Bomba magnetostrictiva mejorada

Centro Espacial Lyndon B. Johnson, Houston, Texas

Se ha desarrollado una bomba accionada magnetoestrictivamente mejorada para satisfacer la necesidad de una bomba de fluido pequeña, de baja presión y alto caudal que contenga pocas piezas móviles y pueda funcionar de manera confiable durante largos períodos sin mantenimiento. La bomba podría usarse, por ejemplo, para hacer circular agua en el sistema de soporte vital portátil que lleva un bombero o un trabajador químico o en cualquier entorno donde la confiabilidad es importante y el mantenimiento es difícil. La bomba está diseñada principalmente para agua como fluido bombeado, pero también podría usarse con otros fluidos, incluidos los criogénicos.

La figura muestra una sección transversal meridional de la bomba. La parte inferior contiene un actuador magnetoestrictivo, que incluye un imán permanente anular que proporciona un campo magnético constante (polarización) y una bobina de electroimán que genera el campo magnético variable necesario para la actuación. El material magnetoestrictivo es la aleación Tb0,27Dy0,73Fe2 (disponible comercialmente con el nombre comercial "Terfenol-D").

El aspecto inusual del actuador radica en un diseño de dos etapas que reduce aproximadamente a la mitad la longitud del actuador necesaria para obtener una carrera determinada. Hay dos piezas de material magnetoestrictivo, cada una de 1,5 pulgadas (3,81 cm) de largo: una barra central de 0,75 pulgadas (1,9 cm) de diámetro y un manguito circundante del mismo volumen que el de la barra. El extremo superior del manguito empuja contra el extremo inferior de la varilla a través de un conector de acero inoxidable, de modo que la varilla se sale del manguito y la tensión magnetoestrictiva de la varilla se suma a la del manguito para obtener casi la misma tensión total. tensión como la de un 3-in. (7,6 cm) de largo, 0,75 pulg. (1,9 cm) de varilla de diámetro del material magnetoestrictivo. El conector está diseñado para soportar muy poca tensión, en relación con la tensión magnetoestrictiva en las cargas de actuación previstas.

El diámetro del actuador de dos etapas es mayor de lo que sería con una sola etapa, pero este aumento de diámetro no aumenta el diámetro total de la bomba, porque el pistón que efectúa la acción de bombeo tiene un diámetro mayor. Además, la energía consumida por el actuador de dos etapas es solo un poco mayor que la que sería para un actuador de una sola etapa con la misma capacidad.

Encima del actuador hay un amplificador de carrera hidráulico que incluye un fuelle de accionamiento externo e interno. Este amplificador de carrera multiplica la carrera del actuador por un factor de 7,5 [de 0,05 a 0,38 mm (2 a 15 mils)] mientras divide la fuerza del actuador por un factor de 10 al accionar el pistón. Alrededor del 75 por ciento del trabajo realizado por el actuador va a la salida del amplificador de carrera; el 25 por ciento restante se consume en la compresión del fluido hidráulico y la energía de deformación del fuelle.

El amplificador de carrera impulsa el pistón, cuyo movimiento periódico atrae agua a una cámara a través de una válvula de entrada y empuja el agua fuera de la cámara a través de una válvula de salida. Estas son válvulas de retención livianas, de respuesta rápida y posicionadas por resorte. Estas válvulas están posicionadas para hacer que el agua fluya circunferencialmente alrededor de la cámara para obtener un efecto centrífugo que hace que las burbujas de aire atrapadas se acumulen en el centro de la cámara, donde fluyen hacia afuera. El aire acumulado debe ventilarse porque la carrera de la bomba es tan pequeña que incluso unos pocos mililitros de aire atrapado impiden en gran medida el rendimiento, y más de esa cantidad puede bloquear totalmente la acción de bombeo.

Encima de la cámara de la bomba en la que opera el pistón hay dos fuelles de compensación, uno en el lado de entrada y otro en el lado de salida. Estos fuelles suavizan el flujo, reduciendo las pulsaciones que se producen en la frecuencia de funcionamiento de la bomba, que es de unos 24 Hz. Si las pulsaciones no se suavizaran, darían lugar a fuerzas enormes (golpes de ariete) que se acumularían en los tubos de agua conectados a la bomba y, por lo tanto, impedirían que la bomba funcionara.

La bomba está diseñada para tener un caudal de 30 mililitros por segundo y una presión de 5 psi, y consumir alrededor de 25 W de energía eléctrica.

Este trabajo fue realizado por Michael J. Gerver, Robert Ilmonen, Frank Nimblett y John Swenbeck de SatCon Technology Corp. para el Centro Espacial Johnson. MSC-22890

Este artículo apareció por primera vez en la edición de diciembre de 1999 de la revista Motion Control Tech Briefs.

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