Development of a magnetocaloric pump for applications in heat pipes

Abstract

A device that can pump a fluid with no moving mechanical parts represents a very encouraging alternative since such device would be practically maintenance free. A magnetocaloric pump achieves this purpose by providing a pressure gradient of a ferrofluid placed inside a magnetic field while experiencing a temperature change. If the temperature change is produced by extracting heat out of an element that needs refrigeration, coupling this heat via a heat pipe with the magnetocaloric pump will result in a completely passive cooling system. For applications near ambient temperature the ferrofluid must have specific characteristics such as low Curie temperature, high pyromagnetic coefficient, high thermal conductivity and low viscosity. This work presents the detailed description of the synthesis of ferrofluids composed of Mn-Zn ferrite nanoparticles and the characterization of its magnetic and thermal properties. Different composition of Mn-Zn ferrites nanoparticles were produce and evaluated. The best ferrofluid was compared with commercially available magnetite ferrofluid in a magnetocaloric pump prototype. Results of saturation magnetization, pyromagnetic coefficient, Curie temperature, particle size, viscosity and pressure increment inside the magnetocaloric pump are presented.

La posibilidad de bombear fluido con un dispositivo que no presente partes móviles representa una alternativa muy prometedora ya que el mantenimiento del dicho dispositivo seria prácticamente cero. La bomba magnetocalorica cumple dicha función al generar un incremento en la presión de un fluido magnético que se encuentra dentro de un campo magnético y el cual al mismo tiempo sufre un incremento de su temperatura. Si el incremento de temperatura se produce extrayendo calor de un elemento que necesita refrigeración y llevándolo a la bomba magnetocalorica mediante un tubo de calor lo que se consigue es un sistema de refrigeración completamente pasivo. En aplicaciones con temperaturas cercanas a la temperatura ambiente se necesita que el fluido magnético tenga ciertas características como baja temperatura de Curie, alto coeficiente piromagnético, alta conductividad térmica y baja viscosidad. Este trabajo presenta una descripción detallada de la síntesis de ferrofluidos acuosos compuestos por nanoparticulas de la ferrita de Mn-Zn y se evalúan sus propiedades magnéticas y térmicas. Varias composiciones de ferrita de Mn-Zn son producidas y evaluadas y el ferrofluido con las mejores propiedades es comparado con ferrofluido comercial de magnetita en evaluaciones de la bomba magnetocalórica. Resultados de la magnetización de saturación, coeficiente piromagnético, temperatura de Curie, tamaño de partícula, viscosidad y el incremento de la presión dentro de la bomba magnetocalórica son presentados.