CN117157377A - 具有协同热容量的热管理流体 - Google Patents

具有协同热容量的热管理流体 Download PDF

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CN117157377A CN202280027055.4A CN202280027055A CN117157377A CN 117157377 A CN117157377 A CN 117157377A CN 202280027055 A CN202280027055 A CN 202280027055A CN 117157377 A CN117157377 A CN 117157377A
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A·E·塔吉
S·罗
G·克里斯滕森
K·J·凯利
A·D·萨特菲尔德
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    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/08—Materials not undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/10—Liquid materials

Abstract

提供对应于至少一种氢键供体和至少一种氢键受体的混合物的传热流体。相对于基于所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体的热容量预期的热容量，所述传热流体可具有出乎意料地高的热容量。在一些方面，所述传热流体还可具有足够高的电阻率以适用于如电动车辆中的热管理系统之类的环境。

Description

具有协同热容量的热管理流体
领域
提供了涉及传热流体的组合物，如电动车辆中的传热流体和/或润滑剂。
背景
部分由于电动车辆的增加，电动机在商业和私人用途中都发挥更加突出的作用。在许多情况下，这样的电动机的动力由与电动机相关联的电池存储装置提供。尽管这样的电动机在各种设置中是有益的，但是电动机可能提出对常规燃烧发动机而言不存在的若干挑战。
电动机的一些挑战与管理电动机的温度以及相关联的电池存储装置的温度有关。通常期望在运行过程中将电动机的温度保持在小于150℃，例如在80℃至150℃的范围内。关于电池存储装置，许多类型的当前可得的电池，如锂离子电池的优选温度范围可具有50℃或更低的上限。但是，也希望避免在低于-20℃的温度下运行这样的电池。由于这种相对较窄的运行温度范围，始终需要可用于电动车辆和/或涉及电动机的其它应用的热管理流体。
更通常，从局部高温区传热是许多类型的润滑剂和循环流体的理想性能特征。在润滑系统中，需要冷却的热源的实例包括但不限于由燃烧过程生成的热、由润滑接触内的摩擦产生的热、由能源产生的热和在制造过程(例如，造纸和炼钢)中使用的热。
在另一些情况下，一些循环流体可以主要或甚至完全用于从高温区除热和/或将热输送到低温区的目的。实例包括用于内燃机应用的冷却剂、用于冷却配电设备的变压器油以及电动车辆和/或混合动力车辆中的热管理系统。
传热流体通常通过传导和对流机制的组合除热。除热量取决于流体性质，如热容量和热导率，系统设计，包括材料的选择(其决定穿过流体/表面界面的热流)以及运行因素，如流体流量以及流体与需要冷却的高温区之间的温度差。
希望具有改进的传热流体，如相对于传热流体的运动粘度具有增加的热容量的传热流体。还希望该改进的传热流体具有降低或最小化的电导率，以使传热流体可用于如电动车辆环境之类的环境。
美国专利申请公开2020/0199430描述了包括完全酯化的酯和部分酯化的酯的混合物的传热流体。该酯的混合物被描述为具有闪点、热导率和/或运动粘度的出乎意料的组合。
美国专利申请公开2018/0223211描述了与第一组分和第二组分的低共熔混合物对应的低转变温度混合物。该混合物被描述为可用作润滑剂。第一组分和第二组分的至少一种被描述为在20℃下为固体，尽管第一组分和第二组分之间的相互作用导致该混合物在20℃下为液体。
美国专利7,608,198描述了用作燃料电池组装件的传热流体的水基混合物。由于该混合物中包含水，该混合物的电阻往往相对较低。要指出，该专利中的实施例64不包括水。相信该实施例中描述的聚烷撑二醇具有大约740g/mol的平均分子量。
概述
在一个方面，提供一种传热流体。所述传热流体包括相对于传热流体的重量计10重量％至90重量％的至少一种具有60g/mol或更高的分子量和第一热容量的氢键供体，所述至少一种氢键供体包含相对于所述至少一种氢键供体的分子量计1.0重量％或更多的氢键供体官能团。所述传热流体进一步包括相对于传热流体的重量计10重量％至90重量％的至少一种具有60g/mol或更高的分子量和第二热容量的氢键受体，所述至少一种氢键受体包含相对于所述至少一种氢键受体的分子量计1.0重量％或更多的氢键受体官能团。所述传热流体进一步包括2.0μS/cm或更小的电导率。另外，在一些方面，氢键供体不含氢键受体官能团。另外，在一些方面，氢键供体包含一个或多个氢键受体官能团，并且相对于氢键受体的分子量计氢键受体中的氢键受体官能团的10重量％或更多不同于氢键供体中的氢键受体官能团。
在另一个方面，提供一种传热流体。所述传热流体包括相对于传热流体的重量计10重量％至90重量％的至少一种具有60g/mol或更高的分子量和第一热容量的氢键供体。所述传热流体进一步包括相对于传热流体的重量计10重量％至90重量％的至少一种具有60g/mol或更高的分子量和第二热容量的氢键受体。所述传热流体进一步包括2.0μS/cm或更小的电导率。另外，相对于第一热容量计，所述传热流体在0℃至150℃的温度下的热容量可以比在0℃至150℃的温度下的第一热容量高5.0％或更多，并且相对于第二热容量计，所述传热流体在0℃至150℃的温度下的热容量可以比在0℃至150℃的温度下的第二热容量高5％或更多。
任选地，所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体的总重量构成传热流体的重量的40重量％或更多。
任选地，所述至少一种氢键供体的氢键供体官能团的重量构成所述至少一种氢键供体的分子量的5重量％或更多(或10重量％或更多)。任选地，所述至少一种氢键受体的氢键受体官能团的重量构成所述至少一种氢键受体的分子量的5重量％或更多(或10重量％或更多)。
任选地，所述传热流体可以基本不含水。
任选地，i)所述至少一种氢键供体可对应于醇；ii)所述至少一种氢键受体可对应于醚、酯、酮、醛、亚磷酸酯、磷酸酯或其组合；或iii)i)和ii)的组合。
任选地，根据任一上述方面的传热流体可以通过在传热系统中循环所述传热流体而使用。任选地，所述传热系统可对应于用于循环润滑剂的系统。
附图简述
图1显示格尔伯特醇与聚丙二醇单丁醚的各种混合物的热容量。
图2显示辛酸辛酯与聚四氢呋喃的各种混合物的热容量。
图3显示己二酸酯与聚α-烯烃(PAO)混合物的各种混合物的热容量的对比例。
图4显示水与乙二醇的混合物的热容量的对比例。
详述
本文的详述和权利要求书内的所有数值被“大约”或“近似”所示值修饰，并虑及本领域普通技术人员预期的实验误差和变化。
综述
在各种方面，提供对应于至少一种氢键供体和至少一种氢键受体的混合物的传热流体。相对于基于所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体的热容量预期的热容量，该传热流体可具有出乎意料地高的热容量。在一些方面，该传热流体还可具有足够高的电阻率以适用于如电动车辆中的热管理系统之类的环境。
常规上，润滑剂和/或其它传热流体的热容量与其它性质，如运动粘度或热导率相比落在略窄的范围内。这可能限制调整热管理环境中使用的流体性质的能力。
已经出乎意料地发现，通过使用对应于氢键供体和氢键受体的混合物的传热流体可以实现改进的热容量，其中氢键供体和氢键受体都是有机化合物。常规上，有机化合物的混合物(不存在大量的水)的热容量预计大致为该混合物中的流体的加权平均值。但是，已经发现，通过使用对应于10重量％或更多的至少一种氢键供体和10重量％或更多的至少一种氢键受体的混合物，可以形成热容量明显大于基于加权平均值的预期热容量的传热流体。
在一些方面，通过使用其中氢键供体和/或氢键受体包括足够量的氢键供体官能团或氢键受体官能团的混合物，可以实现热容量的出乎意料的改进。例如，在一些方面，氢键供体/受体官能团可对应于氢键供体/受体的重量的1.0重量％或更多。附加地或替代性地，在一些方面，不同于氢键受体中的任何氢键供体官能团的氢键供体中的氢键供体官能团可对应于氢键供体的重量的1.0重量％或更多。进一步附加地或替代性地，在一些方面，不同于氢键供体中的任何氢键受体官能团的氢键受体中的氢键受体官能团可对应于氢键受体的重量的10重量％或更多。
定义
在这一论述中，氢键合官能团被定义为包括一个对应于氮、磷、氧和硫的杂原子并满足作为氢键供体官能团或氢键受体官能团的其它要求的有机化合物中的官能团。为了定义氢键合官能团的重量，不包括与杂原子共价键合的任何碳原子或氢原子。
在这一论述中，氢键供体被定义为包括至少一个氢键合官能团的有机化合物，其中氢键合官能团中的杂原子具有三个或更少的共价键，其中至少一个共价键对应于与氢原子的共价键。这样的官能团在本文中定义为氢键供体官能团。对这一定义而言，羧酸基团中的氢原子被定义为共价键。更一般地，对应于弱酸性氢(酸解离常数pKa为2.0或更大)的任何酸性氢被定义为共价键。这包括例如与磷酸酯中的氧键合的任何氢原子。
在这一论述中，氢键受体被定义为包括至少一个氢键合官能团的有机化合物，其中a)氢键合官能团中的杂原子包括三个或更少的共价键，和b)氢键合官能团不对应于氢键供体官能团。这样的官能团在本文中被定义为氢键受体官能团。要指出，磷酸酯中的中心磷原子不符合氢键受体，因为该中心磷原子具有至少4个与氧的共价键。但是，这样的磷酸酯基团中的每个氧可对应于氢键供体或氢键受体。
要指出，在上述定义下，化合物可以既是氢键供体又是氢键受体，但化合物中的单个氢键合官能团不能同时既是氢键供体官能团又是氢键受体官能团。不受制于任何特定理论，但相信，本文所述的混合物的协同热容量部分通过使用氢键供体和氢键受体的混合物提供，其中不同类型的官能团相互作用。因此，通过将两种类型的醇混合在一起并未观察到协同热容量益处。在本文提供的定义下，醇对应于氢键供体，因此两种或更多种类型的醇的混合物是仅氢键供体的混合物。需要单独的氢键受体以获得热容量的出乎意料的改进。
氢键供体官能团的实例包括(但不限于)醇(-OH，有时也称为羟基)、伯胺或仲胺和与羧酸中的酸性氢键合的氧。要指出，“二醇”化合物含有两个醇(-OH)官能团，其中每个醇基团单独计数，而“三醇”含有三个醇官能团。氢键受体官能团的实例包括(但不限于)羰基氧(C＝O)、形成醚键的氧(C-O-C)、叔胺以及酯中的氧。如上所述，在磷酸酯中，无酸性氢的氧可以对应于氢键受体，而具有酸性氢的氧可以对应于氢键供体。
要指出，在上述定义下，羧酸在这一定义下对应于两个官能团，因为羧酸中的两个氧键合至碳原子。要指出，对于羧酸，一个氧对应于氢键受体(羰基)，一个氧对应于氢键供体(键合至酸性氢的氧)。酯也对应于两个官能团，但酯中的两个氧都对应于氢键受体，因为没有氧共价键合至氢。
如本文定义，官能团的重量对应于官能团中的单个重杂原子(即比碳重的原子)的重量。为了通过明晰化实例进一步举例说明，醚和醇的重量均为16，基于官能团中的氧原子计。酯或羧酸实际上对应于在本文提供的定义下的两个单独官能团(各自的重量为16)。任何类型的胺(伯、仲、叔)的重量为14，基于氮原子计。季胺具有四个共价键，因此类似于磷酸酯的中心原子，季胺的中心原子被排除在本文提供的定义下的氢键供体或氢键受体之外。
