CN104916187A - 超声强化冰结晶实验装置与实验方法 - Google Patents

Abstract

一种超声强化冰结晶实验装置，在底座上设透明水槽，透明水槽内左侧壁和右侧壁上设两组冷面相对的半导体制冷片，靠近透明水槽前侧壁的半导体制冷片的前侧面为热面，靠近透明水槽后侧壁的半导体制冷片的后侧面为热面，两组半导体制冷片下端设置有底板，两组半导体制冷片、透明水槽的左侧壁、右侧壁与底板构成实验水槽，透明水槽和实验水槽内装满水，底板的下表面设超声换能器，透明水槽右侧底座上设光屏、左侧底座上设安装有半导体激光器的激光器支架，半导体激光器出射激光的发散角为10°～20°，发散激光束的中心线与实验水槽水平中心线重合，透过实验水槽的发散激光束投射在光屏上呈现出实验水槽内水结冰过程的动态图景。

Description

超声强化冰结晶实验装置与实验方法

技术领域

本发明属于实验仪器领域，具体涉及到冰结晶过程的实验装置。

背景技术

超声强化液相结晶是一种新的结晶技术，由于其具有促进液相冻结、控制晶体粒径分布和提高冻结产品质量的作用，近年来受到越来越多的关注，并成为化工、食品、制药等相关领域的研究热点。但从物理角度研究超声强化液相结晶过程，优化超声参数，对超声强化液相结晶技术的应用显得尤为重要。采用光学手段非接触观测超声波作用于液相结晶过程，是研究超声强化液相结晶机理的有效手段。上海理工大学博士论文“超声波强化溶液冻结的机理研究”中公开一种实验装置，其特征是采用金相显微镜和CCD实时采集超声作用下蔗糖溶液结晶过程中的动态图景，取得了较好的效果，但其只能观察采集结晶体表面的相关信息，而对结晶过程中液相内部的晶粒形成过程和超声作用下晶粒的致密性无法采集，使得其应用具有一定的局限性。因此研究一种可实时透视超声作用下液相内部结晶过程的实验装置与方法，具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服现有技术的缺点，提供一种设计合理、结构简单、演示效果直观的超声强化冰结晶实验装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用超声强化冰结晶实验装置的实验方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置有透明水槽，透明水槽内的左侧壁和右侧壁上设置有与左侧壁和右侧壁垂直的两组半导体制冷片，两组半导体制冷片的冷面相对，靠近透明水槽前侧壁的半导体制冷片的前侧面为热面，靠近透明水槽后侧壁的半导体制冷片的后侧面为热面，两组半导体制冷片的下表面上设置有底板，两组半导体制冷片、透明水槽的左侧壁、右侧壁与底板构成实验水槽，透明水槽和实验水槽内装满水，在底板的下表面上设置有辐射端面向上的超声换能器，在透明水槽右侧底座上设置有光屏、左侧底座上设置安装有半导体激光器的激光器支架，半导体激光器出射激光的发散角为10°～20°，半导体激光器出射的发散激光束的中心线与实验水槽水平中心线重合，透过实验水槽的发散激光束投射在光屏上呈现出实验水槽内水结冰过程的动态图景。

本发明的每一组半导体制冷片由至少两块半导体制冷片构成，一块半导体制冷片的冷面与另一块半导体制冷片的热面用导热胶粘接构成，两组半导体制冷片的上表面与透明水槽的左侧壁、右侧壁上表面平齐，两组半导体制冷片以透明水槽垂直中心面相对称，并与透明水槽的前侧壁相平行，两组半导体制冷片之间的距离与半导体制冷片的宽度相同。

本发明的透明水槽的几何形状为长方体，半导体制冷片为几何形状相同的长方体。

本发明的半导体激光器出射激光的发散角最佳为15°。

上述的超声强化冰结晶实验装置的实验方法是由下述步骤组成：

(1)观察冰的结晶过程

在实验水槽内加入容积80％的水，接通半导体制冷片和半导体激光器的电源，使发散角为10°～20°的激光束透过实验水槽中温度逐渐降低的水投射在光屏上，从实验水槽内水中冰晶的形成，到的水完全结冰，在光屏上观察圆形光斑均匀性的变化过程。

(2)观察超声强化冰结晶过程

在水槽中加入容积80％的水，接通半导体制冷片电源、半导体激光器、超声换能器电源，使发散角为10°～20°的激光束透过实验水槽中温度逐渐降低的水投射在光屏上，从实验水槽内水中冰晶的形成，到水完全结冰，在光屏上观察圆形光斑均匀性的变化过程。

