CN105865108B - 一种厘米级方形冰块制取装置及其制冰方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种厘米级方形冰块制取装置及其制冰方法和应用。所述装置包括呈中空长方体形状、顶面开敞、用于盛水的储水盒，可沉入储水盒中的制冰板，及与制冰板配合使用的取冰锥；储水盒包括储水盒底板、设于储水盒底板上表面四周的两块长边栏板和两块短边栏板，长边栏板高度h1为1cm、小于短边栏板高度h2；制冰板上开有若干从制冰板上表面到制冰板下表面呈通孔的制冰孔，制冰孔为棱长1cm的立方体形状，制冰板高度h0为1cm；取冰锥包括取冰锥底板和若干设于取冰锥底板上、可插入制冰孔中的锥体，锥体位置与制冰孔位置对应。本发明不仅能高效制取出大量的规则均一的厘米级方形冰块，而且制取装置结构简单、可重复利用，制冰方法操作性好，成本低。

Description

一种厘米级方形冰块制取装置及其制冰方法和应用
技术领域
本发明特别涉及一种能够大量、高效制取规则、均一厘米级冰块的厘米级方形冰块制取装置及其制冰方法和应用。
背景技术
冰-岩碎屑流(rock-ice avalanches)是一种在启动时携带冰屑或在运动时铲刮而裹入冰屑的特殊碎屑流，往往发生在人迹罕至的高寒山区。在喀喇昆仑-喜马拉雅山脉一带，有记录的冰-岩碎屑流事件至少115起(不包括中国境内的事件)。在我国青藏高原，冰-岩碎屑流事件也屡见不鲜。由于其超强的运动性，屡屡引发震惊世人的灾难性事件。1970年5月，秘鲁Huascarán冰-岩碎屑流以高达78m/s的平均速度远程运动了16km，造成18000多人死亡，是史上最为惨重的滑坡灾难；2002年9月，俄罗斯Kolka-Karmadon冰-岩碎屑流以28m/s的平均速度运动了18km，随后转化为泥石流又前进了15km，致使140余人遇难；2000年4月，我国易贡滑坡启动时携带大量冰体，远程冲出8km后堵塞易贡藏布(江)，随后的堰塞坝溃决洪水致使下游地区受灾区域长达450km。随着川藏铁路和进藏公路的修筑、藏区水电资源的开发和利用，将有越来越多的基础工程设施修筑在高寒山区，高寒山区的人类活动范围将日益扩大，由此进入人们视野、影响生产和生活的冰-岩碎屑流灾害事件将越来越多。这些现实情况迫切要求深化对冰-岩碎屑流运动特性的认识，为冰-岩碎屑流防灾减灾提供科学依据。
由于冰-岩碎屑流往往发生在边远的高寒山区，而且周期长、历时短，很难通过现场观测去捕获其运动过程。因此，通过室内模型实验再现冰-岩碎屑流的运动过程，定量分析其运动特性和机理，是一个十分重要的、必不可少的研究手段。但在室内模型实验中，冰屑的制作是个难题。
在已开展的模型实验中，研究人员通常采用碎冰作为冰屑材料。采用碎冰的好处在于原料来源多样、制作简单。比如，采用塑料袋、塑料盒等定型或不定型的装置装水速冻、制作整冰，或者从制冰工厂购买成品整冰，将整冰取出后通过砸、敲等各种破碎手段制作碎冰。但是，碎冰材料也存在一些缺点。比如，碎冰尺寸不一、形状复杂多样，不易考虑形状的影响；除了冻冰、砸冰外，还需要通过筛冰获取所需粒径，工序较多；筛分过程容易改变碎冰形状，且造成碎冰大量融化。如果能采用方型冰块则可避免上述这些问题，因为方型冰尺寸、形状较为单一，无需通过筛分确定粒径，也避免了筛分过程对形状的改变以及融水的增加，但目前市场上成品方型冰粒径往往较大(一般在3cm以上)，不能完全满足模型实验对小尺寸冰块的需求(比如厘米级方形冰块，即棱长1cm的立方体冰块)。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种厘米级方形冰块制取装置及其制冰方法和应用，不仅能够高效地制取出大量的规则均一的厘米级方形冰块，而且制取装置结构简单、可重复利用，制冰方法操作性好，成本低。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
本发明提出一种厘米级方形冰块(即冰块为棱长1cm的立方体形状)制取装置，所述厘米级方形冰块制取装置包括呈中空长方体形状、顶面开敞、用于盛水的储水盒，可沉入储水盒中的制冰板(即制冰板密度大于水、且尺寸小于储水盒盛水空间的尺寸)，及与制冰板配合使用的取冰锥。所述储水盒包括储水盒底板，设于储水盒底板上表面四周的两块长边栏板和两块短边栏板(两块长边栏板和两块短边栏板分别对称布设于储水盒底板上表面的四周)；长边栏板高度h1为1cm，短边栏板高度h2大于长边栏板高度h1，优选短边栏板高度h2比长边栏板高度h1大0.5cm。所述制冰板上开有若干从制冰板上表面到制冰板下表面呈通孔的制冰孔，制冰孔为棱长1cm的立方体形状，制冰板高度h0为1cm。所述取冰锥包括取冰锥底板和若干设于取冰锥底板上、可插入制冰孔中的锥体(即锥体的断面尺寸小于制冰孔断面尺寸，避免卡孔，且有助于提高挤冰强度)，锥体位置与制冰孔位置对应(即若干锥体在取冰锥底板上的排列位置与若干制冰孔在制冰板上的排列位置对应，如此才能满足所有锥体同时插入制冰孔中)。
根据冰柜尺寸确定储水盒尺寸，根据储水盒尺寸确定制冰板尺寸，根据制冰板尺寸确定制冰孔分布和数量，根据制冰板尺寸和制冰孔分布确定取冰锥尺寸和锥体分布。储水盒的长宽比一般为2:1，使用时根据冰柜内部形状，本着紧凑原则调整储水盒码放形式，尽可能多地码放储水盒。制冰板和储水盒盛水空间均为长方体形状，制冰板长度比储水盒盛水空间的长度小1cm，制冰板宽度比储水盒盛水空间的宽度小1cm；制冰板沉入储水盒中时与长边栏板和短边栏板间的间隙均为0.5cm，如果这个间隙太宽、则浪费空间，如果太窄、则不好插入工具将制冰板从储水盒中撬开。
制冰孔在制冰板上呈矩阵均匀分布，锥体在冰锥底板上呈矩阵均匀分布。制冰孔数量太多时，取冰需要克服较多的冰-板粘接力，因此人工挤冰出孔时，建议一次性出冰数小于100个，相应地，锥体的数量为10×10个；制冰孔的数量可略多点，建议为10×20个，如此可更好地利用空间(可省栏板空间)，而且与现有冰柜空间更容易匹配。如果用机器挤冰出孔，则一次性出冰数不受限制。制冰孔间的间距为0.5cm，间距太宽浪费空间、间距太窄则强度不够容易挤破。总之，制冰孔位宜均匀分布，且不宜太密，如此一来便于加工且能够保障制冰板的整体强度；取冰锥锥体和取冰锥底板由整块板雕刻而成，且取冰锥底板不宜太薄，如此一来可保障锥体与取冰锥底板牢固连接，且不会刺穿底板。
所述储水盒和取冰锥的材质采用亚克力，便于雕刻、切割、粘接，遇冷不易变形、变脆。所述制冰板采用密度大于水的材质，优选为亚克力板，不仅便于雕刻、切割、粘接，遇冷不易变形、变脆，而且亚克力的密度大于水的密度，使得亚克力制冰板能够沉入水中与储水盒底板顶面贴合。
本发明的制冰思路为将镂有方型孔的制冰板放入盛水的储水盒中，冻结后用取冰锥将镂空处的方型冰块挤出。制取的厘米级方形冰块适用于冰-岩碎屑流的室内模型实验。本发明的制冰方法是根据冰柜尺寸优化储水盒码放形式，根据水、冰密度换算制冰孔水位高度，根据制冰孔数及板盒间隙设计注水量，之后在储水盒内一次性注入设计水量并放入制冰板，待冻结后取出制冰板并用取冰锥取出冰块。具体而言，所述厘米级方形冰块制取装置的制冰方法步骤如下：
(一)找平、码盒：对冰柜内部进行找平，然后在冰柜内紧凑码放一层储水盒，为注水和沉板做准备。如果是注水后再放入冰柜，水很容易洒出，操作难度大。
(二)注水、沉板：在码放好的每个储水盒中分别一次性注入设计水量的水，然后将制冰板依次沉入每个储水盒中。所述设计水量通过以下步骤确定：根据制冰板上制冰孔的数量和每个制冰孔的体积，计算得到单个厘米级方形冰块制取装置的制取冰块总体积；制冰板沉入储水盒中时与长边栏板和短边栏板间空隙的体积，加上单个厘米级方形冰块制取装置的制取冰块总体积，得到单个厘米级方形冰块制取装置的制冰总体积；将单个厘米级方形冰块制取装置的制冰总体积，乘以0.9，再乘以水的密度，即得到单个厘米级方形冰块制取装置的设计水量(即每个储水盒的设计水量)。
(三)已码放的储水盒数量是否满足需要，或是否已达到冰柜顶部；如果是，则进行步骤(五)；如果否，则进行步骤(四)。所述满足需要的储水盒数量通过以下步骤确定：根据制冰板上制冰孔的数量、每个制冰孔的体积和冰的密度，计算得到单个厘米级方形冰块制取装置的制取冰块总重量；将需要的厘米级方形冰块总重量，除以单个厘米级方形冰块制取装置的制取冰块总重量，然后对商向上取整，得到需要的储水盒数量(即厘米级方形冰块制取装置的所需数量)。考虑到取冰过程中的冰块损失，可将计算得到的储水盒数量乘以1.2。
(四)在码放好的储水盒上方再码放一层储水盒，然后进行步骤(二)-(三)。
(五)速冻：开启冰柜速冻模式，直至储水盒中的水全部冻结成冰块。
(六)取模、取板、取冰：从冰柜内取出所需全部储水盒，借助工具将制冰板从储水盒中取出；将锥体对准相应的制冰孔，然后将冰块从制冰孔中挤出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：由于冰-岩碎屑流的室内模型实验对冰块的尺寸大小(厘米级)、形状(方形)、数量、均一性等均有很高要求，因此本发明的厘米级方形冰块制取装置从制冰、出冰、码放三个关键工序进行系统整体考虑，通过以下三个关键技术特征的配合使用，实现大量、高效地制取规则、均一、融化程度低的厘米级方形冰块。
(1)制冰孔之间底部连通：在盛水的储水盒中，制冰孔间的水可通过底部自由流动。制冰板的这种底部连通性，使得可以先一次性注水入储水盒，再沉入制冰板，相比常用的逐孔注水更为快速，而且注水过程水不容易溢出；底部连通时，通过控制一次性注水量即可精确控制制冰孔水位高度，使得冻结膨胀后冰体不致溢出制冰板，相比逐孔注水顶部连通方式更容易控制冰块形状；底部连通加上底部找平，能够保证每个制冰孔的水位一致，因此各制冰孔的成冰尺寸、大小均一。
(2)取冰锥与制冰板配合使用：利用取冰锥的锥体对应制冰板上的制冰孔进行挤冰出孔，能实现整板出冰，不仅取冰效率高，而且能有效减少冰块融化，不易破坏冰块形状，使冰块形状保持均一。取冰效率和效果明显优于扭动或敲动出冰。
(3)短边栏板高度h2大于长边栏板高度h1：通过栏板高差便于多层码放，且冻结过程中下层制冰板不会与上层储水盒因直接接触而粘接在一起，易于空气流动、提高冻结效率，从而实现大量高效制冰。
