DE102017006335A1 - ionic liquid with dry lubricant - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Zusammensetzung (F), insbesondere ein Fluid, aufweisend einen ersten Anteil bestehend aus einer ionischen Flüssigkeit sowie einen zweiten Anteil bestehend aus einem Schmierstoff. The invention relates to a composition (F), in particular a fluid, comprising a first portion consisting of an ionic liquid and a second portion consisting of a lubricant.
Description
Die Erfindung betrifft eine Zusammensetzung sowie eine Verwendung der Zusammensetzung als Kolben bzw. Flüssigkeitssäule und/oder als Schmiermittel in einem Verdichter, insbesondere Wasserstoffverdichter.The invention relates to a composition and a use of the composition as a piston or liquid column and / or as a lubricant in a compressor, in particular hydrogen compressor.
Aus dem Stand der Technik ist der Einsatz von ionischen Flüssigkeiten in etlichen Verdichtern bzw. Verdichtersystemen bekannt. Diese Verdichter werden als ionische Verdichter bezeichnet. In einem solchen Verdichter wird das zu verdichtende Gas, insbesondere Wasserstoff, mittels einer Flüssigkeitssäule, die die ionische Flüssigkeit aufweist, verdichtet. Ionische Verdichter werden daher auch als kolbenlose Verdichter bezeichnet. Neben der ionischen Flüssigkeit weisen solche ionischen Verdichter auch einen Hydraulikölkreis auf, wobei das Hydrauliköl zum Bewegen eines Kolbens einer Hydraulikpumpe dient, mittels der die ionische Flüssigkeit bzw. der daraus gebildete Flüssigkolben zur Verdichtung des Gases bewegt wird.The use of ionic liquids in a number of compressors or compressor systems is known from the prior art. These compressors are called ionic compressors. In such a compressor, the gas to be compressed, in particular hydrogen, is compressed by means of a liquid column which comprises the ionic liquid. Ionic compressors are therefore also referred to as piston-less compressors. In addition to the ionic liquid, such ionic compressors also have a hydraulic oil circuit, wherein the hydraulic oil is used for moving a piston of a hydraulic pump, by means of which the ionic liquid or the liquid piston formed therefrom is moved to compress the gas.
Unter einer ionischen Flüssigkeit werden im Sinne der vorliegenden Erfindung flüssige organische Salze oder Salzgemische bestehend aus organischen Kationen und organischen oder anorganischen Anionen, mit Schmelzpunkten von unter 100°C, insbesondere unter 0°C, verstanden.In the context of the present invention, an ionic liquid is understood as meaning liquid organic salts or salt mixtures consisting of organic cations and organic or inorganic anions, with melting points of below 100 ° C., in particular below 0 ° C.
Die Schmierfähigkeit von derartigen ionischen Flüssigkeiten ist im Vergleich zu Hydraulikölen grundsätzlich schlechter. In Ionischen Verdichtern nach dem Stand der Technik befinden sich daher separiert für den Gaskreislauf und den hydraulischen Kreislauf zwei verschiedene Medien.The lubricity of such ionic liquids is generally inferior compared to hydraulic oils. In ionic compressors according to the prior art are therefore separated for the gas cycle and the hydraulic circuit two different media.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zusammensetzung sowie eine entsprechende Verwendung anzugeben, die eine einfachere Verdichtung von Gasen erlaubt.On this basis, the present invention has for its object to provide a composition and an appropriate use that allows easier compression of gases.
Diese Aufgabe wird durch eine Zusammensetzung mit den Merkmalen des Anspruch 1 bzw. durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.This object is achieved by a composition having the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben bzw. werden nachfolgend beschrieben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the corresponding subclaims or will be described below.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Zusammensetzung bzw. Flüssigkeit einen ersten Anteil bestehend aus einer ionischen Flüssigkeit sowie einen zweiten Anteil bestehend aus einem Schmierstoff aufweist.According to
Bei dem Schmierstoff handelt es sich insbesondere um einen Trockenschmierstoff. Als Trockenschmierstoff wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Schmierstoff bezeichnet, dem die Aufgabe zugrunde liegt, die Reibung und damit den Verschleiß zwischen gleitenden Flächen zu reduzieren und dessen Bestandteile in regulären Betriebszuständen stets in festem Aggregatzustand auftreten.The lubricant is in particular a dry lubricant. As a dry lubricant in the context of the present invention, in particular a lubricant is referred to, which is based on the object to reduce the friction and thus the wear between sliding surfaces and its components always occur in regular operating conditions in solid state.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung ist vorgesehen, dass diese weiterhin einen dritten Anteil aufweist, der aus einem Dispergiermittel besteht.According to one embodiment of the composition according to the invention it is provided that this further comprises a third portion which consists of a dispersant.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung vorgesehen, dass die ionische Flüssigkeit einen der folgenden Stoffe aufweist oder aus einem der folgenden Stoffe gebildet ist:
- - eine Verbindung (Kation) nach Formel I
- - eine quartäre Ammoniumverbindung (Kation), insbesondere eine Verbindung der Formel
N+R4 (II);
- - A compound (cation) according to formula I.
R 1 andR 2 independently of one another may be hydrogen or a substituted or unsubstituted C 1 -C 8 -alkyl, in particular a substituted or unsubstituted C 1 -C 4 -alkyl, in particular the compound of formula (I) being 1-ethyl-3-methylimidazolium; - - A quaternary ammonium compound (cation), in particular a compound of the formula
N + R4 (II);
Bei den Verbindungen nach Formel I kann es sich z.B. um folgende Verbindungen handeln:
- - 1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid (CAS Nr. 65039-09-0);
- - 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtetrafluorborat (CAS Nr. 143314-16-3); und
- - 1-Ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfat (CAS Nr. 342573-75-5).
- - 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride (CAS No. 65039-09-0);
- 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (CAS No. 143314-16-3); and
- 1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfate (CAS No. 342573-75-5).
Bei den Verbindungen nach Formel II kann es sich z.B. um folgende Verbindungen handeln:
- - Tris(2-hydroxyethyl)methylammoniummethylsulfat (CAS Nr. 29463-06-7);
- - N,N,N-Trimethylethylammoniumchlorid (CAS Nr. 27697-51-4).
- Tris (2-hydroxyethyl) methylammonium methylsulfate (CAS No. 29463-06-7);
- - N, N, N-trimethylethylammonium chloride (CAS No. 27697-51-4).
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung vorgesehen, dass der Schmierstoff bzw. Trockenschmierstoff eine Vielzahl an Partikeln aufweist oder durch diese gebildet ist, wobei der Partikeldurchmesser kleiner ist als 10 µm, insbesondere kleiner als 5 µm.Furthermore, according to one embodiment of the composition according to the invention, it is provided that the lubricant or dry lubricant has a multiplicity of particles or is formed by them, the particle diameter being smaller than 10 μm, in particular smaller than 5 μm.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung vorgesehen, dass der Schmierstoff einen der folgenden Stoffe aufweist oder durch einen der folgenden Stoffe gebildet ist:
- - MoS2,
- - Graphit,
- - Graphen,
- - sonstige kohlenstoffbasierte Schmierstoffe.
- - MoS 2 ,
- Graphite,
- - graphs,
- - other carbon based lubricants.
Als Schmierstoff bzw. Trockenschmierstoff kommt gemäß einer Ausführungsform bevorzugt MoS2 zur Anwendung. Für den Einsatz in Wasserstoffverdichtern eignet sich MoS2 besonders, da auch etwaige verschleppte Partikel in einer nachgeschalteten Brennstoffzelle bedingt durch die nicht vorhandene elektrische Leitfähigkeit keinen Kurzschluss erzeugen können.As lubricant or dry lubricant according to one embodiment MoS 2 is preferably used. MoS 2 is particularly suitable for use in hydrogen compressors, as even any entrained particles in a downstream fuel cell can not cause a short circuit due to the non-existent electrical conductivity.
Als Dispergiermittel wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung - bedingt durch die polaren Eigenschaften der ionischen Flüssigkeiten - bevorzugt ein elektrostatisch aktives Dispergiermittel verwendet. Derartige elektrisch geladene Dispergiermittel umschließen die Partikel des Trockenschmierstoffes, wodurch es zur Abstoßung untereinander kommt, so dass die Partikel in der Schwebe bzw. Dispersion bleiben. Grundsätzlich können die verschiedensten Dispergiermittel angewendet werden, insbesondere kommen hier Oligomere, Polymere sowie insbesondere Polyacrylat (z.B. BASF DISPEX Familie) in Betracht.As dispersing agent, according to one embodiment of the invention - due to the polar properties of the ionic liquids - preferably an electrostatically active dispersant is used. Such electrically charged dispersants surround the particles of the dry lubricant, which causes them to repel each other, so that the particles remain in suspension or dispersion. In principle, it is possible to use a wide variety of dispersants, in particular oligomers, polymers and in particular polyacrylate (for example BASF DISPEX family).
Weiterhin sind können zur Erstverteilung der Komponenten der Zusammensetzung eine Mikrowellenheizung und/oder eine Ultraschallbehandlung eingesetzt werden. Der Dispergiermittelgehalt der Zusammensetzung kann z.B. zwischen 0,1 Gew.-% und Gew.-10%, insbesondere zwischen 1 Gew.-% und 5 Gew.-%, insbesondere zwischen 1 Gew.-% und 3 Gew.-%, liegen.Furthermore, a microwave heating and / or an ultrasound treatment can be used for the initial distribution of the components of the composition. The dispersant content of the composition may be e.g. between 0.1% by weight and 10% by weight, in particular between 1% by weight and 5% by weight, in particular between 1% by weight and 3% by weight.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung vorgesehen, dass das gravimetrische Mischungsverhältnis zwischen dem ersten Anteil und dem zweiten Anteil kleiner ist als 100:1, insbesondere kleiner als 50:1, insbesondere kleiner als 25:1.Furthermore, according to one embodiment of the composition according to the invention, it is provided that the gravimetric mixing ratio between the first portion and the second portion is less than 100: 1, in particular less than 50: 1, in particular less than 25: 1.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche in einem Verdichter, insbesondere als Flüssigkeitssäule und/oder Schmiermittel.Another aspect of the present invention relates to the use of a composition according to one of the preceding claims in a compressor, in particular as a liquid column and / or lubricant.
Die erfindungsgemäß zusammengesetzte Flüssigkeit kann mit Vorteil nunmehr auch im Hydraulikkreis eingesetzt werden. Somit kann ein und dieselbe Flüssigkeit sowohl im Gaskreislauf als auch im Hydraulikkreis bzw. im hydraulischen Antrieb des Verdichters verwendet werden. Mit Vorteil weist die erfindungsgemäße Zusammensetzung auch Notlaufeigenschaften auf.The liquid composed according to the invention can now advantageously also be used in the hydraulic circuit. Thus, one and the same liquid can be used both in the gas circulation and in the hydraulic circuit or in the hydraulic drive of the compressor. Advantageously, the composition according to the invention also has emergency running properties.
Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Zusammensetzung das Zusammenlegen des hydraulischen und des ionischen Fluidkreises. Hierdurch wird eine geringere Diversität in der Anlage aufgrund des Entfalls des eigenständigen Hydraulikkreislaufs erzielt, was den konstruktiven Aufwand mit Vorteil verringert. Hierdurch sind auch ein geringerer Serviceaufwand sowie geringere laufende Kosten zu erwarten.In particular, the composition according to the invention makes it possible to combine the hydraulic and ionic fluid circuits. As a result, a lower diversity in the system due to the elimination of the independent hydraulic circuit is achieved, which reduces the design effort with advantage. As a result, a lower service cost and lower running costs are to be expected.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Zusammensetzung mit Vorteil Notlaufeigenschaften auf. Als hinreichende Notlaufeigenschaft lässt sich im Allgemeinen die Fähigkeit eines Schmierstoffes bezeichnen, die Reduktion der Reibung (und damit des Verschleißes) zwischen zwei gleitenden Flächen, trotz Abriss eines dynamischen Schmierspalts in für eine spezielle Anwendung hinreichendem Maße aufrecht zu erhalten. In den vorliegenden Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Zusammensetzung wird dies durch den Trockenschmierstoff gewährleistet.Furthermore, the composition according to the invention advantageously has runflat properties. A sufficient runflat property is generally the ability of a lubricant to maintain the reduction of friction (and hence wear) between two sliding surfaces, despite demolition of a dynamic lubrication gap, to a degree sufficient for a particular application. In the present embodiments of the composition according to the invention this is ensured by the dry lubricant.
Zudem weist die erfindungsgemäße Zusammensetzung im Vergleich zu hydraulischen, alternden Ölen eine längere Lebensdauer auf.In addition, the composition according to the invention has a longer life compared to hydraulic, aging oils.
Weiterhin wird insbesondere durch eine MoS2-Partikelakkumulation an der Kolbendichtung die Feinabdichtung bei gleichzeitiger Reduktion der Reibung verbessert.Furthermore, in particular by a MoS 2 particle accumulation at the piston seal the fine seal is improved while reducing the friction.
Vor allem für Systeme mit besonders vielen Start-Stop-Zyklen bietet ein erfindungsgemäßes Fluid bzw. eine erfindungsgemäße Zusammensetzung beste Möglichkeiten zur Erhöhung der Standzeit.Especially for systems with a particularly large number of start-stop cycles, a fluid according to the invention or a composition according to the invention offers the best possibilities for increasing the service life.
Weitere Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung sollen nachfolgend anhand einer Figur erläutert werden. Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung der Verwendung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung bzw. einer erfindungsgemäßen Flüssigkeit in einem Verdichter.
-
1 a schematic representation of the use of a composition according to the invention or a liquid according to the invention in a compressor.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung F wird vorzugsweise in einem Verdichter
Wie hierin dargelegt, weist die Zusammensetzung F bzw. die Flüssigkeit F einen ersten Anteil bestehend aus einer ionischen Flüssigkeit sowie einen zweiten Anteil bestehend aus einem Schmierstoff (insbesondere Trockenschmierstoff) auf. Weiterhin kann die Zusammensetzung einen dritten Anteil aufweist, der aus einem Dispergiermittel besteht, das insbesondere elektrostatisch aktiv ist. Das gravimetrische Mischungsverhältnis zwischen dem ersten Anteil und dem zweiten Anteil kann gemäß verschiedenen Beispielen kleiner sein als 100:1, insbesondere kleiner als 50:1, insbesondere kleiner als 25:1.As set forth herein, the composition F or the liquid F comprises a first portion consisting of an ionic liquid and a second portion consisting of a lubricant (in particular dry lubricant). Furthermore, the composition may comprise a third portion consisting of a dispersing agent which is particularly electrostatically active. The gravimetric mixing ratio between the first portion and the second portion may, according to various examples, be less than 100: 1, in particular less than 50: 1, in particular less than 25: 1.
Weiterhin sind die Partikeldurchmesser der Schmierstoffpartikel vorzugsweise kleiner ist als 10 µm, insbesondere kleiner als 5 µm. Als Schmierstoff bzw. Trockenschmierstoff wird gemäß einem Beispiel der Erfindung insbesondere MoS2 verwendet.Furthermore, the particle diameter of the lubricant particles is preferably less than 10 .mu.m, in particular less than 5 microns. As a lubricant or dry lubricant in particular MoS 2 is used according to an example of the invention.
Gemäß
Ein derartiger Verdichter
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