CN112485063A - 一种基于磁性驱动的自吸式大流量生物泵装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于磁性驱动的自吸式大流量生物泵装置及其方法，装置包括控制电源、取样泵、保护支架和沉降组件，控制电源、取样泵和沉降组件均固定于保护支架上；取样泵包括外置管路、导流罩壳、多极定子和空心转子；转动的螺旋叶片能将外界流体通过拦截件的进水槽口吸入工作驱动腔，并从工作驱动腔的出口射流流出形成负压，同时驱动外界流体从外置管路进入导流罩壳的中空腔室；沉降组件包括依次连接的缓冲管道、筒状的过滤网和沉降瓶；空心电机通过电路与用于提供电力的控制电源连接。本发明体积小、结构紧凑，可搭载于其他大型设备单独过滤水体内的生物，亦可用机械手或其他有追踪生物的设备锁定自吸取样。
Description
技术领域
本发明属于海洋生物取样技术领域，尤其涉及一种基于磁性驱动的自吸式大流量生物泵装置及其方法。
背景技术
海底热液口冷泉口附近孕育着独特的化能合成生物群落，富含生物基因资源，是天然的基因宝库。由于其环境极端特殊，且与地球早期的环境非常相似，被认为是生命起源等前沿科学研究的“实验室”。这些群落中大部分的大型生物为无脊椎动物，无脊椎动物的幼体阶段为浮游幼体，因而获取热液或冷泉生物幼体是深海生命科学研究的重要途径之一。
由于海底热液口冷泉口的微地形环境非常复杂，常规的拖网式浮游生物采样设备无法在近底层拖曳采集生物样品。理想的采样方式是采用定点式大流量吸滤装置搭载水下机器人进行作业。目前仅有专利公开号110333095A“一种深海吸入式浮游生物取样器”具有定点采集深海浮游生物的功能。但该技术采用离心泵驱动大体积水流进行过滤，采样时高速旋转的桨叶对于脆弱的无脊椎动物幼体有较大的损伤，容易打碎生物样品，造成调查数据的不准确；此外，该取样器采用直线管道，大水流过滤时容易造成网口破坏和生物样品挤压。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，并提供一种基于磁性驱动的自吸式大流量生物泵装置及其方法。本发明通过采用类空心电机转子泵结构的取样器，更有利于深海生物样品的采集，可有效保护捕获的生物样品，从而实现对水环境中小型及浮游生物保护性的采集与过滤。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种基于磁性驱动的自吸式大流量生物泵装置，其包括控制电源、取样泵、保护支架和沉降组件，所述控制电源、取样泵和沉降组件均固定于保护支架上；
所述取样泵包括外置管路、导流罩壳、多极定子和空心转子；空心转子同轴套设于多极定子的内腔中，两者通过轴承配合连接并共同构成空心电机；导流罩壳为进水端呈喇叭状的中空结构，空心电机同轴且具有间隔的套设于导流罩壳靠近出水端的壳体外部，导流罩壳与空心电机之间形成环状的工作驱动腔；导流罩壳的进水端外接外置管路；所述工作驱动腔具有环状进口和环状出口，其环状出口环绕于导流罩壳的中空腔室出水端，环状进口处通过环状的拦截件进行封闭，拦截件上沿周向开设有若干进水槽口；工作驱动腔中设有固定于空心转子内壁上的若干螺旋叶片，螺旋叶片能随空心转子同步转动并与导流罩壳之间互不干涉；转动的螺旋叶片能将外界流体通过拦截件的进水槽口吸入工作驱动腔，流体从工作驱动腔的环状出口射流流出并在导流罩壳的中空腔室出水端附近形成负压，导流罩壳两端的压差驱动外界流体从外置管路进入导流罩壳的中空腔室；
所述沉降组件包括依次连接的缓冲管道、筒状的过滤网和沉降瓶；缓冲管道的进液端与所述空心电机固定连接，出液端与过滤网连通；所述空心电机通过电路与用于提供电力的控制电源连接。
作为优选，所述多极定子是由充油的线圈绕线而成，空心转子是由永磁体围成，轴承为水润滑轴承。
作为优选，所述空心电机的两端均设有挡环。
作为优选，若干所述螺旋叶片的旋转方向相同且互不干涉。
作为优选，所述缓冲管道为90°的弯管，其进液端高于出液端。
作为优选，所述射流的出射方向与导流罩壳的中轴线方向平行。
