CN106353172B - 不同温压条件下层理冰样品制作方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不同温压条件下层理冰样品制作方法及装置，该装置是由低温冷柜、冰样冻制容器、冰样加压系统、冰样注水系统组成，冰样冻制容器放置在低温冷柜中，用于承载和冻制冰样，其顶部分别于冰样加压系统和冰样注水系统用管路连接。冰样加压系统和冰样注水系统放置在低温冷柜外部，冰样加压系统通过气管与冰样冻制容器连接，用来为冰样冻制容器提供冻制冰样所需的不同压力。冰样注水系统通过水管与冰样冻制容器连接，用于控制每次注水量，以实现不同厚度层理冰样的冻制。本发明可实现在温度、压力、层理厚度三个参数的自由组合条件下冻制冰样，能更为真实的模拟极地冰层赋存条件，为极地冰盖的实验室研究提供了技术支撑。

Description

不同温压条件下层理冰样品制作方法及装置

技术领域

本发明涉及一种不同温压条件下层理冰样品制作方法及装置。

背景技术

我国极地科学发展迅速，目前中国在南极已经建立了中山站，昆仑站，长城站等科学考察站，我国科学家依托科考站对南极冰盖做了大量细致的研究工作，但南极毕竟是人类难以到达的地方，因此科学家们迫切希望能够在实验室内冻制冰样，以此来模拟极地冰盖冰雪特性，从而分析极地冰盖硬度强度等特性，为极地科学的研究奠定基础。由于极地冰盖为冰雪常年累月堆积形成，其形成机理为积雪压实成冰，且具有典型的层理特性。极地冰盖不同深度冰层赋存压力不同，因此为了较为真实的模拟极地冰层特点，实验室制作的冰样应在不同温压条件下冻制，并应具有层理特性。目前查阅国内外资料，多见采用不同温度的层理冰来模拟极地冰层，但均未考虑压力因素。

发明内容

本发明的目的提供一种不同温压条件下层理冰样品制作方法。

本发明的另一目的提供一种不同温压条件下层理冰样品制作装置。

本发明冻制的样品可根据实验需要调节冻制样品的温度和压力条件，并且可冻制层理冰，能更为真实的模拟极地冰层。

本发明之一种不同温压条件下层理冰样品制作方法是：

欲在不同温压条件下冻制层理冰样，需满足三个参数可调节，分别为温度、压力、层理厚度。

其中，温度采用低温冷柜控制，将冻制冰样的容器置于低温冷柜中，低温冷柜的温度可无级调节，用于满足不同温度冻制冰样的要求。

冰样压力的加载考虑采用气体加压，并设置两个腔室，一个为加压腔，为气体进行加压，另一个为冰样腔，当气体在加压腔升压后，通过阀门控制高压气体通入冰样腔内，为冰样冻制提供压力，其中冰样腔中安装有泄压阀，当冰样腔压力超过设定值时，可自动通过泄压阀泄压。根据实验目的的不同还可以选择高压气体类型，如采用氮气，空气，氦气等，从而冻制包含不同溶解度气体的冰样，以满足多种科学目的的研究工作。

冻制层理冰时，水样应分几次注入，下一次注水应在上一次水样完全冻结以后进行，通过控制每次注水量即可获得不同层理厚度冰样，注水时每次注入水量相同，保证冻制样品层理均匀。

本发明之一种不同温压条件下层理冰样品制作装置是由低温冷柜、冰样冻制容器、冰样加压系统、冰样注水系统组成。其中，冰样冻制容器放置在低温冷柜中，用于承载和冻制冰样，其顶部分别于冰样加压系统和冰样注水系统用管路连接。冰样加压系统和冰样注水系统放置在低温冷柜外部，冰样加压系统通过气管与冰样冻制容器连接，用来为冰样冻制容器提供冻制冰样所需的不同压力。冰样注水系统通过水管与冰样冻制容器连接，用于控制每次注水量，以实现不同厚度层理冰样的冻制。

