초음파 혼을 이용한 Power 초음파의 응용

초음파 혼 또는 프로브는 균질화, 분산, 습식 밀링, 유화, 추출, 붕괴, 용해 및 탈기를 포함한 매니폴드 액체 처리 응용 분야에 널리 사용됩니다. 초음파 혼, 초음파 프로브 및 그 응용 분야에 대한 기본 사항을 알아보십시오.

초음파 혼 대 초음파 프로브

종종, 초음파 혼과 프로브라는 용어는 같은 의미로 사용되며 초음파를 액체로 전달하는 초음파 막대를 나타냅니다. 초음파 프로브에 사용되는 다른 용어는 음향 혼, sonotrode, 음향 도파관 또는 초음파 손가락입니다. 그러나 기술적으로 초음파 혼과 초음파 프로브 사이에는 차이점이 있습니다.
혼과 프로브는 모두 소위 프로브 형 초음파기의 일부를 나타냅니다. 초음파 혼은 초음파 변환기의 금속 부분으로, 압전적으로 생성된 진동을 통해 여기됩니다. 초음파 혼은 특정 주파수(예: 20kHz)에서 진동하며, 이는 초당 20,000번의 진동을 의미합니다. 티타늄은 우수한 음향 전달 특성, 견고한 피로 강도 및 표면 경도로 인해 초음파 혼 제조에 선호되는 재료입니다.

초음파 프로브는 sonotrode 또는 초음파 핑거라고도합니다. 그것은 대부분 티타늄으로 만들어지고 초음파 혼에 나사산이 있는 금속 막대입니다. 초음파 프로브는 초음파 프로세서의 필수 부분으로, 초음파를 초음파 매체로 전송합니다. 초음파 프로브 / 소노트로드는 다양한 모양(예: 원추형, 팁형, 테이퍼 또는 캐스카트로드)으로 제공됩니다. 티타늄은 초음파 프로브에 가장 일반적으로 사용되는 재료이지만 스테인레스 스틸, 세라믹, 유리 및 기타 재료로 만든 sonotrode도 있습니다.

초음파 혼과 프로브는 초음파 처리 중에 일정한 압축 또는 장력을 받고 있기 때문에 혼과 프로브의 재료 선택이 중요합니다. 고품질 티타늄 합금(등급 5)은 응력을 견디고 장기간에 걸쳐 높은 진폭을 유지하며 음향 및 기계적 특성을 전달하는 가장 신뢰할 수 있고 내구성이 뛰어나며 효과적인 금속으로 간주됩니다.

고성능 초음파는 대부분 20-30kHz의 주파수 범위에서 작동합니다. 20kHz에서 초음파 프로브는 일반적으로 초당 20,000 회 지속적으로 확장 및 수축하는 1/2 파장 길이의 공진 막대입니다. 팽창 및 수축 운동은 다음과 같은 응용 분야를 충족하기 위해 고출력 초음파로 공정 매체, 즉 유체 또는 슬러리로 전송됩니다.

• Ultrasonic High-Shear mixing (초음파 고전단 혼합)
• 초음파 습식 밀링
• 나노 입자의 초음파 분산
• 초음파 나노 유화
• 초음파 추출
• 초음파 붕괴
• 초음파 세포 파괴 및 용해
• 초음파 탈기 및 탈기
• 소노 - 화학 (Sono-Synthesis, Sono-catalysis)

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균질화, 입자 크기 감소, 붕괴 또는 나노 분산과 같은 고성능 초음파 응용 분야를 위해 고강도, 저주파 초음파는 초음파 변환기에 의해 생성되고 초음파 혼 및 프로브 (sonotrode)를 통해 액체로 전송됩니다. 고출력 초음파는 16-30kHz 범위의 초음파로 간주됩니다. 초음파 프로브는 예를 들어 20kHz에서 팽창 및 수축하여 초당 각각 20,000 번의 진동을 매체로 전달합니다. 초음파가 액체를 통과 할 때 고압 (압축) / 저압 (희박 / 팽창) 사이클이 번갈아 가며 여러 압력 사이클에 걸쳐 성장하는 미세한 구멍 (진공 기포)을 생성합니다. 액체와 기포의 압축 단계에서 압력은 양수이고 희박 단계는 진공(음압)을 생성합니다. 압축-팽창 주기 동안 액체의 캐비티는 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 크기에 도달할 때까지 성장합니다. 이 시점에서 그들은 격렬하게 붕괴합니다. 이러한 캐비티의 내파는 음향 / 초음파 캐비테이션 현상으로 알려진 다양한 고에너지 효과를 초래합니다. 음향 캐비테이션은 액체, 고체/액체 시스템 및 기체/액체 시스템에 영향을 미치는 다양한 고에너지 효과를 특징으로 합니다. 에너지 밀도가 높은 구역 또는 캐비테이션 구역은 소위 핫스팟 구역으로 알려져 있으며, 이는 초음파 프로브의 가까운 부근에서 가장 에너지 밀도가 높으며 sonotrode로부터의 거리가 증가함에 따라 감소합니다. 초음파 캐비테이션의 주요 특성에는 국부적으로 발생하는 매우 높은 온도와 압력, 각각의 차동, 난류 및 액체 흐름이 포함됩니다. 초음파 핫스팟에서 초음파 캐비티가 내파되는 동안 최대 5000 켈빈의 온도, 최대 200 기압의 압력 및 최대 1000km / h의 액체 제트를 측정 할 수 있습니다. 이러한 뛰어난 에너지 집약적 인 조건은 다양한 방식으로 공정 및 화학 반응을 강화하는 초음파 역학 및 초음파 화학 효과에 기여합니다.
액체와 슬러리에 대한 초음파의 주요 영향은 다음과 같습니다.

• 고전단력: 초음파의 고전단력은 액체와 액체-고체 시스템을 파괴하여 강렬한 교반, 균질화 및 물질 전달을 유발합니다.
• 영향: 초음파 캐비테이션에 의해 생성된 액체 제트와 스트리밍은 액체의 고체를 가속하여 이후에 입자 간 충돌을 일으킵니다. 입자가 매우 빠른 속도로 충돌하면 침식되고 부서지며 종종 나노 크기까지 미세하게 밀링 및 분산됩니다. 식물 물질과 같은 생물학적 물질의 경우, 고속 액체 제트와 교류 압력 사이클은 세포벽을 파괴하고 세포 내 물질을 방출합니다. 그 결과 생체 활성 화합물을 매우 효율적으로 추출하고 생물학적 물질을 균일하게 혼합할 수 있습니다.
• 동요: 초음파는 액체 또는 슬러리에서 강렬한 난기류, 전단력 및 미세 움직임을 유발합니다. 따라서 초음파 처리는 항상 질량 전달을 강화하고 그로 인해 반응 및 과정을 가속화합니다.

초음파 균질화기 및 고 전단 믹서는 액체 또는 슬러리와 함께 작동하는 거의 모든 가공 산업에서 사용됩니다. 강렬한 초음파 캐비테이션력은 강렬한 교반, 전단, 입자 파손 및 물질 전달을 생성합니다. 이에 의해, 액체는 균질화, 분산, 유화, 추출, 용해 및/또는 화학 반응이 시작됩니다. 전반적으로, 초음파는 수율을 증가시키고, 전환율을 향상시키며, 공정을보다 효율적으로 만드는 공정 강화 방법입니다.
업계의 일반적인 초음파 응용 분야는 식품의 여러 분야에 걸쳐 있습니다 & 제약, 정밀화학, 에너지 & 석유 화학, 재활용, 바이오 정제 등이 포함되며 다음이 포함됩니다.

• 초음파 바이오디젤 합성
• 과일 주스의 초음파 균질화
• 백신의 초음파 생산
• 초음파 리튬 이온 배터리 재활용
• 나노 물질의 초음파 합성
• 의약품의 초음파 제형
• CBD의 초음파 나노 유화
• 식물의 초음파 추출
• 실험실에서 초음파 시료 전처리
• 액체의 초음파 탈기
• 원유의 초음파 탈황
• 그리고 더 많은 ...

고성능 어플리케이션을 위한 Ultrasonic horns and probes

Hielscher 초음파는 고출력 초음파의 오랜 경험 제조업체 및 유통 업체로, 전 세계적으로 많은 산업 분야의 중장비 응용 분야에 사용됩니다.
장치 당 50 와트에서 16kW에 이르는 모든 크기의 초음파 프로세서, 다양한 크기와 모양의 프로브, 다양한 부피와 형상을 가진 초음파 반응기를 갖춘 Hielscher 초음파는 응용 분야에 이상적인 초음파 설정을 구성 할 수있는 올바른 장비를 갖추고 있습니다.
아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.