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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindung zur Verwendung als ein oder in einem Basisfluid für Schmiermittelzusammensetzungen zur Verwendung in fluiddynamischen Lagersystemen, Verfahren zu deren Herstellung, solche Verbindungen umfassende Basisfluide, solche Basisfluide umfassende Schmiermittelzusammensetzungen, fluiddynamische Lagersysteme mit solchen Schmiermittelzusammensetzungen, Motoren mit solchen fluiddynamischen Lagersystemen und Festplattenlaufwerke und Lüfter mit solchen Motoren.
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Stand der Technik
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Schmiermittel werden in fluiddynamischen Lagersystemen zur Schmierung eingesetzt und dienen der Verringerung von Reibung und Verschleiß sowie zur Kraftübertragung. Ein Spindelmotor mit einem solchen fluiddynamischen Lagersystem erzielt eine hohe Genauigkeit der Lagerung, so dass Festplattenlaufwerke, die durch einen solchen Spindelmotor angetrieben werden, sehr hohe Speicherkapazitäten erzielen können. Ferner haben solche Spindelmotoren eine sehr gute Schockfestigkeit sowie eine gute Laufruhe. An ein Schmiermittel werden hohe Anforderungen in Bezug auf Reaktionsverhalten gegenüber Werkstücken oder Werkzeugen, Anwendbarkeit und Kosten gestellt.
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Im Allgemeinen bestehen Schmiermittel aus einem oder mehreren Basisfluiden (Grundölen) und einem oder mehreren Additiven. Als Basisfluide werden unter anderem synthetische Ester verwendet. Übliche Additive sind Alterungsschutzadditive, wie Antioxidantien oder Oxidationsinhibitoren, Detergentien, Dispergentien, Korrosions- und Rostschutz-Additive, Extremdruck(Extreme Pressure, EP)-Additive und Antiverschleiß(Anti Wear, AW)-Additive, Reibwertveränderer, Viskositätsindex-Verbesserer, Hydrolysestabilisatoren, Stockpunkt(Pourpoint)-Erniedriger und Antischaummittel.
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Die auf Grund ihrer niedrigen Verdunstungsrate als Basisfluide in Frage kommenden linearen Monoester haben einen sehr hohen Schmelzpunkt und sind daher üblicherweise bei Raumtemperatur fest. Die Einführung von Seitengruppen führt üblicherweise zu einer Erniedrigung des Schmelzpunktes, bewirkt aber auch, dass die Viskosität bei niedrigen Temperaturen für eine Verwendung als Schmiermittelzusammensetzung in fluiddynamischen Lagersystemen zu stark ansteigt.
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In
US 2012/0076449 A1 ist eine Klasse von Basisfluiden beschrieben, bei denen ein Ester von Ölsäure und 2-Ethylhexanol in Kombination mit einem Ester mit einer verzweigten Fettsäure, die 18 Kohlenstoffatome enthält, gemischt mit einem zweiten Monoester, der aus Ethylhexansäure und einem einwertigen Alkohol mit 6 bis 18 Kohlenstoffatomen besteht, beschrieben. Diese Mischungen zeigen Schmelzpunkte unterhalb –40°C.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Basisfluid zur Verwendung in einer Schmiermittelzusammensetzung in fluiddynamischen Lagersystemen bereitzustellen, das einen Schmelzpunkt von unter –20°C bei gleichzeitiger Beibehaltung einer ausreichend niedrigen Viskosität besitzt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Verbindung der allgemeinen Formel (I)
gelöst, wobei R
1 ein linearer C
5- bis C
14-Alkylrest ist, der fakultativ an der 1- oder 2-Position zum Sauerstoffatom mit einem Methylrest substituiert ist, und R
2 der Alkylrest von cis-Ölsäure ist, der fakultativ an der 1- oder 2-Position mit einem Methylrest substituiert ist, wobei R
1 und R
2 zusammen mindestens einen Methylsubstituenten aufweisen.
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Dabei ist bevorzugt, dass R1 ausgewählt ist aus 2-Methylheptyl, 2-Methylhexyl oder 2-Methylpentyl.
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Zudem ist bevorzugt, dass R2 der Alkylrest von unsubstituierter cis-Ölsäure ist.
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Ein erfindungsgemäßes Basisfluid nach Formel (I) ist auch zur Verwendung in einer Inertgas, beispielsweise Helium, enthaltenden Umgebung geeignet.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindung durch Umsetzen von cis-Ölsäure, die ggf. an der 1- oder 2-Position mit einem Methylrest substituiert ist, mit einem linearen C5- bis C14-Alkohol, der ggf. an der 1- oder 2-Position mit einem Methylrest substituiert ist, unter geeigneten Bedingungen.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn die Umsetzung der Ölsäure mit dem Alkohol unter Verwendung von Methansulfonsäure, Zinn(II)oxid oder Zinn(II)oxalat als einem Katalysator erfolgt.
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Die Erfindung betrifft auch ein Basisfluid für Schmiermittelzusammensetzungen zur Verwendung in fluiddynamischen Lagersystemen, das mindestens eine erfindungsgemäße Verbindung umfasst.
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Zudem betrifft die Erfindung eine Schmiermittelzusammensetzung zur Verwendung in fluiddynamischen Lagersystemen, die mindestens ein erfindungsgemäßes Basisfluid umfasst.
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Dabei ist bevorzugt, dass die Schmiermittelzusammensetzung zumindest ein Additiv aus der nachfolgenden Gruppe enthält:
Antioxidantien oder Oxidationsinhibitoren, Antiverschleiß-Additive, Rostschutz-Additive, Korrosionsinhibitoren, Additive zur Viskositätsverbesserung, Additive zur Hydrolysestabilisierung und Additive zur Stockpunkt-Erniedrigung.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein fluiddynamisches Lagersystem, umfassend:
eine erste Lagerkomponente, die mindestens ein Lagerbauteil aufweist, und eine zweite Lagerkomponente, die mindestens ein Lagerbauteil aufweist, wobei die zweite Lagerkomponente von der ersten Lagerkomponente durch einen mit einem Schmiermittel gefüllten Lagerspalt getrennt und relativ zu dieser drehgelagert ist, wobei das Schmiermittel eine erfindungsgemäße Schmiermittelzusammensetzung umfasst.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Motor mit erfindungsgemäßem fluiddynamischen Lagersystem, bei dem eine Grundplatte vorgesehen ist, in der die erste Lagerkomponente gehalten ist, und die zweite Lagerkomponente gemeinsam mit einer Nabe von einem elektromagnetischen Antriebssystem um eine gemeinsame Rotationsachse drehend angetrieben wird.
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Die Erfindung betrifft auch ein Festplattenlaufwerk mit einem erfindungsgemäßen Motor, der mindestens eine Speicherplatte drehend antreibt, und eine Schreib-Leseeinrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf und von der Speicherplatte aufweist. In solchen Anwendungen ist das erfindungsgemäße Basisfluid gleichermaßen dafür geeignet, in einem Festplattenlaufwerk verwendet zu werden, bei dem das Basisfluid eine Grenzfläche zur Umgebungsluft hin aufweist, als auch in einem Festplattenlaufwerk, bei dem das Basisfluid eine Grenzfläche zu einer Inertgasatmosphäre aufweist, wobei die Inertgasatmosphäre insbesondere durch Helium gegeben sein kann oder wenigstens ein Helium enthaltendes Gasgemisch umfasst.
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Schließlich betrifft die Erfindung einen Lüfter mit einem erfindungsgemäßen Motor, wobei der Motor mindestens ein Lüfterrad drehend antreibt.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird daher durch eine neue Klasse von Verbindungen gelöst, die Ester von linearen C5- bis C14-Alkoholen und cis-Ölsäure sind. Dabei ist es wesentlich für die vorliegende Erfindung, dass entweder (und bevorzugt) der vom linearen Alkohol abgeleitete Rest an der 1- oder (bevorzugt) 2-Position und/oder der von der Ölsäure abgeleitete Rest ebenfalls an der 1- oder (bevorzugt) 2-Position mit einem Methylrest subsituiert ist.
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Weiter ist für die vorliegende Erfindung wesentlich, dass als Säurerest Ölsäure in der cis-Konfiguration an der Doppelbindung verwendet wird. Die Fixierung der Ölsäure in der cis-Position scheint (verglichen mit trans-Ölsäure oder anderen gesättigten oder ungesättigten Fettsäuren) wesentlich zur Erniedrigung des Schmelzpunktes beizutragen.
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Besonders bevorzugte Verbindungen der vorliegenden Erfindung, die hervorragend als Basisfluide zur Verwendung in Schmiermittelzusammensetzungen in fluiddynamischen Lagersystemen geeignet sind, sind die folgenden drei Verbindungen:
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Die erfindungsgemäßen Verbindungen können entweder direkt und als ausschließliches Basisfluid in Schmiermittelzusammensetzungen für fluiddynamische Lagersysteme verwendet werden oder alternativ als Stockpunkt(Pourpoint)-Erniedriger sowie Viskositätsverbesserer für hochviskose Basisfluide zusammen mit bekannten Basisfluiden, wie bspw. Diestern von Disäuren, Diestern von Diolen, Diestern aus einem linearen Diol und 2-Methylalkylsäure oder Monoestern aus linearem Alkylalkohol und einer Guerbet-Säure.
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Die erfindungsgemäße Schmiermittelzusammensetzung eignet sich zur Verwendung in fluiddynamischen Lagersystemen, wie sie bspw. zur Drehlagerung von Spindelmotoren in Computerfestplatten eingesetzt werden. Ein fluiddynamisches Lager umfasst relativ zueinander rotierende Lagerflächen, die durch einen mit einem Schmiermittel gefüllten Lagerspalt berührungsfrei getrennt sind.
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Ein Beispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung nachfolgend weiter erläutert werden. Aus der Zeichnung und der entsprechenden Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor, in welchem die erfindungsgemäße Schmiermittelzusammensetzung Verwendung finden kann. Der Spindelmotor ist zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes geeignet und umfasst ein fluiddynamisches Lagersystem mit zwei konischen Lagern, die im Wesentlichen identisch aufgebaut sind. Natürlich kann die Schmiermittelzusammensetzung genauso gut für andere bekannte Bauformen von fluiddynamischen Lagern eingesetzt werden.
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Der Spindelmotor umfasst eine Grundplatte 10 als tragende Struktur, die eine Bohrung umfasst, in welcher eine feststehende Welle 12 angeordnet ist. Die Welle 12 bildet zusammen mit zwei konusförmigen Lagerbauteilen 16, 18 das feststehende Bauteil des Lagersystems. Die konusförmigen Lagerbauteile 16, 18 sind in einem gegenseitigen axialen Abstand an der Welle 12 angeordnet und mit dieser fest verbunden. Die konusförmigen Lagerbauteile 16, 18 haben einander zugewandte, in einem spitzen Winkel in Bezug auf die Drehachse 30 verlaufende konische Lagerflächen. Dem ersten konusförmigen Lagerbauteil 16 ist eine erste Lagerbuchse 20 zugeordnet. Die erste Lagerbuchse 20 weist eine teilweise konische Lagerbohrung und eine konische Lagerfläche auf, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten ersten Lagerspalt 22 von der konischen Lagerfläche des konusförmigen Lagerbauteils 16 getrennt ist. Die konischen Lagerflächen und der Lagerspalt 22 verlaufen parallel und schräg zur Drehachse 30 und bilden ein erstes konisches, fluiddynamisches Lager. Auf einer oder auf beiden Lagerflächen sind Lagerrillenstrukturen angeordnet, die bei einer Rotation des Lagers eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid auswirken, so dass im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck erzeugt wird, der das Lager tragfähig macht. Weiterhin befinden sich ein oder mehrere Rezirkulationskanäle 44 innerhalb des ersten Lagerbauteils 16.