在这一论述中，热容量对应于如根据ASTM E 1269测得的热容量。
在这一论述中，术语“烷基”被定义为包括直链或支链烷基，如甲基、乙基、正丙基、异丙基或不同的丁基、戊基或己基异构体。
在这一论述中，术语“烯基”被定义为包括直链或支链烯烃基团，如乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基和不同的丁烯基、戊烯基和己烯基异构体。
在这一论述中，术语“烷基羰基”被定义为键合至C(＝O)部分的一个或多个直链或支链烷基部分。“烷基羰基”的实例包括CH3C(＝O)-、CH3CH2CH2C(＝O)-和(CH3)2CHC(＝O)-。对于其它类型的羰基，“烷氧基羰基”的实例包括CH3OC(＝O)-、CH3CH2CH2OC(＝O)-、(CH3)2CHOC(＝O)-、CH3CH2CH2C(＝O)O-和不同的丁氧基羰基或戊氧基羰基异构体。“烷基氨基羰基”的实例包括(CH3)NHC(＝O)-。“二烷基氨基羰基”的实例包括(CH3)2NC(＝O)-。“烷氧基羰基烷基”的实例包括CH3C(＝O)CH2-。
具有协同热容量增加的混合物
在各种方面，可以使用至少一种氢键供体和至少一种氢键受体形成混合物，其相对于基于混合物中的组分的加权平均值的预期热容量提供出乎意料地高的热容量。由于混合物中的组分(即，所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体)的协同作用，热容量可以比基于加权平均值的预期值高3.0％或更多，或高5.0％或更多，或高8.0％或更多，或高10％或更多，如比预期值高高达50％(或可能更高)。在一些方面，可以在-50℃至150℃、或0℃至150℃、或0℃至120℃之间的一个或多个温度下观察到这种协同效益。
在各种方面，该混合物可包括10重量％或更多的所述至少一种氢键供体，和10重量％或更多的所述至少一种氢键受体。在一些方面，该混合物可包括10重量％或更多的第一氢键供体，并任选可包括一种或多种附加氢键供体。在一些方面，该混合物可包括10重量％或更多的第一氢键受体，并任选可包括一种或多种附加氢键受体。要指出，除氢键供体和氢键受体之外，在该混合物中还可存在其它组分。在各种方面，所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体的总重量可对应于混合物重量的20重量％或更多、或40重量％或更多、或60重量％或更多、或80重量％或更多，例如该混合物基本全部(即高达100重量％)对应于氢键供体和氢键受体。附加地或替代性地，在一些方面，第一氢键供体和第一氢键受体的总重量可对应于混合物重量的20重量％或更多、或40重量％或更多、或60重量％或更多、或80重量％或更多，例如该混合物基本全部(即高达100重量％)对应于第一氢键供体和第一氢键受体。
所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体的混合物还可具有用于各种环境的其它理想性质。在各种方面，所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体可以是在-30℃和100kPa-a的压力下，或在-40℃和100kPa-a的压力下，或在-50℃和100kPa-a的压力下为液体的化合物。例如，对应于所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体的各个组分可具有低于-30℃、或低于-40℃、或低于-50℃，如低至-200℃或可能更低的熔点。这与如低共熔溶剂(deep eutectic solvent)(DES)混合物之类的混合物形成对比，其中低共熔溶剂混合物中的一种或两种组分在0℃下可以是固体。在一些方面，所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体可以至少在-30℃至150℃之间、或-40℃至150℃之间、或-50℃至150℃之间的范围内为液体(在100kPa-a的压力下)。在另一些方面，氢键供体和/或氢键受体可具有小于150℃或小于120℃的沸点。
附加地或替代性地，在一些方面，该混合物的电导率可为2.0μS/cm或更小、或1.0μS/cm或更小、或0.1μS/cm或更小，如低至0.001μS/cm或更小，或可能更低。为了实现所需降低的电导率水平，该混合物可以基本不含添加的水。要指出，这不要求在形成混合物时使用无水试剂，因为可以包括痕量水。在一些方面，该混合物的水含量可为0.1重量％或更少，如低至基本0重量％的水(根据合适测量的检测极限)。
在各种方面，为化合物提供氢键供体和/或氢键受体性质的氢键合官能团可对应于该化合物的很大部分。在这样的方面，氢键供体官能团的重量可对应于氢键供体的分子量的1.0重量％或更多、或5.0重量％或更多、或10重量％或更多，如高达50重量％或可能更高。在这样的方面，氢键受体官能团的重量可对应于氢键受体的分子量的1.0重量％或更多、或5.0重量％或更多、或10重量％或更多，如高达50重量％或可能更高。这能使氢键供体官能团或氢键受体官能团以足够的量存在于化合物中，以提供混合物的热容量的协同增加。
在一些方面，化合物可具有足够数量的氢键合官能团以既充当氢键供体又充当氢键受体。但是，要指出，根据定义，单一化合物无法用于形成混合物。类似地，单一化合物无法通过与其自身混合而在热容量方面具有出乎意料的协同效应。
除了具有足够数量的受体和/或供体基团外，混合物中的氢键供体和氢键受体之间的受体官能团的共同性也可以是在混合传热流体时实现出乎意料的热容量增加的因素。在各种方面，不同于氢键供体中的任何氢键受体官能团的氢键受体中的氢键受体官能团可对应于氢键受体的重量的10重量％或更多，或20重量％或更多，或40重量％或更多，如氢键受体中的基本所有的氢键受体官能团都不同于氢键供体中的氢键受体官能团。不受制于任何特定理论，要指出，适合作为氢键供体的一些化合物可包括很大部分的氢键受体官能团。当对应于氢键受体官能团的基本所有官能团在这两种化合物中都存在时，由于氢键供体已经实现了由受体和供体官能团的混合获得的任何热容量益处的事实，协同热容量增加的可能性减少、最小化或消除。
例如，长链聚醚或长链聚烷撑二醇，如聚四氢呋喃或聚乙二醇，可以包括大量的醚官能团。这样的化合物可以作为醚终止或用另一类型的官能团如醇终止。当长链聚醚或聚烷撑二醇作为醇终止时，末端羟基对应于氢供体。如果链足够短，则末端羟基中的氧可对应于该化合物的分子量的大于1.0重量％，以使该聚醚对应于氢供体。但是，不同类型的羟基封端聚醚和/或羟基封端聚烷撑二醇的混合物没有提供热容量的协同增加。这是由于聚醚和/或聚烷撑二醇的混合物中存在的唯一氢键受体官能团是醚氧的事实。因此，用羟基封端聚醚/聚烷撑二醇而获得的任何热容量益处已经由单独的聚醚/聚烷撑二醇组分实现。为了实现热容量的协同增加，需要不同类型的氢键受体基团，如存在于酯或酮基团中的羰基氧。因此，辛酸辛酯和羟基封端聚酯的混合物可以提供协同效益，因为辛酸辛酯中大约一半的氢键受体基团是羰基氧而非醚氧。由于羟基封端聚酯不包括羰基，辛酸辛酯中的很大部分的氢键受体官能团不同于聚酯中的官能团，因此可以实现协同热容量益处。
作为另一个实例，长链聚丙二醇分子包括大量对应于醚基团的氧原子。在聚丙二醇分子的末端，该分子可作为醚或作为醇终止。基于对应于醚基团的大量氧原子，聚丙二醇对应于氢键受体。如果聚丙二醇的一端或两端作为醇终止，聚丙二醇也可能对应于氢键供体。但是，如果末端醇基团中的氧的重量小于聚丙二醇分子重量的1.0重量％，在一些任选方面，聚丙二醇可以在氢键供体的定义之外。
在一些方面，该混合物可对应于主要用作传热流体的流体，如用作热管理系统中的冷却剂。在另一些方面，该混合物可对应于执行多种功能的流体，如既充当润滑剂又充当传热流体的流体。
通常，对应于至少一种氢键供体和至少一种氢键受体的化合物可具有足够高的分子量以致在-50℃下不是气体。这可以对应于具有62g/mol或更多、或77g/mol或更多、或88g/mol或更多、或100g/mol或更多的分子量。尽管氢键供体或氢键受体的分子量没有严格上限，但实际上，足够高的分子量将导致化合物在-50℃至150℃的温度范围的至少一部分内为固体。因此，氢键供体或氢键受体的分子量通常可小于2500g/mol。
在一些方面，氢键供体和/或氢键受体可具有50℃或更高但小于150℃或小于120℃的沸点。1-戊醇是沸点小于120℃的潜在氢键供体的一个实例。在另一些方面，较高沸点的混合物可能是理想的。例如，对于将用作润滑剂和传热流体的混合物，可能希望该混合物中的化合物具有在润滑剂沸程内或附近的沸点。在这样的方面，所述至少一种氢键供体和/或所述至少一种氢键受体可具有120℃或更高、或150℃或更高、或250℃或更高、或300℃或更高，如高达565℃或可能更高的沸点。沸点可以例如使用ASTM-D1120测定。
至少一种氢键供体和至少一种氢键受体的混合物可用作传热流体，或该混合物可以与一种或多种其它组分组合以形成传热流体。该混合物和/或通过向该混合物中加入组分而形成的传热流体还可具有以下附加性质的一种或多种。附加性质可包括如通过ASTMD1777-17测定的-50℃或更高、或-40℃或更高的冻结点；如通过ASTM D-445测定的0.5至5.0的在100℃下的运动粘度(KV100)和/或1.0至50的在40℃下的运动粘度(KV40)；和/或如通过ASTM D92测定的95℃或更高、或125℃或更高、或150℃或更高、或200℃或更高的闪点。
该混合物或使用该混合物形成的传热流体可用于传热过程。传热过程可以在-40℃至150℃、或-40℃至120℃的温度和/或0.1MPa-g至500MPa-a的压力下进行。例如，该传热流体可以在传热系统，如用于在电动车辆环境或其它发动机环境内循环润滑剂或冷却剂的系统中循环。
对应于氢键供体和氢键受体的结构的实例
各种有机化合物可对应于本文提供的定义下的氢键供体和/或氢键受体。下面是可对应于氢键供体和氢键受体的至少一种的一般结构的实例。
结构1
(1)
结构1对应于醇。在结构1中，A是H、COOH、C1-C36烷基、C2-C36烯基、C1-C36烷氧基羰基、C1-C36烷基氨基羰基、C1-C36二烷基氨基羰基、C1-C36氧羰基烷基、C1-C36烷氧基羰基烷基、C1-C36烷基氨基羰基烷基或C1-C3二烷基氨基羰基烷基；B是H、C1-C36烷基或C2-C36烯基。
在结构1中明确显示的-OH是氢键供体官能团，因此基于结构1的化合物(醇)对应于氢键供体。醇的实例包括格尔伯特醇；醇的各种共混物(如ExxalTM醇)；十二烷醇；2-羟基十八烷酸和12-羟基硬脂酸甲酯。
要指出，如果结构1中的A包括羰基或醚，结构1也可对应于氢键受体。更一般地，在下面描述的结构中，为特定化合物选择的侧基可以使得该化合物成为氢键供体和/或氢键受体。
结构2和3
(2)
(3)
结构2和结构3可以对应于多元醇、醚醇或聚醚。在结构2或结构3是聚醚的方面中，聚醚可任选是醇封端的。在结构2或结构3中，A和B各自独立地为H、C1-C24烷基、C2-C24烯基、C1-C24烷基羰基或C1-C24烯基羰基；且n是1-12的整数。另外，在结构2中，R是H、C1-C24烷基或C2-C24烯基。
根据结构2的化合物的一个实例是其中B是C16-C20烷基，A是CH3且R如上所述选择的化合物。根据结构2的化合物的其它实例包括E(聚氧丙烯15硬脂醚)、乙二醇、丙二醇和聚丙二醇，如平均分子量在300至400g/mol之间的聚丙二醇的混合物。结构3的一个实例是聚四氢呋喃，如平均分子量在500g/mol至750g/mol之间的聚四氢呋喃的混合物。
