Bachelor's Thesis

Concept of a vehicle cooling system powered by magnetic forces

Final Thesis 1.86 MB

Author of thesis: Jiří Dufka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jiří Bazala, Ph.D.

Reviewer: Ing. Martin Beran

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the design, implementation, and experimental verification of an innovative vehicle cooling system concept that utilizes magnetic forces to drive the working fluid. The aim of the thesis is to investigate the possibilities of thermomagnetic convection and to verify the potential of a ferrofluid containing magnetic nanoparticles (Fe3O4) as an advanced heat transfer fluid that would enable pumpless circulation. The literature review describes the physical principles of magnetic fluids, their stability, and the influence of the Curie temperature. The practical part is dedicated to the construction of a testing circuit and the subsequent measurement of heat transfer. The experimental results confirmed that the application of an external magnetic field induces forced circulation of the ferrofluid (thermomagnetic drive); however, this phenomenon is strongly dependent on the geometric complexity and hydraulic resistance of the circuit. Furthermore, during testing of the system with an auxiliary mechanical pump, an anomalous non-linear increase in thermal power of 41,2 % (from 228 W to 322 W) was identified at a critical nanoparticle volume concentration of 3,7 %. This sharp increase is explained by the formation of percolating structures that dramatically enhance the effective thermal conductivity of the medium. The acquired findings point to the potential use of ferrofluids for noiseless and highly efficient cooling of specific components in the automotive industry.

Keywords:

ferrofluid, magnetic nanoparticles, thermomagnetic convection, vehicle cooling system, percolation, thermal power, dynamic viscosity, Fe3O4

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval zkušební komisi svou závěrečnou práci a zodpověděl otázky oponenta. Otázky oponenta: 1) Při experimentech na komplexním okruhu hydrodynamický odpor převýšil síly generované magnetickým polem. Jaké geometrické či konstrukční úpravy chladicího okruhu byste navrhl, aby se tento odpor snížil, ale byl zachován dostatečný tepelný výkon? Hodnocení: Zodpovězeno. 2) Během měření při vyšších teplotách jste pozoroval shlukování nanočástic vlivem degradace ochranné vrstvy surfaktantu SLS. Víte o alternativních povrchově aktivních látkách, které by lépe snášely provozní teploty spalovacích motorů? Hodnocení: Zodpovězeno. Následně odpovídal na otázky členů zkušební komise: 1) Jaká byla hlavní složka použitého média? Hodnocení: Zodpovězeno. 2) Měly nanočástice vliv na součinitel přestupu tepla? Hodnocení: Zodpovězeno. 3) Jak byste přeložil pojem „ferrofluid“? Hodnocení: Zodpovězeno. 4) Jaké proudění bylo v měřeném systému, respektive jakých hodnot Reynoldsova čísla bylo dosaženo? Hodnocení: Částečně zodpovězeno. 5) Hledal jste odborné publikace zabývající se problematikou ferrofluidů? Hodnocení: Zodpovězeno. 6) Jak byl definován směr proudu média? Hodnocení: Zodpovězeno. 7) Jaké snímače na měření teploty byly využity? Hodnocení: Částečně zodpovězeno.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Automotive Engineering

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Václav Píštěk, DrSc. (místopředseda)
Ing. Jozef Dlugoš, Ph.D. (člen)
Ing. Lubomír Drápal, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Prokop, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jiří Bazala, Ph.D.

Pan Dufka přistupoval k práci zodpovědně, proaktivně a s plným využitím nabízené stáže ve vývojovém centru, laboratoři a prototypové dílně společnosti Hanon Systems, kde prokázal také schopnost týmové spolupráce. Právě díky možnosti pravidelně navštěvovat vývojové centrum mohlo toto dílo překonat standardní úroveň závěrečných prací a potvrdit, že rozšířená synergie mezi studentem, firmou a vysokou školou je pro všechny strany velmi prospěšná.

Student sám proaktivně navrhoval řešení, když se jednotlivá měření nesetkávala s očekáváním. Příkladem může být návrh úpravy nanočástic surfaktantem, aby se nanočástice neshlukovaly a byla umožněna plynulá cirkulace kapaliny.

Práce je logicky strukturovaná a je z ní patrné, že autor odvedl velké množství investigativní činnosti. To vedlo k řadě časově náročných měření, ze kterých mohl text následně čerpat. Velmi kladně musím hodnotit způsob interpretace dosažených výsledků.

Výsledky zjištění pana Dufky můžou najít uplatnění v dalším vývoji, což značí vysokou míru využitelnosti této práce v praxi. K absolutní dokonalosti chybí pouze preciznější kontrola finálního formátování textu. Body zadání byly splněny ve všech ohledech, a to včetně podmínky zpracování v anglickém jazyce. Práci jednoznačně doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Martin Beran

Bakalářská práce Pana Jiřího Dufka se zabývá inovativním konceptem chladicího systému vozidla, který k cirkulaci pracovní kapaliny využívá magnetické síly, a to na celkovém rozsahu 50 stran. Práce je logicky a přehledně rozdělena na teoretickou rešerši a rozsáhlou experimentální část. Rešeršní část je navržena velmi vhodně s ohledem na řešenou problematiku. Správně shrnuje dosavadní vývoj a limitace konvenčních chladicích systémů a plynule přechází k detailní analýze fyzikálních a magnetických vlastností nanočástic a ferofluidů. Vysvětlení fenoménů jako je Curieova teplota či superparamagnetismus tvoří kvalitní a nezbytný základ pro pochopení následných experimentů. Experimentální přístup studenta a jeho vlastní přínos jsou na vynikající úrovni. Aplikované analytické metody pro vyhodnocení přenosu tepla jsou zcela adekvátní a pečlivě zpracované.

Práce vykazuje vysokou úroveň zpracování, a to jak po stránce odborné, tak experimentální. Student se v práci dopustil jen několika drobných chyb formálního charakteru (chybějící označení teploty na obrázku 21. případně formátování obsahu), které jsou však vzhledem obsahové kvalitě zcela marginální. Dosažené výsledky jsou velmi dobře interpretovány, přičemž student objektivně shrnul i slepé uličky řešení, což svědčí o vyzrálém inženýrském přístupu. Získané poznatky jsou cenným příspěvkem k úvahám o implementaci termomagnetického chlazení. Práci jednoznačně doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Při experimentech na komplexním okruhu hydrodynamický odpor převýšil síly generované magnetickým polem. Jaké geometrické či konstrukční úpravy chladicího okruhu byste navrhl, aby se tento odpor snížil, ale byl zachován dostatečný tepelný výkon?
  2. Během měření při vyšších teplotách jste pozoroval shlukování nanočástic vlivem degradace ochranné vrstvy surfaktantu SLS. Víte o alternativních povrchově aktivních látkách, které by lépe snášely provozní teploty spalovacích motorů?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová