Сосуд Дьюара — устройство и принцип работы¶

Сосуд Дьюара — термососуд (термос), герметичная ёмкость двойной стенки с вакуумом в межстеночном пространстве, предназначенная для длительного хранения жидких газов (азота, кислорода, гелия, водорода) и других криогенных жидкостей. Назван по имени Джеймса Дьюара, шотландского физика и химика, который в 1892 году создал первый сосуд подобной конструкции для конденсации газов. В русскоязычной технической и лабораторной практике слово «дьюар» стало нарицательным и обозначает любую ёмкость с вакуумной изоляцией, независимо от производителя.

¶История

В конце XIX века перед физиками стояла задача получения жидких газов — азота, кислорода, аргона. Для этого требовалось охладить газы до критически низких температур, и главной проблемой оставалась теплопроводность окружающей среды: сосуд с охлаждённым веществом стремительно нагревался за счёт теплообмена с воздухом и стенками.

В 1892 году Джеймс Дьюар, работавший в лаборатории Королевского института Великобритании, сконструировал стеклянный сосуд с двойными стенками, между которыми откачивался воздух. Вакуум резко сокращал теплообмен за счёт конвекции и теплопроводности, а серебрение внутренних стенок уменьшало тепловое излучение. В таком сосуде Дьюар в 1898 году сконденсировал жидкий водород, а в 1908 году Хейке Камерлинг-Оннес, использовавший конструкцию Дьюара, получил жидкий гелий.

В 1903 году немецкий предприниматель Рейнхольд Бюргер запатентовал коммерческое применение изобретения — бытовой термос, в котором вакуумный сосуд Дьюара помещался в металлический корпус с ручкой и крышкой. Так вакуумный сосуд Дьюара стал одним из самых массовых бытовых изделий.

¶Устройство

Классический сосуд Дьюара состоит из следующих элементов:

Вакуум в межстеночном пространстве устраняет два из трёх механизмов теплопередачи — конвекцию и теплопроводность газа. Третий механизм — тепловое излучение — подавляется серебрением (металлизацией) стенок, отражающим инфракрасное излучение. В лабораторных дьюарах дополнительно применяют многослойную вакуумную изоляцию (МВИ), состоящую из чередующихся слоёв алюминиевой фольги и стекловолоконных прокладок, что ещё сильнее снижает радиационный теплообмен.

Для работы с жидким азотом (температура кипения −196 °C) и жидким гелием (−269 °C) требуются дьюары разной степени теплоизоляции. Дьюары для жидкого гелия имеют более глубокий вакуум, дополнительные экраны из серебрения и часто конструкцию «сосуд в сосуде».

¶Принцип работы

Тепло поступает в сосуд тремя путями: через газ в межстеночном пространстве, через излучение и через твёрдые перемычки (ножку, крепления). Вакуумная изоляция устраняет первые два канала, поэтому основные потери приходятся на теплопроводность через опоры и ножку. При хранении криогенных жидкостей неизбежно испарение — часть жидкости медленно кипит, отводя тепло через ножку. Скорость испарения зависит от объёма сосуда, качества вакуума и теплоизоляции горловины.

¶Применение

¶Лабораторное и промышленное

Сосуды Дьюара используются для хранения и транспортировки криогенных жидкостей: жидкого азота (ЛЖН), жидкого кислорода (ЛЖК), жидкого гелия, жидкого водорода. Они применяются в научных лабораториях, на предприятиях криогенной техники, в медицине (криоконсервирование биоматериала), в металлургии (криогенная обработка металлов), при производстве полупроводников и сверхпроводящих магнитов.

¶Бытовое

В быту сосуд Дьюара — это термос. Принципиальное отличие лабораторного дьюара от бытового термоса — материал (стекло или металл вместо пластика), качество вакуума, наличие ножки и отсутствие декоративного корпуса. Бытовые термосы, как правило, имеют не столь глубокий вакуум и меньший срок службы.

¶Криогенная медицина

В медицине дьюары применяются для хранения стволовых клеток, спермы, яйцеклеток и эмбрионов при криоконсервировании. Жидкий азот в дьюарах поддерживает температуру −196 °C, при которой биологические процессы практически останавливаются.

¶Ограничения

Сосуды Дьюара имеют ряд эксплуатационных ограничений:

• При повреждении вакуумной оболочки теплопроводность резко возрастает, и сосуд теряет изоляционные свойства.
• При длительном хранении вакуум деградирует (десорбция газов со стенок), что увеличивает испарение криогенной жидкости.
• Ножка является самым уязвимым местом — её повреждение приводит к потере вакуума.
• При работе с жидким гелием требуется периодическая перекачка вакуумной камеры.

¶См. также

• Термос
• Криогенная техника
• Многослойная вакуумная изоляция
• Джеймс Дьюар

¶Источники

• Дьюар Дж. О конденсации газов // Proceedings of the Royal Institution of Great Britain, 1898.
• Брандт О. Криогенная техника. — М.: Наука, 1973.
• Уокер М. Криогенные системы. — М.: Мир, 1983.
• Бюргер Р. Патент Германии № 142 679, 1903.