一种等离子体冰层钻头

本发明属于钻孔设备，具体涉及一种等离子体冰层钻头。

背景技术：

1、极地冰盖是全球系统重要的组成部分，约占全球陆地面积的10％，其主要成分除了水外还有溶于其中的化学物质、固体尘埃颗粒以及气体。获取极地冰心，对古气候变化研究、未来气候变化预测以及环境变迁分析研究意义重大。在极地进行快速钻孔，在孔内安装各种监测仪器，对研究极地冰盖的运动和变化、冰盖底部温度压力环境及地磁特性等亦具有重要意义。

2、目前使用的蒸汽钻机为火管式蒸汽钻机，存在装置笨重、体积大、加热时间长、热效率低、对冰川环境污染较大、且存在一定地安全隐患，限制了其使用的场合和范围，同时极大的限制了高海拔区域的相关科研工作。

3、专利号为cn111255375a的中国发明专利公开了一种等离子体冰层钻头，通过高温高压等离子体将冰层击碎并融化，以达到钻孔的目的，但是该发明直接将电极布置在钻头的底端，在钻头取芯后重复下探或者钻孔过程中钻头经常会与冰层发生碰撞，致使电极发生变形或者损坏，降低了电极的使用寿命。

4、因此，如何提供一种能够对电极形成有效保护的等离子体冰层钻头，成为本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种等离子体冰层钻头，本发明通过设置可伸缩的电极结构，避免电极损坏，同时吸水机构能够及时将冰层融化的水吸走，避免海水浸泡腐蚀电极或造成电极短路。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种等离子体冰层钻头，包括壳体和钻孔机构，所述钻孔机构设置在壳体的底端，所述钻孔机构包括钻头壳体、驱动机构、电极盘、喷水机构和吸水机构，所述驱动机构安装在钻头壳体内部的顶端，所述驱动机构的伸缩杆与电极盘驱动连接，所述电极盘的表面环形设置有第一排圆柱型凸起和第二排圆柱型凸起，所述钻头壳体对应设置有导向孔，所述导向孔之间设置有电弧导向槽，所述喷水机构设置在第一排圆柱型凸起和第二排圆柱型凸起之间，所述第一排圆柱型凸起的顶端设置有高压电极，所述第二排圆柱型凸起的顶端设置有接地电极，所述吸水机构设置在钻头壳体中。

3、进一步的，还包括泵水机构，所述泵水机构安装在壳体的内部，所述喷水机构、吸水机构均与泵水机构相连通，用于为钻孔机构输送供其电离的水和抽取冰层融化形成的水。

4、进一步的，所述喷水机构包括导向管、密封头和第一压缩弹簧，所述导向管设置在第一排圆柱型凸起和第二排圆柱型凸起之间，所述导向管与泵水机构相连通，所述密封头设置在导向管的顶端，所述密封头与导向管相连通，所述钻头壳体对应设置有导水腔，所述导水腔的顶端设置有雾化槽，所述导向管滑动限制在导水腔中，所述第一压缩弹簧设置在密封头与导水腔之间，并分别与密封头、导水腔相抵触。

5、进一步的，所述吸水机构包括吸水管、连接块和第二压缩弹簧，所述连接块滑动限制在钻头壳体中，所述连接块的一端连接有吸水管，所述吸水管与泵水机构相连通，所述连接块的另一端设置有第二压缩弹簧。

6、进一步的，所述吸水机构还包括楔形伸缩块、拨动块和楔形挡块，所述楔形伸缩块设置在连接块的一侧，所述钻头壳体对应楔形伸缩块纵向设置有滑槽，所述拨动块设置在电极盘上，用于拨动楔形伸缩块，所述楔形挡块设置在钻头壳体滑槽的顶端。

7、进一步的，所述楔形伸缩块包括第三压缩弹簧、楔形块，所述连接块中设置有限位槽，所述楔形块滑动设置在限位槽中，所述第三压缩弹簧设置在限位槽中，抵靠在楔形块上。

8、进一步的，所述钻孔机构还包括电气结构，所述电气结构与壳体固定连接，用于将高压脉冲电流输送至电极盘。

9、进一步的，所述钻头壳体内部为空心圆柱，空心圆柱内径设置有冰芯卡断器，用于卡断空心圆柱内的冰芯。

10、进一步的，还包括液位传感器，液位传感器设置在壳体靠近冰面一端，用于监测等离子体冰层钻头浸入水深。

11、进一步的，还包括出水舱，所述出水舱设置在壳体内部，储水舱外围设置有加热电阻丝，用于避免储水舱的水结冰。

12、本发明的有益效果为：

13、1.本发明通过将电极可伸缩的设置在钻头壳体内部，避免了等离子体钻头的电极在取芯后反复下探或冰层钻孔过程中与冰层发生磕碰，对电极起到了很好的保护效果，提高了电极的使用寿命；

14、2.本发明的吸水管能够在电极融冰时伸出，并紧紧抵靠在冰层表面，第一时间完成吸水，避免钻孔处积水过多导致的电极短路，又能够在吸水机构不使用时收缩回钻头壳体内部，避免钻头反复下探或者钻孔时由于碰撞导致吸水管折损；

15、3.本发明的吸水管能够在钻头下探检测到积水时伸出，并在第二压缩弹簧的作用下伸至最长，避免电极在钻头内部受到海水浸泡腐蚀，变相提高了电极的使用寿命。

技术特征：

1.一种等离子体冰层钻头，其特征在于，包括壳体和钻孔机构，所述钻孔机构设置在壳体的底端，所述钻孔机构包括钻头壳体、驱动机构、电极盘、喷水机构和吸水机构，所述驱动机构安装在钻头壳体内部的顶端，所述驱动机构的伸缩杆与电极盘驱动连接，所述电极盘的表面环形设置有第一排圆柱型凸起和第二排圆柱型凸起，所述钻头壳体对应设置有导向孔，所述导向孔之间设置有电弧导向槽，所述喷水机构设置在第一排圆柱型凸起和第二排圆柱型凸起之间，所述第一排圆柱型凸起的顶端设置有高压电极，所述第二排圆柱型凸起的顶端设置有接地电极，所述吸水机构设置在钻头壳体中。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体冰层钻头，其特征在于，还包括泵水机构，所述泵水机构安装在壳体的内部，所述喷水机构、吸水机构均与泵水机构相连通，用于为钻孔机构输送供其电离的水和抽取冰层融化形成的水。

3.根据权利要求2所述的一种等离子体冰层钻头，其特征在于，所述喷水机构包括导向管、密封头和第一压缩弹簧，所述导向管设置在第一排圆柱型凸起和第二排圆柱型凸起之间，所述导向管与泵水机构相连通，所述密封头设置在导向管的顶端，所述密封头与导向管相连通，所述钻头壳体对应设置有导水腔，所述导水腔的顶端设置有雾化槽，所述导向管滑动限制在导水腔中，所述第一压缩弹簧设置在密封头与导水腔之间，并分别与密封头、导水腔相抵触。

4.根据权利要求2所述的一种等离子体冰层钻头，其特征在于，所述吸水机构包括吸水管、连接块和第二压缩弹簧，所述连接块滑动限制在钻头壳体中，所述连接块的一端连接有吸水管，所述吸水管与泵水机构相连通，所述连接块的另一端设置有第二压缩弹簧。

5.根据权利要求4所述的一种等离子体冰层钻头，其特征在于，所述吸水机构还包括楔形伸缩块、拨动块和楔形挡块，所述楔形伸缩块设置在连接块的一侧，所述钻头壳体对应楔形伸缩块纵向设置有滑槽，所述拨动块设置在电极盘上，用于拨动楔形伸缩块，所述楔形挡块设置在钻头壳体滑槽的顶端。

6.根据权利要求5所述的一种等离子体冰层钻头，其特征在于，所述楔形伸缩块包括第三压缩弹簧、楔形块，所述连接块中设置有限位槽，所述楔形块滑动设置在限位槽中，所述第三压缩弹簧设置在限位槽中，抵靠在楔形块上。

7.根据权利要求1所述的一种等离子体冰层钻头，其特征在于，所述钻孔机构还包括电气结构，所述电气结构与壳体固定连接，用于将高压脉冲电流输送至电极盘。

8.根据权利要求2所述的一种等离子体冰层钻头，其特征在于，所述钻头壳体内部为空心圆柱，空心圆柱内径设置有冰芯卡断器，用于卡断空心圆柱内的冰芯。

9.根据权利要求1所述的一种等离子体冰层钻头，其特征在于，还包括液位传感器，液位传感器设置在壳体靠近冰面一端，用于监测等离子体冰层钻头浸入水深。

10.根据权利要求1所述的一种等离子体冰层钻头，其特征在于，还包括出水舱，所述出水舱设置在壳体内部，储水舱外围设置有加热电阻丝，用于避免储水舱的水结冰。

技术总结
本发明公开了一种等离子体冰层钻头，涉及钻孔设备技术领域，包括壳体和钻孔机构，钻孔机构设置在壳体的底端，钻孔机构包括钻头壳体、驱动机构、电极盘、喷水机构和吸水机构，驱动机构安装在钻头壳体内部的顶端，驱动机构的伸缩杆与电极盘驱动连接，电极盘的表面环形设置有第一排圆柱型凸起和第二排圆柱型凸起，钻头壳体对应设置有导向孔，导向孔之间设置有电弧导向槽，喷水机构设置在第一排圆柱型凸起和第二排圆柱型凸起之间，第一排圆柱型凸起的顶端设置有高压电极，第二排圆柱型凸起的顶端设置有接地电极，吸水机构设置在钻头壳体中。本发明能够有效避免等离子钻头的电极在下探或者钻孔过程中与冰层发生磕碰，提高了电极的使用寿命。

技术研发人员：曹品鲁,曹金娥,曹宏宇,崔国庆,张亚鲁,贺文博,张鸿运
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14