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プローブ型超音波発生器 vs. 超音波浴

プローブ型ソニケーターと超音波浴の違いを理解することは、アプリケーションにとって最も効率的なオプションを選択するのに役立ちます。ヒールシャープローブタイプの超音波処理器は、強力な超音波エネルギーを直接サンプルに集中させるため、処理時間が短縮され、一貫性のある再現性のある結果が保証されます。 対照的に、超音波浴はより広い領域にエネルギーを分散させるため、強度が非常に低く、キャビテーションが限界的で不均一になります。この低い超音波処理強度は、多くの場合、処理時間が長くなり、結果が劣ります。

乳化、分散、抽出、または粒子サイズの縮小などのタスクのために、プローブタイプのソニケーターは均一なせん断力と高強度のキャビテーションを生成します。 この直接的なアプローチは、困難なアプリケーションに対応し、小規模なラボテストから完全な生産実行まで簡単に拡張できます。一方、超音波浴は、軽度の洗浄や低強度の治療には十分かもしれませんが、振幅と温度を正確に制御する必要があるより要求の厳しい作業には苦労することがよくあります。信頼性、柔軟性、および堅牢な性能が必要な場合、ヒールシャープローブタイプの超音波発生器は、基本的な超音波浴よりも明確な優位性を提供します。

プローブ型超音波処理装置 UP100H vs 超音波浴:プローブ型超音波処理器は、集束超音波透過と再現性のある結果で優れています

プローブ型ソニケーター vs 超音波浴 – プローブ型ソニケーターが効率と信頼性に優れている理由を探る

ソニケーターキャビテーション強度

プローブ型超音波処理器は、高出力超音波を液体媒体に直接導入し、そこで音波が液体中に高圧と低圧のサイクルを交互に作り出します。低圧サイクルでは、高強度の超音波が液体中に小さな真空気泡または空隙を生成します。気泡がエネルギーを吸収できなくなった体積に達すると、高圧サイクル中に気泡は激しく崩壊します。この現象はキャビテーションと呼ばれます。爆縮の間、非常に高温で圧力が局地的に達します。キャビテーション気泡の爆縮も、非常に高速な液体ジェットをもたらします。
 

このビデオでは、超音波洗浄器としても知られる超音波浴の抽出力とヒールシャーUP100Hプローブ型超音波処理器の抽出力を比較します。

きのこの抽出 - バス対プローブ超音波処理 - 並べて比較

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背景:超音波キャビテーション

Moholkar(2000)は、キャビテーション強度が最も高い領域の気泡は過渡的な運動をし、キャビテーション強度が最も低い領域の気泡は安定した振動運動をしたことを発見しました。局所的な温度と圧力の最大値を生じさせる気泡の一時的な崩壊は、化学システムに対する超音波の観察された影響の根底にあります。
超音波処理の強度は、エネルギー入力とソノトロード表面積の関数です。与えられたエネルギー入力が適用されます:ソノトロードの表面積が大きいほど、超音波の強度は低くなります。
超音波は、さまざまなタイプの超音波システムによって生成できます。以下では、超音波浴、開放容器内の超音波プローブ装置、およびフローセルチャンバーを備えた超音波プローブ装置を使用した超音波処理の違いを比較します。

キャビテーション気泡は、安定気泡と一過性気泡で区別できます。(クリックで拡大!

図1:安定で過渡的なキャビテーション気泡の生成。(a)変位、(b)過渡キャビテーション、(c)安定キャビテーション、(d)圧力
[Santos et al. 2009より引用]

キャビテーション分布の比較

超音波アプリケーションには、超音波プローブ(プローブ型超音波装置)または超音波浴を使用することができます。 “超音波処理のこれら2つの方法の中で、プローブ超音波処理は、ナノ粒子分散液の適用において超音波浴よりも効果的で強力である。超音波プローブ装置は流体に20,000 W / Lを提供できる一方で、超音波浴装置は約20-40 W / Lおよび非常に不均一な分布で弱い超音波処理を提供することができます。したがって、超音波プローブ装置は超音波浴装置を1000倍に凌駕することを意味します。” (cf. Asadi et al., 2019)

プローブ型超音波処理器と超音波浴:キャビテーション分布の比較

超音波アプリケーションの領域では、プローブ型超音波処理器と超音波洗浄器の両方が重要な役割を果たします。しかし、ナノ粒子の分散に関しては、プローブソニケーターは超音波浴を大幅に上回っています。Asadi(2019)によると、超音波浴は通常、非常に不均一な分布で1リットルあたり約20〜40ワットの弱い超音波処理を生成します。対照的に、超音波プローブデバイスは、1リットルあたり20000ワットという驚異的な電力を液体中に供給することができ、超音波浴を1000倍も上回る効果を示しています。この顕著な違いは、効率的で均一なナノ粒子分散を達成するプローブ型ソニケーターの優れた能力を浮き彫りにしています。

超音波浴

超音波プローブが超音波洗浄タンクやバス型超音波装置よりも優れている理由をご覧ください。超音波浴では、キャビテーションは不適合で発生し、タンク全体に制御不能に分布します。超音波処理効果は低強度で不均一に広がっています。プロセスの再現性とスケーラビリティは非常に劣っています。
下の写真は、超音波タンクでの箔試験の結果を示しています。このために、薄いアルミニウムまたは錫箔が水で満たされた超音波タンクの底に置かれます。超音波処理後、単一の侵食痕が見えます。これらの単一の穴あきスポットとホイルの穴は、キャビテーションのホットスポットを示しています。エネルギーが低く、タンク内の超音波の分布が不均一であるため、侵食マークはスポット単位でのみ発生します。したがって、超音波浴は主に洗浄用途に使用されます。
 

超音波浴や超音波タンクでは、超音波ホットスポットは非常に不均一に発生します。(クリックで拡大!

超音波浴や超音波タンクでは、音響キャビテーションのホットスポットは非常に不均一に発生します。

 
下の図は、超音波浴におけるキャビテーションホットスポットの不均一な分布を示しています。図2では、底面積が20の浴槽です×10cmが使用されています。
 

超音波プローブタイプのデバイスと超音波タンク。ヒールシャー超音波は、音響キャビテーションフィールドの違いを示しています

図2は、超音波浴内の超音波場の空間分布を示しています。
(a)お風呂で1Lの水を使用し、(b)お風呂での総量の2Lの水を使用します。
[Nascentes et al., 2010]

 
図3に示す測定には、底部スペースが12x10cmの超音波浴が使用されています。

超音波浴のキャビテーションの凹凸(クリックすると拡大します!

図3は、超音波浴内の超音波場の空間分布を示しています。
(a)浴槽で1Lの水を使用し、(b)浴槽の総量1.3Lの水を使用します。
[Nascentesら、2001]

 
両方の測定は、超音波タンク内の超音波照射場の分布が非常に不均一であることを示しています。浴内のさまざまな場所での超音波照射の研究は、超音波浴のキャビテーション強度の有意な空間的変動を示しています。

下の図4は、アゾ染料メチルバイオレットの脱色によって例示される超音波浴と超音波プローブデバイスの効率を比較しています。

比較プローブタンクの超音波処理

図4:プローブ型超音波発生器は、超音波タンクや浴の低超音波密度と比較して、局所的に非常に高いエネルギー強度を展開します。

Dhanalakshmiらは、彼らの研究で、プローブタイプの超音波デバイスはタンクタイプと比較して高い局在強度を持ち、したがって、図4に示すようにより大きな局在効果を有することを発見しました。これは、超音波処理プロセスのより高い強度と効率を意味します。
写真4に示すように、超音波セットアップにより、振幅、圧力、温度、粘度、濃度、反応器の容積などの最も重要なパラメータを完全に制御できます。

超音波プローブ(ソノトロード)は、超音波を液体に伝達するチタンロッドです。その結果、液体中に音響キャビテーションが発生し、これが究極の音速処理のための機械的せん断力を提供します。

写真1:超音波を液体に送るソノトロード。ソノトロード表面の下の曇りは、キャビテーションホットスポット領域を示しています。

利点プローブ超音波処理:

