Pompe magnétostrictive améliorée

Centre spatial Lyndon B. Johnson, Houston, Texas

Une pompe actionnée par magnétostriction améliorée a été développée pour répondre au besoin d'une petite pompe à fluide à basse pression et à haut débit qui contient peu de pièces mobiles et peut fonctionner de manière fiable pendant de longues périodes sans maintenance. La pompe pourrait être utilisée, par exemple, pour faire circuler l'eau dans le système de survie portable porté par un pompier ou un chimiste ou dans tout environnement où la fiabilité est importante et la maintenance difficile. La pompe est conçue principalement pour l'eau en tant que fluide pompé, mais elle pourrait également être utilisée avec d'autres fluides, y compris des fluides cryogéniques.

La figure montre une coupe méridienne de la pompe. La partie inférieure contient un actionneur magnétostrictif, comprenant un aimant permanent annulaire qui fournit un champ magnétique constant (de polarisation) et une bobine d'électroaimant qui génère le champ magnétique variable nécessaire à l'actionnement. Le matériau magnétostrictif est l'alliage Tb0.27Dy0.73Fe2 (disponible dans le commerce sous le nom commercial "Terfenol-D").

L'aspect inhabituel de l'actionneur réside dans une conception à deux étages qui réduit environ de moitié la longueur de l'actionneur nécessaire pour obtenir une course donnée. Il y a deux morceaux de matériau magnétostrictif, chacun de 1,5 po (3,81 cm) de long : une tige centrale de 0,75 po (1,9 cm) de diamètre et un manchon périphérique du même volume que celui de la tige. L'extrémité supérieure du manchon pousse contre l'extrémité inférieure de la tige via un connecteur en acier inoxydable, de sorte que la tige se télescope hors du manchon et que la contrainte magnétostrictive de la tige s'ajoute à celle du manchon pour obtenir à peu près le même total souche comme celle d'un 3-in. (7,6 cm) de long, 0,75 po. (1,9 cm) tige de diamètre du matériau magnétostrictif. Le connecteur est conçu pour subir très peu de contraintes, par rapport à la contrainte magnétostrictive aux charges d'actionnement anticipées.

Le diamètre de l'actionneur à deux étages est supérieur à ce qu'il serait avec un seul étage, mais cette augmentation de diamètre n'augmente pas le diamètre global de la pompe, car le piston qui effectue l'action de pompage a un diamètre supérieur. De plus, la puissance consommée par l'actionneur à deux étages n'est que légèrement supérieure à ce qu'elle serait pour un actionneur à un étage de même capacité.

Au-dessus de l'actionneur se trouve un amplificateur de course hydraulique qui comprend un soufflet d'entraînement externe et interne. Cet amplificateur de course multiplie la course de l'actionneur par environ un facteur de 7,5 [de 2 à 15 mils (0,05 à 0,38 mm)] tout en divisant la force de l'actionneur par un facteur de 10 lors de l'entraînement du piston. Environ 75 % du travail effectué par l'actionneur va dans la sortie de l'amplificateur de course ; les 25 % restants sont consommés par la compression du fluide hydraulique et l'énergie de déformation des soufflets.

L'amplificateur de course entraîne le piston, dont le mouvement périodique aspire l'eau dans une chambre à travers une soupape d'admission et pousse l'eau hors de la chambre à travers une soupape de sortie. Ce sont des clapets anti-retour légers, à réponse rapide et à ressort. Ces vannes sont positionnées pour faire circuler l'eau circonférentiellement autour de la chambre afin d'obtenir un effet centrifuge qui fait que les bulles d'air emprisonnées s'accumulent au centre de la chambre, d'où elles s'écoulent. L'air accumulé doit être évacué car la course de la pompe est si petite que même quelques millilitres d'air piégé entravent considérablement les performances, et plus que cette quantité peut bloquer totalement l'action de pompage.

Au-dessus de la chambre de pompe dans laquelle le piston fonctionne, il y a deux soufflets de compensation - un du côté de l'admission et un du côté de la sortie. Ces soufflets lissent le débit, réduisant les pulsations qui se produisent à la fréquence de fonctionnement de la pompe, qui est d'environ 24 Hz. Si les pulsations n'étaient pas lissées, elles engendreraient d'énormes forces (coups de bélier) qui s'accumuleraient dans les tubes d'eau reliés à la pompe et empêcheraient ainsi la pompe de fonctionner.

La pompe est conçue pour avoir un débit de 30 millilitres par seconde et une pression de 5 psi, et pour consommer environ 25 W d'énergie électrique.

Ce travail a été réalisé par Michael J. Gerver, Robert Ilmonen, Frank Nimblett et John Swenbeck de SatCon Technology Corp. pour Johnson Space Center. MSC-22890

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de décembre 1999 du magazine Motion Control Tech Briefs.

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