在本发明的观察冰的结晶过程步骤(1)中，在实验水槽内加入容积80％的水，接通半导体制冷片和半导体激光器的电源，使发散角最佳为15°的激光束透过实验水槽中温度逐渐降低的水投射在光屏上，从实验水槽内水中冰晶的形成，到的水完全结冰，在光屏上观察圆形光斑均匀性的变化过程。

在本发明的观察超声强化冰结晶过程步骤(2)中，在水槽中加入容积80％的水，接通半导体制冷片电源、半导体激光器、超声换能器电源，使发散角最佳为15°的激光束透过实验水槽中温度逐渐降低的水投射在光屏上，从实验水槽内水中冰晶的形成，到水完全结冰，在光屏上观察圆形光斑均匀性的变化过程。

由于本发明采用在透明水槽内的左侧壁和右侧壁上设置有与左侧壁和右侧壁垂直的两组半导体制冷片，两组半导体制冷片的冷面相对，两组半导体制冷片的下表面上设置有底板，两组半导体制冷片、透明水槽的左侧壁、右侧壁与底板构成实验水槽，底板上设置有超声换能器，接通半导体制冷片的电源，冷面上及附近形成冰晶，超声波换能器产生的超声波作用于上述冰结晶过程中，加快了水中的热交换，透过实验水槽的发散激光束又逐渐向水槽内中部通过，从实验水槽内水温的降低到结冰过程的完成，通过光屏上圆形光斑均匀性的同步变化，实现了冰结晶过程的动态显示，数十倍的放大了激光束透过区域冰结晶图景，光屏上圆形光斑均匀性的变化情况，真实地反映了实验水槽内的冰结晶过程。本发明实验装置以及使用本发明实验装置的实验方法具有设计合理、结构简单、演示效果直观的等优点，可作为物理学中冰结晶过程的实验装置以及实验方法。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是的图1的俯视图。

图3是图1的A-A剖视图。

图4是发散激光束透过自然结冰块投射在光屏3上的圆形光斑照片。

图5是发散激光束透过超声强化结冰块投射在光屏3上的圆形光斑照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1、2、3中，本实施例的超声强化冰结晶实验装置由半导体激光器1、透明水槽2、光屏3、底座4、超声换能器5、底板6、激光器支架7、半导体制冷片8联接构成。

在底座4上放置有透明水槽2，透明水槽2采用石英玻璃制成，透明水槽2的几何形状为长方体，在透明水槽2内的左侧壁和右侧壁上用胶密封粘结有与左侧壁和右侧壁垂直的两组半导体制冷片8，半导体制冷片8为几何形状相同的长方体，每一组半导体制冷片8由一块半导体制冷片8的冷面与另一块半导体制冷片8的热面用导热胶粘接构成，两组半导体制冷片8的上表面与透明水槽2的左侧壁、右侧壁上表面平齐，两组半导体制冷片8以透明水槽2垂直中心面相对称，并与透明水槽2的前侧壁相平行，两组半导体制冷片8之间的距离与半导体制冷片8的宽度相同，两组半导体制冷片8的冷面相对，靠近透明水槽2前侧壁的半导体制冷片8的前侧面为热面，靠近透明水槽2后侧壁的半导体制冷片8的后侧面为热面，在两组半导体制冷片8的下表面上用胶密封粘接有一块底板6，底板6采用不锈钢板，两组半导体制冷片8、透明水槽2的左侧壁、右侧壁与底板6构成实验水槽，实验水槽位于透明水槽2内上中部位置，透明水槽2和实验水槽内装满水。在底板6的下表面上用螺纹紧固联接件固定联接安装有超声换能器5，超声换能器5的辐射端面向上，超声换能器5的下半部浸在透明水槽2内的水中，超声换能器5产生的超声波透过底板6进入实验水槽内水中。

接通半导体制冷片8的电源，实验水槽内的水温开始下降直至结冰，在透明水槽2右侧底座4上安装有光屏3，光屏3用于呈现冰结晶过程的动态图景。在透明水槽2左侧底座4上放置有激光器支架7，激光器支架7上安装有半导体激光器1，半导体激光器1可在半导体激光器1支架上转动，半导体激光器1用于产生激光，半导体激光器1出射激光的发散角为15°，半导体激光器1出射的发散激光束的中心线与实验水槽水平中心线重合，透过实验水槽的发散激光束投射在光屏3上，在光屏3上呈现出实验水槽内水结冰过程的动态图景，通过观察发散激光束透过实验水槽在光屏3上呈现的圆形光斑均匀性的动态变化，实现水的自然结冰和超声强化冰结晶过程的实时观测。

使用本实施例的超声强化冰结晶实验装置的实验方法如下：

1、观察冰的结晶过程

在实验水槽内加入容积80％的水，接通半导体制冷片8和半导体激光器1的电源，使发散角为15°的激光束透过实验水槽中温度逐渐降低的水投射在光屏3上，从实验水槽内水中冰晶的形成，到水完全结冰，在光屏3上观察圆形光斑均匀性的变化过程。水完全结冰后圆形光斑如图4所示，由图4可见，圆形光斑呈现明显不均匀，而且不均匀区域的光斑块较大，说明实验水槽中形成的冰晶尺度大、结构疏松，对通过激光束的散射吸收能力强，使得圆形光斑的亮度显著降低。

2、观察超声强化冰结晶过程

在水槽中加入容积80％的水，接通半导体制冷片8电源、半导体激光器1、超声换能器5电源，使发散角为15°的激光束透过实验水槽中温度逐渐降低的水投射在光屏3上，从实验水槽内水中冰晶的形成，到水完全结冰，在光屏3上观察圆形光斑均匀性的变化过程。水完全结冰后圆形光斑如图5所示，由图5可见，圆形光斑呈现不均匀，但不均匀区域的光斑块较小，与图4比较，说明这时实验水槽中形成的冰晶晶粒细小、结构致密，对通过激光束的散射吸收较小，直观显示了超声强化冰结晶的效果。

实施例2

在透明水槽2内的左侧壁和右侧壁上用胶密封粘结有与左侧壁和右侧壁垂直的两组半导体制冷片8，两组半导体制冷片8的几何形状、结构以及与透明水槽2的联接关系与实施例1相同，两组半导体制冷片8、透明水槽2的左侧壁、右侧壁与底板6构成实验水槽，透明水槽2和实验水槽内装满水。在透明水槽2左侧底座4上放置有激光器支架7，激光器支架7上安装有半导体激光器1，半导体激光器1出射激光的发散角为10°，半导体激光器1出射的发散激光束的中心线与实验水槽水平中心线重合，透过实验水槽的发散激光束投射在光屏3上，在光屏3上呈现出实验水槽水结冰过程的动态图景，通过观察发散激光束透过实验水槽在光屏3上呈现的圆形光斑均匀性的动态变化，实现水的自然结冰和超声强化冰结晶过程的实时观测。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用本实施例超声强化冰结晶实验装置的实验方法如下：

1、观察冰的结晶过程

在实验水槽内加入容积80％的水，接通半导体制冷片8和半导体激光器1的电源，使发散角为10°的激光束透过实验水槽中温度逐渐降低的水投射在光屏3上，从实验水槽内水中冰晶的形成，到的水完全结冰，在光屏3上观察圆形光斑均匀性的变化过程。

2、观察超声强化冰结晶过程

在水槽中加入容积80％的水，接通半导体制冷片8电源、半导体激光器1、超声换能器5电源，使发散角为10°的激光束透过实验水槽中温度逐渐降低的水投射在光屏3上，从实验水槽内水中冰晶的形成，到水完全结冰，在光屏3上观察圆形光斑均匀性的变化过程。

实施例3

在透明水槽2内的左侧壁和右侧壁上用胶密封粘结有与左侧壁和右侧壁垂直的两组半导体制冷片8，两组半导体制冷片8的几何形状、结构以及与透明水槽2的联接关系与实施例1相同，两组半导体制冷片8、透明水槽2的左侧壁、右侧壁与底板6构成实验水槽，透明水槽2和实验水槽内装满水。在透明水槽2左侧底座4上放置有激光器支架7，激光器支架7上安装有半导体激光器1，半导体激光器1出射激光的发散角为20°，半导体激光器1出射的发散激光束的中心线与实验水槽水平中心线重合，透过实验水槽的发散激光束投射在光屏3上，在光屏3上呈现出实验水槽水结冰过程的动态图景，通过观察发散激光束透过实验水槽在光屏3上呈现的圆形光斑均匀性的动态变化，实现水的自然结冰和超声强化冰结晶过程的实时观测。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用本实施例超声强化冰结晶实验装置的实验方法如下：

1、观察冰的结晶过程

在实验水槽内加入容积80％的水，接通半导体制冷片8和半导体激光器1的电源，使发散角为20°的激光束透过实验水槽中温度逐渐降低的水投射在光屏3上，从实验水槽内水中冰晶的形成，到的水完全结冰，在光屏3上观察圆形光斑均匀性的变化过程。

2、观察超声强化冰结晶过程

在水槽中加入容积80％的水，接通半导体制冷片8电源、半导体激光器1、超声换能器5电源，使发散角为20°的激光束透过实验水槽中温度逐渐降低的水投射在光屏3上，从实验水槽内水中冰晶的形成，到水完全结冰，在光屏3上观察圆形光斑均匀性的变化过程。

实施例4

在以上的实施例1～3中，在透明水槽2内的左侧壁和右侧壁上用胶密封粘结有与左侧壁和右侧壁垂直的两组半导体制冷片8，每一组半导体制冷片8由3块半导体制冷片8组成，一块半导体制冷片8的冷面与相邻一块半导体制冷片8的热面用导热胶粘接构成，两组半导体制冷片8的上表面与透明水槽2的左侧壁、右侧壁上表面平齐，两组半导体制冷片8以透明水槽2垂直中心面相对称，并与透明水槽2的前侧壁相平行，两组半导体制冷片8之间的距离与半导体制冷片8的宽度相同，两组半导体制冷片8的冷面相对，靠近透明水槽2前侧壁的半导体制冷片8的前侧面为热面，靠近透明水槽2后侧壁的半导体制冷片8的后侧面为热面。其他零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

使用本实施例超声强化冰结晶实验装置的实验方法与相应的实施例相同。

本发明的工作原理如下：

本发明基于光线在均匀介质中直线传输，在非均匀介质中向折射率大的区域偏折的原理，以及冰的折射率小于水的折射率和冰结晶时的放热效应，实现冰结晶过程的实时动态观察。接通电源的半导体制冷片8冷面不断吸收冷面附近处水中热量，实验水槽中部的水在热传导下温度也开始降低，由于热平衡有一个过程，实验水槽内水的温度必然出现非均匀分布，相应的实验水槽内水的折射率呈现出非均匀分布。基于光线通过非均匀介质时向折射率大的区域偏折的原理，以及水在4℃以上，温度低、折射率大；温度高、折射率小的光学特性，本发明采用发散的激光束通过实验水槽内温度非均匀水体时，激光束中的部分光线向两侧半导体制冷片8的冷面方向偏折，使光屏3上的圆形光斑呈现出左、右两边亮度增强、中部亮度降低的显著变化，通过圆形光斑均匀性的变化，实现观察实验水槽内水温分布均匀性。随着实验水槽内水温的降低，在半导体制冷片8的冷面上及附近首先形成冰晶，冰的折射率明显小于水的折射率，冰在结晶过程中产生放热效应，透过实验水槽的发散激光束又逐渐向实验水槽内中部仍未结冰但温度显著降低的水中偏折，光屏3上的圆形光斑又呈现中间亮、两边暗的变化。随着实验水槽内水温的进一步降低，实验水槽中部的水也开始结冰，但冰的晶粒较大，且结构疏松，对通过的激光束散射吸收，使得光屏3上圆形光斑的亮度显著降低。上述过程说明，从实验水槽内水温的降低到结冰过程的完成，通过光屏3上圆形光斑均匀性的同步变化，实现了冰结晶过程的动态显示，光屏3上圆形光斑均匀性的变化情况，真实地反映了实验水槽内的冰结晶过程。

将超声波作用于上述冰结晶过程中，超声波的空化现象形成的机械效应，对温度非均匀的水体从微尺度上产生强烈的“搅拌”作用，加快了水中的热交换，使实验水槽内处于降温过程的水温趋于一致并同时降低，即并没有形成明显的温度梯度。因此通过实验水槽内处于降温过程中水的发散激光束，在光屏3上投射的圆形光斑均匀性，明显优于没有超声作用时的圆形光斑的均匀性。随着实验水槽内水温的降低，水中开始形成冰晶，同时圆形光斑中出现均匀分布的亮斑，显示了冰晶形成过程中的放热效应，在冰水共存的体系中出现小尺度范围的温度差和折射率差异。温度的进一步降低，同时在超声波的作用下，实验水槽内形成冰晶尺度小、致密性好，如同玻璃一样冰块，冰块的密度均匀、透光性好，发散的激光束透过冰块后在光屏3上投射圆形光斑的亮度和均匀性，仍优于没有超声作用时的圆形光斑的亮度和均匀性。因此，光屏3上圆形光斑亮度和均匀性的动态变化过程，直观同步显示了冰的结晶过程和超声作用对冰晶尺度和冰块致密性的显著影响。

