Ультразвуковая очистка — это процесс, в котором ультразвук (обычно от 20 до 40 кГц ) перемешивает жидкость, обеспечивая эффект очистки . Ультразвуковые очистители бывают разных размеров: от небольших настольных устройств с внутренним объемом менее 0,5 литра (0,13 галлона США) до крупных промышленных устройств с объемом, приближающимся к 1000 литров (260 галлонов США).
Принцип работы ультразвуковой очистительной машины заключается в преобразовании звуковой энергии источника ультразвуковой частоты в механическую вибрацию посредством преобразователя. Вибрация, создаваемая ультразвуковой волной, передается очищающей жидкости через стенку очищающего резервуара, так что микропузырьки в жидкости в резервуаре могут продолжать вибрировать под действием звуковой волны, разрушая и отделяя грязную адсорбцию на поверхности объекта.
В зависимости от очищаемого объекта процесс может быть очень быстрым, полностью очищая загрязненный предмет за считанные минуты. В других случаях очистка может быть медленнее и превышать 30 минут. [1]
Ультразвуковые очистители используются для очистки различных типов объектов, включая промышленные детали, ювелирные изделия , научные образцы, линзы и другие оптические детали, часы , стоматологические и хирургические инструменты , инструменты , монеты , авторучки , клюшки для гольфа , рыболовные катушки , оконные жалюзи , компоненты огнестрельного оружия , автомобильные топливные форсунки , музыкальные инструменты, граммофонные пластинки , промышленные обработанные детали и электронное оборудование, оптические линзы и т. д. Они используются во многих ювелирных мастерских, часовых мастерских, мастерских по ремонту электроники [2] и научных лабораториях.
Ультразвуковая очистка использовалась в промышленности на протяжении десятилетий, [ когда? ] в частности, для очистки деталей сложной формы и/или имеющих небольшие замысловатые отверстия/галереи, а также для ускорения процессов обработки поверхности. [3]
Похоже, что ультразвуковые очистители появились как естественная эволюция нескольких более ранних изобретений, в которых для перемешивания и смешивания веществ использовались вибрации, и, таким образом, не существует четкого «изобретателя» ультразвуковой очистки. Патент США 2815193, выданный в декабре 1954 года , является самым ранним зарегистрированным патентом, в котором конкретно используется термин «ультразвуковая очистка», хотя более ранние патенты ссылаются на использование ультразвука для «интенсивного перемешивания», «обработки» и «полировки», например, US 2651148 .
К середине 1950-х годов в США было основано по крайней мере три производителя ультразвуковых очистителей, а в Великобритании — два; к 1970-м годам ультразвуковые очистители получили широкое распространение в промышленности и в быту. [4] [5]
Ультразвуковая очистка использует кавитационные пузырьки, вызванные высокочастотными волнами давления (звуком), для перемешивания жидкости. Перемешивание создает большие силы на загрязняющих веществах, прилипших к таким основаниям, как металлы, пластик, стекло, резина и керамика. Это действие также проникает в глухие отверстия , трещины и углубления. Цель состоит в том, чтобы тщательно удалить все следы загрязнений, плотно прилипших или внедренных в твердые поверхности. Можно использовать воду или другие растворители в зависимости от типа загрязнения и заготовки. Загрязняющие вещества могут включать пыль, грязь, масло, пигменты, ржавчину, смазку, водоросли, грибок, бактерии, известковый налет, полировальные составы, флюсы, отпечатки пальцев, сажу, воск и разделительные средства для форм, биологическую грязь, такую как кровь, и так далее. Ультразвуковую очистку можно использовать для широкого спектра форм, размеров и материалов заготовок, и она может не требовать разборки детали перед очисткой. [6]
Во время процесса очистки нельзя допускать, чтобы предметы лежали на дне устройства, поскольку это предотвратит возникновение кавитации на той части объекта, которая не контактирует с растворителем. [2]
В ультразвуковом очистителе очищаемый объект помещается в камеру, содержащую подходящий раствор (в водном или органическом растворителе, в зависимости от применения). В водных очистителях часто добавляют поверхностно-активные вещества (например, стиральный порошок), чтобы обеспечить растворение неполярных соединений, таких как масла и смазки. Ультразвуковой преобразователь , встроенный в камеру или опущенный в жидкость, создает ультразвуковые волны в жидкости, изменяя размер совместно с электрическим сигналом, колеблющимся с ультразвуковой частотой. Это создает волны сжатия в жидкости бака, которые «разрывают» жидкость, оставляя после себя много миллионов микроскопических «пустот»/«частичных вакуумных пузырьков» (кавитация). Эти пузырьки схлопываются с огромной энергией; достигаются температуры и давления порядка 5000 К и 135 МПа; [7] [8] однако они настолько малы, что они не делают ничего, кроме очистки и удаления поверхностной грязи и загрязняющих веществ. Чем выше частота, тем меньше узлы между точками кавитации, что позволяет очищать более сложные детали.
