ES2708149A2

ES2708149A2 - Método y dispositivo para limpieza ultrasónica

Info

Publication number: ES2708149A2
Application number: ES201890083A
Authority: ES
Inventors: De Francisco Oscar Gonzalo; Miranda Jon Ander Sarasua; Bengoetxea Manu Goiogana
Original assignee: Fundacion Tekniker
Current assignee: Fundacion Tekniker
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2019-04-08
Anticipated expiration: 2037-06-14
Also published as: WO2017220420A1; ES2708149R1; EP3260209A1; ES2708149B2

Abstract

Método y dispositivo para limpieza ultrasónica. Un método para limpieza ultrasónica de una pieza (60, 600) que comprende: aplicar una solución de limpieza a una superficie (65, 650) de una pieza (60, 600) que hay que limpiar; mover (M) un dispositivo (10, 10', 100) que comprende un sonotrodo (4, 4', 40, 50) a lo largo de dicha superficie (65, 650), manteniendo una distancia (D) entre dicha superficie (65, 650) y la superficie de salida (4e, 4e', 40e, 50e) del sonotrodo (4, 4', 40, 50) más próxima a dicha superficie (65, 650); aplicar vibración ultrasónica (V) por la superficie de salida (4e, 4e', 40e, 50e) del sonotrodo (4, 4', 40, 50), en donde la vibración ultrasónica (V) aplicada tiene una cierta amplitud de vibración; como una consecuencia de dicha vibración ultrasónica (V), generar una columna homogénea lineal (20) de solución de limpieza entre dicha superficie de salida (4e, 4e', 40e, 50e) del sonotrodo (4, 4', 40, 50) y dicha superficie (65, 650) y exponer a cavitación dicha superficie (65, 650) en contacto con dicha columna homogénea lineal (20) de solución de limpieza, eliminando así suciedad (70) de dicha superficie (65, 650).

Description

DESCRIPCION

METODO Y DISPOSITIVO PARA LIMPIEZA ULTRASONICA

CAMPO TECNICO

La presente invencion se refiere al campo de la limpieza, tanto limpieza industrial como domestica. Mas precisamente, se refiere a metodos y sistemas para limpieza ultrasonica.

ESTADO DE LA TECNICA

Una limpieza ultrasonica es un proceso que usa ultrasonidos (normalmente entre 20 y 40 kHz) y un lfquido apropiado para limpiar artfculos. Los limpiadores ultrasonicos se usan para limpiar muchos tipos diferentes de objetos, incluyendo piezas opticas, instrumentos quirurgicos, herramientas, piezas industriales y equipo electronico. La limpieza ultrasonica puede usarse para una amplia gama de formas, tamanos y materiales de la pieza de trabajo. En la limpieza ultrasonica, el objeto que hay que limpiar se sumerge en un tanque metalico que contiene una solucion lfquida (en un disolvente acuoso u organico, dependiendo de la aplicacion). Un transductor generador de ultrasonidos construido dentro de la camara, o introducido en el lfquido, produce ondas ultrasonicas en el lfquido cambiando de tamano de acuerdo con una senal electrica que oscila a frecuencia ultrasonica. Estos elementos forman normalmente un circuito resonante. La senal electrica la produce una fuente electrica de alta frecuencia. La limpieza ultrasonica usa las burbujas de cavitacion inducidas por las ondas de presion (sonido) de alta frecuencia para agitar el lfquido. Durante la cavitacion, las burbujas de gas colapsan con enorme energfa, liberando intensas ondas de choque. Cuando las burbujas implosionan cerca de una superficie, tal como la superficie que hay que limpiar, puede tener lugar un colapso asimetrico, liberando fuertes chorros de agua. Ambos fenomenos contribuyen a eliminar la suciedad y a acelerar los procesos de disolucion qufmica. En otras palabras, la agitacion produce elevadas fuerzas sobre los contaminantes que se adhieren a sustratos tales como metales, plasticos, vidrio, goma y ceramica. Como lfquido apropiado pueden usarse agua o disolventes, dependiendo del tipo de contaminacion y de la pieza de trabajo. El uso de un disolvente apropiado para el artfculo que se va a limpiar y el tipo de suciedad presente normalmente mejoran el efecto de limpieza. Los contaminantes pueden incluir polvo, suciedad, aceite, pigmentos, oxido, grasa, algas, hongos, bacterias, escamas de cal, compuestos de pulido, agentes decapantes, huellas, hollh, cera y agentes de desmoldeo, suciedad biologica como sangre, y otros similares.

Una importante limitacion de los limpiadores ultrasonicos convencionales es que la pieza que hay que limpiar necesita estar completamente sumergida en el tanque que contiene el lfquido. Por lo tanto, los limpiadores ultrasonicos convencionales son inviables para piezas o dispositivos de gran tamano, o para estructuras no separables, tales como paneles de ventana de gran tamano, fachadas de edificio, suelos, etc.

El documento JP H06 2183337 A divulga un dispositivo portatil para limpieza ultrasonica de una pieza que no requiere la completa inmersion de la pieza dentro de un tanque lleno con solucion de limpieza. La limpieza se realiza mediante el soplado de agua con irradiacion ultrasonica hacia el objeto que hay que limpiar. El agua esta contenida en un deposito. Se forma un charco de agua entre el dispositivo ultrasonico y la superficie que hay que limpiar.

Por lo tanto es necesario desarrollar un metodo y un dispositivo nuevos para limpieza ultrasonica que supere los inconvenientes de los convencionales, es decir, que sean adecuados para limpieza ultrasonica de piezas o dispositivos de gran tamano y para estructuras no separables.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

Es un objeto de la presente invencion proporcionar un metodo y un dispositivo nuevos para limpieza ultrasonica que no requieran la inmersion de la pieza que hay que limpiar dentro de un tanque lleno con un lfquido. Basandose en los mismos principios que la limpieza ultrasonica convencional, el metodo y el dispositivo logran retirar la suciedad de grandes superficies (tales como metales, ladrillos, tejas...) sin inmersion.

En un primer aspecto de la invencion, se proporciona un metodo para limpieza ultrasonica de una pieza. El metodo comprende: aplicar una solucion de limpieza sobre una superficie de una pieza que hay que limpiar; mover a lo largo de dicha superficie un dispositivo que comprende un sonotrodo, manteniendo una distancia entre dicha superficie y la superficie de salida del sonotrodo mas proxima a dicha superficie; aplicar vibracion ultrasonica en la superficie de salida del sonotrodo, en donde la vibracion ultrasonica aplicada tiene una cierta amplitud de vibracion; como consecuencia de dicha vibracion ultrasonica, generar una columna homogenea lineal de solucion de limpieza entre dicha superficie de salida del sonotrodo y dicha superficie y exponer a cavitacion dicha superficie en contacto con dicha columna homogenea lineal de solucion de limpieza, eliminando asf la suciedad de dicha superficie.

En una realizacion particular, la amplitud de vibracion aplicada en la superficie de salida del sonotrodo depende de la amplitud de vibracion en la superficie de entrada de dicho sonotrodo y de la relacion entre la seccion transversal de entrada del sonotrodo y la seccion transversal de salida del sonotrodo.

La superficie de salida del sonotrodo esta preferentemente curvada, estando definida la superficie de salida por un radio r, en donde r = w/2, siendo w el ancho de la seccion transversal de salida del sonotrodo.

En una realizacion particular, la amplitud de vibracion aplicada en la superficie de salida del sonotrodo no excede un umbral por encima del que dicha solucion de limpieza se atomiza, siendo dependiente dicho umbral del tipo de solucion de limpieza y de la frecuencia de trabajo.

En una realizacion particular, el dispositivo se mueve a lo largo de dicha superficie manteniendo una distancia sustancialmente constante entre dicha superficie y la superficie de salida del sonotrodo mas proxima a dicha superficie.

En una realizacion particular, la solucion de limpieza se aplica sobre la superficie que hay que limpiar previamente al inicio del funcionamiento del sonotrodo, de tal manera que se dispone una capa de solucion de limpieza sobre dicha superficie.

En una realizacion alternativa, la solucion de limpieza se aplica sobre la superficie que hay que limpiar cuando el sonotrodo se mueve a lo largo de dicha superficie que hay que limpiar, de tal manera que se dispone dicha columna homogenea lineal de solucion de limpieza entre dicha superficie y la superficie de salida del sonotrodo. La solucion de limpieza puede suministrarse externamente al sonotrodo por medio de una jeringa o una boquilla de rociado; o puede suministrarse internamente al sonotrodo a lo largo de un canal dispuesto dentro del sonotrodo, estando dicho canal disenado para llevar la solucion de limpieza a la superficie de salida del sonotrodo mas proxima a la superficie que hay que limpiar.

La solucion de limpieza puede reutilizarla el sonotrodo absorbiendo gotitas de suciedad, filtrando dichas gotitas de suciedad y suministrando gotitas filtradas mientras el sonotrodo se mueve hacia adelante sobre dicha superficie que hay que limpiar.

En una realizacion particular, la solucion de limpieza se selecciona entre el siguiente grupo: agua y soluciones acuosas que comprenden al menos un agente qufmico.

En un segundo aspecto de la invencion, se proporciona un dispositivo para limpieza ultrasonica de una pieza con la ayuda de una solucion de limpieza que debe disponerse sobre una superficie de la pieza. El dispositivo comprende: un oscilador de ondas ultrasonicas configurado para convertir una senal electrica estandar funcionando a 50-60 Hz en energfa electrica funcionando a una frecuencia comprendida dentro de las frecuencias ultrasonicas; un convertidor ultrasonico para convertir en vibracion mecanica dicha ene^a electrica proporcionada por el oscilador de ondas ultrasonicas; un sonotrodo ultrasonico acoplado a dicho convertidor ultrasonico y configurado para generar en su superficie de salida vibracion ultrasonica que tiene cierta amplitud de vibracion; en donde durante el uso del dispositivo, dicho sonotrodo esta configurado para, como consecuencia de dicha vibracion ultrasonica en su superficie de salida, generar una columna homogenea lineal de solucion de limpieza entre dicha superficie de salida del sonotrodo y dicha superficie y para exponer a cavitacion dicha superficie en contacto con dicha pelfcula homogenea lineal de solucion de limpieza, eliminando asf la suciedad de dicha superficie.

Ventajas y caractensticas adicionales de la invencion seran evidentes a partir de la descripcion detallada que sigue y se expondran particularmente en las reivindicaciones adjuntas.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Para completar la descripcion y para proporcionar una mejor comprension de la invencion, se proporciona un juego de dibujos. Dichos dibujos forman parte integral de la descripcion e ilustran una realizacion de la invencion, que no debena interpretarse como restrictiva del alcance de la invencion, sino solamente como un ejemplo de como puede llevarse a cabo la invencion. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:

La figura 1 muestra un dispositivo para limpieza ultrasonica de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.

Las figuras 2(a), 2(b) y 2(c) muestran el comportamiento del agua bajo diferentes condiciones de trabajo durante el funcionamiento del metodo de acuerdo con la invencion.

La figura 3 muestra un sonotrodo o bocina de acuerdo con una realizacion particular de la invencion.

La figura 4 muestra una vista detallada de la superficie de salida del sonotrodo de la figura 3. Se muestra tambien una seccion transversal de salida.

La figura 5 muestra una bocina ultrasonica que es movida lo largo de la superficie de una pieza que hay que limpiar, de acuerdo con una realizacion del metodo para limpieza ultrasonica de la invencion.

La figura 6 ilustra una bocina ultrasonica durante el funcionamiento del metodo para limpieza ultrasonica de acuerdo con la invencion.

La figura 7 muestra un ladrillo, la mitad de cuya superficie se ha limpiado satisfactoriamente aplicando el metodo de la presente invencion.

DESCRIPCION DE UNA FORMA DE LLEVAR A CABO LA INVENCION

En el presente texto, el termino “comprende” y sus derivaciones (tales como “comprendiendo”, etc.) no debenan interpretarse en un sentido excluyente, es decir, estos terminos no debenan interpretarse como excluyendo la posibilidad de que lo que se describe y define pueda incluir elementos, etapas, etc. adicionales.

En el contexto de la presente invencion, el termino “aproximadamente” y terminos de su familia (tales como “aproximado”, etc.) debenan interpretarse como valores indicativos muy proximos a los que acompanan el termino anteriormente mencionado. Es decir, debena aceptarse una desviacion dentro de lfmites razonables respecto a un valor exacto, debido a que un experto en la materia entendera que dicha desviacion respecto a los valores indicados es inevitable debido a imprecisiones de medicion, etc. Lo mismo se aplica a los terminos “hacia” y “alrededor” y “sustancialmente”.

La descripcion que sigue no ha de tomarse en un sentido limitativo sino que se da unicamente con la finalidad de describir los amplios principios de la invencion. Las siguientes realizaciones de la invencion se describiran a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos anteriormente mencionados que muestran aparatos y resultados de acuerdo con la invencion.

La limpieza ultrasonica sin sumergir la pieza que hay que limpiar dentro de un tanque lleno de lfquido puede llevarse a cabo usando el dispositivo 10 ilustrado en la figura 1. Se muestra tambien la pieza que hay que limpiar (la pieza 60). En la realizacion, la superficie 65 que hay que limpiar de la pieza 60 se ha representado como sustancialmente plana, pero la superficie 65 puede ser de curva simple; por ejemplo, un cilindro. Puede tener irregularidades, tales como cavidades, poros, etc. El dispositivo comprende un generador de ondas ultrasonicas 1 enchufado a una tension de lmea convencional (red electrica) 5. La tension de lmea 5 normalmente funciona a 50-60 Hz, dependiendo del pafs. El generador ultrasonico 1 convierte la senal electrica estandar funcionando a 50-60 Hz en energfa electrica funcionando a frecuencia ultrasonica, es decir, por encima de 20.000 ciclos por segundo (20 kHz) aproximadamente. En otras palabras, el generador de ondas ultrasonicas 1 genera energfa electrica de alta frecuencia (ultrasonica). La energfa electrica proporcionada por el generador de ondas ultrasonicas 1 se convierte en un convertidor ultrasonico (tambien llamado transductor ultrasonico) 2 en vibracion mecanica. Es una vibracion armonica cuya frecuencia es la misma que la generada por el generador de ondas 1. La amplitud de la vibracion (desplazamiento maximo) se relaciona con la potencia electrica, y puede amplificarse mecanicamente mediante otros componentes tales como intensificadores 3 o sonotrodos 4. Las caractensticas espedficas de esta vibracion mecanica se daran posteriormente en la presente descripcion. El dispositivo 10 puede tener opcionalmente un intensificador 3 (tambien denominado amplificador 3). Se requiere un intensificador 3 en aplicaciones que requieren alta potencia (es decir, potencia mas alta que la proporcionada por el generador de ondas ultrasonicas 1). De ese modo, en aplicaciones que requieren potencia mas baja, puede eliminarse el intensificador 3. Cuando esta presente, el intensificador 3 se conecta al convertidor ultrasonico 2. El intensificador 3 amplifica la vibracion ultrasonica introducida desde el convertidor ultrasonico 2. El intensificador 3 tambien sirve como una montura para un sonotrodo o bocina 4.

El sonotrodo o bocina 4 se conecta al intensificador 3 y recibe la vibracion ultrasonica desde el intensificador 3. En ausencia de intensificador, el sonotrodo 4 se conecta directamente al convertidor ultrasonico 2. El material del que se fabrica el sonotrodo 4 puede variar con los requisitos de potencia, lo que a su vez depende de la aplicacion. Preferentemente, en aplicaciones que requieran baja potencia (por ejemplo, potencia < 400 W) el sonotrodo 4 puede fabricarse de aluminio, mientras que en aplicaciones que requieran alta potencia (por ejemplo, potencia > 400 W) el sonotrodo 4 puede fabricarse de titanio.

Se ilustra en la figura 3 una posible implementacion de un sonotrodo 4. El sonotrodo o bocina ultrasonica 4 incluye una seccion del extremo del lado de entrada o cuerpo principal 4a que tiene una superficie de entrada 4c que recibe la vibracion ultrasonica desde el intensificador 3 (o desde el convertidor ultrasonico 2, segun sea el caso), y una seccion del extremo del lado de salida 4b que tiene una superficie de salida 4e (tambien denominada punta del sonotrodo) dispuesta separada de la superficie de entrada 4c una distancia correspondiente a la semi-longitud de onda (%A) de la vibracion ultrasonica que se introduce en la superficie de entrada 4c, y que produce la vibracion ultrasonica para el lfquido dispuesto sobre la superficie 65. La superficie de entrada 4c del cuerpo principal o seccion del extremo del lado de entrada 41 tienen un ancho W y una longitud L determinados. La seccion del extremo del lado de salida 4b es un cuerpo mas delgado 42 que tiene un cierto ancho w, en donde w < W, y la misma longitud L. Los inventores han observado sorprendentemente que la vibracion ultrasonica de salida, cuando esta en contacto con lfquidos dispuestos sobre una superficie, hace que el lfquido cavite a alta frecuencia, eliminando asf la suciedad de la superficie 65 de la pieza 60 sobre la que se aplica el lfquido. La vibracion ultrasonica que se introduce en el sonotrodo ultrasonico 4 son ondas longitudinales en una direccion perpendicular a la superficie de salida 4e. El sonotrodo 4 tiene tambien al menos una abertura ranurada que se extiende a traves del sonotrodo. Preferentemente tiene dos aberturas ranuradas 43, 44. En una realizacion particular, las aberturas ranuradas 43, 44 se extienden desde la seccion del extremo del lado de entrada 41 a la seccion del extremo del lado de salida 42. Se usan preferentemente dos aberturas 43, 44 debido a que contribuyen a conseguir una vibracion homogenea y, por lo tanto, a conseguir una limpieza homogenea. Para que el sonotrodo 4 sea capaz de limpiar una superficie, el diseno (geometna) de la superficie de salida 4e del sonotrodo 4, junto con la amplitud de vibracion proporcionada por el sonotrodo, desempenan un papel importante. La superficie de salida 4e esta preferentemente curvada (forma de arco).

Para limpiar la superficie 65, debe haber una interfaz lfquida (gota lfquida) entre la superficie 65 y la punta del sonotrodo 4e. Es bien conocido que la vibracion ultrasonica reduce la tension superficial del lfquido, lo que incrementa la superficie de contacto entre el lfquido (solucion de limpieza) y el solido (sonotrodo 4 y superficie 65). Si la superficie de contacto aumenta, la interfaz Kquida sera capaz de retener un volumen de Ifquido mayor. Cuanto mayor sea la amplitud de la vibracion, mas superficie de contacto tendra y de ese modo, se retendra un volumen de solucion de limpieza mas alto. Para recoger tanto volumen lfquido como sea posible entre la punta del sonotrodo 4e y la superficie 65, es deseable que la punta del sonotrodo 4e tenga tanta superficie de salida como sea posible. Por lo tanto, aunque la punta del sonotrodo pueda tener forma plana en una realizacion posible, en una realizacion preferida la punta de sonotrodo (superficie de salida 4e) se elige para que tenga forma de arco, es decir, curvada, como se destaca en la figura 4. En otras palabras, la punta del sonotrodo tiene preferentemente la forma de medio cilindro que tiene la longitud L y el radio r. Hay dos razones principales para esta superficie de salida curvada 4. Por un lado, incrementa incluso mas la superficie de contacto entre el lfquido y el sonotrodo. Realmente, un semicilindro (mitad de un cilindro) da la relacion optima entre penmetro y superficie. Por otro lado, permite al usuario inclinar el equipo sin cambiar la distancia relativa entre la punta del sonotrodo 4e y la superficie que hay que limpiar. Son posibles otras formas de la punta de sonotrodo, siendo las preferidas aquellas que tienen una gran superficie.

Para una frecuencia dada, dependiendo del lfquido que se va a disponer entre la punta del sonotrodo y la superficie que hay que limpiar, hay un valor de umbral cntico para el que la amplitud de vibracion es tan alta que la gota de lfquido se vuelve inestable y queda atomizada. Este umbral depende de las propiedades fisicas del lfquido. En particular, depende de la densidad, la viscosidad y la tension superficial del lfquido. Por ejemplo, en el caso de que la solucion de limpieza sea agua del grifo, y dada una frecuencia de 20 kHz, este umbral cntico es de 11 ^m. En otro ejemplo, en el caso de acetona (solucion de limpieza), y dada la frecuencia de 20 kHz, este umbral cntico esta por debajo de 3 ^m. La amplitud de vibracion por encima de la cual se atomiza la gota de lfquido, depende tambien de la frecuencia aplicada. En particular, el umbral cntico (umbral por encima del que la gota se atomiza) disminuye con el cuadrado de la frecuencia. Por ejemplo, si la frecuencia vana de 20 kHz a 40 kHz (esto es, x2), el umbral de la amplitud de vibracion se divide por 22. En general, si la frecuencia se multiplica por N (xN), el umbral de amplitud de vibracion se divide por 2N.

Estos fenomenos se ilustran en las figuras 2(a-c). La figura 2(a) muestra una situacion en la que no se aplican ultrasonidos (US) mediante el sonotrodo 4’ a la capa de lfquido (solucion de limpieza) dispuesta por debajo de el. En este caso, las gotas de lfquido convencional pueden adherirse a la superficie de salida 4e’ del sonotrodo 4’. La figura 2(b) muestra una situacion en la que el sonotrodo 4’ (y la vibracion ultrasonica que produce) ha conseguido reducir la tension sobre el lfquido por debajo de el sin atomizarlo. Cuando ocurre esto, el lfquido tiende a “pegarse” a la superficie de salida del sonotrodo 4e’ (en otras palabras, el lfquido es atrafdo hacia la superficie de salida 4e’), generando una gran gota de lfquido homogeneo lineal 20 (tambien denominada columna homogenea lineal o columna estatica de Kquido 20). Cuanto mayor sea la superficie de salida 4e’ del sonotrodo 4, mayor cantidad de lfquido formara la columna estatica de lfquido 20. Cualquier objeto fisico que se ponga en contacto con esta gota 20 se expondra a una cavitacion muy intensa y, por lo tanto, se limpiara. Si hay un movimiento relativo (tal como un movimiento de barrido) entre la gota 20 y el objeto poroso sucio, la gota 20 perdera parte de su contenido, que permanecera dentro de los poros. Para evitar este problema, la superficie porosa que hay que limpiar debe humedecerse previamente. Finalmente, la figura 2(c) muestra una situacion en la que la vibracion ultrasonica producida por el sonotrodo 4’ ha atomizado el lfquido dispuesto por debajo de la superficie de salida 4e’ del sonotrodo. La superficie sucia, por lo tanto, no se limpia. En los ejemplos de las figuras 2(a-c), el lfquido es agua del grifo. Como ya se ha mencionado, el umbral cntico de la amplitud de vibracion aplicada por la superficie de salida 4e’ del sonotrodo 4’ a la que el agua del grifo no se atomiza es de 11 ^m dada una frecuencia de 20 kHz. Esto es por lo que el efecto deseado (figura 2(b)) sucede cuando dicha amplitud de vibracion es igual o inferior a 11 ^m, mientras que el efecto indeseado (figura 2(c)) sucede cuando dicha amplitud de vibracion esta por encima de 11 |jm.

Con referencia ahora a las figuras 3 y 4, la amplitud de la vibracion aplicada en la superficie de salida 4e del sonotrodo 4 cuando esta en uso, depende de la amplitud de la vibracion en la superficie de entrada 4c (proporcionada por el convertidor) y de la relacion entre la seccion transversal de entrada y la seccion transversal de salida 4f del sonotrodo 4. La superficie de entrada 4c es plana, y de ese modo coincide con la seccion transversal de entrada. La seccion transversal de entrada 4c sigue la formula L x W. En cualquier caso, en la realizacion preferida ilustrada en las figuras 3 y 4, la superficie de salida 4e tiene forma de arco (sigue la forma de un semicilindro (medio cilindro), y por ello no coincide con una seccion transversal de salida 4f. La seccion transversal de salida 4f sigue la formula w x L. La superficie de salida 4e sigue la formula n x r x L, en la que “r” es el radio de un cilindro que tiene la longitud L. Cabe senalar que la punta del sonotrodo (superficie de salida 4e) no comprende el area de las dos bases del semicilindro, sino solo el area lateral definida por la mitad de un cilindro. La figura 4 muestra la diferencia entre la superficie de salida 4e y la seccion transversal de salida 4f. Debido a que la seccion de salida 4e es un semicilindro, su radio se determina por el ancho w de la seccion transversal: r = w/2. Por lo tanto, la seccion transversal de salida 4f sigue la formula 2 x r x L.

