개선된 자기변형 펌프

린든 B. 존슨 우주센터, 텍사스 주 휴스턴

개선된 자기변형 작동식 펌프는 움직이는 부품이 거의 없고 유지보수 없이 장기간 안정적으로 작동할 수 있는 소형, 저압, 고유량 유체 펌프에 대한 요구를 충족시키기 위해 개발되었습니다. 예를 들어, 펌프는 소방관이나 화학 작업자가 착용하는 휴대용 생명 유지 시스템이나 신뢰성이 중요하고 유지 관리가 어려운 모든 환경에서 물을 순환시키는 데 사용할 수 있습니다. 펌프는 주로 물을 펌핑 유체로 사용하도록 설계되었지만 극저온 유체를 포함한 다른 유체에도 사용할 수도 있습니다.

그림은 펌프의 자오선 단면을 보여줍니다. 하단 부분에는 일정한(바이어스) 자기장을 제공하는 환형 영구 자석과 작동에 필요한 가변 자기장을 생성하는 전자석 코일을 포함한 자기 변형 액추에이터가 포함되어 있습니다. 자기 변형 재료는 합금 Tb0.27Dy0.73Fe2(상표명 "Terfenol-D"로 시판됨)입니다.

액추에이터의 특이한 점은 주어진 스트로크를 얻는 데 필요한 액추에이터 길이를 대략 절반으로 줄이는 2단계 설계에 있습니다. 각각 길이가 1.5인치(3.81cm)인 두 개의 자기 변형 재료가 있습니다. 중앙 막대는 직경이 0.75인치(1.9cm)이고 막대와 동일한 부피의 주변 슬리브입니다. 슬리브의 상단이 스테인리스 스틸 커넥터를 통해 로드의 하단을 밀어서 로드가 슬리브에서 튀어나오고 로드의 자기 변형 변형이 슬리브의 변형에 추가되어 거의 동일한 총계를 얻습니다. 3인치만큼 긴장하세요. (7.6cm) 길이, 0.75인치 (1.9cm) 직경의 자기 변형 재료 막대. 커넥터는 예상 작동 부하에서 자기 변형 변형에 비해 변형이 거의 발생하지 않도록 설계되었습니다.

2단 액츄에이터의 직경은 단일 스테이지의 직경보다 크지만, 펌핑 작용에 영향을 미치는 피스톤의 직경이 더 크기 때문에 이러한 직경의 증가는 펌프의 전체 직경을 증가시키지 않습니다. 또한, 2단 액추에이터가 소비하는 전력은 동일한 성능의 단일 스테이지 액추에이터보다 약간 더 큽니다.

액추에이터 위에는 외부 및 내부 드라이브 벨로우즈를 포함하는 유압 스트로크 증폭기가 있습니다. 이 스트로크 증폭기는 피스톤 구동 시 액추에이터 힘을 10배로 나누는 동시에 액추에이터 스트로크에 약 7.5배[2~15밀(0.05~0.38mm)]를 곱합니다. 액추에이터가 수행하는 작업의 약 75%가 스트로크 증폭기의 출력으로 들어갑니다. 나머지 25%는 유압유 압축과 벨로우즈의 변형 에너지에 소비됩니다.

스트로크 증폭기는 피스톤을 구동하며, 피스톤의 주기적인 움직임은 흡기 밸브를 통해 물을 챔버로 끌어들이고 유출 밸브를 통해 물을 챔버 밖으로 밀어냅니다. 이는 가볍고 빠르게 반응하는 스프링 위치 체크 밸브입니다. 이 밸브는 챔버 주위에 물이 원주 방향으로 흐르도록 배치되어 갇힌 기포가 챔버 중앙에 축적되어 흘러 나가는 원심 효과를 얻습니다. 펌프 행정이 너무 작아서 몇 밀리리터의 갇힌 공기라도 성능을 크게 저하시키고, 그 양이 넘으면 펌핑 작업을 완전히 차단할 수 있으므로 축적된 공기를 배출해야 합니다.

피스톤이 작동하는 펌프실 위에는 두 개의 보상 벨로우즈가 있습니다. 하나는 흡입측에, 다른 하나는 유출측에 있습니다. 이 벨로우즈는 흐름을 원활하게 하여 펌프 작동 주파수(약 24Hz)에서 발생하는 맥동을 줄입니다. 맥동이 완화되지 않으면 펌프에 연결된 수관에 큰 힘(수격 현상)이 발생하여 펌프가 작동하지 못하게 됩니다.

펌프는 초당 30밀리리터의 유량과 5psi의 압력을 갖도록 설계되었으며, 약 25W의 전력을 소비하도록 설계되었습니다.