Bomba Magnetostritiva Aprimorada

Centro Espacial Lyndon B. Johnson, Houston, Texas

Uma bomba melhorada acionada magnetostrictivamente foi desenvolvida para satisfazer a necessidade de uma bomba de fluido pequena, de baixa pressão e alta vazão que contém poucas peças móveis e pode funcionar de forma confiável por longos períodos sem manutenção. A bomba pode ser usada, por exemplo, para circular água no sistema portátil de suporte à vida usado por um bombeiro ou um trabalhador químico ou em qualquer ambiente onde a confiabilidade é importante e a manutenção é difícil. A bomba é projetada principalmente para água como fluido bombeado, mas também pode ser usada com outros fluidos, incluindo os criogênicos.

A figura mostra uma seção transversal meridional da bomba. A parte inferior contém um atuador magnetostritivo, incluindo um ímã anular permanente que fornece um campo magnético constante (bias), e uma bobina de eletroímã que gera o campo magnético variável necessário para a atuação. O material magnetostritivo é a liga Tb0.27Dy0.73Fe2 (disponível comercialmente sob o nome comercial "Terfenol-D").

O aspecto incomum do atuador reside em um projeto de dois estágios que reduz aproximadamente à metade o comprimento do atuador necessário para obter um determinado curso. Há duas peças de material magnetoestrictivo, cada uma com 3,81 cm (1,5 pol.) de comprimento: uma haste central com 1,9 cm (0,75 pol.) de diâmetro e uma manga circundante com o mesmo volume da haste. A extremidade superior da luva empurra a extremidade inferior da haste por meio de um conector de aço inoxidável, de modo que a haste se projeta para fora da luva e a tensão magnetostrictiva da haste é adicionada à da luva para obter quase o mesmo total tensão como a de um 3-in. (7,6 cm) de comprimento, 0,75 pol. (1,9 cm) de diâmetro da haste do material magnetostritivo. O conector é projetado para sofrer muito pouca tensão, em relação à tensão magnetostritiva nas cargas de atuação previstas.

O diâmetro do atuador de dois estágios é maior do que seria com um estágio, mas esse aumento de diâmetro não aumenta o diâmetro total da bomba, porque o pistão que efetua a ação de bombeamento tem um diâmetro maior. Além disso, a energia consumida pelo atuador de dois estágios é apenas ligeiramente maior do que seria para um atuador de estágio único igualmente capaz.

Acima do atuador está um amplificador de curso hidráulico que inclui um fole de acionamento externo e interno. Este amplificador de curso multiplica o curso do atuador por um fator de cerca de 7,5 [de 2 a 15 mils (0,05 a 0,38 mm)] enquanto divide a força do atuador por um fator de 10 ao acionar o pistão. Cerca de 75% do trabalho realizado pelo atuador vai para a saída do amplificador de curso; os 25% restantes são consumidos na compressão do fluido hidráulico e na energia de deformação do fole.

O amplificador de curso aciona o pistão, cujo movimento periódico atrai a água para uma câmara através de uma válvula de admissão e empurra a água para fora da câmara através de uma válvula de saída. São válvulas de retenção leves, de resposta rápida e posicionadas por mola. Estas válvulas são posicionadas para fazer a água fluir circunferencialmente ao redor da câmara para obter um efeito centrífugo que faz com que as bolhas de ar aprisionadas se acumulem no centro da câmara, por onde saem. O ar acumulado deve ser ventilado porque o curso da bomba é tão pequeno que mesmo poucos mililitros de ar aprisionado prejudicam muito o desempenho, e mais do que essa quantidade pode bloquear totalmente a ação de bombeamento.

Acima da câmara da bomba na qual o pistão opera existem dois foles de compensação - um no lado de entrada e outro no lado de saída. Esses foles suavizam o fluxo, reduzindo as pulsações que ocorrem na frequência de operação da bomba, que é de cerca de 24 Hz. Se as pulsações não fossem suavizadas, dariam origem a enormes forças (martelo de aríete) que se acumulariam nos tubos de água conectados à bomba e, assim, impediriam o funcionamento da bomba.

A bomba foi projetada para ter uma vazão de 30 mililitros por segundo e uma pressão de 5 psi, além de consumir cerca de 25 W de energia elétrica.