(57)【要約】【課題】  燃料から溶存酸素を除去するために漏れのない非多孔質膜を提供すること。【解決手段】  航空機の燃料脱酸素器装置で溶存酸素を除去するときに用いるのに適した非多孔質膜が溶媒キャスティングによって製造される。第１膜層が基板上に堆積される。第２膜層が第１膜層の頂部に堆積される。続く膜層が、望まれるように第２膜層の頂部に堆積され得る。結果として得られる非多孔質膜は、膜を横切る燃料の漏れをほとんどなくすか又はなくすことができる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料貯蔵タンクと；
下流に配置された燃料の使用部と；
前記燃料貯蔵タンクから前記下流に配置された使用部に燃料を送る流体連結部と；
前記流体連結部に取り付けられた燃料脱酸素器であって、該燃料脱酸素器は、非多孔質膜を有し、該非多孔質膜は、第１膜層と該第１膜層の頂部に配置された少なくとも第２膜層とを含む、燃料脱酸素器と；
を備えることを特徴とする燃料システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料システムにおいて、
前記非多孔質膜は、基板に配置されていることを特徴とする燃料システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料システムにおいて、
前記第１膜層及び前記第２膜層のうち少なくとも一つは、フルオロポリマーであることを特徴とする燃料システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料システムにおいて、
前記第１膜層及び前記第２膜層のうち少なくとも一つは、アモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体であることを特徴とする燃料システム。
【請求項５】
請求項１記載の燃料システムにおいて、
前記非多孔質膜は、均質の非多孔質膜であることを特徴とする燃料システム。
【請求項６】
液体が非多孔質膜へ移動するのを防止する方法であって、
第１乾燥プロセスで第１溶液を乾燥させることによって、第１被覆プロセスで第１膜層を形成する段階と；
第２乾燥プロセスで第２溶液を乾燥させることによって、第２被覆プロセスで前記第１膜層の頂部に第２膜層を形成する段階であって、前記第２膜層及び前記第１膜層は、非多孔質膜を形成する、第２膜層を形成する段階と；
流体分離装置に前記非多孔質膜を配置する段階と；
を備えることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、
基板に前記非多孔質膜を配置する段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項６記載の方法において、
前記第２乾燥プロセスの後に前記第２膜層が前記第１膜層を備えた単一の均質の非多孔質膜を形成するように、前記第２溶液を用いて前記第１膜層を部分的に溶解することによって前記第１膜層の部分溶解部を形成する段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項６記載の方法において、
前記第１溶液は、６０℃と１１０℃との間の沸点を有するフルオロ溶媒に溶解されたアモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項６記載の方法において、
前記第２溶液は、６０℃と１１０℃との間の沸点を有するフルオロ溶媒に溶解されたアモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項６記載の方法において、
前記第１乾燥プロセスは、１０分と約３０分との間の間、約１３０℃と約１５０℃との間まで加熱する段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項６記載の方法において、
前記第２乾燥プロセスは、１０分と約３０分との間の間、約１３０℃と約１５０℃との間まで加熱する段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項６記載の方法において、
前記第１被覆プロセスは、前記基板上に前記第１溶液を伸ばす段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項６記載の方法において、
前記第２被覆プロセスは、前記第１乾燥プロセスの後に、前記第１膜層の頂部に前記第２溶液を伸ばす段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項６記載の方法において、
前記流体分離装置は、航空機の燃料脱酸素器であることを特徴とする方法。
【請求項１６】
第１膜層と、前記第１膜層の頂部に配置された少なくとも第２膜層と、を有する燃料分離装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の燃料分離装置において、
