專利名稱：具有帶表面特征的可滲透氧膜的燃料脫氧系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及通過脫氧來穩定燃料，尤其涉及通過鄰近一氧接收通道的帶表面特征的可滲透氧膜來脫氧。
背景技術：
噴氣發動機燃料常用于飛機中作為各種飛機系統的冷卻劑。在噴氣發動機碳氫化合物燃料中存在溶解的氧可能是有害的，因為氧支持產生不希望有的副產品的氧化反應。空氣在噴氣發動機燃料中的溶解形成約70ppm的氧濃度。當有空氣的燃料在350°F至850°F之間加熱時，氧觸發燃料的自由基反應而形成通常稱為“焦炭”或“焦炭化”的沉積物。焦炭可能對燃料管線有害并可能妨礙燃燒。這些沉積物的形成可能損害燃料系統的正常功能，或者是有關預期的熱交換功能，或者是燃料的高效噴射。
當前利用各種傳統的燃料脫氧技術來使燃料脫氧。通常，將氧的濃度降低到2ppm就足以克服焦炭化的問題。
在飛機中使用的一種傳統的燃料穩定化裝置(FSU)通過產生跨越可滲透氧的膜的氧壓梯度來從噴氣發動機燃料中除去氧。雖然十分有效，但該梯度是由該膜的一側上的真空產生的。該膜相當薄(約2～5微米)而可能缺乏機械整體性。當該真空在該膜上引入機械力時，該膜被支承在一個多孔的支承板上，該板可起阻礙滲濾的作用。該薄膜可能還要求一條相當長的流動路徑來保證與燃料的相當大的表面接觸，以便從其有效地脫氧。
因此，需要在經得住跨越相當薄的膜的真空的一個尺寸和重量經濟的系統中提供對碳氫化合物燃料脫氧。
發明概要按照本發明的一種用于能量轉換裝置的燃料系統包括一個帶有可滲透氧的膜的脫氧系統，該可滲透氧的膜包括一個帶表面特征的表面。一種掃氣和/或真空保持一個跨越該膜的濃度差別，以對燃料脫氧。該帶表面特征的表面增大該可滲透氧的膜的表面積。該帶表面特征的表面也增大了該可滲透氧的膜的強度和剛性，這使得能夠盡可能減小多孔襯底，從而盡可能減小對擴散的阻礙。
該可滲透氧的膜的帶表面特征的表面是通過將帶表面特征的表面壓入帶有以顯微復制為基礎的工具系統的可滲透氧的膜中而制造的。
另一種制造方法將帶表面特征的表面壓入一個犧牲薄層上，而后在該犧牲薄層上形成該可滲透氧的膜，從而將帶表面特征的表面轉移到該可滲透氧的膜上。然后除去該犧牲薄層而形成最終的帶有形成于其上的帶表面特征的表面的可滲透氧的膜。
又一種制造方法是通過一個安置在初始的可滲透氧的膜的附近的多孔的犧牲薄層來敷貼附加的可滲透氧的膜。隨后，除去該犧牲薄層，留下一個帶表面特征的可滲透氧的膜。
又一種制造方法包括在該膜上安置一個多孔的犧牲薄層并通過該犧牲薄層沉積附加材料，使其接觸該初始的膜。隨后除去該犧牲薄層，留下一個帶表面特征的膜。
因此，本發明在一個經得住跨越相當薄的膜的真空的一個尺寸和重量經濟的系統中提供對碳氫化合物燃料脫氧的裝置和方法。
附圖簡述該技術的專業人員將從下列當前優選實施例的詳述中清楚本發明的各種特點和優點。附圖中
圖1是一種能量轉換裝置(ECD)和一個利用按照本發明的燃料脫氧器的相關的燃料系統的總的示意框圖；圖2是在一燃料通道和一掃氣通道之間的氧可滲透多孔膜的放大圖；圖3A是一可滲透氧的膜的帶表面特征的表面的放大圖；圖3B是一可滲透氧的膜的帶表面特征的表面的放大圖；圖3C是一可滲透氧的膜的帶表面特征的表面的放大圖；圖3D是一可滲透氧的膜的帶表面特征的表面的放大圖；圖3E是一可滲透氧的膜的帶表面特征的表面的放大圖；圖4A是例示一種形成帶表面特征的表面的方法的以顯微復制為基礎的工具系統的示意圖；
圖4B是例示一種形成帶表面特征的表面的方法的另一以顯微復制為基礎的工具系統的示意圖；以及圖4C是通過敷貼附加的可滲透氧的膜來形成該帶表面特征的表面的另一種方法。
優選實施例詳述圖1例示一種能量轉換裝置(ECD)12用的燃料系統10的總示意圖。脫氧系統14接受從容器16如燃料箱來的液體燃料F。燃料F通常為碳氫化合物如噴氣發動機燃料。ECD 12可以以各種形式存在，其中，在最終用于處理之前的某些點，如果燃料中存在的溶解氧達到任何顯著程度，那么用于燃燒或用于能量釋放的某些形式的燃料需要足夠的熱量來支持自動氧化反應和焦化作用。
