KR101478787B1 - 구름발생 실험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단열팽창에 의해 구름이 생성되는 원리를 이해하기 쉽도록 실험할 수 있는 구름발생 실험장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 구름발생 실험장치는 투명한 유리 또는 플라스틱재로 형성되며 밀폐된 내부공간을 제공하는 본체와, 상기 본체의 내부에 상하로 연장되게 형성되어 있으며, 하부가 개구되어 있는 중공을 갖는 중공체와, 상기 중공체의 중공을 따라 상하로 승강 가능하게 설치되고, 상기 중공체의 상부공간과 개구된 하부공간을 상호 구획하는 피스톤과, 상기 본체의 내부공간의 공기를 외부로 배출하거나 외부공기를 상기 본체의 내부로 주입하여 상기 본체 내부의 압력을 조절하는 압력조절부와, 상기 중공체의 내부에 실험에 사용될 물과 응결핵을 투입할 수 있도록 상기 본체에 형성되어 있는 투입구를 개폐하는 개폐부재를 구비한다.

Description

구름발생 실험장치{Cloud generation experimental apparatus}

본 발명은 구름발생 실험장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단열팽창에 의해 구름이 생성되는 원리를 이해하기 쉽도록 실험할 수 있는 구름발생 실험장치에 관한 것이다.

지구과학 과목에서 한 가지 교육내용으로 다루어지고 있는 단열팽창에 의한 구름의 발생 원리를 실험할 수 있도록 구름발생 실험장치가 사용되고 있다. 이러한 학습용 구름 발생장치는 대기의 순환에 의한 구름의 발생과정을 간단한 모형으로 알 수 있게 되어 있어 학생들이 단열팽창과 그로 인해 발생하는 구름의 생성과정을 더욱 쉽게 이해하도록 돕는다.

도 1은 종래 학습용 구름발생 실험장치의 일례를 보인 사시도로서, 구름발생 실험장치는 내부에 물이 저장되고 상부가 개방된 투명한 재질의 실험용기(100)와, 상기 실험용기(100)의 개구부에 삽입 및 고정되는 마개(200)와, 상기 마개(200)에 설치되어 상기 실험용기의 내부에 공기를 주입하는 공기압축구(300)와, 상기 마개(200)에 설치되어 상기 실험용기 내부의 공기의 온도를 측정하는 온도계와, 상기 실험용기(100)의 일측에 형성된 공기배출구(500)로 구성되어 있다.

상기 구름발생 실험장치는 공기배출구를 폐쇄하고, 공기압축구를 반복하여 압축 및 팽창시켜 실험용기 내부의 공기의 압력을 높이면, 상기 실험용기 내부 공기는 압력 상승에 의해 온도가 상승하고, 그 상태에서 공기배출구를 개방하면 실험용기 내부의 공기의 압력이 급속히 낮아지는 순간 구름이 만들어지는 원리에 의해 실험을 실시하도록 되어 있다.

그러나 상기와 같은 종래의 구름발생 실험장치는 실험용기 내부의 압력 변화 과정을 직관적으로 인지할 수 없으며, 재실험을 위해서는 공기압력구를 통해 다시 실험용기의 내부 압력을 높여주어야 하기 때문에 반복실험에 시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.

공개특허 제10-2001-0099255호 : 단열팽창에 의한 구름 발생 장치 등록실용신안 제20-0341197호 : 단열압축팽창 실험용 교구

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 실험공간 내부의 압력변화 및 수증기의 발생상황을 학생들이 직관적으로 관찰할 수 있도록 함으로써 단열팽창 및 구름 발생의 원리를 쉽고 명확하게 이해할 수 있게 도울 수 있는 구름발생 실험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 구름발생 실험장치는 투명한 유리 또는 플라스틱재로 형성되며 밀폐된 내부공간을 제공하는 본체와, 상기 본체의 내부에 상하로 연장되게 형성되어 있으며, 하부가 개구되어 있는 중공을 갖는 중공체와, 상기 중공체의 중공을 따라 상하로 승강 가능하게 설치되고, 상기 중공체의 상부공간과 개구된 하부공간을 상호 구획하는 피스톤과, 상기 본체의 내부공간의 공기를 외부로 배출하거나 외부공기를 상기 본체의 내부로 주입하여 상기 본체 내부의 압력을 조절하는 압력조절부와, 상기 중공체의 내부에 실험에 사용될 물과 응결핵을 투입할 수 있도록 상기 본체에 형성되어 있는 투입구를 개폐하는 개폐부재를 구비한다.

상기 본체는 상방이 개구되어 있고, 바닥면 일측에는 상기 압력조절부에 의해 공기가 유입 또는 유출될 수 있도록 연결포트가 형성되어 있는 원통형의 원통바디와, 상기 원통바디의 상부 외주면에 형성되어 있는 나사산을 통해 상기 원통바디와 나사결합되도록 내주면에 나사산이 형성되어 있는 커버바디를 포함하고, 상기 중공체는 상기 커버바디의 하면으로부터 하방으로 소정길이 연장되도록 형성된 원통형으로 형성되어 있으며, 상기 개폐부재는 상기 커버바디의 중앙에 상기 중공체의 내부공간과 연통되도록 상방으로 돌출된 돌출부에 나사결합되어 상기 본체 내부 공간을 밀폐시키도록 형성되며, 상기 압력조절부는 상기 연결포트로부터 연장되는 연결튜브와, 상기 연결튜브의 단부에 연결되며 슬라이딩 가능한 내부공간을 갖는 실린더부재와, 상기 실린더부재의 내부에 슬라이딩 가능하게 설치되되 상기 실린더부재의 내주면과 밀착되어 실린더부재의 내부공간과 외부공기를 차단시키는 슬라이딩부재와, 상기 슬라이딩부재로부터 상기 실린더부재의 외부로 연장되어 상기 슬라이딩부재를 인력으로 슬라이딩시키는 손잡이를 포함하고, 상기 개폐부재에 설치되어 상기 중공체에서 상기 피스톤의 상부 측 공간의 압력 및 온도변화를 측정하기 위한 측정센서와, 상기 측정센서의 측정결과를 디스플레이하는 디스플레이를 포함하는 감지부를 더 구비한다.

상기 본체는 상기 원통바디의 하부에 결합되는 지지바디를 더 구비하며, 상기 원통바디의 하단에는 원주방향을 따라 상호 이격되어 있는 복수개의 체결홀들이 상하면을 관통하도록 형성되어 있는 플랜지부가 형성되어 있고, 상기 체결홀을 통해 삽입되는 체결볼트에 의해 상기 원통바디와 지지바디가 상호 체결되며, 상기 원통바디의 내부에서 구름이 생성되는 것을 용이하게 관찰할 수 있도록 상기 원통바디의 외주면 곡률에 대응하는 곡면 형상으로 형성되며 불투명한 재질로 형성되는 가림판을 더 구비하되, 상기 가림판의 두께는 상기 원통바디와 상기 체결볼트의 헤드부 사이의 이격거리에 대응하여 하부가 상기 원통바디와 체결볼트의 헤드부 사이에 끼워져 지지되도록 형성된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 구름발생 실험장치는 실험공간 내에서 공기의 부피변화 상태와 물이 수증기가 되는 상태를 직관적으로 관찰할 수 있어, 관련 학습의 이해도를 높일 수 있으며, 신속하게 반복 실험을 할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래의 구름발생 실험장치를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 구름발생 실험장치의 일 실시예를 도시한 사시도,
도 3은 도 2의 구름발생 실험장치의 분리사시도,
도 4 및 도 5는 도 2의 구름발생 실험장치의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구름발생 실험장치를 더욱 상세하게 설명한다.

도 2 내지 도 5를 참조하면 본 발명에 따른 구름발생 실험장치(1)는 본체(10)와, 본체(10)의 내부에 설치되는 중공체(20)와, 중공체(20)에 상하로 승강 가능하게 설치되는 피스톤(30)과, 본체(10) 내부의 압력을 조절하기 위한 압력조절부(40)와, 상기 본체(10)에 형성된 투입구(17)를 개폐하는 개폐부재(50)를 구비한다.

상기 본체(10)는 투명한 플라스틱 재료로 형성되며 원통형의 형상으로 형성된다. 본체(10)는 원통형의 원통바디(11)와, 원통바디(11)의 상부에 체결되는 커버바디(16)와, 원통바디(11)의 하부에 설치되는 지지바디(19)를 포함한다.

원통바디(11)는 상부가 개구되어 있는 원통형의 형태이며, 상단 외주면에 상기 커버바디(16)가 나사결합될 수 있도록 나사산이 형성되어 있다. 원통바디(11)의 하부에는 지지바디(19)와의 결합을 위해 외부로 돌출되어 있는 플랜지(12)가 형성되어 있는데, 상기 플랜지(12)에는 상하면을 관통하는 복수개의 체결홀(13)들이 원주방향을 따라 상호 소정간격 이격되도록 형성되어 있다. 원통바디(11)는 하부가 막혀있고, 상부가 개구되어 있는 형태이지만 상기 커버바디(16)가 체결되면 원통바디(11)의 내부공간이 밀폐된 상태가 된다. 그리고 원통바디(11)의 하부에는 후술하는 압력조절부(40)의 연결포트(41)가 형성되어 있어서 압력조절부(40)에 의해 상기 원통바디(11)의 내부로 공기가 유입되거나 공기가 외부로 유출될 수 있도록 되어 있다.