Como ya se ha explicado, los inventores han observado que la amplitud de vibracion aplicada en la superficie de salida 4e del sonotrodo 4 es muy importante, dado que para cada solucion de limpieza que puede usarse hay un umbral cntico o valor maximo de esta amplitud de vibracion, de tal manera que si la amplitud de vibracion aplicada excede el umbral asociado a cada solucion de limpieza, la solucion de limpieza se atomizara (figura 2(c)) en lugar de formar una gota lfquida homogenea lineal 20 o columna estatica de lfquido 20 (figura 2(b)). Los inventores han observado tambien que cuando la amplitud de vibracion no excede dicho umbral cntico, cuanto mayor sea la superficie de salida 4e del sonotrodo 4, mayor cantidad de columna de lfquido estatico se mantiene entre la superficie salida 4e y la superficie que hay que limpiar.

Para conseguir el efecto deseado (figura 2(b)), la punta del sonotrodo 4e, 4e’ tiene preferentemente una forma semicilmdrica (mitad de un cilindro) de superficie n x r x L = n x w x L/2, siendo la seccion transversal de salida 4f correspondiente w x L = 2 x r x L, de modo que, en condiciones de potencia nominal y teniendo en cuenta el area W x L de la superficie de entrada 4c, la amplitud de vibracion producida por la superficie de salida 4e durante el uso del sonotrodo no excede la amplitud cntica para el lfquido que se esta usando (11 ^m en el caso de agua del grifo a 20 kHz). Cada convertidor 2 (figura 1) tiene una potencia electrica nominal que asegura una amplitud de vibracion dada. El sonotrodo 4, 4’ amplifica esta vibracion proporcionalmente a la relacion entre su seccion transversal de entrada 4c y su seccion transversal de salida 4f. Por ejemplo, suponiendo que la solucion de limpieza es agua, si en condiciones de potencia nominal un convertidor da una amplitud de vibracion de 5,5 micras (5,5 ^m) y la frecuencia es 20 kHz, la relacion entre las secciones de entrada y de salida del sonotrodo no deben superar 2, ya que en caso contrario la superficie de salida del sonotrodo 4e, 4e’ proporcionara una amplitud de vibracion mayor de 11 micras (11 ^m) y por lo tanto, el agua se atomizara.

Es decir, dada una cierta solucion de limpieza (que tiene propiedades fisicas espedficas) y dados el ancho W de la seccion transversal de entrada 4c del sonotrodo y el ancho w de la seccion transversal de salida 4f del sonotrodo (que, en el caso particular en el que la punta del sonotrodo tiene forma de arco, su radio r sigue la expresion r = 2 x w), hay un umbral de amplitud de vibracion por encima del que la vibracion ultrasonica producida por el sonotrodo 4, 4’ en su salida produce la atomizacion del lfquido dispuesto por debajo de la superficie de salida 4e, 4e’ del sonotrodo. En consecuencia, la superficie sucia no se limpia. Por otro lado, es aconsejable trabajar con una amplitud de vibracion proxima a dicho umbral (pero por debajo de el), debido a que si la amplitud de vibracion es mucho mas baja que el umbral, se reducira la capacidad de limpieza. En suma, dependiendo de la potencia de salida del transductor 2, la solucion de limpieza y el ancho W de la seccion transversal, hay un radio de sonotrodo optimo que retiene el maximo volumen de solucion de limpieza sin atomizarla.

La superficie 65 que hay que limpiar puede ser una superficie de curvatura sustancialmente simple (lineal, cilmdrica, parabolica...) de modo que pueda limpiarse mediante un movimiento de barrido. La superficie 65 debe ser solida. Esta superficie puede tener irregularidades geometricas, tal como grietas, cavidades, poros o cualquier otra irregularidad, tal como un patron ornamental. Para limpiarla adecuadamente, la altura o la profundidad de la irregularidad es preferentemente mas pequena que la altura del volumen de lfquido retenido (columna 20), como se muestra por ejemplo en la figura 2(b).

El uso del dispositivo 10’ para la limpieza ultrasonica de una pieza 60 es como sigue: el dispositivo 10’ es barrido a lo largo de la superficie 65 de la pieza 60 que hay que limpiar, como se ilustra en la figura 5. Esta operation puede realizarse tanto manualmente como por medio de dispositivos automaticos tales como manipuladores roboticos. Para evitar danos (tales como rayados) sobre la punta del sonotrodo y/o sobre la superficie que hay que limpiar, debe evitarse preferentemente el contacto fisico entre la superficie 65 y la punta del sonotrodo 4e. Este problema afecta especialmente al uso manual. Por lo tanto, el dispositivo 10’ incluye preferentemente medios mecanicos, tales como ruedas, para mantener una cierta holgura entre la punta 40e del sonotrodo 40 y la solucion de limpieza dispuesta sobre la superficie 65 que hay que limpiar. Dichos medios mecanicos estan recomendados especialmente durante el movimiento de barrido manual. La figura 6, que se describira en detalle a continuacion, muestra la distancia de barrido D entre la punta del sonotrodo 50e y la superficie 650 que hay que limpiar durante el barrido del dispositivo 100. La distancia maxima (D^max) desde la superficie 650 a la que el sonotrodo 50 puede barrer se determina por la gota o columna mas grande obtenible de solucion de limpieza. La distancia maxima (D^max) se determina por lo tanto por el volumen maximo (cantidad) de lfquido que puede retenerse entre la punta del sonotrodo 50e y la superficie. En otras palabras, depende del tamano (longitud) de la columna estatica de lfquido. Si la distancia D esta por encima del valor maximo (D^max), no hay ya contacto entre la gota contenida entre la punta del sonotrodo 50e y la superficie humeda 650 y por lo tanto la columna estatica se rompe. El maximo volumen de lfquido retenido depende del tipo de solucion de limpieza (que tiene propiedades ffsicas espedficas), del material del sonotrodo y de la superficie salida 4e del sonotrodo (en la realizacion particular en la que la superficie de salida 4e viene dada por la mitad un cilindro, el volumen maximo de lfquido retenido depende del radio r y de la longitud L). En un ejemplo particular, en el que se usa un sonotrodo fabricado de aluminio y el sonotrodo tiene una superficie de salida 4e semicilmdrica que tiene un radio = 5 mm y una longitud L = 100 mm, se ha observado que si la distancia D supera los 5 mm, que es realmente la gota de agua o columna de agua mas grande obtenible (vease la columna 20 en la figura 2(b)) bajo estas circunstancias, no hay ya contacto entre la gota contenida entre la punta del sonotrodo 50e y la superficie humeda 650; no tendra lugar la limpieza. En otras palabras, la columna estatica se rompe. En un ejemplo particular, la distancia D se selecciona para que sea de 3 mm para no trabajar en condiciones lfmite.