当A和/或B是H时，结构2或结构3对应于氢键供体。当A或B不是H时，或当n是2或更大时，结构2或结构3是氢键受体。
结构4、5和6
(4)
(5)
(6)
结构4、5和6可以对应于多元醇、醚醇或聚醚。结构4、5和6中的A、B和C(和结构5中的D)各自独立地为H、C1-C24烷基、C2-C24烯基、C1-C24烷基羰基或C1-C24烯基羰基。在结构6中，R可以是甲基、乙基或丙基。
在一些方面，结构4中的A可以对应于C14-C20烷基羰基或C14-C20烯基羰基。根据结构4的化合物的一个实例是甘油单油酸酯。
在一些方面，结构5中的A、B和/或C可以对应于C14-C20烷基羰基或C14-C20烯基羰基，而D是H。在一些优选方面，结构5中的A、B和C可以对应于C14-C20烷基羰基或C14-C20烯基羰基，而D是H、C14-C20烷基羰基或C14-C20烯基羰基。
在一些方面，结构6中的A和B可以对应于C14-C20烷基羰基或C14-C20烯基羰基，C可以是H，且R可以是甲基或乙基。在一些方面，结构6中的A、B和C可以对应于C14-C20烷基羰基或C14-C20烯基羰基。
当A、B或C(或结构5中的D)的至少一个是H时，结构4、5和6可以是氢键供体。当A、B或C(或结构5中的D)的至少一个不是H时，结构4、5和6可以是氢键受体。根据结构6的化合物的一个实例是可获自ExxonMobil Corporation的Esterex NP 343中的酯。
结构7
(7)
结构7可以对应于酯或羧酸。在结构7中，A是H、C1-C36烷基、C2-C36烯基或C1-C36烷氧基羰基；且B是H、C1-C36烷基或C2-C36烯基。对应于结构7的化合物的实例包括辛酸辛酯、硬脂酸和油酸。结构7是氢键受体。当B＝H时，结构7也可以是氢键供体。
结构8
(8)
结构8可以对应于醛或酰胺。在结构8中，A是C1-C36烷基或C2-C36烯基；且B是氨基、C1-C8烷基氨基或C1-C8二烷基氨基。根据结构8的化合物的实例包括其中A是C14-C20烷基或C14-C20烯基且B是H的化合物。结构8是基于羰基的氢键受体。当B＝氨基或C1-C8烷基氨基时，结构可以是氢键供体。
结构9
(9)
在结构9中，n可以是1-12，而A和B各自独立地为H、C1-C24烷基、C2-C24烯基、C1-C24烷基羰基、C1-C24烯基羰基。
结构10和11
(10)
(11)
在结构10和结构11中，A、B、C、D、E和F各自独立地为H、C1-C24烷基、C2-C24烯基、C1-C24烷基羰基或C1-C24烯基羰基。要指出，E和F仅存在于结构10中。根据结构10的化合物的一些实例可对应于A、B、C、D和E为C14-C20烷基羰基或C14-C20烯基羰基，而F是H或C14-C20烷基羰基或C14-C20烯基羰基。根据结构11的化合物的一些实例可对应于A、B和C为C14-C20烷基羰基或C14-C20烯基羰基，而D是H或C14-C20烷基羰基或C14-C20烯基羰基。当A、B、C、D、E或F的至少一个是H时，结构10或11可对应于氢键供体。当A、B、C、D、E或F的至少一个不是H时，结构10或11可对应于氢键受体。
结构12
(12)
结构12对应于磷酸酯。在结构12中，A、B和C各自独立地为H、C1-C24烷基、C2-C24烯基或苯基环或萘基环体系。当A、B和C的一个或多个是环或环系时，各环或环系可任选被最多5个独立地选自R的取代基取代，其中R＝C1-C12烷基或C1-C12烷氧基。根据结构12的化合物的实例包括磷酸三甲苯酯或磷酸三丁酯。
结构12是氢键受体。在A、B和C的一个或两个是H的方面中，结构12也可以是氢键供体。要指出，如果A、B和C的所有三个都是H，则所得化合物是磷酸，其不是有机化合物，因此不是本文所用的定义下的氢键供体或氢键受体。
结构13
(13)
在结构13中，A和B可以各自独立地为C1-C24烷基或C2-C24烯基，或A和B可以一起形成环结构。在形成环结构的方面中，A和B一起可对应于C2-C6烷基，其形成包含结构13中明确示出的两个氧和碳的环。要指出，这样的C2-C6烷基的一部分可用于形成环外的侧链。根据结构13的化合物的实例包括碳酸亚丙酯和碳酸双(2-乙基己基)酯。结构13是氢键受体。
结构14
(14)
在结构14中，A和B各自独立地为C1-C24烷基或C2-C24烯基。根据结构14的化合物的实例包括邻苯二甲酸二异癸酯(DIDP)或邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)。
结构15
(15)
在结构15中，A是C1-C36烷基或C2-C36烯基。根据结构15的化合物的一个实例是苯甲酸2-乙基己酯。
结构16
(16)
结构16对应于交内酯(estolide)。在结构16中，A是C1-C20烷基，R是C1-C20烷基，B是C1-C12烷基或C1-C12烷基羰基，n是2-6的整数，且x是3-12的整数。
作为传热流体组合物的共混组分的润滑剂基础油料
润滑剂基础油料和/或配制润滑油是用于与氢键供体和氢键受体的混合物共混以形成传热流体的潜在共混组分的实例。在这样的实例中，将一种或多种润滑剂基础油料与该混合物共混可产生既充当润滑剂又充当传热流体的流体。
在一些方面，该组合物中的一种或多种润滑剂基础油料与氢键供体的重量比可为1:25至25:1。在一些方面，该组合物中的一种或多种润滑剂基础油料与氢键受体的重量比可为1:25至25:1。在一些方面，该组合物中的一种或多种润滑剂基础油料与氢键供体和氢键受体的总重量的重量比可为1:25至25:1。附加地或替代性地，该组合物中的一种或多种润滑剂基础油料的量可为1.0体积％至80体积％、或1.0体积％至40体积％、或1.0体积％至10体积％、或20体积％至80体积％、或20体积％至40体积％、或40体积％至80体积％。
所述一种或多种润滑剂基础油料和/或润滑油可具有润滑剂基础油料典型的各种性质。例如，润滑剂基础油料可具有一种或多种以下性质：0.5cSt至40cSt、或2.0cSt至35cSt、或0.5cSt至25cSt、或2.0cSt至25cSt的在100℃下的运动粘度；1.0cSt或更高、或4.0cSt或更高，如高达100cSt或可能更高的在40℃下的运动粘度；75至300、或75至200的粘度指数；0.85至0.88g/cm3的在15.6℃下的密度；350℃或更高、或400℃或更高的T5蒸馏点；和/或425℃至575℃、或425℃至550℃的T95蒸馏点。附加地或替代性地，至少50体积％的基础油料可具有380℃或更高、或400℃或更高的蒸馏点。要指出，对于低于2.0cSt的运动粘度值，粘度指数没有明确定义。对于运动粘度低于2.0cSt的润滑剂基础油料和/或润滑油，可以使用Walther方程。在这样的方面，如果需要表征运动粘度随温度的变化，由Walther方程测定的斜率可以大于-5.0。
在润滑油用作共混组分的方面，润滑油可任选包括一种或多种添加剂。这样的添加剂可以包括但不限于抗磨添加剂、清净剂、分散剂、粘度改进剂、缓蚀剂、防锈剂、金属减活剂、极压添加剂、防卡咬剂、蜡改性剂、其它粘度改进剂、流体损失添加剂(fluid-lossadditives)、密封相容剂、润滑剂(lubricity agents)、防沾污剂、发色剂(chromophoricagents)、消泡剂、破乳剂、乳化剂、稠化剂、润湿剂、胶凝剂、胶粘剂(tackiness agents)、着色剂等。关于许多常用添加剂的评述，参见"Lubricant Additives,Chemistry andApplications",Ed.L.R.Rudnick,Marcel Dekker,Inc.270Madison Ave.New York,N.J.10016,2003和Klamann in Lubricants and Related Products,Verlag Chemie,Deerfield Beach,FL；ISBN 0-89573-177-0。也参考“Lubricant Additives”,M.W.Ranney著，Noyes Data Corporation of Parkridge,NJ(1973)出版；也参见美国专利No.7,704,930，其公开内容全文并入本文。这些添加剂通常与可为5重量％至50重量％的各种量的稀释油一起递送。
可用于本公开的添加剂不必可溶于润滑油。例如，在油中的不溶性添加剂，如硬脂酸锌可分散在本公开的润滑油中。
当润滑油组合物含有一种或多种添加剂时，添加剂以足以使其发挥其预期功能的量掺入该组合物中。添加剂通常作为次要组分，通常以基于组合物的总重量计小于50重量％，优选小于30重量％，更优选小于15重量％的量存在于润滑油组合物中。添加剂最常以至少0.1重量％，优选至少1重量％，更优选至少5重量％的量添加到润滑油组合物中。可用于本公开的此类添加剂的典型量显示在下表1中。
要指出，许多添加剂作为同时含有一种或多种添加剂的浓缩物与一定量的基础油稀释剂一起由添加剂制造商运出。因此，下表1中的重量以及本文中提到的其它量涉及活性成分的量(即该成分的无稀释剂部分)。下示重量％(wt％)基于润滑油组合物的总重量计。
表1
其它润滑油组分的典型量
上述添加剂都是市售材料。这些添加剂可以独立添加，但通常预组合在可获自润滑油添加剂供应商的包装中。可获得具有各种成分、比例和特性的添加剂包装，并且适当包装的选择将考虑最终组合物的必要用途。
本公开的润滑油基础油料非常适合作为润滑油基础油料而没有掺合限制，此外，该润滑油基础油料产物也与用于润滑剂制剂的润滑剂添加剂相容。本公开的润滑油基础油料可任选与其它润滑油基础油料掺合以形成润滑剂。可用的共基础(cobase)润滑油油料包括第I、III、IV和V类基础油料和天然气合成油(GTL)。可以将一种或多种共基础油料(cobase stocks)掺入包括基于总润滑剂组合物计0.1至50重量％、或0.5至40重量％、1至35重量％、或2至30重量％、或5至25重量％、或10至20重量％的润滑油基础油料的润滑剂组合物中。
实施例1-醇和醚的混合物的协同热容量益处
制备并表征格尔伯特醇和羟基封端聚烷撑二醇的一系列混合物。格尔伯特醇对应于β-烷基化伯醇，因此是氢键供体。这一实施例中所用的格尔伯特醇是甲基支化格尔伯特醇的共混物，其中每醇分子的平均碳数大致对应于C25醇。要指出，格尔伯特醇不包括氢键受体基团。聚烷撑二醇对应于聚(丙二醇)单丁醚。基于聚丙二醇中的多个醚键，聚丙二醇是氢键受体。要指出，聚丙二醇的一端被醚终止，而另一端被醇终止。因此，如果在不同混合物中与不同组分配对，聚丙二醇有可能充当氢键供体。但是，由于格尔伯特醇仅包括氢键供体官能团，聚丙二醇在这种混合物中是氢键受体。
在混合物中低至30重量％的醇至最多90重量％醇的各种重量比例(variousweight mixtures)下形成格尔伯特醇和聚丙二醇的混合物。然后根据ASTM E1269在0℃至125℃之间的各种温度下获得混合物的热容量。也在各种温度下获得单独的格尔伯特醇和聚丙二醇的热容量。
图1显示各种混合物的热容量的表征结果。图1中还显示两条趋势线。图1中的下方趋势线显示格尔伯特醇和聚丙二醇的混合物在0℃下的热容量的加权平均值。图1中的上方趋势线显示格尔伯特醇和聚丙二醇的混合物在125℃下的热容量的加权平均值。
如图1中所示，格尔伯特醇和丙二醇的混合物相对于基于混合物中的组分的热容量的加权平均值计算的热容量提供出乎意料的热容量增加。为了进一步说明该益处，表2显示相对于图1中所示的各数据点的加权平均值的热容量增加百分比。
表2-实测热容量相对于预期(加权平均计算)热容量的增加百分比
Wt％格尔伯特醇 0℃ 25℃ 50℃ 75℃ 100℃ 125℃
0 0 0 0 0 0 0
30 7.8 7.8 8.2 7.4 6.8 7.2
40 14.4 15.1 15.1 14.3 13.3 12.0
45 6.4 7.0 7.3 6.9 5.6 2.8
50 15.0 16.0 16.0 15.0 13.5 12.9
55 6.7 7.4 6.7 6.1 4.7 3.0
60 13.2 13.8 16.6 16.5 14.9 12.8
70 16.3 17.9 18.0 17.0 15.0 14.1
90 14.3 16.2 16.9 16.5 14.4 13.0
100 0 0 0 0 0 0
如表2中所示，数据有些噪声，但总体趋势是清晰的。氢键供体(格尔伯特醇)与氢键受体(聚丙二醇)的混合物相对于基于组分的加权平均值预期的值提供出乎意料的热容量增加。这种出乎意料的热容量增加对应于预期热容量值的大约10％至15％。
要指出，基于表2中的数据，协同效应可随着温度升高而降低。类似地，基于这一实施例和其它实施例中的结果，预计热容量的协同增加将随着温度降低至低于0℃的值而增加。因此，相信可以在低至-50℃或可能更低的温度下观察到本文所述的热容量的协同增加。
实施例2-乙二醇与碳酸亚丙酯的混合物的协同热容量益处
制造并表征乙二醇和碳酸亚丙酯的一系列混合物。在混合物中25重量％、50重量％和75重量％的乙二醇下形成乙二醇和碳酸亚丙酯的混合物。然后根据ASTM E1269在20℃至90℃之间的各种温度下获得混合物的热容量。也在各种温度下获得单独的乙二醇和碳酸亚丙酯的热容量。表3显示热容量测量的结果。
表3-乙二醇和碳酸亚丙酯的混合物的加权平均热容量和实测热容量之间的差值 百分比
Wt％乙二醇 20℃ 35℃ 50℃ 65℃ 80℃ 90℃
0 0 0 0 0 0 0
25 17.6 12.2 10.8 9.8 9.0 8.5
50 9.6 7.8 7.3 7.0 7.4 5.9
75 8.0 7.5 7.1 6.8 6.6 6.4
100 0 0 0 0 0 0
如表3中所示，乙二醇(醇，氢键供体)和碳酸亚丙酯(环酯，氢键受体)的混合物相对于基于加权平均值的预期热容量值提供出乎意料的热容量增加。类似于表2中的数据，该协同效应在较高温度下可能降低。
实施例3-辛酸辛酯和聚四氢呋喃(PolyTHF)的混合物
制造并表征75重量％辛酸辛酯和25重量％聚四氢呋喃的混合物。辛酸辛酯是酯，因此对应于氢键受体。聚四氢呋喃既对应于氢键受体又对应于氢键供体。基于该化合物中的醚键，聚四氢呋喃是氢键受体。聚四氢呋喃也是羟基封端的，并具有650g/mol的平均分子量。羟基封端对应于该化合物重量的大约2.5重量％，其为分子量的大于1.0重量％。因此，聚四氢呋喃也对应于本文提供的定义下的氢键供体。也分别表征辛酸辛酯和聚四氢呋喃的热容量。在20℃、80℃和120℃下测量热容量。
图2显示实测热容量。如图2中所示，在20℃下，相对于基于组分的加权平均值的预期热容量，观察到该混合物的热容量显著增加。在80℃和120℃下，该混合物的热容量更接近基于组分的热容量的加权平均值预期的值。这类似于表2和表3中所示的趋势，其中提高混合物的温度似乎降低热容量的协同增加。
对比例4-己二酸酯与基于聚α-烯烃的润滑剂基础油料的混合物
制造并表征10重量％己二酸酯和90重量％聚α烯烃润滑剂基础油料的混合物。己二酸酯是氢键受体，而聚α烯烃润滑剂基础油料不包括杂原子官能团，因此其既不是氢键供体也不是氢键受体。也分别表征己二酸酯和聚α烯烃润滑剂基础油料的热容量。在25℃、60℃和80℃下测量热容量。
图3显示实测热容量。如图3中所示，己二酸酯和聚α烯烃润滑剂基础油料的混合物在各种温度下具有比预期值低的热容量。
对比例5-水和乙二醇的混合物
图4显示如参考文献中报道的水和乙二醇的混合物的热容量。由于水不是有机化合物，水在本文对氢键供体和氢键受体提供的定义之外。这反映了以下事实：本文提供的混合物是适用于通常不想要导电性的环境的混合物。由于水的氢键合能力和/或水促进氢键合的能力，图4中显示水和乙二醇的混合物的热容量的适度协同效应。
附加实施方案
实施方案1.一种传热流体，其包含：相对于传热流体的重量计10重量％至90重量％的至少一种具有60g/mol或更高的分子量和第一热容量的氢键供体，所述至少一种氢键供体包含相对于所述至少一种氢键供体的分子量计1.0重量％或更多的氢键供体官能团；相对于传热流体的重量计10重量％至90重量％的至少一种具有60g/mol或更高的分子量和第二热容量的氢键受体，所述至少一种氢键受体包含相对于所述至少一种氢键受体的分子量计1.0重量％或更多的氢键受体官能团；并且所述传热流体的电导率为2.0μS/cm或更小，其中，a)所述氢键供体不含氢键受体官能团，或b)所述氢键供体包含一个或多个氢键受体官能团，并且相对于氢键受体的分子量计氢键受体中的氢键受体官能团的10重量％或更多不同于氢键供体中的氢键受体官能团。
实施方案2.上述实施方案任一项的传热流体，其中所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体的总重量构成传热流体的重量的40重量％或更多。
实施方案3.上述实施方案任一项的传热流体，其中所述至少一种氢键供体的氢键供体官能团的重量构成所述至少一种氢键供体的分子量的5重量％或更多(或10重量％或更多)，并且其中所述至少一种氢键受体的氢键受体官能团的重量构成所述至少一种氢键受体的分子量的5重量％或更多(或10重量％或更多)。
实施方案4.上述实施方案任一项的传热流体，其中相对于所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体的总重量计，所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体的总重量的70重量％或更多包含C5+化合物。
实施方案5.上述实施方案任一项的传热流体，其中所述至少一种氢键供体包含-50℃或更低的熔点，或其中所述至少一种氢键受体包含-50℃或更低的熔点，或其组合。
