Посудина Дьюара: від винаходу до сучасного застосування

Що таке посудина Дьюара

Посудина Дьюара — це теплоізолюючий контейнер, призначений для тривалого зберігання речовин при екстремально високих або низьких температурах. Він мінімізує теплопередачу за рахунок вакуумної ізоляції між стінками, запобігаючи конвекції та кондукції. На відміну від активних термостатів або кріостатів, посудина працює пасивно, покладаючись на природні процеси, такі як кипіння кріогенної рідини.

Це дозволяє зберігати, наприклад, рідкий азот при -196°C із втратами всього 1-5% на добу.

В спектрометрах гамма- та рентгенівського випромінювання такі посудини охолоджують детектори HPGe, знижуючи шум і підвищуючи роздільну здатність високочутливого приладу.

Хто винайшов

Ідея подвійних стінок з вакуумом як потужної теплової перешкоди на шляху теплових втрат виникла в 1881 році у німецького фізика А. Ф. Вейнхольда, який розробив скляну ємність для зберігання рідкого кисню та інших зріджених газів (попередниця посудини Дьюара).
Це дозволило пізніше К. Ольшевському та С. Врублевському провести перші експерименти з кріогенними рідинами.
А ось ємність, яку можна застосовувати не тільки в лабораторії, а й на практиці, що підтвердило більш ніж сторічне виробництво та експлуатація, винайшов у 1892 шотландський фізик і хімік сер Джеймс Дьюар.
Звідси і назва посудина Дьюара, яка і стала загальновідомою. Працюючи над зрідженням газів у лабораторії Кавенді, він модифікував конструкцію Вейнхольда в колбу з вузьким горлом для зниження випаровування.
Дьюар продемонстрував винахід 20 січня 1893 на лекції, де підвісив крихкий посуд на пружинах в металевому кожусі. Завдяки йому в 1898 вдалося зберегти рідкий водень, а в 1899-му — навіть спробувати його отримати вже у твердому стані. А цього досягти вельми не просто - температура повинна впасти до надзвичайно низьких 259 градусів нижче нуля! Навіть на Плутоні, загубленому на околицях Сонячної системи, "тепліше".

Тому обгрунтовано назва "посудина Дьюара" зберыглась в історії на честь винахідника — Джеймса Дьюара, чиє удосконалення зробило конструкцію універсальною для промислової кріогеніки. Дьюар не запатентував винахід, що забезпечило його вільне розповсюдження світом. Як наслідок, у 1904 році німецькі склодуви Райнхольд Бургер та Альберт Ашенбреннер комерціалізували версію для побуту, назвавши її "Thermos" (від грец. "гарячий"). Дьюар намагався позиватися щодо авторського права, але програв. Слово "термос" стало загальноприйнятим у США з 1963 року, хоча бренд Thermos зберіг товарний знак у деяких країнах. Власне щось подібне сталося і з терміном "ксерокс", яким стали іменувати цілу групу копіювальних приладів, хоча спочатку це була назва компанії Xerox.

Особливості конструкції

Класичний Дьюар — це дві ємності (внутрішня і зовнішня), з'єднані біля горловини, з повітрям між стінками, відкачаним майже до вакууму. Внутрішні поверхні срібні або поліровані для відображення випромінювання, мінімізуючи втрати теплової енергії. Матеріали: боросилікатне скло для лабораторних моделей (крихке, але ефективне), алюміній або нержавіюча сталь для промислових (міцні, з низькою теплопровідністю). Горловина — тонка, часто з пінопластовою вставкою для зниження конвекції; кришка — із клапанами скидання тиску. Для гелієвих посудин додають теплові екрани з міді, подвійні горловини та адсорбенти для поглинання залишкових газів. Сучасні посудини Дьюара використовують багатошарову екранно-вакуумну ізоляцію, знижуючи втрати до 1% на день на 100 л. Розширювальні шви запобігають розриву від теплового розширення, яке може стати проблемою наприклад і на залізниці при нагріванні рейок.

Так, ємності Дьюара не ідеальні. І не можуть бути такими. Але, як і сторіччя тому, на сьогоднішній день, нічого кращого не вигадано. Природу обдурити неможливо. Другий закон термодинаміки стверджує, що тепло може передаватися тільки від гарячого тіла до холодного.

Тепло поширюється випромінюванням не тільки у повітрі та газах, але навіть і у вакуумі.

Тому нехай повільно, але вміст посудини Дьюара нагрівається.

Це головний недолік всіх вакуумних термосів, де існує шар вакууму, що відокремлює вміст термосу від навколишнього середовища. Чому ? Хоча там майже немає матерії у вигляді молекул повітря (фактично це порожній простір - майже космос), тепло передається не шляхом провідності (теплопровідність/конвекція), а через інфрачервоне випромінювання (зокрема, що вимірюється пірометрами), яке може поступово охолоджувати газовий вміст термоса.

Посудина Дьара і термос - чи є різниця ?

Іноді різниця між термінами «судина Дьюара» та «термос» стирається. Посудина Дьюара — це вакуумний контейнер без кришки (або з кришкою, яка пропускає газ), оскільки він використовується для зберігання рідких газів (температура -196 °C і нижче), які повинні випаровуватися. В іншому випадку надлишковий тиск, що виникає, розірвав би контейнер. Для порівняння, 1 л рідкого азоту дає близько 750 літрів газоподібного азоту при атмосферному тиску. Якщо закрити посуд Дьюара, ми впізнаємо товар, який продається під усім відомою назвою «термос» - чудовий варіант зберегти теплим чай і каву для обіду-перекусу на роботі, щоб підкріпитися та зігрітися тепленьким у перерві.

Термос — це популярна назва теплоізолюючого рідинного контейнера. Назва з'явилася в 1904 році від найменування німецької компанії Thermos GmbH, яка і розпочала виробництво цих теплозберігаючих продуктів.

Термос — це герметичний контейнер із подвійними стінками, між якими відкачано повітря і створюється вакуум.

У 1907 році німецький інженер Рейнхольд Бургер запатентував у США термос із пробковою кришкою. Клайд Дж. Коулман також увійшов до історії зі своїм патентом виробництва термоса 1913 року. Правда в тому, що жоден із більш ніж 80 патентів не вирішив головну проблему – теплоізоляцію кришки. Втрати тепла через кришку визначаються співвідношенням площі кришки та термоса та ефективністю ізоляції.
Як бачимо, конструктивно подібного дуже багато. Але Посудина Дьюара все-таки призначена в першу чергу для екстремальних температур, а термос - для побутових цілей.

Хто виробляє посудини Дьюара ?

Перші комерційні посудини Дьюара випустила згадана вже вище Thermos GmbH. Сьогодні провідні виробники:

• Cryofab (США, кріогенні моделі до 5000 мл);
• Pope Scientific (лабораторні скляні);
• Ratermann Manufacturing (до 50 л, тиск до 500 PSI);
• Cole-Parmer (транспортні);
• MiTeGen (для LN2);
• В Азии — Techinstro (Індія, дослідні), Fullcryo (Китай, гелієві та водневі);
• В Україні - АЛТ (медичні). 

Як правильно експлуатувати ?

Експлуатація вимагає суворого дотримання безпеки: працюйте у вентильованому приміщенні з моніторами концентрації (газоаналізаторами) O₂, оскільки зріджені гази, що випаровуються, витісняють повітря. Використовуйте ЗІЗ — кріогенні рукавички, окуляри, захист обличчя; уникайте металу на шкірі. Перед заповненням перевірте цілісність (клапани, вакуум). Для рідкого азоту: охолоджуйте посудину поступово, заливайте повільно, щоб уникнути бризок; тримайте вертикально, не нахиляйте. Ніколи не блокуйте клапани скидання тиску — вони запобігають вибуху від кипіння. Не використовуйте адаптери або нештатні контейнери (типу скляного посуду). Після використання промивайте теплою водою з миючим засобом, сушіть. Періодично перевіряйте тиск манометром.

Де ще використовуються кріоємності Дьюара ?

Посудини Дьюара універсальні та багатопрофільні та еволюціонували від крихкого скла до компактних високоміцних та надійних кріокулерів. І до цього дня вакуумні моделі залишаються еталоном теплоенергозбереження..

1. У побуті — як термоси для їжі/напоїв.
2. У медицині та фармацевтиці - кріоконсервація (стволові клітини, ембріони, сперма, вакцини - згадаємо, який був ажіотаж через коронавірус років так близько 5 тому, так ось вакцина Pfizer-BionTech від ковіда повинна була зберігатися при температурах від -90° Антарктиді) - криємість Дьюара їй на допомогу!).
3. У промисловості — кріогенна обробка металів (видалення напруг), зберігання газів (азот, кисень, аргон).
4. У геофізиці — ізоляція електроніки у свердловинах, що нагріваються до високих температур.
5. У космосі — паливні баки (Saturn в NASA), детектори телескопу Hubble (з твердим азотом).

P.S. Ну і насамкінець. Будьте обережні з рідким азотом ! Якщо ємність для зберігання пошкоджена, буде непереливки !