一种微小冰晶冻结融化过程温度、融化率测量系统

技术领域

本发明涉及一种微小冰晶冻结融化过程温度、融化率测量系统。

背景技术

飞机结冰问题几乎早在现代飞行开始时就被认识到，人们首先发现并研究的是过冷水的结冰，该结冰现象可能发生在不同的飞机部件表面或内部。然而，自20世纪90年代以来，在海拔高于6.7km的过冷水滴很难存在的高度，依然出现了许多发动机推力损失事故，这些事故主要是由于发动机吸入冰晶后的黏附冻结引起的。冰晶被吸入发动机后，与流道内的热气流进行换热，融化成冰水混合物或者冰晶和液滴的混合相，发生撞击后黏附在表面。黏附积冰会导致发动机性能下降、发动机部件损坏，甚至于引起发动机在高空喘振、停机熄火等严重危害。

冰晶撞击、黏附和积冰等现象与冰晶融化率、温度密切相关，所以获得冰晶相变阶段融化率、温度等特性，是揭示发动机内冰晶结冰机理的基础与前提，对准确预测冰晶结冰和防除冰具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种微小冰晶冻结融化过程温度、融化率测量系统，可以用来研究不同粒径冰晶的冻结生成和融化过程中温度和融化率的测量。

为了解决上述问题，本发明的实施例提供了一种微小冰晶冻结融化过程温度、融化率测量系统，其特殊之处在于：

包括微小冰晶悬浮冻结装置、冰晶融化装置以及冰晶融化率测量装置；

所述微小冰晶悬浮冻结装置用于生成悬浮于空中并不与壁面直接接触微小冰晶粒子，所述冰晶融化装置用于控制温度并使冰晶在一定条件下逐渐融化，所述冰晶融化率测量装置用于获取冰晶在温度变化过程中的融化图像，并计算得到冰晶融化率；

所述微小冰晶悬浮冻结装置包括冷水机、冰晶悬浮冻结组件、温度控制器、温度传感器、直流可调电源；

所述冰晶悬浮冻结组件包括箱体以及由下向上依次设置的冻结装置底座、硅胶垫、微通道水冷换热器、海绵层、二阶制冷片、上盖板、导冷片，所述箱体包括箱体本体和抽屉式悬浮支架，所述箱体本体的上端和下端开口，导冷片从箱体本体的下端开口伸入箱体本体内，所述箱体本体相对的两个侧壁下部开设通孔，所述抽屉式悬浮支架穿过通孔，并可以在通孔内水平移动，所述抽屉式悬浮支架包括一板状结构，板状结构上开设两个贯穿的矩形孔，其中一个矩形孔内布置银丝，银丝中部弯折出不同直径的圆形的银环，所述冻结装置底座中部开槽，冷水机的进水管和出水管分别进入槽内后再与微通道水冷换热器的进水孔和出水孔连接，冷水机的进水管上设有过滤器；上盖板和冻结装置底座通过螺栓固定，用于固定硅胶垫、微通道水冷换热器、海绵层、二阶制冷片；

温度控制器用于控制二阶制冷片工作，直流可调电源与温度控制器相连，温度传感器用于获取二阶制冷片的温度。

在一些实施例中，所述冰晶融化装置包括水冷换热器、恒温循环水浴、过滤器、保温管；

所述水冷换热器设置在箱体外部的侧壁上，恒温循环水浴通过保温管与水冷换热器相连，所述水冷换热器的出水口连接的保温管上设有过滤器。

在一些实施例中，所述冰晶融化率测量装置包括图像采集系统、冷光源、极细热电偶、数据采集系统和计算机。

所述极细热电偶插入银环上的液滴内部获得融化过程温度数据，所述冷光源用于对箱体内部提供照明，图像采集系统设置在箱体上方，用于获取冰晶融化过程图像，数据采集系统采集箱体壁面温度、二阶制冷片温度、极细热电偶测得的温度数据和显微镜获取冰晶融化过程图像，计算机根据数据采集系统采集的数据来计算冰晶融化率。

在一些实施例中，所述箱体侧面开设小孔，通过小孔可向箱体内通入热气流，用于制造冰晶融化条件。

在一些实施例中，所述导冷片包括紫铜U型板，紫铜U型板的底部与二阶制冷片的冷面连接，紫铜U型板的两翼设有锯齿状肋片，紫铜U型板两翼之间的内壁设有多个槽道。

在一些实施例中，所述微通道水冷换热器的上部设有凸台结构，能更加紧密的与二阶制冷片热面相贴合散热，同时接触面使用高性能导热硅脂均匀涂覆以降低接触热阻。

在一些实施例中，所述海绵层包裹在二阶制冷片的外围，用于降低冷面与热面之间的传热；导冷片使用高性能导热硅脂与制冷片冷端相贴合。

在一些实施例中，所述银丝的两端分别固定在抽屉式悬浮支架中矩形孔的边缘，银环位于矩形孔中部。

在一些实施例中，所述图像采集系统包括显微镜和ccd相机。

在一些实施例中，还包括微样进量器，所述微样进量器用于给银环注入液滴。

与现有技术相比，本发明的微小冰晶冻结融化过程温度、融化率测量系统至少具有下列有益效果：

1)本发明的微小冰晶悬浮冻结装置可以实现不同粒径冰晶的悬浮冻结生成，可重复性高；

2)本发明的微小冰晶悬浮冻结装置在进行冰晶的冻结融化过程时粒子位置稳定，不会出现振动，可以防止冰晶表面结霜现象，易于对冰晶粒子冻结融化形态的观察和测量；

3)本发明提供的测量系统是一种可视化的实验装置，可以实现微小冰晶冻结融化过程中温度测量、融化率测量；

4)本发明可以实现如恒定壁面温度、恒定热气流、变化气流等多种环境下冰晶的融化实验和测量。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的微小冰晶冻结融化过程温度、融化率测量系统的结构示意图；

图2为微小冰晶悬浮冻结装置的结构图；

图3为微小冰晶悬浮冻结装置的分解图；

图4为箱体本体和抽屉式悬浮支架的结构图；

图5为导冷片的结构图；

图6为微通道水冷换热器的结构图；

图7为图像采集系统获取的冰晶图片；

图8为通过本发明提供的系统得到液滴冻结为冰晶再融化整个过程的温度变化曲线，以及部分融化过程图像。

图中附图标记如下：

1-冷水机；2-冰晶悬浮冻结组件；3-温度控制器；4-温度传感器；5-直流可调电源；6-水冷换热器；7-恒温循环水浴；8-第二过滤器；9-冷光源；10-极细热电偶；12-数据采集系统；13-计算机；14-小孔；15-显微镜；16-ccd相机；17-微样进量器；

21-箱体；22-冻结装置底座；23-硅胶垫；24-微通道水冷换热器；25-海绵层；26-二阶制冷片；27-上盖板；28-导冷片；101-第一过滤器；210-抽屉式悬浮支架；211-银丝；241-凸台结构；242-进水孔；243-出水孔。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

在本发明的描述中，需要明确的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

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”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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。

实施例1

本实施例提供了一种微小冰晶冻结融化过程温度、融化率测量系统，参见图1，包括微小冰晶悬浮冻结装置、冰晶融化装置以及冰晶融化率测量装置。所述微小冰晶悬浮冻结装置用于生成悬浮于空中并不与壁面直接接触微小冰晶粒子，所述冰晶融化装置用于控制温度并使冰晶在设定条件下逐渐融化，所述冰晶融化率测量装置用于获取冰晶在温度变化过程中的融化图像，并计算得到冰晶融化率。

参见图1，所述微小冰晶悬浮冻结装置包括冷水机1、冰晶悬浮冻结组件2、温度控制器3、温度传感器4和直流可调电源5。由于所需冰晶粒子粒径微小、所需制冷量很小、且需满足快速精准降温，本系统选择半导体制冷作为冷却手段。所述温度控制器3为半导体制冷片温度控制器；所述温度传感器4为PT1000电阻温度传感器。

