一種厘米級方形冰塊制取裝置及其制冰方法和應用
【專利摘要】本發明公開了一種厘米級方形冰塊制取裝置及其制冰方法和應用。所述裝置包括呈中空長方體形狀、頂面開敞、用于盛水的儲水盒，可沉入儲水盒中的制冰板，及與制冰板配合使用的取冰錐；儲水盒包括儲水盒底板、設于儲水盒底板上表面四周的兩塊長邊欄板和兩塊短邊欄板，長邊欄板高度h1為1cm、小于短邊欄板高度h2；制冰板上開有若干從制冰板上表面到制冰板下表面呈通孔的制冰孔，制冰孔為棱長1cm的立方體形狀，制冰板高度h0為1cm；取冰錐包括取冰錐底板和若干設于取冰錐底板上、可插入制冰孔中的錐體，錐體位置與制冰孔位置對應。本發明不僅能高效制取出大量的規則均一的厘米級方形冰塊，而且制取裝置結構簡單、可重復利用，制冰方法操作性好，成本低。
【專利說明】
一種厘米級方形冰塊制取裝置及其制冰方法和應用
技術領域
[OO01 ]本發明特別涉及一種能夠大量、高效制取規則、均一厘米級冰塊的厘米級方形冰塊制取裝置及其制冰方法和應用。
【背景技術】
[0002]冰-巖碎肩流(rock-1ce avalanches)是一種在啟動時攜帶冰肩或在運動時I產刮而裹入冰肩的特殊碎肩流，往往發生在人跡罕至的高寒山區。在喀喇昆侖-喜馬拉雅山脈一帶，有記錄的冰-巖碎肩流事件至少115起(不包括中國境內的事件)。在我國青藏高原，冰_巖碎肩流事件也屢見不鮮。由于其超強的運動性，屢屢引發震驚世人的災難性事件。1970年5月，秘魯Huascaran冰-巖碎肩流以高達78m/s的平均速度遠程運動了 16km，造成18000多人死亡，是史上最為慘重的滑坡災難;2002年9月，俄羅斯Kolka-Karmadon冰-巖碎肩流以28m/s的平均速度運動了 18km，隨后轉化為泥石流又前進了 15km，致使140余人遇難;2000年4月，我國易貢滑坡啟動時攜帶大量冰體，遠程沖出8km后堵塞易貢藏布(江)，隨后的堰塞壩潰決洪水致使下游地區受災區域長達450km。隨著川藏鐵路和進藏公路的修筑、藏區水電資源的開發和利用，將有越來越多的基礎工程設施修筑在高寒山區，高寒山區的人類活動范圍將日益擴大，由此進入人們視野、影響生產和生活的冰-巖碎肩流災害事件將越來越多。這些現實情況迫切要求深化對冰-巖碎肩流運動特性的認識，為冰-巖碎肩流防災減災提供科學依據。
[0003]由于冰-巖碎肩流往往發生在邊遠的高寒山區，而且周期長、歷時短，很難通過現場觀測去捕獲其運動過程。因此，通過室內模型實驗再現冰-巖碎肩流的運動過程，定量分析其運動特性和機理，是一個十分重要的、必不可少的研究手段。但在室內模型實驗中，冰肩的制作是個難題。
[0004]在已開展的模型實驗中，研究人員通常采用碎冰作為冰肩材料。采用碎冰的好處在于原料來源多樣、制作簡單。比如，采用塑料袋、塑料盒等定型或不定型的裝置裝水速凍、制作整冰，或者從制冰工廠購買成品整冰，將整冰取出后通過砸、敲等各種破碎手段制作碎冰。但是，碎冰材料也存在一些缺點。比如，碎冰尺寸不一、形狀復雜多樣，不易考慮形狀的影響;除了凍冰、砸冰外，還需要通過篩冰獲取所需粒徑，工序較多;篩分過程容易改變碎冰形狀，且造成碎冰大量融化。如果能采用方型冰塊則可避免上述這些問題，因為方型冰尺寸、形狀較為單一，無需通過篩分確定粒徑，也避免了篩分過程對形狀的改變以及融水的增加，但目前市場上成品方型冰粒徑往往較大(一般在3cm以上)，不能完全滿足模型實驗對小尺寸冰塊的需求(比如厘米級方形冰塊，即棱長Icm的立方體冰塊)。
【發明內容】
[0005]本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種厘米級方形冰塊制取裝置及其制冰方法和應用，不僅能夠高效地制取出大量的規則均一的厘米級方形冰塊，而且制取裝置結構簡單、可重復利用，制冰方法操作性好，成本低。
[0006]為實現上述目的，本發明的技術方案是:
[0007]本發明提出一種厘米級方形冰塊(即冰塊為棱長Icm的立方體形狀)制取裝置，所述厘米級方形冰塊制取裝置包括呈中空長方體形狀、頂面開敞、用于盛水的儲水盒，可沉入儲水盒中的制冰板(即制冰板密度大于水、且尺寸小于儲水盒盛水空間的尺寸)，及與制冰板配合使用的取冰錐。所述儲水盒包括儲水盒底板，設于儲水盒底板上表面四周的兩塊長邊欄板和兩塊短邊欄板(兩塊長邊欄板和兩塊短邊欄板分別對稱布設于儲水盒底板上表面的四周)；長邊欄板高度hi為lcm，短邊欄板高度h2大于長邊欄板高度hi，優選短邊欄板高度h2比長邊欄板高度In大0.5cm。所述制冰板上開有若干從制冰板上表面到制冰板下表面呈通孔的制冰孔，制冰孔為棱長Icm的立方體形狀，制冰板高度ho為lcm。所述取冰錐包括取冰錐底板和若干設于取冰錐底板上、可插入制冰孔中的錐體(即錐體的斷面尺寸小于制冰孔斷面尺寸，避免卡孔，且有助于提高擠冰強度)，錐體位置與制冰孔位置對應(即若干錐體在取冰錐底板上的排列位置與若干制冰孔在制冰板上的排列位置對應，如此才能滿足所有錐體同時插入制冰孔中)。
[0008]根據冰柜尺寸確定儲水盒尺寸，根據儲水盒尺寸確定制冰板尺寸，根據制冰板尺寸確定制冰孔分布和數量，根據制冰板尺寸和制冰孔分布確定取冰錐尺寸和錐體分布。儲水盒的長寬比一般為2:1，使用時根據冰柜內部形狀，本著緊湊原則調整儲水盒碼放形式，盡可能多地碼放儲水盒。制冰板和儲水盒盛水空間均為長方體形狀，制冰板長度比儲水盒盛水空間的長度小Icm，制冰板寬度比儲水盒盛水空間的寬度小Icm ；制冰板沉入儲水盒中時與長邊欄板和短邊欄板間的間隙均為0.5cm，如果這個間隙太寬、則浪費空間，如果太窄、則不好插入工具將制冰板從儲水盒中撬開。
[0009]制冰孔在制冰板上呈矩陣均勻分布，錐體在冰錐底板上呈矩陣均勻分布。制冰孔數量太多時，取冰需要克服較多的冰-板粘接力，因此人工擠冰出孔時，建議一次性出冰數小于100個，相應地，錐體的數量為1 X 1個;制冰孔的數量可略多點，建議為10 X 20個，如此可更好地利用空間(可省欄板空間)，而且與現有冰柜空間更容易匹配。如果用機器擠冰出孔，則一次性出冰數不受限制。制冰孔間的間距為0.5cm，間距太寬浪費空間、間距太窄則強度不夠容易擠破。總之，制冰孔位宜均勻分布，且不宜太密，如此一來便于加工且能夠保障制冰板的整體強度;取冰錐錐體和取冰錐底板由整塊板雕刻而成，且取冰錐底板不宜太薄，如此一來可保障錐體與取冰錐底板牢固連接，且不會刺穿底板。
[0010]所述儲水盒和取冰錐的材質采用亞克力，便于雕刻、切割、粘接，遇冷不易變形、變脆。所述制冰板采用密度大于水的材質，優選為亞克力板，不僅便于雕刻、切割、粘接，遇冷不易變形、變脆，而且亞克力的密度大于水的密度，使得亞克力制冰板能夠沉入水中與儲水盒底板頂面貼合。
[0011]本發明的制冰思路為將鏤有方型孔的制冰板放入盛水的儲水盒中，凍結后用取冰錐將鏤空處的方型冰塊擠出。制取的厘米級方形冰塊適用于冰-巖碎肩流的室內模型實驗。本發明的制冰方法是根據冰柜尺寸優化儲水盒碼放形式，根據水、冰密度換算制冰孔水位高度，根據制冰孔數及板盒間隙設計注水量，之后在儲水盒內一次性注入設計水量并放入制冰板，待凍結后取出制冰板并用取冰錐取出冰塊。具體而言，所述厘米級方形冰塊制取裝置的制冰方法步驟如下:
[0012](一)找平、碼盒:對冰柜內部進行找平，然后在冰柜內緊湊碼放一層儲水盒，為注水和沉板做準備。如果是注水后再放入冰柜，水很容易灑出，操作難度大。
[0013](二)注水、沉板:在碼放好的每個儲水盒中分別一次性注入設計水量的水，然后將制冰板依次沉入每個儲水盒中。所述設計水量通過以下步驟確定:根據制冰板上制冰孔的數量和每個制冰孔的體積，計算得到單個厘米級方形冰塊制取裝置的制取冰塊總體積；制冰板沉入儲水盒中時與長邊欄板和短邊欄板間空隙的體積，加上單個厘米級方形冰塊制取裝置的制取冰塊總體積，得到單個厘米級方形冰塊制取裝置的制冰總體積;將單個厘米級方形冰塊制取裝置的制冰總體積，乘以0.9，再乘以水的密度，即得到單個厘米級方形冰塊制取裝置的設計水量(即每個儲水盒的設計水量)。
[0014](三)已碼放的儲水盒數量是否滿足需要，或是否已達到冰柜頂部；如果是，則進行步驟(五)；如果否，則進行步驟(四)。所述滿足需要的儲水盒數量通過以下步驟確定:根據制冰板上制冰孔的數量、每個制冰孔的體積和冰的密度，計算得到單個厘米級方形冰塊制取裝置的制取冰塊總重量;將需要的厘米級方形冰塊總重量，除以單個厘米級方形冰塊制取裝置的制取冰塊總重量，然后對商向上取整，得到需要的儲水盒數量(即厘米級方形冰塊制取裝置的所需數量)。考慮到取冰過程中的冰塊損失，可將計算得到的儲水盒數量乘以
1.2。
[0015](四)在碼放好的儲水盒上方再碼放一層儲水盒，然后進行步驟(二)_(三)。
[0016](五)速凍:開啟冰柜速凍模式，直至儲水盒中的水全部凍結成冰塊。
[0017](六)取模、取板、取冰:從冰柜內取出所需全部儲水盒，借助工具將制冰板從儲水盒中取出;將錐體對準相應的制冰孔，然后將冰塊從制冰孔中擠出。
[0018]與現有技術相比，本發明的有益效果是:由于冰-巖碎肩流的室內模型實驗對冰塊的尺寸大小(厘米級)、形狀(方形)、數量、均一性等均有很高要求，因此本發明的厘米級方形冰塊制取裝置從制冰、出冰、碼放三個關鍵工序進行系統整體考慮，通過以下三個關鍵技術特征的配合使用，實現大量、高效地制取規則、均一、融化程度低的厘米級方形冰塊。
[0019](I)制冰孔之間底部連通:在盛水的儲水盒中，制冰孔間的水可通過底部自由流動。制冰板的這種底部連通性，使得可以先一次性注水入儲水盒，再沉入制冰板，相比常用的逐孔注水更為快速，而且注水過程水不容易溢出；底部連通時，通過控制一次性注水量即可精確控制制冰孔水位高度，使得凍結膨脹后冰體不致溢出制冰板，相比逐孔注水頂部連通方式更容易控制冰塊形狀;底部連通加上底部找平，能夠保證每個制冰孔的水位一致，因此各制冰孔的成冰尺寸、大小均一。
[0020](2)取冰錐與制冰板配合使用:利用取冰錐的錐體對應制冰板上的制冰孔進行擠冰出孔，能實現整板出冰，不僅取冰效率高，而且能有效減少冰塊融化，不易破壞冰塊形狀，使冰塊形狀保持均一。取冰效率和效果明顯優于扭動或敲動出冰。
[0021](3)短邊欄板高度h2大于長邊欄板高度h1:通過欄板高差便于多層碼放，且凍結過程中下層制冰板不會與上層儲水盒因直接接觸而粘接在一起，易于空氣流動、提高凍結效率，從而實現大量高效制冰。
【附圖說明】
[0022]圖1是儲水盒的俯視結構不意圖。
[0023]圖2是儲水盒的主視結構示意圖。
[0024]圖3是制冰板的俯視結構示意圖。
[0025]圖4是制冰板的主視結構示意圖。
[0026]圖5是取冰錐的俯視結構示意圖。
[0027]圖6是取冰錐的主視結構示意圖。
[0028]圖中標號如下:
[0029]I儲水盒底板 2長邊欄板
[0030]3短邊欄板4制冰孔
[0031]5取冰錐底板 6錐體
[0032]h長邊欄板高度h2短邊欄板高度
[0033]ho制冰板高度
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖，對本發明的優選實施例作進一步的描述。
[0035]如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示。為進行一次冰-巖碎肩流的小型室內模型實驗，需制取能滿足實驗用量要求的厘米級方形冰塊，一般一次用量3kg。采用本發明的厘米級方形冰塊制取裝置制冰，采用的冰柜腔體長寬高為80cm X 40cm X 60cm，體積約192L。
[0036]所述厘米級方形冰塊制取裝置采用亞克力材質，包括呈中空長方體形狀、頂面開敞、用于盛水的儲水盒，可沉入儲水盒中的制冰板，及與制冰板配合使用的取冰錐。所述儲水盒包括儲水盒底板1、設于儲水盒底板I上表面四周的兩塊長邊欄板2和兩塊短邊欄板3;儲水盒底板I的長寬高為33.5cmX18.5cmXl.0cm,長邊欄板2高度In為Icm，短邊欄板3高度h2為1.5cm，長邊欄板2和短邊欄板3的厚度均為lcm，則儲水盒高度為1+1.5 = 2.5cm，儲水盒盛水空間的長寬高為31.5cmX 16.5cmX 1.0cm。所述制冰板上開有若干從制冰板上表面到制冰板下表面呈通孔的制冰孔4，制冰孔4在制冰板上呈矩陣均勻分布、數量為1X 20 = 200個，制冰孔4間的間距為0.5cm，制冰孔4為棱長Icm的立方體形狀;所述制冰板為長方體形狀，制冰板高度ho為lcm，制冰板的長寬高為30.5cmX 15.5cmX 1.0cm。所述取冰錐包括取冰錐底板5和若干設于取冰錐底板5上、可插入制冰孔4中的錐體6，錐體6在冰錐底板5上呈矩陣均勻分布、數量為10 X 10 = 100個，錐體6位置與制冰孔4位置對應。
[0037]采用上述厘米級方形冰塊制取裝置的制冰方法步驟如下:
[0038]第一步，對冰柜內部進行找平，然后在冰柜內碼放一層儲水盒;根據冰柜腔體和儲水盒尺寸，每層可碼放4個儲水盒。
[0039]第二步，在碼放好的每個儲水盒中分別一次性注入設計水量的水，然后將制冰板依次沉入每個儲水盒中，制冰板沉入儲水盒中時與長邊欄板2和短邊欄板3間的間隙均為0.5cm。所述設計水量為:(31.5cmX 16.5cmX 1.0cm—30.5cmX 15.5cmX 1.0cm+200X 1.0cmX 1.0cmX 1.0cm) X 0.9 X 1.0g/cm3 = 222.3go
[0040]第三步，已碼放的儲水盒數量是否滿足需要;如果是，則進行第五步;如果否，則進行第四步。滿足需要的儲水盒數量為:3000g/ (200 X lcm X I cm X lcm X 0.9g/cm3) = 16.7，然后向上取整，則需要的儲水盒數量為17個。
[0041 ]第四步，在碼放好的儲水盒上方再碼放一層儲水盒，然后進行第二步和第三步。[0042 ]第五步，開啟冰柜速凍模式，直至儲水盒中的水全部凍結成冰塊。
[0043]第六步，從冰柜內取出全部儲水盒，將制冰板從儲水盒中取出；將錐體6對準相應的制冰孔4，然后將冰塊從制冰孔4中擠出。取冰過程如果沒因用力過猛造成制冰板彎曲或破損，則冰塊取出來后，制冰模具仍可循環使用。
【主權項】
