Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

РАСЧЕТ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ

Яновский А.А. 1 Рашевский В.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный аграрный университет»
Объектом исследования в настоящей работе является применение магнитных жидкостей в разработке измерительных и теплотехнических устройств. Рассмотрены созданные различными учеными образцы измерительных и иных приборов на основе магнитной жидкости. Представлены данные о разработанной нами системе охлаждения процессора на основе магнитной жидкости. Описан принцип работы экспериментального опытного образца системы жидкостного охлаждения, работающего на основе реализации процесса термомагнитной конвекции в магнитной жидкости, который возникает при воздействии неоднородного постоянного магнитного поля на жидкие намагничивающиеся среды. Установлены, по результатам экспериментального исследования, технические характеристики системы охлаждения: TDP (Thermal design power – количество отводимого тепла) и уровень издаваемого системой шума. А именно, возможность отвода тепла до 105 Вт от поверхности процессора, при уровне шума в 20 дБ. Количество тепла рассчитывалось по данным, поступающим с термопар о текущих температурах поверхности процессора и ядра жидкости-хладагента.
магнитная жидкость
наноколлоид
измеренные приборы
теплотехнические приборы
кипение
охлаждение процессора
1. Игропуло В.С. Математическое моделирование некоторых ориентационных процессов на наноповерхностях / Игропуло В.С., Яновский А.А. // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2008. т. 15. № 3. C. 484-485.
2. Математическое моделирование процесса образования пузырька пара в магнитной жидкости / Козлова В.Р., Бородина Е.С., Яновский А.А., Симоновский А.Я. // Международный студенческий научный вестник. 2016. № 3-3. С. 386-387.
3. Моделирование отрыва пузырьков пара в кипящей магнитной жидкости / Яновский А.А., Симоновский А.Я., Холопов В.Л. // В сборнике: Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносиcтем V Всероссийская научная конференция с международным участием: сборник научных трудов. 2015. С. 239-246.
4. Симоновский А.Я. Влияние однородного магнитного поля на теплообмен при кипении магнитной жидкости на неограниченной поверхности / Симоновский А.Я., Яновский А.А. // Наука. Инновации. Технологии. 2011. № 6-1. С. 272-278.
5. Фертман В.Е. Магнитные жидкости: Справочное пособие. Минск: Высш. шк. 1988. 184 с.
6. Яновский А.А. Тепло- и массоперенос при кипении магнитной жидкости на неограниченной поверхности с точечным подводом тепла // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2011. № 4-3. С. 1289-1290.
7. Яновский А.А. Влияние магнитного поля на процессы парообразования в кипящей магнитной жидкости / Яновский А.А., Симоновский А.Я., Холопов В.Л. // Фундаментальные исследования. 2013. № 8-2. С. 332-337.
8. Яновский А.А. Математическое моделирование и разработка систем охлаждения процессоров персональных компьютеров / Яновский А.А., Каныгин Я.В. // Международный студенческий научный вестник. 2015. № 3-4. С. 496-498.
9. Яновский А.А. Теплообмен в кипящей магнитной жидкости / Яновский А.А., Симоновский А.Я., Холопов В.Л. // В сборнике: Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносиcтем V Всероссийская научная конференция с международным участием: сборник научных трудов. 2015. С. 276-282.
10. Яновский А.А. Перспективы развития и моделирования систем охлаждения процессоров пк с использованием магнитной жидкости в качестве охлаждающей среды / Яновский А.А., Симоновский А.Я., Хаустов П.А. // Международный студенческий научный вестник. 2015. № 3-4. С. 498-499.

Базовой характеристикой магнитных материалов считалась твердость, однако в середине прошлого века зародились представления о «магнитной» жидкости, с помощью которой пытались объяснить магнитные свойства твердых тел. Однако, эту «теоретическую» жидкость так и не обнаружили, однако было установлено, что некоторые однородные жидкости действительно обладают слабыми магнитными свойствами [5]. Несколько позже были синтезированы жидкости, представляющие собой коллоидный раствор частиц металлов, размером порядка 10-20 нанометров, в жидкой среде-носителе, в качестве которой может выступать керосин, вода или неорганические масла.

Высокий уровень интереса к магнитным жидкостям со стороны экспериментаторов и теоретиков, создал базу для широко практического применения магнитных жидкостей в приборах и устройствах, создание которых находится на стыке науки о коллоидах, физики магнитных явлений, магнитной гидродинамики. Рассмотрим некоторые такие устройства [5].

Принцип работы магнитожидкостных демпферов очень прост – благодаря трению внутри жидкости между ее слоями диссипируется кинетическая энергия нежелательных механических перемещений и колебаний. Магнитные жидкости благодаря своим свойствам обусловили с успехом используются в демпферах. Прежде всего, это возможно благодаря поднятию магнитной жидкости над не обладающей магнитным свойствами стенкой тела, которое имеет собственный магнитный момент. Во-вторых, при синтезе магнитных жидкостей возможно задавать их намагниченность и вязкость, которые в свою очередь влияют на характеристики демпфера. При ускорении и замедлении вала проявляется механизм внутреннего трения магнитной жидкости, заключающийся в относительном движение отдельных слоев магнитной жидкости.

Магнитожидкостные демпферы успешно принимаются в измерительных приборах. Фирмой «Fisher Control» выпускает измерители расхода жидкости, основанные на вертикальном перемещении конусообразного поплавка под действием. Две капли магнитной жидкости размещаются в зазоре между цилиндрическим магнитом и корпусом, который сделан из немагнитного материала.

Фирма «Crosfield» разработала висискозиметр для измерения вязкости чернил. В основе принципа работы лежит постоянный магнит прикрепленные к внешнему немагнитному цилиндру. Немагнитный цилиндр приводится во вращение со скоростью 2000 об/мин. Магнитожидкостные демпфера обладают качественным и неоспоримым достоинством. Они могут применяться в оборудовании, которое может произвольно располагаться в пространстве, а также в очень жестких условиях.

В 1969 г. Р.Е. Розенцвейгом был предложен первую теоретическую установку, принципиальное действие которой базируется на зависимости давления в магнитной жидкости от напряженности магнитного поля. Позже на основе данной идеи был разработан целый класс таких приборов. Например, с помощью высокоточной оптической аппаратуры, можно определить распределение индукции по оптической анизотропии слоя магнитной жидкости, вызванной полями рассеяния. Магнитные жидкости используют и для визуализации структуры магнитной записи.

В основе некоторых измерительных устройств реализовано свойство магнитных жидкостец изменять поток индукции через площадь, когда в контуре находится сердечник, наполненный магнитной жидкостью. Дж. Хантер (J. Hunter), В. Стриплинг (W. Stripling) и Х. Уйат (H. White) в 1972 г. предложили детектор уровня и вибропреобразователь, содержащий емкость с измерительной обмоткой и генератор, с обмоткой, которая частично заполнялась магнитной жидкостью. В таком датчике магнитный поток, создаваемый обмоткой, индуцирует в измерительной обмотке ЭДС, которая зависит от силы тока питания, частоты питающего напряжения и взаимной индуктивности измерительной обмотки и обмотки генератора. Взаимная индуктивность этих обмоток зависит от магнитных свойств жидкости, которая служит общим сердечником в датчике, и степени заполнения жидкостью измерительной обмотки. Чувствительность такого датчика, которая характеризует изменение выходного напряжения при единичном отклонении его оси от горизонтального напряжения, рассчитывается по формуле

jnovs01.wmf (1)

где χ = const – магнитная восприимчивость магнитной жидкости в слабых полях; L – длина цилиндрического датчика; D – внутренний диаметр датчика; h – максимальная высота слоя магнитной жидкости в датчике; U – напряжение, индуцируемое в измерительной обмотке.

Нами была разработана система охлаждения процессора персонального компьютера на основе магнитной жидкости [1-4, 6-10]. Рассмотрим принцип работы системы охлаждения. В результате работы процессора его поверхность нагревается до 65-75 °С. Тепловой поток от процессора путем теплопроводности передается водяному блоку (1), который изготовлен из металла с высоким коэффициентом теплопроводности (алюминий или медь). Затем тепло от нижней стенки водяного блока (1) передается объему магнитной жидкости, содержащейся в нем. Слои магнитной жидкости с разной температурой начинают перемешиваться благодаря естественной (гравитационной) конвекции.

jnos1.tif

Схема опытного образца системы
охлаждения процессора

Так плоскость постоянных магнитов (3) расположена под углом к жидкостному блоку (1) таким образом, что поперечные сечения образуют конические сечения, то в области блока (1) создается градиент магнитного поля. Магниты (3) подбираются таким образом чтобы градиент магнитного поля составлял порядка 105 А/м2 в области нахождения магнитной жидкости.

Вследствие создания необходимых условий для термомагнитной конвекции (градиентное магнитное поле порядка 100 кА/м2, неравномерно прогретая по высоте магнитная жидкость), в объеме магнитной жидкости образуются термомагнитоконвекицонные ячейки. Интенсивность такой циркуляции, по предварительным расчетам, превышает естественную гравитационную конвекцию на порядок.

В результате у поверхности процессора (в связи с тем, что напряженность магнитного поля там максимальна), постоянно находятся наиболее холодные слои магнитной жидкости. Это первый (малый) контур циркуляции в системе охлаждения.

Второй (большой) контур циркуляции обеспечивает охлаждения всего объема магнитной жидкости в целом. Циркуляция по второму контуру обеспечивается прокачкой насосом (4) магнитной жидкости через радиатор (5) по соединительным трубкам (7).

Таким образом, механизм термомагнитной конвекции, реализуемый в нашей системе охлаждения, и принудительная прокачка жидкости насосом (4) создают 2 контура циркуляции, которые обеспечивают охлаждение процессора наиболее холодными слоями магнитной жидкости. При использовании системы охлаждения на основе магнитной жидкости предполагается достичь преимущества по сравнению с обычной жидкостной системой охлаждения процессоров на 5-7 °С. Это существенно повысит производительность компьютеров и уменьшит уровень создаваемого шума.

На основании всего сказанного, можно с уверенностью сказать, что наука о магнитных жидкостях на самом деле чрезвычайно интересная, познавательная. Она обладает уникальными особенностями и тонкостями. Открытия в области магнитной жидкости широко используются во многих сферах нашей жизни (медицина, автомобили, компьютерная техника).


Библиографическая ссылка

Яновский А.А., Рашевский В.В. РАСЧЕТ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 4-4.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=17440 (дата обращения: 13.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074