WO2006087333A1

WO2006087333A1 - Prozess- bzw. arbeitsmaschine mit ionischer flüssigkeit als betriebsflüssigkeit

Info

Publication number: WO2006087333A1
Application number: PCT/EP2006/050941
Authority: WO
Inventors: Claus Hilgers; Marc Uerdingen; Markus Wagner; Peter Wasserscheid; Eberhard Schlücker
Original assignee: Solvent Innovation GmbH
Current assignee: Solvent Innovation GmbH
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2007-08-16
Also published as: US20080038123A1; DE102005007100A1; EP1848789A1; JP2008530441A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prozess- bzw. Arbeitsmaschine mit einer Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit, wobei die Erfindung darin besteht, dass die Betriebsflüssigkeit eine ionische Flüssigkeit ist. Die Erfindung besteht außerdem in der Verwendung von Betriebsflüssigkeiten in Prozess- bzw. Arbeitsmaschinen dahingehend, dass eine ionische Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit, insbesondere als Schmierflüssigkeit, Sperrflüssigkeit, Abdichtflüssigkeit, Druckübertragungsflüssigkeit usw., verwendet wird.

Description

Prozess- bzw. Arbeitsmaschine mit ionischer Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit

Die Erfindung betrifft eine Prozess- bzw. Arbeitsmaschine mit einer Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit.

In vielen Förder-, Wirk- und Arbeitsprinzipien von Prozess- und Arbeitsmaschinen werden Betriebsflüssigkeiten zur Funktionserhaltung und/oder -sicherstellung ver- wendet.

So werden im Bereich von Prozessmaschinen, wie Pumpen, insbesondere Vakuumpumpen, Drehschieberpumpen, Flügelzellenpumpen, Kolbenpumpen, Membranpumpen, usw., bei Kompressoren, wie Schraubenkompressoren usw., sowie bei Kolbenmaschinen Flüssigkeiten, bevorzugt Öle, als Schmierfluid, Abdich- tungsfluid, Sperrfluid, Druckübertragungsfluid, d. h. ganz allgemein als Betriebsflüssigkeit eingesetzt. Hierdurch wird der Einsatz einer Prozessmaschine überhaupt erst ermöglicht, da sich damit beispielsweise eine Reduzierung des Verschleißes, der Reibung sowie des Spaltleckagestromes erzielen lässt.

Typische Beispiele solcher Anwendungen sind:

a) Hydraulische Membranpumpen. Hierbei wird Öl oder eine andere Flüssigkeit als Hydraulikflüssigkeit für den Membranantrieb sowie als Kopplungsfluid zwi- sehen den Membranen verwendet;

b) Verschiedene Typen von Vakuumpumpen und Verdichtern, wie Drehschieberpumpen, Rootspumpen, Drehkolbenverdichter, Schraubenverdichter, Kolbenkompressoren, Scrol I Verdichter usw. Hier gelangen Schmierflüssigkeiten zur Schmierung, aber auch zur Abdichtung der Verdichterorgane sowie zur Kühlung der Verdichterorgane und der Förderfluide zur Anwendung; c) Flüssigkeitsringvakuumpumpen. Diese verwenden Flüssigkeiten als Betriebsflüssigkeit zur Erzeugung des Fördereffektes (flüssiger Kolben), zur Schmierung sowie zur Aufnahme der Kompressionswärme.

d) Arbeitsmaschinen und Arbeitsaggregate, wie Motoren, Getriebe, Hydrauliksysteme usw. Hier gelangen Flüssigkeiten als Schmierfluide, d.h. zur Lagerschmierung, zur Zahnschmierung usw., sowie zur Kraftübertragung, insbesondere bei Hydraulikaggregaten, Hydraulikzylindern, Hebevorrichtungen usw., zum Einsatz;

Als Folge davon ergeben sich bestimmte Vorteile, die unter anderem in Folgendem bestehen:

a) Steigerung des Wirkungsgrades, b) Schutz vor Verschleiß und c) Verdunstungskühlung, d. h. die Flüssigkeit verdunstet in den Pumpenkammern bei Überschreitung der Verdampfungstemperatur und kühlt damit das Prozessgas, da die Flüssigkeit einen Teil der Verdichtungswärme aufnimmt.

Einer derartigen Verwendung der bekannten Betriebsmittelflüssigkeiten in Pro- zess- und Arbeitsmaschinen stehen jedoch gravierende Nachteile gegenüber. So bestimmt der Dampfdruck derartiger Flüssigkeiten den minimalen Druck in einer Prozessmaschine, wobei im Fall einer Verdampfung der Flüssigkeit diese wieder aus dem Prozessgas aufwendig abgeschieden werden muss.

Hydraulische Membranpumpen sind ein typisches Beispiel für die geschilderten Nachteile. Derartige hydraulische Membranpumpen werden aufgrund ihrer hermetischen Eigenschaften bei gleichzeitig hoher Drucksteifigkeit und Fördergenauigkeit bevorzugt für kritische Förderaufgaben, wie zum Fördern toxischer, umweltre- levanter oder hygienischer Flüssigkeiten, zum Fördern bei hohen Drucken sowie zum präzisen Dosieren beliebiger Flüssigkeiten eingesetzt. Hierbei bildet jedoch ein vielfach begrenzender Faktor das Hydraulikfluid, das als Druckübertragungsfluid vom Kolben auf die Membran zum Einsatz gelangt. Üblicherweise wird hierfür Mineralöl oder auch synthetisches Öl, beispielsweise PoIy- glykol mit einer Vielzahl von Additiven, oder auch Sonderöl verwendet. Aufgrund der physiologischen Bedenklichkeit dieses Schmiermittels wird in der Lebensmittel- oder Biotechnik auch Glyzerin angewendet.

All diese Fluide weisen aber Nachteile auf. So zeigt sich beispielsweise bei der Anwendung von Mineralöl, dass gelöstes Gas den minimalen Saugdruck der Membranpumpe auf 0,4 bar absolut begrenzt. Die thermische Grenze ist bei ca. 150 ⁰C erreicht. Außerdem ergibt sich eine starke Veränderung der Viskosität aufgrund von Temperaturänderung. Die Anwendung von synthetischem Öl zeigt die gleichen Nachteile wie bei Mineralöl, wobei die thermische Grenze etwas höher liegt.

Schließlich bedingt die Anwendung von Glyzerin den Einsatz von Inhibitoren gegen biologische Zersetzung. Gleichwohl lässt sich die Zersetzung aber nicht verhindern. Die thermische Grenze liegt hier bei lediglich 95 ⁰C. Die Viskosität wird hierbei in aufwändiger Weise durch Mischen mit Wasser eingestellt.

Ein weiteres typisches Beispiel für die geschilderten Nachteile sind Flüssigkeitsringvakuumpumpen. Hier wird der rotierende Flüssigkeitsring zur Abdichtung der Laufradkammern gegeneinander sowie zur Übertragung der notwendigen Kompressionsenergie auf das Gas benötigt. Der Dampfdruck der Ringflüssigkeit be- grenzt dabei das minimal erreichbare Saugdruckniveau. Bei diesem Saugdruck füllen sich dann die Laufradkammern vollständig mit der verdampfenden Betriebsflüssigkeit, und das Saugvermögen der Flüssigkeitsringvakuumpumpe sinkt auf Null. In der Praxis eingesetzte Betriebsflüssigkeiten, vorzugsweise Wasser mit einem Dampfdruck bei Umgebungstemperatur von ca. 23 mbar sowie Öle mit ei- nem Dampfdruck von ca. 1 mbar, erlauben daher lediglich den Betrieb im sog. Grobvakuumbereich. Bei Prozessen, die demgegenüber den sog. Feinvakuumbereich benötigen, müssen demzufolge zwangsläufig andere Verdichter eingesetzt werden. Diese weisen allerdings aufgrund ihrer Funktionsprinzipien Nachteile gegenüber dem Einsatz einer Flüssigkeitsringvakuumpumpe auf. Speziell im Bereich der chemischen Industrie ist die Anwendung zur Verdichtung von Kohlenwasserstoffen nur unter großen Sicherheitsvorkehrungen möglich, da die einsetzbaren Verdichter einer explosionsgeschützten Ausführung bedürfen.

Um den Vakuumbereich zu senken, wurden daher bereits Untersuchungen mit Ölen und verschiedenen Fluiden auf wässriger Basis durchgeführt. Die Absenkung des Saugdruckniveaus konnte jedoch nur bis zu einer Grenze von 1 mbar erreicht werden. Diese geringfügige Erweiterung des Einsatzbereiches ist allerdings gleichzeitig mit Schwierigkeiten bezüglich der Handhabung der meist toxischen oder umweltgefährdenden Betriebsflüssigkeit verbunden. Gleichzeitig musste sichergestellt werden, dass die Ringflüssigkeit nicht mit dem meist aggressiven bzw. korrosiven abzusaugenden Gas reagiert.

Schließlich sind Kolbenmaschinen ein weiteres typisches Beispiel für das Auftreten der geschilderten Nachteile. Bei derartigen Kolbenmaschinen wäre eine mögliche technische Lösung für spezielle Anwendungen, diese zum Zweck der Gasoder auch Flüssigkeitsförderung mit einem Flüssigkolben oder einem Flüssigvor- lagekolben zu betreiben, und zwar bei gegebenem ausreichenden Dichteunterschied und Nichtmischbarkeit. Dies ist jedoch bisher an den Grenzen der bekannten Betriebsflüssigkeiten gescheitert, und zwar deswegen, weil sich bei der Anwendung von wässrigen Flüssigkeiten die bekannten Nachteile, wie Verdampfung, Korrosion, Toxizität, Gaslöslichkeit usw., ergeben. Gleiches gilt bei der Anwen- düng von organischen Flüssigkeiten, da hier die Nachteile der Verdampfung, Toxizität, Flüchtigkeit usw. auftreten. Schließlich sind bei der Anwendung flüssiger Metalle die Nachteile von Toxizität, hohen Kosten, hoher Dichte, schwierige Abdichtung usw. gegeben. Die nachveröffentlichte DE 10 2004 024 967 A1 offenbart die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten als Arbeitsflüssigkeit (d.h. die zu fördernde Flüssigkeit) für Absorptionswärmepumpen, Absorptionskältemaschinen und Wärmetransformatoren. Gasfördermaschinen, Hydraulische Membranpumpen, Flüssigkeitsringvaku- umpumpen und Kolbenmaschinen, die ionische Flüssigkeiten als Betriebsflüssigkeiten verwenden, werden in der DE 10 2004 024 967 A1 nicht offenbart.

Die DE 103 16 418 A1 offenbart die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten als Wärmeträger für die indirekte Zu- oder Abführung von Wärme aus einem Reaktor. Die Druckschrift lehrt, dass aufgrund der höheren Wärmeaufnahme der Kühlmedien eine Ersparnis in der Antriebsleistung der Pumpen möglich ist und dass keine speziellen Pumpenanordnungen zur Förderung der ionischen Flüssigkeiten notwendig sind. Es wird zudem offenbart, dass zusätzliche Pumpenabdichtungen der Pumpen mit einer Sperrflüssigkeit möglich sind und dass solche Sperrflüssigkeiten ebenfalls ionische Flüssigkeiten sein können.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Prozess- bzw. Arbeitsmaschine der gattungsgemäßen Art, die eine Flüssigkeit als Betriebsflüs- sigkeit aufweist, derart auszugestalten, dass die geschilderten Nachteile vermieden sind, ohne die Vorteile der bisher zum Einsatz gelangenden Betriebsflüssigkeiten zu verlieren.

In seiner allgemeinsten Ausführungsform betrifft diese Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere eine Pumpe, umfassend eine ionische Flüssigkeit als Betriebsmedium, insbesondere als Trennflüssigkeit und/oder Hydraulikflüssigkeit.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Gasfördermaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie als Schmier- bzw. Sperrfluid eine ionische Flüssigkeit aufweist.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine hydraulische Membranpumpe, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie als Hydrau- likfluid eine ionische Flüssigkeit aufweist.

Eine dritte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Flüssigkeitsringvakuumpumpe, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie als Ringflüs- sigkeit eine ionische Flüssigkeit aufweist. Dadurch wird der Arbeitsbereich der Pumpe in den Feinvakuumbereich erweitert.

Eine vierte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine KoI- benmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mit einem in einem Zylinder oszillierenden Kolben in Form eines Flüssigkeitskolbens oder eines vorgelagerten Flüssigvorlagekolbens ausgestaltet ist, der aus einer ionischen Flüssigkeit besteht. Aufgrund der oszillierenden Bewegung des Flüssigkeitskolbens kann ein Gas, eine nichtmischbare Flüssigkeit geringer Dichte oder eine Flüssigkeit großer Dichte gefördert werden.

Die Erfindung betrifft ferner Verfahren zum Betrieb der obengenannten Vorrichtung unter Verwendung von ionischen Flüssigkeiten als Betriebsmedium.

Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den Ansprüchen beschrieben.

Der Erfindung liegt der wesentliche Gedanke zugrunde, eine Prozess- bzw. Arbeitsmaschine derart auszugestalten, dass das in ihr vorgesehene Betriebsmedium, d.h., die Betriebsflüssigkeit eine ionische Flüssigkeit ist. Hierdurch ergeben sich verblüffende Vorteile, die nachstehend im Einzelnen dargelegt werden.

Wie bekannt, bestehen ionische Flüssigkeiten aus Ionen, d.h. Anionen und Kationen, und sind damit Salze. Im Gegensatz zu geläufigen Salzen, beispielsweise Natriumchlorid, haben sie jedoch einen niedrigeren Schmelzpunkt und können schon bei Raumtemperatur flüssig sein. So gelten per Definition alle Salze, die in reiner Form unterhalb von 100 ⁰C flüssig vorliegen, als ionische Flüssigkeit.

Ionische Flüssigkeiten können als flüssige Salze bezeichnet werden. Sie besitzen einen extrem niedrigen Dampfdruck (10^"13 bar), weisen nur geringe Gaslöslichkeit auf, sind nicht brennbar, sind vielfach physiologisch unbedenklich, sind vielfach thermisch stabil bis über 250 ⁰C und sind schmierfähig. Die Liste der Vorteile, die ionische Flüssigkeiten bieten, ist lang. Ionische Flüssigkeiten stellen daher einen umweit- und ressourcenschonenden Ersatz für die bisher beschriebenen Flüssigkeiten dar.

Bei ionischen Flüssigkeiten ist durch geeignete Wahl von Kation und Anion eine gewünschte stufenweise Einstellung der Polarität und damit eine Abstimmung ihrer Eigenschaften, insbesondere ihrer Löslichkeitseigenschaften, möglich. Die Bandbreite reicht dabei von wassermischbaren ionischen Flüssigkeiten über was- semichtmischbare Flüssigkeiten bis hin zu solchen, die selbst mit organischen Lösungsmitteln zwei Phasen bilden. Die geschickte Ausnutzung dieser außeror- dentlichen Eigenschaften von ionischen Flüssigkeiten ist der Schlüssel zum erfolgreichen Einsatz dieser Flüssigkeiten im erfindungsgemäßen Sinn.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Verwendung einer ionischen Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit in Prozess- bzw. Arbeitsmaschinen können nach Wunsch folgende Parameter vorteilhaft beeinflußt werden:

a) Schmierwirkung b) Drucksteifigkeit c) Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur d) Dampfdruckgrenze e) chemische Inertheit f) thermische Inertheit g) Löslichkeitsverhalten h) physiologische Unbedenklichtkeit.

Damit lassen sich mit ionischen Flüssigkeiten, welche die vorgenannten Parameter im Vergleich zu den bisher benutzten Betriebsflüssigkeiten verbessern, folgende Vorteile erzielen:

a) Absenkung der durch den Verdampfungsdruck bestimmten Vakuumgrenze. Dies beruht darauf, dass der extrem niedrige Verdampfungsdruck einer ionischen Flüssigkeit von etwa 10^"13 bar eine deutliche Herabsetzung des erreichbaren Va- kuumdrucks ermöglicht, z.B. im Bereich von Flüssigkeitsringvakuumpumpen, bei denen erfindungsgemäß eine ionische Flüssigkeit als Ringflüssigkeit zur Anwendung gelangen kann.

b) Eine vorhandene Schmierwirkung in Kombination mit höherer Temperaturstabilität und niederem Dampfdruck führt bei allen geschmierten Vakuumpumpentypen und Verdichtern zu einem geringeren Schmiermittelverbrauch sowie zur Einsparung von Ölabscheidem bei gleichzeitiger Absenkung des erreichbaren Vakuums.

c) Eine erzielbare gute Schmierwirkung in Kombination mit physiologischer Unbedenklichkeit und thermischer sowie chemischer Stabilität stellt für Schmieranforderungen in Hygienebetrieben und Hygienemaschinen sowie Apparaten einen grossen Hinzugewinn an Wirtschaftlichkeit und Sicherheit dar. Typische Beispiele hierfür sind hydraulische Membranpumpen für den Hygienebetrieb, Getriebe für den Hygienebetrieb, Lagerschmieranforderungen im Hygienebetrieb, Dichtungsschmierung im Hygienebetrieb usw.

d) Eine höhere Drucksteifigkeit verspricht bei allen Druckerzeugern aufgrund der geringeren Kompressibilität höhere Wirkungsgrade und ermöglicht damit kleinere Maschinen für die gleiche Förderleistung.

e) Ein geringerer Abfall der Viskosität bei Temperaturerhöhung ermöglicht stabilere Betriebszustände und geringere Leckverluste in Pumpen bei hohen Tempe- raturen. Damit steigt auch der Wirkungsgrad.

f) Die geringe Gaslöslichkeit sowie der sehr niedrige Dampfdruck einer ionischen Flüssigkeit ermöglichen deren erfindungsgemäße Verwendung als Flüssigkolben für Gase und bestimmte Flüssigkeiten sowie als Hydraulikfluid für Memb- ranpumpen mit geringem Gasgehalt und damit verbesserter Fördergenauigkeit. Als Besonderheit gilt, dass spezielle ionische Flüssigkeiten absolut oxidationsun- willig sind und daher für die Sauerstoffverdichtung oder als Flüssigkolben als Schmiermittel dienen können.

g) Der typische sehr niedrige Dampfdruck einer ionischen Flüssigkeit erlaubt große Saughöhen bei Membranpumpen.

h) Die chemische Inertheit einer ionischen Flüssigkeit erlaubt die Anwendung als Schmierung in Fördermaschinen für Chemikalien.

Ionische Flüssigkeiten sind daher in der Lage, die bisher geschilderten Nachteile zu vermeiden. Sie können aufgrund ihres extrem niedrigen Dampfdruckes von 10^"13 bar (flüssiges Salz) extrem niedrige Drücke in der Vakuumtechnik erreichen und gleichzeitig sowohl bei Vakuumpumpen als auch bei Verdichtern eine Kontamination des Prozessgases vermeiden.

Außerdem besteht die Möglichkeit, auf diese Weise auch kritische Gase, wie Reinsauerstoff, in mit Flüssigkeit geschmierten Maschinen zu fördern, ohne Oxidation oder gar Brände zu verursachen.

Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung ionischer Flüssigkeiten in Prozessmaschinen ist es nun auch möglich, auch die vorerwähnten Kolbenmaschinen mit einem Flüssigkolben, der aus einer ionischen Flüssigkeit besteht, zu betreiben und gleichzeitig die beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Hierbei bringt die Verwendung ionischer Flüssigkeiten außerdem den Vorteil, dass eine Reaktion mit dem Fördergut ausgeschlossen ist, da sie in hohem Maße inert sind.

Schließlich wird auch bei Flüssigkeitsringvakuumpumpen aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung ionischer Flüssigkeiten als Ringflüssigkeit der Ein- satz dieser Pumpen auch im Feinvakuumbereich ermöglicht. Auf diese Weise können Flüssigkeitsringvakuumpumpen anstelle der bisher eingesetzten Schraubenverdichter, Kolbenverdichter, rotierender Flügelzellenverdichter usw. einge- setzt werden und ihre großen Vorteile hinsichtlich Robustheit, Zuverlässigkeit und Prozesssicherheit voll ausspielen.

Die hier bisher auftretenden Nachteile und Schwierigkeiten werden durch die er- findungsgemäße Verwendung von ionischen Flüssigkeiten umgangen, da diese auf die jeweiligen Prozessbedingungen und die abzusaugenden Gase angepasst werden können. Somit kann eine Reaktion mit dem abzusaugenden Gas sicher verhindert werden.

Die Vorteile der Verwendung ionischer Flüssigkeiten als Betriebsflüssigkeit werden im Folgenden anhand des Funktionsprinzips einer Flüssigkeitsringvakuumpumpe und der Grenzen der hierbei bisher eingesetzten Fluide erläutert.

So ist bei einer Flüssigkeitsringvakuumpumpe in einem zylinderförmigen Gehäuse ein Schaufelrad exzentrisch angeordnet. Die im Gehäuse befindliche Betriebsflüssigkeit bildet aufgrund der Rotation des Schaufelrades einen mitumlaufenden, konzentrisch ausgebildeten Flüssigkeitsring. Dieser schließt zusammen mit den Rotorschaufeln die Gasvolumina in den Kammern ab. Aufgrund der Exzentrizität des Rotors tauchen die Schaufeln im oberen Bereich komplett in den Flüssigkeits- ring ein, so dass das Kammervolumen mit Betriebsflüssigkeit gefüllt ist. Im Lauf der Rotation hebt der Flüssigkeitsring von der Laufradnabe ab und bildet einen sichelförmigen Raum aus. Das zu fördernde gasförmige Fluid wird durch die an den Stirnflächen des Laufrades angeordneten Steuerscheibenöffnungen in den Arbeitsraum angesaugt. Kurz bevor das gasgefüllte Kammervolumen sein Maxi- mum erreicht, endet der Saugschlitz, und die Kammer wird durch die Steuerscheiben, die Laufradschaufeln und die Flüssigkeit abgedichtet. Sodann wandert der Flüssigkeitsring wieder auf die Nabe zu und verdichtet dabei das Gas wie ein Kolben. Sobald die Druckschlitzöffnungen erreicht sind, wird das komprimierte Gas ausgeschoben.

Die Betriebsflüssigkeit hat in Flüssigkeitsringvakuumpumpen vor allem drei Funktionen zu erfüllen, und zwar erstens die Funktion eines bewegten Kolbens mit den Arbeitstakten Ansaugen, Verdichten und Ausschieben, zweitens die Dichtfunktion zur Abdichtung der Schöpfräume gegeneinander und drittens die Aufnahme der Verdichtungswärme.

Um die Verdichtungswärme abzuführen, wird ständig ein Teil der Betriebsflüssigkeit durch den Druckschlitz ausgeschleust, wobei die gleiche Menge Frischflüssigkeit über einen Flüssigkeitskanal in der Wellennabe der Pumpe zugeführt wird. Aufgrund dieser permanenten Rückkühlung wird eine konstante Temperatur der Betriebsflüssigkeit erreicht.

Grundsätzlich begrenzt der Dampfdruck der Betriebsflüssigkeit, wie bekannt, das zu erreichende niedrigste Saugniveau im Ansaugstutzen der Pumpe. Sinkt der Ansaugdruck auf einen Wert gleich oder nahe dem Dampfdruck der Flüssigkeit, kommt es zur Kavitation und damit zu einem vollständigen Leistungsabfall der Pumpe.

In den meisten Anwendungsfällen wird Wasser als Ringflüssigkeit verwendet. Der Vorteil hierbei ist die hohe spezifische Wärmekapazität, die ständige Verfügbarkeit, die Umweltverträglichkeit und schließlich der Preis.

Nachteilig wirkt sich jedoch die Korrosionsgefahr bei ferritischen Werkstoffen aus und die Begrenzung des Einsatzbereiches auf das Grobvakuum bis zu ca. 50 mbar.

