Teknisk information

Rensning med ultralyd

Rensning med ultralyd er en mekanisk rensning, hvor ultralyd sendes gennem væske. Princippet, som udnyttes i ultralydsrensning er et helt andet, end det der benyttes i ekkolod og ultralydsscannere. Vi vil herunder informere dig om ultralydsrenseteori uden at blive alt for tekniske.

Ultralydsrensning beror på kavitation og implosion. Ultralydsbølger består som alle andre lydbølger af en serie af kompressioner og dekompressioner. Hvis energien har tilstrækkelig styrke, vil væsken blive trukket væk fra områder med lavt tryk, og der vil opstå hulrum i væsken. Dampe fra væsken vil bevæge sig ind i disse hulrum, som vil vokse, indtil trykket igen øges lokalt, og og hulrummet vil kollapse. Ved kollapset vil gassen inde i boblen spredes ud i væsken med en voldsom kraft, der frigør en signifikant mængde energi i form af en akustisk chokbølge. Dette giver den rensende effekt.

Det er ikke praktisk muligt at måle tryk og temperatur på så små områder, men ud fra en teoretisk betragtning er det estimeret, at der kan opstå tryk på over 700 bar og temperaturer på over 11.000° C i en kollapsende boble. Processen med dannelse af hulrum og kollaps foregår lynhurtigt, og millioner af hulrum kollapser hvert sekund. Hulrummene er meget små og ser ud som knapt synlige bobler. Antallet af disse bobler afhænger af ultralydens frekvens. I samme kar med samme energitilførsel vil lav frekvens medføre relativt store bobler, som hver indeholder meget energi, mens høje frekvenser giver flere bobler med lavere energiniveau for hver boble.

Meget lave ultralydsfrekvenser benyttes typisk til rensning af robuste genstande, hvor urenheder sidder godt fast, og hvor eventuelle småskrammer ikke er et problem. Jo mere skrøbelige genstande, man ønsker at rense, jo højere frekvens vil man benytte. Ultralydsrensere til husholdningsbrug og semiprofessionel brug har typisk en frekvens på 35-42 kHz

Under visse betingelser kan der ved lav ultralydsenergi skabes en situation, hvor bobler oscillerer mellem forskellige størrelser i stedet for at kollapse. Dette kaldes ikke-inertial kavitation. Herved skabes en rensningsproces, hvor det ikke er implosionen, der skaber den rensende virkning, men derimod væskens viskositet. Denne metode benyttes kun til rensning, hvor man opererer på micronniveau, og hvor man har med meget delikate objekter at gøre.

Betingelser for kavitation

Kavitation er afhængig af såvel energiniveauet i ultralydsbølgerne som væskens damptryk, overfladespænding og temperatur. Kavitationsgrænsen er et udtryk for den mindste effekt, der er nødvendig for at fremkalde kavitation. Kavitation kan kun opstå, når rensevæskens tryk lokalt – lige omkring, hvor boblen dannes – er mindre end damptrykket. Trykket skal altså blive mindre end det, der skulle til, hvis væske og damp skulle være i ligevægt.
Intertial kavitation kan opstå ved tilstedeværelsen af et akustisk felt. Mikroskopiske gasbobler der generelt er tilstede i en væske vil blive tvunget til at oscillere. Hvis den akustiske intensitet er tilstrækkelig høj, vil boblerne først øges, og herefter meget hurtigt kollapse. Derfor kan kavitation opstå, også selv om fortyndingen ikke er tilstrækkelig til, at et Rayleigh lignende tomrum kan opstå. Den fysiske proces i kavitation minder meget om kogning. Den primære forskel på kogning og kavitation er de termodynamiske veje, der går forud for dannelsen af damp. Kogning opstår, når det lokale damptryk af væsken overstiger dens lokale omgivende tryk, og der er tilstrækkelig energi til stede til at foretage stadieskiftet til gas. Kavitation opstår, når det lokale tryk falder tilstrækkeligt under det mættede damptryk.
Princippet i ultralydsrensningen er kavitation. Transduceren skaber skiftende over- og undertryk, som sendes gennem vandet. Det sker så hurtigt, at vandet ikke kan nå at flytte sig tilstrækkeligt, hvorfor der når at komme tomme lommer i vandet. Disse er så små, at de kun knapt er synlige. Når disse bobler klapper sammen igen, så dannes et stort undertryk, hvor skidt trækkes ud af sprækker og huller i de genstande, der skal renses.

Kavitation er fremkomsten af hulrum i væsker i form af bobler, i hvilken væsken ledes i gasform gennem det statiske tryk i de flydende dråber. Væsken “koger”, dvs. lokalt udgivet i gasform. Kavitation er aldrig ren, men altid en blanding af gas, indløst luft i væsken der er frigivet og udvidelse af de involverede luftbobler i væsken.

En Ultalydsrensers bestanddele

En ultralydsrenser består grundlæggende af en rensningstank tilkoblet en transducer. Transduceren omdanner elektrisk energi til mekanisk energi.

Der findes to slags transducere, henholdsvis piezoelektrisk og magnetostriktive. Piezoelektriske transducere er typisk fremstillet af bly, zirkon, titanium og keramiske metaller. I gamle dage benyttet man naturlige krystaller, som kunne være en anelse skrøbelige, men i dag benytter man kunstigt fremstilled materialer. Magnetostriktive transducere fremstilles typisk af nikkellegeringer. Der er en smule forskel på, hvorledes energien overføres i dem, men resultatet er det samme: elektrisk energi omdannes til mekanisk energi, og der dannes lydbølger.

Ultralydsrensere til husholdningsbrug og semiprofessionelt brug betår typisk af en enkelt tank med én transducer samt en kurv til placering af de genstande, der skal renses. Kurvens formål er at beskytte apparatet, ide genstandes berøring med tankens vægge kan føre til refleksionsmønstre, der kan beskadige transduceren.

I industrien vil ultralydsrensere ofte bestå af serier af kar med mange transducere, hvor udskiftning og filtrering af væsken vil være en indbygget funktion i rensningssystemet.

Rensesvæske til ultralydsrensning

I ultralydsrensere til husholdningsbrug og semiprofessionelt brug, anvendes vand, eventuelt tilsat et mildt rensemiddel. Der findes universalmidler, som er særligt fremstillet til ultralydsrensere, og som er velegnede til rensning af mange forskellige materialer.

I indutrielle sammenhænge tilpasses væskens sammensætning nøje opgaven, og rensningstankene bygges ligeledes, så de er optimeret til den pågældende rensningsopgave samt valget af væske.

Acceleration af kemisk rensning:

Ofte benytter man i industrien en kombination af kemisk rensning og ultralydsrensning. Det skyldes, at ultralyden kan accelerere den kemiske rensning. Typisk foregår en kemisk rensning ved, at et kemikalie går i forbindelse med det skidt, man gerne vil fjerne. Ultralyden hjælper til med at udskifte væsken omkring det, man gerne vil rense, og dermed kan mættet rensemiddel hurtigt fjernes og erstattes af nyt.