WO2019020857A1 - Dispositivo y método de limpieza por ultrasonidos - Google Patents

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WO2019020857A1
WO2019020857A1 PCT/ES2018/070527 ES2018070527W WO2019020857A1 WO 2019020857 A1 WO2019020857 A1 WO 2019020857A1 ES 2018070527 W ES2018070527 W ES 2018070527W WO 2019020857 A1 WO2019020857 A1 WO 2019020857A1
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WO
WIPO (PCT)
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band
ultrasonic
sonotrode
cleaning solution
ultrasonic sonotrode
Prior art date
Application number
PCT/ES2018/070527
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jon Ander SARASUA MIRANDA
Alejandro SANDÁ VERDE
Manu GOIOGANA BENGOETXEA
Original Assignee
Fundación Tekniker
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B3/00—Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
    • B08B3/04—Cleaning involving contact with liquid
    • B08B3/10—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration
    • B08B3/12—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration by sonic or ultrasonic vibrations

Definitions

  • the present invention belongs to the field of cleaning, both industrial and domestic. More specifically, the invention relates to methods and devices for ultrasonic cleaning. BACKGROUND OF THE INVENTION
  • Ultrasonic cleaning is a process that uses ultrasound (generally between 20 and 200 kHz) and an appropriate liquid to clean items. Ultrasonic cleaners are used to clean many different types of objects, including optical parts, surgical instruments, tools, industrial parts and electronic equipment. Ultrasonic cleaning can be used for a wide range of shapes, sizes and materials of parts.
  • the object to be cleaned is immersed in a metal tank containing a liquid solution (in an aqueous or organic solvent, depending on the application).
  • An ultrasonic generator transducer incorporated in a chamber, or lowered in the liquid, produces ultrasonic waves in the liquid by changing the size in concert with an electrical signal that oscillates at the ultrasonic frequency. These elements normally form a resonant circuit.
  • the electrical signal is produced by a high frequency electrical source.
  • Ultrasonic cleaning uses cavitation bubbles induced by high frequency pressure (sound) waves to agitate the liquid.
  • gas bubbles collapse with a large amount of energy, releasing strong shock waves.
  • an asymmetric collapse can occur, releasing strong jets of water. Both phenomena contribute to eliminate dirt and accelerate chemical dissolution processes.
  • agitation produces high forces in contaminants attached to substrates such as metals, plastics, gum, and ceramics.
  • water or solvents can be used, depending on the type of contamination and the part.
  • the use of an appropriate solvent for the article to be cleaned and the type of dirt present generally improves the cleaning effect.
  • the Contaminants can include dust, dirt, oil, pigments, rust, grease, algae, fungi, bacteria, lime, polishing compounds, flow agents, fingerprints, soot wax and mold release agents, biological soil such as blood, etc.
  • a major limitation of conventional ultrasonic cleaners is that the part to be cleaned needs to be completely submerged in the tank containing the liquid. Therefore, conventional ultrasonic cleaners are unviable for large parts or devices, or for non-removable structures, such as large-sized glass, construction fronts, floors, etc.
  • JP H06 2183337 discloses a portable device for cleaning a piece by means of a sonotrode.
  • the device does not require the complete immersion of the piece inside a tank that contains a cleaning solution.
  • a jet of water is projected through which ultrasonic waves are applied on the surface to be cleaned.
  • the surface of the sonotrode designed to be closer to the surface to be cleaned is rigid and flat, whether vertical, inclined or ladder, with respect to the surface to be cleaned. This limits the effectiveness of the cleaning device when the surface to be cleaned is not homogeneous, for example when it is not completely smooth.
  • the present disclosure provides a new device and method of ultrasonic cleaning that does not require the immersion of the piece to be cleaned in a tank that contains a cleaning solution, and that is capable of cleaning pieces of irregular geometries. Based on the same principles of conventional ultrasonic cleaning, the proposed device and method manage to remove dirt from large surfaces, such as industrial parts, tiles, tiles, etc., both smooth and irregular (curved, rough, with volumetric patterns, etc.).
  • a device for ultrasonically cleaning a surface on which a cleaning solution is disposed comprises: at least one ultrasonic oscillator configured to convert an electrical signal operating at a frequency of 50-60 Hz into electrical energy operating at a frequency comprised in the ultrasonic frequency band; at least one ultrasonic converter for converting said electric energy into an ultrasonic mechanical vibration; at least one ultrasonic sonotrode band coupled to said at least one ultrasonic converter and configured to enter flexural resonance when said mechanical frequency vibration is applied to the ultrasonic frequency and to elastically conform to said surface.
  • the ultrasonic sonotrode band is configured to, during use, generate a liquid coupling of cleaning solution between said ultrasonic sonotrode band and said surface and to expose said surface in contact with said liquid coupling of cleaning solution to cavitation, thus eliminating the dirt on the surface.
  • the ultrasonic sonotrode band is metallic.
  • the ultrasonic sonotrode band has a thickness of less than 10 mm.
  • the ultrasonic sonotrode band comprises a plurality of plastic drops in the portion intended to be closest to said surface to prevent friction between said ultrasonic sonotrode band and said surface.
  • the device comprises two ultrasonic sonotrode bands configured to move on the surface to be cleaned, said two ultrasonic sonotrode bands being configured so that, in use of the device, the antinodes generated in each of them due to the flexural resonance are displaced in an ultrasonic sonotrode band with respect to the other ultrasonic sonotrode band.
  • the device comprises two ultrasonic oscillators and two ultrasonic converters coupled to said at least one ultrasonic sonotrode band.
  • a method of cleaning a surface by means of ultrasound comprising: applying a cleaning solution on the surface to be cleaned; moving a device comprising at least one ultrasonic sonotrode band along said surface, said at least one ultrasonic sonotrode band pressing said surface; applying an ultrasonic vibration on said at least one ultrasonic sonotrode band; generating a liquid coupling of cleaning solution between said at least one ultrasonic sonotrode band and said surface; exposing to cavitation said surface in contact with said liquid coupling of cleaning solution, thus eliminating dirt from the surface.
  • the generation of a liquid coupling of cleaning solution between said ultrasonic sonotrode band and said surface is achieved either by applying a drop of cleaning solution to both the cleaning solution disposed on the surface and the ultrasonic sonotrode band. ), or by lowering the ultrasonic sonotrode band until it comes in contact with a cleaning solution disposed on said surface.
  • the device moves along said surface maintaining a constant distance between said surface and said ultrasonic sonotrode band.
  • the cleaning solution is applied to the surface before the at least one ultrasonic sonotrode band is operated, so that a layer of cleaning solution is disposed on the surface.
  • the cleaning solution is applied on the surface to be cleaned as the at least one ultrasonic sonotrode band moves along said surface, such that said liquid cleaning solution coupling is disposed between said surface and the outer surface of the ultrasonic sonotrode band.
  • the cleaning solution is supplied externally to the ultrasonic sonotrode band by means of a syringe or an atomizing nozzle.
  • the cleaning solution can be supplied internally to the ultrasonic sonotrode band along a channel disposed in the ultrasonic sonotrode band), said channel being designed to drive the solution cleaner to the surface of the ultrasonic sonotrode band closest to the surface to be cleaned.
  • the cleaning solution can be reused by the ultrasonic sonotrode band by suction of dirty drops, the filtering of said dirty drops and the application of filtered drops while the ultrasonic sonotrode band advances on the surface to be cleaned.
  • the cleaning solution is selected from the following group: water and aqueous solutions comprising at least one chemical agent.
  • Figure 1 shows a device for carrying out ultrasonic cleaning according to a possible embodiment of the invention.
  • Figures 2 (a), 2 (b) and 2 (c) show the behavior of the water disposed on the surface to be cleaned, under different operating conditions, during the use of the device of the invention.
  • the band of the device has been represented without applying ultrasound.
  • Figure 2 (b) shows the device operating with ultrasound in the cleaning mode.
  • Figure 2 (c) shows the device operating with ultrasound in spray mode.
  • Figure 3 illustrates an example of cleaning device prototype according to the embodiment shown in Figure 1.
  • Figure 4 shows an ultrasonic cleaning device 30 according to a possible implementation of the invention.
  • Figure 5 illustrates the flexural resonance that the band sonotrode of the device of the invention experiences, when the band vibrates at the operating frequency.
  • Figure 6 illustrates the shape adopted by water droplets arranged on the band sonotrode when the band vibrates at bending resonance.
  • FIGS 7a and 7b show a detail of the cleaning device according to a possible implementation of the invention, in which the band sonotrode and the support on which it is fixed stand out.
  • Figure 8 shows an alternative implementation of the cleaning device of the invention.
  • Figure 9 schematizes the arrangement of antinodes in the two bands of the cleaning device of Figure 8.
  • Figure 10 shows a cleaning device according to the invention, which is being displaced along the surface of a piece to be cleaned.
  • Figure 11 illustrates a cleaning device during operation thereof in an ultrasonic cleaning method according to the present invention.
  • Figure 12 shows a mirror subjected to cleaning tests with the device of the invention in a horizontal configuration, in which three zones are differentiated.
  • Figure 13 shows a mirror subjected to cleaning tests with the device of the invention in vertical configuration, in which three zones are differentiated.
  • Figure 14 illustrates a prototype cleaning device according to the invention, manually operated.
  • the term “approximately” and terms of its family should be interpreted as indicating very close to those who accompany the term. That is, a deviation within reasonable limits with respect to an exact value should be accepted, because one skilled in the art will understand that such deviation with respect to the indicated values may be unavoidable due to measurement inaccuracies, etc. The same applies to the terms “ones”, “around” and “substantially”.
  • the device 10 illustrated in FIG. 1 represents a possible embodiment of a device for carrying out ultrasonic cleaning without having to immerse the piece to be cleaned 60 in a tank containing a cleaning solution.
  • the piece to be cleaned can be a piece of large dimensions or of high weight.
  • Non-limiting examples of such pieces are floors or pieces that make up a floor, walls or pieces that make up a wall, automotive parts, from the aerospace industry or from the energy sector, as energy concentrating mirrors.
  • the surface to be cleaned 65 of the part 60 is represented as a substantially flat surface, but in general, the surface to be cleaned 65 may be of simple curvature, for example linear, cylindrical or parabolic (for example, a tube, bar or profile), or double-curved, for example car bodies, airplane wings or ship propellers.
  • the surface to be cleaned 65 may have geometric irregularities, such as cavities, pores, periodic or non-periodic volumetric patterns, or any other irregularity.
  • the surface to be cleaned 65 is cleaned by a sweeping motion, as explained below.
  • the part 60 is a mirror.
  • Ultrasonic cleaning without immersion is based on the generation of ultrasonic vibration in a thin layer of water (or cleaning solution, in general) deposited on the surface to be cleaned.
  • This technique employs phenomena of reducing the surface tension of the cleaning agent (water or other), so that ultrasound can be applied directly on a film of water previously deposited on the surface to be cleaned 65.
  • the cleaning device 10 should be swept or move along the surface to be cleaned 65. The water interface between the surface 65 and the part of the cleaning device 10 closest to said surface 65, is exposed to a very intense cavitation field.
  • the device 10 comprises an ultrasonic wave generator 1 connected to a conventional voltage line (electrical network) 5.
  • the voltage line 5 normally operates at 50-60 Hz, depending on the country.
