Ультразвуковая очистка — это процесс, в котором используется ультразвук (обычно от 20 до 40 кГц ) для перемешивания жидкости с очищающим эффектом. Ультразвуковые очистители бывают разных размеров: от небольших настольных устройств с внутренним объемом менее 0,5 литра (0,13 галлона США) до крупных промышленных агрегатов с объемом около 1000 литров (260 галлонов США).
Принцип работы ультразвуковой чистящей машины заключается в преобразовании звуковой энергии источника ультразвуковой частоты в механическую вибрацию через преобразователь. Вибрация, создаваемая ультразвуковой волной, передается чистящей жидкости через стенку чистящего бака, так что микропузырьки в жидкости в баке 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: полная очистка загрязненного предмета займет несколько минут. В других случаях очистка может быть медленнее и превышать 30 минут. [1]
Ультразвуковые очистители используются для очистки множества 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 , детали промышленного оборудования и электронного оборудования, 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? ] особенно для очистки деталей сложной формы и/или имеющих небольшие сложные отверстия/галереи, а также для ускорения процессов обработки поверхности. [3]
Похоже, что ультразвуковые очистители возникли как естественная эволюция нескольких более ранних изобретений, в которых использовались вибрации для перемешивания и смешивания веществ, и поэтому не существует явного «изобретателя» ультразвуковой очистки. Патент США 2815193, выданный в декабре 1954 года , является самым ранним зарегистрированным патентом, в котором конкретно используется термин «ультразвуковая очистка», хотя в более ранних патентах упоминается использование ультразвука для «интенсивного перемешивания», «обработки» и «полировки», например патент США 2651148 .
К середине 1950-х годов в США существовало как минимум три производителя ультразвуковых очистителей и два в Великобритании; а к 1970-м годам ультразвуковые очистители получили широкое распространение для промышленного и бытового использования. [4] [5]
Ультразвуковая очистка использует кавитационные пузырьки, создаваемые высокочастотными волнами давления (звуковыми) для перемешивания жидкости. Перемешивание приводит к возникновению высоких сил, воздействующих на загрязнения, прилипающие к таким материалам, как металлы, пластмассы, стекло, резина и керамика. Это действие также проникает в глухие отверстия , трещины и углубления. Цель состоит в том, чтобы тщательно удалить все следы загрязнения, плотно приставшие или въевшиеся на твердые поверхности. В зависимости от типа загрязнения и обрабатываемой детали можно использовать воду или другие растворители . Загрязнения могут включать пыль, грязь, масло, пигменты, ржавчину, жир, водоросли, грибок, бактерии, известковый налет, полировочные составы, флюсы, отпечатки пальцев, сажный воск и антиадгезионные средства, биологические загрязнения, такие как кровь, и так далее. Ультразвуковая очистка может использоваться для широкого спектра форм, размеров и материалов заготовок и может не требовать разборки детали перед очисткой. [6]
Во время процесса очистки нельзя оставлять предметы на нижней части устройства, поскольку это предотвратит возникновение кавитации на части объекта, не контактирующей с растворителем. [2]
В ультразвуковом очистителе очищаемый объект помещается в камеру, содержащую подходящий раствор (водный или органический растворитель, в зависимости от применения). В водные чистящие средства часто добавляют поверхностно-активные вещества (например, стиральный порошок), чтобы растворить неполярные соединения, такие как масла и жиры. Генерирующий ультразвук преобразователь , встроенный в камеру или опущенный в жидкость, создает ультразвуковые волны в жидкости, изменяя размер вместе с электрическим сигналом, колеблющимся на ультразвуковой частоте. Это создает волны сжатия в жидкости резервуара, которые «разрывают» жидкость на части, оставляя после себя многие миллионы микроскопических «пустот»/»частичных вакуумных пузырьков» (кавитация). Эти пузыри схлопываются с огромной энергией; достигаются температуры и давления порядка 5000 К и 135 МПа; [7] [8] однако они настолько малы, что выполняют лишь очистку и удаление поверхностной грязи и загрязнений. Чем выше частота, тем меньше узлов между точками кавитации, что позволяет очистить более сложные детали.
Преобразователи обычно являются пьезоэлектрическими (например, изготовленными из цирконата-титаната свинца (ЦТС), титаната бария и т. д.), но иногда являются магнитострикционными . Часто агрессивные химикаты, используемые в качестве чистящих средств во многих отраслях промышленности, не нужны или используются в гораздо более низких концентрациях при ультразвуковом перемешивании. Ультразвук используется для промышленной очистки, а также во многих медицинских и стоматологических методах и промышленных процессах.
В некоторых случаях ультразвуковые очистители можно использовать с простой водой, но в большинстве случаев используется чистящий раствор . Это решение предназначено 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 постепенно были прекращены [9] [10] ). Существует несколько рецептур, зависящих 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 хороший смачиватель ( 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 жирами особенно рекомендуется использовать щелочной раствор моющего средства. Растворы обычно нагревают, часто около 50–65 °C (122–149 °F), однако в медицинских целях общепринято, что очистка должна проводиться при температуре ниже 45 °C (113 °F), чтобы предотвратить коагуляцию белка , которая может усложнить очистку.
Некоторые ультразвуковые очистители интегрированы с машинами парового обезжиривания , использующими углеводородные чистящие жидкости: три резервуара используются в каскаде. Нижний бак, содержащий грязную жидкость, нагревается, вызывая испарение жидкости. В верхней части машины находится охлаждающий змеевик. Жидкость конденсируется на змеевике и спускается в верхний резервуар. Верхний резервуар со временем переполняется, и относительно чистая жидкость попадает в рабочий резервуар, где и происходит очистка. Закупочная цена выше, чем у более простых машин, но в долгосрочной перспективе такие машины могут оказаться более экономичными. Одну и ту же жидкость можно использовать многократно, что сводит к минимуму потери и загрязнение.
Для ультразвуковой очистки подходят большинство твердых, невпитывающих материалов (металлов, пластмасс и т. д.), не подвергающихся химическому воздействию чистящей жидкости. Идеальные материалы для ультразвуковой очистки включают мелкие электронные детали, кабели, стержни, провода и детали, а также предметы из стекла, пластика, алюминия или керамики. [11]
Ультразвуковая чистка не стерилизует очищаемые предметы, поскольку после чистки на предметах остаются споры и вирусы. В медицинских целях стерилизация обычно следует за ультразвуковой очисткой в качестве отдельного этапа. [12]
Промышленные ультразвуковые очистители используются в автомобильной, спортивной, полиграфической, морской, медицинской, фармацевтической, гальванической промышленности, производстве компонентов жестких дисков, машиностроении и оружейной промышленности.
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 из-за вибраций высокой интенсивности, которым они подвергаются во время очистки. Пьезоэлектрические зуммеры могут работать в обратном направлении и создавать напряжение, которое может представлять опасность для их цепей управления.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )