JP2016021846A5

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Publication number: JP2016021846A5
Application number: JP2014157014A
Authority: JP
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2016-04-07

Description

深海用動力装置

本発明は、海底資源掘削用ロボットの動力源となる新しい技術に関する。

日本近海には、レアメタルやメタンハイドレートなどの天然資源が豊富に存在し、これを採掘する為の動力源が無く、これまで、電動機（モーター）を改造して高耐圧防水型、耐塩水型にするためにローターとステーターを逆にしたり、内部に高圧油を入れたりした試作が試みられたが、１０００ｍ級の深海で連続運転や長寿命に対応出来なく、またコスト的に合わず折角の資源を採掘出来ない状態にあった。

深海用ロボットの動力源として必要な課題は、超高圧海中で作動する事、耐塩水、長寿命であること等を達成した動力はこれまでにない。その為、深海の資源開発が進んでいない状態が大きな課題である。これまでは全て海上からの制御操作に頼ってきた。

本発明は、この様な課題を、より単純な構造で解決するものである。それは、装置内外を常に同じ圧力を保つ構造とした事により耐圧構造にする必要が無い構造とした事である。また、耐塩性は、最初に真水を入れてそれが持続するので潤滑剤ともなる。即ち、直動形のソレノイドを複数使用し、この先端にユニバーサルジョイントを取り付けクランクシャフトに連結し、回転運動とするものである。いわば、深海用エンジンである。このソレノイドは、３ポジション構造で＋（押す）と−（引く）をマイコン制御によって電圧を適当なタイミング送る。これを複数個配置し、そのタイミングもマイコンで制御しスムーズな回転力を生み出す。又、この装置を海中に沈める時、事前に内部に真水を充填して沈めるので、塩水や微細なゴミなどが入らないので、耐久性に優れ保守点検が用意である。等々既存の動力より優れた装置を提供する事によって課題を解決するものである。
他にこの動力源は日本近海に眠る膨大な資源の開発に大きな役割を持つ。その具体的な応用例も示す。

本発明が実現した場合の効果は、
（１）直動式３ポジションソレノイドを使用するので、簡単な構造（ソレノイド自体単な構造）で、ソレノイドの摺動部まで真水が常に浸透し潤滑剤となるため、特別に耐圧構造としなくてもどんな深海にも適応出来る。また、クランクシャフトに“押す”“引く”の力を加えこれをマイコンで制御する事によって大きなパワーを得る。
（２）特別な高耐圧構造で無いので、動力装置として簡単なため安価に出来る。
（３）簡単な構造で、他の装置に追うようし易い。
（４）構造が簡単なので故障ガ少なく、保守点検がやり易く、長期間連続運転が可能。
等の理由で、本発明は深海用動力源として最適な構造である。

発明の実施例

以下、図面により実施例を説明する。
（図１）は本発明の全体構造を示す平面図である。１，３ポジション直動ソレノイドが複数個（この例では５個、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ）を並べ、内部の２，プランジャーが３，ユニバーサル継手を介して４，クランク軸に軸受Ｂで受けて回転する。４，クランク軸は６，軸受Ａで支え回転運動をし、７，ギアーボックス内にて変速され必要な方向に回転を伝える。８，９，がその出力軸である。１０，軸受Ｃで、８，出力軸を支持する。１１，は全体の防塵カバーで、その内外の圧力差をゼロにするため、１２，フィルターを通して多少の海水が出入する事が出来る。１３，端子箱で、この中に１，ソレノイドに電源を供給する１４，端子板が樹脂で充満し強化される。
（図２）は直動を回転運動に変換する原理を示す。１，直動ソレノイドにパルスが（＋、−）加わると、２，プランジャーが作動し３，ユニバーサル継手を介して１７，ピストンロットが４，クランクシャフトを押したり（＋）引たり（−）する時の力を回転運動に返還する。いわば水中動力（水圧に関係ない）を効率よく発生する。
（図３）はソレノイドにタイミング良く矩形波を送る状態を示し、１９，は押す為の＋波形、２０，は引く為の−波形を示す。（図３）においては、１，直動ソレノイドがＡ，Ｂ，Ｃ，の３個の場合を示す。１，直動ソレノイドは奇数個が望ましい。又、ソレノイドの構造は＋、中立、−、の３ポジション構造が望ましい。

（図４）は本発明の主要部の断面を示す。
通常、直動式ソレノイドは、ボビンにコイルを巻き、コイルに通電すると内部のプランジャーが移動する。その復帰はバネによる。本発明は、この様に構造が単純なことに着目し、簡単な構造で深海でのどの様な水圧にも耐えられる動力源とした事である。（図４）はソレノイド本体の断面図で、ソレノイド自体は２２，ボビンに２１，コイルを捲いただけの単純な構造である。高耐圧構造にするための基本的なアイデアは、構造体以外は全ての部分（内外とも）で、すべての方向より同じ圧力を受けるようにすることであり、直動ソレノイドが最適であること。これに安定的に永続的に使用出来るよう配慮した。まず、２２，ボビンは強度が強く耐水性に優れた材質、例えば３フッ化樹脂（デルリン）や４フッ化樹脂（テフロン）等の樹脂を使用、また、２１，コイルは、絶縁用のエナメルを少し厚めに塗布して隙間無くぎっしり捲く。中間で、エナメルを塗布するとなお安全である。巻き終わったら、リード線を出して２４，ＦＲＰ等で覆い樹脂で固める。２３，プランジャー軸受は４フッ化樹脂（テフロンなど）で滑りやすく耐水性があり、温度変化や化学的に安定な樹脂を使用する。また、右図に示すように、この内外に、２，プランジャーの長手の方向に３０，溝をつけ、軸受部に水が通りやすくし、外部と常に同じ圧力を維持できることした。また、２，プランジャーの摺動する部分はクロムメッキなどで耐食性や耐摩耗性に配慮。

（図５）は１，ソレノイド全体を覆う２９，防塵カバーの正面断面図で、ステンレス製とする。この２９，防塵カバーには複数個の３２，フィルターを設け、多少の水が流通出来る事で、内外の圧力差を無くし深海のどの様な圧力でも対応できる。２９，防塵カバーには（図４）の２７，端子箱が顔を出す。この中には２６，端子板があり、２１，コイルのリード線を中継し、外部に引き出す。その中は樹脂で固めている。
右図は（図５）の側断面図である。（図６）とその右図は３２、フィルター部の構造を示す断面図で、フィルターの構造は丈夫で細かいメッシュのもので、ズックのような材質が良い。３２，フィルターは３４，当板で固定する。

（図７）は、ギアーボックス内部の構造の一例を示す。４，は本体より出力される主軸であり、６，軸受を通して７，ボックス内に導入し、３８，ギアー群で必要な回転を出力する。４０，は継手で本発明の応用例の構造体と連結する。また、３６，オームと３７，オームギアー出力軸を９０°転換し逆転防止とした。また、７，ボックスには３２，フィルターを取り付け、内外の圧力差を無くし高耐圧とした。
その右図は、４，主軸や８，出力軸の軸受で３２，フィルターにより防塵構造とした。
３９，サポート金具は６，軸受を押え、３２，フィルター付きボウジンカバーをサポートし、７，ボックスに固定する。

（図８）は他の実施例として電動機を耐圧構造にした構造を示す。
（図８）において、４１，電動機の内部４２，ローターと４３，ステーターの間に粘性の低い油を充満し、４４，油溜を設け、その材質（硬い合成ゴム）伸縮性があるため、海水の圧力と電動機内部の圧力が均衡して耐圧構造となる。また、ローターとステーターを逆にしてリード線を出しやすくした方法もある。しかしこれらは大きな出力とか耐久性に問題がある。

（図９）以下に本発明の深海用動力を使用した具体的な応用例を示す。（図９）は海底のメタンハイドレート（以下ＭＨと言う）を掘削する構想を表す全体図である。５５，は（図１０）に示す装置１で、海底より取り込んだＭＨガスを６６，６８，圧縮機にて圧縮し、６１，ガスタンクや６２，ガスボンベに貯蔵する。（図９）のＡは陸側、Ｂは海側で、５６，は（図１０）の右図に示す装置２で、５７，掘削装置によって掘削したＭＨをガス化する装置である。これらに供給する電力はＡ陸側に５８，風力発電機や５９，太陽光発電器で、６０，充電器に蓄えられる。（図９）において、（イ）は海底を示し（ロ）は泥土層を予め取り除いたＭＨ層を示す。５７，掘削装置はグルグル回転しながら掘削して進む。１１７，ケーブルの関係で、数回同方向に回転したら、次に反対方向に回転させる。
（図１１）は（図１２）と共に（図１９）に示す他の例で、５７，掘削装置により掘られたＭＨの塊をパイプによりＡ１から導入され、１０８，タンクに貯蔵され、１０９，ローラーにより砕かれ、１１０，コンベア上に並べられこれに、海面に近い８１，浮き球より温かい海水を引き込み、１１１，散水器で散水するとＭＨがガス化し、砂と水を吐き出す。

（図１１）は、ＭＨが比較的浅い海底に存在する場合のＭＨガス化装置で（図１２）は、（図１１）を具体的に示した他の例で、５７，掘削機により掘り起こされたＭＨの塊は、比重が軽いため（０．９１）パイプの中で上昇し、上昇すると海水の温度が上がるため自然にガス化する。その構想を（図１９）に示す。（図１９）において、５７，掘削機により掘られたＭＨは、９９，パイプを上昇する段階で、（図２７）の継手から温度の高い海水を吸い込みながら上昇するためにＭＨはガス化し、砂と水分を１００，フィルターにより分離する。１０１，もフィルターで砂を通さない細目にする。９７，は浮き体で、発泡スチロールなどで装置全体を浮かす。

（図１４）〜（図１６）は掘削機の構造の一例を示し、（図１７）（図１８）は、他の掘削機の例を示す構造図である。この場合、１５２，予備車輪で海底の凹凸を天地しながら進。
（図１４）において、必要な機能は除雪車と似た構造である。１２６，深海用ソレノイド式動力により掘削し、１２９，螺旋式車輪の１３３，掘削用鋸刃を回転しながらＭＨを拾い集め１３０，噴射機によって上方へ噴き出す。掘削用回転刃の構造は（図１５）からその右図に示す。（図１４）に示す本装置は、自走式であるが、前後に１２８，耐圧照明器、１２７，耐圧カメラを装備する。１２４，は制御器であり、樹脂で固形化する１２３，は本発明の深海用動力で、１２１，減速機である。１１９，は吐き出し口で、１１８，屋根で集め１１５，パイプで導入される。

ＭＨ掘削方法に関しての構想を（図１９）（図２０）に示す。（図１９）は、海面下５００ｍ〜１０００ｍの範囲で殿比較的浅い場所に、（図２０）はそれ以上の深海に使用した場合のシステムである。（図１９）において、５７，掘削機で掘り起こされたＭＨは７１Ｃ，パイプＣを通り５６，装置２に運ばれ、ガス化されたＭＨは７１Ａ，パイプＡで陸上の５５，装置１に運ばれる。７１Ｂ、はフレキシブルパイプを途中に配置する。５６，装置２は１５６，碇と１５７，ロープで一定場所に浮遊する。７１，パイプの途中途中には、（図１９）の右図の継手を配置し、水圧と温度を調整する。
（Ａ）はＭＨ層、（Ｂ）は海底地盤である。（Ｃ）海面（図２８）は１０００ｍ級の深海用ＭＨ採掘システムで、７４，装置２を５００ｍ程度の海底の地層に設置し、海面近くの温海水を８１，浮き玉より引き込み、ＭＨをガス化する。１６９，はブイで、５７，掘削機の位置を現す。
本発明は、この様に多様性を持ち海底の資源開発には欠かせないものとなる。また、海底資源の調査ロボットなどにも有効である。

