KR20140110432A - 전기장과 자기장을 이용한 얼음의 기포제거한 투명얼음 제조 방법 및 어는점 통제 방법. - Google Patents

Abstract

본 발명은 제빙장치 및 그의 제빙방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기장 과 자기장을 이용하여 제빙을 위해 급수된 물 안에 있는 기포를 효과적으로 제거함으로써 투명한 얼음을 만들 수 있는 제빙장치 및 전기장과 자기장을 이용하여 제빙하는데 전력을 최소화하기위한 방법에 관한 것이다.
자기장의 경우는 상자기성 물질과 반자기성 물질에 따라 자기장에 따른 어는 시간의 변화가 다른 것으로 나타났다. 이는 상자기성 물질의 경우 자기장에 의해 중앙에 고립되어서 물의 배열에 영향을 주기 때문인 것으로 나타났다.
하지만 반자기성 물질의 경우 오히려 마찬가지로 반자기성인 물과 섞여 자기장에 의해 엔트로피가 증가해 어는 시간의 증가를 나타내는 것으로 해석되었다.
하지만 전기장의 경우 내부저항, 전기분해에 의한 발열에 의한 온도 증가로 정확한 어는 시간 증가를 측정하기 힘들었지만 과냉각 현상이 사라지는 것을 통해 전기장 역시 어는 시간에 영향을 미칠 것으로 판단되었다.
이러한 결과들을 여러 곳에 적용 시킬 수 있다. 먼저, 자기장에 의한 어는 시간 감소는 같은 열량을 빼앗어 갔을 때 시간 당 온도 변화가 더 커졌음을 의미한다.
따라서 열량의 공식, 열량은, 비열 곱하기 질량 곱하기 온도 변화를 일정하게 해 주기 위해서는 비열이 감소해야 한다는 결론이 나온다.
따라서, 자기장을 가해 줄 경우, 상자기성 물질의 경우 비열이 감소하고, 반자기성 물질의 경우 비열이 증가하게 되어, 자기장이 물질의 물리적 성질을 바꿀 수 있는 파라미터로서 작용함을 알 수 있다. 또한, 정수기의 얼음에도 자기장을 응용할 수 있는데 정수기 회사들은 기포를 없앤 깨끗한 얼음을 얻기 위해 중앙에 구멍을 뚫어놓고 자기장을 이용하여 기포를 중앙으로 모아준 후 구멍을 통해 빠져나갈 수 있게 한다면 보다 깨끗한 얼음을 만들 수 있을 것으로 생각된다.

Description

전기장과 자기장을 이용한 얼음의 기포제거한 투명얼음 제조 방법 및 어는점 통제 방법. {Transparent Ice Production and Freezing Point Control Method Using Electric and Magnetic Field}

얼음 제조, 투명빙, 자기장 처리 기술.

