超音波ホーンを用いたパワー超音波の応用

超音波ホーンまたはプローブは、均質化、分散、湿式粉砕、乳化、抽出、崩壊、溶解、脱気などの多様な液体処理アプリケーションに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用途についての基本を学びます。

超音波ホーン対超音波プローブ

しばしば、超音波ホーンとプローブという用語は、交換可能に使用され、液体に超音波を送信する超音波ロッドを指します。超音波プローブに使用される他の用語は、音響ホーン、ソノトロード、音響導波管、または超音波指です。しかし、技術的には超音波ホーンと超音波プローブの間に違いがあります。
両方とも、ホーンとプローブは、いわゆるプローブ式超音波器の部分を指す。超音波ホーンは、ピエゾ電気的に発生した振動を通して興奮する超音波トランスデューサの金属部分です。超音波ホーンは、例えば20kHz、毎秒20,000振動を意味し、特定の周波数で振動します。チタンは、その優れた音響伝達特性、その堅牢な疲労強度、および表面硬度に超音波ホーンの製造のための好ましい材料です。

超音波プローブは、ソトロードまたは超音波指とも呼ばれます。これは、ほとんどの場合、チタンから作られた金属棒であり、超音波ホーンに通します。超音波プローブは超音波処理装置の不可欠な部分であり、超音波を超音波媒体に伝達する。超音波プローブ/ソトロードは、様々な形状(例えば、円錐形、チップ、テーパー、またはカスカロードとして)利用可能です。チタンは、超音波プローブのための最も一般的に使用される材料である一方で、ステンレス鋼、セラミック、ガラスおよび利用可能な他の材料から作られたソ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一定の圧縮または張力の下にあるので、ホーンとプローブの材料選択は非常に重要です。高品質チタン合金(グレード5)は、ストレスに耐え、長時間にわたって高い振幅を維持し、音響および機械的特性を伝達するために、最も信頼性の高い、耐久性と効果的な金属と考えられています。

高性能超音波処理器は、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、1秒間に20,000回拡大し、収縮している1/2波長の長い共振ロッドです。拡張と収縮の動きは、高出力超音波としてプロセス媒体、すなわち流体またはスラリーに伝達され、そのようなアプリケーションを満たすために、

• 超音波高剪断混合
• 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
• 超音波破砕
• 超音波細胞破壊とリシス
• 超音波脱気と脱気
• ソノ化学(ソノ合成、ソノ触媒)

パワー超音波はどのように機能しますか? – 音響キャビテーションの働き原理

ホモジナイゼーション、粒度縮小、崩壊またはナノ分散などの高性能超音波アプリケーションのために、高強度、低周波超音波は、超音波トランスデューサーによって生成され、液体に超音波ホーンとプローブ(ソノトロード)を介して送信されます。高出力超音波は、16-30kHzの範囲で超音波と考えられています。超音波プローブは、例えば、20kHzで膨張し、収縮し、それにより、それぞれ20,000の振動/秒を媒体に送信する。超音波が液体を通過するとき、高圧(圧縮)/低圧(希薄化/膨張)サイクルを交互にする微細な空洞(真空気泡)を作成し、いくつかの圧力サイクルにわたって成長します。液体と気泡の圧縮フェーズでは、圧力は正であり、希薄化相は真空(負圧)を生成します。圧縮膨張サイクルの間、液体中の空洞は、それ以上の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、彼らは激しく爆発します。これらの空洞の爆発は、音響/超音波キャビテーションの現象として知られている様々な非常にエネルギッシュな効果をもたらす。音響キャビテーションは、液体、固体/液体システム、ならびにガス/液体系に影響を与える、非常にエネルギッシュなマニホールド効果によって特徴付けられる。エネルギー密度ゾーンまたはキャビテーションゾーンは、超音波プローブの近傍で最もエネルギー密度が高く、ソトロードからの距離が増加するにつれて減少する、いわゆるホットスポットゾーンとして知られています。超音波キャビテーションの主な特性は、局所的に発生する非常に高温および圧力とそれぞれの差動、乱流、および液体の流れが含まれる。超音波ホットスポットの超音波空洞の爆発の間に、最大5000ケルビンの温度、最大200の大気の圧力と最大1000km /hの液体ジェットを測定することができます。これらの顕著なエネルギーの強い条件は、様々な方法でプロセスや化学反応を強化するソノメカニカルおよびソノ化学的効果に貢献します。
液体やスラリーに超音波の主な影響は、次のとおりです。

• ハイシェア: 超音波高剪断力は、激しい攪拌、均質化および大量移送を引き起こす液体および液体固体系を破壊する。
• 影響： 超音波キャビテーションによって生成される液体ジェットおよび流れは液体中の固体を加速し、その後、部分間衝突につながる。粒子が非常に高速で衝突すると、浸食され、粉砕され、細かく粉砕され、しばしばナノサイズまで分散されます。植物材料などの生物物質の場合、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、細胞内物質を放出します。これにより、生物活性化合物の抽出が非常に効率的になり、生物物質の均一な混合が可能になります。
• 攪拌： 超音波処理は、液体またはスラリーの激しい乱流、せん断力および微小運動を引き起こす。それによって、超音波処理は常に物質移動を強化し、それによって反応およびプロセスを加速する。

超音波ホモジナイザーと高剪断ミキサーは、液体やスラリーで動作するほぼすべての処理業界で使用されています。強烈な超音波キャビテーション力は、激しい攪拌、せん断、粒子破損および物質移動を作成します。それにより、液体は均質化され、分散し、乳化され、抽出され、溶解し、および/または化学反応が開始される。全体的に、超音波は、歩留まりを増加させ、変換率を向上させ、プロセスをより効率的にするプロセス激化方法です。
業界で一般的な超音波アプリケーションは、食品の多くの枝に広がっています & 製薬, ファインケミストリー, エネルギー & 石油化学、リサイクル、バイオリファイナリティーなど、以下が含まれます:

• 超音波バイオディーゼル合成
• フルーツジュースの超音波均質化
• ワクチンの超音波生産
• 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
• 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調製
• 液体の超音波脱気
• 粗超音波脱硫
• そしてより多くの..

高性能アプリケーション用超音波ホーンとプローブ

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下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます：