康信视点 | 从专利视角，看冬奥会的冰雪是怎么“炼成”的？

2022-02-23 18:10:00

作为冬奥会比赛场馆的重要组成部分，冰雪质量对于赛道舒适度的影响至关重要。尽管国际上人造雪技术已经成熟，但对于冰雪科研起步较晚的我国来说，面临的困难较大。而以中科院为首的科研团队在人造雪方面投入大量心血，下面从专利视角看下中科院为冬奥冰雪助力的研发与改进。

作者 | 邵小丹宋鸣镝

来源 | 康信知识产权

一、人工造雪形成机理

人工造雪是指在一定气象条件下，将微细的水滴喷射到冷空气中，实现由水滴到雪花的转变。通常情况下，理想的液滴大小介于200~700μm，这样的液滴在15s之内即可凝结。“雪炮”式造雪机是目前常用的造雪设备，它利用高压空气将水流打碎成细密的雾状。

640?wx_fmt=png

图源：www.bingxueshidai.com

二、中科院造雪团队

中科院西北生态环境资源研究院、中科院南京光学技术研究所是中科院造雪团队的代表力量。

其中，中科院西北生态环境资源研究院从2016年起组建了技术攻关团队，在秦大河院士和王飞腾研究员的带领下，承担了“科技冬奥”国家重点研发计划“赛事用雪保障关键技术研究与应用示范”项目，并且相关成果入选中科院2021年度科技创新亮点成果[1]。

三、西北研究院技术研究覆盖全面

西北研究院所涉及的研究覆盖全面，在造雪、储雪、赛道保障以及雪质检测等诸多方面开展研究。尤其是，在雪质检测方面，对雪密度仪、雪粒径仪以及雪特性分析仪的研发实现了技术上的突破。而在储雪方面，通过技术开发实现了雪资源的高效利用；此外在赛道方面，对其制造、监测和评估等也开展了深入的研究。

640?wx_fmt=png

四、雪质检测

在雪质检测方面，西北研究院提出了一种雪层温度和冰雪密度的测量方法和装置（CN111965069A），该装置可以有效地避免雪冰在提取过程中由于受力不均匀而产生的形变或者是内部结构的损坏。雪冰密度检测装置包括硬质雪冰采集组件钻身1和钻刀3，称重组件为类似计量称的组件2，钻刀3在钻身1的旋转运动带动下，带有若干刀齿32且开口朝外的桶状结构钻刀3，可以方便地切割进入需要检测的雪层，而不会使得雪层变形或损坏。之后，称重组件2通过挂钩21勾住钻刀3，也不会对钻刀3中的冰雪产生影响，进而实现准确测量雪质的目的。

640?wx_fmt=png

另外，西北研究院提出了一种雪层温度测量辅助器具，通过辅助尺本体3和刻度线6配合设置，方便对不同深度的雪层进行温度测量(CN212082633U）。辅助尺本体3利用金属棒穿过固定孔7来固定在雪层中，温度探头放置在用防滑夹4固定在尺本体3的探头稳固套1中，防滑夹4在尺本体3上的位置与刻度线6相对应，这样方便读取不同探头对应的不同深度的温度。

640?wx_fmt=png

五、赛道保障

在赛道建设方面，西北研究院提出了造雪模块系统，通过各自模块化的设置，改善建立于不同项目地的造雪模块系统的适应性，提高了建模效率(CN113280546A）。造雪模块系统分为水处理模块、输送模块、造雪模块和控制模块，各个模块可根据建造场地的海拔、水质等因素进行调整，以适应不同的场地要求，这其中的控制模块是关键。

640?wx_fmt=png

针对在未进行造雪工作时造雪系统地表铺设管线的出水口易被冻坏的问题，西北研究院提出了一种出水口回流结构（CN214701367U）。该出水口增设了分流管130，其一端与出水管120连通，另一端与主水管110连通。当不需要出水管120出水时，关闭阀门121，水流入出水管120后进入分流管130流回主水管110，这使得出水管120内的水保持不断流动的状态，进而改善了出水管内的水流状态，避免了由于停止流动而产生的出水管冻结，小改进解决了大问题。

640?wx_fmt=png

六、储雪

在储雪方面，西北研究院针对储雪方法和设备开展研究，2017年王飞腾团队对储雪效果进行验证，60%以上的雪被储存下来。

为降低雪堆的温度波动，西北研究院提出了一种由真空隔热板建造的储雪仓（CN111188521A）。真空隔热板包括低导热保温板、包裹在低导热保温板外的硅酸铝纤维毡以及套设在低导热保温板与硅酸铝纤维毡构成的板体外的高阻隔真空袋，并在储雪仓的开口通过防水隔热布拉链件进行连接，实现了与外界环境的隔离。

考虑到储雪大小和形状对储雪效果的影响，西北研究院开发了便于堆雪、易调控的实验装置(CN111229334A）。通过PLC控制器启动滑块，推动底板12带动堆雪容器19移动，完成实验室外装雪；并通过PLC控制器启动真空泵，启动智能温湿度调控系统，减小温湿度变化对储雪的影响；最后，通过电动伸缩杆17使得支撑板14下降，与称重装置完全接触后进行称重，保障了称重的准确性。

640?wx_fmt=png