Con referencia tanto a la figura 5 como a la 6, entre la superficie 65, 650 de la pieza 60, 600 y el sonotrodo 40, 50, se aplica una capa de lfquido o una pelfcula de lfquido (solucion de limpieza) (no visible en la figura 5). La vibracion ultrasonica aplicada por el sonotrodo 40, 50 hace que la solucion de limpieza cavite, liberando fuertes ondas de choque y chorros de agua sobre la superficie 65, 650. Tanto las ondas de choque como los chorros de agua eliminan partfculas de suciedad (arena, tierra, polvo, moho, lodo...) y aceleran las disoluciones (pintura, aceite, grasa...). La cavitacion puede penetrar en poros, grietas, cavidades o cualquier otro patron presente sobre la superficie 65, 650 que hay que limpiar. En otras palabras, la potencia de cavitacion ultrasonica se concentra sobre la capa delgada de lfquido (solucion de limpieza) cuando el sonotrodo 40, 50 aplica vibracion ultrasonica a la solucion de limpieza. Ejemplos no limitativos de soluciones de limpieza que pueden usarse son agua (tal como agua del grifo) y soluciones acuosas que comprenden agentes qufmicos, tales como detergente, acetona y alcohol. La distancia D entre la superficie de salida 40e, 50e de la seccion extrema del lado de salida del sonotrodo 40, 50, mas proxima a la superficie 65, 650 que hay que limpiar, es preferentemente mayor que el grosor de la capa de solucion de limpieza. Es decir, la superficie de salida 40e, 50e del sonotrodo 40, 50 preferentemente no esta en contacto constante con la solucion de limpieza. Esta distancia D, ilustrada en la figura 6, entre la superficie de salida 50e del sonotrodo 50 y la superficie 650 que hay que limpiar se mantiene preferentemente constante a lo largo del proceso de barrido.

La aplicacion de una solucion de limpieza a la superficie 65, 650 que hay que limpiar puede realizarse de diferentes formas. En una realizacion particular, previamente al movimiento o al barrido del sonotrodo 40, 50 sobre la superficie 65, 650 que hay que limpiar, se aplica una capa de solucion de limpieza sobre esa superficie, de tal manera que sustancialmente toda la superficie 65, 650 que hay que limpiar este cubierta de una capa de lfquido. Para trabajar de esta forma, es necesario un impulso inicial (una unica gota de lfquido). Si se activa la vibracion ultrasonica, cuando la gota toca tanto la capa de lfquido como la punta del sonotrodo, se generara una columna estatica de lfquido (una gota lineal grande, como la ilustrada en la figura 2(b)). No importa si hay un movimiento relativo entre el sonotrodo y la capa de lfquido debido a que la tension superficial de la columna de lfquido es tan baja que tiende a “pegarse” a ambos elementos. En otras palabras, una vez se forma la columna, seguira el movimiento de barrido del sonotrodo. Otra forma de generar esta columna de lfquido es mediante el movimiento hacia abajo del sonotrodo hasta que se pone en contacto con la capa de lfquido.

Como ya se ha mencionado, el sonotrodo 4, 40, 50 (de hecho, todo el dispositivo 10, 10’, 100) se mueve sobre la superficie 65, 650, barriendo la superficie desde un primer extremo 65a al extremo opuesto 65b, a lo largo de la longitud de la superficie 65, 650 que hay que limpiar, tal como se representa en la figura 5. Si la superficie que hay que limpiar es mas ancha que el ancho de sonotrodo, sera necesario barrer el dispositivo 10, 10’, 100 a lo largo de la superficie 65, 650 tantas veces como se requiera para que el sonotrodo 40, 50 aplique vibracion ultrasonica sobre el agua dispuesta sobre toda la superficie que hay que limpiar.

En otra realizacion particular, no se aplica una capa de solucion de limpieza cubriendo toda la superficie que hay que limpiar previamente al barrido del sonotrodo 4, 40, 50 sobre la superficie 65, 650 que hay que limpiar. En su lugar, la columna de lfquido mencionada se regenera constantemente. En esta realizacion, puede proporcionarse una solucion de limpieza externamente al sonotrodo 4, 40, 50 por ejemplo por medio de una jeringa o una boquilla de rociado. Alternativamente, la solucion de limpieza puede proporcionarse internamente al sonotrodo 4, 40, 50 por ejemplo a lo largo de un canal dispuesto dentro de sonotrodo, disenado para llevar agua a la seccion extrema del lado de salida 4b del sonotrodo 4, 40, 50 y mas preferentemente, a la superficie de salida 4e, 40e del sonotrodo 4, 40, 50.

La figura 6 ilustra el funcionamiento de un dispositivo 100 para limpieza ultrasonica de acuerdo con la invencion. El generador de ondas ultrasonicas y el intensificador no se muestran en la figura 6. La pieza 600 que hay que limpiar tambien se muestra. En la figura 6, la flecha M representa el movimiento de barrido del dispositivo 100. La superficie 650 de la pieza 600 que hay que limpiar se limpia mientras el dispositivo 100 se mueve hacia adelante. Se muestra la suciedad 70 sobre la superficie 650 que no se ha limpiado todavfa. La figura 6 se refiere a una realizacion en la que no se ha dispuesto una capa de solucion de limpieza sobre la superficie 650 que hay que limpiar previamente al movimiento de sonotrodo 50. En su lugar, se proporciona una solucion de limpieza a la superficie 650 segun se mueve el sonotrodo 50 hacia adelante. La flecha A1 representa la direccion de las gotitas 80 de solucion de limpieza que se suministran mientras se mueve el dispositivo 100. Cuando las gotitas de solucion de limpieza 80 entran en contacto con la superficie de salida 50e del sonotrodo 50, tiene lugar la vibracion ultrasonica V, como consecuencia de lo cual se elimina la suciedad de la superficie 650 de la pieza 600. La flecha A2 representa la direccion de las gotitas sucias 71 que son absorbidas por un dispositivo de vado externo mientras el sonotrodo 50 se mueve hacia adelante. En una realizacion particular, en la que la solucion de limpieza es agua, el agua sucia 71 puede filtrarse en el dispositivo 100, lo que proporciona continuamente agua filtrada 80, reutilizando asf el agua. El mismo sistema podna usarse para cualquier clase de solucion de limpieza. En este caso, la flecha A3 representa esquematicamente la direccion del agua sucia (o solucion de limpieza, en general), que se filtra para ser reutilizada. En una realizacion particular, el agua sucia 71 se realimenta y filtra por medio de un sistema hidraulico que incluye un filtrado de partfculas (no mostrado). En otras palabras, en esta realizacion, la capa de agua se regenera constantemente gracias a los medios de filtrado. De esta forma, la unica agua consumida por el dispositivo 100 es el agua que permanece sobre la superficie limpia, por ejemplo sobre los poros, si hay alguno, dispuestos sobre la superficie 650 de la pieza 600. El consumo de agua es muy bajo (justamente la cantidad necesaria para humedecer la superficie 650 que hay que limpiar).

A continuacion se divulga un ejemplo.

Un convertidor ultrasonico funciona a 20 kHz y proporciona vibracion que tiene una altitud de 20 micras (20 ^m) a su potencia nominal (1200 W). Esta amplitud de salida es demasiado elevada para la aplicacion de limpieza. Por lo tanto, se ha reducido al 20 % de la potencia nominal (4 ^m de vibracion de salida). Se usa un sonotrodo que tiene una seccion transversal de entrada de 30 x 100 mm2 (W x L). El sonotrodo tiene una superficie de salida curvada, que tiene una forma semicilmdrica definida por un radio r = 5 mm y una longitud L = 100 mm. La seccion transversal de salida es por lo tanto 2 x r x L = 10 x 100 mm2. Si dividimos ambos valores, la relacion es 3, lo que significa que este sonotrodo incrementara la amplitud de entrada (4 ^m) por 3, obteniendo de esta forma 12 ^m. Este valor es 1 ^m mas elevado que la amplitud de vibracion maxima para el agua del grifo. Sin embargo, debido a la amortiguacion mecanica, se vuelve ligeramente menor, satisfaciendo perfectamente por lo tanto el valor optimo de 11 ^m sin atomizacion. Si se activa la vibracion y se vierte agua sobre la punta del sonotrodo, se genera una gota de agua lineal. El dispositivo se barre sobre la superficie que hay que limpiar a una distancia sustancialmente constante D = 3 mm. Cuando esta gota de agua se pone en contacto con una superficie sucia (un ladrillo en este caso, figura 7), la limpia profundamente, pero solo sobre la superficie por debajo de la punta de sonotrodo (100 mm x 10 mm). Para limpiar toda la superficie de ladrillo, el sistema barre, en este caso, a una velocidad de 10 m/min.

En conclusion, el metodo y el dispositivo propuestos permiten limpiar piezas de cualquier tamano usando tecnicas ultrasonicas, sin sumergir la pieza en un tanque lleno de agua. El metodo y el dispositivo estan indicados para la limpieza ultrasonica de piezas que tienen sustancialmente superficies tanto planas como de una unica curva, teniendo irregularidades geometricas, tales como grietas, cavidades, poros o patrones. Ejemplos no limitativos de aplicaciones de la invencion son la limpieza de paredes que tienen grafiti y limpieza de ladrillos o tejas. Entre las ventajas de la invencion, esta que no se requiere contacto fisico entre el sonotrodo y la pieza que hay que limpiar. Ademas, la capa usada de solucion de limpieza puede filtrarse y reutilizarse constantemente. De hecho, sobre superficies impermeables, tales como vidrio o metal, cuando se genera una capa estatica de lfquido, el consumo de lfquido es practicamente cero debido a que puede filtrarse y reutilizarse constantemente. Las ondas ultrasonicas penetran en poros, grietas o cavidades pequenas de la superficie que hay que limpiar. Puede usarse solamente con agua o con una solucion acuosa que incluye agentes qufmicos. En este ultimo caso, la cavitacion ultrasonica acelera drasticamente las reacciones qufmicas, disolviendo la suciedad adherida a la superficie que hay que limpiar. El metodo y el dispositivo pueden aplicarse para tareas de limpieza tanto industriales como domesticas.

Por otro lado, la invencion no esta limitada obviamente a la(s) realizacion(es) especifica(s) descrita(s) en el presente documento, sino que engloba cualesquiera variaciones que pueda considerar cualquier experto en la materia (por ejemplo, con relacion a la eleccion de materiales, dimensiones, componentes, configuracion, etc.), dentro del alcance general de la invencion tal como se define en las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un metodo para limpieza ultrasonica de una pieza (60, 600), comprendiendo el metodo:

- aplicar una solucion de limpieza sobre una superficie (65, 650) de una pieza (60, 600) que hay que limpiar;

- mover (M) un dispositivo (10, 10’, 100) que comprende un sonotrodo (4, 4’, 40, 50) a lo largo de dicha superficie (65, 650), manteniendo una distancia (D) entre dicha superficie (65, 650) y la superficie de salida (4e, 4e’, 40e, 50e) del sonotrodo (4, 4’, 40, 50) mas proxima a dicha superficie (65, 650);

- aplicar vibracion ultrasonica (V) en la superficie de salida (4e, 4e’, 40e, 50e) del sonotrodo (4, 4’, 40, 50), en donde la vibracion ultrasonica (V) tiene una cierta amplitud de vibracion;

estando el metodo caracterizado por que comprende:

- generar una columna homogenea lineal (20) de solucion de limpieza entre dicha superficie de salida (4e, 4e’, 40e, 50e) del sonotrodo (4, 4’, 40, 50), estando curvada dicha superficie de salida (4e, 40e) del sonotrodo (4, 4’, 40, 50), y dicha superficie (65, 650) mediante la aplicacion de una gota de solucion de limpieza tanto a la solucion de limpieza sobre dicha superficie (65, 650) como a la punta del sonotrodo, o bien moviendo hacia abajo el sonotrodo (4, 4’, 40, 50) hasta que se pone en contacto con la solucion de limpieza sobre dicha superficie (65, 650), y exponer a cavitacion dicha superficie (65, 650) en contacto con dicha columna homogenea lineal (20) de solucion de limpieza, eliminando asf la suciedad (70) de dicha superficie (65, 650).

