改良された磁歪ポンプ

リンドン・B・ジョンソン宇宙センター、テキサス州ヒューストン

可動部品が少なく、メンテナンスなしで長期間確実に動作できる小型、低圧、高流量の流体ポンプのニーズを満たすために、改良された磁歪作動ポンプが開発されました。 このポンプは、たとえば、消防士や化学作業員が着用する携帯型生命維持装置や、信頼性が重要でメンテナンスが難しいあらゆる環境で水を循環させるために使用できます。 このポンプは主に水を汲み上げる流体用に設計されていますが、極低温流体を含む他の流体にも使用できます。

図はポンプの子午線断面を示しています。 底部には、一定（バイアス）磁場を提供する環状永久磁石と、作動に必要な可変磁場を生成する電磁石コイルを含む磁歪アクチュエータが含まれています。 磁歪材料は、合金Ｔｂ０．２７Ｄｙ０．７３Ｆｅ２（商品名「Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ」として市販されている）である。

アクチュエータの珍しい点は、所定のストロークを得るために必要なアクチュエータの長さを約半分にする 2 段階設計にあります。 それぞれ長さ 1.5 インチ (3.81 cm) の 2 つの磁歪材料があります。直径 0.75 インチ (1.9 cm) の中央ロッドと、ロッドと同じ体積の周囲のスリーブです。 スリーブの上端がステンレス鋼のコネクタを介してロッドの下端を押すため、ロッドがスリーブから伸縮し、ロッドの磁歪ひずみがスリーブの磁歪ひずみに追加されて、ほぼ同じ総磁歪が得られます。 3 インチのひずみと同じです。 長さ (7.6 cm)、0.75 インチ。 直径 (1.9 cm) の磁歪材料のロッド。 コネクタは、予想される作動負荷における磁歪歪みに比べて、歪みが非常に少ないように設計されています。

2 段アクチュエータの直径は 1 段のアクチュエータよりも大きくなりますが、ポンピング動作に影響を与えるピストンの直径が大きくなるため、この直径の増加によってポンプ全体の直径が増加することはありません。 さらに、2 段アクチュエータによって消費される電力は、同等の能力を備えた 1 段アクチュエータよりわずかに大きいだけです。

アクチュエータの上には、外側と内側の駆動ベローズを含む油圧ストローク アンプがあります。 このストローク アンプは、アクチュエータのストロークを約 7.5 倍 [2 ～ 15 ミル (0.05 ～ 0.38 mm)] にし、ピストンの駆動時にアクチュエータの力を 10 の係数で分割します。 アクチュエータによって行われる仕事の約 75% がストローク アンプの出力に入ります。 残りの 25 パーセントは、作動油の圧縮とベローズのひずみエネルギーに消費されます。

ストローク増幅器はピストンを駆動し、その周期的な運動により、取水弁を介してチャンバ内に水を引き込み、流出弁を介してチャンバから水を押し出します。 これらは、軽量で高速応答のスプリング位置の逆止弁です。 これらのバルブは、水がチャンバーの周囲に円周方向に流れるように配置され、遠心効果が得られ、閉じ込められた気泡がチャンバーの中心に蓄積し、そこから流出します。 ポンプのストロークが非常に小さいため、溜まった空気を排出する必要があります。数ミリリットルでも空気が滞留すると性能が大幅に低下し、それを超えるとポンプ動作が完全にブロックされる可能性があります。

ピストンが動作するポンプ室の上には、吸入側と流出側に 1 つずつ、計 2 つの補償ベローズがあります。 これらのベローズは流れを平滑化し、ポンプの動作周波数（約 24 Hz）で発生する脈動を低減します。 脈動を滑らかにしないと、ポンプに接続されている水管内に大きな力（ウォーターハンマー）が発生し、ポンプが作動できなくなります。

ポンプは、毎秒 30 ミリリットルの流量と 5 psi の圧力を有し、約 25 W の電力を消費するように設計されています。

この研究は、ジョンソン宇宙センターの SatCon Technology Corp. の Michael J. Gerver、Robert Ilmonen、Frank Nimblett、John Swenbeck によって行われました。 MSC-22890

この記事は、Motion Control Tech Briefs Magazine の 1999 年 12 月号に初めて掲載されました。

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