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Der Lagerspalt 22 hat zwei offene Enden, die jeweils an die Stirnflächen der Lagerbuchse 20 angrenzen und durch kapillare Dichtungsspalten und/oder dynamische Pumpdichtungen abgedichtet sind. Eine Abdeckkappe 32 verschließt das erste konische Lager nach außen.
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Das zweite konusförmige Lagerbauteil 18 weist ebenfalls konische Lagerflächen auf, die mit der Drehachse 30 einen spitzen Winkel ausbilden. Das konusförmige Lagerbauteil 18 ist in einer zweiten Lagerbuchse 24 angeordnet, die ebenfalls konische Lagerflächen aufweist, die durch einen zweiten Lagerspalt 26 von den konischen Lagerflächen des zweiten konusförmigen Lagerbauteils 18 getrennt sind und ein zweites konisches, fluiddynamisches Lager ausbilden. Auch der zweite Lagerspalt 26 ist an seinen beiden offenen Enden durch entsprechende kapillare Dichtungen und/oder dynamische Pumpdichtungen abgedichtet. Weiterhin befinden sich ein oder mehrere Rezirkulationskanäle 46 innerhalb des zweiten Lagerbauteils 18. Eine Abdeckkappe 34 verschließt das zweite konische Lager nach außen. Auf einer oder auf beiden Lagerflächen sind Lagerrillenstrukturen angeordnet, die bei einer Rotation des Lagers eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben, so dass im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck erzeugt wird, der das Lager tragfähig macht.
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Die beiden Lagerbuchsen 20 und 24 grenzen aneinander und sind durch eine Distanzscheibe 28 voneinander getrennt, die gleichzeitig zur Kompensation der Wärmeausdehnung der Bauteile dient und als Dichtungsscheibe wirkt. Der Zwischenraum, der zwischen den beiden Lagerbuchsen 20, 24 und der Distanzscheibe 28 gebildet wird, ist belüftet, um einen Druckausgleich herzustellen. Zur Belüftung kann die Welle 12 eine entsprechende Bohrung 42 aufweisen, die den Zwischenraum mit der Außenatmosphäre verbindet.
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Die beiden Lagerbuchsen 20 und 24 sind in einer zentralen Aussparung einer Nabe 14 des Spindelmotors gehalten, beispielsweise mittels Presssitz, oder sie werden in die Nabe 14 eingeklebt. Beide Lagerbuchsen 20 und 24 weisen am Außenumfang einen Bund auf, der auf einer Stirnseite eines Randes an der Öffnung der Nabe 14 aufliegt und die Lagerbuchsen relativ zur Nabe ausrichtet.
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Der Spindelmotor wird angetrieben durch ein elektromagnetisches Antriebssystem, das aus einer an der Grundplatte 10 befestigten Statoranordnung 36 besteht, und einem Rotormagneten 38, der gegenüberliegend der Statoranordnung sowie diese zentrisch umfassend an einem Innenumfang der Nabe 14 angeordnet ist. Der Rotormagnet 38 kann von einem Joch 40 als magnetischer Rückschluss des Rotormagneten 38 umgeben sein.
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Ein fluiddynamisches Lagersystem, das mit der erfindungsgemäßen Schmiermittelzusammensetzung beschickt ist, kann aber auch in anderen Motoren eingesetzt werden, beispielsweise in Motoren für Lüfter.
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Herstellungsbeispiel
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Die erfindungsgemäßen Verbindungen können leicht durch Veresterung der (ggf. methylsubstituierten) Ölsäure und eines entsprechenden ggf. methylsubstituierten) Alkohols erhalten werden. Die entsprechenden methylsubstituierten Alkohole sind entweder kommerziell erhältlich, wie bspw. 2-Methyl-1-pentanol, oder können leicht durch Reduktion unter wasserfreien Bedingungen mit LiAlH4 in THF aus den entsprechenden methylsubstituierten Carbonsäuren erhalten werden.
