Ultraschall-Prinzip

Technologie
Zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen werden piezokeramische Wandlersysteme eingesetzt. Diese sind mit der Schwingwanne verklebt und enthalten eine piezokeramische Scheibe, die sich bei Anlegen einer Spannung ausdehnt oder zusammenzieht. Zur Erzeugung von Ultraschall wird ein Hochfrequenzgenerator verwendet, der die Netzfrequenz von 50 Hz auf mindestens 20 kHz umsetzt. Die Resonanzfrequenz eines Ultraschall-Schwingungssystems wird durch die Baugruppe festgelegt und kann nach der Herstellung nicht mehr verändert werden.

Frequenzen
Üblich sind Frequenzen von 20 kHz bis 400 kHz. Niedrige Frequenzen um 20 kHz erzeugen Blasen mit größerem Durchmesser und stärkerer Penetration, während höhere Frequenzen ab 35 kHz eher für die intensive und schonende Reinigung von Oberflächen geeignet sind. Die derzeit übliche Frequenz für Partikel mit einem Durchmesser von mehr als 1 µm liegt bei etwa 200 kHz. Der Frequenzbereich über 400 kHz bis 1,2 MHz wird in der Fachliteratur auch als Megaschall bezeichnet. Dabei werden Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 1 µm optimal abgelöst. Die erforderliche Frequenz wird durch die kleinste Öffnung oder Struktur bestimmt, die durch den Schall gereinigt werden kann.

Anmeldung
Die Verwendung von Lösungsmitteln, Säuren oder Laugen unterstützt die Reinigungswirkung von Ultraschallbädern erheblich. Insbesondere muss die Oberflächenspannung des Wassers mit einem geeigneten Reinigungspräparat herabgesetzt werden, um eine effektive Ultraschallreinigung zu ermöglichen. Als Reinigungsmittel werden keine brennbaren Flüssigkeiten verwendet, da durch Ultraschall immer Wärme in die Flüssigkeit eingebracht wird, die bei Überschreiten der Zündtemperatur zur Entzündung der Badflüssigkeit führen kann. Ultraschallbäder werden auch in der Probenvorbereitung eingesetzt, um biologische Substanzen im analytischen Labor zu spalten, d.h. zu fragmentieren. Ultraschallbäder werden zum Aufbrechen von Zellen oder zum Scheren von DNA verwendet.

Ultraschallgeräte
Ultraschallreinigungsanlagen werden häufig zur Reinigung kleiner, komplexer und fein strukturierter Bauteile eingesetzt. So verwenden beispielsweise Juweliere, Goldschmiede, Zahntechniker, Uhrmacher und Optiker Ultraschallreinigungsbäder zur Reinigung ihrer Produkte. In der medizinischen Industrie werden Hochleistungs-Ultraschallbäder für die Aufbereitung von chirurgischen Instrumenten eingesetzt. Blut- und Geweberückstände können effektiv aus den Gelenken der Instrumente gelöst werden. Darüber hinaus verkürzt Ultraschall die erforderliche Einwirkzeit von Desinfektionsmitteln. In der Automobilindustrie werden Ultraschallbäder zur Reinigung von Vergasern, Zündkerzen und Einspritzdüsen eingesetzt. Größere, industrielle Ultraschallreinigungsanlagen werden zur Reinigung von Rohteilen, z. B. für die Oberflächenveredelung (Galvanik), eingesetzt.

Struktur
Das System besteht aus einer mit Flüssigkeit gefüllten, eventuell beheizbaren Wanne, einem oder mehreren Ultraschallwandlern oder Ultraschallschwingern und einem Generator, der den oder die Wandler mit elektrischer Hochfrequenzenergie versorgt. Die Schallwandler können sowohl direkt an der Außenseite der Wände als auch unter dem Boden des Tanks angebracht werden. Bei dieser Konstruktion wird der Ultraschall dann über die Wände und/oder den Boden direkt in die Flüssigkeit eingeleitet. Eine weitere Variante ist der so genannte Tauchschwinger, der in der Flüssigkeit schwebt oder an Gestellen im Tank befestigt ist. Schließlich gibt es noch Plattenschwinger, die an eine entsprechende Öffnung in der Tankwand angeflanscht werden. Die Geräte sind in der Regel aus rostfreiem Stahl gefertigt. Die Anordnung und Verteilung der Schallwandler muss so sein, dass ein gleichmäßig starkes, nicht statisches Schallfeld erzeugt wird. In einigen Fällen wird die Frequenz moduliert, um stehende Wellen zu vermeiden. Auch eine Funktion zur Entgasung der Reinigungsflüssigkeit ist nicht unüblich. Hier wird die Ausgangsleistung des Geräts gepulst, damit Gasblasen an die Oberfläche aufsteigen können. Hintergrund ist die schlechte Bildung von Kavitationsblasen in Anwesenheit von Gasblasen, da diese die Leistung absorbieren würden. Die für ein gutes Reinigungsergebnis erforderliche Mindestschallleistung beträgt etwa 10-20 Watt pro Liter Reinigungsflüssigkeit. Die Schallgeneratoren benötigen einen Mindestabstand von 1 – 2 cm, um ein homogenes Schallfeld zu erzeugen. Der Kontakt von Personen mit einem aktiven Ultraschallbad führt zu einem Angriff auf die Zellstruktur und muss vermieden werden.