CN106513376B - 超声波清洗方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波清洗方法及装置，所述该超声波清洗方法：应用于主要由超声波换能器(100)和待清洗板(200)构成的超声清洗装置，超声波换能器(100)和待清洗板(200)之间设置有薄层，其特征在于，包括以下步骤：由超声波换能器(100)产生振动，并向薄层内的气液混合物辐射，使薄层内的气液界面产生冲刷射流，从而形成对待清洗板(200)表面的切向冲刷清洗。本发明目的是通过气液面的波动，使得待清洗板进行清洗，而不是采用空化效应或者高速振动和剪切效应。

Description

超声波清洗方法及装置

技术领域

本发明涉及超声清洗领域，尤其涉及一种超声波清洗方法及装置。

背景技术

现有的超声清洗技术一般是通过空化效应，借助空泡溃灭时产生的冲击波和微射流对表面污垢进行清洗。也有仅仅利用超声波在液体中产生的振动和剪切效应进行清洗。在高光洁度表面清洗时往往为了避免空蚀而采用强度较弱的超声，同时为了清洗掉微小的污垢，而选用较高的频率(比如兆赫兹量级)。但是这种兆声清洗技术在工艺上非常复杂，设备价格昂贵，使清洗成本很高。因此，有必要开发一种替代的低成本方法解决，满足高光洁度表面的有效和高效清洗。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有超声清洗技术存在的上述问题，基于有别于传统超声清洗原理的新的清洗原理，提供了一种超声波清洗方法及装置。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种超声波清洗方法，超声波清洗方法，应用于主要由超声波换能器和待清洗板构成的超声清洗装置，超声波换能器和待清洗板之间设置有薄层，其特征在于，包括以下步骤：由超声波换能器产生振动，并向薄层内的气液混合物辐射，使薄层内的气液界面产生冲刷射流，从而形成对待清洗板表面的切向冲刷清洗。

可选地，由超声波换能器产生振动，并向薄层内的气液混合物辐射，使薄层内的气液界面产生冲刷射流，从而形成对待清洗板表面的切向冲刷清洗的步骤包括：根据待清洗板的污渍尺寸预先设定超声波换能器(100)的振动频率；根据预先设定的超声波换能器的振动频率确定薄层的厚度和薄层中气液界面产生的射流的冲刷宽度；根据预先设定的超声波换能器的振动频率和薄层的厚度，确定薄层内的气液混合比例；根据预先设定的超声波换能器的振动频率、薄层的厚度和薄层内的气液混合比例，超声波换能器驱动薄层内的气液界面产生冲刷射流对待清洗板进行清洗。

可选地，薄层中液体的冲刷射流宽度和冲刷射流频率为以下公式计算：

其中，所述λ为清洗薄层的厚度；ρ为液体密度；f₀为超声波换能器的频率；σ为薄层中液体的表面张力系数。

可选地，冲刷射流频率为：

其中，f₀为超声波换能器的频率，f为冲刷频率。

另一方面，本发明提供了一种超声波清洗装置，该超声清洗装置包括：超声波换能器，超声波换能器和待清洗板之间设置有薄层，超声波换能器产生的振动向薄层内的气液混合物辐射，使薄层内的气液界面产生冲刷射流，从而形成对待清洗板表面的切向冲刷。

优选地，上述装置还包括旋转调节控制器，旋转调节控制器用于固定待清洗板，以及对待清洗板进行水平方向旋转。

优选地，旋转调节控制器包括至少三个吸盘，至少三个吸盘用于固定待清洗板。

优选地，上述装置还包括激光检测器、补气控制器和补液控制器；在超声波换能器外侧套设有清洗室，清洗室设置有输气管和输液管；补气控制器通过输气管给清洗室输送气体；补液控制器通过输液管给清洗室输送液体；激光检测器用于检测清洗室液位，并对补液控制器进行控制。

优选地，清洗室内布设有水听器，水听器对薄层的压力进行检测，给超声参数控制器提供超声振幅控制信号。

优选地，上述装置还包括：超声参数控制器；超声参数控制器用于调节超声波换能器的振动频率和振幅。

本发明提供的一种超声波清洗方法及装置，不是采用空化效应或者高速振动和剪切效应，而是利用气液表面的波动，使待清洗表面反复经历气相和液相的冲刷，从而实现表面清洗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供了一种超声波清洗方法的流程图；

图2为本发明实施例提供了一种超声波清洗装置的结构示意图；

图3为点清洗；

图4为线清洗；

图5为图4中线清洗的另一个具体实施例；

图6为超声薄层切向冲刷清洗原理图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明实施例提供了一种超声波清洗方法的流程图。如图1所示，超声波清洗方法的具体步骤包括：

应用于主要由超声波换能器100和待清洗板200构成的超声清洗装置，所述超声波换能器100和待清洗板200之间设置有薄层，其特征在于，包括以下步骤：

由超声波换能器100产生振动，并向薄层内的气液混合物辐射，使薄层形成对待清洗板表面的切向冲刷。

具体地：由超声波换能器100产生振动，并向薄层内的气液混合物辐射，使薄层内的气液界面产生冲刷射流，从而形成对待清洗板200表面的切向冲刷清洗的步骤包括：

步骤S100：根据待清洗板200的污渍尺寸预先设定超声波换能器100的振动频率；

步骤S110：根据预先设定的超声波换能器100的振动频率确定薄层的厚度和薄层中气液界面产生的射流的冲刷宽度；

步骤S120：根据预先设定的超声波换能器100的振动频率和薄层的厚度，确定薄层内的气液混合比例；

步骤S120中根据预先设定的超声波换能器100的振动频率和薄层厚度确定的情况下，通过玻璃片预先模拟待清洗板200，进而由摄像头500获取数据，进而分析出薄层中气液混合比例。

步骤S130：根据预先设定的超声波换能器100的振动频率、薄层的厚度和薄层内的气液混合比例，超声波换能器100驱动薄层内的气液界面产生冲刷射流对待清洗板进行清洗。

可选的，还包括步骤S140：检测待清洗板200上的污渍尺寸；

此步骤则是用于检测待清洗板200是否清洗干净。检测待清洗板200可以通过显微镜来检测。

步骤S140中检测待清洗板200没有清洗干净，还包括步骤S150：重新根据待清洗板200上的污渍尺寸确定超声波换能器100的振动频率。

需要重新根据重新确定的超声波换能器100的振动频率，超声波清洗装置重新执行步骤S100-步骤S130。

直至步骤S140中检测待清洗板200已被清洗干净，终止执行步骤S100-步骤S150。还包括步骤S160：结束对待清洗板200的清洗。

需要说明的是，本发明实施例中提到的待清洗板200并不是唯一的，可以是需要清洗的其他待清洗部件。

针对需要清洗的不同污渍程度的待清洗板200，可以通过超声参数控制器10改变超声波换能器的振动频率和振幅，以及通过水听器70监测薄层中液体中的声压P，使P<Pa，Pa是薄层内液体的空化阈值(若发生空化，则空化产生的冲击波和微射流可能对壁面造成损伤，同时空化的出现也会抑制气液界面毛细波的产生)。

冲刷射流(就是冲刷的一个个反复凸起和凹陷的液体射流)的宽度与超声波换能器100的频率有关，通过控制频率可以控制射流宽度，从而产生不同的清洗效果。

射流宽度λ与超声波频率(冲刷频率为超声频率的一半)f₀关系

其中，所述λ为清洗薄层的厚度；ρ为液体密度；f₀为超声波换能器的频率；σ为薄层中液体的表面张力系数；f为冲刷频率。

薄层的厚度则与产生的冲刷齿的宽度相关，薄层的厚度要小于射流宽度λ，否则在厚度方向上可能产生多排射流，而只有一排射流是对清洗有用的，多排射流容易造成能量的浪费，以及增加清洗的不确定性；此外薄层的厚度大于射流宽度λ将使清洗条带就难以产生，掺入的空气将以气泡形式存在，清洗效果将大为弱化。

薄层的厚度，则是由激光监测器400监测清洗室50中的液位和待清洗板的高度，进而通过旋转升降调节控制器控制薄层的厚度。

薄层是气液混合物，薄层中气体和液体是横向分布的，因此摄像头500可以根据气液边界经过图像处理计算出气体和液体的体积比，或者说是气体的含量A。我们可以通过空气补气控制器30和补液控制器控制清洗室50中的含气量，使A＝A0，A0为清洗最佳含气量。

图2为本发明实施例提供了一种超声波清洗装置。如图2所示，超声波清洗装置包括：超声波换能器100和待清洗板200；

超声波换能器100和待清洗板200之间设置有薄层，超声波换能器100产生的振动向薄层内的气液混合物辐射，使薄层内的气液界面产生冲刷射流，从而形成对待清洗板表面的切向冲刷。

