Verbesserte magnetostriktive Pumpe

Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas

Eine verbesserte magnetostriktiv betätigte Pumpe wurde entwickelt, um den Bedarf an einer kleinen Flüssigkeitspumpe mit niedrigem Druck und hoher Durchflussrate zu decken, die nur wenige bewegliche Teile enthält und über lange Zeiträume ohne Wartung zuverlässig laufen kann. Die Pumpe könnte beispielsweise zum Umwälzen von Wasser im tragbaren Lebenserhaltungssystem eines Feuerwehrmanns oder Chemiearbeiters oder in anderen Umgebungen eingesetzt werden, in denen Zuverlässigkeit wichtig und die Wartung schwierig ist. Die Pumpe ist in erster Linie für die Förderflüssigkeit Wasser ausgelegt, kann aber auch für andere Flüssigkeiten, einschließlich kryogener Flüssigkeiten, verwendet werden.

Die Abbildung zeigt einen meridionalen Querschnitt der Pumpe. Der untere Teil enthält einen magnetostriktiven Aktuator, einschließlich eines ringförmigen Permanentmagneten, der ein konstantes (Vormagnetisierungs-)Magnetfeld liefert, und einer Elektromagnetspule, die das für die Betätigung erforderliche variable Magnetfeld erzeugt. Das magnetostriktive Material ist die Legierung Tb0,27Dy0,73Fe2 (im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen „Terfenol-D“).

Der ungewöhnliche Aspekt des Aktuators liegt in seiner zweistufigen Konstruktion, die die zum Erreichen eines bestimmten Hubs erforderliche Aktuatorlänge ungefähr halbiert. Es gibt zwei Stücke magnetostriktiven Materials mit einer Länge von jeweils 1,5 Zoll (3,81 cm): einen zentralen Stab mit einem Durchmesser von 0,75 Zoll (1,9 cm) und eine umgebende Hülse mit dem gleichen Volumen wie der Stab. Das obere Ende der Hülse drückt über einen Edelstahlverbinder gegen das untere Ende des Stabs, so dass sich der Stab aus der Hülse teleskopiert und die magnetostriktive Spannung des Stabs zu der der Hülse addiert wird, um nahezu die gleiche Summe zu erhalten Belastung wie die eines 3-in. (7,6 cm) lang, 0,75 Zoll. Stab aus magnetostriktivem Material mit einem Durchmesser von 1,9 cm. Der Steckverbinder ist so konzipiert, dass er im Vergleich zur magnetostriktiven Belastung bei den erwarteten Betätigungslasten nur einer sehr geringen Belastung ausgesetzt ist.

Der Durchmesser des zweistufigen Aktuators ist größer als bei einem einstufigen Aktuator, diese Vergrößerung des Durchmessers erhöht jedoch nicht den Gesamtdurchmesser der Pumpe, da der Kolben, der die Pumpwirkung ausführt, einen größeren Durchmesser hat. Darüber hinaus ist der Stromverbrauch des zweistufigen Aktuators nur geringfügig höher als bei einem gleich leistungsfähigen einstufigen Aktuator.

Oberhalb des Aktuators befindet sich ein hydraulischer Hubverstärker, der einen äußeren und einen inneren Antriebsbalg umfasst. Dieser Hubverstärker vervielfacht den Aktuatorhub um etwa den Faktor 7,5 [von 2 bis 15 mil (0,05 bis 0,38 mm)] und teilt gleichzeitig die Aktuatorkraft beim Antrieb des Kolbens durch den Faktor 10. Etwa 75 Prozent der vom Aktuator geleisteten Arbeit gehen in den Ausgang des Hubverstärkers; Die restlichen 25 Prozent werden für die Kompression der Hydraulikflüssigkeit und die Verformungsenergie des Balgs verbraucht.

Der Hubverstärker treibt den Kolben an, dessen periodische Bewegung durch ein Einlassventil Wasser in eine Kammer saugt und das Wasser durch ein Auslassventil aus der Kammer drückt. Dabei handelt es sich um leichte, schnell ansprechende Rückschlagventile mit Federposition. Diese Ventile sind so positioniert, dass das Wasser umlaufend um die Kammer strömt, um einen Zentrifugaleffekt zu erzielen, der dazu führt, dass sich eingeschlossene Luftblasen in der Mitte der Kammer ansammeln und ausströmen. Die angesammelte Luft muss abgelassen werden, da der Pumpenhub so klein ist, dass bereits wenige Milliliter eingeschlossener Luft die Leistung erheblich beeinträchtigen und eine größere Menge die Pumpwirkung völlig blockieren kann.

Oberhalb der Pumpenkammer, in der der Kolben arbeitet, befinden sich zwei Ausgleichsbälge – einer auf der Einlassseite und einer auf der Auslassseite. Diese Faltenbälge glätten den Durchfluss und reduzieren die Pulsationen, die bei der Pumpenbetriebsfrequenz von etwa 24 Hz auftreten. Wenn die Pulsationen nicht geglättet würden, würden große Kräfte (Wasserschläge) entstehen, die sich in den mit der Pumpe verbundenen Wasserleitungen aufbauen und dadurch den Betrieb der Pumpe verhindern würden.

Die Pumpe ist für eine Durchflussrate von 30 Millilitern pro Sekunde und einen Druck von 5 psi ausgelegt und verbraucht etwa 25 W elektrische Leistung.

Diese Arbeit wurde von Michael J. Gerver, Robert Ilmonen, Frank Nimblett und John Swenbeck von SatCon Technology Corp. für das Johnson Space Center durchgeführt. MSC-22890

Dieser Artikel erschien erstmals in der Dezemberausgabe 1999 des Motion Control Tech Briefs Magazine.

Weitere Artikel aus dem Archiv lesen Sie hier.

ABONNIEREN