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.
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 scende improvvisamente al di sotto della tensione di vapore facendo creare una bolla che è stabile fino a che è 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 disontinuità, 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.[2] Questa onda d'urto è la responsabile dell'effetto pulente.
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 apparecchiaure 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 si genereranno 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.
Bibliografia
- ↑ Paul Wahal - Put sound waves to work in your workshop in Popular Science, March 1970
- ↑ 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.
- ↑ Arnim Henglein, Maritza Gutierrez - Sonochemistry and sonoluminescence: effects of external pressure in The Journal of Physical Chemistry vol. 97 issue 1, Jan 1993
- ↑ 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
- ↑ Lawrence Azar - Cavitation in Ultrasonic Cleaning and Cell Disruption in Controlled Environments Magazine - Jan, 2009
- ↑ Charlie Simpson - Bearing the Load in CleanTech 2, 2, 2002