(57)【要約】      （修正有）【課題】酸素の透過率を最大限にし、かつ燃料漏れ率を最小限にする積層化された酸素透過膜を提供する。【解決手段】エネルギ転換装置用の燃料システムは、複数の層から形成された酸素透過膜を有する脱酸素システムを含む。脱酸素システムの１つのマイクロチャネルアッセンブリ３４を形成する１組のプレートが、複合型酸素透過膜３６に近接したサンドイッチ構造をとる燃料プレートアッセンブリ４４を備えており、複合型酸素透過膜３６は、不織布用ポリエステルなどの多孔質の支持層４２によって支持されている。上記燃料プレートアッセンブリ４４は、第１の燃料プレート５２と、第２の燃料プレート５４と、これらの間にある燃料プレートガスケット５６と、を備える。【選択図】図３
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【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、
上記燃料チャネルと上記酸素受容チャネルとに通じている複合型酸素透過膜と、
を備えることを特徴とする燃料システム。
【請求項２】
上記複合型酸素透過膜が、酸素透過層上にシール層を備え、このシール層が上記燃料チャネルに面している請求項１に記載の燃料システム。
【請求項３】
上記酸素透過層が、多孔質の背面層に支持されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料システム。
【請求項４】
上記複合型酸素透過層の厚さが、１〜５ミクロンであることを特徴とする請求項２に記載の燃料システム。
【請求項５】
上記複合型酸素透過層の厚さが、約１．５ミクロンであることを特徴とする請求項４に記載の燃料システム。
【請求項６】
上記複合型酸素透過層が、テフロンＡＦ２４００（ペルフルオロ‐２，２‐ジメチル‐１，３‐ジオキソールのアモルファスコポリマ，ＰＤＤ）あるいはハイフロンＡＤ（２，２，４‐トリフルオロ‐５‐トリフルオロメトキシ‐１，３‐ジオキソール，ＴＴＤ）から製造されることを特徴とする請求項４に記載の燃料システム。
【請求項７】
上記複合型酸素透過層が、ペルフルオロ‐２，２‐ジメチル‐１，３‐ジオキソールのアモルファスコポリマから製造されることを特徴とする請求項４に記載の燃料システム。
【請求項８】
上記複合型酸素透過層が、ＰＤＤから製造されることを特徴とする請求項４に記載の燃料システム。
【請求項９】
上記複合型酸素透過層が、ハイフロンＡＤから製造されることを特徴とする請求項４に記載の燃料システム。
【請求項１０】
上記複合型酸素透過層が、２，２，４‐トリフルオロ‐５‐トリフルオロメトキシ‐１，３‐ジオキソールから製造されることを特徴とする請求項４に記載の燃料システム。
【請求項１１】
上記複合型酸素透過層が、ＴＴＤから製造されることを特徴とする請求項４に記載の燃料システム。
【請求項１２】
上記シール層の厚さが、１ミクロン未満であることを特徴とする請求項２に記載の燃料システム。
【請求項１３】
上記シール層がテフロンＡＦ１６００から製造されることを特徴とする請求項２に記載の燃料システム。
【請求項１４】
上記シール層がハイフロンＡＤから製造されることを特徴とする請求項２に記載の燃料システム。
【請求項１５】
上記酸素受容チャネルが、酸素を実質的に含まないガスを通すことを特徴とする請求項１に記載の燃料システム。
【請求項１６】
上記酸素受容チャネルが、負圧状態であることを特徴とする請求項１に記載の燃料システム。
【請求項１７】
第１のチャネルと、
第２のチャネルと、
複合型酸素透過膜と、を備え、この複合型酸素透過膜は、上記第１のチャネルおよび上記第２のチャネルと通じており、かつ、多孔質の背面層に支持された酸素透過層の上にシール層を備え、このシール層が上記第１のチャネルに面するように構成されている脱酸素装置。
【請求項１８】