ECD 12的一種形式是燃氣渦輪發動機，尤其是高性能飛機中的此類發動機。通常，該燃料也用作飛機中一個或多個子系統用的冷卻劑，并在將其于燃燒前立即輸送到燃燒噴射器時受到加熱。
熱交換區段18代表一個其中燃料以熱交換關系通過的系統。應當理解，熱交換區段18可以與ECD 12直接聯接和/或在別的位置分布于較大的系統10中。熱交換器系統18可以另外地或補充地包括分布于整個系統的多個熱交換器。
如普遍理解的，儲存于容器16中的燃料F通常含有溶解的氧，其濃度可能為70ppm的飽和水平。燃料泵20從容器16引出燃料F。燃料泵20經燃料容器導管22和閥24而與容器16連通，并通到脫氧系統14的燃料入口26。由燃料泵20施加的壓力幫助使燃料F通過脫氧系統14和燃料系統10的其它部分而循環。當燃料F通過脫氧系統14時，氧被選擇地移入掃氣系統28。
脫氧燃料Fd從脫氧系統14的燃料出口30經脫氧燃料導管32流到熱交換系統18和ECD 12如燃氣渦輪發動機的燃料噴射器。一部分脫氧燃料可以再循環，如由再循環導管33到脫氧系統14和/或容器16之一所代表的。應當理解，雖然在例示的實施例中公開了一種特定的部件配置，但其它配置將得益于本發明。
參照圖2，脫氧系統14最好包括多個氣體/燃料微通道裝置34。裝置34包括一個在燃料通道38和氧接收通道如掃氣通道40之間的可滲透氧的膜36。掃氣通道40最好包含氮和/或另一種惰氣。應當理解，這些通道可以是各種形狀和配置，以便提供一種壓力差，后者使膜的兩邊保持一種氧濃度差，從而使燃料脫氧。燃料和掃氣最好沿相反方向流動。
可滲透氧的膜36最好包括多孔膜和可滲透膜，多孔膜能使溶解的氧(和其它氣體)通過埃量級尺寸(angstrom-size)的孔擴散而排斥較大的燃料分子，可滲透膜使用溶液-擴散機制來溶解氧(和其它氣體)，并使其通過該膜擴散而排斥燃料。美國特拉華州成爾敏頓市的杜邦公司用“特氟隆(Teflon)”商標注冊的聚四氟乙烯類化合物(PTFE)族己證明能為燃料脫氧提供有效的結果。據信該PTFE材料利用一種溶液-擴散機制，但也可通過其多孔性而操作，這取決于組成和結構。多孔膜材料的另一例子是50埃多孔氧化鋁陶瓷或二氧化鋯的薄層。可滲透膜的另一例子是硅酮橡膠的薄層。可以使用暴露的膜或者該膜可以通過隨后的操作而改性，這些操作包括(但不限于)化學反應、物理過程、輻射處理(包括對X射線、可見光、紅外光、微波、超聲波的曝光)及其組合。在組合中也可使用各種成分和性能參數的多重膜。
在操作中，通過燃料通道38流動的燃料與可滲透氧的膜36接觸。真空在燃料通道38的內壁和可滲透氧的膜36之間產生一個氧分壓差，該分壓差使溶于燃料內的氧擴散而通過支承膜36的多孔襯底42遷移，并通過與燃料通道38隔開的掃氣通道40而流出脫氧系統14。在該完全充滿燃料流的微通道內，可燃揮發物的濃度減到最小，而氧在膜壁上冒泡排放后通過可滲透氧的膜36除去。
應當理解，在例示的實施例中公開的燃料通過38是示范性質的，而燃料通道38可以是一種以膜為基礎的燃料脫氧系統中的微通道、一種導管、一種管路和/或除了容器16(圖1)以外的任何其它燃料連通系統。為了進一步理解一種以膜為基礎的燃料脫氧系統及其有關部件的其它方面，請參考題為“平面膜脫氧器”的美國專利No.6,315,815和序列號為No.10/407,004的美國專利申請，它們轉讓給本發明的受讓人，并完全參考合并于此。
可滲透氧的膜36最好包括一個帶表面特征的表面44。該帶表面特征的表面44增大了可滲透氧的膜36的表面積，從而增強了氧的清除。該帶表面特征的表面44增大了可滲透氧的膜36的表面積，也增強了膜36的牢度(如強度和剛性)，這能夠盡量減少多孔襯底42，從而減小對擴散的阻礙。也就是，當需要減少可滲透氧的膜36的支撐時，多孔襯底42可以提供增大的多孔度。
帶表面特征的表面44優選地包括尺寸為100納米～大于200微米而縱橫比在4∶1以下的微結構細部，最優選的尺寸為小于100微米。該帶表面特征的表面44可以制成凸出的或凹入的細部，凸出的細部如小丘或柱(圖3A)、菱形(圖3B)、尖峰、針狀(圖3C)、銷、鈕或隆起狀(圖3D)等、凹入的細部如井狀、槽、V形通道(圖3E)、谷等，或其相對于膜的底面和多孔襯底42的任何組合。其它合適的微結構細部包括微井、微流體通道、通孔等。應當理解，帶表面特征的表面44可以相對于多孔襯底42取向，使得凸出的和凹入的細部是相對于襯底42的。膜的表面特征可以設計成滿足流體流動需要、膜的尺寸特性、膜的物理性能以及工具制造的限制。表面特征的成分可以設計成滿足化學功能、化學兼容性、氧滲透率的加快和催化增強的額外要求。
帶表面特征的表面44可以以各種方式取向和安置，包括將該帶表面特征的表面安置在可滲透氧的膜36的一面或兩面上。可滲透氧的膜36的全部或部分表面積可包括帶表面特征的表面44。可以在全部氧滲透膜36上形成一致的帶表面特征表面44，也可以在可滲透氧的膜36的不同區域形成不同的帶表面特征的表面44，以便燃料脫氧性能的特征最優化。其次，層狀可滲透氧的膜36如帶有不同特性的和帶有不同帶表面特征的表面的兩個或多個聚合物層也可用于本發明。
參照圖4A，可滲透氧的膜36的帶表面特征的表面44最好通過將帶表面特征的表面44壓入帶有以顯微復制為基礎的工具系統(示意例示于46處)的可滲透氧的膜36中而制成的。適合于FSU用途的可滲透氧的膜36被引入工具系統46的滾柱系統48中，使得可滲透氧的膜36在一組其上形成了微結構細部的微細部滾柱50下受壓。也就是，微細部滾柱50包括微結構細部的鏡象，使得在可滲透氧的膜36上碾壓微細部滾柱50能夠將該帶表面特征的表面轉移到可滲透氧的膜36中。當可滲透氧的膜36經受熱滾柱52的碾壓時，微細部滾柱50將帶表面特征的表面44壓入可滲透氧的膜36中，使得帶表面特征的表面44直接形成于可滲透氧的膜36中。然后可滲透氧的膜36經過冷滾柱54，使得帶表面特征的表面44固定在可滲透氧的膜36中。
參照圖4B，一種間接方法包括以圖4A中所述方式將帶表面特征的表面44’壓入犧牲層56中。然后在犧牲薄層56上形成可滲透氧的膜36，以便將帶表面特征的表面44轉移到可滲透氧的膜36上。可滲透氧的膜36最好是通過各種已知工藝如疊合、溶劑鑄造、沉淀、氣相沉積和/或其組合或其它類似工藝而形成于犧牲薄層56上的。然后通過溶解、熱降解、剝離和其它合適的除去技術而除去犧牲薄層56，產生最終的具有形成于其上的帶表面特征的表面44的可滲透氧的膜36。
參照圖4C，另一種制造方法通過安置在初始的可滲透氧的膜36附近的多孔犧牲薄層56P而敷貼附加的可滲透氧的膜材料M，使得附加的膜材料M通過多孔的犧牲薄層56P而附著在可滲透氧的膜36上。該附加的可滲透氧的膜材料M最好為下列形式一種其溶劑能隨后除去的液體，一種能冷凝的揮發性物質，或固體形式如薄層、粉粒、復合材料或其組合。隨后，除去多孔犧牲薄層56P，留下通過附加的可滲透氧的膜材料M而形成的帶有帶表面特征的表面44的可滲透氧的膜36。
或者是，材料M可以是一種與膜材料不同的材料，如薄層、粉粒、復合材料或其組合的金屬、陶瓷、聚合物或其組合。只作為例子，通過一個多孔的犧牲薄層將金屬細部電鍍在可滲透氧的膜上，可以形成有金屬表面特征的可滲透氧的膜。可以優選地選擇金屬或其它材料來對可滲透氧的膜提供催化功能或增強通過可滲透氧的膜的氧滲透率。
雖然特定的步驟程度已被圖示、描述和請求保護，但應當理解，除非以其它方式指示，這些步驟可以以任何順序，單獨的或組合的來完成，而且它們仍然將得益于本發明。
上面的描述是示范性的，不受其中的這些限制的結束。按照上述說明可以進行本發明的許多修改和變化。上面已經公開了本發明的優選實施例，但是，該技術的普通專業人員將認識到，一定的修改將包括在本發明的范圍內。因此，可以理解，在所附的權利要求書的范圍內，可以用不同于特定描述的其它方式來實施本發明。為此，應當研究下述權利要求書來確定本發明的實際的范圍和內容。
權利要求
1.一種燃料系統，包括一個燃料通道；一個接收氧的通道；以及一個與所述燃料通道和所述接收氧的通道連通的可滲透氧的膜，所述可滲透氧的膜有一個帶表面特征的表面。
