Sviluppo e ottimizzazione di Micro Pompe

Micro fluid dynamics is one of the most challenging research fields of engineering. The fast development of this research field in the last 20 years has lead to great improvements in micro pump design. While non mechanical pumps could be successfully applied to small volumes and powers, mechanical pumps are needed when higher power and flow rates are required, such as with microelectronic cooling This work focuses on the improvements in the design procedure for the mechanical centrifugal micro pump. The research began with a small account of papers presented in open literature to develop the design of an innovative centrifugal micro pump: the rotary shaft pumps. The numerical and experimental analysis allowed to define the effect of each single geometrical feature of the impeller and the volute on the performance. The knowledge acquired led to the design of a new rotary shaft pump with high performance. The systematic analysis of the rotary shaft pump layout allows for the definition of a new two stage design, with a rotary shaft pump first stage, and a bladeless disk pump as second stage. This innovative pump showed significant improvement in performance, leading to a more compact and sturdy design, as compared to classical rotary shaft pumps. Particular attention was given to the design and the optimization of the stationary elements. These studies demonstrated the presence of a physical limit to the conversion of kinetic energy in static pressure, given by very restricted areas and the high velocity of the flow, causing the conversion efficiency to be very low.

La micro fluido dinamica rappresenta una delle maggiori sfide dell’ingegneria moderna. Lo sviluppo del settore nell’ultimo ventennio ha portato alla definizione di una vastissima gamma di micro pompe, innovative. Mentre le micro pompe non meccaniche risultano applicabili per piccole potenze, le micro pompe meccaniche permettono di soddisfare le applicazioni che richiedono potenze relativamente elevate e ridotte dimensioni globali. Questo lavoro si propone di approfondire e sviluppare le conoscenze riguardanti la fluidodinamica e i criteri di progettazione delle micro pompe meccaniche centrifughe. Sono stati inoltre affrontati e analizzati molteplici aspetti correlati alla fabbricabilità e alla affidabilità di tali macchine. Il lavoro prende lo spunto dalla scarsa letteratura disponibile riguardante le micro pompe meccaniche centrifughe rotary shaft pump. Le sperimentazioni effettuate e le analisi numeriche hanno quindi messo in luce l’influenza delle varie grandezze geometriche della voluta e della girante, permettendo lo sviluppo di una nuova girante dalle elevate prestazioni. Le analisi delle problematiche tipiche della struttura rotary shaft pump ha poi permesso di giungere alla definizione di una macchina innovativa bi-stadio, che accoppia uno stadio rotary shaft pump ottimizzato con uno stadio non palettato a dischi. Questo innovativo layout ha inoltre permesso di migliorare la solidità della macchina e di ridurne le dimensioni globali. Vengono inoltre presentati ulteriori sviluppo del layout proposto, approfondendo le possibilità di applicare alla micro scala giranti centrifughe non palettate. Viene inoltre analizzato con particolare attenzione all’influenza degli organi statori sul comportamento globale della macchina, approfondendo la loro ottimizzazione. Queste analisi hanno permesso di dimostrare un limite estremamente basso per le prestazioni di questi organi, non ulteriormente migliorabile a causa delle elevate difficoltà nella conversione dell’energia cinetica dovute alla ridotta dimensione dei componenti.