一种水下运载器搭载深海沉积物取样器申报书.docx

中国专利奖申报书（发明/实用新型）专 利 号： ZL 2015 1 0594966.7 专利名称： 一种水下运载器搭载深海沉积物取样器申报单位： 国家深海基地管理中心 推荐单位： 自然资源部 二一九年 五 月 九 日国家知识产权局制一、申报项目基本信息专专利号利号ZL 2015 1 0594966.7专专利名称利名称一种水下运载器搭载深海沉积物取样器专专利利权权人人国家深海基地管理中心发发明人明人李德威 丁忠军 杨磊 任玉刚 张奕 王向鑫 贾颖IPC 主分主分类类号号1B63C11/52通通讯讯地址地址/邮编邮编山东省青岛市即墨鳌山卫街道卫阳路 1 号266237联联系人系人 1李德威手机手机15064810615办办公公电话电话053267722150电电子子邮邮箱箱ldwndsc.org.cn联联系人系人 2丁忠军手机手机18764215938办办公公电话电话053267726609电电子子邮邮箱箱dzjndsc.org.cn推荐推荐单单位位自然资源部1 IPC 主分类号可通过国家知识产权局网站查询。二、专利质量评价材料（一）新（一）新颖颖性和性和创创造性造性： 深海沉积物是海洋沉积作用形成的海底物质，包含大量的地质、生物信息，开展深海沉积物的类型与分布、搬运与动力过程、土工特性、微生物群落等调查研究，对于深海矿产资源环境评估和后期资源开采具有重要意义。专利 CN101592562A 和CN101551303A 提出的海底沉积物取样器，需通过船舶地质绞车释放，在重力作用下触底后回收至海面，整个过程无法监控且结构复杂，扰动性强；专利CN101886987A、CN101793635A 和 CN201269821Y 都涉及沉积物取样过程中的密封性和低扰动性，但其未考虑不同底质沉积物类型差异。同时，以上技术均未考虑如何搭载载人潜水器、无人有缆潜水器等深海运载器进行作业采样，也未对恶劣海底环境原位取样，从底部到海面过程受运载器运动和涌浪影响如何无扰动密封保存样品等问题进行说明。（二）（二）实实用性用性： 本发明结构简单、操作灵活、拆装方便；操作手柄的长度能够灵活调整，适应不同地质地形；通过阻力可调的单向阀结构能够在不同海底底质获取到高质量的深海沉积物样品与原位水样；采用透明度高的 PC 材料，使操作人员能够直观地对样品进行初步评估；取样完成后在提取或保存样品前，取样管始终处于垂直位置且密封良好；分段装配方式可保证表层水样与沉积物样品始终无扰动，样品有效性高；取样管内径和长度可随时更换，互换性高。图 1. 搭载蛟龙号取样本发明所涉及的深海沉积物取样器，自 2013 年研制成功后，先后在中国大洋第31 航次、35 航次、37 航次、38 航次任务中，一百余次搭载蛟龙号载人潜水器下潜，完成中国南海、西北太平洋、东北大平洋、西南印度洋、西北印度洋等五大海域，150 余管不同海底底质环境深海沉积物原位取样，并成功地实现无扰动密封保存。图 2. 回收至甲板的样品通过搭载蛟龙号载人潜水器，本发明为我国与国际海底管理局签订的多金属结核勘探合同、南海深部科学计划、国家重点基础研究发展计划（2015CB755900）、国家重点研发计划项目深海多金属结核采矿试验工程（2016YFC0304105）、青岛海洋科学与技术国家实验室鳌山科技创新计划项目（2016ASKJ06）等国家重大项目提供了珍贵水样和沉积物样品，保证了科学家定性定量的开展深海矿产资源评估、深海微生物研究、深海地质研究。图 3. 样品处理同时，本发明在 2019 年中国大洋 52 航次第三航段中，搭载海龙号无人有缆潜水器（ROV），在印度洋龙旂、天成、天作热液区的四个站位进行下潜，获取多金属硫化物区沉积物样品十余管，再次证明该发明与深海运载器的适配性。图 4. 搭载 ROV 水下取样作业（三）文本（三）文本质质量量：1、 、发发明内容明内容一种水下运载器搭载深海沉积物取样器，包括：取样装置和存放装置；所述取样装置主要包括取样管部件和长度调节部件，取样管部件与长度调节部件之间设置有阻力调节部件；所述取样管装置活动插入存放装置内，可以实现在海底一体无干扰取样，同时保证样品保存的完整性。进一步的，所述长度调节部件包括导向螺杆，以及设置在导向螺杆上部的导向螺母，以及 T 型操作手柄,固定连接在导向螺母上方；以及与导向螺杆下方紧固连接的取样端盖，取样端盖上开有排水孔；通过长度调节和阻力调节部件使该取样器能够适用于不同水下运载器和不同深海沉积物底质。进一步的，取样管部件采用无底盖的取样管，通过螺栓与取样端盖固定连接。进一步的，在所述的取样端盖上方设置有阻力调节部件，包括止动块，固定于取样端盖上方，止动块与取样端盖之间设置有橡胶垫片；以及止动螺母，固定于导向螺母与导向螺杆之间；以及阻力调节弹簧，穿在导向螺杆上，在止动块和止动螺母之间；阻力调节部件为单向阀，将取样管与外界隔离，在水下作业时既能高效获取深海沉积物底质，又能有效保存表层水样，且不会破坏沉积物分布空间。进一步的，所述存放装置包括通过螺纹结构连接的存放筒体和底座；存放筒体下部设有可拆卸底座，可保持取样管脱离存放管部件前始终处于竖直状态，避免了样品提取和保存处理时对取样管内沉积物的扰动；以及导向端盖通过固定螺钉固定于存放筒体上部；以及密封橡胶块通过底部螺栓固定于底座上部；底座上部设有密封橡胶块，运载器由海底上浮至水面过程中，取样管与密封橡胶块能够始终紧密接触，保证样品密封储存良好。进一步的，存放筒体靠近底部开有排水孔；底座上设有固定孔。进一步的，所述导向端盖表面涂以鲜艳颜色，增加了机械手操作者取样结束后保存取样管时的位置感。2. 权力要求书1） ） 一种水下运载器搭载深海沉积物取样器，其特征在于包括：取样装置和存放装置；所述取样装置主要包括取样管部件和长度调节部件，取样管部件与长度调节部件之间设置有阻力调节部件；所述长度调节部件包括与导向螺杆（4）下方紧固连接的取样端盖（1），取样端盖（1）上开有排水孔，在所述的取样端盖（1）上方设置有阻力调节部件，所述阻力调节部件包括止动块（6），固定于取样端盖（1）上方，止动块（6）与取样端盖（1）之间设置有橡胶垫片（5）；以及止动螺母（8），固定于导向螺母（10）与导向螺杆（4）之间；以及阻力调节弹簧（7），穿在导向螺杆（4）上，在止动块（6）和止动螺母（8）之间；所述取样管装置活动插入存放装置内，所述存放装置包括通过螺纹结构连接的存放筒体（13）和底座（14）；以及导向端盖（11）通过固定螺钉（12）固定于存放筒体（13）上部；以及密封橡胶块（16）通过底部螺栓（15）固定于底座（14）上部。2） ） 按照权利要求 1 所述的一种水下运载器搭载深海沉积物取样器，其特征在于，所述长度调节部件还包括导向螺杆（4），以及设置在导向螺杆（4）上部的导向螺母（10），以及 T 型操作手柄（9）,固定连接在导向螺母（10）上方。3） ） 按照权利要求 1 所述的一种水下运载器搭载深海沉积物取样器，其特征在于，所述取样管部件采用无底盖的取样管（3），通过螺栓与取样端盖（1）固定连接。4） ） 按照权利要求 1 所述的一种水下运载器搭载深海沉积物取样器，其特征在于，存放筒体（13）靠近底部开有排水孔；底座（14）上设有固定孔。5） ） 按照权利要求 1 所述的一种水下运载器搭载深海沉积物取样器，其特征在于，所述导向端盖（11）表面涂以鲜艳颜色。图 5. 整体结构示意图图 6. 取样管整体结构示意图图 7. 存放部件结构示意图三、技术先进性评价材料（一）技（一）技术术原原创创性及重要性：性及重要性： 本本发发明属于基明属于基础础型的型的专专利，主要体利，主要体现现在：在：1、解决了深海沉、解决了深海沉积积物物样样品无品无扰动获扰动获取取无论是基于深海运载器还是基于船舶的方法，深海沉积物从取样完成到最终提取样品间隔时间较长，受载体上浮下潜影响较大。同时，由于回程距离长，回程过程中可能会遇到海水流动、海面恶劣海浪带起水流的冲刷，如何实现样品的无扰动密封和保存是深海沉积物获取的技术难题。本发明的取样装置充分考虑机械手在水下取样作业时的操作难度，在满足技术要求的前提下，尽量使用便捷可行的机构，以提高水下作业效率。通过增设样品存放装置，并在存放装置底部设有密封橡胶块，橡胶块在取样管进入后将取样管底端密封,保证沉积物样品随潜水器从深海返回过程中保存良好，不发生扰动。深海运载器在下潜时可携带多套取样装置，按照科学家的需求，在不同水深和经纬度依次取样，实现了一次下潜多次精准取样，并且随潜水器返回甲板后，样品保存完好，未收到扰动，保证了科学研究的原位性。2、解决了深海沉、解决了深海沉积积物物样样品无品无扰动扰动提取提取原位的深海沉积物样品对于研究深海微生物、深海地质，了解矿产资源、微生物资源潜力、解释深海沉积历史和地质现象演化具有重要意义。通过搭载载人潜水器获得的样品返回船舶后，如果提取方法不当，将导致样品损失和扰动，造成浪费，而再次下潜的成本巨大，因此如何从获取样品中无扰动的提取样品也是沉积物取样器的技术难题。本发明设计了由螺纹结构连接的存放筒体和底座（橡胶块），提取样品时可将存放筒体与底座分离，保持取样管竖直，采用原位水样和沉积物分别提取的方式：原位水样用针管从取样端盖上方抽取、水样下方的沉积物通过将外筒底座螺旋完全拆除的方式、使沉积物可以不受扰动的取出，将最大限度的保证深海原位水样和沉积物不受扰动的提取，利于后期的科研试验。3、解决了不同海底底、解决了不同海底底质质取取样样在本发明中阻力调节部件具有两个功能:是可以根据不同沉积物的质地软硬进行调节，如沉积物底质较硬，则调小弹簧阻力；如沉积物底质较软，则增大弹簧阻力，提高采样效率；将取样管内的密封形成负压。本发明充分考虑了深海水样和沉积物样品的珍贵，设置阻力调节部件，一方面可以提高取样效率，另一方面在弹簧阻力下，实现了取样管内顶部的密封，采样之后也可以迅速恢复密封并保持取样管内水样与沉积物样品不与外界发生交换，取得原位样品。 （二）技（二）技术优势术优势： ： 本发明从深海恶劣环境原位取样过程出发、在下潜、取样、样品回收等多个步骤，以及各个步骤之间的衔接、经过全面的创造性的思考、成功实现搭载潜水器的海底沉积物取样。与现有同类沉积物取样器相比，本发明具有以下优势：1、体积小，结构简单，便于操作，充分考虑了五功能和七功能机械手操作性，搭载载人潜水器和无人有缆潜水器进入深海后，可实现深海沉积物和水样的无扰动取样、保存与提取，极大提高了运载器的作业效率。2、使用通用的工业材料，加工制造成本低；单次下潜可搭载多套取样器，根据科学家要求，精准的进行取样操作，并完整保存，降低了运载器的下潜成本，同时改变了以往船载多管沉积物取样器的盲目性和未知性。3、密封性好，互换性强，实现了沉积物深海取样保存和实验室样品提取的无扰动性，且操作步骤简单，所获取的样品可根据需求进行现场精确分割提取，或直接拆除取样管无扰动整体保存，极大改善了船载实验设施条件不足，样品必须及时处理的问题，提升了样品后期处理分析品质。（三）技（三）技术术通用性：通用性： 本发明结构简单、采样原理科学合理，在设计时充分结合实际使用过程中遇到的问题，以及水下操作实际的情况。本发明已在深海矿产资源勘探、深海科学研究领域中成功使用，先后搭载蛟龙号载人潜水器在中国大洋 31 航次、35 航次、37 航次、38航次中成功下潜取样百余次，获得样品 150 余管，已成为蛟龙号载人潜水器配套的必要作业工具。同时，2019 年在中国大洋 52 航次第三航段中，搭载海龙号无人有缆潜水器，在印度洋龙旂、天成、天作热液区的四个站位进行下潜，获取多金属硫化物区沉积物样品十余管。以上实际应用的成功，充分验证了本发明与深海载人潜水器和深海无人有缆潜水器的配套搭载的通用性。未来本发明还可以搭载浅水载人潜水器、多功能符合潜水器下潜作业，也能够在近岸湖泊沉积物研究中进行应用。四、运用及保护措施和成效评价材料（一）（一）（一）专专利运用：利运用： 本发明自设计完成后，经陆上测试、水池试验，立即投入中国大洋航次任务，搭载蛟龙号下潜作业，提高其作业效率。专利使用过程中，中国大洋样品管、自然资源部第三海洋研究所等单位先后委托对专利部分技术内容进行修改完善，以满足其使用要求。同时，为提高无人有缆潜水器（ROV）作业效率，专利权人也对专利进行了适应性改进，协助其完成大洋 52 航次任务。（二）（二）专专利保利保护护： ： 本发明专利在实施运用过程中，得到了科学家用户和潜水器操作员好评，也得到了不少改进建议。为此，专利权人在本发明基础上设计制造了一种运载器搭载多管沉积物取样器装置，进一步缩短了水下取样作业时间，减少了作业成本，准备申请系列专利。（三）制度建（三）制度建设设及条件保障和及条件保障和执执行情况行情况： 专利权人国家深海基地管理中心在本专利和其他一系列作业工具专利基础上，为提高专利运用的安全性、可靠性，制定了蛟龙号载人潜水器搭载作业工具备航实施办法、 蛟龙号载人潜水器搭载作业工具操作规程等有关制度文件，并通过深海中心的超高压模拟试验装置、机电加工车间、试验水池、总装车间等基础设施保障专利实施。在此基础上，专利权人申请了国家海洋行业推荐性标准载人潜水器作业工具技术要求,并获得批复（HY/T226-2017）。运用及保护措施和成效评价材料（二）（四）（四）经济经济效益效益自行自行实实施情况施情况时 间项 目实施日至 2018 年底2017 年初至 2018 年底产量新增销售额（万元）新增利润（万元）新增出口额（万元）经济效益说明（或列表）：（500 字以内）本发明所设计的深海沉积物取样器，自 2013 年研制成功后，先后一百余次搭载蛟 龙号载人潜水器下潜，完成 150 余管不同海底底质环境深海沉积物原位取样，并成功 地实现无扰动密封保存，为国家重点我国与国际海底管理局签订的多金属结核勘探合 同、南海深部科学计划、国家重点基础研究发展计划、国家重点研发计划项目、青岛海 洋科学与技术国家实验室鳌山科技创新计划项目等国家重大项目提供了大量珍贵水样 和沉积物样品，经济效益显著。专专利利许许可情况可情况（可加行）被许可单位许可金额（万元）至 2018 年底许可收入（万元）许可种类2是否进行许可合同备案合计（万元）专专利出利出资资情况情况（可加行）单位名称出资金额（万元）合计（万元）2 许可种类填写独占许可、排他许可、普通许可等。专专利融利融资资情况情况（可加行）单位名称融资金额（万元）合计（万元）五、社会效益及发展前景评价材料（一）社会效益状况（一）社会效益状况： 本发明所设计的深海沉积物取样器，自 2013 年研制成功后，先后一百余次搭载蛟龙号载人潜水器下潜，完成 150 余管不同海底底质环境深海沉积物原位取样，并成功地实现无扰动密封保存。通过协助履行中国大洋矿产资源研究开发协会“十二五”规划和南海深部科学计划等项目，为我国深海矿产资源勘探、评估和未来开发等保障国家深海安全的活动提供了技术支持。通过协助履行国家重点基础研究发展计划、国家重点研发计划项目等项目，为了解掌握深海微生物、深海底质等分布、演化等科学问题，以及未来实施生物资源开发、地质灾害预报等提供了技术支持。（二）行（二）行业业影响力状况影响力状况：本发明的实施，实现了一种可搭载深海运载器获取沉积物样品和水样的功能，极大提高了运载器的作业效率，降低了作业成本，对于以运载器为基础的深海作业工具系统的丰富和完善起到了促进作用，对于深海作业工具的小型化、原位化起到了带动作用。（三）政策适（三）政策适应应性性： 本发明属于国家政策明确鼓励、支持项目。2015 年 7 月 1 日起实施的中华人民共和国国家安全法第三十二条，明确提出“国家坚持和平探索和利用外层空间、国际海底区域和极地，增强安全进出、科学考察、开发利用的能力，加强国际合作，维护我国在外层空间、国际海底区域和极地的活动、资产和其他利益的安全。 ”；2016 年 5 月 1日起实施的深海海底区域资源勘探开发法，明确将“深海”列为 4 大战略新疆域之一，并将深海安全作为国家安全的重要组成部分；国家中长期科学和技术发展规划纲要提出：“重点研究大深度水下运载技术、生命维持系统技术、高比能量动力装置技术、高保真采样和信息远程传输技术，深海作业装备制造技术和深海空间站技术”。六、获奖情况获奖获奖情况情况：简要列出参评专利何时何地获何种等级的奖励及其颁奖单位等情况（500 字以内）。无。