上記複合型酸素透過層の厚さが、１〜５ミクロンであり、上記シール層の厚さが１ミクロン未満であることを特徴とする請求項１７に記載の燃料脱酸素装置。
【請求項１９】
上記第１のチャネルが燃料チャネルであることを特徴とする請求項１７に記載の燃料脱酸素装置。
【請求項２０】
（１）シール層を有する複合型酸素透過膜を、溶存酸素を含む液体燃料流に隣接して配置し、
（２）上記複合型酸素透過膜の上記液体燃料流と反対側に隣接して酸素の濃度差を提供し、複合型酸素透過膜を介して液体燃料流から酸素を引き出す
ことを特徴とする燃料システム内の溶存酸素量の最小化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脱酸素装置によって燃料を安定化させることに関し、より詳しくは、燃料吸収を最小限にする複合型酸素透過膜を介した脱酸素化に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジェット燃料は、種々の航空機システムの冷媒として航空機に利用されることが多々ある。酸素は、好ましくない副産物が生じる酸化反応を起こすので、炭化水素ジェット燃料中の溶存酸素の存在は好ましくない。ジェット燃料中への空気の溶解により、約７０ｐｐｍの酸素濃度になる。曝気された燃料が、３５０°Ｆ〜８５０°Ｆ間に加熱されると、酸素は、燃料中のフリーラジカル反応を開始し「コークス」もしくは「コーキング」と一般的に言われる堆積物となる。コークスは、燃料通路に有害であり、燃焼を阻害することもある。このような堆積物が形成されると、意図した熱交換機能や効率的な燃料の噴射に関して、燃料システムの通常の機能を損なうことがある。
【０００３】
様々な従来の燃料脱酸素技術が、燃料の脱酸素に現在使用されている。通常、酸素濃度を約２ｐｐｍまで低下させると、コーキング問題を克服するのには十分である。
【０００４】
航空機に用いられる従来の燃料安定化ユニット（ＦＳＵ）の１つは、酸素透過膜に亘って酸素分圧の勾配を形成することによりジェット燃料から酸素を除去する。この酸素透過膜は、酸素が燃料から抽出されるように、燃料流と接触し、多孔質の背面層の上に支持されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
極めて効率的ではあるが、極少量の燃料が、酸素透過膜の６〜１２オングストローム規模の孔を通り、漏れることがある。燃料漏れ率は、膜の厚さに反比例するが、しかしながら、酸素除去率も、膜の厚さに反比例する。したがって、膜の厚さを増大することは、燃料漏れを減少させるが、脱酸素化も比例して減少する。また、少量の燃料漏れは、一定時間経過後、燃料による膜の飽和を生じ、酸素の透過を阻害し、膜の脱酸素化効率を減少させる。
【０００６】
したがって、酸素透過膜が燃料で飽和するのを最小限にするように、寸法と重量が効率的なシステムにおける炭化水素燃料の脱酸素化を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のエネルギ転換デバイス用の燃料システムは、複数の材料層から形成される複合型酸素透過膜を有する脱酸素システムを含む。これらの層は、シール層と、酸素透過層と、多孔質の背面層と、を備える。積層化された酸素透過膜は、酸素の透過率を最大限にし、かつ燃料漏れ率を最小限にする。
【０００８】
出願人は、本発明の複合型酸素透過膜について、従来の単一層の透過膜と比較して実験を行い実証した。特に、本願に記載されているテフロンＡＦ１６００／テフロンＡＦ２４００の複合型酸素透過膜は、全体の厚さが約２ミクロンであり、厚さが４ミクロンのテフロンＡＦ２４００透過膜と比べて、ジェット燃料の脱酸素化において２０％改善されたことが示され、燃料漏れ率は約１／１０程度のみであり、１０００時間を超える連続運転においても実質的な性能低下の兆候はみられなかった。