Сосу́д Дью́ара — сосуд, предназначенный для длительного хранения веществ при повышенной или пониженной температуре. Перед помещением в сосуд Дьюара вещество необходимо нагреть или охладить. Постоянная температура поддерживается пассивными методами, за счет хорошей теплоизоляции и/или процессов в хранимом веществе (например, кипение). В этом основное отличие сосуда Дьюара от термостатов, криостатов.

История изобретения

Первый контейнер для хранения сжиженных газов был разработан в 1881 году немецким физиком А. Ф. Вейнхольдом. Он представлял собой стеклянный ящик с двойными стенками с откачанным из межстеночного пространства воздухом и был использован физиками К. Ольшевским и С. Врублёвским для хранения жидкого кислорода^[1][2].

Шотландский физик и химик сэр Джеймс Дьюар в 1892 году усовершенствовал стеклянный ящик Вейнхольда, превратив его в двустенную колбу с узким горлом для уменьшения испарения жидкости. Межстеночное пространство посеребрено и из него откачан воздух. Всю эту хрупкую конструкцию Дьюар подвесил на пружинах в металлическом кожухе. Благодаря своей разработке Дьюар первым смог получить и сохранить жидкий (1898)^[3] и даже твердый (1899) водород^[4].

Первые сосуды Дьюара для коммерческого использования были произведены в U.S. Patent 872 795 на «Сосуд с двойными стенками и вакуумом между ними». Патент оформлен на Рейнольда Бюргера (Рейнольд Бюргер (нем.) считается изобретателем термоса. В некоторых странах термос остается зарегистрированным товарным знаком, но в большинстве стран это товарный знак, ставший нарицательным.

Устройство

Оригинальный сосуд Дьюара представлял собой стеклянную колбу с двойными стенками, из пространства между которыми выкачан воздух. Для уменьшения потери на излучение обе внутренние поверхности колбы были покрыты отражающим слоем. Дьюар использовал в качестве отражающего покрытия серебро. Подобная конструкция применяется и в современных дешевых бытовых термосах.

Современные конструкции

Современные сосуды Дьюара конструктивно выполнены несколько иначе. Внутренний и внешний сосуды делают из алюминия или нержавеющей стали. Теплопроводность материала не важна, а прочность и вес играют большую роль. Горловина соединяет внутренний и внешний сосуды. В дьюарах объёмом до 50 л внутренний сосуд крепится только на горловине и она испытывает большие механические нагрузки. Также к ней предъявляются высокие требования по теплопроводности. То есть горловина должна быть прочной, но тонкой. В обычных сосудах горловину делают из нержавеющей стали. В высококачественных сосудах Дьюара горловина изготовляется из прочного армированного пластика. При этом возникает проблема вакуумноплотного крепления металла и пластика. Снаружи внутренний сосуд покрывается адсорбентом, который при охлаждении поглощает остаточные газы из вакуумной полости. Для уменьшения теплопотерь внутренний сосуд покрывают дополнительной теплоизоляцией. К крышке дьюара, для снижения конвекционной теплопередачи прикрепляют пенопластовый цилиндр, который негерметично закрывает горловину. Вакуумную полость откачивают до давления 10⁻² Па. От серебрения внутренних поверхностей отказались и заменили его полировкой.

Современные сосуды Дьюара имеют низкие потери от испарения: от 1,5 % в сутки для больших емкостей, до 5 % в сутки — для малых объёмов.

Гелиевые сосуды Дьюара

Гелий имеет очень маленькую теплоту испарения. Поэтому для снижения теплопотерь в гелиевых дьюарах применяются тепловые экраны, охлаждаемые жидким азотом. Экраны изготавливают из материалов, хорошо проводящих тепло (медь). Такой сосуд Дьюара имеет две горловины: для жидких азота и гелия. Гелиевая горловина оборудована специальными штуцерами для газосброса, подсоединения сифона, манометра, клапана. Гелиевый дьюар нельзя наклонять, он всегда должен находиться в вертикальном положении.

С развитием техники многослойной экранно-вакуумной термоизоляции на рынке появились предложения гелиевых сосудов Дьюара в которых не используется охлаждение жидким азотом. По утверждениям производителей в таких сосудах Дьюара потери на испарение составляют 1 % в день для емкостей на 100 л.

Назначение и применение

• В быту и в пищевой индустрии сосуды Дьюара часто применяются для сохранения температуры еды или напитков — термосы.

• В лабораториях и в промышленности сосуд Дьюара используется для хранения криожидкостей, чаще всего жидкого азота.

• В медицине и ветеринарии специальные сосуды Дьюара используются для длительного хранения биологических материалов при низких температурах.

• В геофизике в сосуды Дьюара помещают электронные компоненты и кристаллы при работах в горячих скважинах (от 400К)

Разновидности бытовых термосов

В зависимости от объёма и типа используемой пищи современные бытовые термосы можно разделить на следующие разновидности:

• Пищевые термосы. Предназначены для горячей и холодной пищи. Диаметр горловины практически равен диаметру корпуса, благодаря чему в термос удобно помещать и извлекать супы и вторые блюда. Существуют модели с корпусом и колбой из нержавеющей стали, с корпусом из пластика и колбой из закалённого стекла, с корпусом из металлопластика и колбой из закалённого стекла.

• Пищевые термосы с судками. Представляют собой пищевые термосы, снабжённые металлическими либо пластиковыми судками. Данные термосы позволяют взять с собой сразу несколько блюд, но при этом температура сохраняется примерно в два раза хуже, чем у обычных пищевых термосов.

• Термосы для напитков с узкой горловиной. Предназначены для горячих и холодных напитков. Как правило в роли этих напитков выступают горячий чай или кофе. Диаметр горловины от 25 мм до 55 мм. Также как и у пищевых термосов, для термосов с узкой горловиной существуют модели с корпусом и колбой из нержавеющей стали, с корпусом из пластика и колбой из закалённого стекла, с корпусом из металлопластика и колбой из закалённого стекла. Все термосы имеют две пробки. Внутренняя (замыкает сосуд) бывает: без отверстий (требует откручивания для набора чая) или с отверстием позволяющим через специальный механизм наливать чай не откручивая крышку. Внешняя крышка защищает внутреннюю и служит чашкой.

• Помповые термосы для напитков. Обычно имеют объём от 1,5 литра и более. У таких термосов есть краник и насос, с помощью которых жидкость вытесняется воздухом из колбы термоса.

• Термосы универсальные. Предназначены как для напитков, так и для первых и вторых блюд. Диаметр горловины от 65-80 мм. Конструкция внутренней пробки универсальных термосов аналогична пробкам для термосов с узким горлом, хотя бывает и комбинированная пробка состоящая из двух частей (откручиваете внутреннюю часть получаете узкое горло, откручиваете всю крышку получает широкое горло). Нужно отметить, что крышка является источником значительных теплопотерь в термосе. Чем сложней конструкция пробки, тем менее она надежна и тем сильнее пропускает тепло. Применение глухих (без отверстии) пробок дают показатели по температуре на 5-15 % выше, чем например с комбинированными пробками, которые конечно более удобны, но за это приходится платить некоторым снижением температуры.

• Термокружки и кружки-термосы. Представляют собой термосы небольшого объёма (не более литра) с ручкой и с широким горлышком. Часто снабжаются пластиковой или стальной крышкой. Предназначены для непродолжительного сохранения температуры напитков.

Источники

• Burger, R., U.S. Patent 872 795, «Double walled vessel with a space for a vacuum between the walls», December 3, 1907.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1975. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 519 с.

См. также

• Криогеника
• Криостат

Ссылки

• Технические характеристики сосудов Дьюара для хранения азота

• Техника безопасности при работе с жидким азотом и Сосудами Дьюара

Примечания