ES2994187T3 - Use of a monoester and a diester as a dielectric coolant - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere al uso de una combinación que consiste esencialmente en un éster de ácido graso monoalcohólico y un diéster, como refrigerante dieléctrico líquido. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Uso de un monoéster y un diéster como un refrigerante dieléctrico
La presente invención se refiere al uso de una composición que comprende una combinación que consiste de un monoéster y un diéster, como un refrigerante dieléctrico líquido.
Un refrigerante dieléctrico líquido es un líquido no conductor eléctrico que se usa para reducir la temperatura e aislar un dispositivo eléctrico. Este tipo de refrigerante es adecuado para el enfriamiento por inmersión directa de los dispositivos eléctricos. En este método, el dispositivo eléctrico está en contacto directo con el refrigerante dieléctrico líquido.
El método de enfriamiento por inmersión es un método eficiente para reducir la temperatura ya que la conductividad térmica de un líquido es mayor que la del aire, que es el método de enfriamiento tradicional. Existen diferentes compuestos, entre ellos se han descrito algunos ésteres.
El documento WO2020252235 describe el uso de un fluido de transferencia de calor oleaginoso dieléctrico para enfriar los componentes eléctricos. El fluido de transferencia de calor oleaginoso dieléctrico puede ser algunas isoparafinas, aceites de éster o aceites de éter. Los ésteres adecuados para su uso como fluidos de transferencia de calor oleaginoso dieléctrico incluyen, entre otros, ésteres de ácidos monocarboxílicos con alcoholes monohídricos; diésteres de dioles con ácidos monocarboxílicos y diésteres de ácidos dicarboxílicos con alcoholes monohídricos; ésteres de poliol de ácidos monocarboxílicos y poliésteres de alcoholes monohídricos con ácidos policarboxílicos; y sus mezclas.
El documento WO2020182718 describe el uso de al menos un éster, para enfriar un sistema de accionamiento de un vehículo eléctrico o híbrido. El éster de acuerdo con la invención es ventajosamente un monoéster, diéster o triéster. Preferentemente, es un monoéster o un diéster. El monoéster se obtiene preferentemente a partir de un ácido carboxílico que comprende al menos una cadena de hidrocarburo de 3 a 14 átomos de carbono. El diéster formado entre un ácido dicarboxílico que tiene una cadena de hidrocarburo lineal, saturada o insaturada, preferentemente de 3 a 14 átomos de carbono, y un alcohol monohídrico que tiene una cadena de hidrocarburo lineal o ramificada, saturada o insaturada, preferentemente de 2 a 14 átomos de carbono, interrumpida por al menos un heteroátomo, preferentemente por un átomo de oxígeno. Sin embargo, todavía existe la necesidad de un refrigerante dieléctrico líquido que tenga una propiedad de compatibilidad de material mejorada.
De hecho, el refrigerante dieléctrico líquido que está en contacto directo con el(los) material(es) que constituye(n) el dispositivo eléctrico y posiblemente con otro(s) material(es) dentro del sistema de enfriamiento, el refrigerante dieléctrico líquido necesita mostrar una buena compatibilidad con el(los) material(es) presente(s) en, dentro de y/o alrededor del dispositivo eléctrico.
Por "compatibilidad del material de un refrigerante dieléctrico", se entiende que después de la inmersión del material en el refrigerante dieléctrico durante 168 horas a 80 °C, el material presenta no más del 20 %, preferentemente no más del 15 %, con mayor preferencia no más del 10 % de cambio en el volumen, preferentemente de acuerdo con el método descrito en el Ejemplo 2.
Por "inmersión del material en el refrigerante dieléctrico", se entiende que todo el material se rodea por el refrigerante dieléctrico.
Este cambio en el volumen indica un posible hinchamiento o contracción del material y, por lo tanto, una interacción química entre el material y el refrigerante dieléctrico.
