氦氣在工業(yè)中的應(yīng)用（三）

（八）氦在生理和醫(yī)療技術(shù)中的應(yīng)用

1、生理應(yīng)用

氦氣在生理應(yīng)用上的一個(gè)典型例子是配制深水作業(yè)用的呼吸混合氣。

通常，在潛水員處于深水高壓環(huán)境作業(yè)時(shí)，采用普通壓縮空氣供氧，不但呼吸阻力高，而且壓縮空氣中的氮會(huì)部分溶解在血液中，當(dāng)水深40m以下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顯著的麻醉作用，在80m左右，生理機(jī)能基本喪失，人體衰竭。

由于輕氦族氣體（如氦、氖）對(duì)人體的麻醉能力很小或完全沒有麻醉能力，可以用它們來(lái)代替氮配制潛水員深海作業(yè)用呼吸混合氣。氦-氧呼吸混合氣由于具有較低的密度和黏度，使壓力易于釋放，呼吸阻力減小，能有效地降低潛水員的體能消耗。氦-氧呼吸混合氣的聲速較高，聲音頻率改變大，存在深水通訊問(wèn)題。再者，氦的熱導(dǎo)率高，增加了人體熱損失率，以至于常常必須使用有效的潛水衣和呼吸氣預(yù)熱器。在這方面，氖-氧呼吸混合氣比氦-氧呼吸氣好，因?yàn)樗哂新曇艋冃∫约皞鳠嵝暂^差的優(yōu)點(diǎn)。氖-氧呼吸混合氣適用于100~300m的深水作業(yè)，超過(guò)300m，氖的密度增大，必須用氦-氧呼吸混合氣。為了克服各自的缺陷和不足，正在研究采用氖、氦、氧按不同比例配制深海潛水呼吸氣（潛水氣）的可能。廣州氦氣

除深海潛水作業(yè)外，在宇航飛行中以及醫(yī)療衛(wèi)生部門亦采用氦-氧混合氣 人工空氣。

2、醫(yī)療應(yīng)用

用80%氦和20%氧配制成的人工空氣，能很快溶入病人的肺部，加速氧和二氧化碳的交換。因此，常將這種混合氣用于患有呼吸系統(tǒng)疾病如哮喘、喉部疾病、氣胸及肺病患者的治療。此外，這種混合氣還可用于高壓療法。

（九）³He的應(yīng)用

³He是自然界中氦的兩種穩(wěn)定性同位素之一，在自然氦氣中的原子豐度僅為0.000137%。由于它極其稀少且獲取的難度極大，³He是當(dāng)前最貴重的氣體，其價(jià)格隨制取方法、工藝流程、純度不同有所差異，但總體水平在1標(biāo)升50~150美元，是大家熟悉的貴重氣體⁴He價(jià)格（0.2元人民幣/標(biāo)升）的2000~6000倍左右。³He的珍貴不僅體現(xiàn)它的稀少，還表現(xiàn)在它獨(dú)特的物理性質(zhì)及其重要應(yīng)用上，比如 ³He比如沸點(diǎn)低、蒸氣壓高、超流轉(zhuǎn)變溫度低的特點(diǎn)，制成³He/⁴He稀釋制冷機(jī)獲取mK級(jí)低溫；利用其極低溫下的超流性搜 超對(duì)稱暗物質(zhì)（Supersymmeric Dark Matter）；利用³He原子具有的核磁矩制成高靈敏度的超極化核磁共振成像儀（Hyperpolarized gad MRI）；用于精確環(huán)形激光螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；作為潛在的熱核反應(yīng)能源材料等等。這些應(yīng)用涉及面廣，但在低溫領(lǐng)域決定其他位的是它在獲得1K以下溫區(qū)所表現(xiàn)出的獨(dú)特性能，而1K溫區(qū)不僅是基礎(chǔ)物理研究的一個(gè)重點(diǎn)所在，也是空間探測(cè)等實(shí)際應(yīng)用的低溫環(huán)境要求，比如用于冷卻在0.1~1.5K下工作的天體探測(cè)用的超電導(dǎo)輻射量熱計(jì)。20世紀(jì)中期至今，科學(xué)家們憑著濃厚的興趣了一系列有并³He的低溫研究，這些工作使人們對(duì)物質(zhì)世界有了更深入的認(rèn)識(shí)，例如在低溫下觀測(cè)到的³He性質(zhì)進(jìn)一步為量子理論提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。此外，利用³He做工質(zhì)的機(jī)械式低溫制冷機(jī)取采稀釋制冷方法獲得1K以下溫區(qū)具有商業(yè)應(yīng)用意義。

包裝、貯運(yùn)

聯(lián)合國(guó)《關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸建議書》對(duì)危險(xiǎn)貨物的編號(hào)：UN 1046。

國(guó)際海事組織關(guān)于《國(guó)際海上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸規(guī)則》的編碼：IMDG2144。

中國(guó)包裝貯運(yùn)危險(xiǎn)性分類：第2.2類不燃?xì)怏w。

中國(guó)危險(xiǎn)貨物包裝標(biāo)志：5

和所有氣體產(chǎn)品一樣，氦既可以液態(tài)方式貯存，既可用管道輸送又可用運(yùn)輸式罐裝容器直接輸送。用于罐裝氦的容器，小至0.001m³，大到30000m³。

（一）氣體氦

氣體氦一般用高壓鋼瓶包裝。充裝和貯運(yùn)氣態(tài)氦的高壓鋼瓶應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家準(zhǔn)GB5099《鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶》和國(guó)家勞動(dòng)總局《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定檢驗(yàn)和管理，鋼瓶漆色為灰色，標(biāo)綠色“氦”字。氣態(tài)氦的充裝應(yīng)按照GB14194《永久氣體充裝規(guī)定》的要求進(jìn)行操作。

氣瓶貯運(yùn)注意事項(xiàng)：氦屬不燃性壓縮氣體，應(yīng)儲(chǔ)存于陰涼、通風(fēng)倉(cāng)間內(nèi)，倉(cāng)溫不宜超過(guò)30℃。遠(yuǎn)離火種、熱源。防止陽(yáng)光直射。應(yīng)與易燃、可燃物分開存放。驗(yàn)收時(shí)要注意品名，注意驗(yàn)瓶日期，先進(jìn)倉(cāng)的先發(fā)用。搬運(yùn)時(shí)輕裝輕卸，防止氣瓶及附件破損。

（二）液體氦

在氦液化系統(tǒng)中，液氦貯槽常作為裝置的一個(gè)外節(jié)流部件用來(lái)貯存節(jié)流膨脹產(chǎn)生的液氦。液氦同貯槽也作為獨(dú)立的移動(dòng)式容器供用戶使用，容積一般為100~500L。在工業(yè)上則使用液氦運(yùn)輸貯槽或固定貯槽來(lái)運(yùn)輸和長(zhǎng)期貯存液氦。

有關(guān)液氦的低溫容器簡(jiǎn)介如下：

1、具有液氮保護(hù)屏的液氦貯槽

液氦的沸點(diǎn)很低，其汽化潛熱僅是液氧的百分之一，它的長(zhǎng)期有效貯存是十分困難的。計(jì)算表明，用一個(gè)日蒸發(fā)率為1%的50L多層絕熱液氮容器用來(lái)貯存液氦，預(yù)計(jì)液氦的日蒸發(fā)率達(dá)50%左右，顯然不能滿足貯存要求。為了減少液氦的蒸發(fā)損失，可以采用具有液氮保護(hù)屏的真空絕熱貯槽。液氦置于內(nèi)容器中，保護(hù)劑液氮裝于中間容器內(nèi)，兩個(gè)容器都置于真空外套之中。由于液氮槽遮斷了來(lái)自熱壁的室溫輻射，將對(duì)液氦的輻射熱壁溫度降為77K，使到達(dá)內(nèi)的輻射熱流大為減少。這種具有液氦保護(hù)屏的容器，有較高的絕熱效率，能有效地貯存液氦。

早期的小型液氦器（25~100L）也有采用液氦保護(hù)屏的絕熱結(jié)構(gòu)。當(dāng)液氦保護(hù)屏容器用于公路運(yùn)輸時(shí)蒸發(fā)率要增加2~7倍，用于鐵路運(yùn)輸時(shí)，增加60%~80%。

2、蒸氣冷卻傳導(dǎo)屏液氦貯槽

具有液氦保護(hù)屏的貯槽，液氦的損耗較小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，質(zhì)量增加，需要輔助冷源等，因此已逐漸為蒸氣傳導(dǎo)屏或多屏絕熱取代。氦與表列其他液體相比，具有最大的顯熱和潛熱比。這就是說(shuō)，可利用氣冷卻傳導(dǎo)屏。在小型容器的排氣頸管上焊上單個(gè)或多個(gè)蒸氣冷卻屏，并延伸至多層絕熱層中，將容器包圍，借蒸發(fā)的冷氣體帶走屏上的熱量，降低屏溫，減少傳向液氦的熱流。

3、多屏絕熱液氦貯槽

多屏絕熱是一種將多層絕熱輻射屏與蒸倔冷卻傳導(dǎo)屏合二為一的超絕熱結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中采用層數(shù)較少、層密度較小的多層絕熱屏（鋁箔），用不遏制來(lái)自熱壁的室溫輻射。與此同時(shí)，這些鋁箔屏又逐一與容器的頸管進(jìn)行熱聯(lián)結(jié)，借助于輻射習(xí)平行方向的導(dǎo)熱，將屏中熱流導(dǎo)向頸管，被多頸管中逸出的冷蒸氣帶走。多屏絕熱結(jié)構(gòu)具有效率高、制作容易、重量輕、預(yù)冷快等優(yōu)點(diǎn)、采用多屏絕熱的100L液氦容器日蒸發(fā)率大約為1%，是一種先進(jìn)的絕熱結(jié)構(gòu)，得到了廣泛的應(yīng)用。

液體氦的貯運(yùn)與其他氣體不同的是，由于氦的沸點(diǎn)特別低且汽化熱很小，用于貯存和運(yùn)輸液體氦的容器技術(shù)要求也很高。通常，除使用高效厚絕熱層絕熱外，還必須用另一種廉價(jià)的低溫液體（如液氮）的蒸發(fā)來(lái)屏敞它。小型液氮屏型液氦容器不承壓，其容量通常為10~100L液體，液氦蒸發(fā)率為0.2~0.6L/d，氦屏液氮消耗2~5L/d，僅適用于短同期貯存和短距離運(yùn)輸。

為了遠(yuǎn)距離運(yùn)輸大量液氦，可以利用沒有排放的承壓型液氦容器。在液化生產(chǎn)廠，用沸點(diǎn)下的液氦部分充滿容器并封閉。當(dāng)熱漏入容器時(shí)，沒有氦氣排放，容器必須能承受流體溫度升高所引起的壓力升高。通常，當(dāng)?shù)竭_(dá)目的地時(shí)，容器的內(nèi)壓和溫度均在臨界點(diǎn)之上，裝填的不再是液體而是稠密的超臨界冷流體。然而，通過(guò)仔細(xì)排放，裝填物的主要部分可以作為液體回收，而排放的蒸氣可以壓縮充裝鋼瓶。運(yùn)輸期在一個(gè)星期內(nèi)可用大型拖車運(yùn)輸，拖車采用多層真空絕熱，熱泄漏量約30W。對(duì)于采用貨船的遠(yuǎn)洋海上運(yùn)輸，運(yùn)輸時(shí)間有可能長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月，可以采用大至40000L容量的移動(dòng)式槽車，用液氦屏和真空多層絕熱相結(jié)合的方式絕熱，其熱泄保持在8W左右，液氦耗量約40L/d。

相關(guān)鏈接：氦氣