同様の性能の向上は、ハイフロンＡＤの複合型酸素透過膜を用いた場合にもみられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、エネルギ転換デバイス（ＥＣＤ）１２用の燃料システム１０の全体の概略図を示す。脱酸素システム１４は、燃料タンクなどの貯蔵室１６からの液体燃料Ｆを受ける。この液体燃料Ｆは、通常、ジェット燃料などの炭化水素である。このエネルギ転換デバイス（ＥＣＤ）１２は、種々の形態であってよいが、溶存酸素が影響の現れる範囲で燃料中に存在している場合に、燃料が処理、燃焼あるいはエネルギ放出などで最終的に使用される前のいくつかの段階で、燃料の自動酸化反応およびコーキングが生じるような熱を受けるものである。
【００１０】
ＥＣＤ１２の１つの形態は、特に航空機のエンジンなどのガスタービンエンジンである。通常、燃料は、航空機の１つまたは複数のサブシステムに使用される冷媒としても機能しており、燃焼器直前の燃料噴射器に送られるときに加熱される。
【００１１】
熱交換器セクション１８は、燃料が熱交換関係でもって通過するシステムを示している。熱交換器セクション１８は、ＥＣＤ１２と直接的に結合していても良く、あるいは、より大型のシステム１０内の他の場所に配置されていても良い。この熱交換器システム１８は、代替的に、もしくは付加的に、システム全体に配置された複数の熱交換器を備えていても良い。
【００１２】
一般的には、貯蔵室１６内に貯蔵された燃料Ｆは、通常、可能性としては、飽和濃度の７０ｐｐｍ程度の溶存酸素を含有している。燃料ポンプ２０は、貯蔵室１６から液体燃料Ｆを引き出す。この燃料ポンプ２０は、燃料貯蔵室用管路２２およびバルブ２４を介して貯蔵室１６と連通しており、脱酸素システム１４の燃料入口２６へと続く。燃料ポンプ２０により付加される圧力によって、脱酸素システム１４および燃料システム１０の他の部分を通るように、燃料Ｆが循環する。燃料Ｆが、脱酸素システム１４を通過するときに、酸素が選択的に真空（バキューム）つまりスイープガスシステム２８内へと除去される。このスイープガスは、実質的に酸素を含まないガスであればどのようなガスでもよい。
【００１３】
脱酸素された燃料Ｆｄは、脱酸素燃料用管路３２を介して、脱酸素システム１４の燃料出口３０から熱交換システム１８やガスタービンエンジンの燃料噴射器などのＥＣＤ１２へと流れる。脱酸素された燃料の一部は、再循環用管路３３が示されているように、脱酸素システム１４や貯蔵室１６へと再循環する場合もある。特定のコンポーネントの配置が例示された実施例において開示されているが、他の構成であっても、本発明から利益を得られると理解されたい。
【００１４】
図２Ａに示すように、脱酸素システム１４は、複数のガス／燃料マイクロチャネルアッセンブリ３４（図２Ｂ）を備えることが好ましい。これらのアッセンブリ３４は、燃料チャネル３８と酸素受容バキュームつまりスイープガスチャネル４０との間に複合型酸素透過膜３６を備える。このスイープガスチャネル４０は、窒素ガスや他の無酸素ガスを流すことができるメッシュであることが好ましい（図３）。これらのチャネルは、酸素透過膜に亘り酸素の濃度差が生じている状態が維持されるように圧力差を提供し、燃料内の酸素を脱酸素するような種々の形状および構成であってもよい。
【００１５】
複合型酸素透過膜３６としては、好適には、溶存酸素（および他のガス）をオングストローム規模の孔（ボイド）を介し拡散させるが、比較的大きい燃料分子を除去する酸素透過膜、および、溶液拡散機構を利用し溶存酸素（あるいは他のガス）を溶解し、この透過膜を介して酸素（あるいは他のガス）を拡散させ、燃料を除去する透過膜を含む。ペルフルオロ‐２，２‐ジメチル‐１，３‐ジオキソール（ＰＤＤ）のアモルファスコポリマであるテフロンＡＦ類は、登録商標「Ｔｅｆｌｏｎ  ＡＦ」（E. I. DuPont de Nemours of Wilmington, Del.）として特定され、２，２，４‐トリフルオロ‐５‐トリフルオロメトキシ‐１，３‐ジオキソール（登録商標「ＴＴＤ」Solvay Solexis, Milan, Italy）のコポリマであるハイフロンＡＤ（Ｈｙｆｌｏｎ  ＡＤ）は、燃料の脱酸素化に効果的であることが証明されている。テフロンＡＦ２４００材やテフロンＡＦ１６００材は、溶液拡散機構に用いられると考えられている。
【００１６】
図２Ｂに示すように、脱酸素システム１４の１つのマイクロチャネルアッセンブリ３４を形成する１組のプレートが、複合型酸素透過膜３６に近接したサンドイッチ構造をとる燃料プレートアッセンブリ４４を備え、複合型酸素透過膜３６は、不織布用ポリエステルなどの多孔質の支持層４２によって支持されている。この多孔質の支持層（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）は、概略的に示されているが、様々な形態をとることができる。分離プレート４８は、１つまたは複数のアッセンブリ３４に近接して存在する。この分離プレート４８は、燃料プレートアッセンブリ３４によって形成される所定の燃料通路に亘って、燃料が漏れるのを防ぐ。脱酸素システム１４は、マイクロチャネルアッセンブリ３４の数に関係なく、境界用プレート４６および外側ハウジングプレート５０Ａ，５０Ｂによって密閉されており、各々が燃料入口２６と、バキュームポート２９と、燃料出口３０と、を備える（図２Ａにも示す）。外側ハウジングプレート５０Ａ，５０Ｂは、マイクロチャネルアッセンブリ３４が、外側ハウジングプレート５０Ａ，５０Ｂ間においてサンドイッチ構造をとるようにボルトまたはこれらの類の複数の固定具を介して互いに結合させることが好ましい。外側ハウジングプレート５０Ａ，５０Ｂは、好適には、プレート同士の間の密閉が保持されるように、マイクロチャネルアッセンブリ３４を圧縮する比較的固いコンポーネントである。例示された実施例においては直線で囲むように示されているが、当業者であれば、本発明の範囲内において好ましい代替の形状、寸法もしくは配置がなされる、と理解すべきである。
【００１７】
各燃料プレートアッセンブリ４４は、燃料入口２６と燃料出口２８との間の燃料チャネル３８の一部を形成する。バキュームポート２９（図２Ａ）は、境界プレート４６および多孔質の支持層４２を介して、バキュームポート２９Ｆ（図２Ｂ）と連通している。真空によって、複合型酸素透過膜３６を通して燃料チャネル３８から溶存酸素や溶存ガスを抽出するように、各々の多孔質の支持層４２内に酸素分圧の勾配が生じる。酸素は、バキュームポート２９から排出される。
【００１８】
マイクロチャネルアッセンブリ３４の所定の容量は、エンジンに必要な燃料の種類、燃料の温度および質量流量などの特定の用途の必要条件によって決定される。さらに、異なる量の溶存酸素を含有している種々の燃料は、必要に応じた量の溶存酸素を除去するように脱酸素する量を変更することが求められる場合がある。
【００１９】
各燃料プレートアッセンブリ４４は、燃料入口２６と燃料出口２８（図２Ａ）との間の１つの燃料チャネル３８（図３）を形成する。燃料チャネル３８の構造は、燃料からの溶存酸素除去量を最大限にするために、複合型酸素透過膜３６に燃料をなるべく最大限に晒すように形成される。このことは、燃料の混合や、燃料の最適な流れのパターンを提供することによって達成される。燃料チャネル３８は、燃料から除去される溶存酸素量を最大限にするために、透過膜と接触する燃料の面積が最大となるように形成される。この燃料チャネル３８は、好ましくは、燃料が複合型酸素透過膜３６と接触するほど十分に小さいが、かつ燃料の流れを制限しないように十分な大きさを有している。
【００２０】
各燃料プレートアッセンブリ４４は、第１の燃料プレート５２と、第２の燃料プレート５４と、これらの間にある燃料プレートガスケット５６と、を備える。例示の実施例に開示されている燃料プレートアッセンブリ４４は、明確化のために２つの燃料プレートおよび１つのガスケットのみを示しているが、多数のプレートを、外側ハウジングプレート５０Ａ，５０Ｂとの間に配置してもよいことが、理解されよう。外側ハウジングプレート５０Ａ，５０Ｂ間の全てのプレートは、非金属であることが好ましい。
【００２１】
各燃料プレートアッセンブリ４４は、第１の燃料プレート５２と、第２の燃料プレート５４と、これらの間の燃料プレートガスケット５６と、を備える。このガスケット５６は、アメリカ合衆国、デラウェアにあるE. I. du Pont de Nemours and Company社製のＫＡＰＴＯＮ（登録商標）フィルムから製造することができる。例示の実施例に開示されている燃料プレートアッセンブリ４４は、明確化のために２つの燃料プレートおよび１つのガスケットのみを示しているが、多数のプレートアッセンブリが、外側ハウジングプレート５０Ａ，５０Ｂ間に配置されても良い、と理解すべきである。
【００２２】
第１の燃料プレート５２および第２の燃料プレート５４は、熱可塑性プラスチックあるいはポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）などの非金属性の材料から製造されることが好ましい。燃料と相性の良い、あるいは導電性のある（静電荷の蓄積を阻害するために）他のプラスチックも使用でき、型成形ではなく機械加工される材料も、代替として使用できると理解されたい。
【００２３】
第１の燃料プレート５２および第２の燃料プレート５４は、酸素の拡散が増加するように流れの衝突するエレメント（じゃま板部材）５５（図２Ｃおよび図３）を備える。燃料プレート５２，５４が、互いに組み立てられたときに、じゃま板部材５５は、互い違いかつ交互に配置され、入り組んだ３次元の流れの特性（図３）を、燃料プレート５２，５４によって形成される燃料チャネル３８に提供する。つまり、各々の燃料プレート５２，５４上のじゃま板部材５５は、各々の燃料プレート５２，５４の平面上から延びている。燃料プレート５２，５４が、燃料プレートアッセンブリ４４を形成するようにガスケット５６とともに組み立てられたときに、じゃま板部材５５は、近接する燃料プレート５２，５４からじゃま板部材５５が延びているような形の完全な燃料チャネル３８を形成する（図３）。
【００２４】
じゃま板部材５５は、酸素透過膜の表面への酸素分子の輸送を増大させることによって、脱酸素化を促進し、また非金属性の材料であるため重量が軽減し、かつ酸素透過膜３６に損傷を与えるような鋭利な端部（ｓｈａｒｐ  ｅｄｇｅ）が最小限となる。脱酸素システム１４のじゃま板部材５５は、溶存酸素の輸送量を増大するように、燃料流と複合型酸素透過膜３６との間の接触を促進する。
【００２５】
図３に示すように、燃料チャネル３８を介して流れる燃料が、複合型酸素透過膜３６と接触する。真空によって、燃料チャネル３８の内壁と複合型酸素透過膜３６との間に酸素分圧の差が形成され、燃料内の溶存酸素の拡散を生じさせ、複合型酸素透過膜３６を支持する多孔質の支持層４２を介して酸素が移動する。この酸素は、燃料チャネル３８から隔たれた酸素受容チャネル４０を介して脱酸素システム１４から出る。１つの膜を用いた燃料脱酸素システムの他の様態およびこれらに関連するコンポーネントをさらに理解するために、米国特許第６，３１５，８１５号（発明の名称「膜を基にした燃料脱酸素装置」）、米国特許第６，９３９，３９２号（発明の名称「熱管理システムおよび方法」）、および米国特許第６，７０９，４９２号（発明の名称「平坦な膜脱酸素装置」）を参照されたい（それらに開示の全ては本願の参照となる）。
【００２６】
図４に示すように、複合型酸素透過膜３６は、複数の層から形成されている。好ましくは、これらの複数の層は、シール層６０と、酸素透過層６２と、多孔質の背面層６４と、を備える。積層化された複合型酸素透過膜３６は、製品の性能要求に基づき、効果的なトレードオフの関係を提供するように、酸素透過率を最大限にして、燃料漏れ率を最小限にする。酸素透過膜３６を介する燃料漏れ率は、酸素の漏れ率よりも著しく低く、比較的に薄いシール層６０は、酸素漏れ率に影響を与えることなく燃料漏れ率を大幅に低減する。