Bei Sonderanwendungen werden auch Öle eingesetzt, die einen niedrigeren Dampfdruck haben. Derartige Öle führen allerdings zu einer Kontamination des Fördermediums und stellen ein Umweltrisiko dar. Bekannt ist außerdem die Anwendung von Chemikalien als Betriebsflüssigkeit, zum Beispiel konzentrierte Schwefelsäure zur Chlorgasverdichtung.

Diese Anwendungen erfordern jedoch erhöhte Sicherheitsmaßnahmen sowie zusätzliche Apparate wie Ölabscheider usw. In sämtlichen bisher bekannten Fällen bleibt aber der Einsatzbereich von Flüssigkeitsringvakuumpumpen auf das Grobvakuum beschränkt.

Hier schafft nun die Erfindung Abhilfe, indem aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung ionischer Flüssigkeiten der Einsatzbereich der Flüssigkeitsringvakuumpumpen in den Feinvakuumbereich erweitert wird. Da derartige ionische Fluide keinen nennenswerten Dampfdruck besitzen, tritt keinerlei Kavitation auf, so dass sich auch keine Begrenzung des Saugdrucks nach unten ergibt. Weiterhin besitzen ionische Fluide sehr gute Schmiereigenschaften und ermöglichen damit eine an das Feinvakuum angepasste Wellenabdichtung. Im Gegensatz zu der Verwendung von Öl entsteht keinerlei Kontamination des Förderfluids.

Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung von ionischen Flüs- sigkeiten in Prozessmaschinen, im speziellen bei Flüssigkeitsringvakuumpumpen, wird daher deren Einsatzbereich in den Feinvakuumbereich erweitert. Damit stoßen Flüssigkeitsringvakuumpumpen in einen Anwendungsbereich vor, der bisher von Dreh- und Sperrschieberpumpen, Wälzkolbenpumpen oder Dampfstrahlpumpen abgedeckt wurde. Diese besitzen jedoch den Nachteil, dass die notwendige Ölschmierung des Laufrades im Gehäuse zu einer Kontamination des Fördermediums führt und dass die Abfuhr der Verdichtungswärme nur apparativ aufwendig realisiert werden kann.

Es können daher Flüssigkeitsringvakuumpumpen in dem nunmehr möglichen An- Wendungsbereich des Feinvakuums (10^"3-10^"1 mbar) ihre pumpenimmanenten Vorteile, wie höchste Zuverlässigkeit, quasi isotherme Verdichtung und Ölfreiheit im Verdichtungsprozess, ausspielen, und sie eröffnen auf diese Weise ganz neue Prozessführungen und Einsatzmöglichkeiten.

Die erfindungsgemäß als Betriebsflüssigkeit zum Einsatz gelangenden ionischen Flüssigkeiten sind Verbindungen, die aus Kationen und Anionen zusammengesetzt sind, wobei das verwendete Kation

ein quartemäres Ammonium-Kation der allgemeinen Formel

[NR¹R²R³R]⁺, oder ein Phosphonium-Kation der allgemeinen Formel

[PR¹R²R³R]⁺, oder ein Imidazolium-Kation der allgemeinen Formel

darstellt, wobei der Imidazol-Kem substituiert sein kann mit wenigstens einer Gruppe, die ausgewählt ist aus d-Cβ-Alkyl-, CrCβ-Alkoxy-, CrCβ-Aminoalkyl-, C₅- Ci₂-Aryl- oder C₅-Ci₂-Aryl-Ci-C₆-Alkylgruppen,

- Pyridinium-Kationen der allgemeinen Formel

wobei der Pyridin-Kem substituiert sein kann mit wenigstens einer Gruppe, die ausgewählt ist aus CrC₆-Alkyl-, CrC₆-Alkoxy-, Ci-C₆-Aminoalkyl-, C₅-

- Pyrazolium-Kationen der allgemeinen Formel

wobei der Pyrazol-Kem substituiert sein kann mit wenigstens einer Gruppe, die ausgewählt ist aus CrC₆-Alkyl-, CrC₆-Alkoxy-, Ci-C₆-Aminoalkyl-, C₅-

und Triazolium-Kationen der allgemeinen Formel

wobei der Triazol-Kern substituiert sein kann mit wenigstens einer Gruppe, die ausgewählt ist aus CrC₆-Alkyl-, CrC₆-Alkoxy-, Ci-C₆-Aminoalkyl-, C₅- Ci₂-Aryl- oder C₅-Ci₂-Aryl-Ci-C₆-Alkylgruppen,

darstellt

und die Reste R¹, R², R³ unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus - Wasserstoff;

- linearen oder verzweigten, gesättigten oder ungesättigten, aliphatischen oder alicyclischen Alkylgruppen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen;

- Heteroaryl-, Heteroaryl-CrCβ-Alkylgruppen mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen im Heteroaryl-Rest und wenigstens einem Heteroatom ausgewählt aus N, O und S, der mit wenigstens einer Gruppe ausgewählt aus d-Cβ-Alkylgruppen und/oder Halogenatomen substituiert sein können;

