JP2019078017A - 海洋資源揚鉱装置および海洋資源の揚鉱方法並びに海洋資源の集鉱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】集鉱効率を向上させ得る海洋資源揚鉱装置および海洋資源の揚鉱方法並びに海洋資源の集鉱方法を提供する。【解決手段】この海洋資源の集鉱方法は、集鉱ホッパ５およびこの集鉱ホッパ５の下部に開口する集鉱口を囲繞する可撓性の集鉱スカート７を有する集鉱装置３と、集鉱装置３内に装備されて海水よりも比重の軽いエマルションを駆動流体として駆動する採掘装置２と、を備える揚鉱装置１００を用い、集鉱ホッパ５の集鉱口を海中のレアアース泥床ＯＤの上方に対向配置するとともに、集鉱スカート７によりレアアース泥床表面と集鉱口とのの対向方向での離隔部を囲繞した状態で採掘装置２を駆動して、集鉱装置３内でのエマルションによる液液分離によりレアアース泥を集鉱する。【選択図】図１

Description

本発明は、海洋資源を集鉱する技術に係り、特に、海洋資源として深海に存在するレアアースを揚鉱する際に好適な集鉱技術に関する。

２０１２年、海洋資源として、南鳥島の排他的経済水域の深海で極めて高濃度なレアアースを含む泥（以下、「レアアース泥」という）が発見された。ここで、海底石油の人工採油技術や深海のレアアース泥の回収技術としては、高揚程多段スラリーポンプを複数ヵ所で直列に連結して回収するポンプリフト方式や、船上の空気圧縮機から各水深層の数か所に高圧空気を注入するエアリフト方式が考えられている。ポンプリフト方式としては、例えば、特許文献１（ターボ形）や特許文献２（斜流形インペラ）が開示されている。

特許第５４９０５８２号公報 特開昭５１−７２９０２号公報

しかし、従来のポンプリフト方式は、装置の構造が複雑であり、軽量化が困難なことから、安定した運転を確保する上で課題が多く、水中機器の信頼性、特に、高圧水深下での水中モータの軸シールの耐久性と信頼性に問題がある。また、深海からのレアアース泥の揚泥には、水深分の揚程を圧送するための多大なエネルギーが必要となる。

また、エアリフト方式は、水中機器が極めて少ないことから、ポンプリフト方式に比べて信頼性および耐久性に優れるものの、エネルギー効率が悪く、ポンプリフト方式以上のさらに多大なエネルギーを要するという問題がある。
さらに、いずれのリフト方式の場合も、レアアース泥のスラリー液を船上に回収する際は、海上から海底までライザー管等の揚鉱用配管を延設する必要があり、この種の揚鉱用配管の敷設には、多大な費用と多大な作業時間を要するという問題がある。そのため、集鉱効率を向上させる上で検討すべき課題が残されている。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、集鉱効率を向上させ得る海洋資源揚鉱装置および海洋資源の揚鉱方法並びに海洋資源の集鉱方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置は、海底で採掘された鉱物を集鉱する集鉱装置と、該集鉱装置に着脱可能に設けられる海洋資源揚鉱用バルンと、を備え、前記集鉱装置は、海上の母船上のウインチで昇降可能に垂下手段にて吊り下げられるとともに海中で前記鉱物がエマルションに混合された混合物を自身下部に設けられた集鉱口から集鉱する集鉱ホッパと、前記海洋資源揚鉱用バルンのバルン本体を前記集鉱ホッパに着脱可能に支持する集鉱管と、前記集鉱ホッパ内に前記集鉱口から自身の掘削部が突出するように設けられるとともに海上から供給ホースを介して供給されて海水よりも比重の軽いエマルションを駆動流体として駆動する採掘装置と、前記集鉱ホッパの集鉱口から垂下されるとともに集鉱時に該集鉱口と海底表面との対向方向での離隔部を囲繞する可撓性の集鉱スカートと、を有し、前記海洋資源揚鉱用バルンは、前記集鉱装置で集鉱した前記混合物を自身内部に貯鉱するとともに、前記混合物を貯鉱した状態での自身と海水との比重差で浮上するように構成されていることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明の他の一態様に係る海洋資源揚鉱装置は、海底で採掘された鉱物がエマルションに混合された混合物を自身下部に設けられた集鉱口から集鉱する集鉱ホッパと、該集鉱ホッパ内に前記集鉱口から自身の掘削部が突出するように設けられた採掘装置と、前記集鉱ホッパおよび前記採掘装置を海上の母船上のウインチで昇降可能に海底に吊り下げる垂下手段と、前記採掘装置にその駆動流体として海水よりも比重の軽いエマルションを海上から供給する駆動流体供給管と、前記採掘装置で採掘されるとともに前記集鉱ホッパ内に集鉱されて海洋鉱物を吸着した前記エマルションの混合物を揚鉱する混合物揚鉱管と、前記集鉱ホッパの集鉱口から垂下されるとともに集鉱時に該集鉱口と海底表面との対向方向での離隔部を囲繞する可撓性の集鉱スカートと、を備えることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る海洋資源の揚鉱方法は、本発明のいずれか一の態様に係る海洋資源揚鉱装置を用い、海上の母船の移動操作および母船上でのウインチの昇降操作の繰り返しにより、前記海洋資源揚鉱装置を海底で繰り返して移動および昇降させて前記採掘装置によりレアアース泥を採掘することを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る海洋資源の集鉱方法は、集鉱ホッパおよびこの集鉱ホッパの下部に開口する集鉱口を囲繞する可撓性の集鉱スカートを有する集鉱装置と、該集鉱装置内に装備されて海水よりも比重の軽いエマルションを駆動流体として駆動する採掘装置と、を備える装置を用い、前記集鉱ホッパの前記集鉱口を海中のレアアース泥床の上方に対向配置するとともに、前記集鉱スカートにより前記レアアース泥床表面と前記集鉱口との対向方向での離隔部を囲繞した状態で前記採掘装置を駆動して、前記集鉱装置内での前記エマルションによる液液分離によりレアアース泥を集鉱することを特徴とする。

ここで、本発明の一態様に係る海洋資源の集鉱方法において、前記集鉱装置は、海上の母船上でのウインチの昇降操作により垂下手段を介して昇降可能に海底に吊り下げられ、前記採掘装置の給進動作は、前記集鉱装置の昇降動作によるものであり、前記集鉱装置は、前記採掘装置の掘削開始時は、前記集鉱スカートが伸長状態となる離隔高さに吊り下げられ、前記採掘装置の掘進時は、前記ウインチによる前記垂下手段の繰り出し操作により前記集鉱装置が降下して、前記集鉱スカートを折り畳みつつ前記採掘装置の掘削を進行させることは好ましい。

また、本発明の一態様に係る海洋資源の集鉱方法において、前記レアアース泥床は、表層部に形成されてレアアース泥の含有量が相対的に少ない非レアアース泥堆積層と、該非レアアース泥堆積層よりも深い位置に形成されてレアアース泥の含有量が相対的に多いレアアース泥堆積層と、を有するものであり、前記採掘装置の掘進は、前記非レアアース泥堆積層を掘進するときには、前記エマルションに替えて海水を駆動流体として前記採掘装置を駆動し、前記レアアース泥堆積層を掘進するときには、前記エマルションを駆動流体として前記採掘装置を駆動することは好ましい。

本発明のいずれか一の態様に係る海洋資源揚鉱装置および海洋資源の揚鉱方法並びに海洋資源の集鉱方法によれば、集鉱スカートにより、レアアース泥床等の鉱床表面と集鉱口との対向方向での離隔部を囲繞した状態で採掘装置を駆動して、集鉱装置内でのエマルションによる液液分離によりレアアース泥等の海底で採掘された鉱物を集鉱できるので、エマルションの海中への漏出をより確実に防止または抑制して、集鉱効率を向上させることができる。

ここで、従来のポンプリフト方式では、深海からの海洋資源の揚鉱には水深分の揚程を圧送することが必要なので多大なエネルギーを要し、また、エアリフト方式では、エネルギー効率が悪く、ポンプリフト方式以上の多大なるエネルギーが必要となり、さらに、海上から深海の海底まで配管を設置することに多大な費用と時間を要したところ、本発明によれば、エマルションによる液液分離により集鉱されたレアアース泥等の海底で採掘された鉱物を含む混合物の比重を海水よりも小さくすることが可能である。
そのため、バルンや揚鉱管を用いてこの混合物を自らの比重差を利用して、海底で採掘された鉱物を容易に揚鉱させることができる。したがって、使用エネルギーの大幅な削減が可能であり、また、多大な費用と時間を要した海上から深海の海底までの揚鉱用配管の設置を不要とすることができる。

特に、本発明において、海水よりも比重の軽いエマルションを用いる構成において、当該エマルションとして、油（例えばケロシン）に界面活性剤（例えば、ドデシルスルホン酸ナトリウム）を混ぜたエマルションを用いることは好ましい。このようなエマルションを用いれば、比重（セ氏４度の蒸留水の密度との比）が０．８から０．８５になる。そのため、海水よりもエマルションが軽いので、混合物自らの比重差で浮上させるためのエマルションとして好適である。

ここで、海洋資源としてのレアアース泥に含まれるレアアースの品位はｐｐｍオーダーである。そのため、揚鉱前に海底で選鉱を行い、不要な脈石を予め取り除くことができれば、揚鉱にかかるコストを大幅に減らす上でより好ましい。
これに対し、本発明を完成する過程での研究によれば、レアアース泥中のアパタイトには、高品位にレアアースが吸着されている。そこで、このアパタイトを上記エマルションに吸着させることにより、レアアース泥から不要な脈石を除き、高品位にレアアースが吸着されているアパタイトを効率良く液液分離できるため、集鉱および揚鉱に際するエネルギー効率を向上させる上でより好適である。

