(57)【要約】【課題】  微量金属汚染物質を含む燃料の冷却キャパシティは金属汚染物質を含まない燃料の冷却キャパシティよりも制限される。したがって、使用可能な燃料の冷却キャパシティを増大させる及びコークス生成を最小限にするために、微量金属汚染物質を含む燃料中での自動酸化反応を抑制する技術を提供する。【解決手段】  溶存金属を含む燃料１４中におけるコークス生成を抑制する方法であって、溶存金属を含む燃料１４を燃料経路を通過させる通過ステップと、燃料から溶存酸素２０を除去することで燃料１４中で溶存金属により助長される自動酸化コークス生成を抑制する除去ステップと、を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶存金属を含む燃料中におけるコークス生成を抑制する方法であって、
前記溶存金属を含む燃料を燃料経路を通過させる通過ステップと、
前記燃料から溶存酸素を除去することで当該燃料中で前記溶存金属により助長される自動酸化コークス生成を抑制する除去ステップと、を有することを特徴とするコークス生成を抑制する方法。
【請求項２】
前記通過ステップは、
前記溶存金属を含む燃料を透過性の膜に隣接させて通過させることを含むこと特徴とする請求項１に記載のコークス生成を抑制する方法。
【請求項３】
溶存金属及び／又は分散した金属を含む前記燃料から酸素を放散させるために、前記透過性の膜を横切る部分的酸素差圧を発生させることを含む、ことを特徴とする請求項２に記載のコークス生成を抑制する方法。
【請求項４】
前記透過性の膜を多孔質の基材上に支持させ、溶存金属及び／又は分散した金属を含む前記燃料から前記多孔質の基材を通して放散する酸素を吸引することを特徴とする請求項３に記載のコークス生成を抑制する方法。
【請求項５】
銅を含んで構成される容器に前記燃料を蓄積することを特徴とする請求項１に記載のコークス生成を抑制する方法。
【請求項６】
前記容器から前記燃料中に微量の金属が溶解することを特徴とする請求項５に記載のコークス生成を抑制する方法。
【請求項７】
前記燃料に溶存する微量の金属は５０〜４００ｐｐｂの銅を含んでいることを特徴とする請求項６に記載のコークス生成を抑制する方法。
【請求項８】
前記除去ステップでは、
前記燃料が２５０°Ｆ(１２１℃)以上の温度での自動酸化コークス生成を抑制することを含むことを特徴とする請求項１に記載のコークス生成を抑制する方法。
【請求項９】
前記除去ステップでは、
前記燃料がほぼ８００°Ｆ(４２７℃)に達する温度での自動酸化コークス生成を抑制することを含むことを特徴とする請求項１に記載のコークス生成を抑制する方法。
【請求項１０】
溶存金属を含む炭化水素燃料の使用可能な冷却キャパシティを増加させる方法であって、
前記炭化水素燃料を燃料経路を通過させる通過ステップと、
前記炭化水素燃料から溶存酸素を除去することにより不溶性物質生成を抑制する抑制ステップと、を有することを特徴とする溶存金属を含む炭化水素燃料の使用可能な冷却キャパシティを増加させる方法。
【請求項１１】
前記炭化水素燃料は、
４０ｐｐｂ以上の銅を含んでいることを特徴とする請求項１０に記載の溶存金属を含む炭化水素燃料の使用可能な冷却キャパシティを増加させる方法。
【請求項１２】
前記通過ステップでは、
前記炭化水素燃料に含まれる酸素を除去することを含むことを特徴とする請求項１０に記載の溶存金属を含む炭化水素燃料の使用可能な冷却キャパシティを増加させる方法。
【請求項１３】
前記通過ステップは、
前記炭化水素燃料を透過性の膜に隣接させて通過させることを含むことを特徴とする請求項１０に記載の溶存金属を含む炭化水素燃料の使用可能な冷却キャパシティを増加させる方法。
【請求項１４】
前記炭化水素燃料から前記透過性の膜を通過して溶存酸素を吸引し、当該炭化水素燃料から当該溶存酸素を除去するために、当該透過性の膜を横切る部分的酸素差圧を発生させることを含むことを特徴とする請求項１３に記載の溶存金属を含む炭化水素燃料の使用可能な冷却キャパシティを増加させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、溶存金属を含む炭化水素燃料内でコークスを生成する熱酸化反応の抑制方法に広く関係する。
【背景技術】
【０００２】
一般的には、燃料は生成され、移送され、そして金属容器内に蓄積される。この金属容器は金属容器内に蓄積される燃料固有の成分に不活性であることが好ましい。しかし、燃料中に可溶な金属を含む金属容器内に燃料を蓄積することもある。例えば、海上の船舶に積載する燃料貯蔵・移送システムは銅及びニッケル合金で製造されている。真鍮(Ｃｕ／Ｚｎ)の有利な腐食の性質は船舶を運行するときの塩水という苛酷な環境に対して理想的である。不都合なことに、真鍮容器に蓄積された燃料には微量の銅が混入する。この銅は微粒子に分解はしない、しかしその代わり燃料中に溶解する。いくつかの具体例では、燃料に溶解した銅は５０ｐｐｂを超える濃度レベルに達することがある。
【０００３】
一般的に、金属容器には多量の空気が含まれており、燃料が存在しない場所をこの空気は満たしている。この空気中の酸素は燃料中に溶解する。熱が加えられることで、燃料に溶解した酸素が自動酸化反応を開始させ、これは燃料システム及びエンジンコンポーネントの内部表面に不溶性炭素析出物を形成することが知られている。溶存金属(例えば銅)は、燃料の分解を開始させ助長し生成コークス量を増加させる自動酸化反応の触媒として機能する。この微量金属汚染物質を燃料から除去することは困難であり、微量金属量を限定された範囲で減少させるにとどまる。
【０００４】
燃料を飛行機に搭載された様々なシステムの冷媒として使用することは一般的に行われている。高温でのエンジン運転は、サイクル効率を増加させ、燃料消費を燃費を減少させる。しかし、用いられる燃料の冷却キャパシティによってエンジン運転温度はたいてい制限される。この燃料の冷却キャパシティは、燃料システム及びエンジンコンポーネントの内部表面に析出する一般にコークスと呼ばれる不溶金属の量によって制限される。
【０００５】
脱酸素デバイスにより燃料中の溶存酸素を除去することで、使用可能な冷却キャパシティが増大することが知られている。本出願人が有する技術では酸素透過性膜を用いて溶存酸素を除去するデバイスが開示されている(例えば、特許文献１、及び２参照。)。燃料が酸素透過膜に沿って酸素透過膜を横切って燃料の外に燃料中の酸素は放散する。
【特許文献１】米国特許第６３１５８１５号
【特許文献２】米国特許第６７０９４９２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
微量金属汚染物質を含む燃料の冷却キャパシティは金属汚染物質を含まない燃料の冷却キャパシティよりも制限される。したがって、使用可能な燃料の冷却キャパシティを増大させるとともにコークス生成を最小限にするために、微量金属汚染物質を含む燃料中での自動酸化反応を抑制する方法の発展が期待される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、自動酸化析出を抑制するために溶存酸素を除去することで、溶存金属を含む燃料中におけるコークス生成を抑制する方法である。
【０００８】
この方法は、溶存金属を含む燃料を燃料経路を通過させるステップ及び溶存酸素を除去することで燃料中に含まれる溶存金属に助長される自動酸化反応を抑制するステップを含む。溶存酸素は燃料から除去されて自動酸化コークス生成はほとんど抑制される。
【０００９】
脱酸素装置は溶存金属を含む燃料からほとんどの溶存酸素を除去する。脱酸素装置から出た燃料は、他のシステムから発生する熱を吸収する熱交換器に流入させることができる。溶存酸素の除去は、燃料の運転温度を制限する不溶性析出物の生成を抑制することで使用可能な冷却キャパシティを大きく増大させる。
【００１０】