可选的，超声波清洗装置包括：控制器300用于超声波换能器100之间通过电连接控制超声波换能器100产生振动，进而由超声波换能器100产生的振动驱动薄层对待清洗板200进行清洗。

本发明实施例通过控制器控制超声波换能器产生振动，进而驱动超声波换能器和待清洗板之间的薄层形成对待清洗板表面的切向冲刷。

可选的，增强对待清洗板200的清洗效果，超声波清洗装置包括：旋转调节控制器20，旋转调节控制器20用于固定待清洗板200，以及对待清洗板200进行水平方向旋转。

进一步的，旋转调节控制器20包括至少三个吸盘，至少三个吸盘(附图2中只显示了2个吸盘)用于固定待清洗板200，便于在控制器300的控制下，将待清洗板200进行水平方向旋转。

可选的，薄层中的气液混合比例取决于换能器的振动特性和薄层厚度，换能器的振动特性和薄层厚度不同时，层中的气液混合比例也是变化的。

控制器300还包括：补液控制器40和补气控制器30；补液控制器40和补气控制器30分别用于薄层提供液体和气体，进而改变薄层气液混合状态，进而促使控制器300产生新的控制信号。

补液控制器40设置有输液管4和输液管2，输液管4用于给补液控制器提供液体，而输液管2则是将补液控制器40的液体输送至薄层。

补气控制器30设置有输气管1，用于通过输气管1将补气控制器30的气体传送至薄层。

超声波清洗装置在超声波换能器100的外侧套有一个清洗室50，清洗室50包括输液管2、输气管1和输出管。输液管2通过补液控制器40给清洗室提供液体；输气管1通过补气控制器30提供气体。进而通过输液管2和输气管1使得薄层内产生气液混合状态。

进一步的，补液控制器40与激光检测器400连接，激光检测器400检测清洗室50内部液位，进而对补液控制器40进行控制由输液管2给清洗室50补液。

清洗室50内布设有水听器70，水听器70对薄层的压力进行检测，给超声参数控制器10提供超声振幅控制信号。其中，超声参数控制器10用于调节超声波换能器100的振动频率和振幅。

在超声波清洗装置工作时，超声波换能器100的振动将少量液体落入集液室60，由集液室60设置的输出管3将少量液体排出。

本发明实施例中超声参数控制器的频率选择在15kHz-5MHz。

超声波表面清洗装置的工作原理为：

利用由超声激励的大量的气液界面波动(毛细波)，使待清洗表面的污垢不断的经历气液界面波动的冲刷，直至脱落。制造一个薄薄的液体气体混合层，超声波换能器100振动，超声辐射面将振动向薄层内的气液混合物辐射。弱强度超声将使气体和液体进一步分散，并因为超声的铺展效应，使液体在辐射面上铺展开，在待处理板和液体之间形成气体层，在局部形成条带状液体既连接上部待清洗板，又连接下部辐射面。这些液体条带彼此交联，移动。条带两侧的气液界面在超声的作用下产生波动，形成对待清洗板的锯齿状冲刷。

图3为点清洗。如图3(a)所示，点清洗为第一种清洗方法。

第一种清洗方法通过薄层内待清洗部位注射液滴，让液体表面产生波动，形成冲刷射流从而产生清洗效果；液滴的产生可以通过细管产生，根据具体待清洗板200污渍的尺寸改变液滴的位置和大小，从而实现对局部清洗的控制。

如图3(b)所示，点清洗为第二种清洗方法：通过在薄层液体中注射气泡，使得气泡表面产生波动，形成冲刷流从而产生清洗效果；气泡的产生也可以通过细管产生，根据具体待清洗板200污渍的尺寸改变液滴的位置和大小，从而实现对局部清洗的控制。具体的，细管尺寸不同，使得产生的气泡大小也不同。

本实施例中点清洗则是对待清洗板200局部的清洗。

图4为线清洗。如图4所示，通过控制气液混合比例，形成锯齿状振动带，进行线清洗。

图5为图4中线清洗的另一个具体实施例。如图5所示，在玻璃板上增加了固定条状凸起，该固定条状凸起用于固定液体接触待清洗板200的区域；可以根据清洗难易程度，以及超声波换能器100的频率，将条状凸起固定在玻璃板上表面(玻璃板与换能器相连，玻璃板将振动传递给薄层内的气液混合物。)。