上述のように、本発明によれば、集鉱効率を向上させることができる。

本発明に係る採掘装置を備える海洋資源揚鉱装置を用いた海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図では、海洋資源揚鉱システム全体として、海底において、海洋資源揚鉱装置により採鉱および集鉱を行っている状態を示すとともに、海上において、浮上したバルン本体内に貯鉱された混合物を吸引回収装置により吸引回収している状態を示している。 図１に示す海洋資源揚鉱装置の模式的正面図であり、同図では、集鉱装置を軸線に沿った断面で示すとともに、集鉱装置に海洋資源揚鉱用バルンを装着した状態を示している。 図２に示す海洋資源揚鉱装置の模式的平面図である。 図２にて符号２で示す複列ダウンホールモータの要部拡大図であり、同図（ａ）では各ダウンホールモータを軸線に沿った断面で示し、（ｂ）は複列ダウンホールモータを構成する複数のダウンホールモータの配列状態を、平面視にてビット部分を模式的に図示している。 図４（ａ）における一のダウンホールモータの部分の拡大図である。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図は、バルンが装着された海洋資源揚鉱装置を海上から海底に沈めるとともに、無人潜水機を海上から海中に投入する状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図は、海底に到達する際の海洋資源揚鉱装置に対し、一のバルンのカップラを無人潜水機のロボッットアームにより閉から開に切り替える状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図は、バルンのカップラを閉から開に切り替えた後、集鉱装置を稼働して、非レアアース泥堆積層を掘削している状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図は、海洋資源揚鉱装置により、レアアース泥堆積層での採鉱、集鉱および揚鉱を繰り返し行って、泥質堆積層中のレアアース泥を採掘装置で解泥しつつ、解泥したレアアース泥とエマルションとを混合してレアアースを吸着結合したエマルションの混合物とするとともに、該混合物を集鉱装置の集鉱管を通してバルン本体内に貯鉱する状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図は、海洋資源揚鉱装置により、レアアース泥堆積層での採鉱、集鉱および揚鉱を行っている状態の要部を拡大して示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図は、ロボットアーム付きの無人潜水機により、集鉱管の接続口に対するカップラの接続を解除して貯鉱状態のバルンを切り離す状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図は、切り離された貯鉱状態のバルンが海水と混合物との比重差で海上まで自ら浮上する揚鉱状態を示すとともに、他のバルンにて順次に貯鉱を継続している状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図は、アーム型ロボットを搭載した補助作業船で、リードワイヤを着脱する状態を示している。 本発明に係る採掘装置を備える海洋資源揚鉱装置を用いた海洋資源の揚鉱方法の第二実施形態の説明図であり、同図では、海洋資源揚鉱装置を海上から海底に沈める状態を示している。 図１４に示す第二実施形態の海洋資源揚鉱装置の模式的正面図であり、同図では、集鉱装置を軸線に沿った断面で示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第二実施形態の説明図であり、同図は、海底に到達した海洋資源揚鉱装置にて、非レアアース泥堆積層を掘削している状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第二実施形態の説明図であり、同図は、海底に到達した海洋資源揚鉱装置にて、レアアース泥堆積層で採鉱を行っている状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第二実施形態の説明図であり、同図は、海洋資源揚鉱装置により、採鉱、集鉱および揚鉱を行っている状態の要部を拡大して示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第二実施形態の説明図であり、同図は、海洋資源揚鉱装置により、採鉱、集鉱および揚鉱を繰り返し行いつつ、水平方向に移動している状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第二実施形態の説明図であり、同図は、海上の母船の移動操作および母船上でのウインチの昇降操作の繰り返しにより、海洋資源揚鉱装置を海底で繰り返して移動および昇降させて採掘装置によりレアアース泥を採掘している状態を示している。

以下、本発明の各実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。各実施形態は、深海に存在するレアアース泥等の海洋資源の集鉱および揚鉱技術として、従来のポンプリフト方式やエアリフト方式に替わる、採鉱装置およびこれを備える海洋資源揚鉱装置、並びに、海洋資源の採鉱方法の例である。
なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記実施形態に特定するものではない。

［第一実施形態］
まず、本発明に係る海洋資源揚鉱システムの第一実施形態の全体構成について説明する。
図１に示すように、第一実施形態の海洋資源揚鉱システムは、目的とする海域の海上Ｃに停泊される採鉱母船Ａ及び回収船Ｂと、海洋資源揚鉱装置１００（以下、単に「揚鉱装置」ともいう）と、ロボットアーム１０４ａ付きの無人潜水機１０４と、を備える。回収船Ｂには、吸引回収装置１０５が装備されている。

吸引回収装置１０５は、同図に示すように、船上に立設された多段ブームを有する回収アーム５７と、回収アーム５７のブーム先端に設けられた吸引カップラ５５と、吸引カップラ５５に接続されて多段ブームに沿って配管された吸引ホース５４と、吸引ホース５４の基端部に船内で接続されてバルン本体１０内に貯鉱された混合物Ｍａを吸引回収する吸引ポンプ５６と、を備える。

これにより、吸引回収装置１０５は、後に詳述するように、海底Ｄの集鉱装置３から切り離されたバルン本体１０が、海水Ｗと混合物Ｍａとの比重差で海上Ｃまで浮上した後に、回収アーム５７を駆動して海上Ｃに浮上したバルン本体１０の上部カップラ１２に吸引カップラ５５を接続し、次いで、吸引ポンプ５６を駆動して吸引ホース５４を介してバルン本体１０内に貯鉱された混合物Ｍａを回収船Ｂに吸引回収可能になっている。
さらに、吸引回収装置１０５は、バルン本体１０内に貯鉱された混合物Ｍａを回収船Ｂに回収した後に、吸引カップラ５５で上部カップラ１２を保持しつつ回収アーム５７の駆動によりバルン本体１０を回収船Ｂ上に回収可能になっている。

無人潜水機１０４は、遠隔操作型の無人潜水艇であり、同図に示すように、海上Ｃの採鉱母船Ａの動力供給装置４６から水中ケーブル４５を介して動力が供給されるように構成されている。採鉱母船Ａ上には、動力供給装置４６の駆動をオペレータの操作に応じて制御するコントローラ（図示せず）が設けられている。無人潜水機１０４は、海上Ｃの採鉱母船Ａから海中に投入され、海中で、揚鉱装置１００に対してロボットアーム１０４ａの操作により、必要な作業が行えるように構成されている。
なお、無人潜水機１０４の電源は、採鉱母船Ａの動力供給装置４６から水中ケーブル４５を介して電力を供給する構成に限定されず、無人潜水機１０４内に内蔵したバッテリから供給してもよいし、採鉱母船Ａからの水中ケーブル４５とは別途の水中ケーブルにより供給してもよい。

次に、第一実施形態の揚鉱装置１００について詳しく説明する。
第一実施形態の揚鉱装置１００は、図１に示すように、海底Ｄで採掘された鉱物を集鉱する集鉱装置３と、集鉱装置３に着脱可能に設けられる複数の海洋資源揚鉱用バルン１（以下、単に「バルン」ともいう）と、集鉱装置３と一体に採掘装置として装備されるとともに複数機のダウンホールモータを併設してなる複列ダウンホールモータ２と、を備える。

第一実施形態の揚鉱装置１００は、同図に示すように、海上の採鉱母船Ａ上に配置されたウインチ２９から滑車２８ａを介して延びる垂下手段であるワイヤロープ２８によって吊り下げられ海中に投入される。本実施形態では、海上の採鉱母船Ａが海底Ｄでの所定の揚鉱スケジュールに従って航行することにより、上記バルン１、集鉱装置３及びその内部にある採掘装置としての複列ダウンホールモータ２が海底Ｄで一体に移動するように構成されている。

そして、この揚鉱装置１００は、海上Ｃの採鉱母船Ａから海底Ｄのレアアース泥床ＯＤに向けて投入され、複列ダウンホールモータ２を稼働することにより、レアアース泥床ＯＤの泥質堆積層中のレアアース泥Ｄｒを解泥するとともに、解泥したレアアース泥ＤｒとエマルションＥｍとを混合してレアアースを吸着結合したエマルションの混合物Ｍａとし、さらに、集鉱装置３に装着されているバルン１に貯鉱させるものである。
以下、第一実施形態の揚鉱装置１００の各装置の構成について詳しく説明する。なお、本明細書において、「解泥」とは、泥質堆積層の泥を解きほぐすことをいう。また、「泥質堆積層」とは、「非レアアース泥堆積層」および「レアアース泥堆積層」のいずれをも含む意味である。

まず、第一実施形態の集鉱装置３について詳しく説明する。
第一実施形態の集鉱装置３は、図２に拡大図示するように、平面視が円形のベースプレート４と、ベースプレート４に基端部が固定されるとともに、下方に向けて拡径する円錐台状枠体である集鉱ホッパ５と、集鉱ホッパ５の集鉱口５ｍから垂下された可撓性の集鉱スカート７と、ベースプレート４の上面に基端部が接続されるとともに上方に向かって張り出すように設けられた複数の集鉱管６と、を備える。

ベースプレート４の周縁部には、適所に複数の垂下用ワイヤ２８ｈが装着され、複数の垂下用ワイヤ２８ｈは、上部中央の一箇所の位置に集められて、連結ジョイント２８ｊによりワイヤロープ２８の先端に着脱可能に接続されており、ワイヤロープ２８によって集鉱装置３全体が吊り下げられるように構成されている。

ここで、この集鉱装置３は、沈降時のウェイトを兼ねており、集鉱装置３の自重により自身の沈降時の姿勢を安定させるとともに、複数のバルン１とともに海中に投入された際に、集鉱装置３の自重によりバルン本体１０を海底Ｄにまで確実に沈め且つバルン本体１０の内部に混合物Ｍａを十分に貯鉱した際にも、その自重によりバルン本体１０の浮上を阻止するとともに作業時の姿勢が安定する質量に設定されている。

上記集鉱スカート７は、集鉱ホッパ５の集鉱口５ｍを囲繞するように垂下されたスカート本体７ａと、スカート本体７ａの下部に設けられた円環状のスカート縁部８とを有する。
スカート本体７ａは、可撓性を有するとともに水および油が漏れないように構成された化学繊維等のシートから円筒状に形成されている。スカート本体７ａの上縁部７ｕは、円形の集鉱口５ｍ全周に亘って隙間なく固定されている。スカート本体７ａの下縁部７ｓには、上記スカート縁部８が下縁部７ｓ全周に亘って隙間なく固定されている。

さらに、本実施形態のスカート本体７ａには、円筒状のスカート本体７ａの周方向に沿って円環状に形成された多数の蛇腹折目７ｂが、スカート本体７ａの垂下方向に離隔して繰り返し折り返して形成されており、これにより、集鉱ホッパ５と鉱床表面との対向距離が所定範囲で変化した場合でも、その変位量に追従して折り畳まれることで、容易且つ安定した短縮状態への変形が可能になっている。

また、スカート縁部８は円環状に形成された金属製の枠体であり、沈降時のウェイトを兼ねており、スカート縁部８の自重により自身およびスカート本体７ａの沈降時の垂下姿勢を安定させている。また、スカート縁部８の適所には、重鎮としての複数の下部アンカー９が設けられており、下部アンカー９により海面上の着床姿勢がより安定するようになっている。

さらに、本実施形態のスカート縁部８は、水平な複数の直線部８ａと、上方に凸の円弧状に形成された複数の湾曲部８ｂと、が交互に並ぶ波型円環状に形成されている。これにより、複数の湾曲部８ｂがｌ着底時の排水部として機能し、後述するように、集鉱ホッパ５と鉱床表面との間を塞いで集鉱性を向上させつつも、エマルションによる液液分離により集鉱されたレアアース泥を含む混合物と比重差で置換される海水の排水が可能となり、また、海水とともに選鉱後の不要な脈石の排出が可能になっている。

また、第一実施形態の集鉱装置３には、海底Ｄでの採掘作業を海上Ｃの採鉱母船Ａからオペレータが監視するために、水中照明機１０７および水中カメラ１０８が装備されている。水中照明機１０７および水中カメラ１０８は、不図示のアンビリカブルケーブルを介して海上Ｃの採鉱母船Ａに接続され、稼働のための電力が供給されるとともに、海上Ｃの採鉱母船Ａとの間で必要な信号を授受可能になっている。

この例では、水中照明機１０７は、上記円環状のスカート縁部８の適所に設けられた下部アンカー９に、水平に張り出す支持アーム１０７ａの先端に海底Ｄ側に向けて固定され、海底Ｄでの必要な範囲を所期の明るさで照明可能になっている。また、水中カメラ１０８は、水中照明機１０７を装着した側とは反対側の下部アンカー９に、水平に張り出す支持アーム１０８ａの先端に海底Ｄ側に向けて固定され、水中照明機１０７で照明された範囲を撮像可能に設置されている。

