Сосуд Дьюара: от изобретения до современных применений

Что такое сосуд Дьюара

Сосуд Дьюара — это теплоизолирующий контейнер, предназначенный для длительного хранения веществ при экстремально высоких или низких температурах. Он минимизирует теплопередачу за счет вакуумной изоляции между стенками, предотвращая конвекцию и кондукцию. В отличие от активных термостатов или криостатов, сосуд работает пассивно, полагаясь на естественные процессы, такие как кипение криогенной жидкости.

Это позволяет хранить, например, жидкий азот при -196°C с потерями всего 1–5% в сутки.

В спектрометрах гамма- и рентгеновского излучения такие сосуды охлаждают детекторы HPGe, снижая шум и повышая разрешение высокочувствительного прибора.

Кто изобрел

Идея двойных стенок с вакуумом, как мощной тепловой преграды, на пути тепловых потерь, возникла в 1881 году у немецкого физика А. Ф. Вейнхольда, который разработал стеклянную емкость для хранения жидкого кислорода и других сжиженных газов (предшественица сосуда Дьюара).
Это позволило позже К. Ольшевскому и С. Врублевскому провести первые эксперименты с криогенными жидкостями.
А вот емкость, которую можно применять не только в лаборатории, но и на практике, что подтвердила более чем столетнее производство и эксплуатация, изобрел в 1892 году шотландский физик и химик сэр Джеймс Дьюар.
Отсюда и название сосуд Дьюара, которое и стало нарицательным. Работая над сжижением газов в Кавендишской лаборатории, он модифицировал конструкцию Вейнхольда в колбу с узким горлом для снижения испарения.
Дьюар продемонстрировал изобретение 20 января 1893 года на лекции, где подвесил хрупкий сосуд на пружинах в металлическом кожухе. Благодаря ему в 1898 году удалось сохранить жидкий водород, а в 1899-м — даже попытаться его получить уже в твердом состоянии. А этого то достичь ох как не просто - температура должна упасть до умопомрачительно низких 259 градусов ниже нуля ! Даже на Плутоне, затерянном на окраинах Солнечной системы, "теплее".

Собственно название "сосуд Дьюара" и дано по праву в честь изобретателя — Джеймса Дьюара, чье усовершенствование сделало конструкцию универсальной для промышленной криогеники. Дьюар не запатентовал изобретение, что обеспечило его свободное шествование по миру. Как следствие, в 1904 году немецкие стеклодувы Райнхольд Бургер и Альберт Ашенбреннер коммерциализировали версию для быта, назвав ее "Thermos" (от греч. "горячий"). Дьюар пытался судиться за права, но проиграл. Слово "термос" стало общепринятым в США с 1963 года, хотя бренд Thermos сохранил товарный знак в некоторых странах. Собственно нечто подобное произошло и с термином "ксерокс", которыми стали именовать целую группу копировальных аппаратов, хотя изначательно это было название компании Xerox.

Особенности конструкции

Классический Дьюар — это два сосуда (внутренний и внешний), соединенные у горловины, с воздухом между стенками, откачанным почти до вакуума. Внутренние поверхности посеребрены или полированы для отражения излучения, минимизируя потери тепловой энергии. Материалы: боросиликатное стекло для лабораторных моделей (хрупкое, но эффективное), алюминий или нержавеющая сталь для промышленных (прочные, с низкой теплопроводностью). Горловина — тонкая, часто с пенопластовой вставкой для снижения конвекции; крышка — с клапанами сброса давления. Для гелиевых сосудов добавляют тепловые экраны из меди, двойные горловины и адсорбенты для поглощения остаточных газов. Современные сосуды Дьюара используют многослойную экранно-вакуумную изоляцию, снижая потери до 1% в день для 100 л. Расширительные швы предотвращают разрыв от теплового расширения, которое может стать проблемой например и на железной дороге при нагреве рельс.

Да, емкости Дьюара не идеальны. И не могут таковыми быть. Но как и столетие назад, на сегодняшний день, ничего лучшего не придумано. Природу обмануть невозможно. Второй закон термодинамики гласит, что тепло может передаваться только от горячего тела к холодному.

Тепло распространяется излучением не только в воздухе и газах, но даже и в вакууме.

Поэтому пусть медленно, но содержимое сосуда Дьюара нагревается.

Это главный недостаток всех вакуумных термосов, где существует слой вакуума, отделяющий содержимое термоса от окружающей среды. И хотя там почти нет материи в виде молекул воздуха (фактически это пустое пространство - почти космос), тепло передается не путем проводимости (теплопроводность/конвекция), а через инфракрасное излучение (в частности измеряемое пирометрами), которое может постепенно охлаждать газовое содержимое термоса.

Сосуд Дьюара и термос - есть ли разница ?

Иногда разница между терминами «сосуд Дьюара» и «термос» стирается. Сосуд Дьюара — это вакуумный контейнер без крышки (или с крышкой, которая пропускает газ), поскольку он используется для хранения жидких газов (температура -196 °C и ниже), которые должны испаряться. В противном случае возникающее избыточное давление разорвало бы контейнер. Для сравнения, 1 литр жидкого азота дает около 750 литров газообразного азота при атмосферном давлении. Если закрыть сосуд Дьюара, получится товар, который продается под всем известным названием «термос» - отличный вариант сохранить теплым чай и кофе в "тормозке"-перекусе на работе, чтобы подкрепиться и согреться тепленьким в перерыве.

Термос — это популярное название теплоизолирующего жидкостного контейнера. Название появилось в 1904 году от наименования немецкой компании Thermos GmbH, которая и начала производство этих теплосберегающих продуктов.

Термос — это герметичный контейнер с двойными стенками, между которыми можно откачать воздух — создается вакуум.

В 1907 году немецкий инженер Рейнхольд Бургер запатентовал в США термос с пробковой крышкой. Клайд Дж. Коулман также вошел в историю со своим патентом на производство термоса 1913 года. Правда в том, что ни один из более чем 80 патентов не решил главную проблему - теплоизоляцию крышки. Потери тепла через крышку определяются соотношением площади крышки и термоса и эффективностью изоляции.
Как видим, конструктивно схожего очень много. Но Сосуд Дьюара все-таки предназначен в первую очередь для экстремальных температур, а термос - для щадящих, бытовых целей.

Кто производит сосуды Дьюара ?

Первые коммерческие сосуды Дьюара выпустила уже упомянутая Thermos GmbH. Сегодня ведущие производители:

• Cryofab (США, криогенные модели до 5000 мл);
• Pope Scientific (лабораторные стеклянные флаконы);
• Ratermann Manufacturing (до 50 л, давление до 500 PSI);
• Cole-Parmer (транспортные);
• MiTeGen (для LN2);
• В Азии — Techinstro (Индия, исследовательские), Fullcryo (Китай, гелиевые и водородные);
• В Украине - АЛТ (медицинские). 

Как правильно эксплуатировать ?

Эксплуатация требует строгого соблюдения безопасности: работайте в вентилируемом помещении с мониторами концентрации (газоанализаторами) O₂, поскольку испаряемые сжиженные газы вытесняют воздух. Используйте СИЗ — криогенные перчатки, очки, защиту лица; избегайте металла на коже. Перед заполнением проверьте целостность (клапаны, вакуум). Для жидкого азота: охлаждайте сосуд постепенно, заливайте медленно, чтобы избежать брызг; держите вертикально, не наклоняйте. Никогда не блокируйте клапаны сброса давления — они предотвращают взрыв от кипения. Не используйте адаптеры или нештатные контейнеры (типа стеклянной посуды). После использования промывайте теплой водой с моющим средством, сушите. Периодически проверяйте давление манометром.

Где еще используются криоемкости Дьюара ?

Сосуды Дьюара универсальны и многопрофильны и эволюционировали от хрупкого стекла к компактным высокопрочным и надежным криокулерам. И по сей день вакуумные модели остаются эталоном теплоэнергосбережения.

1. В быту — как термосы для еды/напитков.
2. В медицине и фармацевтике - криоконсервация (стволовые клетки, эмбрионы, сперма, вакцины - вспомним какой был ажиотаж из-за коронавируса лет эдак 5 назад, так вот вакцина Pfizer-BionTech от ковида должна была сохраняться при температурах от -90°C до -60°C (как в Антарктиде) - криемкость Дьюара ей в помощь !).
3. В промышленности — криогенная обработка металлов (удаление напряжений), хранение газов (азот, кислород, аргон).
4. В геофизике — изоляция электроники в скважинах, нагревающихся до высоких температур.
5. В космосе — топливные баки (Saturn в NASA), детекторы Hubble (с твердым азотом).

P.S. Ну и напоследок. Будьте аккуратны с жидким азотом ! Заморозит все !