超声波大功率清洗机

    1 引 言

    超声波是频率在 20kHz 以上的声波, 具有穿透力强、频率高、方向性准等特点。早在 20 世纪 50 年代就出现了超声波清洗技术, 在过去几十年超声波清洗已广泛应用于各行各业, 清洗应用大到机械零部件, 小到半导体器件。

    超声波清洗的重要特点是速度快、效果好、成本低、有利于环保、容易实现工业控制等。超声波清洗被国际公认为是当前效率最高、效果最好的清洗方式, 其清洗效率达到 98%以上, 清洗洁净度也达到了最高级别。尤其是对形状结构复杂、人工及其它清洗方式不能有效地进行清洗的工件, 具有显著的清洗效果。根据不同的溶剂, 不同的工件材料, 配合适当的清洗剂, 调节清洗液的酸碱度, 清洗效果会更好。

    2 超声波清洗原理

    超声波清洗主要是利用超声波在液体中的空化作用, 空化效应如图 1 所示。超声波在液体传播过程中, 当其声波压强达到一个大气压时, 超声波的功率密度约为 0.35W/cm2, 这时在液体中传播的超声波的声波压强峰值在液体中会产生一个很大的力,将液体拉裂成空洞( 空化核), 此空洞为真空或非常接近真空。在信号电压值(或超声波压强)下一个半周达到最大时, 由于周围的压力的增大而被压碎, 这些无细小而密集的气泡破裂时产生冲击波的现象被称之为“空化”作用, 空化泡崩溃时, 在极短的时间和极小的空间内, 形成局部热点, 可产生高达 5000 K的高温和 108Pa 的高压, 温度变化率高达 109K/s, 并伴随有强烈的冲击波和时速达 400km 的射流。空化过程如图 1 所示。在此作用下, 液体分子激烈碰撞产生非常强大的冲击力, 将被清洗物体表面的污物撞击下来。空化作用也在固体与液体的交界处产生一种剪切力, 也是使污垢脱落, 因而两种力的作用,对于浸入超声波作用下的液体中的物体外表面具有超乎寻常的清洗作用。另外, 由于超声波具有很强的穿透固体的作用, 所以这种“空化”作用对浸入超声波作用下的液体中物体(如管件)内表面也能得到一定程度的清洗, 这是超声波清洗优于其它清洗手段的重要方面。

    3 换能器结构及频率特性

    超声波换能器是由压电陶瓷材料制造的夹芯式换能器, 压电陶瓷材料具有在电场作用下产生尺寸变化的现象, 在交变电场的作用下换能器会产生机械振动。

    超声波换能器在电路中近似等效为电容 C, 并且每个超声波换能器都有其固定的机械谐振频率,故采用外加抗性元件使电路“调谐”, 使输入相角趋近于零, 同时应该使电路谐振频率与换能器的机械谐振频率相一致, 只有这样换能器的声电转换效率才最大[2]。