ヘリウムの極低温用途を使用できる 4 つの方法

ヘリウムは、冷却から飛行船の揚力の提供まで、さまざまな目的に役立つ特性を持つガスです。その極低温原理の基本を理解することで、このガスがどのように機能し、そのさまざまな用途が理解できるようになるでしょう。

極低温科学の側面は、ファラデーとジュールによる 19 世紀初頭の実験で明らかになりました。極低温では、材料を極低温 (通常は -150 °C 未満) にさらす必要があります。

液体窒素や液体ヘリウムなどの極低温液体を使用することで、高温プロセスに伴う火災の危険を心配することなく、安全に極端な温度に到達できるようになりました。これらの物質は、寒冷環境を伴うプロジェクトに取り組む際に不可欠な役割を果たします。

ヘリウムには、極低温プロセスで使用できる複数の特性があります。その沸点は他のほとんどの元素よりも低いため、非常に低い温度を迅速かつ効率的に達成するのに適しています。

また、このプロセスは非毒性であるため、安全性が保たれています。非常に多くの産業が極低温原理とヘリウムの応用に大きく依存しているのも不思議ではありません。

極低温学は、極低温での材料の生成と挙動を扱います。ヘリウムのような極低温液体の温度範囲は、-271.15°C ～ -196°C です。極低温用途では、これらの低温環境での強度の向上、導電性の向上、断熱性の向上などの特性が利用されます。

極低温技術の背後にある原理には、冷却速度の制御が含まれます。これは、沸点と蒸発速度を利用して目的の温度範囲を達成することによって行われます。場合によっては、機械的冷媒や液体窒素を使用して材料を氷点下まで急速に冷却することもあります。環境を操作することで、物質の物理的状態を固体から液体に変えることなく、物質を室温以下に冷却することができます。

ただし、極度の低温条件にさらされた場合、すべての素材が同じように反応するわけではありません。たとえば、ヘリウムはどこまで冷却しても気体のままですが、水は 0°C で氷になります。異なる温度下での各材料の固有の特性を理解することは、科学者がどの物質が特定の極低温用途に最も適しているかを判断するのに役立ちます。

ヘリウムは、2 つの天然同位体、ヘリウム 3 とヘリウム 4 を持つ元素です。ヘリウム 4 はこれら 2 つの同位体の中で最も豊富で、地球上のすべての天然ヘリウム原子の約 99.9% を構成します。

これは、極低温用途において非常に貴重なものとなっている多くのユニークな特性を持っています。

絶対零度 (-273°C) に近い温度まで冷却すると、液体ヘリウムは超流動性、つまり粘度がゼロに低下した状態を示し、何の抵抗もなく流れることができます。この特性により、液体ヘリウムに浸された小さな物体は通常の重力条件下よりも速く移動できるため、科学研究の目的に役立ちます。

さらに、ヘリウムは凝縮温度が低いため、極低温や半導体製造などの特定の工業プロセスでの減圧に最適です。

ヘリウムのその他の重要な特徴は次のとおりです。

ヘリウムは、航空宇宙、原子力発電、医療画像処理、エレクトロニクス製造など、多くの産業や分野で重要な役割を果たしています。極端な温度と圧力の下でさまざまな元素がどのように動作するかを理解することは、科学者が宇宙を支配する基本的な物理法則をより深く理解するのに役立ちます。これにより、私たちは物質そのものの性質に関する秘密の解明に近づくことができます。

極低温は、冷却剤としてヘリウムを使用することによって達成されます。このような極低温を維持するには、極低温システムを密閉し、外部の熱源から隔離する必要があります。これにより、異なるコンポーネント間でのエネルギー交換を可能にしながら、安定した温度に保つことができます。

医療用途など、場合によっては、ヘリウム単独で達成可能な温度よりもさらに低い温度を達成するために、液体窒素または他の極低温ガスも使用されることがあります。

これらの超低温は、極端なレベルの温度制御が必要な特定の手順や実験を実行する際の精度と精度の向上に役立ちます。さらに、研究者は温度や圧力の狭い範囲内でのみ存在する現象を研究することができます。

ヘリウム冷却システムの使用により、多くのユニークなアプリケーションが可能になります。たとえば、粒子加速器のような高精度機器は、適切かつ安全に動作するために、絶対零度近くで動作する冷却システムに依存しています。同様に、さまざまなタイプの保存容器も、内容物を劣化や汚染なく長期間保存しておくために、同様の技術に依存しています。

信頼性の高い極低温技術へのアクセスがなければ、多くの重要な技術は今日存在しないでしょう。

極低温の極限では、材料はさまざまな物理的影響を受けます。

熱衝撃耐性や温度誘起破壊から極低温応力に至るまで、これらの材料はそのような条件に耐えられるように精密に設計されなければなりません。

極低温で使用するデバイスや構造を設計する場合、熱衝撃耐性は重要な要素です。デバイスや構造が急激な温度変化による損傷を受けずに存続するには、特別な断熱材を使用する必要があります。極低温断熱は、周囲温度の急激な変化からデバイスの内部部品を安全に保ちます。これは、適切に対処しないと、時間の経過とともに亀裂やその他の形式の破壊につながる可能性があります。

低温によって発生するもう 1 つの影響は、温度誘起破壊 (TIF) です。 TIF は、特定の種類の金属が極低温で脆くなり、ひずみや圧力下で破壊しやすくなったときに発生します。

脆さの程度は、使用される金属の種類によって異なります。したがって、設計者やエンジニアは、氷点下でのプロジェクトに適した材料を選択する際に注意することが重要です。

極低温ストレスは、極低温に長時間さらされると発生する可能性があります。低温ストレスは、機械的な力と極度に寒い環境の組み合わせによって引き起こされます。

これにより、設計段階で適切な予防策が講じられなかった場合、構造上の破損が発生する可能性が高まります。たとえば、特定の合金では、物体自体の他の場所よりも歪みが集中する可能性があるコーナーやエッジの周囲に追加の補強が必要になる場合があります。

ヘリウム冷却は、効率と安全性を向上させるためにさまざまな産業用途に導入されています。

物体を急速に冷却し、超低温を長期間維持できるため、極低温産業で広く使用されています。産業用ヘリウム冷却システムは通常、ユーザーが温度設定を簡単に正確に調整できるテクノロジーを備えています。そのため、産業用極低温保管などの大規模プロセスに最適です。保管においては、温度の均一性を長期間にわたって維持する必要があります。

産業用ヘリウム冷却により、メーカーは従来の方法と比較してエネルギー消費を削減し、運用コストを削減することもできます。

多くの企業がこのテクノロジーを採用しています。製造プロセス中の熱の発生を最小限に抑え、全体的な環境への影響を軽減する機能があります。さらに、超電導体のような他の材料や技術と組み合わせると、ヘリウム冷却はさらに大きな性能上の利点をもたらすことができます。

極低温技術は、効率的な運用を可能にするために宇宙船や人工衛星に採用されています。

極低温薬は、推進剤を低温で保管し、蒸気圧を下げることができるため、宇宙用途で使用されます。

また、極低温燃料は化学燃料よりも高い比推力を提供し、ミッション期間の延長を可能にします。極低温推進剤タンクは軽量であり、熱膨張係数が低い。これにより、船上により多くの燃料を貯蔵できるようになる。

極低温を利用する宇宙船には、液体水素または液体酸素が入った断熱された内部タンクがあり、-253°C ～ -183°C の極低温に保たれています。

この温度を維持するために、多層断熱 (MLI) ブランケットなどの断熱層がコンテナの壁の周りに設置されます。これにより、外部環境から内部への熱損失が防止されます。これらのシステムは、温度をさらに制御するために、ラジエーターやジュールトムソンクーラーなどのアクティブ冷却機構を使用できます。

衛星は、他の種類の燃料源と比較して出力密度が高いため、運用中に極低温燃料を広範囲に利用します。

衛星がミッションを通じて機能を維持するには、ソーラーパネルまたは放射性同位元素熱電発電機 (RTG) によって供給される電力の常時供給が必要です。 RTG は電気エネルギーを生成するために、高度に断熱されたコンテナ内に液体水素を保管する必要があります。したがって、衛星運用者は、長期間にわたって中断のないパフォーマンスを確保するために極低温技術に大きく依存する必要があります。