前記燃料分離装置は、基板に配置されていることを特徴とする燃料分離装置。
【請求項１８】
請求項１６記載の燃料分離装置において、
前記第１膜層及び前記少なくとも第２膜層のうち少なくとも一つは、フルオロポリマーから形成されることを特徴とする燃料分離装置。
【請求項１９】
請求項１８記載の燃料分離装置において、
前記第１膜層及び前記少なくとも第２膜層のうち少なくとも一つは、アモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体から形成されることを特徴とする燃料分離装置。
【請求項２０】
請求項１６記載の燃料分離装置において、
前記燃料分離装置は、均質の非多孔質膜であることを特徴とする燃料分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、非多孔質ポリマー膜の製造方法及び燃料から溶存酸素を除去するために非多孔質ポリマー膜を用いる脱酸素器装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機用のような燃料システムでは、燃料は主に動力を生み出すために用いられる。しかしながら、燃料は航空機の様々なシステムのための冷却液としても用いることができる。冷却液としてジェット機用燃料を有効に使用することで、航空機の動作温度の上昇、及び航空機システムのより効果的な操作が可能になる。
【０００３】
ジェット機用燃料は、多くの他の液体と同様に、大量の大気中の気体を吸収することがある。ジェット機用燃料が空気と接触するとき、空気中の酸素が燃料に溶け込む。吸収された気体は、燃料の化学的性質を変更し、航空機の性能に影響を与えることがある。例えば、吸収された酸素は、約１５０℃よりも上まで加熱されたときに、反応してフリーラジカル種を形成することがある。フリーラジカル種は、ジェット機用燃料において自動酸化反応を起こし、これにより「コークス」と呼ばれる炭素を含む堆積物が形成される。
【０００４】
残存酸素及びコークス堆積物の存在はいくつかの有害な影響を有する。第１に、コークス堆積物は、航空機の燃料供給システムを一貫して流れる可能性があり、システムの様々な構成要素の機能性（functionality）を妨げる可能性がある。第２に、酸素の存在及びコークス堆積物の形成は、冷却液としてのジェット機用燃料の使用を制限する。例えば、溶存酸素を有するジェット機用燃料は、約１５０℃よりも上でコークス堆積物を形成するので、それゆえジェット機用燃料によって冷却される航空機システムの動作温度は、コークス堆積物の形成を最小限度に抑えるために約１５０℃に制限される。他方で、ジェット機用燃料が脱酸素される場合には、際立ったコークス堆積物を形成することなく、約４５０℃まで加熱され得る。
【０００５】
ジェット機用燃料から溶存酸素を除去するのに適切な現存の気体分離方法が少なくとも一つある；しかしながら、この方法で用いる現存の膜は適切ではない。本方法は、膜フィルタを介して２つの流体の間に気体を移動させることを含む。この知られている方法は、気体の混合物から特定の気体を分離するか、又は水溶液に溶かされた特定の気体を分離するために用いられてきたが、膜の質が不十分なために、ジェット機用燃料に対しては完全に成功してはいなかった。
【０００６】
溶存酸素を除去するある装置は、燃料システム内に配置された気体透過膜を用いる。燃料が透過膜に沿って通過するとき、燃料に溶けている酸素分子は気体透過膜を横切って燃料から拡散する。透過膜を横切る酸素分圧差は燃料から酸素を追い出すが、燃料は変質せずに膜を通過する。
【０００７】
上述の装置で用いられる従来の気体透過膜は、溶液キャスティング、熔融キャスティング、又は他のキャスティング技術のような知られている方法を用いて製造される。だが、これらの技術を用いて製造される従来の膜は、ジェット機用燃料において酸素を分離するために十分に高い品質の膜をもたらして来なかった。
【０００８】
従来の膜の第１の不利益の一つは、膜内における「微小孔」の影響である。微小孔は、膜を形成するポリマーの分子間の自由体積空間（free volume space）である。自由体積空間は、分子が膜の一方の側から膜の他の側まで透過する、すなわち移動することを可能とする膜を通じて小道、又は微小孔を形成する。従来の膜では、微小孔のサイズがあまりにも大き過ぎ、このため燃料が例えば膜に移動し浸透するままであった。燃料が膜に浸透するにつれ、膜は、溶存酸素を除去するのにあまり効果的でなくなり、かつ燃料から溶存酸素を十分に除去することができなくなる。
【０００９】
したがって、漏れのない非多孔質膜が、燃料から溶存酸素を除去するために必要とされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一般的な点で、この発明は、非多孔質膜の製造方法、及び、燃料から溶存酸素を除去するために非多孔質膜を用いる燃料脱酸素器装置である。
【００１１】
一実施例において、本発明に係る非多孔質膜は、燃料から溶存酸素を除去するために、航空機の燃料脱酸素器装置で用いられる。溶存酸素を除去することによって、燃料が航空機システム及び構成要素のための冷却液としてより効果的になる。
【００１２】
他の実施例において、ＰＶＤＦ基板にアモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体（amorphous glassy perfluorodioxole copolymer）を含む溶液及びフルオロ溶媒（fluorosolvent）を適用するために、溶液キャスティングマシンが用いられる。溶液は、１０分と３０分との間の時間の間、１３０℃と１５０℃との間の温度で乾燥される。この結果、アモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体第１膜層が形成される。第２アモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体膜層が、同様のプロセスで、第１アモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体膜層の頂部に堆積される。この結果物は、燃料から溶存酸素を除去するのに適した非多孔質膜である。
【００１３】
他の実施例において、基板に第１アモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体膜層を堆積するために、溶液キャスティングマシンが用いられる。第２アモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体膜層を形成する際に、溶液キャスティングマシンは、第１アモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体膜層の頂部に、アモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体を含む溶液とフルオロ溶媒とを堆積する。乾燥後に第１アモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体膜層及び第２アモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体膜層が均質の非多孔質膜を形成するように、溶液は乾燥前に第１アモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体膜層の一部を部分的に溶かす。結果としてできる均質の非多孔質膜は、燃料から溶存酸素を除去するのに適している。
【００１４】
この発明の様々な特徴及び優位点は、次の現在の好ましい実施例の詳細な説明から当業者に明らかとなろう。詳細な説明に伴う図面は、図面の詳細な説明で簡単に述べられ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、燃料分離器と流体接続（fluid communication）している燃料貯蔵タンク１２と燃料脱酸素器装置１４とを含む航空機の燃料システム１０を概略的に示す。燃料脱酸素器装置１４は、燃料から溶存酸素を除去するための膜１６を含み、様々な航空機システム及び構成要素１８のための冷却液として使用する上で燃料をより効率的にする。最後に、燃料は、航空機エンジン２０によって、燃料脱酸素器装置１４又は航空機システム及び構成要素１８のどちらかの下流で用いられる。
【００１６】
図２を参照すると、燃料脱酸素器装置１４は、燃料が様々な航空機システム及び構成要素１８を冷却するために効果的に用いられるために、燃料から酸素を効果的に除去しなければならない。燃料酸素器装置１４は、燃料側３２と非燃料側３４とを含む。燃料は、インレット３６を介して燃料側３４に入り、膜１６と接触する。膜１６は、例えば、燃料に溶けている酸素が燃料脱酸素器１４の非燃料側３４に移動することを許容し、かくして燃料から酸素が除去される。拡散を促進するために、開口部３６が、燃料側３２と非燃料側３４との間の酸素分圧差を生み出すために用いられる。一般的に、酸素のない燃料は、次いでアウトレット３７を介して燃料脱酸素器１４を離れる。
【００１７】
図３に示すような従来技術膜４４は、細孔４９（細孔４９の存在をより良く示すために実際のサイズよりも大きく示されている）を有するプラスチック多孔質基板４８に配置された厚さ４７を有する単一膜層４６を含む。単一層４６は、プラスチック材料から形成され、分子が膜の燃料側５２から膜の非燃料側５４へ透過、すなわち移動することを可能にする膜を通じた小道を形成する微小孔５０（これもまた実際よりも大きく示されている）を含む。従来技術膜４４は、微小孔５０を介して燃料が漏れるのを許容し、このために従来技術膜４４は脱酸素器装置１４内で溶存酸素を除去する上でいくぶん効果がなくなる。
【００１８】
図４は、本発明に係る非多孔質膜６４の一実施例を示す。非多孔質膜６４は、共に微小孔７２を有する第１膜層６６及び第２膜層６８から構成されている。好ましくは非多孔質膜は、第１膜層及び第２膜層のみを有する；しかしながら、この開示の利点を有する当業者が付加的な膜層を堆積することの利点に気づくことは理解されたい。
【００１９】
第１膜層６６及び第２膜層６８は、全体の厚さ７４を有する（すなわち、従来技術膜４４の厚さとほぼ同じであるが、微小孔を介して燃料が漏れることは許可しない）。非多孔質膜６４は、適切なプラスチックから形成され、微小孔８０を有する適切なプラスチック多孔質基板７８に配置されている。非多孔質膜６４を通じて小道を形成する微小孔７２は、分子が燃料側８２から非燃料側８４へ透過するのを可能にする。
【００２０】
個々が例の従来技術膜４４よりも薄い第１膜層６６及び第２膜層６８を使用すると、非多孔質膜６４を漏れのないものとすることができる。本発明の方法に従って製造されたより薄い層は、単一のより厚い層よりもより漏れを少なくすることを可能にする；しかしながら、より薄い膜はまた、激しくかつ他の機械的な損傷に対してずっとより敏感である。結果として、激しくかつ他の機械的な損傷を阻止するのに十分な厚さを有する漏れのない非多孔質膜を達成するために、複数の薄膜層を、図４の例で示されるような基板７８上に堆積することができる。
【００２１】
図５は、本発明に係る非多孔質膜を形成するためのコーティングプロセスの一実施例を概略的に示す。知られている溶液キャスティングマシン９４は一端に供給ロール９６を含む。供給ロール９６は、基板７８の圧延シートを搬送する。基板７８は、上部ローラ１００と下部ローラ１０２との間に供給される。溶液供給器１０４は、上部ローラ１００へ溶液を引き渡す。溶液は、溶媒に溶解されたポリマーを含む。上部ローラ１００は、溶液が上部ローラ１００と下部ローラ１０２との間に供給されるときに、基板７８に溶液を堆積させる。ひとたび上部ローラ１００によってコーティングされると、溶液１０６を有する基板は、オーブン１０８を通過して移動する。オーブン１０８は、溶液を乾燥するために高められた温度を与える。乾燥の間、溶媒は溶液から蒸発し、ポリマーは基板７８に残留して膜を形成する。基板及び膜１１０は、オーブン１０８を離れた後、貯蔵ロール１１２に集められる。
【００２２】
上述の第１被覆プロセスの結果、第１膜層６６が基板７８上に堆積される。図４の非多孔質膜の例のためのような第１膜層６６の頂部に第２膜層６８を堆積するために、貯蔵ロール１１２は除去され、第２被覆プロセスのために供給ロール９６として用いられる。一つの好ましい実施例では、第２被覆プロセスは、第１被覆プロセスと同じである。続く膜層が、既述されたように第２膜層６８の頂部に堆積され得る。
【００２３】
一実施例では、第１膜層６６は、図５の溶媒キャスティングマシン９４を用いてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）基板７８上に堆積される。
【００２４】
ＰＶＤＦ基板７８は、非多孔質膜に強さを与えるとともに、非多孔質膜のための搬送装置として作用する。ＰＶＤＦ基板７８は好ましくは、約０．１マイクロメートル又はそれよりも短い直径を有する微小孔８０を有し、一般的にほぼ微小孔７２の直径の大きさのオーダーであるか又は微小孔７２よりも直径がより大きい。微小孔８０は、非多孔質膜を通過した酸素が、ＰＶＤＦ基板７８をも通過して酸素器装置１４の非燃料側８４へ至るのを可能にする。
【００２５】
第１膜層６６は、第１被覆プロセスでＰＶＤＦ基板７８に適用される。第１被覆プロセスは、フルオロ溶媒に溶解されたフルオロポリマーを含む溶液を利用する。フルオロポリマーは好ましくは、アモルファスガラスペルフルオロジオキソール（amorphous glassy perfluorodioxole）である。アモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体は、フルオロ溶媒に約１ｗｔ％の溶解度を有する。この開示の利点を有する当業者は、付加的な適切なポリマー、フルオロポリマー、及び本発明に係る非多孔質膜を製造するのに適した溶媒に気づくであろう。
【００２６】
フルオロ溶媒は好ましくは、約８０℃の沸点を有する。使用される溶媒の沸点は、約６０℃と約１１０℃との間とすべきである。この範囲の下端に沸点を有するフルオロ溶媒を使用すると、溶液キャスティング乾燥ステップの間、溶媒を除去するために、少ない熱及び／又は少ない時間で済むという点で処理の優位点がもたらされる。この範囲の上端に沸点を有するフルオロ溶媒を使用すると、乾燥の間に溶媒を完全に除去するために、より高い乾燥温度及び／又はより長い乾燥時間が要求される。
【００２７】
フルオロ溶媒を選択する際に、溶媒におけるフルオロポリマーの溶解度が熟慮されるべきである。一般に、低い沸点を有するフルオロ溶媒がより多くのフルオロポリマーを溶液に保持するのに対して、高い沸点を有するフルオロ溶媒が溶液に保持するフルオロポリマーは少ない。乾燥時間、乾燥温度、及び膜層の厚さのような溶液キャスティングプロセスにおけるいくつかの変数は、フルオロ溶媒に溶解されたフルオロポリマーの量によって影響を受ける。
【００２８】
第１被覆プロセスは、第１膜層６６を堆積するために用いられ、オーブン１０８での第１乾燥プロセスがこれに続く。第１乾燥プロセスでは、オーブン１０８の温度は好ましくは、約１３０℃から約１５０℃の温度範囲に維持される。この範囲の上端の温度を用いると溶媒を完全に蒸発させるのに短い時間で済むのに対し、この範囲の下端の温度で乾燥すると、溶媒を完全に蒸発させるのにより長い時間がかかる。第１膜層６６は好ましくは、１０分と約３０分との間の間、オーブン１０８で乾燥される。好ましくは、第１膜層６６は、欠陥の形成を最小限に抑えるために、温度範囲中のより低い温度で、かつ時間の範囲中のより長い時間の間、乾燥される。アモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体及びフルオロ溶媒溶液に伴うこれらの乾燥条件を用いると、約１マイクロメートルの第１膜層６６厚さが得られる。
【００２９】
ＰＶＤＦ基板７８は特に、第１被覆プロセス及び第１乾燥プロセスで第１膜層６６を搬送するのに十分適している。ＰＶＤＦ基板７８は特に、第１膜層６６のアモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体材料と適合する。それだけで、第１膜層６６は、第１膜層６６がＰＶＤＦ基板７８から離れて剥がれるのを防止するように、十分にＰＶＤＦ基板７８に接合する。加えて、ＰＶＤＦ基板７８は、第１乾燥プロセスの間に溶媒を蒸発させるために用いられる温度に耐えることができる。
【００３０】
第１膜層６６を乾燥させた後、第１膜層６６及びＰＶＤＦ基板７８は、貯蔵ロール１１２に集められる。図５を再び参照すると、貯蔵ロール１１２は次いで、第２膜層６８の適用のために供給ロール９６として用いられる。
【００３１】
第２膜層６８は、溶媒キャスティングマシン９４を用いて第２被覆プロセスで適用される。第１被覆プロセスと同様に、上部ローラ１００は溶液を堆積する。溶液は、第１膜層６６の頂部に堆積され、第１膜層６６を形成するために用いられるのと同一の溶液（すなわち、フルオロ溶媒に溶解されたアモルファスガラスペルフルオロジオキソ共重合体）である。
【００３２】
第２膜層６８は好ましくは、第１膜層６６に対して用いられるのと同様の条件下で乾燥され、その結果、約１マイクロメートルの第２膜層６８厚さとなる。約１３０℃から約１５０℃の温度範囲のうちの低い温度、及び１０分から約３０分の時間の範囲のうちの長い時間を選択すると、欠陥の量が低い第２膜層を製造するのに好ましい。この開示の利点を有する当業者は、この実施例で図示された膜を上回る付加的な膜層を製造することの利点に気づくであろう。
【００３３】
第３、第４、又はさらなる付加的な膜層は、第２膜層６８と同一の方法で製造することができる。この開示の利点を有する当業者は、付加的な膜層又はこの実施例で図示されたよりも少ない膜層を製造することの利点に気づくであろう。
【００３４】
図６の実施例は、第２膜層６８を形成する溶液を適用した直後の非多孔質膜１２０を表す。溶液１２２は、（図５を再び参照すると）上部ローラ１００によって堆積されてしまったが、第２乾燥プロセスではまだ乾燥されていない。溶液１２２の堆積の後であって第２乾燥プロセスの前である時間の間、溶液１２２は第１膜層６６の一部を溶かして部分溶解部１２４を形成する。次いで第２乾燥プロセスは、溶液１２２だけでなく部分溶解部１２４からも溶媒を除去する。その結果、図７に図示されるような、均質の非多孔質膜１２０となる。層が部分溶解部１２４によって統合されたので、均質の非多孔質膜１２０は別個の層を持たない。
【００３５】
本発明は、図示の方法で記述されてきたが、使用された専門用語は制限ではなく説明の語の性質を帯びるよう意図されていることを理解されたい。明らかに、この発明の多くの修正及び変形が、上の教えを考慮に入れて可能である。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲内で、詳細に説明されたようなものとは異なって実施することができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】航空機の燃料脱酸素器装置における非多孔質膜の一般的な概略図である。
【図２】燃料脱酸素器装置の概略断面図である。
【図３】従来技術膜の断面図である。
【図４】本発明に従って製造された非多孔質膜の一実施例の概略断面図である。
【図５】溶液キャスティングマシンの概略図である。
【図６】第２膜層を乾燥させる前の非多孔質膜の一実施例の概略断面図である。
【図７】本発明に従って製造された均質の非多孔質膜の一実施例の概略断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  燃料システム
１２  燃料貯蔵タンク
１４  燃料脱酸素器
６６  第１膜層
６８  第２膜層
７８  基板
【図１】
2005240804.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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