实施方案6.上述实施方案任一项的传热流体，其中所述传热流体基本不含水。
实施方案7.上述实施方案任一项的传热流体，i)其中所述至少一种氢键供体包含醇；ii)其中所述至少一种氢键受体包含醚、酯、酮、醛、亚磷酸酯、磷酸酯或其组合；或iii)i)和ii)的组合。
实施方案8.上述实施方案任一项的传热流体，其中所述至少一种氢键供体包含120℃或更高的沸点，或其中所述至少一种氢键受体包含120℃或更高的沸点，或其组合。
实施方案9.上述实施方案任一项的传热流体，其中所述至少一种氢键供体包含在300℃至565℃之间的沸点，或其中所述至少一种氢键受体包含在300℃至565℃之间的沸点，或其组合。
实施方案10.上述实施方案任一项的传热流体，其中所述氢键供体包含87g/mol或更高的分子量，或其中所述传热流体包含0.5cSt至25.0cSt的在100℃下的运动粘度，或其组合。
实施方案11.上述实施方案任一项的传热流体，其中相对于第一热容量计，所述传热流体在0℃至150℃的温度下的热容量比在0℃至150℃的温度下的第一热容量高5.0％或更多，并且相对于第二热容量计，所述传热流体在0℃至150℃的温度下的热容量比在0℃至150℃的温度下的第二热容量高5％或更多。
实施方案12.一种使用传热流体的方法，其包含：在传热系统中循环根据实施方案1-11任一项的传热流体。
实施方案13.实施方案12的方法，其中所述传热系统包含用于循环润滑剂的系统。
实施方案14.实施方案12或13的方法，其中所述传热流体在-40℃至150℃的温度下在传热系统中循环，或其中所述传热流体在0℃至100℃的温度下在传热系统中循环。
当在本文中列举数值下限和数值上限时，考虑的是从任何下限到任何上限的范围。尽管已经特别描述了本发明的示例性实施方案，但是要理解的是，本领域技术人员将显而易见并且容易作出各种其它修改而不背离本发明的精神和范围。因此，所附权利要求书的范围无意受本文所述的实施例和描述限制，而是权利要求书应被解释为涵盖本发明中存在的所有具有专利新颖性的特征，包括被本发明所属领域的技术人员视为其等同物的所有特征。
上面已经参考许多实施方案和具体实施例描述了本发明。本领域技术人员根据上文的详述可想到许多变动。所有这样的明显变动在所附权利要求书的完整预期范围内。

Claims (14)

1.一种传热流体，其包含：相对于传热流体的重量计10重量％至90重量％的至少一种具有60g/mol或更高的分子量和第一热容量的氢键供体，所述至少一种氢键供体包含相对于所述至少一种氢键供体的分子量计1.0重量％或更多的氢键供体官能团；相对于传热流体的重量计10重量％至90重量％的至少一种具有60g/mol或更高的分子量和第二热容量的氢键受体，所述至少一种氢键受体包含相对于所述至少一种氢键受体的分子量计1.0重量％或更多的氢键受体官能团；并且所述传热流体的电导率为2.0μS/cm或更小，其中，a)所述氢键供体不含氢键受体官能团，或b)所述氢键供体包含一个或多个氢键受体官能团，并且相对于氢键受体的分子量计氢键受体中的氢键受体官能团的10重量％或更多不同于氢键供体中的氢键受体官能团。
2.根据上述权利要求任一项的传热流体，其中所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体的总重量构成传热流体的重量的40重量％或更多。
3.根据上述权利要求任一项的传热流体，其中所述至少一种氢键供体的氢键供体官能团的重量构成所述至少一种氢键供体的分子量的5重量％或更多(或10重量％或更多)，并且其中所述至少一种氢键受体的氢键受体官能团的重量构成所述至少一种氢键受体的分子量的5重量％或更多(或10重量％或更多)。
4.根据上述权利要求任一项的传热流体，其中相对于所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体的总重量计，所述至少一种氢键供体和所述至少一种氢键受体的总重量的70重量％或更多包含C5+化合物。
5.根据上述权利要求任一项的传热流体，其中所述至少一种氢键供体包含-50℃或更低的熔点，或其中所述至少一种氢键受体包含-50℃或更低的熔点，或其组合。
6.根据上述权利要求任一项的传热流体，其中所述传热流体基本不含水。
7.根据上述权利要求任一项的传热流体，i)其中所述至少一种氢键供体包含醇；ii)其中所述至少一种氢键受体包含醚、酯、酮、醛、亚磷酸酯、磷酸酯或其组合；或iii)i)和ii)的组合。
8.根据上述权利要求任一项的传热流体，其中所述至少一种氢键供体包含120℃或更高的沸点，或其中所述至少一种氢键受体包含120℃或更高的沸点，或其组合。
9.根据上述权利要求任一项的传热流体，其中所述至少一种氢键供体包含在300℃至565℃之间的沸点，或其中所述至少一种氢键受体包含在300℃至565℃之间的沸点，或其组合。
10.根据上述权利要求任一项的传热流体，其中所述氢键供体包含87g/mol或更高的分子量，或其中所述传热流体包含0.5cSt至25.0cSt的在100℃下的运动粘度，或其组合。
11.根据上述权利要求任一项的传热流体，其中相对于第一热容量计，所述传热流体在0℃至150℃的温度下的热容量比在0℃至150℃的温度下的第一热容量高5.0％或更多，并且相对于第二热容量计，所述传热流体在0℃至150℃的温度下的热容量比在0℃至150℃的温度下的第二热容量高5％或更多。
12.一种使用传热流体的方法，其包含：在传热系统中循环根据权利要求1-11任一项的传热流体。
13.根据权利要求12的方法，其中所述传热系统包含用于循环润滑剂的系统。
14.根据权利要求12或13的方法，其中所述传热流体在-40℃至150℃的温度下在传热系统中循环，或其中所述传热流体在0℃至100℃的温度下在传热系统中循环。
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