飛機燃料箱可燃性降低方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種飛機燃料箱可燃性降低方法包括以下步驟：將加壓空氣饋送到包含碳隔膜(13)的空氣分離模塊(12)，饋送空氣呈現(xiàn)不超過55psig的正常壓強并且該碳隔膜包含至少95重量百分比的碳。該方法包括作為從饋送空氣去除氧的結(jié)果從空氣分離模塊(12)產(chǎn)生富氮空氣。一種飛機燃料箱可燃性降低系統(tǒng)包括加壓空氣源；空氣分離模塊(12)，該空氣分離模塊(12)被構(gòu)造成接收來自加壓空氣源的饋送空氣；以及碳隔膜(13)，該碳隔膜包含至少95重量百分比的碳。碳隔膜(13)被構(gòu)造成在至少120℃(248℉)的溫度下使來自饋送空氣的氧通過碳隔膜進行滲透，并且被配置為作為從饋送空氣去除氧的結(jié)果從空氣分離模塊(12)產(chǎn)生富氮空氣。
【專利說明】飛機燃料箱可燃性降低方法和系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]實施方式涉及用于降低飛機燃料箱可燃性的方法和系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]存在很多目的在于降低飛機燃料箱可燃性的已知系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^很多設計了解這些系統(tǒng)，包括但不限于機載惰性氣體產(chǎn)生系統(tǒng)(OBIGGS)、氮氣生成系統(tǒng)(NGS)、可燃性降低系統(tǒng)(FRS)、燃料箱惰化系統(tǒng)(FTIS)等。然而，這些系統(tǒng)的共同之處涉及通過將惰性氣體饋入燃料箱來降低燃料箱的氧氣含量。經(jīng)常，系統(tǒng)產(chǎn)生富氮空氣(NEA)用于惰性氣體。具有較低的氧氣百分比的空氣較不易燃。
[0003]用于產(chǎn)生富氮空氣的惰化系統(tǒng)可以依賴于作為分離機制的從介質(zhì)的壓強擺動吸收和解吸或者作為另一機制通過聚合物隔膜的擴散，以去除氧。在具有聚合物中空纖維隔膜的系統(tǒng)中，經(jīng)壓縮的空氣進入聚合物中空纖維的空心并且氧氣通過聚合物中空纖維壁滲透出。滲透出的氧被收集且排出機外。剩余的富氮滲余物流過空心并且在空氣分離模塊產(chǎn)物氣體出口處進行收集以分配到飛機燃料箱。不幸的是，空氣分離模塊的使用壽命和系統(tǒng)操作狀況會受到在氣體分離模塊的構(gòu)造中使用的聚合物的限制。因此，期望增加空氣分離模塊的可靠性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]一種飛機燃料箱可燃性降低方法，該方法包括以下步驟:將加壓空氣饋送到包含碳隔膜的空氣分離模塊，該饋送空氣呈現(xiàn)不超過55psig的正常壓強并且該碳隔膜包含至少95重量百分比的碳。該方法包括將碳隔膜與饋送空氣相接觸，通過碳隔膜從饋送空氣滲透氧，以及作為從饋送空氣去除氧的結(jié)果從空氣分離模塊產(chǎn)生富氮空氣。富氮空氣被饋送到飛機上的燃料箱中。
[0005]一種飛機燃料箱可燃性降低方法，該方法包括以下步驟:將加壓空氣饋送到空氣分離模塊中，該空氣分離模塊包含裂解聚合物中空纖維，該饋送空氣呈現(xiàn)從12 O °C到195°C (248° F到383° F)的溫度，該中空纖維包含至少95重量百分比％的碳，并且當在160° F的操作溫度下進行測量時，中空纖維呈現(xiàn)至少為9的氧滲透率對氮滲透率的選擇度比，以及至少80氣體滲透單位的滲透率。該方法包括:將碳隔膜與饋送空氣相接觸，通過碳隔膜從饋送空氣滲透氧，以及作為從饋送空氣去除氧的結(jié)果從空氣分離模塊產(chǎn)生富氮空氣；來自空氣分離模塊的富氮空氣在熱交換器中被充分地冷卻。冷卻的富氮空氣被饋送到飛機上的燃料箱中。
[0006]一種飛機燃料箱可燃性降低系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:加壓空氣源；空氣分離模塊，該空氣分離模塊被構(gòu)造成從加壓空氣源接收饋送空氣；以及在該空氣分離模塊中的碳隔膜，該碳隔膜包含至少95重量百分比的碳；碳隔膜被構(gòu)造成在至少120°C (248° F)的溫度下使來自饋送空氣的氧通過碳隔膜進行滲透，并且作為從饋送空氣去除氧的結(jié)果從空氣分離模塊產(chǎn)生富氮空氣。系統(tǒng)包括飛機上的燃料箱并且被構(gòu)造成接收富氮空氣。
[0007]根據(jù)本公開的一個方面，提供一種飛機燃料箱可燃性降低方法，該方法包括以下步驟:將加壓空氣饋送到包含碳隔膜的空氣分離模塊，該饋送空氣呈現(xiàn)不超過55psig的正常壓強并且該碳隔膜包含至少95重量百分比的碳；將碳隔膜與饋送空氣相接觸，通過碳隔膜從饋送空氣滲透氧，以及作為從饋送空氣去除氧的結(jié)果從空氣分離模塊產(chǎn)生富氮空氣；以及將富氮空氣饋送到飛機上的燃料箱中。
[0008]有利地，碳隔膜包括碳中空纖維、螺旋纏繞碳纖維板、碳納米管板或者其組合。
[0009]有利地，所述碳隔膜包括裂解聚合物中空纖維。
[0010]有利地，所述饋送空氣呈現(xiàn)至少120°C (248° F)的溫度。
[0011]有利地，饋送空氣呈現(xiàn)從120°C到195°C (248° F到383° F)的溫度。
[0012]有利地，該飛機燃料箱可燃性降低方法進一步包括在不在熱交換器中充分地冷卻饋送空氣的情況下，從加壓空氣的源將加壓空氣饋送到空氣分離模塊中。
[0013]有利地，該飛機燃料箱可燃性降低方法進一步包括在將來自空氣分離模塊的富氮空氣饋送到所述燃料箱之前，在熱交換器中充分地冷卻所述富氮空氣。
[0014]根據(jù)本公開的另一個方面，提供一種飛機燃料箱可燃性降低方法，該方法包括以下步驟:將加壓空氣饋送到空氣分離模塊中，該空氣分離模塊包含裂解聚合物中空纖維，該饋送空氣呈現(xiàn)從120°C到195°C (248° F到383° F)的溫度，該中空纖維包含至少95重量百分比的碳，并且當在160° F的操作溫度下進行測量時，中空纖維呈現(xiàn)至少為9的氧滲透率對氮滲透率的選擇度比，以及至少80氣體滲透單位的滲透率。將中空纖維與饋送空氣相接觸，通過中空纖維從饋送空氣滲透氧，以及作為從饋送空氣去除氧的結(jié)果從空氣分離模塊產(chǎn)生富氮空氣；在熱交換器中充分地冷卻來自空氣分離模塊的富氮空氣；以及將冷卻的富氮空氣饋送到飛機上的燃料箱中。
[0015]有利地，權(quán)利要求的方法，錯誤！引用源未找到，其中，饋送空氣呈現(xiàn)不超過55psig的正常壓強。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種飛機燃料箱可燃性降低系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:加壓空氣的源；
[0017]空氣分離模塊，該空氣分離模塊被構(gòu)造成從加壓空氣的源接收饋送空氣；
[0018]該空氣分離模塊中的碳隔膜，該碳隔膜包含至少95重量百分比的碳；碳隔膜被構(gòu)造成在至少120°C (248° F)的溫度下使來自饋送空氣的氧通過碳隔膜進行滲透，并且作為從饋送空氣去除氧的結(jié)果從空氣分離模塊產(chǎn)生富氮空氣；以及燃料箱，其在飛機上并且被構(gòu)造成容納所述富氮空氣。
[0019]有利地，碳隔膜包括碳中空纖維、螺旋纏繞碳纖維板、碳納米管板或者其組合。
[0020]有利地，所述碳隔膜包括裂解聚合物中空纖維。
[0021]有利地，所述碳隔膜被構(gòu)造成在120°C到195°C (248° F到383° F)的溫度下使來自饋送空氣的氧通過所述碳隔膜進行滲透。
[0022]有利地，所述碳隔膜被構(gòu)造成在不超過55psig的正常壓強下使來自饋送空氣的氧通過所述碳隔膜進行滲透。
[0023]有利地，系統(tǒng)在加壓空氣源下游在空氣分離模塊之前缺少冷卻熱交換器。
[0024]有利地，該飛機燃料箱可燃性降低系統(tǒng)還包括:熱交換器，其被構(gòu)造成充分地冷卻來自空氣分離模塊的富氮空氣并且將冷卻的富氮空氣提供到燃料箱。