- Aryl-, Aryl-CrCβ-Alkylgruppen mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen im Arylrest, die gegebenenfalls mit wenigstens einer d-Cβ-Alkylgruppen und/oder einem Halogenatomen substituiert sein können;

und der Rest R ausgewählt ist aus

- Heteroaryl-CrCβ-Alkylgruppen mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen im Arylrest und wenigstens einem Heteroatom ausgewählt aus N, O und S, die mit wenigstens einer d-Cβ-Alkylgruppen und/oder Halogenatomen substituiert sein können; Aryl-CrCβ-Alkylgruppen mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen im Arylrest, die gegebenenfalls mit wenigstens einer d-Cβ-Alkylgruppe und/oder einem Halogenenatomen substituiert sein können,

und wobei das verwendete Anion der ionischen Flüssigkeit ein Anion der Gruppe [PF₆]-, [BF₄]-, [CF₃CO₂]-, [CF₃SO₃]-, [(CF₃SO₂J₂N]-, [(CF₃SO₂)(CF₃COO)N]-, [R⁴- SO₃]^", [R⁴-O-SO₃]^", [R⁴-COO]^", Cr, Br^", I^", [NO₃]^", [N(CN)₂]^", [HSO₄]^' oder [R⁴R⁵PO₄]^" ist und die Reste R⁴ und R⁵ unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus - Wasserstoff;

- Heteroaryl-, Heteroaryl-Ci-C₆-Alkylgruppen mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen im Heteroaryl-Rest und wenigstens einem Heteroatom ausgewählt aus N, O und S, der mit wenigstens einer Gruppe ausgewählt aus d-Cβ-Alkylgruppen und/oder Halogenatomen substituiert sein können;

- Aryl-, Aryl-CrCβ-Alkylgruppen mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen im Arylrest, die mit wenigstens einer d-Cβ-Alkylgruppe und/oder einem Halogenatom substituiert sein können.

Beispielhaft seien nachstehend einige bevorzugte ionische Flüssigkeiten erwähnt, welche die genannten Eigenschaften für bestimmte gewünschte Einsatzzwecke aufweisen:

1 ) 1-Butyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat: wassermischbar, stabil

>250°C, chemisch inert, positive Schmiereigenschaften;

2) 1-Butyl-3-methylimidazoliumhexafluorophosphat: nicht mischbar mit Wasser, stabil bis 25O⁰C, chemisch inert, positive Schmiereigenschaften; 3) 1-Ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfat: mischbar mit Wasser, physiologisch unbedenklich (nachgewiesen), stabil bis 25O⁰C, chemisch inert, im Tonnenmaßstab verfügbar;

4) 1-Ethyl-3-methylimidazoliumbistrifluoromethansulfonylamid: nicht mit Wasser mischbar, stabil >300°C, chemisch inert, positive Schmiereigenschaften;

5) 3-Methyl-1-ethylpyridiniumethylsulfat: mischbar mit Wasser, stabil bis 25O⁰C, chemisch inert;

6) Butyltrimethylphosphoniumdimethylphosphat: mischbar mit Wasser, stabil bis 200⁰C, chemisch inert.

Claims

Patentansprüche:

1. Gasfördermaschine, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Schmier- bzw. Sperrfluid eine ionische Flüssigkeit aufweist.

2. Hydraulische Membranpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Hydraulikfluid eine ionische Flüssigkeit aufweist.

3. Flüssigkeitsringvakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Ringflüssigkeit eine ionische Flüssigkeit aufweist.

4. Kolbenmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem in einem Zylinder oszillierenden Kolben in Form eines Flüssigkeitskolbens oder eines vorgelagerten Flüssigvorlagekolbens ausgestaltet ist, der aus einer ionischen Flüssigkeit besteht und aufgrund seiner oszillierenden Bewegung ein Gas bzw. eine nichtmischbare Flüssigkeit geringer Dichte oder eine Flüssigkeit großer Dichte fördert.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als Betriebsflüssigkeit vorgesehene ionische Flüssigkeit aus Kationen und Anionen zusammengesetzt ist, wobei

das verwendete Kation

ein quartemäres Ammonium-Kation der allgemeinen Formel

[NR¹R²R³R]⁺, oder ein Phosphonium-Kation der allgemeinen Formel [PR¹R²R³R]⁺, oder ein Imidazolium-Kation der allgemeinen Formel

darstellt, wobei der Imidazol-Kern substituiert sein kann mit wenigstens einer Gruppe, die ausgewählt ist aus CrC₆-Alkyl-, CrC₆-Alkoxy-, Ci-C₆-Aminoalkyl-, C₅- Ci₂-Aryl- oder C₅-Ci₂-Aryl-Ci-C₆-Alkylgruppen,