일명 Mpemba효과라는 것인데 이것을 증명하기 위해서 많은 과학자들이 다양한 실험을 해 보았으나 효과가 증명되지 못하였다. 그러던 중 Brownridge씨는 수돗물을 100도로 가열한 샘플과 증류수를 25도 이하로 냉각 했을 때 샘플을 동시에 냉각시키면서 이 사실을 증명하기도 했다. 그러나 두 샘플의 성질이 다르기 때문에 아직은 이 실험은 Mpemba효과를 증명하기 위한 가이드라인 정도로 보여 지고 있었다. 그때 당시 본 발명을 위해 물의 어는점을 15mT정도의 자석을 이용하여 1도 높였다고 생각했었으나, 이와 비슷한 연구 결과에서 6T정도의 자석을 사용 시 5.6mK이 올라갔다고 결과가 나왔으며, 이가 우리가 실험한 장치보다 훨씬 정밀한 기구를 이용한 실험이었기에 우리들의 실험들은 실험오차였음을 받아들였다. 하지만 이 주제가 연구할 만한 가치가 있다고 판단했고, 이번엔 물 뿐만 아니라 상자성 및 반자성 물질들로 실험해보기로 하였다. 전에부터 이루고 싶었던 어는점에 도달하는 속도의 감소를 성취하고 싶었다. 자기장에 의한 영향뿐만 아니라 전기장에도 어는점이 영향을 받을 것으로 예상되어 전기장과 자기장을 아울러 전자기장에 의한 어는점의 영향에 대해 탐구하기로 결정하였다. 실험을 시작하기에 앞서 몇 가지 가설을 설정하였다. 먼저 증류수의 경우 반자기성이기 때문에 자기장에 영향을 받을지에 대해 상당히 의문점을 가질 수밖에 없었지만, 수소결합이 자기장에 의해 정렬 되어 쉽게 응고가 가능하게 할 수도 있다는 가능성을 가지고 이전 연구 결과들과 동일하게 어는 시간의 감소를 가져다 줄 것으로 예상했다. 또한, 전기장의 경우 극성을 띄는 물에 영향을 미쳐 어는 시간을 감소시키고, 이전의 연구처럼 과냉각을 없애 줄 것으로 추측 하였다. 용질들의 경우 반자기성과 상자기성 용질로 나누어 가설을 설정하였는데, 상자기성 물질의 경우 자기장에 영향을 받아 어는 시간이 감소하고, 전기장에서 역시 마찬가지의 결과를 얻을 것이라 추측하였으나, 반자기성 용질의 경우 자기장에서의 영향에 대해 의문점을 가지게 되었는데, 자기장에 척력을 가지는 반자기성 물질들의 경우 어는 시간이 어떻게 될 지 예측을 하기 어려웠다.

순수한 물은 온도에 따라 밀도가 달라지는데 4℃에서 물의 밀도가 가장 크게 되어 4℃보다 온도가 낮아져도 더 이상 대류가 일어나지 않아 표면부터 얼기 시작한다. 따라서 얼음이 제빙될 때 표면의 얼음에 의해 물 안에 용해되어 있는 기체들이 미처 빠져나가지 못하여 불투명한 얼음이 만들어지게 된다. 하지만 사용자들은 투명빙을 선호가기 때문에 투명빙을 만들기 위해 종래에는 다양한 방법으로 투명빙을 만들었다. 종래의 투명빙 제조 장치는 제빙을 위한 물을 가열하여 기포를 없애거나 진동, 음파 등을 이용하여 용존 기체를 제거하여 투명빙을 만들었다. 이러한 종래의 투명빙 제조장치는 투명빙을 만들기 위해 물을 가열하거나 진동등 을 이용하게 되어 얼음을 만드는데 시간이 길어지고 전력의 낭비가 생기고 소음 등이 심하게 발생하는 문제점이 있다. 본 발명에서는 물의 전자기적 특성 을 연구한 자료에 근거하여 자기장과 전기장이 물의 어는점이나 얼음의 냉동 상태에 어떠한 영향을 주는가에 대한 실험을 진행하여 얼음의 기포를 없애거나 어는 시간의 단축을 통하여 냉동기의 전력 사용량을 줄이고자 하였다.

본 발명은 제빙장치 및 그의 제빙방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기장 과 자기장을 이용하여 제빙을 위해 급수된 물 안에 있는 기포를 효과적으로 제거함으로써 투명한 얼음을 만들 수 있는 제빙장치 및 전기장과 자기장을 이용하여 제빙하는데 전력을 최소화 하기 위한 방법에 관한 것이다.

일반적인 냉장고의 제빙장치는 일정한 트레이 내부에 얼음 크기로 물을 받은 다음 냉동실 냉기로 제빙을 수행하게 된다. 순수한 물은 온도에 따라 밀도가 달라지는데 4℃에서 물의 밀도가 가장 크게 되어 4℃보다 온도가 낮아져도 더 이상 대류가 일어나지 않아 표면부터 얼기 시작한다. 따라서 얼음이 제빙될 때 표면의 얼음에 의해 물 안에 용해되어 있는 기체들이 미처 빠져나가지 못하여 불투명한 얼음이 만들어지게 된다. 하지만 사용자들은 투명빙을 선호가기 때문에 투명빙을 만들기 위해 종래에는 다양한 방법으로 투명빙을 만들었다. 종래의 투명 빙 제조 장치는 제빙을 위한 물을 가열하여 기포를 없애거나 진동, 음파 등을 이용하여 용존 기체를 제거하여 투명빙을 만들었다. 이러한 종래의 투명빙 제조 장치는 투명빙을 만들기 위해 물을 가열하거나 진동등 을 이용하게 되어 얼음을 만드는데 시간이 길어지고 전력의 낭비가 생기고 소음 등이 심하게 발생하는 문제점이 있었지만 본 발명에서는 전기장과 자기장을 일정한 강도로 인가 할 경우 기포의 생긴 방향이나 어는점의 변화가 있는 것을 이용하고자 하였다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 전기장 과 자기장의 배향을 이용하여 간편하고 효율적으로 투명빙을 만들 수 있는 제빙장치 및 제빙방법을 제공함에 있다. 이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 매우자성이 강한 네이오디움(Nd)나 사마리움(Sm) 영구자석을 이용하여 제빙수의 용존기체를 제거시키는 기포 제거 방법을 제공하고, 상기의 방법을 사용하여 기포를 제거한 제빙수를 공급하여 자동제빙기에서 투명빙의 제조가 가능하도록 하는 투명빙 제조 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도1-1은 자기장 실험장치도
도1-2는 투명빙 장치 실시예
도1-3은 자기장 가할시 투명빙의 비교 (오른쪽 자기장 가한 경우)

본 발명을 위한 기초적 실험을 수행함에 있어 실험에 사용된 증류수의 경우 반자기성이기 때문에 자기장에 영향을 받을지에 대해 상당히 의문점을 가질수 밖에 없었다. 하지만, 수소결합이 자기장에 의해 정렬 되어 쉽게 응고가 가능하게 할 수도 있다는 가능성을 가지고 이전 연구 결과들과 동일하게 어는 시간의 감소를 가져다 줄 것을 기대했다. 또한, 전기장의 경우 극성을 띄는 물에 영향을 미쳐 어는 시간을 감소시키고, 이전의 연구처럼 과냉각을 없애 줄 것으로 추측하였다.

용질들의 경우 반자기성과 상자기성 용질로 나누어 가설을 설정하였는데, 상자기성 물질의 경우 자기장에 영향을 받아 어는 시간이 감소하고, 전기장에서 역시 마찬가지의 결과를 얻을 것이라 추측하였으나, 반자기성 용질의 경우 자기장에서의 영향에 대해 의문점을 가지게 되었는데, 자기장에 척력을 가지는 반자기성 물질들의 경우 어는 시간이 어떻게 될 지 예측을 하기 어려웠다.

먼저 정확한 온도 측정을 위해 Vernier사의 go! temp라는 장치를 이용하여 실험을 실시하였다. 이 장치는 실험 데이터를 컴퓨터로 전송해 주기에 실험데이터를 정리하는 데에 많은 도움을 주었고, 소수점 첫째자리까지 측정이 가능하여 비교적 정확한 측정이 가능했다. 실험은 드라이아이스 아세톤 용액 조건과 냉장고에서 모두 실시하였는데, 드라이아이스의 경우 너무 급속도로 냉각이 되어 벽면 부분과 내부의 온도차이가 오차의 원인으로 작용한다는 판단에 냉장고를 위주로 실험을 실시하였다. 실험에 사용한 물질은 증류수, 염화철 수용액, 황산구리 수용액, 염화나트륨 수용액, 황산철 수용액, 질산아연 수용액입니다. 총괄성에 의한 차이를 최소화 하기 위해 용액의 농도는 1 몰농도로 맞추어 실험을 진행하였다. 또한 자석은 가장 강한 사마륨 코발트 자석을 이용하였고, 전기장 실험의 경우 탄소판에 6V와1.5V 전압을 가해주어 실험을 시작하였으나, 6V의 경우 안전상의 문제로 인해 1.5V의 전압을 이용하여 데이터를 측정했다. 자기장을 가해주었을 때 어는 시간이 상당히 줄어들었음을 알 수 있었다. 자기장이 가해지지 않았을 때에 0.4도씨의 과냉각. 즉, 미처 물이 응결핵이 발생하지 않아 응고하지 못하고 온도가 0도씨 이하로 계속 내려가는 현상이 자기장을 가해주지 않은 물에서는 보이나, 자기장을 가해준 물에서는 보이지 않았다. 결론적으로 자기장을 가해주었을 때, 0.4도씨의 과냉각이 사라지고, 어는 시간이 9.7% 감소하는 것을 알 수 있었다.

얼린 물은 자기장을 가해 줄 경우 외관상에서도 큰 차이를 나타내는 것을 알 수 있었다. 일반 얼음은 기포가 내부에 불규칙적으로 산재되어 있음을 알 수 있지만 자기장을 가해준 물의 경우는 눈에 띄게 다른 모습을 보여주었다.

도면2는 자기장을 지면의 앞 뒤로 가해준 모습이고, 오른쪽 그림은 자기장을 왼쪽 오른쪽에서 가해준 사진이다. 위와 같이 자기장을 가해준 부분의 기포가 납작하게 형성이 되었고, 또한 균열과 같은 줄무늬들이 생겨나 물이 자기장에 많은 영향을 받았음을 알 수 있었다.

우리는 이와 같은 현상을 이용해 자기장이 어는점 감소를 이뤄내는 이유에 대해 생각해 보았다. 물 분자 사이사이에는 산소 기체가 용해되어 있습니다. 이 때 자기장을 가해주게 될 경우, 물은 아무런 힘을 받을 수 없으나 상자기성인 산소는 자기장의 영향을 받아 앞에서 말한 기포처럼 가운데에 배열되게 될 것입니다. 따라서 산소원자들은 물 분자의 수소결합에 영향을 주어 물의 배열에 지대한 영향을 미치게 되고, 이렇게 배열 된 물은 보다 쉽게 응결핵을 만들어 과냉각 현상을 방지하며, 어는 시간 역시 단축됨을 예상할 수 있다.

혹자는 물에 들어있는 산소의 양이 적기 때문에 많은 영향을 나타내지 못할 것이라고 생각 할수도 있지만 자석에 이끌려서 산소가 더 많이 용존 된다는 연구결과가 있다. 따라서, 이전 장에서 보신 기포의 배열과 같은 현상이 눈에 띠도록 이루어지는 것입니다. 자기장 실험을 여러 번, 여러 시료에 대해 실시한 결과 먼저 물의 경우, 어는 시간이 9.1% 감소하였고, 과냉각 현상이 사라졌다.

약간의 상자기성을 띠는 황산구리의 경우, 6.7%의 어는 시간 감소와 과냉각 온도가 1.4도씨 증가함을 알 수 있었습니다. 물의 어는 시간 감소가 황산구리의 어는 시간 감소보다 많은 것은 의외였지만, 아무리 산소가 많이 녹아있다 해도 1몰농도 만큼은 아니기 때문에 이는 산소의 경우 물과 수소결합을 이룰 수 있는 반면 황산구리는 쌍극자 모멘트에 의한 전기적 인력 밖에 주기 못하기 때문에, 되려 황산구리 수용액 내의 황산구리가 용존 산소와 물 분자 간의 수소결합에 방해를 줄 뿐인 것으로 예상한다. 전자 궤도 배치가 d5 물질인 염화철(FeCl2)의 경우, 모든 d오비탈의 전자가 홀 전자이기 때문에 강한 상자기성을 띠는데, 이와 같이 어는 시간을 18.9% 단축시키는 효과를 보였다. 하지만 반자기성 물질인 염화나트륨과 질산아연의 경우 반대의 결과가 나타났다. 이에 관해서는 정확한 설명을 하기가 어려운데, 반자기성인 물과 염화나트륨 혹은 질산 아연이 만나게 되는 경우 두 물질이 모두 자기장에 척력을 가지기 때문에 수용액의 엔트로피가 되려 증가하기 때문이라 예상한다.

따라서 염화나트륨의 경우 64,7%의 어는 시간 증가를 보였고, 질산 아연도 38.9%의 어는 시간 증가를 보였다. 다음으로 전기장의 영향에 대해 살펴 보았고 전기장의 경우 가해 줄 수 있는 방법이 여러가지가 있는데 먼저 전기분해 실험을 하듯이 수용액 내부에서 전기장을 가해주는 방법과, 용액 외부에서 가해주는 방법이 있었다. 하지만 외부에서 가해주는 실험의 경우 거의 효과를 나타내지 않았고, 실제로 용액 외부에 전기장이 생기기 위해서는 엄청난 볼테이지(V)가 필요하다는 연구 결과가 있어서 안전상의 문제로 용액 내부에서 자기장을 가하기로 결정했다.

하지만 결과적으로 어는 시간이 2.2% 증가함을 알 수 있었다.

다음은 전기장 실험 결과를 표로 나타낸 것이고 비전해질인 물의 경우 그나마 어는 시간의 증가가 덜하였지만, 이온 물질들을 섞어 놓은 경우 현저한 증가를 보여주었다. 이는 내부저항과 전기분해에 의한 발열으로 추측되는데, 따라서 정확한 측정이 힘든 것으로 보였다. 하지만 실제로 자기장과는 달리 과냉각 현상이 아예 사라졌다는 부분은 매우 고무적이며, 전기장 역시 이러한 변수들을 없애 줄 경우 어는 시간을 감소시키는 데에 효과가 있다는 것을 알 수 있었다.

따라서, 실험 결과 자기장의 경우는 상자기성 물질과 반자기성 물질에 따라 자기장에 따른 어는 시간의 변화가 다른 것으로 나타났다. 이는 상자기성 물질의 경우 자기장에 의해 중앙에 고립되어서 물의 배열에 영향을 주기 때문인 것으로 나타났다.

하지만 반자기성 물질의 경우 오히려 마찬가지로 반자기성인 물과 섞여 자기장에 의해 엔트로피가 증가해 어는 시간의 증가를 나타내는 것으로 해석되었다.

하지만 전기장의 경우 내부저항, 전기분해에 의한 발열에 의한 온도 증가로 정확한 어는 시간 증가를 측정하기 힘들었지만 과냉각 현상이 사라지는 것을 통해 전기장 역시 어는 시간에 영향을 미칠 것으로 판단되었다.

이러한 결과들을 여러 곳에 적용 시킬 수 있다. 먼저, 자기장에 의한 어는 시간 감소는 같은 열량을 빼앗어 갔을 때 시간 당 온도 변화가 더 커졌음을 의미한다.

따라서 열량의 공식, 열량은, 비열 곱하기 질량 곱하기 온도 변화를 일정하게 해 주기 위해서는 비열이 감소해야 한다는 결론이 나온다.

따라서, 자기장을 가해 줄 경우, 상자기성 물질의 경우 비열이 감소하고, 반자기성 물질의 경우 비열이 증가하게 되어, 자기장이 물질의 물리적 성질을 바꿀 수 있는 파라미터로서 작용함을 알 수 있다. 또한, 정수기의 얼음에도 자기장을 응용할 수 있는데 정수기 회사들은 기포를 없앤 깨끗한 얼음을 얻기 위해 중앙에 구멍을 뚫어놓고 자기장을 이용하여 기포를 중앙으로 모아준 후 구멍을 통해 빠져나갈 수 있게 한다면 보다 깨끗한 얼음을 만들 수 있을 것으로 기대된다.

1-1. 정수물
1-2. 냉각관
1-3. 영구자석(사마륨이나 네오다이늄 자석)
1-4.전기장 연결선
1-5. 전자기 제어부

Claims (1)

1. 상기 급수장치를 통해 유입되는 물을 저장하고 물 속의 용존기체 제거과정이 수행되는 제빙수 저장탱크와, 상기 제빙수 저장탱크의 일측부에 설치되는 제빙수 공급관과, 상기 제빙수 공급관의 개폐를 제어할 수 있도록 설치되는 제빙수 공급밸
   브를 포함하여 구성되는 제빙수 저장 및 공급장치;
   상기 제빙수 저장탱크 저면에 설치되어 제빙수의 용존기체가 제거되도록 제빙수 저장탱크에 전기장과 자기장을 배향하는장치 상기 제빙 트레이에서 생성된 얼음이 토출 되어 저장되는 아이스 뱅크로 구성되는 자동 제빙기:를 포함하여서 구성됨을 특징으로 하는 전기장과 지기장을 이용한 투명빙 제조 장치.

Images