本発明の主要部を表す配置図本発明の主要部をなす直動から回転運動への変換図ソレノイドへ送るパルス電圧のタイミング図本発明の主要部の直動ソレノイドの正面断面図本発明の主要部を保護するカバーの正面断面図本発明を保護するカバーのフィルターの断面図ギアーボックス断面図本発明の他の例で電動機の断面図本発明の他の応用例の平面配置図同上陸上装置１同上ＭＨガス化装置断面図１同上ＭＨガス化装置断面図２同上ＭＨガス化装置断面図３同上ＭＨ掘削装置構造断面図１掘削車輪の構造図の一例同上の車輪の一例を示し正面図ＭＨ掘削機の他の例の平面図同上の側面図ＭＨ採掘構想図（浅海用）同上掘削構想図（深海用）

１，３ポジション型直動ソレノイド２，プランジャー
３，ユニバーサルジョイント
４，クランクシャフト５，ピストン軸受
６，クランク軸受７，ギアーボックス
８，出力軸１９，出力軸２
１０，防塵ケース１１１，防塵ケース２
１２，フィルター１３，端子箱
１７，ピストンロット１８，ソレノイド支持板
１９，パルス（−）２０，パルス（＋）
２１，コイル２２，ボビン
２３，プランジャー軸受２４，ＦＲＰカバー
２５，補強カバー２６，端子板
２７，端子箱２８，ケーブル
２９，防塵カバー３０，プランジャー軸受溝
３１，プランジャーコーテング３２，フィルター１
３３，フィルター２３４，当板
３５，滑動材３６，オーム
３７，オームギアー３９，軸受固定板
４１，外匡４２，コイル
４３，ステーター４４，オイル溜り
４５，防塵カバー４６，フィルター
４７、カバー溶接４８，電動機シャフト
４９，減速ギアー
５５，装置１（ガス圧縮装置）５６，装置２（ガス化装置）
５７，装置３（掘削装置）５８，風力発電機
５９，太陽光発電機６０，蓄電器
６１，ガスタンク６２，ガスボンベ
６５，制御器６６，圧縮機
６８，高圧圧縮機７３，海面
７５，深海用動力装置７７，コンベア
７８，散水機８１，吸水球
８４，ガス化室８５，基台
８６，浮体９１，ガス吸入口
９０，ガス送風機９７，浮き体
９８，ガス室９９，ＭＨ導入パイプ
１００，フィルター１１０１，フィルター２
１０９，ローラー１１０，キャタピラ
１１１，散水機１１５，ＭＨ導入パイプ
１１７，ケーブル１１９，ＭＨ吐出パイプ
１２０，支柱１２１，変速機
１２２，ギアーボックス１２３，深海用動力装置
１２５，深海型カメラ１２６，深海用動力ソレノイド
１２７，深海型カメラ１２８，深海用照明
１２９，掘削車輪１３０，ＭＨ吹き上げ機
１３２，前車輪１３３，掘削刃
１３４，掘削刃裏打ち１３５，掘削刃保持体
１３６，刃固定具１３７，駆動歯車
１４０，深海用動力ソレノイド１４１，掘削車輪
１４９，深海用動力装置１５２，案内車輪
１５３，掘削物集合板１５４，制御器
１５５，フック１５６，碇
１５７，ロープ１５８，金属製ネット

Claims

深海下資源を掘削するための装置において、その耐高水圧動力源として、直動式ソレノイドを複数個使用し、直線運動を回転運動に変換してコンピュータで制御し、回転部は水を潤滑剤とし、その為可動部の装置はステンレスのカバーで覆い、フィルターを取り付け各部の水圧を、水深による外圧と常に同等にする事によって、強力で安定的な耐久性のある動力源を得る事を特徴とした深海用動力装置。
本装置に使用する直動式ソレノイドは、単体でも使用出来るが、複数個の３ポジション型とする事によって、“押す”（＋）と“引く”（‐）力を利用し、より大きな回転力を得る動力とした事を特徴とした（請求項１）記載の深海用動力装置。
３ポジション直動型ソレノイドのプランジャーの軸受部は４フッ化エチレンなどの安定したプラスチックを使用しプランジャーと平行に小さな溝を複数個設けた事を特徴とした（請求項１）記載の深海用動力装置。
本装置は、深海用動力装置として最適で有る事を具体的な応用例で示した（請求項１）記載の深海用動力装置。