  • the electrical energy provided by the ultrasonic wave generator 1 is converted into an ultrasonic converter (also called an ultrasonic transducer) 2 in mechanical vibration. It is a harmonic vibration whose frequency is the same as that generated by the wave generator 1.
  • the amplitude of the vibration is related to the electrical power, and can be mechanically amplified by other components such as an intensifier 3 or a sonotrode 4.
  • the specific characteristics of this mechanical vibration are given later in this description.
  • the device 10 may optionally have an intensifier 3 (also called amplifier 3).
  • An intensifier 3 is needed in applications that demand high power (ie, power greater than that provided by the ultrasonic wave generator 1). Therefore, in applications that require less power, the intensifier 3 can be removed. When present, the intensifier 3 is connected to the ultrasonic converter 2.
  • the intensifier 3 amplifies the ultrasonic vibration from the ultrasonic converter 2 and transmits said amplified ultrasonic vibration to a sonotrode of band 4 (also sometimes referred to as "sonotrode band” or "band” in a simplified form in this text).
  • the amplitude of the vibration applied on the band sonotrode 4 depends on the amplitude of the vibration provided by the converter 2 and the amplification provided by the intensifier 3, in case an intensifier is used.
  • the intensifier 3 can also serve as a support means for the band 4 sonotrode.
  • the band horn 4 is connected to the intensifier 3 and receives the ultrasonic vibration of the intensifier 3. In the absence of an intensifier, the band horn 4 can be directly connected to the ultrasonic converter 2.
  • the band or sonotrodo of band 4 due to its flexibility, it molds to the surface to be cleaned 65 (surface of piece 60) by pressing on it, as explained later.
  • the band 4 sonotrode is implemented in a flexible material, which allows its adaptation to the surface to be cleaned.
  • the band 4 sonotrode is metallic, given its ability to flex without breaking. Non-limiting examples of metals that can be used are aluminum, titanium and steel, among others.
  • the band 4 is elongated and substantially flat.
  • the thickness of the band 4 must be small enough so that the band is molded or adapted to the surface to be cleaned 65, but large enough so that the band does not break.
  • the thickness of the band 4 is chosen to be less than 10 mm (millimeters), such as less than 5 mm or less than 3 mm.
  • the surface to be cleaned 65 may have a certain curvature, irregularities, etc.
  • the band 4 is pressed against the surface to be cleaned 65, so that the band 4 deforms, adapting to said surface to be cleaned 65.
  • the band 4 can deform up to about 3 cm (centimeters), for example about 1 cm.
  • An expert will understand that depending on the material used, which is outside the present invention, it is possible to produce bands with very low thicknesses while being sufficiently robust to fracture. So that when pressing the band 4 on the surface to be cleaned 65 it is not damaged (for example, scratched), and also so that the band 4 itself is not damaged, on the side of the band 4 configured to be closer to the surface to be cleaned 65 in use of the device 10, some drops of plastic, for example of silicone, spaced along the band 4, can be deposited so that these plastic drops or clusters are those that press against (or enter in).
  • the width and length of the band 4 depend on the application for which the band 4 is designed. general lines, the applied power is distributed along the surface of the band 4. Therefore, the greater the length of the band, the greater the surface on which the applied power has to be distributed, so that the Cleaning is less intense. The same applies to the width of the band 4. Therefore, it is advisable, for each application, to look for the width and maximum length that guarantee that against a certain ultrasound power, the type of dirt present on the surface in question will be cleaned.
  • the band sonotrode 4 receives the ultrasonic vibration of the intensifier 3 (or of the ultrasonic converter 2, as the case may be), and transmits said ultrasonic vibration to the liquid disposed on the surface to be cleaned 65.
  • the inventors have observed that, surprisingly, the vibration ultrasonic of the band sonotrode 4, on coming into contact with the liquid disposed on the surface to be cleaned 65, causes the liquid to cavitate at high frequency, thus eliminating dirt from the surface 65 of the piece 60 on which the liquid.
  • the ultrasonic vibration that is applied to the ultrasonic sonotrode 4 are transverse waves in a direction perpendicular to the band of the band sonotrode 4.
  • Figure 5, which is described below, represents the ultrasonic vibration applied to the band sonotrode 4.
  • the amplitude of the vibration is so high that the liquid coupling becomes unstable and atomized.
  • This threshold depends on the physical properties of! liquid. In particular, it depends on the density of! liquid, viscosity and surface stress. For example, in the case that the cleaning solution is tap water, and given a frequency of 20 kHz, this critical threshold is 1 1 ⁇ . In another example, in the case of acetone (cleaning solution), and given a frequency of 20 kHz, this critical threshold is less than 3 ⁇ .
  • the amplitude of vibration above which the liquid coupling is atomized also depends on the applied frequency.
  • the critical threshold decreases with the square frequency. For example, if the frequency varies from 20 kHz to 40 kHz (that is, x2), the vibration amplitude threshold is divided by 2 2 . In general, if the frequency is multiplied by N (xN), the threshold of vibration amplitude is divided by 2 N ,
  • FIG 2 (ac) shows a situation in which ultrasound (US) is not applied by a band 4 sonotrode to the liquid layer (cleaning solution) disposed thereunder. In this case, conventional liquid drops can adhere to the output surface of the band 4 sonotrode.
  • Figure 2 (b) shows a situation in which the band 4 sonotrode (and the ultrasonic vibration it produces) has succeeded in reducing the Stress on the liquid below without atomizing it. When this occurs, the liquid tends to adhere to the output surface of the band 4 sonotrode (in other words, the liquid is attracted to the output surface of the band 4 sonotrode), generating a large homogeneous linear liquid 20 (also referred to as static liquid coupling 20).
  • FIGS. 2 (ac) shows a situation in which the ultrasonic vibration produced by the band horn 4 has atomized the liquid disposed below the outlet surface of the sonotrode. Therefore, the dirty surface is not cleaned.
  • the liquid is tap water.
  • the critical threshold of the amplitude of vibration applied by the output surface of the band sonotrode to which the tap water does not atomize is 1 1 ⁇ given a frequency of 20 kHz. That is why the desired effect (Figure 2 (b)) occurs when said vibration amplitude is equal to or less than 1 1 ⁇ , while the undesired effect (Figure 2 (c)) occurs when said amplitude of vibration is greater than 1 1 ⁇ .
  • the inventors have observed that the amplitude of vibration applied in the surface of the band 4 sonotrode is very important, since for each cleaning solution that can be used, there is a critical threshold or maximum value of this amplitude of vibration, so that if the amplitude of applied vibration exceeds the threshold associated with each cleaning solution, the cleaning solution will atomize (Figure 2 (c)) instead of forming a homogeneous linear liquid coupling 20 or a static liquid collection 20 (FIG. 2b)).
  • the converter 2 has a nominal electric power that ensures a given vibration amplitude.
  • the height or depth of the irregularity or cavity defined by the volumetric pattern is preferably smaller than the height of the volume of retained liquid (liquid coupling 20), as shown for example in Figure 2 (b).
  • FIG 3 illustrates an example of cleaning device prototype 10 according to the embodiment shown in Figure 1.
  • the signal generator 1 the ultrasonic converter (also called piezoelectric converter or ultrasonic transducer) 2, the intensifier 3 and the band or sonotrode of band 4.
  • the plug 5 through which the device 10 can be powered.
  • FIG. 4 shows an ultrasonic cleaning device 30 according to a possible implementation of the invention.
  • the device 30 is formed by two sets of intensifier 3 and converter 2.
  • the two sets provide the ultrasonic vibration to the same band or sonotrode of band 4.
  • one, two or more intensifier assemblies may be used 3 and converter 2 associated with the same band horn 4.
  • the arrow represents the direction of sweep or slide of the assembly on the surface 65 during the use of the device 30.
  • clamping or support 6 such as clamps or other, to hold the one or more sets of intensifier 3 and converter 2 and facilitate their sweep on the surface to be cleaned 65.
  • band 4 By vibrating band 4 at the operating frequency (around 20 KHz (20,000 Hertz)), the band enters flexural resonance, as illustrated in figure 5.
  • This resonance can produce a deformation between peaks of, for example, several microns (10 ⁇ 6 meters)
  • band 4 presents a plurality of antinodes (wave peaks) 51 that act as vibration emitters.
  • antinodes 51 correspond to the zones of the band 4 in which higher power ultrasonic vibration is emitted.
  • FIGs 7a and 7b illustrate a detail of the cleaning device according to a possible implementation thereof, in which the sonotrode of band 4 and the support 6 on which it is fixed stands out.
  • the band (band sonotrode) 4 is arranged in or coupled to a fastening means or support 6.
  • the fastening means or support 6 are elongated, so that the band 4 is fastened thereto along its length (dimension higher).
  • the fastening means 6 is observed in the foreground
  • figure 7b corresponds to a rotated view of figure 7a, in which the strip 4 is better appreciated.
  • figure 7a part of a converter 2 is observed (there may be more than one associated with the same band, as previously indicated).
  • the device also has a system or mechanism for distributing water 7 (or cleaning liquid, in general), formed in this case by small pipes that deliver said liquid to a plurality of nozzles 8 through which the liquid is expelled in use of the device.
  • the liquid may reach the distribution system or mechanism 7 from a reservoir (not shown).
  • Figures 7a and 7b also show some bearings 9 and wheels 1 1, both optional, which contribute to facilitate the displacement or sweeping of the device on the surface to be cleaned.
  • Figure 14 shows a prototype cleaning device incorporating the details of figures 7a and 7b, manually operated by a crank 12.
  • Figure 8 shows an alternative implementation of the device 80 of the invention.
  • the band 4 sonotrode cleans especially efficiently on the surface 65 of the piece on which it is swept, which corresponds to the antinodes 51. Therefore, depending on the dirt, the type of piece to be cleaned (for example very rough pieces or with deep cavities), the power that will be used and / or the speed at which the sweep will be carried out , it may be advisable to use a second band parallel to the first band of the device. This is illustrated in Figure 8.
  • a first set of intensifier 3 and converter 2 provide ultrasonic vibration to a first band horn 84
  • a second set of intensifier 3 and converter 2 provide ultrasonic vibration to a second band sonotrode 84 ', which slides or sweeps the surface to be cleaned immediately behind the first band horn 84.
  • the use of the one-piece ultrasonic cleaning device 10, 30, 80 is as follows: The device 10, 30, 80 is swept along the surface 65 of the piece 60 to be cleaned, as illustrated in Fig. 10.
  • Figure 10 shows the device 10 of figure 1, but equally the device 30 or the device 80 could have been represented, since the use thereof is similar.
  • This operation can be performed either manually or by automatic devices, such as robotic manipulators.
  • damage such as scratching
  • physical contact between the surface 65 and the band horn 4 should preferably be avoided.
  • said direct contact is avoided, for example, by applying a few drops of a plastic material, for example silicone, on several points of the band 4 (of its part destined to approach intimately to the surface to be cleaned), so that these drops are those that press on the surface to be cleaned, avoiding friction between the band 4 and the surface to be cleaned.
  • a plastic material for example silicone
  • the device 10, 30, 80 preferably includes mechanical means, such as wheels 1 1, as illustrated for example in figures 7a and 7b, to maintain a certain space between the band horn 4 and the cleaning solution disposed on the 65 surface to be cleaned.