Con el desarrollo de nuevas baterías de alto rendimiento y la electrónica de potencia, el calor que necesita controlarse requiere un sistema de enfriamiento más eficiente, tal como refrigerantes dieléctricos líquidos con compatibilidad con los materiales que constituyen esas baterías y la electrónica de potencia.
Por lo tanto, todavía existe la necesidad de un nuevo refrigerante dieléctrico líquido para gestionar la temperatura de los dispositivos eléctricos, en particular en los campos de los vehículos eléctricos y el equipo informático tal como los servidores, que presentaría una o más, y preferentemente todas las siguientes características:
- un fallo dieléctrico de al menos 30 kV, medido de acuerdo con la norma ASTM D877;
- una resistividad eléctrica de al menos 200 MQ.m a 20 °C, medida de acuerdo con el estándar ASTM 1169; - una conductividad térmica de al menos 0,1300 W/(m.°C) a 20 °C, medida de acuerdo con el estándar ASTM 7896;
- una viscosidad cinemática menor que 10 mm2/s a 40 °C, medida de acuerdo con la norma ASTM D445; - una viscosidad cinemática menor que 3 mm2/s a 100 °C, medida de acuerdo con la norma ASTM D445; - una densidad de a lo máximo 950 kg/m3 a 20 °C, medida de acuerdo con la norma ASTM 7042;
- un punto de inflamación de al menos 130 °C, medido de acuerdo con la norma ASTM D92;
- un punto de congelación bajo de a lo máximo -30 °C, medido de acuerdo con el estándar ASTM D97; - una estabilidad a la oxidación de al menos 600 min, medida de acuerdo con el estándar ASTM D 2272; junto con:
- una buena compatibilidad del material.
Los inventores descubrieron sorprendentemente que las combinaciones específicas de monoéster y diéster no podían presentar solo una o más de esas características mencionadas anteriormente, sino que también exhiben una buena compatibilidad con los materiales.
En consecuencia, la presente invención se refiere al uso de una combinación que consiste esencialmente en un éster de ácido graso monoalcohólico y un diéster, como un refrigerante dieléctrico líquido; en donde la relación en peso de éster de ácido graso monoalcohólico / diéster está comprendida entre 15/85 y 55/45. Se considera en la presente solicitud de patente que el término "que consiste esencialmente en" incluye, entre otros, la(s) impureza(s) de los compuestos considerados. La presencia de impureza(s) se indica por una pureza del compuesto de interés de menos del 100 %.
En la presente solicitud, a menos que se indique de cualquier otra manera, todos los intervalos de valores usados deben entenderse como límites inclusivos.
La combinación que consiste esencialmente en un éster de ácido graso monoalcohólico y un diéster, en donde la relación en peso de éster de ácido graso monoalcohólico / diéster está comprendida entre 15/85 y 55/45, exhibe una baja conductividad eléctrica, una buena conductividad térmica, una baja viscosidad, lo que lo hace adecuado para usarse como refrigerante dieléctrico. En particular, la combinación presenta todas las características enumeradas anteriormente.
Además, la combinación tiene la ventaja de tener también una buena propiedad de compatibilidad del material.
Preferentemente, el material se selecciona del grupo que consiste en cobre; sellos; recubrimientos tales como epoxi; polímeros, en particular polímeros termoplásticos tales como cloruro de polivinilo (PVC), policarbonato (PC) y ácido poliláctico (PLA), o polímeros termoendurecibles tales como poliuretano y poliimida.
Con mayor preferencia, el material se selecciona del grupo que consiste en polímeros, aún con mayor preferencia del grupo que consiste en polímeros termoplásticos. En particular, el material es PVC, PLA y/o PC.
El éster de ácido graso monoalcohólico es un monoéster que puede obtenerse a partir de la esterificación de un monoalcohol con un ácido graso.
Un monoalcohol es una cadena de hidrocarburos que comprende solo una función hidroxilo.
Preferentemente, el monoalcohol comprende entre 4 y 18 átomos de carbono, con mayor preferencia entre 5 y 8 átomos de carbono.
