Вакуумная колба

Типичная конструкция термоса термоса , используемого для поддержания температуры жидкостей, таких как кофе.

( Вакуумная колба также известная как колба Дьюара , бутылка Дьюара или термос ) представляет собой изолирующий сосуд для хранения, замедляющий скорость изменения температуры его содержимого. Он значительно удлиняет время, в течение которого его содержимое остается более горячим или холодным, чем окружающая колба, поскольку пытается быть как можно более адиабатическим . Изобретенная сэром Джеймсом Дьюаром в 1892 году вакуумная колба состоит из двух колб , помещенных одна в другую и соединенных горлышком. Из зазора между двумя колбами частично удаляется воздух, создавая почти вакуум , который значительно снижает теплопередачу за счет проводимости или конвекции . При использовании для хранения холодных жидкостей это также практически исключает образование конденсата на внешней стороне колбы.

Вакуумные колбы используются в быту для сохранения содержимого внутри в горячем или холодном состоянии в течение длительных периодов времени. Они также используются для термической готовки . Вакуумные колбы также используются во многих целях в промышленности.

История

Вакуумная колба была спроектирована и изобретена шотландским ученым сэром Джеймсом Дьюаром в 1892 году в результате его исследований в области криогеники и в его честь иногда называется колбой Дьюара. Проводя эксперименты по определению теплоемкости элемента палладия , Дьюар изготовил латунную камеру, которую поместил в другую камеру, чтобы поддерживать палладий при желаемой температуре. ^[1] Он откачал воздух между двумя камерами, создав частичный вакуум, чтобы поддерживать стабильную температуру содержимого. Дьюар отказался запатентовать свое изобретение; это позволило другим разработать колбу с использованием новых материалов, таких как стекло и алюминий , и она стала важным инструментом для химических экспериментов, а также обычным предметом домашнего обихода. ^[1]

Конструкция Дьюара быстро превратилась в коммерческий продукт в 1904 году, когда два немецких стеклодува , Райнхольд Бургер и Альберт Ашенбреннер, обнаружили, что ее можно использовать для сохранения холодных напитков холодными, а теплые напитки теплыми, и изобрели более прочную конструкцию колбы, которая подходила для повседневного использования. использовать. ^[2]^[3] Конструкция колбы Дьюара никогда не была запатентована, но немцы, обнаружившие коммерческое использование продукта, назвали его «Термос » и впоследствии заявили права на коммерческий продукт и торговую марку на это название. В своей последующей попытке заявить права на изобретение Дьюар вместо этого проиграл компании судебное дело. ^[4] Производство и характеристики термоса были значительно улучшены и усовершенствованы венским изобретателем и торговцем Густавом Робертом Пааленом, который разработал различные типы для домашнего использования, которые он также запатентовал и широко распространил через компании по производству термосов в Соединенных Штатах. Канада и Великобритания, которые купили лицензии на соответствующие национальные рынки. Компания American Thermos Bottle Company наладила массовое производство в Норидже, штат Коннектикут , что снизило цены и позволило широко распространить продукт для домашнего использования. ^[2] Со временем компания расширила размеры, формы и материалы этих потребительских товаров, которые в основном используются для переноски кофе в дороге и жидкостей в походах, чтобы сохранять их горячими или холодными. Со временем другие производители начали производить аналогичные продукты для потребительского использования.

Термин «термос» стал нарицательным для термосов в целом. По состоянию на 2023 год ^[update], Thermos и THERMOS остаются зарегистрированными торговыми марками в некоторых странах, включая США. ^[5]^[6]^[7] но строчное слово «термос» было объявлено обобщенным товарным знаком по решению суда в США в 1963 году. ^[8]^[9]^[10]

Дизайн

Вакуумная колба состоит из двух сосудов, помещенных один в другой и соединенных горлышком. Зазор между двумя сосудами частично удаляется из воздуха, создавая частичный вакуум , который уменьшает теплопроводность или конвекцию . Перенос тепла тепловым излучением можно свести к минимуму за счет серебрения поверхностей колбы, обращенных к зазору, но это может стать проблематичным, если содержимое колбы или окружающая среда очень горячие; следовательно, вакуумные колбы обычно содержат содержимое ниже температуры кипения воды. Большая часть теплопередачи происходит через горловину и отверстие колбы, где нет вакуума. Вакуумные колбы обычно изготавливаются из , боросиликатного стекла , пенопласта или пластика и закрываются металла пробкой или полиэтиленовым пластиком. Вакуумные колбы часто используются в качестве изотермических транспортных контейнеров .