複数の集鉱管６は、第一実施形態の例では、ベースプレート４の周方向に離隔して８本が等配されている。第一実施形態では、各集鉱管６の途中部分と集鉱ホッパ５の周縁部の適所とが補強支柱６ｓにより相互に連結され、集鉱管６の張り出し姿勢が保持されている。これにより、第一実施形態の集鉱装置３は、複数のバルン１を着脱可能なバルンマガジンを構成している。
なお、複数の集鉱管６相互の配置は、装着された隣り合うバルン１相互の集鉱時の拡充状態において、隣接する他のバルン１に干渉しないように配置され且つ適所にて屈曲して形成されている。なおまた、複数のバルン１に対する集鉱および揚鉱時に、隣接する他のバルン１に干渉しないように揚鉱スケジュールが設定される。

各集鉱管６の基端部は、集鉱ホッパ５の上部に画成された安定室部分５ｓに連通するように、ベースプレート４の上面に形成された接続用の開口部に連結されている。また、各集鉱管６は、集鉱管６の上部にカップラ６ｃが装着されており、このカップラ６ｃを介してバルン１の下部カップラ１１が着脱可能に接続される。本実施形態では、集鉱管６の上部には混合物導出部６ｄが形成されている。混合物導出部６ｄは、カップラ６ｃの位置よりも更に上方に、混合物導出部６ｄの先端６ｅが張り出して形成され、浮上するエマルションの混合物Ｍａをバルン本体１０の内部に確実に導けるように構成されている。

集鉱管６のカップラ６ｃと下部カップラ１１とは、上記無人潜水機１０４のロボットアーム１０４ａの操作により、相互の接続状態を解除可能に構成される。これにより、各集鉱管６は、レアアースを吸着結合したエマルションの混合物Ｍａを通過させてバルン本体１０内に貯鉱可能になっており、また、貯鉱後には、集鉱管６の上端からバルン本体１０を切り離せるようになっている。

次に、第一実施形態の海洋資源揚鉱用バルン１についてより詳しく説明する。
第一実施形態の海洋資源揚鉱用バルン１は、集鉱装置３とともに海上Ｃから海底Ｄに沈められて、集鉱装置３により海底Ｄで採掘された鉱物としてのレアアース泥Ｄｒを、レアアース泥Ｄｒと吸着結合したエマルションＥｍの混合物Ｍａとして貯鉱するとともに、海上まで揚鉱するものである。

詳しくは、バルン１は、図２に示すように、海中で混合物Ｍａを内部に貯鉱するバルン本体１０を備える。バルン本体１０は、可撓性を有するとともに水および油が漏れないように構成された化学繊維等のシートから袋状に形成されている。
バルン本体１０は、その内部に混合物Ｍａが貯鉱されていない沈降時には、略紡錘状（同図左端の形状）をなす萎縮状態とされ、内部に混合物Ｍａが貯鉱された浮上時には、上部に向けて拡径する円錐状（同図右端の形状）をなす拡充状態に変形可能に形成されている。

バルン本体１０の下部には、円形の開口部１０ｓが形成され、この開口部１０ｓの周方向の適所には、複数の連結ワイヤ１０ｗの上端が装着され、複数の連結ワイヤ１０ｗの下端と下部カップラ１１の上部とが相互に連結されている。
これにより、下部カップラ１１とバルン本体１０とが、複数の連結ワイヤ１０ｗで相互に繋がれ、バルン本体１０の下部の開口部１０ｓが海中に開口するように構成されている。また、下部カップラ１１は、上記集鉱装置３の集鉱管６に着脱可能な接続口を有しており、上述した、集鉱管６上部のカップラ６ｃに着脱可能に装着されるように構成されている。

また、バルン本体１０の上部には、上記吸引カップラ５５と着脱可能かつ内部流路を開閉可能な上部カップラ１２が設けられている。上部カップラ１２は、内部流路を開状態のときに、バルン本体１０の内部と外部とを連通させ、集鉱装置３とともに海中に沈められるときには、バルン本体１０の外部から内部に海水が充填可能となる。
また、上部カップラ１２は、内部流路が閉状態のときには、バルン本体１０の内部と外部との連通状態を遮断するとともに、上述した吸引カップラ５５と接続可能となる。なお、吸引カップラ５５と接続された状態では、上部カップラ１２の内部流路が開状態となる。

さらに、バルン本体１０の上部中央には、浮力体１４が装着されている。浮力体１４は、沈降時におけるバルン本体１０の沈降姿勢を安定させるとともに、後述するように、海中で混合物Ｍａをバルン本体１０の内部に貯鉱した後に、バルン本体１０の下部カップラを集鉱管６から切り離すことにより、バルン本体１０が混合物Ｍａと海水との比重差で海上まで浮上するときに、バルン本体１０の浮上力および浮上姿勢を補助する程度の浮力を有する。

ここで、第一実施形態のバルン１は、バルン本体１０とワイヤロープ２８とを繋ぐとともに当該バルン本体１０の浮上時にワイヤロープ２８に沿って当該バルン本体１０を案内するリードワイヤ１３を有する。このリードワイヤ１３は、図２に示すように、リードワイヤ１３の一端が、バルン本体１０の上部中央に連結されており、リードワイヤ１３の他端が、ワイヤロープ２８に沿ってスライド移動可能に外嵌するガイド用浮力体１３ｇに連結されている。

ガイド用浮力体１３ｇは、ワイヤロープ２８に対して海上Ｃにて容易に着脱可能な着脱構造を有している。この着脱構造として、本実施形態では、ガイド用浮力体１３ｇをワイヤロープ２８に沿って分割された二つの分割体から構成し、二つの分割体相互を係脱可能な係合部を設けている。なお、ワイヤロープ２８に対する複数のガイド用浮力体１３ｇの積層順は、所定の揚鉱スケジュールに従うバルン１の揚鉱順序に対応して積層されている。

また、リードワイヤ１３の途中部分には、リードワイヤ１３の浮遊姿勢を安定させるために、複数のリード用浮力体１３ｆが、リードワイヤ１３の適所に配置されている。本実施形態では、６個の浮力体３ａは、ワイヤ延在方向に離隔してリードワイヤ１３の適所に取り付けられており、海中にあるときには複数の浮力体３ａによりリードワイヤに浮力が付与される。

そして、バルン本体１０は、図１および図１１に示すように、海中で混合物Ｍａをバルン本体１０の内部に貯鉱した後、無人潜水機１０４によるロボットアーム１０４ａの操作により、下部カップラ１１と集鉱管６のカップラ６ｃとの接続を解除することで、ウェイトを兼ねた集鉱装置３から切り離すことにより、バルン本体１０が混合物Ｍａと海水との比重差で海上Ｃまで自ら浮上するように各部の相対質量が設定されている。

次に、第一実施形態の複列ダウンホールモータ２についてより詳しく説明する。
第一実施形態の複列ダウンホールモータ２は、図２に示すように、上記ベースプレート４の下面中央に下方に向けて垂下された姿勢で固定される。この複列ダウンホールモータ２は、全体を支持するための採掘装置支持筐体７３を有する。採掘装置支持筐体７３は、上下に延びる鋼製フレームから形成された筐体構造を有し、その上端がベースプレート４の下面中央に固定され、下端側が下方に垂下された状態で保持される。
これにより、本実施形態の複列ダウンホールモータ２は、複列ダウンホールモータ全体の中心位置と同軸上に上記集鉱ホッパ５が位置し、集鉱ホッパ５下部が下方に向けて拡径して海中に開口している姿勢で、複列ダウンホールモータ２を囲うように集鉱ホッパ５および集鉱スカート７が配設される。

さらに、第一実施形態の複列ダウンホールモータ２は、採掘装置支持筐体７３内の中央に駆動流体供給管７２が配置され、ベースプレート４の上面中央には、複列ダウンホールモータ２を駆動するための駆動流体供給ホース２６が接続されている。
そして、駆動流体供給管７２の上端がベースプレート４の位置で、不図示のカップラを介して駆動流体供給ホース２６に接続される。なお、集鉱ホッパ５の内周面と駆動流体供給管７２の外周面との間には、複数のサポートリブ５ｒが水平方向に張り渡されており、駆動流体供給管７２の垂下姿勢が高剛性で保持されている。

また、駆動流体供給管７２の下端には、扁平円筒状に画成された駆動流体分岐室７１が設けられ、一の駆動流体供給管７２に供給された駆動流体を、各ダウンホールモータ２Ａ〜２Ｌそれぞれに等分に分岐して供給可能になっている。各ダウンホールモータ２Ａ〜２Ｌの基端部、即ちハウジング１５から一体に延びる連結ハウジング２３は、集鉱装置３のベースプレート４の中央部に支持されている。ベースプレート４の周囲には、周方向に離隔して等配された複数の集鉱管６の基端部がそれぞれ接続されている。

複列ダウンホールモータ２は、図４に示すように、複数のダウンホールモータが、各軸線を縦にして並列配置されている。第一実施形態の例では、同図（ｂ）に平面視の配列状態を示すように、単位となるダウンホールモータ２Ａ〜２Ｌの１２基により構成されている。集鉱ホッパ５の下端から下方に張り出している各ダウンホールモータ２Ａ〜２Ｌの掘削部であるビット９０の張り出し位置は、海底下の４〜６ｍ程度の所定深度に届く分だけ長く設定されている。
特に、複数のダウンホールモータ２Ａ〜２Ｌ相互は、隣り合うダウンホールモータとは、回転方向が逆になるように構成されており、複列ダウンホールモータ２全体として、駆動時の反力が相殺されるようになっている。なお、以下、複列ダウンホールモータ２を構成する複数のダウンホールモータ２Ａ〜２Ｌのうち、任意の一のダウンホールモータについては、「符号２Ｘ」を付して説明する。

一のダウンホールモータ２Ｘは、図５に示すように、上下方向に延びる連結ハウジング２３と一体に形成されたハウジング１５を備える。連結ハウジング２３内には、ダウンホールモータ２Ｘの駆動流体として、海水および海水よりも比重が軽い（小さい）エマルションＥｍが注入される駆動流体供給路２３ａが形成される。なお、各連結ハウジング２３の上端には、上述した駆動流体分岐室７１から駆動流体供給管７２を介して図２に示す駆動流体供給ホース２６が接続される。

駆動流体供給ホース２６は、図１に示すように、採鉱母船Ａ上のホースリール２７に巻回されるとともに、採鉱母船Ａ上に設置された圧送ポンプ（図示せず）に連結されている。採鉱母船Ａ上には、圧送ポンプの駆動をオペレータの操作に応じて制御するコントローラ（図示せず）が設けられている。圧送ポンプは、オペレータの操作に応じて、駆動流体として、海水およびエマルションの一方を選択して複列ダウンホールモータ２に供給可能に構成されている。

図５に示すように、連結ハウジング２３と一体に形成されたハウジング１５は、上部ハウジング１６と、上部ハウジング１６の下端に同軸に装着された中空円筒状の下部ハウジング１７とを有する。ダウンホールモータ２Ｘは、使用時には、ハウジング１５の軸線を上下方向として海中に配備される。ハウジング１５は、内部が軸方向に沿って貫通しており、上端部及び下端部に開口を有している。

ハウジング１５の上部ハウジング１６の上部開口に連通する流路が、海水およびエマルションＥｍをダウンホールモータ２Ｘに選択的に導入する駆動流体供給路１８になっている。この駆動流体供給路１８が、海水またはエマルションＥｍの導入口を構成する。本実施形態では、駆動流体として、海水または高圧のエマルションＥｍが、駆動流体供給ホース２６から連結ハウジング２３の駆動流体供給路２３ａを介して駆動流体供給路１８に選択的に導入される。

