Luận văn Thạc sĩ: nghiên cứu thiết kế chế tạo máy rửa siêu âm ứng dụng làm

Nghiên cứu chuyên sâu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế chế tạo máy rửa siêu âm ứng dụng làm sạch c, phương pháp luận hiện đại, kết quả ứng dụng

• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế, Chế Tạo Máy Rửa Siêu Âm Ứng Dụng Làm Sạch Các Dụng Cụ Y Tế
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về sóng siêu âm và ứng dụng làm sạch dụng cụ y tế

Sóng siêu âm là những sóng âm có tần số vượt quá 20 kHz, nằm ngoài phạm vi nghe của con người. Trong lĩnh vực làm sạch dụng cụ y tế, sóng siêu âm đóng vai trò vô cùng quan trọng nhờ khả năng tạo ra các bọt khí (cavitation) xâm thực bề mặt vật liệu. Hiệu quả làm sạch bằng sóng siêu âm được xác định bởi tần số, công suất, và loại chất lỏng sử dụng. Công nghệ này đặc biệt hiệu quả trong việc loại bỏ các vết rỉ sét, bẩn bám trong các khe rãnh của các dụng cụ y tế phức tạp như mũi khoan, mũi mài, kéo y tế. Phương pháp này không gây hại đến cấu trúc của dụng cụ, đảm bảo chất lượng vệ sinh cao nhất.

1.1. Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện là hiện tượng vật liệu áp điện (PZT) thay đổi kích thước khi chịu tác động của điện áp. Khi một xung điện áp cao tần được tác dụng lên vật liệu PZT, nó sẽ co giãn với tần số tương ứng, tạo ra sóng siêu âm. Quá trình này là nền tảng của các đầu phát siêu âm trong máy rửa siêu âm.

1.2. Cơ chế tạo bọt khí xâm thực Cavitation

Cavitation là hiện tượng tạo ra các bọt khí nhỏ trong chất lỏng khi áp suất giảm đột ngột. Khi bọt khí này sụp đổ, nó giải phóng năng lượng khổng lồ tạo ra áp lực cơ học mạnh mẽ có khả năng làm sạch các khu vực khó tiếp cận. Đây là cơ chế chính giúp loại bỏ vết bẩn, rỉ sét trên dụng cụ y tế.

II. Thiết kế chế tạo máy rửa siêu âm cho dụng cụ y tế

Thiết kế máy rửa siêu âm yêu cầu sự kết hợp hợp lý giữa nhiều khối chức năng chính. Sơ đồ khối thiết bị bao gồm: khối phát công suất siêu âm, khối khuếch đại công suất, khối điều khiển trung tâm, khối gia nhiệt, khối đo lường, và khối giao diện người máy. Khoang rửa siêu âm được chế tạo từ inox SUS304 với các đầu phát siêu âm JYD3840A được bố trí chiến lược để đảm bảo phân phối đều sóng siêu âm trong toàn bộ không gian rửa. Mục tiêu là tạo ra môi trường làm sạch đồng nhất với công suất siêu âm tối ưu để xử lý hiệu quả các dụng cụ y tế có hình dạng và độ phức tạp khác nhau.

2.1. Thiết kế khối phát công suất siêu âm

Khối phát công suất bao gồm mạch khuếch đại Class DE sử dụng transistor IRF840 để tăng công suất từ tín hiệu điều khiển. Biến áp xung cao tần với lõi quấn dạng EE được thiết kế để chuyển đổi và truyền tải tín hiệu siêu âm tới đầu phát. Thiết kế này đảm bảo hiệu suất cao và ổn định.

2.2. Khối điều khiển và giao diện người máy

Vi điều khiển PIC18F45K22 được sử dụng làm trung tâm xử lý, điều khiển các chế độ rửa (xung, quét tần số). Khối giao diện người máy cho phép người dùng thiết lập thông số như nhiệt độ, công suất, thời gian rửa. Cảm biến đo nhiệt độ được tích hợp để duy trì nhiệt độ tối ưu cho từng loại dụng cụ y tế.

III. Chế tạo và lắp ráp hệ thống máy rửa siêu âm

Chế tạo máy rửa siêu âm bao gồm nhiều bước quy trình kỹ thuật chặt chẽ. Trước tiên, mạch in PCB cho khối phát công suất siêu âm và mạch điều khiển được thiết kế và sản xuất theo đặc tả kỹ thuật. Các linh kiện điện tử được lựa chọn cẩn thận để đáp ứng yêu cầu công suất và độ tin cậy. Khoang rửa inox SUS304 được xây dựng với các đầu phát siêu âm được lắp đặt chắc chắn tại các vị trí chiến lược. Khối gia nhiệt được tích hợp để nâng nhiệt độ dung dịch rửa tới mức tối ưu. Toàn bộ hệ thống được đấu nối và chuẩn bị thử nghiệm để đảm bảo mọi chức năng hoạt động chính xác.

3.1. Quá trình lắp ráp linh kiện chính

Các linh kiện chính như transistor, biến áp, vi điều khiển được lắp ghép trên mạch in PCB với độ chính xác cao. Đầu phát siêu âm được lắp đặt vào khoang rửa sử dụng các khung giá đặc biệt để đảm bảo vị trí cố định và truyền tải sóng siêu âm hiệu quả.

3.2. Kiểm tra chất lượng và điều chỉnh hiệu chuẩn

Sau lắp ráp, toàn bộ hệ thống được kiểm tra điện áp đầu vào, dạng sóng đầu ra, và công suất phát. Dạng sóng siêu âm được đo bằng oscilloscope để xác nhận tần số và biên độ đúng theo thiết kế. Các thông số kỹ thuật được ghi chép chi tiết.

IV. Thử nghiệm hiệu quả làm sạch dụng cụ y tế

Mục đích thử nghiệm là đánh giá khả năng làm sạch của máy rửa siêu âm trên các dụng cụ y tế thực tế. Các mẫu thử nghiệm bao gồm mũi khoan, mũi mài, kéo y tế và các chi tiết khớp nối bị rỉ sét, bẩn bám. Quá trình rửa được thực hiện với nước sạch ở các chế độ khác nhau (xung, quét tần số) và công suất khác nhau. Kết quả đạt được cho thấy máy có khả năng loại bỏ hoàn toàn vết rỉ sét, bẩn bám trên các dụng cụ y tế mà không gây hư hỏng. Hiệu quả làm sạch đạt 95% trở lên trên các chi tiết phức tạp. Các dụng cụ y tế sau khi rửa đạt tiêu chuẩn vệ sinh cao theo AAMI standards.

4.1. Phương pháp đánh giá kết quả làm sạch

Kết quả làm sạch được đánh giá dựa trên xét nghiệm trực quan trước và sau rửa bằng hình ảnh chụp chi tiết. Các dụng cụ y tế bị rỉ sét nặng và bẩn bám trong khe rãnh được so sánh sau quá trình rửa bằng sóng siêu âm để xác định mức độ sạch đạt được.

4.2. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Máy rửa siêu âm đã được chế tạo thành công và đạt các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm cải thiện hiệu suất năng lượng, mở rộng phạm vi tần số, và phát triển các chế độ rửa tự động cho các loại dụng cụ y tế khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I của luận văn sẽ trình bày những vấn đề nghiên cứu nêu trên để làm căn cứ phân tích, thiết kế mô hình thiết bị của đề tài. Sóng siêu âm và hiệu quả làm sạch bằng sóng siêu âm 1. Sóng siêu âm và hiệu ứng áp điện Sóng siêu âm là sóng cơ học có bước sóng cực ngắn - thường ngắn hơn 2 cm trong không khí. Sóng siêu âm có tần số lớn hơn ngưỡng nghe của con người (16 kHz) thường trên 20 kHz (hình 1.

Công suất, cường độ và mật độ năng lượng là những thông số quan trọng của siêu âm ảnh hưởng trực tiếp đến những ứng dụng có sử dụng sóng âm này. Môi trường truyền của sóng siêu âm rất đa dạng có thể là không khí, chất lỏng, chất rắn với tốc độ bằng tốc độ âm thanh. Do đó, sóng siêu âm được sử dụng trong nhiều ứng dụng như làm sạch, hàn kim loại, gia công bằng cách loại bỏ phoi kim loại, tạo hình, kiểm tra kim loại, phát hiện, chuẩn đoán và điều trị trong y học, truyền tín hiệu…. Các tần số sóng âm [7] Công nghệ siêu âm đã ra đời và phát triển sau khi hiệu ứng áp điện được hai nhà vật lý người Pháp là Jacques và Pierre Curie được phát hiện ra vào năm 1880 [8].

Nghiên cứu [8] chỉ ra rằng khi đặt một vật nặng lên tinh thể thạch anh, trên bề mặt tinh thể xuất hiện một điện tích và lượng điện tích tỷ lệ với khối lượng của vật nặng. Năm 1881, hiệu ứng áp điện nghịch đảo được mô tả như sau: Khi đặt một hiệu điện thế vào tinh thể, tinh thể bị biến dạng do sự biến dạng của mạng tinh thể gây ra bởi hiệu ứng áp điện. Khi điện áp được đảo ngược, biến dạng cũng được đảo ngược. Như vậy, hiệu ứng áp điện là hiện tượng vật lý mà một chất dẫn điện được đặt trong một trường điện có thể tạo ra một điện thế giữa hai đầu của nó.

Do đó, hiệu ứng áp điện đóng vai trò là mối ghép giữa mạch và cơ tính của tinh thể. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện một loại vật liệu khi được kéo dãn dưới một lực cơ học có thể sản sinh ra điện tích trên bề mặt vật liệu. Vật liệu đó gọi là vật liệu áp điện. Vật liệu áp điện có thể tạo ra điện trường do biến dạng cơ học, hoặc biến dạng cơ học do tác dụng của điện trường.

Nếu vật liệu hoạt động ở tần số cao, vật liệu sẽ tỏa nhiệt lượng lớn, khi vật liệu hoạt động ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie thì vật liệu sẽ mất đi tính áp điện và nó có thể gây hư hỏng thiết bị. Các vật liệu áp điện đầu tiên là các tinh thể tự nhiên như thạch anh và muối Rochelle. Sau khi được cắt, đánh bóng, tạo kích thước chính xác, những vật liệu này được thiết lập thành rung động cộng hưởng trong các mạch điện để hoạt động như máy phát tần số. Sau đó đến năm 1950, sau nhiều nghiên cứu, sóng siêu âm đã được đưa vào sử dụng cho công việc làm sạch.

Loa phát sóng siêu âm [16] 5 1. Hiệu quả làm sạch bằng sóng siêu âm Nguyên tắc vệ sinh, làm sạch bằng sóng siêu âm dựa trên hiệu ứng xâm thực của các bọt khí trong môi trường chất lỏng để loại bỏ các hạt bụi bẩn, các mảng bám tồn tại trên bề mặt dụng cụ. Nguyên lý này được mô tả ở hình 1. Khi truyền qua dung dịch tẩy rửa, sóng siêu âm tạo ra các lực kéo và nén xen kẽ dao động ở cùng tần số làm hình thành và phá vỡ các bọt khí.

Những bọt khí phát triển theo hai giai đoạn: giai đoạn hấp thụ năng lượng và giải phóng năng lượng. Giai đoạn hấp thụ năng lượng thể hiện ở việc kích thước các bọt khí tăng dần lên. Giai đoạn giải phóng năng lượng thể hiện ở việc các bọt khí to đến mức tới hạn, bị vỡ ra, tạo ra năng lượng nổ đánh bật các chất bẩn khỏi bề mặt cần làm sạch. Cơ chế tạo bọt khí xâm thực [9] Sajjadi [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng của năng lượng siêu âm đối với thể tích và kiểu chất lỏng của các bóng khí, đồng thời phân tích mô phỏng quá trình hình thành và đặc điểm động học của chúng.

Phân tích mô hình toán học cho thấy công suất siêu âm ảnh hưởng đáng kể đến điều kiện hình thành và vận tốc dao động của các bóng khí, tổng khối lượng bóng khí tăng khoảng 4,95% cho mỗi lần tăng 100 W công suất siêu âm. Khi áp suất âm Pm lớn hơn áp suất tĩnh của chất lỏng P0, hiện tượng xâm thực xảy ra đánh thủ độ bền kết cấu của chất lỏng. Lúc này ngưỡng tạo bọt khi I c (cường độ hoặc biên độ âm thanh thấp nhất mà tại đó xảy ra tạo bọt khí trong chất lỏng) có thể được biểu thị bằng biểu thức 1.1) Trong đó: P0 là áp suất tĩnh của chất lỏng, Pm là biên độ của áp suất âm, Pv là áp suất hơi, σ là hệ số căng bề mặt R0, Ru là bán kính ban đầu của hạt nhân tạo bọt; bán kính lúc nổ của bọt khí. T là nhiệt độ của chất lỏng Từ biểu thức 1.1, ngưỡng xâm thực có liên quan đến loại chất lỏng, nhiệt độ, áp suất, bán kính bóng khí và hàm lượng khí.

Khi xảy ra hiện tượng xâm thực, các bong bóng khí sinh ra dưới tác dụng của áp suất âm thanh bị co dãn liên tục đến một ngưỡng xác định sẽ vỡ ra và tạo ra sóng xung kích có nhiệt độ và áp suất hàng nghìn atm cục bộ, đủ cao để phá vỡ chất bẩn trên bề mặt làm việc, quá trình được mô tả như hình 1. Năng lượng sóng xung kích thủy lực tạo ra hiệu ứng hút mạnh mẽ. Những sóng xung kích có thể đạt nhiệt độ cao tới 10.000°F và áp suất thủy động lực học thấp tới 10.000 pounds trên mỗi inch vuông (PSI), làm lỏng và loại bỏ vi sinh vật cũng như các mảnh vụn bám dính khác từ ngay cả những bề mặt khó tiếp cận nhất của một dụng cụ bẩn. Trên thực tế, các yếu tố ảnh hưởng của cường độ xâm thực rất phức tạp, nó liên quan đến môi trường chất lỏng xung quanh, tần số sóng và áp suất siêu âm, kích thước bong bóng, v.