附图说明
图1是储水盒的俯视结构示意图。
图2是储水盒的主视结构示意图。
图3是制冰板的俯视结构示意图。
图4是制冰板的主视结构示意图。
图5是取冰锥的俯视结构示意图。
图6是取冰锥的主视结构示意图。
图中标号如下：
1储水盒底板 2长边栏板
3短边栏板 4制冰孔
5取冰锥底板 6锥体
h1长边栏板高度 h2短边栏板高度
h0制冰板高度
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示。为进行一次冰-岩碎屑流的小型室内模型实验，需制取能满足实验用量要求的厘米级方形冰块，一般一次用量3kg。采用本发明的厘米级方形冰块制取装置制冰，采用的冰柜腔体长宽高为80cm×40cm×60cm，体积约192L。
所述厘米级方形冰块制取装置采用亚克力材质，包括呈中空长方体形状、顶面开敞、用于盛水的储水盒，可沉入储水盒中的制冰板，及与制冰板配合使用的取冰锥。所述储水盒包括储水盒底板1、设于储水盒底板1上表面四周的两块长边栏板2和两块短边栏板3；储水盒底板1的长宽高为33.5cm×18.5cm×1.0cm，长边栏板2高度h1为1cm，短边栏板3高度h2为1.5cm，长边栏板2和短边栏板3的厚度均为1cm，则储水盒高度为1+1.5＝2.5cm，储水盒盛水空间的长宽高为31.5cm×16.5cm×1.0cm。所述制冰板上开有若干从制冰板上表面到制冰板下表面呈通孔的制冰孔4，制冰孔4在制冰板上呈矩阵均匀分布、数量为10×20＝200个，制冰孔4间的间距为0.5cm，制冰孔4为棱长1cm的立方体形状；所述制冰板为长方体形状，制冰板高度h0为1cm，制冰板的长宽高为30.5cm×15.5cm×1.0cm。所述取冰锥包括取冰锥底板5和若干设于取冰锥底板5上、可插入制冰孔4中的锥体6，锥体6在冰锥底板5上呈矩阵均匀分布、数量为10×10＝100个，锥体6位置与制冰孔4位置对应。
采用上述厘米级方形冰块制取装置的制冰方法步骤如下：
第一步，对冰柜内部进行找平，然后在冰柜内码放一层储水盒；根据冰柜腔体和储水盒尺寸，每层可码放4个储水盒。
第二步，在码放好的每个储水盒中分别一次性注入设计水量的水，然后将制冰板依次沉入每个储水盒中，制冰板沉入储水盒中时与长边栏板2和短边栏板3间的间隙均为0.5cm。所述设计水量为：(31.5cm×16.5cm×1.0cm－30.5cm×15.5cm×1.0cm+200×1.0cm×1.0cm×1.0cm)×0.9×1.0g/cm3＝222.3g。
第三步，已码放的储水盒数量是否满足需要；如果是，则进行第五步；如果否，则进行第四步。满足需要的储水盒数量为：3000g/(200×1cm×1cm×1cm×0.9g/cm3)＝16.7，然后向上取整，则需要的储水盒数量为17个。
第四步，在码放好的储水盒上方再码放一层储水盒，然后进行第二步和第三步。
第五步，开启冰柜速冻模式，直至储水盒中的水全部冻结成冰块。
第六步，从冰柜内取出全部储水盒，将制冰板从储水盒中取出；将锥体6对准相应的制冰孔4，然后将冰块从制冰孔4中挤出。取冰过程如果没因用力过猛造成制冰板弯曲或破损，则冰块取出来后，制冰模具仍可循环使用。

Claims (10)