El diéster puede obtenerse de la esterificación de un diol con ácidos grasos o a partir de la esterificación de monoalcoholes con un ácido dicarboxílico.
Un diol es una cadena de hidrocarburos que comprende dos funciones hidroxilo.
Preferentemente, el diol comprende entre 3 y 18 átomos de carbono, con mayor preferencia entre 3 y 8 átomos de carbono.
Preferentemente, el ácido dicarboxílico comprende entre 4 y 12 átomos de carbono, con mayor preferencia entre 6 y 10 átomos de carbono.
Preferentemente, el ácido graso del éster de ácido graso monoalcohólico y del diéster comprende, cada uno e independientemente, entre 6 y 22 átomos de carbono, con mayor preferencia entre 8 y 18 átomos de carbono.
Preferentemente, los ácidos grasos del éster de ácido graso monoalcohólico y del diéster son diferentes. En particular, el ácido graso del éster de ácido graso monoalcohólico comprende entre 12 y 18 átomos de carbono.
En particular, el ácido graso del diéster comprende entre 8 y 10 átomos de carbono.
Preferentemente, el diéster comprende entre 16 y 28 átomos de carbono, con mayor preferencia entre 19 y 26 átomos de carbono.
Preferentemente, el éster de ácido graso monoalcohólico comprende entre 16 y 26 átomos de carbono, con mayor preferencia entre 17 y 23 átomos de carbono.
Ventajosamente, en el uso de acuerdo con la invención:
- el éster de ácido graso monoalcohólico puede obtenerse de la esterificación de un monoalcohol que comprende entre 5 y 8 átomos de carbono, con un ácido graso que comprende entre 12 y 18 átomos de carbono;
- el diéster puede obtenerse de la esterificación de un diol con ácidos grasos, o de la esterificación de un monoalcohol con un ácido dicarboxílico; el diéster comprende entre 19 y 26 átomos de carbono.
Ventajosamente, en el uso de acuerdo con la invención:
- el monoalcohol se elige entre el grupo que consiste en alcohol isoamílico y alcohol 2-etilhexílico; y - el ácido graso se elige entre el grupo que consiste en ácido caprílico, ácido cáprico, ácido láurico, ácido isoesteárico y sus mezclas.
Ventajosamente, en el uso de acuerdo con la invención, el diol es propilenglicol.
Ventajosamente, en el uso de acuerdo con la invención el ácido dicarboxílico es ácido sebácico.
Ventajosamente, en el uso de acuerdo con la invención, el éster de ácido graso monoalcohólico se elige entre el grupo que consiste en isoestearato de isoamilo, laurato de isoamilo y laurato de 2-etilhexilo.
Ventajosamente, en el uso de acuerdo con la invención, el diéster se elige entre el grupo que consiste en dicaprato/caprilato de propilenglicol y sebacato de di-2-etilhexilo.
Ventajosamente, en el uso de acuerdo con la invención, la combinación consiste esencialmente en:
- isoestearato de isoamilo y dicaprato/caprilato de propilenglicol;
- laurato de isoamilo y dicaprato/caprilato de propilenglicol; o
- laurato de 2-etilhexilo y sebacato de di-2-etilhexilo.
Ventajosamente, en el uso de acuerdo con la invención, la relación en peso de éster de ácido graso monoalcohólico / diéster está comprendida entre 20/80 y 55/45.
Preferentemente, la relación en peso de éster de ácido graso monoalcohólico / diéster está comprendida entre 20/80 y 50/50.
La presente invención se refiere también a una combinación que consiste esencialmente en un éster de ácido graso monoalcohólico y un diéster, en donde la relación en peso de éster de ácido graso monoalcohólico / diéster está comprendida entre 15/85 y 55/45; y en donde la combinación de éster de ácido graso monoalcohólico y diéster es:
- isoestearato de isoamilo y dicaprato/caprilato de propilenglicol,
- laurato de isoamilo y dicaprato/caprilato de propilenglicol, o
- laurato de 2-etilhexilo y sebacato de di-2-etilhexilo.
