Cơ chế xâm thực của năng lượng bóng khí tạo ra khi sóng siêu âm lan truyền trong nước đã mang lại hiệu quả làm sạch không ngờ thể hiện ở khả năng đánh bật vết bẩn tại những vị trí mà các
TỔNG QUAN VỀ SIÊU ÂM VÀ THIẾT BỊ LÀM SẠCH BẰNG SÓNG SIÊU ÂM
Cơ sở lý thuyết về siêu âm
1.1.1 Khái niệm sóng siêu âm
Sóng siêu âm là sóng cơ học có bước sóng cực ngắn - thường ngắn hơn 2 cm trong không khí Sóng siêu âm có tần số lớn hơn ngưỡng nghe của con người
(16 kHz) thường trên 20 kHz (hình 1.1) [6] Môi trường truyền của sóng siêu âm có thể là không khí, nước, kim loại Công suất, cường độ và mật độ năng lượng là những thông số quan trọng của siêu âm ảnh hưởng trực tiếp đến những ứng dụng có sử dụng sóng âm này
Hình 1.1 Sóng âm trong đời sống [8]
Kỹ thuật siêu âm thường được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như xác định kết cấu, độ nhớt, hàm lượng chất rắn và chất lỏng; khử khí của thực phẩm lỏng; phân tán vật liệu polyme; phá vỡ các tế bào; sản xuất nhũ tương cũng như gây ra sự vô hiệu hóa enzyme [7] Ngoài ra, sóng siêu âm còn được ứng dụng rất nhiều trong các công việc như hàn kim loại, gia công cơ khí bằng cách loại bỏ phoi kim loại, kiểm tra kim loại, phát hiện, chẩn đoán và điều trị trong y học, truyền tín hiệu,… và đặc biệt hiệu quả trong công việc làm sạch các dụng cụ nhiều chi tiết có khớp nối
Công nghệ siêu âm đã ra đời và phát triển sau khi phát hiện ra hiệu ứng áp điện của hai nhà vật lý người Pháp là Jacques và Pierre Curie được công bố vào năm 1880 [9] Các nhà nghiên cứu đã phát hiện một loại vật liệu khi được kéo dãn dưới một lực cơ học có thể sản sinh ra điện tích trên bề mặt vật liệu Vật liệu đó gọi là vật liệu áp điện Các vật liệu áp điện đầu tiên được ứng dụng là các tinh thể tự nhiên như thạch anh và muối Rochelle Sau đó, nhiều loại vật liệu áp điện nhân tạo đã được nghiên cứu và phát triển với nhiều ưu điểm hơn so với các loại vật liệu tự nhiên, điển hình có thể kể đến vật liệu gốm áp điện dựa trên Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) Vật liệu áp điện đã được ứng dụng rộng rãi ở rất nhiều lĩnh vực như quân sự khi được dùng làm cảm biến dò tìm, phát hiện tàu ngầm hay sử dụng như một nguồn phát siêu âm Tuy nhiên vật liệu áp điện (Piezoelectric Transducer - PZT) lúc đó có thành phần chứa chì độc hại gây ô nhiễm môi trường Do đó ngày nay, các nhà nghiên cứu đã phát triển các loại vật liệu không chứa chì với các tính chất ngày càng được cải thiện và thậm chí hơn so với vật liệu PZT thời sơ khai, tuy nhiên xét về hiệu suất tổng thể thì chưa bằng, có thể kể đến một số vật liệu phổ biến như vật liệu gốm sắt điện dựa trên (K, Na)NbO3 (KNN), (Bi1/2Na1/2)TiO3 (BNT),… [10]
Về đặc điểm tính chất của vật liệu áp điện, cấu trúc thường có dạng Perovskite (hình 1.2) Vật liệu dạng Perovskite có công thức là ABO3, có cấu trúc dạng lập phương trong đó có các nguyên tố A nằm ở các đỉnh của hình lập phương, nguyên tố B nằm ở tâm của hình lập phương, các nguyên tố Oxy nằm ở tâm các mặt bên của hình lập phương Các phần tử trong vật liệu có tính đối xứng với nhau, đường nối tâm các điện tích + và - trùng nhau và trung hòa về điện
Hình 1.2 Cấu trúc vật liệu áp điện [11]
Về nguyên lý hoạt động của vật liệu áp điện, do vật liệu dạng Perovskite có thể chuyển từ cấu trúc hình lập phương này (a=b=c) sang cấu trúc hình Tetragonal (a=b≠c), trọng tâm các điện tích âm và dương lệch nhau một khoảng cách d, từ đó tạo ra momen lưỡng cực 𝑝⃗ = 𝑞𝑑⃗ Các momen lưỡng cực này có định hướng song song với nhau tạo thành một vùng được gọi là vùng domain (hình 1.3) Trong một vùng domain, momen lưỡng cực sẽ khác 0 nên tổng của các momen lưỡng cực trong một vùng domain cũng sẽ khác 0 Tuy nhiên, trong toàn bộ khối vật liệu thì các domain này lại định hướng ngẫu nhiên trong không gian, mỗi một vùng domain lại định hướng theo một chiều khác nhau nên xét toàn bộ khối vật liệu thì tổng vector momen lưỡng cực sẽ bằng 0
Hình 1.3 Vùng domain và định hướng domain theo điện trường [12]
Hình 1.4 Hiện tượng áp điện ngược [12]
Khi vật liệu áp điện được đặt trong một điện trường dưới tác dụng của lực điện trường sẽ làm quay vector momen lưỡng cực theo chiều của điện trường, khi đó vật liệu sẽ biến dạng theo chiều điện trường Hiện tượng này gọi là hiện tượng áp điện ngược (hình 1.4) Hiện tượng này đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó hiện tượng này có vai trò quan trọng trong nghiên cứu phát triển phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm
Trong vật liệu áp điện cần chú ý đến một số đại lượng vật lý đặc trưng sau:
- Hằng số điện môi: phụ thuộc vào tính chất của điện môi của vật liệu
- Nhiệt độ Currie Tc: nhiệt độ chuyển pha của vật liệu, tại nhiệt độ này vật liệu sẽ mất đi độ phân cực hay nói cách khác là nó mất đi tính áp điện
- Tan 𝛿: Độ tổn hao điện môi: Tham số này đánh giá sự tổn hao năng lượng dưới tác dụng của điện trường ngoài 𝛿 càng nhỏ càng tốt, tổn hao sẽ càng ít
Nếu vật liệu hoạt động ở tần số cao, vật liệu sẽ tỏa nhiệt lượng lớn, khi vật liệu hoạt động ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie thì vật liệu sẽ mất đi tính áp điện và nó có thể gây hư hỏng thiết bị.
Phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm
Sóng siêu âm ban đầu được áp dụng để làm sạch bề mặt trong ngành công nghiệp điện tử tuy nhiên hiện nó đã dần được ứng dụng cho các ngành khác như y học, thực phẩm, trang sức… [13] Sóng siêu âm làm bất hoạt vi sinh vật bằng cách thúc đẩy sự phát triển của bong bóng tạo bọt trong môi trường chất lỏng và truyền chúng qua cấu trúc tế bào Đối với các dụng cụ y tế thường có lỗ, rãnh, khe và lỗ sâu, nhỏ, v.v khó mà làm sạch bằng thủ công, công nghệ rửa siêu âm càng thể hiện được tính hiệu quả của mình Miễn là không gian đủ để các bóng khí có thể xâm nhập, khu vực đó có thể được làm sạch Ngoài ra, dụng cụ y tế thường được làm bằng kim loại, thủy tinh, nhựa và các vật liệu khác có khả năng phản xạ âm thanh mạnh nên tác dụng của công nghệ rửa này càng rõ ràng hơn Vì vậy, so với phương pháp làm sạch truyền thống, dùng sóng siêu âm để làm sạch thiết bị y tế có ưu điểm vượt trội hơn hẳn [4]
Hiệu quả làm sạch của sóng siêu âm phụ thuộc vào các thông số vật lý như tần số siêu âm, công suất, phân bố trường siêu âm, đặc tính của dung dịch tẩy rửa, thời gian tác động, hình dạng vết bẩn cần làm sạch, đặc tính âm thanh, v.v
1.2.1 Cơ chế làm sạch của sóng siêu âm
Nguyên tắc làm sạch chính của sóng siêu âm là dựa trên hiệu ứng xâm thực của các bọt khí trong môi trường chất lỏng để loại bỏ các hạt bụi bẩn, các mảng bám tồn tại trên bề mặt dụng cụ Khi sóng siêu âm truyển qua môi trường nước, các bọt khí hình thành theo hai giai đoạn chính là giai đoạn tăng trưởng, hấp thụ năng lượng và giai đoạn bóng khí vỡ ra, giải phóng năng lượng để đánh bật các chất bẩn khỏi bề mặt cần làm sạch Để giải thích rõ hơn về cơ chế hoạt động của tạo bọt siêu âm, Hallez [14] đã dùng nhiều phương pháp khác nhau chẳng hạn như hydrophone và sắc ký laser để mô tả sự phân bố của các trường sóng siêu âm Kết quả cho thấy rằng sóng siêu âm liên tục bị phản xạ và chồng lên nhau trong buồng phản ứng, tạo ra hiệu ứng sóng dừng dẫn đến sự phân bố trường âm thanh rất không đồng đều và hình thành “vùng nghèo bọt khí” Ngoài ra, hình dạng của đầu phát siêu âm ảnh hưởng đáng kể đến các đặc điểm phân bố trường vật lý và hiệu ứng xâm thực [15]
Theo Vanhille [16], đám bọt khí chủ yếu chịu tác dụng của lực Bjerknes (biểu thức 1.2) gây ra bởi gradient áp suất ∇𝑃 của bong bóng dao động có thể tích
V, kết quả cho thấy lực Bjerknes phụ thuộc vào tần số cộng hưởng của hệ thống và có ảnh hưởng đáng kể đến chuyển động bóng khí
Sajjadi [17] đã nghiên cứu ảnh hưởng của năng lượng siêu âm đối với phần thể tích và kiểu dòng chất lỏng của các bóng khí, đồng thời phân tích mô phỏng quá trình hình thành và đặc điểm động học của chúng Phân tích mô hình toán học cho thấy công suất siêu âm ảnh hưởng đáng kể đến điều kiện hình thành và vận tốc dao động của các bóng khí, tổng khối lượng bóng khí tăng khoảng 4,95% cho mỗi lần tăng 100 W công suất siêu âm
Hình 1.5 Cơ chế tạo bọt khí xâm thực [18]
Nếu áp suất tĩnh của chất lỏng là P0, biên độ của áp suất âm là Pm, áp suất hơi là Pv, hệ số căng bề mặt là σ và bán kính ban đầu của hạt nhân tạo bọt là R0 Khi đó áp suất âm chỉ có thể xảy ra khi Pm > P0, và hiện tượng xâm thực chỉ xảy ra khi áp suất âm vượt quá độ bền kết cấu của chất lỏng Khi áp suất âm thanh đạt đến ngưỡng tạo bọt khí, Ic (cường độ hoặc biên độ âm thanh thấp nhất mà tại đó xảy ra tạo bọt khí trong chất lỏng) có thể được biểu thị bằng biểu thức 1.3 [4]:
Có thể thấy rằng ngưỡng xâm thực có liên quan đến loại chất lỏng, nhiệt độ, áp suất, bán kính bóng khí và hàm lượng khí Khi xảy ra hiện tượng xâm thực, các bong bóng khí sinh ra dưới tác dụng của áp suất âm thanh bị co dãn liên tục đến một ngưỡng xác định sẽ vỡ ra và tạo ra sóng xung kích có nhiệt độ và áp suất hàng nghìn atm cục bộ, đủ cao để phá vỡ chất bẩn trên bề mặt làm việc, quá trình được mô tả như hình 1.5 Trên thực tế, các yếu tố ảnh hưởng của cường độ xâm thực rất phức tạp, nó liên quan đến môi trường chất lỏng xung quanh, tần số sóng và áp suất siêu âm, kích thước bong bóng, v.v [4] [18]
1.2.2 Ưu nhược điểm của công nghệ làm sạch siêu âm Đã có nhiều công trình đánh giá ưu, nhược điểm của công nghệ làm sạch bằng siêu âm khi ứng dụng trong ngành y tế Huang Qingjuan đã thảo luận về chất lượng làm sạch của tay khoan nha khoa bằng dung dịch đa enzym kết hợp với làm sạch siêu âm 137 tay khoan nha khoa đã sử dụng được tháo rời, ngâm trong dung dịch đa enzym từ 10 đến 20 phút, sau đó làm sạch bề mặt bên ngoài của dụng cụ bằng bàn chải, bên trong được rửa bằng súng nước áp lực cao Sau đó đặt lô dụng cụ này vào máy làm sạch siêu âm ở 40°C trong 7 phút, rửa bằng nước tinh khiết phun với áp lực cao, ngâm dầu bôi trơn tan trong nước khoảng 30 giây Cuối cùng, sấy khô dụng cụ Kết quả cho thấy hơn 98% số tay khoan có bề mặt, khớp nối và răng của thiết bị sáng bóng, không có vết ố hay vết rỉ sét, không có hạt bụi bẩn được kiểm chứng bằng phần mềm chụp ảnh trên điện thoại di động có chức năng zoom và được quan sát bằng mắt thường thông qua kính lúp Do đó, dung dịch đa enzym kết hợp với làm sạch siêu âm có thể loại bỏ triệt để chất bẩn trong các dụng cụ nha khoa [4]
Một nghiên cứu khác của Cheng Yu khi rửa sạch 400 ống hút kim loại Chia ngẫu nhiên các ống hút này thành nhóm thử nghiệm và nhóm đối chứng, mỗi nhóm
200 ống hút Nhóm thực nghiệm: Rửa sạch bằng súng nước áp lực cao kết hợp với dung dịch đa enzyme trong 10 phút, sau đó cho ống hút vào máy rửa siêu âm tự động cũng dùng dung dịch đa enzyme trong 10 phút, rửa lại bằng nước tinh khiết trong 5 phút Rửa sạch với nước trong 10 phút, khử trùng và bôi dầu trong 10 phút, và sấy khô ở 90°C trong 20 phút Nhóm đối chứng tuân theo quy trình tương tự như nhóm thử nghiệm ngoại trừ việc không làm sạch bằng siêu âm Kết quả cho thấy tỷ lệ dụng cụ đạt tiêu chuẩn về độ sạch của thiết bị ở nhóm thực nghiệm là 99%, cao hơn nhiều so với nhóm đối chứng (60%) Do đó, việc làm sạch bằng siêu âm đa enzyme có thể loại bỏ hiệu quả máu và bụi bẩn còn sót lại trên dụng cụ [4]
Khảo sát một số nghiên cứu khoa học đánh giá về tính hiệu quả làm sạch bằng sóng siêu âm cho thấy các ưu điểm nổi bật của phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm so với phương pháp truyền thống như sau :
- Hiệu quả làm sạch cao hơn
- Làm sạch các bề mặt khó tiếp cận
- Tốc độ làm sạch nhanh hơn
- Sử dụng ít hóa chất hơn
- Với chức năng gia nhiệt, hiệu quả làm sạch cao hơn
Ngoài những ưu điểm vượt trội của phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm, vẫn còn tồn tại những hạn chế như với một số dụng cụ được làm bằng vật liệu đặc biệt có thể bị hư hỏng bởi sức mạnh của bọt sóng siêu âm tạo ra do bị ăn mòn sau khi tiếp xúc lâu với sự xâm thực của các bọt khí Tuy nhiên, sự ăn mòn do năng lượng siêu âm gây ra có thể được giảm thiểu bằng cách giảm công suất và thời gian làm sạch của máy làm sạch siêu âm
1.2.3 Yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả làm sạch của sóng siêu âm Để đạt được hiệu quả làm sạch cao như vậy, việc làm sạch bằng sóng siêu âm cần phải chú ý đến các yếu tố như thời gian hoạt động, nhiệt độ và hóa chất tẩy rửa Bên cạnh đó, vì quá trình làm sạch bằng sóng siêu âm phụ thuộc vào năng lượng sóng xung kích từ sự nổ của các bong bóng khí, nên tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ và số lần nổ của bong bóng khí trong chất lỏng đều ảnh hưởng tới hiệu quả làm sạch của sóng siêu âm a Ảnh hưởng của kích thước và số lượng bong bóng khí
Lượng năng lượng giải phóng trong quá trình nổ bong bóng có liên quan đến kích thước của nó Các bong bóng kích thước lớn hơn giải phóng nhiều năng lượng hơn trong quá trình nổ so với các bong bóng kích thước nhỏ Nói chung, việc giải phóng năng lượng nổ có lợi cho quá trình làm sạch bằng sóng siêu âm Tuy nhiên, quá nhiều năng lượng được giải phóng bởi các bong bóng kích thước lớn hoặc dư thừa trong một số trường hợp, có thể gây ra thiệt hại cho các dụng cụ nhạy cảm, dễ bị hư hại [20] b Ảnh hưởng của hóa chất tẩy rửa
Hóa chất làm sạch (chất tẩy rửa) là hỗn hợp tổng hợp nhân tạo của các thành phần nước và chất hóa học có khả năng làm sạch Có nhiều loại chất tẩy rửa khác nhau có sẵn trên thị trường có thể hỗ trợ trong việc làm sạch bằng sóng siêu âm Theo hướng dẫn của AAMI, các đặc tính quan trọng của một chất làm sạch lý tưởng bao gồm:
- Có khả năng phân hủy sinh học;
- Có thời hạn sử dụng lâu dài;
Ngoài ra, bất kỳ loại hóa chất nào cũng phải dễ dàng được loại bỏ khỏi vật dụng bằng cách rửa sạch bằng nước có sẵn với các đặc tính cụ thể để vật phẩm không giữ lại các hóa chất còn sót lại với lượng có thể gây hư hại đến thiết bị, dụng cụ làm sạch hoặc có thể tạo ra các nguy hại khác
Tổng quan về thiết bị làm sạch bằng sóng siêu âm
Trên thế giới đã có nhiều hãng sản xuất máy rửa siêu âm như Skymen, Elma- Đức, Sturdy-Đài Loan, Jeiotech-Hàn Quốc… Các thiết bị làm sạch bằng sóng siêu âm đều có thể được chia thành ba phần chính như trong hình 1.9:
- Đầu phát siêu âm là bộ phận tạo ra sóng âm
- Nguồn phát công suất siêu âm: sử dụng để cung cấp điện cho đầu phát
- Khoang rửa siêu âm: chứa chất lỏng tẩy rửa và là nơi truyền sóng
Hình 1.9 Cấu tạo thành phần máy rửa siêu âm Ngoài ra, thiết bị có thể có thêm bộ phận gia nhiệt để tăng hiệu quả làm sạch
1.3.1 Cấu tạo thành phần của máy rửa siêu âm
1.3.1.1 Đầu phát siêu âm Đầu phát siêu âm là một bộ chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ học, khi đầu phát siêu âm hoạt động sẽ tạo ra sóng siêu âm lan truyền trong môi trường chất lỏng Cấu tạo của đầu phát công suất siêu âm được thể hiện như trên hình 1.10
Hình 1.10 Cấu tạo đầu phát siêu âm [24]
Các đầu phát như vậy bao gồm hai khối kim loại (M1, M2), giữa chúng được kẹp vào vật liệu của tấm gốm áp điện Các khối và tấm kim loại được cố định với nhau bằng một hoặc nhiều vít Giữa vít và khối vật liệu áp được phủ chất cách điện để tránh ngắn mạch giữa hai điện cực đặt vào vật liệu áp điện gây hư hỏng đầu phát Các khối kim loại M1, M2 thường được làm bằng thép không gỉ có độ cứng cao để có thể chịu được các dao động cơ học cao do vật liệu áp điện gây ra ở
Giao tiếp người - máy Điều khiển công suất phát siêu âm
44 tần số cao Các vật liệu áp điện được sử dụng là chì zirconate titanate (PZT) và bari zirconate titanate (BZT)
Hoạt động của đầu phát dựa trên nguyên lý chuyển đổi trực tiếp dòng điện xoay chiều (AC) thành năng lượng cơ học gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo Cụ thể, khi đặt một điện áp xoay chiều lên vật liệu áp điện, nó sẽ dao động với tần số bằng với tần số mà nguồn điện áp tạo ra Khi vật liệu áp điện được đặt lên bề mặt kim loại, tấm kim loại đó sẽ dao động cùng tần số với vật liệu áp điện, Khi đó, sẽ có một năng lượng cơ học sinh ra sóng âm lan truyền trong không gian Hình 1.11 mô tả nguyên lý tạo ra sóng âm của vật liệu áp điện dựa trên trên hiệu ứng áp điện ngược
Hình 1.11 Nguyên lý hoạt động của vật liệu áp điện tạo sóng âm [25] Ưu điểm chính của việc sử dụng đầu dò áp điện là hiệu quả năng lượng của chúng Điều này là do sự chuyển đổi trực tiếp năng lượng điện thành năng lượng cơ học Năng lượng thất thoát từ quá trình chuyển đổi này, thường khoảng 5%, chỉ do ma sát bên trong và nhiệt Do đó, 95% năng lượng từ máy phát điện được đưa đến bể chứa và được sử dụng để làm sạch Hiệu quả tổng thể của máy làm sạch siêu âm sử dụng đầu dò áp điện là khoảng 70%
1.3.1.2 Nguồn phát công suất siêu âm
Nguồn phát công suất siêu âm là bộ phận chuyển đổi năng lượng điện một chiều thành dạng và công suất phù hợp với các đầu phát ở tần số hoạt động của nó Nguyên lý của nguồn phát công suất siêu âm được mô tả trong hình 1.12 Tần số điện sử dụng trong sản xuất hay sinh hoạt là 50 và 60 Hz, trong khi đó, tần số siêu âm nằm trong khoảng từ 20 kHz trở lên Bởi thế, đẩu ra của nguồn phát siêu âm phải thích hợp với loại tần số sóng siêu âm sẽ sử dụng
Hình 1.12 Nguồn phát công suất siêu âm [24]
Nguồn phát công suất siêu âm
Khoang rửa chứa dung dịch làm sạch và dụng cụ cần làm sạch Các đầu phát siêu âm có thể được gắn ở đáy hoặc cạnh bên của khoang Bể phải đủ bền để chống xói mòn do tạo bọt khí nổ và phải chống ăn mòn để chống lại sự tấn công của hóa chất từ dung dịch tẩy rửa Do đó, vật liệu chế tạo khoang rửa siêu âm thường là inox, trong y tế là inox 304
Hình 1.13 Khoang rửa của một máy làm sạch bằng sóng siêu âm
1.3.2 Các chế độ rửa cơ bản của máy làm sạch bằng sóng siêu âm
Qua khảo sát các máy rửa siêu âm hiện có trên thị trường, máy rửa siêu âm hoạt động ở hai chế độ chính là: Khử khí (Degas/ AutoDegas), Quét (Sweep) Các chế độ này có thể hoạt động đơn lẻ hoặc kết hợp với nhau, với dung dịch tẩy rửa và bộ phận gia nhiệt để tăng hiệu quả làm sạch Ngoài ra, máy rửa của hãng Elma dòng P còn có nhúng thêm chế độ chạy xung PULSE.
1.3.2.1 Chế độ khử khí (Degas/ AutoDegas)
Chế độ khử khí có tác dụng đẩy nhanh quá trình loại bỏ khí có trong dung dịch làm sạch bằng cách tạo xung các khoảng nghỉ ngắn trong chu kỳ siêu âm, cho phép các bóng khí kết hợp nổi lên trên và vỡ ra
Do có nhiều dụng cụ, sản phẩm có nhiều hình dạng kích thước khác nhau nên khi ta thả các vật dụng này vào bể sẽ có thể hình thành nên các lớp bọt khí bám quanh bề mặt vật dụng gây cản trở cho các bọt khí xâm thực vào các vết bẩn khiến cho các vết bẩn khó bị đánh bật ra khỏi bề mặt vật dụng
Một nghiên cứu của Liu và các cộng sự về ảnh hưởng của hàm lượng không khí trong nước đến trường xâm thực siêu âm cho thấy việc giảm hàm lượng khí ở một mức độ nhất định có thể thúc đẩy đáng kể hiệu ứng tạo bọt do ảnh hưởng của không khí, tuy nhiên, khi nồng độ khí đạt đến giá trị nhất định (4,32 mg/L), tiếp tục giảm hàm lượng khí sẽ làm giảm lượng nhân xâm thực trong chất lỏng, làm cho hiệu ứng xâm thực yếu đi một phần Hàm lượng oxy trong phạm vi tối ưu là khoảng 3,17–5,02 mg/L cho cả cường độ tạo bọt và tính đồng nhất Do đó, cần cho máy rửa hoạt động ở chế độ khử khí (Degas) giúp loại bỏ các bọt khí thừa vẫn còn bám trên bề mặt vật rửa [26] Ở chế độ Degas, tốc độ truyền xung chậm hơn và biên độ sóng thấp hơn, quá trình khử khí của chất lỏng xảy ra nhanh hơn làm các bong bóng khí dễ dàng kết hợp lại và có cơ hội nổi lên trên bề mặt chất lỏng trong thời gian năng lượng siêu âm đang tắt
Sau khi đã kết thúc quá trình khử khí, ta sẽ chuyển sang chế độ thông thường (Pulse) Ở chế độ Pulse, tốc độ xung nhanh hơn và biên độ sóng cao hơn, quá trình làm sạch có thể được tăng cường khi năng lượng siêu âm được hấp thụ nhiều hơn khiến các bọt khí vỡ ra sản sinh áp lực lớn hơn, năng lượng cao lặp đi lặp lại mỗi lần bật nguồn năng lượng như mô tả trong hình 1.14
Hình 1.14 Dạng sóng đầu ra của chế độ xung [27]
Chế độ quét có tác dụng đảm bảo vật dụng sẽ được tầy rửa đồng đều tại mọi vị trí Một số nguồn phát công suất chỉ có thể cung cấp tần số cố định, trong khi những nguồn khác có thể cung cấp tần số quét Sử dụng một tần số cố định sẽ tạo ra các điểm tập trung nhiều bọt khí và những vùng trống không chứa bọt khí nào Các điểm tập trung có hoạt động xâm thực cao hơn, có thể làm xói mòn bề mặt của các bộ phận mỏng manh Mặt khác, vùng trống là những vùng không tạo ra bọt khí nên dụng cụ ở những vùng này không thể được làm sạch Để giải quyết những vấn đề này, thiết bị rửa phải chạy ở chế độ quét (sweep) Trong chế độ quét, tần số đầu ra của máy phát siêu âm được điều biến xung quanh tần số trung tâm (hình 1.15)
Hình 1.15 Dạng sóng ngõ ra của chế độ quét (Sweep) [27]
1.3.3 Phân loại máy làm sạch siêu âm
Về cách phân loại máy làm sạch siêu âm, tùy trên phương diện đánh giá mà ta sẽ phân loại theo nhiều hướng khác nhau: kết cấu, quy mô, ngành nghề, mục đích sử dụng Về cấu trúc một máy rửa siêu âm, ta có thể phân thành hai loại chính:
- Máy làm sạch siêu âm một bể: Máy làm sạch siêu âm một bể là máy độc lập phù hợp để làm sạch các bộ phận vừa và nhỏ Các thiết kế tiên tiến hơn sử dụng các thùng chứa đơn có nhiều chức năng bằng cách kết hợp các bước làm sạch, rửa
Kết luận
Chương I đã trình bày cơ sở lý thuyết về sóng siêu âm và hiệu ứng áp điện hình thành nên sóng siêu âm Phương pháp làm sạch hiệu quả bằng sóng siêu âm cũng đã được trình bày với cơ chế làm sạch chính là hiện tượng tạo bọt khí xâm thực Cấu tạo, cấu trúc cũng như cách phân loại của một máy rửa siêu âm đã được trình bày rõ ràng
Từ những chỉ tiêu kỹ thuật của thiết bị rửa dụng cụ y tế, dụng cụ thí nghiệm kết hợp với việc phân tích, nghiên cứu từng thành phần bộ phận cũng như chức năng hoạt động của máy làm sạch bằng sóng siêu âm, nhằm làm chủ công nghệ làm sạch bằng sóng siêu âm và nội địa hóa sản phẩm, trong đề tài này, em xác định bài toán đặt ra là thiết kế, chế tạo mô hình máy rửa siêu âm dạng đơn với các thông số kỹ thuật được chỉ ra trong bảng 1.3:
Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của mô hình thiết bị rửa của đề tài
Thông số kỹ thuật Đơn vị Yêu cầu
3 Thời gian thiết lập phút 1÷99
4 Công suất siêu âm hiệu dụng W ≤ 120
6 Tần số siêu âm trung tâm kHz 40
7 Tự động khởi động chức năng siêu âm khi đạt nhiệt độ cài đặt
8 Các chế độ chạy và thông số cài đặt:
+ Cài đặt thời gian rửa siêu âm
+ Chế độ gia nhiệt nước (có gia nhiệt hoặc không) và nhiệt độ gia nhiệt nước)
9 Nguồn cung cấp VAC/Hz (220÷240) VAC/
10 Điều khiển thông qua màn hiển thị LED/LCD thân thiện với người sử dụng Có
12 Vật liệu chế tạo máy SUS304
THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÀM SẠCH BẰNG SÓNG SIÊU ÂM
Cơ sở và quan điểm thiết kế
Thiết bị rửa siêu âm đã được ứng dụng rất nhiều trong việc làm sạch dụng cụ thiết bị trong các cơ cở y tế hay các khu nghiên cứu thí nghiệm Thiết bị này dùng để làm sạch các dụng cụ y tế, dụng cụ thí nghiệm trong bước đầu tiên của quá trình chống nhiễm khuẩn Môi trường hoạt động của thiết bị là ở những nơi có độ ẩm cao, ngày ngày thiết bị phải tiếp xúc với hóa chất, do đó cần phải được thiết kế sao cho chịu được môi trường này Thêm nữa, thiết bị cần được thiết kế sao cho vừa thân thiện với môi trường vừa đảm bảo thuận tiện, dễ sử dụng đối với người dùng, đây là một trong những vấn đề không thể bỏ qua Trên cơ sở nghiên cứu các loại máy rửa dụng cụ, máy rửa siêu âm ở trong nước cũng như ngoài thế giới, quan điểm thiết kế sản phẩm của đề tài được đúc kết lại như sau:
- Phần cứng của thiết bị được xây dụng trên cơ sở các module với những linh kiện, nguyên liệu có chất lượng tốt
- Phần giao diện người dùng, điều khiển và phần nguồn cùng công suất được thiết kế rời, có cách ly các phần với nhau để giảm gây nhiễu sang nhau.
