ทฤษฎีการล้างด้วยอุลตร้าโซนิคส์
การล้างด้วยคลื่นอุลตร้าโซนิคส์ มีข้อดีกว่าการล้าง แบบขัดถูธรรมดา หลายประการ
การล้างด้วยอุลตร้าโซนิคส์ เป็นการล้างที่ทรงพลังและชาญฉลาด
ข้อดีของคลื่นอุลตร้าโซนิคส์ คือ
- สามารถทำให้เกิดการสั่นของเนื้อสารในระดับโมเลกุลได้ โดยทำให้เกิดการแยกตัวภายใน ( Violent Implosion ) จึงทำให้การล้างได้ผลดีมาก
- สามารถล้างในส่วนที่เป็นรอยแตก รอยแยกของชิ้นงานได้
- สามารถล้างในส่วนที่เป็นรู ซอกเล็ก ๆ ต่าง ๆ ได้ โดยที่ตามองไม่เห็น
- ไม่ทำลายผิวของชิ้นงาน ไม่เกิดการขัดสี หรือสึกกร่อน ( Erosion )
ส่วนประกอบของเครื่องล้างอุลตร้าโซนิคส์ มี 3 ส่วนสำคัญคือ
- หัวอุลตร้าโซนิคส์ ( Ultrasonic Transducer )
- ถัง ( Vessel )
- วงจรกำเนิดคลื่น ( Ultrasonic Generator ) โดยทำการเปลี่ยนพัลส์ทางไฟฟ้า ให้เป็น คลื่นความดัน ( Pressure Waves ) หรือ คลื่นเสียง ( Sound Waves )
ในที่นี้จะเป็น Pressure Waves โดยวงจร Generator จะเปลี่ยนค่าพลังงานไฟฟ้าจาก 220/240 VAC , 50 Hz ให้เป็น 2,000 VAC, 40,000 Hz เพื่อกระตุ้นให้หัวอุลตร้าโซนิคส์ทำงาน จากนั้นพลังงานจาก Pressure Waves จะถูกส่งถ่ายสู่ของเหลว โดยทำให้ของเหลวมีลักษณะการแตกฟอง ( Cavitation Form ) ซึ่งจะมีคุณสมบัติในการขัดล้างได้เป็นอย่างดี
โครงสร้างของหัวอุลตร้าโซนิคส์ ( Ultrasonic Transducer )
โครงสร้างเป็นผลึกพิซีโออิเลคทริค ( Piezoelectric Material ) โดยมีชื่อเรียกว่า Lead Zirconate Titanate
หมายเหตุ ผลึกพิซีโออิเลคทริค ( Piezoelectric Material ) ปัจจุบันนำมาใช้ขับเคลื่อนหัวฉีด คอมมอนเรล แทนขดลวด
หัวอุลตร้าโซนิคส์ มี 2 แบบ คือ
- Piezoelectric Transducer หัวแบบนี้มักติดตั้งไว้ก้นถัง โดยใช้ Epoxy ยึดติดไว้กับถัง
- Magnetostrictive Transducer หัวแบบนี้จะหนักกว่าแบบแรก การติดตั้งจะใช้การบัดกรีไว้ด้านข้างถัง
ในบางกรณี หัวอุลตร้าโซนิคส์ สามารถจุ่มลงในของเหลวได้โดยตรงแต่ต้องระวังเรื่องของไฟฟ้าซ๊อต เพราะมีค่าสูงถึง 2000 VAC
คุณสมบัติของของเหลวที่มีผลต่อการล้างด้วยอุลตร้าโซนิคส์
- ความหนืด ( Viscosity ) ของเหลวที่มีความหนืดน้อย จะได้ผลดีกว่า
- ความหนาแน่น ( Density ) ของเหลวที่มีความหนาแน่นมากจะทำให้การเกิดการแตกฟอง ( Cavitation ) ได้ดีกว่า รุนแรงกว่า ทำให้การล้างได้ผลดีกว่า
- ความดันไอ ( Vapor Pressure ) ของเหลวที่มีความดันไอสูง จะเหมาะกับเครื่องล้างอุลตร้าโซนิคส์มากกว่า เพราะจะไม่เดือดเป็นไอเสียก่อน
- แรงตึงผิว ( Surface Tension ) ของเหลวที่มีแรงตึงผิวมาก จะไม่ค่อยเหมาะกับเครื่องล้างอุลตร้าโซนิคส์ เพราะเกิด การแตกฟองยาก
หมายเหตุ : น้ำกลั่น ไม่เหมาะสมกับเครื่องล้างอุลตร้าโซนิคส์ เป็นอย่างยิ่ง
ผลของอุณหภูมิของของเหลว
อุณหภูมิของของเหลวมีผลดังนี้
- ปริมาณการเกิด Cavitation ยิ่งอุณหภูมิ สูงยิ่งดี แต่ต้องอยู่ระหว่าง 60 – 65 องศาซี
- ความรุนแรงในการล้าง
การเพิ่มอุณหภูมิที่เหมาะสม ทำให้กำลังการล้างดีขึ้นมาก
การเลือกใช้ความถี่ที่เหมาะสม
เครื่องล้างอุลตร้าโซนิคส์ มี 3 ความถี่
- 25 KHz ให้ผลการล้างไม่ค่อยดี และมีโอกาสทำให้ชิ้นส่วนเสียหายได้ เหมาะกับชิ้นงานขนาดใหญ่
- 40 KHz ให้ผลการล้างที่ดีกว่าแบบ 25 KHz และมีปริมาณการเกิด Cavitation มากกว่าแบบ 25 KHz ถึง 60 %
- 64 KHz ให้ผลการล้างดีกว่าแบบ 40 KHz และมีปริมาณการเกิด Cavitation มากกว่าถึง 70 % ในเชิงอุตสาหกรรม นิยมใช้เครื่อง 40 KHz มากที่สุด
ความถี่ของเครื่องล้างอุลตร้าโซนิคส์
มีตั้งแต่ 20 - 120 kHz
แบบ 20 kHz จะทำให้เกิด bubble หรือแตกฟองขนาด 170 micron (ประมาณ 3 – 4 เท่าของเส้นผม )
เครื่องแบบ 68 kHz จะเกิดการแตกฟองได้เร็วกว่าแบบ 20 kHz ถึง 3 เท่า และมีขนาด bubble ที่เล็กกว่า 3 เท่าด้วย
ของเหลวกับกำลังของอุลตร้าโซนิคส์
ของเหลวต่างชนิดกัน ให้ลักษณะการแตกฟองต่างกัน และต้องการกำลังของอุลตร้าโซนิคส์ต่างกัน อย่างเช่น
น้ำที่อุณหภูมิ 25 องศาซี ต้องการกำลัง 0.3 Watt/cm2 ที่ความถี่ 20 kHz เพื่อให้เกิดการแตกฟอง ( Cavitation )
น้ำที่อุณหภูมิ 25 องศาซี ต้องการกำลัง 0.5 Watt/cm2 ที่ความถี่ 40 kHz เพื่อให้เกิดการแตกฟอง ( Cavitation )
ความเร็วของอนุภาค
ที่เครื่องอุลตร้าโซนิคส์ แบบ 20 kHz มีค่าทางกายภาพดังนี้
- ความดันประมาณ 35 – 70 kPa
- ความเร็วอนุภาคประมาณ 400 km/hr (เร็วกว่าตอนเครื่องบินกำลังขึ้น- take off)
- อุณหภูมิชั่วขณะ ( Transient ) ประมาณ 5,000 องศาซี
ด้วยความเร็วขนาด 400 km/hr ดังนั้นจึงเกิดสภาวะ Shear force (แรงเฉือน) ที่ผิวมากด้วย จึงทำให้การล้างได้ผลดี
ความถี่ของเครื่องอุลตร้ากับการใช้งาน
- ขนาดความถี่ต่ำ ( 20 – 30 kHz ) เหมาะสำหรับล้างชิ้นส่วนขนาดใหญ่ และมีน้ำหนักมาก เช่น เสื้อสูบเครื่องยนต์ เสื้อเกียร์ เป็นต้น
- ขนาดความถี่ปานกลาง ( 30 – 60 kHz ) เหมาะสำหรับล้างชิ้นส่วนขนาดเล็ก เช่น วาล์ว , ประแจ , หัวฉีด เป็นต้น พบว่า ขนาด 35 – 45 kHz เป็นแบบที่เหมาะสมสำหรับงานอุตสาหกรรมมากที่สุด
- ขนาดความถี่สูง ( 60 – 120 kHz ) เหมาะสำหรับล้างชิ้นส่วนที่บอบบาง หรืออุปกรณ์อิเลคโทรนิคส์
Applications
การประยุกต์ใช้งานแบบต่างๆ
แปลและเรียบเรียง
โดย
มนตรี ไล้สมบูรณ์
