19 января 2022

Погружные ультразвуковые излучатели «за» и «против»

В настоящее время ультразвук получил широкое применение в военной технике, технологии, а также в измерительных приборах, в средствах технической и медицинской диагностики и в очистке различных узлов. Технические средства измерений, контроля и диагностики на основе ультразвуковых колебаний были разработаны и получили распространение на несколько десятилетий ранее, чем аналогичные средства, работающие с использованием электромагнитных волн и полей.

Ультразвук (УЗ) — упругие колебания и волны, частота которых выше 15…20 кГц. Нижняя граница области ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной. Верхняя граница обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, то есть при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу частот УЗ определяют из условия приблизительного равенства длины звуковой волны и длины свободного пробега молекул. При нормальном давлении она составляет 109 Гц. В жидкостях и твердых телах определяющим является равенство длины волны межатомным расстояниям, и граничная частота достигает 1012—1013 Гц.

В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область ультразвуковых частот удобно подразделить на три подобласти:

  • низкие — 1,5–10…105 Гц;  
  • средние — 105…107 Гц;  
  • высокие — 107…109 Гц.

Упругие волны с частотами 1·108…1·1013 Гц принято называть гиперзвуком.

Многообразные применения УЗ, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления.

Первое связано с получением информации посредством УЗВ, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов.

 

Рассмотрим в данной статье непосредственное влияние УЗ на процесс очистки поверхностей.

Основную роль при воздействии УЗ на вещества и процессы в жидкостях играет кавитация. На кавитации основан получивший наибольшее распространение ультразвуковой технологический процесс — очистка поверхностей твердых тел.

В зависимости от характера загрязнений большее или меньшее значение могут иметь различные проявления кавитации, такие как микроударные воздействия, микропотоки, нагревание. Подбирая параметры звукового поля, физико-химические свойства моющей жидкости, ее газосодержание, внешние факторы (давление, температуру), можно в широких пределах управлять процессом очистки, оптимизируя его применительно к типу загрязнений и виду очищаемых деталей. Разновидностью очистки является травление в ультразвуковом поле, где действие УЗ совмещается с действием сильных химических реагентов. Ультразвуковая металлизация и пайка основываются фактически на ультразвукововой очистке (в т. ч. от окисной пленки) соединяемых или металлизируемых поверхностей. Очистка при пайке (рис. 1) обусловлена кавитацией в расплавленном металле. Степень очистки при этом так высока, что образуются соединения неспаиваемых в обычных условиях материалов, например алюминия с другими металлами, различных металлов со стеклом, керамикой, пластмассами.


Рис. 1

В процессах очистки и металлизации существенное значение имеет также звукокапиллярный эффект, обеспечивающий проникновение моющего раствора или расплава в мельчайшие трещины и поры.

Очистка в большинстве случаев требует, чтобы загрязнения были растворены (в случае растворения солей), счищены (в случае нерастворимых солей) или и растворены, и счищены (как в случае нерастворимых частиц, закрепленных в слое жировых пленок). Механические эффекты ультразвуковой энергии могут быть полезны как для ускорения растворения, так и для отделения частиц от очищаемой поверхности. Ультразвук также можно эффективно использовать в процессе ополаскивания. Остаточные химикалии моющих сред могут быть быстро удалены ультразвуковым ополаскиванием.

При удалении загрязнений растворением, растворителю необходимо войти в контакт с загрязняющей пленкой и разрушить ее (рис. 2, а). По мере того, как растворитель растворяет загрязнение, на границе растворитель–загрязнение возникает насыщенный раствор загрязнения в растворителе, и растворение останавливается, поскольку нет доставки свежего раствора к поверхности загрязнения (рис. 2, б).


Рис. 2

Воздействие ультразвука разрушает слой насыщенного растворителя и обеспечивает доставку свежего раствора к поверхности загрязнения (рис. 2, в). Это особенно эффективно, в тех случаях, когда очистке подвергаются “неправильные” поверхности с лабиринтом пазух и рельефа поверхностей, к каким относятся печатные платы и электронные модули.

