Сосуд Дьюара что это такое простыми словами
Если ответить на вопрос «сосуд Дьюара что это такое простыми словами», то это очень хороший термос для очень низкой температуры. Две ёмкости вставлены одна в другую, из зазора между ними откачан воздух, а стенки покрыты отражающим слоем. Тепло снаружи почти не проходит внутрь, и жидкость, налитая в сосуд, долго остаётся холодной. Бытовой термос работает так же, но рассчитан на горячий чай, а сосуд Дьюара — на жидкие газы, температура которых на сотни градусов ниже нуля.
Прибор назван в честь шотландского физика и химика Джеймса Дьюара, который создал сосуд с вакуумной изоляцией в 1892 году для работы со сжиженными газами. С тех пор принцип не изменился, но материалы стали другими: современные лабораторные сосуды делают из нержавеющей стали или алюминиевых сплавов, а вакуумный зазор заполняют многослойной экранно-вакуумной изоляцией.
Слова «сосуд Дьюара» часто используют в широком смысле. Так называют и небольшую настольную ёмкость на 2–3 л для заливки азота, и транспортную канистру, и большое хранилище на сотни литров. Их объединяет одно: внутри вакуумная изоляция, наверху горловина, а содержимое хранится в охлаждённом состоянии. В каталоге КАДАММ такие приборы собраны в разделе сосуды Дьюара и криохранилища.
Сосуд Дьюара не охлаждает содержимое сам. Он лишь замедляет приток тепла из окружающей среды. Поэтому в нём хранят то, что уже охлаждено — чаще всего жидкий азот, который нужно периодически доливать.
Как устроен сосуд Дьюара
Конструкция проста и лишена движущихся частей. Именно поэтому хороший сосуд служит годами: в нём нечему изнашиваться, если не повреждён вакуумный зазор.
Рис. 1. Устройство сосуда Дьюара: внутренний сосуд, вакуумная прослойка с экранной изоляцией и наружный корпус
Двойные стенки и вакуум
Между внутренним и наружным сосудом остаётся узкий зазор. Из него откачивают воздух до глубокого вакуума. Тепло передаётся тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Вакуум убирает первые два, потому что передавать тепло нечем. Остаётся излучение.
Экранная изоляция
Чтобы снизить излучение, в вакуумный зазор укладывают многослойную изоляцию: чередующиеся тонкие слои фольги или металлизированной плёнки и прокладки. Каждый слой отражает часть теплового излучения, и до внутреннего сосуда доходит малая доля того, что падает на наружный корпус. Именно качество вакуума и изоляции определяет суточное испарение азота: чем оно меньше, тем дольше сосуд держит заправку.
Горловина и пробка
Горловина — самое слабое место. Через неё тепло идёт по металлу, и через неё же азот испаряется. Поэтому горловину делают узкой и тонкостенной, а сверху закрывают пробкой из пенопласта или другого теплоизолирующего материала. Пробка не герметична: испаряющийся азот должен выходить, иначе в закрытом сосуде вырастет давление. Для сосудов с широкой горловиной дополнительно используют крышки с изоляцией и канистры, в которых образцы поднимают и опускают.
Подробнее о вакуумной изоляции, горловине и канистрах — в статье «Как устроен сосуд Дьюара».
Почему в сосуде Дьюара хранят именно жидкий азот
Жидкий азот кипит при −196 °C при атмосферном давлении. Он дёшев, химически инертен, не горит и не поддерживает горение, а на воздухе просто испаряется в газ. При таких температурах в клетках практически останавливаются биохимические процессы: образцы можно хранить годами и десятилетиями, а после аккуратного размораживания использовать вновь.
Но у азота есть свойства, которые нужно учитывать при выборе и эксплуатации. Во-первых, при испарении жидкость превращается в газ, который занимает примерно в 700 раз больший объём, поэтому закрытый сосуд без сброса давления опасен. Во-вторых, азот вытесняет кислород: в небольшом непроветриваемом помещении концентрация кислорода может упасть ниже безопасной, а азот не имеет запаха. В-третьих, при контакте с кожей и тканями возникают криогенные ожоги, поэтому нужны перчатки, очки и закрытая одежда.
Азот постоянно испаряется, даже в самом хорошем сосуде. Скорость испарения указывают в характеристиках как суточное статическое испарение, а срок хранения — как число суток, за которые заправка расходуется при закрытой пробке. Для настольных сосудов серии КАДАММ СД35, например, статический срок хранения азота составляет 97–286 суток в зависимости от диаметра горловины, а статическое испарение — 0,12–0,37 л/сут. Как рассчитывать расход и что на него влияет, описано в статье «Сколько хранится жидкий азот в сосуде Дьюара».
Для чего используют сосуд Дьюара
Для чего используют сосуд Дьюара — вопрос, ответ на который зависит от отрасли. Общая логика одна: нужно надолго сохранить что-то холодным без розетки, компрессора и контроля, либо удобно перевозить или выдавать жидкий азот.
Хранение биоматериала и культур
Самое частое применение — хранение клеточных линий, штаммов бактерий, грибов и вирусов, образцов тканей и ДНК в научных учреждениях. Образцы замораживают по протоколу, переносят в криопробирках в азот и достают по мере необходимости. Для небольших коллекций хватает сосуда на 20–50 л, для биобанков с десятками тысяч образцов берут криохранилище с большой горловиной. Такие приборы описаны в разделе криохранилища.
Селекция и ветеринария
В животноводстве и ветеринарии азот хранит семя и эмбрионы племенных животных. Соломины размещают в канистрах внутри сосуда, а перевозят в транспортных сосудах. Подробности — в статье «Сосуд Дьюара для ветеринарии: хранение семени и эмбрионов».
Перевозка образцов
Если образцы нужно переместить между лабораториями, берут транспортный сосуд с усиленной подвеской горловины. Для курьерской отправки подходят сухие отгрузочные сосуды: азот в них поглощён сорбентом и не проливается при наклоне. Срок хранения в таком сосуде короткий — от нескольких суток до нескольких недель, поэтому он не заменяет стационарное хранение.
Раздача азота и работа с приборами
Лаборатории, где азот нужен для охлаждения ловушек, подпитки приборов и заправки других сосудов, используют криогенные сосуды под давлением. Из них азот выдаётся по шлангу давлением собственного газа, без ручного переливания. Принцип описан в статье «Криогенные сосуды под давлением: самонаддув и выдача азота».
Другие задачи
Сосуды Дьюара применяют в промышленности и исследованиях: для охлаждения образцов в материаловедении, для работы с криогенными ловушками, при калибровке приборов и в учебных лабораториях. Жидкий азот используют для быстрого замораживания, а сосуд обеспечивает безопасное удобное хранение небольших порций.
Какие бывают сосуды Дьюара
В каталоге КАДАММ сосуды делятся на пять групп. Таблица ниже помогает сориентироваться и перейти к нужному разделу или карточке.
| Тип | Для чего | Раздел | Примеры серий |
|---|---|---|---|
| Для хранения | Стационарное хранение образцов в канистрах, заправка азотом вручную | Сосуды Дьюара для хранения | КАДАММ СД35, КАДАММ СД10 |
| Транспортные | Перевозка соломин и канистр, переноска между лабораториями | Транспортные сосуды | КАДАММ СДТ20 |
| Сухие отгрузочные | Отправка пробирок курьером, азот поглощён сорбентом | Транспортные сосуды | КАДАММ СДО6 |
| Под давлением | Выдача и раздача жидкого азота по шлангу | Криогенные сосуды под давлением | КАДАММ СДН50 |
| Криохранилища | Биобанки, большие коллекции, хранение в паровой и жидкой фазе | Криохранилища | КАДАММ КХ65 |
Различия между типами подробно разобраны в статье «Виды сосудов Дьюара». Если вы подбираете замену сосуду, который уже стоит в лаборатории, смотрите статью «Аналоги сосудов Дьюара СДП, СДС, СК и Х-34Б»: в ней сопоставление идёт по объёму и диаметру горловины.
С чего начать выбор
Выбирая сосуд Дьюара, определите четыре параметра.
- Назначение. Хранение, перевозка или раздача азота — от этого зависит тип.
- Объём. Он определяется числом образцов и запасом азота. Сосуд заполняют не до краёв, а оставляя запас по высоте.
- Горловина. Узкая даёт малое испарение, широкая — доступ к крупным канистрам, но азот уходит быстрее.
- Срок между заправками. Его берут из статического срока хранения и сокращают с учётом частоты открывания.
Полную методику выбора мы описали в статье «Как выбрать сосуд Дьюара: объём, горловина, канистры». Если вы не уверены, что ответ на вопрос выбора простой, сообщите нашим инженерам, что собираетесь хранить и в каком количестве, и мы подберём серию.
Безопасность и эксплуатация
Жидкий азот не токсичен, но опасен холодом и способностью вытеснять кислород. Базовые правила просты.
- Работайте в защитных очках или маске, перчатках для криогенных работ и закрытой одежде, не оставляйте открытых участков кожи.
- Не закрывайте горловину герметично: пробка должна пропускать испаряющийся азот.
- Помещение, где стоит сосуд, вентилируйте; в небольших комнатах и подвалах устанавливайте контроль содержания кислорода.
- Новый или тёплый сосуд заливайте медленно: сильное кипение в начале — нормально, но поток должен быть небольшим.
- Следите за признаками потери вакуума: иней на наружной стенке и резко выросший расход азота.
Заливку, проверку вакуума, промывку и перевозку мы разобрали в статье «Эксплуатация сосуда Дьюара». Вопросы закупки, коды классификаторов и ГОСТ — в статье «ОКПД 2, ОКОФ и ГОСТ для сосуда Дьюара».
Что хранят рядом с азотным оборудованием
Сосуд Дьюара редко работает сам по себе. Образцы перед замораживанием готовят в боксах микробиологической безопасности, культивируют в CO₂-инкубаторах, а после извлечения из азота возвращают в рабочие условия. Если образцы можно хранить в сухом виде, без азота, рассмотрите лиофилизацию: об этом — в статье «Лиофилизация бактерий, плазмы и биопрепаратов». Оборудование для работы в чистой зоне собрано в разделах боксы микробиологической безопасности и CO₂-инкубаторы, а для сухого хранения — лиофильные сушилки.
Сосуды КАДАММ — лабораторное оборудование. Если сосуд нужен там, где обязательно регистрационное удостоверение, уточните это при запросе: такое оборудование должно иметь соответствующую регистрацию.