Wat is cavitatie? Hoe een imploderende bel een oppervlak reinigt

Een ultrasone reinigingsmachine heeft geen bewegende delen in de vloeistof. De transducers onder de tankbodem duwen en trekken de tankwand tussen 28 000 en 40 000 keer per seconde heen en weer, en die beweging plant zich in de vloeistof voort als een drukgolf. Het reinigen gebeurt door wat de golf met de vloeistof doet, niet door de golf zelf.

De drukgolf scheurt de vloeistof open

Een geluidsgolf is een reeks halve perioden van hoge en lage druk. In de lagedrukhelft wordt de vloeistof zo hard uit elkaar getrokken dat er op zwakke plekken microscopische holten ontstaan: opgelost gas, stof, een kras op het onderdeel. Elke holte vult zich met damp en gas en groeit gedurende enkele perioden.

De bel groeit en implodeert

In de hogedrukhelft van de volgende periode wordt de bel samengedrukt. Omdat een bel veel sneller implodeert dan hij groeit, komt de energie die in zijn wand is opgeslagen in een fractie van een microseconde op één punt terecht. Vlak bij een vast oppervlak is de implosie asymmetrisch: de verre wand van de bel klapt naar binnen en schiet een vloeistofstraal op het oppervlak. Gemeten straalsnelheden lopen op tot honderden meters per seconde en de plaatselijke drukpiek bereikt honderden bar, over een oppervlak ter grootte van de bel.

Die straal is wat een oliefilm optilt, een laag koolaanslag breekt of een spaan uit een blind gat slaat. Omdat bellen overal ontstaan waar vloeistof is, ontstaan ze ook in boringen, onder schroefkoppen en in de schroefdraad van een moer. Er hoeft niets naar die plek toe; de vloeistof is er al.

Waarom de instellingen ertoe doen

Elke instelling op de machine verandert het gedrag van de bellen.

• Frequentie bepaalt de belgrootte. Bij 28 kHz zijn de bellen groter en imploderen ze harder; bij 40 kHz zijn ze kleiner, talrijker en zachter. De gids 28 of 40 kHz behandelt de keuze.
• Temperatuur verandert de dampspanning en viscositeit van de vloeistof. Cavitatie is in water het sterkst rond 50 tot 60 °C; boven ongeveer 80 °C vullen de bellen zich met damp, dempen ze hun eigen implosie en reinigen ze minder, ook al werkt de chemie sneller. Onze ST-tanks verwarmen tot 110 °C, maar het meeste reinigen gebeurt tussen 45 en 65 °C.
• Opgelost gas dempt de implosie op dezelfde manier. Een vers gevulde tank reinigt slecht tot de lucht is verdreven; dat doet de degas-cyclus van een digitale generator in enkele minuten.
• Oppervlaktespanning en detergent bepalen hoe makkelijk de holten ontstaan en hoe het losgemaakte vuil wordt afgevoerd. Zuiver water caviteert, maar een kleine hoeveelheid oppervlakteactieve stof maakt het proces merkbaar doeltreffender.
• Vermogensdichtheid, het aantal watt per liter, bepaalt hoeveel bellen er per seconde in het volume ontstaan. Onze tanks werken, afhankelijk van de grootte, met ongeveer 9 tot 40 W per liter; het artikel over vermogensdichtheid verklaart die spreiding.

Wat cavitatie niet kan

Een bel implodeert op de grens tussen vloeistof en vaste stof. Ze kan geen materiaal oplossen dat de vloeistof niet kan bevochtigen; vet op een onderdeel dat drijft, of een droge luchtbel die ingesloten zit, blijft vuil. Onderdelen moeten dus volledig ondergedompeld zijn en zo liggen dat lucht kan ontsnappen. Cavitatie maakt bovendien geen onderscheid in wat ze raakt: zacht aluminium, anodiseerlagen en gepolijste oppervlakken kunnen na lange cycli op 28 kHz een matte "cavitatie-erosie" vertonen; dat is een reden om op afgewerkte oppervlakken 40 kHz en korte cycli te gebruiken.

Zie het zelf

Een vel huishoudfolie van aluminium dat één minuut in de tank wordt gehouden, komt eruit met gaatjes waar de cavitatie sterk is en onaangetast waar ze zwak is. Het artikel over de folietest legt uit hoe u het patroon leest en hoe u het gebruikt om een machine gedurende haar levensduur te controleren.