1.一种厘米级方形冰块制取装置，其特征在于：所述厘米级方形冰块制取装置包括呈中空长方体形状、顶面开敞、用于盛水的储水盒，可沉入储水盒中的制冰板，及与制冰板配合使用的取冰锥；所述储水盒包括储水盒底板(1)、设于储水盒底板(1)上表面四周的两块长边栏板(2)和两块短边栏板(3)，长边栏板(2)高度h1为1cm，短边栏板(3)高度h2大于长边栏板(2)高度h1；所述制冰板上开有若干从制冰板上表面到制冰板下表面呈通孔的制冰孔(4)，制冰孔(4)为棱长1cm的立方体形状，制冰板高度h0为1cm；所述取冰锥包括取冰锥底板(5)和若干设于取冰锥底板(5)上、可插入制冰孔(4)中的锥体(6)，锥体(6)位置与制冰孔(4)位置对应。
2.根据权利要求1所述厘米级方形冰块制取装置，其特征在于：制冰孔(4)在制冰板上呈矩阵均匀分布，锥体(6)在冰锥底板(5)上呈矩阵均匀分布。
3.根据权利要求2所述厘米级方形冰块制取装置，其特征在于：制冰孔(4)的数量为10×20个，锥体(6)的数量为10×10个。
4.根据权利要求1-3任一所述厘米级方形冰块制取装置，其特征在于：制冰板和储水盒盛水空间均为长方体形状，制冰板长度比储水盒盛水空间的长度小1cm，制冰板宽度比储水盒盛水空间的宽度小1cm；制冰孔(4)间的间距为0.5cm；短边栏板(3)高度h2比长边栏板(2)高度h1大0.5cm。
5.根据权利要求1-3任一所述厘米级方形冰块制取装置，其特征在于：所述制冰板采用密度大于水的材质。
6.根据权利要求5所述厘米级方形冰块制取装置，其特征在于：所述制冰板为亚克力板。
7.如权利要求1所述厘米级方形冰块制取装置的制冰方法，其特征在于：所述厘米级方形冰块制取装置的制冰方法步骤如下：
(一)对冰柜内部进行找平，然后在冰柜内码放一层储水盒；
(二)在码放好的每个储水盒中分别一次性注入设计水量的水，然后将制冰板依次沉入每个储水盒中；
(三)已码放的储水盒数量是否满足需要，或是否已达到冰柜顶部；如果是，则进行步骤(五)；如果否，则进行步骤(四)；
(四)在码放好的储水盒上方再码放一层储水盒，然后进行步骤(二)-(三)；
(五)开启冰柜速冻模式，直至储水盒中的水全部冻结成冰块；
(六)从冰柜内取出全部储水盒，将制冰板从储水盒中取出；将锥体(6)对准相应的制冰孔(4)，然后将冰块从制冰孔(4)中挤出。
8.根据权利要求7所述厘米级方形冰块制取装置的制冰方法，其特征在于：步骤(三)中满足需要的储水盒数量通过以下步骤确定：根据制冰板上制冰孔(4)的数量、每个制冰孔(4)的体积和冰的密度，计算得到单个厘米级方形冰块制取装置的制取冰块总重量；将需要的厘米级方形冰块总重量，除以单个厘米级方形冰块制取装置的制取冰块总重量，然后对商向上取整，得到需要的储水盒数量。
9.根据权利要求7所述厘米级方形冰块制取装置的制冰方法，其特征在于：步骤(二)中的设计水量通过以下步骤确定：根据制冰板上制冰孔(4)的数量和每个制冰孔(4)的体积，计算得到单个厘米级方形冰块制取装置的制取冰块总体积；制冰板沉入储水盒中时与长边栏板(2)和短边栏板(3)间空隙的体积，加上单个厘米级方形冰块制取装置的制取冰块总体积，得到单个厘米级方形冰块制取装置的制冰总体积；将单个厘米级方形冰块制取装置的制冰总体积，乘以0.9，再乘以水的密度，即得到单个厘米级方形冰块制取装置的设计水量。
10.如权利要求1所述厘米级方形冰块制取装置的应用，其特征在于：制取的厘米级方形冰块适用于冰-岩碎屑流的室内模型实验。
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