惰化燃料系统、方法和装置与流程

本申请涉及并且要求于2015年1月23日提交的题为“惰化燃料系统、方法和装置”的美国临时申请no.14/603,458的优先权，将其内容以各种目的全部通过引用并入于此。

本发明涉及惰化燃料系统，尤其涉及用于激活惰化燃料系统中的空气分离模块的系统、方法和装置。

背景技术：

惰化燃料系统广泛地用于存储大量燃料的飞机中。由于在飞行中消耗燃料，贮箱中的燃料水平降低，并且贮箱中剩余的氧气被不可燃的惰性气体(例如，富氮空气)代替以防止燃烧。在飞行中，作为从飞机引擎的压缩机获得的压缩空气的引气，穿过空气分离模块(例如，分子筛床)以产生富氮空气。不断地需要有效使用空气分离模块。

技术实现要素：

本发明的各个方面包括惰化燃料系统和用于惰化燃料贮箱的方法。用于惰化燃料贮箱的方法包括：确定用于产生富氮空气的多个空气分离模块中的每个的磨损程度，选择性地开启多个空气分离模块阀中的每一个使得多个空气分离模块中的每一个具有相同程度的磨损，并且将通过多个空气分离模块所产生的富氮空气导入到燃料储存箱中。

本发明的另外方面包括惰化系统，其包括：空气入口通道，用于接收进入的空气，多个空气分离模块，用于在进入的空气被接收时从中分离氧气，以及耦接在空气入口通道和多个空气分离模块之间的多个空气分离模块。多个空气分离模块阀中的每个与多个空气分离模块中的一个空气分离模块相关联，使得空气分离模块阀中的一个空气分离模块阀的开启将至少一部分进入的空气从空气入口通道传递到与空气分离模块阀中的一个空气分离模块阀相关联的空气分离模块。控制器选择性地打开多个空气分离模块阀中的每个空气分离模块阀，使得多个空气分离模块中的每一个受到基本相同程度的磨损。

附图说明

当结合附图进行阅读时，从下面详细的说明最好地理解本发明，其中相似的元件具有相同的附图标记。当存在多个相似元件时，将单个附图标记指定给多个相似的元件，其中小写字母标记表示特定元件。当表示元件整体或者非特定的一个或多个元件时，可以去掉小写字母标记。附图中包括以下各图：

图1是根据本发明的多个方面的惰化燃料系统的示意图；

图2a是根据本发明的多个方面的惰化燃料系统的实现的前视图；

图2b是根据本发明的多个方面的惰化燃料系统的实现的后视图；以及

图3是示出根据本发明的多个方面的用于惰化燃料的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的多个方面的用于惰化燃料的示例系统100。作为总体视图，系统100可以包括热交换器110、隔离阀120和130、过滤器135、臭氧催化转换器140、多个空气分离模块阀(“asm阀”)150、多个空气分离模块(“asm”)160、氧气传感器170、富氮空气阀180、以及控制器190。

热交换器110用于调节进入空气的温度和/或压力，从而实现通过asm160能够有效分离进入空气的进入空气的温度和/或压强。进入空气可以是从飞机引擎的压缩级获得的引气。进入空气通过空气入口通道111进入热交换器110。热交换器110可以是管壳式热交换器、双管热交换器、平板热交换器，或者满足系统100的各方面的实际情况的其他类型的热交换器。在一个实施例中，热交换器110将进入空气的温度从空气入口通道111处的范围约500°f至1000°f减少至在热交换器110的空气出口通道112处所测量的范围约158°f至200°f。热交换器110的冷却介质可以是通常用于冷却的空气或其他流体。

虽然在此的描述主要针对进入空气是从飞机引气所获得的引气的实施例，但是应当理解的是，能够使用其他的空气源，诸如环境空气。如在此所使用，术语“进入空气”旨在覆盖这些其他的空气源。本领域技术人员从在此进行的说明理解用于调节这些其他空气源的合适的技术。例如，在进入空气是环境空气的情况下，环境空气可以被加压和/或加热，例如通过压缩机和/或热交换器，以实现通过多个asm能够进行有效的空气分离的压力和/或温度。

第一隔离阀120可以用于保护下游组件免受过度和/或不当的温度和/或压力。温度开关115和压力开关116可以用于基于第一隔离阀120上游的进入空气的温度和/或压力，来控制第一隔离阀120。如果进入空气的温度和压力合适，那么阀120开启。如果进入空气的温度和/或压力不合适(例如，可能损坏系统100的组件)，阀120可以用于限制(例如，减少或停止)进入空气流。

