超声波清洗技术发展与应用

超声波清洗发展回顾
　　
二十世纪六十年代，自超声波技术问世以来，科学家们发现：一定频率范围内的超声波，作用于液体介质里，可以达到清洗的作用。经过一段时间的研究和试验，不仅得到了满意的效果，而且发现其清洗效率极高，由此超声波清洗机被逐渐运用于各行各业中去。在应用初期，由于电子工业的限制，超声波清洗设备电源的体积比较庞大，稳定性及使用寿命不太理想，价格昂贵，一般的工矿企业难以承受，但其出色的清洗效率及效果，仍然让部分实力雄厚的国有企业一见倾心。随着电子工业的飞速发展，新一代的电子元器件层出不穷，应用新的电子线路以及新的电子元器件，超声波电源的稳定性及使用寿命进一步的提高，体积减小，价格逐渐降低。二十世纪八十年代末，第三代超声波电源问世，既逆变电源，应用最新IGBT元件。新的超声波电源具有体积小，可靠性高，寿命长等特点，清洗效率得以进一步提高，而价格也降到了大部分企业可以接受的程度。
　　
超声波清洗原理
　　
超声波主要具有机械效应 (如传声媒质的质点振动位移、速度、加速度、声压等力学量）、热效应(声波在传播过程中其部分能量被媒质吸收变成热能）和空腔效应。其中空腔效应是声化学的应用理论基础，也最为重要。空腔效应由成核、微泡生长、空腔塌陷三步组成。在反应体系中，液体内存在张力弱区，即液体内溶有气体或在尘埃的液固界面上存在气体 — 作为气核，在超声波作用下，气核膨胀长大，并为周围的液体蒸气或气体充满，由于内外压力悬殊使空腔塌陷、破裂，把集中的声场能量在极短的时间和极小的空间内释放出来，使介质局部形成几百到几千K的高温和超过数百个大气压的高压环境，并产生出很大的冲击力，起到激烈搅拌的作用，同时生成大量微泡。它们又作为新的气核，使该循环继续下去，这就是空腔效应。
　　
当然并不是液体中所有的气核都能产生空腔效应，只有当外加的超声波频率与气核的固有频率相同时，空腔效应才能发生。同时也受到其它如声波的强度、液体介质的温度以及介质的蒸汽压等的影响。诱导产生空腔效应的超声波频率以20kHz～80kHz最为适当。过高的频率不易产生空腔效应，即使产生也需要大量的能量，而且其中大部分能量被转化为热能，使介质温度明显提高。低强度超声波的应用不会引起介质的任何状态变化，只有高强度超声波的应用才可能对介质有强烈的影响，引发空腔效应。对大多数化学反应来说，反应速度均随声强的增加而增加。但是，超声波强度的作用受介质温度的影响极大。研究表明，随着液体温度的提高，声强的影响明显下降，在50℃水中发生的空腔效应最大。
　　
当超声波电源将50Hz的日常供电频率改变为28KHz后，通过输出电缆线将其输送给粘接在盛放清洗溶液的清洗槽底部的超声波发生器（换能器），由换能器将高频的电能转换成机械振动并发射至清洗液中，当高频的机械振动传播到液体里后，清洗液内即产生上述空化现象，达到清洗的目的。由于超声波的频率很高，在液体中所产生的空化作用可以达到28000次/秒，几乎可以说是不断地在进行，在液体中由于空化现象所产生的气泡数量众多且无所不在，因此对于工件的清洗可以非常彻底，即使是形状复杂的工件内部，只要能够接触到溶液，就可以得到彻底的清洗，又因为每个气泡的体积非常微小，因此虽然它们的破裂能量很高，但对于工件和液体来说，不会产生机械破坏和明显的温升。
　　
超声波设备
　　
超声波清洗设备主要由以下组件构成：
　　
清洗槽：盛放待洗工件
不锈钢制成，可安装加热及控温装置。
清洗槽底部粘接超声波换能器。
换能器（超声波发生器）：将电能转换成机械能
压电陶瓷换能器，频率、功率视具体机型。
电源：为换能器提供所需电能
逆变电源，进口IGBT元件，安装过流保护线路。
　　
换能器将高频电能转换成机械能之后，会产生振幅极小的高频震动并传播到清洗槽内的溶液中，在换能器的作用下，清洗液的内部将不断地产生大量微小的气泡并瞬间破裂，每个气泡的破裂都会产生数百度的高温和近千个大气压的冲击波，从而将工件冲刷干净。
　　
清洗剂的配制
　　
超声波清洗机所用的清洗剂多为液体洗涤剂，组成模式为：表面活性剂、赘合剂、其他助剂，还有其它有机溶剂如三氯乙烯。
　　
某物质当其溶于水即使浓度很小时，能显著降低水同空气的表面张力，或水同其他物质的界面张力，则该物质称为表面活性剂。水溶性表面活性剂的分子结构都具有不对称的、极性的特点。
　　
向吸附在水溶液同其他相的界面上，这样大大改变了体系的物理性质，特别是各相界面的界面张力。
　　
根据表面活性剂溶于水时亲水基团所表现出来的电性，可把表面活性剂分为阴离子、阳离子、中性及两性表面活性剂。