[0025]有利地，當在160° F的操作溫度下進行測量時，碳隔膜呈現(xiàn)至少為9的、氧滲透率對氮滲透率的選擇度比。
[0026]有利地，當在160° F的操作溫度下進行測量時，碳隔膜呈現(xiàn)至少80氣體滲透單位的滲透率。
[0027]有利地，在同樣條件下操作并且產(chǎn)生相同的富氮空氣輸出，碳隔膜的操作表面面積比聚合物中空纖維隔膜的操作表面面積小了至少50 %。
[0028]有利地，在同樣條件下操作并且產(chǎn)生相同的富氮空氣輸出，碳隔膜呈現(xiàn)出為聚合物中空纖維隔膜的使用壽命的至少1.5倍的使用壽命。
[0029]已經(jīng)討論的特征、功能和優(yōu)點可以在各種實施方式中獨立地實現(xiàn)，或者可以在其他實施方式中相組合，其進一步細節(jié)可以參照以下說明和附圖來了解。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]以下參照附圖描述一些實施方式。
[0031]圖1到圖4示出根據(jù)一些實施方式的燃料箱可燃性降低系統(tǒng)的圖。

【具體實施方式】
[0032]觀測指示空氣分離模塊和使用聚合物中空纖維隔膜的整個系統(tǒng)的性能和使用壽命會受系統(tǒng)操作溫度、纖維上的操作壓強、壓強差和壓強比、在操作溫度下的管板材料屬性、纖維的自然放松(natural relaxat1n)、以及對污染物的敏感性的限制。
[0033]更具體地，用于聚合物中空纖維隔膜和支撐纖維束的管板的材料是包含碳、氫、氧和可能的其它元素的經(jīng)聚合的有機化合物。針對給定的聚合物纖維，操作溫度的范圍受纖維性能(針對給定氣體分離對(gas separat1n pair)的選擇度(selectivity)和滲透率)以及受用于制造分離模塊的材料(特別是管板材料)的限制。選擇度是氣體對的滲透率的比。針對給定氣體分離對，在滲透率和選擇度之間存在折中。即，聚合物隔膜具有上限，在本領域技術人員中稱為羅伯遜上限(Robeson Upper Bound)。對于聚合物，滲透率隨著溫度增大而選擇度降低。
[0034]對于航空航天應用中已知的聚合物隔膜，操作溫度通常低于96°C (205° F)。通過隔膜內(nèi)的分離層的氣體通量依賴于分離層厚度(依賴于制造)、聚合物屬性(滲透率)以及操作條件。滲透率越高，用于以隔膜兩側(cè)氣體的給定分壓差來產(chǎn)生給定通量的隔膜面積越低。由于滲透率隨著溫度增大，用于實現(xiàn)期望使用壽命的操作溫度限制有效地對滲透率帶來了限制。
[0035]隔膜通量也受纖維分離層兩側(cè)的壓強差影響。針對中空管道的滲透通量(J)可以由以下算式描述。
[0036]J = f = 2 * Ji * L * P ((pj-p2) /In (ID/0D)
[0037]其中L是管道長度，P是滲透率，pi和p2分別是管道內(nèi)部和外部的分壓并且ID和OD分別是纖維的內(nèi)直徑和外直徑。因此，可以通大增加進口壓強來增大通量。然而，系統(tǒng)使用的壓強越高，在飛機上設置的功率和/或空氣供應需求越大，降低了燃料效率。
[0038]熱固性聚合物(諸如環(huán)氧樹脂類)經(jīng)常用于已知氣體分離模塊的管板材料。管板材料固定聚合物中空纖維束，并且使得能夠?qū)⒕酆衔镏锌绽w維束捆綁和密封到罐子里。已知聚合物隔膜中的最大操作溫度受管板材料的制造(諸如固化)溫度限制。盡管存在較高溫度的材料，但是能夠用中空纖維隔膜制造并且在航空航天應用中實際應用的材料的選擇受其低于96°C (205° F)的長期操作溫度限制。超過該溫度限制的系統(tǒng)導致管板材料的退化并且最終導致氣體分離模塊的較短的使用壽命。如果使用了較高溫度熱固材料，則纖維在制造期間會被損壞。
[0039]在使用聚合物中空纖維隔膜的空氣分離模塊的操作壽命中，也可能發(fā)生滲透率損失。如對于大多數(shù)聚合物，物理老化(聚合物鏈的自然放松)引起自由體積的減少以及滲透率的損失，并且因此引起通量的損失。這種在模塊的使用壽命期間的性能變化影響系統(tǒng)部件(諸如熱交換器)的大小。具有高滲透率的聚合物具有較大的自由體積并且呈現(xiàn)較多的物理老化(除非它們是半結(jié)晶形態(tài)的)。較高的滲透率暗含著需要較少的纖維面積。因此，期望具有高滲透率和低物理老化的隔膜。