Preferentemente, la relación en peso de éster de ácido graso monoalcohólico / diéster está comprendida entre 20/80 y 55/45, con mayor preferencia entre 20/80 y 50/50.
Las combinaciones de acuerdo con la invención presentan una compatibilidad particularmente buena con los materiales, en particular con PVC, PC y PLA, como se muestra en el Ejemplo 2.
La invención se refiere, además, a una composición que comprende una combinación de acuerdo con la invención, y un antioxidante y/o un desactivador de metales.
Preferentemente, la cantidad de la combinación representa al menos 75 % en peso, con mayor preferencia al menos 80 % en peso en base al peso de la composición.
Preferentemente, la cantidad del antioxidante representa al menos 0,05 % en peso, con mayor preferencia al menos 0,1 % en peso en base al peso de la composición.
Preferentemente, la cantidad del antioxidante representa a lo máximo 1,5 % en peso, con mayor preferencia a lo máximo 1 % en peso en base al peso de la composición.
Preferentemente, el antioxidante es un antioxidante fenólico.
Preferentemente, la cantidad del desactivador de metales representa al menos 10 ppm, con mayor preferencia al menos 20 ppm en base al peso de la composición.
Preferentemente, la cantidad del desactivador de metales representa a lo máximo 500 ppm, con mayor preferencia a lo máximo 250 ppm en base al peso de la composición.
La composición puede comprender además un aditivo usado en el campo de los lubricantes.
Un experto en la técnica sabe cómo seleccionar el(los) aditivo(s) más adecuado(s) en dependencia de la aplicación. A manera de ejemplo, puede hacerse referencia a los siguientes manuales: "Fuels and Lubricants Handbook: technology, properties performance and testing", por George E. Totten, 2003 y "Handbook of lubrification and tribology, vol II : Theory and Design", by Robert W. Bruce, 2012.
El(los) aditivo(s) usado(s) en el campo de los lubricantes se selecciona(n) preferentemente del grupo que consiste en reductores de fricción; anti-desgastes; y agentes espesantes.
La cantidad total de aditivo(s) es preferentemente de a lo máximo 25 %, con mayor preferencia de a lo máximo 20 % en peso en base al peso total de la composición.
Por "cantidad total de aditivo(s)" se entiende la cantidad de todo(s) aditivo(s), que incluye(n) el(los) aditivo(s) usado(s) en el campo de los lubricantes, el antioxidante y el desactivador de metales, presente(s) en la composición.
La presente invención se refiere, además, al uso de la composición de acuerdo con la invención, como un refrigerante dieléctrico líquido.
La presente invención se refiere a un método para enfriar un dispositivo eléctrico, al poner en contacto el dispositivo eléctrico con una combinación que consiste esencialmente en un éster de ácido graso monoalcohólico y un diéster, en donde la relación en peso éster de ácido graso monoalcohólico / diéster está comprendida entre 15/85 y 55/45, o con una composición de acuerdo con la invención.
La combinación, el éster de ácido graso monoalcohólico y el diéster son como se describió anteriormente, que incluye características preferenciales y ventajosas.
Preferentemente, el método para enfriar el dispositivo eléctrico, se realiza con respecto al( a los) material(es) en contacto con la combinación o con la composición de acuerdo con la invención, por ejemplo, con un cambio limitado en el volumen del material, en particular con un cambio en el volumen que no excede el 20 %, preferentemente el 15 %, con mayor preferencia el 10 %.
El material es como se describió anteriormente, que incluye características preferenciales y ventajosas. Preferentemente, el dispositivo eléctrico es:
- un servidor;
- una batería, en particular una batería de iones de litio o una batería de polímero de litio;
- un sistema de accionamiento de un vehículo eléctrico o híbrido, en particular, la electrónica de potencia, el motor eléctrico, la transmisión, y/o la batería.
El contacto entre el dispositivo eléctrico y la combinación se realiza preferentemente por inmersión, total o parcial, o por pulverización.
Ventajosamente, en el método de acuerdo con la invención, la combinación es una combinación de acuerdo con la invención.
La invención se describe adicionalmente en los siguientes ejemplos. Se apreciará que la invención tal como se reivindica no pretende limitarse de ninguna manera por estos ejemplos.
Ejemplo 1: Preparación de combinaciones de acuerdo con la invención
1.1. Químicos usados
- Monoésteres:
oisoestearato de isoamilo: se preparó mediante esterificación de ácido isoesteárico con un exceso de alcohol isoamílico en presencia de un catalizador ácido a 160 °C hasta que el valor ácido fue de a lo máximo 0,1. El exceso de alcohol se destiló, el catalizador se neutralizó y el producto se filtró sobre Dicalite 478.
olaurato de isoamilo: Jolee 7750 de Oleon;
olaurato de 2-etilhexilo: Radia 7127 de Oleon;
- Diésteres:
odicaprato/caprilato de propilenglicol (MPG): Radia 7208 de Oleon;
osebacato de di-2-etilhexilo: Radia 7543 de Oleon.
1.2. Método
Un monoéster y un diéster se mezclaron entre sí a 25 °C de acuerdo con los químicos y cantidades descritos en la Tabla 1 a continuación.
Tabla 1: Combinaciones de monoéster y diéster
1.3. Características de las combinaciones de acuerdo con la invención
Para cada combinación, se midieron las siguientes características:
- la conductividad térmica, de acuerdo con el estándar ASTM 7896;
- la viscosidad cinemática a 40 °C y a 100 °C, de acuerdo con el estándar ASTM D445;
- la densidad a 20 °C, de acuerdo con el estándar ASTM 7042.
Los resultados se describen en la Tabla 2 a continuación:
Tabla 2: Características de las mezclas de monoéster y diéster
Todas las combinaciones de acuerdo con la invención presentan una conductividad térmica de al menos 0,1300 W/(m.°C), una viscosidad cinemática menor que 10 mm2/s a 40 °C y menor que 3 mm2/s a 100 °C y una densidad menor que 950 kg/m3 a 20 °C.
Ejemplo 2: Compatibilidad de materiales de las combinaciones de acuerdo con la invención
La compatibilidad del material se evalúa mediante cambios en el volumen después de la exposición de una muestra de material en una combinación.
2.1 Materiales
- Cloruro de polivinilo (PVC): Negro H03VVH2-F de Nexans;
- Ácido poliláctico (PLA): Luminy® L130 de la compañía Total Corbion;
- Policarbonato (PC): Policarbonato transparente Palsun UVP de 1 mm de grosor de Palram.
2.2 Método
Un material, seleccionado entre tres piezas de alambre en PVC, diez gránulos de PLA y tres piezas de PC (Policarbonato transparente Palsun UVP de 1 mm de grosor), se colocó en un vaso y se pesó en aire (masa de aire t0h) y en agua (masa de agua t0h).
El material se sumergió entonces con una combinación de acuerdo con la invención y el rompe en la estufa a 80 °C durante 168 horas.
Una vez que el material se secó, se pesó en aire (masa de aire t168h) y en agua (masa de agua t168h). El porcentaje de cambio de volumen se calculó entonces con la siguiente fórmula:
[(Volumen t168h - Volumen t0h) / Volumen t0h] x 100
con Volumen = masa / densidad;
la densidad es una constante y se calcula como:
densidad = [(masa aire t168h - masa agua t168h) - (masa aire t0h - masa agua t0h)] / (masa aire t0h -masa agua t0h)
Este método se realizó tres veces y los valores promedio de los cambios de volumen se dan en la Tabla 3 a continuación.
2.3 Resultados
Tabla 3: Cambios de volumen de los materiales en contacto con una combinación de acuerdo con la invención
Puede observarse que todos los cambios de volumen son menores del 10 %, cuando PVC, PLA o PC se sumergen en una combinación de acuerdo con la invención C1-C6.
