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超声清洗设备进展及存在的一些问题
  超声清洗技术的研究和应用,我国始于50年代,几乎与国外同步进行。20世纪80年代以前发展比较缓慢,80年代以后,特别是改革开放以来,这一新技术得到很快的发展。已经广泛地应用于电子电器工业,光学光电工业,钟表首饰工业,化工和纺织工业,汽车摩托车工业,机械工业,金属制品工业,原子能和航天航空工业,造船工业,制药工业和医疗器械等的清洗。超声清洗设备已由单缸标准机型向多缸,成套,专用和半自动及自动化超声清洗设备发展。为适应不同清洗对象,工作频率除已有的低频(40KHz以下)超声清洗外,还发展了高频(60~200KHz以上)超声清洗及多频率同时工作的超声清洗设备。超声频电源(又称超声波发生器)在20世纪80年代国际上普遍采用自激式D类晶体管开关功率放大器,线路比较简单,具有频率跟踪功能,通过多路合成,容易得到大功率的超声发生器,但在国内使用時曾用庞大的铁芯变压器降压,甚为笨重。21世纪以来,逐渐采用他激式开关电源,采用脉宽调制方式,输出功率可调。由于采用高压,大电流的IGBT器件或MOS模块,大功率的超声频电源体积较小,可靠性进一步提高,控制电路采用数字技术可以得到性能优越,运行更可靠,可以遥控的超声频电源。
  近年来瑞士MPI公司推出一种新型的超声发生器,称之为MMM(Multi-frequency,Multimode,Modulated)发生器。指的是多频,多模调制发生器。它不仅能够解决复杂结构机械负载系统的驱动,而且对液体处理设备,如超声清洗及声化学反应设备的驱动更具有突出的优点。传统的超声清洗系统一般是采用固定频率驱动,不考虑清洗槽形状,液面高低,液体温度及被清洗件等对换能器最佳工作频率的影响。这样会降低空化强度及可能产生驻波而降低清洗效果。MMM來技术是用一种专门的反馈系统产生一种最佳而复杂的驱动信号以适应负载的变化,即用先进的数字信号來处理技术监控换能器对负载变化的响应,用实时反來馈环产生复杂的多模调制驱动信号以激励机械负载(如换能器清洗缸系统)的谐波以产生一种宽频的多频声场(由次声到兆赫声),因此能产生尺寸范围很宽而较大密度的空化泡,这对于超声清洗及声化学反应是很有利的。
  超声清洗设备用的换能器,国内外普遍采用压电换能器。我国自主创新的半穿孔结构宽频带压电换能器,生产实践表明,性能优于国外产品。其优点是频带宽,效率高,尤其是换能器的频率较高或其辐射面积较時大能减小横向振动,提高辐射效率,提高工作稳定性。为适应多频清洗,国内也开始生产双频或多频换能器,并用于超声清洗设备。20世纪末国外发展了管状和棒状换能器,其辐射面积大,效率高,使用寿命长,便于清洗管道及筒状容器。国内虽有产品,但尚未大量应用。在高声强清洗方面我国发展了一种聚能于长方形辐射面的高声强清洗器,用于清洗喷丝板、钢带、钢丝及一些难以清洗的工件。另一种聚能的棒状换能器可用于清洗油泵油嘴及深螺纹孔的清洗等等。
  微电子工业生产过程中,要求清洗掉亚微米级以下的污物而不损坏器件,由此国外发展了兆赫级的超声清洗设备和喷淋式兆声清洗设备。
  关于清洗剂,它大致可分为水系、半水系和非水系三大类。精密工业清洗以前最普遍使用的有机溶剂是CFC-113和TCA,因为它们的化学稳定性好,对大多数金属、漆类及塑料等不起作用,不会溶解;没有闪点,毒性低,渗透力强,使用安全;其沸点低,蒸发快,清洗后工件不必烘干,曾被广泛应用。但是它属于ODS物质,会破坏臭氧层,已不能使用。因此世界各国都在开发各种替代产品,如日本目前广泛使用的溶剂是碳氢溶剂。碳氢溶剂具有许多优点:1)清洗性能好。碳氢溶剂清洗润滑油,防锈油和机加工油等矿物油的效果要比用卤代烃和水基清洗剂好。2)材料相容性好。碳氢溶剂中不含水分和氯、硫等腐蚀物,不会腐蚀和锈蚀各种金属材料;对大部分塑料和橡胶没有溶解、溶胀和脆化作用。3)蒸发损失小。因其沸点一般在150摄氏度以上,所以在保管和使用过程中损失比较小。4)能够彻底挥发,没有残迹。它是一种很纯净的溶剂,在常温或加温状态下可完全挥发,不会有残留物。5)无毒。碳氢溶剂与人体接触均为低毒,不属于致癌物质。6)碳氢溶剂中不含氯,不破坏臭氧层,可以自然降解,其清洗废液可以放入炉中焚烧,焚烧的生成物主要是二氧化碳和水,对空气没有污染。7)价格低廉。普通碳氢溶剂的价格相当于CFC-113价格的一半,比某些ODS替代品的价格更低,同时由于碳氢溶剂的密度约为0.75,比卤代烃溶剂的密度低许多,所以在同一容积的清洗槽中其加入量仅为卤代烃清洗剂的一半左右。
  碳氢溶剂的缺点是沸点高(150~190摄氏度)而闪点低(50~70摄氏度)。沸点高会使清洗后工件的干燥速度大为降低,难于蒸馏再生;而较低的闪点需要在清洗、干燥和蒸馏再生中采取防火措施。为克服这些缺点,更好的利用这种性能优越而价廉的碳氢溶剂,必须改进工艺设备,一种好的方案是采用真空技术。采用了真空技术,可以使碳氢溶剂能够真空蒸馏再生重复使用。利用清洗剂与污垢之间的沸点差,将溶有油污的清洗剂加热到清洗剂的沸点以上,而控制在油污的沸点以下,这样使清洗溶剂气化,然后通过冷却,使之重新凝结成纯净的清洗溶剂,而沸点较高的油污和机械杂质则留在蒸馏罐底部。由于碳氢溶剂的沸点高,必须在较高的真空度环境下使其沸点降低到80摄氏度,然后在真空中加热蒸发,再经过冷凝回收。
  在真空状态下进行清洗、干燥和蒸馏再生过程中,由于含氧量很低,虽然温度达到或超过碳氢溶剂的闪点也不会燃烧,保证了使用的安全。由此可见,采用了真空技术后能够克服碳氢溶剂存在的缺点。虽然设备的投资加大,但从长远看,碳氢溶剂便宜且消耗量少,是今后的发展方向。这种超声清洗设备国内已经能够生产,并且部分产品已经出口。
  超声清洗设备一般是非标准专用设备,要根据用户的不同要求进行设计和生产。在国外生产成本比较高,国内产品如果能提高质量是具有竟争力的。目前超声清洗设备存在的主要问题是没有统一的行业标准。一些企业投资少,加工手段简陋,产品质量差,常常在原材料、器件和超声功率等方面做文章,以低价销售,扰乱了市场。在超精密清洗方面,如微电子器件在生产过程中的清洗,要求能清洗掉纳米级的污物,这必须在超级净化环境中进行,需要用超高纯度的清洗剂并用沒兆赫超声清洗。这方面的清洗设备目前我国企业尚有能够提供,而基本依赖进口。
  • 主要用于替代ODS溶剂(氟里昂、三氯乙烷、三氯乙烯、四氯化碳等)清洗印刷电路板(PCB)、半导体装置、电子光学零部件、液晶类(LCD)零部件、金属精密零部件、电镀零部件、医疗用品等。
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