1.一種厘米級方形冰塊制取裝置，其特征在于:所述厘米級方形冰塊制取裝置包括呈中空長方體形狀、頂面開敞、用于盛水的儲水盒，可沉入儲水盒中的制冰板，及與制冰板配合使用的取冰錐;所述儲水盒包括儲水盒底板(I)、設于儲水盒底板(I)上表面四周的兩塊長邊欄板(2)和兩塊短邊欄板(3)，長邊欄板(2)高度hi為I Cm，短邊欄板(3)高度h2大于長邊欄板(2)高度h1;所述制冰板上開有若干從制冰板上表面到制冰板下表面呈通孔的制冰孔(4)，制冰孔(4)為棱長Icm的立方體形狀，制冰板高度ho為I cm ；所述取冰錐包括取冰錐底板(5)和若干設于取冰錐底板(5)上、可插入制冰孔(4)中的錐體(6)，錐體(6)位置與制冰孔(4)位置對應。2.根據權利要求1所述厘米級方形冰塊制取裝置，其特征在于:制冰孔(4)在制冰板上呈矩陣均勻分布，錐體(6)在冰錐底板(5)上呈矩陣均勻分布。3.根據權利要求2所述厘米級方形冰塊制取裝置，其特征在于:制冰孔(4)的數量為10X 20個，錐體(6)的數量為10 X 10個。4.根據權利要求1-3任一所述厘米級方形冰塊制取裝置，其特征在于:制冰板和儲水盒盛水空間均為長方體形狀，制冰板長度比儲水盒盛水空間的長度小I cm，制冰板寬度比儲水盒盛水空間的寬度小I cm ；制冰孔(4)間的間距為0.5cm ；短邊欄板(3)高度h2比長邊欄板(2)高度hi大0.5cm。5.根據權利要求1-3任一所述厘米級方形冰塊制取裝置，其特征在于:所述制冰板采用密度大于水的材質。6.根據權利要求5所述厘米級方形冰塊制取裝置，其特征在于:所述制冰板為亞克力板。7.如權利要求1所述厘米級方形冰塊制取裝置的制冰方法，其特征在于:所述厘米級方形冰塊制取裝置的制冰方法步驟如下: (一)對冰柜內部進行找平，然后在冰柜內碼放一層儲水盒； (二)在碼放好的每個儲水盒中分別一次性注入設計水量的水，然后將制冰板依次沉入每個儲水盒中； (三)已碼放的儲水盒數量是否滿足需要，或是否已達到冰柜頂部；如果是，則進行步驟(五)；如果否，則進行步驟(四)； (四)在碼放好的儲水盒上方再碼放一層儲水盒，然后進行步驟(二)-(三)； (五)開啟冰柜速凍模式，直至儲水盒中的水全部凍結成冰塊； (六)從冰柜內取出全部儲水盒，將制冰板從儲水盒中取出；將錐體(6)對準相應的制冰孔(4)，然后將冰塊從制冰孔(4)中擠出。8.根據權利要求7所述厘米級方形冰塊制取裝置的制冰方法，其特征在于:步驟(三)中滿足需要的儲水盒數量通過以下步驟確定:根據制冰板上制冰孔(4)的數量、每個制冰孔(4)的體積和冰的密度，計算得到單個厘米級方形冰塊制取裝置的制取冰塊總重量;將需要的厘米級方形冰塊總重量，除以單個厘米級方形冰塊制取裝置的制取冰塊總重量，然后對商向上取整，得到需要的儲水盒數量。9.根據權利要求7所述厘米級方形冰塊制取裝置的制冰方法，其特征在于:步驟(二)中的設計水量通過以下步驟確定:根據制冰板上制冰孔(4)的數量和每個制冰孔(4)的體積，計算得到單個厘米級方形冰塊制取裝置的制取冰塊總體積;制冰板沉入儲水盒中時與長邊欄板(2)和短邊欄板(3)間空隙的體積，加上單個厘米級方形冰塊制取裝置的制取冰塊總體積，得到單個厘米級方形冰塊制取裝置的制冰總體積;將單個厘米級方形冰塊制取裝置的制冰總體積，乘以0.9，再乘以水的密度，即得到單個厘米級方形冰塊制取裝置的設計水量。10.如權利要求1所述厘米級方形冰塊制取裝置的應用，其特征在于:制取的厘米級方形冰塊適用于冰-巖碎肩流的室內模型實驗。
【文檔編號】F25C1/08GK105865108SQ201610435940
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月16日
【發明人】蘇志滿, 楊情情, 蘇立君
【申請人】中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所