低温冷柜为市场上购买的低温设备，目的是为冻制冰样提供低温环境，冷柜内温度最低可达-60℃，且温度可在此范围内无级调节。

冰样冻制容器由冰样腔、泄压阀、压力表组成，其中冰样腔B由冰样腔上盖、冰样腔罐体、冰样腔底盖和聚四氟乙烯内衬组成，冰样腔上盖和冰样腔底盖通过螺钉与冰样腔罐体连接，并形成密闭腔体，聚四氟乙烯内衬与冰样腔罐体内壁贴合，并可在每次冰样冻制完成后可随冰样一同取出，冰样腔B上盖设计有进气孔，通过冰样腔接头和冰样腔进气阀门与气管相连；泄压阀和压力表通过螺纹安装在冰样腔上盖上，泄压阀可设定压力值，当冰样腔内压力超过泄压阀设定值时，泄压阀开启，冰样腔压力降低至泄压阀设定值后，泄压阀关闭，压力表则用于实时监测冰样腔压力。

冰样加压系统包括有加压腔、高压气罐、高压油泵，其原理为采用液体为气体加压，并将加压后的气体通入冰样腔，为冰样冻制提供不同压力条件。加压腔由加压腔上盖、加压腔罐体、加压腔底盖组成，加压腔上盖和加压腔底盖通过螺钉与加压腔罐体连接，并形成密闭腔体；加压腔内部由活塞划分为高压空气腔和液压腔两个腔室，其中液压腔通过油管接头、油管、油管阀门与高压油泵连接。加压腔上盖加工有两个气孔，一个气孔通过进气管接头、进气管、进气阀门与高压气罐连接，使高压气罐与高压空气腔连通，另一个气孔通过出气管接头、出气阀门、出气管与冰样腔连接；活塞两端安装有高压密封圈，保证高压空气腔和液压腔相互隔离。

冰样注水系统由水罐和水罐阀门组成，水罐用水管连接在气管靠近冰样腔一端，阀门在需要注水时打开，当冰样腔内需要加压时，阀门则必须关闭，保证水罐不受高压空气影响。

本发明的工作过程：

冻制冰样时，首先将冰样腔放入低温冷柜内，气管通过低温冷柜侧面小孔引至低温冷柜外部，并与加压腔和水罐连接。开通低温冷柜电源，并将温度设定至需要的温度，在此过程中，冰样腔始终放置在冷柜内。

当低温冷柜温度恒定在需要的温度后，开始对冰样腔进行压力调节，首先将油管阀门打开，并对高压油泵泄压，使加压腔中活塞回到加压腔底部最低位，关闭油管阀门，并开启进气阀门，使高压气罐中的高压气体进入高压空气腔，一定时间后关闭进气阀门，打开油管阀门，使用高压油泵对液压腔加压，活塞在液体作用下上行，并压缩高压空气腔，对空气进行加压，由于此时空气的压力与液体压力相等，因此空气的压强可通过高压油泵上压力表读取。当空气压力达到一定值后，关闭油管阀门，并同时开启出气阀门和冰样腔进气阀门，使高压空气进入冰样腔，加压腔的高压空气腔和冰样腔压力平衡后，关闭出气阀门和冰样腔进气阀门，完成一次充气。由于空气压缩比较大，一次充气难以达到冻制冰样所需的压力值，因此上述过程需重复进行，直至冰样腔压力表显示达到设定压力值。充气过程中将泄压阀设定至所需压力值，当冰样腔内压力过高时，泄压阀自动开启泄压，保证压力恒定在设定值。

压力调节完成后，开始向冰样腔中注水冻制冰样，由于冰样腔内部尺寸恒定，因此可根据预冻制样品的层理厚度计算每次注水量。注水时，首先将℃水注入在水罐中，然后将冰样腔进气阀门和出气阀门关闭，打开水罐阀门，水将从水罐流入气管，通过观察水罐上刻度控制水量达到计算值时关闭水罐阀门，仪器放置时气管靠近加压腔端比靠近冰样腔端要高，这样当水流进入气管后，在自重作用下将流向冰样腔，此时打开冰样腔进气阀门，水流将进入冰样腔。由于每次加水均采用0℃水，当水进入冰样腔后，不会造成已冻结冰的融化，能更好的形成冰样层理。