2.如權利要求1中所述的燃料系統，其特征在于，所述帶表面特征的表面面對所述燃料通道。
3.如權利要求1中所述的燃料系統，其特征在于，所述可滲透氧的膜是未被支承的。
4.如權利要求1中所述的燃料系統，其特征在于，所述可滲透氧的膜被支承在一個多孔的襯底上。
5.如權利要求1中所述的燃料系統，其特征在于，所述接收氧的通道與通過其間的惰性氣體連通。
6.如權利要求1中所述的燃料系統，其特征在于，所述帶表面特征的表面包含帶有尺寸小于100微米的微結構細部。
7.如權利要求1中所述的燃料系統，其特征在于，所述帶表面特征的表面包含限定一菱形圖案的微結構細部。
8.如權利要求1中所述的燃料系統，其特征在于，所述帶表面特征的表面包含限定多個V形通道的微結構細部。
9.如權利要求1中所述的燃料系統，其特征在于，所述帶表面特征的表面包含限定多個微型柱的微結構細部。
10.如權利要求1中所述的燃料系統，其特征在于，所述帶表面特征的表面包含限定多個隆起的微結構細部。
11.如權利要求1中所述的燃料系統，其特征在于，所述帶表面特征的表面包含限定多根微針的微結構細部。
12.如權利要求1中所述的燃料系統，其特征在于，所述接收氧的通道包含一真空度。
13.一種制造用于盡可能減少燃料系統中溶解的氧的可滲透氧的膜的方法，其特征在于，包括下列步驟將一種帶表面特征的圖案敷貼在一個可滲透氧的膜上；以及將該可滲透氧的膜設置在一個接收氧的通道和一個燃料通道的附近。
14.一種如權利要求13中所述的方法其特征在于，還包括以下步驟使帶表面特征的圖案面向該燃料通道。
15.一種如權利要求13中所述的方法其特征在于，還包括以下步驟將一帶表面特征的圖案壓入一犧牲薄層內；在該犧牲薄層上形成一個可滲透氧的膜，以便將該帶表面特征的圖案轉移到該可滲透氧的膜上；以及從該可滲透氧的膜上除去該犧牲薄層。
16.一種如權利要求13中所述的方法，其特征在于，包括以下步驟將一個多孔的犧牲薄層敷貼在該可滲透氧的膜上；通過該多孔的犧牲薄層將一種材料敷貼在該可滲透氧的膜上，以便在該可滲透氧的膜上形成帶表面特征的圖案；以及從該可滲透氧的膜上除去該多孔的犧牲薄層。
17.一種如權利要求16中所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)包括敷貼該材料作為可滲透氧的膜材料。
18.一種如權利要求16中所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)包括將該材料敷貼在可滲透氧的膜材料上，以提高氧通過該氧滲透膜的滲透率。
19.一種如權利要求16中所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)包括敷貼該材料，以便向該可滲透氧的膜提供一種催化功能。
20.一種盡可能減少燃料系統中溶解的氧的方法，包括以下步驟(1)將一個具有一帶表面特征的表面的可滲透氧的膜設置在一股包括溶解的氧的液體燃料流附近；以及(2)在與該液體燃料流對向的該可滲透氧的膜的附近產生一種氧濃度差異，以便經該可滲透氧的膜從該液體燃料流中抽取氧。
全文摘要
一種用于一能量轉換裝置的燃料系統，包括一個帶有一具有帶表面特征的表面的可滲透氧的膜的脫氧系統。一股掃氣和/或真空在該膜兩邊保持一個氧濃度差異，以便從該燃料脫氧。該帶表面特征的表面增大該可滲透氧的膜的表面積。該可滲透氧的膜的帶表面特征的表面是通過將帶表面特征的表面壓入帶有以微復制為基礎的工具系統的可滲透氧的膜中而制成的。另一種制造方法將帶表面特征的表面壓入一犧牲薄層，然后在該犧牲薄層上形成可滲透氧的膜而將該帶表面特征的表面轉移到可滲透氧的膜上，隨后除去該犧牲薄層。另一種制造方法通過一個多孔的犧牲薄層而將附加材料敷貼在可滲透氧的膜上。
文檔編號C10G31/11GK1830532SQ200610004788
公開日2006年9月13日 申請日期2006年1月28日 優先權日2005年2月2日
發明者W·R·施米德特 申請人:聯合工藝公司