Введение

Вакуумный сосуд для хранения (также известный как колба Дьюара, бутыль Дьюара или термос) – это теплоизолированный сосуд для хранения, замедляющий изменение температуры его содержимого. Он значительно увеличивает время, в течение которого содержимое остается горячее или холоднее окружающей среды, стремясь к максимальной адиабатичности. Изобретенный сэром Джеймсом Дьюаром в 1892 году, вакуумный сосуд состоит из двух сосудов, помещенных один в другой и соединенных горлышком. Пространство между сосудами частично откачивается, создавая почти полный вакуум, который значительно снижает теплопередачу посредством теплопроводности или конвекции. При использовании для хранения холодных жидкостей это также практически исключает образование конденсата на внешней поверхности сосуда. Вакуумные сосуды используются в быту для длительного сохранения содержимого горячим или холодным. Они также применяются для приготовления пищи методом длительного томления. Вакуумные сосуды находят широкое применение и в различных отраслях промышленности.

История

Вакуумный термос был разработан и изобретен шотландским ученым сэром Джеймсом Дьюаром в 1892 году в результате его исследований в области криогеники и иногда называется колбой Дьюара в его честь. Проводя эксперименты по определению удельной теплоемкости элемента палладия, Дьюар создал бронзовую камеру, которую поместил внутрь другой камеры, чтобы поддерживать палладий при необходимой температуре. Он откачал воздух между двумя камерами, создав частичный вакуум для стабилизации температуры содержимого. Дьюар отказался патентовать свое изобретение, что позволило другим разрабатывать термос, используя новые материалы, такие как стекло и алюминий, и он стал важным инструментом для химических экспериментов, а также распространенным предметом домашнего обихода. Конструкция колбы Дьюара так и не была запатентована, но немецкие предприниматели, обнаружившие коммерческое применение продукта, назвали его Thermos и впоследствии потребовали прав на коммерческий продукт и товарный знак на это название. В своей последующей попытке заявить права на изобретение, Дьюар проиграл судебный процесс этой компании. Производство и характеристики бутылки Thermos были значительно улучшены и усовершенствованы венским изобретателем и предпринимателем Густавом Робертом Пааленом, который разработал различные типы для домашнего использования, запатентовал их и широко распространял через компании Thermos Bottle в Соединенных Штатах, Канаде и Великобритании, получив лицензии для соответствующих национальных рынков. Американская компания Thermos Bottle Company организовала массовое производство в Норвиче, штат Коннектикут, что снизило цены и обеспечило широкое распространение продукта для домашнего использования. Однако слово "термос" в нижнем регистре было признано обобщенным товарным знаком по решению суда в США в 1963 году.

Дизайн

Вакуумный термос состоит из двух сосудов, один из которых помещен внутрь другого и соединен в горлышке. Пространство между двумя сосудами частично откачивается, создавая частичный вакуум, который снижает теплопроводность или конвекцию. Передача тепла тепловым излучением может быть минимизирована путем нанесения серебряного покрытия на поверхности сосудов, обращенные внутрь, но это может стать проблемой, если содержимое термоса или окружающая среда очень горячие; поэтому в вакуумных термосах обычно хранят жидкости при температуре ниже точки кипения воды. Большая часть теплопередачи происходит через горлышко и отверстие термоса, где вакуум отсутствует. Вакуумные термосы обычно изготавливаются из металла, боросиликатного стекла, пенопласта или пластика и закрываются пробкой из пробки или полиэтилена. Вакуумные термосы часто используются в качестве изолированных контейнеров для транспортировки. Чрезвычайно большие или длинные вакуумные термосы иногда не могут полностью поддерживать внутренний сосуд только за горлышко, поэтому дополнительная поддержка обеспечивается распорками между внутренней и внешней оболочкой. Эти распорки служат тепловым мостом и частично снижают теплоизоляционные свойства термоса в области контакта распорки с внутренней поверхностью. Некоторые технологические применения, такие как приборы для ЯМР и МРТ, используют двойные вакуумные термосы. Эти термосы имеют две вакуумные секции. Внутренний сосуд содержит жидкий гелий, а внешний – жидкий азот, между которыми находится одна вакуумная секция. Это ограничивает потери ценного гелия. Другие усовершенствования вакуумного термоса включают радиационный экран с паровым охлаждением и горлышко с паровым охлаждением, которые помогают уменьшить испарение содержимого.

Научные исследования и промышленность

В лабораториях и промышленности вакуумные колбы часто используются для хранения сжиженных газов (обычно жидкого азота с температурой кипения 77 К) для быстрого замораживания, подготовки образцов и других процессов, требующих создания или поддержания крайне низкой температуры. В больших вакуумных колбах хранятся жидкости, которые становятся газообразными при температуре, значительно ниже комнатной, такие как кислород и азот; в этом случае утечка тепла внутрь чрезвычайно холодной колбы приводит к медленному испарению жидкости, поэтому необходимо наличие узкого незакрытого отверстия или закрытого отверстия, защищенного предохранительным клапаном, для предотвращения повышения давления и, в конечном итоге, разрушения колбы. Изоляция вакуумной колбы обеспечивает очень медленное испарение, благодаря чему содержимое остается в жидком состоянии в течение длительного времени без использования холодильного оборудования. Вакуумные колбы использовались для размещения стандартных элементов и диодов Зенера с термостабилизацией, а также их печатных плат в прецизионных устройствах регулирования напряжения, используемых в качестве электрических эталонов. Колба помогала поддерживать стабильную температуру диода Зенера в течение длительного времени и снижала колебания выходного напряжения эталона Зенера, вызванные колебаниями температуры, до нескольких частей на миллион. Одним из известных применений является использование компанией Guildline Instruments (Канада) в их насыщенном стандартном элементе Transvolt, модель 9154B, который является эталоном электрического напряжения. В этом устройстве серебряная вакуумная колба была помещена в пенопластовую изоляцию и удерживала насыщенный элемент с помощью большой стеклянной вакуумной пробки. Выходное напряжение устройства составляло 1,018 вольт и поддерживалось в пределах нескольких частей на миллион. Принцип действия вакуумной колбы делает ее идеальной для хранения определенных видов ракетного топлива, и НАСА широко использовала ее в топливных баках ракет-носителей «Сатурн» в 1960-х и 1970-х годах. Конструкция и форма колбы Дьюара послужили моделью для оптических экспериментов, основанных на идее, что форма двух камер, разделенных пространством, аналогична тому, как свет попадает в глаз. Вакуумная колба также использовалась в экспериментах в качестве емкости для различных химических веществ, чтобы поддерживать их при постоянной температуре. Промышленная колба Дьюара является основой для устройства, используемого для пассивной изоляции медицинских грузов. Большинство вакцин чувствительны к теплу и требуют системы холодовой цепи для поддержания стабильной температуры, близкой к нулю. Устройство Arktek использует восемь однолитровых блоков льда для хранения вакцин при температуре ниже 10 °C. В нефтегазовой промышленности колбы Дьюара используются для изоляции электронных компонентов в инструментах геофизических исследований с использованием кабеля. Традиционные инструменты для геофизических исследований (с рабочей температурой до 350 °F) модернизируются до высокотемпературных характеристик путем установки всех чувствительных электронных компонентов в колбу Дьюара.

Безопасность

Вакуумные колбы подвержены риску имплозии, и стеклянные сосуды под вакуумом, особенно, могут неожиданно разрушиться. Сколы, царапины или трещины могут стать причиной опасного разрушения сосуда, особенно при резком изменении температуры (например, при добавлении горячей или холодной жидкости). Для поддержания и оптимизации работы колбы Дьюара рекомендуется проводить ее предварительную закалку перед использованием. Стеклянные вакуумные колбы обычно помещаются в металлическое основание, а цилиндр внутри покрывается сеткой, алюминием или пластиком для удобства обращения, защиты от механических повреждений и удержания осколков в случае разрушения. Кроме того, криогенные девары обычно находятся под давлением и могут взорваться, если не используются предохранительные клапаны. При проектировании вакуумной колбы необходимо учитывать тепловое расширение. Внешняя и внутренняя стенки подвергаются воздействию разных температур и расширяются с разной скоростью. Вакуумная колба может разрушиться из-за разницы в тепловом расширении между внешней и внутренней стенками. Для предотвращения разрушения и сохранения герметичности вакуума в трубчатых вакуумных колбах обычно используются компенсационные соединения.