを含む。次いで、テクスチャー加工された表面４４が酸素透過膜３６に転写されるよう、犠牲フィルム５６上に酸素透過膜３６が形成される。酸素透過膜３６は、積層、溶剤注入成形、析出、蒸着、及び／又はそれらや同様の方法の組み合わせなどの様々な既知の方法で犠牲フィルム５６上に形成するのが好ましい。続いて、犠牲フィルム５６は、溶解、熱分解、剥離、その他の適当な除去技術によって取り除かれ、テクスチャー加工された表面４４が表面上に形成された最終的な酸素透過膜３６が得られる。
【００２８】
図４Ｃを参照すると、添加した酸素透過膜材料Ｍを、有孔の犠牲フィルム５６ｐを通って本来の酸素透過膜３６に接着させるよう、酸素透過膜３６に隣接して配置された有孔の犠牲フィルム５６ｐを介して、追加の酸素透過膜材料Ｍを適用する別の製造法が示されている。追加の酸素透過膜材料Ｍは、その溶媒が後で除去可能な液状の溶液形態、濃縮可能な揮発性のもの、又はフィルム、粒子、複合材料などの固体形態、あるいはそれらの混合物であることが好ましい。続いて、多孔質の犠牲フィルム５６ｐが除去され、追加の酸素透過膜材料Ｍで形成されたテクスチャー加工された表面４４を有する酸素透過膜３６が得られる。
【００２９】
あるいは又、材料Ｍは、フィルム、粒子、複合物又はそれらの組み合わせなどの形態の金属、セラミック、ポリマーあるいはそれらの混合物などの、膜材料とは異なる材料であってもよい。例としてのみだが、有孔の犠牲フィルムを介した酸素透過膜へフィーチャーを金属メッキすることにより、金属テクスチャー加工された酸素透過膜が得られる。金属又はその他の材料は、酸素透過膜に対して触媒作用を与えるよう、あるいは、酸素透過膜を通る酸素の透過率を増大させるよう選択することが好ましい。
【００３０】
特定の順序を示し、説明し、特許請求の範囲に記載したが、別の方法で示されない限り、それぞれの工程はいずれの順番で、別々にあるいは組み合わせて実施することができ、本発明の利益を教授できることは理解すべきである。
【００３１】
前述の説明は、それらに限定することで範囲を限定するものではなく、代表例である。本発明の多くの修正並びに変更は、上述の技術に鑑みて可能である。本発明の好ましい実施態様を開示してきたが、本発明の範囲内における一定の変更が実行可能であることは、当業者であれば認識し得るであろう。従って、特許請求の範囲内において、具体的に説明してきた以外にも本発明は実施可能である。そのため、本発明の真の範囲及び内容を決定するために特許請求の範囲の記載を検討すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による燃料脱酸素装置を採用したエネルギー変換装置（ＥＣＤ）と関連する燃料システムの概略的なブロック図である。
【図２】燃料チャネルとスイープガスチャネルの間にある多孔性の酸素透過膜の拡大図である。
【図３Ａ】酸素透過膜のテクスチャー加工された表面の拡大図である。
【図３Ｂ】酸素透過膜のテクスチャー加工された表面の拡大図である。
【図３Ｃ】酸素透過膜のテクスチャー加工された表面の拡大図である。
【図３Ｄ】酸素透過膜のテクスチャー加工された表面の拡大図である。
【図３Ｅ】酸素透過膜のテクスチャー加工された表面の拡大図である。
【図４Ａ】テクスチャー加工された表面の形成方法を図示する、マイクロ複製ベースの型押し装置の概略図である。
【図４Ｂ】テクスチャー加工された表面の形成方法を図示する、別のマイクロ複製ベースの型押し装置の概略図である。
【図４Ｃ】追加の酸素透過膜を適用することによる、テクスチャー加工された表面を形成する別の方法を示す概略図である。
【図１】
2006213923.tif 000003
【図２】
2006213923.tif 000004
【図３Ａ】
2006213923.tif 000005
【図３Ｂ】
2006213923.tif 000006
【図３Ｃ】
2006213923.tif 000007
【図３Ｄ】
2006213923.tif 000008
【図３Ｅ】
2006213923.tif 000009
【図４Ａ】
2006213923.tif 000010
【図４Ｂ】
2006213923.tif 000011
【図４Ｃ】
2006213923.tif 000012