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。

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。
 

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。
 

 
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。
 

 
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。

 
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。

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。

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。

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。