СПОСОБ ОЧИСТКИ ИЗДЕЛИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1999 года по МПК B08B3/12 

Изобретение относится к области ультразвуковой очистки в жидкой среде и может быть использовано дли очистки изделий от загрязнений в ультразвуковых технологических установках с пьезоэлектрическими преобразователями колебаний, в частности, для очистки фильтров и фильтроэлементов.

Известен способ ультразвуковой очистки изделий, заключающийся в том, что изделия погружают в моющую жидкость, создают в ней избыточное статическое давление и накладывают ультразвуковые колебания по меньшей мере двух различных частот ( см. А.с. 636049 СССР, МКИ2 B 08 B 3/12. Способ ультразвуковой очистки изделий/ Заявл. 02.07.76, опубл. 05.12.78).

Создание избыточного статического давления в жидкости, предусмотренное в рассматриваемом способе, является внешним фактором, положительно воздействующим на кавитационную эрозию и характер кавитационного поля. При этом получение развитого спектра кавитационных зон достигается за счет накладывания на жидкость нескольких различных по частоте ультразвуковых колебаний, создающих, в свою очередь, дополнительные частоты, которые, суммируясь с основными, дают еще дополнительные частоты. Это позволяет при меньшем количестве ультразвуковых преобразователей (излучателей) получать более высокое качество очистки даже сложных изделий, имеющих глухие полости.

Для повышения эффективности очистки и КПД по известному способу необходимо обеспечение максимальной амплитуды колебаний каждого ультразвукового преобразователя. Для этого создаются условия для работы каждого ультразвукового преобразователя на собственной оптимальной частоте. В результате в жидкой среде генерируется ультразвуковое поле с кавитационными зонами разных частот, характеристики которого, в частности, частота колебаний, звуковое давление, статическое давление, поддерживаются постоянными в зоне воздействия каждого ультразвукового преобразователя.

В ультразвуковом поле с постоянными характеристиками при возникновении локальных зон с критическим значением звукового давления, в которых количество и объем пульсирующих пузырьков резко возрастают, качество очистки неизбежно снижается, так как избыточные пузырьки, постоянно образующиеся в зонах с критическим давлением, под действием акустических течений хаотически перемешиваются в пространстве между излучателями и очищаемыми изделиями и поглощают значительную часть ультразвуковой энергии.

Акустические макро- и микро-течения, образующиеся в ультразвуковом поле с постоянными характеристиками, имеют однородный характер и являются недостаточно активными для обеспечения своевременного уноса частиц загрязнений от очищаемой поверхности и интенсивного химического взаимодействия кавитационно стойких загрязнений с моющей жидкостью. Такой характер акустических течений не обеспечивает в достаточной мере качественную очистку изделий от загрязнений, механически прочно связанных с очищаемой поверхностью, например, масляных загрязнений и комбинаций загрязнений на масляной основе.

Кроме того, избыточное статическое давление в моющей жидкости, предусмотренное способом, может быть создано в замкнутом рабочем объеме либо подачей сжатого воздуха или инертного газа, либо путем прокачивания моющей жидкости, что повышает трудоемкость способа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является принятый в качестве прототипа способ очистки изделий с использованием ультразвуковых колебаний, включающий погружение изделий в моющую жидкость и возбуждение в ней ультразвуковых колебаний различных частот, создаваемых пьезоэлектрическими преобразователями, согласно которому ультразвуковые колебания возбуждают от каждого преобразователя на определенной частоте, определяемой возможностью получения оптимального значения амплитуды каждого пьезоэлектрического преобразователя ( см. Св. на П.м. 0003704 Россия, МКИ6 B 08 B 3/12. Пьезоэлектрическое устройство для ультразвуковой очистки авиационных фильтров и фильтроэлементов /Заявл. 16.03.96, опубл. 16.03.97).

Следует отметить, что сложно получить полное совпадение характеристик пьезоэлектрических преобразователей, работающих на одной частоте колебаний, в частности, по звуковому давлению, излучаемой мощности и по интенсивности звукового поля. Это обусловлено несовпадением размеров пьезоэлектрических пластин преобразователей, величин их смещений относительно оси излучающей накладки, усилий стягивания пьезоэлектрических пластин и некоторыми другими факторами.

Данной особенностью объясняется то, что в способе, осуществляемом известным пьезоэлектрическим устройством, оптимальные частоты колебаний пьезоэлектрических преобразователей отличаются по величине.

Из описания конструкции пьезоэлектрического устройства для осуществления известного способа следует, что конструкция содержит для каждого ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя индивидуальный ультразвуковой генератор, усилитель мощности, блок автоподстройки частоты и блок защиты от перегрузки, соединенные между собой. Таким образом, конструкция устройства для осуществления способа очистки является довольно сложной.

В то же время наличие ультразвуковых генераторов по числу ультразвуковых преобразователей приводит к увеличению потребляемой мощности и снижению КПД пьезоэлектрического устройства.

Кроме того, способ имеет следующие недостатки.

Постоянство характеристик ультразвукового поля в зоне воздействия каждого пьезоэлектрического преобразователя приводит, в случае возникновения локальных зон с критическим значением звукового давления, к снижению качества очистки из-за постоянно возрастающего количества и объемов пульсирующих пузырьков в этих зонах, поглощающих часть ультразвуковой энергии.

Вместе с тем акустические макро- и микро-течения с постоянными параметрами, образующиеся в ультразвуковом поле, воздействуют на загрязнения с постоянной интенсивностью и являются недостаточно активными. Это с одной стороны затрудняет унос оторвавшихся частиц от очищаемой поверхности, с другой стороны - снижает интенсификацию химического взаимодействия загрязнений с моющей средой. В результате технологические возможности способа сужаются до определенного вида загрязнений, разрушающихся в большей мере под воздействием кавитации и в меньшей - от химического взаимодействия с моющей средой.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание способа очистки изделий с использованием ультразвуковых колебаний, создаваемых пьезоэлектрическими преобразователями, который достигается более простыми конструктивными средствами с повышенным КПД, обеспечивает более высокое качество очистки путем исключения влияния на очистку зон с критическим значением звукового давления и расширение технологических возможностей за счет более интенсивной циркуляции акустических макро- и микро-течений.

Для достижения поставленной задачи в известном способе очистки изделий с использованием ультразвуковых колебаний, включающем погружение изделий в моющую жидкость и возбуждение в ней ультразвуковых колебаний различных частот, создаваемых пьезоэлектрическими преобразователями, согласно изобретению ультразвуковые колебания возбуждают от каждого преобразователя с девиацией частоты (отклонением от некоторого среднего значения), при этом диапазон изменения частоты выбирают исходя из возможности получения максимального значения амплитуды колебаний каждого пьезоэлектрического преобразователя.

В оптимальном варианте использования, согласно изобретению скорость девиации частоты возбуждаемых ультразвуковых колебаний выбирают исходя из обеспечения оптимальных режимов очистки.

Возбуждение ультразвуковых колебаний от каждого преобразователя с девиацией частоты в диапазоне изменения частоты, выбранном исходя из возможности поучения максимального значения амплитуды каждого пьезоэлектрического преобразователя, позволяет получить ультразвуковое поле, структурированное во времени - с переменными периодически изменяющимися характеристиками. При этом каждый пьезоэлектрический преобразователь работает в узком диапазоне частот, в который входит и его собственная оптимальная частота колебаний.

Устройство для осуществления ультразвуковых колебаний с девиацией частоты содержит один сканирующий ультразвуковой генератор и усилитель мощности, что значительно упрощает его конструкцию, уменьшает потребляемую мощность и повышает КПД.

Благодаря постоянным изменениям характеристик ультразвукового поля в определенном диапазоне частот, локальные зоны с критическим значением звукового давления после их возникновения моментально исчезают, благодаря чему влияние этих зон на качество очистки полностью устраняется. В результате качество очистки повышается.

Кроме того, акустические макро- и микро-течения, возникающие в ультразвуковом поле с переменными характеристиками, образуют активно циркулирующие вихревые потоки, воздействующие на загрязнения с большей интенсивностью. Воздействие более интенсивными акустическими течениями переменного характера обеспечивает своевременный унос оторвавшихся частиц загрязнений, а также интенсификацию химического взаимодействия этих частиц с моющей жидкостью (в случае использования жидкостей, химически взаимодействующих с загрязнениями). Это позволяет увеличить спектр загрязнений, поддающихся качественной очистке, что расширяет технологические возможности способа.