  • きつい
  • 集中
  • 完全に制御可能
  • 均等な分布
  • 再現
  • リニアスケールアップ
  • バッチおよびインライン

プローブ型ソニケーターの利点

超音波プローブまたはソノトロードは、超音波エネルギーを焦点を絞った領域、通常はプローブの先端に集中するように設計されています。この集中的なエネルギー伝送により、サンプルの正確かつ効率的な処理が可能になります。プローブの設計により、超音波エネルギーのかなりの部分がサンプルに向けられるため、超音波浴と比較するとエネルギー伝達が大幅に向上します。超音波パワーのこの集中伝送は、細胞破壊、ナノ分散、ナノ粒子合成、乳化、および植物抽出などの超音波処理パラメータの正確な制御を必要とするアプリケーションにとって特に有利です。
したがって、プローブ型超音波処理器は、精度、制御、柔軟性、効率、およびスケーラビリティの点で超音波浴よりも明確な利点を提供し、幅広い科学および産業用途に不可欠なツールとなっています。

オープンビーカー加工用プローブ型ソニケーター

サンプルを超音波プローブデバイスを使用して超音波処理すると、強力な超音波処理ゾーンはソノトロード/プローブの真下にあります。超音波照射距離は、ソノトロード先端の特定の領域に限定されます。(写真1参照)
オープンビーカーでの超音波プロセスは、主に実現可能性試験および少量のサンプル調製に使用されます。

インライン処理用フローセル付きプローブ型ソニケーター

最も洗練された超音波処理の結果は、閉じたフロースルーモードでの連続処理によって達成されます。すべての材料は、流路と同じ超音波強度で処理され、超音波反応器チャンバー内の滞留時間が制御されます。

超音波再循環セット:UIP1000hdT、フローセル、タンク、ポンプ付き

超音波再循環セット:UIP1000hdT、フローセル、タンク、ポンプ付き

所与のパラメータ構成に対する超音波液体処理のプロセス結果は、処理体積当たりのエネルギーの関数である。この機能は、個々のパラメータの変更に伴って変化します。さらに、超音波ユニットのソノトロードの表面積あたりの実際の出力と強度は、パラメータに依存します。

超音波処理のキャビテーションの影響は、振幅(A)、圧力(p)、反応器の容積(VR)、温度(T)、粘度(η)などで表される表面強度に依存します。プラス記号とマイナス記号は、超音波処理強度に対する特定のパラメータのプラスまたはマイナスの影響を示します。

超音波処理のキャビテーションの影響は、振幅(A)、圧力(p)、反応器の容積(VR)、温度(T)、粘度(η)などで表される表面強度に依存します。プラス記号とマイナス記号は、超音波処理強度に対する特定のパラメータのプラスまたはマイナスの影響を示します。

超音波処理プロセスの最も重要なパラメータを制御することにより、プロセスは完全に再現可能であり、達成された結果は完全に線形にスケーリングできます。さまざまなタイプのソノトロードと超音波フローセルリアクターにより、特定のプロセス要件への適応が可能になります。

概要:プローブ型超音波発生器と超音波浴

超音波浴は、1リットルあたり約20ワットの弱い超音波処理を提供する一方で、非常に不均一な分布であるが、プローブ型超音波処理器は、処理された媒体に1リットルあたり約20000ワットを容易に結合することができる。これは、超音波プローブタイプのソニケーターが、焦点を絞った均一な超音波電力入力により、超音波浴を1000倍(体積あたりのエネルギー入力が1000倍高い)で優れていることを意味します。最も重要な超音波処理パラメータを完全に制御することで、完全に再現可能な結果とプロセス結果の線形スケーラビリティが保証されます。

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このビデオは、ラボサンプルの分散、均質化、抽出、または脱気のための200ワットの超音波カップホーンを示しています。

超音波カップホーン(200ワット)

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文献/参考文献

  • Asadi, Amin; Pourfattah, Farzad; Miklós Szilágyi, Imre; Afrand, Masoud; Zyla, Gawel; Seon Ahn, Ho; Wongwises, Somchai; Minh Nguyen, Hoang; Arabkoohsar, Ahmad; Mahian, Omid (2019): Effect of sonication characteristics on stability, thermophysical properties, and heat transfer of nanofluids: A comprehensive review. Ultrasonics Sonochemistry 2019.
  • Moholkar, V. S.; Sable, S. P.; Pandit, A. B. (2000): Mapping the cavitation intensity in an ultrasonic bath using the acoustic emission. In: AIChE J. 2000, Vol.46/ No.4, 684-694.
  • Nascentes, C. C.; Korn, M.; Sousa, C. S.; Arruda, M. A. Z. (2001): Use of Ultrasonic Baths for Analytical Applications: A New Approach for Optimisation Conditions. In: J. Braz. Chem. Soc. 2001, Vol.12/ No.1, 57-63.
  • Santos, H. M.; Lodeiro, C., Capelo-Martinez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. In: Ultrasound in Chemistry: Analytical Application. (ed. by J.-L. Capelo-Martinez). Wiley-VCH: Weinheim, 2009. 1-16.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, 517-541.



超音波プローブに関するよくある質問(FAQ)

超音波プローブソニケーターとは何ですか?

超音波プローブソニケーターは、高周波音波を使用してサンプルを妨害または混合する装置です。これは、液体に浸すと超音波振動を発生させるプローブで構成されており、キャビテーションと目的のサンプル処理効果につながります。

プローブ超音波処理の原理は何ですか?

プローブ超音波処理は、超音波キャビテーションの原理に基づいて機能します。プローブがサンプル内で振動すると、微細な気泡が発生し、急速に膨張して崩壊します。このプロセスは、激しいせん断力と熱を発生させ、細胞を破壊したり、微視的なレベルで成分を混合したりします。

超音波洗浄機は超音波処理器と同じですか?

いいえ、同じではありません。超音波洗浄機は、お風呂内の非常に穏やかな超音波を使用して、主に振動と非常に軽いキャビテーションによってアイテムを洗浄します。ソニケーター、特に超音波プローブソニケーターは、破壊または均質化に焦点を当てた、サンプルの直接的で集中的な超音波処理のために設計されています。

超音波プローブの用途は何ですか?

超音波プローブは、主に、化学、生物学、材料科学にわたるさまざまな研究および産業用途における細胞破壊、均質化、乳化、粒子の分散などのサンプル調製タスクに使用されます。

プローブソニケーターとカップホーンの違いは何ですか?

プローブソニケーターは、プローブをサンプルに直接浸し、強力な超音波処理を行います。一方、カップホーンソニケーターは、プローブを浸漬するのではなく、超音波エネルギーを伝達する水浴内の容器にサンプルを置く間接的な方法を使用します。

なぜプローブソニケーターを使用するのですか?

プローブソニケーターは、直接の高強度超音波エネルギーをサンプルに供給する能力のために使用されます。これにより、効率的な破壊、均質化、または乳化が達成されます。これは、処理が困難なサンプルや、プロセスの正確な制御が必要な場合に特に価値があります。

プローブソニケーターの利点は何ですか?

その利点は、効率的かつ迅速なサンプル処理、アプリケーションの汎用性、超音波処理パラメータの正確な制御、および少量の実験室サンプルからより大きな工業用バッチまたは流量まで、幅広いサンプルサイズおよびタイプを処理する能力を包含する。

超音波プローブソニケーターはどのように使用しますか?

超音波プローブソニケーターを使用するには、適切なプローブサイズとソニケーションパラメータを選択し、プローブチップをサンプルに浸し、次にソニケーターを所望の時間と電力設定で作動させて効果的なサンプル処理を達成します。

超音波処理と超音波処理の違いは何ですか?

超音波処理とは、材料を処理するための音波の一般的な使用を指し、これにはさまざまな周波数が含まれる場合があります。超音波処理は、サンプル処理のために高エネルギー音波を必要とするアプリケーションに焦点を当てて、超音波周波数(通常は20kHz以上)の使用を指定します。しかし、ほとんどの人は、彼らが単語ソニケーターを使用するとき、実際には超音波発生器を参照します。

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