用于产生光子结构冰块的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及有色冰块，其中色彩是通过嵌入冰块的容积内的周期性或准周期性纳米或微米结构来实现的，周期性或准周期性纳米或微米结构充当光子结构。本发明专利技术还公开了用于生产该有色冰块的装置和方法。

Method and apparatus for producing photonic structured ice

The invention relates to a colored ice, the color is through periodic embedded within the volume of ice or quasi periodic nano or micron structure to achieve, periodic or quasi periodic nano or micron structure as photonic structures. The invention also discloses a device and a method for producing the colored ice block.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于产生光子结构冰块的方法和装置
本专利技术涉及冰的生产。更特别地，本专利技术涉及用于通过生产光子结构冰块来对冰块着色的方法和装置。
技术介绍
冰块广泛地用于冷却饮料，其中饮料可以是软饮料、水、酒精饮料、鸡尾酒、奶昔和许多其它饮料。有许多不同类型的冰，包括例如冰块、半冰块、矿块冰、片冰、新月状冰、水果冰和形成在垂直管的内表面上且以小的中空筒状体的形式生产的冰块。透明冰类型的生产技术涉及到慢速冷却，其会导致从冷的表面/界面朝向外周逐层固化。冰块有时优选于碎冰，因为它们融化的更慢；冰块在需要冰的混合式饮料中是标准的，在该情况下饮料被称为“在石头上”。虽然商用冰块以不同的尺寸和形状存在，到目前为止尚不存在对冰着色而不破坏饮料的颜色或味道的工业解决方案。对冰块着色或者在冰块内产生可见图案会使得饮料更吸引人并且在视觉上使用户更感兴趣，并且因此当客户需要在各种类似饮料之间选择时会脱颖而出。其还可以用于传达商业消息或者用于对冰块“烙印”。因此，用于在冰块中着色或者用于产生可见图案的技术在商业上是令人期待的。冰块的标准着色方法是通过使用食物着色和/或其它有色可食材料。然而，这些材料在冰融化时会与饮料混合且会影响饮料的颜色和/或味道。食物着色的使用也被很多用户认为是不健康的且因此不可取。光子结构或晶体是周期性或准周期性光学结构，典型的是纳米弧微米结构，其影响光子的运动并且可以通过产生各种干涉图案而生成色彩。光子结构可能由柱形、锥形、球形或任何系列的几何结构、组合或排列、突起或凹处构成。也称为光子结构的维度或“特征尺寸”的特征之间的高度、直径和间距(即，峰间距离减去所述特征的尺寸)在50-5000nm的范围内。300-800nm的维度适合于可见谱范围内的强光衍射。用于实现色彩的另一条件是冰(具有1.31的折射率)和与冰接触的材料(在为空气的情况下折射率几乎为1)之间的折射率差。光子结构本质上是普通的(例如，天然出现的光子结构，参见：PeteVukusic&J.RoySambles，Nature424，852-855，2003年8月14日，doi：10.1038/nature01941)且用于各种应用。一些生产在其表面上具有光子结构的透明冰的工艺出现了独特的难题。将光子结构引入冰块的廉价的方法是主要难题，这主要受纳米结构模板生产成本影响。在一些情况下用于成型的模板是由有机聚合物制成且利用浮凸技术来复制，从而具有廉价的模具重现、高耐用性和食物兼容性。然而，这些模板产生疏水表面，因而水不会透过/进入模具的纳米特征，并且不会使表面变湿。结果，不能实现期望的微米/纳米结构冰表面。专利技术概述通过使用嵌入冰块内的光子结构来产生视觉效果，本专利技术允许将新的且独特的颜色添加到冰块中，而不会由于冰块融化而对饮料的颜色或味道有任何影响。光子结构在冰块的容积内，并且因此仅在周围的外冰已经融化后才融化。根据本专利技术的一个实施方案，用于生产本专利技术的冰块的装置包括：具有冰模具底座的平坦背部，其中冰结构模具底座包括光子结构，其中在所述背部的下半部中，冰模具底座是具有光子结构的提升的冰结构模具底座；外周冰模具底座，其是能够被加热的平坦表面；栅格，其能够利用横杆确切地对折且能够使气体或水通过内部通道；冷却系统；超声振荡器；以及表面处理装置。利用上述装置用于生产根据本专利技术的有色冰块的方法由如下构成：a)在使用冷却系统生产冰的同时使水流经栅格；b)通过加热外周冰面积底座和泵送压缩空气通过空气管道，将栅格连同所形成的带图案的冰一起从模具拆除；c)在横杆上折叠栅格以使冰块的两个半部相接触且结合两个半部或者通过使水流经栅格而进入两个冰块半部之间的狭缝、冷冻且结合两个半部；以及d)从折叠的栅格排出有色冰块。根据本专利技术的另一实施方案的装置，其适合于生产有色冰块，包括：模具底座，其在下侧具有模具指形件，其中模具指形件由具有光子结构的表面构成；在所述装置的上侧的冷却系统；用于在其生产结束时排出冰的排出器；超声振荡器；以及表面处理装置。根据本专利技术的另一实施方案的方法，利用上述装置来生产有色冰块，包括：a)将所述装置的下侧浸入水中或者利用冷却系统冷却装置；b)排空多余的水且利用排出器来排出穿孔冰；c)任选地，将步骤b中所生产的穿孔冰放置到冰块模具中；d)任选地，利用水填充冰块模具且冷冻；以及e)任选地，从模具中排出冰块。根据编码方案的又一实施方案，提供一种用于生产有色冰块的装置，包括：位于腔室内的活塞头，其中所述活塞头的上表面由具有在冷却系统之上的光子结构表面的冰模具底座构成，腔室壁具有允许水进入腔室内的填充孔；以及表面处理装置。根据本专利技术的再一实施方案的方法利用上述装置来生产有色冰块，包括：a)将腔室浸入水中或者以及下放活塞头一个槽口以允许水通过壁中的孔进入通道；b)利用冷却系统冷却冰模具底座，以使腔室中的水冷冻；c)重复步骤a-b多次；以及d)通过将活塞头推至其上方位置而排出冰块。附图说明在附图中：图1示出了含有呈现文本的光子冰块的一杯饮料；图2显示出图1的光子冰块的沿着图2A的C-C平面截取的俯视图(2A)和剖视图(2B)；图3是用于光子结构的两个模具的实施例。图3A具有衍射光栅结构(1D结构)，图3B具有柱形结构(2D结构)；图4是蛾眼型防反射结构的等距视图(4A)和侧视图(4B)；图5示出了冰冻工艺的动力学特性，其中主要的热流来自顶部，如对于家里做的冰块通常是这种情况。当水的上部冰冻时，气泡被捕集(5A)，最终破坏了光子结构(5B)；图6示出冰冻工艺的动力学特性的两个选项，其中主热流垂直于模具表面，如图6A所示，其例示了在一些情况下会导致冰与模具之间的分离的局部热梯度方面的问题，并且图6B例示了当模具倒置且冰冻工艺中冰的膨胀推挤腔室的顶部且导致分离时的潜在问题。图7示出了用于制作在其表面上具有纳米或微米结构图案的半透明晶质冰的正确的冷冻工艺，其中冷却从下表面(模具表面)开始且在整个表面上是均匀的；图8示出适合于生产光子冰块的装置；图9是在冰生产过程中图8的装置的侧视图(9A)以及在该装置中的一个腔室上的近距外观(9B)；图10显示出在生产冰块的工艺结束后图8的装置；图11显示出图8的装置的脱模工艺；图12示出了利用图8的装置有色冰块的两个半部的结合工艺；图13示出了图8的装置的排出步骤；图14是可由图8的装置制成的冰块(14A)的实施例及其剖视图(14B)；图15示出了根据本专利技术的其它光子冰块。图15A示出了具有同质光子结构(无标记)的冰块，图15B示出了光子冰块，其中光子结构以字母形排列；图16示出了增加用于最小化反射和扩大临界角的蛾眼型结构的优点；图17是用于生产光子冰块的根据本专利技术的另一实施方案的装置的概观；图18是图17的装置的仰视图；图19示出了使用图17的装置的浸水步骤；图20示出了使用图17的装置的冰形成步骤；图21示出了使用图17的装置的水排空步骤；图22示出了使用图17的装置的冰排出步骤(22A)，以及通过所述装置形成的穿孔冰的方案(22B)；图23示出了根据本专利技术的实施方案将穿孔冰置于冰块模具内；图24示出了根据本专利技术的同一实施方案的冰块模具闭合和填充水的步骤；图25示出了根据本专利技术的同一实施方案的冰块模具内的冰冻工艺；图26示出了作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
有色冰块，其中色彩通过充当光子结构的、嵌入冰块的容积内的周期性或准周期性纳米或微米结构来实现；并且其中纳米或微米结构具有在50‑5000nm的范围内的特征尺寸。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.12 US 62/011,347;2014.09.29 US 62/056,612;1.有色冰块，其中色彩通过充当光子结构的、嵌入冰块的容积内的周期性或准周期性纳米或微米结构来实现；并且其中纳米或微米结构具有在50-5000nm的范围内的特征尺寸。2.如权利要求1所述的有色冰块，其中所述光子结构是衍射光栅。3.如权利要求1所述的有色冰块，其中所述周期结构是分层结构。4.如任一前述权利要求所述的有色冰块，进一步具有蛾眼型防反射结构。5.如任一前述权利要求所述的有色冰块，其中所述纳米或微米结构具有300-800nm的范围的特征尺寸。6.如任一前述权利要求所述的有色冰块，其中所述光子结构在冰块内产生可见文本或其它标记。7.权利要求1至6中任一项的有色冰块的制造装置，包括：具有冰模具底座的平坦背部，其中冰结构模具底座包括光子结构，其中在所述背部的下半部中，冰模具底座是具有光子结构的提升的冰结构模具底座；外周冰模具底座，其是能够被加热的平坦表面；具有内部通道的栅格，其能够利用横杆确切地对折；以及冷却系统。8.如权利要求7所述的装置，还包括表面处理装置。9.如权利要求7或8所述的装置，还包括用于干喷射的空气管道和用于分配来自管道的压缩空气的栅格中的外周通道。10.如权利要求7至9中任一项所述的装置，其中所述栅格经加热而用于湿喷射或结合冰块的两个半部。11.如权利要求10所述的装置，其中所述栅格的加热是通过使热气体或热水通过栅格中的内部通道。12.如权利要求10所述的装置，其中所述栅格的加热是通过借助栅格中的加热体施加电流。13.权利要求1至6中任一项的有色冰块的生产装置，包括：模具底座，其在下侧具有模具指形件，其中结构化模具指形件由具有光子结构的表面构成；在所述装置的上侧的冷却系统；以及用于在其生产结束时排出冰的排出器。14.如权利要求13所述的装置，还包括表面处理装置。15.权...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·莫尔，
申请(专利权)人：E·莫尔，
类型：发明
国别省市：以色列,IL