CN114320150A - 便携式具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置，它包括热融钻孔模块、影像探测模块、回收热融扩孔模块和电源模块。热融钻孔模块位于装置的最下端，通过热融方式实现冰川内部向下钻孔；回收热融扩孔模块位于装置的最上端，通过热融方式实现装置的向上回收；影像探测模块位于装置的中间位置，与热融钻孔模块和回收热融扩孔模块联动，实时探测冰川内部结构。本发明整体为一圆柱体，其两端与冰川接触面为圆弧形。本发明不仅能够实现冰川内部钻孔，在钻孔的同时实时探测冰川内部结构，且能够在完成作业后整体提升回收。本发明功能强大、便于携带、制造成本低，性能稳定、工作效率高，特别适于在青藏高原等高海拔冰川地区野外科研作业。

Description

便携式具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置

技术领域

本发明涉及一种便携式的用于冰川钻孔及冰体内部结构探测的装置。本发明属于冰川勘测技术领域。

背景技术

气候变暖导致全球冰川加速消融已是不争的事实，尤其是在中低纬度人类聚集地周边高寒区，冰川快速变化引起的连锁生态环境问题愈发突出。青藏高原是地球上除南、北极外冰川分布最广泛的地区，被称为“亚洲水塔”，受全球气候变暖影响，青藏高原冰川整体在加速消融，其内部冰体温度整体呈逐步升高的趋势，然而，不同类型冰川内部的冰体温度对外界升温的响应敏感度和冰体结构变化的特征却存在区域和点位的差异，不同位置的冰川，其冰温和结构变化与外界的温度呈非线性关系，导致不同区域冰川的赋存和变化状态产生差异。因此，要准确预估冰川未来变化趋势，以及对人类生存环境、生态环境的影响需要大量冰川内部不同深度处冰体温度、结构的探测数据支撑。

然而，受冰川内部钻孔及深部冰体结构勘测技术有限的制约，目前我国对不同山地冰川内部不同深度处的冰体温度、内部结构数据的掌握还很少，严重地制约了我国对冰川与气候变化机理的深度研究。

目前我国对不同地区冰川开展冰体内部结构探测的方法主要有两种：一种是借助蒸汽式钻孔装置和外置的探测探头进行冰川内部结构探测。蒸汽式钻孔装置主要是利用燃气或燃油等燃料燃烧产生的热量，将容器内的水加热成蒸汽后蓄压，之后再通过特定的导汽管导出，融化导汽管顶部接触的冰体，实现冰川内部钻孔；钻孔后，在冰孔内布设探头，实施不同层位冰温、结构的观测。

第二种是附属类支撑技术，即利用冰川冰芯钻取装置，在其完成冰芯样品取样主要任务后，在留下的钻孔内布设探头，实现冰体温度、内部结构等信息的探测。这种方法主要是依托不同类型的冰芯钻取设备，在取出冰川内部冰芯后，利用其剩余的冰孔来布设探头进行观测。

第一种方法实际应用后发现，蒸汽式钻孔装置由于受水蒸汽在导汽管中传输距离的影响，导汽管在冰体内部下伸越长、蒸汽传输距离越远，出气口的蒸汽温度就越低，难以实现深度钻孔。目前该装置能够实现的冰体钻孔深度一般不超过15米，平均下钻速度低于每秒1mm，常用于冰川浅层冰体的钻孔；另外，该装置燃料燃烧时还会产生一定污染，故，这种方法难以满足极高海拔山地冰川深部、快速、高效作业的需求。

第二种方法利用深冰芯钻取装置开展深冰孔钻取，虽然深度深，但是设备昂贵(通常的深钻设备造价均超过30万)、装置重量重(整个装置重量超过150Kg)、体积大(整个装置需分拆成多个模块需要多次搬运)，需要多人进行钻取操作。另外，设备钻取过程中需要持续交流用电，发电机发电会产生一定污染，不能作为极高海拔山地冰川区高效钻孔、冰川内部结构观测作业的首选。

更为重要的是，上述两种方法其主要目的是实现冰川钻孔、冰芯取样，为探测冰体内部的结构，仍需要钻孔后，在冰孔内再单独布设探测装置。其弊端是：1、在钻孔的同时，不能实时探测冰体内部的结构信息，获取的信息不同步、不及时、不准确；2、由于冰孔的再次结冰导致布设在冰孔内的探测装置/探头回收困难。

