本發(fā)明屬于制冰，涉及一種基于電導率的分層冰體制備裝置及方法。
背景技術：
1、在生產生活中，冰的應用場景廣泛，涵蓋食品工業(yè)、生物醫(yī)學、材料科學和冰雪賽事等多個領域。在冰雪賽事中冰面硬度與冰晶尺寸、致密性密切相關，如短道速滑需要高硬度冰面以減少冰刀切入深度，而花樣滑冰需適當降低硬度以保障跳躍落冰緩沖性。然而傳統(tǒng)冰體制備方法如單向冷凍、溫度梯度誘導等，通常依賴單一的溫度或壓力參數(shù)，難以精確控制冰體的內部電導率分布及分層結構，導致冰晶形態(tài)、孔隙率等關鍵性能無法按需定制，限制了其在高端領域的應用。
2、目前，現(xiàn)有冰體制備技術在控制冰的內部結構方面尚無有效解決方案。例如，專利申請?zhí)枮?02280068299.7的專利“用于制造透明冰的方法和設備”通過控制制冰用水的tds值，排出高tds值的水以制備透明冰。然而，該方法僅通過調節(jié)水的tds值來制備透明冰，并未改進制冰方法本身，且需要依賴小型模具，難以應用于大規(guī)模制冰場景?，F(xiàn)有冰體制備技術在控制冰體內部結構及理化性質方面仍存在諸多局限性，亟需進一步研究以開發(fā)更為高效、靈活且適用于多種場景的冰體制備方法。
3、本技術領域現(xiàn)有冰體調控方法存在顯著局限性，主要體現(xiàn)在冰體內部理化性質難以精準調控方面。傳統(tǒng)技術雖能實現(xiàn)整體冰質調節(jié)，但在局部特性控制、設備經濟性及成冰均勻性等方面面臨多重技術瓶頸：(1)受結晶過程物相轉變規(guī)律影響，現(xiàn)有技術難以維持冰體理化性質的縱向一致性，導致透明度梯度變化、硬度分布不均等問題，嚴重影響冰結構整體性能。(2)傳統(tǒng)方法僅能實現(xiàn)冰體宏觀參數(shù)調節(jié)，無法在制冰過程中針對特定區(qū)域進行定向改性，難以滿足醫(yī)療冷鏈、實驗研究等領域對冰體功能分區(qū)的特殊需求。
技術實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的技術解決問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種基于電導率的分層冰體制備裝置及方法，通過建立水溶液電導率與冰體含氣量、透明度、力學強度之間的定量關系模型，采用多級梯度注水工藝在制冷基面實現(xiàn)冰層精準調控。相較于傳統(tǒng)方法具有三大優(yōu)勢：(1)設備簡易化設計，顯著降低制造成本，僅需常規(guī)制冷裝置配合智能注水系統(tǒng)即可實施；(2)通過分層結晶控制實現(xiàn)冰體縱向物性梯度設計，突破成冰均勻性限制；(3)支持高精度的局部區(qū)域特性調控，可根據(jù)應用場景需求構建具有功能分區(qū)的復合冰體。
2、本發(fā)明的技術解決方案是：
3、一種基于電導率的分層冰體制備裝置，該裝置包括制冷面溫度傳感器1、制冷單元2、冷凍室3、保溫材料4、電導率傳感器5和蓄水裝置6；
4、所述保溫材料4用于對冷凍室3進行保溫；
5、所述冷凍室3的內部底面有制冷單元2，用于向冷凍室3供冷，制冷單元2的上表面為制冷面；
6、所述制冷面溫度傳感器1用于監(jiān)測制冷單元2的溫度，制冷面溫度傳感器1為多個，均勻分布在監(jiān)測制冷單元2的表面；；
7、所述電導率傳感器5用于測量蓄水裝置6中水的電導率；
8、所述蓄水裝置6用于給冷凍室3注入水。
9、所述制冷面溫度傳感器1可采用電阻溫度計或熱電偶溫度傳感器；
10、制冷單元2支持壓縮式、吸收式或半導體制冷模式；
11、冷凍室3由鋁合金、不銹鋼等金屬材料或陶瓷、塑料等非金屬材料制成，內部為冰體形成提供可控凍結環(huán)境；
12、保溫材料4選用低導熱系數(shù)的保溫棉或珍珠棉，以減少熱量散失；
13、電導率傳感器5可根據(jù)需求配置為平板式、環(huán)形或插入式結構；
14、蓄水裝置6材質與冷凍室3兼容，確保水質穩(wěn)定性。
15、保溫材料4被固定在冷凍室3的外側，以減少制冰過程中的熱量損失。
16、如果冷凍室3是由金屬制成，保溫材料4則安裝在冷凍室3的內表面，以確保冰的單向凍結。如果冷凍室3是由非金屬制成，保溫材料4則安裝在冷凍室3的外表面；
17、冷凍室3的頂部設計為敞口或配備可開啟的頂蓋，以便在制冰過程中可以分次向冷凍室3內注入水。
18、一種基于電導率的分層冰體制備方法，該方法的步驟包括：
19、第一步，在蓄水裝置6中注入第一層制冰用水，水的電導率滿足設定值；通過調節(jié)去離子水與市政水的比例混合，直至電導率傳感器監(jiān)測到制冰用水滿足預設條件；
20、第二步，開啟制冷單元2對冷凍室3進行降溫至設定溫度t0，當制冷面溫度傳感器1檢測到制冷單元2的溫度達到t0且穩(wěn)定后，通過蓄水裝置6向冷凍室3內通過噴頭或手動加入第一層制冰用水，當制冷面溫度降低至t0時，第一層制冰用水完全凍結；
21、第三步，在蓄水裝置6中注入第二層制冰用水，通過蓄水裝置6向冷凍室3內通過噴頭或手動加入第二層制冰用水，當制冷面溫度降低至t0時，第二層制冰用水完全凍結；
22、重復第三步，直至制冰高度達到要求，完成分層冰體制備。
23、冰體的透明度和硬度與電導率的關系如下：
24、a＝a1c2+b1c+c1
25、d＝a2c2+b2c+c2
26、式中，a為冰體的透明度，％；
27、c為水的電導率，μs/cm；
28、d為冰體的硬度，hd；
29、a1、a2、b1、b2、c1、和c2為常數(shù)。
30、有益效果
31、1、本申請采用的基于電導率的分層冰體制備技術，通過簡單的部件組合與操作流程，即可實現(xiàn)對冰體特性的調節(jié)，無需復雜的模具或特殊結構，易于大規(guī)模應用，操作也更為簡便。
32、2、本申請通過精確調節(jié)每次注水的電導率，能夠在冰體制備過程中不改變冰體氣體含量的情況下對冰體每一層的透明度、硬度等理化性質進行單獨控制，從而實現(xiàn)對冰體內部局部特性的精準調節(jié)，滿足更多場景下對冰體性能的特殊需要，如在科學研究中對不同層次冰體物理化學性質的精確要求等。
33、3、本申請所采用的技術方案，所涉及的部件均為常見且成本較低的設備，如普通的制冷單元、電導率傳感器等，易于采購與維護，降低了制冰設備的總體成本，同時也減少了因設備維護帶來的不便。
34、4、在本發(fā)明的實施例中，制冷單元采用低溫恒溫水浴，主要通過壓縮式制冷來實現(xiàn)。此外，本發(fā)明也兼容半導體熱電制冷、吸收式制冷等多種制冷方式。
35、5、本發(fā)明通過多個噴嘴確保噴水過程中冷凍室內水量分布均勻。除了噴嘴，均流板或其他均流方式，甚至直接手動注水，均可作為本發(fā)明的替代方案。
1.一種基于電導率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于電導率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于電導率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于電導率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于電導率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
6.根據(jù)權利要求1所述的一種基于電導率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
7.根據(jù)權利要求1所述的一種基于電導率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
8.根據(jù)權利要求1所述的一種基于電導率的分層冰體制備裝置，其特征在于：
9.一種基于電導率的分層冰體制備方法，其特征在于該方法的步驟包括：
10.根據(jù)權利要求9所述的一種基于電導率的分層冰體制備方法，其特征在于：