Использование ультразвуковых ванн

Что делать, если грязь прочно въелась в трещины и щели изделия, что ни одной щеткой ее не достать? А если есть риск повреждения поверхности дорогостоящего ювелирного украшения? Кроме того, проверить качество стерилизации емкости «на глаз» просто невозможно. Следует напомнить, то 25% отказов в электронике связано именно с плохим качеством очистки поверхности. Другими словами, наша проблема является совсем не тривиальной.

Ультразвуковые емкости (ванны) широко используются для очистки изделий различного назначения: ювелирных изделий, пишущих принадлежностей, предметов личной гигиены и автомобильных запчастей. Такие ванны содержат встроенные источники ультразвуковых колебаний во внутренних стенках колбы, которая заполняются моющей жидкостью. Под воздействием ультразвуковых сигналов в жидкости возникает явление кавитации, благодаря которому и достигается требуемый эффект очистки изделия. Эффект кавитации еще называют «холодным кипячением».

Несколько слов о теории ультразвуковой очистки

Частота считается ультразвуковой, если она не превышает 150 кГц, сверх ультразвуковой для частот 150-800 кГц и гиперзвуковой для частот более 800 кГц. Для промышленных УЗ устройств используются частоты 20-50 кГц, а ванны более 50 кГц часто можно применяются в ювелирных мастерских и медицинских учреждениях.

Ультразвуковые волны, проходящие через очистительную жидкость, создают микропузырьки с паром и газом в разреженной области волны, эти пузырьки нагнетаются, расширяются, соединяются друг с другом и разрываются в компрессионной части волны, создавая микроударные волны. Такие волны можно равнозначно сравнивать со сверхзвуковыми волнами реактивного самолета, например, Конкорда. При захлопывании пузырьков высвобождается огромная энергия. Судите сами, температура внутри пузырька может превышать 5000°С, а «внутрипузырьковое» давление достигает 10,000 PSI!

57_2
57_3

Внешний вид микропузырька диаметром 1 мм, сделанный в лаборатории прикладной физики университета Вашингтона.

При очистке поверхности химическим растворителем на границе вода-объект создается высококонцентрированный слой загрязнения, который препятствует прохождению воздуха и замедляет, таким образом, скорость реакции и очищения. Инертный граничный слой в моющей жидкости рядом с поверхностью объекта сужается при увеличении частоты. Для эффективной очистки толщина граничного слоя должна быть меньше размера счищаемых частиц.

57_4

Рабочая частота и эффективность очистки

Может показаться, что при увеличении частоты увеличивается очищающая способность ультразвукового устройства. Однако прямой зависимости между частотой и эффективностью очистки не существует, поскольку этот параметр будет зависеть от множества условий, в том числе, и от особенностей очищаемого объекта.

Для каждого уровня частоты есть максимальный предел эффективного очищения при определенном размере микропузырьков. Чем выше частота, тем более мелкие пузырьки эффективно удаляют загрязнение. Также необходимо отметить, что в отличие от других способов очистки, УЗ процесс изменяет микрорельеф поверхности предмета. При увеличении частоты до 100 кГц возможна неразрушающая очистка самых малых частиц размером до 1 мкм. Таким образом, увеличение частоты позволяет ультразвуковому устройству удалять с поверхности более мелкие частицы грязи или жира. Поэтому ультразвуковые ванны с частотой более 50 кГц часто применяется в медицине для стерилизации инструментов. А гиперзвуковые системы позволяют эффективно очищать частицы диаметром менее 0.15 мкм без повреждения поверхности объекта.

57_5

Относительная сила кавитации уменьшается при увеличении частоты. При повышении частоты пузырек не достигает конечной стадии захлопывания, в результате чего снижается микроударная энергия. На гиперзвуковых частотах очистка осуществляется акустическим потоком и волнами высокоскоростного давления в очищающей жидкости.

57_6

Высокочастотную акустическую энергию в жидкости создает ультразвуковой излучатель. Для эффективности процесса очистки звуковая энергия должна иметь свободную зону прохождения от излучателя до очищаемой поверхности.

57_7

Итак, кавитация является важнейшим процессом ультразвуковой очистки. Скорость кавитации увеличивается в тех жидкостях, где связи между близкими частицами достаточно сильны. Поэтому теоретически, кавитация не возникнет в абсолютно чистой жидкости. И наоборот, после возникновения кавитации микропузырьки с газом поглощают энергию, наступает пузырьковая фаза роста кавитации, когда эффект микроударных волн достаточно низок. Поэтому перед началом очистки изделия желательно включить ванну на несколько минут для остановки процесса образования свободных пузырьков.

Сферы применения ультразвуковых ванн

Ультразвуковая очистка широко используется в различных отраслях промышленности: для очистки жировых загрязнений, стерилизации медицинских инструментов, для дегазации растворов, для гомогенизации и экстрагирования растительного сырья, приготовления суспензий и эмульсий, очистки инжекторов, свечей и карбюраторов. Однако и в быту ультразвуковые ванны незаменимы. Они помогут очистить:

  • Ювелирные украшения: ожерелья, серьги, кольца, браслеты и др.
  • Предметы ежедневного обихода: очки, часы, ключи, монеты и др.
  • Предметы личной гигиены: расчески, зубные щетки, столовые приборы, бритвы.
  • Носители информации: диски CD, VCD, DVD и др.
  • Миниатюрные предметы электроники, пластиковые детали.
57_8