PL242675B1 - Przyrząd do badania przepływu ferrofluidów - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest przyrząd do badania przepływu ferrofluidów. Przyrząd zawiera pionowo ustawiony cylindryczny pojemnik, zamknięty od dołu płaskim dnem, a od góry cylindryczną wstawką (2), mającą dno ze stożkowym zagłębieniem (4) i zaopatrzoną w otwartą rurkę (5), przechodzącą przez wstawki (2) wzdłuż jej osi. Dolna część rurki (5) wchodzi do pojemnika i kończy się w pobliżu jego dna, zaś górna część rurki (5) wystaje ponad stożkowe zagłębienie (4) do połowy wysokości górnej części wstawki (2). Pojemnik jest do połowy wypełniony ferrofluidem, do którego dotyka od góry magnetyczny tłok (10) w postaci magnesu pierścieniowego z rowkami na powierzchniach cylindrycznych, w których znajdują się pierścieniowe uszczelki. Pojemnik jest ustawiony na wsporniku, połączonym z podstawą (14), w której są osadzone od góry dwa pionowe, nagwintowane pręty (15), umieszczone symetrycznie po obu stronach pojemnika. Na każdy z prętów (15) jest wkręcona nakrętka (16) z radełkowaną powierzchnią obwodową i na tych nakrętkach (16) opiera się pierścień (17) z przyklejonym od góry magnesem pierścieniowym (18), przy czym pierścień (17) i magnes (18) otaczają pojemnik, a ponadto magnetyczny tłok (10) i magnes (18) są zwrócone ku sobie biegunami jednoimiennymi.

Description

Przedmiotem wynalazku jest przyrząd do badania przepływu ferrofluidów, przeznaczony do zastosowania w laboratoriach fizycznych oraz do celów edukacyjnych.

Z monografii autorów E. Blums, A. Ceberes i M. M. Maiorov, zatytułowanej „Magnetic Fluids”, wydanej przez Wydawnictwo deGruyter w Berlinie i Nowym Jorku w 1997 r. jest znany układ do wytwarzania przepływu w ferrofluidach. Znany układ zawiera zamknięty obwód, zbudowany z rur i pojemników wypełnionych ferrofluidem o niskiej temperaturze Curie. Część jednej z rur tego obwodu jest otoczona spiralą grzejną, a następna część tej rury przechodzi między biegunami elektromagnesu. Dalszy odcinek rury jest zakończony dyszą, skierowaną na łopatki turbiny, umieszczonej w zamkniętym pojemniku. Działanie układu polega na tym, że ferrofluid, znajdujący się w części rury otoczonej spiralą, jest ogrzewany powyżej temperatury Curie i w wyniku tego traci swoje właściwości ferromagnetyczne. Wtedy ta porcja ferrofluidu przestaje być wciągana w obszar między biegunami elektromagnesu, natomiast w ten obszar jest wciągana porcja ferrofluidu znajdująca się dalej od jego biegunów. Skutkiem tego pojawia się wypadkowa siła, powodująca przepływ ferrofluidu, który wypływając z dyszy napędza turbinę. Jednocześnie ogrzana porcja ferrofluidu wypływa z obszaru spirali grzejnej i ochładza się poniżej temperatury Curie, odzyskując w ten sposób swoje właściwości ferromagnetyczne i stając się gotowa do dalszego wykorzystania w układzie.

Również z artykułu autorstwa Stanisława Bednarka, zatytułowanego „Ferrofluidy - ciekłe materiały magnetyczne”, opublikowanego w miesięczniku „Przegląd Elektrotechniczny, Organ Stowarzyszenia Elektryków Polskich”, w 1995 r., rocz. LXXI, nr 1, na stronach 1-5, jest znany tak samo zbudowany i tak samo działający układ do wytwarzania przepływu w ferrofluidach, jak układ opisany w poprzednio cytowanej monografii pod tytułem „Magnetic Fluids”.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że przyrząd do badania przepływu ferrofluidów zawiera pionowo ustawiony cylindryczny pojemnik, zamknięty od dołu płaskim dnem, a od góry cylindryczną wstawką, mającą dno ze stożkowym zagłębieniem i zaopatrzoną w otwartą rurkę, przechodzącą przez dno wstawki wzdłuż jej osi. Dolna część rurki wchodzi do pojemnika i kończy się w pobliżu jego dna, zaś górna część rurki wystaje ponad stożkowe zagłębienie do połowy wysokości górnej części wstawki. Ponadto, rurka ma otwór w powierzchni bocznej, łączący ją z kanalikiem wychodzącym nad dnem stożkowego zagłębienia i w tym kanaliku znajduje się poszerzony odcinek z zaworem jednokierunkowym, złożonym z kulki i poprzeczki, ustawionej wzdłuż średnicy kanalika od strony rurki. Wstawka jest zamknięta od góry pokrywą. Pojemnik jest do połowy wypełniony ferrofluidem, do którego dotyka od góry magnetyczny tłok w postaci magnesu pierścieniowego z rowkami na powierzchniach cylindrycznych, w których znajdują się pierścieniowe uszczelki. Pojemnik jest ustawiony na wsporniku, połączonym z podstawą, w której są osadzone od góry dwa pionowe, nagwintowane pręty, umieszczone symetrycznie po obu stronach pojemnika. Na każdy z prętów jest wkręcona nakrętka z radełkowaną powierzchnią obwodową i na tych nakrętkach opiera się pierścień z przyklejonym od góry magnesem pierścieniowym, przy czym pierścień i magnes otaczają pojemnik, a ponadto magnetyczny tłok i magnes są zwrócone ku sobie biegunami jednoimiennymi. Pojemnik, wstawka z dnem, stożkowym zagłębieniem i rurką oraz pokrywa są wykonane z materiału przezroczystego, korzystnie z polimetakrylanu metylu. Kulka i uszczelki są wykonane z materiału sprężystego i nieferromagnetycznego, korzystnie z silikonu. Poprzeczka, pręty i nakrętki są wykonane z materiału nieferromagnetycznego, korzystnie z mosiądzu. Tłok i magnes są wykonane z materiału magnetycznie twardego o dużej remanencji, korzystnie ze spieku proszków żelaza neodymu i boru. Wspornik, podstawa i pierścień są wykonane z materiału elektroizolacyjnego i nieferromagnetycznego, korzystnie z tekstolitu.

Główną zaletą przyrządu do badania przepływu ferrofluidów jest wytwarzanie ich przepływu bez utraty właściwości ferromagnetycznych, spowodowanej przez ogrzewanie powyżej temperatury Curie, zaś dodatkowymi zaletami są dobra widzialność przepływu i łatwa powtarzalność tego efektu.

Przyrząd do badania przepływu ferrofluidów jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój osiowy przyrządu płaszczyzną A-A, natomiast fig. 2 pokazuje widok przyrządu z góry.

Przyrząd do badania przepływu ferrofluidów zawiera pionowo ustawiony cylindryczny pojemnik 1, zamknięty od dołu płaskim dnem, a od góry cylindryczną wstawką 2, mającą dno 3 ze stożkowym zagłębieniem 4 i zaopatrzoną w otwartą rurkę 5, przechodzącą przez dno 3 wstawki 2 wzdłuż jej osi. Dolna część rurki 5 wchodzi do pojemnika 1 i kończy się w pobliżu jego dna, zaś górna część rurki 5 wystaje ponad stożkowe zagłębienie 4 do połowy wysokości górnej części wstawki 2. Ponadto, rurka 5 ma otwór w powierzchni bocznej, łączący ją z kanalikiem wychodzącym nad dnem stożkowego zagłębienia 4 i w tym kanaliku znajduje się poszerzony odcinek z zaworem jednokierunkowym, złożonym z kulki 6 i poprzeczki 7, ustawionej wzdłuż średnicy kanalika od strony rurki 5. Wstawka 2 jest zamknięta od góry pokrywą 8. Pojemnik 1 jest do połowy wypełniony ferrofluidem 9, do którego dotyka od góry magnetyczny tłok 10 w postaci magnesu pierścieniowego z rowkami na powierzchniach cylindrycznych, w których znajdują się pierścieniowe uszczelki 11, 12. Pojemnik 1 jest ustawiony na wsporniku 13, połączonym z podstawą 14, w której są osadzone od góry dwa pionowe, nagwintowane pręty 15, umieszczone symetrycznie po obu stronach pojemnika 1. Na każdy z prętów 15 jest wkręcona nakrętka 16 z radełkowaną powierzchnią obwodową i na tych nakrętkach 16 opiera się pierścień 17 z przyklejonym od góry magnesem pierścieniowym 18, przy czym pierścień 17 i magnes 18 otaczają pojemnik 1, a ponadto magnetyczny tłok 10 i magnes 18 są zwrócone ku sobie biegunami jednoimiennymi. Pojemnik 1, wstawka 2 z dnem 3, stożkowym zagłębieniem 4 i rurką 5 oraz pokrywa 8 są wykonane z materiału przezroczystego, korzystnie z polimetakrylanu metylu. Kulka 6 i uszczelki 11, 12 są wykonane z materiału sprężystego i nieferromagnetycznego, korzystnie z silikonu. Poprzeczka 8, pręty 15 i nakrętki 16 są wykonane z materiału nieferromagnetycznego, korzystnie z mosiądzu. Tłok 10 i magnes 18 są wykonane z materiału magnetycznie twardego o dużej remanencji, korzystnie ze spieku proszków żelaza neodymu i boru. Wspornik 13, podstawa 14 i pierścień 17 są wykonane z materiału elektroizolacyjnego i nieferromagnetycznego, korzystnie z tekstolitu.