[0040]另外，聚合物中空纖維易受污染物影響。經(jīng)常使用過濾來去除液體和微粒氣溶膠。特定氣態(tài)污染物還可以降低滲透率并且因此降低性能，并且在充足濃度下最終影響使用壽命?？衫淠臍怏w，依賴于它們在饋送流中的分壓和它們在操作溫度下的露點，也會使得性能劣化并且降低使用壽命。因為氣態(tài)污染物的滲透率總體上也依賴于溫度(除了與聚合物起化學反應和/或破壞聚合物鏈的污染物之外)并且露點也依賴于溫度，所以期望較高的操作溫度。提高系統(tǒng)操作溫度減少對降低饋送空氣溫度的期望，并且因此對系統(tǒng)部件的大小也具有正面效果(較小的熱交換器和較小的RAM空氣需求，降低重量和阻力)。然而較高的滲透率經(jīng)常增大用于達到期望的滲余物狀況的饋送流速。為了補償這一點，期望具有較高選擇度的隔膜。因此，較多的氮氣保留在滲余物(NEA)中并且降低所使用的饋送流速。
[0041]作為在空氣分離模塊中用作隔膜的聚合物中空纖維的以上限制的結(jié)果，通過延長使用壽命并且還通過提高系統(tǒng)操作溫度和/或降低系統(tǒng)操作壓強，可以獲得明顯的益處。還期望具有較高的滲透率和較高的選擇度的隔膜。除了較高的選擇度，還期望選擇度對溫度的較低的敏感度和/或選擇度對污染物的較低的敏感度。如本文描述的，實施方式提供附加的明顯的益處。使用碳隔膜的空氣分離模塊可以提供那些益處。碳隔膜可以包括中空碳纖維、螺旋纏繞碳纖維板、碳納米管板或者其組合。
[0042]碳隔膜可以根據(jù)本領域普通技術人員已知的方法生產(chǎn)。例如，碳中空纖維可以包含至少95重量百分比(wt%)的碳，并且可以通過裂解聚合物中空纖維來獲得。裂解去除大量的氫、氧和其它元素并且產(chǎn)生無定型、多微孔結(jié)構(gòu)；如果使用了特定裂解條件，則可以產(chǎn)生能夠以超過已知的空氣分離模塊的性能從空氣分離氧(相比于氮)的結(jié)構(gòu)。碳中空纖維隔膜具有與聚合物中空纖維隔膜不同的結(jié)構(gòu)和傳輸機制。用于氣體分離的碳隔膜可以不同形式制成一一作為中空纖維隔膜、碳纖維的層(螺旋纏繞碳纖維板)、或者以碳納米管的形式
[0043]S.M.Saufi et al., Fabricat1n of Carbon Membranes for Gas Separat1n-AReview, 42 Carbon 241-259 (2004)描述了可以適用于在本文的實施方式中使用的形成碳中空纖維和氣體碳隔膜的考慮 D De Q.Vu et al.，Mixed matrix membranes using carbonmolecular sieves,1.Preparat1n and experimental results,211J.Membrane Science311-334(2003)描述了用于氣體分離的碳分子篩網(wǎng)隔膜的制備。A.F.1smail et al.，AReview on the Latest Development of Carbon Membranes for Gas Separat1n, 193J.Membrane Science 1-18(2001)描述了通過包括碳中空纖維的碳隔膜的傳輸機制。P.JasonWilliams et al., Gas Separat1n by Carbon Membranes, in Advanced MembraneTechnology and Applicat1ns 599-631 (Norman N.Li et al.eds.，2008)進一步描述了形成碳中空纖維的考慮和通過碳隔膜的傳輸機制。本領域普通技術人員將從所列出的和附加的引用文獻理解到碳隔膜可以適應于在本文的實施方式中使用來產(chǎn)生富氮空氣。
[0044]在實施方式中，飛機燃料箱可燃性降低方法包括饋送加壓空氣到包含碳隔膜的空氣分離模塊中。饋送空氣呈現(xiàn)不超過55鎊每平方英寸(psig)的正常壓強，并且碳隔膜包含至少95wt%的碳。該方法包括使碳隔膜與饋送空氣相接觸，通過碳隔膜從饋送空氣滲透氧，以及作為從饋送空氣去除氧的結(jié)果從空氣分離模塊產(chǎn)生富氮空氣。富氮空氣被饋送到飛機上的燃料箱中。
[0045]呈現(xiàn)出不超過55psig的正常壓強的饋送空氣將該方法與使用聚合物中空纖維隔膜并且在較高壓強下操作以通過纖維壁提供充足氧滲透的已知空氣分離方法區(qū)分開。盡管低壓強可能是有益的，但是當饋送空氣呈現(xiàn)較高壓強時也可以使用本文的其它實施方式，諸如在已經(jīng)提供較高壓強的饋送空氣的改型系統(tǒng)中。這種方法與已知方法的區(qū)別在于針對相同的入口壓強可以使用較少的活動纖維區(qū)域。也就是說，較高壓強可以允許增大的通量，并且因而允許減少所使用的AMS的數(shù)量。
[0046]“正常壓強”是指在巡航期間的壓強；在爬升期間的壓強可以稍微較高。針對本實施方式和本文的其它實施方式，作為進一步的益處，饋送空氣可以相反地呈現(xiàn)不超過41psig的壓強。
[0047]在另一個實施方式中，飛機燃料箱可燃性降低方法包括饋送加壓空氣到包含碳隔膜的空氣分離模塊中。該饋送空氣呈現(xiàn)至少120°C (248° F)的溫度并且碳隔膜包含至少95wt%的碳。該方法包括使碳隔膜與饋送空氣相接觸，通過碳隔膜從饋送空氣滲透氧，以及作為從饋送空氣去除氧的結(jié)果從空氣分離模塊產(chǎn)生富氮空氣。富氮空氣被饋送到飛機上的燃料箱中。呈現(xiàn)出至少120°C (248° F)的溫度的饋送空氣將本方法與使用聚合物中空纖維隔膜的已知空氣分離方法區(qū)分開，該已知空氣分離方法在較低溫度下操作以減少對隔膜的聚合物材料和/或管板材料的熱損壞。
[0048]例如，饋送空氣可以呈現(xiàn)出從120°C到195°C (248° F到383° F)的溫度。在這些更高的溫度下，碳隔膜的滲透率可以更高，同時仍然保持3或者更大的選擇度。碳隔膜的熱穩(wěn)定性還允許使用不限制空氣分離模塊的操作溫度的不同管板材料。
[0049]該方法可以進一步包括在無需在熱交換器中充分地冷卻饋送空氣的情況下從加壓空氣的源將加壓空氣饋送到空氣分離模塊中。略微的冷卻(如果有)可以是僅在從加壓空氣從源到空氣分離模塊的傳輸期間從熱損耗偶然發(fā)生的程度上。熱損耗可以在源和空氣分離模塊中間的裝置中發(fā)生，諸如過濾器，但是其小于在被設計用于充分地冷卻饋送空氣的熱交換器中發(fā)生的熱損耗。在已知系統(tǒng)中，加壓氣體的源一般提供處于高溫的饋送空氣并且在熱交換器中將饋送空氣冷卻到低于96°C (205° F)的正常操作溫度，以降低對聚合物中空纖維和/或管板材料的熱損壞。在已知關閉機制允許的“正常操作溫度”下，可能發(fā)生到較高溫度的瞬時偏移。
[0050]在本文的方法中，如果保證了一些冷卻，則熱交換器可以在冷卻容量上減少(并且因而在大小上減小)?；蛘呷绻佀涂諝鉁囟仍诮o定碳隔膜的溫度穩(wěn)定性的容限內(nèi)，則熱交換器可以被取消。減小或者取消冷卻由于氧的增加的熱能而可以有利地增大滲透率。
[0051]盡管饋送空氣呈現(xiàn)出高達195°C (383° F)的溫度可以有益處，但是可以期望冷卻富氮空氣。因此，方法可以還包括:在將來自空氣分離模塊的富氮空氣饋送到燃料箱之前冷卻熱交換器中的富氮空氣，以遵循燃料箱結(jié)構(gòu)和運輸元件標準。
[0052]在實施方式中，飛機燃料箱可燃性降低系統(tǒng)包括加壓空氣的源和被構(gòu)造成從加壓空氣源接收饋送空氣的空氣分離模塊。包含至少95wt%的碳的碳隔膜在空氣分離模塊中。碳隔膜被構(gòu)造成在至少120°C (248° F)的溫度下使來自饋送空氣的氧透過碳隔膜進行滲透，并且作為從饋送空氣去除氧的結(jié)果從空氣分離模塊產(chǎn)生富氮空氣。該系統(tǒng)包括飛機上的燃料箱并且被構(gòu)造成接收富氮空氣。
