基于incoPat数据库的吸鱼泵专利分析

楚树坡，徐志强,2，汤涛林,2，王志勇,2*

(1.青岛海洋科学与技术试点国家实验室， 山东 青岛 266237； 2.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所， 上海 200092)

中国渔业机械的研究与开发起步于20世纪60年代，发展至今，已成为现代渔业科技不可或缺的重要组成部分，也是中国现代渔业建设的重要技术支撑[1]。渔获的提升和输送是渔业生产中的重要环节，吸鱼泵是在渔业机械化进程中发展起来的一种重要的自动化输送设备。使用吸鱼泵可确保渔获在最短的时间内输送完毕，避免渔获在网具中受伤或窒息死亡。吸鱼泵可大大降低人力劳动强度，提高工作效率，同时可提高鱼类的成活率，降低作业过程中对鱼类的人为损伤，从而提高经济效益。吸鱼泵最初应用在拖网和围网起鱼作业中，后来逐步应用到网箱起捕活鱼，目前应用领域还在不断扩大[2-5]。鉴于吸鱼泵的优势，吸鱼泵在水产养殖和渔业捕捞生产中具有广泛的应用前景[6]。专利技术是自主创新成果的重要载体，能够反映某一技术领域创新发展的现状和历程，通过对专利技术的分析，可以预测技术发展趋势，为科研、科技创新活动提供重要信息和依据[7]。本研究基于incoPat专利数据库，对吸鱼泵相关专利技术进行统计分析，揭示该领域专利技术创新的发展脉络、地域分布、国内重点申请人以及关键技术，以期为中国吸鱼泵技术领域的科技人员提供参考。

1 专利申请量趋势分析

基于incoPat专利数据库，利用关键词进行检索并进行人工去噪后得到全球吸鱼泵相关专利文献数据。图1是1949年至2020年4月20日期间，全球吸鱼泵相关专利申请量的年度分布图。由于2018—2020年的专利存在部分未完全公开的情况，因此该数据不代表3年内的全部申请量。从图1可以看出，20世纪70年代前，吸鱼泵相关专利申请量很少，该阶段吸鱼泵技术尚处于起步阶段，其使用范围较小；20世纪70—80年代，全球吸鱼泵相关专利申请量快速增长，该阶段全球海洋捕捞业经历了一个高速增长期，对吸鱼泵的巨大需求刺激了其研发投入；20世纪90年代至2010年期间，吸鱼泵相关专利申请量不多，该阶段海洋渔业资源不断衰退，海洋捕捞总量进入零增长的徘徊期[8]；2012年后，吸鱼泵相关专利申请量增加较多，主要是因为中国相关专利申请量增加较多，该阶段中国的远洋渔业以及深远海网箱养殖产业得到了快速发展，中国申请人已经意识到该领域的市场潜力，开始注重吸鱼泵技术研发和技术保护。可见，吸鱼泵相关专利的申请趋势，与世界海洋捕捞产业发展趋势是一致的[8]。

图1 吸鱼泵相关专利申请趋势(截至2020年4月20日)Fig.1 Patent application trend of the fish pump (as of April 20, 2020)

2 各国家/地区/组织专利申请量

图2显示了吸鱼泵相关专利申请地域分布，其中专利申请量排名前六位的分别是中国、俄罗斯、日本、美国、韩国和挪威。截至2020年4月20日，中国的吸鱼泵相关专利申请量占据了全球申请量的49%，接近一半，表明中国对吸鱼泵的重视以及对吸鱼泵的需求比较迫切。俄罗斯的吸鱼泵相关专利申请量占据了全球申请量的19%，其中前苏联贡献了17%，表明俄罗斯在20世纪90年代以前海洋渔业生产活动已比较活跃，吸鱼泵的研制及使用比较成熟。此外，日本、美国、韩国、挪威及英国等国家的吸鱼泵相关专利申请量分别占据全球申请量的6%、5%、4%、3%和3%。从以上数据可见，吸鱼泵相关专利的申请集中在全球的主要创新国家、地区和组织，目前中国吸鱼泵相关专利申请最为活跃。渔业生产大国是吸鱼泵研制及使用的主体，这与渔业生产对机械现代化的需求有关。进一步分析发现，中国大部分吸鱼泵相关专利先进性一般，并没有真正实现核心专利自主拥有，专利技术的质量与俄罗斯、美国、日本、韩国和挪威等渔业发达国家相比仍存在一定差距，在核心技术研发、抢占技术制高点的道路上还有较长的路要走。要想在该领域有所作为，中国不仅要在数量上保持优势，还应加大原创性专利的开发和布局，提高专利质量，缩小与发达国家的差距。

图2 全球专利申请地域分布Fig.2 Geographical distribution of the global application of the fish pump

3 国内重点申请人分析

在吸鱼泵领域，国内发展起步较晚，从20世纪60年代才开始对吸鱼泵进行攻关研制[9-10]，并且于1987年提交第一件专利申请。国内申请人类型见图3，排名前五位的分别是浙江海洋大学、捷胜海洋装备股份有限公司、郭怡、中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所以及山东壮发泵业股份有限公司。说明国内的企业、专业院校和科研院所均已意识到吸鱼泵的潜在市场价值，对吸鱼泵技术的研究给予了较多关注，并且积极申请专利保护来争取技术领先优势，从而抢占未来的市场份额。值得注意的是，个人申请量表现不俗，占据了国内申请总量的17%，如郭怡；进一步分析发现，个人申请以实用新型专利为主，申请量占个人专利申请总量的90%以上，且集中在真空式吸鱼泵领域，这是因为真空式吸鱼泵从结构上来讲比较简单，从该领域申请实用新型专利比较容易。由于企业、专业院校、科研院所在人才、技术和资金等方面具有较大的优势，因此其是引领中国吸鱼泵技术创新和发展的主体，如浙江海洋大学、捷胜海洋装备股份有限公司和中国水产科学院渔业机械仪器研究所等。在企业专利申请中，实用新型专利和外观专利申请量占企业专利申请总量的77%；进一步分析发现，国内企业吸鱼泵相关专利的申请集中在离心式吸鱼泵领域，而且主要是叶片式叶轮的离心式吸鱼泵，专利申请的研究范围比较窄。对于专业院校、科研院所，发明专利申请量分别占其专利申请总量的59.4%和73.0%，吸鱼泵型式包括离心式、真空式、射流式以及其他型式。目前为止，尚未有其他国家在中国进行吸鱼泵相关专利的布局。目前国内的吸鱼泵市场需求比较弱，爆发期尚未到来，未引起国际市场的重视，对国内的专业院校、科研院所以及企业来说无疑是一个机遇，这为在该领域发展的国内专业院校、科研院所以及企业创新创造了机会。

图3 国内申请人类型Fig.3 Types of domestic patent applicants

4 典型专利技术分析

4.1 离心式吸鱼泵

离心式吸鱼泵的原理为，通过泵内叶轮高速旋转产生离心力，在进口处产生负压将鱼和水吸入，在出口形成高压排出鱼和水，结构简单，工作效率高，但叶轮的高速旋转会损坏鱼体[11]。离心式吸鱼泵的叶轮有3种型式，即叶片式、螺旋式以及流道式。根据离心式吸鱼泵的安装位置，又可分为潜水式和非潜水式。

叶片式叶轮为闭式叶轮，一般为双叶片结构。优点是效率相对较高，能够保证在较长时间内运行状况稳定，而与其他两种离心式叶轮相比，叶片式叶轮抗堵塞性能较差，叶片进口端容易对鱼类造成机械切割，鱼类损伤率相对较高。CN87104408A公开了一种双叶片叶轮的潜水式吸鱼泵，且叶轮及泵壳都采用塑料或玻璃钢材料制作[12]。SU1041756A1公开了一种叶片式叶轮的吸鱼泵，为了改进叶片进口端容易伤鱼的问题，其叶片设计成中空结构，并且可以相对于叶轮盖板运动，有效降低了对鱼类的损伤[13]。

流道式叶轮又称为无叶片叶轮，可分为单流道叶轮和双流道叶轮两种，其特征是，从叶轮进口到出口，由一个或两个空间扭曲的通道构成，通道宽敞、圆滑，介质通过能力强，无堵塞性好[14-15]。SU588962A1公开了一种单流道式吸鱼泵叶轮[16]，US2997345A则公开了一种采用单流道叶轮的吸鱼泵[17]。由于单流道叶轮结构是不对称的，且在运行过程中脉冲出流，尽管叶轮在装配前都要经过静平衡，但运行过程仍然会产生很大振动，平衡问题难以解决[18]。由于双流道叶轮结构的对称性，使叶轮平衡问题得以解决。SU861741A1公开了一种采用双流道叶轮的吸鱼泵[19]。

螺旋式叶轮是由瑞士工程师Martin Sthale于20世纪60年代初发明的，该发明的目的是为了解决秘鲁沿海鱼类加工厂活鱼保鲜输送的问题[20-21]。螺旋离心叶轮由螺旋段和离心段两部分组成，叶轮的前端呈镰刀形，这种独特的结构使水流通过泵腔的整个过程柔和流畅，无需强行改变方向，具有很好的无堵塞性能，输送体积大的固体和长纤维物质更为容易。螺旋式叶轮的主要缺点是，叶轮制造比较困难，且一般很难掌握和控制[22]。DE1162195B公开了一种单螺旋式叶轮的吸鱼泵[23]，而US4193737A公开了一种结构对称的双螺旋叶轮的吸鱼泵[24]。

4.2 真空式吸鱼泵

20世纪60年代，加拿大研制了气力式吸鱼泵，其工作原理是，利用鼓风机从整个管路系统中抽风，形成一定风速，使吸鱼管内的气体压力低于外界大气压力，形成负压，当吸鱼管中的风速高于渔获的沉降速度时，渔获就随同气流吸入吸鱼泵，从而达到渔获输送的目的[25]。因而，气力式吸鱼泵也是一种真空式吸鱼泵。中国在20世纪70年代进行过气力式吸鱼泵的研究[26-27]。然而未检索到气力式吸鱼泵的相关专利公开信息。

经过数十年的发展，目前真空式吸鱼泵中形成负压的设备采用的是水环真空泵。真空式吸鱼泵一般由水环真空泵、吸鱼筒及吸排软管等组成，其工作原理是利用水环真空泵将吸鱼筒内部抽至一定真空度，鱼水混合物在吸鱼筒内外压差的作用下被吸上来，该设备自动化程度高，对鱼体无损伤。根据吸鱼筒的数量，真空式吸鱼泵可分为单筒真空式吸鱼泵和双筒真空式吸鱼泵。因为单筒真空式吸鱼泵是间接性操作，所以单筒真空式吸鱼泵存在效率低、无用功耗大的问题[4]。双筒真空式吸鱼泵则是利用双吸鱼筒交替吸鱼和排鱼，以达到连续吸鱼的目的，从而降低无用功耗，提高吸鱼效率，且效率提高程度与过程中吸、排鱼时间比有关[28]。US5002463A公开了一种单筒真空式吸鱼泵[29]，DK54191A则公开了一种双筒真空式吸鱼泵[30]。

4.3 射流式吸鱼泵

射流式吸鱼泵又称文丘里吸鱼泵[31]，是利用高压工作流体的能量转换来实现鱼类输送的机械设备，其核心部件是射流器，射流器由喷嘴、吸入室、喉管以及扩散管等部分组成。射流器、动力泵以及管系组成了射流式吸鱼泵。射流式吸鱼泵的工作原理是高压工作流体从喷嘴高速喷出，部分静压能转换为动能，吸入室内形成真空，鱼水混合液在吸入室内外压差的作用下经吸鱼管进入吸入室，两股流体在喉管内进行混合和能量交换，在喉管出口处二者速度、压力趋于一致，然后再经扩散管完成动能和压能的转化，流速降低，最后经排鱼管排出，从而完成吸鱼操作。射流式吸鱼泵因为没有叶轮和转动部件，被输送的渔获不易损伤。射流式吸鱼泵的缺点是，与其他类型的吸鱼泵相比，功耗较大，工作效率较低[6]。SU925277A1公开了一种射流式吸鱼泵[32]。

4.4 拖网网囊泵吸系统

拖网网囊泵吸系统是指将吸鱼泵安装于拖网网囊处，通过吸鱼泵将网囊中鲜活渔获源源不断地输送至甲板加工车间，生产作业过程中避免了起放网的繁琐作业程序，也无需将笨重的吸鱼泵从船上放到拖网中，既极大降低了劳动强度、提高了捕捞效率，又保证了渔获的品质。拖网网囊泵吸系统中使用的吸鱼泵一般为离心式吸鱼泵，但个别也有使用真空式吸鱼泵的。目前先进的南极磷虾(Euphusiasuperba)连续高效捕捞技术也是这种网囊泵吸方式，而且在拖网间隙无需收起拖网，可实现连续捕捞生产作业1个月甚至更长时间[33]。EP73769B1公开了一种拖网网囊泵吸系统及方法，为吸鱼泵设置了浮子以避免将网囊拖入水中，在拖网捕捞过程中吸鱼泵是不工作的[34]。CN105393999B公开了一种南极磷虾连续捕捞辅助系统及其泵吸装置[35]。

世界范围内形成商业化产品的吸鱼泵型式主要有三种：离心式、真空式和射流式，其中真空式吸鱼泵应用最为广泛。离心式吸鱼泵的优点是工作效率高，缺点是对泵叶轮结构型式有特殊要求，且由于叶轮端部的机械切割作用导致鱼类损伤率高，可用于输送小规格活鱼，如鱼苗，但不适合用于输送较大规格活鱼；射流式吸鱼泵的优点是无运动部件，结构简单，缺点是能耗高，效率低，也不适合用于输送较大规格活鱼的场合。真空式吸鱼泵也无运动部件，结构简单，工作效率较高，能耗较低，对鱼无损伤，适合输送较大规格的活鱼，因而在全球范围内得到了广泛使用。

5 结语

本研究从国内外申请量趋势、国别分布、国内主要申请人、典型专利技术等方面，对全球范围内的吸鱼泵相关专利进行了统计分析。结果表明，吸鱼泵的发展趋势与世界海洋捕捞产业以及深远海养殖业的发展趋势一致。中国的企业、专业院校和科研院所均已意识到吸鱼泵的潜在市场价值，对吸鱼泵技术的研究投入了较多关注，并且积极申请专利保护。尽管中国吸鱼泵相关专利申请在数量上占据较大优势，但大部分专利先进性一般，专利技术的质量与渔业发达国家相比仍存在一定的差距，后期中国不仅要在数量上保持优势，更要在专利申请的质量上与技术先进的国家缩小差距。目前，中国的吸鱼泵市场尚未受到国际重视，这为国内企业、专业院校以及科研院所在该领域发展创新创造了机会。从典型吸鱼泵专利技术可以看出，吸鱼泵的原型机来自于流体机械行业，建议国内从事吸鱼泵开发的技术人员留意新型的流体机械产品，从而开发出新型的更加高效的吸鱼泵结构型式。尽管目前中国吸鱼泵市场需求较弱，然而随着中国海洋捕捞产业及深远海养殖业的发展，将来中国吸鱼泵的市场需求可能会出现爆发式增长。建议国内专业院校、科研院所以及企业结合自身特点与研发优势，将研发重心更多的放到技术创新以及将新技术应用于产业化发展上，提高成果转化以及产业化能力，推动吸鱼泵在中国的应用；建议国内企业优先发展双筒真空式吸鱼泵和流道式吸鱼泵，尽快掌握核心技术，形成系列化产品并推向市场，促进吸鱼泵在国内捕捞业和养殖业中的应用。