  • mechanical means are especially recommended during manual sweeping movement.
  • Figure 1 1 which will be described in detail below, shows the scanning distance D between the band horn 4 and the surface 65 to be cleaned, when sweeping the device 10.
  • the maximum distance D max to the surface 65, at the that the sonotrode of band 4 can be swept, is determined by the greater liquid accumulation obtainable from cleaning solution. Therefore, the maximum distance Dmax is determined by the maximum volume (amount) of liquid that can be retained between the strip sonotrode 4 and the surface. In other words, It depends on!
  • a distance D of about 3 mm is chosen so as not to work under limit conditions. In other embodiments of the invention, a distance D of between 1 and 3 mm, inclusive, is chosen.
  • This distance D is given by the height of the plastic stop (for example, silicone), applied at different points of the band 4 sonotrode to avoid direct contact of the band sonotrode with the surface to be cleaned. That is, since when sweeping the band horn 4 on the surface 65 to be cleaned, pressure is applied to bring the band close to the surface 65, plastic buffers or drops are previously deposited on the band, these bumps or drops having a height D.
  • the plastic stop for example, silicone
  • a layer of liquid or liquid film (cleaning solution) is applied (not visible in FIG. 10).
  • the ultrasonic vibration applied by the band 4 sonotrode causes the cleaning solution to cavile, releasing strong shock waves and water jets on the surface 65.
  • Both the shock waves and the jets of water eliminate the dirt particles (sand, dirt, dust, mud ...) and accelerate solutions (paint, oil, grease ).
  • the cavitation can penetrate into pores, cracks, cavities or any other pattern present on the surface to be cleaned.
  • the ultrasonic cavitation power is concentrated in a thin layer of liquid (cleaning solution) when the band 4 sonotrode applies ultrasonic vibration to the cleaning solution.
  • Non-imitative examples of cleaning solutions that can be used are water (such as tap water) and aqueous solutions comprising chemical agents, such as soap, acetone and alcohol.
  • the distance D between the band sonotrode 4 closest to the surface 65 to be cleaned is preferably greater than the thickness of the cleaning solution layer. That is, the The output surface of the sonoirer 4 preferably is not in direct contact with the cleaning solution.
  • This distance D, illustrated in FIG. 11, between the output surface of the band horn 4 and the surface 65 to be cleaned preferably remains constant throughout the scanning process, such as by means of the plastic droplets arranged on the sonotrode 4 of band that avoid the direct contact between the sonotrode of band 4 and the surface to be cleaned 65.
  • a cleaning solution to the surface 65 to be cleaned can be done in different ways.
  • a layer of cleaning solution is applied on that surface, such that substantially all of the surface 65 to be cleaned is covered with a layer of liquid.
  • an initial impulse is necessary (for example, a single drop of liquid to obtain liquid storage). If ultrasonic vibration is activated, when the drop touches both the liquid layer and the band sonotrode, a static liquid coupling will be generated. It does not matter that there is relative movement between the band sonotrode and the liquid layer because the surface tension of the liquid collection is so low that it tends to "stick" to both elements.
  • the scanning movement of the band sonotrode can be produced.
  • a liquid coupling is generated by downward movement of the band sonotrode until it comes into contact with the liquid layer. In other words, an initial contact is required (water on the surface to be cleaned and water in the band).
  • the band horn 4 (in fact, the entire device 10, 30, 80) moves on the surface 65, sweeping the surface from a first end 65a to the opposite end 65b, along the length of the surface 65 to be cleaned, as shown in figure 10. If the surface to be cleaned is wider than the width of the band (or bands) of the sonotrode, it will be necessary to sweep the device 10, 30, 80 throughout of the surface 65 as many times as necessary so that the sonotrode of band 4 applies an ultrasonic vibration on the water disposed on the entire surface to be cleaned. Depending on the application and size of the surface to be cleaned, a cleaning device can be designed whose strip 4 is as long as required so as not to have to sweep several times along the surface to be cleaned.
  • a layer of cleaning solution covering the entire surface to be cleaned is not applied before sweeping the band sonotrode 4 on the surface 65 to be cleaned.
  • the aforementioned liquid coupling is constantly regenerated.
  • a cleaning solution can be provided externally to the band sonotrode 4, for example by means of a syringe or a spray nozzle, as illustrated in the embodiment shown in Figures 7a and 7b.
  • the cleaning solution can be provided internally to the band 4 sonotrode, for example along a channel disposed within the band sonotrode, designed to bring water to the surface of the band 4 sonotrode, designed to be closer to the surface to clean,
  • Figure 1 1 illustrates the operation of a device 10 for ultrasonic cleaning according to the invention.
  • the ultrasonic wave generator and the intensifier are not shown in figure 11. Part 60 to be cleaned is also shown.
  • the arrow M represents the sweeping movement of the device 10.
  • the surface 65 of the piece 60 to be cleaned is cleaned while the device 10 moves forward.
  • the dirt 70 is shown on the surface 65 not yet cleaned.
  • Figure 11 refers to an embodiment in which there is no layer of cleaning solution disposed on the surface 65 to be cleaned prior to the movement of the band horn 4. Instead, a cleaning solution is provided to the surface 65 when the band 4 sonotrode moves forward.
  • the arrow A1 represents the direction of the droplets 80 of cleaning solution supplied while the device 100 moves.
  • the arrow A2 represents the direction of the droplets dirty 71 being sucked by an external vacuum device while the band 4 sonotrode is advancing.
  • the cleaning solution is water
  • the dirty water 71 can be filtered in the device 10, which continuously provides filtered water 80, thereby reusing the water.
  • the arrow A3 represents schematically the direction of the dirty water (or cleaning solution, in general), which is filtered to be reused.
  • the dirty water 71 is fed back and filtered by means of a hydraulic system including particle filtration (not shown).
  • the water layer is constantly regenerated thanks to filtration media.
  • the only water consumed by the device 10 is the water that remains on the clean surface, for example in the pores, if any, arranged on the surface 65 of the piece 60.
  • the water consumption is very low ( only the amount necessary to moisten the surface 65 to be cleaned).
  • the device of the invention and in particular the band or band sonotrode, can be arranged in different configurations, such as horizontal, vertical or oblique. In any of them the device can be operated manually by an operator or in an automated (for example, robotic).
  • the device has been moved on the surface to be cleaned at speeds that vary between 1 and 10 meters / minute.
  • the results have been compared with respect to cleaning by high pressure water. Tests have been carried out both with the mirror arranged horizontally (0 degrees), oblique (at 45 degrees) and vertical (90 degrees).
  • the water supply has been made by a manual atomizer.
  • Figure 12 shows a mirror used in the tests in a horizontal configuration, in which three zones are differentiated.
  • the sweep has occurred from left to right in the illustrated mirror.
  • the converter of the device was arranged in the upper part of the image (that is, in the initial position, approximately in the upper left corner of the mirror), so that as it was swept from left to right, the converter was close to the bottom part (top of the image) of the mirror, while the bottom or next of the mirror was swept by the part of the band furthest from the converter.
  • the first zone (zone 1) has therefore been cleaned in the area near the converter. This zone 1 shows a homogeneous cleaning. It has been proven that its relative reflectivity is greater than 99%.
  • the second zone (zone 2) is farther from the converter, so the amplitude is smaller.
  • This zone 2 shows a band cleaning, so that the clean zones correspond to the antinodes of the sonotrode band, while the dirty zones correspond to zones of the band where there were no antinodes. That is, in this case, the amplitude necessary to clean homogeneously is only obtained near the converter. As can be seen in zone 1, when the amplitude of vibration exceeds a certain threshold, the bands that are seen in zone 2 disappear, achieving homogeneous cleaning. There is therefore a window of amplitude with a minimum value to avoid the appearance of bands, and a maximum to avoid atomization of the liquid.
  • zone 3 is an untreated zone (totally dirty).
  • Figure 13 shows a mirror used in the tests in a vertical configuration, in which three zones similar to those of figure 12 are differentiated.
  • the relative reflectivity of the first zone (zone 1) is also greater than 99%.
  • the proposed device and method allow to clean pieces of any size using ultrasonic techniques, without submerging the piece in a tank full of water.
  • the method and the device are indicated for the ultrasonic cleaning of pieces having substantially planar surfaces, or simple curved surfaces, or double curved surfaces, or surfaces having geometrical irregularities or volumetric patterns, such as cracks, cavities, pores or patterns.
  • Non-limiting examples of the applications of the invention are the cleaning of walls that have graffiti, cleaning of bricks or tiles or cleaning of parts of industrial sectors, such as automotive, aerospace or energy.
  • no physical contact between the band sonotrode and the piece to be cleaned is required. Because the band sonotrode adapts to the surface to be cleaned, optimal cleaning is achieved without damaging the sonotrode piece or band.
  • the layer of cleaning solution used can be filtered and constantly reused.
  • the liquid consumption is almost zero because it can be constantly filtered and reused.
  • the ultrasound waves penetrate into small pores, cracks or cavities of the surface to be cleaned. It can be used with only water or with an aqueous solution comprising chemical agents. In this last case, the ultrasonic cavitation drastically accelerates the chemical reactions, dissolving the dirt adhered to the surface to be cleaned.
  • the method and the device can be applied both for industrial tasks and for domestic cleaning tasks.
  • the device of the present invention consumes up to 600 times less water, while requiring an electric power an order of magnitude less.

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  • Cleaning By Liquid Or Steam (AREA)

Abstract

Un dispositivo (10, 30, 80) para limpiar mediante ultrasonidos una superficie (65) sobre la cual se ha dispuesto una solución limpiadora, donde el dispositivo (10, 30, 80) comprende: al menos un oscilador ultrasónico (1) configurado para convertir una señal eléctrica que opera a una frecuencia de 50-60 Hz en energía eléctrica que opera a una frecuencia comprendida en la banda de frecuencias ultrasónicas; al menos un convertidor ultrasónico (2) para convertir dicha energía eléctrica en una vibración mecánica ultrasónica; al menos una banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') acoplada a dicho al menos un convertidor ultrasónico (2) y configurada para entrar en resonancia a flexión cuando se le aplica dicha vibración mecánica de frecuencia utrasónica y para amoldarse elásticamente a dicha superficie (65); estando dicha banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') configurada para, durante su uso, generar un acoplamiento líquido de solución limpiadora entre dicha banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') y dicha superficie (65) y para exponer a dicha superficie (65) en contacto con dicho acoplamiento líquido de solución limpiadora a cavitación, eliminando así la suciedad (70) de la superficie (65). Método de limpieza por ultrasonidos.