系统100也可以包括由控制器190控制的第二隔离阀130。阀130也可以保护系统100免受温度和/或压力不适合系统100的进入空气的危害。为了确定温度和压力，可以将第一温度传感器125和第一压力传感器126定位在阀130的上游。控制器190然后基于温度传感器125和/或压力传感器126所确定的温度和/或压力来控制阀130，以防止过度和/或不合适的压力和/或温度损坏下游组件。

可以采用过滤器135来减少进入控制中的颗粒的量和/或水分子的量。例如，孔尺寸为0.1毫米的过滤器可以用于移除尺寸大于0.1毫米的颗粒，这些颗粒可能损坏asm160。一种用于确定何时更换过滤器135的方法是计算过滤器135两端的压力下降。根据该方法，第一压力传感器126和第二压力传感器146可以由控制器190用于确定过滤器135两端的压力下降。控制器190然后可以将该压力下降与例如两(2)倍到四(4)倍正常值的阈值进行比较，以确定过滤器135是否需要清洗和/或替换。

排放阀137可以用于从进入空气中虹吸抽出不需要的物质、副产物和/或材料进入废料流138。例如，由过滤器135从进入空气移除的颗粒可以被清洗并且利用排放阀137处理通过废料流138。为了方便处理，废料流138可以处于真空压力下，或者不需要的物质、副产品和/或材料可以从上游被加压。

臭氧催化转换器140可以并入系统100中以保护可能受到臭氧分子损害的组件。

所示系统包括第一asm160a、第二asm160b以及第三asm160c。每个asm160用于从接收到的一部分进入空气中分离氧气，从而产生富氮空气。如在此所使用，一部分进入空气用于指通过多个asm160中的每个接收到的进入空气的部分(例如，百分之二十五、三分之一、一半、三分之二等)或全部。多个asm160可以包括由聚合物、陶瓷或其他选择性多孔材料构成的膜和/或纤维。可替换地，可以将用于离子化空气分子的方法或利用化学处理的方法实现在系统100中，以产生富氮氧气流163和/或贫氧空气流。在一个实施例中，asm160是分子筛床。本领域技术人员从在此进行的说明理解合适的asm160。

所示系统100包括第一asm阀150a、第二asm阀150b、以及第三asm150c。每个asm阀150与asm160中的一个asm160相关联。例如，asm阀150a与asm160a相关联，asm阀150b与asm160b相关联，并且asm阀150c与asm160c相关联。asm阀150在控制器190的控制下调节导向每个asm160的入口空气的部分。虽然示出三个asm阀150和相关联的asm160，可以采用更少或更多的asm阀150和/或asm160。

每个示出的asm160具有富氮空气出口161和贫氮空气出口162。当asm160处于有效时(例如，有进入空气流过它)，产生可以导入到燃料储存箱185的富氮空气163的流，以及利用废料流138进行处理的贫氮空气流。

氧气传感器170可以用于测试富氮空气流163，包括富氮流161a、161b和/或161c的组合。氧气传感器170感测富氮空气流163中的氧气的量。可替换地(或另外地)，可以采用氮气传感器来感测富氮空气流163中的氮气的量。

氧气传感器170可以包含第二温度传感器175和/或第三压力传感器176。一种用于确定何时更换多个asm160中的每个asm160的方法是计算每个asm160两端的压力下降。例如，压力传感器146和176可以由控制器190用于确定asm160a、160b和/或160c两端的压力下降。当压力下降超出预定阈值时，例如，其标称值的两(2)到四(4)倍，控制器190可以识别针对替换的asm160，并且产生指示应当替换该asm160的信号。

富氮空气阀180可以用于调节到达燃料储存箱185的富氮空气流163的流。在一个实施例中，富氮空气阀180被设计为，例如如果富氮空气流中的氧气浓度太大，则防止富氮空气流163流到燃料储存箱185。在另一实施例中，如果温度和/或压力不合适，则富氮空气阀180阻止或限制富氮空气流163。

系统100包含耦接到系统100的组件的控制器190。控制器190可以用于感测来自温度和/或压力传感器115、116、125、126、146、175和/或176的数据，控制阀130、137、150和/或180，并且确定何时应当更换asm160。控制器190可以是如下的微处理器：从系统100的各个组件和/或传感器接收数据，并且基于感测到的数据来控制阀。另外，控制器190用于实现在此所述的一个或多个其他功能。控制器190可以连接到便于安装和使用系统100的接线盒192。在一个实施例中，控制器190在设备的组件上执行性能测试。这些性能测试包括连接性、准确性、精确度和与各个组件相关的其他测试。本领域技术人员从在此进行的说明将能够理解用于与系统100一同使用的合适的控制190。