作为优选，所述控制电源固定于保护支架的底部，外置管路为软管。
作为优选，所述控制电源、取样泵和沉降组件与保护支架的连接方式均为螺栓连接。
作为优选，所述空心转子小于多极定子的极对数。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一所述自吸式大流量生物泵装置吸取水中生物样品的方法，其具体如下：
将自吸式大流量生物泵装置置于待吸取生物样品的流体介质中，调节自吸式大流量生物泵装置和外置管路的所处位置；开启控制电源，空心电机带动螺旋叶片同步旋转，旋转的螺旋叶片对外界流体产生推力，外界流体通过拦截件的进水槽口吸入工作驱动腔；同时，导流罩壳的出水端附近形成负压，外界流体及其中的生物样品在压力差下通过外置管路进入导流罩壳的中空腔室，随后进入缓冲管道以减缓流体的冲力作用；通过过滤网将流体过滤，被拦截的生物样品逐渐落入沉降瓶中进行收集；通过进水槽口的作用能够阻挡流体中的杂质和生物样品进入工作驱动腔，使得生物样品与旋转的螺旋叶片不接触，不会损坏生物样品。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1)本发明的装置在使用时由于螺旋叶片转动时与吸入的生物样品完全隔离，避免了取样时发生破坏生物完整性的现象。
2)本发明的装置体积小、结构紧凑，可搭载于其他大型设备单独过滤水体内的生物样品，亦可用机械手或其他有追踪生物的设备(如水下机器人(ROV)、水下载人潜器等)锁定自吸取样，取样时无需本装置的本体移动，可通过机械手带动外置管路相对位移捕获生物。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明控制电源的剖视图；
图3为本发明取样泵的剖视图；
图4为本发明保护支架的结构示意图；
图5为本发明沉降组件的剖视图；
图中的附图标记为：1控制电源；1-1保护舱体；1-2电池；1-3控制电路；1-4舱盖；1-5电源开关；2取样泵；2-1外置管路；2-2导流罩壳；2-3轴承；2-4螺旋叶片；2-5多极定子；2-6空心转子；2-7挡环；2-8拦截件；3保护支架；3-1沉降瓶固定件；3-2取样泵固定件；3-3支架底座；3-4侧支架；3-5吊放固定件；4沉降组件；4-1缓冲管道；4-2过滤网；4-3沉降瓶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，为本发明的一种基于磁性驱动的自吸式大流量生物泵装置，该自吸式大流量生物泵装置包括控制电源1、取样泵2、保护支架3和沉降组件4，其中，控制电源1、取样泵2和沉降组件4均通过螺栓固定于保护支架3上。
如图2所示，本装置的控制电源1包括电池1-2、控制电路1-3、保护舱体1-1和舱盖1-4。保护舱体1-1为中空且一端开口的结构，舱盖1-4可拆卸式固定于保护舱体1-1开口处，保护舱体1-1和舱盖1-4之间共同围成封闭的组装室。组装室中设有通过电线连接的电池1-2和控制电路1-3，电池1-2由多节可充电锂电池串并联组成，并通过压板固定在保护舱体1-1内。控制电路1-3用于驱动生物取样泵的启停并为电源提供保护。控制电路1-3放置于保护舱体1-1内并与电池1-2、电源开关1-5连接，控制电路1-3外接设置于保护舱体1-1外部的电源开关1-5，能够通过电源开关1-5调节控制电路1-3的开闭。控制电源1可以固定于保护支架3的底部，以便降低本发明装置的重心。
如图3所示，取样泵2包括外置管路2-1、导流罩壳2-2、多极定子2-5和空心转子2-6。空心转子2-6同轴套设于多极定子2-5的内腔中，两者通过轴承2-3配合连接并共同构成空心电机。空心电机通过电路与用于提供电力的控制电源1连接。在本实施例中，空心转子2-6小于多极定子2-5的极对数，多极定子2-5是由充油的线圈绕线而成的，空心转子2-6是由永磁体围成的，轴承2-3为水润滑轴承。为了使多极定子2-5和空心转子2-6之间的连接更加稳定，可以在空心电机的两端设置挡环2-7。