Ejemplo 3: Ejemplos comparativos de compatibilidad de materiales de algunos ésteres
La compatibilidad del PVC se evaluó de acuerdo con el método descrito en el Ejemplo 2.2 en diferentes monoésteres y diésteres en lugar de una combinación de acuerdo con la invención:
- laurato de isoamilo: Jolee 7750 de Oleon;
- sebacato de di-2-etilhexilo: Radia 7543 de Oleon;
- adipato de 2-etilhexilo: obtenido por esterificación de 2-etilexanol con ácido adípico;
- diheptanoato de neopentilglicol (NPG): obtenido por esterificación de neopentilglicol con ácido heptanoico. Los resultados se recopilan en la Tabla 4 a continuación.
Tabla 4: Cambios de volumen del PVC en contacto con diferentes ésteres
Puede observarse que los cambios de volumen del PVC después de la inmersión en los diferentes monos y diésteres usados solos son mayores del 20 %.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Uso de una combinación que consiste esencialmente en un éster de ácido graso monoalcohólico y un diéster, como un refrigerante dieléctrico líquido;
en donde la relación en peso de éster de ácido graso monoalcohólico / diéster está comprendida entre 15/85 y 55/45.
2. Uso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde:
- el éster de ácido graso monoalcohólico puede obtenerse de la esterificación de un monoalcohol que comprende entre 5 y 8 átomos de carbono, con un ácido graso que comprende entre 12 y 18 átomos de carbono;
- el diéster puede obtenerse de la esterificación de un diol con ácidos grasos, o de la esterificación de un monoalcohol con un ácido dicarboxílico; el diéster comprende entre 19 y 26 átomos de carbono.
3. Uso de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde:
- el monoalcohol se elige entre el grupo que consiste en alcohol isoamílico y alcohol 2-etilhexílico; y
- el ácido graso se elige entre el grupo que consiste en ácido caprílico, ácido cáprico, ácido láurico, ácido isoesteárico y sus mezclas.
4. Uso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el diol es propilenglicol.
5. Uso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el ácido dicarboxílico es ácido sebácico.
6. Uso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el éster de ácido graso monoalcohólico se elige entre el grupo que consiste en isoestearato de isoamilo, laurato de isoamilo y laurato de 2-etilhexilo.
7. Uso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el diéster se elige entre el grupo que consiste en dicaprato/caprilato de propilenglicol y sebacato de di-2-etilhexilo.
8. Uso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde la combinación consiste esencialmente en:
- isoestearato de isoamilo y dicaprato/caprilato de propilenglicol;
- laurato de isoamilo y dicaprato/caprilato de propilenglicol; o
- laurato de 2-etilhexilo y sebacato de di-2-etilhexilo.
9. Uso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde la relación en peso de éster de ácido graso monoalcohólico / diéster está comprendida entre 20/80 y 55/45.
10. Combinación que consiste esencialmente en un éster de ácido graso monoalcohólico y un diéster, en donde la relación en peso de éster de ácido graso monoalcohólico / diéster está comprendida entre 15/85 y 55/45; y en donde la combinación de éster de ácido graso monoalcohólico y diéster es:
- isoestearato de isoamilo y dicaprato/caprilato de propilenglicol,
- laurato de isoamilo y dicaprato/caprilato de propilenglicol, o
- laurato de 2-etilhexilo y sebacato de di-2-etilhexilo.
11. Composición que comprende una combinación de acuerdo con la reivindicación 10, y un antioxidante y/o un desactivador de metales.
12. Uso de la composición de acuerdo con la reivindicación 11, como un refrigerante dieléctrico líquido.
13. Método para enfriar un dispositivo eléctrico, al poner en contacto el dispositivo eléctrico con una combinación que consiste esencialmente en un éster de ácido graso monoalcohólico y un diéster, en donde la relación en peso de éster de ácido graso monoalcohólico / diéster está comprendida entre 15/85 y 55/45, o con una composición de acuerdo con la reivindicación 11.
14. Método de acuerdo con la reivindicación 13, en donde la combinación es una combinación de acuerdo con la reivindicación 10.
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