洁净透明冰的制造方法和制造装置与流程

本发明涉及一种冰体的制造方法和制造装置，具体涉及一种洁净透明冰的制造方法和制造装置，属于制冰领域。

背景技术：

透明冰是人造冰的一种，由于人为干预结冰过程中晶体生长的物理环境，形成洁净透明的冰体，故称为洁净透明冰。洁净透明冰的冰体内部没有气泡、杂质和裂纹，密度均匀及完美的视觉效果，被广泛的应用于餐饮、娱乐、冰雕、礼品等商业领域。

现有洁净透明冰的制作方法包括，1、在制冰过程中，通过将水体内部注入有压力的空气获得透明冰；2、监控水体tds(电解)值，通过控制水体结冰速度来控制冰的透明程度；3、在制冰过程中通过机械方法对水体进行扰动的方式，将结冰过程中产生的气泡排出。上述制造透明冰的方法，均以不含杂质的纯净水作为母材，并且均以排出水中溶解空气，限制气泡的形成作为制造纯净透明冰的主要手段，而忽略了水体中存在的杂质，以及影响结冰过程的其他物理因素。故而，在获得透明程度和纯净程度方面，很难达到产品预期效果。另一方面，繁琐的机械结构与电控装置，增加了材料与能源的消耗，间接提高制造成本，使得相关制冰技术不能适应产业化要求而难以推广。

在水形成冰的结晶过程中，水中溶解空气和杂质在结冰过程中的排出与否，是影响冰体透明度与洁净度的主要因素。

首先，水在结冰的过程中，晶体生长的边缘称作冰峰。晶体的生长形成冰峰的推进，同时排挤水中的溶解空气，并且较短的时间内，在晶体界面的水中形成溶解空气的过饱和区(参见图10)。所以在后续的晶体生长过程中，溶解空气的过饱和区限制了微小气泡的逃逸。致使后续形成的气泡被冰峰包围，从而影响冰的透明度。冰中气泡的大小与结冰速度相关，当结冰速度大于3mm/min时，冰中的气泡看上去像是絮状凝结物。

其次，在冰晶的生长过程中，水分子的结构重组，会排斥水中的杂质，并与冰峰推进方向相垂直的方向堆积(参见图11)，对冰晶的生长形成阻力，减慢冰晶生长的速度。在不进行人为干预的自然状态下，形成羽状或线状斑块。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，为了解决现有的制冰技术无法使水中溶解空气在结冰过程中排出，所获得的人造冰在透明度和纯净度方面，很难达到产品预期效果的问题，进而设计了一种洁净透明冰的制造方法和制造装置。

方案一：洁净透明冰的制造方法，具体步骤为：

步骤一、制冰前准备：

在制冰容器中设置置换溶解空气的过饱和开放区，具体为：制冰容器内液面至制冰容器上开口处形成过饱和开放区，过饱和开放区保持与外部大气的联通，保持过饱和开放区空气压力恒定，保温盖上设置加热控温装置，用于提高过饱和开放区外部环境温度，降低液面张力；

步骤二、制冰过程：

制冰容器在制冷载体的作用下开始制冰，根据制冰容器的体积选用机械扰动方式，按恒定流速冲刷晶体界面，稀释或替换晶体界面形成的溶解空气过饱和区，同时通过对过饱和开放区温度的控制提高水体液面温度；获得洁净透明冰体。

进一步地：为了进一步解决现有的制冰技术无法使水中杂质在结冰过程中排出，从而无法所获得更为透明和纯净的人造冰的问题，步骤二中，在制冰的后期，清理晶界表面，用新水置换剩余未结冰水体，然后继续结冰，获得洁净透明冰体。

进一步地：步骤二中，机械扰动具体为泵压扰动或桨叶扰动。

进一步地：所述泵压扰动为在制冰容器内壁上布置水泵，水泵对晶体界面进行冲刷，流经晶体界面的水体流速为500mm/s～2000mm/s；流经晶体界面的水体流动方向与晶体界面所成的角度小于等于45°。保证流经晶体界面的流速的同时，对晶体界面形成最大的冲洗面积，由于在制冰的过程中，晶体界面会随着冰层厚度的增加产生位置的改变。所以，在不同的制冰阶段，应对水泵的位置、角度和流量进行调整，获得最佳的置换效果。

进一步地：所述制冷载体的温度为-6℃～-18℃，控制水泵压力，从而控制水流的速度，控制冰在结晶过程中厚度的增长速度，冰的厚度增长不超过2.5mm/min。如此设置，有利于水中的气体与杂质的排出，能够获得最佳纯净度与透明度。

进一步地：步骤二中，制冰过程分为初期、中期、后期、清洁晶界表面阶段、继续结冰阶段和获得成品六个阶段；所述初期为冰核形成阶段，中期为结冰阶段，后期为冰晶水体积变小阶段；其中清洁晶界表面阶段，监控剩余冰前水体溶解性固体浓度，当剩余冰前水体的溶解性固体浓度超过400mg/l时，清除晶体边界附近的溶解性固体，将剩余未结冰的水取出，注入新的水参与制冰。

进一步地：所述冰核形成阶段，流经晶体界面的水体流速为500mm/s～2000mm/s，过饱和开放区温度控制在5℃～10℃。由于温度在4℃至9℃区间，水体开始形成冰核。故而在制冰的初期，过饱和开放区的温度设置应保持在5℃至10℃区间，如此设置，低流速和控温促进了冰核的形成，同时降低液面张力，溶解空气置换后顺利排出。

进一步地：所述结冰阶段，流经晶体界面的水体流速为2000mm/s～2000mm/s，过饱和开放区温度控制在9℃～20℃。饱和开放区应保持与外部大气的联通，保持开放区空气压力的恒定。对晶体界面进行大面积的冲洗，完成溶解空气的置换，制冰容器侧壁与底部形成冰核，且水体内部温度在0℃～4℃时，应提高过饱和开放区外部环境温度，降低液面张力，将液面张力保持在0.073n/m～0.071n/m区间内，加快气体逃逸。

进一步地：所述冰晶水体积变小阶段以及继续结冰阶段，流经晶体界面的水体流速为2000mm/s～2000mm/s，过饱和开放区温度控制在9℃～20℃。对晶体界面进行大面积的冲洗，完成溶解空气的置换，提高过饱和开放区外部环境温度，降低液面张力，将液面张力保持在0.073n/m～0.071n/m区间内，加快气体逃逸。

方案二：洁净透明冰的制造装置，具体包括制冰容器、保温箱、加热控温装置和水泵，制冰容器设置在保温箱内，制冰容器内盛装有水，制冷容器通过蒸发器或者冷媒制冷，制冰容器内水的液面至制冰容器上开口处形成过饱和开放区，过饱和开放区保持与外部大气的联通，保温箱的顶盖内侧设置有加热控温装置；所述制冰容器内壁上布置有水泵，所述水泵可调节安装在制冰容器上，水泵用于冲刷晶体界面，稀释或替换晶体界面形成的溶解空气过饱和区。

本发明所达到的效果为：

本发明为了使水中溶解空气和杂质在结冰过程中排出，获得理想纯净度与透明度的人造冰，提供的物理环境包括：1、置换溶解空气过饱和区；2、溶解空气过饱和开放区的空气温度的设置；3、清理冰峰推进过程中的形成的杂质物的堆积，以及替换含有高浓度杂质的水体。具体地：

1、置换溶解空气过饱和区：在晶体界面的水中形成的微小气泡聚集，即溶解空气的过饱和区。随着结冰过程的持续发生，溶解空气的过饱和区限制了新生气泡的移动和逃逸。研究发现，虽然过饱和区的实际厚度很小，但对于溶解空气形成的微小气泡，穿过溶解空气过饱和区所需的线程过长，所以气泡依靠自身浮力逃逸几率很小。值得注意的是，在溶解空气过饱和区形成后，未结冰的水体中形成溶解空气浓度的梯度关系(参见图10)。此时如果用溶解空气浓度相对较低的水体替换浓度过饱和的水体，可以有效消除过饱和区气泡的聚集，为新生气泡的逃逸清除障碍。本发明通过在制冰容器内液面至制冰容器上开口处形成过饱和开放区，过饱和开放区保持与外部大气的联通，保持过饱和开放区空气压力恒定，根据制冰容器的体积选用机械扰动方式，按恒定流速冲刷晶体界面，稀释或替换晶体界面形成的溶解空气过饱和区，实现了溶解空气的顺利逃逸。

2、溶解空气过饱和开放区的空气温度的设置：因冰峰推进形成的微小气泡，最终将穿过没有结冰的液面，逃逸至与液面相邻的空气中。在这一过程中，应保持溶解空气过饱和区的开放(不结冰)，以及保持气泡通过的液面具有较小的张力。故而，在保温盖上设置加热控温装置，控制与溶解空气过饱和开放区相邻空气的温度，通过降低液面张力，使气泡依靠浮力成功逃逸出水体，最终达到降低开放区溶解空气浓度的目的。以此往复循环，使冰晶生长过程中产生的气泡不断的被替换出冰前水体，为溶解空气浓度相对较低的水体置换浓度过饱和的水体，提供实现方式。

3、清理冰峰推进过程中的形成的杂质物的堆积，以及替换含有高浓度固体溶解物的水体：如图11所示，冰晶的生长是以二维的推进为主，冰晶形成过程中，水体中杂质同样受到冰峰的推挤，在二维平面当中随冰峰的推进而移动。当杂质聚集总量过高时，会滞留的固定的位置，续而被生长的冰晶覆盖。故而在冰晶生长的过程中，清洗晶体表面，去除杂质的沉积，不仅会提高冰的结晶速度，也会进一步保证冰体的纯净程度。

综上，本发明在制冰过程中，使水中溶解空气和杂质在结冰过程中排出，获得的人造冰在透明度和纯净度方面进一步提升。同时本发明为制造洁净透明冰提供了结构简单、方便使用的制冰装置。

附图说明

图1为洁净透明冰的制造方法流程图；

图2为制冰装置示意图；

图3为过饱和开放区置换溶解空气示意图(初期)；

图4为过饱和开放区置换溶解空气示意图(中期)；

图5为过饱和开放区置换溶解空气示意图(后期)；

图6为单个水泵布置方案示意图；

图7为两个水泵布置方案示意图；

图8为多个水泵布置方案示意图；

图9为水泵在置换过饱和区期间角度调整示意图；

图10为自然状态下过饱和区形成示意图；

图11为冰峰推进方向、冰体生长方向和杂质堆积方向关系图。

具体实施方式

为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在申请文件中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1：参见图1-图11，本实施方式的洁净透明冰的制造方法，具体步骤为：

步骤一、制冰前准备：

在制冰容器中设置置换溶解空气过饱和开放区，具体为：制冰容器内液面至制冰容器上开口处形成过饱和开放区，过饱和开放区保持与外部大气的联通，保持过饱和开放区空气压力恒定，保温盖上设置加热控温装置，用于提高过饱和开放区外部环境温度，降低液面张力；如图4-6所示，在过饱和开放区的空间设置加热控温装置，保持开放区的温度。根据clausius-clapeyron方程，液面温度由0℃升至35℃，溶解空气的浓度由14.7ml/l降至7.03ml/l。

步骤二、制冰过程：

制冰容器在制冷载体的作用下开始制冰，根据制冰容器的体积选用机械扰动方式，所述机械扰动具体为泵压扰动，按恒定流速冲刷晶体界面，稀释或替换晶体界面形成的溶解空气过饱和区，同时通过对过饱和开放区温度的控制提高水体液面温度；在制冰的后期，清理晶界表面，用新水置换剩余未结冰水体，然后继续结冰，获得洁净透明冰体；

制冰过程分为初期、中期、后期、清洁晶界表面阶段、继续结冰阶段和获得成品六个阶段；所述初期为冰核形成阶段，中期为结冰阶段，后期为冰晶水体积变小阶段；

所述冰核形成阶段，过饱和开放区温度控制在5℃～10℃。由于温度在4℃至9℃区间，水体开始形成冰核。故而在制冰的初期，过饱和开放区的温度设置应保持在5℃至10℃区间；

所述结冰阶段、冰晶水体积变小阶段以及继续结冰阶段，过饱和开放区温度控制在9℃～20℃；饱和开放区应保持与外部大气的联通，保持开放区空气压力的恒定。对晶体界面进行大面积的冲洗，完成溶解空气的置换，制冰容器侧壁与底部形成冰核，且水体内部温度在0℃～4℃时，应提高过饱和开放区外部环境温度，降低液面张力，将液面张力保持在0.073n/m～0.071n/m区间内，加快气体逃逸；

所述清洁晶界表面阶段，监控剩余冰前水体溶解性固体浓度，当剩余冰前水体的溶解性固体浓度超过400mg/l时，清除晶体边界附近的溶解性固体，将剩余未结冰的水取出，注入新的水参与制冰；

所述泵压扰动为在制冰容器内壁上布置水泵，水泵对晶体界面进行冲刷；流经晶体界面的水体流动方向与晶体界面所成的角度小于等于45°；所述制冷载体的温度为-6℃～-18℃，控制水泵压力，从而控制水流的速度，控制冰在结晶过程中厚度的增长速度，冰的厚度增长不超过2.5mm/min。

本实施例以水体内循环的方式，实现置换含不同浓度溶解空气的水体。在大于1/6m³体积纯净透明冰的制作过程中，选用了水泵完成水体内部的置换过程。其中，水泵对晶体界面的冲刷速度(流速)区间为[500，2000]mm/s。水泵布置如图6至图9所示，水泵布置原则包括：a保证流经晶体界面的流速；b对晶体界面形成最大的冲洗面积(如图9所示)；c水流方向与晶体界面所成的角θ应小于等于45°。由于在结冰的过程中，晶体界面会随着冰层厚度的增加产生位置的改变。所以，在不同的制冰阶段，应对水泵的位置、角度和流量进行调整，获得最佳的置换效果。

实施例2：参见图2，本实施方式的洁净透明冰的制造装置，具体包括制冰容器1、保温箱2、加热控温装置4和水泵7，制冰容器1设置在保温箱2内，制冰容器1内盛装有水，制冷容器通过蒸发器或者冷媒制冷，制冰容器1内水的液面至制冰容器上开口处形成过饱和开放区，过饱和开放区保持与外部大气的联通，保温箱2的顶盖内侧设置有加热控温装置4；所述制冰容器1内壁上布置有水泵7，所述水泵7可调节安装在制冰容器1上，水泵用于冲刷晶体界面，稀释或替换晶体界面形成的溶解空气过饱和区。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。