超声波清洗液温度变化规律的研究

　　利用超声波进行清洗是功率超声应用的一个方面,其特点是:清洗速度快、质量高,易于实现自动化,特别适用清洗件表面形状复杂的细致清洗,可以用无任何污染的清洗液对待洗件进行清洗,某些场合可以用水代替油或有机溶剂进行清洗。对于需要用酸或碱清洗的某些零部件,用超声进行清洗可以降低成本和改善劳动条件,可广泛应用于电子、机械、医药和光学等行业中的半导体器件、印刷线路板、轴承、油泵油嘴、药瓶的清洗。在清洗过程中,由于超声空化的热效应,使得清洗液的温度不断升高,温度升高,空化核增多对产生空化有利,清洗效果好,但温度过高,气泡中的蒸汽压增大对空化不利,清洗效果差[1]。本文通过对超声波清洗过程中清洗液的温度进行测量,得出清洗液温度变化规律,这对于提高超声波清洗效果具有重要意义。

 　　1　超声空化效应产生的局部高温

　　超声清洗是功率超声应用最广泛的一种,其作用机理是超声空化效应。超声空化效应是指存在于液体中的微气泡(空化核)在超声波的周期作用下振动,当声压达到一定值时,气泡迅速增大然后突然闭合,在气泡闭合的瞬间产生激波和高温,破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中,从而达到利用超声波进行清洗的目的。

　　设在超声场作用的清洗液中有一孤立微气泡,半径已膨胀到最大值Rm,气泡内压强为Q,在周围液体挤压气泡过程中,半径收缩为R(t),气泡面的收缩速度为U(t),气泡闭合过程,可认为是一个绝热过程。在不考虑介质吸收的情况下,根据系统的能量守恒可得出气泡面闭合的速度为[2]:

　　式中,ρ为液体密度,p0为液体的静压强,γ为热容比。从(1)式可以看出:随着气泡压缩,速度逐渐加大,随后减速以至为零,半径到达最小值。且由条件可确定R的极值,气泡收缩的半径R有两个极值点,一个是在z=1处,另一个满足:

　　z=1,即R=Rm,对应的是极大值,也就是在开始时R等于最大半径Rmax。至于第二种情况,对应的是气泡半径极小值Rmin,若令Zn=Rmax/Rmin,由于RmaxmRmin,所以Znm1,将Zn代入(2)式可近似得出:

　　若取,则气泡的最小半径为:

　　从上式可看出:气泡内含气量愈少,Q值愈低,气泡闭合时的最小半径比最大半径就小得更多。

　　另外根据质点的连续方程和运动方程可得出:在半径为Rmin的气泡面上,应有:

　　显然气泡原来半径愈大,闭合时半径愈小,产生激波的压力也愈强。把(3)式代入(4)式中,可得:

　　若取,则气泡闭合时的最大压强近似为:

　　气泡闭合时,由于时间极短,可近似认为是一个绝热过程,由绝热方程,可得气泡闭合时在局部产生的温度为: