Nano Insight Japan

【DKSHジャパン/ヒールッシャー】
ナノ分散を実現するキャビテーション100%ハイパワー超音波分散機群
~研究用から量産用まで豊富な品揃えで顧客の要望に応える~

2020年1月20日

DKSH

hielscher

DKSHジャパンはスイス・DKSHグループの日本支社で、その歴史は1865年(慶応元年)にヨーロッパ使節団来航時に、シイベル・ズレンワルド商会が設立され、横浜市で生糸の貿易を行ったのが始まりである。現在は、同社のテクノロジー事業部門ではラボ用機器からプラント用産業機械・設備までを取り扱っており、その一つがnano tech2020に出展するヒールッシャー(Hielscher Ultrasonics GmbH:ドイツ・ベルリンにて1991年設立の強力超音波発生機器の専業メーカ )のハイパワー超音波分散装置類である。ヒールッシャーは世界に類を見ない高い電気超音波変換効率を実現し、研究用から量産用(世界に唯一の2,000W~16,000W領域を実現)までの超音波分散装置をラインアップしている。超音波による分散は対象液中に発生するキャビテーション(空洞化現象)を利用し、他の分散技術では成し得ないナノ粒子レベルの分散を実現し、ナノ粒子の特徴を活かす材料の改革を実現する。その適用分野は、セラミックス構造材料、コーティング材料、2次電池・燃料電池材料、精密電子部品材料、研磨材料、化粧品材料と多彩である。 以下に技術の特徴と発揮する効果、分散装置としての特徴、機器のラインアッップの概要を紹介する。

1.超音波によるナノ分散のメカニズム

キャビテーションによる衝撃波

図1:キャビテーションに
よる衝撃波

電気超音波変換の出力は、振動子を介して対象液を激しく高速に振動させることで液中にキャビテーションを発生させる。キャビテーションは超音波で液体の減圧と圧縮を繰り返す際に、減圧時に空洞が発生し、空洞内に蒸気・ガスが取り込まれた気泡になる状態である。この気泡が圧縮時に圧壊し消滅する際に膨大なエネルギーの衝撃波を発生する。瞬間的には1000気圧以上、5000℃で400 km/h以上のジェット流を発生しているとされている。図1は円柱形の振動子の周囲、特に先端に発生している高温の衝撃波の様子を示している。  
図2に、この超音波で発生するキャビテーションによる分散過程とそれ以外の高速せん断、高圧噴射、ビーズミル等の分散方式との違いを示す。後者の分散は「分裂分散」と言われ、凝集状態の粒子が数個に分裂することを繰り返すのに対し、前者の分散は「浸食分散」と言われ、周囲からナノ粒子が外れる過程を継続することで、効果的にナノ粒子を作っていく。 一般にナノ粒子はVan der Waals引力と静電相互作用で凝縮性が著しく高い。凝集状態ではナノ粒子の次のような効果は発揮できない。

強力超音波分散はこうしたナノ粒子の特徴を容易に引き出す分散であると言える。

ヒールッシャー強力超音波による分散と他分散方式との分散状況の比較

図2:ヒールッシャー強力超音波による分散と他分散方式との分散状況の比較

2. ヒールッシャーの高効率超音波発生技術:装置の高出力化と24時間連続運転を保証

400W型(UP400St)

図3:400W型(UP400St)

超音波は広く多くの分野で活用されているが、分散装置としての活用はあまり注目されてこなかった。理由は電気超音波変換効率が低く30~60%程度であり、残りが熱になるので、冷却設備が大変で高出力化が難しく、工業生産に向かないためであった。ヒールッシャーはこの常識を覆す超高効率95%(1000W型モデル)を実現する技術を開拓し、上に説明した強力超音波による高度なナノ分散手段を冷却の苦労なく手軽に使える装置としての提供を可能にした。また、独自技術・特許により空気中連続運転ができるため、故障のリスクが非常に小さい。

    

3. ヒールッシャーのラボ用・工業用超音波分散装置群

(1)ラボ用(出力50 W~400 Wの4モデル)

(2)工業用(出力500 W~16,000 Wの6モデル)

16,000W型(UIP16000)

図4: 16,000W型(UIP16000)

防爆型式認定モデル EXDK2000-2(4,000 W)

図5: 防爆型式認定モデル EXDK2000-2(4,000 W)

4. nano tech2020への出展の目的と期待

ヒールッシャー超音波処理装置の用途は、分散、再凝集防止、乳化、細胞破砕、反応促進等多岐にわたり、化学・食品・バイオ・電子材料等の様々な分野の進化に関係する。nano tech 2020はこれら様々な分野の基盤であるナノテクノロジーに関するビジネスマッチングを行う場であり、DKSH及びヒールシャーとしては革新技術が幅広い分野で産業の進化発展に貢献できることを期待している。

以上

*図はすべてDKSHから提供された。

小間番号:1W-D23

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