Czyszczenie ultradźwiękowe – zjawisko kawitacji, przetworniki piezoceramiczne i dobór parametrów procesu

Czyszczenie ultradźwiękowe to metoda usuwania zanieczyszczeń z powierzchni zanurzonych elementów, wykorzystująca energię fal ultradźwiękowych generowanych w cieczy roboczej. W przeciwieństwie do mycia mechanicznego (szczotkowanie, szorowanie) czy prostego zanurzenia w kąpieli chemicznej, mechanizm ten działa równomiernie w całej objętości cieczy, docierając do miejsc niedostępnych dla metod tradycyjnych – szczelin, otworów, gwintów, powierzchni wewnętrznych oraz obszarów o złożonej geometrii.

Podstawą zjawiska jest kawitacja, czyli powstawanie i implozja mikroskopijnych pęcherzyków w roztworze, wywoływana przez drgania przetworników piezoceramicznych zasilanych z generatora ultradźwięków. Poniżej opisano fizyczne podstawy tego procesu, najczęściej spotykane rozwiązania konstrukcyjne urządzeń oraz znaczenie prawidłowego przygotowania roztworu myjącego.

Zjawisko kawitacji w roztworach

Fala ultradźwiękowa rozchodząca się w cieczy wywołuje cykliczne, naprzemienne zmiany ciśnienia – fazę rozrzedzenia (podciśnienia) i fazę sprężenia (nadciśnienia), następujące po sobie z częstotliwością drgań przetwornika. 

Rzeczywisty roztwór myjący nie jest cieczą jednorodną – zawiera mikroskopijne, wcześniej istniejące zarodki gazowe: pęcherzyki uwięzione w mikroszczelinach zawieszonych cząstek stałych i na ściankach zbiornika, a także gaz rozpuszczony, zdolny do wydzielenia się z cieczy przy spadku ciśnienia.

To właśnie te istniejące zarodki, tzw. jądra kawitacyjne, stanowią punkt wyjścia procesu: w fazie obniżonego ciśnienia gwałtownie rosną, wypełniając się parą cieczy oraz uwalnianym z roztworu gazem, po czym w następującej fazie sprężenia zostają gwałtownie sprężone i zapadają się (implodują).

Sposób, w jaki przebiega implozja, zależy od tego, czy pęcherzyk znajduje się w pobliżu powierzchni zanurzonego elementu, czy z dala od niej. W bezpośrednim sąsiedztwie powierzchni zapadanie się pęcherzyka przebiega niesymetrycznie – ciecz napływa szybciej z jednej strony pęcherzyka niż z drugiej, przebijając go na wylot i tworząc mikrostrumień cieczy skierowany w stronę powierzchni, uderzający w nią z dużą prędkością.

Implozje zachodzące z dala od powierzchni, w objętości cieczy, przebiegają w przybliżeniu symetrycznie i generują rozchodzące się w kąpieli fale uderzeniowe. Obu tym zjawiskom towarzyszą lokalnie i bardzo krótkotrwale podwyższone ciśnienie oraz temperatura. 

To właśnie energia uwalniana podczas implozji – a nie same drgania fali ultradźwiękowej – jest głównym mechanizmem mechanicznym odrywającym zanieczyszczenia, osady, tłuszcze i pozostałości procesowe od powierzchni zanurzonego elementu, bez konieczności szorowania.

Ponieważ zjawisko zachodzi jednocześnie w milionach mikroobszarów w całej objętości kąpieli, efekt czyszczący obejmuje również powierzchnie ukryte, niedostępne wzrokowo i mechanicznie.

Intensywność i równomierność pola kawitacyjnego zależą od między innymi częstotliwości pracy generatora, jego mocy i rozmieszczenia emiterów fal ultradźwiękowych (cechy konstrukcyjne urządzenia), a także – co opisano w dalszej części artykułu – od właściwości fizykochemicznych samego roztworu, w tym od ilości rozpuszczonego w nim gazu.

Zasada działania przetworników piezoceramicznych

Źródłem drgań ultradźwiękowych w myjkach i myjniach jest przetwornik piezoceramiczny, którego działanie opiera się na odwrotnym efekcie piezoelektrycznym.

Materiał piezoceramiczny – najczęściej ceramika na bazie cyrkonianu-tytanianu ołowiu (PZT) – pod wpływem przyłożonego, zmiennego napięcia elektrycznego z generatora zmienia swoje wymiary geometryczne w rytm tego napięcia, czyli naprzemiennie kurczy się i rozszerza.

Ten mikroskopijny ruch mechaniczny, powtarzany z częstotliwością ultradźwiękową, jest przekazywany do konstrukcji przetwornika, a następnie do ścianki lub dna komory roboczej i dalej – do cieczy wypełniającej wannę.

W urządzeniach przemysłowych i profesjonalnych rozpowszechnioną konstrukcją jest przetwornik typu sandwich (znany również jako przetwornik Langevina): dwie płytki piezoceramiczne ściśnięte pomiędzy metalowymi blokami za pomocą śruby wstępnie naprężającej. Takie rozwiązanie zwiększa wytrzymałość mechaniczną elementu piezoceramicznego – kruchego z natury i podatnego na uszkodzenia przy pracy w rozciąganiu – a jednocześnie poprawia sprawność przenoszenia energii drgań do cieczy roboczej.

Generator elektroniczny dostarcza do przetworników prąd o częstotliwości rzędu kilkudziesięciu kiloherców; jest to parametr wynikający z konstrukcji generatora i przetwornika, dobierany przez producenta urządzenia na etapie projektowania, a nie nastawiany bieżąco przez operatora.

