KR100899649B1 - viewing apparatus of phase change using dry ice - Google Patents
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Abstract
본 발명은 드라이아이스를 이용한 물질의 상태변화 관찰장치에 관한 것으로서, 드라이아이스를 수납시킬 수 있는 내부수용공간을 갖되 내부 수용공간의 내부를 투시할 수 있는 투시창을 갖는 챔버와, 챔버 내부의 압력을 측정할 수 있도록 설치된 압력측정기와, 챔버 내부의 온도를 측정할 수 있도록 설치된 온도측정기와, 챔버 내부의 압력을 조절할 수 있도록 설치된 레귤레이터와, 챔버 내부의 압력을 설정된 범위 내로 유지되도록 레귤레이터를 제어하는 제어기;를 구비한다. 이러한 드라이아이스를 이용한 물질의 상태변화 관찰장치에 의하면 온도 및 압력변화에 따른 드라이아이스의 액체 및 기체로의 상변화를 시각적으로 관찰할 수 있으면서도, 드라이아이스의 삼중점 상태에 대한 지속시간을 조절할 수 있는 장점을 제공한다.The present invention relates to an apparatus for observing a state change of a material using dry ice, the chamber having an inner accommodating space for accommodating dry ice, and having a see-through window for viewing the inside of the inner accommodating space, and a pressure inside the chamber. A pressure gauge installed to measure the temperature, a temperature gauge installed to measure the temperature inside the chamber, a regulator installed to regulate the pressure inside the chamber, and a controller to control the regulator to maintain the pressure inside the chamber within the set range. It includes; According to the apparatus for observing the state change of a material using dry ice, it is possible to visually observe the phase change of dry ice into liquid and gas according to temperature and pressure changes, and to control the duration of the triple point state of dry ice. Provide advantages.
드라이아이스, 상변화, 삼중점 Dry ice, phase change, triple point
Description
본 발명은 드라이아이스를 이용한 물질의 상태변화 관찰장치에 관한 것으로서, 드라이아이스의 온도 및 압력변화에 따른 상태변화를 시각적으로 용이하게 관찰할 수 있도록 된 드라이아이스를 이용한 물질의 상태변화 관찰장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for observing a state change of a material using dry ice, and to an apparatus for observing a state change of a material using dry ice, which makes it easy to visually observe a state change caused by temperature and pressure change of dry ice. will be.
일반적으로 물질의 상태는 온도와 압력에 따라 변화한다. 물질의 물리적 상태를 상이라 하고, 고체, 액체, 기체로 구분한다. 또한, 이러한 물질의 상태변화를 관찰하기 위한 것으로서 온도변화에 의한 상태변화를 관찰할 수 있는 실험장치는 다양하게 제안되어 있으나, 압력에 의한 상변화를 관찰할 수 있는 장치는 거의 없다. 특히, 고체, 액체, 기체가 공존하는 상평형 상태를 시각적으로 확인할 수 있는 장치가 없어 물질의 상변화에 대한 지식을 습득하는 교과과정에서 이론적인 이해에만 치우치게 되어 실질적 실험을 통해 시각적으로 확인할 수 있는 장치가 요구된다.In general, the state of matter changes with temperature and pressure. The physical state of matter is called phase and is divided into solid, liquid and gas. In addition, various experimental apparatuses for observing state changes due to temperature changes are proposed to observe the state changes of such materials, but there are few apparatuses capable of observing phase changes due to pressure. In particular, there is no device to visually check the phase equilibrium state where solid, liquid, and gas coexist. A device is required.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 드라이아이스를 이용하여 상변화를 용이하게 관찰할 수 있는 드라이아이스를 이용한 물질의 상태변화 관찰장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems, and an object thereof is to provide an apparatus for observing a state change of a material using dry ice, which can easily observe a phase change using dry ice.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 드라이아이스를 이용한 물질의 상태변화 관찰장치는 드라이아이스를 수납시킬 수 있는 내부수용공간을 갖되 상기 내부 수용공간의 내부를 투시할 수 있는 투시창을 갖는 챔버와; 상기 챔버 내부의 압력을 측정할 수 있도록 설치된 압력측정기와; 상기 챔버 내부의 온도를 측정할 수 있도록 설치된 온도측정기와; 상기 챔버 내부의 압력을 조절할 수 있도록 설치된 레귤레이터와; 상기 챔버 내부의 압력을 설정된 범위 내로 유지되도록 상기 레귤레이터를 제어하는 제어기;를 구비한다.In order to achieve the above object, the apparatus for observing a state change of a material using dry ice according to the present invention includes a chamber having an inner accommodating space for accommodating dry ice and a perspective window for viewing the inside of the inner accommodating space; ; A pressure gauge installed to measure the pressure in the chamber; A temperature measuring device installed to measure a temperature inside the chamber; A regulator installed to adjust a pressure in the chamber; And a controller for controlling the regulator to maintain the pressure inside the chamber within a set range.
바람직하게는 상기 챔버는 양방향이 관통된 내부공간을 갖으며 알루미늄소재로 된 통형의 몸체와; 상기 몸체의 양측 개구를 각각 폐쇄하도록 상기 몸체에 결합되되 유리로 된 투시창을 갖는 캡;을 구비하고, 상기 몸체와 연통되게 연장된 제1배관상에는 설정된 압력 이상이 되면 개방되는 안전밸브와; 상기 제1배관을 사용자의 조작에 의해 개폐시킬 수 있는 수동 개폐기;가 상기 몸체로부터 순차적으로 설치되어 있고, 상기 안전밸브와 상기 수동 개폐기 사이의 상기 제1배관상에 상기 레귤레이터가 설치된다.Preferably, the chamber has a cylindrical body made of aluminum material having an internal space penetrated in both directions; A cap coupled to the body so as to close both side openings of the body, the cap having a viewing window made of glass, the safety valve being opened on the first pipe extending in communication with the body when the pressure exceeds a set pressure; A manual switch that can open and close the first pipe by a user's operation; is sequentially installed from the body, and the regulator is installed on the first pipe between the safety valve and the manual switch.
또한, 상기 온도측정기는 상기 몸체의 내부 공간 저부의 온도를 검출할 수 있도록 설치되어 있고, 상기 투시창을 통해 상기 본체 내부를 촬상할 수 있도록 설치된 카메라;를 더 구비하고, 상기 제어기는 상기 압력측정기에서 측정된 압력값과, 상기 온도측정기에서 측정된 온도값 및 상기 카메라에서 촬상된 영상을 수집할 수 있도록 되어 있다.The temperature measuring device may further include a camera installed to detect a temperature of the bottom of the inner space of the body, and installed to capture the inside of the main body through the viewing window. It is possible to collect the measured pressure value, the temperature value measured by the temperature measuring instrument and the image photographed by the camera.
더욱 바람직하게는 상기 안전밸브는 10기압 이상이 되면 개방될 수 있도록 되어 있다.More preferably, the safety valve is to be opened when the pressure is more than 10 atm.
상기 제어기는 상기 몸체 내의 압력이 7.5기압일 때 상기 몸체 내의 기체가 배출되게 개방된 후 상기 몸체 내의 압력이 4기압일 때 유로가 패쇄되도록 상기 레귤레이터를 제어하는 것이 바람직하다.The controller preferably controls the regulator to open the gas in the body when the pressure in the body is 7.5 atm, and then close the flow path when the pressure in the body is 4 atm.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 레귤레이터에서 배출되는 기체를 시각적으로 확인할 수 있도록 액체가 담긴 수조;를 더 구비하고, 상기 수조는 상기 레귤레이터의 출구과 제2배관에 의해 연통되게 결합된다.According to an aspect of the present invention, a tank containing a liquid to visually check the gas discharged from the regulator; further comprising, the tank is coupled in communication with the outlet of the regulator and the second pipe.
상기 수조에 담긴 액체는 석회수가 적용될 수 있다.Lime water may be applied to the liquid contained in the tank.
본 발명에 따른 드라이아이스를 이용한 물질의 상태변화 관찰장치에 의하면, 온도 및 압력변화에 따른 드라이아이스의 액체 및 기체로의 상변화를 시각적으로 관찰할 수 있으면서도, 드라이아이스의 삼중점 상태에 대한 지속시간을 조절할 수 있는 장점을 제공한다.According to the apparatus for observing the change of state of a material using dry ice according to the present invention, it is possible to visually observe the phase change of dry ice into liquids and gases according to temperature and pressure changes, and the duration of the triple point state of dry ice. It provides the advantage of controlling.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 드라이아이스를 이용한 물질의 상태변화 관찰장치를 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, an apparatus for observing a state change of a material using dry ice according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 드라이아이스를 이용한 물질의 상태변화 관찰장치를 나타내 보인 도면이다.1 is a view showing a state change observation apparatus of a material using dry ice according to the present invention.
도 1을 참조하면, 상태변화 관찰장치(100)는 챔버(110), 압력측정기(120), 온도측정기(130), 레귤레이터(140) 및 제어기(150)를 구비한다.Referring to FIG. 1, the
챔버(110)는 드라이아이스를 수납시킬 수 있는 내부수용공간(112)과, 내부 수용공간(112)의 내부를 투시할 수 있는 투시창을 갖는 구조로 되어 있다.The
챔버(110)를 구분하면, 양방향이 관통된 내부수용공간(112)을 갖게 속이빈 원통형의 몸체(111)와, 몸체(111)의 양측 개구를 각각 폐쇄하도록 몸체(111)에 결합된 캡(115)을 구비한다.When the
몸체(111)의 외측면에는 캡(115)과 나사결합될 수 있게 나사선이 형성되어 있다.The outer surface of the body 111 is formed with a screw thread to be screwed with the
캡(115)은 몸체(111)와 나사결합에 의해 착탈될 수 있게 형성되어 있고, 전면에는 투시용 강화유리로 된 투시창(115a)이 마련되어 있다.
몸체(111) 및 캡(115)은 극초저온에 견딜 수 있는 재질로 형성되며, 바람직하게는 알루미늄 소재로 형성된다.The body 111 and the
압력측정기(120)는 챔버(110) 내부의 압력을 측정할 수 있도록 설치되어 있다.The
압력측정기(120)는 챔버(110)와 연통되게 형성된 연통관(123)을 통해 압력을 측정하고, 측정된 압력을 표시부(125)를 통해 표시하고, 제1처리기(153)로 출력한다.The
온도측정기(130)는 챔버(110) 내부의 온도를 측정할 수 있도록 설치되어 있다.The
바람직하게는 챔버(110) 내부에서 상변화되는 드라이아이스의 온도를 보다 정밀하게 측정할 수 있도록 온도측정기(130)는 몸체(111)의 내부 수용공간 저부의 온도를 검출할 수 있도록 설치된다. 이 경우 챔버(110) 내부에서 액상화된 이산화탄소의 온도를 측정할 수 있어 온도 측정 정밀도를 더욱 높일 수 있다.Preferably, the
온도측정기(130)에서 측정된 온도는 표시부(135)를 통해 표시되고, 제1처리기(153)에 출력된다.The temperature measured by the
챔버(110)의 몸체(111)와 연통되게 연장된 제1배관(118)상에는 안전밸브(161), 레귤레이터(140) 및 수동개폐기(165)가 순차적으로 설치되어 있다.The
안전밸브(161)는 실험시 챔버(110) 내부의 압력이 지나치게 상승될 경우 이로 인한 손상 및 피해를 방지하고자 설치된 것으로 챔버(110) 내부의 압력이 설정된 압력을 초과하면 내부와 외부를 개방시킬 수 있도록 구조된 밸브이다.The
안전밸브(161)는 국내 등록실용신안 제0011844호 등 공지된 다양한 구조의 것을 적용하면 된다.The
바람직하게는 안전밸브(161)는 챔버(110) 내부의 압력이 10기압 이상이 되면 개방될 수 있도록 된 것을 적용한다.Preferably, the
레귤레이터(140)는 제1 배관(118)상에서 안전밸브(161)와 수동개폐기(165) 사이에 설치되어 있다.The
레귤레이터(140)는 설정된 압력범위가 챔버(110) 내부에 유지되도록 챔버(110) 내부의 압력을 조절한다. The
이러한 레귤레이터(140)는 핸들의 조작에 의해 인장 스프링의 탄성력을 가변시켜 내부 유로를 개폐하는 밸브시트를 작동시키는 방식과, 외부에서 인가되는 제어신호에 따라 솔레노이드가 작동하여 유로를 개폐하는 전자방식이 적용될 수 있고 바람직하게는 전자방식이 적용된다.The
이 경우 레귤레이터(140)는 제1처리기(153)의 제어에 의해 설정된 압력범위가 챔버(110) 내에 유지되도록 작동된다.In this case, the
수동 개폐기(165)는 제1배관(118) 상에 설치되어 사용자의 조작에 의해 수동으로 제1배관(118)을 개폐시킬 수 있도록 설치되어 있다.The
수동 개폐기(165)는 실험을 반복 수행할 때 챔버(110) 내부에 잔류하는 기체가 신속하게 배출될 수 있도록 하기 위해 적용된 것이다.The
카메라(170)는 캡(115)의 투시창(115a)을 통해 챕버(110) 내부를 촬상할 수 있도록 설치되어 있다. 카메라(170)는 촬상된 영상정보를 제어기(150)를 출력한다.The
제어기(150)는 챔버(110) 내부의 압력을 설정된 범위 내로 유지되도록 레귤레이터(140)를 제어한다.The
제어기(150)는 압력측정기(120)에서 측정된 압력값과, 온도측정기(130)에서 측정된 온도값 및 카메라(170)에서 촬상된 영상을 수집할 수 있도록 되어 있다.The
도시된 예에서 제어기(150)는 제1처리기(153) 및 컴퓨터(155)를 구비한다.In the example shown, the
제1처리기(153)는 압력측정기(120), 온도측정기(130)에서 출력되는 값을 컴퓨터(155)에서 판독가능한 데이터로 변환하여 컴퓨터(155)로 출력한다. 또한, 제1처리기(153)는 컴퓨터(155)로부터 출력되는 제어정보에 따라 레귤레이터(140)의 압력유지 범위를 제어한다.The
바람직하게는 제어기(150)는 챔버(110) 내의 압력이 7.5기압일 때 챔버(110) 내의 기체가 배출되게 레귤레이터(140)가 개방된 후 챔버(110) 내의 압력이 4기압일 때 유로가 패쇄되도록 레귤레이터(140)를 제어한다. Preferably, the
컴퓨터(155)는 제1처리기(153)로부터 수집된 데이터를 저장하고, 저장된 데이터를 설정된 표시방식에 따라 표시장치를 통해 표시한다.The
한편, 수조(180)는 레귤레이터(140)에서 배출되는 기체를 시각적으로 확인할 수 있도록 적용되었다.On the other hand, the
수조(180)는 레귤레이터(140)의 출구과 제2배관(183)에 의해 연통되게 결합되어 있다.The
수조(180)에는 액체가 채워져 있다. 바람직하게는 수조(180)에 채워지는 액체는 석회수가 적용된다. 이 경우 레귤레이터(140)의 출구를 통해 이산화탄소가 기체상태로 배출될 경우 수조(180) 내에서는 석회수와 이산화탄소가 반응하여 탄산칼슘과 물로 변화되는 것도 관찰할 수 있다.The
한편, 이와는 다르게, 레귤레이터(140)의 출구에 풍선(미도시) 을 결합하여 기체의 배출 유무를 확인할 수도 있다.On the other hand, by differently, by combining a balloon (not shown) to the outlet of the
이하에서는 이러한 관찰장치(100)를 이용하여 드라이아이스의 삼중점상태를 관찰하기 위한 실험과정을 설명한다.Hereinafter, an experimental process for observing the triple point state of dry ice using the
먼저, 수조(180)로 연결된 제2배관(183)을 분리하고, 레귤레이터(140)의 최고압력과 최저압력을 설정한다. 여기서 최고압력을 개방조건 압력이고, 최저압력은 개방이후의 차단조건 압력이다. 바람직하게는 레귤레이터(140)의 최고압력은 7.5기압, 최저압력은 4.0기압으로 설정한다.First, the
다음은 드라이아이스를 몸체(111) 내에 장착하고, 캡(115)을 결합한다.Next, the dry ice is mounted in the body 111 and the
이후 수동개폐기(165)를 제1배관(118)이 폐쇄되게 닫은 다음 투시창(115a)을 통해 드라이아이스의 상태변화를 관찰한다.Thereafter, the
챔버(110) 내의 드라이아이스는 온도의 상승에 의해 고체에서 기체상태로 승화하고, 승화된 기체에 의해 내부 압력이 상승하게 된다. 즉, 챔버(110) 외부 온도가 상온으로 유지되고 있어 챔버(110) 내부의 온도도 상승하게 되고, 이 과정에서 승화된 기체에 의해 챔버(110) 내부의 압력이 올라가게 되면 액체상태가 나타내게 되고, 챔버(110) 내부의 압력이 드라이아이스의 삼중점에 해당하는 5.1기압, 온도는 -56.6℃ 부근에서 고체, 액체, 기체가 상존하는 상태를 볼 수 있다. The dry ice in the
한편, 고체상태의 드라이아이스로부터 기체 상태로 상변화한 것을 시각적으로 확인하고자 하는 경우 앞서 설명된 수조(180)에 레귤레이터(140)의 출력단을 연결하거나, 풍선을 결합하면 레귤레이터(140)가 개방시 분출되는 기체에 의한 수조(180) 내의 액체와의 반응 또는 풍선의 확장을 통해 시각적으로 확인할 수 있다.On the other hand, if you want to visually confirm that the phase change from the dry ice in the solid state to the gas state, or connected to the output terminal of the
이러한 관찰장치(100)는 단열팽창 실험을 하는데도 이용할 수 있다.This
즉, 레귤레이터(140) 개방시 단열팽창에 의해 챔버(110) 내부의 압력이 떨어지면서 챔버(110) 내부의 온도도 떨어지는 것을 온도측정기(130)를 통해 확인할 수 있다.That is, when the
도 1은 본 발명에 따른 드라이아이스를 이용한 물질의 상태변화 관찰장치를 나타내 보인 도면이다.1 is a view showing a state change observation apparatus of a material using dry ice according to the present invention.
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