控制器190耦接到存储设备191。控制器190用于将信息写入存储设备191或从存储设备191接收信息。在存储设备191中可以存储用于配置控制器190执行在此所述的一个或多个功能的指令。另外，控制器190可以在存储设备191中存储实现在此所述的功能所需要的一个或多个参数。存储设备191可以包括一个或多个存储设备组件，其中包括非易失性和/或易失性存储器。本领域技术人员从在此进行的说明理解合适的存储设备191。虽然示出为单独的组件，存储设备191(或其一部分)可以集成到控制器190中。

控制器190可以用于执行磨损均等算法。磨损均等算法通过改进多个asm160的利用和替换来提高系统100的效率。磨损均等算法使得控制器190能够调节每个asm160接收的磨损程度(在此也描述为“磨损均等”)。asm160接收到的磨损程度表示asm160的退化量和/或提供asm160多久需要更换的指示。磨损均等算法使得控制器190能够基于asm160a、160b和/或160c中的每个asm160的磨损程度，通过选择性地激活每个160a、160b和/或160c来调节asm160，以便多个asm160接收到基本相等程度的磨损。因此，在一个示例中，系统100中磨损均等算法的使用使得asm160两端能够发生均一的磨损，以便asm160的替换能够同时发生。这减少了维护成本并且增加了系统100处于可操作的时间量。

实现磨损均等算法的控制器190能够基于每个asm160处于激活状态的时间量来确定每个asm160的磨损程度，每个asm160所接收的进入空气的部分的强度，和/或每个asm160两端的压力下降。基于相关联的asm阀150开启的时间量相关的数据,通过磨损均等算法来确定每个asm160的激活时间量。磨损均等算法可以基于压力传感器146和/或176和/或流速传感器149所感测到的通过asm160的进入空气的流速和/或asm160接收到的进入空气的压力有关的数据，来确定asm160接收到的进入空气的部分的强度。磨损均等算法也可以使用每个asm160两端的压力下降有关的数据。基于接收到的数据，磨损均等算法使得控制器190能够确定每个asm160的磨损程度，并且随后发送信号以激活具有最低磨损程度的asm160。在所示系统100中，控制器190开启与具有最少磨损程度的asm160相关联的asm阀门150。控制器190将定期或持续地使用磨损均等算法来确定每个asm160的磨损程度。控制器190确定磨损程度的频率可以取决于飞行计划和/或飞行编组，例如控制器190可以在飞机处于巡航时更频繁地使用磨损均等算法。例如，当飞机正在上升时，通常所有的asm16是激活的；因此控制器190不需要使用磨损均等算法来确定激活和/或去激活哪个asm160。

作为示例，控制器190可以使用磨损均等算法来识别具有最低程度的asm160，并且基于磨损程度按照需要来激活该asm160。例如，如果第一asm160a具有最低程度的磨损，则当需要asm160时，控制器190将发送打开第一asm阀150a的信号以激活第一asm160a。如果需要来自系统100的更多的富氮空气，则控制器190将识别具有次最低磨损程度的asm160b或160c。如果第二asm160b具有次最低磨损程度，那么控制器190将发送打开第二asm阀150b的信号以激活第二asm160b。控制器190可以将一个asm16替代另一个，以保持asm160之中基本相等的磨损程度。例如，如果预定时间之后，控制器190使用磨损均等算法并且确定第三asm160c现在具有最低程度的磨损，则控制器190可以发送关闭与asm160相关联的asm阀150的信号以去激活具有最高程度磨损的asm160，并且发送开启第三asm阀150c的信号以激活第三asm160c。在该示例中，控制器190定期使用磨损均等算法来确定磨损程度。重复该说明性过程以实现多个asm160中的基本相等的磨损。在此所限定的基本相等程度的磨损是指asm160之中的磨损程度的差异不超过百分之十(10)。

图2a和图2b示出根据本发明的多个方面的惰化燃料系统100的一个实施方式。该实施方式特别适于大型、商用或军用飞机，包括客机和货机，其中包含适于系统100的该实施方式的空闲空间。本领域技术人员从在此的说明将能够理解用于适配诸如军用战斗机的更小飞机的适当实施方式。惰化燃料系统100附着在安装板200上。图2a示出安装板200的第一侧210，而图2b示出安装板200的第二侧220。

