超聲波技術在洗瓶機的應用

靳云玲

一些地區的啤酒瓶源較差，很多的瓶子帶霉斑、標紙已風化，傳統的洗瓶機浸泡、沖洗不能完全清洗干凈。除霉劑、洗瓶添加劑的使用，增加了成本，污染環境。把超聲波裝置設在洗瓶機堿槽合理區域，配合合適的溫度、堿濃，可大幅提高效率、降低能耗，提高瓶子表面和內部的潔凈度，減少投訴，對環境沒有影響，對人體沒有傷害，操作方便快捷。

一、概述

超聲波清洗技術始于20 世紀50 年代，目前以空化和直進流為主。利用超聲波在清洗液中的空化作用，加速度作用及直進流作用，產生的沖擊，將浸沒在清洗液中的玻璃瓶內外表面的污物震落剝離下來，現已廣泛地用于多種行業，在機械行業中廣泛用于清洗齒輪、軸承、油泵油嘴鑄件、燃油過濾器、閥門及其他機械零件。

超聲波洗瓶機主要利用超聲發生器產生超聲波信號并傳入超聲波換能器，換能器將超聲波電能轉換為高頻機械振動并傳入清洗液中，在清洗液中產生空化作用，從而達到超聲波清洗的目的。超聲波洗瓶機的關鍵是頻率跟蹤，也就是使超聲波電源輸出頻率和換能器頻率一致，這樣才能形成共振，使換能器處于最佳工作狀態，清洗效果最好。

此次設計的超聲波洗瓶機主要應用于難于清洗、帶有霉斑的啤酒玻璃瓶，配合使用適當溫度和堿濃的堿液，清洗效果更好。該產品是一種機電產品，通過壓電陶瓷材料做成的超聲波換能器將超聲頻電振蕩轉變成機械振動，在液體中產生超聲波振動。超聲波可以穿透固體物質而使整個清洗介質振動并產生空化氣泡，能徹底清洗瓶子，清潔率非常高。運行可靠、實用性強、減少添加劑的使用，具有一定的使用價值和意義。

二、原理和特點

換能器將超聲頻電能轉換成機械振動并通過堿槽輻射超聲波，如圖1 所示。微氣泡在聲波的作用下振動，當聲壓或聲強達到一定值時，氣泡迅速增長，然后突然閉合。在氣泡閉合時，產生沖擊波，在氣泡周圍產生很大的壓力及局部高溫，這種現象稱為超聲空化現象，空化所產生的巨大壓力能破壞不溶性污物而使它們分散于溶液中。蒸汽型空化對玻璃瓶上的污物及霉斑的直接反復沖擊，一方面破壞污物及霉斑的吸附，另一方面也會引起污物層的疲勞破壞而脫離，氣體型氣泡的振動對固體表面進行擦洗，污層一旦有縫可鉆，氣泡還能“鉆入”裂縫作振動，使污物脫落。由于空化作用，兩種液體在界面會迅速分散而乳化，當固體粒子被油污裹著而附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子自行脫落。超聲在清洗液中傳播時會產生正負交變的聲壓，沖擊玻璃瓶，同時由于非線性效應會產生聲波和微電波，空化在固體和液體界面上產生高速的微電流，這些作用能夠破壞玻璃瓶上的污物，除去或削弱邊界污層。除標泵的攪拌和擴散作用，會加速可溶性污物的溶解，強化助洗劑的清洗效果。可見，凡是能浸到聲場存在的地方都有清洗作用，而且清洗速度快、質量高。

圖1

圖2 結構示意圖

瓶子送入載瓶盒后，經過預噴淋2 區，附著臟物被沖洗落入臟物輸送鏈網15 集中排出。然后經過堿水浸泡和噴沖，標紙和碎玻璃經過除標裝置帶出箱體。在堿槽四、堿槽五中的瓶子相對比較干凈，頑固的霉斑通過堿水浸泡和沖洗，附著力大大下降。再經過超聲波發生器一、超聲波發生器二的360°無死角清洗、殺菌，霉斑、風化標基本可除去，通過除標裝置四、五帶出箱體外。再依次經過熱水、溫水、冷水、常溫噴淋。

超聲波發生器沉浸于堿處理機構中的堿液中，處于傳送鏈的上方，發射面朝向傳送鏈。此位置臟物不易沉積在超聲波振板表面，要清洗的瓶子也將處在超聲波的輻射范圍（約400mm）之內。

圖3 超聲波發生器的實施方式示意圖

三、超聲波發生器的選擇

超聲波發生器也稱作超聲電源，是一種用以產生超聲頻電能并向超聲換能器提供的裝置。按照工作原理可以分為模擬電路和數字電路兩大類。模擬電路發生器又分為振蕩放大型和逆變形兩種。本設計采用振蕩一放大型，它是一個帶有振蕩電路的發生器，其框架圖如圖4 所示，由振蕩、放大、匹配電路和電源組成。振蕩器產生一定頻率的信號，放大器將其放大到一定的功率輸出，達到最佳負載值，通過輸出變壓器進行阻抗匹配，并通過功放輸出。

圖4

超聲波放大器的作用是將振蕩信號放大至所需電平。放大部分可以是單級的，也可以是多級的，主要根據輸出功率需要。早期的超聲波發生器使用電子管做放大器件，現在普遍使用晶體管。近年來越來越多的廠家采用功率集成電路做超聲波放大器的放大器件。目前工業上廣泛使用的超聲波發生器基本上被晶體管電路壟斷。與電子管相比，晶體發生器體積小、重量輕、效率高。但從另一方面講由于受到方向擊穿電壓、最大集電集電流、最大集電極耗散功率參數的限制，通常一堆晶體管的最大輸出功率只能達到百瓦級。要提高晶體管發生器的輸出能力，除了有賴于高性能器件外，還必須采用高效率的電路。傳統的甲類、乙類、丙類放大器都是把有源器件作為電流源工作。在這些放大器中，晶體管工作在伏安特性曲線的有源區，集電極電流受基極激勵信號控制作相應變化。

圖5

圖6

超聲波的驅動電路采用高壓小電流功放電路，由兩只三極管和耦合變壓器構成。為了避免兩只功放同時導通，導致內部功耗增加，兩管的導通時間必須錯開，使它們在交替工作時有一段同時截止的時間。為此，三極管P1和P2 對振蕩器的輸出作反向處理。三極管選用PNP 型的8550。低壓驅動電路所采用的電源是電流12V,在三極管后加入一個耦合變壓器、完成高低隔離的任務。

超聲波匹配電路是將發生器輸出的電能送往換能器的通道。匹配電路結構簡單，通常只有一個匹配電感，卻具有重要的作用，匹配得越好，清洗效果越好。如果工作一段時間后清洗效果變差，或者換能器更換，都需要重新調整匹配。與一般電子設備的匹配不同，超聲波洗瓶機的匹配除了要解決編阻、即用匹配電感的感抗抵消換能器的容抗、使換能器呈純阻性。技術人員通常是根據各自的經驗進行匹配。如果堿槽內液位變化，電流的變化處于一定范圍、同時電子管不發熱，空化聲強，便可以認為匹配較好。

換能器是用來進行能量轉換的器件，是將一種形式的能量轉換為另一種能量的裝置，在聲學研究領域中，換能器主要指電聲換能器，它能實現電能和聲能之間的相互轉換。有磁致伸縮和壓電兩種換能器。磁致伸縮換能器的電聲效率比較低，金屬鎳材料價格高，制造工藝復雜，目前很少采用。還有一種用鐵氧體材料做成的磁斂伸縮換能器，雖然其電聲效率比較高，但機械效率比較低，所能承受的電功率小。目前我國主要采用壓電換能器，因為電聲轉換效率高，原材料價格便宜，而且便于制造不同的結構，以適應不同的清洗要求，有圓柱形、喇叭形等多種形狀，經過對比最后確定選用喇叭形夾心壓電換能器。

四、使用案例

某啤酒工廠實際洗瓶添加劑單耗為0.025kg/hl，去霉斑劑為0.008kg/hl

若每年按產量8 萬噸計算，每年節約10%的耗量，配有超聲波的洗瓶機可節約成本為：26600+12057.6=38657.6RMB

洗瓶劑：800000×0.025×0.1×13.3=26600（元）

去霉斑劑：800000×0.008×0.1×18.84=12057.6 （元）

堿耗減少，某啤酒廠使用超聲波前后堿耗對比如下：

九月份 十月份液堿（ton） 92 69產量（hl） 86443 73220堿耗（kg/hl） 1.06 0.942

本實用新型清洗效果好，清洗速度快，清潔度高且全部瓶子清潔度一致。

對瓶子隱蔽處亦可清洗干凈，對瓶子表面無損傷。還具有殺死蟲卵和殺菌的作用。