ANALISI PRESTAZIONALE DI POMPE INNOVATIVE PER APPLICAZIONI DI MICROFLUIDICA

In recent years, research in the field of fluid machinery has placed alongside the optimization of conventional pumps the study of devices that perform the pumping function through physical principles entirely different from the classical mechanical one. This work proposes a comparative review between two of these technologies, piezoelectric pumps and electrohydrodynamic fiber pumps, retracing their evolution and highlighting their advantages and limitations compared to conventional pumps. To fully understand these new technologies, the work starts with an examination of the latter, specifically centrifugal pumps and reciprocating positive-displacement pumps. The piezohydraulic pump indeed retains the variable-volume chamber, the valves and the working cycle of the reciprocating pump, but replaces the motor and the crank mechanism with a piezoelectric stack. Taking then into consideration the University of Bath prototype, it emerges how, working at such small scales, fluid compressibility, stack compliance and valve behavior become determining factors to guarantee the flow rate and prevent the risk of cavitation. The fiber pump instead renounces any moving part and generates a continuous flow inside a flexible tube, in whose walls two helical electrodes are embedded, exploiting the liquid entrainment by the ions produced by charge injection. The literature is accompanied by an analysis conducted with the CoolProp library in Microsoft Excel, employing surrogate fluids of the real ones. The analysis shows that in the fiber pump the flow is laminar and the viscosity governs the hydraulic resistance, which between 0 °C and 55 °C varies by about two and a half times, while in the piezohydraulic pump the fluid remains far from phase change and the cavitation arises from the strong local pressure drops that are produced at the suction valve. What emerges is the picture of two complementary rather than competing technologies, the first oriented towards low-power hydraulic actuation, in particular in the aeronautical field, the second towards wearable devices, soft robotics and thermal management. The work closes with the development prospects indicated by the research groups.

Negli ultimi anni la ricerca nel campo delle macchine a fluido ha affiancato all’ottimizzazione delle pompe convenzionali lo studio di dispositivi che svolgono la funzione di pompaggio attraverso principi fisici del tutto diversi da quello meccanico classico. Il presente lavoro propone una review comparativa tra due di queste tecnologie, le pompe piezoelettriche e le fiber pump elettroidrodinamiche, ripercorrendone l’evoluzione e mettendone in luce i vantaggi e i limiti rispetto alle pompe convenzionali. Per comprendere appieno queste nuove tecnologie, il lavoro parte con una disamina proprio di quest’ultime, nello specifico pompe centrifughe e pompe volumetriche alternative. La pompa piezoidraulica conserva infatti la camera a volume variabile, le valvole e il ciclo di lavoro della pompa alternativa, ma sostituisce il motore e il manovellismo con uno stack piezoelettrico. Prendendo poi in esame il prototipo dell’Università di Bath emerge come, lavorando a piccole scale così piccole, la comprimibilità del fluido, la cedevolezza dello stack e il comportamento delle valvole diventino fattori determinanti per garantire la portata e scongiurare il rischio di cavitazione. La fiber pump rinuncia invece a ogni organo mobile e genera un flusso continuo all’interno di un tubo flessibile, nelle cui pareti sono annegati due elettrodi elicoidali, sfruttando il trascinamento del liquido da parte degli ioni prodotti per iniezione di carica. Alla letteratura è affiancata un’analisi condotta con la libreria CoolProp in Microsoft Excel, impiegando fluidi surrogati di quelli reali. L’analisi mostra che nella fiber pump il moto è laminare e la viscosità governa la resistenza idraulica, che tra 0 °C e 55 °C varia di circa due volte e mezzo, mentre nella pompa piezoidraulica il fluido resta lontano dal cambiamento di fase e la cavitazione nasce dalle forti depressioni locali che si producono in corrispondenza della valvola di aspirazione. Ne emerge il quadro di due tecnologie complementari più che concorrenti, la prima orientata all’attuazione oleodinamica di piccola potenza, in particolare in campo aeronautico, la seconda ai dispositivi indossabili, alla robotica soffice e alla gestione termica. Il lavoro si chiude con le prospettive di sviluppo indicate dai gruppi di ricerca.