近年、宇宙船や人工衛星における極低温技術の効果的な使用方法の改善が進んでいます。

これらの進歩により、効率の向上によりさらに大きなレベルの効率向上が達成される可能性があります。

ヘリウムはその冷却特性により低温操作での使用に適しているため、医療分野でいくつかの用途があります。

このため、極端な温度や制御された環境を必要とする病気や症状の治療において、ヘリウムは非常に貴重な資源となります。

凍結療法は、極度の低温にさらされて炎症を軽減し、柔軟性を高めることで身体パフォーマンスを向上させたいと考えている人々の間でますます人気が高まっています。このプロセスでは通常、-156°C の加圧酸素とヘリウムで満たされた液体窒素またはヘリオックス (酸素ガスとヘリウム) タンクを使用します。

氷点下温度の使用は、医師が癌関連腫瘍、良性腫瘍、歯周病などのさまざまな医学的問題を治療するのにも役立ちます。

患部を超低温にさらすことで、医師は周囲の健康な組織に損傷を与えることなく、異常な細胞を安全に除去することができます。この技術は、化粧品業界でも肌の引き締め、脂肪の減少、顔の輪郭形成などの処置に使用されています。

これらの治療には多くの利点があります。これらには、従来の外科的方法よりも侵襲性が最小限であり、回復時間が短く、副作用が少ないことが含まれます。

さらに、外来で行うことができるため、従来の手術に比べて費用対効果が高くなります。これらすべての利点により、ヘリウムを使用するようなクールな治療法が患者にとってますます望ましい選択肢となっています。

極低温学は超電導研究において重要な役割を果たします。極低温技術の使用により、極低温での材料の研究と分析が可能になります。

特定の材料は、室温をはるかに下回る非常に低い温度に冷却すると超伝導になることがわかっているため、これは重要です。一部の金属は、極低温条件にさらされた場合にのみ超伝導特性を示すことが発見されています。

このような低温でこれらの材料を研究することにより、研究者はその挙動をより正確に分析できるようになります。極低温研究では、温度が低下するにつれて特定の物質の物理的特性がどのように変化するかについての洞察も得られます。

極低温アプリケーションには、冷却を必要とするコンポーネントやシステムに効率的な冷却を提供する機能があります。

ヘリウムベースの極低温冷却を使用することで、研究者は部品や部品を迅速に冷却することができます。これにより、体温が自然に下がるまで何時間も何日も待つ必要がなく、研究や操作が容易になります。

適切な断熱技術を使用すると、これらの冷却された物体を希望の温度レベルに無期限に保つことができます。そのため、長期間にわたって一貫した条件を必要とする実験に最適です。

極低温アプリケーションのもう 1 つの利点は、他のタイプの冷却方法と比較した費用対効果にあります。電気や空調装置の代わりに液体ヘリウムに依存することで、企業は温度レベルの効果的な制御を維持しながら、エネルギーコストを大幅に節約できます。

ヘリウムは、窒素やアルゴンなどの他のガスよりも目的の温度を正確に再現する信頼性が高いため、他の手段よりも特定の温度をターゲットにする際に高い精度を実現します。

極低温システムは、超電導磁石から極低温冷凍まで、さまざまな用途に使用されます。最も一般的なタイプの極低温システムには、極低温蒸留、極低温ポンプ、極低温容器などがあります。

深冷蒸留は、沸点の異なる成分を蒸発により分離するプロセスです。このタイプのシステムは、成分を分離する前に蒸留中の物質にかかる圧力を下げるために極度の低温を使用します。

極低温ポンプは、流体密度の低下によるキャビテーションと蒸発損失を低減することで高効率レベルを維持しながら、低温で流体を移動させます。

極低温容器は、液体窒素やヘリウムガスなどの極低温の物質を大量に保管するために特別に設計されています。これらのタンクは多くの場合、容器の内容物への、または容器の内容物からの熱伝達に対して最大限の熱保護を提供する断熱層です。

極低温での長期保管の課題は複雑です。

極端な条件で材料を保管する場合は、安全手順を講じる必要があります。これには、発熱、圧力レベル、格納システムなどの要因が含まれます。

このような困難な環境に対処する場合、適切な保管材料を特定することが不可欠です。極低温での耐食性により、ステンレス鋼またはアルミニウムで作られた基板がよく使用されます。

効率的な長期保管プロセスを促進するには、多くの工学原則を考慮する必要があります。これらには、コンポーネント間の適切な熱交換を可能にしながら、システム全体の温度勾配を最小限に抑える断熱技術と熱サイクル方式が含まれます。

適切な設計手法を使用して、要素が極低温の液体や気体に直接さらされないようにする必要があります。これにより、メンテナンスや修理作業にかかるコストを削減できます。

低温でヘリウムを扱うには、安全上の注意に対する注意と認識が必要です。適切なプロトコルを遵守しないと、重大な結果につながる可能性があります。

それらには次のものが含まれます。

極低温材料を扱う場合は、換気要件にも特別な注意を払う必要があります。適切な換気システムが設置されていないと、危険な濃度のガスが密閉空間に急速に蓄積する可能性があります。

極低温物質が大量に使用されるエリアの近くでは、排気システムを適切に維持することが不可欠です。定期的なメンテナンスには、可燃性雰囲気にさらされるすべての接続部の漏れのチェックが含まれる必要があります。

さらに、寒剤を含む圧力容器を設置および操作する場合には、常に注意を払う必要があります。圧力容器の完全性は、ASME (米国機械学会) によって発行された規格など、該当する規格や規格に従って構築された場合にのみ保証されます。

これらのコンテナを使用する作業に携わるすべての担当者は、安全な操作手順とコンテナに関連する潜在的な危険に関する定期的なトレーニングを受ける必要があります。

極低温システムは、多くの分野で効率の向上やエネルギー消費の削減など、幅広い環境上の利点をもたらします。

極低温アプリケーションは、コンポーネントの性能を維持しながら、コンポーネントのサイズと重量を削減するために使用されてきました。冷却は、-60°C 以下の温度を必要とする超電導プロセスや液化プロセスなどの低温用途に効果的に適用できます。

極低温アプリケーションを使用すると、より少ないリソースでより効率的な生産条件を達成することができます。

極低温システムに関連する潜在的な危険もあります。

危険物を扱う作業中に適切な安全予防措置が守られない場合、極低温に伴う極端な温度は危険をもたらします。たとえば、液体窒素は非常に冷たいため、皮膚に触れると凍傷やその他の傷害を引き起こす可能性があります。

さらに、非常に低温の酸素は、特定の条件下で爆発性雰囲気を生成するほど濃縮される可能性があります。したがって、安全な動作を確保し、環境への影響を最小限に抑えるには、極低温システムの注意深い監視とメンテナンスが必要です。

ヘリウムは極低温用途に不可欠な元素であり、食品包装から医学研究に至るまで、さまざまな産業で使用されています。

極低温ヘリウムに関連するサプライチェーンは、過去 10 年間で着実に増加しました。推定によると、業界の規模は 2016 年に 10 億ドル近くに達しました。

地動説がより広範囲に使用される分野は医学です。医師は極低温冷却レーザーを使用して、従来の方法よりも大幅に低いリスクで患者に外科的処置を施し始めています。

研究者たちは、超低温を利用して組織サンプルや臓器を完全性を保ちながら安全に保管する方法を模索しています。これは移植の実施方法に革命をもたらし、保存された細胞や組織を使用した治療の新たな可能性を開く可能性があります。

ヘリウムの低温機能の他の産業用途には、医薬品や半導体の製造プロセスの改善などがあります。この技術により、企業は製造工程中の熱による酸化を低減し、より高品質な製品をより早く、より安価に生産できるようになります。

一部の先端材料は、ヘリウムベースの極低温システムによって達成可能な極端な温度でのみ存在する正確な冷却レベルを必要とします。これらの素材は、世界中の消費者からの需要の増加により、すぐに一般的なものになる可能性があります。

熱特性を目的としたヘリウムの使用は、多くの分野に革命をもたらすでしょう。極度の低温を達成できるその能力により、ほんの数年前には不可能だと考えられなかったソリューションを生み出すことができます。

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