Pyridinium-Kationen der allgemeinen Formel

wobei der Pyridin-Kern substituiert sein kann mit wenigstens einer Gruppe, die ausgewählt ist aus CrC₆-Alkyl-, CrC₆-Alkoxy-, Ci-C₆-Aminoalkyl-, C₅-

Ci₂-Aryl- oder C₅-Ci₂-Aryl-Ci-C₆-Alkylgruppen, Pyrazolium-Kationen der allgemeinen Formel

wobei der Pyrazol-Kern substituiert sein kann mit wenigstens einer Gruppe, die ausgewählt ist aus d-Cβ-Alkyl-, CrCβ-Alkoxy-, CrCβ-Aminoalkyl-, C₅-

Ci₂-Aryl- oder C₅-Ci₂-Aryl-Ci-C₆-Alkylgruppen,

und Triazolium-Kationen der allgemeinen Formel

wobei der Triazol-Kem substituiert sein kann mit wenigstens einer Gruppe, die ausgewählt ist aus d-Cβ-Alkyl-, CrCβ-Alkoxy-, CrCβ-Aminoalkyl-, C₅- Ci₂-Aryl- oder C₅-Ci₂-Aryl-Ci-C₆-Alkylgruppen, darstellt

- Heteroaryl-, Heteroaryl-CrC₆-Alkylgruppen mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen im Heteroaryl-Rest und wenigstens einem Heteroatom ausgewählt aus N, O und S, der mit wenigstens einer Gruppe ausgewählt aus d-Cβ-Alkylgruppen und/oder Halogenatomen substituiert sein können;

und der Rest R ausgewählt ist aus

- Heteroaryl-CrCβ-Alkylgruppen mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen im Arylrest und wenigstens einem Heteroatom ausgewählt aus N, O und S, die mit wenigstens einer CrC₆-Alkylgruppen und/oder Halogenatomen substituiert sein können;

Aryl-CrCβ-Alkylgruppen mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen im Arylrest, die gegebenenfalls mit wenigstens einer d-Cβ-Alkylgruppe und/oder einem Ha- logenenatomen substituiert sein können,

- und wobei das verwendete Anion der ionischen Flüssigkeit ein Anion der Gruppe [PF₆]^", [BF₄]^", [CF₃CO₂]-, [CF₃SO₃]-, [(CF₃SO₂J₂N]-, [(CF₃SO₂)(CF₃COO)N]-, [R⁴-SO₃]-, [R⁴-O-SO₃]-, [R⁴-COO]-, Cl^", Br^", I^", [NO₃]^", [N(CN)₂]^", [HSO₄]^" oder [R⁴R⁵PO₄]^" ist und die Reste R⁴ und R⁵ unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus - Wasserstoff;

- Heteroaryl-, Heteroaryl-C1-C6-Alkylgruppen mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen im Heteroaryl-Rest und wenigstens einem Heteroatom ausgewählt aus N, O und S, der mit wenigstens einer Gruppe ausgewählt aus C1-C6-Alkylgruppen und/oder Halogenatomen substituiert sein können;

- Aryl-, Aryl-C1-C6-Alkylgruppen mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen im Arylrest, die mit wenigstens einer C1-C6-Alkylgruppe und/oder einem Halogenatom substituiert sein können.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Betriebsflüssigkeit verwendete ionische Flüssigkeit ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 1-Butyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat, 1-Butyl-3-methylimid- azoliumhexafluorophosphat, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumethylsulfat, 1-Ethyl-3- methylimidazoliumbistrifluoromethansulfonylamid, 3-Methyl-1-ethylpyridiniumethyl- sulfat und Butyltrimethylphosphoniumdimethylphosphat oder deren Mischungen ist.

7. Verwendung von Betriebsflüssigkeiten in Gasfördermaschinen, Hydraulische Membranpumpen, Flüssigkeitsringvakuumpumpen oder Kolbenmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass eine ionische Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit, insbesondere als Schmierflüssigkeit, Sperrflüssigkeit, Abdichtflüssigkeit, Druckübertragungsflüssigkeit, verwendet wird.

8. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit in Gasfördermaschinen als Schmier- und Sperrflüssigkeit eingesetzt wird.

9. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit in hydraulischen Membranpumpen als Hydraulikflüssigkeit eingesetzt wird.

10. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit in Flüssigkeitsringvakuumpumpen als Ringflüssigkeit zur Erweiterung des Arbeitsbereiches in das Feinvakuum eingesetzt wird.

11. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ionische Flüssigkeit bei Kolbenmaschinen als in einem Zylinder oszillierender Flüssigkeitskolben eingesetzt wird, der aufgrund seiner oszillierenden Bewegung ein Gas bzw. eine nichtmischbare Flüssigkeit geringer Dichte oder eine Flüssigkeit großer Dich- te zu fördern vermag.

12. Verfahren zum Betrieb der in Anspruch 1 bis 6 definierten Vorrichtung unter Verwendung von ionischen Flüssigkeiten als Betriebsmedium.