上部ハウジング１６の下端には、インロー凸部１６ｔが設けられ、下部ハウジング１７の上端には、インロー凹部１７ｄが設けられている。インロー凸部１６ｔとインロー凹部１７ｄとは、インロー嵌合され、その状態で相互が連結されている。そして、上部ハウジング１６には、第１シャフト２０が回転自在に支持され、下部ハウジング１７には、第２シャフト３０が回転自在に支持されている。

上部ハウジング１６は、軸方向で下部の位置に、第１シャフト支持部５１を備えている。第１シャフト支持部５１は、複数の軸受５１ｊと、複数の軸受５１ｊを上下の軸方向から自身の鍔部で挟持するようにそれぞれ装着される第１のブッシュ４１及び第２のブッシュ４２と、第１のブッシュ４１の内周面と第１シャフト２０の基端部２１の外周面との間に介装された第１のシール６１と、第２のブッシュ４２の内周面と第１シャフト２０の基端部２１の外周面との間に介装された第２のシール６２と、下部開口に装着される円環状の支軸部キャップ８２と、を有する。

第１シャフト支持部５１は、上記インロー嵌合による連結時に、上部ハウジング１６内の凹の段部に装着された複数の軸受５１ｊおよびその両側の二つのブッシュ４１、４２が、上部ハウジング１６の下部開口部に装着された支軸部キャップ８２によって軸方向に挟圧されることにより、装着状態が保持される。

その装着状態において、第１シャフト支持部５１は、上部ハウジング１６の軸線に対して所定の偏心距離Ｅだけ偏心した位置に第１シャフト２０の基端部２１を支持するように複数の軸受５１ｊが軸線方向に沿って配置され、複数の軸受５１ｊを介して第１シャフト２０の基端部２１を回転自在に支持する。第１シャフト支持部５１の複数の軸受５１ｊの両側は、第１のシール６１および第２のシール６２により、第１シャフト２０の基端部２１の外周面と上部ハウジング１６の内周面との間がシールされる。

下部ハウジング１７には、軸方向の上下に離隔して、二つの第２シャフト支持部５２、５３が設けられている。上部側を支持する第２シャフト支持部５２は、複数の軸受５２ｊと、複数の軸受５２ｊを軸方向の上方から自身鍔部で挟持するように装着される第３のブッシュ４３と、第３のブッシュ４３の内周面と第２シャフト３０の外周面との間に介装された第３のシール６３と、を有して構成されている。

また、下部側を支持する第２シャフト支持部５３は、複数の軸受５３ｊと、複数の軸受５３ｊを軸方向の下方から自身鍔部で挟持するように装着される第４のブッシュ４４と、第４のブッシュ４４の内周面と第２シャフト３０の外周面との間に介装された第４のシール６４と、円環状のフロントキャップ８１と、を有して構成されている。

第２シャフト３０の外周面には、軸方向の中央部に、凸の段部３１ｍが形成されており、上下の軸受５２ｊ、５３ｊの凸の段部３１ｍ側の側面が、凸の段部３１ｍの側面に当接するように装着されるとともに、下部ハウジング１７の下部開口部に装着されたフロントキャップ８１の装着によって軸方向に挟圧されることにより装着状態が保持される。なお、フロントキャップ８１は、図示しない複数の埋め込みボルトにより下方から固定される。

その装着状態において、上下の第２シャフト支持部５２、５３は、下部ハウジング１７の軸線に対して同軸となる位置に第２シャフト３０の外周面を支持するように、複数の軸受５２ｊ、５３ｊが軸線方向に沿って配置され、複数の軸受５２ｊ、５３ｊを介して第２シャフト３０の外周面を回転自在に支持する。

また、第２シャフト支持部５２、５３の複数の軸受５２ｊ、５３ｊの上下の側は、第３のシール６３および第４のシール６４により、第２シャフト３０の外周面と下部ハウジング１７の内周面との間がシールされる。なお、本実施形態では、各シャフト２０、３０を支持する複数の軸受５１ｊ、５２ｊ、５３ｊに、スラスト荷重およびラジアル荷重を受ける深溝玉軸受を使用しているが、これに限定されず、種々の軸受を用いることができる。

ここで、第一実施形態のダウンホールモータ２Ｘは、上述した下部ハウジング１７内に、流体モータ機構を構成する駆動機構部７０が設けられている。
詳しくは、第１シャフト２０は、基端部２１と、基端部２１の先端側に形成されたインナロータ部２２とを一体に有して構成されている。基端部２１の上面には、上述した駆動流体供給路１８に連通して、基端部２１の軸方向に沿って駆動流体導入路２５が形成されている。基端部２１の駆動流体導入路２５は、基端部２１とインナロータ部２２との境となる位置まで延設されている。

そして、基端部２１とインナロータ部２２との境となる位置には、複数の駆動流体導出口２４が、駆動流体導入路２５の先端部と下部ハウジング１７の内部とを連通するように径方向に形成されている。つまり、第１シャフト２０には、駆動流体供給路１８側から順に連通形成された、駆動流体導入路２５および駆動流体導出口２４によって、自身基端側の連結ハウジング２３内部の駆動流体供給路２３ａから導入されたエマルションＥｍを自身先端側の駆動流体導出口２４から吐出可能な駆動流体流路が設けられている。

さらに、インナロータ部２２は、第１シャフト２０の基端部２１の先端から軸方向に沿って同軸に下方に向けて垂下された状態で延設され、その延設された部分に、雄ねじ状の外周面を有している。一方、第２シャフト３０は、金属製で中空円筒状をなす外筒部３１と、外筒部３１内に配置されたゴム製のアウタロータ部３２とを一体にして構成され、アウタロータ部３２は、雌ねじ状の内周面を有している。