Thiết kế sơ đồ khối cho thiết bị
Thiết bị của đề tài có sơ đồ khối như hình 2.1:
Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị rửa siêu âm
Thiết bị rửa siêu âm bao gồm bốn khối chức năng chính:
- Khối điều khiển trung tâm: có nhiệm vụ điều hành toàn bộ chức năng của hệ thống từ điều khiển hệ tạo siêu âm, hệ gia nhiệt, giao diện người - máy
- Khối tạo siêu âm: bao gồm bộ phát công suất siêu âm và đầu phát siêu âm
- Khối gia nhiệt: bao gồm bộ phát công suất gia nhiệt và tấm gia nhiệt, có chức năng chính là làm nóng dung dịch rửa đạt đến nhiệt độ làm việc
- Khoang rửa: là khoang làm việc chính của thiết bị, đựng dung dịch rửa và các dụng cụ, sản phẩm cần làm sạch
Từ sơ đồ khối thiết bị rửa siêu âm cùng với những thông số kỹ thuật đã xây dựng được từ chương I, quá trình thiết kế các khối bộ phận của thiết bị rửa siêu âm được trình bày như sau.
Thiết kế khoang rửa siêu âm
Từ các thông số kỹ thuật yêu cầu đã đề ra ở chương I, đề tài đã lựa chọn sử dụng bồn rửa siêu âm có dung tích 4 lít với các kích thước dài x rộng x cao lần lượt là 20x10x20 cm Bể rửa có chất liệu làm bằng inox 304 (SUS304), đây là chất liệu có độ bền cao, chịu được các tác động từ môi trường, hoá chất do đó, người dùng có thể sử dụng nhiều loại dung dịch làm sạch khác nhau mà không ảnh hưởng đến tuổi đời sản phẩm Hình 2.2 mô tả khoang bể rửa được sử dụng trong hệ thống làm sạch bằng sóng siêu âm
Hình 2.2 Khoang rửa siêu âm SUS304
Với dung tích bể rửa đưa ra ban đầu, việc thiết kế cơ khí cho mảng siêu âm là rất quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động của máy cũng như tính hiệu quả làm sạch mà đề tài đã đưa ra ban đầu Với thiết bị có dung tích rửa là 4 lít, sau khi tính toán,ước lượng, khoang rửa sẽ có kích thước (rộng x dài x
51 cao) là 10x20x20 cm Với tấm đáy có kích thước 10 x 20 cm, khi thử nghiệm về cách bố trí các đầu phát siêu âm vào phần đáy bể chứa, khoảng cách bố trí giữa các đầu siêu âm là 10 cm để sóng siêu âm có thể truyền đến toàn bộ thể tích của bể chứa giúp đạt hiệu suất tối đa mà đầu phát siêu âm mang lại Sơ đồ bố trí đầu phát công suất siêu âm được mô tả qua hình 2.3
Hình 2.3 Sơ đồ bố trí đầu phát siêu âm
Trong phần thông số kỹ thuật đặt ra đối với thiết bị của đề tài, với tần số sóng siêu âm yêu cầu là 40 kHz, công suất siêu âm hiệu dụng