CN109564177B - 积冰设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种积冰设备。所述积冰设备包括柱体，该柱体具有纵向轴线、侧壁以及具有顶端和底端的中心腔室。所述积冰设备还包括：顶部单元，该顶部单元封闭所述腔室的顶端并包括用于产生水滴的水滴排出装置；底部单元，该底部单元封闭所述腔室的底端并包括目标物；以及腔室冷却器件，该腔室冷却器件被构造成在测试期间冷却所述腔室并由此冷却水滴，从而在测试期间使用时，积冰层被积聚在所述目标物上。

Description

积冰设备
技术领域
本发明涉及一种积冰设备。在实施例中，本发明涉及一种台式(bench-top)冰测试装置。
背景技术
当水滴在诸如飞机结构的结构上冻结时，其影响可能是有问题的。例如，在飞机结构上形成冰可能改变该结构的空气动力学特性并增加其重量。如果已在结构上生长的冰破裂，这可能对该结构或周围结构造成机械损坏。
因此，希望开发有效的涂层以防止或减少冰在这种结构上的形成。这些涂层被称为“憎冰(ice-phobic)”涂层。它们能够有用地应用于诸如飞机机翼的前缘、发动机叶片、直升机的转子叶片或风力涡轮机叶片等的结构。
当开发憎冰涂层时，必须评估新涂层，以在对其进一步开发或将其应用于结构之前确定它是否实际上是适当地憎冰的。然而，目前对潜在憎冰涂层的有效性进行测试的方法并不令人满意。
通常，首先使用台式冰粘附性测试方法来测试涂层的性能。这种方法能够提供关于冰到涂层的粘附性的一些数据。然而，其结果并不代表涂层的真实性能(real-worldperformance)。这尤其是由于使用这种方法产生的冰不能代表在涂层所针对的现实世界应用中形成的冰。
由于目前的台式冰粘附性方法的这种不足，即使可以对憎冰涂层进行进一步的测试，但也只能证明是不令人满意的。这种不必要的进一步测试浪费了时间和金钱。
另一种测试方法的示例是在结冰风洞(也称为冰风洞)中测试样品。这涉及将具有潜在的憎冰涂层的样品放置在风洞中的冷却空气和水滴流中。然而，这种过程耗时且昂贵，并且需要测试相对大的样品。如果被测试的涂层证明不具有令人满意的憎冰性能且因而不适合用作憎冰涂层，这是特别不利的。
至少一些实施例的目的在于解决这些问题中的一个或多个问题。
发明内容
[第一方面]
根据本发明的第一方面，提供了一种积冰设备，其包括：柱体，该柱体具有纵向轴线、侧壁以及中心腔室，该中心腔室具有顶端和底端；顶部单元，该顶部单元封闭所述腔室的顶端并包括用于产生水滴的水滴排出装置；底部单元，该底部单元封闭所述腔室的底端并包括目标物；以及腔室冷却器件，该腔室冷却器件被构造成在测试期间冷却所述腔室并由此冷却水滴，从而在测试期间使用时，积冰层被积聚在所述目标物上。
由于该设备包括水滴排出装置、用于在测试期间冷却所述腔室的腔室冷却器件、以及在所述腔室的底部处的目标物，所以该设备是自给自足的(self-contained)。也就是说，该设备以单个单元提供了用于产生水滴的元件和对水滴喷雾落下时所经过的腔室进行冷却的元件、以及已冷却的水滴落在其上的目标物。因而，该设备能够按尺寸成型为台式设备，所以能够比结冰风洞小得多。因此，与结冰风洞测试相比，它允许对样品的更便宜且更省时的测试。
该积冰设备能够以如下方式在目标物上积聚冰：该方式代表了冰在大气中在结构上积聚的方式。通过与结构接触时冻结的、冷却的或过冷的水滴形成大气冰。由此形成的冰也被称为“积冰”，因为它由许多水滴形成。用于在测试期间冷却所述腔室的腔室冷却器件能够用于在该设备内产生代表大气结冰条件的条件，并因此产生与大气冰非常类似的冰。
被构造成在测试期间冷却所述腔室的腔室冷却器件可以构造成在水滴从水滴排放装置向下穿过所述腔室行进到目标物时冷却或过冷却这些水滴。
[温度控制器件]
该积冰设备可包括温度控制器件，该温度控制器件用于控制被供应到水滴排出装置的水的温度。
该温度控制器件可包括至少一个加热器。该温度控制器件可包括储水器加热器。该储水器加热器可布置成加热被供应到水滴排出装置的水。该储水器加热器可布置成加储水器中的水。该温度控制器件可包括供水管线加热器。该供水管线加热器可布置成加热供水管线中的水。
当该温度控制器件包括至少一个加热器时，该温度控制器件能够用于加热被供应到水滴排出装置的水。这防止了被供应到水滴排出装置的水由于与冷却的腔室内的水滴排出装置的任何部分的接触而冻结。因而，它允许水滴由水滴排出装置产生且然后被用于在测试期间冷却该腔室的腔室冷却器件在腔室中冷却，从而对水滴到达目标物时的水滴温度提供精确控制，包括为水滴选择不同温度的能力。因此，该温度控制器件和腔室冷却器件提供了对不同大气结冰条件的模拟，包括形成明冰、霜冰或冰晶。
[水滴排出装置]
水滴排出装置可布置成产生水滴喷雾。水滴排出装置可布置成产生水滴雾。水滴排出装置可布置成产生加压的水滴喷雾。水滴排出装置可以是压电装置。水滴排出装置可包括至少一个压电致动器。该至少一个压电致动器可布置成当电流被施加到该致动器时驱动来自所述装置的水。
水滴排出装置可包括用于形成水滴的至少一个喷嘴。该喷嘴可具有喷嘴直径，该喷嘴直径至少部分地决定由喷嘴形成的水滴的直径。水滴排出装置可布置成具有可调节的喷嘴直径，用于调节由喷嘴形成的水滴的直径。
[加压器件]
该设备可包括用于加压被供应到水滴排出装置的水的加压器件。该设备可包括用于控制被供应到水滴排出装置的水的压力的加压器件。该加压器件可以是泵。该泵可布置成泵送水。
当该设备包括用于加压被供应到水滴排出装置的水的加压器件时，由水滴排出装置产生的水滴比它们单独在重力下掉落得更快。这提供了对大气条件(例如当物体移动到水滴中或水滴被风驱动的条件)的更精确的模拟。
当该设备包括用于控制被供应到水滴排出装置的水的压力的加压器件时，这允许控制由水滴排出装置产生的水滴所处的压力。这有助于确定水滴下落的速度以及它们到达目标物的速度，从而再次允许该设备用于更精确地模拟各种大气条件中的任一种。用于控制被供应到水滴排出装置的水的压力的加压器件也能够用于确定由水滴排出装置产生的水滴的尺寸。具体地说，它能够用于提高被供应到水滴排出装置的水的压力，由此减小由水滴排出装置产生的水滴的尺寸(直径)。通常，压力升高得越大，由水滴排出装置产生的水滴的直径越小。
当布置成泵送水的泵用于控制被供应到水滴排出装置的水的压力时，不需要使用气体对水加压。这意味着不需要经由水滴排出装置将气体添加到所述腔室中。因而，能够控制所述腔室中的气体的体积，例如以更精确地代表高海拔大气条件，或减少用于在所述腔室内形成冰的成核点(nucleation points)。
[水滴生成系统]
该设备可包括用于储存要供应到水滴排出装置的水的储水器。该设备可包括用于将水供应到水滴排出装置的供水管线。该设备可包括水温控制器。当所述温度控制器件包括至少一个加热器时，该水温控制器可布置成控制所述至少一个加热器。当该设备包括加压器件时，该设备还可包括水压控制器。该设备可包括水压和水温控制器。
该设备可包括水滴生成系统。该水滴生成系统可包括温度控制器件。该水滴生成系统可包括储水器。该水滴生成系统可包括供水管线。该水滴生成系统可包括水温控制器。该水滴生成系统可包括水滴排出装置。该水滴生成系统可包括加压器件。该水滴生成系统可包括水压控制器。该水滴生成系统可包括水压和水温控制器。
[区段]
侧壁可以是环形横截面的。该侧壁可以是大致管状的形状。该侧壁可包括多个管状区段。这些管状区段能够以可释放方式堆叠在彼此之上。该侧壁可包括在管状区段之间的材料，该材料比形成这些管状区段的材料导热性低。以这种方式，这些管状区段能够彼此热绝缘。这有助于保持在所述腔室内产生的温度梯度(下文进一步讨论)。
当该侧壁包括多个管状区段时，能够改变管状区段的数量，以改变水滴排出装置与目标物之间的分离高度(separation height)，因而改变水滴在目标物上的冲击速度。
[腔室冷却器件]
腔室冷却器件可构造成在所述腔室的顶端和底端之间产生温度分布(temperature profile)。腔室冷却器件可构造成在所述腔室的顶端和底端之间产生温度梯度。腔室冷却器件可构造成将所述腔室的底端冷却到比顶端低的温度。
腔室冷却器件可包括在侧壁中的至少一个壁腔以及用于使冷却流体穿过该至少一个腔的入口和出口。当柱体的侧壁包括多个管状区段时，每个管状区段可限定一个壁腔。每个管状区段可包括用于使冷却流体通过该壁腔的入口和出口。
上述布置允许通过一个区段的冷却流体的流速不同于通过另一个区段的冷却流体的流速。这能够通过单独地控制通过每个区段的冷却流体的流速来实现。以这种方式，能够产生所述腔室内的温度梯度并且能够改变该温度梯度。例如，所述柱体的顶部可保持在一个温度下，而所述柱体的底部可保持在另一个温度下，二者之间具有温度梯度。这控制了所述腔室内的结冰条件和目标物上所积的冰的种类。
[腔室加热器件]
该积冰设备可包括用于在测试之间加热所述腔室的腔室加热器件。
该腔室加热器件可包括围绕所述柱体的至少一个加热器套。当所述柱体包括多个管状区段时，该加热器套或每个加热器套都可围绕所述柱体的多个管状区段中的至少一个。可存在多个加热器套，每个加热器套都围绕所述柱体的管状区段。围绕所述柱体的多个管状区段中的每一个可存在一个加热器套。
例如加热器套形式的腔室加热器件使得所述腔室能够在测试之后被干燥。这允许在随后的测试中更精确地产生代表大气结冰条件的结冰条件。
腔室加热器件还允许在测试之后搬运该设备，因为它能够用于将所述腔室加热到搬运该设备的用户不会遭受冻伤或低温灼伤的温度。因此，相对于没有腔室加热器件的设备，腔室加热器件使该设备的使用更安全。
腔室加热器件还在测试期间提供对所述柱体内的温度的进一步控制。特别地，当腔室加热器件包括围绕所述柱体的多个管状区段中的至少一个管状区段的至少一个加热器套时，腔室加热器件使得所述腔室内的温度分布能够受到控制。
例如，在腔室加热器件包括围绕所述柱体的一个管状区段的单个加热器套的实施例中，可以加热该加热器套，同时冷却其余的管状区段，使得所述腔室的由具有该加热器套的管状区段限定的部分比所述腔室的其余部分更暖。
在腔室加热器件包括多个加热器套(每个加热器套均围绕所述柱体的管状区段)的实施例中，所述多个加热器套中的至少一个能够被加热到与其余加热器套不同的温度，使得腔室的由所述柱体的不同管状区段限定的部分处于不同的温度。以这种方式，所述柱体的顶部可保持在一个温度下，例如室温，而所述柱体的底部可保持在另一个温度下，例如-20℃，从而在二者之间存在温度梯度。这进一步控制了所述腔室内的结冰条件和目标物上所积的冰的种类。
[绝缘套]
该设备可包括围绕所述柱体的绝缘套。当所述柱体包括多个管状区段时，该设备可包括围绕所述柱体的多个管状区段中的至少一个管状区段的绝缘套。该设备可包括多个绝缘套，每个绝缘套都围绕所述柱体的管状区段。该设备可包括围绕所述柱体的多个管状区段中的每一个管状区段的绝缘套。该绝缘套或每个绝缘套都可围绕加热器套。
因为所述腔室的内部被与环境热绝缘，该绝缘套或每个绝缘套在所述腔室内提供更精确的温度控制。该绝缘套或每个绝缘套还能够减少对腔室冷却器件的加热，由此提供对所述腔室的更高效冷却。当该绝缘套或每个绝缘套围绕加热器套时，该绝缘套或每个绝缘套都减少从加热器套的热损失，从而提高腔室加热器件的效率。
[阀器件]
该设备可包括用于将一定体积的流体引入到所述腔室中并将该一定体积的流体密封在所述腔室内的阀器件。该流体可以是气体。
该阀器件在所述腔室内提供对各种大气条件的进一步更精确的模拟，因为它允许控制被允许进入并驻留在所述腔室内的流体或气体的体积和类型。
[泵送器件]
该设备可包括用于在所述腔室中产生降低的压力的泵送器件。
提供用于在所述腔室中产生降低的压力的泵送器件与许多结冰风洞形成对比，在结冰风洞中，通常不能控制压力。
该泵送器件允许减少系统内的空气量。这为真实世界的结冰条件提供了更真实的模拟。例如，如果使用该泵送器件在系统内产生真空，则消除或至少减少了冷却的或超冷却的水滴的成核点，这防止了形成冰晶，并确保样品是无霜的。
该泵送器件还能够用于减少所述腔室中的水分。这创造了一个干燥的气氛，这也可提供对真实世界的结冰条件的更真实模拟。
[传感器和控制器]
该设备可包括用于测量所述腔室内的温度的至少一个温度传感器。该至少一个温度传感器可布置成将输出信号提供给至少一个控制器。该设备可包括用于测量所述腔室内的压力的至少一个压力传感器。该至少一个压力传感器可布置成将输出信号提供给至少一个控制器。该设备可包括至少一个控制器。该至少一个控制器可布置成控制所述阀器件和/或泵送器件，以控制所述腔室内的压力。该至少一个控制器可布置成控制所述阀器件和/或泵送器件，以基于由该至少一个压力传感器提供的输出信号来控制所述腔室内的压力。该至少一个控制器可布置成控制所述腔室冷却器件和/或腔室加热器件，以控制所述腔室内的温度。该至少一个控制器可布置成控制所述腔室冷却器件和/或腔室加热器件，以基于由该至少一个温度传感器提供的输出信号来控制所述腔室内的温度。
所述至少一个温度传感器和/或压力传感器允许对各种大气条件的精确模拟，因为它们能够用于向该至少一个控制器提供关于所述腔室内的温度和/或压力的反馈，这反过来又能够控制所述腔室内的温度和/或压力。
[可释放装配]
水滴排出装置能够以可释放方式装配到该设备的顶部单元。所述柱体能够以可释放方式装配到该设备的底部单元。
当水滴排出装置以可释放方式装配到该设备的顶部单元时，该水滴排出装置能够在测试之间改变。例如，包括具有第一直径的喷嘴的第一水滴排出装置可用于一次测试，以给出第一尺寸的水滴，而包括具有第二直径的喷嘴的第二水滴排出装置可用于另一次测试，以给出第二尺寸的水滴。以这种方式，水滴的尺寸能够在测试之间发生变化。这允许模拟更大范围的结冰条件，从而使该设备更通用。
当所述柱体以可释放方式装配到该设备的底部单元时，包括目标物的该底部单元能够在测试之间改变。与底部单元不以可释放方式装配到所述柱体相比，这允许该设备可用于更大范围的结冰测试。
[观察端口]
该设备可包括观察端口，该观察端口被布置成允许从该设备外部观察目标物。
如果在测试期间能够观察经历测试的样品，则能够使用该设备运行的某些测试提供更准确的结果。例如，如果样品正在经受测试以确定冰到样品上的粘附有多强，则有用的是，用户能够在测试之前看到样品上已经积聚了多少冰，然后看到冰在哪个时刻与样品分离。所述观察端口允许这种观察。
[第二方面]
根据本发明的第二方面，提供了一种冰形成设备，其包括：具有环形壁的柱体，该环形壁限定具有顶端和底端的腔室，其中，该柱体的环形壁具有壁腔，该壁腔具有用于冷却所述腔室的冷却流体的入口和出口；在所述腔室的顶端处的水滴排出装置，该水滴排出装置用于产生水滴；以及在所述腔室的底端处的目标物，在使用中，由所述水滴形成的积冰层被积聚在该目标物上。
第一方面的可选特征也是第二方面的可选特征，本领域技术人员在必要时可推断出术语的变化以使其有意义。例如，当将第一方面的可选特征应用于该第二方面时，表述“侧壁”将被解释为“环状壁”，并且表述“积冰设备”将被解释为“冰形成设备”。
[冰粘附性测试装置]
该积冰设备可包括冰粘附性测试装置。所述底部单元可以为冰粘附性测试装置的形式。
当该积冰设备包括冰粘附性测试装置时，可以测试冰到目标物的粘附性。
[目标物]
冰粘附性测试装置可包括目标物。换句话说，该积冰设备的目标物可以是冰粘附性测试装置的一部分。该目标物可以为井的形式，在使用中，积冰层被积聚在该井中。目标物可包括位于该井的底部处的样品板以及围绕该样品板周向地定位并提供该井的侧壁的冰接合元件。该样品板可相对于冰接合元件旋转。
当冰粘附性测试装置包括井(在使用中，积冰层积聚在该井中)的形式的目标物时，该设备允许测试积冰到样品的粘附性。因此，当样品具有潜在的憎冰涂层时，能够使用该积冰设备来测试涂层的与非常近似于大气结冰的冰相关的特性。
[扭矩器件]
冰粘附性测试装置可包括扭矩器件，该扭矩器件用于在样品板与沿外周布置的冰接合元件之间施加旋转扭矩，以在使用中尝试使样品板克服积冰层的阻力而相对于冰接合元件旋转。
该扭矩器件允许将应力施加到冰上，使得：如果涂层是憎冰性的，则冰将与样品板分离。
[变送器器件]
冰粘附性测试装置可包括用于测量旋转扭矩的变送器器件。冰粘附性测试装置可包括变送器器件，该变送器器件用于当积冰层至少部分地从样品板分离时测量由扭矩器件施加的旋转扭矩引起的应力。冰粘附性测试装置可包括变送器器件，该变送器器件用于当积冰层至少部分地从样品板分离时测量所述旋转扭矩并测量由扭矩器件施加的旋转扭矩引起的应力。
用于测量旋转扭矩的变送器器件允许测量冰从样品板分离时的扭矩，由此指示冰到样品板的粘附性。
[可旋转的样品板]
样品板可以是可旋转的。冰接合元件可以固定在适当位置。样品板可相对于冰接合元件旋转。扭矩器件可布置成将旋转扭矩施加到样品板。
当样品板是可旋转的并且冰接合元件固定在适当位置时，变送器器件能够测量冰从样品板分离时的旋转扭矩和/或应力，当样品板带有要测试的潜在憎冰涂层时，感兴趣的是该应力而不是冰从冰接合元件分离时的旋转扭矩。
[防止冰相对于冰接合元件旋转]
冰接合元件可以是环状体。冰接合元件可以被成形以防止积冰层相对于冰接合元件旋转。冰接合元件可具有非圆形的内周壁。冰接合元件可以具有内周壁，该内周壁具有用于与积冰层键合的突起，以防止积冰层相对于冰接合元件旋转。冰接合元件可具有内周壁，该内周壁具有用于与积冰层键合的凹部，以防止积冰层相对于冰接合元件旋转。当内周壁具有突起或凹部时，该内周壁可以是大致圆形的。冰接合元件可以被机械地粗糙化，以防止积冰层相对于冰接合元件旋转。冰接合元件可以具有内周壁，该内周壁被机械地粗糙化，以防止积冰层相对于冰接合元件旋转。
当冰接合元件被成形以防止积冰层相对于冰接合元件旋转时，能够更精确地测量积冰到样品的粘附性。这是因为冰接合元件的形状确保了冰不会简单地相对于冰接合元件自由旋转而使得冰上没有应力。相反，冰通过冰接合元件的形状被保持在适当位置，使得样品板的旋转向冰施加应力。然后，变送器器件能够测量冰停止粘附到样品板上时的旋转扭矩和/或应力。
[可变直径的冰接合元件]
冰接合元件可布置成直径可调的。冰接合元件可具有可调的内径。冰接合元件可布置成限定样品板的暴露于水滴的面积。所述侧壁可布置成直径可调的。
以这种方式，能够调节暴露于水滴的面积，以允许不同尺寸的样品板。
[回流重结冰测试装置]
该积冰设备可包括回流重结冰测试装置。所述底部单元可以为回流重结冰测试装置的形式。
当该积冰设备包括回流重结冰测试装置时，能够模拟和观察回流重结冰(runbackice)。
“回流重结冰”可以定义为当表面的一部分上的现有冰融化并在其它地方重新冻结时形成的冰。例如，当水滴在前缘处冻结并然后被已加热的前缘的加热系统融化而使得水回流并重新冻结时，可能在机翼或尾翼的被加热的前缘后部形成回流重结冰。在被加热的螺旋桨叶片上也可能形成回流重结冰。在两个示例中，都可能发生上文所述的重量增加、空气动力学性能降低和机械损伤的问题。因而，有用的是能够适当地模拟和研究回流重结冰的形成。
[目标物]
回流重结冰测试装置可包括目标物。换句话说，该积冰设备的目标物可以是回流重结冰测试装置的一部分。该目标物可以包括具有上表面的平台，该平台被突出的热屏障分隔为第一部分和第二部分。回流重结冰测试装置可包括平台倾斜器件，该平台倾斜器件被布置成使平台倾斜，使得第二部分在第一部分上方。
[加热器器件]
回流重结冰测试装置可包括第一加热器器件，该第一加热器器件用于产生所述平台的第一部分的局部加热。第一加热器器件可用于当在使用中、积冰层积聚在所述平台的第二部分上时使所述平台的第一部分保持基本无积冰。回流重结冰测试装置可包括第二加热器器件，该第二加热器器件用于产生所述平台的第二部分的局部加热。第二加热器器件可用于在所述平台倾斜时产生所融化的冰从积冰层越过所述屏障并到达所述平台的第一部分上的回流。
回流重结冰测试装置提供了对回流重结冰的模拟。回流重结冰的形成不同于积冰的形成，其区别在于：如上所述，特定位置上的回流重结冰是由在其它地方融化并在该位置处重新形成的冰形成的。
通过提供用于产生所述平台的第一部分的局部加热的第一加热器器件以在使用中、积冰层积聚在所述平台的第二部分上时使所述平台的第一部分保持基本无积冰，回流重结冰测试装置能够使所述平台的、当所述平台倾斜时较低的部分保持无冰，从而可以研究该较低部分上的回流重结冰的产生。
通过提供用于产生所述平台的第二部分的局部加热的第二加热器器件以产生所融化的冰从积冰层越过屏障并到达所述平台的第一部分上的回流，回流重结冰测试装置能够使积冰融化，以便它行进到所述平台的第一部分上，在该第一部分上，它然后可以重新冻结，从而产生回流重结冰。
[控制器]
回流重结冰测试装置可包括加热器器件控制器。该加热器器件控制器可以用于独立地接通和断开第一加热器器件和第二加热器器件。
用于独立地接通和断开第一加热器器件和第二加热器器件的该加热器器件控制器允许第一加热器器件在第二加热器器件断开的同时接通，由此提供以下模式：其中，第一部分(它在所述平台倾斜时较低)被加热以保持无冰，而第二部分(它在所述平台倾斜时较高)不被加热，从而冰能够积在第二部分上。它还允许第一加热器器件在第二加热器器件接通的同时断开，由此提供以下模式：其中，第二部分被加热以融化积冰，而第一部分不被加热，以允许在第一部分上形成回流重结冰。
加热器器件控制器可用于控制第一加热器器件和第二加热器器件被加热到的温度。
这能够允许更高效地使用能量(相对于其中温度不能被控制或温度固定的装置)，因为：如果需要，能够考虑到所述腔室内的温度将第一加热器器件加热到第一部分仍然能够保持无冰的最低温度。与第一加热器器件被加热到更高温度的情况相比，这使用了较少的能量。
用于控制第一加热器器件和第二加热器器件被加热到的温度的该加热器器件控制器还允许模拟比其中温度固定的装置更多种类的回流结冰条件。
[倾斜角度的调节]
平台倾斜器件可布置成调节目标物的所述平台的倾斜角度。
当平台倾斜器件被布置成调节目标物的所述平台的倾斜角度时，回流重结冰测试装置能够用于模拟在各种不同结构上或以这些结构的不同倾斜角度形成回流重结冰。例如，机翼的被加热部分与机翼的可能在其上发生冰回流的部分之间的角度可以不同于尾翼的被加热部分与尾翼的可能在其上发生冰回流的部分之间的角度。用于调节目标物的所述平台的倾斜角度的器件允许同一个回流重结冰测试装置以这些角度中的任一个角度来测试冰回流，由此模拟这些结构中的任一个上的冰回流。
[第三方面：方法]
根据本发明的第三方面，提供了一种操作第一方面的积冰设备的方法，该方法包括操作水滴排出装置以产生水滴，并且利用腔室冷却器件冷却所述水滴，使得积冰层被积聚在目标物上。
[冷却的顺序]
该方法可包括：随着水滴从水滴排出装置沿着所述腔室向下行进到目标物而冷却所述水滴。以这种方式，这些水滴在它们击中目标物时冻结。
该方法可包括：一旦水滴已落在目标物上就冷却这些水滴。以这种方式，水滴作为液体落在目标物上，然后冻结。
[脉动]
该方法包括以一定的间隔操作水滴排出装置以产生水滴。该方法可包括以一定的间隔中断通过水滴排出装置产生水滴。
以这种方式，不是产生基本连续的水滴流或水滴喷雾，而是能够中断水滴的产生。该方法能够用于在目标物上产生冰层，因为：在没有正产生水滴的同时，在重新开始产生水滴之前，已落在目标物上的水滴有时间冻结。
[温度梯度]
该方法可以包括在积冰设备的中心腔室内产生温度梯度。
该方法可包括将所述腔室的紧邻顶部单元的部分冷却到高于0℃的温度，并将所述腔室的紧邻底部单元的部分冷却到0℃或更低的温度。该方法可包括将所述腔室的紧邻顶部单元的部分冷却到高于0℃的温度，并将所述腔室的紧邻底部单元的部分冷却到低于0℃的温度。
该方法可包括将所述腔室的紧邻顶部单元的部分冷却到至少0℃且最高达20℃的温度。该方法可包括将所述腔室的紧邻顶部单元的部分冷却到至少0℃且最高达15℃的温度。该方法可包括将所述腔室的紧邻顶部单元的部分冷却到至少0℃至10℃的温度。
以这种方式，所述腔室的紧邻顶部单元的部分能够保持在水滴排出装置能够产生水滴而不冻结的温度。
该方法可包括将所述腔室的紧邻底部单元的部分冷却到0℃和-40℃之间的温度。
以这种方式，所述腔室的紧邻底部单元的部分能够保持在水滴将冻结在目标物上的温度，以产生积冰层。
该方法可包括将所述腔室的紧邻底部单元的部分冷却到0℃和-5℃之间的温度。以这种方式，能够在目标物上积聚明冰(clear ice)。该方法可包括将所述腔室的紧邻底部单元的部分冷却到-5℃和-10℃之间的温度。以这种方式，能够在目标物上积聚明冰或混合冰。该方法可包括将所述腔室的紧邻底部单元的部分冷却到-10℃和-15℃之间的温度。以这种方式，能够在目标物上积聚混合冰或霜冰。该方法可包括将所述腔室的紧邻底部单元的部分冷却至-15℃和-40℃之间的温度。以这种方式，能够在目标物上积聚霜冰。
一般来说，可以累积的冰的类型(明冰、混合冰和霜冰)取决于许多因素，包括但不限于：环境温度、积冰表面的温度、液体含水量(LWC)、水滴尺寸、水滴撞击速度、海拔高度(压力)和湿度。
该方法可包括：当积冰设备包括腔室加热器件时，操作该腔室加热器件以加热中心腔室的一部分，以便在所述腔室内产生温度梯度。该方法可包括操作腔室加热器件，以加热所述腔室的紧邻顶部单元的部分。
当腔室加热器件包括围绕所述柱体的至少一个加热器套时，该方法可包括操作所述至少一个加热器套以加热中心腔室的一部分，以便在所述腔室内产生温度梯度。该方法可包括操作围绕中心腔室的紧邻该设备的顶部单元的部分的加热器套，以便加热所述腔室的紧邻顶部单元的部分。该方法可包括操作第一加热器套以加热中心腔室的第一部分并操作第二加热器套以加热中心腔室的第二部分，该方法包括将第二加热器套加热到比第一加热器套高的温度，以便将所述腔室的第二部分加热到比所述腔室的第一部分高的温度。第二加热器套可围绕中心腔室的紧邻该设备的顶部单元的部分。
该方法可包括：当腔室冷却器件包括多个管状区段(每个管状区段都限定壁腔，并且每个管状区段都包括用于使冷却流体穿过各自壁腔的入口和出口)时，通过使冷却流体穿过第一个管状区段的壁腔并使冷却流体以比冷却流体穿过第一个管状区段的壁腔时的体积流速低的体积流速穿过第二个管状区段的壁腔而在积冰设备的中心腔室内产生温度梯度，以便将中心腔室的由第一个管状区段限定的部分冷却到比中心腔室的由第二个管状区段限定的部分低的温度。
该方法可包括：当腔室冷却器件包括多个管状区段(每个管状区段都限定壁腔，并且每个管状区段都包括用于使冷却流体穿过各自壁腔的入口和出口)时，通过使第一冷却流体穿过第一个管状区段的壁腔并使第二冷却流体穿过第二个管状区段的壁腔而在结冰设备的中心腔室内产生温度梯度，第一冷却流体处于比第二冷却流体低的温度下，以便将中心腔室的由第一个管状区段限定的部分冷却到比中心腔室的由第二个管状区段限定的部分低的温度。
该方法可包括：当腔室冷却器件包括多个管状区段(每个管状区段都限定壁腔，并且每个管状区段都包括用于使冷却流体穿过各自壁腔的入口和出口)时，通过使冷却流体穿过第一个管状区段的壁腔并然后使冷却流体穿过第二个管状区段的壁腔而在结冰设备的中心腔室内产生温度梯度，以便将中心腔室的由第一个管状区段限定的部分冷却到比中心腔室的由第二个管状区段限定的部分低的温度。
第一个管状区段可以是紧邻底部单元的管状区段。以这种方式，产生如下的温度梯度：其中，所述腔室的底部(最靠近目标物)比所述腔室的顶部(最靠近水滴排出装置)冷。
[水滴尺寸]
当积冰设备包括用于控制被供应到水滴排出装置的水的压力的加压器件时，该方法可包括控制被供应到水滴排出装置的水的压力，以控制由水滴排出装置产生的水滴的直径。
该方法可包括提高被供应到水滴排出装置的水的压力，以减小由水滴排出装置产生的水滴的直径。
当水滴排出装置为压电装置时，该方法可包括控制被供应到压电装置的压电元件的电流，以便控制由压电装置产生的水滴的直径。
[第四方面：系统]
根据本发明的第四方面，提供了一种积冰系统，其包括：柱体，该柱体具有纵向轴线、侧壁和中心腔室，该中心腔室具有顶端和底端；顶部单元，该顶部单元封闭所述腔室的顶端并布置成接收用于产生水滴的水滴排出装置；第一水滴排出装置，该第一水滴排出装置被布置成装配到所述顶部单元并包括具有第一直径的至少一个喷嘴，该第一直径至少部分地决定由具有第一直径的所述至少一个喷嘴形成的至少一个水滴的直径；第二水滴排出装置，该第二水滴排出装置被布置成装配到所述顶部单元并包括具有第二直径的至少一个喷嘴，该第二直径至少部分地决定由具有第二直径的所述至少一个喷嘴形成的至少一个水滴的直径，第二直径不同于第一直径；底部单元，该底部单元封闭所述腔室的底端并包括目标物；以及腔室冷却器件，该腔室冷却器件被构造成在测试期间冷却所述腔室并由此冷却由第一水滴排出装置或第二水滴排出装置产生的水滴，从而在测试期间使用时，积冰层被积聚在目标物上。
通过提供第一水滴排出装置(该第一水滴排出装置被布置成装配到顶部单元并且包括具有第一直径的至少一个喷嘴，该第一直径至少部分地决定由具有第一直径的所述至少一个喷嘴形成的至少一个水滴的直径)和第二水滴排出装置(该第二水滴排出装置被布置成装配到顶部单元并包括具有第二直径的至少一个喷嘴，该第二直径至少部分地决定由具有第二直径的所述至少一个喷嘴形成的至少一个水滴的直径的，第二直径不同于第一直径)，该系统允许第一水滴排出装置和第二水滴排出装置互换，以产生不同直径的水滴。
第一方面和第二方面的可选特征也是第四方面的可选特征，本领域技术人员在必要时可推断出术语的变化以使其有意义。
附图说明
下面将仅通过示例并参考附图来描述具体实施例，在附图中：
图1示出了台式结冰装置形式的积冰设备的截面图；
图2示意性地示出了水滴生成系统；
图3a示出了水滴排出装置的透视图；
图3b示出了水滴排出装置的截面图；
图4a示出了积冰设备的管状区段的透视图，该管状区段为具有观察端口的第一壁部分的形式；
图4b示出了具有观察端口的第一壁部分的截面图；
图5a示出了积冰设备的底部单元的透视图，该底部单元为冰粘附性测试装置的形式；
图5b示出了冰粘附性测试装置的截面图；
图6a至6d示出了积冰设备的替代性底部单元的不同透视图，该替代性底部单元为冰回流测试装置的形式；并且
图7示出了被装配到积冰设备的顶部的、替代性水滴排出装置的示意性截面图。
具体实施方式
[概述]
图1示出了台式结冰装置10形式的积冰设备。概括地说，台式结冰装置10(下文称为“结冰装置”)被成形为柱体11。柱体11由侧壁12(下文称为“壁”)限定，在本实施例中，侧壁12是环形形状的。壁12由壁部分形式的三个管状区段形成：第一壁部分17a、第二壁部分17b和第三壁部分17c。第二壁部分17b堆叠在第一壁部分17a的顶部上。第三壁部分17c堆叠在第二壁部分17b的顶部上。在其它实施例中，可以存在更多或更少的管状区段。在本实施例中，每个壁部分17a、17b、17c是大致圆形横截面的。因而，柱体11的壁12形成大致圆形横截面的的管。壁12在其内部限定中心腔室18(下文中称为“腔室”)。因此，该腔室18也是大致圆形横截面的。
在腔室18的顶端处，存在喷嘴装置14形式的水滴排出装置。该喷嘴装置14是水滴排出装置支架13形式的顶部单元的一部分。水滴排出装置支架13用作柱体11的顶部上的盖子，从而封闭腔室18。水滴排出装置支架13以可释放方式装配到第三壁部分17c。喷嘴装置14形成水滴生成系统(图1中未示出)的一部分。
在腔室18的底端处存在目标物。该目标物是底部单元的一部分，在本实施例中，底部单元是冰粘附性测试装置15。在本实施例中，所述目标物为冰粘附性测试装置15的井16的形式。冰粘附性测试装置15被以可释放方式装配到第一壁部分17a。
第一壁部分17a还具有观察端口19。第一壁部分17a中的观察端口19允许观察井16内的样品(未示出)。
[水滴生成系统]
参考图2、3a和3b，现在将更详细地描述喷嘴装置14和其部分地形成的水滴生成系统20。总体而言并特别参考图2，水滴生成系统20包括在水滴排出装置支架13(在该图中未示出)中的喷嘴装置14、水箱24形式的储水器、以及将喷嘴装置14连接到水箱24的供水管线26。水滴生成系统20还包括水箱24中的水箱加热器23形式的储水器加热器、伴随式加热器(trace heater)27形式的供水管线加热器、以及对水箱加热器23、伴随式加热器27和泵21形式的加压器件进行控制的水压和水温控制器22。最后，水滴生成系统20在供水管线26上包括泵21、降压阀28以及闸阀25，该降压阀28连接到排放管线29，该排放管线29还连接到水箱24。
继续参考图2，现在将更详细地描述这些部件的构造。水箱24连接到两条管线：供水管线26和排放管线29。供水管线26的一端连接到水箱24，并且另一端连接到喷嘴装置14。排放管线29的一端连接到水箱24，并且另一端连接到供水管线26。水箱加热器23位于水箱24内，以加热水箱24中的水。
从供水管线26的连接到水箱24的端部开始，现在将描述供水管线26的构造。在水箱24和喷嘴装置14之间，供水管线26连接到泵21。泵21被布置成使得它能够将水从水箱24抽吸到供水管线26中，并因而提高供水管线26中的水压。除了泵21之外(即，在供水管线26上，在泵21的相对于水箱24而言的另一侧上)，供水管线26连接到伴随式加热器27。伴随式加热器27被布置成进一步加热供水管线26内的水。在泵21和喷嘴装置14之间，供水管线26还连接到降压阀28。降压阀28是三通阀，其被构造成允许水从水箱24通过供水管线26朝着喷嘴装置14流动以及从供水管线26(从降压阀28的水箱24侧或从降压阀28的喷嘴装置14侧)进入排放管线29中。这用于根据需要来降低供水管线26中的水压。排放管线29连接到水箱24，使得它能够将从供水管线26排出的水返回到水箱24中。在降压阀28和喷嘴装置14之间，供水管线26仍连接到伴随式加热器27。供水管线26也连接到闸阀25。闸阀25被布置成阻止或允许水从水箱24通过供水管线26流到喷嘴装置14。
如上所述，水滴生成系统20还包括水温和水压控制器22。水温和水压控制器22被布置成控制水箱加热器23、伴随式加热器27、泵21和降压阀28，以控制水箱24中和供水管线26中的水的温度和压力。
现在参考图3a和3b，现在将更详细地描述喷嘴装置14。图3a示出了喷嘴装置14的透视图。本实施例的喷嘴装置14包括第一喷嘴31a、第二喷嘴31b和第三喷嘴31c。喷嘴31a、31b、31c连接到喷嘴装置本体32。
如以截面图示出喷嘴装置14的图3b中可见，喷嘴装置本体32在其内部限定了喷嘴装置储水器34。喷嘴装置储水器34是喷嘴装置本体32内的空间，其能够从供水管线26接收水。因此，喷嘴装置储水器34可以接收该水，它经由喷嘴装置14的供水管线连接器33流体连接到供水管线26。因而，水能够从供水管线26进入供水管线连接器33，流入喷嘴装置储水器34中，并经由喷嘴31a、31b、31c从喷嘴装置14喷出。
对于喷嘴31a、31b、31c，每个喷嘴31a、31b、31c彼此基本相同，因此这里将仅详细描述第一喷嘴31a(下文中称为“喷嘴”)。喷嘴31a被成形为空心锥体。如上所述，喷嘴31a的一端与喷嘴装置储水器34流体连接。在另一端处，喷嘴31a限定有喷嘴出口35a。因而，水能够从喷嘴装置储水器34通过喷嘴31a逸出到喷嘴出口35a之外。
[区段]
现在参考图4a和4b，现在将更详细地描述第一壁部分17a。如作为第一壁部分17a的透视图的图4a中可见，第一壁部分17a具有本体41，该本体41是大致圆柱形的并且在其内部限定第一壁部分腔室部47。该本体41由壁12、内壁42以及第一凸缘44a和第二凸缘44b组成。这能够在以截面图示出第一壁部分的图4b中更容易地看出。壁12的为圆柱形形状的。也就是说，壁12是圆形环横截面的。内壁42也是圆柱形形状的。内壁42的直径小于壁12。内壁42位于壁12内。内壁42和壁12间隔开，以便在它们之间限定腔43。内壁42和外壁12在其端部处通过第一凸缘44a和第二凸缘44b连接。在图4a中能够最好地看到第一凸缘44a和第二凸缘44b，尽管在该图中只能看到第二凸缘44b的一部分。第一凸缘44a和第二凸缘44b均为环形形状的。它们各自足够宽以跨越壁12和内壁42之间的间隙。第一凸缘44a和第二凸缘44b被布置成密封该间隙。以这种方式，如刚刚提到的，内壁42和外壁12在它们之间限定了一个腔，该腔由第一凸缘44a和第二凸缘44b密封。第一凸缘44a位于壁12和内壁42的一端处，并且第二凸缘44b位于壁12和内壁42的如下端部处：该端部远离与第一凸缘44a固定的端部。
壁12具有第一阀49形式的入口和第二阀48形式的出口。第一阀49被布置成连接到冷却流体供应源(未示出)。在本实施例中，冷却流体是液氮，并且液氮由第一液氮传输管线供应，该第一液氮传输管线能够经由第一传输管连接到第一阀49。第二阀48被布置成经由第二传输管连接到第二液氮传输管线。在其它实施例中，设想该入口和出口可以位于除了图中所示的位置之外的其它位置。在一个这样的其它实施例中，入口位于本实施例的第一阀49的位置处，而出口位于第二阀48的位置处。
第一凸缘44a和第二凸缘44b包括连接器，通过所述连接器，第一凸缘44a和第二凸缘44b能够连接到结冰装置10的其它部分上的相应凸缘。第一凸缘44a包括四个公固定件45a、45b、45c、45d。这些能够在图4a中最容易看到。它们围绕第一凸缘44a的外部彼此等距间隔开。四个公固定件45a、45b、45c、45d彼此基本相同，因此这里将仅详细描述公固定件45a、45b、45c、45d中的一个公固定件45a。公固定件45a由螺母和螺栓组成。螺栓被枢转地附接到第一凸缘44a。螺母位于该螺栓上。该螺栓带有螺纹，以便螺母能够拧紧在螺栓上。
第二凸缘44b包括四个母固定件46a、46b(在图中仅能看到其中的两个)。四个母固定件46a、46b围绕第二凸缘44b的外部彼此等距间隔开。四个母固定件46a、46b彼此基本相同，因此这里将仅详细描述母固定件46a、46b中的一个母固定件46a。母固定件46a被布置成接收公固定件(例如上述的公固定件45)的螺栓。母固定件46a被成形为两个插脚(prongs)，公固定件45a的螺栓能够在这两个插脚之间枢转。
第二壁部分17b和第三壁部分17c基本与第一壁部分17a相同，只是它们不包括观察端口19。第二壁部分17b的母固定件被布置成连接到第一壁部分17a的公固定件45a、45b、45c、45d。第三壁部分17c的母固定件被布置成连接到第二壁部分17b的公固定件。
在其它实施例中，管状区段(壁部分17)可以使用连接系统以可释放方式连接到相邻部件，该连接系统不同于上文所述的公固定件和母固定件的系统。例如，该连接系统可包括：可移除的夹具，用于将相邻部件的相邻凸缘夹紧在一起；可移除的圆周带，用于将相邻部件的相邻凸缘夹在一起；或者，一个部件可直接旋拧到相邻部件，例如，一个管状区段的底端可直接旋拧到另一个管状部件的顶端中。
如上所述，第一壁部分17a包括连接到本体41的观察端口19。在本实施例中，观察端口19采用单壁管的形式。观察端口19的管的一端连接到第一壁部分17a的内壁42和壁12。观察端口19的管的另一端被观察窗口40封闭，在本实施例中，观察窗口40由耐低温的透明玻璃制成，例如硼硅酸盐玻璃。第一壁部分17a的内壁42和壁12限定了孔，观察端口19通过该孔连接到这些壁，从而能够通过观察窗口40观察第一壁部分腔室部47。
观察端口19还包括能够将压力计(未示出)与其连接以计量腔室18内的压力的过压保护器81、能够将真空泵(未示出)与其连接以降低腔室18内的压力的蝶阀82、以及能够将干燥氮气供应装置(未示出)与其连接以吹扫腔室18并由此减少所述腔室内的水分的干燥氮气连接阀83。
第一壁部分17a、第二壁部分17b和第三壁部分17c中的每一个都具有腔室加热器件，该腔室加热器件为围绕壁部分17a、17b、17c周向地布置的电加热器套的形式。这些电加热器套在图中未示出。在另一实施例中，除了电加热器套之外，该结冰装置还具有围绕每个壁部分的绝缘套。这有助于减少所述腔室与环境之间的热传递，因此与不存在绝缘套的实施例中相比，提供了更高效节能和更快速的加热和冷却。
[顶部单元]
再次参考图1，现在将更详细地描述结冰装置10的顶部单元——水滴排出装置支架13——的构造。水滴排出装置支架13被成形为圆形板。其外径与第三壁部分17c的顶部凸缘的外径相同。水滴排出装置支架13位于第三壁部分17c的顶部上，以用作由第一壁部分17a、第二壁部分17b和第三壁部分17c限定的腔室18的盖子。该水滴排出装置支架具有围绕其圆周的四个均匀间隔开的母固定件。这些母固定件与形成第一壁部分的一部分的四个母固定件46a、46b基本相同。它们被布置成与第三壁部分17c上的对应的公固定件配合。
在本实施例中，水滴排出装置支架13还包括喷嘴装置14。喷嘴装置14被布置成使得：当水滴排出装置支架13在第三壁部分17c上就位时，喷嘴装置14的喷嘴31a、31b、31c位于腔室18内。喷嘴装置14的供水管线连接器33延伸穿过水滴排出装置支架13，使得它能够连接到腔室18外部的供水管线26。
最后，水滴排出装置支架13还包括压力传感器和温度传感器，在本实施例中，该压力传感器和温度传感器被组合在单个传感器装置101中。传感器装置101延伸穿过水滴排出装置支架13，使得它能够感测腔室18内的压力和温度。
[冰粘附性测试装置]
图5a和5b分别示出了冰粘附性测试装置15的透视图和截面图。现在将参考这些图描述冰粘附性测试装置15。如上所述，冰粘附性测试装置15形成结冰装置10的底部单元。它被布置成通过公固定件55a、55b、55c、55d以可释放方式紧固到第一壁部分17a，这些公固定件55a、55b、55c、55d在与第一壁部分17a的第二凸缘44b上的母固定件46a、46b对应的位置上围绕冰粘附性测试装置15的本体59的顶部均匀地间隔开。冰粘附性测试装置15的公固定件55a、55b、55c、55d与第一壁部分17a的第一凸缘44a的公固定件45a、45b、45c、45d基本相同，因此这里将不再更详细地描述。
如上文关于图1提到的，冰粘附性测试装置15包括井16形式的目标物。井16由样品板52、以及井侧壁53形式的冰接合元件构成。样品板52是大致圆形的。它包括用于接收螺钉的螺钉孔，以使样品(未示出)能够固定到其上。井侧壁53由围绕样品板52周向地定位的环状体限定。井侧壁53也是大致圆形的。它围绕样品板52的圆周包围样品板52。井侧壁53具有两个部分：内侧部分56和外侧部分57。内侧部分56位于外侧部分57的径向内侧。内侧部分56也从外侧部分57轴向偏移，使得当冰粘附性测试装置15被组装时，内侧部分56轴向(以及径向地)比外侧部分57更靠近样品板52。井侧壁53的内侧部分56在离开样品板52的方向上径向向外倾斜。
井侧壁53的内侧部分56在井侧壁53的最靠近样品板52的一侧上具有数个凹部54。凹部54被设置成用于与井16中形成的冰键合，以便使冰相对于井侧壁53保持基本固定。在本实施例中，它具有十六个凹部54。在其它实施例中，可以存在其它数量的凹部。可以想到任何数量的凹部，只要凹部的数量足以与井16中形成的冰键合并因而使冰相对于井侧壁53保持固定即可。在本实施例中，每个凹部54是基本彼此相同的。在本实施例中，凹部54绕井侧壁53的内侧部分56彼此等距间隔开。
井侧壁53的外侧部分57是阶梯状的。外侧部分57的径向最内侧部分相对于内侧部分56以大于90°的角度与内侧部分56相交。它位于与样品板52平行的平面内。外侧部分57的径向最外侧部分相对于径向最内侧部分呈阶梯状，使得它在轴向上位于径向最内侧部分上方。这使得外侧部分57的径向最外侧部分能够与冰粘附性测试装置15的本体59的顶部齐平。外侧部分57的径向最外侧部分包括孔58a、58b、58c、58d，用于接收螺钉以将井侧壁53连接到冰粘附性测试装置15的本体59。
在本实施例中，井侧壁53的内侧部分56的内径是固定的。在本实施例中，该内径约为40mm。在替代实施例中，井侧壁53的内侧部分56的内径能够变化，以适应不同的样品尺寸或暴露固定到样品板52的样品的不同表面积。在一个这样的替代实施例中，井侧壁53的内侧部分56的内径可在约40mm至约100mm之间调节。
侧壁53连接到冰粘附性测试装置15的本体59的顶部，使得当冰粘附性测试装置15连接到结冰装置10的第一壁部分17a时，由样品板52和侧壁53形成的井16处于结冰装置10的腔室18的底部处。马达102形式的扭矩器件在轴向上位于样品板52下方，并且在冰粘附性测试装置15的本体59内。马达102是本领域技术人员能够容易地实现的类型的，无需进一步说明，因而在图5b中用交叉影线表示。样品板52由轴103经由传动装置105(它也是本领域技术人员能够容易地实现的类型的，因此仅用交叉影线表示)连接到马达102。马达102被布置成使得它能够使样品板52相对于侧壁53旋转。
冰粘附性测试装置15还包括在图5a中部分可见的扭矩环104形式的变送器器件。扭矩环104被布置成测量轴103上的扭矩，并测量该轴上的横向应力和轴向应力。
[组装]
再次参考图1，现在将描述结冰装置10的组装。
首先，将待测试的样品——在本实施例中，是涂覆有潜在憎冰材料的铝NS4盘——固定到样品板52。在其它实施例中，该样品能够由不同于铝NS4的基板和/或不同的潜在憎冰材料制成。例如，基板可以是复合材料、玻璃、钢或塑料，例如聚碳酸酯、聚醚醚酮(PEEK)或丙烯酸树脂。
为了组装结冰装置10的其余部分，将冰粘附性测试装置15固定到实验室工作台(未示出)，例如通过将冰粘附性测试装置15的本体59装配到该实验室工作台的孔中。然后，通过将冰粘附性测试装置15的公固定件55a、55b、55c、55d附接到第一壁部分17a的第二凸缘44b上的母固定件46a、46b而将第一壁部分17a装配在冰粘附性测试装置15的顶部上。接下来，将第二壁部分17b装配在第一壁部分17a的顶部上，并将第一壁部分17a的公固定件45a、45b、45c、45d固定到第二壁部分17b的母固定件。然后，将第三壁部分17c装配在第二壁部分17b的顶部上，并将第二壁部分的公固定件固定到第三壁部分17c的母固定件。此后，将喷嘴装置支架13装配在第三壁部分17c的顶部上并以类似的方式固定。这在所述柱体内提供了密封腔室18。
每个壁部分的第一(入口)阀(图1中未示出)分别连接到传输管(未示出)，并通过该传输管连接到液氮传输管线(未示出)。第二(出口)阀(也未示出)也分别连接到液氮传输管线(也未示出)。水箱24(如图2所示)充满蒸馏水。喷嘴装置14的供水管线连接器33(如图3a和3b所示)连接到供水管线26(如图2所示)。
[操作]
继续参考图1并且也参考图4a，现在将描述台式冰测试装置10的操作。
通过干燥氮气连接阀83供应干燥氮气来清除腔室18的水分。通过连接到蝶阀82的真空泵降低所述腔室内的压力。能够从连接到过压保护器81的压力计读取所述腔室内的压力。
液氮经由第一阀49进入第一壁部分17a的腔43，冷却第一壁部分腔室部47，并经由第二阀48离开腔43。由第二壁部分17b和第三壁部分17c限定的腔室部分通过涉及这些壁部分17b、17c的相应阀和腔的相应操作来冷却。以这种方式，冷却柱体11内的整个腔室18。在本实施例中，选择液氮到第一壁部分17a的所述腔的流速，使得腔室18的由第一壁部分17a限定的部分被冷却到约-17.5℃。以这种方式，腔室18的由最靠近样品板52的第一壁部分17a限定的部分足够冷，使得水滴将冻结在样品板52的表面上。选择液氮到第二壁部分17b的所述腔的流速，使得腔室18的由第二壁部分17b限定的部分被冷却到约0℃。选择液氮到第三壁部分17c的所述腔的流速，使得腔室18的由第三壁部分17c限定的部分被冷却到约10℃，从而喷嘴装置储水器34和喷嘴31a、31b、31c中的水将不会冻结。
在其它实施例中，选择液氮到第一壁部分17a的所述腔的流速，使得腔室18的由第一壁部分17a限定的部分被冷却至最低达-40℃，这被认为是过冷的液态水滴在大气中可能出现的最低温度。这确保了由喷嘴装置14形成的水滴在与样品板52接触时冻结。例如，在希望在样品板52上产生明冰的实施例中，腔室18的由第一壁部分17a限定的部分被冷却到0℃和-5℃之间。在希望在样品板52上产生明冰或混合冰的实施例中，腔室18的由第一壁部分17a限定的部分被冷却到-5℃和-10℃之间。在希望在样品板52上产生混合冰或霜冰的实施例中，腔室18的由第一壁部分17a限定的部分被冷却到-10℃和-15℃之间。在希望在样品板52上产生霜冰的实施例中，腔室18的由第一壁部分17a限定的部分被冷却到-15℃和-40℃之间。在这些其它实施例中，选择液氮到第三壁部分17c的所述腔的流速，使得腔室18的由第三壁部分17c限定的部分被冷却到喷嘴装置储水器34和喷嘴31a、31b、31c中的水将不会冻结的、任何可想到的温度，只要该温度未高到使得由喷嘴装置14形成的水滴在与样品板52接触时不冻结即可。例如，在一个这样的其它实施例中，选择液氮到第三壁部分17c的所述腔的流速，使得腔室18的由第三壁部分17c限定的部分被冷却到15℃。
在又一些其它实施例中，采用其它技术在腔室18内产生温度梯度(例如上述温度梯度之一)。
在一个这样的其它实施例中，使用了两种或更多种不同的冷却流体。特别地，具有一种沸点的冷却流体穿过第一壁部分17a的腔43(经由第一阀49进入并经由第二阀48离开)，并且具有更高沸点的不同的冷却流体穿过第二壁部分17b和第三壁部分17c的所述腔。替代地，具有一种沸点的冷却流体穿第一壁部分17a的腔43并穿过第二壁部分17b的所述腔，并且，具有更高沸点的不同的冷却流体穿过第三壁部分17c的所述腔。
穿过第一壁部分17a的腔43的流体例如可以是液氮，而穿过第三壁部分17c的所述腔的流体例如为液氩(并且二者中的任一种流体都可用于第二壁部分17b)。在另一示例中，穿过第一壁部分17a的腔43的流体例如可以是氦-4，而穿过第三壁部分17c的所述腔的流体例如是液氮(并且二者中的任一种流体都可用于第二壁部分)。
在另一个这样的其它实施例中，冷却流体(例如液氮)首先穿过第一壁部分17a的腔43以冷却腔室18的一部分，然后被再循环通过第二壁部分17b的所述腔，然后穿过第三壁部分17c。以这种方式，该冷却流体在其穿过每个腔时被加热。因而，它通过该冷却流体所穿过的腔对由连续的壁部分限定的腔室18的每一部分提供减少的冷却。
在又一个这样的其它实施例中，操作所述加热器套中的一个或多个，以加热所述腔室的一部分。例如，能够操作围绕第三壁部分17c的加热器套，以相对于腔室18的由第一壁部分17a和第二壁部分17b限定的部分的温度升高腔室18的由该壁部分17c限定的部分的温度。在另一示例中，围绕第三壁部分17c的加热器套和围绕第二壁部分17b的加热器套都被操作，但处于不同的温度下。具体地，围绕第三壁部分17c的加热器套在比围绕第二壁部分17b的加热器套更高的温度下操作，以便相对于腔室18的由第二壁部分17b限定的部分的温度升高腔室18的由第三壁部分17c限定的部分的温度，腔室18的由第二壁部分17b限定的部分的温度又相对于腔室18的由第一壁部分17a限定的部分的温度被升高。
现在回到对台式冰测试装置10的首先描述的实施例的操作的说明，水箱24中的水被水箱加热器23加热。水由泵21从水箱24泵送到供水管线26中。该水由伴随式加热器27在供水管线26中进一步加热。在本实施例中，该水被加热至约40℃的温度。在其它实施例中，该水能够被加热到其它温度。设想将该水加热到足够高的温度，使得该水在与喷嘴31a、31b、31c接触时不会冻结。否则，由于喷嘴31a、31b、31c处于被冷却的腔室18内，喷嘴31a、31b、31c将足够冷而冻结至少一些水。特别是，设想将水加热到约20℃至95℃之间的温度。
水进入喷嘴装置储水器34和每个喷嘴31a、31b、31c。由泵21施加到该水的压力使其离开喷嘴出口35a、35b、35c，从而以喷雾产生水滴。
以这种方式，特定尺寸的水滴——在本实施例中，水滴具有约10至50微米(10×10-6m至50×10-6m)的直径，其平均直径为约35微米(35×10-6m)——被从喷嘴装置14喷出。通过泵21产生的喷嘴装置储水器34中的更高压力提高了水滴的速度。喷嘴装置储水器34中的更高压力也影响所生成的水滴的尺寸。特别地，通过提高喷嘴装置储水器34中的压力，水滴尺寸减小。在其它实施例中，可能期望其它水滴直径。这些能够通过使用泵21提高或降低喷嘴装置储水器中的压力来实现。替代地或另外，能够使用替代性的喷嘴装置，其喷嘴出口具有与本实施例的喷嘴出口不同的直径。
水滴竖直地向下穿过腔室18朝向冰粘附性测试装置15的井16以及该井16内的样品行进。随着水滴穿过腔室18行进，它们被过冷却。当它们撞击样品板52时，它们冻结。在本实施例中，由于对水滴尺寸和腔室18温度的特定选择，所以在样品上形成霜冰。能够通过观察端口19观察在样品板52上形成的冰，以确定何时已经累积了足够多的冰以停止喷嘴装置14的操作。喷嘴装置14继续如上所述地操作，直到在样品上以及在井16的侧壁53上形成霜冰层为止。霜冰也进入井16的侧壁53中的凹部54。然后，关闭供应管线26(图2所示)中的闸阀25，并且关闭泵21。因而，停止形成水滴。
在其它实施例中，腔室18内的水滴直径和温度梯度是不同的，以便在井16中形成其它类型的冰。例如，当冷却的水滴撞击样品板52和侧壁53的表面并且在冻结之前湿润该表面时，形成明冰。
在又一些其它实施例中，为了模拟其中发生降雨并随后被冻结的结冰条件，在冷却所述腔室之前形成水滴(基本以上述方式)。因而，水滴在不冻结的情况下撞击样品板52，并且随后仅通过以上述方式冷却腔室18而被冻结。
在又一些其它实施例中，不是生成基本连续的水滴喷雾(如上所述)，而是通过关闭闸阀25来周期性地中断到喷嘴装置储水器34和每个喷嘴31a、31b、31c的水流。例如，在这些实施例之一中，如上所述，水被水泵21泵送到喷嘴31a、31b、31c(并被加热)。闸阀25打开5秒，然后关闭10秒。重复闸阀25的这种打开和关闭。因而，水滴喷雾以10秒的间隔落在样品板52上5秒。该方法能够用于在样品板52上产生多个冰层，因为已落在样品板52上的水滴在水滴喷雾重新开始之前有时间冻结(同时闸阀25被关闭)。
回到对首先描述的实施例的说明，接下来，使用冰粘附性测试装置15测量冰粘附到样品上的剪切强度。现在参考图5a和5b，现在将解释冰粘附性测量装置15的操作。向马达102供应电力，使得它施加扭矩以尝试转动轴103并因而转动样品板52。井16的侧壁53中的凹部54防止雾冰层相对于侧壁53旋转。因而，马达102抵抗粘附到样品上的冰。通过扭矩环104测量冰从样品板52分离时的扭矩。根据所测量到的冰从样品板52分离时的扭矩，能够计算冰粘附到样品板52上的剪切强度以及冰从样品板52分离时该冰上的应力。
因而，上述实施例提供了一种台式结冰装置10，其在特定温度下产生特定尺寸的水滴。冰粘附性测试装置15能够与台式结冰装置10结合使用，以确定冰粘附到样品上的剪切强度。
在本实施例中，一旦已进行完测试，就切断液氮到传输管线中的流动。因而，停止向每个壁部分内的所述腔供应液氮，且不再冷却腔室18。接下来，将冰粘附性测试装置15从第一壁部分17a移除。然后，接通围绕每个壁部分的电加热器套。以这种方式，腔18被加热。这使得腔18能够在进行下一次测试之前变干。在其它实施例中，取决于测试期间所述腔18内的期望温度，能够在测试之前或测试期间切断液氮到传输管线中的流动。
[回流重结冰测试装置]
可以设想，其它底部单元能够与上述结冰装置10一起使用。在第二实施例中，该积冰设备的底部单元为回流重结冰测试装置的形式。本实施例的积冰设备是上述结冰装置10的形式，但回流重结冰测试装置被连接到冰粘附性测试装置的本体59。
本实施例中的回流重结冰测试装置由回流重结冰测试配件60以及与冰粘附性测试装置15中使用的相同的马达102和传动装置105组成。在其它实施例中，能够为该回流重结冰测试装置使用专用的马达和传动装置。如下面将更详细描述的，回流重结冰测试配件60连接到马达102(这在图中未示出)。
图6a至6d示出了回流重结冰测试配件60的不同透视图。现在将参考这些图描述回流重结冰测试配件60。回流重结冰测试配件60包括平台61形式的目标物。能够在图6d中最清楚地看到平台61。在本实施例中，平台61是矩形的。平台61具有上表面62。平台61被分成两部分：第一部分63和第二部分64。第一部分63和第二部分64都是矩形的。第一部分63和第二部分64具有相同的宽度和深度。在本实施例中，第一部分63比第二部分64长。因此，第一部分63具有比第二部分63更大的表面积。
在本实施例中，平台61具有约2mm的厚度、约58mm的宽度和约45mm的长度。在其它实施例中，平台61可具有不同的尺寸，只要它们不太大以至于平台61无法装配在腔室18内即可。
平台61的第一部分63和第二部分64被布置在热绝缘部件65上。在本实施例中，热绝缘部件65由聚四氟乙烯(PTFE)制成，但在其它实施例中，能够使用具有良好热绝缘性能的其它材料。热绝缘部件65具有被成形为矩形的基部66，其面积足以容纳平台61的第一部分63和第二部分64。热绝缘部件65还具有突起66。突起66在平台61的第一部分63和第二部分64之间提供突出的热屏障。突起66从基部66的一个长边延伸到相对的边。换句话说，突起66横跨平台61的宽度延伸。该突起具有基本平坦的侧面，平台61的第一部分63和第二部分64抵靠该侧面。突起66的高度略大于平台61的第一部分63和第二部分64的高度，使得突起66突出到该平台的上表面62上方。
平台61的第一部分63和第二部分64在其内部具有加热器元件(未示出)。所述加热器元件是可独立控制的电加热器。它们被布置成加热平台61的上表面。所述加热器元件均连接到加热器元件控制器(也未示出)形式的加热器器件控制器。该加热器元件控制器被布置成将所述加热器元件彼此独立地接通和断开。在本实施例中，该加热器元件控制器另外被布置成控制每个加热器元件被加热到的温度。
其顶部上安装有平台61的热绝缘部件65又安装到枢转板68。枢转板68被枢转地安装到平台倾斜器件，在本实施例中，该平台倾斜器件由马达102、传动装置105和联轴器69(在图6a至6d中未示出马达102和传动装置105)组成。联轴器69将枢转板68经由传动装置105连接到马达102。联轴器69和传动装置105被布置成使得马达102的转动使枢转板68倾斜，以便该平台的第二部分64在该平台的第一部分63上方。联轴器69被布置成在马达102停止转动时将枢转板68保持在倾斜位置。
[组装]
与冰回流测试装置一起使用的台式结冰装置基本按上文关于与冰粘附性测试装置15一起使用的结冰装置10所述地组装，不同之处在于该冰回流测试装置在组装期间代替了冰粘附性测试装置15。
[操作]
参考图1和6，现在将描述本第二实施例的台式冰测试装置的操作。首先，将平台61定位。使马达102转动。马达102的这种转动使联轴器69枢转该枢转板68，使得平台61的第二部分64在平台61的第一部分63上方。在本实施例中，枢转板68枢转到50°的角度，但在其它实施例中，枢转板68能够枢转到其它角度，从而以这些其它角度测试回流重结冰。当枢转板68已经枢转到期望的角度时，马达102停止。
接下来，使用液氮基本如上所述地冷却腔室18。接通平台61的第一部分63的加热器元件。在该特定实施例中，第一部分63被加热到约30℃的温度。在其它实施例中，第一部分63能够被加热到其它温度。可以设想，第一部分63被加热到代表将与潜在的憎冰涂层一起使用的电热冰保护系统的温度。
然后，基本如上文关于第一实施例所述地产生过冷的或冷却的水滴；即，通过从喷嘴装置14喷射水滴。
水滴沉积在平台61上。由于平台61的第二部分64未被加热，所以水滴在第二部分64上形成霜冰。在其它实施例中，如上所述，在第二部分64上形成明冰、或者明冰和霜冰的混合物。由于平台61的第一部分63被加热，所以在第一部分63上不形成冰。突起66防止在第二部分64上形成的冰延伸到平台61的第一部分63上。突起66用作第一部分63和第二部分64之间的热屏障。
与第一实施例中一样，能够通过观察端口19观察冰的累积。当确定已经在平台61的第二部分64上沉积了足够的冰时，停止喷嘴装置14的操作(如上文关于第一实施例所述的)。因而，不再有水滴落在平台61上。
将平台61的第一部分63的加热器元件关闭。在本实施例中，允许第一部分63被冷却至约-15℃的温度。在其它实施例中，能够选择其它温度，这取决于操作者希望该测试所近似达到的大气条件。例如，在其它实施例中，能够允许第一部分63被冷却到比本实施例中更高的温度：在0℃和-15℃之间。接通平台61的第二部分64的加热器元件。在第二部分64上形成的冰开始融化。来自融化的冰的水向下流动，越过突起66并到达平台61的第一部分63上。该水在平台61的第一部分63上冻结，从而形成回流重结冰。
在其它实施例中，能够选择枢转板68的其它角度以及第一部分63和第二部分64被加热和冷却到的其它温度，并且能够允许不同厚度的冰积聚在第二部分64上。以这种方式，能够在许多不同的条件下研究回流重结冰的形成和行为。
一旦已进行完该测试，就切断液氮到传输管线的流动。因而，停止向每个壁部分内的所述腔供应液氮，并且不再冷却腔室18。与第一实施例中一样，接通围绕每个壁部分的电加热器套，使得在进行下一次测试之前，腔18被加热并变干。然后将该冰回流测试装置从本体59移除。在其它实施例中，取决于测试期间所述腔18内的期望温度，能够在测试之前或测试期间切断液氮到传输管线中的流动。
[其它实施例]
可以设想，在其它实施例中，该积冰设备可以包括附加部件，或者其部件中的一些可以被替代性部件替换。
例如，在一个这样的替代实施例中，仍然是台式结冰设备形式的积冰测试装置另外具有围绕所述柱体的每个部分的绝缘套。
在另一替代实施例中，该设备包括阀器件，该阀器件用于将一定体积的气体引入到所述腔室中并将该一定体积的气体密封在所述腔室中。该阀器件为双向阀的形式，其延伸穿过所述腔室的壁，例如穿过该设备的观察端口，使得当打开时，它能够将台式结冰装置内的所述腔室与外部气体供应源连接并允许气体进入所述腔室中。当关闭时，该双向阀密封所述腔室。
在又一替代实施例中，该设备包括用于在所述腔室中产生降低的压力的泵送器件。在本实施例中，该设备具有双向阀，该双向阀延伸穿过所述腔室的壁，例如穿过该设备的观察端口。该泵送器件为真空泵的形式。该真空泵经由管连接到双向阀。当打开时，并且当泵接通时，该阀允许来自所述腔室内的气体穿过。泵通过该阀抽吸气体并将其排出。以这种方式，能够降低所述腔室内的压力。在本实施例中，所述柱体被构造成耐受最低为至少14.1kPa的压力。
在进一步的替代实施例中，该设备包括控制器。在本实施例中，控制器为微控制器的形式。该微控制器连接到关于第一实施例所述类型的传感器装置，使得它能够从该传感器装置接收压力信号和温度信号。如关于刚刚描述的两个替代实施例所述的，该微控制器还连接到阀器件和泵送器件，使得它能够控制这些器件并由此控制所述腔室内的压力。最后，该微控制器连接到如上文关于第一实施例所述的腔室加热器件，使得它能够控制该器件并由此控制所述腔室内的温度。该微控制器被编程为基于来自传感器装置的信号来控制压力和温度。
在又一些替代实施例中，该设备包括更多或更少的管状区段。
例如，在一个这样的替代实施例中，该设备仅包括两个管状区段。这些管状区段中的一个管状区段与关于第一实施例所述的第一壁部分基本相同。另一个管状区段与关于第一实施例所述的第三壁部分基本相同。因此，在该替代实施例中，与其中存在三个管状区段的实施例(例如第一实施例)中的柱体的高度相比，柱体的高度较小。这导致了更紧凑的设备。
在第二个这样的替代实施例中，存在四个管状区段。该设备基本与上文关于第一实施例所述的相同，区别在于它在第一壁部分和第二壁部分之间具有附加的壁部分。该附加的壁部分与第一实施例的第二和第三壁部分基本相同。因此，该替代实施例中的柱体的高度大于第一实施例中的柱体的高度。这导致由喷嘴装置生成的水滴在它们撞击柱体的底部处的目标物时比它们在具有较少管状区段的结冰装置中具有更高的速度。
在另一替代实施例中，水滴排出装置是压电装置70，而不是喷嘴装置14。图7中以截面图示意性地示出了压电装置70。参考该图，现在将更详细地描述压电装置70。
压电装置70由板73组成，该板73具有水通道71形式的多个通孔。选择水通道71的数量以提供足够的水滴，从而基于每个水通道71每次产生一个水滴来提供期望的结冰条件(如下面将进一步解释的)。
在本实施例中，板73的直径被选择为小于待喷射有水滴的区域的直径，以解决水滴向外扩散的问题。然而，在另一实施例中，板73的直径被选择为与待喷射有水滴的区域的直径基本相同。板73具有围绕其圆周的伴随式加热元件27。这是为了加热该板73。
每个水通道71都包含压电晶体72形式的压电元件。每个压电晶体72都被布置成使得当电流流过它们时，它们弯曲以便将水从它们各自的水通道71吸入到通过这种变形而产生的空间中。当没有供应电流时，压电晶体72恢复到其原始形状。每个压电晶体72都被布置成当发生这种情况时，它们从其各自的水通道71喷射水滴。每个压电晶体72都经由电连接74连接到组合式电源和控制器75。这是为了从该电源和控制器75向压电晶体72供应电流并控制所供应的电流的大小。
根据希望从水通道71喷射的水滴的尺寸来选择压电晶体72的类型。在给定的电流下相对较大地变形的压电晶体72将在其变形后松弛时喷射相对大体积的水。也根据希望从水通道71喷射水滴的速度来选择压电晶体72的类型。特别是，在响应于电流从其通过而变形后相对快速地松弛的一种压电晶体72将以相对大的速度从水通道71喷射水滴。
压电装置70被装配到水滴排出装置支架13中以代替喷嘴装置14。水滴生成系统20的与该压电装置连接的其余部分与上文关于图2所述的基本相同。换句话说，压电装置70连接到具有伴随式加热器27的供水管线26，并连接到泵21和水箱24、以及图2中所示的所有其它部件。
在操作中，水被从供水管线26供应到水通道71。操作该电源和控制器75以经由电连接74向压电晶体72供应电流。这使压电晶体72在第一方向上弯曲，以便将水从它们各自的水通道71吸入到通过这种变形而产生的空间中。然后停止通过压电元件72的电流，使得它们恢复到其原始形状并将水以水滴的形式推出。使用控制器75选择被供应到压电晶体72的电流的大小，以确定压电晶体72的变形的幅度。这进而控制了由压电装置70产生的水滴的尺寸。

Claims (60)

1.一种积冰设备，包括：
柱体，所述柱体具有纵向轴线、侧壁以及中心腔室，所述中心腔室具有顶端和底端；
顶部单元，所述顶部单元封闭所述中心腔室的所述顶端并包括用于产生水滴的水滴排出装置；
底部单元，所述底部单元封闭所述中心腔室的所述底端并包括目标物；以及
腔室冷却器件，所述腔室冷却器件被构造成在测试期间冷却所述中心腔室并由此冷却所述水滴，从而在测试期间使用时，积冰层被积聚在所述目标物上，
其中，所述腔室冷却器件被构造成在所述中心腔室的所述顶端和底端之间产生温度梯度。
2.根据权利要求1所述的积冰设备，其中，被构造成在测试期间冷却所述中心腔室的所述腔室冷却器件被构造成随着水滴从所述水滴排出装置沿所述中心腔室向下行进到所述目标物而冷却或过冷却所述水滴。
3.根据权利要求1或2所述的积冰设备，其中，所述侧壁包括多个管状区段，并且其中，所述管状区段以可释放方式堆叠在彼此之上。
4.根据权利要求3所述的积冰设备，其中，所述腔室冷却器件包括在所述侧壁中的至少一个壁腔、以及用于使冷却流体穿过所述至少一个壁腔的入口和出口。
5.根据权利要求4所述的积冰设备，其中，每个管状区段都限定一个壁腔，并且其中，每个管状区段都包括用于使冷却流体穿过所述壁腔的入口和出口。
6.根据权利要求1或2所述的积冰设备，所述积冰设备还包括用于在多次测试之间加热所述中心腔室的腔室加热器件。
7.根据权利要求6所述的积冰设备，其中，所述腔室加热器件包括围绕所述柱体的至少一个加热器套。
8.根据权利要求7所述的积冰设备，其中，所述侧壁包括多个管状区段，并且所述腔室加热器件包括围绕所述柱体的多个管状区段中的每一个管状区段的加热器套。
9.根据权利要求1或2所述的积冰设备，其中，所述积冰设备包括围绕所述柱体的至少一个绝缘套。
10.根据权利要求9所述的积冰设备，其中，所述积冰设备包括腔室加热器件，并且所述腔室加热器件包括围绕所述柱体的至少一个加热器套，并且每个绝缘套都围绕加热器套。
11.根据权利要求1或2所述的积冰设备，其中，所述积冰设备包括温度控制器件，所述温度控制器件用于控制被供应到所述水滴排出装置的水的温度。
12.根据权利要求11所述的积冰设备，其中，所述温度控制器件包括至少一个加热器。
13.根据权利要求12所述的积冰设备，其中，所述温度控制器件包括储水器加热器，所述储水器加热器被布置成加热被供应到所述水滴排出装置的水。
14.根据权利要求12所述的积冰设备，其中，所述温度控制器件包括供水管线加热器，所述供水管线加热器被布置成加热供水管线内的水。
15.根据权利要求12所述的积冰设备，其中，所述积冰设备包括被布置成控制所述至少一个加热器的水温控制器。
16.根据权利要求1或2所述的积冰设备，其中，所述积冰设备包括用于测量所述中心腔室内的温度的至少一个温度传感器。
17.根据权利要求16所述的积冰设备，其中，所述积冰设备包括用于测量所述中心腔室内的压力的至少一个压力传感器。
18.根据权利要求17所述的积冰设备，其中，所述积冰设备包括被布置成接收由所述至少一个温度传感器和/或所述至少一个压力传感器输出的信号的至少一个控制器。
19.根据权利要求1或2所述的积冰设备，其中，所述积冰设备包括用于将一定体积的流体引入到所述中心腔室中并将所述一定体积的流体密封在所述中心腔室内的阀器件。
20.根据权利要求1或2所述的积冰设备，其中，所述积冰设备包括用于在所述中心腔室内产生降低的压力的泵送器件。
21.根据权利要求18所述的积冰设备，其中，所述至少一个控制器被布置成控制所述腔室冷却器件，以基于所述至少一个温度传感器输出到所述至少一个控制器的信号来控制所述中心腔室内的温度。
22.根据权利要求18所述的积冰设备，其中，所述积冰设备包括用于将一定体积的气体引入到所述中心腔室中并将所述一定体积的气体密封在所述中心腔室内的阀器件、和/或用于在所述中心腔室内产生降低的压力的泵送器件。
23.根据权利要求22所述的积冰设备，其中，所述至少一个控制器被布置成控制所述阀器件和/或所述泵送器件，以基于所述至少一个压力传感器输出到所述至少一个控制器的信号来控制所述中心腔室内的压力。
24.根据权利要求1或2所述的积冰设备，其中，所述积冰设备包括加压器件，所述加压器件用于控制被供应到所述水滴排出装置的水的压力。
25.根据权利要求1或2所述的积冰设备，其中，所述柱体被以可释放方式装配到所述积冰设备的所述底部单元。
26.根据权利要求1或2所述的积冰设备，其中，所述积冰设备包括被布置成允许从所述积冰设备外部观察所述目标物的观察端口。
27.根据权利要求1或2所述的积冰设备，其中，所述底部单元为冰粘附性测试装置的形式。
28.根据权利要求27所述的积冰设备，其中，所述目标物为井的形式，在使用中，积冰层被积聚在所述井中，其中，所述目标物包括处于所述井的底部处的样品板、以及围绕所述样品板周向地定位并提供所述井的侧壁的冰接合元件。
29.根据权利要求28所述的积冰设备，其中，所述样品板能够相对于所述冰接合元件旋转。
30.根据权利要求29所述的积冰设备，其中，所述冰粘附性测试装置还包括：扭矩器件，所述扭矩器件用于在所述样品板与所述冰接合元件之间施加旋转扭矩，以在使用中尝试使所述样品板克服所述积冰层的阻力而相对于所述冰接合元件旋转；和变送器器件，所述变送器器件用于测量所述旋转扭矩。
31.根据权利要求28所述的积冰设备，其中，所述冰接合元件具有内周壁，所述内周壁具有用于与所述积冰层键合的凹部，以防止所述积冰层相对于所述冰接合元件旋转。
32.根据权利要求1或2所述的积冰设备，其中，所述底部单元为回流重结冰测试装置的形式。
33.根据权利要求32所述的积冰设备，其中，所述目标物包括具有上表面的平台，所述平台由突出的热屏障分隔为第一部分和第二部分。
34.根据权利要求33所述的积冰设备，其中，所述回流重结冰测试装置还包括平台倾斜器件，所述平台倾斜器件被布置成使所述平台倾斜，使得所述第二部分在所述第一部分上方。
35.根据权利要求34所述的积冰设备，其中，所述回流重结冰测试装置还包括第一加热器器件，所述第一加热器器件用于产生所述平台的所述第一部分的局部加热，从而当在使用中、积冰层积聚在所述平台的所述第二部分上时使所述平台的所述第一部分保持基本无积冰。
36.根据权利要求35所述的积冰设备，其中，所述回流重结冰测试装置还包括第二加热器器件，所述第二加热器器件用于产生所述平台的所述第二部分的局部加热。
37.根据权利要求36所述的积冰设备，其中，用于产生所述平台的所述第二部分的局部加热的所述第二加热器器件还用于在所述平台倾斜时产生所融化的冰从所述积冰层越过所述屏障并到达所述平台的较低的所述第一部分上的回流，并且其中，所述积冰设备还包括加热器器件控制器，所述加热器器件控制器用于独立地接通和断开所述第一加热器器件和第二加热器器件。
38.根据权利要求37所述的积冰设备，其中，所述加热器器件控制器另外用于控制所述第一加热器器件和第二加热器器件被加热到的温度。
39.一种操作根据前述权利要求中的任一项所述的积冰设备的方法，所述方法包括操作所述水滴排出装置以产生水滴，并且利用所述腔室冷却器件冷却所述水滴，使得积冰层被积聚在所述目标物上，
其中，所述方法包括在所述积冰设备的所述中心腔室内产生温度梯度。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述方法包括：随着水滴从所述水滴排出装置沿着所述中心腔室向下行进到所述目标物而冷却所述水滴。
41.根据权利要求39所述的方法，其中，所述方法包括：一旦所述水滴已落在所述目标物上，就冷却所述水滴。
42.根据权利要求39至41中的任一项所述的方法，其中，所述方法包括以一定的间隔中断通过所述水滴排出装置产生水滴。
43.根据权利要求39所述的方法，其中，所述方法包括将所述中心腔室的紧邻所述顶部单元的部分冷却到高于0℃的温度，并将所述中心腔室的紧邻所述底部单元的部分冷却至0℃或更低的温度。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，所述方法包括将所述中心腔室的紧邻所述顶部单元的部分冷却至最高达20℃的温度。
45.根据权利要求43或权利要求44所述的方法，其中，所述方法包括将所述中心腔室的紧邻所述底部单元的部分冷却到0℃和-40℃之间的温度。
46.根据权利要求39至41和43-44中的任一项所述的方法，其中，所述方法包括：当所述积冰设备包括腔室加热器件时，操作所述腔室加热器件以加热所述中心腔室的一部分，以便在所述中心腔室内产生温度梯度。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述方法包括操作所述腔室加热器件，以加热所述中心腔室的紧邻所述顶部单元的部分。
48.根据权利要求46所述的方法，其中，当所述腔室加热器件包括围绕所述柱体的至少一个加热器套时，所述方法包括操作所述至少一个加热器套以加热所述中心腔室的一部分，以便在所述中心腔室内产生温度梯度。
49.根据权利要求48所述的方法，其中，所述方法包括操作加热器套以加热所述中心腔室的紧邻所述顶部单元的部分，该加热器套围绕所述中心腔室的紧邻所述积冰设备的顶部单元的所述部分。
50.根据权利要求48所述的方法，其中，所述至少一个加热器套包括第一加热器套和第二加热器套，所述方法包括操作所述第一加热器套以加热所述中心腔室的第一部分并操作所述第二加热器套以加热所述中心腔室的第二部分，所述方法包括将所述第二加热器套加热到比所述第一加热器套高的温度，以便将所述中心腔室的所述第二部分加热到比所述中心腔室的所述第一部分高的温度。
51.根据权利要求50所述的方法，其中，所述第二加热器套围绕所述中心腔室的紧邻所述积冰设备的所述顶部单元的部分。
52.根据权利要求39、43至44中的任一项所述的方法，其中，所述腔室冷却器件包括多个管状区段，每个管状区段都限定壁腔，并且每个管状区段都包括用于使冷却流体穿过各自壁腔的入口和出口，并且其中，所述方法包括通过以下方式在所述积冰设备的所述中心腔室内产生温度梯度：使冷却流体穿过所述管状区段中的第一个管状区段的壁腔，并且使冷却流体以比所述冷却流体穿过所述管状区段中的第一个管状区段的壁腔时的体积流速低的体积流速穿过所述管状区段中的第二个管状区段的壁腔，以便将所述中心腔室的由所述管状区段中的第一个管状区段限定的部分冷却到比所述中心腔室的由所述管状区段中的第二个管状区段限定的部分低的温度。
53.根据权利要求39、43至44中的任一项所述的方法，其中，所述腔室冷却器件包括多个管状区段，每个管状区段都限定壁腔，并且每个管状区段都包括用于使冷却流体穿过各自壁腔的入口和出口，并且其中，所述方法包括通过以下方式在所述积冰设备的所述中心腔室内产生温度梯度：使第一冷却流体穿过所述管状区段中的第一个管状区段的壁腔，并且使第二冷却流体穿过所述管状区段中的第二个管状区段的壁腔，所述第一冷却流体处于比所述第二冷却流体低的温度下，以便将所述中心腔室的由所述管状区段中的第一个管状区段限定的部分冷却到比所述中心腔室的由所述管状区段中的第二个管状区段限定的部分低的温度。
54.根据权利要求39、43至44中的任一项所述的方法，其中，所述腔室冷却器件包括多个管状区段，每个管状区段都限定壁腔，并且每个管状区段都包括用于使冷却流体穿过各自壁腔的入口和出口，并且其中，所述方法包括通过以下方式在所述积冰设备的所述中心腔室内产生温度梯度：使冷却流体穿过所述管状区段中的第一个管状区段的壁腔，然后使冷却流体穿过所述管状区段中的第二个管状区段的壁腔，以便将所述中心腔室的由所述管状区段中的第一个管状区段限定的部分冷却到比所述中心腔室的由所述管状区段中的第二个管状区段限定的部分低的温度。
55.根据权利要求54所述的方法，其中，所述管状区段中的第一个管状区段是紧邻所述底部单元的管状区段。
56.根据权利要求39至41和43-44中的任一项所述的方法，所述方法包括：当所述积冰设备包括用于控制被供应到所述水滴排出装置的水的压力的加压器件时，控制被供应到所述水滴排出装置的水的压力，以控制由所述水滴排出装置产生的水滴的直径。
57.根据权利要求56所述的方法，所述方法包括提高被供应到所述水滴排出装置的水的压力，以减小由所述水滴排出装置产生的水滴的直径。
58.根据权利要求39至41和43-44中的任一项所述的方法，其中，所述水滴排出装置是压电装置，并且所述方法包括控制被供应到所述压电装置的压电元件的电流，以便控制由所述压电装置产生的水滴的直径。
59.一种积冰系统，包括：
柱体，所述柱体具有纵向轴线、侧壁以及中心腔室，所述中心腔室具有顶端和底端；
顶部单元，所述顶部单元封闭所述中心腔室的所述顶端并布置成接收用于产生水滴的水滴排出装置；
第一水滴排出装置，所述第一水滴排出装置被布置成装配到所述顶部单元并包括具有第一直径的至少一个喷嘴，所述第一直径至少部分地决定由具有所述第一直径的所述至少一个喷嘴形成的至少一个水滴的直径；
第二水滴排出装置，所述第二水滴排出装置被布置成装配到所述顶部单元并包括具有第二直径的至少一个喷嘴，所述第二直径至少部分地决定由具有所述第二直径的所述至少一个喷嘴形成的至少一个水滴的直径，所述第二直径不同于所述第一直径；
底部单元，所述底部单元封闭所述中心腔室的所述底端并包括目标物；以及
腔室冷却器件，所述腔室冷却器件被构造成在测试期间冷却所述中心腔室并由此冷却由所述第一水滴排出装置或第二水滴排出装置产生的水滴，从而在测试期间使用时，积冰层被积聚在所述目标物上，
其中，所述腔室冷却器件被构造成在所述中心腔室的所述顶端和底端之间产生温度梯度。
60.一种冰形成设备，包括：具有环形壁的柱体，所述环形壁限定具有顶端和底端的中心腔室，其中，所述柱体的所述环形壁具有壁腔，所述壁腔具有用于冷却所述中心腔室的冷却流体的入口和出口；在所述中心腔室的顶端处的水滴排出装置，所述水滴排出装置用于产生水滴；以及在所述中心腔室的底端处的目标物，在使用中，由所述水滴形成的积冰层被积聚在所述目标物上，其中，在所述中心腔室的所述顶端和底端之间产生温度梯度。
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