Rozwiązania konstrukcyjne myjek i myjni ultradźwiękowych

W praktyce spotyka się dwa podstawowe sposoby umieszczenia przetworników względem komory roboczej, przy czym wybór między nimi wynika przede wszystkim z kubatury i przeznaczenia urządzenia.

Przetworniki przyklejone do dna komory roboczej

W myjkach o mniejszej i średniej kubaturze – stosowanych w laboratoriach, warsztatach, punktach serwisowych czy gabinetach – przetworniki piezoceramiczne są trwale przyklejone (rzadziej zgrzane) bezpośrednio do zewnętrznej strony dna lub ścianek wanny wykonanej ze stali nierdzewnej. 

Jest to rozwiązanie zwarte konstrukcyjnie, sprawdzone i stosunkowo proste w wykonaniu, zapewniające dobrą sprawność przenoszenia energii drgań przy niewielkiej i średniej objętości cieczy roboczej.

Panele ultradźwiękowe zanurzeniowe w komorze roboczej

W większych urządzeniach – myjniach przemysłowych o dużej kubaturze zbiornika – ze względów technologicznych zamontowanie przetworników bezpośrednio na ścianach komory roboczej jest niemożliwe. 

W takich przypadkach stosuje się panele ultradźwiękowe: moduły zawierające zestaw kilkunastu lub kilkudziesięciu przetworników zamknięty w szczelnej obudowie, umieszczany bezpośrednio wewnątrz komory roboczej, na jej dnie lub przy ściankach bocznych.

Rozwiązanie to ułatwia też późniejszy serwis urządzenia – uszkodzony panel można wymienić bez ingerencji w konstrukcję samego zbiornika. Panele zanurzeniowe stosuje się w dużych wannach i myjniach przemysłowych, natomiast w urządzeniach o mniejszej kubaturze wystarczające pozostaje klejenie przetworników do dna komory.

Znaczenie parametrów roztworu myjącego

Skuteczność czyszczenia ultradźwiękowego zależy nie tylko od samego zjawiska kawitacji, lecz w równym stopniu od właściwości roztworu, w którym ten proces zachodzi.

• Temperatura roztworu – podwyższenie temperatury cieczy roboczej zwykle obniża jej lepkość i napięcie powierzchniowe, co ułatwia powstawanie pęcherzyków kawitacyjnych oraz wspomaga działanie środka chemicznego, przyspieszając rozpuszczanie tłuszczów i aktywność surfaktantów. Zbyt wysoka temperatura może z kolei osłabiać intensywność kawitacji oraz być niewskazana ze względu na materiał czyszczonych elementów lub rodzaj stosowanej chemii – dlatego temperaturę pracy dobiera się każdorazowo do konkretnego zastosowania.
• Skład chemiczny cieczy roboczej – dobór środka myjącego, w tym jego pH, zawartość surfaktantów oraz ewentualnych inhibitorów korozji, powinien odpowiadać rodzajowi zanieczyszczeń i materiałowi czyszczonych elementów. Obniżenie napięcia powierzchniowego ułatwia zwilżanie powierzchni i powstawanie kawitacji, natomiast odpowiednio dobrane dodatki dyspergujące ograniczają ponowne osadzanie się oderwanych zanieczyszczeń na powierzchni detalu.
• Stopień zanieczyszczenia kąpieli – roztwór myjący zużywa się w toku eksploatacji: narastająca ilość oleju, cząstek stałych i produktów reakcji obniża skuteczność czyszczenia i osłabia kawitację, dlatego kąpiel wymaga okresowej wymiany, a w urządzeniach wyposażonych w odpowiednie układy – bieżącej filtracji lub separacji zanieczyszczeń.

Dobór tych parametrów każdorazowo wymaga uwzględnienia specyfiki mytego elementu, rodzaju zanieczyszczeń oraz wymagań co do precyzji i delikatności procesu.

Odgazowanie roztworu myjącego

Świeżo przygotowany roztwór – zwłaszcza woda wodociągowa oraz ciecz wprowadzona do zbiornika w trakcie napełniania i mieszania – zawiera rozpuszczony gaz, przede wszystkim powietrze (tlen i azot).

Jego obecność wynika zarówno z naturalnej rozpuszczalności gazów w wodzie, jak i z mechanicznego napowietrzenia cieczy podczas nalewania do wanny.

Nadmiar rozpuszczonego gazu ma istotny, negatywny wpływ na proces mycia. Jak opisano w części dotyczącej mechanizmu kawitacji, to właśnie gaz zawarty w cieczy zasila rosnące jądra kawitacyjne – gdy jest go w roztworze zbyt dużo, powstające pęcherzyki rosną nadmiernie i stają się zbyt „miękkie”: zamiast gwałtownie implodować, oscylują i z czasem po prostu wypływają na powierzchnię kąpieli jako widoczne pęcherzyki powietrza.

W efekcie kawitacja właściwa, ta odpowiedzialna za mycie, zostaje istotnie osłabiona: zanika większość mikrostrumieni i fal uderzeniowych niezbędnych do odrywania zanieczyszczeń, pole kawitacyjne staje się nierównomierne, a w komorze mogą pojawić się obszary o obniżonej skuteczności czyszczenia.

Z tego względu przed rozpoczęciem właściwego cyklu mycia zaleca się odgazowanie kąpieli, polegające na uruchomieniu urządzenia bez wsadu przez kilka do kilkunastu minut, aż nadmiar rozpuszczonego gazu ucieknie z cieczy. Proces ten wykonuje się każdorazowo po przygotowaniu nowego roztworu; po jego zakończeniu nie trzeba go powtarzać aż do momentu wymiany kąpieli, o ile załadunek i rozładunek urządzenia nie będzie powodował nadmiernego napowietrzenia roztworu.