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Die Veresterung von Alkohol und Ölsäure erfolgt ebenfalls unter üblichen Bedingungen, d.h. zum Beispiel unter Verwendung von Methansulfonsäure als einem Katalysator und Einsatz einer Dean-Stark-Falle, um das Wasser zu entfernen. Die Reaktion von (unsubstituierter) cis-Ölsäure und 2-Methylheptanol läuft beispielsweise gemäß dem folgenden Reaktionsschema ab:
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Als alternative Katalysatoren eignen sich auch Zinnkatalysatoren wie Sn(II)O oder Zinn(II)oxalat. Hier wird das entstehende Wasser direkt aus der Reaktionslösung unter vermindertem Druck abdestilliert. Die Reinigung des Produkts erfolgt durch anschießende Destillation im Vakuum.
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Aus der nachfolgenden Tabelle werden die unerwarteten Auswirkungen der Einführung einer Methylgruppe deutlich, wenn man die Verbindungen mit der gleichen Kohlenstoffzahl miteinander vergleicht. Überraschenderweise erhöht sich die Viskosität insbesondere bei den niedrigeren Temperaturen nicht (bei hohen Temperaturen ist sie nahezu unverändert), sondern ist sogar erniedrigt. Die Retentionszeiten hingegen sind erwartungsgemäß höher, d.h. die Verdunstungsraten niedriger. Es ist auch zu erkennen, dass die Gefrierpunkte der Basisfluide nach dem Einführen einer Methylgruppe in Position 2 weiterhin deutlich unter –20°C liegen und überraschenderweise sogar deutlich unter den Gefrierpunkten der entsprechenden Verbindungen mit gleicher Kohlenstoffzahl mit einer Methylgruppe in Position 1, d. h. der entsprechenden 2-Alkyloleate. Ebenso liegen die Schmelzpunkte der Verbindungen mit einer Methylgruppe in Position 2 unter –20°C. Insbesondere liegt bei den Verbindungen mit größerer Kohlenstoffzahl der Schmelzpunkt der 2-Methylalkyloleate sogar unter dem der entsprechenden 2-Alkyloleate.
Name | Anzahl der Kohlenstoffatome | Viskosität in cP | Retentionszeit in Minuten | Gefrierpunkt in °C | Schmelzpunkt in °C |
–20°C | 0°C | 40°C | 100°C |
2-Pentyloleat | 23 | 61,8 | 22,5 | 5,9 | 1,9 | 18,75 | –66,4 | –46,5 |
2-Hexyloleat | 24 | 73,8 | 25,4 | 6,3 | 2,0 | 19,24 | –53,7 | –32,8 |
2-Heptyloleat | 25 | 84,8 | 28,2 | 6,8 | 2,1 | 19,45 | –41,1 | –20,0 |
2-Octyloleat | 26 | 94,6 | 31,0 | 7,3 | 2,2 | 20,23 | –29,3 | –7,0 |
2-Methylpentyloleat | 24 | 66,2 | 23,5 | 6,1 | 2,0 | 19,46 | –65,7 | –30,4 |
2-Methylhexyloleat | 25 | 76,5 | 26,8 | 6,7 | 2,1 | 19,95 | –67,2 | –31,8 |
2-Methylheptyloleat | 26 | 91,0 | 30,6 | 7,4 | 2,3 | 20,41 | –68,9 | –33,0 |
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Den die erfindungsgemäßen Verbindungen enthaltenden Schmiermittelzusammensetzungen für fluiddynamische Lagersysteme können die üblichen Additive in üblichen Konzentrationen zugesetzt werden, wobei möglicherweise (wegen der Doppelbindung im Ölsäurerest) erhöhte Gehalte an Antioxidationsmittel erforderlich sein könnten.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Grundplatte
- 12
- Welle
- 14
- Nabe
- 16, 18
- Lagerbauteil
- 20
- Lagerbuchse
- 22
- Lagerspalt
- 24
- Lagerbuchse
- 26
- Lagerspalt
- 28
- Distanzscheibe
- 30
- Drehachse
- 32, 34
- Abdeckkappe
- 36
- Statoranordnung
- 38
- Rotormagnet
- 40
- magnetischer Rückschluss
- 42
- Bohrung
- 44, 46
- Rezirkulationskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0076449 A1 [0005]