Využívání ultrazvukové energie zaznamenalo za poslední čtvrtstoletí velmi prudký rozvoj. Postupně byly poznávány specifické vlastnosti a účinky ultrazvukové energie. S rozvojem elektroniky, výpočetní techniky a nových materiálů docházelo a stále dochází k nalézání nových, účinných a praktických možností využití ultrazvuku. K dnes již klasickým způsobům využití ultrazvuku (na konci dvacátého století) patří mytí - čištění v ultrazvuku, sváření ultrazvukem, obrábění a vrtání ultrazvukem, měření vzdáleností a výšky hladin ultrazvukem, ultrazvukové průtokoměry, měřiče viskozity, měřiče modulu pružnosti, měřiče netěsnosti, diagnostická zařízení pro defektoskopii, ultrazvuková zařízení pro zdravotnictví, inhalační ultrazvuková zařízení, ultrazvuková zařízení na úpravu vzduchu, ultrazvuková diagnostická zařízení pro snímání informací o biologických objektech, ultrazvuková mísící zařízení, ultrazvuková zabezpečovací čidla a další…. Dále existuje celá řada funkčních aplikací využití ultrazvuku ve speciálních oblastech (vojenské aplikace, komunikační systémy a přenos informací, zaměřovací systémy a další).

Ultrazvukové čistící zařízení lze použít na široké spektrum aplikací - v japonských domácnostech jsou nejrozšířenější malé, ultrazvukové čističky na rýži a Hubbleův kosmický teleskop na družici je také mnohonásobně umyt v ultrazvuku.

Klasické čištění, které je neodmyslitelnou součástí každého výrobního procesu, každé, i nejjednodušší manipulace s nástroji a materiálem v organizovaném procesu, se vykonává velmi pracně, málo efektivně, přičemž hygiena práce a bezpečnost práce jsou jen zřídkakdy na žádoucí úrovni. Tyto nevýhody do značné míry odstraňuje použití ultrazvuku při čištění.

Použití ultrazvuku v procesu čištění je však podmíněno důkladnými znalostmi jeho podstaty (zejména výrobce zařízení a techniků, kteří navrhují a optimalizují čistící proces). Ultrazvuk vykonává kmitání ozářeného media, které i při relativně malé amplitudě 0,005 - 0,1mm dosahuje velké rychlosti, především však velkého zrychlení. Sekundární účinky kmitání se projevují jako kavitace, vznik tepla, akustické proudění, únava a deformace materiálu, redukce tření, radiační tlaky apod. Rozsah sekundárních účinků ultrazvuku závisí především od intenzity a frekvence použité ultrazvukové energie a fyzikálních vlastností ozářeného média. Ultrazvuková energie vyšší intenzity - nad 0,5W.cm-2 ovlivňuje vlastnosti, lepe řečeno, strukturu ozářeného media. Na bázi ultrazvukové energie s intenzitou nad 0,5W.cm-2 se rozvinuly aplikace tzv. výkonového ultrazvuku (aktivního ultrazvuku) v technologických procesech čištění, sváření, obrábění, tváření a v chemicko technologických procesech.
Ultrazvukové čištění je nejrozšířenější aplikací ultrazvuku.

UZ čistící zařízení se skládá principiálně z čistící vany, UZ generátoru a měniče. Ultrazvukový měnič, napájený z generátoru transformuje vysokofrekvenční energii na akusticko mechanické kmity. Absorbční látky - tedy medium a čištěné díly v důsledku předmětné absorbce způsobují změnu ultrazvukové energie na tepelnou. tím je vysvětleno zahřívání media při provozu. Vlivem změny teplot mezi čištěným předmětem a nečistotou dochází v místě jejich styku k částečnému oddělen, a tak se dostává čistící medium mezi stykové místa čištěného předmětu a nečistoty. Vniknutím čistícího media mezi nečistotu a plochu čištěného předmětu se rozrušují postupně síly vážící tyto dvě části k sobě, až k úplnému oddělení. Vlivem podtlaku na místech s uvolněnou soudržností kapalinových molekul dochází k porušení celistvosti kapaliny, následkem toho je, že vznikají v čistícím mediu bubliny. V následující půlperiodě přechází okamžitá hodnota střídavého tlaku v kapalině přes nulovou hodnotu do kladných hodnot, čímž se vzniklé bubliny uzavřou a stlačí. Prudkým stlačením kulové bubliny vzniknou v jejím středu kulové vlny s vysokou mechanickou energií (několik tisíc atmosfér), které definitivně poruší vazbu mezi čištěným předmětem a nečistotou. Tento jev nazýváme kavitací. Kavitace ne vždy úplně oddělí nečistoty od čištěného předmětu.

Při řešení ultrazvukových čistících zařízení se pracuje s kmitočty generátoru a měničů 20-25kHz, nebo 40-50kHz , nebo 70kHz. Objemová hustota výkonu je zpravidla 10-25W/ litr objemu vany. Při malých vanách se používají ultrazvukové zářiče piezokeramické na bázi tuhého roztoku titaničitanozirkoničitanu olovnatého v sendvičovém provedení. Tyto jsou lepeny přímo na dno van. Vany jsou provedeny výlučně z antikorozního plechu. Čistící vany - kompakty se dodávají s obsahem cca 0,5 litru až cca 80 litrů (toto je vlastně nejdůležitější parametr, který ovlivňuje univerzálnost kompaktu - tj. maximální velikost čištěného předmětu). Menší, čištěné předměty se většinou vloží do skleněné kádinky, ve které je čistící medium a tato kádinka se ponoří do čistící vany naplněné vodou !!!

Z konstrukčního hlediska dělíme ultrazvukové čistící zařízení na dvě skupiny:

• čistící vany s odděleným generátorem (zpravidla se jedná o jednoúčelová zařízení, konstruovaná na odstraňování určitých definovaných nečistot z určitých definovaných předmětů) například čistící zařízení na čištění pásové oceli, čistící zařízení na čištění desek plošných spojů, čistící zařízení na čištění holínek…a další milion aplikací,
• čistící vany se zabudovaným generátorem pro které se používá výraz - kompakty, tyto zařízení se zpravidla používají jako univerzální pro čištění různých předmětů v různých čistících mediích,

Jednoúčelová zařízení - technologické celky se navrhují, konstruují a vyrábějí tak, aby splnily požadavky zadání problému. Jejich součástí může být např. i regenerace, filtrace a přečerpávání čistícího media, automatická doprava čištěných předmětů, kontrolní operace, automatické řízení procesu apod.. Druh znečištění a čistící kapalina - čistící medium spolu úzce souvisí - je obecně známo , že nečistoty polárního charakteru se budou dobře rozpouštět v polárních rozpouštědlech, nečistoty nepolárního charakteru v nepolárních rozpouštědlech. Na vypracování technologie je třeba znát požadovaný stupeň čistoty předmětů, zohlednit jejich stav, stupeň a druh znečištění, použitý materiál, nebo kombinace použitých materiálů, jejich rozměry,tvary, orientaci, schopnost odrážet ultrazvukové vlny, způsob přepravy a další..
Volba pracovní kapaliny - čistícího media je jedním z nejdůležitějších faktorů, který má vliv na ultrazvukové čištění. Čištění je v podstatě fyzikálně-chemický proces, který probíhá na rozhraní povrchu čištěného předmětu a kapaliny. Kapalina rozpouští nečistoty, resp. s nimi reaguje. Kavitace, vznikající v ozářeném roztoku rozrušuje nečistoty, pomáhá k jejich odplavení v důsledku mísícího účinku ultrazvuku. Použití kapaliny - volba čistícího media závisí od druhu nečistoty a materiálu čištěného předmětu.

Obecně má čistící medium splňovat tyto požadavky:

• má mít nízké povrchové napětí, malou viskozitu, nízký tlak par, a hustotu rovnou přibližně vodě,
• musí chemicky působit na nečistoty, rozpouštět je, nebo emulgovat,
• musí mít dobré akustické vlastnosti,
• nemělo by korozně působit na čištěný předmět,
• nesmí být toxické a musí být ve shodě s platnou legislativou České republiky,
• použití media musí mít schválení hygienika Č.R., a musí být zajištěna likvidace použitého media v souladu s předpisy a dodržovány bezpečnostní předpisy pro práci s mediem.

Čištění ultrazvukem zaznamenává díky svým kvalitám stále větší oblibu nejen v těžkém průmylu. Při volbě technologie mytí můžeme uvažovat i tento druh čištění, přičemž musíme zvolit správné technologické postupy, aby byl systém efektní.

Autor textu : Leoš Hron
Úprava textu : Luděk Frejvald