CN111795532B - 冷冻物质制造机 - Google Patents

Abstract

本公开包括用于使用定向冷冻形成冷冻物质的设备和方法。该设备包括模具和定向冷冻组件。模具构建成具有内部室，该内部室构建成容纳液体物质。定向冷冻组件包括定向冷冻探针和冷板。定向冷冻探针延伸到模具的内部室中并启动定向冷冻探针周围的液体物质的定向冷冻。冷板在模具外部连接至定向冷冻探针并将从定向冷冻探针吸收的热消散至周围环境。

Description

冷冻物质制造机

技术领域

本公开总体上涉及形成冷冻物质。更具体地，本公开涉及使用包括模具和定向冷冻探针的冷冻物质制造机形成冷冻物质。

背景技术

由于在水冷冻时杂质被困在水中而形成正常或混浊的冰。这些杂质通常包括溶解的气体和矿物质。当这些杂质在晶格形成期间被困住时，会形成冰的混浊，这会破坏晶格的对齐。未对齐的晶体使周围的光折射回去，而不是让光直接穿过，从而使冰看起来不透明。

对于小规模的家庭或个人使用，市售的透明冰并不方便或实用。市售的冷冻物质不方便且昂贵，特别是在形状比如球形方面。可以形成冷冻物质比如透明冰的电气用具是基于压缩机的、价格昂贵、体积大、笨重的并且限制了要形成的冷冻物质的形状和大小。这些电气用具对于家庭或个人使用是不实用的。可用于家庭或个人使用的装置和技术需要大量的时间和准备工作，同时又不能始终如一地产生冷冻物质、比如透明冰。

发明内容

本公开的实施方式包括用于形成冷冻物质的设备和方法。

在一个实施方式中，一种使用定向冷冻形成冷冻物质的设备包括模具和定向冷冻组件。模具构建成具有位于模具的基部处的安装孔和构建成容纳物质的内部室。定向冷冻组件包括热电热泵和定向冷冻探针。热电热泵包括供给侧，以基于输入电穿过热电热泵的方向来提供冷却及加热功能。定向冷冻探针热连接或附接至热电热泵的供给侧并延伸穿过安装孔而进入模具的内部室中。定向冷冻探针消散热电热泵的冷却及加热功能并启动定向冷冻探针周围的物质的定向冷冻。

在另一实施方式中，一种用于使用定向冷冻形成冷冻物质的设备包括模具和定向冷冻组件。模具构建成具有位于模具的基部处的安装孔和构建成容纳物质的内部室。定向冷冻组件包括定向冷冻探针，该定向冷冻探针延伸穿过安装孔而进入模具的内部室中。定向冷冻组件还包括冷板，该冷板在模具结构外部热连接或附接至定向冷冻探针，并且该冷板构造成将从定向冷冻探针吸收的热消散至周围环境。定向冷冻探针构造成启动定向冷冻探针周围的物质的定向冷冻。

在另一实施方式中，一种用于使用定向冷冻形成冷冻物质的方法包括：使定向冷冻探针通过位于模具的基部处的安装孔延伸到模具的内部室中，其中，定向冷冻探针热连接或附接至热电热泵的供给侧；将物质***模具的内部室中；基于输入电的方向向构造有供给侧的热电热泵提供冷却及加热功能；通过定向冷冻探针消散冷却及加热功能；以及启动定向冷冻探针周围的物质的定向冷冻。

通过以下附图、说明书以及权利要求书，其他技术特征对于本领域技术人员而言会是显而易见的。

在进行下面的“具体实施方式”之前，阐明在贯穿本公开使用的某些用语和短语的定义会是有利的。术语“联接”及其派生词是指两个或更多个元件之间的任何直接或间接的相连，无论这些元件是否彼此物理接触。术语“发送”、“接收”和“通信”及其派生词涵盖直接通信和间接通信两者。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意味着和/或。短语“与……相关联”及其派生词意指包括、包括在……内、与……互连、包含、包含在……内、连接至……或与……连接、联接至……或与……联接、能够与……相连、与……配合、交错、并置、邻近……、结合至……或与……结合、具有、具有……的特性、相对于……具有关系或与……具有关系等。术语“控制器”意指控制至少一个操作的任何装置、***或其一部分。这样的控制器可以以硬件或硬件和软件和/或固件的组合来实现。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式或分布式的，无论是本地的还是远程的。当与项目列表一起使用时，短语“……中的至少一者”意指可以使用所列项目中的一个或更多个所列项目的不同组合，并且可能需要列表中的仅一个项目。例如，“A、B和C中的至少一者”包括下述组合中的任何一者：A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A和B和C。

此外，下面描述的各种功能可以由一个或更多个计算机程序实现或支持，所述一个或更多个计算机程序中的每个计算机程序由计算机可读程序代码形成并被包含在计算机可读介质中。术语“应用程序”和“程序”是指适于以适合的计算机可读程序代码实现的一个或更多个计算机程序、软件部件、指令集、过程、功能、对象、类、实例、相关数据或它们的一部分。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。短语“计算机可读介质”包括能够由计算机访问的任何类型的介质，比如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)或任何其他类型的存储器。“非暂态”计算机可读介质不包括传输暂态电信号或其他信号的有线、无线、光学或其他通信链路。非暂态计算机可读介质包括可永久存储数据的介质和可存储数据并随后覆盖的介质，比如可重写光盘或可擦除存储装置。

贯穿本公开提供了对其他特定用语或短语的定义。本领域的普通技术人员应理解的是，在许多情况——如果不是大多数情况——下，这些定义应用于如此定义的用语或短语的现有以及将来的使用。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优点，现在参照以下结合附图进行的描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的部件：

图1示出了根据本公开的各种实施方式的冷冻物质制造机；

图2示出了根据本公开的各种实施方式的定向冷冻组件；

图3示出了根据本公开的各种实施方式的冷冻物质制造机的框图；

图4A至图4D示出了根据本公开的各种实施方式的模具；

图5示出了根据本公开的各种实施方式的定向冷冻组件；以及

图6示出了根据本公开的各种实施方式的用于形成冷冻物质的方法。

具体实施方式

下面论述的图1至图6以及用于描述本公开的原理的各种实施方式仅是作为示例，并且不应以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解的是，本公开的原理可以在任何适当布置的无线通信***中实现。

如本文中所使用的，表述“构造成”可以与表述“适用于”、“具有……的能力”、“设计成”、“适于”、“制造成”或“能够”互换使用。术语“构造成”可能不一定意味着在硬件方面“专门设计成”。替代性地，在一些情况下，表述“装置构造成……”可以指该装置以及其他装置或部件“能够……”。例如，短语“处理器适于(或配置成)执行A、B和C”可以指仅用于执行对应操作的专用处理器(例如，嵌入式处理器)或可以通过执行存储在存储装置中的一个或更多个软件程序来执行对应操作的通用处理器(例如，中央处理单元(CPU)或应用程序处理器(AP))。