在冰样冻制过程中，由于每次注水均需要开启冰样腔进气阀门，多次操作后冰样腔空气压力将下降，因此需要重复上述气体过程，直至压力达到设定值。

冰样冻制完成后，首先将冰样腔中高压气体通过泄压阀释放至常压气体，然后将冰样腔上盖和冰样腔底盖拆除，将冻制好的冰样从冰样腔中取出。由于冰样腔中有聚四氟乙烯内衬，冰样不会因直接接触罐体而与罐体冻结为一体，因此大大降低了移出冰样的难度，且聚四氟乙烯内衬可重复利用，降低了成本。

本发明的有益效果：

本发明很好地解决了不同温压条件下层理冰样品制作问题，可实现在温度、压力、层理厚度三个参数的自由组合条件下冻制冰样，能更为真实的模拟极地冰层赋存条件，为极地冰盖的实验室研究提供了技术支撑，对加快极地研究的发展具有重要作用。

本发明仅将冰样腔置于低温冷柜内，冰样加压系统和注水系统均在冷柜外，大大降低了对实验器材的低温要求。

本发明结构简单，工作可靠，操作方便，并且可根据实验目的选择高压气罐中气体类型，如氮气，空气，氦气等，从而冻制包含不同溶解度气体的冰样，以满足多种科学目的的研究工作。

附图说明

图1为本发明的不同温压条件下层理冰样品制作装置结构示意图。

具体实施方式

本发明之一种不同温压条件下层理冰样品制作方法是：

欲在不同温压条件下冻制层理冰样，需满足三个参数可调节，分别为温度、压力、层理厚度。

其中，温度采用低温冷柜控制，将冻制冰样的容器置于低温冷柜中，低温冷柜的温度可无级调节，用于满足不同温度冻制冰样的要求。

冰样压力的加载考虑采用气体加压，并设置两个腔室，一个为加压腔，为气体进行加压，另一个为冰样腔，当气体在加压腔升压后，通过阀门控制高压气体通入冰样腔内，为冰样冻制提供压力，其中冰样腔中安装有泄压阀，当冰样腔压力超过设定值时，可自动通过泄压阀泄压。根据实验目的的不同还可以选择高压气体类型，如采用氮气，空气，氦气等，从而冻制包含不同溶解度气体的冰样，以满足多种科学目的的研究工作。

冻制层理冰时，水样应分几次注入，下一次注水应在上一次水样完全冻结以后进行，通过控制每次注水量即可获得不同层理厚度冰样，注水时每次注入水量相同，保证冻制样品层理均匀。

请参阅图1所示，本发明之一种不同温压条件下层理冰样品制作装置由低温冷柜、冰样冻制容器、冰样加压系统、冰样注水系统组成。

低温冷柜为市场上购买的低温设备，目的是为冻制冰样提供低温环境，冷柜内温度最低可达-60℃，且温度可在此范围内无级调节。

冰样冻制容器由冰样腔B、泄压阀13、压力表14组成，其中冰样腔B由冰样腔上盖15、冰样腔罐体16、冰样腔底盖18和聚四氟乙烯内衬17组成，冰样腔上盖15和冰样腔底盖18通过螺钉与冰样腔罐体16连接，并形成密闭腔体，聚四氟乙烯内衬17与冰样腔罐体16内壁贴合，并可在每次冰样冻制完成后可随冰样一同取出，冰样腔B上盖设计有进气孔，通过冰样腔接头12和冰样腔进气阀门11与气管8相连；泄压阀13和压力表14通过螺纹安装在冰样腔上盖15上，泄压阀可设定压力值，当冰样腔内压力超过泄压阀设定值时，泄压阀开启，冰样腔压力降低至泄压阀设定值后，泄压阀关闭，压力表则用于实时监测冰样腔压力。