Некоторые загрязнения представляют собой слой нерастворимых частиц, прочно сцепленный с поверхностью силами ионной связи и адгезии. Эти частицы достаточно только отделить от поверхности, чтобы разорвать силы притяжения и перевести их в объем моющей среды для последующего удаления. Кавитация и акустические течения срывают с поверхности загрязнения типа пыли, смывают и удаляют их (рис. 3).


Рис. 3

Загрязнения, как правило, многокомпонентны и могут в комплексе содержать растворимые и нерастворимые компоненты. Эффект УЗ в том и состоит, что он эмульгирует любые компоненты, то есть переводит их в моющую среду и вместе с ней удаляет их с поверхности изделий.

Чтобы ввести ультразвуковую энергию в систему очистки необходим УЗ-генератор, преобразователь электрической энергии генератора в УЗ-излучение и измеритель акустической мощности.

Диапазон используемого оборудования ультразвуковой очистки очень широк: от малых настольных модулей в стоматологии, ювелирных магазинах, электронной индустрии до огромных систем с объемами в несколько тысяч литров в ряде промышленных применений.

Правильный выбор необходимого оборудования имеет первостепенное значение в успехе применения ультразвуковой очистки. Самое простое применение УЗ-очистки может требовать всего лишь нагретой моющей жидкости. Более сложные системы очистки требуют большого количества ванн, последние из которых должны быть наполнены дистиллированной или деионизированной водой. Ультразвуковые ванны с подогревом моющего раствора наиболее часто применяются в лабораториях, медицине, ювелирном деле.

Линии УЗ-очистки (рис.  4), используемые в крупном производстве, объединяют в одном корпусе электрические УЗ-генераторы, УЗ-преобразователи, транспортную систему перемещения объектов очистки по ваннам и систему управления.


Рис. 4

Помимо стандартных УЗВ, существуют ультразвуковые ванны с погружными излучателями. Такие модели отличаются специальными модулями, которые помещаются непосредственно в емкость и издают ультразвуковые колебания непосредственно в самой емкости. Погружной ультразвуковой излучатель и ультразвуковая пластина позволяет произвести ремонт или переоснащение любого производства без демонтажа имеющегося оборудования и с минимальными затратами. Также ультразвуковой излучатель незаменим для ремонта ультразвуковых ванн любого типа. Он  универсален при встраивании в ванны, высокоэффективен, прост и надежен в эксплуатации. 

Погружной излучатель представляет собой герметичную модульную конструкцию из нержавеющей стали прямоугольной или цилиндрической формы, в которую монтируются 4, 6, 8 и более ультразвуковых преобразователей, которые могут размещаться в различных технологических емкостях, для создания кавитации в жидкой среде. В отличие от встраиваемого ультразвукового модуля, погружной помещается в емкость с помощью подвесов или опор, его можно перемещать и легко извлекать.

Причем, в технологической емкости может быть размещено несколько однотипных блоков, в зависимости от требуемой интенсивности ультразвукового поля и конфигурации обрабатываемых деталей. 

На практике, практически любую технологическую емкость возможно оснастить подобным модулем, тем самым создавая простейшую модель ультразвукового очистителя. Таким же способом можно провести модернизацию старой ультразвуковой ванны. 

Принцип действия остается прежним: кавитация убирает такие загрязнения, как пасты, жиры, масла, продукты коррозии, пленки. Для получения качественного результата рекомендуем использовать специализированные моющие средства. Устройство может использоваться в качестве эмульгатора, диспергатора и ускорителя химических реакций.

Использование погружного ультразвукового излучателя актуально в средах с повышенными загрязнениями, осадок отбивается от дна и продлевает срок эксплуатации ультразвуковой ванны. При выборе места, куда будет крепиться конструкция, нужно ориентироваться на объем УЗВ, ее форму и очищаемые предметы.

Существует несколько способов установки (рис 5):

  1. на дно ванны отверстие в ванне не требуется
  2.  на стенку ванны отверстие в ванне не требуется. Помещать на стену лучше тогда, когда глубина уз мойки меньше ширины и длины в два раза
  3. на дно ванны, вывод ВЧ через боковую стенку
  4. на стенку ванны, вывод ВЧ через стенку;
  5. на дно ванны, вывод ВЧ через дно;

Технические характеристики стандартных погружных ультразвуковых излучателей:

  • Цифровая панель управления, расположенная на лицевой стороне ультразвукового генератора;
  • Ультразвуковой генератор в отдельном корпусе;
  • Материал изготовления - нержавеющая сталь толщиной 2,0 мм;
  • Рабочая частота – 35 кГц;
  • Амплитудная модуляция – до 90%;
  • Фазовая автоматическая подстройка частоты;
  • Параметры электрической сети – ~220В±5% 50-60 Гц; 
  • Таймер - 1-99 минут;
  • Высота - 80 мм.


Рис. 5

Важно, чтобы ультразвук был такой мощности, чтобы создать оптимальные количество и качество кавитационных полостей. Например, если погрузить два излучателя мощность 35 кГц и 25 кГц, то первый обеспечивает высокую кавитацию, а второй повышает ее энергию. Такие условия подходят как для очистки масел и жиров, паст, пленок и лаков.

Какое же количество погружных модулей необходимо для качественной очистки? Как правило, на 1 литр необходимо приблизительно 10-30 Вт ультразвуковой мощности. 

Погружной ультразвуковой излучатель - достаточно дорогостоящий. Перед покупкой необходимо поразмыслить о целесообразности такого приобретения. При детальном рассмотрении можно выделить слабые и сильные стороны погружных излучателей.

Преимущества:

  1. Модульность: быстрый монтаж и демонтаж.
  2. Может помещаться в любую техническую емкость, тем самым создавая своеобразную ультразвуковую мойку.
  3. Ремонт или модернизация уже существующей УЗВ.
  4. Предотвращает появление грязи на дне, тем самым продлевая жизнь уз мойке.

Недостатков гораздо меньше, но они все же существуют, а именно:

  1. Потеря полезного объема внутренней емкости. Погружные излучатели лучше использовать в УЗ ваннах большого объема.
  2. Стоимость. Цена подобных излучателей гораздо выше, чем других.

Несмотря на недостатки, погружной ультразвуковой излучатель пригодится всем, кто имеет желание поэкспериментировать и создать ультразвуковую мойку “на скорую руку”, достаточно поместить модуль в любую емкость и включить ультразвук. Также дополнительный излучатель понадобится в случае модернизации устаревших моделей ультразвуковых ванн, если встроенный излучатель плохо исполняет свои функции.

В связи с новыми требованиями к эксплуатационным качествам продукции современной промышленности, увеличивается доля изделий с нанесенными защитными покрытиями. Качественное нанесение таких покрытий возможно только при определенной подготовке поверхности, в которой ультразвуковой излучатель может играть ключевую роль. Он очистит поверхность от остатков всех видов смазки, охлаждающих жидкостей, СОЖ, налетов, механических загрязнений, продуктов коррозии металла и накипей. Поскольку очистка проходит в жидкой среде, необходимо активизировать молекулы этой среды, что эффективнее всего осуществляется при помощи ультразвуковых колебаний. Запуская серию очень высоких мгновенных гидростатических давлений, ультразвуковой излучатель существенно улучшает качество очистки и дает отличный, гарантированный результат. Необходимо максимально воздействовать не только на очищаемую поверхность, но и на моющий раствор – только такой комплексный подход обеспечит идеальный результат.

Автор: Буданова Ирина, руководитель отдела маркетинга ООО «ПРОТЕХ», [email protected]