Coolant formulation

Abstract

A liquid coolant formulation comprises: (a) from 50 to 95 weight percent (wt%) of a non-aqueous base coolant composition that contains at least 50 parts per hundred by weight (pphw) of an oil-soluble capped polyalkylene glycol compound such as illustrated in Formula 1 (1) and (b) from 5 to 50 wt% of a trialiphatic phosphate ester that is miscible with the base coolant composition, such as illustrated in Formula 2, (2) Both components (a) and (b) have a boiling point of at least 225℃. The cooling formulation can meet multiple requirements for coolants in electric vehicles, such as having low VOC, low viscosity, high volume resistivity, low flammability and low halogen content.

Description

COOLANT FORMULATIONFIELD

[0001] This application relates to the field of coolant systems.

[0002] INTRODUCTION

[0003] Direct liquid cooling of electronic components has been practiced in the computer industry for many years. Heat-generating computer components are contacted with a circulating non-aqueous dielectric liquid to keep them cool. In summary, a liquid cooling system contains:

[0004] (a) a liquid-impermeable housing that encloses electronic components;

[0005] (b) a cooler connected directly or indirectly to the housing;

[0006] (c) a non-aqueous liquid coolant that flows into the housing, contacts some or all of the electronic components in the housing, and then flows to the cooler to be cooled; and

[0007] (d) a pump connected to the housing and the cooler such that the pump circulates coolant directly or indirectly from the housing to the cooler and back to the housing.

[0008] Non-aqueous liquid coolants used in this process are sometimes called “heat-transfer fluids. ” Some can be used both to cool hot components and to warm cold components.

[0009] Recently, direct cooling systems are being investigated for batteries used in electric vehicles. Electric vehicles contain batteries, motors, transmissions, DC-DC converters and DC-AC inverters that generate significant heat both when in use and sometimes in charging when the vehicle is stationary. Excessive heat reduces the efficiency of electrical components and can damage them. Simple air cooling may be inadequate to remove the heat and maintain the electrical components at proper temperatures.

[0010] Liquid coolants used to cool electric vehicle components are subject to a number of criteria:

[0011] · Components of the liquid coolant should be miscible, so that the coolant does not phase separate on standing.

[0012] · Components of the liquid coolant desirably have a high boiling point to minimize loss of coolant at high temperatures and avoid regulatory scrutiny of volatiles released to the environment.

[0013] · Components of the liquid coolant desirably avoid the use of halogens to avoid regulatory scrutiny of halogenated compounds released to the environment.

[0014] · The liquid coolant desirably has low viscosity because low viscosity is linked to higher heat transfer.

[0015] · The liquid coolant desirably has resistance to the flow of electricity (volume resistivity) , to minimize the risk of electrical arcing or short circuits in the battery.

[0016] · The liquid coolant desirably has a high flash point and / or is self-extinguishing to reduce the risk of fires in the vehicle.

[0017] · The liquid coolant is desirably made from raw materials that are readily available and have low regulatory scrutiny.

[0018] It is desired to identify formulations that can provide many or all of these advantages.SUMMARY

[0019] One aspect of this invention is a liquid coolant formulation comprising (a) from 50 to 95 weight percent (wt%) of a non-aqueous base coolant composition that contains at least 50 parts per hundred by weight (pphw) of an oil-soluble capped polyalkylene glycol compound, and (b) from 5 to 50 wt%of a trialiphatic phosphate ester that is miscible with the base coolant composition, wherein:

[0020] i. both components (a) and (b) have a boiling point of at least 225℃; and

[0021] ii. the coolant formulation contains less than 5 wt%halogen; and

[0022] iii. parts per hundred by weight (pphw) are based on the weight of the base coolant composition; and

[0023] iv. weight percentages (wt%) are based on the weight of the coolant formulation.

[0024] A second aspect of this invention is a process to cool an electrical component that comprises the step of contacting the electrical component with a liquid cooling formulation of this invention.

[0025] A third aspect of the invention is a direct cooling system for an electrical component, which direct cooling system comprises:

[0026] (a) a liquid-impermeable housing that encloses electrical components;

[0027] (b) a cooler connected directly or indirectly to the housing;

[0028] (c) a coolant formulation that flows into the housing, contacts some or all of the electrical component, and then flows to the cooler; and

[0029] (d) one or more pumps connected to the housing and the cooler such that the pumps circulate coolant directly or indirectly from the housing to the cooler and back to the housing,

[0030] wherein (and characterized in that) the coolant formulation is as described in the first aspect of the invention.

[0031] Coolant formulations of this invention can avoid the use of volatile and halogenated components. They can be made from raw materials that are commonly available, inexpensive and can under low regulatory scrutiny. They can have a desirable combination of viscosity, volume resistivity and flame resistance (either high flash point of self-extinguishing or both) . They may be useful in conventional systems for liquid cooling of electrical components. They may be especially useful as coolants for electrical components in electric vehicles.DETAILED DESCRIPTION

[0032] This invention relates to a coolant formulation that comprises (a) a non-aqueous base coolant composition and (b) a trialiphatic phosphate ester ( “TPE” ) . The non-aqueous base coolant composition contains an oil-soluble capped polyalkylene glycol compound ( “PGC” ) .

[0033] Polyalkylene Glycol Compound

[0034] In some embodiments, the oil-soluble capped polyalkylene glycol compound ( “PGC” ) contains one or more polyalkylene glycol chains per molecule wherein:

[0035] (a) Each polyalkylene glycol chain contains on average at least 2 alkylene oxide repeating units; and

[0036] (b) Each alkylene oxide unit contains on average more than 2 carbon atoms per alkylene oxide unit; and

[0037] (c) Each polyalkylene glycol chain comprises two ends that are each independently capped by a hydrocarbyl ether moiety or a hydrocarbyl ester moiety.

[0038] In some embodiments, the PGC meets Formula 1:

[0039] wherein:

[0040] · - (R2-O-) x-represents a polyalkylene glycol chain that contains “x” number of alkylene oxide repeating units - (R2-O-) x-, in which each R2 is independently an alkylene moiety selected such that each R2 group contains on average more than 2 carbon atoms;

[0041] · A1 represents an end-cap linked to a first end of the polyalkylene glycol chain, which is either (a) a hydrocarbyl group (R1) that forms an ether end cap on the first end of the polyalkylene glycol chain or (b) a hydrocarbonyl (-R1- (CO) -) group that forms an ester end cap on the first end of the polyalkylene glycol chain;

[0042] · A3 represents an end-cap linked to a second end of the polyalkylene glycol chain, which is either (a) a hydrocarbyl group (R3) that forms an ether end cap on the second end of the polyalkylene glycol chain or (b) a hydrocarbonyl (- (CO) -R3 ) group that forms an ester end cap on the second end of the polyalkylene glycol chain;

[0043] · s is a number or polyalkylene glycol chains attached to A1, which equals on average from 1 to 4;

[0044] · x is on average at least 2; and

[0045] · R1, R2, R3, s and x are selected such that the PGC is oil-soluble.

[0046] In some embodiments, essentially 100 mole percent of the end caps (A1 and A3) are ether end caps, and essentially 0 mole percent are ester end caps. In some embodiments, at least 80 mole percent of the end caps (A1 and A3) are ether end caps, and at most 20 mole percent are ester end caps. In some embodiments, at least 60 mole percent of the end caps (A1 and A3) are ether end caps, and at most 40 mole percent are ester end caps. In some embodiments, at least 50 mole percent of the end caps (A1 and A3) are ether end caps, and at most 50 mole percent are ester end caps. In some embodiments, at least 45 mole percent of the end caps (A1 and A3) are ether end caps, and at most 55 mole percent are ester end caps.

[0047] In some embodiments, essentially 100 mole percent of the end caps (A1 and A3) are ester end caps, and essentially 0 mole percent are ether end caps. In some embodiments, at least 80 mole percent of the end caps (A1 and A3) are ester end caps, and at most 20 mole percent are ether end caps. In some embodiments, at least 60 mole percent of the end caps (A1 and A3) are ester end caps, and at most 40 mole percent are ether end caps. In some embodiments, at least 50 mole percent of the end caps (A1 and A3) are ester end caps, and at most 50 mole percent are ether end caps. In some embodiments, at least 45 mole percent of the end caps (A1 and A3) are ester end caps, and at most 55 mole percent are ether end caps.

[0048] In some embodiments, from 45 mole percent to 55 percent of the end caps are ether endcaps and from 45 mole percent to 55 percent of the end caps are ester end caps. In some embodiments, at least 50 mole percent of the polyalkylene glycol chains are terminated with an ether end cap at one end and an ester endcap at the other end, or at least 60 mole percent or at least 70 mole percent or at least 80 mole percent or at least 90 mole percent or at least 95 mole percent.

[0049] The hydrocarbyl moieties (R1 and R3) in the end-caps may optionally be the same or different. In some embodiments, at least one hydrocarbyl moiety (R1 and / or R3) is linear alkyl, such as a methyl, ethyl, n-propyl or n-butyl moiety. In some embodiments, at least one hydrocarbyl moiety (R1 and / or R3) is branched alkyl, such as isopropyl, isobutyl or t-butyl moiety. In some embodiments, at least one hydrocarbyl moiety (R1 and / or R3) is cyclic alkyl such as cyclohexyl or cycloheptyl moiety. In some embodiments, at least one hydrocarbyl moiety (R1 and / or R3) is aryl, such as a phenyl, tolyl or cumenyl moiety. In some embodiments, at least one hydrocarbyl moiety (R1 and / or R3) is alkaryl, such as a benzyl or 2-phenylacetyl moiety.

[0050] Each hydrocarbyl moiety (R1 and R3) contains at least one carbon atom. In some embodiments, one or both hydrocarbyl moieties (R1 and / or R3) contain on average at least 2 carbon atoms or at least 3 carbon atoms or at least 4 carbon atoms or at least 5 carbon atoms or at least 6 carbon atoms. In some embodiments, one or both hydrocarbyl moieties (R1 and / or R3) contain on average at most 15 carbon atoms or at most 14 carbon atoms or at most 13 carbon atoms or at most 12 carbon atoms.

[0051] Examples of suitable ether end caps include methyl ether, ethyl ether, propyl ether, butyl ether, pentyl ether, hexyl ether, cyclohexyl ether, phenyl ether, benzyl ether, 2-phenylethyl ether and C7 to C20 alkyl ethers.

[0052] Examples of suitable ester end caps include acetate ester, propionate ester, butyrate ester, valerate ester, benzoate ester, 2-phenylacetate ester and C6 to C20 alkyl esters.

[0053] In some embodiments, the end caps (A1 and all A3) in each PGC collectively contain on average at least 4 carbon atoms per molecule or at least 6 carbon atoms per molecule or at least 8 carbon atoms per molecule or at least 10 carbon atoms per molecule or at least 12 carbon atoms per molecule or at least 14 carbon atoms per molecule or at least 16 carbon atoms per molecule. In some embodiments, the end caps (A1 and all A3) in each PGC collectively contain on average at most 30 carbon atoms per molecule or at most 28 carbon atoms per molecule or at most 26 carbon atoms per molecule or at most 24 carbon atoms per molecule or at most 22 carbon atoms per molecule or at most 20 carbon atoms per molecule. For example, in some embodiments, the end caps (A1 and all A3) in each PGC collectively contain on average from 10 to 24 carbon atoms per molecule or from 14 to 20 carbon atoms per molecule or from 10 to 17 carbon atoms per molecule or from 18 to 24 carbon atoms per molecule.

[0054] In some embodiments, essentially all of the repeating units in the polyalkylene glycol chain have a similar chemical formula (a homopolymer) . In some embodiments, the polyalkylene glycol chain contains a mixture of two or more different alkylene oxide repeating units (a copolymer) . In some embodiments, the polyalkylene glycol chain comprises a random copolymer, and in some embodiments the polyalkylene glycol chain comprises a block copolymer.

[0055] Alkylene moieties (R2) in the polyalkylene glycol chain that contain 3 or more carbon atoms contribute to the solubility of the PGC in oil. In some embodiments the alkylene moieties (R2) in the polyalkylene glycol chain contain on average at least 2.5 carbon atoms per alkylene moiety or at least 3.0 or at least 3.1 or at least 3.2 or at least 3.3 or at least 3.4. In some embodiments the alkylene moieties (R2) in the polyalkylene glycol chain contain on average at most 4.0 carbon atoms per alkylene moiety or at most 3.8 or at most 3.7 or at most 3.6 or at most 3.5. In some embodiments more than 50 mole percent of the alkylene (R2) moieties in the polyalkylene glycol chain are propylene and / or butylene moieties, or more than 60 mole percent or more than 70 mole percent or more than 80 mole percent. In some embodiments, the polyalkylene glycol chain comprises a polypropylene oxide homopolymer. In some embodiments, the polyalkylene glycol chain comprises a polybutylene oxide copolymer. In some embodiments, the polyalkylene glycol chain comprises a propylene oxide-butylene oxide copolymer. In some embodiments, the polyalkylene glycol chain further comprises repeating units of ethylene oxide, in which some R2 are ethylene moieties.

[0056] In some embodiments, the average number of alkylene oxide repeating units (x) in the polyalkylene glycol chain is at least 2 or at least 2.5 or at least 3. In some embodiments, the average number of alkylene oxide repeating units (x) in the polyalkylene glycol chain is at most 12 or at most 10 or at most 8 or at most 7 or at most 6 or at most 5.

[0057] In some embodiments, the polyalkylene glycol chain has a number average molecular weight of at least 100 Da or at least 130 Da or at least 150 Da or at least 180 Da. In some embodiments, the polyalkylene glycol chain has a number average molecular weight of at most 650 Da or at most 550 Da or at most 450 Da or at most 400 Da.

[0058] In some embodiments, A1 is bonded to 1 polyalkylene glycol chain, and so s is 1. In some embodiments, A1 is bonded on average to more than 1 polyalkylene glycol chain, and so s is on average greater than 1. In some embodiments s is on average at least 1.5 or at least 2. In some embodiments, s is on average at most 3 or at most 2. In some embodiments s is 2. For example, A1 may be an adipate moiety or a terephthalate moiety that forms an ester end cap on two different polyalkylene glycol chains.

[0059] In some embodiments, the PGC has a number average molecular weight of at least 150 or at least 250 or at least 350 or at least 400. In some embodiments, the PGC has a number average molecular weight of at most 1000 or at most 800 or at most 600.

[0060] In some embodiments, the PGC contains no more than 1 pphw halogen based on the weight of PGC, or no more than 0.5 pphw halogen or no more than 0.1 pphw. In some embodiments, the PGC contains no measurable halogen (0 pphw) .

[0061] The polyalkylene glycol chain and end caps can be selected such that the PGC meets desirable properties.

[0062] The boiling point of the PGC is at least 225℃. In some embodiments, the boiling point of the PGC is at least 240℃ or at least 250℃ or at least 260℃ or at least 270℃ or at least 280℃ or at least 290℃ or at least 300℃. There is no maximum desired boiling point, but in some embodiments boiling point above 350℃ or 400℃ or 500℃ is unnecessary.

[0063] In some embodiments, the pour point of the PGC is at most 0℃ or at most -10℃ or at most -20℃ or at most -30℃ or at most -40℃ or at most -50℃.

[0064] In some embodiments, the flash point of the PGC is at least 150℃ or at least 160℃ or at least 170℃ or at least 180℃ or at least 190℃ or at least 200℃ or at least 210℃ or at least 220℃ or at least 230℃.

[0065] In some embodiments, the PGC has a kinematic viscosity at 100℃ of no more than 4.0 cSt or no more than 3.5 cSt or no more than 3.0 cSt or no more than 2.5 cSt or no more than 2.2 cSt or no more than 2.0 cSt. In some embodiments, the PGC has a kinematic viscosity at 100℃ of at least 1 cSt or at least 1.5 cSt or at least 2.0 cSt.

[0066] In some embodiments, the PGC has a viscosity index of at least 100 or at least 110 or at least 120 or at least 130 or at least 140 or at least 150 or at least 160 or at least 170. There is no maximum desired viscosity index but, in some embodiments, a viscosity index above 250 or 200 may be unnecessary.

[0067] In some embodiments, the PGC has a heat capacity at 95℃ of at least 1.7 J / g·K or at least 1.8 J / g·K or at least 1.9 J / g·K or at least 2.0 J / g·K or at least 2.1 J J / g·K or at least 2.2 J / g·K or at least 2.3 J / g·K. There is no maximum desired heat capacity, but in some embodiments, heat capacity (at 95℃) over 3.0 J / g·K may be unnecessary.

[0068] In some embodiments, the PGC has a dielectric constant (also called relative permittivity or εr) at 90℃ of no more than 6.0 or no more than 5.0 or no more than 4.0. In some embodiments, the PGC has a dielectric constant at 90℃ of at least 2.0 or at least 2.5 or at least 3.0 or at least 3.3 or at least 3.5.

[0069] In some embodiments, the PGC has a volume resistivity (σ) at 90℃ of at least 30 MΩ·m or at least 50 MΩ·m or at least 75 MΩ·m or at least 90 MΩ·m or at least 110 MΩ·m or at least 150 MΩ·m or at least 200 MΩ·m or at least 300 MΩ·m or at least 400 MΩ·m or at least 500 MΩ·m or at least 1000 MΩ·m. There is no maximum desired volume resistivity, but in some cases volume resistivity at 90℃ over 10000 MΩ·m may be unnecessary.

[0070] In some embodiments, the PGC has a dissipation factor at 60 Hz and 90℃ of no more than 20.0 or no more than 10.0 or no more than 5.0 or no more than 2.0 or no more than 1.0 or no more than 0.8 or no more than 0.6. There is no minimum desired dissipation factor, but in some cases dissipation factor at 60 Hz and 90℃ below 0.1 may be unnecessary.

[0071] Polyalkylene glycol compounds of this invention can be made by known processes.

[0072] · First, polyalkylene glycol chains that are capped at one end by ether or ester can be made by polymerization of alkylene oxide monomers in the presence of an alcohol or acid initiator and an anionic catalyst. See for example, and “Introduction of Polyethylene Glycol (PEG) ” , made available by BOC Sciences at https:  / / peg. bocsci. com / resources / technical-information / introduction-of-polyethylene-glycol-peg. Many suitable polyalkylene glycol chains are commercially available, such as from The Dow Chemical Company under the UCONTM OSP and DOWANOLTM TPnB trademarks.

[0073] · Second, the free hydroxyl group at one end of the polyalkylene glycol chain can be capped by reaction with a hydrocarbyl acid to form an ester or with a hydrocarbyl halide to form an ether. For ester synthesis, see e.g. US Patent Publication 2020 / 0318024 (October 8, 2020) . For ether synthesis, see e.g. PCT Publication 2016 / 018669A1 (February 4, 2016) .

[0074] Base Coolant Composition

[0075] In some embodiments, the base coolant composition contains essentially no coolants other than PGC (contains up to 100 pphw PGC) . In some embodiments, base coolant composition contains another coolant. Examples of other coolants include uncapped polyalkylene glycol polymers or oligomers, and API Group I, II, III, IV and V base oils. In some embodiments, the base coolant composition contains at least 50 parts per hundred by weight (pphw) of PGC, based on the weight of the coolant formulation, or at least 60 pphw or at least 70 pphw or at least 75 pphw or at least 80 pphw or at least 90 pphw or at least 95 pphw. In some embodiments, the coolant formulation contains at most 5 pphw of PGC or at most 90 pphw or at most 80 pphw or at most 75 pphw or at most 70 pphw or at most 60 pphw or at most 50 pphw. In some embodiments, the base coolant composition contains at least 5 parts per hundred by weight (pphw) of other coolants, based on the weight of the coolant formulation, or at least 10 pphw or at least 20 pphw or at least 25 pphw or at least 30 pphw or at least 40 pphw or at least 50 pphw. In some embodiments, the coolant formulation contains at most 50 pphw of other coolants or at most 40 pphw or at most 30 pphw or at most 25 pphw or at most 20 pphw or at most 10 pphw or at most 5 pphw.

[0076] In some embodiments, the PGC and other coolants in the base coolant composition are miscible with each other at standard temperature and pressure (0℃ and 1 bar) . Mixtures that remain clear without phase separation can be taken as miscible.

[0077] In some embodiments, the other coolants have a boiling point of at least 225℃. In some embodiments, the boiling point of the other coolants is at least 230℃ or at least 240℃ or at least 250℃or at least 260℃ or at least 270℃ or at least 280℃ or at least 290℃ or at least 300℃ or at least 320℃ or at least 340℃or at least 350℃. There is no maximum desired boiling point, but in some embodiments boiling point above 500℃ is unnecessary.

[0078] In some embodiments, the base coolant composition contains no more than 5 pphw halogen based on the weight of the base coolant composition, or no more than 4 pphw halogen or no more than 3 pphw halogen or no more than 2 pphw halogen or no more than 1 pphw halogen or no more than 0.5 pphw halogen or no more than 0.5 pphw halogen or no more than 0.1 pphw. In some embodiments, the base coolant composition contains no measurable halogen (0 pphw based on the weight of the base coolant composition) .

[0079] The boiling point of the base coolant composition is at least 225℃. In some embodiments, the boiling point of the base coolant composition is at least 240℃ or at least 250℃ or at least 260℃ or at least 270℃ or at least 280℃ or at least 290℃ or at least 300℃. There is no maximum desired boiling point, but in some embodiments boiling point above 350℃ or 400℃ or 500℃ is unnecessary.

[0080] In some embodiments, the pour point of the base coolant composition is at most 0℃ or at most -10℃ or at most -20℃ or at most -30℃ or at most -40℃ or at most -50℃.

[0081] In some embodiments, the flash point of the base coolant composition is at least 150℃ or at least 160℃ or at least 175℃ or at least 190℃ or at least 200℃ or at least 210℃ or at least 220℃ or at least 230℃.

[0082] In some embodiments, the base coolant composition has a kinematic viscosity at 100℃ of no more than 4.0 cSt or no more than 3.5 cSt or no more than 3.0 cSt or no more than 2.5 cSt or no more than 2.2 cSt or no more than 2.0 cSt. In some embodiments, the base coolant composition has a kinematic viscosity at 100℃ of at least 1 cSt or at least 1.5 cSt or at least 2.0 cSt.

[0083] In some embodiments, the base coolant composition has a heat capacity at 95℃ of at least 1.7 J / g·K or at least 1.8 J / g·K or at least 1.9 J / g·K or at least 2.0 J / g·K or at least 2.1 J / g·K or at least 2.2 J / g·K or at least 2.3 J / g·K. There is no maximum desired heat capacity, but in some embodiments, heat capacity (at 95℃) over 3.0 J / g·K may be unnecessary.

[0084] In some embodiments, the base coolant composition has a dielectric constant (also called relative permittivity or εr) at 90℃ of no more than 6.0 or no more than 5.0 or no more than 4.0. In some embodiments, the base coolant composition has a dielectric constant at 90℃ of at least 2.0 or at least 2.5 or at least 3.0 or at least 3.3 or at least 3.5.

[0085] In some embodiments, the base coolant composition has a volume resistivity (σ) at 90℃ of at least 30 MΩ·m or at least 50 MΩ·m or at least 75 MΩ·m or at least 90 MΩ·m or at least 110 MΩ·m or at least 150 MΩ·m or at least 200 MΩ·m or at least 300 MΩ·m or at least 400 MΩ·m or at least 500 MΩ·m or at least 600 MΩ·m or at least 700 MΩ·m or at least 800 MΩ·m or at least 900 MΩ·m or at least 1000 MΩ·m. There is no maximum desired volume resistivity, but in some cases volume resistivity at 90℃ over 10000 MΩ·m may be unnecessary.

[0086] In some embodiments, the base coolant composition has a dissipation factor at 60 Hz and 90℃ of no more than 20.0 or no more than 10.0 or no more than 5.0 or no more than 2.0 or no more than 1.0 or no more than 0.8 or no more than 0.6. There is no minimum desired dissipation factor, but in some cases dissipation factor at 60 Hz and 90℃ below 0.1 may be unnecessary.

[0087] Trialiphatic Phosphate Ester

[0088] The trialiphatic phosphate ester (TPE) component of the coolant formulation comprises three aliphatic moieties linked to a central phosphate moiety. In some embodiments, the TPE is represented by Formula 2:

[0089] wherein each of R4, R5 and R6 is independently an aliphatic moiety, selected such that the TPE is miscible with the PGC and has a boiling point above 225.

[0090] In some embodiments, one or more of R4, R5 and R6 is an alkyl moiety. In some embodiments, each of R4, R5 and R6 is independently an alkyl moiety. In some embodiments, R4, R5 and R6 each comprise the same alkyl moiety, such a tributyl phosphate.

[0091] In some embodiments, each of R4, R5 and R6 independently comprises at least 3 carbon atoms or at least 4 carbon atoms. In some embodiments, each of R4, R5 and R6 independently comprises at most 12 carbon atoms or at most 10 carbon atoms or at most 9 carbon atoms or at most 8 carbon atoms.

[0092] In some embodiments, the TPE contains on average (and R4, R5 and R6 contain in aggregate) at least 7 carbon atoms per molecule or at least 8 carbon atoms or at least 9 carbon atoms or at least 10 carbon atoms or at least 11 carbon atoms or at least 12 carbon atoms. In some embodiments, the TPE contains on average (and R4, R5 and R6 contain in aggregate) at most 40 carbon atoms per molecule or at most 36 carbon atoms or at most 32 carbon atoms or at most 28 carbon atoms or at most 26 carbon atoms or at most 24 carbon atoms.

[0093] R4, R5 and R6 are selected such that the TPE is miscible with the PGC at standard temperature and pressure. In some embodiments, the TPE is miscible with the PCG at 1 bar pressure down -10℃ or -20℃ or -30℃.

[0094] R4, R5 and R6 are selected such that the TPE has a boiling point of at least 225℃. In some embodiments, the boiling point of the TPE is at least 230℃ or at least 240℃ or at least 250℃ or at least 260℃ or at least 270℃ or at least 280℃ or at least 290℃ or at least 300℃ or at least 320℃ or at least 340℃ or at least 350℃. There is no maximum desired boiling point, but in some embodiments boiling point above 500℃ is unnecessary.

[0095] In some embodiments, the TPE contains no more than 5 pphw halogen, based on the weight of the base coolant composition, or no more than 4 pphw halogen or no more than 3 pphw halogen or no more than 2 pphw halogen or no more than 1 pphw halogen or no more than 0.5 pphw halogen or no more than 0.5 pphw halogen or no more than 0.1 pphw. In some embodiments, the TPE contains no measurable halogen (0 pphw based on the weight of TPE) .

[0096] Coolant Formulation

[0097] The coolant formulation contains from 50 to 95 wt%of the base coolant composition and from 5 to 50 wt%of TPE, based on the weight of the coolant formulation.

[0098] In some embodiments, the coolant formulation contains at least 55 wt%of the base coolant composition, based on the weight of the coolant formulation, or at least 60 wt%or at least 65 wt%or at least 68 wt%or at least 70 wt%.

[0099] In some embodiments, the coolant formulation contains at least 30 wt%of the PGC, based on the weight of the coolant formulation, or at least 40 wt%or at least 50 wt%or at least 60 wt%or at least 70 wt%or at least 80 wt%or at least 90 wt%.

[0100] In some embodiments, the coolant formulation contains at least 6 wt%of the TPE, based on the weight of the coolant formulation, or at least 7 wt%or at least 8 wt%or at least 9 wt%or at least 10 wt%or at least 12 wt%or at least 15 wt%. In some embodiments, the coolant formulation contains at most 45 wt%of the TPE, based on the weight of the coolant formulation, or at most 40 wt%or at most 35 wt%or at most 32 wt%or at most 30 wt%or at most 25 wt%.

[0101] In some embodiments, the coolant formulation contains additives. Examples of additives common in coolants include antioxidants, corrosion inhibitors, viscosity modifiers, pour point depressants, detergents, dispersants, anti-foaming agents, biocides and dyes. In some embodiments, the coolant formulation contains no more than 25 wt%additives, based on the weight of the coolant formulation, or no more than 10 wt%or no more than 8 wt%or no more than 5 wt%or no more than 3 wt%. In some embodiments, the coolant formulation contains at least 0.1 wt%additives, based on the weight of the coolant formulation, or at least 0.5 wt%or at least 0.8 wt%or at least 1 wt%or at least 2 wt%.

[0102] In some embodiments, additives are miscible with the PGC or form a stable suspension in the coolant formulation. In some cases, miscibility can be judged if the coolant formulation is a clear liquid.

[0103] In some embodiments, the lowest temperature of the boiling range of the coolant formulation is at least 150℃ or at least 175℃ or at least 190℃ or at least 200℃ or at least 220℃ or at least 230℃ or at least 240℃ or at least 250℃.

[0104] The coolant formulation is non-aqueous, so the presence of water should be limited in the coolant formulation. For example, the coolant formulation may contain no more than 1 wt%water or no more than 0.5 wt%or no more than 0.2 wt%or no more than 0.1 wt%or no more than 500 parts per million or no more than 100 parts per million or 0 wt%water.

[0105] The coolant formulation contains less than 5 wt%halogen based on the weight of the coolant formulation. In some embodiments, the coolant formulation contains no more than 4 wt%halogen based on the weight of the coolant formulation, or no more than 3 wt%halogen or no more than 2 wt%halogen or no more than 1.0 wt%halogen or no more than 0.5 wt%halogen or no more than 0.1 wt %. In some embodiments, the coolant formulation contains no measurable halogen (0 wt%based on the weight of the coolant formulation) .

[0106] Selection of low viscosity components can yield a low viscosity coolant formulation. In some embodiments, the coolant formulation has a kinematic viscosity at 40℃ of less than 12.0 cSt or no more than 11.5 cSt or no more than 11.0 cSt or no more than 10.5 cSt or no more than 10.0 cSt or no more than 9.5 cSt or no more than 9.0 cSt or no more than 8.5 cSt or no more than 8.0 cSt. In some embodiments, the coolant formulation has a kinematic viscosity at 40℃ of at least 3.0 cSt or at least 3.5 cSt or at least 4.0 cSt or at least 4.5 cSt or at least 5.0 cSt or at least 5.5 cSt or at least 6.0 or at least 6.5 cSt or at least 7.0 cSt or at least 7.5 cSt.

[0107] Minimizing components that have high electrical permittivity can yield a high resistivity formulation. In some embodiments, the coolant formulation has volume resistivity of at least 20 MΩ·m or at least 30 MΩ·m or at least 40 MΩ·m or at least 50 MΩ·m or at least 70 MΩ·m or at least 90 MΩ·m or at least 100 MΩ·m or at least 150 MΩ·m or at least 200 MΩ·m or at least 250 MΩ·m or at least 300 MΩ·m or at least 400 MΩ·m or at least 500 MΩ·m or at least 600 MΩ·m or at least 700 MΩ·m or at least 800 MΩ·m. There is no maximum desired volume resistivity, but in some cases volume resistivity above 2000 MΩ·m or 1500 MΩ·m is unnecessary.

[0108] High flash points reduce the risk of fire in the coolant formulation. Minimizing low-boiling flammable components can yield a formulation with a high flash point. In some embodiments, the flash point of the coolant formulation is at least 210℃ or at least 215℃ or at least 220℃ or at least 225℃ or at least 230℃ or at least 235℃ or at least 240℃ or at least 245℃ or at least 250℃or at least 255℃. There is no maximum desired flash point, but in some case flash point above 300℃ or 400℃ is unnecessary.

[0109] In some embodiments, viscosity and flash point are related, so that a more viscous cooling formulation may have a high flash point, and a less viscous cooling formulation may have a lower flash point. In some embodiments, the cooling formulation has a viscosity of no more than 10 cSt and has a flash point of at least 225℃ or at least 230℃ or at least 235℃ or at least 240℃. In some embodiments, the cooling formulation has a viscosity of less than 12 cSt (such as from 10 cSt to less than 12 cSt) and has a flash point of at least 240℃ or at least 250℃ or at least 260℃ or at least 270℃.

[0110] A material is considered “self-extinguishing” if it burns when subjected to ignition temperature but stops burning after the source of the flame has been removed. Self-extinguishing formulations also present a lower risk of fire than formulations that are not self-extinguishing. In some embodiments, the coolant formulation is self-extinguishing according to the Test Methods.

[0111] Use of Coolant Formulations

[0112] In a process of this invention, an electrical component is directly contacted with a coolant formulation of this invention. The coolant formulation takes up heat from the electrical component. For example, the process can comprise the steps of:

[0113] 1. Contacting an electrical component with the coolant formulation for a time sufficient for the coolant formulation to absorb heat from the electrical component;

[0114] 2. Removing the coolant formulation from step (1) to a cooler which removes some heat from the coolant formulation; and

[0115] 3. Returning the coolant formulation from Step (2) to step (1) .

