CN113138095A - 一种新型极地浮冰下层热熔式取样器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型极地浮冰下层热熔式取样器，包括舱体，舱体内部具有密封的中空结构并在中空结构内设有冷热源，舱体下表面安装有水平推进器、和均匀分布在舱体四周竖直推进器；舱体上表面设有底座，底座与竖直推进器同心设置并且底座一端与竖直推进器的动力输出端固连，底座另一端转动连接有可绕自身关节自转的机械手臂，机械手臂自由端螺纹连接冷热头；舱体上表面密封安装有直线电机，直线电机输出端螺纹连接热熔钻头；冷热头和热熔钻头通过两位三通阀与冷热源连接，由冷热源对冷热头和热熔钻头进行制冷或制热。使用热熔钻头进行取样，利用冷热源进行钻头的加热和降温，使得取样动作更加简单。

Description

一种新型极地浮冰下层热熔式取样器

技术领域

本发明涉及极地冰芯取样领域，具体涉及到一种利用热熔方式进行极地冰芯取样的取样器，即涉及一种新型极地浮冰下层热熔式取样器。

背景技术

作为极地研究的重要资料，冰芯对于了解古气候变化有着举足轻重的作用，极地冰芯取样方式分为手动和机动。手动冰芯取样设备简单，取样量小，钻深较小，但更方便。机动冰芯取样包括了机械回旋方式和热水钻，设备庞大、维护难度大、试验成本高昂。为了获取更深的冰芯样品以便了解更远古的气候变化，常常需要钻取到上千米的深度。南北极冰盖厚度最大处达到了三四千米，浮冰的厚度也可达几十米。

极地浮冰是极地研究的重要内容，但由于浮冰四处漂浮，大型设备难以安装到浮冰上，小型手动取样装置需要人在浮冰上操作，但浮冰性质的力学性质不稳定，易破裂，给操作人员造成生命危险。有文献表明，浮冰的下表层聚集有大量的极地微生物，而对此冰水界面的取样目前无专用设备。浮冰下表层取样的主要难度在于取样点到达、水下取样器动态平衡、取样过程取样器的水下固定以及冰芯的获取。冰芯钻头采用机械回旋式的主要弊端在于机械回旋需要旋转电机提供周向旋转动作，因此在结构上多了旋转电机，并且由于在水下工作，需要配套充油舱，电机与控制模块的通信利用水密接插件连接实现，因此整体结构变得更加的繁杂。

采用热熔钻头可以在结构上得到精简，另外热熔钻头和冷热头可以共用制冷制热系统。目前吉林大学采用的热熔钻是自上而下的，且是以极地冰盖作为对象的。其设备尺寸庞大，尽管做到了相对密封的环境取样并且污染相对较少，但其弊端在于整个作业过程漫长，并且在浮冰上也不能进行作业。截至目前，没有以浮冰为取样对象，并且着重于冰水界面层的专用取样器。

除此之外，目前的取样器取样作业基本采用吊放或者重力下坠的方式进行，其只能单次作业，并且无法自己运动到指定地点。若是搭载ROV进行海底取样，设备的整体尺寸变得较大，不适宜少量取样。具备海底自主巡航和无线远程控制取样操作的取样器目前还未在研究中被找到。

浮冰下存在的大量微生物是了解极地生命形态的重要参考来源。其生存环境较为严苛，并且由于浮冰的移动性以及力学特性决定了无法采用大型设备进行作业。因此设计一套能够自主巡航、单次下放多次取样的取样器显得必要，由下而上的冰芯取样方式在保证了原位环境的同时，也保证了取样样品的质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，设计一种以极地浮冰为对象的新型热熔式取样器，取样对象主要为浮冰下层海水、冰水界面以及下层冰芯。

一种新型极地浮冰下层热熔式取样器，包括舱体，舱体内部具有密封的中空结构并在中空结构内设有冷热源，舱体下表面安装有用于使舱体在水平方向运动的水平推进器、和均匀分布在舱体四周并用于使舱体在竖直方向运动的竖直推进器；

舱体上表面设有底座，底座与竖直推进器同心设置并且底座一端与竖直推进器的动力输出端固定连接，底座另一端转动连接有可绕自身关节自转的机械手臂，所述机械手臂自由端螺纹连接冷热头；

所述舱体上表面还密封安装有直线电机，直线电机输出端螺纹连接热熔钻头；所述冷热头和热熔钻头通过两位三通阀与所述冷热源连接，由冷热源对冷热头和热熔钻头进行制冷或制热。

进一步的，所述冷热源包括热水通道、冷水通道、半导体制冷/制热片，所述热水通道设置在半导体制冷/制热片的制热端、冷水通道设置在半导体制冷/制热片的制冷端，所述冷水通道和热水通道的一端从舱体伸出，所述冷水通道和热水通道的另一端分别通过泵与第一两位三通阀的两进口连接，第一两位三通阀的出口与第二两位三通阀的进口连接，第二两位三通阀的两个出口分别与冷热头和热熔钻头连接，其中所述泵由电机控制工作。

进一步的，所述冷热头包括冷热头外壳，所述冷热头外壳外表面设有卡环，冷热头外壳内设有冷热头铜管和隔热棒，隔热棒在冷热头中心设置，冷热头铜管环绕着隔热棒并且冷热头铜管两端伸出冷热头外壳，冷热头铜管的其中一端与第二两位三通阀的第一出口连接。

进一步的，所述热熔钻头包括热熔钻外壳、冷热源铜管、卡簧和安装座，所述热熔钻头为中空结构，热熔钻头的中空结构壁面上设有卡簧，在热熔钻外壳内环绕有一圈圈冷热源铜管且冷热源铜管两端从热熔钻外壳中伸出，冷热源铜管的其中一端与第二两位三通阀的第二出口连接，热熔钻外壳与安装座螺纹连接，安装座固定连接在直线电机的输出端上。

进一步的，在冷热源铜管和热熔钻外壳之间填充有导热绝缘层，所述导热绝缘层为氧化镁粉末。

进一步的，所述机械手臂自由端上设有快接电机，所述快接电机的输出轴与冷热头上开设的冷热头螺纹孔螺纹连接；所述舱体上表面还安装有存放箱，存放箱上设有机械抓手插棒和冷热头置放孔，所述机械抓手插棒用于存放倒置的机械抓手，所述机械抓手包括机械抓手主体、伸缩电机、弧形瓣和推进盘，弧形瓣端部与推进盘转动连接，弧形瓣主体通过连杆与机械抓手主体转动连接，伸缩电机安装在机械抓手主体内并且其动力输出端与推进盘连接，带动推进盘上下伸缩，推进盘上下伸缩实现弧形瓣的闭合与开启，所述机械抓手主体末端还开设有机械抓手螺纹孔，用于与机械手臂上的快接电机输出轴进行快速螺纹连接。

进一步的，所述热熔钻头至少设有一个，在舱体上表面安装有保温舱和保压舱，保温舱和保压舱均包括筒体和封盖，筒体和封盖通过螺纹连接；所述舱体上表面开设有用于固定热熔钻头和封盖的浅槽，浅槽内开设有螺纹。

进一步的，所述半导体制冷/制热片两面贴有水冷头；所述冷热源制冷时采用半导体制冷片、制热时采用热电阻，由热电阻代替半导体制冷片，提供冷热头和热熔钻头工作所需要的热源。

进一步的，所述底座设有4个，竖直推进器以及机械手臂与底座相对应设置，所述底座采用栅格，所述机械手臂包括关节和关节臂，关节臂之间通过关节连接并可绕关节自转，位于机械手臂端部的关节通过转轴与轴承座转动连接，轴承座固装在底座上。

进一步的，舱体的中空结构内设有控制舱和蓄电池，所述控制舱内设有控制电路板和无线通讯模块，所述蓄电池由锂电池组成而成；控制电路板分别与无线通讯模块、电机、直线电机、伸缩电机、快接电机、机械手臂、水平推进器、竖直推进器、第一两位三通阀、第二两位三通阀以及半导体制冷/制热片电连接；控制电路板、电机、直线电机、伸缩电机、快接电机、机械手臂、水平推进器、竖直推进器、第一两位三通阀和第二两位三通阀均由电池组进行供电；所述无线通讯模块由控制电路板供电并用于与浮冰上操作人员进行通讯，以便进行姿态和作业控制，半导体制冷片由控制电路板直接供电并由控制电路板控制其工作，电机通过控制电路板控制其开关进而控制泵的开/关，直线电机用于控制热熔钻头插入和拔出冰层，伸缩电机用于开启和闭合机械抓手；快接电机用于和作业工具的快速连接；机械手臂通过控制电路板进行动作和姿态调整，水平推进器和竖直推进器用于通过控制电路板调整推力以调节取样器的水下姿态；控制电路板用于控制第一两位三通阀和第二两位三通阀进行冷热水的流量调节，从而实现冷热头和热熔钻头的温度调节。

下面对本申请做进一步说明：

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

设计一套适用于极地浮冰的热熔式取样器，其传热部件主要包括了热熔钻头、冷热头和冷热源。热熔钻头安装在直线电机上，直线电机带动其上下运动，从而完成冰芯取样。热熔钻头利用卡簧进行冰芯的卡断，当直线电机驱动热熔钻头向上运动时卡簧沿着斜面向下运动，增加热熔钻头的内径，便于冰芯的通过。当直线电机驱动热熔钻头向下运动时，卡簧沿着斜面28向上运动，具体的，在热熔钻头的热熔钻外壳24内壁面的上端位置周向开设有一个斜面28，在斜面上安装卡簧，该斜面如图4所示。热熔钻头的内径减小，卡住冰芯直至夹断。

本发明中，所述舱体，内部中空，布放有电池组、控制舱、冷热源。蓄电池由锂电池组合而成，可以采用电动车里的大型锂电池，也可以采用多个钮扣电池组合而成，相比而言，前者管理更加方便，但是占据的舱体空间更大，部分空间不能利用起来。后者的困难主要体现在电池管理上，但可以获得更高的空间利用率。

本发明中，所述水密接插件使用在多个地方，主要在充油电机舱处和机械手臂的控制线以及舱体内部和外的走线处。水密接插件处铣平面，用于安装拧紧水密接插件。具体的水密接插件的型号根据尺寸、通讯和供电需求选择。水密接插件的水下湿插拔动作利用机械手臂实现。

本发明中，所述控制舱内部包含有控制电路板、无线通讯模块，内部充油，端盖采用密封圈密封。控制线缆通过端盖上的通孔穿出，再通过水密接插件导出舱体，与机械手臂连接。

本发明中，所述保温舱，内部灌装有与作业站位海水同样浓度的Nacl溶液，并且保证其处在冰水混合物状态。尽管没有制冷制热源连接，但是其在冰下层的原位状态是冰水混合的，其作用类似保压皮囊，可以保证一定范围内的热量传递不会引起其温度变化，因此也就保证了所取样样品的原位状态。在提出海面之后，由于冰水混合物的保温特性(温度不变)，可以保障存储在内的冰芯样品的冰水界面不产生变化。

本发明中，所述保压舱，固定在舱体的上表面，通过螺纹固定。保压舱的端盖与主体之间同样采用螺纹连接，保压舱在工作的时候利用机械手臂打开，将热熔钻头整体放置到保压舱之后合盖。

本发明中，所述冷热源的热水通道的热量尽管不高，但将其汇入热水管道用于热熔。半导体制冷片工作的时候，一面微微发热，一面制冷，冷水相对热水下沉，因此将水冷头的冷端朝下，冰水通过冷水通道进入机械手的冷热头，在冷热头内部进行热传导，对冷热头周围海水进行制冷。水冷头的热端朝上，其制热的海水通过热水通道进入热水管道。将半导体制冷片更换为热电阻，即可在上下两个端面均输出热水，也就是此时的热水通道和冷水通道都输出热水。因此在下放之前，将冷源和热源均制备完成，安装在舱体内。在冷热头需要相应的制冷或制热功能的时候，进行功能的切换，在冷热头内流通对应的冷热水即可。本发明中，所述热熔钻头由热熔钻外壳、冷热源铜管、安装座、卡簧等部分组成，热熔钻头不开锋，也不带有切割齿。由于采用铜管内海水传热的方式进行取样，而规避了机械回旋的取样方式，不需要提供很大的轴向升力，另外同样的原因也规避了振动的发生。

本发明中，所述冷热头和热熔钻头在实现原理上是类似的，但不同的是冷热头是实心的，而热熔钻头是中空的。在冷热头制冷的时候，其外围冻结的冰会包围在冷热头四周，当外围冰和冰层完全冻结在一起，冷热头和冰层就完全固结在一起。

热熔式取样器，采用半导体发热、制冷进行取样作业，不需要进行机械回旋。

所述热熔式取样器主要作业部件是热熔钻头，其内部设计有回旋铜管，铜管内部流通的是取样点海水或者等盐度的Nacl溶液。铜管的流通利用冷热源内的泵和电机实现，另外通过二位三通阀进行冷热水的切换。其主要构成还包括了四足机械手臂、热熔钻头、样品舱和推进器，总体以圆周对称排列。舱体为扁圆形，上表面可拆卸，内部中空。

所述热熔式的极地浮冰下层移动冰芯取样器，具有结构简单、取样动作简单、取样样品质量高、钻头、冷热头温度可控可调等优点。

所述热熔钻头为中空结构，在冷热源铜管和热熔钻外壳之间填充有氧化镁粉末，起到了导热和绝缘的作用。冷热源铜管是中空的，且选用较小直径，保证可以在热熔钻外壳的内腔内较好的缠绕，保障没有空缺的内腔内壁。热熔钻头的安装座通过销和竖轴进行固定连接。