このように、本発明の方法は、溶存ガスを含む炭化水素燃料の使用可能な冷却キャパシティを制限する自動酸化コークス生成を抑制し、コークスの生成を助長し増大させるような濃度の金属を含む燃料の用途を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１によれば、燃料１４は生成され、移送され、１２として示す金属容器内に蓄積される。この金属容器１２は金属容器１２内に蓄積される燃料１４の固有成分に不活性な金属で製造されていることが好ましい。しかし、いくつかの実施例では、燃料１４に溶解する金属を含む金属容器１２内に燃料１４を蓄積しなければならない。海上の船舶に積載された蓄積燃料１４は真鍮から製造される容器内に蓄積される。真鍮の有利な腐食の性質は船舶を運行するときの塩水という苛酷な環境に対して理想的である。しかし、真鍮から製造された金属容器１２に蓄積された燃料１４は微量金属２２を吸収する。
【００１２】
一般的に、燃料に溶解する微量金属２２は銅である。燃料１４に溶解し自動酸化反応を助長する金属の例として銅について説明するが、他の金属もまた燃料に溶解し、及び／又は分散し、自動酸化反応を助長する。いくつかの実施例では、燃料１４中の銅の濃度は、５００ｐｐｂを越えることがある。燃料中の銅の濃度が５０ｐｐｂかそれよりも低い場合でも燃料１４中でのコークスの生成に重要な影響を及ぼす。
【００１３】
溶存金属を含む燃料１４中でのコークス生成を抑制する方法が開示されている。この方法は溶存金属を含有する燃料１４を燃料通路１６に流入させるステップと、溶存酸素を除去することにより燃料１４中の溶存金属により助長される自己酸化反応を抑制するステップとを含む。この溶存酸素２０は燃料１４から除去され、これにより不溶性の析出物を形成する自動酸化反応を遅らせ実質的に抑制する。
【００１４】
金属容器１２はまた、燃料１４が蓄積されていないスペースを満たす多量の空気１８を含む。この空気１８から酸素２０が燃料１４中に溶解する。燃料１４に溶解した酸素２０は自動酸化反応を開始させ、これは燃料システム及びエンジンコンポーネントの内部表面に不溶性炭素析出物を形成することが知られている。溶存銅は燃料１４内で溶存酸素２０と結合して、不溶性炭素析出物の形成を促進し、コークス析出物の生成量を増加させる。
【００１５】
図２によれば、燃料システム２４及びガスタービンエンジン２６の概略図が示されている。燃料システム２４は、燃料タンク２８、燃料脱酸素装置３０、熱交換器３２、及び燃料計量装置３４を含む。この燃料システム２４はガスタービンエンジン２６に燃料を移送する。ガスタービンエンジン２６は、燃焼器３６、タービン４０、及びコンプレッサ４２を含む。コンプレッサ４２は燃焼器３６に供給される空気を圧縮する。燃焼器３６は燃料と空気とを混合燃焼させて排気ガス３８を発生する。排気ガス３８はタービン４０を駆動させ、そしてタービン４０はコンプレッサ４２を駆動させる。ガスタービンエンジン２６が示され、記載されているが、本発明に関する技術の当業者であれば、本発明を考慮して他のエネルギー変換装置であってもよいことは理解できる。
【００１６】
燃料１４が脱酸素装置３０を通過することで、溶存金属を含む燃料１４から相当量の酸素２０が除去される。脱酸素装置３０を通過した燃料は、他の搭載システム４４で発生した熱を吸収する熱交換器３２を通過する。燃料を冷媒に使用することは本発明の当業者にはよく知られている。酸素２０をほとんど除去することで、不溶性析出物を形成する自動酸化反応を抑制し、燃料１４の使用可能な冷却キャパシティが増大する。
【００１７】
おおよそ２５０°Ｆ〜８００°Ｆ(１２１℃〜４２７℃)の間で、コークス前駆体を生成する反応を燃料１４中の溶存酸素は起こし、この前駆対が不溶性コークス形成を生じる反応を開始させ、かつ、この反応を拡大させる。燃料１４中の溶存酸素を減少させることはコークスを発生する自動酸化反応を抑制する。
【００１８】
図３によれば、燃料脱酸素装置３０は燃料１４が通過する燃料経路１６を含む。燃料経路１６は燃料１４の流れに隣接する透過性の膜５０から構成される。透過性の膜５０は多孔質の基材５２に支持されている。透過性の膜５０は０．２５μｍのポアサイズを有するポリビニリデンフルオリド(ＰＶＤＦ)で製造された０．００５インチ(０．１２７ｍｍ)の厚さの多孔質の基材５２の上に位置する、Ｔｅｆｌｏｎ  ＡＦ  ２４００の０．５〜２０μｍの厚さのコーティングであることが好ましい。透過性の膜５０はデュポンテフロン(登録商標)  ＡＦ  アモルファスフルオロポリマーであることが好ましい。しかし、本発明に関する技術の当業者には他の材料が知られている。異なる材料の厚さ及びポアサイズの他の支持物を用いることができ、これにより必要な強度及び通過能力を得ることができる。さらに多孔質の基材５２は多孔質の基板５４に支持されている。
【００１９】
減圧源５６は透過性の膜５０、基材５２、及び基板５４を通過する部分的酸素差圧５８を発生させる。部分的酸素差圧５８は燃料経路１６の燃料サイド６０から透過性の膜５０を通した溶存酸素の拡散を発生させ、燃料１４から溶存酸素を除去する。燃料１４から除去された酸素２０は燃料システム２４外に排出される。この具体的な構成は本出願人に帰する上述の米国特許第６３１５８１５号、及び６７０９４９２号に開示されている。さらに、本出願に関する技術の当業者であれば、本発明に燃料脱酸素装置の他の構成を用いてもよいと理解できる。
【００２０】
図４では、金属含有燃料１４から溶存酸素２０を除去した結果である表面析出物の減少をグラフ７０が示している。溶存酸素及び溶存金属を含む燃料１４により生成される表面析出物の量が符号７２に示されており、燃料システム２４及びエンジンコンポーネントの表面に析出する不溶性物質の量が劇的に増大している。金属及び量を減少させた溶存酸素を含む燃料から生成される表面析出物の量を符号７４は示している。符号７４に示されている表面析出物の減少は酸素を除去した結果によるものである。酸素を除去することで微量の金属を含む燃料が自動酸化反応を起こすのを防ぐことができる。実施例では４９３ｐｐｂの銅を含有するＪＰ-５ジェット燃料が使用されている。溶存酸素２０及び溶存金属の両方を含む燃料１４は、溶存酸素２０のほとんどが除去された燃料１４よりもかなり多量の表面析出物を生成する。
【００２１】
さらに、不溶性物質生成の減少により使用可能な冷却キャパシティが大幅に増大する。燃料システム及びエンジンコンポーネントに析出する不溶性物質は使用可能な冷却キャパシティを大幅に制限する。グラフ７０に示すように、溶存酸素２０の除去により不溶性物質の生成が減少し、燃料の冷却キャパシティが大幅に増大する。符号７４に示す酸素２０の量を減少させた燃料１４は８００°Ｆ(４２７℃)付近、又は８００°Ｆ(４２７℃)を超える温度で取り扱ってもコークスをほとんど生成しない。
【００２２】
結果的に、本発明の方法は、燃料１４に含まれる微量の金属により助長される自動酸化反応を抑制し、使用可能な冷却キャパシティを増大させる。燃料１４から金属を除去する複雑なプロセスを必要とせずに、冷却キャパシティが増大する。本発明の方法は、冷却キャパシティを増大させ、これによりエンジン運転温度を上昇させることができ、微量の金属を含有する燃料１４の性能を改善する。
【００２３】
上述の記載は例示的なものであり、ただの材料を特定するものではない。本発明は実例をあげて記載しており、使用されている専門用語は記載する言葉の特性を意図したものであって、限定的なものではない。本発明は上記記述に照らして様々な修正、変更が可能である。本発明の好ましい形態は開示されているが、本発明に関する技術の通常の知識によれば、ある程度の修正は本発明の範囲内であることは理解される。「特許請求の範囲」に記載の範囲によれば、本発明は上述したもの以外に実施形態があることが理解される。このように、「特許請求の範囲」は本発明の真の範囲及び内容を決定するために検討されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】燃料蓄積タンクの概略図。
【図２】燃料システム及びエネルギ変換装置の概略図。
【図３】溶存酸素除去のための透過性膜の概略図。
【図４】酸素除去が表面析出物生成に与える影響を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２５】
１２  金属容器
１４  燃料
１８  空気
２０  酸素
２４  燃料システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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