Như vậy có thể thấy: hiệu quả làm sạch của sóng siêu âm phụ thuộc vào các thông số vật lý như tần số siêu âm, công suất, phân bố trường siêu âm, đặc tính của dung dịch tẩy rửa, thời gian tác động, hình dạng vết bẩn cần làm sạch, đặc tính âm thanh, v. Bên cạnh đó, vì quá trình làm sạch bằng sóng siêu âm phụ thuộc vào năng lượng sóng xung kích từ sự nổ của các bong bóng khí, nên tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ và số lần nổ của bong bóng khí trong chất lỏng đều ảnh hưởng tới hiệu quả làm sạch của sóng siêu âm. Ảnh hưởng của kích thước và số lượng bong bóng khí Lượng năng lượng giải phóng trong quá trình nổ bóng khí có liên quan đến kích thước của nó. Các bong bóng kích thước lớn hơn giải phóng nhiều năng lượng hơn trong quá trình nổ so với các bong bóng kích thước nhỏ.

Nói chung, việc giải phóng năng lượng nổ có lợi cho quá trình làm sạch bằng sóng siêu âm. Tuy nhiên, 7 quá nhiều năng lượng được giải phóng bởi các bong bóng kích thước lớn hoặc dư thừa trong một số trường hợp, có thể gây ra thiệt hại cho các dụng cụ nhạy cảm, dễ bị hư hại. Ảnh hưởng của hóa chất tẩy rửa và nhiệt độ Hóa chất làm sạch (chất tẩy rửa) là hỗn hợp tổng hợp nhân tạo của các thành phần nước và chất hóa học có khả năng làm sạch. Khi kết hợp với làm sạch bằng sóng siêu âm, chất tẩy rửa gốc nước đã được chứng minh là có hiệu quả và triệt để trong việc làm sạch mọi bề mặt của các bộ phận công nghiệp và nhiều đồ vật khác.

Các chất tẩy rửa tiếp xúc với các chất hoạt động bề mặt giúp giảm sự bám giữ của các chất gây ô nhiễm trên dụng cụ, trong khi hiệu ứng tạo bọt khí bắt nguồn từ sóng siêu âm đánh vào vật thể tạo ra hàng triệu bọt khí bắn phá các bụi bẩn bám dính trên bề mặt vật thể. Nhiệt độ cũng là một yếu tố quan trọng liên quan đến hiệu quả làm sạch của sóng siêu âm. Bản thân sóng siêu âm khi tạo ra các vụ nổ bóng khí cũng sẽ tạo ra một lượng nhiệt đáng kể. Tuy nhiên, với một số dung môi làm sạch, nhiệt độ này chưa đủ nên cần thêm khâu gia nhiệt để tăng khả năng làm sạch của sóng siêu âm kết hợp hóa chất.

Ảnh hưởng của công suất siêu âm Công suất siêu âm phải đảm bảo để tạo ra các vụ nổ bóng khí trong toàn thể tích chất lỏng. Đơn vị đo lường cho công suất siêu âm của các bể là Watts trên gallon Khi thể tích bể tăng lên, tổng công suất cấp không đổi, số watt trên mỗi gallon cần thiết để đạt được hiệu suất siêu âm tương đương sẽ giảm xuống. thể hiện mối quan hệ giữ công suất và kích thước bể rửa siêu âm. Tuy nhiên, có thể thay đổi với từng trường hợp cụ thể.

Biểu đồ quan hệ giữa kích thước bể và công suất siêu âm [12] 8 Mặc dù công suất cao thường mang lại hiệu quả làm sạch cao và quá trình nhanh hơn, nhưng công suất quá lớn có thể làm hỏng các dụng cụ cần làm sạch vì vậy cần có thực nghiệm để tìm ra công suất tối ưu cho thiết kế. Công suất siêu âm từ 50-100W/3,78L chất tẩy rửa là phù hợp để rửa các dụng cụ y tế mà không làm hư hại. Ảnh hưởng của tần số siêu âm Kích thước bóng khí tỷ lệ nghịch với tần số siêu âm. Tần số sóng siêu âm tăng lên, năng lượng được giải phóng bởi mỗi vụ nổ bóng khí giảm vì kích thước chúng nhỏ hơn.

Tùy thuộc vào ứng dụng, có thể đạt được hiệu quả làm sạch mong muốn bằng cách tạo ra một số lượng nhỏ các vụ nổ năng lượng cao hoặc một số lượng lớn các vụ nổ năng lượng thấp. Tần số siêu âm thấp hơn sẽ tạo ra các bóng khí lớn hơn, vì vậy khi chúng nổ sẽ giải phóng năng lượng làm sạch lớn hơn. Tần số 25 kHz thường sử dụng để làm sạch các chi tiết có độ cứng cao, tần số khoảng 40 kHz là tần số được sử dụng trong 95% ứng dụng [12].