[0053]在另一個實施方式中，飛機燃料箱可燃性降低系統(tǒng)包括加壓空氣的源和被構(gòu)造成從加壓空氣源接收饋送空氣的空氣分離模塊。包含至少95wt%的碳的碳隔膜在空氣分離模塊中。碳隔膜被構(gòu)造成在不超過55psig的正常壓強下使來自饋送空氣的氧透過碳隔膜進行滲透，并且作為從饋送空氣去除氧的結(jié)果從空氣分離模塊產(chǎn)生富氮空氣。該系統(tǒng)包括飛機上的燃料箱并且被構(gòu)造成接收富氮空氣。
[0054]例如，碳隔膜可以被構(gòu)造成在120°C到195°C (248° F到383° F)的溫度下使來自饋送空氣的氧透過碳隔膜進行滲透。該系統(tǒng)可以在加壓空氣源下游在空氣分離模塊之前缺少冷卻熱交換器。該系統(tǒng)還可以包括熱交換器，熱交換器被構(gòu)造成充分地冷卻來自空氣分離模塊的富氮空氣并且將冷卻的富氮空氣提供到燃料箱。對饋送空氣和/或富氮空氣的溫度控制可以提供以上描述的益處。
[0055]當在160° F的操作溫度下進行測量時，碳隔膜可以呈現(xiàn)氧滲透率對氮氣滲透率的選擇度比至少為9。并且，當在160° F的操作溫度下進行測量時，碳隔膜可以呈現(xiàn)至少80氣體滲透單位(GPU)的滲透率。盡管本文的一些實施方式在高于160° F的溫度下進行操作，但是這些溫度是提供方便的測試溫度，用于比較依賴于溫度參數(shù):選擇度比和滲透率。此外，在同樣條件下操作并且產(chǎn)生相同的富氮空氣輸出，碳隔膜的操作表面面積可以比聚合物中空纖維隔膜的操作表面面積小了至少50%。再次，碳隔膜可以呈現(xiàn)出為在同樣條件下操作并且產(chǎn)生相同的富氮空氣輸出的聚合物中空纖維隔膜的使用壽命的至少1.5倍的使用壽命。使用碳隔膜，諸如碳中空纖維隔膜，可以有利地提供所描述的特征。不是由碳隔膜的屬性單獨提供所描述的特征，它們可以在保持以上的描述的同時，與聚合物中空纖維隔膜的受限制的操作溫度相比在碳隔膜允許的較高的溫度下進行操作而得到。
[0056]因此，在另一個實施方式中，飛機燃料箱可燃性降低方法包括饋送加壓空氣到包含裂解聚合物中空纖維的空氣分離模塊中。饋送空氣呈現(xiàn)從120°C到195°C (248° F到383° F)的溫度。中空纖維包含至少95wt%的碳。當在160° F的操作溫度下進行測量時，中空纖維呈現(xiàn)至少為9的氧滲透率對氮滲透率的選擇度比，以及至少為80氣體滲透單位的滲透率。該方法包括使碳隔膜與饋送空氣相接觸，透過碳隔膜從饋送空氣滲透氧，以及作為從饋送空氣去除氧的結(jié)果從空氣分離模塊產(chǎn)生富氮空氣。來自空氣分離模塊的富氮空氣在熱交換器中被充分地冷卻。冷卻的富氮空氣被饋送到飛機上的燃料箱中。例如，饋送空氣可以呈現(xiàn)出不超過55psig的正常壓強。
[0057]圖1示出根據(jù)實施方式的飛機燃料箱可燃性降低系統(tǒng)10的部分的圖。系統(tǒng)10包括空氣分離模塊12，該空氣分離模塊12包括從加壓空氣源16接收饋送空氣的碳隔膜。模塊12產(chǎn)生滲透氣體18，滲透氣體18主要包含氧氣和滲余氣體(富氮空氣19)。燃料箱14接收富氮空氣19以提供可燃性降低。
[0058]圖2示出根據(jù)另一個實施方式的飛機燃料箱可燃性降低系統(tǒng)20的部分的圖。系統(tǒng)20包括圖1中所示的系統(tǒng)10的部件，并且還包括提供冷卻的富氮空氣24的熱交換器22。系統(tǒng)20可以在空氣分離模塊12的上游不保證對饋送空氣17的充分冷卻，但是存在用冷卻的富氮空氣24來降低燃料箱14的溫度的期望的情形下使用。
[0059]圖3示出根據(jù)另外的實施方式的飛機燃料箱可燃性降低系統(tǒng)30的部分的圖。系統(tǒng)30包括圖1中所示的系統(tǒng)10的部件，并且還包括提供冷卻的饋送空氣34的熱交換器32。系統(tǒng)30可以在空氣分離模塊12的上游保證了對饋送空氣17的一些冷卻的情形下使用。如以上描述的，熱交換器32可以呈現(xiàn)比用于向使用聚合物中空分離隔膜的空氣分離模塊而不是模塊12的碳隔膜13提供冷卻的饋送空氣的已知熱交換器的冷卻容量小的冷卻容量。
[0060]圖4示出根據(jù)另一個實施方式的飛機燃料箱可燃性降低系統(tǒng)40的部分的圖。系統(tǒng)40包括圖1中所示的系統(tǒng)10的部件，并且還包括圖2的熱交換器22和圖3的熱交換器32。因此，系統(tǒng)40可以用于將饋送空氣17冷卻到針對模塊12的期望的溫度并且還冷卻用于燃料箱14的富氮空氣19。系統(tǒng)40還包括提供過濾的饋送空氣44的過濾器42。盡管模塊12包括比聚合物中空纖維隔膜更不易受污染物影響的碳隔膜13，但可以將過濾器42設置在熱交換器32的下游(如所示的)或者上游，以去除潛在地對模塊12有害的污染物。
[0061]盡管圖1到圖4示出本文描述的系統(tǒng)的不同的可能實施方式，但是應理解的是可以想到圖1到圖4中的特征與本文描述的其它特征的進一步組合。
[0062]在較低的入口壓強下的操作可以允許在無需進一步加壓的情況下使用發(fā)動機引氣。較低的入口壓強可以消除或者減少在空氣分離模塊上游的渦輪壓縮機或者電驅(qū)動壓縮機的已知使用。另選地，存在用于使用來自較低壓強源和電驅(qū)動壓縮機的備用饋送空氣的選項。碳隔膜的屬性可以允許使用較低壓強的源和/或較低壓強比壓縮機(例如，較小的大小和/或較低的功率)。
[0063]從空氣分離出氧的效率增加導致較少的饋送空氣用來得到相同量的富氮空氣。較少的饋送空氣產(chǎn)生增大的飛機燃料效率。更有效的分離還允許空氣分離模塊在大小上較小并且在重量上較輕。
[0064]碳中空纖維和已知聚合物中空纖維的滲透率隨著溫度升高而增大。碳纖維在制造期間能夠承受更高的操作溫度，這使得能夠使用具有比氣體分離工業(yè)中使用的已知管板材料(經(jīng)常是環(huán)氧樹脂)更高的熱穩(wěn)定性的、更高溫度的管板材料。更高的操作溫度使得能夠通過兩種手段設計重量較輕的系統(tǒng):(I)更高的性能使得有效纖維的更少的表面面積(更小的空氣分離模塊或者每個飛機更少的模塊)和(2)更少的入口熱交換器容量(使用更少的入口熱交換器或者沒有入口熱交換器)ο重量減輕相比于聚合物中空纖維隔膜系統(tǒng)，可以是30%那么多。
[0065]另外，在空氣分離模塊設計中可以使用具有有利的機械屬性的更高熱穩(wěn)定性的材料，并且單元的壽命可以延長超過已知模塊，這增加了可靠性并且降低了系統(tǒng)的維護成本。
[0066]碳中空纖維隔膜在給定模塊入口 -出口壓強比相比于聚合物中空纖維隔膜提供了增強的性能(其中出口是用于通過隔膜壁滲透氧的滲透出口，在飛機應用中通常被機外排放)。期待得到更多的重量節(jié)省、更高的燃料經(jīng)濟性、以及更高的可靠性。
[0067]遵從于法規(guī)，以或多或少針對結(jié)構(gòu)和方法特征的語言描述了實施方式。然而，應理解的是，這些實施方式不限于所示出和描述的特定特征。這些實施方式因此以其任何形式或者在根據(jù)等同原則適當解釋的所附的權(quán)利要求的正確范圍內(nèi)的修改要求保護。
[0068]附圖參考標號表
[0069]10 系統(tǒng)
[0070]12空氣分離模塊
[0071]13碳隔膜
[0072]14燃料箱
[0073]16加壓空氣源
[0074]17饋送空氣
[0075]18滲透氣體
[0076]19富氮空氣
[0077]20 系統(tǒng)
[0078]22熱交換器
[0079]24冷卻的富氮空氣
[0080]30 系統(tǒng)
[0081]32熱交換器
[0082]34冷卻的饋送空氣
[0083]40 系統(tǒng)
[0084]42過濾器
[0085]44過濾的饋送空氣
【權(quán)利要求】
