本發(fā)明屬于制冰，涉及一種基于電導(dǎo)率的分層冰體制備裝置及方法。
背景技術(shù)：
1、在生產(chǎn)生活中，冰的應(yīng)用場景廣泛，涵蓋食品工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)和冰雪賽事等多個領(lǐng)域。在冰雪賽事中冰面硬度與冰晶尺寸、致密性密切相關(guān)，如短道速滑需要高硬度冰面以減少冰刀切入深度，而花樣滑冰需適當(dāng)降低硬度以保障跳躍落冰緩沖性。然而傳統(tǒng)冰體制備方法如單向冷凍、溫度梯度誘導(dǎo)等，通常依賴單一的溫度或壓力參數(shù)，難以精確控制冰體的內(nèi)部電導(dǎo)率分布及分層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致冰晶形態(tài)、孔隙率等關(guān)鍵性能無法按需定制，限制了其在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。
2、目前，現(xiàn)有冰體制備技術(shù)在控制冰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面尚無有效解決方案。例如，專利申請?zhí)枮?02280068299.7的專利“用于制造透明冰的方法和設(shè)備”通過控制制冰用水的tds值，排出高tds值的水以制備透明冰。然而，該方法僅通過調(diào)節(jié)水的tds值來制備透明冰，并未改進(jìn)制冰方法本身，且需要依賴小型模具，難以應(yīng)用于大規(guī)模制冰場景?，F(xiàn)有冰體制備技術(shù)在控制冰體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)方面仍存在諸多局限性，亟需進(jìn)一步研究以開發(fā)更為高效、靈活且適用于多種場景的冰體制備方法。
3、本技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有冰體調(diào)控方法存在顯著局限性，主要體現(xiàn)在冰體內(nèi)部理化性質(zhì)難以精準(zhǔn)調(diào)控方面。傳統(tǒng)技術(shù)雖能實現(xiàn)整體冰質(zhì)調(diào)節(jié)，但在局部特性控制、設(shè)備經(jīng)濟(jì)性及成冰均勻性等方面面臨多重技術(shù)瓶頸：(1)受結(jié)晶過程物相轉(zhuǎn)變規(guī)律影響，現(xiàn)有技術(shù)難以維持冰體理化性質(zhì)的縱向一致性，導(dǎo)致透明度梯度變化、硬度分布不均等問題，嚴(yán)重影響冰結(jié)構(gòu)整體性能。(2)傳統(tǒng)方法僅能實現(xiàn)冰體宏觀參數(shù)調(diào)節(jié)，無法在制冰過程中針對特定區(qū)域進(jìn)行定向改性，難以滿足醫(yī)療冷鏈、實驗研究等領(lǐng)域?qū)Ρw功能分區(qū)的特殊需求。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于電導(dǎo)率的分層冰體制備裝置及方法，通過建立水溶液電導(dǎo)率與冰體含氣量、透明度、力學(xué)強(qiáng)度之間的定量關(guān)系模型，采用多級梯度注水工藝在制冷基面實現(xiàn)冰層精準(zhǔn)調(diào)控。相較于傳統(tǒng)方法具有三大優(yōu)勢：(1)設(shè)備簡易化設(shè)計，顯著降低制造成本，僅需常規(guī)制冷裝置配合智能注水系統(tǒng)即可實施；(2)通過分層結(jié)晶控制實現(xiàn)冰體縱向物性梯度設(shè)計，突破成冰均勻性限制；(3)支持高精度的局部區(qū)域特性調(diào)控，可根據(jù)應(yīng)用場景需求構(gòu)建具有功能分區(qū)的復(fù)合冰體。
2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
3、一種基于電導(dǎo)率的分層冰體制備裝置，該裝置包括制冷面溫度傳感器1、制冷單元2、冷凍室3、保溫材料4、電導(dǎo)率傳感器5和蓄水裝置6；
4、所述保溫材料4用于對冷凍室3進(jìn)行保溫；
5、所述冷凍室3的內(nèi)部底面有制冷單元2，用于向冷凍室3供冷，制冷單元2的上表面為制冷面；
6、所述制冷面溫度傳感器1用于監(jiān)測制冷單元2的溫度，制冷面溫度傳感器1為多個，均勻分布在監(jiān)測制冷單元2的表面；；
7、所述電導(dǎo)率傳感器5用于測量蓄水裝置6中水的電導(dǎo)率；
8、所述蓄水裝置6用于給冷凍室3注入水。
9、所述制冷面溫度傳感器1可采用電阻溫度計或熱電偶溫度傳感器；
10、制冷單元2支持壓縮式、吸收式或半導(dǎo)體制冷模式；
11、冷凍室3由鋁合金、不銹鋼等金屬材料或陶瓷、塑料等非金屬材料制成，內(nèi)部為冰體形成提供可控凍結(jié)環(huán)境；
12、保溫材料4選用低導(dǎo)熱系數(shù)的保溫棉或珍珠棉，以減少熱量散失；
13、電導(dǎo)率傳感器5可根據(jù)需求配置為平板式、環(huán)形或插入式結(jié)構(gòu)；
14、蓄水裝置6材質(zhì)與冷凍室3兼容，確保水質(zhì)穩(wěn)定性。
15、保溫材料4被固定在冷凍室3的外側(cè)，以減少制冰過程中的熱量損失。
16、如果冷凍室3是由金屬制成，保溫材料4則安裝在冷凍室3的內(nèi)表面，以確保冰的單向凍結(jié)。如果冷凍室3是由非金屬制成，保溫材料4則安裝在冷凍室3的外表面；
17、冷凍室3的頂部設(shè)計為敞口或配備可開啟的頂蓋，以便在制冰過程中可以分次向冷凍室3內(nèi)注入水。
18、一種基于電導(dǎo)率的分層冰體制備方法，該方法的步驟包括：
19、第一步，在蓄水裝置6中注入第一層制冰用水，水的電導(dǎo)率滿足設(shè)定值；通過調(diào)節(jié)去離子水與市政水的比例混合，直至電導(dǎo)率傳感器監(jiān)測到制冰用水滿足預(yù)設(shè)條件；
20、第二步，開啟制冷單元2對冷凍室3進(jìn)行降溫至設(shè)定溫度t0，當(dāng)制冷面溫度傳感器1檢測到制冷單元2的溫度達(dá)到t0且穩(wěn)定后，通過蓄水裝置6向冷凍室3內(nèi)通過噴頭或手動加入第一層制冰用水，當(dāng)制冷面溫度降低至t0時，第一層制冰用水完全凍結(jié)；
21、第三步，在蓄水裝置6中注入第二層制冰用水，通過蓄水裝置6向冷凍室3內(nèi)通過噴頭或手動加入第二層制冰用水，當(dāng)制冷面溫度降低至t0時，第二層制冰用水完全凍結(jié)；
22、重復(fù)第三步，直至制冰高度達(dá)到要求，完成分層冰體制備。
23、冰體的透明度和硬度與電導(dǎo)率的關(guān)系如下：
24、a＝a1c2+b1c+c1
25、d＝a2c2+b2c+c2
26、式中，a為冰體的透明度，％；
27、c為水的電導(dǎo)率，μs/cm；
28、d為冰體的硬度，hd；
29、a1、a2、b1、b2、c1、和c2為常數(shù)。
30、有益效果
31、1、本申請采用的基于電導(dǎo)率的分層冰體制備技術(shù)，通過簡單的部件組合與操作流程，即可實現(xiàn)對冰體特性的調(diào)節(jié)，無需復(fù)雜的模具或特殊結(jié)構(gòu)，易于大規(guī)模應(yīng)用，操作也更為簡便。
32、2、本申請通過精確調(diào)節(jié)每次注水的電導(dǎo)率，能夠在冰體制備過程中不改變冰體氣體含量的情況下對冰體每一層的透明度、硬度等理化性質(zhì)進(jìn)行單獨(dú)控制，從而實現(xiàn)對冰體內(nèi)部局部特性的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，滿足更多場景下對冰體性能的特殊需要，如在科學(xué)研究中對不同層次冰體物理化學(xué)性質(zhì)的精確要求等。
33、3、本申請所采用的技術(shù)方案，所涉及的部件均為常見且成本較低的設(shè)備，如普通的制冷單元、電導(dǎo)率傳感器等，易于采購與維護(hù)，降低了制冰設(shè)備的總體成本，同時也減少了因設(shè)備維護(hù)帶來的不便。
34、4、在本發(fā)明的實施例中，制冷單元采用低溫恒溫水浴，主要通過壓縮式制冷來實現(xiàn)。此外，本發(fā)明也兼容半導(dǎo)體熱電制冷、吸收式制冷等多種制冷方式。
35、5、本發(fā)明通過多個噴嘴確保噴水過程中冷凍室內(nèi)水量分布均勻。除了噴嘴，均流板或其他均流方式，甚至直接手動注水，均可作為本發(fā)明的替代方案。
1.一種基于電導(dǎo)率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電導(dǎo)率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電導(dǎo)率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電導(dǎo)率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電導(dǎo)率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電導(dǎo)率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電導(dǎo)率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電導(dǎo)率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
9.一種基于電導(dǎo)率的分層冰體制備方法，其特征在于該方法的步驟包括：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于電導(dǎo)率的分層冰體制備方法，其特征在于：