Ultraschallbad

Ultraschallreinigungsgerät für den Haushalt

Ultraschallreinigungsgeräte werden meist zur Reinigung von kleinen, komplexen und feinstrukturierten Bauteilen eingesetzt. Zum Beispiel verwenden Goldschmiede, Uhrmacher und Optiker Ultraschallreinigungsbäder zum Reinigen ihrer Erzeugnisse. Mittlerweile gibt es aber auch größere, industrielle Ultraschallreinigungsanlagen, die zum Beispiel in der Automobilbranche zum Reinigen von Lackverunreinigungen genutzt werden.

Wirkprinzip

Der Schmutz löst sich

Das Wirkprinzip der Reinigung ist Kavitation. Kavitation ist die Bildung und Auflösung von Hohlräumen in Flüssigkeiten durch Druckschwankungen. Weiche Kavitation ist bei der Ultraschallreinigung unerwünscht, deshalb wird die Flüssigkeit oft mit einem speziellen Entgasungsprogramm der Ultraschallanlage vor dem Reinigungsprozess entgast.

Das in der Flüssigkeit vorhandene Ultraschallfeld erzeugt Wellen mit Über- und Unterdruck. Trifft eine solche Unterdruckwelle auf einen Gegenstand (das zu reinigende Objekt), bilden sich an kleinen, als Keime fungierenden Luftbläschen mit Dampf gefüllte Hohlräume. Beim Auftreffen der darauf folgenden Hochdruckwelle auf den Hohlraum steigt der statische Druck im Hohlraum durch dessen Kompression wieder über den Sättigungsdampfdruck. Dadurch kondensieren die Dampfblasen und zwar schlagartig mit Schallgeschwindigkeit. Dabei entstehen Druckspitzen bis 100.000 bar. Diese zyklisch entstehenden und verschwindenden Hohlräume bearbeiten quasi die Oberfläche und reinigen sie damit. Schmutz und andere Anhaftungen werden dadurch mechanisch gelöst.

Anwendung

Die Anlage besteht aus einer mit Flüssigkeit gefüllten, eventuell beheizbaren Wanne, einem oder mehreren Ultraschallwandlern bzw. Ultraschallschwingern und einem Generator, der den oder die Wandler mit hochfrequenter elektrischer Energie versorgt. Sowohl direkt außen an den Wänden und unter dem Boden der Wanne können Schallschwinger angeflanscht werden, allerdings nur wenn die Wandstärke von Wand beziehungsweise Boden nicht zu stark ist. Bei dieser Bauweise wird der Ultraschall dann direkt über Wände und/ oder Boden in die Flüssigkeit abgegeben. Eine andere Variante sind so genannte Tauchschwinger, die in die Flüssigkeit gehängt beziehungsweise an Gestellen im Becken befestigt werden. Schließlich gibt es noch Plattenschwinger, die an eine entsprechende Öffnung in der Beckenwand angeflanscht werden.

Die Geräte werden üblicherweise in nichtrostender Ausführung hergestellt. Die Anordnung und Verteilung der Schallschwinger muss so erfolgen, dass ein gleichmäßig starkes, nicht statisches Schallfeld entsteht. Einige Hersteller modulieren daher die Frequenz um stehenden Wellen vorzubeugen. Auch eine Funktion zum "Entgasen" der Reinigungsflüssigkeit ist nicht unüblich. Hierbei wird die Abgabeleistung des Gerätes gepulst, um eventuellen Gasblasen den Aufstieg zur Oberfläche zu ermöglichen. Hintergrund ist die schlechte Ausbildung von Kavitationsblasen bei Anwesenheit von Gasblasen, da diese die Leistung "schlucken" würden.

Der Einsatz von Lösungsmitteln, Säuren oder Laugen unterstützt wesentlich den Reinigungseffekt von Ultraschallbädern. Allerdings treten auch immer entgegengesetzte Effekte auf. So findet bei zu starker Verschmutzung der Waschlösung auch wieder eine Anlagerung statt. Es werden keine brennbaren Flüssigkeiten als Reinigungsmittel eingesetzt, da durch den Ultraschall immer auch ein Wärmeeintrag in die Flüssigkeit erfolgt.

Ein guter Einstiegswert für die Schallleistung sind etwa 10 W pro Liter Reinigungsflüssigkeit. Die Schallerzeuger benötigen einen Mindestabstand um ein homogenes Schallfeld auszubilden. Die Gehäuse der Maschine müssen gegen austretende Schallschwingungen isoliert werden. Ein Berühren von schwingenden Teilen muss verhindert werden.

Frequenzen

Verwendet werden üblicherweise Frequenzen von 20 kHz bis 2 MHz. Niedrige Frequenzen um 20 kHz erzeugen Bläschen größeren Durchmessers mit kräftigen Druckstößen, demgegenüber sind höhere Frequenzen um 35 kHz besser zur intensiven und schonenden Reinigung von Oberflächen geeignet. Die aktuell übliche Frequenz beträgt für Partikel mit einem Durchmesser größer als 1 µm ca. 200 kHz (US). Der Frequenzbereich oberhalb 400 kHz bis 1–2 MHz wird in der Fachliteratur auch als Megaschall (MS) bezeichnet. Hier werden Partikel mit einem Durchmesser kleiner als 1 µm optimal abgereinigt.

Die benötigte Frequenz wird durch die kleinste Öffnung oder Struktur bestimmt, die durch den Schall gereinigt werden kann. Die Wellenlänge im Wasser muss kleiner als die Hälfte der Struktur sein. (Beugungsprobleme ? (s. Diskussion))

Siehe auch

• Teilereinigung

Weblinks

• Ausführliche und detaillierte Darstellung (PDF-Datei; 3,84 MB)
• Ultraschall-Waschmaschine (Industrieanwendung)
• Die Ultraschallwaschmaschine ist seit 2001 (von Sanyo) in Japan erhältlich. (Seite 23) Fraunhoferinstitut
• BraunPreis 2001: Die UltraschallWaschmaschine
• Ultrasauber in DIE ZEIT Nr. 16/2002, abgerufen 2. Februar 2009
• Daewoo Electronics (Korea), gab die Entwicklung einer umweltfreundlichen Waschmaschine bekannt, die Erste weltweit, die kein Waschmittel benötigt.
• Wie funktioniert die Ultraschall Waschmaschine? (Radebrechübersetzung)