所述冷热头2的中心有一根隔热棒，其余结构包括冷热头铜管和冷热头外壳，而对比热熔钻头，所不同的是，其在冷热头外壳的外围增加设计了卡环，卡环的主要作用是利于冻结后和冰层之间的固定。

所述冷热源其主要组成为硬质实心聚氨酯隔热材料、热水通道、冷水通道、电线、半导体制冷片和泡沫聚氨酯垫片。

所述冷热头内部缠绕有铜管，铜管内流过冷水和热水实现冷热头功能的切换。冷热水的切换通过阀箱内的两个二位三通阀、泵和电机几部分组合实现，冷热头内部由隔热棒、氧化镁粉组成，氧化镁粉末起到绝缘和热传导的作用。

所述样品舱包括了保温舱和保压舱，其主体形状都是筒体，都设计有封盖，并且在底部开有螺纹用于与舱体的上表面进行连接。不同的是保温舱内部预先充填有与取样点海域盐度近似的冰水混合物，由于冰水混合物吸放热温度不变，因此提供给冰样一段时间的状态保护，若为了维持温度不变，可以从冷热源引出水体，同样采用铜管缠绕在保温舱内部，利用冷热源进行调节温度。

本发明与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.删减了旋转电机，在结构组成上得到了精简，减少了旋转电机及其充油舱，除此之外，降低了高度，增加了稳定性。减轻了取样器的整体重量；

2.使用热熔钻头进行取样，在不增加取样器结构组成的情况下，利用冷热源进行钻头的加热和降温，使得取样动作更加简单；

3.由于热熔钻头的取样方式，热熔钻头腔体内的冰芯表面将会更加光滑，整体冰芯的质量将更加好；

4.机械旋转式的取样器在旋转过程中可能会产生过多的热量导致部分融化所取的冰芯，但是本发明的热熔钻头没有摩擦不产生多余的不可控热量；

5.热熔钻头可以调控冷热水的进入比例来调节热熔钻头的温度，使得更快融化或者缓慢融化。具体实现方式为通过控制冷水和热水进入第一两位三通阀的流量，来实现控制进入热熔钻头的冷热水比例，来实现温度的调控。

6.在进入保压舱和保温舱内之前可以调节热熔钻头温度到凝固点，以保障足够冰芯的完整保护；

7.热熔式取样器的控制更加简单，将冷热源的输出按需求进行设计，控制冷热水流入二位三通阀的流量占比，达到预定温度，输入到冷热头和热熔钻头的内腔体即可。

附图说明

图1为本发明热熔式取样器的结构示意图；

图2为本发明热熔式取样器的半剖图；

图3为本发明热熔式取样器的冷热源的结构示意图；

图4为本发明热熔式取样器的热熔钻头的结构示意图；

图5为本发明热熔式取样器的冷热头的结构示意图；

图6为本发明热熔式取样器的内舱构造；

图7为本发明热熔式取样器的作业部件存放箱的结构示意图；

图8为本发明热熔式取样器的机械抓手的结构示意图；

图9为本发明热熔式取样器的电路连接框图。

图中，1.舱体、2.冷热头、3.机械手臂、4.机械抓手、5.水密接插件、6.轴承座、7.底座、8.关节臂、9.关节、10.水平推进器、11.保温舱、12.热熔钻头、13.直线电机、14.保压舱、15.竖直推进器、16.控制舱、17.蓄电池、18.电线、19.半导体制冷片、20.垫片、21.隔热层、22.热水通道、23.冷水通道、24热熔钻外壳、25.冷热源铜管、26.安装座、27.卡簧、28.斜面、29.冷热头铜管、30.隔热棒、31.卡环、32.冷热头空腔、33.冷热头螺纹孔、34.冷热源、35.冷热头置放孔、36.机械抓手插棒、37.可自定义置放孔、38.机械抓手主体、39.推进盘、40.机械抓手螺纹孔、41弧形瓣、42.快接电机。

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。

一种新型极地浮冰下层热熔式取样器，包括舱体1，该舱体1为碟形结构，在舱体1内部并且位于中心位置开设有空腔，该空腔与舱体1的上/下表面形成密封的中空结构。位于中空结构外侧的舱体1上并在其四周方向分别开设有用于安装竖直推进器15的孔，所述孔共设有4个，每个孔内安装一个竖直推进器15，从图2可以看出，这些竖直推进器15位于舱体上表面下方，大致位于舱体下表面上。在舱体下表面上还固定安装有2个水平推进器10，所述竖直推进器15均匀分布在舱体下表面四周，其用于使舱体在竖直方向运动，而水平推进器10平行设置在舱体下表面上，其用于使舱体在水平方向上运动。

在所述舱体1的孔的上方还安装有底座7，所述底座7采用栅格，保证支撑强度的同时允许大流量的水流通过，减小对推进器推力的影响；所述底座7与竖直推进器15同心设置并且底座7一端与竖直推进器15的动力输出端固定连接，所述底座7另一端上固定安装有轴承座6，所述轴承座6与机械手臂3转动连接，具体的，所述机械手臂包括3个关节9和通过关节9相连接的关节臂8，关节臂8可绕关节9自转，其中一个关节9通过转轴与轴承座6转动连接。所述关节9采用型号为SG02R舵机，所述机械手臂3除可绕自身的关节9自转外，还可随底座7共同转动以及可绕轴承座6转动。在机械手臂3自由端处的关节臂8端部连接有快接电机42，在其输出轴上制备有螺纹，该关节臂8通过快接电机42的旋转与冷热头2上的冷热头螺纹孔33连接。机械手臂由关节臂8、关节9组成，关节动作由舵机完成，关节臂8在关节9处用螺栓进行固定连接，多个关节臂8和关节9组成了一个作业机械手臂。(关节9处就是舵机)。

所述舱体1上表面密封安装有直线电机13，直线电机13输出端螺纹连接热熔钻头12，由直线电机带动热熔钻头12上下运动。所述舱体的中空结构内设有冷热源34，所述冷热源34通过两位三通阀与冷热头和热熔钻头12连接，由冷热源34对冷热头和热熔钻头12进行制冷或制热。具体的，所述冷热源34包括热水通道22、冷水通道23、半导体制冷片19、隔热层21、电线18和垫片20，所述隔热层21采用硬质实心聚氨酯隔热材料，垫片20为泡沫聚氨酯垫片，所述半导体制冷片19两面贴有金属制备的水冷头，其主要作用是将半导体制冷片19的热量传导到两端，然后通过水的流动将热量带出到冷热头2和热熔钻头12。半导体制冷片19内嵌在垫片20内部，在垫片20中布放电线18，利用两块隔热层21将半导体制冷片19和垫片20从两端夹裹其中。在隔热层21内加工有内腔，让热水通道22和冷水通道23从中穿插而过。

为了保障温度的维持，利用硬质实心聚氨酯隔热材料，也即隔热层21覆盖在水冷头表面。所述热水通道22设置在半导体制冷片19上方、冷水通道23设置在半导体制冷片19下方，半导体制冷片19通过电线18通电，实现制冷和制热，所述冷水通道23和热水通道22的一端从舱体伸出，用于连通海水，冷水通道23和热水通道22的另一端分别通过泵与第一两位三通阀的两进口连接，第一两位三通阀的出口与第二两位三通阀的进口连接，第二两位三通阀的两个出口分别与冷热头和热熔钻头12连接，其中所述泵由电机控制工作。优选的，所述半导体制冷片还可以替换成热电阻，即可在上下两个端面均输出热水，也就是此时的热水通道22和冷水通道23都输出热水。其中，所述冷热头，其外壳外表面设有多个卡环31，内设有冷热头铜管29和隔热棒30，隔热棒30在冷热头中心设置，冷热头铜管29环绕着隔热棒30并且冷热头铜管29两端伸出冷热头外壳。冷热头空腔32内部充满氧化镁分，用于导热和绝缘。在末端制有冷热头螺纹孔33，用于与机械手臂末端的快接电机快速连接。冷热头铜管29的其中一端与第二两位三通阀的第一出口连接，冷热头铜管29另一端空置，用于排出铜管内的海水。

所述热熔钻头12包括热熔钻外壳24、冷热源铜管25、安装座26、卡簧27和斜面28，所述热熔钻头12为中空结构，热熔钻头12的中空结构壁面上设有卡簧27，在热熔钻外壳24内开设有环形通道，环形通道内环绕有一圈圈冷热源铜管25且冷热源铜管25两端从热熔钻外壳24中伸出，在冷热源铜管和热熔钻外壳24之间(即在环形通道内)填充有氧化镁粉末，用于绝缘和导热。冷热源铜管的其中一端与第二两位三通阀的第二出口连接，冷热源铜管25的另一端空置，用于排出冷热源铜管内的海水，热熔钻外壳24与安装座26螺纹连接，安装座26固定连接在直线电机的输出端上。

所述热熔钻头12可设有多个，如可以为3个热熔钻头12，其中一个热熔钻头12在使用时安装在直线电机上外，其余热熔钻头12在未取样时固定在舱体上表面，热熔钻头12取样后由机械抓手抓取放在样品舱内，为了使热熔钻头12在机械抓手作用下能够较容易的从舱体上表面取出，在舱体上表面开设有若干个用于安装热熔钻头12和样品舱封盖的浅槽，浅槽的螺纹高度相对较浅，热熔钻头12通过热熔钻外壳24上的螺纹与浅槽螺纹连接。

为了使热熔钻头12在取样完成后能够存放在样品舱内以及实现多次取样，所述舱体1上表面还安装有作业部件存放箱，存放箱上开设有冷热头置放孔35和机械抓手插棒36，所述机械抓手插棒36用于存放机械抓手4，所述机械抓手4与机械手臂自由端的快接电机螺纹连接，所述机械抓手包括机械抓手主体38(内置伸缩电机)、推进盘39、机械抓手螺纹孔40和弧形瓣41，弧形瓣端部与推进盘转动连接，弧形瓣主体通过连杆与机械抓手主体转动连接，伸缩电机安装在机械抓手主体内并且其动力输出端与推进盘连接，带动推进盘上下伸缩，推进盘上下伸缩实现弧形瓣的闭合与开启。机械抓手主体的末端制有机械抓手螺纹孔，其被固定在在舱体上的储藏格(即作业部件存放箱)的机械抓手插棒上，如图1、2所示。当需要与机械手臂进行连接时，机械手臂运动到储藏格附近，将冷热头倒插入储藏格，冷热头与储藏格利用卡扣固定，旋转机械手臂末端，从而将机械手臂与冷热头脱开，将机械手臂拔出，控制机械手臂到机械抓手附近，对准机械手臂末端快接电机的输出轴和机械抓手螺纹孔，旋转以连接螺纹而进行固定。

所述样品舱包括保温舱11和保压舱14，在舱体上表面安装有保温舱11和保压舱14，保温舱11和保压舱均包括筒体和封盖，筒体和封盖通过螺纹连接并通过密封圈密封。封盖由机械抓手取下后，螺纹连接在舱体上表面的浅槽上。所述保温舱11和保压舱14设有多个，用于储存热熔钻头12。所述保压舱14仅仅具备保压功能，但是保温舱同时具备保压和保温功能。

舱体的中空结构内设有控制舱16和蓄电池17，所述控制舱16内设有控制电路板和无线通讯模块；如图9所示，控制电路板分别与无线通讯模块、电机、直线电机、伸缩电机、快接电机、机械手臂、水平推进器、竖直推进器、第一两位三通阀、第二两位三通阀以及半导体制冷片电连接；控制电路板、电机、直线电机、伸缩电机、快接电机、机械手臂、水平推进器、竖直推进器、第一两位三通阀和第二两位三通阀均由电池组进行供电；所述无线通讯模块由控制电路板供电并用于与浮冰上操作人员进行通讯，以便进行姿态和作业控制，半导体制冷片由控制电路板直接供电并由控制电路板控制其工作，电机通过控制电路板控制其开关进而控制泵的开/关，直线电机用于控制热熔钻头插入和拔出冰层，伸缩电机用于开启和闭合机械抓手。快接电机用于和作业工具的快速连接，机械手臂通过控制电路板进行动作和姿态调整，水平推进器和竖直推进器用于通过控制电路板调整推力以调节取样器的水下姿态。控制电路板用于控制第一两位三通阀和第二两位三通阀进行冷热水的流量调节，从而实现冷热头和热熔钻头的温度调节。

本发明的工作过程为：

1、下放取样器到目标海域(机械手臂收合)；

2、取样器在极地海域自由巡航至取样点，期间通过无线通讯模块控制控制电路板；

3、控制机械臂展开，并调节竖直推进器和水平推进器到动态平衡，使得取样器在海底可以实现在某一位置平稳固定；

4、开启电机以及调节第一两位三通阀和第二两位三通阀的通断，使热水通道内的热水进入冷热头铜管，让冷热头制热，融化冰层下表面，直到完全融化，调节第一两位三通阀，使冷水进入第一两位三通阀，冷热头到制冷模式，直到冷热头完全固结在冰层中，这时可以关闭推进器以节省电量；

5、调节第一两位三通阀和第二两位三通阀的通断，使热水通道内的热水进入冷热源铜管，并控制直线电机带动热熔钻头钻取冰芯；

6、控制其中一只机械手臂旋开冷热头，换上机械抓手，伸缩电机控制推进盘闭合弧形瓣，使得旋转机械抓手抓住保温舱的封盖，旋转拧开封盖，取下拧紧固定在舱体上表面浅槽上；

7、伸缩电机控制推进盘打开弧形瓣，移动机械手臂到热熔钻头，抓住热熔钻头，旋转机械抓手拧开热熔钻头；

8、控制机械手臂将热熔钻头放置在保温舱内，控制机械手臂拧开固定在舱体上表面的封盖，移动到保温舱，反向旋转机械抓手拧紧保温舱的封盖，完成一次取样；

9、重复以上步骤完成多次采样。

图1和2所示，本发明提供一种浮冰下层包含冰和水体两相的取样器。取样器整体呈现四足机器人的结构，四足可以用于冰下层融化冰层并固定，也可以用于在海底层行走，具体根据作业需求进行调整。在舱体1的上层安装有样品舱和热熔钻头，最多可单次下放实现三根样品取样和存储。四足冷热头的冷热源和热熔钻头的冷热源共用，设置安装在舱体1的内部。利用两个两位三通阀实现冷热源的选取，两位三通阀封装在充油舱体内。除此之外，将蓄电池和控制舱存放于舱体内，由于不带有电缆作业，因此蓄电池的容量较大，增大了装置的整体重量，根据作业半径也可以选择电缆供电，减小设备的重量，但由于缆绳的影响，在取样器姿态控制上将有些许影响。

如图3所示，本发明的冷热源设计结构简单，由半导体制冷/热片进行冷/热源供给。在片的两面紧贴有金属制备的水冷头，其主要作用是将半导体制冷/热片的热量传导到两端，然后通过水的流动将热量带出到冷热头2和热熔钻头12。为了保障温度的维持，隔热层21覆盖在水冷头表面。

如图4、5所示，本发明的冷热装置：热熔钻头12和冷热头2，尽管主体结构不尽相同，但都利用已经被冷热源处理后的水体在铜管内流动进行热传导，铜管所处腔体内填充氧化镁粉末用于传热和绝缘。所不同的是热熔钻头12是中空的，由于需要夹断冰芯，设计有卡簧27；冷热头是实心的，并且在芯部设计有隔热棒，避免不必要的热量分散，另外由于固定的需要，在外周设计有几道卡环31。

如图6所示，所发明的极地浮冰下层热熔式取样器的内舱其内部主要分为控制部分和供电部分，除了机械手臂3、热熔钻头12、水平推进器10和垂直推进器12的控制之外，也可以在取样器上安装温盐深、摄像头等部件，将其控制和电源部分安装在舱体1内即可。

如图7所示，所发明的极地浮冰下层热熔式取样器的作业部件存放箱可以根据需求设计置放孔，主要用于放置诸如机械抓手4、冷热头2之类的作业部件。

本浮冰下层取样器可做的适应性改造如下：

1.根据作业半径的不同，可以利用电缆供电或者蓄电池供电；

2.根据所取样品尺寸的大小设计热熔钻头，相应的样品舱尺寸也可以进行调整；

3.热熔钻头的的外观、铜管圈数也可以根据具体应用环境做更换；

4.冷热源的制冷/热片数量根据具体温度需求调整，在具体结构上可以考虑硬质实心聚氨酯隔热材料完全包覆；

5.热熔钻头也可以用于自上而下的钻取；

6.将热熔钻头设计成小内径，多个圆周排列既可以单次取样获取多根样品。

Claims (10)

1.一种新型极地浮冰下层热熔式取样器，其特征在于：包括舱体，舱体内部具有密封的中空结构并在中空结构内设有冷热源，舱体下表面安装有用于使舱体在水平方向运动的水平推进器、和均匀分布在舱体四周并用于使舱体在竖直方向运动的竖直推进器；

舱体上表面设有底座，底座与竖直推进器同心设置并且底座一端与竖直推进器的动力输出端固定连接，底座另一端转动连接有可绕自身关节自转的机械手臂，所述机械手臂自由端螺纹连接冷热头；

所述舱体上表面还密封安装有直线电机，直线电机输出端螺纹连接热熔钻头；所述冷热头和热熔钻头通过两位三通阀与所述冷热源连接，由冷热源对冷热头和热熔钻头进行制冷或制热。

2.根据权利要求1所述的一种新型极地浮冰下层热熔式取样器，其特征在于：所述冷热源包括热水通道、冷水通道、半导体制冷/制热片，所述热水通道设置在半导体制冷/制热片的制热端、冷水通道设置在半导体制冷/制热片的制冷端，所述冷水通道和热水通道的一端从舱体伸出，所述冷水通道和热水通道的另一端分别通过泵与第一两位三通阀的两进口连接，第一两位三通阀的出口与第二两位三通阀的进口连接，第二两位三通阀的两个出口分别与冷热头和热熔钻头连接，其中所述泵由电机控制工作。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型极地浮冰下层热熔式取样器，其特征在于：所述冷热头包括冷热头外壳，所述冷热头外壳外表面设有卡环，冷热头外壳内设有冷热头铜管和隔热棒，隔热棒在冷热头中心设置，冷热头铜管环绕着隔热棒并且冷热头铜管两端伸出冷热头外壳，冷热头铜管的其中一端与第二两位三通阀的第一出口连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种新型极地浮冰下层热熔式取样器，其特征在于：所述热熔钻头包括热熔钻外壳、冷热源铜管、卡簧和安装座，所述热熔钻头为中空结构，热熔钻头的中空结构壁面上设有卡簧，在热熔钻外壳内环绕有一圈圈冷热源铜管且冷热源铜管两端从热熔钻外壳中伸出，冷热源铜管的其中一端与第二两位三通阀的第二出口连接，热熔钻外壳与安装座螺纹连接，安装座固定连接在直线电机的输出端上。

5.根据权利要求4所述的一种新型极地浮冰下层热熔式取样器，其特征在于：在冷热源铜管和热熔钻外壳之间填充有导热绝缘层，所述导热绝缘层为氧化镁粉末。

6.根据权利要求3所述的一种新型极地浮冰下层热熔式取样器，其特征在于：所述机械手臂自由端上设有快接电机，所述快接电机的输出轴与冷热头上开设的冷热头螺纹孔螺纹连接；所述舱体上表面还安装有存放箱，存放箱上设有机械抓手插棒和冷热头置放孔，所述机械抓手插棒用于存放机械抓手，所述机械抓手包括机械抓手主体、伸缩电机、弧形瓣和推进盘，弧形瓣端部与推进盘转动连接，弧形瓣主体通过连杆与机械抓手主体转动连接，伸缩电机安装在机械抓手主体内并且其动力输出端与推进盘连接，带动推进盘上下伸缩，推进盘上下伸缩实现弧形瓣的闭合与开启，所述机械抓手主体末端还开设有机械抓手螺纹孔，用于与机械手臂上的快接电机输出轴进行螺纹连接。

7.根据权利要求1所述的一种新型极地浮冰下层热熔式取样器，其特征在于：所述热熔钻头至少设有一个，在舱体上表面安装有保温舱和保压舱，保温舱和保压舱均包括筒体和封盖，筒体和封盖通过螺纹连接；所述舱体上表面开设有用于固定热熔钻头和封盖的浅槽，浅槽内开设有螺纹。

8.根据权利要求2所述的一种新型极地浮冰下层热熔式取样器，其特征在于：所述半导体制冷/制热片两面贴有水冷头；所述冷热源制热时采用热电阻代替半导体制冷片，提供冷热头和热熔钻头工作所需要的热源。

9.根据权利要求1所述的一种新型极地浮冰下层热熔式取样器，其特征在于：所述底座设有4个，竖直推进器以及机械手臂与底座相对应设置，所述底座采用栅格，所述机械手臂包括关节和关节臂，关节臂之间通过关节连接并可绕关节自转，位于机械手臂端部的关节通过转轴与轴承座转动连接，轴承座固装在底座上。

10.根据权利要求1所述的一种新型极地浮冰下层热熔式取样器，其特征在于：舱体的中空结构内设有控制舱和蓄电池，所述控制舱内设有控制电路板和无线通讯模块，所述蓄电池由锂电池组成而成；控制电路板分别与无线通讯模块、电机、直线电机、伸缩电机、快接电机、机械手臂、水平推进器、竖直推进器、第一两位三通阀、第二两位三通阀以及半导体制冷/制热片电连接；控制电路板、电机、直线电机、伸缩电机、快接电机、机械手臂、水平推进器、竖直推进器、第一两位三通阀和第二两位三通阀均由电池组进行供电；所述无线通讯模块由控制电路板供电并用于与浮冰上操作人员进行通讯，以便进行姿态和作业控制，半导体制冷片由控制电路板直接供电并由控制电路板控制其工作，电机通过控制电路板控制其开关进而控制泵的开/关，直线电机用于控制热熔钻头插入和拔出冰层，伸缩电机用于开启和闭合机械抓手；快接电机用于和作业工具的快速连接；机械手臂通过控制电路板进行动作和姿态调整，水平推进器和竖直推进器用于通过控制电路板调整推力以调节取样器的水下姿态；控制电路板用于控制第一两位三通阀和第二两位三通阀进行冷热水的流量调节，从而实现冷热头和热熔钻头的温度调节。

Images