热交换器110安装在安装板200的第一侧210。热交换器110通过管道连接到第一隔离阀120。此外，温度开关115感测来自隔离阀120上游的进入空气，并且通过经由线路向阀120发送信号来控制阀120。另外并且独立地，在安装板200的第一侧210上，压力开关116感测来自隔离阀120上游的进入空气，并且通过经由线路向阀120发送信号来控制阀120。

第一隔离阀120通过定位在安装板200的第一侧210的管道连接到第二隔离阀130。第二隔离阀130由控制器190控制，控制器190可以直接通过线路和/或通过中间的接线盒192向阀130发送信号。控制器190从定位在安装板200的第一侧210的温度传感器125和压力传感器126，接收阀130上游的进入空气的温度和压力有关的数据。

而且，在安装板200的第一侧210上，过滤器135通过管道连接到第二隔离阀130。过滤器135还通过管道连接到位于安装板200的第一侧210的臭氧催化转化器140，以及位于安装板200的第二侧220的排放阀137。当排放阀137关闭时，进入空气穿过过滤器135到达臭氧催化转换器140。当排放阀137开启时，水和/或颗粒被从过滤器135抽取，并且通过包含废料流138的管道进行处理。

臭氧催化转化器140位于安装板200的第一侧210上以从进入空气中移除臭氧。臭氧催化转换器140通过管道连接到多个asm阀150。位于安装板200的第一侧210的第二压力传感器146感测从臭氧催化转化器140行进到多个asm阀150的进入空气的压力。压力传感器146通过线路向控制器190发送进入空气的压力有关的数据。

第一asm阀150a、第二asm阀150b和第三asm阀150c位于安装板200的第一侧210。控制器190能够开启每个asm阀150，例如通过经由线路向每个asm阀150发送信号。

第一asm阀160a、第二asm阀150b和第三asm阀150c安装到安装板200的第二侧220(图2b)。控制器190可以通过发送打开相关的asm阀150的信号来激活asm160。

富氮空气阀180位于安装板200的第一侧210。富氮空气阀180能够限制或者阻止从至少一个asm160接收到的富氮空气通过管道网路流到燃料储存箱185中。氧气传感器170可以安装在安装板200的第一侧210上，以感测流经富氮空气流163到达富氮阀180的空气。虽然在图2a中不可见，但是氧气传感器170可以包含温度传感器175和/或压力传感器176。氧气传感器170向控制器190发送关于流163中的富氮空气的信号。控制器190然后可以控制富氮空气阀180来调节流到燃料储存箱185的富氮空气的量。

控制器190安装在安装板200的第二侧220上(图2b)。接线盒192也安装在安装板200的第二侧220上。

图3示出惰化燃料的示例方法300。参照惰化燃料系统100来描述方法300以便于描述。本领域技术人员从在此进行的说明将能够理解其他适合的惰化燃料系统。

在步骤310中，将进入空气引导至多个asm阀150。进入空气可以是来自飞机引擎的压缩级的引气。可以在进入空气到达多个asm阀150之前对其进行调节。进入空气可以被调节，例如通过热交换器110改变温度和/或压力，通过过滤器135除去颗粒和/或湿气，和/或通过臭氧催化转换器140除去臭氧。隔离阀120和/或130可以用于调节下游的进入空气流，例如保护能够受到未限制的进入空气流损害的系统100的组件。

在步骤320中，针对每个asm160确定磨损程度。控制器190通过从存储器获得每个asm160的磨损程度来确定每个asm160的磨损程度。磨损程度可以基于每个asm160激活的时间量。每个asm160激活(或者相关联的asm阀150开启)的时间量可以存储在存储设备191中，用于通过控制器190来获取。可选地，也可以考虑每个asm160接收到的部分进入空气的强度(例如，压力)和/或压力下降。可以通过将权重因子施加到asm160激活的时间量的部分来考虑强度。例如，如果asm160接收到的进入空气的部分具有相对高的强度，该部分进入空气可以通过乘以权重因子(例如，1.3)来进行加权。另一方面，如果asm160接收到的部分进入空气具有相对低的强度，该部分进入空气可以通过另一权重因子(例如，0.8)来进行加权。激活时间的权重量在此可称为有效使用。asm160接收到的部分进入空气的强度可以基于从流速传感器1149接收到的数据。