设置条状凸起的原理是条状凸起和玻璃板一起振动，超声振动使液体具有沿着固体铺展的特性，这样液体就会自动爬上凸起表面进而最先和待清板200下表面接触。一旦与待清洗板200下表面接触就会形成清洗条带。

设置条状凸起能解决图4中线清洗，条带式清洗时条带是随机产生的，游移不定，难以控制。

面清洗则是图4和图5中形成线清洗的条件下，通过旋转待清洗板200从而实现面清洗。

图6为超声薄层切向冲刷清洗原理图。如图6所示，在超声换能器200振动时，薄层中的气液边界也会随之凸起和凹陷形成波动射流，使得气液混合物的气液边界形成波动状清洗线，每秒钟对附近的污垢颗粒形成上万次冲刷，在待清洗板旋转的情况下，完成对待清洗板200的全面清洗。

本装置也可以在扫频下工作，即换能器的频率不断在一定范围内连续变化，以使装置具有更宽的清洗适应性。

本发明提供的一种超声波清洗方法及装置，不是采用空化效应或者高速振动和剪切效应，而是利用气液表面的波动，使待清洗表面反复经历气相和液相的冲刷，从而实现表面清洗。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声波清洗方法，应用于超声清洗装置，所述超声清洗装置包括超声波换能器(100)、待清洗板(200)、补气控制器(30)和补液控制器(40)，其中，所述超声波换能器(100)和待清洗板(200)之间设置有薄层，所述补气控制器(30)和补液控制器(40)分别为所述薄层提供气体及液体，其特征在于，包括以下步骤：

由所述超声波换能器(100)产生振动，并向所述薄层内的气液混合物辐射，使所述薄层内的气液界面产生冲刷射流，从而形成对所述待清洗板(200)表面的切向冲刷清洗。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述由所述超声波换能器(100)产生振动，并向所述薄层内的气液混合物辐射，使所述薄层内的气液界面产生冲刷射流，从而形成对所述待清洗板(200)表面的切向冲刷，清洗的步骤包括：

根据所述待清洗板(200)的污渍尺寸预先设定超声波换能器(100)的振动频率；

根据所述预先设定的超声波换能器(100)的振动频率确定所述薄层的厚度和所述薄层中气液界面产生的射流的冲刷宽度；

根据所述预先设定的超声波换能器(100)的振动频率和所述薄层的厚度，确定所述薄层内的气液混合比例；

根据所述预先设定的超声波换能器(100)的振动频率、所述薄层的厚度和所述薄层内的气液混合比例，所述超声波换能器(100)驱动所述薄层内的气液界面产生冲刷射流对所述待清洗板进行清洗。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述薄层中液体的冲刷射流宽度和冲刷射流频率为以下公式计算：

其中，所述λ为清洗薄层的厚度；ρ为液体密度；f₀为超声波换能器的频率；σ为薄层中液体的表面张力系数。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述冲刷射流频率为：

其中，f₀为超声波换能器的频率，f为冲刷频率。

5.一种超声波清洗装置，包括超声波换能器(100)、激光检测器(400)、补气控制器(30)和补液控制器(40)，其特征在于，所述超声波换能器(100)和待清洗板(200)之间设置有薄层，所述超声波换能器(100)产生的振动向所述薄层内的气液混合物辐射，使所述薄层内的气液界面产生冲刷射流，从而形成对所述待清洗板表面的切向冲刷；

在所述超声波换能器(100)外侧套设有清洗室(50)，所述清洗室(50)设置有输气管(1)和输液管(2)；其中，所述清洗室(50)内布设有水听器(70)，所述水听器(70)对所述薄层的压力进行检测，给超声参数控制器(10)提供超声振幅控制信号；

所述补气控制器(30)通过所述输气管(1)给所述清洗室(50)输送气体；

所述补液控制器(40)通过所述输液管(2)给所述清洗室(50)输送液体；

所述激光检测器(400)用于检测所述清洗室(50)液位，并对补液控制器(40)进行控制。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括旋转调节控制器(20)，所述旋转调节控制器(20)用于固定所述待清洗板(200)，以及对所述待清洗板(200)进行水平方向旋转。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述旋转调节控制器(20)包括至少三个吸盘，所述至少三个吸盘用于固定所述待清洗板(200)。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：超声参数控制器(10)；

所述超声参数控制器(10)用于调节所述超声波换能器(100)的振动频率和振幅。

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