Кіріспе

Оқшауланған сақтау ыдысы

Вакуумдық құты (Дьюар құтысы, Дьюар бөтелкесі немесе термос деп те аталады) – ішіндегі заттардың температурасының өзгеруін баяулататын оқшауланған сақтау ыдысы. Ол мүмкіндігінше адиабатикалық болуға тырысу арқылы құтының сыртындағы ортамен салыстырғанда ішіндегі заттардың ұзақ уақыт бойы ыстық немесе салқын қалуын қамтамасыз етеді. 1892 жылы сэр Джеймс Дьюар тапқан вакуумдық құты екі құтыдан тұрады, бірі екіншісінің ішіне орналастырылып, мойындары біріктіріледі. Екі құтының арасындағы кеңістік жартылай босатылып, вакуумға жақын жағдай жасалады, бұл жылудың өткізгіштік немесе конвекция арқылы берілуін едәуір төмендетеді. Суық сұйықтықтарды сақтағанда, бұл құтының сыртындағы конденсацияны да толығымен жояды. Вакуумдық құтылар тұрмыста ішіндегі заттарды ұзақ уақыт бойы ыстық немесе суық күйінде сақтау үшін қолданылады. Олар сонымен қатар жылумен пісіруге де пайдаланылады. Вакуумдық құтылар өнеркәсіпте де көптеген мақсаттарда қолданылады.

Тарих

1892 жылы вакуумдық колбаны шотланд ғалымы сэр Джеймс Дьюар криогеника саласындағы зерттеулерінің нәтижесінде ойлап тапты және құрастырды. Оны кейде оның құрметіне Дьюар колбасы деп те атайды. Палладий элементінің қатысты жылу сыйымдылығын анықтау үшін тәжірибелер жүргізу кезінде Дьюар палладийді қажетті температурада ұстау үшін мыс камера жасады және оны тағы бір камераға орналастырды. Ол екі камера арасындағы ауаны эвакуациялады, бұл ішкі мазмұнның температурасын тұрақтандыру үшін жартылай вакуум құрды. Дьюар өзінің өнертабысына патент алудан бас тартты, бұл басқаларға шыны және алюминий сияқты жаңа материалдарды пайдалана отырып колбаны жетілдіруге мүмкіндік берді, соның салдарынан ол химиялық тәжірибелер үшін маңызды құралға және сонымен қатар, күнделікті тұтыну тауарына айналды. Дьюар колбасының дизайны ешқашан патенттелмеген, бірақ өнімді коммерциялық тұрғыдан пайдалануды тапқан неміс кәсіпкерлері оны «Термос» деп атады, содан кейін коммерциялық өнімге және атауға сауда белгісі ретінде құқық алды. Өнертабысқа құқықтарды талап етуге тырысқан кезде Дьюар компанияға қарсы сот процесінде жеңіліске ұшырады. «Термос» бөтелкелерін өндіру және олардың сапасын австриялық өнертапқыш және саудагер Густав Роберт Паален едәуір жақсартты, ол тұрмыстық қолдануға арналған түрлі модельдерді жобалады, патенттеді және АҚШ, Канада және Ұлыбританиядағы «Термос» бөтелкелері компаниялары арқылы кеңінен таратты, олар тиісті ұлттық нарықтар үшін лицензия алды. Американдық «Термос» бөтелке компаниясы Коннектикут штатының Норвич қаласында жаппай өндіріс орталығын құрды, бұл бағаны төмендетіп, өнімді үй шаруашылығына кеңінен таратуға мүмкіндік берді. Бірақ 1963 жылы АҚШ-тағы сот шешімімен «термос» сөзі тауарлық белгі ретінде мойындалмайтын болып шешілді.

Дизайн

Вакуумдық колба екі ыдыстан тұрады, бірін екіншісіне орналастырып, мойындары арқылы біріктіріледі. Екі ыдыстың арасындағы кеңістік ішінара ауасы сорылып алынып, ішінара вакуум құрылады, бұл жылу өткізгіштігі мен конвекцияны азайтады. Жылу сәулесі арқылы жылу беруді азайту үшін кеңістікке қарап тұрған колба беттері күміспен қапталуы мүмкін, бірақ егер колбаның ішіндегісі немесе сырты өте ыстық болса, бұл қиындық тудыруы мүмкін; сондықтан вакуумдық колбалар көбінесе судың қайнау температурасынан төмен температурадағы сұйықтарды сақтайды. Жылудың көп бөлігі вакуум жоқ колбаның мойны мен тесігі арқылы өтеді. Вакуумдық колбалар әдетте металдан, борсиликатты шыныдан, көбіктен немесе пластиктен жасалады және олардың тесігі тығынмен немесе полиэтилен пластиктен жасалған қақпақшамен жабылады. Вакуумдық колбалар көбінесе жылу оқшауланған тасымалдау контейнерлері ретінде қолданылады. Өте үлкен немесе ұзын вакуумдық колбалар кейде ішкі колбаны мойнынан ғана толықтай ұстай алмайды, сондықтан ішкі және сыртқы қабықтар арасында қосымша тіреуіштер орналастырылады. Бұл тіреуіштер жылу көпірі ретінде әрекет етеді және тіреуіш ішкі бетке жанасқан аймақта колбаның жылу оқшаулау қасиеттерін азайтады. Ядролық магниттік резонанс (NMR) және магниттік-резонанстық томография (MRI) машиналары сияқты бірнеше технологиялық қолданымдар қос вакуумдық колбаларды пайдалануға негізделген. Бұл колбаларда екі вакуумдық бөлім болады. Ішкі колбада сұйық гелий, ал сыртқы колбада сұйық азот орналасады, олардың арасында бір вакуумдық бөлім бар. Осылайша, құнды гелийдің жоғалуы шектеледі. Вакуумдық колбаны жақсартудың басқа да жолдарына бумен салқындатылатын сәулелену экраны және бумен салқындатылатын мойын жатады, олардың екеуі де колбадан булануды азайтуға көмектеседі.

Ғылыми-зерттеу және өнеркәсіп

Зертханаларда және өнеркәсіпте вакуумдік колбалар сұйытылған газдарды (көбінесе 77 К қайнау температурасы бар сұйық азотты) жылдам мұздату, сынамаларды дайындау және өте төмен температураны жасау немесе сақтау қажетті басқа да процестер үшін жиі қолданылады. Ірі вакуумдік колбалар қоршаған орта температурасынан әлдеқайда төмен температурада газға айналатын сұйықтықтарды, мысалы, оттегі мен азотты сақтайды; мұндай жағдайда, ыстық колбаның өте суық ішкі бөлігіне жылудың ағып кіруі сұйықтықтың баяу қайнауына себеп болады, сондықтан қысымның артуын және, әрине, колбаның жарылуын болдырмау үшін тар, ашық қалған тесік немесе қысымды төмендету клапанымен жабдықталған тесік қажет. Вакуумдік колбаның жылу оқшаулағышы өте баяу "қайнауға" әкеледі, сондықтан мазмұны ұзақ уақыт бойы салқындату құралдарынсыз сұйық күйде қалады. Вакуумдік колбалар стандартты элементтерді және пешке салынған Зенер диодтарын, сондай-ақ олардың баспалы тізбек тақталарын, электрлік стандарттар ретінде қолданылатын дәл кернеуді реттегіш құрылғыларда орналастыру үшін пайдаланылған. Колба Зенер температурасын ұзақ уақыт бойы бақылауға көмектесті және температураның өзгеруіне байланысты Зенер стандартының шығыс кернеуінің ауытқуларын миллионнан бірнеше бөлікке дейін азайтуға мүмкіндік берді. Бірнеше айқын мысалдың бірі – Канаданың Guildline Instruments компаниясының Transvolt, модель 9154B қаныққан стандартты жасушасы, ол электр кернеуінің стандарты болып табылады. Мұнда күміспен қапталған вакуумдік колба көбікпен оқшауланып, үлкен шыны вакуумдық тығын арқылы қаныққан жасушаны ұстады. Құрылғының шығысы 1,018 вольт құрады және миллионнан бірнеше бөлікке дейін сақталды. Вакуумдік колбаның принципі оны ракеталық отынның белгілі бір түрлерін сақтауға өте қолайлы етеді, ал NASA оны 1960 және 1970 жылдары Сатурн ұшыру құралдарының жанар май резервуарларында кеңінен пайдаланды. Дьюар колбасының дизайны мен пішіні оптикалық эксперименттер үшін модель ретінде қолданылды, себебі екі бөлімнің пішіні және олардың арасындағы кеңістік жарықтың көзге түсуіне ұқсас. Вакуумдік колба сонымен қатар әртүрлі химиялық заттардың сыйымдылығы ретінде қолданылатын эксперименттердің бір бөлігі болды, оларды тұрақты температурада ұстау үшін. Өнеркәсіптік Дьюар колбасы медициналық жүкті пассивті түрде оқшаулауға арналған құрылғының негізі болып табылады. Көптеген вакциналар жылуға сезімтал және оларды тұрақты, тоңазыту температурасында сақтау үшін салқындату тізбегі жүйесі қажет. Arktek құрылғысы вакциналарды 10 °C төмен температурада сақтау үшін 8 бір литрлік мұз блогын пайдаланады. Мұнай және газ өнеркәсібінде Дьюар колбалары сымды тіркеу құралдарының электрондық компоненттерін оқшаулау үшін қолданылады. Стандартты тіркеу құралдары (350°F дейін) барлық сезімтал электрондық компоненттерді Дьюар колбасына орнату арқылы жоғары температуралық сипаттамаларға жаңартылады.

Қауіпсіздік

Вакуумдық колбалар имплозия қаупіне ұшырайды, әсіресе вакуумдағы шыны ыдыстар күтпеген жерден сынуы мүмкін. Сынықтар, сызаттар немесе жарықтар қауіпті ыдыс бұзылуының бастапқы нүктесі болуы мүмкін, әсіресе ыдыстың температурасы күрт өзгерген кезде (қайып немесе суық сұйықтық құйылғанда). Құрылғының жұмысын сақтау және оңтайландыру үшін Dewar вакуумдық колбасын пайдалану алдында қалыптау арқылы дұрыс дайындау ұсынылады. Шыны вакуумдық колбалар әдетте металл негізге орнатылады, цилиндрдің ішінде немесе оны басқаруға көмектесу, физикалық зақымдардан қорғау және сыну жағдайында сынықтарды ұстап тұру үшін тор, алюминий немесе пластикпен қапталады. Сонымен қатар, криогендік сақтауға арналған деварлар көбінесе қысыммен жабдықталады және егер қысымды төмендету клапандары қолданылмаса, жарылуы мүмкін. Вакуумдық колбаны жобалау кезінде жылулық кеңеюді ескеру қажет. Сыртқы және ішкі қабырғалар әртүрлі температураларға ұшырайды және әртүрлі жылдамдықпен кеңейеді. Сыртқы және ішкі қабырғалар арасындағы жылулық кеңеюдің айырмашылығы салдарынан вакуумдық колба жарылуы мүмкін. Ыдыстың жарылуын болдырмау және вакуумның сақталуын қамтамасыз ету үшін түтікшелі вакуумдық колбаларда кеңею буындары жиі қолданылады.