Magnetiske nanopartikler kunne hjælpe med varmeafledning

Kølesystemer er generelt afhængige af vand pumpet gennem rør for at fjerne uønsket varme. Nu, forskere ved MIT og i Australien har fundet en måde at forbedre varmeoverførslen i sådanne systemer ved at bruge magnetiske felter, en metode, der kunne forhindre hotspots, der kan føre til systemfejl. Systemet kan også bruges til at køle alt fra elektroniske enheder til avancerede fusionsreaktorer, de siger.

Systemet, som er afhængig af en opslæmning af små partikler af magnetit, en form for jernoxid, er beskrevet i International Journal of Heat and Mass Transfer , i et papir medforfattet af MIT-forskerne Jacopo Buongiorno og Lin-Wen Hu, og fire andre.

Hu, associeret direktør for MIT's Nuclear Reactor Laboratory, siger, at de nye resultater er kulminationen på flere års forskning i nanofluider - nanopartikler opløst i vand. Det nye arbejde involverede eksperimenter, hvor magnetitnanofluiden strømmede gennem rør og blev manipuleret af magneter placeret på ydersiden af ​​rørene.

Magneterne, Hu siger, "tiltrækker partiklerne tættere på den opvarmede overflade" af røret, i høj grad forbedre overførslen af ​​varme fra væsken, gennem rørets vægge, og ud i luften udenfor. Uden magneterne på plads, væsken opfører sig ligesom vand, uden ændringer i dets køleegenskaber. Men med magneterne, varmeoverførselskoefficienten er højere, siger hun - i bedste fald, cirka 300 procent bedre end med almindeligt vand. "Vi var meget overraskede" over omfanget af forbedringen, Hu siger.

Konventionelle metoder til at øge varmeoverførslen i kølesystemer anvender funktioner såsom finner og riller på overfladerne af rørene, øge deres overfladeareal. Det giver en vis forbedring i varmeoverførsel, Hu siger, men ikke nær så meget som de magnetiske partikler. Også, fremstilling af disse funktioner kan være dyrt.

Forklaringen på forbedringen af ​​det nye system, Hu siger, er, at magnetfeltet har en tendens til at få partiklerne til at klumpe sammen - muligvis danner en kædelignende struktur på den side af røret, der er tættest på magneten, forstyrre strømmen der, og øge den lokale temperaturgradient.

Selvom ideen er blevet foreslået før, det var aldrig blevet bevist i aktion, Hu siger. "Dette er det første arbejde, vi kender til, som demonstrerer dette eksperimentelt, " hun siger.

Et sådant system ville være upraktisk til anvendelse på et helt kølesystem, hun siger, men kunne være nyttig i ethvert system, hvor der opstår hotspots på overfladen af ​​kølerør. En måde at håndtere det på ville være at tilføre en magnetisk væske, og magneter uden for røret ved siden af ​​hotspottet, for at forbedre varmeoverførslen på det sted.

"Det er en pæn måde at forbedre varmeoverførslen på, " siger Buongiorno, en lektor i nuklear videnskab og teknik ved MIT. "Du kan forestille dig magneter placeret på strategiske steder, " og hvis det er elektromagneter, der kan tændes og slukkes, "når du vil skrue op for kølingen, du skruer op for magneterne, og få en meget lokal afkøling der."

Mens varmeoverførslen kan forbedres på andre måder, ved blot at pumpe kølevæsken hurtigere gennem systemet, sådanne metoder bruger mere energi og øger trykfaldet i systemet, hvilket måske ikke er ønskeligt i nogle situationer.

Der kan være mange applikationer til et sådant system, Buongiorno siger:"Du kan tænke på andre systemer, der ikke nødvendigvis kræver systemdækkende køling, men lokaliseret køling." F.eks. mikrochips og andre elektroniske systemer kan have områder, der er udsat for kraftig opvarmning. Nye enheder såsom "lab on a chip" mikrosystemer kunne også drage fordel af en sådan selektiv køling, han siger.

Fremadrettet, Buongiorno siger, denne tilgang kan endda være nyttig for fusionsreaktorer, hvor der kan være "lokaliserede hotspots, hvor varmefluxen er meget højere end gennemsnittet."

Men disse applikationer forbliver godt i fremtiden, siger forskerne. "Dette er en grundlæggende undersøgelse på det punkt, " siger Buongiorno. "Det viser bare, at denne effekt sker."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.