Zasada działania przyrządu do badania przepływu ferrofluidów polega na tym, że przy ferrofluidzie 9, znajdującym się w pojemniku 1, obracane są ręcznie w tym samym kierunku nakrętki 16. W ten sposób jest obniżane położenie pierścienia 17 i magnesu 18. Ponieważ tłok 10 jest magnetyczny i zwrócony do magnesu 18 biegunami jednoimiennymi, to na tłok 10 działa siła odpychająca, zwrócona w dół. Przez to tłok 10 wywiera ciśnienie na ferrofluid i powoduje jego wypływanie przez rurkę 5 w formie strumieni 19, tworzących fontannę, do wstawki 2, w której ferrofluid 10 zbiera się w zagłębieniu 4. Kulka 6, wchodząca w skład zaworu zwrotnego jest wtedy przesunięta ku górze przez ciśnienie ferrofluidu płynącego w rurce 5 i zabezpiecza przez wpływem ferrofluidu do zagłębienia 4 od dołu. Gdy tłok 10 dotknie dna pojemnika 1, to prawie cały ferrofluid 9 zostanie przetłoczony do wstawki 2 i zajmie położenie 20. W tej sytuacji pierścień 17 z magnesem 18 przesuwa się przy użyciu nakrętek 16 poniżej tłoka 10. Następnie, pokręcając nakrętkami 16 w przeciwną stronę przesuwa się pierścień 17 z magnesem 18 ku górze. Ponieważ ku sobie są zwrócone jednoimienne bieguny tłoka 10 i magnesu 18, to tłok jest przesuwany ku górze. Przez to pod tłokiem 10 w pojemniku 1 jest wytwarzane podciśnienie, powodujące zassanie ferrofluidu z pozycji 20 przez rurkę 5 do pojemnika 1 pod tłok 10. Kulka 6 zaworu zwrotnego jest wtedy przesunięta ku dołowi i opiera się o poprzeczkę 7, dzięki temu jest możliwy przepływ ferrofluidu z pozycji 20 do rurki 5. Po przepłynięciu całego ferrofluidu z pozycji 20 do pojemnika 1, przesuwa się za pomocą nakrętek 16 pierścień 17 z magnesem 18 ponad tłok 10 i przyrząd jest gotowy do użycia w poprzednio opisany sposób. Wykonanie pojemnika 1, wstawki 2 z dnem 3, stożkowym zagłębieniem 4 i rurki 5 oraz pokrywy 8 z materiału przezroczystego, korzystnie z polimetakrylanu metylu, umożliwia bezpośrednią obserwację przepływu ferrofluidu i zabezpiecza odpowiednią wytrzymałość tych elementów. Wykonanie kulki 6 i uszczelek 11, 12 z materiału sprężystego i nieferromagnetycznego, korzystnie z silikonu, zapewnia szczelność podczas przepływu ferrofluidu. Wykonanie tłoka 10 i magnesu 18 z materiału magnetycznie twardego o dużej remanencji, korzystnie ze spieku proszków żelaza neodymu i boru, zapewnia dużą siłę oddziaływania tych elementów i skuteczne działanie przyrządu. Ponadto, wykonanie poprzeczki 8, pręta 15 i nakrętek 16 z materiału nieferromagnetycznego, korzystnie z mosiądzu oraz wykonanie wspornika 13, podstawy 14 i pierścienia 17 z materiału elektroizolacyjnego i nieferromagnetycznego, korzystnie z tekstolitu, zapewnia odpowiednią wytrzymałość tych elementów i chroni je przed niepożądanym oddziaływaniem z rozproszonym polem magnetycznym tłoka 10 i magnesu 18.

Claims (6)

1. Przyrząd do badania przepływu ferrofluidów, znamienny tym, że zawiera pionowo ustawiony cylindryczny pojemnik (1), zamknięty od dołu płaskim dnem, a od góry cylindryczną wstawką (2), mającą dno (3) ze stożkowym zagłębieniem (4) i zaopatrzoną w otwartą rurkę (5), przechodzącą przez dno (3) wstawki (2) wzdłuż jej osi, a oprócz tego dolna część rurki (5) wchodzi do pojemnika (1) i kończy się w pobliżu jego dna, zaś górna część rurki (5) wystaje ponad stożkowe zagłębienie (4) do połowy wysokości górnej części wstawki (2), a ponadto rurka (5) ma otwór w powierzchni bocznej łączący ją z kanalikiem wychodzącym nad dnem stożkowego zagłębienia (4) i w tym kanaliku znajduje się poszerzony odcinek z zaworem jednokierunkowym złożonym z kulki (6) i poprzeczki (7) ustawionej wzdłuż średnicy kanalika od strony rurki (5), a poza tym wstawka (2) jest zamknięta od góry pokrywą (8), zaś pojemnik (1) jest do połowy wypełniony ferrofluidem (9), do którego dotyka od góry magnetyczny tłok (10) w postaci magnesu pierścieniowego z rowkami na powierzchniach cylindrycznych, w których znajdują się pierścieniowe uszczelki (11, 12), a ponadto pojemnik (1) jest ustawiony na wsporniku (13), połączonym z podstawą (14), w której są osadzone od góry dwa pionowe, nagwintowane pręty (15), umieszczone symetrycznie po obu stronach pojemnika (1), a oprócz tego na każdy z prętów (15) jest wkręcona nakrętka (16) z radełkowaną powierzchnią obwodową i na tych nakrętkach (16) opiera się pierścień (17) z przyklejonym od góry magnesem pierścieniowym (18), przy czym pierścień (17) i magnes (18) otaczają pojemnik (1), a ponadto magnetyczny tłok (10) i magnes (18) są zwrócone ku sobie biegunami jednoimiennymi, a ponadto pojemnik (1), wstawka (2) z dnem (3), stożkowym zagłębieniem (4) i rurką (5) oraz pokrywa (8) są wykonane z materiału przezroczystego, z kolei zaś kulka (6) i uszczelki (11, 12) są wykonane z materiału sprężystego i nieferromagnetycznego, poprzeczka (8), pręty (15) i nakrętki (16) są wykonane z materiału nieferromagnetycznego, a oprócz tego tłok (10) i magnes (18) są wykonane z materiału magnetycznie twardego o dużej remanencji, a wspornik (13), podstawa (14) i pierścień (17) są wykonane z materiału elektroizolacyjnego i nieferromagnetycznego.

2. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że pojemnik (1), wstawka (2) z dnem (3), stożkowym zagłębieniem (4) i rurką (5) oraz pokrywa (8) są wykonane z polimetakrylanu metylu.

3. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że kulka (6) i uszczelki (11, 12) są wykonane z silikonu.

4. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że poprzeczka (8), pręty (15) i nakrętki (16) są wykonane z mosiądzu.

5. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że tłok (10) i magnes (18) są wykonane ze spieku proszków żelaza neodymu i boru.

6. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że wspornik (13), podstawa (14) i pierścień (17) są wykonane z tekstolitu.