Преобразователи обычно пьезоэлектрические (например, изготовленные из цирконата-титаната свинца (PZT), титаната бария и т. д.), но иногда являются магнитострикционными . Часто едкие химикаты, используемые в качестве очистителей во многих отраслях промышленности, не требуются или используются в гораздо более низких концентрациях при ультразвуковом перемешивании. Ультразвук используется для промышленной очистки, а также во многих медицинских и стоматологических технологиях и промышленных процессах.
В некоторых случаях ультразвуковые очистители можно использовать с простой водой, но в большинстве случаев используется чистящий раствор . Этот раствор предназначен для максимизации эффективности ультразвуковой очистки. Основным растворителем может быть вода или углеводород (исторически токсичные растворители, такие как четыреххлористый углерод и 1,1,1-трихлорэтан, использовались в промышленности, но были сняты с производства [9] ). Существует несколько формул, в зависимости от очищаемого предмета и типа загрязнения (например, обезжиривание металла, очистка печатных плат , удаление биологического материала и т. д.).
Снижение поверхностного натяжения увеличивает кавитацию, поэтому раствор обычно содержит хорошее смачивающее вещество ( ПАВ ). Водные чистящие растворы содержат моющие средства , смачивающие вещества и другие компоненты, которые оказывают большое влияние на процесс очистки. Правильный состав раствора во многом зависит от очищаемого предмета. При работе с металлами, белками и смазками может быть специально рекомендован щелочной моющий раствор. Растворы обычно нагревают, часто около 50–65 °C (122–149 °F), однако в медицинских применениях общепринято, что очистка должна проводиться при температурах ниже 45 °C (113 °F), чтобы предотвратить коагуляцию белка , которая может усложнить очистку.
Некоторые ультразвуковые очистители интегрированы с паровыми обезжиривающими машинами, использующими углеводородные чистящие жидкости: используются три резервуара в каскаде. Нижний резервуар, содержащий грязную жидкость, нагревается, заставляя жидкость испаряться. В верхней части машины находится охлаждающий змеевик. Жидкость конденсируется на змеевике и опускается в верхний резервуар. Верхний резервуар в конечном итоге переполняется, и относительно чистая жидкость стекает в рабочий резервуар, где происходит очистка. Покупная цена выше, чем у более простых машин, но такие машины могут быть более экономичными в долгосрочной перспективе. Одну и ту же жидкость можно использовать многократно, что сводит к минимуму отходы и загрязнение.
Большинство твердых, неабсорбирующих материалов (металлы, пластики и т. д.), не подвергающихся химическому воздействию чистящей жидкости, подходят для ультразвуковой очистки. Идеальными материалами для ультразвуковой очистки являются небольшие электронные детали, кабели, стержни, провода и детализированные предметы, а также предметы из стекла, пластика, алюминия или керамики. [10]
Ультразвуковая очистка не стерилизует очищаемые объекты, поскольку споры и вирусы остаются на объектах после очистки. В медицинских целях стерилизация обычно следует за ультразвуковой очисткой как отдельный шаг. [11]
Промышленные ультразвуковые очистители используются в автомобильной, спортивной, полиграфической, судостроительной, медицинской, фармацевтической, гальванической, машиностроительной и оружейной промышленности, а также при производстве компонентов дисководов.
Ультразвуковая очистка используется для удаления загрязнений с промышленного технологического оборудования, такого как трубы и теплообменники.
Ультразвуковая очистка широко используется для удаления остатков флюса с паяных плат. Однако некоторые электронные компоненты, особенно устройства MEMS , такие как гироскопы , акселерометры и микрофоны, могут быть повреждены или разрушены высокоинтенсивными вибрациями, которым они подвергаются во время очистки. Пьезоэлектрические зуммеры могут работать в обратном направлении и вырабатывать напряжение, которое может представлять опасность для их цепей управления.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )