Термос или
Сосу́д Дьюара— сосуд, предназначенный для длительного хранения
веществ при повышенной или пониженной температуре.
Перед помещением в
сосуд
Дьюара вещество необходимо нагреть или охладить.
Постоянная
температура поддерживается пассивными методами, за счет хорошей теплоизоляции и/или процессов в хранимом веществе (например, кипение). В этом основное отличие сосуда
Дьюара от термостатов, криостатов.
(Сосуд
Дьюара для жидкого кислорода)
История изобретения
(Фрагмент заявки на патент)
Физики Кароль Ольшевский и Зыгмунт Вроблевский для хранения сжиженных газов использовали стеклянный ящик с двойными
стенками, с откачанным из межстеночного пространства воздухом. Этот
контейнер в разработал немецкий физик Адольф Фердинанд Вейнхольд.
Шотландский физик и химик сэр
Дьюар Джеймс в 1892 году усовершенствовал стеклянный ящик
Вейнхольда, превратив его в двустенную колбу
с узким горлом для уменьшения испарения жидкости. Межстеночное
пространство посеребрено и из него откачан воздух. Всю эту хрупкую
конструкцию
Дьюар подвесил на пружинах в металлическом кожухе. Благодаря
своей разработке
Дьюар первым смог получить и сохранить жидкий (1898) и даже твердый (1899) водород.
(Мемориальная доска на доме, где жил и работал
Рейнольд Бюргер, изобретатель
термоса)Первые сосуды
Дьюара для коммерческого использования были произведены в 1904 году, когда была основана немецкая компания Термос (нем
. Thermos GmbH).
Компания Thermos существует и сегодня. Она по-прежнему выпускает одни
из лучших в мире термосов. Девиз компании гласит: «Храним тепло. С 1904
года». Фирмой
Thermos Bottle Company 3 декабря 1907 г. был получен патент США U.S. Patent 872795
на «
Сосуд с двойными стенками и вакуумом между ними». Патент оформлен на
Рейнольда Бюргера (нем.
Reinhold Burger), немецкого изобретателя и производителя стеклянных инструментов. Имя
Дьюар Джеймс в патенте не упоминается. В Германии
Рейнольд Бюргер считается изобретателем термоса.
Термос в некоторых странах остается зарегистрированным товарным знаком, но в большинстве стран это товарный знак, ставший нарицательным.
Устройство
Оригинальный сосуд
Дьюара представлял собой стеклянную колбу с двойными стенками, из пространства между которыми выкачан воздух. Для уменьшения потери на излучение обе внутренние поверхности колбы были покрыты отражающим слоем.
Дьюар использовал в качестве отражающего покрытия серебро. Подобная конструкция применяется и в современных дешевых бытовых термосах.
Современные конструкции
(Схема сосуда
Дьюара
1 — подставка
2 — вакуумированая полость
3 — теплоизоляция
4 — адсорбент
5 — наружный сосуд
6 — внутренний сосуд
7 — горловина
8 — крышка
9 — трубка для вакуумирования)Современные сосуды Дьюара конструктивно выполнены несколько иначе. Внутренний и внешний сосуды делают из алюминия или нержавеющей стали. Теплопроводность
материала не важна, а прочность и вес играют большую роль. Горловина
соединяет внутренний и внешний сосуды. В дьюарах объёмом до 50 л
внутренний сосуд крепится только на горловине и она испытывает большие
механические нагрузки. Также к ней предъявляются высокие требования по
теплопроводности. Т.е. горловина должна быть прочной, но тонкой. В
обычных сосудах горловину делают из нержавеющей стали. В
высококачественных сосудах Дьюара горловина изготовляется из прочного
армированного пластика. При этом возникает проблема вакуумноплотного
крепления металла и пластика. Снаружи внутренний сосуд покрывается адсорбентом,
который при охлаждении поглощает остаточные газы из вакуумной полости.
Для уменьшения теплопотерь внутренний сосуд покрывают дополнительной
теплоизоляцией. К крышке дьюара, для снижения конвекционной теплопередачи прикрепляют пенопластовый цилиндр, который негерметично закрывает горловину. Вакуумную полость откачивают до давления 10−2 Па. От серебрения внутренних поверхностей отказались и заменили его полировкой.
Современные сосуды Дьюара имеют низкие потери от испарения: от 1,5 % в
сутки для больших емкостей, до 5 % в сутки – для малых объёмов.
Гелиевые сосуды Дьюара
(Схема сосуда
Дьюара для гелия
1 — горловина для заливки азота;
2 — головка со штуцерами;
3 — горловина гелиевой емкости;
4 — емкость для жидкого азота;
5 — тепловые экраны;
6 — емкость для жидкого гелия;
7 — теплоизоляция;
8 — адсорбент)
Гелий имеет очень маленькую теплоту испарения. Поэтому для снижения теплопотерь в гелиевых дьюарах применяются тепловые экраны, охлаждаемые жидким азотом. Экраны изготавливают из материалов, хорошо проводящих тепло (медь). Такой сосуд Дьюара имеет две горловины: для жидких азота и гелия. Гелиевая горловина оборудована специальными штуцерами для газосброса, подсоединения сифонами, манометра, клапана. Гелиевый дьюар нельзя наклонять, он всегда должен находиться в вертикальном положении.
С развитием техники многослойной экранно-вакуумной термоизоляции на рынке появились предложения гелиевых сосудов Дьюара в которых не
используется охлаждение жидким азотом. По утверждениям производителей в
таких сосудах Дьюара потери на испарение составляют 1 % в день для
емкостей на 100 л.
Назначение и применение
(Азот испаряется из сосуда
Дьюара)
- В быту и в пищевой индустрии сосуды Дьюара часто применяются для сохранения температуры еды или напитков— термосы.
- В лабораториях и в промышленности сосуд Дьюара используется для хранения криожидкостей, чаще всего жидкого азота.
- В медицине и ветеринарии специальные сосуды Дьюара используются для
длительного хранения биологических материалов при низких температурах.
Разновидности бытовых термосов
В зависимости от объёма и типа используемой пищи современные бытовые термосы можно разделить на следующие разновидности:
- Пищевые термосы. Предназначены для горячей и холодной пищи.
Диаметр горловины практически равен диаметру корпуса, благодаря чему в
термос удобно помещать и извлекать супы и вторые блюда. Существуют
модели с корпусом и колбой из нержавеющей стали, с корпусом из пластика и
колбой из закалённого стекла, с корпусом из металлопластика и колбой из
закалённого стекла.
- Пищевые термосы с судками. Представляют собой пищевые
термосы, снабжённые металлическими либо пластиковыми судками. Данные
термосы позволяют взять с собой сразу несколько блюд, но при этом
температура сохраняется примерно в два раза хуже, чем у обычных пищевых
термосов.
- Термосы для напитков с узкой горловиной. Предназначены для
горячих и холодных напитков. Как правило в роли этих напитков выступают
горячий чай или кофе. Диаметр горловины от 25 мм до 55 мм. Также как и у
пищевых термосов, для термосов с узкой горловиной существуют модели с
корпусом и колбой из нержавеющей стали, с корпусом из пластика и колбой
из закалённого стекла, с корпусом из металлопластика и колбой из
закалённого стекла. Все термосы имеют две пробки. Внутренняя (замыкает
сосуд) бывает: без отверстий ( требует откручивания для набора чая) или с
отверстием позволяющим через специальный механизм наливать чай не
откручивая крышку. Внешняя крышка защищает внутреннюю и служит чашкой.
- Помповые термосы для напитков. Обычно имеют объём от 1,5
литра и более. У таких термосов есть краник и насос, с помощью которых
жидкость вытесняется воздухом из колбы термоса.
- Термосы универсальные. Предназначены как для напитков, так и
для первых и вторых блюд. Диаметр горловины от 65-80 мм. Конструкция
внутренней пробки универсальных термосов аналогична пробкам для термосов
с узким горлом, хотя бывает и комбинированная пробка состоящая из двух
частей (откручиваете внутреннюю часть получаете узкое горло,
откручиваете всю крышку получает широкое горло). Нужно отметить, что
крышка является источником значительных теплопотерь в термосе. Чем
сложней конструкция пробки, тем менее она надежна и тем сильнее
пропускает тепло. Применение глухих( без отверстии) пробок дают
показатели по температуре на 5-15% выше, чем например с комбинированными
пробками, которые конечно более удобны, но за это приходится платить
некоторым снижением температуры.
- Термокружки и кружки-термосы. Представляют собой термосы
небольшого объёма (не более литра) с ручкой и с широким горлышком. Часто
снабжаются пластиковой или стальной крышкой. Предназначены для
непродолжительного сохранения температуры напитков.
Ни
Вейнхольд, ни
Дьюар не собирались ставить свои разработки на
коммерческую основу.
А вот берлинский производитель стеклянных
инструментов
Рейнольд Бергер увидел в конструкции
Дьюара значительный
коммерческий потенциал. В 1903 году он дополнил сосуд компактным
металлическим кожухом, герметичной пробкой и крышкой-стаканчиком, а в
1904-м основал компанию по выпуску «вакуумной фляжки».