超音波ホーンを用いたパワー超音波の応用

超音波ホーンやプローブは、均質化、分散、湿式粉砕、乳化、抽出、崩壊、溶解、脱気を含む、多様な液体処理用途で広く使用されています。超音波ホーン、超音波プローブ、およびそれらの用途について、基礎を学びましょう。

超音波ホーンと超音波プローブの違い

超音波ホーンとプローブという用語は、しばしば同じ意味で使われ、超音波を液体中に伝達する超音波ロッドを指します。超音波プローブには、音響ホーン、ソノトロード、音響導波路、超音波フィンガーという呼び方もあります。ただし、技術的には超音波ホーンと超音波プローブには違いがあります。
ホーンもプローブも、いわゆるプローブ型超音波処理装置の部品を指します。超音波ホーンは超音波振動子の金属部分で、圧電効果によって生じる振動で励振されます。超音波ホーンは、例えば20kHzという特定の周波数で振動します。これは毎秒20,000回の振動を意味します。チタンは、優れた音響伝達特性、高い疲労強度、および表面硬度を備えているため、超音波ホーンの製造に適した材料として選ばれています。

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ます。これは多くの場合チタン製の金属ロッドで、超音波ホーンにねじ接続されます。超音波プローブは超音波処理装置の不可欠な部品であり、超音波処理される媒体に超音波を伝達します。超音波プローブ／ソノトロードには、さまざまな形状（例えば円錐形、先端付き、テーパー形、またはCascatrode）があります。超音波プローブにはチタンが最も一般的に使用されていますが、ステンレス鋼、セラミック、ガラス、およびその他の材料で作られたソノトロードもあります。

超音波ホーンとプローブは、超音波処理中に常に圧縮または引張りを受けるため、ホーンとプローブの材料選定は極めて重要です。高品質のチタン合金（グレード5）は、応力に耐え、長期間にわたり高い振幅を維持し、音響的および機械的特性を伝達するうえで、最も信頼性が高く、耐久性に優れ、効果的な金属と考えられています。

溶解は、超音波処理の一般的な用途です。この動画では、Hielscher UP200Stを使用して、砂糖の結晶を水に迅速に溶解する様子をご紹介します。

高性能超音波処理装置は、主に20–30kHzの周波数範囲で動作します。20 kHzでは、超音波プローブは通常、半波長の長さを持つ共振ロッドであり、毎秒20,000回、絶えず伸縮します。この伸縮運動は、高出力超音波として処理媒体、すなわち流体またはスラリーに伝達され、以下のような用途に用いられます。

• 超音波による高せん断混合
• 超音波による湿式粉砕
• 超音波によるナノ粒子の分散
• 超音波によるナノ乳化
• 超音波による抽出
• 超音波による崩壊
• 超音波による細胞破砕と溶解
• 超音波による脱ガスと脱気
• ソノケミストリー（超音波合成、超音波触媒作用）

パワー超音波はどのように作用するのか？ – 音響キャビテーションの動作原理

均質化、粒径の縮小、崩壊、ナノ分散などの高性能な超音波応用では、超音波振動子によって高強度・低周波の超音波を発生させ、超音波ホーンとプローブ（ソノトロード）を介して液体中に伝達します。高出力超音波とは、16–30kHzの範囲の超音波とされています。超音波プローブは、例えば20kHzで伸縮し、それに対応して毎秒20,000回の振動を媒体に伝達します。超音波が液体中を伝わると、高圧（圧縮）と低圧（希薄化／膨張）のサイクルが交互に生じ、微小な空洞（真空気泡）が形成されます。これらの空洞は、複数の圧力サイクルを経て成長します。液体と気泡の圧縮相では圧力は正となり、希薄化相では真空（負圧）が生じます。圧縮と膨張のサイクルの間に、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達するまで成長します。この時点で、空洞は激しく内破します。これらの空洞の内破によって、非常に高いエネルギーを伴うさまざまな効果が生じます。これが、音響キャビテーション／超音波キャビテーションとして知られる現象です。音響キャビテーションは、液体、固体／液体系、および気体／液体系に作用する、多様な高エネルギー効果を特徴とします。エネルギー密度の高い領域、すなわちキャビテーション領域は、いわゆるホットスポット領域として知られています。エネルギー密度は超音波プローブのすぐ近くで最も高く、ソノトロードからの距離が増すにつれて低下します。超音波キャビテーションの主な特徴には、局所的に生じる非常に高い温度と圧力、それぞれの温度差と圧力差、乱流、および液体の流動があります。超音波ホットスポットで超音波による空洞が内破する際には、最大5000ケルビンの温度、最大200気圧の圧力、および最大1000km/hの液体ジェットを測定できます。こうした極めて高いエネルギーを伴う条件は、超音波による機械的効果と化学的効果に寄与し、さまざまな方法でプロセスと化学反応を促進します。
超音波処理が液体とスラリーに及ぼす主な作用は以下のとおりです。

• 高せん断： 超音波による高せん断力は、液体および液体・固体系を破砕し、強力な撹拌、均質化、および物質移動を引き起こします。
• 衝撃： 超音波キャビテーションによって生じる液体ジェットと流動は、液体中の固体を加速し、その結果、粒子間の衝突を引き起こします。粒子が非常に高速で衝突すると、侵食され、砕け、微細に粉砕・分散され、多くの場合ナノサイズにまで小さくなります。植物材料などの生物由来の物質では、高速の液体ジェットと交互に生じる圧力サイクルが細胞壁を破壊し、細胞内物質を放出します。これにより、生理活性化合物の極めて効率的な抽出と、生物由来の物質の均一な混合が実現します。
• 撹拌： 超音波処理は、液体またはスラリー中に強い乱流、せん断力、および微小な運動を引き起こします。そのため、超音波処理は常に物質移動を促進し、それによって反応とプロセスを加速します。

超音波ホモジナイザーと高せん断ミキサーは、液体またはスラリーを扱うほぼすべて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は、強力な撹拌、せん断、粒子の破砕、および物質移動を引き起こします。これにより、液体の均質化、分散、乳化、抽出、溶解が行われ、または化学反応が開始されます。これらが同時に起こる場合もあります。総じて、超音波処理は、収率を高め、転化率を改善し、プロセスをより効率的にするプロセス促進手法です。
産業における一般的な超音波用途は、食品・医薬品、ファインケミカル、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の多くの分野に広がっており、以下が含まれます。

• 超音波によるバイオディーゼル合成
• 超音波による果汁の均質化
• 超音波によるワクチン製造
• 超音波によるリチウムイオン電池のリサイクル
• 超音波によるナノ材料の合成
• 超音波による医薬品の製剤化
• 超音波によるCBDのナノ乳化
• 超音波による植物原料の抽出
• 実験室における超音波によるサンプル前処理
• 超音波による液体の脱ガス
• 超音波による原油の脱硫
• その他にも多くの用途があります…

高性能用途向けの超音波ホーンとプローブ

Hielscher Ultrasonicsは、高出力超音波処理装置の製造・販売に長年の経験を持ち、その装置は世界各地の多くの産業で高負荷用途に使用されています。
装置当たり50ワットから16kWまでのあらゆるサイズの超音波処理装置、さまざまなサイズと形状のプローブ、異なる容量と形状の超音波リアクターを取り揃えるHielscher Ultrasonicsには、お客様の用途に理想的な超音波システムを構成するための適切な機器があります。
以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。