KR20170009844A

KR20170009844A - 감소된 저온 점도를 지니는 비수성 열 전달 유체

Info

Publication number: KR20170009844A
Application number: KR1020167030695A
Authority: KR
Inventors: 제이. 토마스 라이트
Original assignee: 에반스 쿨링 시스템즈, 인크.
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2017-01-25
Also published as: RU2701551C2; MY189861A; CN106165190A; EP3130030A4; MX2016012925A; JP2017511411A; CN106165190B; RU2016142825A; US20150284617A1; AU2015240897B2; EP3130030B1; CA2944643C; ZA201606865B; CA2944643A1; RU2016142825A3; AU2015240897A1; JP6678114B2; WO2015153652A1; EP3130030A1

Abstract

과냉각을 나타내는 글리콜인 에틸렌 글리콜로 주로 구성되는 내연소 기관을 위한 비수성 열 전달 유체 또는 기관 냉각제가 본원에 개시된다. 유체는 과냉각을 또한 나타내는 1,3-프로판디올 및/또는 디에틸렌 글리콜로 추가로 구성된다. 상기 조합은 동일한 목적을 위한 1,2-프로판디올의 사용에 의해 부과되는 소정 정도의 점도 증가를 방지하면서 에틸렌 글리콜의 저온 작동 한계를 확대시킨다.

Description

감소된 저온 점도를 지니는 비수성 열 전달 유체{NON-AQUEOUS HEAT TRANSFER FLUID WITH REDUCED LOW TEMPERATURE VISCOSITY}

본 출원은 2014년 4월 2일자 출원된 미국 가출원 제 61/973,971호에 대해 35 U.S.C § 119(3) 하에 우선권을 주장하며, 상기 출원의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.

본 발명은 일반적으로 과냉각을 나타내는 글리콜인 에틸렌 글리콜(ethylene glycol: EG)로 주로 구성되는 비수성 열 전달 유체에 관한 것이다. 상기 유체는 추가로 과냉각을 또한 나타내는 하나 이상의 다른 글리콜로 구성된다. 열 전달 유체는 기관 냉각제(engine coolant)로서 내연 기관에서 사용될 수 있다. EG와 과냉각을 또한 나타내는 특정 글리콜을 조합함으로써, 동일한 목적으로 1,2-프로판디올(PG)을 사용하는 조합으로부터의 고점도가 방지되면서 열 전달 유체의 저온 작동 한계(low temperature operating limit: LTOL)는 낮아지고, 이에 의해서 추운 환경에서 유체의 작동 범위가 확대된다.

비수성 열 전달 유체는 어떠한 첨가되는 물 없이 포뮬레이션(formulation)되고 사용되는 열 전달 유체이다. 열 전달 유체는 전형적으로 1중량% 미만의 미량 불순물로서 어떠한 작은 부수적인 양의 물을 함유할 수 있다. 비수성 열 전달 유체를 위한 부식 억제제는 이를 용해시키기 위해 물을 필요로 하지 않는다. 대조적으로, 수성의 물-글리콜 열 전달 유체는 전형적으로 물, 하나 이상의 다가 알콜 동결점 강하제를 포함하며, 이를 용해시키는 물을 필요로 하는 하나 이상의 부식 억제제 또는 완충제를 함유할 수 있다.

액체 상태의 물은 탁월한 열 전달 특징을 지닌다. 물이 EG와 같은 다가 알콜 동결점 강하제와 조합되는 경우에도, 생성된 수성 열 전달 유체의 열 용량 및 열 전도도는 유체가 이의 액체 상태로 유지되는 한 열 전달 적용에 계속해서 바람직하다. 물-글리콜 열 전달 유체에 대한 과제는 현대의 기관 및 이의 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation: EGR) 냉각기의 높은 열 밀도 조건하에서 이를 항상 이의 액체 상태로 유지하는 것이다. 물-글리콜 열 전달 유체는 이의 비점에 가깝게 작동되며, 국부적 비등(localized boiling)으로부터의 수증기는 수증기를 응축하기에 충분히 차가운 액상의 유체로 항상 둘러싸여 있지 않다. 수증기는 열을 잘 전달하지 않는다. 50%의 에틸렌 글리콜과 함께 50%의 물인 냉각제는 이의 액체 상태에서 약 0.42 W/m·K의 열 전도도를 지니지만, 국부적 비등에 의해 유리된 수증기는 94%가 감소된 단지 0.024 W/m·K의 열 전도도를 지닌다. 수증기가 뜨거운 기관의 금속으로부터 액체 냉각제를 대신하는 경우, 조기-점화, 폭발, 및 가능한 기관 손상을 초래하는 열점(hot spot)이 발달된다.

비수성 열 전달 유체는 이들이 전형적으로 제어되는 온도보다 훨씬 더 고온인 대기 비점을 지닌다. 국부적 비등은 여전히 증기를 생성시킬 수 있지만, 증기는 더 차가운 주위의 액체 냉각제로 즉시 응축되어 증기의 포켓팅(pocketing) 및 액체 냉각제의 변형을 방지한다. 높은 비점의 비수성 냉각제의 사용은 증기의 축적을 방지함으로써 항상 뜨거운 금속과 접촉하는 액체로 유지시켜, 수증기가 존재하는 경우의 조건하에 물을 함유하는 냉각제에 비해, 개선된 열 전달을 제공한다.

비수성 냉각제를 포함할 수 있는 가장 일반적인 글리콜 중에서, EG는, 둘 모두 우수한 비수성 열 전달 유체에 있어서 매우 중요한, 가장 높은 열 전도도 및 가장 낮은 점도를 지니는 것으로 나타났다. 무수 EG의 단점은 쉽게 도달되는 저온에서 고화를 나타내는 과냉각 범위를 나타낸다는 점이다. 고화 시, 이는 이의 공개된 동결점인 더 높은 온도로 가열될 때까지 계속 고화된다.

과냉각을 나타내는 글리콜의 동결점은 저온으로부터 고화가 개시되는 온도보다 훨씬 높은 온도이다. 과냉각을 나타내는 글리콜의 과냉각 온도 범위는 동결 범위이며; 이는 더 낮은 온도에서 동결되기 시작하고, 더 높은 온도로 계속 동결된다. 과냉각을 나타내는 글리콜의 동결점은 실제로 동결된 후 고화된 물질의 융점이다. EG에 대하여 공개된 동결점은 동결을 개시하기 위해 도달되어야 하는 온도(-22℃)보다 훨씬 높은 온도인 -13℃이다. 과냉각을 나타내는 무수 글리콜의 LTOL은 동결 조짐의 개시보다 약간 높은 온도이다. LTOL이 결코 도달되지 않는 경우, 과냉각 범위 내의 작동은 결절(nodule), 결정 또는 고화 없이 안정하다. EG가 세계의 다수 부분에서 흔한 겨울철 날씨에 노출되는 경우, -21℃(이의 -13℃ 동결점보다 8℃ 더 차가움)에서의 EG에 대한 LTOL는 쉽게 벗어나 질 수 있다.

미국 특허 제8,394,287호 ('287 특허)에는 EG의 독성을 감소시키기 위한 수단뿐만 아니라 EG의 동결이 개시되는 온도를 저하시키기 위한 수단으로서 프로필렌 글리콜(PG 또는 1,2-프로판디올)의 용도가 개시되어 있다. 글리콜 중에서 독특한 PG는 특정 산업 문헌에 대조적으로 명시되어 있음에도 불구하고 과냉각 범위를 나타내지 않는다. PG는 단순하게 적어도 -65℃까지는 점점 더 걸쭉해지는데, 여기서 이는 결정질 개념의 고체보다는 오히려 "고무질(rubbery)"이다. -86℃의 더 낮은 온도로 취하면, PG는 고체이지만 여전히 결절 또는 결정을 나타내지 않는다. 이와 같이, PG는 동결이 발생하는 온도를 기초로 LTOL을 지니지 않지만, 기술적으로는 오로지 이의 저온 점도로만 제한된다. (PG에 대한 -60℃의 온도는 동결점 또는 "유리로 착수되는" 온도보다 아래의 온도로 다양하게 보고되어 있다. 또 다른 공급업체는 PG의 유동점(pour point)이 -57℃인 것으로 보고하였다.). EG에 대한 PG의 첨가는 EG에 대한 -21℃ LTOL보다 훨씬 더 차가운 온도로 EG의 LTOL을 효과적으로 낮춘다. 그러나, '287 특허에서와 같이 EG의 동결점을 낮추기 위한 PG의 사용에는 열 전달 유체의 증가된 점도의 페널티가 수반되는데, 그 이유는 PG가 저온에서 매우 점성이기 때문이다.

-40℃에서 EG는 그 자체로 물론 동결된 고체이다. -40℃에서의 PG는 21,600 mPa·s의 점도를 지니는 매우 점성이다. EG와 PG의 혼합물은 큰 정도로 점도를 저하시키는데, 그 이유는 EG가 가장 낮은 점도를 나타내는 글리콜이기 때문이다. 13.5%의 PG 및 86.5%의 EG로 구성되는 비수성 EG/PG 냉각제 혼합물은 고화 없이 -40℃를 견딜 수 있으며, 혼합물은 약 2,500 mPa·s의 점도를 지닌다. 비수성 EG-기반 열 전달 유체의 점도를 더 낮추는 것은 유리할 것이다.

비수성 에틸렌 글리콜-기반 열 전달 유체의 LTOL을 낮추기 위해 PG와 적어도 동일한 용량을 지니며, 비수성 에틸렌 글리콜 기반 열 전달 유체에 대한 PG의 첨가로부터의 결과보다 더 낮은 온도에서의 점도의 더 낮은 증가에 기여하는, 에틸렌 글리콜에 첨가될 수 있는 하나 이상의 글리콜을 찾는 것이 요망될 것이다.

현재 본 발명은 1,3-프로판디올 ("PDO") 및/또는 디에틸렌 글리콜 ("DEG")과 조합된 EG를 포함하는 비수성 열 전달 유체에 관한 것이다. EG, PDO 및 DEG 모두는 과냉각 범위를 나타낸다. EG, PDO, 및 DEG에 대하여 공개된 동결점은 각각 -13℃, -24℃, 및 -9℃이다. 이들은 이들이 더 낮은 온도에서 고화를 겪은 후 이러한 글리콜이 용융하는 온도이다. EG, PDO, 및 DEG에 대한 동결 조짐의 개시는 각각 -22℃, -45℃, 및 -36℃이다. 표 1은 각각의 이러한 글리콜에 대한 LTOL 및 과냉각 범위를 나타낸 것이다.