Чрезвычайно большие или длинные вакуумные колбы иногда не могут полностью поддерживать внутреннюю колбу только за счет горлышка, поэтому дополнительную поддержку обеспечивают прокладки между внутренней и внешней оболочкой. Эти прокладки действуют как тепловой мост и частично снижают изоляционные свойства колбы в области контакта прокладки с внутренней поверхностью.

Некоторые технологические приложения, такие как ЯМР- и МРТ- аппараты, основаны на использовании двойных вакуумных колб. Эти колбы имеют две вакуумные секции. Внутренняя колба содержит жидкий гелий , а внешняя колба — жидкий азот, между которыми находится одна вакуумная секция. Таким образом ограничивается потеря драгоценного гелия.

Другие усовершенствования вакуумной колбы включают радиационный экран с паровым охлаждением и горловину с паровым охлаждением . ^[11] оба из которых помогают уменьшить испарение из колбы.

Исследования и промышленность

В лабораториях и промышленности вакуумные колбы часто используются для хранения сжиженных газов (обычно жидкого азота с температурой кипения 77 К) для мгновенного замораживания, подготовки проб и других процессов, где желательно создание или поддержание экстремально низкой температуры. В вакуумных колбах большего размера хранятся жидкости, которые становятся газообразными при температуре значительно ниже окружающей среды, например кислород и азот ; в этом случае утечка тепла в чрезвычайно холодную внутреннюю часть бутылки приводит к медленному выкипанию жидкости, поэтому узкое незакрытое отверстие или закрытое отверстие, защищенное предохранительным клапаном необходимо давления для предотвращения повышения . вверх и в конечном итоге разбивает колбу. Изоляция вакуумной колбы приводит к очень медленному «кипению», и, таким образом, содержимое остается жидким в течение длительного времени без холодильного оборудования.

Вакуумные колбы использовались для размещения стандартных элементов и термостабилизированных стабилитронов вместе с их печатной платой в прецизионных устройствах регулирования напряжения, используемых в качестве электрических стандартов. Колба помогала контролировать температуру Зенера в течение длительного периода времени и использовалась для уменьшения изменений выходного напряжения стандарта Зенера из-за колебаний температуры с точностью до нескольких частей на миллион.

Одним из примечательных применений была компания Guildline Instruments из Канады в их насыщенном стандартном элементе Transvolt, модель 9154B, который является стандартом электрического напряжения. Здесь посеребренная вакуумная колба была заключена в пенопласт и с помощью большой стеклянной вакуумной пробки удерживала насыщенную ячейку. Выходное напряжение устройства составляло 1,018 вольт и поддерживалось в пределах нескольких частей на миллион.

Принцип вакуумной колбы делает ее идеальной для хранения определенных типов ракетного топлива, и НАСА широко использовало ее в топливных баках ракет-носителей «Сатурн» в 1960-х и 1970-х годах. ^[12]

Конструкция и форма колбы Дьюара использовались в качестве модели для оптических экспериментов, основанных на идее, что форма двух отсеков с пространством между ними аналогична тому, как свет попадает в глаз. ^[13] Вакуумная колба также участвовала в экспериментах с использованием ее в качестве конденсатора различных химикатов, чтобы поддерживать их постоянную температуру. ^[14]

Промышленная колба Дьюара является основой устройства, используемого для пассивной изоляции медицинских грузов. ^[15]^[16] Большинство вакцин чувствительны к нагреванию. ^[17]^[18] и требуют системы холодовой цепи для поддержания стабильной, близкой к нулю температуры. В устройстве «Арктек» используются восемь литровых блоков льда для хранения вакцин при температуре ниже 10 °C . ^[19]

В нефтегазовой промышленности сосуды Дьюара используются для изоляции электронных компонентов в инструментах каротажа на кабеле . ^[20] Обычные каротажные инструменты (рассчитанные на температуру до 350°F) модернизируются до высокотемпературных характеристик путем установки всех чувствительных электронных компонентов в колбу Дьюара. ^[21]

Безопасность

Вакуумные колбы подвержены риску взрыва , а стеклянные сосуды под вакуумом, в частности, могут неожиданно разбиться. Сколы, царапины или трещины могут стать отправной точкой опасного выхода сосуда из строя, особенно при быстром изменении температуры сосуда (при добавлении горячей или холодной жидкости). Правильная подготовка вакуумной колбы Дьюара путем закалки перед использованием рекомендуется для поддержания и оптимизации функционирования устройства. Стеклянные вакуумные колбы обычно устанавливаются на металлическое основание, а цилиндр находится внутри или покрыт сеткой из алюминия или пластика, чтобы облегчить обращение, защитить его от физических повреждений и удержать фрагменты в случае их разрушения. ^{[ нужна ссылка ]}

Кроме того, дьюары для криогенного хранения обычно находятся под давлением и могут взорваться, если предохранительные клапаны не использовать .

тепловое расширение При проектировании вакуумной колбы необходимо учитывать . Наружные и внутренние стены подвергаются воздействию разных температур и расширяются с разной скоростью. Вакуумная колба может разорваться из-за разницы теплового расширения внешней и внутренней стенок. Компенсаторы обычно используются в трубчатых вакуумных колбах, чтобы избежать разрыва и сохранить целостность вакуума.

См. также

Термическое приготовление пищи
Герметическое уплотнение
Солнцезащитный экран космического телескопа Джеймса Уэбба (слои его теплового экрана используют вакуумный барьер для обеспечения изоляции.)
Стакан здоровья
Йети Холдингс

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Сулен, Роберт (март 1996 г.). «Джеймс Дьюар, его фляга и другие достижения». Физика сегодня . 49 (3): 32–37. Бибкод : 1996PhT....49c..32S . дои : 10.1063/1.881490 .
^ Jump up to: ^а ^б «Наша история» . Термос. 2011. Архивировано из оригинала 28 мая 2013 года . Проверено 31 марта 2013 г.
^ «Джеймс Дьюар, человек, который изобрел термос» . История Би-би-си. 2 апреля 2013 г. Архивировано из оригинала 4 мая 2014 г.
^ Фрэнк Эй Джей Джеймс. «Дьюар, Джеймс — БРИТАНСКИЙ ХИМИК И ФИЗИК» . Адвамег, ООО . Проверено 30 декабря 2010 г.
^ «Регистрационный номер в США: 67002» . Поиск товарных знаков, Ведомство США по патентам и товарным знакам . Проверено 24 апреля 2023 г. «Термос» ЖИЗНЕН ДЛЯ: СТЕКЛЯННЫЕ СОСУДИ С ДВУСТЕННЫМИ СТЕНКАМИ С ВАКУУМОМ МЕЖДУ СТЕНАМИ
^ «Регистрационный номер в США: 176064» . Поиск товарных знаков, Ведомство США по патентам и товарным знакам . Проверено 24 апреля 2023 г. «ТЕРМОС» ЖИВОЙ Для:Сосудов, поддерживающих температуру
^ «Регистрационный номер в США: 229816» . Поиск товарных знаков, Ведомство США по патентам и товарным знакам . Проверено 24 апреля 2023 г. «ТЕРМОС» LIVE Для: БУТЫЛОК, БАНОЧЕК, ГРАФИНОВ, ГРАФИНОВ, [МОДНЫХ ФЛЯГ,] КОФЕКОВНИКОВ, ЧАЙНИКОВ, КУВШИНОВ, НАБОРОВ ДЛЯ ОБЕДОВ, КОРМОВ ДЛЯ ОБЕДОВ, КОРОБКОВ ДЛЯ ПЕРЕНОСКИ БУТЫЛОК [И ВАКУУМНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ИЗ СТЕКЛА С ДВУМЯ СТЕНКАМИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В БУТЫЛКАХ, БАНКАХ. , ГРАФИНЫ, КУВШИНЫ, ГРАФИНЫ, КОФЕПОТНИКИ И ЧАЙНИКИ]
^ Фолсом, Ральф; Теплый, Ларри (1980). «Общие слова, зарегистрированные как товарные знаки» . Йельский юридический журнал . 89 (7): 1324. дои : 10.2307/795968 . hdl : 20.500.13051/15969 . JSTOR 795968 .
^ King-Seeley Thermos Co. против Aladdin Industries, Incorporated , 321 F.2nd 577 (Апелляционный суд США, второй округ, 11 июля 1963 г.).
^ King-Seeley Thermos Co. против Aladdin Industries, Incorporated , 320 F.Supp 1156 (Апелляционный суд США, второй округ, 30 декабря 1970 г.).
^ «История криогеники: центральный криогенный ресурс CSA» . Cryogenicsociety.org. 18 апреля 2008 г. Архивировано из оригинала 27 марта 2018 г. Проверено 29 ноября 2012 г.
^ Кортрайт, Эдгар. «Экспедиции Аполлона на Луну». Официальные публикации НАСА. 1975.
^ Хейнс, Джон; Скотт, Джесси (1948). «Метод серебрения сосуда Дьюара для оптических экспериментов». Наука . 107 (2777): 301. Бибкод : 1948Sci...107..301H . дои : 10.1126/science.107.2777.301 . ПМИД 17791184 .
^ Эллиот, Уиллард (1970). «Спектрофотометрическая колба Дьюара со встроенным световым экраном» . Отчеты общественного здравоохранения . 85 (3): 276–279. дои : 10.2307/4593845 . JSTOR 4593845 . ПМК 2031665 . ПМИД 4984895 .
^ Стинсон, Лиз (18 июня 2013 г.). «Этот революционный холодильник может спасти миллионы жизней» . ПРОВОДНОЙ .
^ «Устройство, поддерживаемое Gates, расширяет холодовую цепь на сельские районы» . Жестокие вакцины .
^ Мурхекар М.В., Дутта С., Капур А.Н., Битрагунта С., Додум Р., Гош П., Свами К.К., Мукхопадьяй К., Нингомбам С., Пармар К., Равишанкар Д., Сингх Б., Сингх В., Сисодия Р., Субраманиан Р., Такум Т. (2013) . «Частое воздействие субоптимальных температур в системе холодовой цепи вакцин в Индии: результаты мониторинга температуры в 10 штатах» . Бюллетень Всемирной организации здравоохранения . 91 (12): 906–13. дои : 10.2471/BLT.13.119974 . ПМЦ 3845272 . ПМИД 24347729 .
^ Самант Ю., Ланжевар Х., Паркер Д., Блок Л., Томар Г.С., Штейн Б. (2007). «Оценка холодовой цепи для пероральной полиомиелитной вакцины в сельском округе Индии» . Отчеты общественного здравоохранения . 122 (1): 112–21. дои : 10.1177/003335490712200116 . ПМК 1802111 . ПМИД 17236617 .
^ «Арктек получил преквалификационный статус PQS от ВОЗ» (Пресс-релиз). АРКТЕК. 26 апреля 2015 г. Архивировано из оригинала 11 марта 2016 г. Проверено 25 февраля 2016 г.
^ «Термический контроль скважинных датчиков каротажа нефти и газа для приложений HTHP с использованием нанопористых материалов» . Исследовательские ворота . Проверено 11 февраля 2021 г.
^ Бэрд, Том и др. «Каротажные исследования, перфорация и испытания скважин под высоким давлением и при высоких температурах». Обзор нефтяных месторождений 5.2/3 (1993): 15-32.

Дальнейшее чтение

Бёргер Р., патент США № 872795 , «Сосуд с двойными стенками и пространством для вакуума между стенками», 3 декабря 1907 г.
Селла, Андреа (август 2008 г.). «Колба Дьюара» . Мир химии : 75 . Проверено 30 августа 2008 г.

Внешние ссылки

СМИ, связанные с термосами, на Викискладе?

[Soulen-1] Jump up to: ^а ^б Сулен, Роберт (март 1996 г.). «Джеймс Дьюар, его фляга и другие достижения». Физика сегодня . 49 (3): 32–37. Бибкод : 1996PhT....49c..32S . дои : 10.1063/1.881490 .

[Thermos-2] Jump up to: ^а ^б «Наша история» . Термос. 2011. Архивировано из оригинала 28 мая 2013 года . Проверено 31 марта 2013 г.

[3] «Джеймс Дьюар, человек, который изобрел термос» . История Би-би-си. 2 апреля 2013 г. Архивировано из оригинала 4 мая 2014 г.

[4] Фрэнк Эй Джей Джеймс. «Дьюар, Джеймс — БРИТАНСКИЙ ХИМИК И ФИЗИК» . Адвамег, ООО . Проверено 30 декабря 2010 г.

[USPTO_67002-5] «Регистрационный номер в США: 67002» . Поиск товарных знаков, Ведомство США по патентам и товарным знакам . Проверено 24 апреля 2023 г. «Термос» ЖИЗНЕН ДЛЯ: СТЕКЛЯННЫЕ СОСУДИ С ДВУСТЕННЫМИ СТЕНКАМИ С ВАКУУМОМ МЕЖДУ СТЕНАМИ

[USPTO_176064-6] «Регистрационный номер в США: 176064» . Поиск товарных знаков, Ведомство США по патентам и товарным знакам . Проверено 24 апреля 2023 г. «ТЕРМОС» ЖИВОЙ Для:Сосудов, поддерживающих температуру

[USPTO_229816-7] «Регистрационный номер в США: 229816» . Поиск товарных знаков, Ведомство США по патентам и товарным знакам . Проверено 24 апреля 2023 г. «ТЕРМОС» LIVE Для: БУТЫЛОК, БАНОЧЕК, ГРАФИНОВ, ГРАФИНОВ, [МОДНЫХ ФЛЯГ,] КОФЕКОВНИКОВ, ЧАЙНИКОВ, КУВШИНОВ, НАБОРОВ ДЛЯ ОБЕДОВ, КОРМОВ ДЛЯ ОБЕДОВ, КОРОБКОВ ДЛЯ ПЕРЕНОСКИ БУТЫЛОК [И ВАКУУМНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ИЗ СТЕКЛА С ДВУМЯ СТЕНКАМИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В БУТЫЛКАХ, БАНКАХ. , ГРАФИНЫ, КУВШИНЫ, ГРАФИНЫ, КОФЕПОТНИКИ И ЧАЙНИКИ]

[8] Фолсом, Ральф; Теплый, Ларри (1980). «Общие слова, зарегистрированные как товарные знаки» . Йельский юридический журнал . 89 (7): 1324. дои : 10.2307/795968 . hdl : 20.500.13051/15969 . JSTOR 795968 .

[Thermos_v_Alladin_1963-9] King-Seeley Thermos Co. против Aladdin Industries, Incorporated , 321 F.2nd 577 (Апелляционный суд США, второй округ, 11 июля 1963 г.).

[Thermos_v_Alladin_1970-10] King-Seeley Thermos Co. против Aladdin Industries, Incorporated , 320 F.Supp 1156 (Апелляционный суд США, второй округ, 30 декабря 1970 г.).

[11] «История криогеники: центральный криогенный ресурс CSA» . Cryogenicsociety.org. 18 апреля 2008 г. Архивировано из оригинала 27 марта 2018 г. Проверено 29 ноября 2012 г.

[12] Кортрайт, Эдгар. «Экспедиции Аполлона на Луну». Официальные публикации НАСА. 1975.

[13] Хейнс, Джон; Скотт, Джесси (1948). «Метод серебрения сосуда Дьюара для оптических экспериментов». Наука . 107 (2777): 301. Бибкод : 1948Sci...107..301H . дои : 10.1126/science.107.2777.301 . ПМИД 17791184 .

[14] Эллиот, Уиллард (1970). «Спектрофотометрическая колба Дьюара со встроенным световым экраном» . Отчеты общественного здравоохранения . 85 (3): 276–279. дои : 10.2307/4593845 . JSTOR 4593845 . ПМК 2031665 . ПМИД 4984895 .

[15] Стинсон, Лиз (18 июня 2013 г.). «Этот революционный холодильник может спасти миллионы жизней» . ПРОВОДНОЙ .

[16] «Устройство, поддерживаемое Gates, расширяет холодовую цепь на сельские районы» . Жестокие вакцины .

[17] Мурхекар М.В., Дутта С., Капур А.Н., Битрагунта С., Додум Р., Гош П., Свами К.К., Мукхопадьяй К., Нингомбам С., Пармар К., Равишанкар Д., Сингх Б., Сингх В., Сисодия Р., Субраманиан Р., Такум Т. (2013) . «Частое воздействие субоптимальных температур в системе холодовой цепи вакцин в Индии: результаты мониторинга температуры в 10 штатах» . Бюллетень Всемирной организации здравоохранения . 91 (12): 906–13. дои : 10.2471/BLT.13.119974 . ПМЦ 3845272 . ПМИД 24347729 .

[18] Самант Ю., Ланжевар Х., Паркер Д., Блок Л., Томар Г.С., Штейн Б. (2007). «Оценка холодовой цепи для пероральной полиомиелитной вакцины в сельском округе Индии» . Отчеты общественного здравоохранения . 122 (1): 112–21. дои : 10.1177/003335490712200116 . ПМК 1802111 . ПМИД 17236617 .

[19] «Арктек получил преквалификационный статус PQS от ВОЗ» (Пресс-релиз). АРКТЕК. 26 апреля 2015 г. Архивировано из оригинала 11 марта 2016 г. Проверено 25 февраля 2016 г.

[20] «Термический контроль скважинных датчиков каротажа нефти и газа для приложений HTHP с использованием нанопористых материалов» . Исследовательские ворота . Проверено 11 февраля 2021 г.

[21] Бэрд, Том и др. «Каротажные исследования, перфорация и испытания скважин под высоким давлением и при высоких температурах». Обзор нефтяных месторождений 5.2/3 (1993): 15-32.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]