[0116] In some embodiments, a cooling system to practice the process and / or use the coolant formulation comprises:

[0117] (a) a liquid-impermeable housing that encloses electrical components;

[0118] (b) a cooler connected directly or indirectly to the housing;

[0119] (c) the coolant formulation, which flows into the housing, contacts some or all of the electrical component, and then flows to the cooler; and

[0120] (d) a pump connected to the housing and the cooler such that the pump circulates coolant directly or indirectly from the housing to the cooler and back to the housing.

[0121] In some embodiments, the cooling system is stationary and cools stationary electrical equipment such as computer components, transformers, converters, inverters and batteries. In some embodiments the cooling system is in a vehicle. Examples of electric vehicles may include cars, sport-utility vehicles, trucks, boats, motorcycles and airplanes. In some embodiments, the electric vehicle is a car or sport utility vehicle. In some embodiments, the electric vehicle is a truck.

[0122] Part or all of an electrical component is enclosed in a housing that can contain a coolant formulation. Examples of electrical components include batteries, DC-DC converters, DC-AC inverters and motors. In some embodiments, a single housing may contain two or more electrical components to be cooled, such as a battery, a DC-DC converter and / or DC-AC inverter. In some embodiments, an electric vehicle may contain two or more housings which each contain electrical components to be cooled. In some embodiments, an electric vehicle may have one or more motors, one or more batteries, one or more converters and an inverter, enclosed on one or more housings. In some embodiments, one or more housings may also contain mechanical components such as a transmission.

[0123] Liquid coolant formulation circulates through each housing, contacts and cools components in the housings, flows to a cooler to be cooled, and then recirculates to the housings. In some embodiments, the coolant formulation may be sprayed, dripped or otherwise applied onto and / or into components in the housing (s) . In some embodiments, components in the housing (s) may be partially immersed in the coolant formulation. In some embodiments, components in the housing (s) may be fully immersed in the coolant formulation.

[0124] Each housing is connected to a cooler, which can receive coolant formulation from the housing, cool the coolant formulation, and return the coolant to the housing. Examples of coolers include radiators and heat exchangers, or simple vanes that can receive and cool the coolant. Coolers may have a fan to improve cooling when the vehicle is stationary.

[0125] The cooler may be connected to the housing by any known means, such as by tubing or channels, or it may be integrally connected to the housing so that they form a single chamber. In some embodiments, multiple housings may be connected to a single cooler, and in some embodiments, an individual housing may have its own individual cooler. For example, in an electric vehicle, housings for an electric motor, a battery, a converter and an inverter may all be connected to a single cooler, to provide a single integrated cooling system for all of these heat-generating components.

[0126] A pump is connected to the housing and the cooler and circulates coolant from the housing to cooler and back to the housing. Any pump suitable for pumping viscous liquid may be used, such as a gear pump, rotor pump or a centrifugal pump.

[0127] In some embodiments, the cooling system maintains a battery at a temperature of no more than 70℃ or no more than 65℃ or no more than 60℃ when charging and at no more than 60℃ or no more than 50℃ or no more than 45℃or no more than 40℃ when operating. In some embodiments, the cooling system maintains a motor at a temperature of no more than 110℃ or no more than 100℃ or no more than 95℃ or no more than 90℃ when operating. In some embodiments, the cooling system maintains an inverter and or converter at a temperature of no more than 150℃ or not more than 125℃ or no more than 100℃ or no more than 80℃.

[0128] In some embodiments, the cooling system may further contain a heater to warm electrical components when the temperature is too low for efficient operation. For example, lithium ion batteries lose efficiency below 15℃. A heater in contact with the coolant formulation may heat the coolant formation, which can transfer the heat to the electrical components by contact, using the same process used to cool them.

[0129] The invention is further illustrated by the following examples:

[0130] Test Methods

[0131] Unless stated otherwise, measurements listed in this application are made using the following test methods:

[0132] Examples

[0133] The following examples illustrate specific embodiments of the invention, but do not limit the broadest scope of the invention.

[0134] The materials in Table 1 are used for the Examples:

[0135] Table 1

[0136] *TDCC = The Dow Chemical Company. SCRC = Sinopharm Chemical Reagent Company

[0137] Synthesis of Capped Oligomers

[0138] The PGCs listed in Table 2 are made by the following procedures.

[0139] Capped OSP-12 (CPG-1) : A 374 g sample of UCONTM OSP-12 fluid and 102 g of valeric acid in toluene (500 mL) is stirred at room temperature. A 1.9 g quantity of PTSA (p-toluenesulfonic acid) is added while stirring and the mixture is refluxed with Dean-Stark to remove 18.0 mL water from the system at 135℃ overnight. The mixture is cooled to room temperature. A 1.12 g quantity of potassium hydroxide KOH is added and stirred overnight to neutralize PTSA. A10 g quantity of magnesium silicate added and stirred at 60℃ for 3 hours to absorb salt in the system, then the mixture was filtered through a filter paper. After filtration, the residue solvent is removed by vacuum distillation and a light yellow liquid is obtained.

[0140] Capped OSP-18 (CPG-2) : UCONTM OSP-18 (350 g) and n-pentanoic acid (76.5 g) are stirred in toluene (500 mL) at room temperature (23℃. ) . PTSA (1.42 g, 0.00749 mol) is added to the reaction mixture with stirring. The reaction mixture is refluxed overnight at 165℃ with Dean-Stark to remove 13.0 mL water. The reaction mixture is cooled to room temperature. Na2CO3 (50 g) is added to neutralize the PTSA, and the mixture is stirred overnight. Magnesium silicate (10 g) is added to absorb salt, and the mixture is stirred at 60℃. for 3 hours. The reaction mixture is filtered through filter paper. After filtration, residual solvent is removed by vacuum distillation to obtain a dark yellow liquid.

[0141] Coolant Formulations

[0142] Base coolants are thoroughly mixed with phosphate esters and other additives to make the coolant formulation shown in Table 2, until homogeneous. IE-1 to IE5 are examples of the invention. CE-1 to CE-15 are comparative examples. Coolant formulations are given the following tests, and results are shown in Table 2.

[0143] · Kinematic Viscosity at 100℃ (KV100) .

[0144] · Flash point

[0145] · Self-Extinguishing

[0146] · Volume Resistivity at 20℃.

[0147] Table 2 a -Not a phosphate ester but a common antioxidant additive for coolants which may improve flash point. b-“Non-volatile” means that the boiling point for both the base coolant and phosphate ester is above 225℃ at  atmospheric pressure. NA = not applicable.NT = Not tested.

Claims

1.A coolant formulation comprising (a) from 50 to 95 weight percent of a non-aqueous base coolant composition that contains at least 50 parts per hundred by weight (pphw) of an oil-soluble capped polyalkylene glycol compound, and (b) from 5 to 50 weight percent of a trialiphatic phosphate ester that is miscible with the base coolant composition, wherein:(i) both components (a) and (b) have a boiling point of at least 225℃; and(ii) the coolant formulation contains less than 5 wt%halogen; and(iii) parts per hundred by weight are based on the weight of the base coolant composition; and(iv) weight percentages are based on the weight of the coolant formulation.2.The coolant formulation of Claim 2 wherein the capped polyalkylene glycol compound meets the following Formula 1: (1)  and the trialiphatic phosphate ester meets the following Formula 2(2) wherein:(a) - (R2-O-) x-represents a polyalkylene glycol chain that contains “x” number of alkylene oxide repeating units - (R2-O-) x-, in which each R2 is independently an alkylene moiety selected such that each R2 group contains on average more than 2 carbon atoms;(b) A1 represents an end-cap linked to a first end of the polyalkylene glycol chain, which is either (a) a hydrocarbyl group (R1) that forms an ether end cap on the first end of the polyalkylene glycol chain or (b) a hydrocarbonyl (-R1- (CO) ) -group that forms an ester end cap on the first end of the polyalkylene glycol chain;(c) A3 represents an end-cap linked to a second end of the polyalkylene glycol chain, which is either (a) a hydrocarbyl group (R3) that forms an ether end cap on the second end of the polyalkylene glycol chain or (b) a hydrocarbonyl (- (CO) -R3 ) group that forms an ester end cap on the second end of the polyalkylene glycol chain;(d) s is a number or polyalkylene glycol chains attached to A1, which equals on average from 1 to4;(e) x is on average at least 2;(f) R1, R2, R3, s and x are selected such that the capped polyalkylene glycol compound is oil-soluble; and(g) wherein each of R4, R5 and R6 is independently an alkyl moiety, selected such that the trialiphatic phosphate ester is miscible with the capped polyalkylene glycol compound and has a boiling point above 225℃.3.The coolant formulation of Claim 2 wherein at least 70 mole percent of the alkylene oxide repeating units - (R2-O-) x-, are propylene oxide or butylene oxide repeating units and the capped polyalkylene glycol compound has a number average molecular weight from 250 Da to 800 Da.4.The coolant formulation of Claim 2 wherein R4, R5 and R6 contain in aggregate from 3 to 32 carbon atoms per molecule on average.5.The coolant formulation of Claim 2 which comprises at least 50 weight percent of capped polyalkylene glycol compound and from 8 to 35 weight percent of the trialiphatic phosphate ester.6.The coolant formulation of Claim 2 wherein both components (a) and (b) have a boiling point of at least 250℃.7.The coolant formulation of Claim 2 wherein the coolant formulation has a kinematic viscosity below 12 cSt and a flash point of at least 240℃.8.The coolant formulation of Claim 2 wherein the coolant formulation has a kinematic viscosity of no more than 10 cSt and a flash point of at least 225℃.9.The coolant formulation of Claim 2 wherein the coolant formulation has a volume resistivity at 25℃ of at least 50 MΩ·m.10.The coolant formulation of Claim 2 wherein (1) the coolant formulation has a flash point of at least 210℃, or (2) the coolant formulation is self-extinguishing, or (3) both (1) and (2) are true.11.The coolant formulation of Claim 2 wherein the coolant formulation contains less than 1 weight percent halogen.12.The coolant formulation of Claim 2 wherein:(a) The coolant formulation contains less than 1 weight percent halogen,(b) both components (a) and (b) have a boiling point of at least 250℃,(c) the coolant formulation has a volume resistivity at 25℃ of at least 50 MΩ·m,(d) (i) the coolant formulation has a kinematic viscosity below 12 cSt and a flash point of at least 240℃, or (ii) the coolant formulation has a kinematic viscosity of no more than 10 cSt and a flash point of at least 225℃, or (iii) the coolant formulation is self-extinguishing, or two or more of (i) through (iii) are true.13.A process to cool an electrical component comprising the step of contacting the electrical component with a liquid cooling formulation of any one of Claim 1 to 12.14.A direct cooling system to practice the process of Claim 13 comprising:(a) a liquid-impermeable housing that encloses electrical components;(b) a cooler connected to the housing;(c) a coolant formulation that flows into the housing, contacts some or all of the electrical components, and then flows to the cooler; and(d) one or more pumps connected to the housing and the cooler such that the pumps circulate coolant directly or indirectly from the housing to the cooler and back to the housing, wherein the coolant formulation is the coolant formulation in Claim 13.15.The direct cooling system of Claim 14 which cools one or more electrical components in an electric vehicle.

Images