Выбор скорости девиации частоты возбуждаемых ультразвуковых колебаний исходя из обеспечения оптимальных режимов очистки дополнительно позволяет увеличить спектр загрязнений, поддающихся качественной очистке, что также расширяет технологические возможности способа.

Устройство для осуществления способа содержит заполненную моющей жидкостью ультразвуковую ванну с пьезоэлектрическими преобразователями, закрепленными в ванне, опорный элемент для обрабатываемого изделия (фильтроэлемента), снабженный механизмом вращения с электроприводом для вращения фильтроэлемента в моющей жидкости, термодатчик. Устройство снабжено блоком управления со сканирующим ультразвуковым генератором и усилителем мощности, соединенными с пьезоэлектрическими преобразователями, и системой управления.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Подогревают моющую жидкость до заданной температуры, помещают обрабатываемое изделие на опорный элемент, затем опускают его в ультразвуковую ванну с моющей жидкостью, включают сканирующий ультразвуковой генератор, настроенный на заданный диапазон девиации частоты колебаний регулятором девиации частоты, включают электропривод вращения фильтроэлемента. При этом диапазон девиации частоты колебаний выбирают исходя из возможности получения максимального значения амплитуды колебаний каждого пьезоэлектрического преобразователя, а скорость девиации частоты возбуждаемых колебаний выбирают опытным путем исходя из обеспечения оптимальных режимов очистки в каждом конкретном случае в зависимости от вида загрязнений. Таким образом, целый ряд периодически повторяющихся частот (из заданного диапазона) генерирует свои зоны кавитации. Эти зоны формируют универсальную ультразвуковую моющую среду с периодически меняющимися характеристиками, в которой возникают интенсивные вихревые макро- и микротечения. В такой среде интенсифицируется химическое взаимодействие загрязнений с моющей средой, исключается появление большого скопления кавитационных пузырьков в локальных зонах с критическим значением давления, поглощающих значительную часть ультразвуковой энергии, а кроме того интенсифицируется удаление загрязнений с очищаемой поверхности за счет переменных характеристик ультразвукового поля. Все это приводит к повышению качества очистки изделий.

Использование способа позволяет при меньшей потребляемой мощности и повышенном КПД устройства обеспечить более эффективную и качественную очистку изделий, в частности, фильтров и фильтроэлементов. Кроме того, способ осуществляется более простым по конструктивной схеме устройством и имеет расширенные технологические возможности, так как позволяет эффективно очищать более широкий спектр загрязнений.

Способ предназначен для ультразвуковой очистки изделий, в частности для очистки фильтров и фильтроэлементов. В моющую жидкость погружают изделия и возбуждают в ней ультразвуковые колебания различных частот, создаваемых пьезоэлектрическими преобразователями. Ультразвуковые колебания возбуждают от каждого преобразователя с девиацией частоты (отклонением от некоторого среднего значения). При этом диапазон изменения частоты выбирают, исходя из возможности получения максимального значения амплитуды колебаний каждого преобразователя. Очистку изделий обеспечивают более простыми конструктивными средствами с повышенным КПД. Способ обеспечивает более высокое качество очистки путем исключения влияния на очистку зон с критическим значением звукового давления и расширение технологических возможностей за счет более интенсивной циркуляции акустических макро- и микротечений. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ очистки изделий с использованием ультразвуковых колебаний, включающий погружение изделий в моющую жидкость и возбуждение в ней ультразвуковых колебаний различных частот, создаваемых пьезоэлектрическими преобразователями, отличающийся тем, что ультразвуковые колебания возбуждают от каждого преобразователя с девиацией частоты (отклонением от некоторого среднего значения), при этом диапазон изменения частоты выбирают исходя из возможности получения максимального значения амплитуды колебаний каждого пьезоэлектрического преобразователя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость девиации частоты возбуждаемых ультразвуковых колебаний выбирают исходя из обеспечения оптимальных режимов очистки.