气体分离模块和形成气体分离模块的方法
【技术领域】
[0001]本文献涉及用于形成气体分离模块的方法和气体分离模块，包括飞机燃油箱可燃性降低系统中的模块。
【背景技术】
[0002]已知的空气分离模块(ASM)在飞机燃油箱可燃性降低系统中。所述ASM从空气中移除一些氧气以生成富氮空气(NEA)，富氮空气然后流动到燃油箱气隙(在燃油箱中的经常包含蒸发的燃油(例如，燃油蒸汽)的区域)。所述NEA可以降低燃油箱气隙的可燃性。联邦航空管理局(FAA)条例要求新的和正在服务的运输机包括用于增强飞机燃油箱安全性的系统。不幸地是，ASM具有可被降低的分离效率或在ASM中部件的故障、要求维修或替换并且引起对应的飞机停工而限制的使用寿命。因此，希望增强空气分离模块的可靠性。
【发明内容】
[0003]气体分离模块包括具有至少一个入口端和多个出口端的外壳、以及在外壳内的多个中空纤维膜。单个的纤维具有加料端和产物端，与在加料端和产物端之间的保留物内侧和渗透物外侧。模块包括在外壳内的加料管板，加料管板紧固纤维的加料端并且将至少一个入口端和纤维的渗透侧隔离。加料管板包括基体(matrix)和至少一个管片接头。基体封装纤维的加料端。管片接头包含与基体不同的顺从性材料(compliance material)并且将加料管板多个管片彼此分离。
[0004]气体分离模块形成方法包括定位与至少一个管板管片接头相关联的中空纤维膜材料、应用基体至纤维材料和管片接头、以及固化基体。管片接头包含与基体不同的顺从性材料。方法包括形成由固化的基体和管片接头制成的加料管板以及形成由纤维材料制成的多个中空纤维膜。单个的纤维具有加料端和产物端，固化的基体封装纤维的加料端，加料管板紧固纤维的加料端，并且管片接头将加料管板的多个管片彼此分离。
[0005]已经论述的特征、功能以及优点可以以各种实施方式独立地实现，或者还可以与其他实施方式进行结合来实现，其更多细节可参考以下描述和附图而看到。
【附图说明】
[0006]参考其后的附图做出以下的描述。
[0007]图1、图2和图5分别是用于气体分离模块的元件的顶视图、侧视图和截面图。
[0008]图3、图4和图6分别是用于气体分离模块的另一个元件的顶视图、侧视图和截面图。
[0009]图7和图8分别是用于气体分离模块的又一元件的顶视图和侧视图。
[0010]图9是用于气体分离元件的管片接头的截面图并且图10是该管片接头的分解图。
[0011]图11和图12分别是气体分离模块的等距视图和近摄图。
[0012]图13示出了燃油箱可燃性降低系统。
[0013]图14是用于具有在纤维层之间的遮蔽物的气体分离模块的元件的顶视图。
[0014]图15是被随同基体膜缠绕到管片接头和支撑件的中空纤维膜材料的截面图，并且图16是在固化并且加工以打开纤维端后的图15所示的后续阶段处的侧视图。
[0015]图17是用于在基体应用处理期间将径向压力施加于管板的圆柱形气体分离元件的夹具的顶视图。
[0016]图18是用于在基体应用处理期间将横向压力施加于管板的在截面图中示出的矩形气体分离元件的夹具的侧视图。
【具体实施方式】
[0017]一些已知的气体分离模块使用中空纤维膜(HFM)。中空纤维膜可以包括有渗透性、多孔材料的纤维壁，多孔材料支撑在气体分离处理中提供分离性的在其上的薄膜。在气体分离模块的操作期间，原料气进入纤维的加料端，所选择的气体通过纤维壁扩散以产生渗透物。被保留的气体继续沿着中空纤维到达产物端，并且作为保留物结束。中空纤维膜的两端可以利用树脂灌装以紧固纤维。灌装树脂紧固纤维端在每个末端形成管板，以将原料气和保留物与渗透物分离。纤维和管板的结合形成一种可以插入外壳以形成模块的元件。可以将该元件称为“套筒(cartridge) ”并且将该外壳称为“筒(canister)”。然而，在本文中，“元件”和“外壳”的含义不限于“套筒”和“筒”的各自通常含义。一般地，灌装的树脂形成以圆周围绕安装于管形外壳的各自纤维端的插塞。即使这样，本文中的结构包括用于管板的额外几何结构。
[0018]对于使用气体分离模块的一些应用，诸如燃油箱可燃性降低系统，可以在提升的温度下提供原料气。对于空气中氧气的分离、以及对于其他气体对，利用原料气提高温度可以提高分离效率。有益地，现成的气体源可以提供加热的气体，以作为无关处理的副产物。在飞机中，发动机引气是提供空气分离模块的原料气的已知来源并且经常在160° F至300° F的温度下到达空气分离模块。
[0019]暴露在提高的温度下的管板可以引起径向和周向两者的膨胀，其后当管板之后冷却时又会收缩。空气分离模块对应惰性气体供应给燃油箱气隙时和不供应时的周期进行循环开闭。由于圆形的周界并且安装在管形外壳内，管板沿周向的膨胀可以被限制。圆周膨胀的限制可以在包括树脂和中空纤维两者的管板材料中产生应力。
[0020]同样，随着时间的推移，物理老化可能引起树脂收缩或变得脆弱或两者兼有。因此，作为物理老化的结果，树脂的抗拉强度可能降低，并且可能变得趋于裂化，以允许原料气泄漏到渗透物中。作为热暴露的结果，热老化可以加速物理老化。膨胀或收缩或提及的这两者于是变得更可能产生裂化。
[0021]S卩，热膨胀后树脂在径向的收缩可以引起径向的张力负荷。经常在从管板的中心逐渐增加的直径的同心层中形成纤维。一旦径向的拉伸应力超过在树脂和纤维之间的结合强度，可能引发纤维层之间或在其他位置的管板裂化。经常地，选择具有足够结合强度的树脂材料以承受这类应力。然而，由于热老化导致的降低的结合强度可能允许裂缝引发并且然后在纤维层之间传播。除了将树脂与纤维分离的裂化之外，裂化可以将纤维壁的薄膜与下面支撑薄膜的多孔材料分离。
[0022]通过在较低的温度下操作气体分离模块以延迟老化效果可以减少裂化。不幸地是，降低的温度可以降低在气体分离模块中的分离效率。利用降低的效率，将使用更大的气体分离模块以产生分离气体的可比拟的流量。更大的气体分离模块比相同构造的更小的模块更重并且在一些诸如在航空与航天空间中的应用中可能是不利的。
[0023]另一可能性包括接受在提高的温度下使用所伴随的气体分离模块的降低的生命周期并且调整维护周期以允许更频繁地维修或替换。然而，与降低的寿命周期相关联的增加的成本可能不被接受。
[0024]本文中描述的结构允许管板承受与热膨胀和收缩相关联的应力并且抗裂化。管板可以被设置为允许在灌装树脂可接受的温度下操作以具有管板裂化被降低的风险。提高的操作温度允许增加分离效率并且降低模块尺寸和重量。使用燃油箱可燃性降低系统中的气体分离模块的商用飞机可以尤其从降低的模块尺寸和重量受益。
[0025]虽然本文中的装置和方法提供了对于航空与航天空间的显著益处，但是它们可以用于中空纤维膜气体分离技术的其他应用中。实施例包括诸如在石油领域中的甲烷/氮/二氧化碳的分离，诸如在燃油或燃气发电站中的废气的选择成分的分离，化学气体净化，气体脱水等。同样地，结构可以用于商用和军用两种的各种类型的飞机，包括战斗机和直升机。许多可能的应用存在于可能使用本文中的结构的燃油箱惰性系统中。
[0026]本文中的结构包括使用在管板中的至少一个管片接头。管片接头可以包含顺从性材料并且将管板的管片彼此分离。因此，由于管片接头可以压缩以允许管板沿圆周方向膨胀，所以管片可以由于周期性的操作温度而膨胀并且收缩而不使管板裂化。这样管片化的管板设计可以容纳圆形、矩形和其他管板外围形状。
[0027]气体分离模块包括具有至少一个入口端和多个出口端的外壳以及在外壳中的多个中空纤维膜。单个的纤维具有加料端和产物端，与在加料端和产物端之间的保留物内侧和渗透物外侧。模块包括在外壳内的加料管板，加料管板紧固纤维的加料端并且将至少一个入口端和纤维的渗透物侧分离。加料管板包括基体和至少一个管片接头。基体封装纤维的加料端。管片接头包含与基体不同的顺从性材料并且将加料管板的多个管片彼此分离。基体可以包括上述的树脂或粘合剂或两者兼有。实施例包括包含环氧基树脂(epoxy)、双马来酰亚胺(bismaleimide)、氰酸醋(cyanate ester)、或苯并恶嘆(benzoxazine)成分的树脂和粘合剂并且在灌注灌装基体使用的温度下表现出小于10泊的粘度。
[0028]图1、图2和图5示出了适用于气体分离模块的元件10。元件10包括在纤维18一端的管板24。管板24包括利用管片接头14彼此分离的多个管片12。支撑件16支撑元件10的结构，使其保持在图1、图2和图5中示出的圆柱形状。当管片接头14包括顺从性材料时，管板24可以被配置为允许管片12沿在图1中示出的元件10的顶视图中的周向进行膨胀和收缩。
[0029]在图2中，在纤维18的另一端示出进一步的管板26。管片接头14以与如图1的顶视图所示相同的方式包括在管板26中。