这些问题均制约了我国冰川科研人员对冰体内部冰温、层位结构等方面的深入研究。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种适用于高海拔冰川地区野外作业的、同时具有冰川内部钻孔及冰体内部结构探测功能的装置。该装置便于携带、性能稳定、对自然环境无污染、工作效率高、钻取深度深，且在钻孔的同时可实时探测冰体内部结构。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种便携式具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置，它包括热融钻孔模块、影像探测模块、回收热融扩孔模块和电源模块；

所述热融钻孔模块位于装置的最下端，通过热融方式实现冰川内部向下钻孔；

所述回收热融扩孔模块位于装置的最上端，通过热融方式实现装置的向上回收；

所述影像探测模块位于装置的中间位置，与所述热融钻孔模块和所述回收热融扩孔模块联动，实时探测冰川内部结构；

所述热融钻孔模块、影像探测模块和回收热融扩孔模块彼此连接形成一圆柱体，所述热融钻孔模块和所述回收热融扩孔模块与冰川接触面为圆弧形。

在本发明较佳实施例中，所述热融钻孔模块由圆柱形前快速导热腔体、若干组发热棒和前隔热密封盖构成；所述前快速导热腔体由金属材料制成，其前部为实心金属体，后部为空心腔体；所述发热棒内嵌在所述前快速导热腔体的前部内；所述前隔热密封盖固定在所述前快速导热腔体的尾部，由绝缘的耐高温材料制成，其上开有若干个用于穿设线缆的电线通孔。

在本发明较佳实施例中，所述回收热融扩孔模块由圆柱形后快速导热腔体、若干组发热棒和后隔热密封盖构成；所述后快速导热腔体由金属材料制成，其前部为空心腔体，后部为实心金属体；所述发热棒内嵌在所述后快速导热腔体的后部内；所述后隔热密封盖固定在所述后快速导热腔体的前端，由绝缘的耐高温材料制成，其上开有若干个用于穿设线缆的电线通孔。

在本发明较佳实施例中，所述发热棒的外表面由金属导热材料制成，其内部为通电即发热、耐干烧、可快速发热至150℃以上的电阻丝，二者之间为导热绝缘层。

在本发明较佳实施例中，所述前快速导热腔体和所述后快速导热腔体由紫铜材料制成。

在本发明较佳实施例中，所述前隔热密封盖和所述后隔热密封盖由耐高温的聚乙烯四氟材料制成；所述前隔热密封盖与所述前快速导热腔体通过螺钉紧固，两者之间的连接缝隙处涂抹有耐高温密封脂；所述后隔热密封盖与所述后快速导热腔体通过螺钉紧固，两者之间的连接缝隙处涂抹有耐高温密封脂。

在本发明较佳实施例中，沿所述后快速导热腔体的中心轴线开有一通孔，为所述发热棒供电的线缆自该通孔穿设；所述通孔的内部、所述前隔热密封盖上的电线通孔的内部和所述后隔热密封盖上的电线通孔的内部均布设有一层耐高温的隔热棉。

在本发明较佳实施例中，所述影像探测模块由圆柱形透明壳体、LED灯和高清摄像头构成；所述透明壳体由耐磨的亚克力有机玻璃制成，其两端分别与所述热融钻孔模块和所述回收热融扩孔模块不发热端紧固连接；所述高清摄像头和所述LED灯固定在所述透明壳体的内壁上；所述LED灯为可充电自供电式LED灯；所述高清摄像头为一可充电自供电式微型高清摄像头。

在本发明较佳实施例中，在所述高清摄像头的对面，所述透明壳体外壁上刻有刻度线；为所述发热棒供电的线缆为抗拉拽输电线缆，其外表皮为特氟龙抗拉材质，其外表皮上标有尺寸刻度。

在本发明较佳实施例中，所述电源模块包括两块耐低温、耐低压可充电锂电池和一块太阳能电池板；所述锂电池可在-40℃、0.5个大气压下，稳定提供超过2小时的110V 直流电源，两块电池交替供电；所述太阳能电池板在现场为所述锂电池充电。

本发明的优点：

1、本发明采用双热融钻头设计，既能实现冰川内部向下钻孔，又能在装置向上回收时融化冰孔内部重新冻结的冰体，确保装置安全回收。

2、本发明在双热融钻头之间设计有自供电高清探测摄像头，在实现冰川内部向下钻孔和向上回收过程中，能够通过摄影头实时探测不同层位冰体的内部结构，并记录相关影像数据，为冰川物理结构研究提供可靠的准确数据支撑。

3、本发明结构简单、轻快便携、操作方便，更重要的是本发明清洁环保，对冰川无污染。整个装置采用高集成度小型化设计，其体积和重量都限定在单人次搬运的范围内，适于在青藏高原等高海拔冰川区开展冰川内部快速钻孔及冰体结构探测工作。

4、本发明采用全密封设计防水防潮，可有效应对冰体融化后冰孔内的水体渗入装置内部，造成装置不能正常工作的问题。

5、本发明造价低，整个装置总造价低于2.5万元，具有实用价值。

附图说明

图1是本发明的分解结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是图1的C-C剖视图；

图5是图1的D-D剖视图；

图6是图1的E-E剖视图；

图7是图1的F-F剖视图；

图8是图1的G-G剖视图；

图9是本发明控制开关俯视图；

图10是本发明电源模块组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。

如图1所示，本发明提供的具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置包括热融钻孔模块1、影像探测模块2、回收热融扩孔模块3、控制开关4和电源模块5。热融钻孔模块1位于装置的最下端，实现冰川内部向下钻孔；回收热融扩孔模块3位于装置的最上端，实现装置的回收；热融钻孔模块1、影像探测模块2和回收热融扩孔模块3彼此连接形成一圆柱体，完成冰川钻孔及冰川内部结构同步探测的目的。

如图1、图2、图3所示，所述热融钻孔模块1由圆柱形前快速导热腔体11、若干组发热棒12和前隔热密封盖13构成。前快速导热腔体11由金属材料制成，其前部为实心金属体，后部为空心腔体，其前端与冰川接触面为圆弧形。发热棒12内嵌在前快速导热腔体11的前部，每组发热棒的外表面由金属导热材料制成，其内部为通电即发热、耐干烧电阻丝，二者之间为导热绝缘层。前隔热密封盖13固定在前快速导热腔体11的尾部，由绝缘的耐高温材料制成，其上开有若干个电线通孔131，用于穿设线缆6，为发热棒12供电。

在本发明较佳实施例中，所述前快速导热腔体11由紫铜材料制成，具有导热快、坚硬、耐腐蚀的特性。前快速导热腔体11内固定有3组最大功率为350W的发热棒，每组发热棒的外表面由不锈钢材料制成，其内部的电阻丝通电后能够快速发热至150℃以上并持续工作。前隔热密封盖13由耐高温的聚乙烯四氟材料制成，其上开有6个电线通孔，用于穿设线缆为3组发热棒供电。

在本发明较佳实施例中，发热棒12通电后产生热量，热量通过紫铜材质的前快速导热腔体11，快速传导到外部所接触冰体中，不断融化所接触的冰体，在冰川内部融冰下钻的速度可达每秒3mm。由于快速导热腔体11的前端部与冰体接触部位采用圆弧形设计，增大了热融钻孔模块1与冰川的导热面积，从而，提升融冰效率。

另外，本发明热融钻孔模块1还通过前快速导热腔体尾部的前隔热密封盖13实现隔热和密封的目的，前隔热密封盖13与前快速导热腔体11之间通过螺丝紧固，且在两者之间涂抹耐高温真空密封脂进行密封连接。

如图1、图4、图5所示，所述影像探测模块2由圆柱形透明壳体21、LED灯22和高清摄像头23构成。透明壳体21由耐磨的亚克力有机玻璃制成，其两端分别与热融钻孔模块1和回收热融扩孔模块3不发热端通过螺钉紧固。透明壳体21的内壁上设有卡托 24，高清摄像头23和LED灯固定在卡托24上。为观察冰川内部结构需要，在高清摄像头23的对面、透明壳体外壁上刻有刻度线，刻度线最小标线间距为5mm，用于记录不同深度不同性质冰层的具体厚度数据。

在本发明较佳实施例中，所述高清摄像头23为一可充电自供电式微型高清摄像头，其可在自身内部电池供电下长时间使用，其拍摄距离在10-30mm范围，随着热融钻孔模块不断下钻开孔，实时记录所在位置处冰体内部结构信息。所述LED灯为可充电自供电式LED灯，在下钻和回收过程中用于冰孔内照明。

本发明最大的优点是在装置下放到冰川内预定深度，工作一段时间后，可自如地安全回收。如图1、图6、图7所示，本发明还包括一回收热融扩孔模块3，用于将冰孔壁上重新冻结的冰体融化，防止装置被卡堵在冰孔内部，确保装置能够顺利从冰体内部回收。回收热融扩孔模块3由圆柱形后快速导热腔体31、若干组发热棒32和后隔热密封盖33构成。后快速导热腔体31为圆柱形，它由金属材料制成，其前部为空心腔体，后部为实心金属体，其后端与冰川接触面为圆弧形。

发热棒32内嵌在后快速导热腔体31的后部分内。发热棒32的结构与内嵌在前快速导热腔体前部的发热棒12的结构相同。

后隔热密封盖33固定在后快速导热腔体31的前端，其结构与前隔热密封盖13相同。在本发明较佳实施例中，后隔热密封盖33与后快速导热腔体31通过螺钉紧固，两者之间的连接缝隙处涂抹有耐高温密封脂。

在本发明较佳实施例中，回收热融扩孔模块3包括有两组发热棒32，发热棒通电后，能够快速升温到150℃以上，其产生的热量通过紫铜材料制成的具有快速导热特性的快速导热腔体31传导到外部所接触冰体中，融化装置回收过程中冰孔壁上重新冻结的冰体，保证装置能够顺利从冰体内部回收。

如图1、图6所示，由于后快速导热腔体31的后部为实心金属体，为给发热棒32 和前快速导热腔体内的发热棒12供电，后快速导热腔体31的后部沿中心轴线开有一通孔311，线缆6自该通孔311穿设。为防止线缆6表皮过热融化，通孔311的内部布设有一层耐高温的隔热棉312。

为防止本发明在下钻冰川及回收时，线缆6滑脱，如图1、图8所示，本发明还包括有一线缆卡线盖7，线缆卡线盖7为外螺纹设计，后快速导热腔体后部通孔311的端部为内螺纹设计，线缆7穿设于通孔311内后，线缆卡线盖7通过螺旋方式与后快速导热腔体31紧固并用顶丝进一步固定，防止旋转过程中线缆6滑脱。

如图9所示，控制开关4为一三路切换开关，其通过线缆将电源模块5与发热棒12和32相连，为其供电。当控制开关处于中间位置时，整个装置处于无电关闭不工作状态，当其处于左侧位置时，热融钻孔模块1开始工作，回收热融扩孔模块3不工作，实现冰川内部冰体下融和钻孔；当控制开关处于右侧位置时，回收热融扩孔模块3工作，热融钻孔模块1不工作，在装置从冰体内上提回收过程中，融化清除冰孔内壁开孔后重新形成的冰体，保证冰孔完整性和整个装置能安全回收。

如图10所示，本发明电源模块5包括两块耐低温、耐低压可充电锂电池51和一块太阳能电池板52。每块锂电池均能够在-40℃、0.5个大气压下，稳定提供超过2小时的 110V直流电源，两块电池交替供电。太阳能电池板52能够在现场为锂电池51充电。

本发明选用的线缆6为抗拉拽输电线缆，其外表皮为特氟龙抗拉材质，并以20cm为一格标有尺寸刻度，用于记录下钻的深度；其内芯为3根导电线，1根为热融钻孔模块、回收热融扩孔模块通电回路的共享输入电线，另外两根分别作为热融钻孔模块和回收热融扩孔模块通电回路独享的输出电线。线缆6穿过卡线盖7后，其位于卡线盖的上、下部位分别增加2个小的不锈钢材质紧箍圈并拧紧，用于固定线缆的位置并承受热融钻孔模块、影像探测模块和回收热融扩孔模块的重量。

基于团队长期冰川冰芯钻取经验，下钻装置整体长度为55cm左右便于较好的维持钻孔垂直度，故，本发明热融钻孔模块的长度为12cm，直径为7cm；影像探测模块的长度为27cm，直径为7cm；回收热融扩孔模块的长度为16cm，直径为7cm，整体总长度约为 55cm。

另外，在高海拔缺氧情况下普通队员攀登冰川一次负重量为8Kg，为适用于高海拔缺氧环境作业，本发明下钻、摄像和回收部分的总重量约8Kg，非下钻支撑模块如线缆、控制开关、电源模块总重量约为20Kg。

本发明开始在冰川表面向下热融钻孔时，第一钻需由人工手扶辅助保持其垂直状态，保证初始的冰孔垂直度；待整个装置没入冰体后，操作人员通过连接线缆给予整个装置一定的垂直提拉力，使其尽量保持垂直状态；热融钻孔模块在其自身及上部影像探测模块和回收热融扩孔模块的重力作用下，不断垂直向下融化冰川内部的冰体，实现冰川深部钻孔作业。本发明热融钻孔模块向下钻孔和回收热融扩孔模块向上热融冰孔内重新冻结的冰体时，耐低温锂电池组更换持续为发热棒供电，发热棒维持150℃的发热做功，融化模块所接触的冰体。

本发明不仅能够实现冰川内部钻孔，在钻孔的同时实时探测冰川内部结构，而且，能够在完成作业后整体提升回收。本发明功能强大、便于携带、制造成本低，性能稳定、工作效率高，特别适于在青藏高原等高海拔冰川地区野外科研作业。对不同类型、同一类型不同区域冰川内部变化过程和机理的研究，预估冰川未来变化趋势，具有深远的意义。

最后应说明的是，以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种便携式具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置，其特征在于：它包括热融钻孔模块、影像探测模块、回收热融扩孔模块和电源模块；

所述热融钻孔模块位于装置的最下端，通过热融方式实现冰川内部向下钻孔；

所述回收热融扩孔模块位于装置的最上端，通过热融方式实现装置的向上回收；

所述影像探测模块位于装置的中间位置，与所述热融钻孔模块和所述回收热融扩孔模块联动，实时探测冰川内部结构；

所述热融钻孔模块、影像探测模块和回收热融扩孔模块彼此连接形成一圆柱体，所述热融钻孔模块和所述回收热融扩孔模块与冰川接触面为圆弧形。

2.根据权利要求1所述的便携式具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置，其特征在于：所述热融钻孔模块由圆柱形前快速导热腔体、若干组发热棒和前隔热密封盖构成；

所述前快速导热腔体由金属材料制成，其前部为实心金属体，后部为空心腔体；

所述发热棒内嵌在所述前快速导热腔体的前部内；

所述前隔热密封盖固定在所述前快速导热腔体的尾部，由绝缘的耐高温材料制成，其上开有若干个用于穿设线缆的电线通孔。

3.根据权利要求2所述的便携式具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置，其特征在于：所述回收热融扩孔模块由圆柱形后快速导热腔体、若干组发热棒和后隔热密封盖构成；

所述后快速导热腔体由金属材料制成，其前部为空心腔体，后部为实心金属体；

所述发热棒内嵌在所述后快速导热腔体的后部内；

所述后隔热密封盖固定在所述后快速导热腔体的前端，由绝缘的耐高温材料制成，其上开有若干个用于穿设线缆的电线通孔。

4.根据权利要求2或3所述的便携式具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置，其特征在于：所述发热棒的外表面由金属导热材料制成，其内部为通电即发热、耐干烧、可快速发热至150℃以上的电阻丝，二者之间为导热绝缘层。

5.根据权利要求2或3所述的便携式具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置，其特征在于：所述前快速导热腔体和所述后快速导热腔体由紫铜材料制成。

6.根据权利要求2或3所述的便携式具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置，其特征在于：所述前隔热密封盖和所述后隔热密封盖由耐高温的聚乙烯四氟材料制成；

所述前隔热密封盖与所述前快速导热腔体通过螺钉紧固，两者之间的连接缝隙处涂抹有耐高温密封脂；

所述后隔热密封盖与所述后快速导热腔体通过螺钉紧固，两者之间的连接缝隙处涂抹有耐高温密封脂。

7.根据权利要求3所述的便携式具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置，其特征在于：沿所述后快速导热腔体的中心轴线开有一通孔，为所述发热棒供电的线缆自该通孔穿设；

所述通孔的内部、所述前隔热密封盖上的电线通孔的内部和所述后隔热密封盖上的电线通孔的内部均布设有一层耐高温的隔热棉。

8.根据权利要求1-3之一所述的便携式具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置，其特征在于：所述影像探测模块由圆柱形透明壳体、LED灯和高清摄像头构成；

所述透明壳体由耐磨的亚克力有机玻璃制成，其两端分别与所述热融钻孔模块和所述回收热融扩孔模块不发热端紧固连接；

所述高清摄像头和所述LED灯固定在所述透明壳体的内壁上；

所述LED灯为可充电自供电式LED灯；

所述高清摄像头为一可充电自供电式微型高清摄像头。

9.根据权利要求8所述的便携式具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置，其特征在于：在所述高清摄像头的对面，所述透明壳体外壁上刻有刻度线；

为所述发热棒供电的线缆为抗拉拽输电线缆，其外表皮为特氟龙抗拉材质，其外表皮上标有尺寸刻度。

10.根据权利要求9所述的便携式具有冰川钻孔及冰体内部结构探测功能的装置，其特征在于：所述电源模块包括两块耐低温、耐低压可充电锂电池和一块太阳能电池板；

所述锂电池可在-40℃、0.5个大气压下，稳定提供超过2小时的110V直流电源，两块电池交替供电；所述太阳能电池板在现场为所述锂电池充电。

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