本公开中使用的术语仅用于描述特定实施方式，并且并不意在限制本公开。除非在上下文中截然不同，否则未指明单数或复数的表述可以包括复数表述。除非另有定义，否则本文使用的所有术语、包括技术术语和科学术语具有与本公开所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。除非在本公开中明确定义，否则如在常用字典中定义的那些术语可以被解释为具有与相关技术领域中的上下文含义相同的含义，并且不应被解释为具有理想或过度形式化的含义。在一些情况下，即使本公开中定义的术语也不应解释为排除本公开的实施方式。

具有对齐晶体的冷冻物质的示例是透明冰。透明冰是一种这样的冷冻物质，该冷冻物质在由冷冻分子形成的晶格中不包含杂质。因为晶格不包含杂质，所以透明冰比传统冰更纯净、浑浊程度更低。透明冰的晶格中的晶体比传统冰中的晶体大。传统冰的晶体确实含有杂质，这些杂质会使光折射并导致浑浊或不透明的外观。透明冰不限于冷冻且不含杂质的水。本公开中论述的透明冰包括由任何液体物质例如滋补水、茶、果汁或任何其他适合的物质形成的冷冻物质。

具有对齐晶体的冷冻物质、比如透明冰具有多种益处。例如，透明冰可以用于碳酸饮料中，以减少溶解的二氧化碳从饮料的释放。混浊的冰含有矿物质、气体或其他杂质，这些矿物质、气体或其他杂质会随着混浊的冰融化而释放到饮料中。杂质会污染饮料并在融化时形成成核部位，从而导致发泡和起泡。透明冰不包含杂质，从而致使碳酸饮料的发泡和起泡减少。本公开提供了一种紧凑、轻量的设备，该设备对于家庭或个人使用是方便、经济且通用的，该设备始终如一地产生透明冰。

在定向冷冻中，冰晶的形成始于最接近冷冻空气的表面并沿单个方向继续进行。定向冷冻迫使杂质在晶格形成时离开晶格，从而留下不折射光的对齐晶体。

在级联冷冻中，当液体物质在冷冻外表面上连续流动或级联时，可以形成具有对齐晶格的冷冻物质。级联的液体物质的作用在溶解的杂质被困在晶格中之前就将溶解的杂质移除，从而留下对齐的晶体。形成具有对齐晶体的冷冻物质的大多数当前实现方式利用级联冷冻。使用级联冷冻人工产生具有对齐晶体的冷冻物质包括使用储液器和泵来保持液体物质在冷冻表面上的连续流动。这种方法有若干缺点。例如，泵噪音大并且占用大量空间。

贯穿本公开使用的术语“冰”或“透明冰”不限于水。术语“冰”或“透明冰”可以用于指代可以使用本文中所描述的方法和设备冷冻的任何物质。例如，诸如滋补水、茶、果汁或任何其他适合的物质的物质可以被冷冻，使得晶格对齐。当提及本申请中的过程时，术语“冷冻”和“排热”可以互换使用。如在热传递中已知的，冷却过程包括将热传递离开被冷冻的物体。

图1示出了根据本公开的各种实施方式的示例性冷冻物质制造机100。

冷冻物质制造机100可以包括隔离盖105、壳体110、定向冷冻探针(图2中所示的定向冷冻探针205)和模具115。尽管在图1中示出为包括每个部件，但是一些实施方式可以包括额外的部件或者省去一些部件。

壳体110包括通风口120和多个腿部125。壳体110可以构建成容纳(或封围)热电热泵(图2中所示)。壳体110可以对定向冷冻探针、模具115和隔离盖105进行支承。

通风口120形成在壳体110中，并且通风口120允许热空气从容置在壳体110内的热电热泵的无用侧消散。

壳体110可以搁置在诸如桌子或柜台(未描绘)之类的表面上。所述多个腿部125位于壳体110的基部上，并且所述多个腿部125将壳体110抬高到表面上方以形成间隙，从而进一步允许源自热电热泵的无用侧的热空气循环。通过在表面与壳体110之间形成间隙，为热电热泵提供了更大的通风量。用于热电热泵的更大的通风量使热电热泵过热的可能性降低。

在一些实施方式中，壳体110可以包括用以为热电热泵供电的电连接的连接部。

模具115构建成容纳物质。物质可以在该物质被***到模具115中时呈液体形式，并且物质通过冷冻物质制造机100被转变成冷冻物质。物质可以是水或者可以从液体转变成具有对齐晶体的冷冻物质的任何另一物质。例如，物质可以是滋补水、茶、果汁或任何其他适合的物质。模具115能够从壳体110移除，并且可以在从壳体110移除之后被储存在制冷机或冰箱中以防止冷冻物质融化。

模具115可以包括两个互锁部分(图4A至图4D中所示的顶部腔壳410和基部腔壳420)。所述两个互锁部分可以组合以形成内部室(图4A至图4D中所示的内部室450)。所述两个互锁部分在物质被引入到内部室中之前组合并且安置在定向冷冻探针上。液体物质被定向冷冻成内部室的形状，以形成具有对齐晶格的冷冻物质。当具有对齐晶格的冷冻物质已经形成时，模具115可以从定向冷冻探针移除，并且所述两个互锁部分可以分离以允许具有对齐晶格的冷冻物质被移除。

隔离盖105是中空结构件，该中空结构件在一个端部处敞开并且具有大于模具115的外径的内径。隔离盖105可以在液体物质被转变成冷冻物质时安置在模具115上面。隔离盖105构建成在液体物质被转变成冷冻物质时通过在隔离盖105安置在模具115上面的情况下将冷空气保持在模具115周围而将模具115隔离。

冷冻物质制造机100使用定向冷冻将液体物质转变成冷冻物质，而无需流注液体物质或无需用于液体物质储存的独立贮存器。冷冻物质制造机100可以形成具有对齐晶格的冷冻物质而没有循环泵的额外复杂性，因为物质容纳在模具115内而不是在冷冻物质形成过程期间流动。

图2示出了根据本公开的各种实施方式的定向冷冻组件200。定向冷冻组件200包括定向冷冻探针205、热电热泵225和散热器235。尽管在图2中示出为包括每个部件，但是一些实施方式可以包括额外的部件或省去一些部件。

定向冷冻探针205是用于开始容纳在模具115中的物质的定向冷冻的热导体。定向冷冻探针205可以包括基部210、梢端部分215和密封件220。定向冷冻探针205的基部210热连接或附接至热电热泵225的供给侧230。梢端部分215构建成延伸穿过模具115中的安装孔(图4B至图4C中所示的安装孔440)进入模具115的内部室中。基部210的直径大于等于梢端部分215的直径。这种构型允许定向冷冻探针205在定向冷冻过程已经完成之后从模具115移除。定向冷冻探针205包括具有高的热导率的材料，比如铝、铜或具有高的热导率的另一材料。

定向冷冻探针205可以设置为各种不同的形状和尺寸。在一些实施方式中，定向冷冻探针205的基部210可以是具有一致圆周的圆柱形，并且梢端部分215可以是球形帽。这种结构导致梢端部分215的直径等于或小于基部210的直径。在一些实施方式中，整个定向冷冻探针205可以从基部210热连接或附接至热电热泵225的供给侧230的位置渐缩至梢端部分215。这种结构导致梢端部分215的直径小于基部210的直径。在其他实施方式中，定向冷冻探针205可以形成为圆顶形状。

在一些实施方式中，定向冷冻探针205可以成形为使容纳在模具115内的物质的快速冷冻的可能性最小化。快速冷冻在液体物质被冷却到其冷冻点以下并且不被外力干扰或搅拌时发生。一旦液体物质被充分冷却，就可以通过释放压力或搅拌液体物质来立即冷冻液体物质。快速冷冻的缺点在于当物质冷冻时会使杂质困在物质中。快速冷冻的一促成因素是冷冻表面的形状。例如，如果热导体成形为半球形形式，则快速冷冻的可能性更大。通过利用除半球形以外的几何形状作为定向冷冻探针205或控制定向冷冻探针205的温度，可以使容纳在模具115内的液体物质被快速冷冻的可能性最小化。

在一些实施方式中，定向冷冻探针205可以包括在液体物质已经转变成冷冻物质之后保留在物质中的可拆卸或可缩回部分。例如，定向冷冻探针205可以包括安置在定向冷冻探针205上或上面的可拆卸部分，该可拆卸部分在定向冷冻期间被冷冻到物质中或物质上。当冷冻物质被从定向冷冻探针205和模具115移除时，定向冷冻探针205的可拆卸部分保留在冷冻物质中。

密封件220坐置在围绕定向冷冻探针205的直径的凹槽中并且构建成被模具115的安装孔接纳。密封件220在图4A至图4D的描述中被更详细地讨论。在一些实施方式中，密封件220可以是O形圈式密封件。尽管在本文中表示为定向冷冻探针205包括坐置在凹槽中的密封件220，但是其他实施方式也是可能的。例如，模具115可以包括坐置在凹槽中的密封件，并且定向冷冻探针205不包括凹槽。在其他实施方式中，密封件220可以连接至定向冷冻探针205而不坐置在凹槽中。

热电热泵225可以至少部分地容置在壳体110内。作为非限制性示例，热电热泵225可以是珀耳帖(Peltier)装置。例如，热电热泵225可以包括单个珀耳帖级或多个珀耳帖级。热电热泵225可以包括供给侧230。定向冷冻探针205热连接或附接至热电热泵225的供给侧230。

在一些实施方式中，供给侧230基于输入电穿过热电热泵225的方向来提供冷却及加热功能。定向冷冻探针205的基部210可以热连接或附接至热电热泵225的供给侧230。定向冷冻探针205可以消散热电热泵225的冷却及加热功能。

当热电热泵225对定向冷冻探针205进行冷却时，第一热梯度在定向冷冻探针205处开始并继续通过物质和模具115而到达周围环境。另外，第二热梯度沿着定向冷冻探针205的纵向轴线形成。定向冷冻探针205的表面是用于模具115内的物质的定向冷冻的起始点。第二热梯度的特性可以通过改变定向冷冻探针205的热阻而变化。定向冷冻探针205的热阻可以通过下述各者中的一者或更多者来改变：使定向冷冻探针205的长度、定向冷冻探针205的一个或更多个零件的直径增大或减小，或者使用不同热导率的材料形成定向冷冻探针205。

通过对定向冷冻探针205进行冷却，模具115内的液体物质的定向冷冻通过利用存在于定向冷冻探针205的表面与模具115内的液体物质之间的自然热阻而开始。物质的定向冷冻开始于物质的最靠近定向冷冻探针205的部分。当液体物质绕定向冷冻探针205冷冻从而形成冷冻物质时，热阻增加并且物质沿远离定向冷冻探针205并朝向模具115的内壁的向外方向逐渐冷冻。换句话说，定向冷冻开始于模具115的中央并以下述方式逐渐发生：物质的距模具115的内壁最远的部分在物质的最靠近模具115的内壁的部分之前冷冻。在冷冻发生时，在冷冻物质中形成晶格。由于定向冷冻开始于定向冷冻探针205处并延伸至模具115的内壁，因此溶解在物质中的杂质随着晶格形成被从晶格的路径中推出。由于杂质被从晶格中推出，因此晶格在冷冻物质中对齐。

尽管在本文中表示为单个定向冷冻探针205位于单个模具115内，但是各种实施方式都是可能的。在一些实施方式中，定向冷冻组件200可以包括多个定向冷冻探针205，每个定向冷冻探针205能够延伸到独立的模具115中。在这些实施方式中，冷冻物质可以同时形成在多个模具115中。

尽管在本文中表示为定向冷冻探针205与模具115分开，但是各种实施方式都是可能的。例如，定向冷冻探针205可以包括在模具115中，该模具115热连接或暴露于冷源比如热电热泵225。定向冷冻探针205可以具有暴露于冷源的一个端部例如基部210和穿过模具115的壁的另一端部例如梢端部分215。梢端部分215可以成形为平盘形、半球形、圆顶形或任何其他适合的形状。

在一些实施方式中，定向冷冻组件200可以安置在凉的或冷的环境中、比如冷冻机或冰箱中。由于周围环境中的温度较低，因此定向冷冻组件200冷冻液体物质所需的电力输入或时间可以减少。

在一些实施方式中，定向冷冻探针205可以包括食品级涂层。例如，涂层可以是特氟龙(Teflon)涂层或粉末涂层。

在一些实施方式中，定向冷冻探针205可以包括一个或更多个成核部位245。所述一个或更多个成核部位245可以用作定向冷冻探针205上的定向冷冻过程开始的初始位置。所述一个或更多个成核部位245可以是定向冷冻探针205的表面上的凹陷部、或凸起部分比如***部。

在一些实施方式中，定向冷冻探针205可以在定向冷冻过程期间从模具115缩回。例如，在定向冷冻过程开始之后但是在定向冷冻过程完成之前，定向冷冻探针205可以从模具115中完全或部分地移除。

热电热泵225可以连接至散热器235。散热器235是一种热交换器，并且散热器235可以包括多个翅片240以将热从热电热泵225的无用侧消散。翅片240增加了散热器235的表面积以将热更有效地从热电热泵225的无用侧消散，并且增加了热电热泵225的环境冷却。在一些实施方式中，热电热泵225可以包括风扇以增加热从热电热泵225的无用侧的消散。

散热器235可以由相变材料(PCM)(例如，图3中所示的PCM 380)来补充，以增强和提高散热器235的性能。PCM通过提供低温环境来补充散热器235，从而使从热电热泵的无用侧穿过散热器235的温度差增大。在散热器235的热表面与冷表面之间提供更大的差异使散热器235的效率增大并使冷冻液体物质所需的输入电力和时间减小。PCM可以结合到散热器235中或以直接热连通的方式附接至散热器235。在各种实施方式中，PCM可以在用于本文中所描述的定向冷冻之前被装填在冰箱或冷冻机中。

尽管在图2中被示出为包括热电热泵225，但是一些实施方式可以代用冷却装置的其他方式来冷却定向冷冻探针205。例如，定向冷冻组件200可以利用蒸汽压缩机、斯特林(Sterling)循环、吸收***、PCM、干冰或用以冷却定向冷冻探针205的任何其他适合的方式。

在一些实施方式中，可以在定向冷冻过程期间在冷冻物质中形成气体管。例如，可以通过快速冷冻物质来在冷冻物质中形成带(streamer)或尖顶(spire)，以困住溶解的气体。当溶解气体在定向冷冻过程期间被困住时，溶解气体从定向冷冻探针205向外发射。气体管、比如带或尖顶的形成可以使用不同的冷冻速率、冷探针形状和表面光洁度的组合来操纵。

在一些实施方式中，可以在定向冷冻过程期间将搅拌引入至定向冷冻组件200以将能量或运动引入到物质中。搅拌可以通过内部装置或外部装置来提供，以将特征、比如图案引入到冷冻物质中，或者用以防止快速冷冻。搅拌可以通过机械或机电式装置来提供，这些装置比如是超声换能器、压电马达、失衡风扇、搅动器或任何其他适合的装置。在一些实施方式中，定向冷冻组件200可以包括搅拌器(例如，图3中所示的搅拌器370)。

图3示出了根据本公开的各种实施方式的冷冻物质制造机的框图。在各种实施方式中，冷冻物质制造机300可以包括控制器310、输入单元320、热电热泵330、散热器340、传感器350和定向冷冻探针360。在一些实施方式中，冷冻物质制造机300还可以包括搅拌器370。尽管在图3中示出为包括每个部件，但是一些实施方式可以包括附加部件或省去一些部件。如图3所示，实线表示电信号，而虚线表示热传递。

在一些实施方式中，冷冻物质制造机300可以是冷冻物质制造机100或定向冷冻组件200。在一些实施方式中，热电热泵330可以是热电热泵225。在一些实施方式中，散热器340可以是散热器235。在一些实施方式中，定向冷冻探针360可以是定向冷冻探针205。

控制器310可以通过控制热电热泵330来控制定向冷冻探针360的热梯度。控制器310可以是比例控制器或任何其他适合类型的控制器。控制器310可以在发生定向冷冻时主动控制定向冷冻探针360的热梯度。定向冷冻探针360的主动控制可以通过控制通过定向冷冻探针360消散热电热泵330的冷却功能的速率来使液体物质的冷冻速率可变。

主动控制定向冷冻的可变速率抵消了定向冷冻引起的一些挑战。例如，如果定向冷冻的速率太高，则杂质可能无法从晶格中完全去除，从而导致混浊的冰。主动控制定向冷冻的速率可以降低该速率并形成更纯净的冷冻物质。另一方面，如果定向冷冻的速率太低，则形成冷冻物质的时间量可能太长。主动控制定向冷冻的速率可以在不牺牲晶格的纯度的情况下提高该速率并减少形成冷冻物质所需的时间量。

在一些实施方式中，主动控制可以包括定向冷冻探针360的退弹循环(clearingcycle)，以允许更容易地从定向冷冻探针360移除模具115。在这些实施方式中，主动控制可以在液体物质已经冷冻之后使定向冷冻探针360的第二热梯度反转，以便更容易地从定向冷冻探针360移除包括冷冻物质的模具115。

传感器350可以是温度传感器，比如热敏电阻传感器或任何其他适合类型的传感器。传感器350可以在定向冷冻过程期间实时测量定向冷冻探针360的温度。例如，基于冷冻物质的期望速率，传感器350可以感测到定向冷冻探针360正在以对于冷冻物质的期望速率而言太高的速率进行冷却。控制器310可以从传感器350接收定向冷冻探针360的温度读数，并且响应于该温度读数而控制热电热泵330以降低热电热泵330通过定向冷冻探针360消散冷却功能的速率。在另一示例中，基于冷冻物质的期望速率，传感器350可以感测到定向冷冻探针360正在以对于冷冻物质的期望速率而言太低的速率进行冷却。控制器310可以从传感器350接收定向冷冻探针360的温度读数，并且响应于该温度读数而控制热电热泵330以提高热电热泵330通过定向冷冻探针360消散冷却功能的速率。

通过使用散热器340，可以提高热电热泵330的无用侧的散热速率。散热器340可以通过相变材料(PCM)380来补充，以增强和提高散热器340的性能。

输入单元320可以是使用者可以通过其向冷冻物质制造机300输入命令的任何适合的单元。例如，输入单元320可以是键盘、触摸板等。使用者可以在物质开始冷冻之前使用输入单元320预先设定冷冻物质的速率，或者在物质开始冷冻之后使用输入单元320改变冷冻物质的速率。

搅拌器370可以在定向冷冻过程期间将搅拌引入至冷冻物质制造机300以将能量或运动引入物质中。在各种实施方式中，搅拌器370可以是超声换能器、压电马达、失衡风扇、搅动器或用以引入搅拌的任何其他适合的元件。搅拌器370可以由控制器310控制。

图4A至图4D示出了根据本公开的各种实施方式的模具400的各种视图。图4A示出了根据本公开的各种实施方式的模具的侧视立体图。图4B示出了根据本公开的各种实施方式的仰视立体图。图4C示出了根据本公开的各种实施方式的仰视立体分解图。图4D示出了根据本公开的各种实施方式的俯视立体分解图。在一些实施方式中，模具400可以用作模具115。尽管在图4A至图4D中被示出为包括每个部件，但是一些实施方式可以包括附加部件或省去一些部件。

模具400包括可以彼此分离的顶部腔壳410和基部腔壳420。顶部腔壳410包括凹井430和填充孔435。基部腔壳420包括安装孔440。模具400还可以包括连接顶部腔壳410和基部腔壳420的锁定机构405。锁定机构405可以包括顶部腔壳410的一个或更多个指状部415和基部腔壳420的与所述指状部415相对应的一个或更多个盒状部425。当顶部腔壳410和基部腔壳420经由锁定机构405连接时，创建了内部室450。

当顶部腔壳410和基部腔壳420经由锁定机构405组合并固定时，模具400包括内部室450。内部室450被构建成容纳下述物质：该物质最初为液体并且被定向冷冻成具有对齐的晶格结构的冷冻物质。在一些实施方式中，物质可以是最初是液体并且被定向冷冻成具有对齐的晶格结构的冷冻物质的水。尽管在本文中描述为水，但是可以将任何适合的物质定向冷冻成具有对齐的晶格结构的物质。例如，该物质可以是滋补水、茶、果汁或任何其他适合的物质。

模具400的内部室450在顶部腔壳410和基部腔壳420被组合然后经由锁定机构405固定时形成。锁定机构405包括顶部腔壳410的指状部415中的每个指状部和基部腔壳420的盒状部425中的每个盒状部。盒状部425中的每个盒状部以盒状部425中的一个盒状部可以接纳指状部415中的一个指状部的方式构建。在指状部415中的一个指状部已经被盒状部425中的一个盒状部接纳之后，指状部415中的一个指状部可以沿第一方向A旋转，以将顶部腔壳410锁定至基部腔壳420。指状部415中的每个指状部包括接头460。当指状部415中的每个指状部已经旋转到盒状部425中的每个盒状部中时，接头460中的每个接头以顶部腔壳410不能从基部腔壳420竖向移除的方式锁定就位。当顶部腔壳410和基部腔壳420已经经由锁定机构405组合时，创建了内部室450。

模具400可以包括例如在图4D中示出的密封件445，该密封件445定位在顶部腔壳410与基部腔壳420之间。例如，密封件445可以是O形圈式密封件。当顶部腔壳410和基部腔壳420已经经由锁定机构405组合并固定时，该组合件压缩密封件445。密封件445的压缩提供了防止物质从顶部腔壳410与基部腔壳420之间的内部室450泄漏出来的紧密密封。

内部室450是模具400内的中空压印部，并且是在顶部腔壳410和基部腔壳420经由锁定机构组合在一起时形成的。内部室450以将要填充有下述物质的方式构建：该物质最初呈液体形式，然后被定向冷冻成具有对齐的晶格结构的冷冻物质。模具115的内部室可以包括用以形成冷冻物质的任何适合的形状，比如球形、矩形棱柱、三角形棱柱、徽标或任何其他适合的形状。在一些实施方式中，可以将单独的可移除***件添加至内部室450的表面，以在冷冻物质中形成各种特征。

一旦物质已经被定向冷冻，则所形成的冷冻物质保持内部室450的形状。例如，当内部室450为球形时，冷冻物质呈球形形状。

在图4C和图4D中示出了内部室450。尽管图4C和图4D示出了模具400的顶部腔壳410和基部腔壳420未经由锁定机构405组合的各视图，但是这些视图最佳地示出了顶部腔壳410和基部腔壳420的内部。因此，在图4C中示出了内部室450的由顶部腔壳410的内部创建的部分，并且在图4D中示出了内部室450的由基部腔壳420的内部创建的部分。

模具400构建成为内部室450内的物质提供热隔离。模具400可以由食品安全且为冷冻液体物质提供足够的热隔离的任何适合的物质形成。例如，模具400可以由硅树脂、食品安全金属、食品安全聚合物、食品安全树脂或三维(3D)印刷材料或烧结材料组成。

模具400的热阻对于建立第一热梯度和执行定向冷冻至关重要。第一热梯度在定向冷冻探针205处开始并继续通过物质和模具400而到达周围环境。

凹井430位于顶部腔壳410的与指状部415中的每个指状部相反的端部上，并且凹井430以在定向冷冻过程期间可以收集过量物质的方式构建。在一些实施方式中，凹井430可以包括凸起的边缘以收集来自内部室450的包含杂质的物质的溢流。在一些实施方式中，凹井430可以包括用以指示物质何时完成定向冷冻过程的标记465。例如，标记465可以是凹井430的凸起的边缘的整个圆周上的单个标记或者是凹井430的凸起的边缘上的一系列标记。

模具400可以包括填充孔435，该填充孔435位于凹井430内，并且以内部室450可以通过该填充孔435填充液体物质的方式构建。在一些实施方式中，填充孔435可以用作物质被定向冷冻并膨胀时的物质的通风装置。

在一些实施方式中，在通过填充孔435用液体物质填充模具400之前，可以将装饰物品、成形件或装饰物安置在模具400中。例如，可以在将顶部腔壳410和基部腔壳420组装在一起之前***装饰物品、成形件或装饰物。在液体物质已经被定向冷冻之后，装饰物品、成形件或装饰物保留在冷冻物质内。

模具400还可以包括位于模具400的基部455处的安装孔440。安装孔440位于基部腔壳420的与盒状部425中的每个盒状部相反的端部上。安装孔440构建成接纳定向冷冻探针205。换句话说，安装孔440以定向冷冻探针205能够通过安装孔440***到模具400中的方式构建。安装孔440可以包括凹槽。安装孔440构造成接纳坐置在定向冷冻探针205中的凹槽中的密封件220。当在密封件220与模具400之间形成密封时，防止了物质从安装孔440泄漏出来。

使用者可以基于冷冻在凹井430上的物质的量来确定定向冷冻过程是否完成。在定向冷冻过程已经完成之后，内部室450内的物质从液体转变成固体。在定向冷冻过程已经完成之后，可以将模具400从定向冷冻探针205移除。然后可以升高模具400，直到已经通过安装孔440将定向冷冻探针205从内部室450中抽出。由于基部210的直径大于等于梢端部分215的直径，因此可以容易地从安装孔440移除定向冷冻探针205。

尽管在本文中被描述为包括坐置在由模具400接纳的凹槽中的密封件220的定向冷冻探针205，但是其他实施方式也是可能的。例如，模具400可以包括坐置在凹槽中并接收定向冷冻探针205的密封件。

在从安装孔440中移除定向冷冻探针205之后，冷冻物质保留在内部室450中。冷冻物质可以在模具400中保留无限期的时间，直到冷冻物质从模具400中移除为止。例如，模具400可以安置在冷冻机或制冷机中以保持冷冻物质的冷冻状态。

在形成冷冻物质之后，模具400内的冷冻物质包括定向冷冻探针205被***到模具400中的空隙。在一些实施方式中，在模具400安置在冷冻机或制冷机中之前，可以将附加物质比如调味剂或装饰物***到冷冻物质中的空隙中。例如，模具400可以定位成使得基部腔壳420被定位在顶部腔壳410的顶部上，并且安装孔440处于向上的位置。调味剂或装饰物可以在将模具400安置在冷冻机或制冷机中之前通过安装孔440添加至冷冻物质。在调味剂或装饰物初始为液态的实施方式中，当模具400位于冷冻机或制冷机中时，调味剂或装饰物冷冻。在稍后的时间点，当冷冻物质从模具400移除并用于冷却饮料时，随着调味剂或装饰物融化，调味剂或装饰物可以逐渐分散在饮料中。

冷冻物质可以通过分离模具400的顶部腔壳410和基部腔壳420并移除冷冻物质而从内部室450中移除。顶部腔壳410和基部腔壳420可以通过解锁锁定机构405而分离。为了解锁锁定机构405，指状部415中的每个指状部沿与第一方向A相反的第二方向B以接头460中的每个接头从盒状部425中的每个盒状部中释放的方式旋转。一旦接头460被释放，顶部腔壳410就可以从基部腔壳420竖向地移除。一旦顶部腔壳410和基部腔壳420被分离，定向冷冻的物质就可以从模具400中移除。

图5示出了根据本公开的各种实施方式的定向冷冻组件。定向冷冻组件500包括定向冷冻探针505和冷板525。尽管在图5中被示出为包括每个部件，但是一些实施方式可以包括另外的部件或省去一些部件。

定向冷冻探针505是用于启动容纳在模具400内的物质的定向冷冻的热导体。定向冷冻探针505可以包括基部510、梢端部分515和密封件520。定向冷冻探针505的基部510热连接或附接至冷板525。梢端部分515构建成延伸穿过模具400中的安装孔440而进入模具400的内部室450中。基部510的直径大于等于梢端部分515的直径。这样的构型允许在定向冷冻过程完成之后将定向冷冻探针505从模具400移除。定向冷冻探针505包含具有高导热率的材料，比如铝、铜或具有高导热率的另一材料。

定向冷冻探针505可以设置为各种不同的形状和尺寸。在一些实施方式中，定向冷冻探针505的基部510可以是具有一致圆周的筒形，并且梢端部分515可以是球形帽。这种结构使得梢端部分515的直径等于或小于基部510的直径。在一些实施方式中，整个定向冷冻探针505可以从基部510热连接或附接至冷板525的位置渐缩至梢端部分515。这种结构使得梢端部分515的直径小于基部510的直径。

在一些实施方式中，定向冷冻探针505可以成形为使容纳在模具400内的物质的快速冷冻的可能性最小化。快速冷冻在液体物质被冷却到其冷冻点以下并且不被外力干扰或搅拌时发生。一旦液体物质被充分冷却，就可以通过释放压力或搅拌液体物质来立即冷冻液体物质。快速冷冻的缺点在于当物质冷冻时会使杂质被困在物质中。快速冷冻的一促成因素是冷冻表面的形状。例如，如果热导体成形为半球形形式，则快速冷冻的可能性更大。通过利用除半球形以外的几何形状作为定向冷冻探针505或者控制定向冷冻探针505的温度，可以使容纳在模具400内的液体物质被快速冷冻的可能性最小化。

在一些实施方式中，定向冷冻探针505可以包括在液体物质转变成冷冻物质之后保留在物质中的可拆卸或可缩回部分535。例如，定向冷冻探针505可以包括安置在定向冷冻探针505上或上面的可拆卸部分535，该可拆卸部分535在定向冷冻期间被冷冻到物质中或物质上。当冷冻物质被从定向冷冻探针505和模具400移除时，定向冷冻探针505的可拆卸部分535保留在冷冻物质中。

密封件520坐置在围绕定向冷冻探针505的直径的凹槽中并且构建成被模具400的安装孔440接纳。在一些实施方式中，密封件520可以是O形圈式密封件。尽管在本文中被表示为定向冷冻探针505包括坐置在凹槽中的密封件520，但是其他实施方式也是可能的。例如，模具400可以包括坐置在凹槽中并接收定向冷冻探针505的密封件。在其他实施方式中，密封件520可以连接至定向冷冻探针505而不坐置在凹槽中。

冷板525支承定向冷冻探针505。冷板525可以具有支承定向冷冻探针505的任何适合的尺寸或形状，比如方形、矩形或圆形。例如，具有大表面积量的冷板525可以被用于增加通过定向冷冻探针505消散的来自周围环境的冷空气的量。冷板525可以由与定向冷冻探针505相同的材料制成。例如，冷板525包括具有高热导率的材料，比如铝、铜或具有高热导率的另一材料。

定向冷冻组件500可以安置在凉的或冷的环境中，比如安置在冷冻机或冰箱中。当定向冷冻组件500被冷冻机中的冷空气冷却时，冷板525逐渐冷却，这进而将定向冷冻探针505冷却。由于周围温度较低，因而冷板525可以通过定向冷冻探针505将热从模具中的物质“吸出”，从而有效地冷却或冷冻模具内的物质。冷板525的表面积越大，冷板525被冷却得越快。可以通过向冷板525的暴露侧增加延伸的表面、比如翅片来增加冷板525的表面积。向冷板525的暴露侧增加延伸的表面、比如翅片提高了定向冷冻组件500的冷却效率。当冷板525被冷却时，冷却通过定向冷冻探针505传递，并且第一热梯度在定向冷冻探针505处开始并继续通过物质和模具400而到达周围环境。另外，沿着定向冷冻探针505的纵向轴线产生第二热梯度。

完全冷冻物质所需的时间与定向冷冻组件500的特性比如定向冷冻探针505的表面积、定向冷冻探针505的温度、排热速率和冰形成时增加通过冰的热阻之间存在相互依赖性。例如，如果冷冻速率太快，则杂质会被困在晶格中，从而导致混浊冰的形成。第二热梯度的特性可以通过改变定向冷冻探针505的热阻来改变。

可以通过下述各项中的一项或更多项来改变定向冷冻探针505的热阻：增大或减小定向冷冻探针505的长度、定向冷冻探针505的一个或更多个部分的直径；使用具有不同热导率的材料来创建定向冷冻探针505。例如，可以通过增大定向冷冻探针505的长度或通过在保持定向冷冻探针505的恒定长度的同时减小定向冷冻探针505的一个或更多个部分的直径来增加沿着纵向轴线的热阻。

增大定向冷冻探针505的长度、增大定向冷冻探针505的直径、或两者都进行致使定向冷冻探针505的更大的表面积被冷却。当定向冷冻探针505的表面积以及因此质量增加时，冷却定向冷冻探针505所需的时间相应地增加。另一方面，减小定向冷冻探针505的长度、减小定向冷冻探针505的直径、或两者都进行致使定向冷冻探针505的更小的表面积以及因此更小的质量被冷却。当定向冷冻探针505的表面积减小时，冷却定向冷冻探针505所需的时间相应地减少。

通过冷却定向冷冻探针505，模具400内的液体物质的定向冷冻通过利用存在于定向冷冻探针505的表面与模具400内的液体物质之间的自然热阻而开始进行。物质的定向冷冻从物质的距定向冷冻探针505最近的部分开始。当液体物质围绕定向冷冻探针505冷冻从而形成冷冻物质时，热阻增加，并且物质沿离开定向冷冻探针505且朝向模具400的内壁的向外方向逐渐冷冻。换句话说，定向冷冻开始于模具400的中心，并以物质的距模具400的内壁最远的部分在物质的距模具400的内壁最近的部分之前冷冻的方式逐渐发生。当发生冷冻时，在冷冻物质中形成晶格。由于定向冷冻在定向冷冻探针505处开始并延伸至模具400的内壁，因而在形成晶格时溶解在物质中的杂质被从晶格的路径推出。由于杂质被从晶格推出，因而晶格在冷冻物质内对齐。

尽管在本文中被表示为单个模具400内的单个定向冷冻探针505，但是各种实施方式是可能的。在一些实施方式中，定向冷冻组件500可以包括多个定向冷冻探针505，每个定向冷冻探针是能够延伸到单独的模具400中的，以同时在多个模具400中形成冷冻物质。例如，单个冷板525可以支承多个定向冷冻探针505。作为另一示例，定向冷冻组件500可以包括多个冷板525，每个冷板支承单个定向冷冻探针505。通过为每个定向冷冻探针505使用单独的冷板525，冷板525上的表面积与定向冷冻探针505的表面积之比被保持，从而使定向冷冻更有效地发生。

尽管在本文中被表示为定向冷冻探针505与模具400分开，但是各种实施方式是可能的。例如，定向冷冻探针505可以被包括在模具400中，该模具400被热连接或暴露于比如冷板525的冷源。定向冷冻探针505可以具有暴露于冷板525的一个端部如基部510和穿透模具400的壁的另一个端部比如梢端部分515。梢端部分515可以成形为平盘形、半球形、圆顶形或任何其他适合的形状。

在一些实施方式中，定向冷冻探针505可以包括食品级涂层。例如，涂层可以是聚四氟乙烯或粉末涂层。

定向冷冻探针505的表面是用于模具400内物质的定向冷冻的起始点。在一些实施方式中，定向冷冻探针505可以包括一个或更多个成核部位530。所述一个或更多个成核部位530可以用作定向冷冻探针505上的其中定向冷冻过程开始的起始位置。所述一个或更多个成核部位530可以是定向冷冻探针505的表面上的凹陷部、或凸起部分比如***部。

在一些实施方式中，可以在定向冷冻过程期间在冷冻物质中产生气体管。例如，可以通过快速冷冻物质来在冷冻物质中形成带或尖顶，以困住溶解的气体。当溶解气体在定向冷冻过程期间被困住时，溶解气体从定向冷冻探针205向外发射。可以使用不同的冷冻速率、冷探针形状和表面光洁度来操纵气体管、比如带或尖顶的形成。

在一些实施方式中，可以在定向冷冻过程期间将搅拌引入至定向冷冻组件500以将能量或运动引入物质中。可以通过内部或外部装置进行搅拌，以将特征、比如图案引入到冷冻物质中，或者用以防止快速冷冻。可以通过机械或机电式装置比如超声换能器、压电马达、失衡风扇、搅动器或任何其他适合的装置来进行搅拌。

图6示出了根据本公开的各种实施方式的用于形成具有对齐的晶格的冷冻物质的方法600。例如，在图6中，图6中的过程可以使用冷冻物质制造机100来执行。该方法开始于使探针延伸到模具中。

在操作610中，使定向冷冻探针205延伸到模具400中。顶部腔壳410和基部腔壳420可以经由锁定机构405被锁定并固定，从而形成内部室450。内部室450可以在定向冷冻探针205延伸到模具400中之前或在定向冷冻探针205延伸到安装孔440中之后形成。在一些实施方式中，使定向冷冻探针205延伸到模具400中包括在定向冷冻探针205的密封件220与安装孔440之间形成密封。在定向冷冻探针205与安装孔440之间形成密封防止了在随后的操作中物质从模具400泄漏。

在操作620中，将液体物质***模具400中。在液体物质被***模具400中之后，模具400的内部室450容纳液体物质。物质在开始在其被***模具400中时是液体物质。物质可以经由填充孔435***模具400中。在一些实施方式中，液体物质可以在该方法的其余持续时间内容纳在内部室450内。物质可以是可以冷冻成使得分子的晶格对齐的任何物质。例如，物质可以是水、滋补水、茶、果汁或任何其他适合的物质。

在操作630中，经由热电热泵225提供加热及冷却功能。热电热泵225包括热连接或附接至定向冷冻探针205的供给侧230并包括无用侧。可以从为热电热泵225供电的电气连接提供加热及冷却功能。

在操作640中，通过定向冷冻探针205消散热电热泵225的加热及冷却功能。当定向冷冻探针205被冷却时，第一热梯度在定向冷冻探针205处开始并继续通过物质和模具400而到达周围环境。另外，沿着定向冷冻探针205的纵向轴线产生第二热梯度。热电热泵225的冷却功能通过定向冷冻探针205被消散。定向冷冻探针205的加热功能通过热电热泵225的无用侧被消散。例如，热电热泵225可以包括散热器235，该散热器235包括多个翅片240以将热从热电热泵225的无用侧消散。

在操作650中，启动容纳在模具400内的液体物质的定向冷冻。定向冷冻是由容纳在模具400内的液体物质与定向冷冻探针205的冷却表面的第二热梯度之间的自然热阻引起的。通过定向冷冻，容纳在模具400内的物质转变为具有对齐晶体结构的冷冻物质。

物质的定向冷冻在定向冷冻探针205处开始并在定向冷冻探针205处形成冷冻物质。在物质冷冻时，杂质逐渐被从晶格推出，从而留下不折射光的对齐晶体。

在一些实施方式中，第二热梯度沿着定向冷冻探针的纵向轴线产生。定向冷冻可以沿着第二热梯度开始。可以主动控制第二热梯度，以实现可变速率来冷冻物质。

在一些实施方式中，模具还包括指示定向冷冻完成的标记。标记可以是凹井的凸起边缘的整个圆周上的单个标记，或者是凹井的凸起边缘上的一系列标记。

在一些实施方式中，模具包括可以彼此分开的顶部腔壳和基部腔壳。顶部腔壳和基部腔壳可以经由锁定机构进行组合并固定，顶部腔壳和基部腔壳在组合在一起时形成模具的在定向冷冻过程期间容纳物质的内部室。

在一些实施方式中，定向冷冻探针包括热连接或附接至热电热泵的供给侧的基部和延伸穿过安装孔的梢端部分。基部的直径大于等于梢端部分的直径，以允许一旦冷冻物质形成，模具就更容易地从定向冷冻探针移除。

在一些实施方式中，定向冷冻探针包括成核部位。成核部位可以是定向冷冻探针的表面上的凹陷部、或凸起部分比如***部。成核部位可以用作定向冷冻探针上的其中定向冷冻过程开始的起始位置。

尽管在本文中被描绘为一系列步骤，但是一个或更多个步骤可以不被执行或可以以不同的顺序来执行。本文中描绘的实施方式不限制本公开。

本申请中的描述均不应被理解为暗含任何特定元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元素。此外，所有权利要求均不意在援引35U.S.C§112(f)，除非确切的用语“装置是用于”后面是分词。

本公开的实施方式可以参照以下编号的段落来理解：

1.一种使用定向冷冻形成冷冻物质的设备，所述设备包括：

模具，所述模具构建成具有内部室，所述内部室构建成容纳液体物质；以及

定向冷冻组件，所述定向冷冻组件包括：

定向冷冻探针，所述定向冷冻探针延伸到所述模具的所述内部室中，以及

冷板，所述冷板在所述模具外部热连接至所述定向冷冻探针，并且所述冷板构造成将从所述定向冷冻探针吸收的热消散至周围环境，

其中，所述定向冷冻探针构造成启动与所述定向冷冻探针热接触的所述液体物质的定向冷冻。

2.根据段落1所述的设备，其中，基于所述定向冷冻探针被冷却，产生第一热梯度，所述第一热梯度在所述定向冷冻探针处开始并继续通过所述液体物质和所述模具而到达周围环境。

3.根据段落2所述的设备，其中，基于所述定向冷冻探针被冷却，沿着所述定向冷冻探针的纵向轴线产生第二热梯度，所述定向冷冻沿着所述第二热梯度开始。

4.根据段落1所述的设备，其中，所述模具还包括：

安装孔，所述安装孔位于所述模具的基部处，并且所述安装孔构造成接纳所述定向冷冻探针以使所述定向冷冻探针延伸到所述模具的所述内部室中；以及

填充孔，所述填充孔设置成与所述安装孔相对，并且所述填充孔构造成将所述液体物质接纳到所述内部室中。

5.根据段落4所述的设备，其中，所述模具还包括用于指示所述定向冷冻完成的标记。

6.根据段落1所述的设备，其中：

所述模具包括顶部腔壳和基部腔壳；并且

所述顶部腔壳与所述基部腔壳是可分离的。

7.根据段落1所述的设备，其中：

所述定向冷冻探针包括热连接至所述板的基部和延伸到所述模具中的梢端部分；并且

所述基部的直径大于等于所述梢端部分的直径。

8.根据段落1所述的设备，其中，所述定向冷冻探针包括成核部位。

9.根据段落1所述的设备，还包括搅拌器，所述搅拌器构造成在所述液体物质的定向冷冻期间将能量或运动引入所述液体物质中。

10.根据段落1所述的设备，其中，所述定向冷冻探针包括可拆卸部分。

11.根据段落1所述的设备，还包括热电热泵，所述热电热泵构造成具有供给侧以基于输入电穿过所述热电热泵的方向来提供冷却及加热功能。

12.根据段落11所述的设备，还包括控制器，所述控制器配置成控制由所述热电热泵随时间提供的冷却。

13.根据段落11所述的设备，还包括散热器和相变材料(PCM)，所述相变材料被结合到所述散热器中或者以直接热连通的方式附接至所述散热器。

14.根据段落1所述的设备，其中，所形成的冷冻物质是透明冰。

15.根据段落1所述的设备，其中，所述定向冷冻探针包括坐置在凹槽中的密封件，所述密封件构造成被所述模具接纳。

16.根据段落15所述的设备，其中，所述密封件是O形圈式密封件。

17.根据段落1所述的设备，其中，所述定向冷冻探针形成为圆顶形状。

18.根据段落1所述的设备，其中，所述定向冷冻探针能够在定向冷冻期间从所述模具缩回。

19.一种使用定向冷冻形成冷冻物质的设备，所述设备包括：

模具，所述模具构建成具有内部室，所述内部室构建成容纳液体物质；以及

定向冷冻组件，所述定向冷冻组件包括：

热电热泵，所述热电热泵构造成具有供给侧，以基于穿过所述热电热泵的输入电的方向来提供冷却及加热功能；以及

定向冷冻探针，所述定向冷冻探针热连接至所述热电热泵的所述供给侧并延伸到所述模具的所述内部室中，其中，所述定向冷冻探针构造成：

消散所述热电热泵的所述冷却及加热功能，以及

启动所述定向冷冻探针周围的所述液体物质的定向冷冻。

20.根据段落19所述的设备，还包括控制器，所述控制器配置成控制由所述热电热泵随时间提供的冷却。

21.根据段落19所述的设备，其中，基于所述定向冷冻探针被冷却：

产生第一热梯度，所述第一热梯度在所述定向冷冻探针处开始并继续通过所述液体物质和所述模具而到达周围环境；并且

沿着所述定向冷冻探针的纵向轴线产生第二热梯度，所述定向冷冻沿着所述第二热梯度开始。

22.一种形成冷冻物质的方法，所述方法包括：

使定向冷冻探针通过位于模具的基部处的安装孔延伸到所述模具的内部室中，其中，所述定向冷冻探针热连接至冷板，所述冷板将从所述定向冷冻探针吸收的热消散至周围环境；

将液体物质***所述模具的所述内部室中；

将从所述定向冷冻探针吸收的热消散至周围环境；以及

启动所述定向冷冻探针周围的所述液体物质的定向冷冻。

Claims (15)

1.一种使用定向冷冻由液体物质形成冷冻物质的设备，所述设备包括：

模具，所述模具构建成具有内部室，所述内部室构建成容纳所述液体物质；所述模具具有安装孔，所述安装孔位于所述模具的端部中，以及

定向冷冻组件，所述定向冷冻组件包括：

定向冷冻探针，所述定向冷冻探针构造成***到所述模具的所述安装孔中并且构造成延伸到所述模具的所述内部室中，所述定向冷冻探针的表面具有成核部位，

密封件，所述密封件构造成在所述定向冷冻探针与所述模具中的所述安装孔之间形成密封；以及

冷板，所述冷板在所述模具外部热连接至所述定向冷冻探针，并且所述冷板构造成将从所述定向冷冻探针吸收的热消散至周围环境，

其中，所述定向冷冻探针的所述成核部位构造成启动用于透明冰形成物的对齐晶格，所述对齐晶格通过与所述定向冷冻探针热接触的所述液体物质的定向冷冻而形成，并且所述定向冷冻探针的成核部位构造成通过所述液体物质继续所述定向冷冻以用所述冷冻物质的所述透明冰形成物填充所述内部室，

所述模具和所述冷冻物质能够从所述定向冷冻探针移除，

所述模具能够从填充所述内部室的所述冷冻物质中移除。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，基于所述定向冷冻探针被冷却：

产生第一热梯度，所述第一热梯度在所述定向冷冻探针处开始并继续通过所述液体物质和所述模具而到达周围环境；并且

沿着所述定向冷冻探针的纵向轴线产生第二热梯度，所述定向冷冻沿着所述第二热梯度开始。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述安装孔构造成接纳所述定向冷冻探针以使所述定向冷冻探针延伸到所述模具的所述内部室中；并且所述模具还包括：

填充孔，所述填充孔构造成将所述液体物质接纳到所述内部室中。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述模具还包括用于指示所述定向冷冻的状态的标记。

5.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述模具包括顶部腔壳和基部腔壳；并且

所述顶部腔壳与所述基部腔壳是可分离的。

6.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述定向冷冻探针包括热连接至所述冷板的基部和延伸到所述模具中的梢端部分。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述成核部位是所述定向冷冻探针的表面上的凹陷部或凸起部分，并且所述成核部位构造为定向冷冻过程开始的位置，所述定向冷冻探针构造为将所述液体物质定向冷冻成具有对齐晶格的所述冷冻物质。

8.根据权利要求1所述的设备，还包括搅拌器，所述搅拌器构造成在所述液体物质的定向冷冻期间将能量或运动引入所述液体物质中。

9.根据权利要求1所述的设备，还包括热电热泵，所述热电热泵构造成具有供给侧以基于输入电穿过所述热电热泵的方向来提供冷却及加热功能。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述定向冷冻探针热连接至所述热电热泵的所述供给侧。

11.根据权利要求9所述的设备，还包括控制器，所述控制器配置成控制由所述热电热泵随时间提供的冷却。

12.根据权利要求1所述的设备，还包括散热器和与所述散热器热连通的相变材料(PCM)。

13.根据权利要求1所述的设备，其中，所形成的冷冻物质是透明冰。

14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述密封件坐置在凹槽中，所述密封件构造成被所述模具接纳。

15.根据权利要求1所述的设备，其中，所述定向冷冻探针能够在定向冷冻期间从所述模具缩回。

Images