导流罩壳2-2为进水端呈喇叭状的中空结构，空心电机同轴套设于导流罩壳2-2靠近出水端的壳体外部，且空心电机与导流罩壳2-2之间具有一定的间隔，从而导流罩壳2-2与空心电机之间形成环状的工作驱动腔。导流罩壳2-2的进水端外接外置管路2-1。工作驱动腔具有环状进口和环状出口，其环状出口环绕于导流罩壳的中空腔室出水端，环状进口处通过环状的拦截件进行封闭。拦截件2-8的周向上均匀开设有多个进水槽口，进水槽口的形状可以设置为长条形，但槽口开设的不宜过大，以免使得外界流体中的杂质进入工作驱动腔损坏螺旋叶片2-4，也可以防止生物样品进入工作驱动腔被旋转的螺旋叶片2-4破坏。本实施例中，可以将导流罩壳2-2的进水端设置为外翻的喇叭状，从而使得拦截件2-8更好的封闭工作驱动腔的环状进口。
工作驱动腔中设有固定于空心转子2-6内壁上的多个螺旋叶片2-4，多个螺旋叶片2-4之间的旋转方向相同且互不干涉交错，螺旋叶片2-4能随空心转子2-6同步转动并与导流罩壳2-2之间互不影响。转动的螺旋叶片2-4能将外界流体通过拦截件2-8的进水槽口吸入工作驱动腔，并从工作驱动腔的出口射流流出，在射流流出的附近区域会形成负压状态，从而驱动外界流体从外置管路2-1进入导流罩壳2-2的中空腔室。在本实施例中，可以将导流罩壳2-2靠近出水端的一段壳体设置为水平管道状，使射流的出射方向与导流罩壳2-2的中轴线方向平行，从而加强射流出流形成的负压，加强驱动外界流体从外置管路2-1进入导流罩壳2-2的中空腔室。为了使外置管路2-1的进口方向可调节，可以将外置管路2-1设置为方向能够调整并固定的软管。
如图4所示，保护支架3包括沉降瓶固定件3-1、取样泵固定件3-2、支架底座3-3、侧支架3-4和吊放固定件3-5。方形的支架底座3-3上架设固定有多个顶部拱形的侧支架3-4，位于支架底座3-3中心处的侧支架3-4顶部设有吊放固定件3-5，用于与外部的吊放设备连接。取样泵2通过设置在保护支架3上的夹具与取样泵固定件3-2连接固定，沉降瓶4-3通过螺栓与保护支架3的沉降瓶固定件3-1连接，控制电源1由夹具固定在保护支架3的支架底座3-3上。
如图5所示，沉降组件4包括依次连接的缓冲管道4-1、筒状的过滤网4-2和沉降瓶4-3。缓冲管道4-1的进液端与空心电机固定连接，出液端与过滤网4-2连通。外界流体及其中的生物样品在压力差下通过外置管路2-1进入导流罩壳2-2的中空腔室，随后进入缓冲管道4-1以减缓流体的冲力作用。通过过滤网4-2将流体过滤，被拦截的生物样品逐渐落入沉降瓶4-3中进行收集。在本实施例中，缓冲管道4-1可以设置为90°的弯管，并且缓冲管道4-1的进液端高于出液端，该种设置可以通过弯道能量损失减缓流体对过滤网4-2的冲击作用，并且可以使本装置的整体结构更加紧凑，节省了空间。
利用上述自吸式大流量生物泵装置吸取水中生物样品的方法，具体如下：
将自吸式大流量生物泵装置置于待吸取生物样品的流体介质中，调节自吸式大流量生物泵装置和外置管路2-1的所处位置，以便根据需要吸取目标深度处的生物样品。
开启控制电源1，空心电机带动螺旋叶片2-4同步旋转，旋转的螺旋叶片2-4对外界流体产生推力，外界流体通过拦截件2-8的进水槽口吸入工作驱动腔。同时，导流罩壳2-2的出水端附近形成负压，外界流体及其中的生物样品在压力差下通过外置管路2-1进入导流罩壳2-2的中空腔室，随后进入缓冲管道4-1以减缓流体的冲力作用。经过缓冲管道4-1缓冲后的流体进入过滤网4-2所在区域，通过过滤网4-2的过滤作用将流体过滤，被拦截的生物样品逐渐落入沉降瓶4-3中进行收集。通过进水槽口的作用能够阻挡流体中的杂质和生物样品进入工作驱动腔，使得生物样品在吸入时不会与旋转的螺旋叶片2-4接触，不会损坏生物样品。
本发明的装置体积小、结构紧凑，可搭载于其他大型设备单独过滤水体内的生物样品，亦可用机械手或其他有追踪生物的设备(如水下机器人(ROV)、水下载人潜器等)锁定自吸取样，取样时无需本装置的本体移动，可通过机械手带动外置管路相对位移捕获生物。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于磁性驱动的自吸式大流量生物泵装置，其特征在于，包括控制电源(1)、取样泵(2)、保护支架(3)和沉降组件(4)，所述控制电源(1)、取样泵(2)和沉降组件(4)均固定于保护支架(3)上；
所述取样泵(2)包括外置管路(2-1)、导流罩壳(2-2)、多极定子(2-5)和空心转子(2-6)；空心转子(2-6)同轴套设于多极定子(2-5)的内腔中，两者通过轴承(2-3)配合连接并共同构成空心电机；导流罩壳(2-2)为进水端呈喇叭状的中空结构，空心电机同轴且具有间隔的套设于导流罩壳(2-2)靠近出水端的壳体外部，导流罩壳(2-2)与空心电机之间形成环状的工作驱动腔；导流罩壳(2-2)的进水端外接外置管路(2-1)；所述工作驱动腔具有环状进口和环状出口，其环状出口环绕于导流罩壳(2-2)的中空腔室出水端，环状进口处通过环状的拦截件(2-8)进行封闭，拦截件(2-8)上沿周向开设有若干进水槽口；工作驱动腔中设有固定于空心转子(2-6)内壁上的若干螺旋叶片(2-4)，螺旋叶片(2-4)能随空心转子(2-6)同步转动并与导流罩壳(2-2)之间互不干涉；转动的螺旋叶片(2-4)能将外界流体通过拦截件(2-8)的进水槽口吸入工作驱动腔，流体从工作驱动腔的环状出口射流流出并在导流罩壳(2-2)的中空腔室出水端附近形成负压，导流罩壳(2-2)两端的压差驱动外界流体从外置管路(2-1)进入导流罩壳(2-2)的中空腔室；
所述沉降组件(4)包括依次连接的缓冲管道(4-1)、筒状的过滤网(4-2)和沉降瓶(4-3)；缓冲管道(4-1)的进液端与所述空心电机固定连接，出液端与过滤网(4-2)连通；所述空心电机通过电路与用于提供电力的控制电源(1)连接。
2.根据权利要求1所述的自吸式大流量生物泵装置，其特征在于，所述多极定子(2-5)是由充油的线圈绕线而成，空心转子(2-6)是由永磁体围成，轴承(2-3)为水润滑轴承。
3.根据权利要求1所述的自吸式大流量生物泵装置，其特征在于，所述空心电机的两端均设有挡环(2-7)。
4.根据权利要求1所述的自吸式大流量生物泵装置，其特征在于，若干所述螺旋叶片(2-4)的旋转方向相同且互不干涉。
5.根据权利要求1所述的自吸式大流量生物泵装置，其特征在于，所述缓冲管道(4-1)为90°的弯管，其进液端高于出液端。
6.根据权利要求1所述的自吸式大流量生物泵装置，其特征在于，所述射流的出射方向与导流罩壳(2-2)的中轴线方向平行。
7.根据权利要求1所述的自吸式大流量生物泵装置，其特征在于，所述控制电源(1)固定于保护支架(3)的底部，外置管路(2-1)为软管。
8.根据权利要求1所述的自吸式大流量生物泵装置，其特征在于，所述控制电源(1)、取样泵(2)和沉降组件(4)与保护支架(3)的连接方式均为螺栓连接。
9.根据权利要求1所述的自吸式大流量生物泵装置，其特征在于，所述空心转子(2-6)小于多极定子(2-5)的极对数。
10.一种利用权利要求1～9任一所述自吸式大流量生物泵装置吸取水中生物样品的方法，其特征在于，具体如下：
将自吸式大流量生物泵装置置于待吸取生物样品的流体介质中，调节自吸式大流量生物泵装置和外置管路(2-1)的所处位置；开启控制电源(1)，空心电机带动螺旋叶片(2-4)同步旋转，旋转的螺旋叶片(2-4)对外界流体产生推力，外界流体通过拦截件(2-8)的进水槽口吸入工作驱动腔；同时，导流罩壳(2-2)的出水端附近形成负压，外界流体及其中的生物样品在压力差下通过外置管路(2-1)进入导流罩壳(2-2)的中空腔室，随后进入缓冲管道(4-1)以减缓流体的冲力作用；通过过滤网(4-2)将流体过滤，被拦截的生物样品逐渐落入沉降瓶(4-3)中进行收集；通过进水槽口的作用能够阻挡流体中的杂质和生物样品进入工作驱动腔，使得生物样品与旋转的螺旋叶片(2-4)不接触，不会损坏生物样品。
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