在步骤330，确定asm160两端的压力下降。可以针对一个或多个asm160来确定压力下降，例如，无论控制器190是定期地(例如，每15、35、50分钟)还是每次激活的asm160中存在变化时确定asm160的磨损程度。控制器190可以通过处理从位于多个asm160的上游的压力传感器146和从位于多个asm160的下游的压力传感器176接收到的数据，来确定asm160两端的压力下降。压力传感器的位置使得控制器190能够确定每个asm160两端的压力下降。在一个实施例中，控制器190将asm160两端的压力下降与阈值进行比较以确定asm160是否需要更换。控制器190可以确定当前激活的asm160的压力下降。如果只有一个asm160处于激活，则该asm160两端的压力下降可以于针对单个asm160的压力下降阈值进行比较。如果两个asm160处于激活跃，则两个激活的asm160两端的压力下降可以与针对两个asm160的压力下降阈值进行比较，例如针对单个asm160的压力下降阈值的两倍。如果三个asm160处于激活，则三个激活的asm160两端的压力下降可以与针对三个asm160的压力下降阈值进行比较，例如针对单个asm160的压力下降阈值的三倍。

在步骤340中，asm阀150由控制器190选择性地打开。控制器190可以使用应用于与每个asm160相关联的磨损程度的磨损均等算法来选择性地开启asm阀。磨损程度可以仅基于每个asm160处于激活的时间量，或者另外地基于其他因素，诸如asm160接收到的空气的强度和/或在asm160两端读取的最近的压力下降。当需要另一asm160或不再需要激活的asm阀150时，asm阀150可以开启和/或关闭以选择性地激活和/或去激活特定的asm160。另外，如果特定的asm160已经处于激活相对长的时间(例如，一个小时)，可以开启和/或关闭asm阀150以将一个asm160替代另一asm160。作为示例，当需要富氮空气时，控制器190可以确定具有最低磨损程度的asm160，并且选择性地开启与具有最低磨损程度的asm160相关联的asm阀150，从而使得进入空气穿过该asm160(即，激活该asm160)。

在一个实施例中，在预定飞行编组(即，巡航期间)执行步骤340，其中需要少于所有的asm160(例如，仅一个asm160)来提供并且保持飞机燃料储存箱185的惰化。当需要所有的asm160时(例如，着陆、上升和下降)，磨损均等保持到需要少于所有的asm160，因此磨损将是均匀的。

在步骤345中，记录每个asm160的激活时间。控制器190可以在asm160被去激活时(例如，当其相关联的asm阀150关闭时)将其激活时间记录在存储设备191中。可选地，控制器190可以另外地记录asm160处于激活的时间部分的空气流的强度程度。

在一个实施例中，控制器190重复步骤320、330、340和345直至富氮空气的需要已经停止。控制器190可以定期地(例如，每几分钟、几个小时等)或基本连续地重复这些步骤。应当理解的是，步骤330可以与步骤320、340和345分开执行和/或以不同的速度执行。

在步骤350中，富氮空气被导入到燃料储存箱185，例如以代替消耗燃料的体积从而减少燃料储存箱185中燃烧的风险。可以采用包含第三压力传感器176和/或第二温度传感器175的氧气传感器170来感测asm160所产生的富氮空气。氧气传感器170向控制器190传递关于所感测的富氮空气的信息。可以在氧气传感器170的下游使用富氮空气阀180。基于从氧气传感器170接收到的数据，控制器190可以控制富氮空气阀180来调节到达燃料储存箱185的富氮空气的流量。

在步骤355，控制器190确定asm160是否应当更换。在一个示例中，控制器190基于asm160的磨损程度(例如，如上面步骤320中所确定)与阈值的比较，来确定是否应当更换asm160。例如，当任何一个asm160的磨损程度超出有效使用的100小时时，控制器190可以确定应当更换asm160。如上所述，磨损程度是通过强度和/或压力下降进行修改的真实时间量。在另一示例中，控制器190基于激活的asm160两端的压力下降(例如，如上面步骤320中所确定)与阈值的比较，来确定是否应当更换asm160。例如，当任何一个asm160(或asm160的任意群组)的压力下降超出制造商的规范，则控制器190可以确定应当更换asm160。

在步骤360中，控制器190基于在步骤355中所作出的确定，来提供应当更换asm160的指示。例如，控制器190可以生成照亮飞机的驾驶舱中的指示器的信号。

虽然在此参考具体的实施例来说明和描述本发明，但是本发明不旨在限制于所示的细节。而是，在权利要求的等同物的范围内并且不脱离本发明的情况下，能够做出各种修改。