초음파 세척기의 작동 원리와 응용분야

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기술자료

초음파 세척은 액체를 통해 전달되는 고주파 음파를 통해 작동하여 잠긴 부품의 표면을 자극시켜 세척하는 방식을 말합니다. 일반적으로 40kHz의 고주파 음파는 물 또는 용매의 액체 용액을 교반하여 용액 분자의 Cavitaion(캐비테이션)을 유발합니다.

Cavitaion이란 거품을 생각하시면 편합니다. 캐비테이션 “거품”은 음파 에너지가 물 또는 용매의 액체 용액에 기포로 갇히는 공극(또는 공동)을 생성할 때 형성됩니다. 이러한 미세한 기포는 표면에 부착된 오염 물질이 제거되는 힘으로 폭발합니다. 초음파 부품 세척기는 작은 기포의 파열을 통해 표면을 깨끗하게 문지든다고 보시면 됩니다.

초음파 세척기는 각종 금속, 유리, 고무, 세라믹 및 일부 단단한 플라스틱을 포함한 다양한 재료를 세척하는 데 적합합니다. 초음파 부품 세척기는 막힌 구멍, 균열 및 오목한 부분이 있는 복잡한 품목에서 단단히 부착된 오염 물질을 제거하는 데 특히 유용합니다. 초음파 세척을 통해 제거되는 오염 물질의 예로는 먼지, 오물, 오일, 그리스, 안료, 플럭스 에이전트, 지문 및 광택제 등이 있습니다.

산업용 초음파 세척 시스템에 사용되는 유체는 수성(수성) 또는 용제 기반일 수 있습니다. 두 가지 유형의 세척 용액 모두 표면 장력을 줄이고 캐비테이션을 증가시키는 습윤제(계면활성제)를 포함합니다. 수성 세척 용액은 일반적으로 세척 효과가 더 제한적이지만 솔벤트 세척 용액보다 환경에 더 좋습니다.

초음파 부품 세척에서 부품은 일반적으로 바구니나 트레이에 넣은 다음 초음파 세척 탱크에 담급니다. 경우에 따라 부품이 랙에 장착되고 랙이 탱크로 내려갑니다. 막힌 구멍이 있는 항목은 초음파 부품 세척기의 회전 바구니에서 이점을 얻을 수 있습니다.

초음파세척기는 자동차, 전기/전자 부품, 정밀부품, 항공 우주, 치과, 전자 제품, 보석 및 무기를 포함한 많은 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 초음파 부품 세척에 이상적인 품목에는 산업용 기계 부품, 정밀 부품, 자동차 부품, 전기/전자 장비, 의료 및 수술 기구 등이 포함됩니다.

초음파 세척에 필요한 시간은 소재와 오염물따라 다르지만 일반적인 세척 시간은 짧게는 30초에서 길게는 1시간까지도 세척합니다. 전자 제품과 같은 일부 섬세한 품목은 세척 시간이 더 오래 걸릴 수 있습니다. 열이 높을수록 오염물과 화학 결합이 더 빨리 반응하므로 대부분의 산업용 부품 세척제는 60~80°C 범위의 열을 가합니다.

초음파 세척기로 세척해도 제품 자체가 살균되지 않는다는 점에 유의해야 합니다. 의료 응용 분야에서 멸균은 일반적으로 또 다른 공정 단계로 초음파 세척을 따릅니다.

초음파 세척기 또는 초음파 세척장비라고도 하는 초음파 세척기에는 다음과 같은 기본 구성 요소가 포함됩니다.

초음파 세척 탱크 – 초음파 세척 탱크는 초음파 수조의 세척제와 세척할 소재가 담기는 곳입니다.
초음파 발생기 – 초음파 발생기는 AC 전기 에너지를 초음파 주파수로 변환합니다.
초음파 변환기 – 변환기는 초음파 전기 신호를 기계적 에너지로 변환합니다.

전자 초음파 발생기는 전원 공급 장치입니다. AC 전기 에너지를 벽 콘센트와 같은 전원에서 초음파 주파수로 변환기에 에너지를 공급하는 데 적합한 전기 에너지로 변환합니다. 즉, 초음파 발생기는 고전압 전기 펄스를 변환기로 보냅니다.

초음파 발생기의 작동 원리는 전기 에너지 펄스를 트랜스듀서로 전송하여 에너지를 진동 초음파 세척 작용을 위한 세척액의 기계적(압력) 파동으로 변환하는 것입니다.

40kHz의 초음파 주파수는 초음파 부품 세척에 가장 일반적으로 사용되는 주파수이지만 일부 응용 분야에서는 최상의 결과를 위해 더 낮거나 더 높은 주파수가 필요합니다. 예를 들어, 더 크고 심하게 오염된 품목은 20kHz의 주파수를 사용할 수 있습니다. 이는 더 크고 더 강한 세척 거품을 생성하지만 초당 더 적은 거품을 생성하기 때문입니다. 스펙트럼의 다른 쪽 끝에서 일부 매우 작고 섬세한 품목은 최대 200kHz의 더 높은 초음파 세척 주파수가 필요할 수 있습니다. 일반적으로 주파수가 높을수록 더 높은 수준의 복잡한 세부 사항을 청소할 수 있습니다.

초음파 변환기는 초음파 세척기의 핵심 부품입니다. 초음파 변환기는 일반적으로 초음파 진동이라고도 하는 20kHz에서 시작하여 인간의 청력 범위를 초과하는 소리를 생성하는 장치입니다.

초음파 변환기는 활성 요소, 지지판 및 방사판으로 구성됩니다. 대부분의 초음파 세척기는 압전 크리스탈을 능동 소자로 사용합니다. 압전 결정은 전기 에너지를 받으면 결정이 크기와 모양이 변하는 압전 효과를 통해 전기 에너지를 초음파 에너지로 변환합니다.

초음파 변환기의 뒷면은 압전 결정의 뒷면에서 방출되는 에너지를 흡수하는 두꺼운 재료입니다.

초음파 변환기의 방사판은 초음파 에너지를 유체의 기계적(압력) 파동으로 변환하는 다이어프램 역할을 합니다. 따라서 압전 크리스탈이 전기 에너지의 펄스를 수신하면 방사판이 세척액의 초음파 진동으로 반응합니다.

인터넷과 해외 제조업체의 광범위한 도달 범위는 “기성품” 초음파 세척기를 미국으로 가져왔습니다. 최저 가격을 제공하기 위해 이러한 제조업체는 종종 품질을 희생했습니다. 많은 최종 사용자는 이러한 품질 희생을 이해하거나 인식하지 못하므로 미국산 초음파 부품 세척기/청소기 탱크와 동일하다고 생각하여 저가의 초음파 탱크를 구매합니다. 불행히도 그것은 진실에서 멀어질 수 없습니다.

이러한 희생 중 몇 가지를 살펴보겠습니다.

압전 크리스탈 변환기는 품질이 크게 다를 수 있습니다. 결정 구조의 특성으로 인해 트랜스듀서는 전기 에너지를 기계/음향 에너지로 변환하는 능력이 시간이 지남에 따라(일반적으로 3-6년) 자연적으로 감소합니다. 저렴하고 품질이 낮은 트랜스듀서는 고품질 크리스탈로 만든 트랜스듀서보다 훨씬 빨리 분해됩니다. 이러한 저하 또는 부패는 초음파 기계의 세척 품질을 크게 변경합니다. 새 제품일 때는 잘 작동하는 것처럼 보이는 저렴한 초음파 세척기는 3~6개월 만에 세척 품질이 저하되는 경우가 많습니다.
초음파 발생기는 최종 사용자가 기대하는 수명이 부족한 전기 부품으로 만들 수 있습니다. 가속화된 압전 변환기 붕괴와 결합된 이러한 저품질 초음파 발생기 구성 요소는 시간이 지남에 따라 초음파 부품 세척 성능의 극단적인 변화를 초래할 수 있습니다. 이러한 청소 변화는 결국 더 많은 폐기 및 재작업 부품으로 이어집니다. 이는 비즈니스의 주요 비용 문제를 나타낼 뿐만 아니라 프로세스가 의료 기기, 항공 우주 및 기타 분야의 검증 프로토콜 및 사양에 실패하도록 만들 수 있습니다.
저전력 초음파 트랜스듀서는 초음파 세척기의 비용을 크게 줄일 수 있지만 이러한 희생은 세척 효율성을 감소시킬 수도 있습니다. 초음파 수조 세척기의 저전력 트랜스듀서는 용액을 고르게 캐비테이션하는 기능을 손상시킬 수도 있습니다.
탱크 두께가 중요합니다. 탱크에 초음파 에너지를 자주 가하면 시간이 지남에 따라 탱크 침식이 발생하고 탱크 바닥을 통해 침식될 수 있습니다. 초음파 세척 탱크 침식의 징후에는 스테인리스 스틸의 회색 외관과 탱크 바닥의 구덩이가 포함됩니다. 저품질 소닉 클리너는 몇 달 만에 마모가 나타날 수 있는 더 얇은 스테인리스 스틸 게이지를 사용합니다