표 1

EG는 모든 글리콜의 가장 낮은 점도 및 모든 글리콜의 가장 큰 열 전도도를 지닌다. 이는 -22℃에서 고화되기 때문에 이것이 대부분의 기후에서 비수성 열 전달 유체로서 사용되는 것을 막는 과냉각 범위이다. 본 발명은 둘 모두 과냉각 범위를 나타내는 소량의 PDO 및/또는 DEG와 EG를 조합하는데, 이는 상기 조합이 유체에 -40℃와 같이 실질적으로 개선된 LTOL를 제공하면서 거의 모든 EG의 점도 및 열 전도도 특징을 보유하는 놀라운 결과를 야기한다. 어떠한 주어진 LTOL에서 이러한 기술에 의해 생성된 점도는 동일한 목적으로 EG/PG 혼합물을 사용하는 것으로부터의 점도보다 유의하게 낮다. 비수성 열 전달 유체는 부식의 억제에 적합한 혼성 첨가제를 함유한다.

도 1은 과냉각을 나타내는 글리콜의 일반적인 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.
도 2는 0℃ 미만의 온도에서 EG의 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.
도 3은 0℃ 미만의 온도에서 PG의 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.
도 4는 0℃ 미만의 온도에서 PDO의 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.
도 5는 0℃ 미만의 온도에서 DEG의 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.
도 6은 0℃ 미만의 온도에서 0.135의 (EG+PG)에 대한 PG의 질량 비율을 지니는 EG 및 PG를 포함하는 열 전달 유체의 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.
도 7은 0℃ 미만의 온도에서 0.14의 (EG+PDO)에 대한 PDO의 질량 비율을 지니는 EG 및 PDO를 포함하는 열 전달 유체의 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.
도 8은 0℃ 미만의 온도에서 0.275의 (EG+PDO)에 대한 PDO의 질량 비율을 지니는 EG 및 PDO를 포함하는 열 전달 유체의 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.
도 9는 0℃ 미만의 온도에서 0.40의 (EG+PDO)에 대한 PDO의 질량 비율을 지니는 EG 및 PDO를 포함하는 열 전달 유체의 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.
도 10은 0℃ 미만의 온도에서 0.22의 (EG+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율을 지니는 EG 및 DEG를 포함하는 열 전달 유체의 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.
도 11은 0℃ 미만의 온도에서 0.30의 (EG+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율을 지니는 EG 및 DEG를 포함하는 열 전달 유체의 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.
도 12은 0℃ 미만의 온도에서 0.40의 (EG+PDO)에 대한 DEG의 질량 비율을 지니는 EG 및 DEG를 포함하는 열 전달 유체의 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.
도 13은 0℃ 미만의 온도에서 0.06의 (EG+PDO+DEG)에 대한 PDO의 질량 비율을 지니고, 0.10의 (EG+PDO+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율을 지니는 EG, PDO 및 DEG를 포함하는 열 전달 유체의 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.
도 14는 0℃ 미만의 온도에서 0.12의 (EG+PDO+DEG)에 대한 PDO의 질량 비율을 지니고, 0.155의 (EG+PDO+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율을 지니는 EG, PDO 및 DEG를 포함하는 열 전달 유체의 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.
도 15는 0℃ 미만의 온도에서 0.20의 (EG+PDO+DEG)에 대한 PDO의 질량 비율을 지니고, 0.20의 (EG+PDO+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율을 지니는 EG, PDO 및 DEG를 포함하는 열 전달 유체의 온도 프로파일을 보여주는 차트이다.

본 발명은 PDO 및/또는 DEG와 조합된 EG를 포함하는 비수성 열 전달 유체에 관한 것이다. 충분한 양의 PDO 및/또는 DEG가 EG와 조합되는 경우, 생성된 열 전달 유체의 LTOL은 EG의 LTOL 미만의 어떠한 온도로 감소될 수 있고, 이에 의해서 비수성 열 전달 유체의 작동 범위를 연장시킨다.

비수성 열 전달 유체는 무수 EG로 시작되는데, 그 이유는 EG가 (1) 모든 알킬렌 글리콜의 가장 높은 열 전도도를 지니고, (2) 모든 알킬렌 글리콜의 가장 낮은 점도를 지니기 때문이다. 무수 열 전달 유체에서 EG를 사용하는 중요한 단점은 이것이 추운 기후에 쉽게 접하게 되는 온도에서 동결된다는 것이다.

EG, DEG, 및 PDO를 포함하는 대부분의 무수 글리콜은 일반적으로 도 1에 나타나 있는 과냉각 범위를 지닌다. 과냉각 범위를 지니는 글리콜은, 결정 또는 결절이 액체 형태로 다시 용융될 온도보다 훨씬 낮은 온도에 유체가 도달할 때까지, 고체 결정 또는 결절의 형태와 같은 동결의 어떠한 물리적 특징을 나타내지 않는다. 과냉각을 나타내는 글리콜의 과냉각 온도 범위는 동결 범위이며; 이는 더 낮은 온도에서 동결되기 시작하고, 더 높은 온도로 계속 동결되는 것으로 기재될 수 있다. 과냉각을 나타내는 글리콜의 "동결점"은 실제로 동결된 후 고화된 물질의 융점이다. 실제로, "동결점"으로 흔히 지칭되는 온도는 일반적으로 고체 물질의 융점을 측정하는 장치를 사용하여 결정된다. 과냉각을 나타내는 무수 글리콜의 LTOL은 동결 조짐의 개시 온도보다 약간 높은 온도이다. LTOL이 결코 도달되지 않는 경우, 과냉각 범위 내의 작동은 결절, 결정 또는 고화 없이 안정하다.

도 2에 나타나 있는 바와 같이, EG는 -13℃의 동결점 및 -22℃에서 -13℃로 연장하는 과냉각 범위를 지닌다. EG의 LTOL은 약 -21℃이다. 즉, 동결 조짐이 개시되는 온도인 -22℃보다 약 1도 더 따뜻하다.

도 3은 PG가 과냉각 범위를 나타내지 않으며, 실제로 동결 조건을 개시할 결절 또는 결정을 형성시키지 않았음을 나타낸다. -65℃에서의 실제 시험에서, 동결 조짐을 나타내지 않는 PG는 투명했지만, 매우 걸쭉한 액체였으며, 매우 느리지만 유동할 것이다. 시험 장비의 제한치인 -86℃ 아래의 온도로 취하는 경우, PG는 고체이지만 결정질이 아니다. 재가열은 용융을 발생시키지 않고, 오히려 점도를 감소시킨다. 종래 기술에서, EG에 첨가된 PG는 첨가된 PG의 양에 좌우하여 더 낮은 LTOL을 야기하였다. 목적 상 PG를 사용하는 단점은 저온에서 생성된 열 전달 유체의 점도가 지나치게 높다는 것이다. -40℃에서 시험된 순수한 PG의 점도는 21,600 mPa·s인 것으로 밝혀졌다. 동일한 온도에서 시험된 순수한 PDO의 점도는 단지 3480 mPa·s였다. (순수한 DEG의 점도는 -40℃에서 확인될 수 없었는데, 그 이유는 -36℃에서 고화되기 때문이다.)

도 4에서 PDO는 PG의 특징(도 3)과 매우 상이한 특징을 나타낸다. 도 4에 나타나 있는 바와 같이, PDO는 -24℃의 동결점 및 -45℃에서 -24℃로 연장하는 과냉각 범위를 지닌다. PDO의 LTOL은 약 -44℃이다. 즉, 동결 조짐이 개시되는 온도인 -45℃보다 약 1도 더 따뜻하다.

도 5에서 DEG는 모두 과냉각 범위를 나타내는 EG(도 2)와 PDO(도 4) 둘 모두와 분명히 차이를 나타낸다. 도 5에 나타나 있는 바와 같이, DEG는 -9℃의 동결점 및 -36℃에서 -9℃로 연장하는 과냉각 범위를 지닌다. DEG의 LTOL은 약 -35℃이다. 즉, 동결 조짐이 개시되는 온도인 -36℃보다 약 1도 더 따뜻하다.

도 6은 0.135의 (EG+PG)에 대한 PG의 질량 비율에서 과냉각을 나타내는 EG를 그렇지 않은 PG와 조합한 효과를 나타낸다. 생성된 열 전달 유체는 과냉각을 나타내며, -40℃의 LTOL을 지닌다. 열 전달 유체의 점도는 -40℃에서 2540 mPa·s이다.

놀라운 발견으로, 본 발명자들은 EG의 LTOL이 자체로 과냉각을 나타내는 PDO의 첨가에 의해 훨씬 더 차가운 온도로 연장될 수 있다는 것을 발견하였다. 도 7은 0.14의 (EG+PDO)에 대한 PDO의 질량 비율에서 EG와 PDO를 조합하는 효과를 나타낸다. 생성된 열 전달 유체는 과냉각을 나타내며, -40℃의 LTOL을 지닌다. -40℃에서 EG/PDO 혼합물의 점도를, 유사한 농도의 PG를 사용한 2540 mPa-s에 비해 23% 점도가 감소된 1950 mPa-s에서 시험하였다. EG/PDO 혼합물의 더 낮은 점도는 특히 차가운 기후하에 열 전달 적용에서 유체를 사용하는 경우에 유리하다.

(EG+PDO)에 대한 PDO의 질량 비율(약 0.50에 대한 범위)이 높을수록 LTOL 값이 낮아졌다. 도 8은 (EG+PDO)에 대한 PDO의 질량 비율을 0.275를 증가시킴에 의한 -51.1℃의 LTOL을 나타낸다. -51.1℃ (-60℉)의 LTOL은 북극 지역에서 사용하기 위해 배합된 냉각제에 적절한 LTOL이다.

(EG+PDO)에 대한 PDO의 질량 비율을 0.40 및 그 초과로 더 증가시킴으로써 다음과 같이 또 다른 예기치 않은 결과가 야기되었다: 이러한 범위에서 PDO/EG의 조합은 동결 조짐을 지니지 않았으며, -86℃(시험 장치의 제한치) 만큼 차가운 온도에서는 액체에서 고체로 변화되지 않았다. 다시 말해서, (EG+PDO)에 대한 PDO의 0.40 질량 비율을 지니는 EG와 PDO의 혼합물은 과냉각되지 않았다. 도 9에서 0.40의 (EG+PDO)에 대한 PDO의 질량 비율은, EG/PDO 조합이 -86℃ 미만의 모든 방식에서 매우 느리지만 계속 유동한다는 것을 제외하고, 순수한 PG에 대한 도 3과 유사하게 보여졌다. (EG+PDO)에 대한 PDO의 유용한 질량 비율은 약 0.05 내지 약 0.50의 범위였다.

놀라운 발견으로, 본 발명자들은 EG의 LTOL이 자체로 과냉각을 나타내는 DEG의 첨가에 의해 또한 훨씬 더 차가운 온도로 연장될 수 있다는 것을 발견하였다. 도 10은 0.22의 (EG+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율에서 EG와 DEG를 조합한 효과를 나타낸 것이다. 생성된 열 전달 유체는 과냉각을 나타내며, -40℃의 LTOL을 지닌다. -40℃의 LTOL 능력을 지니는 EG 기반 열 전달 유체의 점도를, PG를 사용한 2540 mPa-s에 비해 15.9% 점도가 감소된 DEG를 사용한 2135 mPa-s에서 시험하였다. EG/PDO 경우에서와 같이 상당하지는 않지만, EG/DEG 혼합물의 더 낮은 점도는 특히 차가운 기후에서 열 전달 적용에 유체를 사용하는데 있어서 유리하다.

(EG+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율이 높을수록 LTOL 값은 점점 낮아졌다. 도 11은 (EG+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율을 0.30으로 증가시킴에 의한 -51.1℃의 LTOL을 나타낸 것이다. -51.1℃ (-60℉)의 LTOL은 북극 지역에서 사용하기 위해 배합된 냉각제에 적절한 LTOL이다.

0.30 내지 약 0.50 범위의 (EG+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율이 높을수록 LTOL 값은 점점 더 낮아졌다. 0.40의 (EG+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율은 다음과 같이 또 다른 예기치 않은 결과를 야기하였다: 이러한 질량 비율의 DEG/EG 조합은 냉각 조짐을 지니지 않으며, -86℃ 만큼 차가운 온도에서는 액체에서 고체로 변화하지 않았는데, 이는 이것이 과냉각되지 않았음을 나타낸다. 도 12에서 0.40의 (EG+DEG)에 대한 DEG는 0.40의 (EG+PDO)에 대한 PDO의 질량 비율을 나타낸 도 9에서와 동일한 것으로 보였다. (EG+DEG)에 대한 DEG의 유용한 질량 비율은 약 0.05 내지 약 0.50의 범위였다.

놀라운 발견으로, 본 발명자들은 EG의 LTOL이 자체로 모두 과냉각을 나타내는 PDO와 DEG 둘 모두의 첨가에 의해 훨씬 더 차가운 온도로 연장될 수 있다는 것을 발견하였다. 도 13은 0.06의 (EG+PDO+DEG)에 대한 PDO의 질량 비율 및 0.10의 (EG+PDO+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율에서 EG, PDO 및 DEG를 조합한 효과를 나타낸 것이다. 생성된 열 전달 유체는 과냉각을 나타내며, -40℃의 LTOL을 지녔다.

(EG+PDO+DEG)에 대한 PDO 및 (EG+PDO+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율이 클수록 LTOL 값이 점점 더 낮아졌다. 도 14는 (EG+PDO+DEG)에 대한 PDO의 질량 비율을 0.12로 증가시키고, (EG+PDO+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율을 0.155로 증가시킴으로써 달성된 -51.1℃의 LTOL을 나타낸 것이다.

(EG+PDO+DEG)에 대한 PDO 및 (EG+PDO+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율이 높을수록 LTOL 값이 점점 더 낮아졌다. 0.20의 (EG+PDO+DEG)에 대한 DEG와 함께 0.20의 (EG+PDO+DEG)에 대한 PDO의 질량 비율은 다음과 같이 추가의 또 다른 예기치 않은 결과를 야기하였다: 이러한 질량 비율의 PDO/DEG/EG 조합은 동결 조짐을 지니지 않고, -86℃ 만큼 차가운 온도에서는 액체에서 고체로 변화되지 않았으며, 이것이 과냉각되지 않았음을 나타냈다. 도 15에서 이러한 질량 비율은 0.40의 (EG+PDO)에 대한 PDO의 질량 비율을 지니는 도 9와 동일하며, 0.40의 (EG+DEG)에 대한 DEG를 지니는 도 12와 동일한 것으로 보인다.

비수성 EG-기반 열 전달 유체가 PDO와 DEG 둘 모두를 포함하는 경우, 유용한 (EG+PDO+DEG)에 대한 PDO의 질량 비율 범위는 약 0.025 내지 약 0.40일 것이며, 유용한 (EG+PDO+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율 범위는 약 0.025 내지 약 0.40일 것이다. (EG+PDO+DEG)에 대한 (PDO+DEG)의 질량 비율의 유용한 범위는 약 0.05 내지 약 0.50이다.

열 전달 유체는 또한 하나 이상의 부식 억제 첨가제를 함유할 수 있다. 비수성 열 전달 유체는 포뮬레이션되는 경우 단지 미량의 물, 즉, 1.0중량% 미만의 물을 함유한다. 사용 시에 추가량의 물이 불순물로서 존재할 수 있는 것이 가능하다. 일반적으로, 사용 동안 비수성 열 전달 유체의 물 함량은 약 3%, 덜 바람직하게는 5%를 초과하지 않아야 한다.