参见图2和图3，所述冰晶悬浮冻结组件2包括箱体21以及由下向上依次设置的冻结装置底座22、硅胶垫23、微通道水冷换热器24、海绵层25、二阶制冷片26、上盖板27、导冷片28。

所述箱体21包括箱体本体和抽屉式悬浮支架210，所述箱体本体的上端和下端开口，导冷片28从箱体本体的下端开口伸入箱体本体内，所述箱体本体相对的两个侧壁下部开设有对应的通孔，所述抽屉式悬浮支架210穿过通孔，并可以在通孔内水平来回移动，所述抽屉式悬浮支架210包括一板状结构，板状结构上开设两个贯穿的矩形孔，其中一个矩形孔内布置银丝211，该矩形孔为冰晶悬浮孔，银丝211中部弯折出不同直径的圆形的银环。具体地，参见图4，所述银丝211的两端分别固定在抽屉式悬浮支架210中矩形孔的边缘，银环位于矩形孔中部。抽屉式悬浮支架210在通孔内水平来回移动，可使其中一个矩形孔独立地位于箱体本体内。

所述冻结装置底座22为凸台结构，其上开有四个螺纹孔用于各零部件的固定，凸台结构的中部开槽，冷水机1的进水管和出水管分别进入槽内后再与微通道水冷换热器24的进水孔242和出水孔243连接，冷水机1的进水管上设有第一过滤器101，第一过滤器101用于过滤回路中的介质内的杂质，防止杂质堵塞微通道水冷换热器24内的微通道。上盖板27和冻结装置底座22通过螺栓固定，用于固定硅胶垫23、微通道水冷换热器24、海绵层25、二阶制冷片26，使得整个多层复合结构紧密连接。冻结装置底座22的顶部布置硅胶垫23，可以缓解管道内流体流动产生的振动对微通道水冷换热器24的影响，使得实验和观测更加稳定。

所述温度控制器3用于控制二阶制冷片26工作，直流可调电源5与温度控制器3相连，温度传感器4用于获取二阶制冷片26的温度。直流可调电源5给温度控制器3供电，温度控制器3接收PT100电阻温度传感器4获取的二阶制冷片26表面温度信号，根据该温度和预设温度大小对比，调节温度控制器3输出给二阶制冷片26的电功率大小，使二阶制冷片26表面温度达到预设值。在冰晶悬浮冻结组件2中的二阶制冷片26受温度控制器3控制开始工作后，需打开冷水机1，使微通道水冷换热器24内通入循环冷却水，给二阶制冷片26热端散热。

作为本发明的一个优选实施例，参见图5，所述导冷片28为紫铜导冷片。所述导冷片28包括紫铜U型板，紫铜U型板的底部用于与二阶制冷片26的冷面连接，紫铜U型板的两翼设有锯齿状肋片，紫铜U型板两翼之间的内壁由内到外依次设有多个口字型的槽道，增大换热面积，导冷片28使用高性能导热硅脂与二阶制冷片26冷面相贴合，能更好的营造一个让液滴冻结的低温环境。

作为本发明的一个优选实施例，参见图6，所述微通道水冷换热器24的上部设有一个小的凸台结构，能更加紧密的与二阶制冷片26热面相贴合散热，同时在接触面使用高性能导热硅脂均匀涂覆以降低接触热阻，微通道水冷换热器24的进水孔242和出水孔243设置在底部，用于与冷水机1的进水管和出水管相连。

作为本发明的一个优选实施例，参见图3，所述海绵层25中心开孔，使二阶制冷片26内嵌于海绵层25的孔中，用于降低二阶制冷片26冷面与热面之间的传热。

作为本发明的一个优选实施例，参见图1，所述冰晶融化装置包括两个水冷换热器6和恒温循环水浴7。两个水冷换热器6相对地设置在箱体21外部的侧壁上，恒温循环水浴7通过保温管与水冷换热器6相连，所述水冷换热器6的出水口连接的保温管上设有第二过滤器8，第二过滤器8用于过滤回路中的介质内的杂质。所述冰晶融化装置用于控制温度并使冰晶在设定条件下逐渐融化。