2. El metodo de la reivindicacion 1 en el que dicha amplitud de vibracion aplicada en la superficie de salida (4e, 4e’, 40e, 50e) del sonotrodo (4, 4’, 40, 50) depende de la amplitud de vibracion en la superficie de entrada (4c) de dicho sonotrodo (4, 4’, 40, 50) y de la relacion entre la seccion transversal de entrada (4c) del sonotrodo (4, 4’, 40, 50) y la seccion transversal de salida (4f) del sonotrodo (4, 4’, 40, 50).

3. El metodo de la reivindicacion 2, en el que la superficie de salida curvada (4e, 40e) del sonotrodo (4, 4’, 40, 50) se define por un radio r, en el que r = w/2, siendo w el ancho de la seccion transversal de salida (4f) del sonotrodo (4, 4’, 40, 50).

4. El metodo de cualquier reivindicacion anterior, en el que dicha amplitud de vibracion aplicada en la superficie de salida (4e, 4e’, 40e, 50e) del sonotrodo (4, 4’, 40, 50) no excede de un umbral por encima del cual dicha solucion de limpieza se atomiza, siendo dependiente dicho umbral del tipo de solucion de limpieza y de la frecuencia de trabajo.

5. El metodo de cualquier reivindicacion anterior, en el que dicho dispositivo (10, 100) se mueve a lo largo de dicha superficie (65, 650) manteniendo una distancia (D) sustancialmente constante entre dicha superficie (65, 650) y la superficie de salida (4e, 40e) del sonotrodo (4, 40) mas proxima a dicha superficie (65, 650).

6. El metodo de cualquier reivindicacion anterior, en el que dicha solucion de limpieza se aplica sobre la superficie (65, 650) que hay que limpiar previamente al inicio del funcionamiento del sonotrodo (4, 4’, 40, 50), de tal manera que se dispone una capa de solucion de limpieza sobre dicha superficie (65, 650).

7. El metodo de cualquier reivindicacion anterior desde la 1 a la 5, en el que dicha solucion de limpieza se aplica sobre la superficie (65, 650) que hay que limpiar segun se mueve el sonotrodo (4, 4’, 40, 50) a lo largo de dicha superficie (65, 650) que hay que limpiar, de tal manera que dicha columna homogenea lineal (20) de solucion de limpieza se dispone entre dicha superficie (65, 650) y la superficie de salida (4e, 4e’, 40e, 50e) del sonotrodo (4, 4’, 40, 50).

8. El metodo de la reivindicacion 7, en el que dicha solucion de limpieza se suministra externamente al sonotrodo (4, 4’, 40, 50) por medio de una jeringa o una boquilla de rociado.

9. El metodo de la reivindicacion 7, en el que dicha solucion de limpieza se suministra internamente al sonotrodo (4, 4’, 40, 50) por medio de un canal dispuesto dentro del sonotrodo (4, 4’, 40, 50), disenandose dicho canal para llevar la solucion de limpieza a la superficie de salida (4e, 4e’, 40e, 50e) del sonotrodo (4, 4’, 40, 50) lo mas proximo a la superficie (65, 650) que hay que limpiar.

10. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores desde la 7 a la 9, en el que dicha solucion de limpieza es reutilizada por el sonotrodo (50) absorbiendo (A2) gotitas sucias (71), filtrando (A3) dichas gotitas sucias y suministrando (A1) gotitas filtradas (80) mientras el sonotrodo (50) se mueve hacia adelante sobre dicha superficie (65, 650) que hay que limpiar.

11. El metodo de cualquier reivindicacion anterior, en el que dicha solucion de limpieza se selecciona de entre el siguiente grupo: agua y soluciones acuosas que comprenden al menos un agente qufmico.

12. Un dispositivo (10, 10’, 100) para limpieza ultrasonica de una pieza (60, 600), con la ayuda de una solucion de limpieza a ser dispuesta sobre una superficie (65, 650) de dicha pieza (60, 600), comprendiendo dicho dispositivo (10, 10’, 100):

- un oscilador de ondas ultrasonicas (1) configurado para convertir una senal electrica estandar funcionando a 50-60 Hz en energfa electrica funcionando a una frecuencia comprendida dentro de las frecuencias ultrasonicas;

- un convertidor ultrasonico (2, 20) para convertir dicha energfa electrica proporcionada por el oscilador de ondas ultrasonicas (1) en vibracion mecanica;

- un sonotrodo ultrasonico (4, 4’, 40, 50) acoplado a dicho convertidor ultrasonico (2, 20) y configurado para generar en su superficie de salida (4e, 4e’, 40e, 50e) vibraciones ultrasonicas (V) que tienen una cierta amplitud de vibracion, en donde la superficie de salida (4e, 40e) del sonotrodo (4, 4’, 40, 50) esta curvada;

en el que durante el uso del dispositivo (10, 10’, 100), dicho sonotrodo (4, 4’, 40, 50) esta configurado para generar una columna homogenea lineal de solucion de limpieza entre dicha superficie de salida (4e, 4e’, 40e, 50e) del sonotrodo (4, 4’, 40, 50) y dicha superficie (65, 650) mediante o bien la aplicacion de una gota de solucion de limpieza tanto a la solucion de limpieza sobre dicha superficie (65, 650) como a la punta del sonotrodo o bien moviendo hacia abajo el sonotrodo (4, 4’, 40, 50) hasta que se pone en contacto con la solucion de limpieza sobre dicha superficie (65, 650), y exponer a cavitacion dicha superficie (65, 650) en contacto con dicha pelfcula homogenea lineal de solucion de limpieza, eliminando asf la suciedad (70) de dicha superficie (65, 650).