비수성 열 전달 유체가 물을 거의 함유하지 않기 때문에, 부식 억제제는 열 전달 유체에서의 글리콜들 중 적어도 하나에 가용성이어야 한다. 열 전달 유체에 사용될 수 있는 부식 억제제 첨가제는 니트레이트, 예컨대, 소듐 니트레이트, 몰리브데이트, 예컨대, 소듐 몰리브데이트, 아졸 화합물, 예컨대, 톨릴트리아졸(TT), 수소화 톨릴트리아졸(THT), 부틸벤조트리아졸(BBT), 또는 이들의 혼합물, 및 하나 이상의 유기산 부식 억제제, 예컨대, 2-에틸헥산산을 포함한다. 이러한 부식 억제제들의 조합물이 또한 사용될 수 있다. 추가로, 포타슘 또는 소듐 하이드록사이드는 열 전달 유체의 pH를 요망되는 수준까지 상승시키기 위해 적합하게 첨가될 수 있다. 부식 억제제 첨가제는 약 0.05중량% 내지 약 3중량%의 농도로 존재할 수 있다.

기관 냉각제로서 사용되는 비수성 열 전달 유체에 있어서 중요한 다양한 수준점(benchmark)이 존재한다. 가장 중요한 것은 -40℃의 LTOL인데, 그 이유는 지구 표면의 대부분에 대한 온도는 항상 냉각되는 온도에 결코 도달하지 못하기 때문이다. 한 가지 구체예에서, -40℃의 LTOL을 지니는 열 전달 유체는 약 0.14의 (EG+PDO)에 대한 PDO의 질량 비율로 EG와 PDO로 구성된다. 열 전달 유체는 추가로 니트레이트, 예컨대, 소듐 니트레이트, 몰리브데이트, 예컨대, 소듐 몰리브데이트, 아졸, 예컨대, 톨릴트리아졸(TT), 수소화 톨릴트리아졸(THT), 부틸벤조트리아졸(BBT), 또는 이들의 혼합물, 카복실산, 예컨대, 2-에틸헥산산, 및 하이드록사이드, 예컨대, 포타슘 하이드록사이드로부터 선택된 하나 이상의 부식 억제제로 구성된다. 하나 이상의 부식 억제제는 다음 농도로 존재할 수 있다: 니트레이트: 약 0.05% 내지 약 3%, 몰리브데이트: 약 0.05% 내지 약 3%, 아졸: 약 0.1% 내지 약 3%, 카복실산: 약 0.1% 내지 약 3%, 및 하이드록사이드: 약 0.1% 내지 약 3%. 이러한 바람직한 구체예는 -40℃의 LOTL를 지니는 비슷한 PG/EG에 대한 2540 mPa·s와 비교하여 -40℃에서 1950 mPa·s의 점도를 나타낸다.

두 번째 구체예에서, -40℃의 LTOL을 지니는 열 전달 유체는 약 0.22의 (EG+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율로 EG 및 DEG로 구성된다. 열 전달 유체는 추가로 니트레이트, 예컨대, 소듐 니트레이트, 몰리브데이트, 예컨대, 소듐 몰리브데이트, 아졸, 예컨대, 톨릴트리아졸(TT), 수소화 톨릴트리아졸(THT), 부틸벤조트리아졸(BBT), 또는 이들의 혼합물, 카복실산, 예컨대, 2-에틸헥산산, 및 하이드록사이드, 예컨대, 포타슘 하이드록사이드로부터 선택된 하나 이상의 부식 억제제로 구성된다. 하나 이상의 부식 억제제는 다음 농도로 존재할 수 있다: 니트레이트: 약 0.05% 내지 3%, 몰리브데이트: 약 0.05% 내지 3%, 아졸: 약 0.1% 내지 3%, 카복실산: 약 0.1% 내지 3%, 및 하이드록사이드: 약 0.1% 내지 3%. 이러한 두 번째 구체예는 -40℃의 LOTL를 지니는 비슷한 PG/EG에 대한 2540 mPa·s와 비교하여 -40℃에서 2135 mPa·s의 점도를 나타낸다.

세 번째 구체예에서, -40℃의 LTOL을 지니는 열 전달 유체는 약 0.06의 (EG+PDO+DEG)에 대한 PDO의 질량 비율 및 약 0.10의 (EG+PDO+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율로 EG, PDO, 및 DEG로 구성된다. 열 전달 유체는 추가로 니트레이트, 예컨대, 소듐 니트레이트, 몰리브데이트, 예컨대, 소듐 몰리브데이트, 아졸, 예컨대, 톨릴트리아졸(TT), 수소화 톨릴트리아졸(THT), 부틸벤조트리아졸(BBT), 또는 이들의 혼합물, 카복실산, 예컨대, 2-에틸헥산산, 및 하이드록사이드, 예컨대, 포타슘 하이드록사이드로부터 선택된 하나 이상의 부식 억제제로 구성된다. 하나 이상의 부식 억제제는 다음 농도로 존재할 수 있다: 니트레이트: 약 0.05% 내지 3%, 몰리브데이트: 약 0.05% 내지 3%, 아졸: 약 0.1% 내지 3%, 카복실산: 약 0.1% 내지 3%, 및 하이드록사이드: 약 0.1% 내지 3%. 이러한 구체예는 -40℃의 LOTL를 지니는 비슷한 PG/EG에 대한 2540 mPa·s와 비교하여 -40℃에서 2001 mPa·s의 점도를 나타낸다.

기관 냉각제로서 사용되는 비수성 열 전달 유체에 있어서 중요한 또 다른 수준점은 -51.1℃ (-60℉)의 LTOL인데, 그 이유는 이 온도가 대부분의 북극 환경보다 차갑기 때문이다. -51.1℃의 LTOL에 대한 열 전달 유체의 구체예는 1) 약 0.275의 (EG+PDO)에 대한 PDO의 질량 비율로 EG 및 PDO로 구성되거나, 2) 약 0.30의 (EG+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율로 EG 및 DEG로 구성되거나, 3) 약 0.12의 (EG+PDO+DEG)에 대한 PDO의 질량 비율 및 약 0.155의 (EG+PDO+DEG)에 대한 DEG의 질량 비율로 EG, PDO, 및 DEG로 구성될 수 있다.

-51.1℃의 LTOL을 지니는 열 전달 유체의 이러한 구체예는 추가로 니트레이트, 예컨대, 소듐 니트레이트, 몰리브데이트, 예컨대, 소듐 몰리브데이트, 아졸, 예컨대, 톨릴트리아졸 (TT), 수소화 톨릴트리아졸 (THT), 부틸벤조트리아졸 (BBT), 또는 이들의 혼합물, 카복실산, 예컨대, 2-에틸헥산산, 및 하이드록사이드, 예컨대, 포타슘 하이드록사이드로부터 선택된 하나 이상의 부식 억제제로 구성된다. 하나 이상의 부식 억제제는 다음 농도로 존재할 수 있다: 니트레이트: 약 0.05% 내지 3%, 몰리브데이트: 약 0.05% 내지 3%, 아졸: 약 0.1% 내지 3%, 카복실산: 약 0.1% 내지 3%, 및 하이드록사이드: 약 0.1% 내지 3%.

적은 비율의 다른 다가 알콜, 예컨대, 글리세롤, 테트라에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, PG, 트리프로필렌 글리콜, 및 디프로필렌 글리콜은 이들이 부정적인 특징의 점도로 첨가되는 것을 제외하고 큰 영향 없이 본원에 기재된 열 전달 유체에 첨가될 수 있다.

본원의 교시를 기초로 하여 당업자에 의해 인식될 바와 같이, 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어남 없이 본 발명의 상술된 구체예에 대하여 다수 변화 및 변경이 이루어질 수 있다. 이에 따라서, 본 발명의 특정 구체예의 상세한 설명은 제한적인 의미가 아니라 오히려 예시적인 것으로 이해되어야 한다.

