Ultrasonic Cleaning Machine (UCM)

UCM에 관심이 없는 분들은 이 글을 안 읽으셔도 됩니다.

이 글은 UCM 에 대한 자세한 설명글입니다.

 

 

1) 다음은 일반적으로 사용 가능하거나 사용 중인 일부(KL Audio는 단종됨) UCM의 kHz와 W/L을 비교한 것입니다. Degritter™는 75W 트랜스듀서 4개(양쪽에 2개씩)가 장착된 강력한 UCM이지만 120kHz이며 더 많은 W/L이 필요합니다. KL Audio™는 매우 높은 출력의 UCM으로 보이지만 볼륨은 상대적으로 작습니다. 37kHz의 엘마소닉™ UCM은 볼륨이 큰 강력한 유닛입니다.

 

참고: 구조의 품질, 트랜스듀서가 금속 탱크에 얼마나 단단히 고정되어 있는지, 금속 탱크의 품질은 사용 가능한 출력에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 크기와 출력이 동일한 두 개의 UCM은 매우 다른 캐비테이션 강도를 생성할 수 있으며, 따라서 세척성능도 달라질 수 있습니다.

 

• Elmasonic™ P120H 37/80kHz, 12-L 및 300-W = (300)/12) = 25W/L

• Sharpertek™ 모델 XPS360-6L-D 40kHz, 6-L 및 180-W = (180/6) = 30W/L

• KL Audio™ 모델 KD-CLN-LP200 40kHz, 2.5-L, 200-W = (200/2.4) = 83W/L

• Degritter™ 120kHz, 1.4-L 및 300-W = (300/1.4) = 214W

 

 

2) 초음파 주파수가 낮을수록 생성되는 기포의 크기가 커집니다. 25kHz UCM은 약 125마이크론 직경의 버블을 생성하는 반면 40kHz UCM은 약 75마이크론 직경의 버블을 생성합니다. 이러한 버블은 레코드 홈에 들어가지 않습니다. 120kHz UCM은 약 20미크론의 버블을 생성하며 버블이 그루브에 들어갈 수 있습니다.

 

그러나 버블이 더 클수록 붕괴/폭발(캐비테이션)할 때 더 많은 에너지를 생성할 수 있으므로 붕괴 이벤트 주변에 유체 교반이 발생하여 청소할 수 있습니다. 버블 붕괴의 강도는 초음파 트랜스듀서가 제공하는 전력의 양에 따라 결정됩니다. 저출력 40kHz 장치는 보석과 같은 부드러운 금속에는 안전할 수 있지만 40kHz 고출력 장치는 그렇지 않을 수 있습니다. 120kHz UCM이 생성하는 작은 기포는 그 크기에 따라 붕괴되는 정도에 제한이 있습니다. 고출력 120kHz 유닛은 고출력 40kHz 유닛보다 손상 가능성이 적습니다. 주파수가 250kHz 이상으로 높아지면 캐비테이션은 거의 사라지고 '어쿠스틱 스트리밍'으로 대체됩니다. 음향 스트리밍에 의해 생성된 유체 속도가 세척을 수행하며, 목표 속도는 파이프/튜브 플러싱을 위해 개발된 속도와 크게 다르지 않습니다.

 

 

3) 초음파의 효과를 더욱 복잡하게 만드는 것은 유체 경계층입니다. 기록(또는 모든) 표면의 유체 흐름은 움직이는 벌크 유체와 분리된 정적 층을 형성합니다. 경계층 두께는 초음파 주파수(높은 kHz = 더 얇은 경계층), 음향 에너지 및 유체 특성(점도 및 밀도)에 따라 달라집니다. 가장 효과적인 세척을 위해서는 세척 공정이 경계층을 관통하여 그 안에 포함된 토양과 입자를 제거해야 합니다. 40kHz에서는 경계층의 두께가 5마이크론까지 가능하며, 120kHz에서는 경계층의 두께가 2마이크론까지 가능합니다.

 

따라서 기본적으로 논리에 따라 그림 53과 같이 낮은 주파수 단위(40kHz)는 큰 토양 표면과 입자를 제거하는 데 적합하고 높은 주파수 단위(80-132kHz)는 작은 입자를 제거하는데 더 좋습니다. 이중 주파수를 제공하는 UCM도 있습니다.

 

Elma™(https://www.elmaultrasonic.com/en/) Elmasonic P 시리즈 실험실용 탁상용 초음파 장치에는 마이크로 프로세서로 제어되는 이중 주파수가 있어 37kHz 또는 80kHz를 생성할 수 있습니다. Zenith™(www.zenith-ultrasonics.com)는 별도의 트랜스듀서를 사용하여 40kHz와 80kHz를 동시에 생성하는 특허 받은 이중 주파수 설계(Crossfire™)를 갖춘 벤치탑 장치를 포함한 산업용 초음파 시스템을 제조합니다.

UT 탱크 주파수 청소 가이드 (이미지 제공: Blackstone-Ney Ultrasonics™)

 

 

4) 정상파: 바닥 발사 트랜스듀서가 있는 기존 UCM에서는 액체를 통해 위로 전파되는 음향파가 유체 표면에서 아래쪽으로 반사됩니다. 아래쪽으로 반사된 음향파는 위쪽의 음향파와 결합하여 동위상인 경우 건설적인(증폭) 파동이 되고, 위상이 아닌 경우 파괴적인(감쇠) 파동이 될 수 있습니다. 궁극적으로 높은 음향 에너지/공동화(정재파)의 영역/층이 형성되고 낮은 음향 에너지/공동화 영역/층이 형성될 것입니다. 정재파는 파장의 1/2 거리에서 층을 이루는 경향이 있으며, 표 XXI는 일반적인 UCM 주파수의 파장과 그에 따른 정재파를 보여줍니다(파란색으로 강조 표시). 정재파의 간격은 자신에 대한 상대적인 것입니다. 고정된 지점을 기준으로 한 수조 내 위치는 반사된 표면(딱딱한지 부드러운지), 물의 높이, 트랜스듀서 유형 및 수온과 같은 기타 요인에 따라 달라집니다. 고 존 푹스 초음파의 논문을 기반으로 함.

 

 

5) 근거리 필드와 그 너머! - CTG 기술 블로그(ctgclean.com)에 따르면, 탱크 금속 벽과 같은 단단한 표면에서 반사되는 첫 번째 정상파는 파장의 약 1/2이고, 수면과 같은 부드러운 표면에서 반사되는 첫 번째 정상파는 파장의 약 1/4입니다. 따라서 바닥 발사형 트랜스듀서가 있는 UCM과 측면 발사형 트랜스듀서가 레코드(연질 표면)에 있는 Degritter™의 경우 첫 번째 정상파의 위치는 다음과 같습니다.

 

수면 또는 기록에 대한 상대적인 파장은 1/4 파장까지 가까울 수 있습니다. 이후의 정상파는 약 1/2 파장 간격으로 간격을 둡니다.

 

 

6) 탱크 물 높이. 바닥 발사 UCM의 경우 트랜스듀서 위의 물 높이가 캐비테이션 강도에 영향을 미칠 수 있습니다. 논문에서 실제 초음파 세척 조건에서 물 캐비테이션 강도의 관찰, Bogdan Niemczewski, Tele- 및 Radio Research Institute, ul. Ratuszowa 11, 03-450 Warsaw, Poland, 2005년 11월 18일(12), 두 가지 전력 수준(560W 및 920W)과 10가지 수위(155mm~ 200mm)에서 산업용 8갤런 UCM의 캐비테이션 강도를 테스트했습니다. 기록된 최대 캐비테이션 강도와 관련된 결과는 다음 그림에 나와 있습니다. 캐비테이션 강도에 대한 전력의 영향. 영향을 줄 수 있는 물 높이의 영향 정재파가 분명합니다. 최대 캐비테이션 강도에 대한 논의가 있습니다. 물 높이는 파장의 1/2의 정수배수여야 하며 그림의 데이터는 다음과 같습니다

상대적 캐비테이션 강도 대 전력 및 물 높이

 

 

7) 레코드 간격: 하단 발사 기능이 있는 UCM을 사용하는 레코드 스택을 청소하는 경우.

 

트랜스듀서의 경우, 기록 간격을 더 가깝게 두지 않아야 한다는 논의가 인터넷에 있습니다. 레코드 간격을 너무 가깝게 배치하면 관련 음향 에너지/압력이 레코드에 손실될 수 있으므로 초음파 진폭에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 낮은 kHz UCM의 경우 한 번에 너무 많은 레코드를 세척하면 유속의 영향으로 인해 캐비테이션 강도가 크게 감소할 수 있습니다. 따라서 레코드 간격을 파장과 거의 동일하게 유지하면 캐비테이션 강도를 최대화하는 동시에 (레코드 질량, 표면적 및 유량으로 인한) UCM의 과부하를 방지하는 데 도움이 되므로 좋은 방법일 수 있습니다. 이는 유속 간섭에 더 취약한 저주파수 UCM(예: 35~40kHz)의 경우 특히 그렇습니다.

 

 

8) 세척액이 제자리에서 건조될 염려가 없는 저잔류 수조(저농도 세정제)를 사용하는 경우, 회전 속도를 매우 느리게 설정하는 것이 좋습니다. 레코드의 연속 노출 시간이 약 2~3분이고 언제든지 레코드의 약 33%만 노출되는 것을 목표로 삼는다면, 약 6~9분(0.17~0.11rpm)의 1회 회전 시간이 옵션이 될 수 있으며, 동일한 노출을 보장하기 위해 12~18분(2회 완전 회전)으로 시간을 두 배로 늘리는 것도 옵션이 될 수 있습니다.

참고 - 바닥 발사형 트랜스듀서가 있는 40kHz와 같은 고출력 저주파 UCM의 경우, 레코드 바닥이 트

랜스듀서 근처(1/2~3/4 파장)에서 매우 느리게 회전할 경우 침식으로 인한 손상이 발생할 위험이 있습니다. 이 경우 최소 회전 시간은 약 0.5rpm이 권장됩니다.

 

후 헹굼을 해야하는 고잔류조(고농도 세정제)를 사용하는 경우 화학물질이 더 많기 때문에 회전 속도가 더 빠를 수 있지만, 세정제가 제자리에서 건조되는 것을 방지하기 위해 회전 속도도 더 빨라야 합니다. 이 경우 LP는 간헐적으로 노출되며 회전 시간은 동일한 회전 횟수를 얻도록 조정하되 누적 시간은 5~10분으로 조정해야 합니다.

 

시간 = (회전 횟수)/(rpm)을 계산합니다(예: (5회 회전)/(0.6rpm))= 8.333 = 8분 20초; (4회전)/(0.4rpm) = 10분.

 

 

9) 기록 회전 속도가 너무 빠를 수 있습니다. 단락 XIV.2.3을 상기하면, 회전 속도가 분당 탱크 부

피의 1/2에 해당하는 유속이 발생하면 캐비테이션 강도가 감소하고 초음파의 최대 이점을 얻지 못합니다.

 

 

10) rpm 임계값은 얼마입니까? 이는 동시에 청소되는 레코드의 수와 탱크 부피에 따라 달라집니다. 그러나 매우 단순화된 분석에 따르면 레코드가 유체를 통해 1rpm 이동하면 약 1.0리터의 유체가 함께 이동하는 것으로 나타났습니다. 계산은 다음과 같습니다: 5.3.a 레코드의 0.333%가 유체와 접촉하고 있다고 가정하고(단락 XI.2.5), 면당 레코드(라벨을 뺀 면적)가 1-ft²이므로 언제든지 0.67-ft²가 유체와 접촉한다고 가정합니다. XIV.5.3.b 레코드판이 회전하면서 각 면에 0.25인치 두께의 유체 막이 흔들린다고 가정합니다. 따라서 레코드판이 회전할 때 교반되는 물의 부피는 (0.67-ft²)(144-in²/ft²)(0.5-in) =48.25-in³ = 0.8mL입니다. 그러나 회전이 빠를수록 항력으로 인해 더 많은 유체가 이동하므로 불확실성을 위해 25%의 계수를 적용하여 회전 기록이 1리터의 유체를 교반/이동시킨다는 간단한 경험 법칙을 도출하고 회전 속도를 1rpm = 1-lpm으로 계산합니다.

 

 

11) Kuzma™ RD 키트는 12.75 리터 용량의 Elmasonic™ P 120-H 초음파 탱크와 함께 사용하는 경우가 많습니다. 한 번에 10개의 레코드를 세척하고 썸-룰 1 rpm = 1 lpm을 사용하는 경우, 50% 탱크 유량에 대한 최대 속도는 (12.75L)(0.5)/(10개의 레코드)(1 lpm/rpm) = 0.64 rpm이며, 이는 Kuzma™ RD 키트의 최대 속도(0.6 rpm)와 일치하는 속도입니다. 따라서 1rpm = 1lpm의 도출 및 사용은 Elmasonic™ P 120-H가 약 100와트/갤런의 많은 전력을 가진 매우 잘 제조된 장치라는 점에 주목하여 이 응용 분야에 유효하게 보입니다.

 

 

12)초음파 탱크가 필터링되는 경우 레코드가 회전하여 생성되는 유량에 펌프의 유량을 더해야 하며 최종 방정식은 다음과 같습니다:

 

𝑅𝑟𝑝𝑚 =(𝑉)(0.5 - [𝑄/𝑉])/(𝑁)(𝐾)

여기서: Q = 펌프 유량(lpm)

K = 엄지손가락 굵기

1lpm/rpm N = 레코드 수

Rrpm = 최대 기록 rpm V = 탱크 부피(L)

 

예시: 6.5-L 탱크에서 단일 기록, 2.8 lpm 펌프 여과. (6.5-L)(0.5-[2.8/6.5])/(1 레코드)(1 lpm/rpm) = 0.5 rpm