Description

DESCRIPCIÓN
DISPOSITIVO Y MÉTODO DE LIMPIEZA POR ULTRASONIDOS CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo de la limpieza, tanto industrial como doméstica. Más concretamente, la invención se refiere a métodos y dispositivos para limpieza ultrasónica. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Una limpieza ultrasónica es un proceso que utiliza ultrasonidos (generalmente entre 20 y 200 kHz) y un líquido apropiado para limpiar artículos. Los limpiadores ultrasónicos se utilizan para limpiar muchos tipos diferentes de objetos, incluyendo piezas ópticas, instrumentos quirúrgicos, herramientas, piezas industriales y equipos electrónicos. La limpieza por ultrasonidos se puede utilizar para una amplia gama de formas, tamaños y materiales de piezas. En la limpieza ultrasónica, el objeto a limpiar se sumerge en un tanque metálico que contiene una solución líquida (en un disolvente acuoso u orgánico, dependiendo de la aplicación). Un transductor generador de ultrasonidos incorporado en una cámara, o bajado en el líquido, produce ondas ultrasónicas en el líquido cambiando el tamaño en concierto con una señal eléctrica que oscila a la frecuencia ultrasónica. Estos elementos forman normalmente un circuito resonante. La señal eléctrica se produce mediante una fuente eléctrica de alta frecuencia. La limpieza ultrasónica usa burbujas de cavitación inducidas por ondas de presión (sonido) de alta frecuencia para agitar el líquido. Durante la cavitación, las burbujas de gas colapsan con una gran cantidad de energía, liberando fuertes ondas de choque. Cuando las burbujas implosionan cerca de una superficie, como la superficie a limpiar, puede producirse un colapso asimétrico, liberando chorros de agua fuertes. Ambos fenómenos contribuyen a eliminar la suciedad y a acelerar procesos de disolución química. En otras palabras, la agitación produce altas fuerzas en los contaminantes adheridos a sustratos como metales, plásticos, goma de vidrio, y cerámicas. Como líquido apropiado, se pueden usar agua o disolventes, dependiendo del tipo de contaminación y de la pieza. El uso de un disolvente apropiado para el artículo a limpiar y el tipo de suciedad presente generalmente mejora el efecto de limpieza. Los contaminantes pueden incluir polvo, suciedad, aceite, pigmentos, óxido, grasa, algas, hongos, bacterias, cal, compuestos de pulido, agentes de flujo, huellas dactilares, cera de hollín y agentes desmoldeantes, tierra biológica como la sangre, etc.
Una limitación importante de los limpiadores ultrasónicos convencionales es que la pieza a limpiar necesita estar completamente sumergida en el tanque que contiene el líquido. Por lo tanto, los limpiadores ultrasónicos convencionales son inviables para piezas o dispositivos de gran tamaño, o para estructuras no desmontables, tales como cristales de gran tamaño, frentes de construcción, pisos, etc.
JP H06 2183337 divulga un dispositivo portátil para limpiar una pieza mediante un sonotrodo. El dispositivo no requiere la inmersión completa de la pieza dentro de un tanque que contenga una solución limpiadora. Para limpiar la superficie de la pieza, se proyecta un chorro de agua a través del cual se aplican ondas ultrasónicas, sobre la superficie a limpiar. En este dispositivo, la superficie del sonotrodo diseñada para estar más cerca de la superficie a limpiar es rígida y plana, ya sea vertical, inclinada o en escalera, con respecto a la superficie a limpiar. Esto limita la efectividad del dispositivo de limpieza cuando la superficie a limpiar no es homogénea, por ejemplo cuando no es totalmente lisa.
Por otra parte, son conocidos los métodos de limpieza mediante chorros de agua a presión. Sin embargo, estos métodos consumen una cantidad elevadísima de agua y requieren de una potencia eléctrica relativamente elevada.
Por tanto, hay una necesidad de desarrollar un nuevo dispositivo y método de limpieza ultrasónica que supere los inconvenientes de los dispositivos y métodos convencionales.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente divulgación proporciona un nuevo dispositivo y método de limpieza por ultrasonidos que no requiere la inmersión de la pieza a limpiar en un tanque que contiene una solución limpiadora, y que es capaz de limpiar piezas de geometrías irregulares. Basado en los mismos principios de la limpieza por ultrasonidos convencional, el dispositivo y método propuestos consiguen arrancar la suciedad de grandes superficies, tales como piezas industriales, azulejos, baldosas, etc., tanto lisas como irregulares (curvas, rugosas, con patrones volumétricos, etc.).
En un primer aspecto de la presente divulgación, se proporciona un dispositivo para limpiar mediante ultrasonidos una superficie sobre la cual se ha dispuesto una solución limpiadora. El dispositivo comprende: al menos un oscilador ultrasónico configurado para convertir una señal eléctrica que opera a una frecuencia de 50-60 Hz en energía eléctrica que opera a una frecuencia comprendida en la banda de frecuencias ultrasónicas; al menos un convertidor ultrasónico para convertir dicha energía eléctrica en una vibración mecánica ultrasónica; al menos una banda de sonotrodo ultrasónica acoplada a dicho al menos un convertidor ultrasónico y configurada para entrar en resonancia a flexión cuando se le aplica dicha vibración mecánica de frecuencia utrasónica y para amoldarse elásticamente a dicha superficie. La banda de sonotrodo ultrasónica está configurada para, durante su uso, generar un acoplamiento líquido de solución limpiadora entre dicha banda de sonotrodo ultrasónica y dicha superficie y para exponer a dicha superficie en contacto con dicho acoplamiento líquido de solución limpiadora a cavitación, eliminando así la suciedad de la superficie.
En realizaciones de la invención, la banda de sonotrodo ultrasónica es metálica.
En realizaciones de la invención, la banda de sonotrodo ultrasónica tiene un espesor inferior a 10 mm.
En realizaciones de la invención, la banda de sonotrodo ultrasónica comprende una pluralidad de gotas de plástico en la parte destinada a estar más próxima a dicha superficie para evitar el rozamiento entre dicha banda de sonotrodo ultrasónica y dicha superficie.
En realizaciones de la invención, el dispositivo comprende dos bandas de sonotrodo ultrasónicas configuradas para desplazarse sobre la superficie a limpiar, estando dichas dos bandas de sonotrodo ultrasónicas configuradas para que, en uso del dispositivo, los antinodos generados en cada una de ellas debido a la resonancia en flexión estén desplazados en una banda de sonotrodo ultrasónica con respecto a la otra banda de sonotrodo ultrasónica.
En realizaciones de la invención, el dispositivo comprende dos osciladores ultrasónicos y dos convertidores ultrasónicos acoplados a dicha al menos una banda de sonotrodo ultrasónica. En un segundo aspecto de la presente divulgación, se proporciona un método de limpieza de una superficie mediante ultrasonidos, que comprende: aplicar una solución limpiadora sobre la superficie a limpiar; mover un dispositivo que comprende al menos una banda de sonotrodo ultrasónica a lo largo de dicha superficie, presionando dicha al menos una banda de sonotrodo ultrasónica sobre dicha superficie; aplicar una vibración ultrasónica sobre dicha al menos una banda de sonotrodo ultrasónica; generar un acoplamiento líquido de solución limpiadora entre dicha al menos una banda de sonotrodo ultrasónica y dicha superficie; exponer a cavitación a dicha superficie en contacto con dicho acoplamiento líquido de solución limpiadora, eliminando así la suciedad de la superficie.
En realizaciones de la invención, la generación de un acoplamiento líquido de solución limpiadora entre dicha banda de sonotrodo ultrasónica y dicha superficie se consigue o bien aplicando una gota de solución limpiadora tanto a la solución limpiadora dispuesta sobre la superficie como a la banda de sonotrodo ultrasónica), o bien bajando la banda de sonotrodo ultrasónica hasta que entre en contacto con una solución limpiadora dispuesta sobre dicha superficie.
En realizaciones de la invención, el dispositivo se mueve a lo largo de dicha superficie manteniendo una distancia constante entre dicha superficie y dicha banda de sonotrodo ultrasónica.
En realizaciones de la invención, la solución limpiadora se aplica sobre la superficie antes de empezar a funcionar la al menos una banda de sonotrodo ultrasónica, de forma que una capa de solución limpiadora es dispuesta sobre la superficie.
En realizaciones de la invención, la solución limpiadora se aplica sobre la superficie a limpiar a medida que la al menos una banda de sonotrodo ultrasónica se mueve a lo largo de dicha superficie, de forma que dicho acoplamiento líquido de solución limpiadora queda dispuesto entre dicha superficie y la superficie exterior de la banda de sonotrodo ultrasónica.
En realizaciones de la invención, la solución limpiadora se suministra externamente a la banda de sonotrodo ultrasónica por medio de una jeringuilla o de una boquilla atomizadora. En este caso, la solución limpiadora puede suministrarse internamente a la banda de sonotrodo ultrasónica a lo largo de un canal dispuesto en la banda de sonotrodo ultrasónica), estando dicho canal diseñado para conducir la solución limpiadora a la superficie de la banda de sonotrodo ultrasónica más próxima a la superficie a limpiar.
La solución limpiadora puede reusarse por la banda de sonotrodo ultrasónica mediante la succión de gotas sucias, el filtrado de dichas gotas sucias y la aplicación de gotas filtradas mientras la banda de sonotrodo ultrasónica avanza sobre la superficie a limpiar.
En realizaciones de la invención, la solución limpiadora se selecciona del siguiente grupo: agua y soluciones acuosas que comprenden al menos un agente químico.
Ventajas y características adicionales de la invención serán evidentes a partir de la descripción en detalle que sigue y se señalarán en particular en las reivindicaciones adjuntas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de la descripción, un juego de figuras en el que con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un dispositivo para llevar a cabo limpieza por ultrasonidos de acuerdo con una posible realización de la invención.
Las figuras 2(a), 2(b) y 2(c) muestran el comportamiento del agua dispuesta sobre la superficie a limpiar, bajo distintas condiciones de funcionamiento, durante el uso del dispositivo de la invención. En la figura 2(a) se ha representado la banda del dispositivo sin aplicar ultrasonidos. En la figura 2(b) se ha representado el dispositivo funcionando con ultrasonidos en régimen de limpieza. En la figura 2(c) se ha representado el dispositivo funcionando con ultrasonidos en régimen de pulverización.
La figura 3 ilustra un ejemplo de prototipo de dispositivo de limpieza de acuerdo con la realización mostrada en la figura 1 .
La figura 4 muestra un dispositivo de limpieza por ultrasonidos 30 de acuerdo con una posible implementación de la invención. La figura 5 ilustra la resonancia a flexión que experimenta el sonotrodo de banda del dispositivo de la invención, cuando la banda vibra a la frecuencia de operación.
La figura 6 ilustra la forma que adoptan unas gotas de agua dispuestas sobre el sonotrodo de banda cuando la banda vibra en resonancia a flexión.
Las figuras 7a y 7b muestran un detalle del dispositivo de limpieza de acuerdo con una posible implementación de la invención, en la que se destaca el sonotrodo de banda y el soporte sobre el que se fija el mismo.
La figura 8 muestra una implementación alternativa del dispositivo de limpieza de la invención.
La figura 9 esquematiza la disposición de antinodos en las dos bandas del dispositivo de limpieza de la figura 8.
La figura 10 muestra un dispositivo de limpieza de acuerdo con la invención, que está siendo desplazado a lo largo de la superficie de una pieza a limpiar.
La figura 1 1 ilustra un dispositivo de limpieza durante el funcionamiento del mismo en un método de limpieza por ultrasonidos de acuerdo con la presente invención.
La figura 12 muestra un espejo sometido a unas pruebas de limpieza con el dispositivo de la invención en configuración horizontal, en el que se diferencian tres zonas.
La figura 13 muestra un espejo sometido a unas pruebas de limpieza con el dispositivo de la invención en configuración vertical, en el que se diferencian tres zonas.
La figura 14 ilustra un prototipo de dispositivo de limpieza de acuerdo con la invención, de accionamiento manual.