Claims (6)

1.一种超声强化冰结晶实验装置，其特征在于：在底座(4)上设置有透明水槽(2)，透明水槽(2)内的左侧壁和右侧壁上设置有与左侧壁和右侧壁垂直的两组半导体制冷片(8)，两组半导体制冷片(8)的冷面相对，靠近透明水槽(2)前侧壁的半导体制冷片(8)的前侧面为热面，靠近透明水槽(2)后侧壁的半导体制冷片(8)的后侧面为热面，两组半导体制冷片(8)的下表面上设置有底板(6)，两组半导体制冷片(8)、透明水槽(2)的左侧壁、右侧壁与底板(6)构成实验水槽，透明水槽(2)和实验水槽内装满水，在底板(6)的下表面上设置有辐射端面向上的超声换能器(5)，在透明水槽(2)右侧底座(4)上设置有光屏(3)、左侧底座(4)上设置安装有半导体激光器(1)的激光器支架(7)，半导体激光器(1)出射激光的发散角为10°～20°，半导体激光器(1)出射的发散激光束的中心线与实验水槽水平中心线重合，透过实验水槽的发散激光束投射在光屏(3)上呈现出实验水槽内水结冰过程的动态图景。

2.根据权利要求1所述的超声强化冰结晶实验装置，其特征在于：所述的每一组半导体制冷片(8)由至少两块半导体制冷片(8)构成，一块半导体制冷片(8)的冷面与另一块半导体制冷片(8)的热面用导热胶粘接构成，两组半导体制冷片(8)的上表面与透明水槽(2)的左侧壁、右侧壁上表面平齐，两组半导体制冷片(8)以透明水槽(2)垂直中心面相对称，并与透明水槽(2)的前侧壁相平行，两组半导体制冷片(8)之间的距离与半导体制冷片(8)的宽度相同。

3.根据权利要求2所述的超声强化冰结晶实验装置，其特征在于：所述的透明水槽(2)的几何形状为长方体，半导体制冷片(8)为几何形状相同的长方体。

4.根据权利要求1所述的超声强化冰结晶实验装置，其特征在于：所述的半导体激光器(1)出射激光的发散角为15°。

5.一种使用权利要求1所述的超声强化冰结晶实验装置的实验方法，其特征在于它是由下述步骤组成：

(1)观察冰的结晶过程

在实验水槽内加入容积80％的水，接通半导体制冷片(8)和半导体激光器(1)的电源，使发散角为10°～20°的激光束透过实验水槽中温度逐渐降低的水投射在光屏(3)上，从实验水槽内水中冰晶的形成，到的水完全结冰，在光屏(3)上观察圆形光斑均匀性的变化过程；

(2)观察超声强化冰结晶过程

在水槽中加入容积80％的水，接通半导体制冷片(8)电源、半导体激光器(1)、超声换能器(5)电源，使发散角为10°～20°的激光束透过实验水槽中温度逐渐降低的水投射在光屏(3)上，从实验水槽内水中冰晶的形成，到水完全结冰，在光屏(3)上观察圆形光斑均匀性的变化过程。

6.根据权利要求5所述的实验方法，其特征在于：在观察冰的结晶过程步骤(1)中，在实验水槽内加入容积80％的水，接通半导体制冷片(8)和半导体激光器(1)的电源，使发散角为15°的激光束透过实验水槽中温度逐渐降低的水投射在光屏(3)上，从实验水槽内水中冰晶的形成，到的水完全结冰，在光屏(3)上观察圆形光斑均匀性的变化过程；

在观察超声强化冰结晶过程步骤(2)中，在水槽中加入容积80％的水，接通半导体制冷片(8)电源、半导体激光器(1)、超声换能器(5)电源，使发散角为15°的激光束透过实验水槽中温度逐渐降低的水投射在光屏(3)上，从实验水槽内水中冰晶的形成，到水完全结冰，在光屏(3)上观察圆形光斑均匀性的变化过程。