【００２７】
多孔質の背面層６４は、約１０００分の２インチの厚さの非対称の多孔質の支持層であることが好ましい。このような材料の１つは、ポリエーテルイミドのソリューションキャストであり、アメリカ合衆国カリフォルニア州メンロパークにあるMembrane Technology and Research, Inc.社などの約４０ナノメータ程度のスキンポアを提供する転相（phase inversion）法によって提供される。
【００２８】
多孔質の背面層６４は、酸素透過層６２を被覆し、酸素透過層６２のスキンポアを架橋するように、酸素透過層６２を支持する。酸素透過層６２は、約１〜２ミクロンの厚さが好ましく、テフロンＡＦ２４００などの酸素透過率が高いポリマから製造されることが好ましい。
【００２９】
シール層６０は、酸素透過層６２を被覆する。このシール層６０は、厚さが１ミクロン以下であることが好ましく、接する燃料流に対して耐性を有するテフロンＡＦ１６００やハイフロンＡＤ等の、比較的低い分画（Ｆｒｅｅ  Ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ  Ｖｏｌｕｍｅ：ＦＦＶ）の酸素透過性ポリマで製造されることが好ましい。
【００３０】
複数のガス／燃料マイクロチャネルアッセンブリ３４（図２Ｂ）がサンドイッチ構造に組み立てられたときに、複合型酸素透過膜３６は、この複合型酸素透過膜３６に安定性を与える多孔質の支持層４２に隣接して配置される。さらに、多孔質の支持層４２は、多孔質の背面層６４と、酸素受容チャネル４０（図３）を形成する真空用のメッシュと、の間の緩衝材ともなる。メッシュ、ハニカム構造あるいは他のガスを透過させるチャネル構造などの層を通過する流れは、代替としては、あるいは、付加的に、本発明に利用することができる、と理解すべきである。
【００３１】
複合型酸素透過膜３６は、平面状の部材である必要はなく、多孔質性の背面層６４´の様々な形状（図５）は、様々なパッケージング条件に適合するようにシール層６０および酸素透過層６２で被覆され、様々な流れ特性を提供するとともに様々な燃料チャネル３８のコンポーネントを形成する。
【００３２】
出願人は、本発明の複合型酸素透過膜３６を、従来の単一層の膜と実験的に比較して実証した。特に、全体の厚さが約２ミクロンの、上述したテフロンＡＦ１６００／テフロンＡＦ２４００の複合型酸素透過膜３６は、ジェット燃料の脱酸素化において２０％改善されたことが示され、約４ミクロンの厚さのテフロンＡＦ２４００透過膜と比べて、燃料漏れは約１／１０程度であり、１０００時間以上継続して運転しても、性能低下の兆候はみられなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による燃料脱酸素装置を用いるエネルギ転換デバイス（ＥＣＤ）および関連する燃料システムの一般的な概略図。
【図２Ａ】脱酸素システムの拡大された斜視図。
【図２Ｂ】脱酸素システムの拡大図。
【図２Ｃ】図２Ｂの脱酸素システムの燃料プレートアッセンブリの拡大された斜視図。
【図３】燃料チャネルおよび酸素受容チャネルを例示する燃料プレートアッセンブリの拡大された斜視図。
【図４】複合型酸素透過性の多孔質膜の拡大された断面図。
【図５】平面ではない複合型酸素透過性の多孔質膜の拡大された断面図。
【符号の説明】
【００３４】
１４…脱酸素システム
２６…燃料入口
３０…燃料出口
４０…スイープガスチャネル
４２…支持体
５２…第１の燃料プレート
５４…第２の燃料プレート
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
2007126656.tif 000008
【図５】
2007126656.tif 000009