상기 커버바디(16)는 상술한 것처럼 원통바디(11)의 상부에 나사결합된다.

커버바디(16)는 뚜껑 형태로 형성되며 내주면에 원통바디(11)의 상단 외주면에 형성된 나사산에 대응하는 나사산이 형성되어 있어서, 커버바디(16)가 원통바디(11)에 나사결합됨으로써 원통바디(11)의 내부공간을 밀폐된 공간으로 형성하게 된다.

커버바디(16)의 중앙에는 투입구(17)가 형성되어 있고 이 투입구(17)로부터 상방으로 돌출부(18)가 돌출되어 있다. 돌출부(18)에는 개폐부재(50)가 나사결합된다.

상기 지지바디(19)는 원통바디(11)의 하부에 결합되는데, 원통바디(11)의 하단을 지지하며, 상기 연결포트(41)가 설치될 수 있는 설치공간을 제공하게 된다. 상기 지지바디(19)와 원통바디(11)는 상기 체결홀(13)을 관통하는 체결볼트(14)에 의해 상호 결합되는데, 체결볼트(14)는 스크류가 체결홀(13)을 관통해 지지바디(19)에 나사결합된다. 그리고 체결볼트(14)의 헤드부(15)는 체결홀(13)에 비해 상대적으로 직경이 크게 형성되어 있다.

상기 중공체(20)는 투입구(17)보다 상대적으로 큰 내경을 갖는 원통형의 부재로서 커버바디(16)의 하면으로부터 하방으로 연장되어 있다. 중공체(20)도 내부가 투시될 수 있도록 투명한 플라스틱재로 형성되며, 커버바디(16)에 일체로 결합되게 형성되거나 착탈 가능하게 결합될 수 있다. 상기 투입구(17)를 통해 중공체(20)의 내부로 실험을 위한 물이나 응결핵을 투입할 수 있도록 중공체(20)가 투입구(17)에 대응하는 위치에 설치된다.

상기 피스톤(30)은 중공체(20)에 상하로 승강 가능하게 설치되어 중공체(20)의 내부공간을 상부와 하부공간으로 구획하며, 피스톤(30)에 의해 구획된 상부공간과 하부공간은 상호 공기의 유동이 차단된다. 피스톤(30)은 중공체(20)의 내주면에 밀착될 수 있도록 고무재 또는 탄성력을 갖는 합성수지로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 피스톤(30)의 하부에는 실험 준비 과정 또는 실험장비의 정리 과정에서 피스톤(30)을 중공체(20)로 삽입하거나 용이하게 분리할 수 있도록 연장로드(31)가 하방으로 돌출 형성되어 있다.

상기 압력조절부(40)는 본체(10) 내부의 압력을 조절하기 위한 것이다.

압력조절부(40)는 상술한 것처럼 원통바디(11)의 내부공간과 연통되는 연결포트(41)와, 연결포트(41)로부터 연장되는 연결튜브(42)와, 연결튜브(42)에 연결된 실린더부재(43)와, 실린더부재(43)의 중공에 슬라이딩 가능하게 설치된 슬라이딩부재(44)와, 슬라이딩부재(44)로부터 연장되는 손잡이(45)를 포함한다.

상기 원통바디(11)의 상부에 커버바디(16)를 결합하고 개폐부재(50)를 닫으면, 상기 원통바디(11)의 내부공간과 연결튜브(42), 실린더부재(43)의 전방측 내부공간이 하나의 밀폐된 공간을 형성하게 된다.

상기 실린더부재(43)와 슬라이딩부재(44) 및 손잡이(45)는 주사기와 같은 형태로 형성되어 있는 것으로 실험자가 손잡이(45)를 잡고 슬라이딩부재(44)를 이동시킴에 따라 원통바디(11) 내부의 압력이 변화하게 된다. 즉, 실험자가 슬라이딩부재(44)를 실린더부재(43)의 후방으로 후퇴시키면 원통바디(11) 내부의 공기가 실린더부재(43)측으로 이동하게 되면서 원통바디(11) 내부의 압력이 낮아지게 된다. 반대로 실험자가 슬라이딩부재(44)를 실린더부재(43)의 전방으로 전진시키면 실린더부재(43) 내부의 공기가 원통바디(11)의 내부로 이동하면서 원통바디(11)의 내부 압력이 상승하게 된다.

상기 개폐부재(50)에는 중공체(20) 내부의 온도와 압력변화를 측정하기 위한 측정센서(61)가 설치되어 있고, 이 측정센서(61)는 측정된 감지결과를 실험자가 확인할 수 있도록 표시하는 디스플레이(62)와 연결되어 있다. 이 측정센서(61)와 디스플레이(62)는 감지부(60)를 구성하며, 실험과정에서 실험자는 구름이 발생되거나 사라지는 과정에서 중공체(20) 내부의 온도와 압력변화를 객과적으로 확인할 수 있다.

그리고 상기 원통바디(11)의 외주면 일측에는 가림판(70)이 설치된다. 상기 가림판(70)은 중공체(20)의 내부에서 실험 과정 중 수증기가 생성되는 모습을 용이하게 확인할 수 있도록 형성된 것이다.

상기 중공체(20) 내부를 관찰할 수 있도록 원통바디(11)와 중공체(20)가 모두 투명한 재질로 형성되기 때문에 오히려 중공체(20) 내부의 상태 관찰이 어려울 수 있으므로 검은색 등 불투명한 색상의 재질로 형성되거나 별도로 코팅된 가림판(70)을 원통바디(11)의 일측에 부착한다. 상기 가림판(70)은 도시된 것처럼 원통바디(11)의 외주면 곡률에 대응하도록 형성되어 있어서 원통바디(11)의 일부 구간을 감쌀 수 있다. 따라서 실험자가 관찰하는 관찰위치의 맞은편에 가림판(70)을 부착하여 관찰을 용이하게 한다. 특히 상기 가림판(70)의 두께는 원통바디(11)의 외주면과 체결볼트(14)의 헤드부(15) 사이의 거리에 대응하도록 형성되어 있어서 가림판(70)을 원통바디(11)와 헤드부(15) 사이에 끼워 용이하게 고정할 수 있으며 필요에 따라 원통바디(11)의 외주면을 따라 가림판(70)을 이동시킬 수 있다.

본 발명의 구름발생 실험장치(1)에 의한 실험과정은 다음과 같다.

먼저 원통바디(11)의 상부에 커버바디(16)를 결합한다. 이 때, 커버바디(16)의 중공체(20)에는 피스톤(30)을 삽입하여 피스톤(30)을 중심으로 중공체(20)의 상부공간과 하부공간을 구획하며, 이 상태로 커버바디(16)를 원통바디(11)에 결합한다. 그리고 투입구(17)를 통해 중공체(20)의 상부공간에 실험을 위한 소량의 물과 응결핵을 투입하고 개폐부재(50)를 결합하여 중공체(20)의 상부공간을 밀폐시킨다.

이와 같이 실험준비가 끝나면 피스톤(30)을 중심으로 중공체(20)의 하부공간은 원통바디(11)의 내부공간과 연통되어 있으므로 원통바디(11)의 압력과 중공체(20)의 하부공간의 압력이 동일하게 된다.

실험을 위해 실린더부재(43)의 내부에서 슬라이딩부재(44)를 후퇴시키면 원통바디(11)의 내부공기가 실린더부재(43)측으로 이동하게 되므로 원통바디(11)의 내부 압력이 중공체(20)의 상부공간의 압력보다 낮아지게 되므로 피스톤(30)이 중공체(20) 내에서 하강하게 된다. 이렇게 피스톤(30)이 하강하면 상부공간의 체적이 커지게 되며 상부 공간 내의 공기가 팽창하게 된다. 이때, 외부로부터 별도의 에너지 공급이 없이 공기가 팽창하게 되므로 공기의 온도는 하강하게 되고, 이와 같은 단열팽창의 원리에 의해 중공체(20) 상부공간의 공기 중에 포함되어 있던 수증기가 공기 온도의 하강에 의해 이슬점 이하로 낮아지면서 응결되어 구름이 생성되는 것과 같이 뿌옇게 흐려지게 된다.

반대로 슬라이딩부재(44)를 전진시키면 실린더부재(43)의 공기가 원통바디(11)로 이동하면서 원통바디(11) 내부의 압력이 높아짐에 따라 피스톤(30)은 상승하게 되며, 중공체(20) 상부공간의 체적이 작아지면서 단열압축이 일어나 응결된 물방울은 다시 공기 중의 수증기로 변화된다.

슬라이딩부재(44)를 후퇴시키거나 전진시키는 과정에서 상기 과정이 반복되므로 별도의 준비과정 없이 중공체(20) 상부공간의 공기 중의 수증기가 응결되거나 기화되는 것을 반복해서 실험할 수 있다.

