Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

CALCULATION OF MEASURING AND THERMAL TECHNICAL INSTRUMENTS BASED ON MAGNETIC FLUID

Yanovsky A.A. 1 Rashevsky V.V. 1
1 Stavropol State Agrarian University
2696 KB
The object of the study in this paper is the use of magnetic fluids in the development of measuring and heat engineering devices. Considered are the samples of measuring and other devices created by various scientists based on magnetic fluid. Data on the system of cooling the processor based on a magnetic fluid developed by us are presented. The operating principle of an experimental prototype of a liquid cooling system operating on the basis of the realization of the process of thermomagnetic convection in a magnetic fluid that occurs when an inhomogeneous constant magnetic field is applied to liquid magnetizing media is described. Based on the results of the experimental study, the technical characteristics of the cooling system are determined: TDP (Thermal design power) and the level of noise emitted by the system. Namely, the possibility of heat dissipation up to 105 W from the surface of the processor, with a noise level of 20 dB. The amount of heat was calculated from the data coming from the thermocouples on the current surface temperatures of the processor and the core of the refrigerant fluid.
magnetic fluid
nanocolloid
measured instruments
heat engineering devices
boiling
cooling of the processor

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).