参见图4，还可以在所述箱体21侧面开设小孔14，通过小孔14向箱体21内通入热气流来创造冰晶融化条件。

作为本发明的一个优选实施例，参见图1，所述冰晶融化率测量装置包括微调载物台、图像采集系统、冷光源9、极细热电偶10、数据采集系统12和计算机13。

在抽屉式悬浮支架210的边缘设有导线槽，用于放置极细热电偶10。所述极细热电偶10插入银环上的液滴内部获得融化过程温度数据，所述冷光源9用于对箱体21内部提供照明，图像采集系统设置在箱体21上方，用于获取冰晶融化过程图像，数据采集系统12采集箱21体壁面温度、二阶制冷片26温度、极细热电偶10测得的温度数据和图像采集系统获取冰晶融化过程图像，计算机13根据数据采集系统12采集的数据来计算冰晶融化率。数据采集系统12包括横河无纸记录仪，横河无纸记录仪用于采集极细热电偶10获取的温度数据。

参见图1，所述图像采集系统包括显微镜15和ccd相机16，显微镜15和ccd相机16设置在箱体21顶部的开口上部。冰晶悬浮冻结组件2设置在微调载物台上，调节微调载物台、显微镜高度和显微镜放大倍数，使银环清晰的呈现在视野中央。

本发明的工作过程为：

1、制作冰晶

将抽屉式悬浮支架210的冰晶悬浮孔拉出，使另一个矩形孔位于箱体本体内部，通过直流可调电源5给温度控制器3供电，设定箱体本体内需要达到的温度，开启温度控制器3。温度控制器3接收温度传感器4温度信号与预设值对比，调整输出给二阶制冷片26的功率以达到并维持预设温度；箱体本体内空气中的部分水蒸气逐渐凝华，空气水蒸气含量逐渐达到饱和；待制冷片温度稳定后，用微样进量器17给银环注入液滴，将极细热电偶插入液滴中心且不与银环接触，将极细热电偶固定在抽屉式支架表面；之后将冰晶悬浮孔推入箱体本体内，开启横河无纸记录仪进行数据采集，获取冻结融化过程冰晶温度曲线；此时液滴冻结后表面不会有霜晶的形成。此处可以调节银环的直径来制作不同粒径的冰晶。

2、融化率测量

以恒壁温条件对冰晶进行融化，调节微调载物台和显微镜15的高度，使液滴清晰呈现在显微镜视野中间；观察液滴完全冻结为冰晶后，开启ccd相机16的视频录制按钮，同时关闭温度控制器的电压输出，停止制冷。当冰晶完全融化时，关闭ccd相机16的视频录制按钮，记录冰晶融化过程的图像，计算冰晶融化率。

冰晶融化率测量原理为：参见图7，空气在冰中的溶解度远低于水，所以冰晶融化区域的空气会溶解于水中而呈透明外观，冰晶未融化区域仍保持不透明，即冰晶在融化过程中固相和液相将呈现不同的外观，基于此拍摄得到冰晶融化冻结过程图像，便可以计算得到冰晶融化率。

以恒壁温条件对冰晶进行融化，有两种方法：第一种，将多个水冷换热器贴合在腔体壁面，通过恒温循环水浴调节水冷换热器内流体温度，可以实现不同腔体壁面温度下冰晶融化的实验条件；第二种，可以将腔体内通入一定温度的气流，形成热气流中融化条件。

图8为通过本发明提出的测量系统得到的冰晶融化率和温度测量结果，本发明可以有效测得液滴冻结形成冰晶、冰晶融化完整过程的温度变化，包括液滴过冷、再辉、冻结过程，过冷冰晶升温、融化过程。本发明通过不同融化时刻图像，成功获得不同时刻冰晶融化率。

本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利技术特征可以自由地组合、叠加。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。