CN111109213A - 一种双向密封活塞式深渊多细胞生物诱捕及保真取样器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超深海多细胞生物保真取样技术领域，具体涉及一种双向活塞式深渊多细胞生物诱捕及保真取样装置。包括底板，底板上均匀布放有取样装置、水下减速器、深水电机、控制舱、蓄能器；取样装置包括通过法兰相连的保压筒和导向筒，保压筒两端开口，内设有取样活塞；取样活塞内部设有空腔，中部开有贯通的方形口，空腔内设有取样管；导向筒两端开口，前端通过法兰与保压筒相连，后端连接连接筒；水下减速器输入端连接深水电机，蓄能器与保压筒通过毛细管连接，控制舱通过水密电缆分别与水下减速器和深水电机相连。本发明装置可以完成保压取样，保证所得到的生物样品基本保持在原位压力，大大提高生物的成活率。

Description

一种双向密封活塞式深渊多细胞生物诱捕及保真取样器

技术领域

本发明涉及超深海多细胞生物保真取样技术领域，具体涉及一种双向活塞式深渊多细胞生物诱捕及保真取样装置。

背景技术

目前，国际上通常以1000m水深为标志，水深超过1000m的海域都称为深海海域。海洋面积占地球总面积的71％左右，而这其中的大部分都是深海海域。深海战略性资源主要包括三大类：即深海油气、深海矿产以及深海生物基因资源。深海生物在独特的物理、化学和生态环境中形成了独特的生物结构和代谢机制，具有极高的经济价值，同时也具有很大的科研价值。对于人类揭示生命的起源、物种进化以及研究生物对于特殊环境(低温、超高压、低氧)的适应能力也有重要的科研意义。目前各大海洋强国正在竞相发展对于深海尤其是深渊(6000m及以上)生物资源的开发。

60-100MPa的超高压的水压，4摄氏度左右的低温，黑暗的环境等等这些都是造成深渊探索、取样困难的重要因素。在过去的几年中，一些西方海洋强国相继获取6000米以上的多细胞生物活体样品。我国在这方面也取得了一系列成就。而对于万米级的深渊多细胞大生物的活体保真取样还是深海生物取样的难题。

目前对于深渊中的生命现象和生命过程的认识非常有限，对深渊生物和基因资源的探索与了解非常不足。主要的因素便是获取样品的技术手段难以达到要求，尤其是对于万米级的深渊大生物来说。因此，开发万米级多细胞生物保真取样装置，目的在于提高深渊生物取样的质量，包括取样深度、生物大小、温度和压力的高保真性，只有保证了高的保真度，才有可能使得取样生物的新陈代谢与生理状态与原位相比变化不大，使得呈现给生物研究着得样品基本可以表现出生物在深海中的原位生理特征，所以保压取样装置已经成为深入开展深渊生物生命过程研究的必要前提。该成果可应用于全海深尤其是深海、超深海的多细胞生物保真取样，尤其是宏生物的取样，可大大提高深渊生物取样的成功率，将生物活体提供给生物科学研究人员，具有很好的推广前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种双向活塞式深渊多细胞生物诱捕及保真取样装置。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种双向密封活塞式深渊多细胞生物诱捕及保真取样器，包括底板，底板上均匀布放有取样装置、水下减速器、深水电机、控制舱、蓄能器；

取样装置包括通过法兰相连的保压筒和导向筒，保压筒两端开口，内设有取样活塞；取样活塞内部设有空腔，中部开有贯通的方形口，空腔内设有取样管；取样管为一端开口的中空扁筒形结构，侧壁上对称开有多个方形口，用于放置捕捉多细胞生物的单向网兜；

导向筒两端开口，前端通过法兰与保压筒相连，后端连接连接筒；导向筒内壁沿轴向对称设有两道贯穿前后端的导向槽，导向筒内设有螺套，螺套后端外侧沿轴向设有两道突起，突起与导向筒内壁的导向槽配合；螺套前端设有外螺纹，通过外螺纹与取样活塞相连；螺套内壁加工有梯形螺纹，螺套内有一丝杠，丝杠外侧有梯形螺纹，丝杠通过梯形螺纹与螺套连接；丝杠轴后部加工有台阶，台阶装设于连接筒内，台阶与连接筒间装有两个深沟球轴承；连接筒后端设有端盖，丝杠后端穿出端盖，通过键与水下减速器输出端连接；

水下减速器输入端连接深水电机，蓄能器与保压筒通过毛细管连接，控制舱通过水密电缆分别与水下减速器和深水电机相连。

作为一种改进，保压筒和导向筒都通过抱箍放置于各自支撑座内，支撑座下部通过螺栓和锁紧螺母固定在底板上。

作为一种改进，深水电机为深水充油电机。

作为一种改进，取样活塞外壁开有两道环形槽，用于放置密封圈与挡圈。大大减小了常规装置全装置保压的设计，避免了使用成本高、重量大的超高压大口径球阀。同时避免了技术难度极大的旋转密封的设计。

作为一种改进，导向筒内壁前端固定有一限位挡盘，用于螺套的平动限位。

作为一种改进，水下减速器为蜗轮蜗杆减速器，蜗轮蜗杆减速器上开有油口，油口与皮囊相连，皮囊内充油，用于调节减速器内外的压力平衡。

作为一种改进，底板上端面外缘还设有多个拉手。

作为一种改进，取样管侧壁开口处设有单向网兜机构，仅能使生物单向通行，防止诱捕成功的生物逃脱。

本发明中，取样筒采用17-4PH材料制作，蓄能器采用钛合金材料制作，电机需充油后使用，电机外壳、导向筒、各底座、底板采用铝合金6061T6材料制作；减速器、皮囊、各接头均可采用市售产品。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)原有无保压机构的海洋生物取样装置只能完成不保压取样的工作，大部分在离开高压环境后将会失去活性，而此发明可以完成保压取样，保证所得到的生物样品基本保持在原位压力，大大提高生物的成活率。

(2)原有保压取样方式具有较大的局限性，除了不能保压之外，其他的问题如重量大、体积大、操作不便等，给海试或者是实际的取样工作造成了极大的困难，而本装置所采取的密封设计为活塞双向密封式设计，避免了设计口径极大的球阀机构，保证了装置的轻质性和易操作性。

(3)原有保压取样装置所能工作的海深较浅，难以覆盖全海深，本发明的保压取样装置能够可靠地在深海深渊工作，最深海深可达万米。

(4)整个装置的动力源自装置自身带有的电池，而非母船通过电缆对装置进行供电

(5)采用蜗轮蜗杆传动的方式驱动取样活塞的运动，可大大减小电机所需的扭矩大小，小型电机即可实现，满足深海设备对于质量小，体积小的要求。

(6)采用食物诱捕生物，提高生物进入取样筒的几率，提高取样成功率。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明运动机构剖面示意图；

图3是本发明运动机构轨道截面图；

图4是本发明取样活塞示意图；

图5是本发明深水充油电机结构图。

图中：1—底板；2—拉手；3—保压筒；3-1—工装孔；4—导向筒；5—水下充油减速器；6—深水充油电机；6-1—传动轴；6-2—密封圈挡盘；6-3—电机舱体；6-4—驱动舱体；6-5—高压接头；6-6—皮囊；6-7—后端盖；6-8—螺柱；6-9—电机；7—电子舱；8—蓄能器；9—高压接头；10—取样管；11—限位挡板；12—螺套；13—丝杠；14—连接筒；15—端盖；16—深沟球轴承；17—O形圈；18—取样活塞。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1和图2所示，一种海底深渊宏生物诱捕及保真取样器，包括底板1，拉手2，保压筒3，导向筒4，水下充油减速器5，深水充油电机6，电子舱7，蓄能器8。

保压筒3放置在支撑座内，通过抱箍与支承座固定在一起，支承座下部通过螺栓固定在底板1上。工作时，底板通过抱箍固定在着陆器上。保压筒3两端开口，后端与导向筒4法兰连接。保压筒3内设有有取样活塞18，取样活塞18内内部设有空腔，中部开有贯通的方形口，空腔内设装有取样管10，取样管10通过底部的螺纹孔螺栓连接在取样活塞18上。取样管10为一端开口的中空扁筒形结构，侧壁上对称开有四个方形口，用于放置捕捉多细胞生物的单向网兜；

导向筒4两端开口，前端连接保压筒3，后端连接连接筒。导向筒4内部顶端与底端沿轴向开有两道贯通的导向槽，螺套12设于导向筒内，螺套12后端设有两道突起，突起可嵌入导向槽内，使得轴套在导向筒内平行移动。导向筒4内前部设有限位挡板11，用于轴套12水平运动的限位。取样活塞18后端通过螺纹与螺套12连接。螺套12中空，内部有内螺纹，与丝杠13连接。丝杠13后部设有台阶，台阶装设于连接筒14内，丝杠13与连接筒14间设有深沟球轴承16，深沟球轴承16两端设有挡圈。连接筒14后端通过螺栓连接后端盖15。丝杠13由深沟球轴承16支撑。

丝杠13后端开有键槽，通过键槽连接水下充油减速器5的输出轴，水下充油减速器5的输入轴与电机传动轴6-1通过键槽连接。水下充油电机6外壳上有水密接插件，通过水密电缆与电子舱7内的控制板连接。蓄能器8通过高压接头和毛细管与保压筒3连接。拉手2通过紧定螺母连接在底板1上。

图3所示为本发明的运动轨道截面图，导向套4内对称开有槽，螺套12后侧有突起，突起与槽间隙配合，通过丝杠13的转动实现螺套12在导向筒4内的平动。

图4所示为本发明的取样管，其上开有四个生物取样入口，工作的时候生物入口上有网兜，用于防止生物逃脱。

图5为本发明深水充油电机6的内部结构图。电机6-9的轴通过键槽连接在输出轴6-1上，密封圈挡盘6-2与电机舱体6-3通过螺栓连接，电机舱体6-3与驱动舱体6-4通过螺栓连接，驱动舱体6-4上有高压接头6-5，皮囊6-6，后端盖6-7通过螺栓连接在驱动舱6-4上。螺柱6-8用于固定驱动板。

本发明的工作过程如下：

工作过程初始阶段，即一种海底深渊宏生物诱捕及保真取样器从搭载母船下放之前。需要对蓄能器8进行充氮气操作。然后确保其紧密连接到保压筒3上的高压接头9上。将底板1通过抱箍固定在深渊着陆器上。确保取样活塞18的位置在预定位置。然后启动电机的驱动程序中的计时功能。然后开始下放设备。

当着陆架11着陆并稳定后，经过预定的时间，通过驱动程序启动电机，通过水下充油减速器5、丝杠13的转动，驱动螺套12移动，将取样活塞18推出保压筒，螺套12的突起运动到限位挡板11的位置时，运动被限位，电机6-9堵转停止，取样工作开始。到达第二个预定时间节点后，通过驱动程序启动电机6-9，电机6-9反转，通过水下充油减速器5、丝杠13的转动，驱动螺套12移动，将取样活塞18拉入保压筒，螺套12的突起运动到连接筒14的位置时，运动被限位，电机6-9堵转，停止，取样工作结束。取样活塞18推出和拉入的过程中，通过导向筒4内的导向槽槽和螺套12的突起的配合限制了装置的转动，实现平移运动。螺套12的突起和导向筒内的槽间隙配合，减小运动过程的摩擦力。

本装置的密封设计避免了针对于整体密封的设计和高压下的旋转密封设计，采用了取样活塞18上的两个O型圈17的密封，只对所取的样品进行密封和保压。实现更加可靠的密封。通过取样活塞18的侧壁和保压筒3的内壁进行承压，经过强度的校核，完全能满足深渊的压力。

取样活塞18进入保压筒3内后，完成对生物的取样，深渊着陆器开始上升，上升过程中随着深度的减小，静水压力会减小，保压筒3的体积会由于内压远高于外压的原因，有一定程度的体积膨胀，导致保压筒3内压力降低，通过高压接头9连接的蓄能器8中的气体通过自身体积膨胀，推动内部活塞移动，将腔中的海水压入到保压筒3中进行压力补偿。减小保压筒3的压力损失，使其接近于海底压力。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双向密封活塞式深渊多细胞生物诱捕及保真取样器，其特征在于，包括底板，底板上均匀布放有取样装置、水下减速器、深水电机、控制舱、蓄能器；

所述取样装置包括保压筒和导向筒，保压筒两端开口，内设有取样活塞；取样活塞内部设有空腔，中部开有贯通的方形口，空腔内设有取样管；取样管为一端开口的中空扁筒形结构，侧壁上对称开有多个方形口，用于放置捕捉多细胞生物的单向网兜；

所述导向筒两端开口，前端通过法兰与保压筒相连，后端连接连接筒；导向筒内壁沿轴向对称设有两道贯穿前后端的导向槽，导向筒内设有螺套，螺套后端外侧沿轴向设有两道突起，突起与导向筒内壁的导向槽配合；螺套前端设有外螺纹，通过外螺纹与取样活塞相连；螺套内壁加工有梯形螺纹，螺套内有一丝杠，丝杠外侧有梯形螺纹，丝杠通过梯形螺纹与螺套连接；丝杠轴后部加工有台阶，台阶装设于连接筒内，台阶与连接筒间装有两个深沟球轴承；连接筒后端设有端盖，丝杠后端穿出端盖，通过键与水下减速器输出端连接；

所述水下减速器输入端连接深水电机，所述蓄能器与保压筒通过毛细管连接，所述控制舱通过水密电缆分别与水下减速器和深水电机相连。

2.根据权利要求1所述的一种双向密封活塞式深渊多细胞生物诱捕及保真取样器，其特征在于，所述保压筒和导向筒都通过抱箍放置于各自支撑座内，支撑座下部通过螺栓和锁紧螺母固定在底板上。

3.根据权利要求1所述的一种双向密封活塞式深渊多细胞生物诱捕及保真取样器，其特征在于，所述深水电机为深水充油电机。

4.根据权利要求1所述的一种双向密封活塞式深渊多细胞生物诱捕及保真取样器，其特征在于，所述取样活塞外壁开有两道环形槽，用于放置密封圈与挡圈。

5.根据权利要求1所述的一种双向密封活塞式深渊多细胞生物诱捕及保真取样器，其特征在于，所述导向筒内壁前端固定有一限位挡盘，用于螺套的平动限位。

6.根据权利要求1所述的一种双向密封活塞式深渊多细胞生物诱捕及保真取样器，其特征在于，所述水下减速器为蜗轮蜗杆减速器，蜗轮蜗杆减速器上开有油口，油口与皮囊相连，皮囊内充油，用于调节减速器内外的压力平衡。

7.根据权利要求1所述的一种双向密封活塞式深渊多细胞生物诱捕及保真取样器，其特征在于，所述底板上端面外缘还设有多个拉手。

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