DESCRIPCIÓN DE UNA FORMA DE LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN
En este texto, el término "comprende" y sus derivaciones (tal como "comprendiendo", etc.) no deben entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deben ser interpretados como que excluyen la posibilidad de que lo que se describe y se define pueda incluir elementos, etapas adicionales, etc.
En el contexto de la presente invención, el término "aproximadamente" y términos de su familia (como "aproximado", etc.) deben interpretarse como indicando valores muy cercanos a aquellos que acompañan a dicho término. Es decir, una desviación dentro de límites razonables con respecto a un valor exacto deberían aceptarse, porque un experto en la materia entenderá que tal desviación con respecto a los valores indicados puede ser inevitable debido a imprecisiones de medida, etc. Lo mismo aplica a los términos "unos", "alrededor de" y "sustancialmente".
La descripción que sigue no debe tomarse en un sentido limitado, sino que se proporcionan solamente con el propósito de describir principios amplios de la invención. Las siguientes realizaciones de la invención se describirán a modo de ejemplo, con referencia a las figuras arriba citadas, que muestran aparatos y resultados de acuerdo con la invención.
El dispositivo 10 ilustrado en la figura 1 representa una posible realización de un dispositivo para llevar a cabo limpieza por ultrasonidos sin tener que sumergir la pieza a limpiar 60 en un tanque que contenga una solución limpiadora. La pieza a limpiar puede ser una pieza de grandes dimensiones o de elevado peso. Ejemplos no limitativos de tales piezas son suelos o piezas que componen un suelo, paredes o piezas que componen una pared, piezas de automoción, de la industria aeroespacial o del sector de la energía, como espejos concentradores de energía. En la realización ilustrada, la superficie a limpiar 65 de la pieza 60 se ha representado como una superficie sustancialmente plana, pero en general, la superficie a limpiar 65 puede ser de curvatura sencilla, por ejemplo lineal, cilindrica o parabólica (por ejemplo, un tubo, una barra o un perfil), o de doble curvatura, por ejemplo carrocerías de coche, alas de avión o hélices de barco. La superficie a limpiar 65 puede tener irregularidades geométricas, como cavidades, poros, patrones volumétricos periódicos o no periódicos, o cualquier otra irregularidad. La superficie a limpiar 65 se limpia mediante un movimiento de barrido, como se explica más adelante.
En la implementación ilustrada, la pieza 60 es un espejo. La limpieza por ultrasonidos sin inmersión se basa en la generación de vibración ultrasónica en una fina capa de agua (o solución limpiadora, en general) depositada sobre la superficie a limpiar. Esta técnica emplea fenómenos de reducción de la tensión superficial del agente de limpieza (agua u otro), de manera que los ultrasonidos pueden ser aplicados directamente sobre una película de agua previamente depositada sobre la superficie a limpiar 65. El dispositivo de limpieza 10 debe barrerse o desplazarse a lo largo de la superficie a limpiar 65. La interfaz de agua entre la superficie 65 y la parte del dispositivo de limpieza 10 más próxima a dicha superficie 65, queda expuesta a un campo de cavitación muy intenso.
El dispositivo 10 comprende un generador de ondas ultrasónicas 1 conectado a una línea de tensión convencional (red eléctrica) 5. La línea de tensión 5 trabaja normalmente a 50-60 Hz, dependiendo del país. El generador ultrasónico 1 convierte la señal eléctrica estándar que trabaja a 50-60 Hz en energía eléctrica que trabaja a frecuencia ultrasónica, es decir, por encima de 20.000 ciclos por segundo (20 KHz = 20.000 Hz) aprox. En otras palabras, el generador de ondas ultrasónicas 1 genera energía eléctrica de alta frecuencia (ultrasónica). La energía eléctrica proporcionada por el generador de ondas ultrasónicas 1 se convierte en un convertidor ultrasónico (también denominado transductor ultrasónico) 2 en vibración mecánica. Es una vibración armónica cuya frecuencia es la misma que la generada por el generador de ondas 1 . La amplitud de la vibración (desplazamiento máximo) está relacionada con la potencia eléctrica, y puede ser amplificada mecánicamente por otros componentes como un intensificador 3 o un sonotrodo 4. Las características específicas de esta vibración mecánica se dan más adelante en esta descripción. El dispositivo 10 puede tener opcionalmente un intensificador 3 (también denominado amplificador 3). Se necesita un intensificador 3 en aplicaciones que exigen alta potencia (es decir, potencia superior a la proporcionada por el generador de ondas ultrasónicas 1 ). Por lo tanto, en aplicaciones que requieren menor potencia, el intensificador 3 puede ser retirado. Cuando está presente, el intensificador 3 está conectado al convertidor ultrasónico 2. El intensificador 3 amplifica la vibración ultrasónica procedente del conversor ultrasónico 2 y transmite dicha vibración ultrasónica amplificada a un sonotrodo de banda 4 (también referido en ocasiones como "banda de sonotrodo" o "banda" de forma simplificada en este texto). La amplitud de la vibración aplicada sobre el sonotrodo de banda 4 depende de la amplitud de la vibración proporcionada por el conversor 2 y de la amplificación proporcionada por el intensificador 3, en caso de usarse un intensificador. El intensificador 3 también puede servir como medio de soporte del sonotrodo de banda 4.
En la realización de la figura 1 , el sonotrodo de banda 4 está conectado al intensificador 3 y recibe la vibración ultrasónica del intensificador 3. En ausencia de intensificador, el sonotrodo de banda 4 puede conectarse directamente al conversor ultrasónico 2. En uso del dispositivo, la banda o sonotrodo de banda 4, debido a su flexibilidad, se amolda a la superficie a limpiar 65 (superficie de la pieza 60) presionando sobre la misma, como se explica más adelante. El sonotrodo de banda 4 se implementa de un material flexible, que permita su adaptación a la superficie a limpiar. En realizaciones de la invención, el sonotrodo de banda 4 es metálico, dada su capacidad de flexionarse sin romperse. Ejemplos no limitativos de metales que pueden usarse son aluminio, titanio y acero, entre otros. La banda 4 es alargada y sustancialmente plana. El espesor de la banda 4 debe ser suficientemente pequeño como para que la banda se amolde o adapte a la superficie a limpiar 65, pero suficientemente grande como para que la banda no se rompa. En realizaciones de la invención, el espesor de la banda 4 se elige de forma que sea inferior a 10 mm (milímetros), tal como inferior a 5 mm o inferior a 3 mm. Por ejemplo, se elige una banda 4 de espesor de entre 0,1 mm y 3 mm, tal como de entre 0,5 mm y 3 mm. Nótese que la superficie a limpiar 65 puede tener una cierta curvatura, irregularidades, etc. En uso del dispositivo 10, la banda 4 es apretada contra la superficie a limpiar 65, de forma que la banda 4 se deforma, adaptándose a dicha superficie a limpiar 65. En función del material y espesor de la banda 4, ésta puede deformarse hasta unos 3 cm (centímetros), por ejemplo aproximadamente 1 cm. Un experto entenderá que en función del material empleado, que queda fuera de la presente invención, se puede conseguir fabricar bandas de espesores muy reducidos a la vez que suficientemente robustos a la fractura. Para que al presionar la banda 4 sobre la superficie a limpiar 65 ésta no se dañe (por ejemplo, se raye), y también para que la propia banda 4 no se dañe, en el lado de la banda 4 configurado para quedar más próximo a la superficie a limpiar 65 en uso del dispositivo 10, se pueden depositar unas gotas de plástico, por ejemplo de silicona, espaciadas a lo largo de la banda 4, para que sean estas gotas o cúmulos de plástico los que presionen contra (o entren en contacto físico con) la superficie a limpiar 65, evitando el rozamiento directo entre la banda 4 y la superficie 65. En cuanto a la anchura y longitud de la banda 4, éstas dependen de la aplicación para la que se diseñe la banda 4. En líneas generales, la potencia aplicada se distribuye a lo largo de la superficie de la banda 4. Por tanto, cuanto mayor es la longitud de la banda, mayor es la superficie sobre la que se tiene que distribuir la potencia aplicada, por lo que la limpieza es menos intensa. Lo mismo ocurre con la anchura de la banda 4. Por tanto, es recomendable, para cada aplicación, buscar la anchura y longitud máxima que garanticen que frente a una determinada potencia de ultrasonidos, se va a limpiar el tipo de suciedad presente en la superficie en cuestión.
El sonotrodo de banda 4 recibe la vibración ultrasónica del intensificador 3 (o del conversor ultrasónico 2, según sea el caso), y transmite dicha vibración ultrasónica al líquido dispuesto en la superficie a limpiar 65. Los inventores han observado que, soprendentemente, la vibración ultrasónica del sonotrodo de banda 4, al entrar en contacto con el líquido dispuesto sobre la superficie a limpiar 65, hace cavitar a dicho líquido a alta frecuencia, eliminando así la suciedad de la superficie 65 de la pieza 60 sobre la que se ha dispuesto el líquido. La vibración ultrasónica que se aplica al sonotrodo ultrasónico 4 son ondas transversales en una dirección perpendicular a la banda del sonotrodo de banda 4. La figura 5, que se describe más adelante, representa la vibración ultrasónica aplicada al sonotrodo de banda 4.
Para limpiar la superficie 65, debe haber un acoplamiento líquido entre la superficie 65 y la superficie del sonotrodo de banda 4. Es bien sabido que la vibración ultrasónica reduce la tensión superficial de los líquidos, lo que aumenta la superficie de contacto entre el líquido (solución limpiadora) y el sólido (sonotrodo de banda 4 y superficie 65). Si la superficie de contacto aumenta, la interfase líquida (acoplamiento líquido) podrá retener un volumen de líquido más grande. Cuanta más amplitud de vibración tengamos, más superficie de contacto tendremos y, por lo tanto, se retendrá un mayor volumen de solución limpiadora. Con el fin de recoger tanto volumen de liquido como sea posible entre la superficie del sonotrodo de banda 4 y la superficie 65 a limpiar, se desea que la superficie del sonotrodo de banda 4 sea tan ancha como sea posible, teniendo en cuenta el requisito de potencia mencionado anteriormente. La superficie alargada del sonotrodo de banda 4, a lo largo de la cual se transmite la vibración ultrasónica, proporciona una adecuada superficie de contacto con el líquido.
Para una frecuencia dada, dependiendo del líquido a disponer entre la superficie de! sonotrodo de banda y la superficie a limpiar 65, existe un valor umbral crítico, en el que la amplitud de la vibración es tan alta que el acoplamiento líquido se vuelve inestable y se atomiza. Este umbral depende de las propiedades físicas de! líquido. En particular, depende de la densidad de! líquido, la viscosidad y el estrés superficial. Por ejemplo, en el caso de que la solución limpiadora sea agua de grifo, y dada una frecuencia de 20 kHz, este umbral crítico es 1 1 μητι. En otro ejemplo, en el caso de la acetona (solución limpiadora), y dada una frecuencia de 20 kHz, este umbral crítico es inferior a 3 μηΊ. La amplitud de vibración por encima de ¡a cual el acoplamiento líquido se atomiza también depende de la frecuencia aplicada. En particular, el umbral crítico (umbral por encima del cual se atomiza el acopiamiento líquido) disminuye con la frecuencia cuadrada. Por ejemplo, si la frecuencia varía de 20 kHz a 40 kHz (es decir, x2), el umbral de amplitud de vibración se divide por 22. En general, si la frecuencia se multiplica por N (xN), el umbral de amplitud de vibración se divide por 2N,
Estos fenómenos se ilustran en las figuras 2 (a-c). La figura 2 (a) muestra una situación en la que no se aplican ultrasonidos (US) mediante un sonotrodo de banda 4 a la capa de líquido (solución limpiadora) dispuesta debajo de él. En este caso, las gotas líquidas convencionales pueden adherirse a la superficie de salida del sonotrodo de banda 4. La figura 2 (b) muestra una situación en la que el sonotrodo de banda 4 (y la vibración ultrasónica que produce) ha conseguido reducir el estrés sobre el líquido de abajo sin atomizarlo. Cuando esto ocurre, el líquido tiende a adherirse a la superficie de salida del sonotrodo de banda 4 (en otras palabras, el líquido es atraído hacia la superficie de salida del sonotrodo de banda 4), generando un gran acopiamiento líquido homogéneo lineal 20 (también referido como acoplamiento líquido estático 20). Cuanto mayor sea la superficie de salida del sonotrodo de banda 4, más cantidad de líquido formará el acoplamiento de líquido estático 20. Cualquier objeto físico que entre en contacto con este acoplamiento líquido 20 será expuesto a una cavitación muy intensiva y, por tanto, limpiado. Si hay un movimiento relativo (tal como un movimiento de barrido) entre el acopiamiento líquido 20 y el objeto poroso sucio, el acoplamiento líquido 20 perderá parte de su contenido, el cual permanecerá dentro de los poros Para evitar este problema, la superficie porosa a limpiar debe estar previamente mojada. Finalmente, la figura 2 (c) muestra una situación en la que la vibración ultrasónica producida por el sonotrodo de banda 4 ha atomizado el líquido dispuesto por debajo de la superficie de salida del sonotrodo. Por lo tanto, la superficie sucia no se limpia. En los ejemplos de las figuras 2(a-c), el líquido es agua del grifo. Como ya se ha mencionado, el umbral crítico de la amplitud de vibración aplicada por la superficie de salida del sonotrodo de banda a la que el agua del grifo no atomiza es 1 1 μπΊ dada una frecuencia de 20 kHz. Es por eso que el efecto deseado (figura 2(b)) sucede cuando dicha amplitud de vibración es igual o inferior a 1 1 μιη, mientras que el efecto indeseado (figura 2(c)) ocurre cuando dicha amplitud de vibración es superior a 1 1 μιη. Como ya se ha explicado, ios inventores han observado que ia amplitud de vibración aplicada en ia superficie del sonotrodo de banda 4 es muy importante, ya que para cada solución de limpieza que se puede usar, existe un umbral crítico o valor máximo de esta amplitud de vibración, de manera que si la amplitud de vibración aplicada excede el umbral asociado a cada solución limpiadora, la solución limpiadora atomizará (figura 2(c)) en lugar de formar un acoplamiento líquido lineal homogéneo 20 o un acopiamiento líquido estático 20 (figura 2b)). El convertidor 2 tiene una potencia eléctrica nominal que asegura una amplitud de vibración dada.
Es decir, dada una cierta solución limpiadora (que tiene propiedades físicas específicas) y dada una cierta frecuencia, hay un umbral de amplitud de vibración por encima del cual la vibración ultrasónica producida por el sonotrodo de banda 4 en su salida produce ia atomización del líquido dispuesto por debajo del sonotrodo de banda. En consecuencia, la superficie sucia 65 no se limpia. Por otro lado, es aconsejable trabajar con una amplitud de vibración próxima a (pero inferior) dicho umbral, porque si la amplitud de vibración es mucho menor que el umbral, la capacidad de limpieza se reducirá.
Cuando la superficie a limpiar 65 tiene irregularidades geométricas, tales como patrones ornamentales en volumen o simples faltas o errores, para limpiarla adecuadamente, la altura o profundidad de la irregularidad o cavidad definida por el patrón volumétrico, es preferentemente menor que la altura del volumen de líquido retenido (acoplamiento líquido 20), como se muestra por ejemplo en la figura 2(b).
La figura 3 ilustra un ejemplo de prototipo de dispositivo de limpieza 10 de acuerdo con la realización mostrada en la figura 1 . En el prototipo pueden apreciarse el generador de señal 1 , el conversor ultrasónico (también llamado conversor piezoeléctrico o transductor ultrasónico) 2, el intensificador 3 y la banda o sonotrodo de banda 4. Además, se puede observar también el enchufe 5 a través del que puede alimentarse el dispositivo 10.
La figura 4 muestra un dispositivo de limpieza por ultrasonidos 30 de acuerdo con una posible implementación de la invención. Además se ilustra el modo de operación del mismo. En esta ocasión, el dispositivo 30 está formado por dos conjuntos de intensificador 3 y conversor 2. Los dos conjuntos proporcionan la vibración ultrasónica a una misma banda o sonotrodo de banda 4. En función de la potencia necesaria para limpiar la superficie 65 de la pieza a limpiar, que a su vez puede depender de la cantidad de suciedad acumulada, de las irregularidades de la superficie 65 y/o del tamaño de superficie a limpiar, podrán usarse uno, dos o más conjuntos de intensificador 3 y conversor 2 asociados a un mismo sonotrodo de banda 4. En la figura 4, la flecha representa la dirección de barrido o deslizamiento del conjunto sobre la superficie 65 durante el uso del dispositivo 30. En la figura se han ilustrado también unos medios de sujeción o soporte 6, tales como abrazaderas u otros, para sujetar el uno o más conjuntos de intensificador 3 y conversor 2 y facilitar su barrido sobre la superficie a limpiar 65.
Al hacer vibrar la banda 4 a la frecuencia de operación (en torno a 20 KHz (20.000 Hercios), la banda entra en resonancia a flexión (en inglés, flexural resonance), como se ilustra en la figura 5. Esta resonancia puede producir una deformación entre picos de, por ejemplo, varias mieras (10~6 metros). Como puede observarse, al resonar a flexión, la banda 4 presenta una pluralidad de antinodos (picos de onda) 51 que actúan como emisores de vibración. Así, al apoyar la banda 4 sobre la superficie mojada a limpiar 65, la banda del sonotrodo se deforma elásticamente y adopta la forma de la superficie 65. Los antinodos 51 corresponden con las zonas de la banda 4 en las que se emite vibración ultrasónica de mayor potencia. Refiriéndonos ahora por ejemplo a la figura 4, en la que se esquematiza el funcionamiento del dispositivo 30, que es barrido a lo largo de la superficie a limpiar 65, se ha observado que aplicando una cierta potencia, la superficie a limpiar 65 se va limpiando correctamente en las zonas de la superficie 65 correspondientes a los antinodos 51 de la banda 4, mientras que las zonas de la superficie 65 correspondientes a zonas de la banda diferentes a los antinodos, quedan relativamente sucias. Es decir, se ha observado que el dispositivo 10, 30 limpia de forma especialmente eficiente en las proximidades de los antinodos 51 . En consecuencia, la superficie a limpiar 65 puede alternar zonas limpias con zonas sucias, las zonas limpias correspondiendo a donde la banda 4 ha presentado antinodos 51 . Se ha observado que incrementando la potencia nominal aplicada, de forma que la potencia en los antinodos 51 sea superior a la necesaria para limpiar la zona de la superficie 65 correspondiente a los antinodos, la banda 4 limpia también en las zonas de la superficie que no corresponden a los antinodos formados en la banda 4. Es decir, variando la potencia proporcionada al sonotrodo de banda 4, es posible conseguir que los antinodos 51 proporcionen suficiente potencia de vibración para limpiar las zonas de la superficie a limpiar 65 más alejadas de los antinodos 51 . La figura 6 muestra las ondas formadas por agua depositada sobre una banda 4 cuando la banda 4 vibra en resonancia a flexión. Se aprecia el efecto de los antinodos 51 (picos de potencia).
Las figuras 7a y 7b ilustran un detalle del dispositivo de limpieza de acuerdo con una posible implementación del mismo, en la que se destaca el sonotrodo de banda 4 y el soporte 6 sobre el que se fija el mismo. La banda (sonotrodo de banda) 4 está dispuesta en o acoplada a unos medios de sujeción o soporte 6. Los medios de sujeción o soporte 6 son alargados, de forma que la banda 4 se sujeta a ellos a lo largo de su longitud (dimensión mayor). En la figura 7a se observa en primer plano los medios de sujeción 6, mientras que la figura 7b corresponde a una vista girada de la figura 7a, en la que la banda 4 se aprecia mejor. En la figura 7a se observa parte de un conversor 2 (pudiendo haber más de uno asociado a la misma banda, como se ha indicado con anterioridad). El dispositivo dispone también de un sistema o mecanismo de distribución de agua 7 (o de líquido de limpieza, en general), formado en este caso por unas pequeñas tuberías que hacen llegar dicho líquido a una pluralidad de boquillas 8 a través de las cuales el líquido es expulsado en uso del dispositivo. El líquido puede llegar hasta el sistema o mecanismo de distribución 7 procedente de un depósito (no ilustrado). En las figuras 7a y 7b se muestra también unos rodamientos 9 y unas ruedas 1 1 , ambos opcionales, que contribuyen a facilitar el desplazamiento o barrido del dispositivo sobre la superficie a limpiar. La figura 14 muestra un prototipo de dispositivo de limpieza que incorpora los detalles de las figuras 7a y 7b, de accionamiento manual mediante una manivela 12.
La figura 8 muestra una implementación alternativa del dispositivo 80 de la invención. Como se ha explicado en relación con las figuras 5 y 6, el sonotrodo de banda 4 limpia de forma especialmente eficiente en la superficie 65 -de la pieza sobre la que se barre- que corresponde con los antinodos 51 . Por ello, en función de la suciedad, del tipo de pieza a limpiar (por ejemplo piezas muy rugosas o con profundas cavidades), de la potencia que se vaya a emplear y/o de la velocidad a la que se vaya a realizar el barrido, puede ser recomendable usar una segunda banda paralela a la primera banda del dispositivo. Esto se ilustra en la figura 8. En ella, un primer conjunto de intensificador 3 y conversor 2 proporcionan vibración ultrasónica a un primer sonotrodo de banda 84, mientras que un segundo conjunto de intensificador 3 y conversor 2 proporcionan vibración ultrasónica a un segundo sonotrodo de banda 84', que desliza o barre la superficie a limpiar inmediatamente detrás del primer sonotrodo de banda 84. Diseñando las dos bandas 84, 84' (y conjuntos de intensificador y conversor correspondientes) de forma que los antinodos 51 de cada banda ocurran desplazados entre sí, como esquematiza la figura 9, se consigue limpiar todas las zonas de la superficie 65 de la pieza. En la figura 9, los antinodos 51 de cada banda 84, 84' se han esquematizado como círculos. Se consigue así la limpieza completa de la superficie 65, limpiando de forma alternada con uno u otro sonotrodo de banda 84, 84'.
El uso del dispositivo 10, 30, 80 de limpieza ultrasónica de una pieza 60 es como sigue: El dispositivo 10, 30, 80 es barrido a lo largo de la superficie 65 de la pieza 60 a limpiar, como se ilustra en la figura 10. En la figura 10 se ha representado el dispositivo 10 de la figura 1 , pero igualmente podría haberse representado el dispositivo 30 o el dispositivo 80, pues el uso de los mismos es similar. Esta operación puede realizarse tanto manualmente como mediante dispositivos automáticos, tales como manipuladores robóticos. Para evitar daños (como el rayado) en la superficie a limpiar, así como en el sonotrodo de banda 4, preferentemente debe evitarse el contacto físico entre la superficie 65 y el sonotrodo de banda 4. Como se ha explicado dicho contacto directo se evita, por ejemplo, mediante la aplicación de unas gotas de un material plástico, por ejemplo silicona, sobre varios puntos de la banda 4 (de su parte destinada a acercarse íntimamente a la superficie a limpiar), de forma que sean estas gotas las que presionen sobre la superficie a limpiar, evitando el rozamiento entre la banda 4 y la superficie a limpiar.
Además, el dispositivo 10, 30, 80 incluye preferiblemente medios mecánicos, tales como ruedas 1 1 , como se ilustra por ejemplo en las figuras 7a y 7b, para mantener un cierto espacio entre el sonotrodo de banda 4 y la solución limpiadora dispuesta sobre la superficie 65 a limpiar. Tales medios mecánicos son especialmente recomendados durante el movimiento de barrido manual. La figura 1 1 , que se describirá en detalle a continuación, muestra la distancia de barrido D entre el sonotrodo de banda 4 y la superficie 65 a limpiar, al barrer el dispositivo 10. La distancia máxima Dmax a la superficie 65, a la que se puede barrer el sonotrodo de banda 4, se determina por el mayor acopiamiento líquido obtenible de solución limpiadora. Por tanto, la distancia máxima Dmax está determinada por el volumen máximo (cantidad) de líquido que puede retenerse entre el sonotrodo de banda 4 y la superficie. En otras palabras, depende de! tamaño (altura) del acoplamiento líquido estático. Si la distancia D está por encima del valor máximo Drr,ax, ya no hay contacto entre el acoplamiento líquido contenido entre el sonotrodo de banda 4 y la superficie húmeda 65 y por lo tanto se rompe el acoplamiento de líquido estático. Este volumen máximo de líquido retenido depende del tipo de solución limpiadora (que tiene propiedades físicas específicas) y del material del sonotrodo de banda 4. En realizaciones de la invención, se elige una distancia D de unos 3 mm para no trabajar en condiciones límite. En otras realizaciones de la invención, se elige una distancia D de entre 1 y 3 mm, ambos inclusive. Esta distancia D viene dada por la altura del tope plástico (por ejemplo, silicona), aplicado en distintos puntos del sonotrodo de banda 4 para evitar el contacto directo del sonotrodo de banda con la superficie a limpiar. Es decir, puesto que al barrer el sonotrodo de banda 4 sobre la superficie 65 a limpiar se ejerce presión para aproximar la banda a la superficie 65, se depositan previamente unos topes o gotas de plástico sobre la banda, teniendo estos topes o gotas una altura D.
Además de la suciedad presente en la superficie a limpiar y la potencia aplicada por el dispositivo de limpieza, se ha observado que dos parámetros que afectan a la limpieza son esta distancia D y la velocidad a la que se mueve o barre el dispositivo sobre la superficie a limpiar.
Con referencia a la figura 10 o a la 1 1 , entre ¡a superficie 65 de la pieza 60 y la banda del sonotrodo 4, se aplica una capa de líquido o película de líquido (solución limpiadora) (no visible en la figura 10). La vibración ultrasónica aplicada por el sonotrodo de banda 4 hace que ía solución de limpieza cavile, liberando fuertes ondas de choque y chorros de agua en la superficie 65. Tanto las ondas de choque como los chorros de agua eliminan las partículas de suciedad (arena, tierra, polvo, barro...) y aceleran disoluciones (pintura, aceite, grasa...). La cavitación puede penetrar en poros, grietas, cavidades o cualquier otro patrón presente en la superficie 65 a limpiar. En otras palabras, la potencia de cavitación ultrasónica se concentra en una capa delgada de líquido (solución limpiadora) cuando el sonotrodo de banda 4 aplica vibración ultrasónica a ¡a solución limpiadora. Ejemplos no ¡imitativos de soluciones de limpieza que pueden usarse son agua (tai como agua del grifo) y soluciones acuosas que comprenden agentes químicos, tales como jabón, acetona y alcohol. La distancia D entre el sonotrodo de banda 4 más cercana a la superficie 65 a limpiar, es preferiblemente mayor que el espesor de la capa de solución limpiadora. Es decir, la superficie de salida del sonoírodo 4 preferiblemente no está en contacto directo con la solución limpiadora. Esta distancia D, ilustrada en la figura 1 1 , entre la superficie de salida del sonotrodo de banda 4 y la superficie 65 a limpiar, preferiblemente se mantiene constante a lo largo del proceso de barrido, tal como por medio de las gotas de plástico dispuestas sobre el sonotrodo 4 de banda que evitan el contacto directo entre el sonotrodo de banda 4 y la superficie a limpiar 65.
La aplicación de una solución limpiadora a la superficie 65 a limpiar puede hacerse de diferentes maneras. En una realización particular, antes de mover o barrer el sonotrodo de banda 4 sobre la superficie 65 a limpiar, se aplica una capa de solución limpiadora sobre esa superficie, de tal manera que sustancialmente toda la superficie 65 a limpiar se cubre con una capa de líquido. Para trabajar de esta manera, es necesario un impulso inicial (por ejemplo una única gota de líquido para obtener acopiamiento de líquido). Si se activa la vibración ultrasónica, cuando la gota toque tanto la capa de líquido como el sonotrodo de banda, se generará un acoplamiento de líquido estático. No importa que haya movimiento relativo entre el sonotrodo de banda y la capa de líquido porque la tensión superficial del acopiamiento líquido es tan baja que tiende a "pegarse" a ambos elementos. En otras palabras, una vez que se forme el acoplamiento líquido, se podrá producir el movimiento de barrido del sonotrodo de banda. En otra realización, se genera un acoplamiento líquido mediante el movimiento hacia abajo del sonotrodo de banda hasta que entra en contacto con la capa de líquido. En otras palabras, se requiere un contacto inicial (agua en la superficie a limpiar y agua en la banda).
Como ya se ha mencionado, el sonotrodo de banda 4 (de hecho, todo el dispositivo 10, 30, 80) se mueve sobre la superficie 65, barriendo la superficie desde un primer extremo 65a hasta el extremo opuesto 65b, a lo largo de la longitud de la superficie 65 a limpiar, como se representa en la figura 10. Si la superficie a limpiar es más ancha que la anchura de la banda (o bandas) del sonotrodo, será necesario barrer el dispositivo 10, 30, 80 a lo largo de la superficie 65 tantas veces como sea necesario para que el sonotrodo de banda 4 aplique una vibración ultrasónica sobre el agua dispuesta sobre toda la superficie a limpiar. En función de la aplicación y tamaño de la superficie a limpiar, puede diseñarse un dispositivo de limpieza cuya banda 4 sea tan larga como se requiera para no tener que barrer varias veces a lo largo de la superficie a limpiar. En otra realización particular, una capa de solución limpiadora que cubre toda la superficie a limpiar no se aplica antes de barrer el sonotrodo de banda 4 sobre la superficie 65 a limpiar. En cambio, el acoplamiento líquido mencionado se regenera constantemente. En esta realización, una solución de limpieza puede proporcionarse externamente ai sonotrodo de banda 4, por ejemplo por medio de una jeringuilla o una boquilla de pulverización, como se ilustra en la realización mostrada en las figuras 7a y 7b. Alternativamente, la solución de limpieza puede proporcionarse internamente al sonotrodo de banda 4, por ejemplo a lo largo de un canal dispuesto dentro del sonotrodo de banda, diseñado para llevar agua a la superficie del sonotrodo de banda 4, diseñado para estar más cerca de la superficie a limpiar,
La figura 1 1 ilustra el funcionamiento de un dispositivo 10 para la limpieza ultrasónica de acuerdo con la invención. El generador de ondas ultrasónicas y el intensificador no se muestran en la figura 1 1 . También se muestra la pieza 60 a limpiar. En la figura 1 1 , la flecha M representa el movimiento de barrido del dispositivo 10. La superficie 65 de la pieza 60 a limpiar se limpia mientras el dispositivo 10 se mueve hacia delante. Se muestra la suciedad 70 sobre la superficie 65 aún sin limpiar. La figura 1 1 se refiere a una realización en la que no hay ninguna capa de solución de limpieza dispuesta sobre la superficie 65 a limpiar antes del movimiento del sonotrodo de banda 4. En su lugar, se proporciona una solución de limpieza a la superficie 65 cuando el sonotrodo de banda 4 se mueve hacia adelante. La flecha A1 representa la dirección de las gotitas 80 de solución limpiadora suministrada mientras el dispositivo 100 se mueve. Cuando las gotitas de solución limpiadora 80 entran en contacto con el sonotrodo de banda 4, se produce vibración ultrasónica V, como consecuencia de lo cual se elimina la suciedad de la superficie 65 de la pieza 60. La flecha A2 representa la dirección de las gotitas sucias 71 siendo aspiradas por un dispositivo de vacío externo mientras el sonotrodo de banda 4 va avanzando. En una realización particular, en la que la solución limpiadora es agua, el agua sucia 71 puede ser filtrada en el dispositivo 10, que continuamente proporciona agua filtrada 80, reutilizando por lo tanto el agua. El mismo sistema podría utilizarse para cualquier tipo de solución de limpieza. En este caso, la flecha A3 representa esquemáticamente la dirección del agua sucia (o solución de limpieza, en general), que se filtra para ser reutilizada. En una realización particular, el agua sucia 71 es retroalimentada y filtrada por medio de un sistema hidráulico que incluye filtración de partículas (no mostrado). En otras palabras, en esta realización, la capa de agua se regenera constantemente gracias a medios de filtración. De esta manera, la única agua consumida por el dispositivo 10 es el agua que permanece sobre la superficie limpia, por ejemplo en los poros, si los hubiera, dispuestos en la superficie 65 de la pieza 60. Ei consumo de agua es muy bajo (sólo ia cantidad necesaria para humedecer ia superficie 65 a limpiar).
El dispositivo de la invención, y en particular la banda o sonotrodo de banda, puede disponerse en distintas configuraciones, tales como horizontal, vertical u oblicua. En cualquiera de ellas el dispositivo puede accionarse de forma manual por un operario o de forma automatizada (por ejemplo, robotizada).
Se han realizado varias pruebas de limpieza con el dispositivo de la invención a una frecuencia de operación del conversor ultrasónico de 40 KHz, que proporciona vibración con amplitud de 10 mieras (10 μηι = 10 x 10~6 m) a su potencia nominal (200W). Se ha utilizado un dispositivo de limpieza de una sola banda de sonotrodo, de aluminio, con un único conversor. La superficie a limpiar elegida para las pruebas ha sido un espejo de los utilizados como concentradores de energía solar. Los espejos se ensuciaron manualmente con agua y polvo y se secaron. Al activar la vibración y verter agua sobre la banda del sonotrodo, se genera un acoplamiento líquido lineal. Se ha barrido el dispositivo de limpieza sobre la superficie a limpiar a una distancia sustancialmente constante D = 1 mm, determinada por la altura de igual valor de unas gotas de silicona depositadas sobre la superficie de la banda más próxima a la superficie a limpiar. Cuando el acoplamiento líquido entra en contacto con la superficie sucia, la limpia profundamente. Se ha desplazado el dispositivo sobre la superficie a limpiar a velocidades que varían entre 1 y 10 metros /minuto. Los resultados se han comparado con respecto a limpieza mediante agua a alta presión. Se han realizado ensayos tanto con el espejo dispuesto en horizontal (0 grados), como oblicuo (a 45 grados) y vertical (90 grados). El aporte de agua se ha realizado mediante un atomizador manual. La figura 12 muestra un espejo usado en las pruebas en una configuración horizontal, en el que se diferencian tres zonas. El barrido se ha producido de izquierda a derecha en el espejo ilustrado. El conversor del dispositivo quedó dispuesto en la parte superior de la imagen (es decir, en la posición inicial, aproximadamente en la esquina superior izquierda del espejo), de forma que a medida que se barría de izquierda a derecha, el conversor quedaba próximo a la parte del fondo (parte superior de la imagen) del espejo, mientras que la parte inferior o próxima del espejo era barrida por la parte de la banda más lejana al conversor. La primera zona (zona 1 ) se ha limpiado por tanto en la zona cercana al conversor. Esta zona 1 muestra una limpieza homogénea. Se ha comprobado que su reflectividad relativa es superior al 99%. La segunda zona (zona 2) queda más lejos del conversor, por lo que la amplitud es menor. Esta zona 2 muestra una limpieza por bandas, de forma que las zonas limpias corresponden a los antinodos de la banda de sonotrodo, mientras que las zonas sucias corresponden a zonas de la banda donde no había antinodos. Es decir, en este caso, la amplitud necesaria para limpiar homogéneamente solo se obtiene cerca del conversor. Como puede observarse en la zona 1 , cuando la amplitud de vibración supera cierto umbral, las bandas que se aprecian en la zona 2 desaparecen, consiguiéndose limpieza homogénea. Se tiene por lo tanto una ventana de amplitud con un valor mínimo para evitar la aparición de bandas, y un máximo para evitar la atomización del líquido. Se ha comprobado que la limpieza no homogénea de la zona 2 se soluciona o bien aumentando la potencia nominal aplicada, para minimizar el impacto de la distancia del conversor al extremo más lejano de la banda, o incluyendo un segundo conversor, como se ha ilustrado por ejemplo en la figura 4. La tercera zona (zona 3) es una zona sin tratar (totalmente sucia). La figura 13 muestra un espejo usado en las pruebas en una configuración vertical, en el que se diferencian tres zonas similares a las de la figura 12. La reflectividad relativa de la primera zona (zona 1 ) es también superior al 99%.
En conclusión, en la zona de los antinodos, es decir, en las zonas donde la banda del sonotrodo se acerca más a la superficie a limpiar, amoldándose a la misma, la potencia de limpieza es tan alta que la limpieza es muy eficiente. Además se ha observado que la orientación del dispositivo no afecta a la calidad de los resultados. Sin embargo, en la configuración horizontal deben retirarse gotas de agua tras la limpieza, mientras que en la vertical el aporte de agua es algo más complicado.
Se ha realizado otro experimento, en el que se ha limpiado un espejo similar trabajando a una frecuencia de 30 KHz con un conversor de mayor potencia (1200W). Debido a las limitaciones del generador, la potencia nominal está limitada a 400W. Al 100% de la potencia nominal elegida, es decir, 400 W (vatios), no se han observado bandas de suciedad entre las zonas limpias; además su reflectividad relativa es superior al 99%. Sin embargo, trabajando al 10% de la potencia nominal elegida, es decir, 40 W, se han observado bandas sucias entre zonas limpias del espejo (las zonas limpias corresponden a los antinodos de la banda del sonotrodo). En comparación con un sistema de limpieza por alta presión convencional de 200 bares, éste no es capaz de limpiar correctamente el espejo y el consumo de agua es de 15 litros / minuto, es decir 600 veces superior al consumo usando el dispositivo de la invención.
En conclusión, el dispositivo y método propuestos permiten limpiar piezas de cualquier tamaño usando técnicas ultrasónicas, sin sumergir la pieza en un depósito lleno de agua. El método y el dispositivo están indicados para la limpieza ultrasónica de piezas que tienen superficies sustancialmente planas, o superficies curvadas simples, o superficies de doble curvatura, o superficies que tienen irregularidades geométricas o patrones volumétricos, tales como grietas, cavidades, poros o patrones. Ejemplos no limitativos de las aplicaciones de la invención son la limpieza de paredes que tienen graffitis, limpieza de ladrillos o baldosas o limpieza de piezas de sectores industriales, tales como automoción, aeroespacial o energía. Entre las ventajas de la invención, no se requiere ningún contacto físico entre el sonotrodo de banda y la pieza a limpiar. Debido a que el sonotrodo de banda se adapta a la superficie a limpiar, se logra una limpieza óptima sin dañar la pieza o la banda del sonotrodo. Además, la capa de solución limpiadora utilizada puede ser filtrada y reutilizada constantemente. De hecho, en superficies impermeables, tales como vidrio o metal, cuando se genera una capa de líquido estática, el consumo de líquido es casi cero porque puede ser constantemente filtrado y reutilizado. Las ondas de ultrasonido penetran en pequeños poros, grietas o cavidades de la superficie a limpiar. Se puede utilizar con solo agua o con una solución acuosa que comprende agentes químicos. En este último caso, la cavitación ultrasónica acelera drásticamente las reacciones químicas, disolviendo la suciedad adherida a la superficie a limpiar. El método y el dispositivo se pueden aplicar tanto para tareas industriales como para tareas domésticas de limpieza.
Por otra parte, con respecto a otros métodos de limpieza convencionales, como mediante chorros de agua a presión, el dispositivo de la presente invención consume hasta 600 veces menos agua, a la vez que requiere una potencia eléctrica un orden de magnitud menor.
La invención no se limita obviamente a la(s) realización(es) específica(s) descrita(s), sino que abarca también cualquier variación que pueda ser considerada por cualquier experto en la materia (por ejemplo, con relación a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro del alcance general de la invención como se define en las reivindicaciones.

Claims

1 . - Un dispositivo (10, 30, 80) para limpiar mediante ultrasonidos una superficie (65) sobre la cual se ha dispuesto una solución limpiadora, donde el dispositivo (10, 30, 80) comprende:
-al menos un oscilador ultrasónico (1 ) configurado para convertir una señal eléctrica que opera a una frecuencia de 50-60 Hz en energía eléctrica que opera a una frecuencia comprendida en la banda de frecuencias ultrasónicas;
-al menos un convertidor ultrasónico (2) para convertir dicha energía eléctrica en una vibración mecánica ultrasónica;
-al menos una banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') acoplada a dicho al menos un convertidor ultrasónico (2) y configurada para entrar en resonancia a flexión cuando se le aplica dicha vibración mecánica de frecuencia ultrasónica y para amoldarse elásticamente a dicha superficie (65);
estando dicha banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') configurada para, durante su uso, generar un acoplamiento líquido de solución limpiadora entre dicha banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') y dicha superficie (65) y para exponer a dicha superficie (65) en contacto con dicho acoplamiento líquido de solución limpiadora a cavitación, eliminando así la suciedad (70) de la superficie (65).
2. - El dispositivo (10, 30, 80) de la reivindicación 1 , donde dicha banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') es metálica.
3. - El dispositivo (10, 30, 80) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84^) tiene un espesor inferior a 10 mm.
4. - El dispositivo (10, 30, 80) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') comprende una pluralidad de gotas de plástico en la parte destinada a estar más próxima a dicha superficie (65) para evitar el rozamiento entre dicha banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') y dicha superficie (65).
5. - El dispositivo (80) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende dos bandas de sonotrodo ultrasónicas (84, 84') configuradas para desplazarse sobre la superficie a limpiar (65), estando dichas dos bandas de sonotrodo ultrasónicas (84, 84') configuradas para que, en uso del dispositivo, los antinodos (51 ) generados en cada una de ellas debido a la resonancia en flexión estén desplazados en una banda de sonotrodo ultrasónica (84) con respecto a la otra banda de sonotrodo ultrasónica (84').
6. - El dispositivo (80) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende dos osciladores ultrasónicos (1 ) y dos convertidores ultrasónicos (2) acoplados a dicha al menos una banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84').
7. - Un método de limpieza de una superficie (65) mediante ultrasonidos, que comprende:
-aplicar una solución limpiadora sobre la superficie a limpiar (65);
-mover (M) un dispositivo (10, 30, 80) que comprende al menos una banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') a lo largo de dicha superficie (65), presionando dicha al menos una banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') sobre dicha superficie (65);
-aplicar una vibración ultrasónica (V) sobre dicha al menos una banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84');
-generar un acoplamiento líquido (20) de solución limpiadora entre dicha al menos una banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') y dicha superficie (65);
-exponer a cavitación a dicha superficie (65) en contacto con dicho acoplamiento líquido de solución limpiadora, eliminando así la suciedad (70) de la superficie (65).
8.- El método de la reivindicación 7, donde dicha generación de un acoplamiento líquido de solución limpiadora entre dicha banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') y dicha superficie (65) se consigue o bien aplicando una gota de solución limpiadora tanto a la solución limpiadora dispuesta sobre la superficie (65) como a la banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84'), o bien bajando la banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') hasta que entre en contacto con una solución limpiadora dispuesta sobre dicha superficie (65).
9.- El método de cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, donde el dispositivo (10, 30, 80) se mueve a lo largo de dicha superficie (65) manteniendo una distancia (D) constante entre dicha superficie (65) y dicha banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84').
10.- El método de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, donde dicha solución limpiadora se aplica sobre la superficie (65) antes de empezar a funcionar la al menos una banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84'), de forma que una capa de solución limpiadora es dispuesta sobre la superficie (65).
1 1 .- El método de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, donde dicha solución limpiadora se aplica sobre la superficie (65) a limpiar a medida que la al menos una banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') se mueve a lo largo de dicha superficie (65), de forma que dicho acoplamiento líquido de solución limpiadora queda dispuesto entre dicha superficie (65) y la superficie exterior de la banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84').
12. - El método de la reivindicación 1 1 , donde dicha solución limpiadora se suministra externamente a la banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') por medio de una jeringuilla o de una boquilla atomizadora (8).
13. - El método de la reivindicación 1 1 , donde dicha solución limpiadora se suministra internamente a la banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') a lo largo de un canal (7) dispuesto en la banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84'), estando dicho canal (7) diseñado para conducir la solución limpiadora a la superficie de la banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') más próxima a la superficie (65) a limpiar.
14. - El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 1 a 13, donde dicha solución limpiadora se reúsa por la banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') mediante la succión (A2) de gotas sucias (71 ), el filtrado (A3) de dichas gotas sucias y la aplicación (A1 ) de gotas filtradas (80) mientras la banda de sonotrodo ultrasónica (4, 84, 84') avanza sobre la superficie (65) a limpiar.
15. - El método de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 14, donde dicha solución limpiadora se selecciona del siguiente grupo: agua y soluciones acuosas que comprenden al menos un agente químico.
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