1.一種飛機燃料箱可燃性降低方法，該方法包括以下步驟:將加壓空氣饋送到包含碳隔膜(13)的空氣分離模塊(12)，該饋送空氣(17)呈現(xiàn)不超過55psig的正常壓強并且所述碳隔膜(13)包含至少95重量百分比的碳； 將所述碳隔膜(13)與所述饋送空氣(17)相接觸，通過所述碳隔膜(13)從所述饋送空氣滲透氧，以及作為從所述饋送空氣(17)去除氧的結(jié)果從所述空氣分離模塊(12)產(chǎn)生富氮空氣；以及 將所述富氮空氣饋送到所述飛機上的所述燃料箱(14)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述碳隔膜(13)包括碳中空纖維、螺旋纏繞碳纖維板、碳納米管板或者其組合中的任一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述碳隔膜包括裂解聚合物中空纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其中，所述饋送空氣(17)呈現(xiàn)至少120。。，即 248 °F，的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其中，所述饋送空氣(17)呈現(xiàn)從120°C到195 0C，即248 T到383 0F，的溫度。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，所述方法還包括:在不在熱交換器中充分地冷卻所述饋送空氣的情況下，從所述加壓空氣的源(16)將所述加壓空氣饋送到所述空氣分離模塊(12)中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，所述方法還包括:在將來自所述空氣分離模塊(12)的富氮空氣饋送到所述燃料箱(14)之前，在熱交換器(22)中充分地冷卻所述富氮空氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的方法，其中，所述饋送空氣(17)呈現(xiàn)不超過55psi的正常壓強。
9.一種飛機燃料箱可燃性降低系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括: 加壓空氣源(16)； 空氣分離模塊(12)，該空氣分離模塊(12)被構(gòu)造成從所述加壓空氣源(16)接收饋送空氣(17)； 所述空氣分離模塊(12)中的碳隔膜(13)，該碳隔膜(13)包含至少95重量百分比的碳；所述碳隔膜(13)被構(gòu)造成在至少120°C，即248 °F，的溫度下使來自所述饋送空氣(17)的氧通過所述碳隔膜(13)進行滲透，并且作為從所述饋送空氣(17)去除氧的結(jié)果從所述空氣分離模塊(12)產(chǎn)生富氮空氣；以及 燃料箱(14)，該燃料箱(14)在所述飛機上并且被構(gòu)造成容納所述富氮空氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述碳隔膜(13)包括碳中空纖維、裂解聚合物中空纖維、螺旋纏繞碳纖維板、碳納米管板或者其組合。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的系統(tǒng)，其中，所述碳隔膜(13)被構(gòu)造成在120°C到195°C，即248 °F到383 °F，的溫度下使來自所述饋送空氣(17)的氧通過所述碳隔膜(13)進行滲透。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述碳隔膜(13)被構(gòu)造成在不超過55psig的正常壓強下使來自所述饋送空氣(17)的氧通過所述碳隔膜(13)進行滲透。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)(10)在所述加壓空氣源(16)的下游在所述空氣分離模塊(12)之前沒有冷卻熱交換器。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中任一項所述的系統(tǒng)，其中，當在160°F的操作溫度下進行測量時，所述碳隔膜(13)呈現(xiàn)至少為9的氧滲透率對氮滲透率的選擇度比。
【文檔編號】B64D37/32GK104520194SQ201380036796
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月24日
【發(fā)明者】B·J·艾沃瑟維奇, I·約基奇 申請人:波音公司