冰样加压系统包括有加压腔A、高压气罐1、高压油泵26，其原理为采用液体为气体加压，并将加压后的气体通入冰样腔，为冰样冻制提供不同压力条件。加压腔A由加压腔上盖2、加压腔罐体19、加压腔底盖22组成，加压腔上盖2和加压腔底盖22通过螺钉与加压腔罐体18连接，并形成密闭腔体；加压腔A内部由活塞21划分为高压空气腔A1和液压腔A2两个腔室，其中液压腔A2通过油管接头23、油管24、油管阀门25与高压油泵26连接。加压腔上盖2加工有两个气孔，一个气孔通过进气管接头4、进气管3、进气阀门5与高压气罐连接，使高压气罐与高压空气腔连通，另一个气孔通过出气管接头6、出气阀门7、出气管8与冰样腔B连接；活塞21两端安装有高压密封圈20，保证高压空气腔和液压腔相互隔离。

冰样注水系统由水罐10和水罐阀门9组成，水罐10用水管连接在气管8靠近冰样腔一端，阀门9在需要注水时打开，当冰样腔B内需要加压时，阀门9则必须关闭，保证水罐10不受高压空气影响。

本发明的工作过程：

冻制冰样时，首先将冰样腔B放入低温冷柜内，气管8通过低温冷柜侧面小孔引至低温冷柜外部，并与加压腔A和水罐10连接。开通低温冷柜电源，并将温度设定至需要的温度，在此过程中，冰样腔B始终放置在冷柜内。

当低温冷柜温度恒定在需要的温度后，开始对冰样腔进行压力调节，首先将油管阀门25打开，并对高压油泵泄压，使加压腔A中活塞21回到加压腔底部最低位，关闭油管阀门25，并开启进气阀门5，使高压气罐1中的高压气体进入高压空气腔A1，一定时间后关闭进气阀门5，打开油管阀门25，使用高压油泵对液压腔加压，活塞21在液体作用下上行，并压缩高压空气腔A1，对空气进行加压，由于此时空气的压力与液体压力相等，因此空气的压强可通过高压油泵上压力表读取。当空气压力达到一定值后，关闭油管阀门25，并同时开启出气阀门7和冰样腔进气阀门11，使高压空气进入冰样腔B，加压腔A的高压空气腔A1和冰样腔B压力平衡后，关闭出气阀门7和冰样腔进气阀门11，完成一次充气。由于空气压缩比较大，一次充气难以达到冻制冰样所需的压力值，因此上述过程需重复进行，直至冰样腔压力表14显示达到设定压力值。充气过程中将泄压阀13设定至所需压力值，当冰样腔内压力过高时，泄压阀自动开启泄压，保证压力恒定在设定值。

压力调节完成后，开始向冰样腔B中注水冻制冰样，由于冰样腔内部尺寸恒定，因此可根据预冻制样品的层理厚度计算每次注水量。注水时，首先将0℃水注入在水罐10中，然后将冰样腔进气阀门11和出气阀门7关闭，打开水罐阀门9，水将从水罐流入气管8，通过观察水罐10上刻度控制水量达到计算值时关闭水罐阀门9，仪器放置时气管8靠近加压腔A端比靠近冰样腔B端要高，这样当水流进入气管8后，在自重作用下将流向冰样腔B，此时打开冰样腔进气阀门11，水流将进入冰样腔。由于每次加水均采用0℃水，当水进入冰样腔后，不会造成已冻结冰的融化，能更好的形成冰样层理。

在冰样冻制过程中，由于每次注水均需要开启冰样腔进气阀门11，多次操作后冰样腔空气压力将下降，因此需要重复上述气体过程，直至压力达到设定值。

冰样冻制完成后，首先将冰样腔中高压气体通过泄压阀释放至常压气体，然后将冰样腔上盖15和冰样腔底盖18拆除，将冻制好的冰样从冰样腔中取出。由于冰样腔中有聚四氟乙烯内衬17，冰样不会因直接接触罐体而与罐体冻结为一体，因此大大降低了移出冰样的难度，且聚四氟乙烯内衬17可重复利用，降低了成本。

Claims (1)

1.一种不同温压条件下层理冰样品制作方法，使用的不同温压条件下层理冰样品制作装置是由低温冷柜、冰样冻制容器、冰样加压系统和冰样注水系统组成，冰样冻制容器放置在低温冷柜中，用于承载和冻制冰样，其顶部分别与冰样加压系统和冰样注水系统用管路连接；冰样加压系统和冰样注水系统放置在低温冷柜外部，冰样加压系统通过气管与冰样冻制容器连接，用来为冰样冻制容器提供冻制冰样所需的不同压力；冰样注水系统通过水管与冰样冻制容器连接，用于控制每次注水量，以实现不同厚度层理冰样的冻制；

所述的冰样冻制容器由冰样腔（B）、泄压阀（13）、压力表（14）组成，其中冰样腔（B）由冰样腔上盖（15）、冰样腔罐体（16）、冰样腔底盖（18）和聚四氟乙烯内衬（17）组成，冰样腔上盖（15）和冰样腔底盖（18）通过螺钉与冰样腔罐体（16）连接，并形成密闭腔体，聚四氟乙烯内衬（17）与冰样腔罐体（16）内壁贴合，并能在每次冰样冻制完成后能随冰样一同取出，冰样腔（B）上盖设计有进气孔，通过冰样腔接头（12）和冰样腔进气阀门（11）与气管（8）相连；泄压阀（13）和压力表（14）通过螺纹安装在冰样腔上盖（15）上；

所述的冰样加压系统包括有加压腔（A）、高压气罐（1）、高压油泵（26），加压腔（A）由加压腔上盖（2）、加压腔罐体（19）、加压腔底盖（22）组成，加压腔上盖（2）和加压腔底盖（22）通过螺钉与加压腔罐体（18）连接，并形成密闭腔体；加压腔（A）内部由活塞（21）划分为高压空气腔（A1）和液压腔（A2）两个腔室，其中液压腔（A2）通过油管接头（23）、油管（24）、油管阀门（25）与高压油泵（26）连接；加压腔上盖（2）加工有两个气孔，一个气孔通过进气管接头（4）、进气管（3）、进气阀门（5）与高压气罐连接，使高压气罐与高压空气腔连通，另一个气孔通过出气管接头（6）、出气阀门（7）、出气管（8）与冰样腔（B）连接；活塞（21）两端安装有高压密封圈（20），保证高压空气腔和液压腔相互隔离；

所述的冰样注水系统由水罐（10）和水罐阀门（9）组成，水罐（10）用水管连接在气管（8）靠近冰样腔一端，阀门（9）在需要注水时打开，当冰样腔（B）内需要加压时，阀门（9）则必须关闭，保证水罐（10）不受高压空气影响；

上述制作方法：

欲在不同温压条件下冻制层理冰样，需满足三个参数能调节，分别为温度、压力、层理厚度；

其中，温度采用低温冷柜控制，将冻制冰样的容器置于低温冷柜中，低温冷柜的温度能无级调节，用于满足不同温度冻制冰样的要求；

冰样压力的加载考虑采用气体加压，并设置两个腔室，一个为加压腔（A），为气体进行加压，另一个为冰样腔（B），当气体在加压腔（A）升压后，通过阀门控制高压气体通入冰样腔（B）内，为冰样冻制提供压力，其中冰样腔（B）中安装有泄压阀（13），当冰样腔（B）压力超过设定值时，能自动通过泄压阀（13）泄压；根据实验目的的不同选择高压气体类型，从而冻制包含不同溶解度气体的冰样；

冻制层理冰时，水样分几次注入，下一次注水在上一次水样完全冻结以后进行，通过控制每次注水量能获得不同层理厚度冰样，注水时每次注入水量相同，保证冻制样品层理均匀。

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