그리고 이렇게 실험이 이루어지는 과정에서 중공체(20) 상부공간의 압력과 온도변화를 측정센서(61)에서 측정하고 측정된 결과를 디스플레이(62)를 통해 표시함으로써, 단열팽창 및 단열압축이 이루어지는 동안 중공체(20)의 상부공간의 압력과 온도변화를 객관적으로 인지할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

1; 구름발생 실험장치
10; 본체
11; 원통바디 12; 플랜지
13; 체결홀 14; 체결볼트
15; 헤드부 16; 커버바디
17; 투입구 18; 돌출부
19; 지지바디
20; 중공체
30; 피스톤
31; 연장로드
40; 압력조절부
41; 연결포트 42; 연결튜브
43; 실린더부재 44; 슬라이딩부재
45; 손잡이
50; 개폐부재
60; 감지부
61; 측정센서 62; 디스플레이
70; 가림판

Claims (3)

1. 삭제
2. 투명한 유리 또는 플라스틱재로 형성되며 밀폐된 내부공간을 제공하는 본체와;
   상기 본체의 내부에 상하로 연장되게 형성되어 있으며, 하부가 개구되어 있는 중공을 갖는 중공체와;
   상기 중공체의 중공을 따라 상하로 승강 가능하게 설치되고, 상기 중공체의 상부공간과 개구된 하부공간을 상호 구획하는 피스톤과;
   상기 본체의 내부공간의 공기를 외부로 배출하거나 외부공기를 상기 본체의 내부로 주입하여 상기 본체 내부의 압력을 조절하는 압력조절부와;
   상기 중공체의 내부에 실험에 사용될 물과 응결핵을 투입할 수 있도록 상기 본체에 형성되어 있는 투입구를 개폐하는 개폐부재;를 구비하고,
   상기 본체는 상방이 개구되어 있고, 바닥면 일측에는 상기 압력조절부에 의해 공기가 유입 또는 유출될 수 있도록 연결포트가 형성되어 있는 원통형의 원통바디와, 상기 원통바디의 상부 외주면에 형성되어 있는 나사산을 통해 상기 원통바디와 나사결합되도록 내주면에 나사산이 형성되어 있는 커버바디를 포함하고,
   상기 중공체는 상기 커버바디의 하면으로부터 하방으로 소정길이 연장되도록 형성된 원통형으로 형성되어 있으며,
   상기 개폐부재는 상기 커버바디의 중앙에 상기 중공체의 내부공간과 연통되도록 상방으로 돌출된 돌출부에 나사결합되어 상기 본체 내부 공간을 밀폐시키도록 형성되며,
   상기 압력조절부는 상기 연결포트로부터 연장되는 연결튜브와, 상기 연결튜브의 단부에 연결되며 슬라이딩 가능한 내부공간을 갖는 실린더부재와, 상기 실린더부재의 내부에 슬라이딩 가능하게 설치되되 상기 실린더부재의 내주면과 밀착되어 실린더부재의 내부공간과 외부공기를 차단시키는 슬라이딩부재와, 상기 슬라이딩부재로부터 상기 실린더부재의 외부로 연장되어 상기 슬라이딩부재를 인력으로 슬라이딩시키는 손잡이를 포함하고,
   상기 개폐부재에 설치되어 상기 중공체에서 상기 피스톤의 상부 측 공간의 압력 및 온도변화를 측정하기 위한 측정센서와, 상기 측정센서의 측정결과를 디스플레이하는 디스플레이를 포함하는 감지부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 구름발생 실험장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 본체는 상기 원통바디의 하부에 결합되는 지지바디를 더 구비하며,
   상기 원통바디의 하단에는 원주방향을 따라 상호 이격되어 있는 복수개의 체결홀들이 상하면을 관통하도록 형성되어 있는 플랜지부가 형성되어 있고, 상기 체결홀을 통해 삽입되는 체결볼트에 의해 상기 원통바디와 지지바디가 상호 체결되며,
   상기 원통바디의 내부에서 구름이 생성되는 것을 용이하게 관찰할 수 있도록 상기 원통바디의 외주면 곡률에 대응하는 곡면 형상으로 형성되며 불투명한 재질로 형성되는 가림판을 더 구비하되,
   상기 가림판의 두께는 상기 원통바디와 상기 체결볼트의 헤드부 사이의 이격거리에 대응하여 하부가 상기 원통바디와 체결볼트의 헤드부 사이에 끼워져 지지되도록 형성된 것을 특징으로 하는 구름발생 실험장치.
   

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