魔法瓶

魔法瓶（デュワーフラスコ、デュワー瓶、魔法瓶とも呼ばれる）は、内容物の温度変化の速度を遅くする断熱保存容器です。可能な限り断熱性を保つことで、内容物がフラスコの周囲よりも熱いか冷たい状態が続く時間を大幅に長くします。 1892年にジェームス・デュワーによって発明された魔法瓶は、2つのフラスコを互いに重ねて首の部分で接合したもので構成されています。2つのフラスコの間の隙間は部分的に空気が抜かれ、ほぼ真空の状態になるため、伝導や対流による熱伝達が大幅に減少します。冷たい液体を入れるのに使用すると、フラスコの外側の結露も事実上なくなります。

魔法瓶は、家庭では内容物を長時間温かくまたは冷たく保つために使用されます。また、保温調理にも使用されます。また、産業のさまざまな用途にも使用されます。

魔法瓶は、スコットランドの科学者ジェームズ・デュワーが極低温学の分野での研究の結果として1892年に設計・発明したもので、彼にちなんでデュワーフラスコと呼ばれることもあります。デュワーは、パラジウム元素の比熱を測定する実験中に、パラジウムを望ましい温度に保つために別の部屋で囲んだ真鍮の部屋を作りました。^[1]彼は2つの部屋の間の空気を抜いて部分的な真空を作り、内容物の温度を安定させました。デュワーはこの発明の特許を拒否したため、他の人がガラスやアルミニウムなどの新素材を使用してフラスコを開発することができ、それは化学実験のための重要なツールとなり、また一般的な家庭用品にもなりました。^[1]

デュワーズのデザインは、1904年にすぐに商品化されました。2人のドイツ人ガラス吹き職人、ラインホルト・ブルガーとアルバート・アッシェンブレンナーが、冷たい飲み物を冷たく、温かい飲み物を温かく保つために使用できることを発見し、日常使用に適したより頑丈なフラスコのデザインを発明したのです。^{[2] [3]}デュワーズのフラスコのデザインは特許を取得したことがありませんでしたが、この製品の商業的利用を発見したドイツ人男性はそれをサーモスと名付け、その後、商品とその名前の商標の両方の権利を主張しました。その後、発明の権利を主張しようとしたデュワーは、裁判で会社に敗訴しました。^[4]サーモスボトルの製造と性能は、ウィーンの発明家で商人のグスタフ・ロバート・パーレンによって大幅に改良され、洗練されました。パーレンは家庭用に様々なタイプを設計し、特許も取得アメリカのサーモスボトル社はコネチカット州ノーウィッチで大量生産を開始し、価格を下げて家庭での使用向けに製品を広く流通させることができました。^[2]時間の経過とともに、同社はこれらの消費者向け製品のサイズ、形状、素材を拡大し、主に外出時にコーヒーを持ち運んだり、キャンプ旅行で液体を温めたり冷やしたりするために使用されました。最終的に他のメーカーも同様の製品を消費者向けに製造しました。

「サーモス」という用語は、魔法瓶全般を指す一般的な名称となった。2023年現在^{[アップデート]}、サーモスおよびTHERMOSは米国を含む一部の国で登録商標のままであるが^{[5] [6] [7]} 、小文字の「サーモス」は1963年に米国の裁判所の訴訟により一般商標と宣言された。 ^{[8] [9] [10]}

魔法瓶は 2 つの容器から成り、一方が他方の容器の中に入り、首の部分で接合されています。2 つの容器の間の隙間は部分的に空気が抜かれ、部分的な真空状態が作られ、熱伝導や対流が減少します。熱放射による熱伝達は、隙間に面したフラスコの表面を銀メッキすることで最小限に抑えることができますが、フラスコの内容物や周囲が非常に熱い場合には問題となる可能性があります。そのため、魔法瓶は通常、内容物を水の沸点より低い温度に保ちます。熱伝達のほとんどは、真空ではないフラスコの首と開口部を通じて発生します。魔法瓶は通常、金属、ホウケイ酸ガラス、フォーム、またはプラスチックで作られ、開口部はコルクまたはポリエチレンプラスチックで栓がされています。魔法瓶は、断熱輸送容器としてよく使用されます。

非常に大きいまたは長い魔法瓶は、首だけで内瓶を完全に支えられないことがあるため、内外のシェルの間にスペーサーを入れてさらに支えます。これらのスペーサーは熱橋として機能し、スペーサーが内面に接触する部分の周囲で魔法瓶の断熱特性を部分的に低下させます。

NMRやMRI装置などのいくつかの技術アプリケーションでは、二重真空フラスコを使用しています。これらのフラスコには 2 つの真空セクションがあります。内側のフラスコには液体ヘリウムが、外側のフラスコには液体窒素が入っています。その間に真空セクションが 1 つあります。このようにして、貴重なヘリウムの損失が制限されます。

真空フラスコの他の改良点としては、蒸気冷却放射シールドと蒸気冷却ネック^[11]があり、どちらもフラスコからの蒸発を減らすのに役立ちます。

研究室や産業界では、急速冷凍、サンプルの準備、および極低温の作成または維持が望まれるその他のプロセスのために、液化ガス（通常は沸点が 77 K の液体窒素）を保管するために真空フラスコがよく使用されます。大型の真空フラスコには、酸素や窒素など、周囲温度よりはるかに低い温度で気体になる液体が保管されます。この場合、ボトルの極低温の内部に熱が漏れて液体がゆっくりと沸騰するため、圧力が高まって最終的にフラスコが破損するのを防ぐために、狭い栓のない開口部、または圧力逃し弁で保護された栓のある開口部が必要になります。真空フラスコの断熱性により「沸騰」が非常に遅くなり、冷蔵装置がなくても内容物は長期間液体のままです。

真空フラスコは、電気標準として使用される高精度電圧調整装置において、標準セルとオーブン付きツェナーダイオード、およびそのプリント基板を収容するために使用されてきました。このフラスコは、長期間にわたってツェナー温度を制御するのに役立ち、温度変動によるツェナー標準の出力電圧の変動を数ppm以内に抑えるために使用されました。

注目すべき使用例としては、カナダのギルドライン インスツルメンツ社が開発したトランスボルト モデル 9154B 飽和標準セル (電圧標準) が挙げられます。銀メッキの真空フラスコを発泡断熱材で覆い、大きなガラス真空プラグを使用して飽和セルを保持しました。この装置の出力は 1.018 ボルトで、数 ppm 以内に抑えられました。

真空フラスコの原理は、特定の種類のロケット燃料を保管するのに理想的であり、NASAは1960年代と1970年代にサターン打ち上げロケットの推進剤タンクにこれを広く使用しました。^[12]

デュワー瓶のデザインと形状は、2つの区画とその間の空間の形状が光が目に当たる様子に似ているという考えに基づいて、光学実験のモデルとして使用されました。 ^[13]真空フラスコは、さまざまな化学物質を一定の温度に保つためのコンデンサーとして使用される実験にも使用されました。^[14]

工業用デュワー瓶は、医療品の輸送を受動的に断熱するために使用される装置のベースです。^{[15] [16]}ほとんどのワクチンは熱に敏感であり^{[17] [18]}、安定した氷点下の温度に保つためにコールドチェーンシステムが必要です。Arktekの装置は、1リットルの氷ブロック8個を使用してワクチンを10 ℃以下に保ちます。^[19]

石油・ガス業界では、有線検層ツールの電子部品を絶縁するためにデュワー瓶が使用されています。^[20]従来の検層ツール（定格350°F）は、すべての敏感な電子部品をデュワー瓶に取り付けることで高温仕様にアップグレードされます。^[21]

真空フラスコは爆発の危険があり 、特に真空状態のガラス容器は予期せず破損する恐れがあります。欠け、傷、ひび割れは、容器の温度が急激に変化する（熱い液体や冷たい液体を加える）場合、特に危険な容器破損の起点となる可能性があります。デュワー真空フラスコは、使用前に焼き入れして適切に準備することが、ユニットの機能を維持し最適化するために推奨されます。ガラス製真空フラスコは通常、取り扱いを容易にし、物理的損傷から保護し、破損した場合に破片を封じ込めるために、シリンダーがメッシュ、アルミニウム、またはプラスチックで覆われた状態で金属ベースに取り付けられています。^[要出典]

さらに、極低温貯蔵デュワーは通常加圧されており、圧力逃し弁を使用しないと爆発する可能性があります。

真空フラスコを設計する際には、熱膨張を考慮する必要があります。外壁と内壁は異なる温度にさらされ、異なる速度で膨張します。真空フラスコは、外壁と内壁の熱膨張の差により破裂する可能性があります。破裂を防ぎ、真空の完全性を維持するために、管状真空フラスコでは膨張ジョイントが一般的に使用されます。

• ハーメチックシール – 気密シール
• ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のサンシールド – 赤外線観測所の主冷却システム
• Tervis Tumbler  – アメリカのドリンクウェアメーカー
• 加熱調理 – 調理法フォールバックとしてウィキデータの説明を表示するページ
• イエティ・ホールディングス – アメリカの製造会社

• Burger, R.、米国特許 872,795、「壁の間に真空用の空間を備えた二重壁容器」、 1907 年 12 月 3 日。
• セラ、アンドレア (2008 年 8 月)。「デュワーフラスコ」。Chemistry World : 75。2008年 8 月 30 日閲覧。

• ウィキメディア・コモンズの魔法瓶関連メディア