Pompa magnetostrittiva migliorata

Centro spaziale Lyndon B. Johnson, Houston, Texas

Una pompa migliorata ad azionamento magnetostrittivo è stata sviluppata per soddisfare l'esigenza di una pompa per fluidi piccola, a bassa pressione e ad alta portata che contenga poche parti mobili e possa funzionare in modo affidabile per lunghi periodi senza manutenzione. La pompa potrebbe essere utilizzata, ad esempio, per far circolare l'acqua nel sistema di supporto vitale portatile indossato da un vigile del fuoco o da un lavoratore chimico o in qualsiasi ambiente in cui l'affidabilità è importante e la manutenzione è difficile. La pompa è progettata principalmente per l'acqua come fluido pompato, ma può essere utilizzata anche con altri fluidi, compresi quelli criogenici.

La figura mostra una sezione trasversale meridionale della pompa. La parte inferiore contiene un attuatore magnetostrittivo, compreso un magnete permanente anulare che fornisce un campo magnetico costante (polarizzazione) e una bobina elettromagnetica che genera il campo magnetico variabile necessario per l'attuazione. Il materiale magnetostrittivo è la lega Tb0.27Dy0.73Fe2 (disponibile in commercio con il nome commerciale "Terfenol-D").

L'aspetto insolito dell'attuatore risiede nel design a due stadi che dimezza circa la lunghezza dell'attuatore necessaria per ottenere una determinata corsa. Sono presenti due pezzi di materiale magnetostrittivo, ciascuno lungo 3,81 cm (1,5 pollici): un'asta centrale di 1,9 cm (0,75 pollici) di diametro e un manicotto circostante dello stesso volume di quello dell'asta. L'estremità superiore del manicotto spinge contro l'estremità inferiore dell'asta tramite un connettore in acciaio inossidabile, in modo che l'asta fuoriesca telescopicamente dal manicotto e la deformazione magnetostrittiva dell'asta si aggiunga a quella del manicotto per ottenere quasi la stessa quantità totale tensione come quella di un 3 pollici. (7,6 cm) di lunghezza, 0,75 pollici. (1,9 cm) di diametro dell'asta del materiale magnetostrittivo. Il connettore è progettato per subire una deformazione minima, rispetto alla deformazione magnetostrittiva ai carichi di attuazione previsti.

Il diametro dell'attuatore a due stadi è maggiore rispetto a quello a singolo stadio, ma questo aumento di diametro non aumenta il diametro complessivo della pompa, perché il pistone che effettua l'azione di pompaggio ha un diametro maggiore. Inoltre, la potenza consumata dall'attuatore a due stadi è solo leggermente maggiore rispetto a quella di un attuatore a stadio singolo di pari capacità.

Sopra l'attuatore è presente un amplificatore di corsa idraulico che comprende un soffietto di trasmissione esterno ed uno interno. Questo amplificatore di corsa moltiplica la corsa dell'attuatore per un fattore di circa 7,5 [da 0,05 a 0,38 mm (da 2 a 15 mil)] mentre divide la forza dell'attuatore per un fattore di 10 durante l'azionamento del pistone. Circa il 75% del lavoro svolto dall'attuatore va all'uscita dell'amplificatore di corsa; il restante 25% viene consumato nella compressione del fluido idraulico e nell'energia di deformazione dei soffietti.

L'amplificatore di corsa aziona il pistone, il cui movimento periodico aspira l'acqua in una camera attraverso una valvola di aspirazione e spinge l'acqua fuori dalla camera attraverso una valvola di deflusso. Si tratta di valvole di ritegno leggere, a risposta rapida e posizionate a molla. Queste valvole sono posizionate in modo da far scorrere l'acqua circonferenzialmente attorno alla camera per ottenere un effetto centrifugo che fa accumulare le bolle d'aria intrappolate al centro della camera, dove fuoriescono. L'aria accumulata deve essere scaricata perché la corsa della pompa è così piccola che anche pochi millilitri di aria intrappolata compromettono notevolmente le prestazioni e una quantità maggiore può bloccare completamente l'azione di pompaggio.

Sopra la camera della pompa in cui opera il pistone si trovano due soffietti di compensazione, uno sul lato di aspirazione e uno sul lato di scarico. Questi soffietti uniformano il flusso, riducendo le pulsazioni che si verificano alla frequenza di funzionamento della pompa, che è di circa 24 Hz. Se le pulsazioni non venissero attenuate, darebbero luogo a forze enormi (colpo d'ariete) che si accumulerebbero nei tubi dell'acqua collegati alla pompa e quindi impedirebbero il funzionamento della pompa.

La pompa è progettata per avere una portata di 30 millilitri al secondo e una pressione di 5 psi e per consumare circa 25 W di energia elettrica.