Vasca a ultrasuoni

Da FountainPen.
Vasca a ultrasuoni

Le vasche ad ultrasuoni sono uno strumento di pulizia sviluppato, a livello industriale, a metà del secolo scorso. Dal 1970 circa questa tecnologia è disponibile anche per uso domestico[1]. Una macchina pulitrice di questo tipo sfrutta la generazione di onde ultrasoniche in un apposita soluzione solvente per pulire in profondità oggetti anche di fattura molto complicata. Il liquido solvente può essere costituito da semplice acqua, con eventuale aggiunta di eventuali prodotti tensioattivi (e.g. saponi liquidi), o da solventi specifici per il pezzo da pulire. Le pulitrici ad ultrasuoni vengono impiegate per la pulizia di svariati oggetti come parti ottiche (lenti, oculari ecc.), orologi, strumenti chirurgici, protesi dentarie, penne stilografiche, mazze da golf, armi da fuoco, gioielli, pezzi industriali e componenti elettronici.

Principio di funzionamento

Le pulitrici ultrasoniche sfruttano il fenomeno della cavitazione. A dispetto di quanto potrebbe far credere il nome, gli ultrasuoni non hanno alcun effetto pulente, essi sono solo lo strumento che genera la cavitazione.

Fig. 1 - La formazione ed implosione di una bolla di cavitazione

La cavitazione è un fenomeno che consiste nella formazione di bolle di vapore all'interno di un fluido che, successivamente, implodono con estrema violenza. Apparentemente è molto simile all'ebollizione ma, mentre nell'ebollizione è la tensione di vapore che salendo (a causa dell'aumento di temperatura) supera la pressione idrostatica e crea bolle di vapore meccanicamente stabili, nella cavitazione è la pressione del liquido che scendendo improvvisamente al di sotto della tensione di vapore fa si che si crei una bolla che è stabile solo fino a quando rimane nella zona di bassa pressione idrostatica, ma che implode violentemente al risalire della pressione (fig. 1).

Durante l'implosione, il fluido circostante riempie immediatamente il vuoto creato dal collassamento della bolla. In acqua libera questo fenomeno è simmetrico, ma in presenza di un oggetto immerso, che genera una discontinuità, il violento flusso di liquido che va a riempire lo spazio della bolla è asimmetrico e genera un'intensa onda d'urto orientata verso la superficie dell'oggetto stesso.[2] Questa onda d'urto è la responsabile dell'effetto pulente.

Fig. 2 - Il collasso di una bolla di cavitazione con evidente la formazione del micro burst al centro.

Nello specifico, le bolle di cavitazione che implodono vicino o sulla superficie da pulire generano dei micro burst, orientati verso la discontinuità, in grado di staccare contaminanti ed altre parti di sporco che aderiscono alla superficie. Il collassamento della bolla è un fenomeno estremamente violento, localmente si raggiungono pressioni fino a 20,000 psi e picchi locali di temperatura che possono arrivare a 5,000 °K[3]. Coleman et al.[4] sono riusciti a riprendere il momento dell'implosione di una bolla in prossimità di una superficie (fig. 2).

Come visto la cavitazione è un fenomeno estremamente violento che, normalmente, si cerca di evitare in quanto in grado di lesionare e distruggere le superfici sulle quali si concentra (eliche di navi, giranti di turbine, parti di pompe etc.). Per poter sfruttare il fenomeno nelle apparecchiature di pulizia è fondamentale il controllo dell'energia di cavitazione. Se il livello è troppo basso il tempo per ottenere il livello di pulizia adeguato si allungherà notevolmente. D'altro canto un livello eccessivo in presenza di un substrato delicato potrebbe portare al danneggiamento dell'oggetto da pulire. La presenza di impurità solide e/o gas disciolti nel liquido influisce notevolmente sul processo di cavitazione. Per impieghi domestici normali la normale acqua di rubinetto può andare bene, mentre per applicazioni professionali, data l'impossibilità di controllare la composizione effettiva dell'acqua comune, si preferisce impiegare acqua distillata, degassificata e, successivamente, rigassificata in maniera controllata in maniera da ottenere un processo affidabile e stabile nel tempo[5]. Studi sulla cavitazione hanno portato a determinare che liquidi ad alta densità, bassa viscosità e media tensione superficiale favoriscono il generarsi di fenomeni di cavitazione più violenta[6].

La dimensione delle bolle di cavitazione, e la corrispondente energia di cavitazione, dipende sia dalla frequenza dell'onda ultrasonica (e quindi dalla lunghezza d'onda) che dalla sua intensità (ampiezza d'onda). In particolare, considerato che le bolle si formano nella valle dell'onda (dove la pressione diminuisce), ad alte frequenze c'è un minor tempo disponibile per la crescita della bolla e quindi vengono generate bolle più piccole e con una minor energia di cavitazione. A basse frequenze, invece, vengono generate bolle più grandi e con maggior energia. L'altro fattore che influisce sulla dimensione delle bolle è l'intensità dell'onda prodotta dal trasduttore. In dettaglio, un'elevata intensità fa si che ogni punto dell'onda oscilli entro un range di pressioni più elevato (tra la rarefazione e la compressione) generando così bolle di dimensioni e di contenuto energetico superiore. Esiste quindi una correlazione fra lunghezza d'onda, ampiezza d'onda ed energia di cavitazione.

Le pulitrici ad ultrasuoni domestiche

Una pulitrice ad ultrasuoni, in sostanza, è costituita da una vasca che contiene la soluzione di pulizia (variabile a seconda delle applicazioni) nella quale si immerge l'oggetto da pulire. Sul fondo della vasca è installato il trasduttore (generalmente piezoelettrico). Sotto l'azione di un segnale elettrico oscillante alla frequenza di lavoro, il trasduttore varia di dimensione aumentando e diminuendo in sincrono con la frequenza. In pratica il trasduttore si comporta come un pistone che crea picchi di pressione in corrispondenza del picco dell'onda e minimi di pressione in corrispondenza della valle. Durante le depressioni si generano le bolle di cavitazione.

Fig. 3 - Effetti di bolle di cavitazione di differenti dimensioni

Queste bolle come, visto sopra, implodendo asportano le particelle di sporco che aderiscono all'oggetto da pulire. Apparecchi a frequenze più alte generano bolle di dimensioni minori che rimuovono particelle più piccole ma che riescono ad insinuarsi nei più piccoli recessi ed hanno un effetto più gentile sull'oggetto da pulire. Apparecchi a frequenze più basse, al contrario, generano bolle più grosse e più energetiche che puliscono superfici maggiori nell'unità di tempo ma effettuano un lavoro più grossolano e determinano uno stress meccanico maggiore sull'oggetto da pulire.

La cavitazione aumenta notevolmente l'efficacia delle eventuali sostanze di pulizia disciolte nell'acqua, consentendo così l'impiego di minori sostanze chimiche, per contro viene aumentata anche l'aggressività di queste sostanze e la loro capacità di attaccare i materiali da pulire. Per cui la corretta determinazione della soluzione di pulizia è estremamente importante e dipende dal materiale che deve essere sottoposto al trattamento. Nelle applicazioni industriali spesso al posto dell'acqua si usano solventi particolari studiati specificamente per i materiali da trattare e per la tipologia di sostanze da asportare. Per le applicazioni domestiche è sufficiente l'acqua con eventuale aggiunta di sostanze tensioattive (previa valutazione degli effetti che le stesse possono avere sull'oggetto da pulire).

Un effetto collaterale della cavitazione, a causa dell'energia rilasciata, è il riscaldamento dell'acqua con l'uso per cui è necessario interrompere il trattamento in caso di materiali sensibili al calore.

La maggior parte dei materiali duri, non assorbenti (metalli, plastica etc.) e non attaccabili chimicamente dal fluido di lavaggio possono essere sottoposti al trattamento ad ultrasuoni. Fra questi si distinguono componenti elettronici, cavi, oggetti vari in plastica, vetro, alluminio o ceramica.

Conclusioni

Per quanto riguarda l'impiego di pulitrici ad ultrasuoni con penne stilografiche, viste le considerazioni sopra esposte, si può dire che questi strumenti siano adeguatamente sicuri, ma si deve sempre tenere conto che:

  • si tratta di un sistema di pulizia meccanica che comporta il rilascio di quantità sensibili di energia, quindi se il materiale da pulire dovesse presentare micro-cricche od indebolimenti strutturali localizzati, si potrebbero verificare rotture. Comunque ad ogni ciclo di pulizia il materiale subisce uno stress meccanico;
  • la cavitazione amplifica gli effetti pulenti di eventuali sostanze chimiche aggiunte all'acqua (e questo può essere bene) ma amplifica anche la eventuale aggressività verso particolari materiali (e questo è un male). Quindi bisogna prestare particolare attenzione alla scelta delle sostanze pulenti da impiegare;
  • non tutti i materiali con cui sono realizzate le penne stilografiche sono adatti ad essere trattati in una pulitrice ad ultrasuoni.

In conclusione una pulitrice ad ultrasuoni è un ottimo strumento di intervento/riparazione per la risoluzione di un problema altrimenti non risolvibile, ma il suo utilizzo come mezzo di pulizia periodico sottopone la penna ad uno stress meccanico forse non giustificabile. D'altro canto, l'impiego della dovuta diligenza nell'uso quotidiano di una penna stilografica e nella sua manutenzione non dovrebbe rendere necessario l'impiego di mezzi stressanti di pulizia.

Bibliografia

  1. Paul Wahal - Put sound waves to work in your workshop in Popular Science, March 1970.
  2. Yuanxiang Yang, Qianxi Wang, and Soon Keat Tan - The roles of acoustic cavitations in the ultrasonic cleansing of fouled micro-membranes in Journal of Acoustical Society of America vol. 133 issue 5, May 2013.
  3. Arnim Henglein, Maritza Gutierrez - Sonochemistry and sonoluminescence: effects of external pressure in The Journal of Physical Chemistry vol. 97 issue 1, Jan 1993
  4. Andrew J. Coleman, John E. Saunders, Lawrence A. Crum, Mary Dyson - Acoustic cavitation generated by an extracorporeal shockwave lithotripter in Ultrasound in Medicine and Biology vol 13 issue 2, Feb 1987
  5. Lawrence Azar - Cavitation in Ultrasonic Cleaning and Cell Disruption in Controlled Environments Magazine - Jan, 2009.
  6. Charlie Simpson - Bearing the Load in CleanTech 2, 2, 2002.