CN115164463A

CN115164463A - 一种控制冰块内气泡生成的方法

Info

Publication number: CN115164463A
Application number: CN202210587806.XA
Authority: CN
Inventors: 于洋; 孔令杰; 陈鼎圣
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2022-05-27
Filing date: 2022-05-27
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2042-05-27
Also published as: CN115164463B

Abstract

本发明公开了一种控制冰块内气泡生成的方法及设备，该方法包括，获得冰块不同高度位置产生气泡的冻结速度阈值；在水体底部制冷，控制水体冻结速度：当需要无气泡冰块时，根据已冻结冰块高度控制制冷功率，使得水体冻结速度低于对应高度下冻结速度阈值；当需要冰块内生成气泡时，在需要生成气泡的高度处调整制冷功率，使得水体冻结速度高于对应高度下冻结速度阈值。本发明提供的一种控制冰块内气泡生成的方法及设备，可实现对冰块中是否含有气泡，以及气泡出现位置的控制。

Description

一种控制冰块内气泡生成的方法

技术领域

本发明涉及一种控制冰块内气泡生成的方法，涉及制冰技术领域。

背景技术

冰在人们生活的各个领域被大量的使用，而随着人们生活品质的不断提高，对冰的要求也越来越高，除了能满足最基本的使用之外，对冰块美观度方面也会有额外的要求，尤其是在食品及冰雕领域，对冰中是否有气泡、气泡的多少乃至气泡形状的要求都更加严格。

传统的制冰方法中，并不能有效的控制冰中的气泡的产生，当对冰中气泡有特殊要求时，往往通过在大量冰块中筛选的方式获得满足要求的冰块，不仅效率低下、成本较高，获得的冰块还难以完全达到使用要求。

因此，有必要对制冰方法做进一步研究，以解决上述问题。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了深入研究，设计出控制冰块内气泡生成的方法，该方法包括，

获得冰块不同高度位置产生气泡的冻结速度阈值；

在水体底部制冷，控制水体冻结速度：

当需要无气泡冰块时，根据已冻结冰块高度控制制冷功率，使得水体冻结速度低于对应高度下冻结速度阈值R_p；

当需要冰块内生成气泡时，在需要生成气泡的高度处调整制冷功率，使得水体冻结速度高于对应高度下冻结速度阈值R_p。

进一步地，所述冻结速度阈值R_p通过下式获得：

其中，

表示晶体界面气体过饱和度阈值；K表示气体在冰中的溶解度与在水中的溶解度的比值，D表示空气在水中的扩散系数，R_p表示水体冻结速度阈值，H表示冰块高度位置。

在一个优选的实施方式中，所述晶体界面气体过饱和度阈值

通过以下方式获得：

S1、在待冻结水底部制冷，获取冻结速度R以及冻结冰块无气泡冰层高度H_c；

S2、通过下式获得晶体界面气体过饱和度阈值

在一个优选的实施方式中，通过拍摄制冷过程，获得不同时刻的冰水混合物图片，根据拍摄获得的图片以及图片对应的拍摄时间获得冻结速度R、冰块高度位置H、或无气泡冰层高度H_c。

在一个优选的实施方式中，将拍摄好的图片进行灰度化处理，其中，在冰水混合物图片中，图片中结晶位置的灰度值明显高于水体和冰体，根据连续照片的结晶位置变化及连续照片之间的拍照间隔，获得冻结速度R。

另一方面，本发明还提供了一种控制冰块内气泡生成的装置，包括制冷设备、制冷模具和相机，

所述制冷模具为透明模具，其内承装有水；

所述制冷设备，设置在制冷模具下方，用于制冷，其制冷功率可调；

优选地，该装置还包括灯光设备，

所述灯光设备，设置在制冷模具侧下方，使光与水平线呈20°～50°，更优选呈30°～40°射向制冷模具；

所述相机，用于拍摄制冷模具中水体冻结高度，以获取水体冻结速度。

在一个优选的实施方式中，通过相机获取制冷模具中已冻结冰块的高度；

当需要无气泡冰块时，根据已冻结冰块高度控制制冷功率，使得水体冻结速度低于该高度下冻结速度阈值R_p；

当需要冰块内生成气泡时，在需要生成气泡的高度处调整制冷功率，使得水体冻结速度高于该高度下冻结速度阈值R_p。

在一个优选的实施方式中，所述冻结速度阈值R_p通过下式获得：

其中，

在一个优选的实施方式中，所述控制冰块内气泡生成的装置还包括计算机，在计算机中按照下式获得晶体界面气体过饱和度阈值

其中，冻结速度R、冻结冰块无气泡冰层高度H_c通过相机获得：在制冷模具中添加待冻结水，采用制冷设备制冷，通过相机拍摄不同时刻下制冷模具图片，根据拍摄获得的图片以及图片对应的拍摄时间获得冻结速度R，以及获得无气泡冰层高度H_c。

在一个优选的实施方式中，所述计算机还用于将拍摄好的图片进行灰度化处理，图片中结晶位置的灰度值明显高于水体和冰体，根据连续照片的结晶位置变化及连续照片之间的拍照间隔，获得冻结速度R。

本发明所具有的有益效果包括：

可控制冰块中是否含有气泡，以及气泡的出现位置。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的控制冰块内气泡生成的方法流程示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的一种控制冰块内气泡生成的装置部分结构示意图；

图3示出本发明实施例1中结晶界面示意图；

图4示出本发明实施例1中图片灰度化后结晶界面与冻结区域灰度示值；

图5示出本发明实施例1中图片灰度化后结晶界面与冻结区域灰度示值；

图6示出本发明实施例1中获得的冰样示意图；

图7示出本发明实施例1中获得的冻结速度阈值-高度曲线示意图；

图8示出本发明实施例1中最终获得的冰柱。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的一种控制冰块内气泡生成的方法，该方法包括，

获得冰块不同高度位置产生气泡的冻结速度阈值；

在水体底部制冷，控制水体冻结速度：

发明人发现，冰中气泡的来源实则是水被冻结前作为溶质溶解在水中的气体，由于气体在固体中的溶解度要远小于在液体中的溶解度，随着冻结过程的进行，晶体的生长，水中溶解的气体被排挤到晶体界面层，并在晶体界面层形成过饱和区，并且在晶体生长的方向上形成溶解气体浓度梯度的水体，在晶体界面层处气体的过饱和度到达一定阈值时，便会排挤出来形成气泡。

基于此，发明人通过调整冻结速度进而控制晶体前沿气体过饱和度，并将冻结速度阈值，即析出气泡的过饱和度对应的冻结速度作为阈值，若当冻结速度过快，晶体前沿气体过饱和度超过所述阈值时则生成在冰中生成气泡，反之，冻结速度慢，晶体前沿气体过饱和度不超过所述阈值时则冰中不产生气泡，通过此方法来控制冰中气泡的产生。

进一步地，发明人发现，冻结速度阈值R_p并不是一个常量，如何获取冻结速度阈值是本发明的难点所在。

通过大量研究，在本发明中，发明人给出了冻结速度阈值R_p的经验公式，所述冻结速度阈值R_p通过下式获得：

其中，

进一步地，K＝0.01，D＝1.1*10^-5cm²s^-1，在0℃时，一般情况下，

然而，发明人发现，由于大气压力、水体纯净度等影响，水体冻结温度常常并不为0℃，这就导致晶体界面气体过饱和度阈值

并不是一个定值，而是随环境变化的，在一个优选的实施方式中，所述晶体界面气体过饱和度阈值

通过以下方式获得：

优选地，在S1中，调整制冷功率，使得冻结速度在5*10^-5cm²s^-1～5*10^-4cm²s^-1之间，冻结速度过小，冻结冰块无气泡冰层高度H_c高度会较高，导致冻结、测量时间过长，对时间、能源浪费较多；冻结速度过大，冻结冰块无气泡冰层高度H_c高度较小，测量误差较大，导致数据准确率较低；

S2、通过下式获得晶体界面气体过饱和度阈值

其中，K＝0.01，D＝1.1*10^-5cm²s^-1。

由于冰中有气泡和没有气泡的区域会有明显的区别，如图6所示，通过简单的测量即可获得无气泡冰层高度H_c。

进一步优选地，通过拍摄制冷过程，获得不同时刻的冰水混合物图片，根据拍摄获得的图片以及图片对应的拍摄时间获得冻结速度R，以及获得无气泡冰层高度H_c。

更优选地，以开始冻结到冰块出现气泡时间段的冰块的平均冻结速度作为S2中的冻结速度R。

在一个优选的实施方式中，以1～5min为时间间隔对制冷过程进行拍摄，由于冰块实际冻结速度较慢，低频率的拍摄即可满足所需数据的获取。更优选地，将拍摄好的图片进行灰度化处理，其中，在冰水混合物图片中，结晶位置图片中结晶位置的灰度值明显高于水体和冰体，根据连续拍摄图片的结晶位置变化及连续拍摄图片之间的拍照间隔，获得冻结速度R、冰块高度位置H、或无气泡冰层高度H_c。

更优选地，在拍摄前，采用灯光以一定角度照射冰水混合物，可以使拍摄获得的图片中，结晶界面的灰度值与水体和冰体位置处的灰度值差距更大，所述一定角度是指灯光与水平线的角度为20°～50°，更优选为30°～40°。

更优选地，为了提高结晶位置判断准确性，使用连续拍摄的两张图片确定结晶位置，具体地：

采用灯光以一定角度照射冰水混合物，获得第一张图片，对图片进行灰度处理；灯光角度不变，以1～5min时间间隔后拍摄第二张图片，并对图片进行灰度处理；将第二张图片灰度值减去第一张图片的灰度值，得到的灰度值变化最高位置即为结晶界面位置。

发明人发现，灰度化处理后，结晶界面处的灰度值是明显高于冻结区域和未冻结区域，如图4所示，其中冻结区域灰度为77左右，结晶界面处灰度为170左右，利用该种性质，可以从灰度化的图片中清晰的获取结晶界面位置，该结晶界面位置即为冰块高度位置H，根据相邻的两张灰度值图片即可获得结晶界面位置变化量，再将位置变化量与拍照间隔相除即可获得冻结速度。

进一步地，发明人发现在结晶界面处因冻结速度超过阈值而形成的微小气泡，会被截留到冰中，且在随后冻结的过程中气泡会进一步吸收其周围水体中溶解的气体，气泡会随着结晶界面的推进不断增长，最终形成长条状的气泡截留在冰中，在冰雕等对冰块美观度有要求的领域，可根据需要由此发明制作由气泡形成的具有特定图案的冰块。

另一方面，本发明还提供了一种控制冰块内气泡生成的装置，包括制冷设备、灯光设备、制冷模具和相机，

所述制冷模具为任意一种透明模具，其内承装有水；

所述制冷设备，设置在制冷模具下方，用于制冷，其制冷功率可调；其可以采用任意一种能够调节制冷量的制冷设备，在本发明中不做特别限制；

优选地，该装置还包括灯光设备，

其中，

实施例

实施例1

制作一冰柱，该冰柱下部5cm为含气泡冰，5cm以上为无气泡冰。

采用亚克力圆筒作为制冷模具，制冷设备为某半导体制冷平台，制冷模具置于制冷平台上，如图2所示，通过以下步骤进行制冰：

通过以下方式获得晶体界面气体过饱和度阈值

具体地，向制冷模具中加入水，调整制冷设备功率在230W对水体进行制冷，该功率对应冻结速度在5*10^-5cm²s^-1～5*10^-4cm²s^-1之间，在冻结过程中，每3分钟对制冷模具进行拍照，如图3所示，将拍摄好的图片进行灰度化处理，如图4所示，图5示出了结晶界面与未冻结区域的灰度值对比，最终获得的冰样如图6所示，其中冻结冰块无气泡冰层高度H_c为4.1mm，根据拍摄获得的图片以及图片对应的拍摄时间获得冻结速度R＝1.5*10^-4cm²s^-1。

S2、通过下式获得晶体界面气体过饱和度阈值

其中，K＝0.01，D＝1.1*10^-5cm²s^-1，

根据获得的晶体界面气体过饱和度阈值

通过下式获得冰块不同高度位置的冻结速度阈值R_p：

将阈值绘制成冻结速度阈值-高度曲线如图7所示，其中横坐标表示高度(cm)，纵坐标表示冻结速度(μm/s)。

另取一个制冷模具，加入水后制冷，控制水体冻结速度，在1～5cm，调整制冷平台功率，控制冻结速度在冻结速度-高度曲线以上，在5cm以上，调整制冷平台功率，控制冻结速度在冻结速度-高度曲线以下，最终获得的冰柱如图8所示。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。