Claims

에틸렌 글리콜 (EG); 및 1,3-프로판디올 (PDO), 디에틸렌 글리콜 (DEG) 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 글리콜을 포함하는 내연소 기관(internal combustion engine)을 위한 비수성 열 전달 유체 또는 기관 냉각제.
제 1항에 있어서, EG 및 PDO의 총 질량에 대한 PDO의 질량 비율이 약 0.05 내지 약 0.50인, 비수성 열 전달 유체.
제 2항에 있어서, 니트레이트, 몰리브데이트, 아졸, 유기산 부식 억제제, 및 하이드록사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 부식 억제 첨가제를 추가로 포함하는, 비수성 열 전달 유체.
제 3항에 있어서, 니트레이트가 약 0.05% 내지 약 3% 농도의 소듐 니트레이트이고, 몰리브데이트가 약 0.05% 내지 약 3% 농도의 소듐 몰리브데이트이고; 아졸이 약 0.05% 내지 약 3% 농도의, 톨릴트리아졸 (TT), 수소화 톨릴트리아졸 (THT), 부틸벤조트리아졸 (BBT), 또는 이들의 혼합물이고; 유기산 부식 억제제가 약 0.1% 내지 약 3% 농도의 2-에틸헥산산 (2-EHA)이고; 하이드록사이드가 약 0.1% 내지 약 3% 농도의 포타슘 하이드록사이드인, 비수성 열 전달 유체.
제 1항에 있어서, EG 및 DEG의 총 질량에 대한 DEG의 질량 비율이 약 0.05 내지 약 0.50인, 비수성 열 전달 유체.
제 5항에 있어서, 니트레이트, 몰리브데이트, 아졸, 유기산 부식 억제제, 및 하이드록사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 부식 억제 첨가제를 추가로 포함하는, 비수성 열 전달 유체.
제 6항에 있어서, 니트레이트가 약 0.05% 내지 약 3% 농도의 소듐 니트레이트이고, 몰리브데이트가 약 0.05% 내지 약 3% 농도의 소듐 몰리브데이트이고; 아졸이 약 0.05% 내지 약 3% 농도의, 톨릴트리아졸 (TT), 수소화 톨릴트리아졸 (THT), 부틸벤조트리아졸 (BBT), 또는 이들의 혼합물이고; 유기산 부식 억제제가 약 0.1% 내지 약 3% 농도의 2-에틸헥산산 (2-EHA)이고; 하이드록사이드가 약 0.1% 내지 약 3% 농도의 포타슘 하이드록사이드인, 비수성 열 전달 유체.
제 1항에 있어서, EG, PDO 및 DEG의 총 질량에 대한 PDO의 질량의 비율이 약 0.025 내지 약 0.40이고, EG, PDO 및 DEG의 총 질량에 대한 DEG의 질량의 비율이 약 0.025 내지 약 0.40이고, EG, PDO 및 DEG의 총 질량에 대한 PDO 및 DEG의 총 질량의 비율이 약 0.05 내지 약 0.50인, 비수성 열 전달 유체.
제 8항에 있어서, 니트레이트, 몰리브데이트, 아졸, 유기산 부식 억제제, 및 하이드록사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 부식 억제 첨가제를 추가로 포함하는, 비수성 열 전달 유체.
제 9항에 있어서, 니트레이트가 약 0.05% 내지 약 3% 농도의 소듐 니트레이트이고, 몰리브데이트가 약 0.05% 내지 약 3% 농도의 소듐 몰리브데이트이고; 아졸이 약 0.05% 내지 약 3% 농도의, 톨릴트리아졸 (TT), 수소화 톨릴트리아졸 (THT), 부틸벤조트리아졸 (BBT), 또는 이들의 혼합물이고; 유기산 부식 억제제가 약 0.1% 내지 약 3% 농도의 2-에틸헥산산 (2-EHA)이고; 하이드록사이드가 약 0.1% 내지 약 3% 농도의 포타슘 하이드록사이드인, 비수성 열 전달 유체.
PDO, DEG 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 글리콜과 EG를 조합하는 단계를 포함하는, 순수한 에틸렌 글리콜과 비교하여 감소된 저온 작동 한계(Low Temperature Operating Limit)를 지니는, 내연소 기관을 위한 EG-기반 비수성 열 전달 유체 또는 기관 냉각제를 생산하기 위한 방법.
제 11항에 있어서, 생성된 열 전달 유체에서 EG 및 PDO의 총 질량에 대한 PDO의 질량의 비율이 약 0.05 내지 약 0.50인 방법.
제 12항에 있어서, 니트레이트, 몰리브데이트, 아졸, 유기산 부식 억제제, 및 하이드록사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 부식 억제제를 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 13항에 있어서, 니트레이트가 약 0.05% 내지 약 3% 농도의 소듐 니트레이트이고, 몰리브데이트가 약 0.05% 내지 약 3% 농도의 소듐 몰리브데이트이고; 아졸이 약 0.05% 내지 약 3% 농도의, 톨릴트리아졸 (TT), 수소화 톨릴트리아졸 (THT), 부틸벤조트리아졸 (BBT), 또는 이들의 혼합물이고; 유기산 부식 억제제가 약 0.1% 내지 약 3% 농도의 2-에틸헥산산 (2-EHA)이고; 하이드록사이드가 약 0.1% 내지 약 3% 농도의 포타슘 하이드록사이드인 방법.
제 11항에 있어서, 생성된 열 전달 유체에서 EG 및 DEG의 총 질량에 대한 DEG의 질량의 비율이 약 0.10 내지 약 0.50인 방법.
제 15항에 있어서, 니트레이트, 몰리브데이트, 아졸, 유기산 부식 억제제, 및 하이드록사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 부식 억제제를 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 16항에 있어서, 니트레이트가 약 0.05% 내지 약 3% 농도의 소듐 니트레이트이고, 몰리브데이트가 약 0.05% 내지 약 3% 농도의 소듐 몰리브데이트이고; 아졸이 약 0.05% 내지 약 3% 농도의, 톨릴트리아졸 (TT), 수소화 톨릴트리아졸 (THT), 부틸벤조트리아졸 (BBT), 또는 이들의 혼합물이고; 유기산 부식 억제제가 약 0.1% 내지 약 3% 농도의 2-에틸헥산산 (2-EHA)이고; 하이드록사이드가 약 0.1% 내지 약 3% 농도의 포타슘 하이드록사이드인 방법.
제 11항에 있어서, EG, PDO 및 DEG의 총 질량에 대한 PDO의 질량의 비율이 약 0.025 내지 약 0.40이고, EG, PDO 및 DEG의 총 질량에 대한 DEG의 질량의 비율이 약 0.025 내지 약 0.40이고, EG, PDO 및 DEG의 총 질량에 대한 PDO 및 DEG의 총 질량의 비율이 약 0.05 내지 약 0.50인 방법.
제 18항에 있어서, 니트레이트, 몰리브데이트, 아졸, 유기산 부식 억제제, 및 하이드록사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 부식 억제제를 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 19항에 있어서, 니트레이트가 약 0.05% 내지 약 3% 농도의 소듐 니트레이트이고, 몰리브데이트가 약 0.05% 내지 약 3% 농도의 소듐 몰리브데이트이고; 아졸이 약 0.05% 내지 약 3% 농도의, 톨릴트리아졸 (TT), 수소화 톨릴트리아졸 (THT), 부틸벤조트리아졸 (BBT), 또는 이들의 혼합물이고; 유기산 부식 억제제가 약 0.1% 내지 약 3% 농도의 2-에틸헥산산 (2-EHA)이고; 하이드록사이드가 약 0.1% 내지 약 3% 농도의 포타슘 하이드록사이드인 방법.