Ultraschallreinigung

Ein Ultraschallreinigungsgerät enthält ein Becken aus Edelstahl (Abbildung 1, (1)), in das eine wässrige Flüssigkeit gefüllt werden kann. Für eine verbesserte Reinigungswirkung kann dem Bad (2) Reinigungschemie zugesetzt werden.

Abbildung 1 Schnitt Ultraschallreinigungsgerät

Am Boden des Beckens und manchmal auch an den Seiten sind Ultraschallschwinger (3) angebracht. Diese Schwinger wandeln wie ein Lautsprecher eine elektrische Wechselspannung in eine mechanische Schwingung um. Die elektrische Wechselspannung wird von einem Ultraschallgenerator (4) erzeugt und hat für Reinigungszwecke üblicherweise eine Arbeitsfrequenz von 25kHz bis ca. 50kHz; höhere Frequenzen werden normalerweise zur Unterstützung des anschließenden Spülvorgangs eingesetzt.

Wenn die Schwinger mit der Wechselspannung angeregt werden, breitet sich die Schwingung durch das Wannenmaterial in die Flüssigkeit aus. Dort werden Gasbläschen (5), die sich im Wasser befinden, in Schwingungen versetzt, so dass sich deren Volumen vergrößert und verkleinert. Ab einer ausreichenden Schwingungsintensität können diese Bläschen auch implodieren, wobei ein sogenannter Jetstream entsteht, der – wenn er auf eine verschmutzte Oberfläche trifft – durch seinen Impuls wie eine Mikrobürste den Schmutz ablöst.

Der verlinkte Film vermittelt eine Vorstellung, wie der Kollaps der Bläschen stattfindet.

Die Blasen im Ultraschallbad sind allerdings viel kleiner als die im Film gezeigten.

Um den Reinigungseffekt zu erhöhen sind die meisten Ultraschallgeräte mit einer Heizung (6) ausgestattet, um die Flüssigkeit zu erwärmen.

Bei vielen Ultraschallgeräten ist es auch möglich, unterschiedliche Frequenzmodi zu wählen. Der Modus „Sweep“ ist meist als Standard vorgesehen; hier durchläuft die Arbeitsfrequenz einen Bereich von ca. +/- 1kHz um die Mittenfrequenz. Damit wird eine lokal gleichmäßigere Verteilung der Blasen im Becken erreicht. Ein weiterer Modus ist „Puls“. Hier wechselt die Arbeitsfrequenz sehr schnell zwischen zwei Frequenzen mit ca. 1kHz Abstand. Der Vorteil liegt in einer stärkeren Reinigungsleistung. Historisch oder bei älteren und einfachen Geräten gibt es noch den Modus mit einer fixen Frequenz. Bei einem frischen Bad sollte zudem die Flüssigkeit entgast werden, hierzu gibt es oft eine spezielle „Degas“-Funktion.

Die folgenden Abbildungen 2 – 4 zeigen beispielhaft die spektralen Amplituden des akustischen Drucks bei der Arbeitsfrequenz bei verschiedenen Modi in logarithmischer Darstellung.

Abbildung 2 Frequenzspektrum „Sweep“

Abbildung 3 Frequenzspektrum „Puls“

Abbildung 4 Frequenzspektrum „Fix“

Die hellblauen Punkte zeigen hier jeweils die mittlere Frequenz und die Frequenz mit der maximalen Druckamplitude an. Diese sind beim  Modus mit fixer Frequenz identisch.

/1/ O. Supponen, Ph. Kobel, D. Obreschkow, M. Farhat, “The inner world of Collapsing bubble”, Physics of Fluids 27, 2015.

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