基于incoPat數(shù)據(jù)庫(kù)的吸魚泵專利分析

楚樹坡，徐志強(qiáng),2，湯濤林,2，王志勇,2*

(1.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266237； 2.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所， 上海 200092)

中國(guó)漁業(yè)機(jī)械的研究與開發(fā)起步于20世紀(jì)60年代，發(fā)展至今，已成為現(xiàn)代漁業(yè)科技不可或缺的重要組成部分，也是中國(guó)現(xiàn)代漁業(yè)建設(shè)的重要技術(shù)支撐[1]。漁獲的提升和輸送是漁業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，吸魚泵是在漁業(yè)機(jī)械化進(jìn)程中發(fā)展起來的一種重要的自動(dòng)化輸送設(shè)備。使用吸魚泵可確保漁獲在最短的時(shí)間內(nèi)輸送完畢，避免漁獲在網(wǎng)具中受傷或窒息死亡。吸魚泵可大大降低人力勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，同時(shí)可提高魚類的成活率，降低作業(yè)過程中對(duì)魚類的人為損傷，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。吸魚泵最初應(yīng)用在拖網(wǎng)和圍網(wǎng)起魚作業(yè)中，后來逐步應(yīng)用到網(wǎng)箱起捕活魚，目前應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)大[2-5]。鑒于吸魚泵的優(yōu)勢(shì)，吸魚泵在水產(chǎn)養(yǎng)殖和漁業(yè)捕撈生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景[6]。專利技術(shù)是自主創(chuàng)新成果的重要載體，能夠反映某一技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的現(xiàn)狀和歷程，通過對(duì)專利技術(shù)的分析，可以預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，為科研、科技創(chuàng)新活動(dòng)提供重要信息和依據(jù)[7]。本研究基于incoPat專利數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)吸魚泵相關(guān)專利技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，揭示該領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)創(chuàng)新的發(fā)展脈絡(luò)、地域分布、國(guó)內(nèi)重點(diǎn)申請(qǐng)人以及關(guān)鍵技術(shù)，以期為中國(guó)吸魚泵技術(shù)領(lǐng)域的科技人員提供參考。

1 專利申請(qǐng)量趨勢(shì)分析

基于incoPat專利數(shù)據(jù)庫(kù)，利用關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索并進(jìn)行人工去噪后得到全球吸魚泵相關(guān)專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。圖1是1949年至2020年4月20日期間，全球吸魚泵相關(guān)專利申請(qǐng)量的年度分布圖。由于2018—2020年的專利存在部分未完全公開的情況，因此該數(shù)據(jù)不代表3年內(nèi)的全部申請(qǐng)量。從圖1可以看出，20世紀(jì)70年代前，吸魚泵相關(guān)專利申請(qǐng)量很少，該階段吸魚泵技術(shù)尚處于起步階段，其使用范圍較??；20世紀(jì)70—80年代，全球吸魚泵相關(guān)專利申請(qǐng)量快速增長(zhǎng)，該階段全球海洋捕撈業(yè)經(jīng)歷了一個(gè)高速增長(zhǎng)期，對(duì)吸魚泵的巨大需求刺激了其研發(fā)投入；20世紀(jì)90年代至2010年期間，吸魚泵相關(guān)專利申請(qǐng)量不多，該階段海洋漁業(yè)資源不斷衰退，海洋捕撈總量進(jìn)入零增長(zhǎng)的徘徊期[8]；2012年后，吸魚泵相關(guān)專利申請(qǐng)量增加較多，主要是因?yàn)橹袊?guó)相關(guān)專利申請(qǐng)量增加較多，該階段中國(guó)的遠(yuǎn)洋漁業(yè)以及深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，中國(guó)申請(qǐng)人已經(jīng)意識(shí)到該領(lǐng)域的市場(chǎng)潛力，開始注重吸魚泵技術(shù)研發(fā)和技術(shù)保護(hù)?？梢?，吸魚泵相關(guān)專利的申請(qǐng)趨勢(shì)，與世界海洋捕撈產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)是一致的[8]。

圖1 吸魚泵相關(guān)專利申請(qǐng)趨勢(shì)(截至2020年4月20日)Fig.1 Patent application trend of the fish pump (as of April 20, 2020)

2 各國(guó)家/地區(qū)/組織專利申請(qǐng)量

圖2顯示了吸魚泵相關(guān)專利申請(qǐng)地域分布，其中專利申請(qǐng)量排名前六位的分別是中國(guó)、俄羅斯、日本、美國(guó)、韓國(guó)和挪威。截至2020年4月20日，中國(guó)的吸魚泵相關(guān)專利申請(qǐng)量占據(jù)了全球申請(qǐng)量的49%，接近一半，表明中國(guó)對(duì)吸魚泵的重視以及對(duì)吸魚泵的需求比較迫切。俄羅斯的吸魚泵相關(guān)專利申請(qǐng)量占據(jù)了全球申請(qǐng)量的19%，其中前蘇聯(lián)貢獻(xiàn)了17%，表明俄羅斯在20世紀(jì)90年代以前海洋漁業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)已比較活躍，吸魚泵的研制及使用比較成熟。此外，日本、美國(guó)、韓國(guó)、挪威及英國(guó)等國(guó)家的吸魚泵相關(guān)專利申請(qǐng)量分別占據(jù)全球申請(qǐng)量的6%、5%、4%、3%和3%。從以上數(shù)據(jù)可見，吸魚泵相關(guān)專利的申請(qǐng)集中在全球的主要?jiǎng)?chuàng)新國(guó)家、地區(qū)和組織，目前中國(guó)吸魚泵相關(guān)專利申請(qǐng)最為活躍。漁業(yè)生產(chǎn)大國(guó)是吸魚泵研制及使用的主體，這與漁業(yè)生產(chǎn)對(duì)機(jī)械現(xiàn)代化的需求有關(guān)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，中國(guó)大部分吸魚泵相關(guān)專利先進(jìn)性一般，并沒有真正實(shí)現(xiàn)核心專利自主擁有，專利技術(shù)的質(zhì)量與俄羅斯、美國(guó)、日本、韓國(guó)和挪威等漁業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在一定差距，在核心技術(shù)研發(fā)、搶占技術(shù)制高點(diǎn)的道路上還有較長(zhǎng)的路要走。要想在該領(lǐng)域有所作為，中國(guó)不僅要在數(shù)量上保持優(yōu)勢(shì)，還應(yīng)加大原創(chuàng)性專利的開發(fā)和布局，提高專利質(zhì)量，縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。

圖2 全球?qū)＠暾?qǐng)地域分布Fig.2 Geographical distribution of the global application of the fish pump

3 國(guó)內(nèi)重點(diǎn)申請(qǐng)人分析

在吸魚泵領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)發(fā)展起步較晚，從20世紀(jì)60年代才開始對(duì)吸魚泵進(jìn)行攻關(guān)研制[9-10]，并且于1987年提交第一件專利申請(qǐng)。國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人類型見圖3，排名前五位的分別是浙江海洋大學(xué)、捷勝海洋裝備股份有限公司、郭怡、中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所以及山東壯發(fā)泵業(yè)股份有限公司。說明國(guó)內(nèi)的企業(yè)、專業(yè)院校和科研院所均已意識(shí)到吸魚泵的潛在市場(chǎng)價(jià)值，對(duì)吸魚泵技術(shù)的研究給予了較多關(guān)注，并且積極申請(qǐng)專利保護(hù)來爭(zhēng)取技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，從而搶占未來的市場(chǎng)份額。值得注意的是，個(gè)人申請(qǐng)量表現(xiàn)不俗，占據(jù)了國(guó)內(nèi)申請(qǐng)總量的17%，如郭怡；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，個(gè)人申請(qǐng)以實(shí)用新型專利為主，申請(qǐng)量占個(gè)人專利申請(qǐng)總量的90%以上，且集中在真空式吸魚泵領(lǐng)域，這是因?yàn)檎婵帐轿~泵從結(jié)構(gòu)上來講比較簡(jiǎn)單，從該領(lǐng)域申請(qǐng)實(shí)用新型專利比較容易。由于企業(yè)、專業(yè)院校、科研院所在人才、技術(shù)和資金等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，因此其是引領(lǐng)中國(guó)吸魚泵技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展的主體，如浙江海洋大學(xué)、捷勝海洋裝備股份有限公司和中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所等。在企業(yè)專利申請(qǐng)中，實(shí)用新型專利和外觀專利申請(qǐng)量占企業(yè)專利申請(qǐng)總量的77%；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)企業(yè)吸魚泵相關(guān)專利的申請(qǐng)集中在離心式吸魚泵領(lǐng)域，而且主要是葉片式葉輪的離心式吸魚泵，專利申請(qǐng)的研究范圍比較窄。對(duì)于專業(yè)院校、科研院所，發(fā)明專利申請(qǐng)量分別占其專利申請(qǐng)總量的59.4%和73.0%，吸魚泵型式包括離心式、真空式、射流式以及其他型式。目前為止，尚未有其他國(guó)家在中國(guó)進(jìn)行吸魚泵相關(guān)專利的布局。目前國(guó)內(nèi)的吸魚泵市場(chǎng)需求比較弱，爆發(fā)期尚未到來，未引起國(guó)際市場(chǎng)的重視，對(duì)國(guó)內(nèi)的專業(yè)院校、科研院所以及企業(yè)來說無(wú)疑是一個(gè)機(jī)遇，這為在該領(lǐng)域發(fā)展的國(guó)內(nèi)專業(yè)院校、科研院所以及企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

圖3 國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人類型Fig.3 Types of domestic patent applicants

4 典型專利技術(shù)分析

4.1 離心式吸魚泵

離心式吸魚泵的原理為，通過泵內(nèi)葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，在進(jìn)口處產(chǎn)生負(fù)壓將魚和水吸入，在出口形成高壓排出魚和水，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，但葉輪的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)損壞魚體[11]。離心式吸魚泵的葉輪有3種型式，即葉片式、螺旋式以及流道式。根據(jù)離心式吸魚泵的安裝位置，又可分為潛水式和非潛水式。

葉片式葉輪為閉式葉輪，一般為雙葉片結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是效率相對(duì)較高，能夠保證在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行狀況穩(wěn)定，而與其他兩種離心式葉輪相比，葉片式葉輪抗堵塞性能較差，葉片進(jìn)口端容易對(duì)魚類造成機(jī)械切割，魚類損傷率相對(duì)較高。CN87104408A公開了一種雙葉片葉輪的潛水式吸魚泵，且葉輪及泵殼都采用塑料或玻璃鋼材料制作[12]。SU1041756A1公開了一種葉片式葉輪的吸魚泵，為了改進(jìn)葉片進(jìn)口端容易傷魚的問題，其葉片設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)，并且可以相對(duì)于葉輪蓋板運(yùn)動(dòng)，有效降低了對(duì)魚類的損傷[13]。

流道式葉輪又稱為無(wú)葉片葉輪，可分為單流道葉輪和雙流道葉輪兩種，其特征是，從葉輪進(jìn)口到出口，由一個(gè)或兩個(gè)空間扭曲的通道構(gòu)成，通道寬敞、圓滑，介質(zhì)通過能力強(qiáng)，無(wú)堵塞性好[14-15]。SU588962A1公開了一種單流道式吸魚泵葉輪[16]，US2997345A則公開了一種采用單流道葉輪的吸魚泵[17]。由于單流道葉輪結(jié)構(gòu)是不對(duì)稱的，且在運(yùn)行過程中脈沖出流，盡管葉輪在裝配前都要經(jīng)過靜平衡，但運(yùn)行過程仍然會(huì)產(chǎn)生很大振動(dòng)，平衡問題難以解決[18]。由于雙流道葉輪結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，使葉輪平衡問題得以解決。SU861741A1公開了一種采用雙流道葉輪的吸魚泵[19]。

螺旋式葉輪是由瑞士工程師Martin Sthale于20世紀(jì)60年代初發(fā)明的，該發(fā)明的目的是為了解決秘魯沿海魚類加工廠活魚保鮮輸送的問題[20-21]。螺旋離心葉輪由螺旋段和離心段兩部分組成，葉輪的前端呈鐮刀形，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使水流通過泵腔的整個(gè)過程柔和流暢，無(wú)需強(qiáng)行改變方向，具有很好的無(wú)堵塞性能，輸送體積大的固體和長(zhǎng)纖維物質(zhì)更為容易。螺旋式葉輪的主要缺點(diǎn)是，葉輪制造比較困難，且一般很難掌握和控制[22]。DE1162195B公開了一種單螺旋式葉輪的吸魚泵[23]，而US4193737A公開了一種結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙螺旋葉輪的吸魚泵[24]。

4.2 真空式吸魚泵

20世紀(jì)60年代，加拿大研制了氣力式吸魚泵，其工作原理是，利用鼓風(fēng)機(jī)從整個(gè)管路系統(tǒng)中抽風(fēng)，形成一定風(fēng)速，使吸魚管內(nèi)的氣體壓力低于外界大氣壓力，形成負(fù)壓，當(dāng)吸魚管中的風(fēng)速高于漁獲的沉降速度時(shí)，漁獲就隨同氣流吸入吸魚泵，從而達(dá)到漁獲輸送的目的[25]。因而，氣力式吸魚泵也是一種真空式吸魚泵。中國(guó)在20世紀(jì)70年代進(jìn)行過氣力式吸魚泵的研究[26-27]。然而未檢索到氣力式吸魚泵的相關(guān)專利公開信息。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前真空式吸魚泵中形成負(fù)壓的設(shè)備采用的是水環(huán)真空泵。真空式吸魚泵一般由水環(huán)真空泵、吸魚筒及吸排軟管等組成，其工作原理是利用水環(huán)真空泵將吸魚筒內(nèi)部抽至一定真空度，魚水混合物在吸魚筒內(nèi)外壓差的作用下被吸上來，該設(shè)備自動(dòng)化程度高，對(duì)魚體無(wú)損傷。根據(jù)吸魚筒的數(shù)量，真空式吸魚泵可分為單筒真空式吸魚泵和雙筒真空式吸魚泵。因?yàn)閱瓮舱婵帐轿~泵是間接性操作，所以單筒真空式吸魚泵存在效率低、無(wú)用功耗大的問題[4]。雙筒真空式吸魚泵則是利用雙吸魚筒交替吸魚和排魚，以達(dá)到連續(xù)吸魚的目的，從而降低無(wú)用功耗，提高吸魚效率，且效率提高程度與過程中吸、排魚時(shí)間比有關(guān)[28]。US5002463A公開了一種單筒真空式吸魚泵[29]，DK54191A則公開了一種雙筒真空式吸魚泵[30]。

4.3 射流式吸魚泵

射流式吸魚泵又稱文丘里吸魚泵[31]，是利用高壓工作流體的能量轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)魚類輸送的機(jī)械設(shè)備，其核心部件是射流器，射流器由噴嘴、吸入室、喉管以及擴(kuò)散管等部分組成。射流器、動(dòng)力泵以及管系組成了射流式吸魚泵。射流式吸魚泵的工作原理是高壓工作流體從噴嘴高速噴出，部分靜壓能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，吸入室內(nèi)形成真空，魚水混合液在吸入室內(nèi)外壓差的作用下經(jīng)吸魚管進(jìn)入吸入室，兩股流體在喉管內(nèi)進(jìn)行混合和能量交換，在喉管出口處二者速度、壓力趨于一致，然后再經(jīng)擴(kuò)散管完成動(dòng)能和壓能的轉(zhuǎn)化，流速降低，最后經(jīng)排魚管排出，從而完成吸魚操作。射流式吸魚泵因?yàn)闆]有葉輪和轉(zhuǎn)動(dòng)部件，被輸送的漁獲不易損傷。射流式吸魚泵的缺點(diǎn)是，與其他類型的吸魚泵相比，功耗較大，工作效率較低[6]。SU925277A1公開了一種射流式吸魚泵[32]。

4.4 拖網(wǎng)網(wǎng)囊泵吸系統(tǒng)

拖網(wǎng)網(wǎng)囊泵吸系統(tǒng)是指將吸魚泵安裝于拖網(wǎng)網(wǎng)囊處，通過吸魚泵將網(wǎng)囊中鮮活漁獲源源不斷地輸送至甲板加工車間，生產(chǎn)作業(yè)過程中避免了起放網(wǎng)的繁瑣作業(yè)程序，也無(wú)需將笨重的吸魚泵從船上放到拖網(wǎng)中，既極大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了捕撈效率，又保證了漁獲的品質(zhì)。拖網(wǎng)網(wǎng)囊泵吸系統(tǒng)中使用的吸魚泵一般為離心式吸魚泵，但個(gè)別也有使用真空式吸魚泵的。目前先進(jìn)的南極磷蝦(Euphusiasuperba)連續(xù)高效捕撈技術(shù)也是這種網(wǎng)囊泵吸方式，而且在拖網(wǎng)間隙無(wú)需收起拖網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)捕撈生產(chǎn)作業(yè)1個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間[33]。EP73769B1公開了一種拖網(wǎng)網(wǎng)囊泵吸系統(tǒng)及方法，為吸魚泵設(shè)置了浮子以避免將網(wǎng)囊拖入水中，在拖網(wǎng)捕撈過程中吸魚泵是不工作的[34]。CN105393999B公開了一種南極磷蝦連續(xù)捕撈輔助系統(tǒng)及其泵吸裝置[35]。

世界范圍內(nèi)形成商業(yè)化產(chǎn)品的吸魚泵型式主要有三種：離心式、真空式和射流式，其中真空式吸魚泵應(yīng)用最為廣泛。離心式吸魚泵的優(yōu)點(diǎn)是工作效率高，缺點(diǎn)是對(duì)泵葉輪結(jié)構(gòu)型式有特殊要求，且由于葉輪端部的機(jī)械切割作用導(dǎo)致魚類損傷率高，可用于輸送小規(guī)格活魚，如魚苗，但不適合用于輸送較大規(guī)格活魚；射流式吸魚泵的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是能耗高，效率低，也不適合用于輸送較大規(guī)格活魚的場(chǎng)合。真空式吸魚泵也無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率較高，能耗較低，對(duì)魚無(wú)損傷，適合輸送較大規(guī)格的活魚，因而在全球范圍內(nèi)得到了廣泛使用。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究從國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)量趨勢(shì)、國(guó)別分布、國(guó)內(nèi)主要申請(qǐng)人、典型專利技術(shù)等方面，對(duì)全球范圍內(nèi)的吸魚泵相關(guān)專利進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，吸魚泵的發(fā)展趨勢(shì)與世界海洋捕撈產(chǎn)業(yè)以及深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)一致。中國(guó)的企業(yè)、專業(yè)院校和科研院所均已意識(shí)到吸魚泵的潛在市場(chǎng)價(jià)值，對(duì)吸魚泵技術(shù)的研究投入了較多關(guān)注，并且積極申請(qǐng)專利保護(hù)。盡管中國(guó)吸魚泵相關(guān)專利申請(qǐng)?jiān)跀?shù)量上占據(jù)較大優(yōu)勢(shì)，但大部分專利先進(jìn)性一般，專利技術(shù)的質(zhì)量與漁業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在一定的差距，后期中國(guó)不僅要在數(shù)量上保持優(yōu)勢(shì)，更要在專利申請(qǐng)的質(zhì)量上與技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家縮小差距。目前，中國(guó)的吸魚泵市場(chǎng)尚未受到國(guó)際重視，這為國(guó)內(nèi)企業(yè)、專業(yè)院校以及科研院所在該領(lǐng)域發(fā)展創(chuàng)新創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。從典型吸魚泵專利技術(shù)可以看出，吸魚泵的原型機(jī)來自于流體機(jī)械行業(yè)，建議國(guó)內(nèi)從事吸魚泵開發(fā)的技術(shù)人員留意新型的流體機(jī)械產(chǎn)品，從而開發(fā)出新型的更加高效的吸魚泵結(jié)構(gòu)型式。盡管目前中國(guó)吸魚泵市場(chǎng)需求較弱，然而隨著中國(guó)海洋捕撈產(chǎn)業(yè)及深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，將來中國(guó)吸魚泵的市場(chǎng)需求可能會(huì)出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。建議國(guó)內(nèi)專業(yè)院校、科研院所以及企業(yè)結(jié)合自身特點(diǎn)與研發(fā)優(yōu)勢(shì)，將研發(fā)重心更多的放到技術(shù)創(chuàng)新以及將新技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展上，提高成果轉(zhuǎn)化以及產(chǎn)業(yè)化能力，推動(dòng)吸魚泵在中國(guó)的應(yīng)用；建議國(guó)內(nèi)企業(yè)優(yōu)先發(fā)展雙筒真空式吸魚泵和流道式吸魚泵，盡快掌握核心技術(shù)，形成系列化產(chǎn)品并推向市場(chǎng)，促進(jìn)吸魚泵在國(guó)內(nèi)捕撈業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用。