超音波ホーンを用いたパワー超音波の応用

超音波ホーンや超音波プローブは、均質化、分散、湿式粉砕、乳化、抽出、分解、溶解、脱泡など、さまざまな液体処理アプリケーションに幅広く使用されています。超音波ホーン、超音波プローブとそのアプリケーションの基本を学びましょう。

超音波ホーンと超音波プローブの比較

多くの場合、超音波ホーンとプローブという用語は互換的に使用され、超音波を液体に送信する超音波ロッドを指す。超音波プローブに使われる他の用語は、音響ホーン、ソノトロード、音響導波管、超音波フィンガーなどである。ただし、技術的には超音波ホーンと超音波プローブは異なります。
ホーンもプローブも、いわゆるプローブ型超音波振動子の部品を指す。超音波ホーンは超音波トランスデューサーの金属部分であり、圧電振動によって励起される。超音波ホーンはある周波数、例えば20kHzで振動する。チタンは、その優れた音響透過特性、堅牢な疲労強度、表面硬度により、超音波ホーンの製造に好ましい材料です。

超音波プローブは、ソノトロードまたは超音波フィンガーとも呼ばれる。金属製の棒で、多くの場合チタン製で、超音波ホーンにねじ込まれている。超音波プローブは超音波プロセッサーの重要な部品であり、超音波を超音波処理された媒体に伝達します。超音波プローブ/ソノトロードは、様々な形状（例えば、円錐形、先端形、テーパー形、またはカスカトロード）のものがあります。超音波プローブの材質としてはチタンが最も一般的ですが、ステンレス、セラミック、ガラス、その他の材質のソノトロードもあります。

超音波ホーンとプローブは超音波照射中、常に圧縮または引張を受けているため、ホーンとプローブの材料選択は極めて重要です。高品質のチタン合金（グレード5）は、応力に耐え、高振幅を長時間維持し、音響的・機械的特性を伝達するために、最も信頼性が高く、耐久性があり、効果的な金属と考えられています。

高性能超音波プローブは、そのほとんどが20～30kHzの周波数帯域で動作する。20kHzの場合、超音波プローブは通常2分の1波長の長さの共振ロッドで、1秒間に2万回、絶えず伸縮を繰り返す。この伸縮運動は、ハイパワー超音波としてプロセス媒体（流体やスラリー）に伝達され、以下のような用途に使用される。

• 超音波ハイシアミキシング
• 超音波湿式粉砕
• ナノ粒子の超音波分散
• 超音波ナノ乳化
• 超音波抽出
• 超音波崩壊
• 超音波による細胞破砕と溶解
• 超音波脱気と脱泡
• ソノケミストリー（ソノシンセシス、ソノカタタリシス）

パワー超音波の仕組み – 音響キャビテーションの原理

ホモジナイゼーション、粒子径の減少、崩壊、ナノ分散などの高性能超音波アプリケーションでは、高強度、低周波数の超音波が超音波トランスデューサによって生成され、超音波ホーンとプローブ（ソノトロード）を介して液体に送信されます。高出力超音波とは、16～30kHzの超音波を指す。超音波プローブは、例えば20kHzで伸縮し、それによって1秒間にそれぞれ20,000回の振動を媒体に伝達する。超音波が液体中を伝わると、高圧（圧縮）／低圧（希釈／膨張）のサイクルが交互に繰り返され、微細な空洞（真空の気泡）が形成される。液体と気泡の圧縮段階では圧力が正になり、希薄化段階では真空（負圧）になる。圧縮-膨張サイクルの間、液体中の空洞は、それ以上エネルギーを吸収できない大きさになるまで成長する。この時点で、空洞は激しく内破する。この空洞の爆縮により、様々な高エネルギー効果が生じ、音響キャビテーション/超音波キャビテーション現象として知られている。音響キャビテーションは、液体、固体/液体系、気体/液体系に影響を与える多様な高エネルギー効果によって特徴付けられる。エネルギー密度の高いゾーンまたはキャビテーションゾーンは、いわゆるホットスポットゾーンとして知られており、超音波プローブの近傍で最もエネルギー密度が高く、ソノトロードからの距離が長くなるにつれて減少します。超音波キャビテーションの主な特徴には、局所的に発生する非常に高い温度と圧力、およびそれぞれの差、乱流、液体の流動が含まれます。超音波ホットスポットにおける超音波キャビティの爆縮では、最高5000ケルビンの温度、最高200気圧の圧力、最高時速1000kmの液体ジェットが測定される。これらの卓越したエネルギー強度の条件は、様々なプロセスや化学反応を強化するソノメカニカル効果やソノケミカル効果に寄与する。
液体やスラリーに対する超音波処理の主な影響は以下の通りである：

• ハイシア： 超音波の高剪断力が液体や液体-固体系を破壊し、激しい攪拌、均質化、物質移動を引き起こす。
• インパクトがある： 超音波キャビテーションによって発生する液体の噴流や流水は、液体中の固体を加速させ、その結果、粒子間衝突が発生する。非常に高速で粒子が衝突すると、粒子は侵食され、砕け散り、粉砕され、ナノサイズにまで細かく分散される。植物材料のような生物学的物質では、高速液体ジェットと交互の圧力サイクルが細胞壁を破壊し、細胞内物質を放出する。その結果、生物活性化合物を高効率で抽出し、生物学的物質を均一に混合することができる。
• 動揺している： 超音波処理は、液体やスラリーに激しい乱流、せん断力、微小運動を引き起こします。これにより、超音波処理は常に物質移動を促進し、反応やプロセスを加速します。

超音波ホモジナイザーとハイシアミキサーは、液体やスラリーを扱うほとんどの加工産業で使用されています。強力な超音波キャビテーション力により、激しい撹拌、せん断、粒子破壊、物質移動が行われます。これにより、液体は均質化、分散、乳化、抽出、溶解、および/または化学反応が開始されます。全体として、超音波処理は歩留まりを高め、転換率を改善し、プロセスをより効率的にするプロセス強化法である。
業界における一般的な超音波アプリケーションは、食品の多くの分野に広がっている。 & 製薬、精密化学、エネルギー & 石油化学、リサイクル、バイオリファイナリーなど：

• 超音波バイオディーゼル合成
• 果汁の超音波ホモジナイズ
• 超音波ワクチン製造
• 超音波リチウムイオン電池リサイクル
• ナノ材料の超音波合成
• 医薬品の超音波製剤化
• CBDの超音波ナノ乳化
• 植物の超音波抽出
• 実験室での超音波サンプル前処理
• 液体の超音波脱気
• 原油の超音波脱硫
• その他多数

高性能アプリケーション用超音波ホーンとプローブ

Hielscher Ultrasonics社は、長年にわたりハイパワー超音波発生装置の製造・販売に携わってきた。
1台あたり50ワットから16kWまで、あらゆるサイズの超音波プロセッサー、様々なサイズと形状のプローブ、様々な容積と形状の超音波リアクターなど、ヒールシャー超音波工業は、お客様のアプリケーションに理想的な超音波セットアップを構成するための適切な機器を取り揃えています。
下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：