第一実施形態の駆動機構部７０は、内周面に（Ｎ＋１）条雌ねじを有するアウタロータ部３２と、外周面にＮ条雄ねじを有するインナロータ部２２とを備える。そして、アウタロータ部３２の回転軸線ＣＬ２に対し、インナロータ部２２の回転軸線ＣＬ１は、相互の軸心が所定の偏心距離Ｅだけ離れた平行な２軸となるように配置され、インナロータ部２２とともにアウタロータ部３２が、Ｎ／（Ｎ＋１）の回転角度で連れ回り駆動可能に構成されている。但し、Ｎは１以上の自然数である。

ここで、第一実施形態の例では、駆動機構部７０は、隣接する他のダウンホールモータ２Ｘに対して回転方向を逆にするために、一のダウンホールモータ２Ｘにおいて、インナロータ部２２の螺旋部２２ｒが、左巻き２条雄ねじになっており、アウタロータ部３２の螺旋部３２ｒの形状が、１２０度間隔の頂点を有する横断面が３角リング形状の左巻き３条雌ねじになっている。

さらに、当該一のダウンホールモータ２Ｘに隣接する他のダウンホールモータ２Ｘは、インナロータ部２２の螺旋部２２ｒが、右巻き２条雄ねじになっており、アウタロータ部３２の螺旋部３２ｒの形状が、１２０度間隔の頂点を有する横断面が３角リング形状の右巻き３条雌ねじになっており、複列数に応じて、続く他のダウンホールモータ２Ｘにおいて同様に螺旋部のねじ巻方向が互い違いに設定されている。これにより、図４（ｂ）に回転方向のイメージを矢印にて示したように、隣り合うダウンホールモータ２Ｘ相互の回転方向が、互いに逆方向に設定されている。

そして、各ダウンホールモータ２Ｘは、インナロータ部２２外周面の螺旋部２２ｒがアウタロータ部３２の螺旋部３２ｒに内装され、相互の隙間には、駆動に応じて独立した密閉空間とされるキャビティＫが軸方向の複数個所に画成されている。

第２シャフト３０の先端には、掘削用のビット９０が装着される。本実施形態では、第２シャフト３０の外筒部３１の先端は、フロントキャップ８１よりも下部ハウジング１７の下方に張り出してビット装着部３３とされている。ビット装着部３３の外周面には、ビット９０を接続可能な雄ねじが形成され、ビット９０は、自身基端部が第２シャフト３０先端のビット装着部３３に接続される。

各ダウンホールモータ２Ｘのビット９０の下面には、海水またはエマルションＥｍを吐出するビットノズル９１が、中央部から放射状に複数に分岐して開口しており、複数のキャビティＫを経た高圧の海水またはエマルションＥｍをビットノズル９１から噴射可能になっている。なお、ビットノズル９１を設ける位置は、本実施形態のようにビット９０自体に形成する他、ビット９０の近傍に設けることができる。

これにより、各ダウンホールモータ２Ｘは、インナロータ部２２とアウタロータ部３２とが、インナロータ部２２の回転軸線ＣＬ１とアウタロータ部３２の回転軸線ＣＬ２とを並列に且つ所定の偏心距離Ｅだけ離してそれぞれ回転自在に支承される。そして、各ダウンホールモータ２Ｘを駆動するときは、駆動流体供給路１８、駆動流体導入路２５、駆動流体導出口２４を介して駆動機構部７０の上部の位置３１ｕに、海水またはエマルションＥｍを導入し、インナロータ部２２とアウタロータ部３２とで画成されるキャビティＫに高圧の海水またはエマルションＥｍを流し込む。

これにより、各ダウンホールモータ２Ｘは、ねじポンプの原理（逆作動）でインナロータ部２２とアウタロータ部３２とが所定比率で回転され、アウタロータ部３２と一体の第２シャフト３０を回転部として回転駆動し、その外筒部３１を延設してなるビット装着部３３に装着されたビット９０を回転しつつ、ビット９０の回転による掘削力と、ビット９０のビットノズル９１から噴射されるエマルションＥｍの流体力とによってレアアース泥床ＯＤの泥質堆積層を解泥可能になっている。

さらに、各ダウンホールモータ２Ｘの外周であってビット９０の上部の位置には、複数の攪拌翼２１２〜２１７を有する攪拌部２１８が設けられている。本実施形態の攪拌部２１８は、ビット９０と一体に形成された中空円筒状の攪拌軸２００を有する。攪拌軸２００は、ハウジング１５の外周面を囲繞するようにハウジング１５と同軸に配置される。攪拌軸２００は、ハウジング１５との間に軸受２０１が介装され、ハウジング１５と干渉することなく、回転部である第２シャフト３０と一体で回転するように構成されている。

ここで、攪拌部２１８は、複数の攪拌翼として、６枚の攪拌翼２１２〜２１７を有する。各攪拌翼２１２〜２１７は、中心部がそれぞれ攪拌軸２００と一体に設けられ、相互が軸方向上下に離隔配置されている。各攪拌翼２１２〜２１７は、攪拌軸２００の中心から径方向に放射状に延びる複数の羽根を有する。攪拌部２１８は、各ダウンホールモータ２Ｘが駆動されると、第２シャフト３０の回転とともに、６枚の攪拌翼２１２〜２１７をも同時に回転し、所期の攪拌動作が行えるようになっている。

次に、上述した第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１００を備える海洋資源揚鉱システムを用いた海洋資源の揚鉱方法について説明する。
海洋資源としてのレアアース泥Ｄｒを吸着結合したエマルションＥｍの混合物Ｍａを揚鉱するには、先ず、採鉱母船Ａ及び回収船Ｂを目的とする海域の海上に停泊させる。
そして、図６に示すように、複数のバルン１を集鉱装置３に装着した状態の揚鉱装置１００を、海上の採鉱母船Ａ上に配置されたウインチ２９から滑車２８ａを介して延びるワイヤロープ２８によって海底Ｄのレアアース泥床ＯＤに向けて沈める（揚鉱装置沈下工程）。

この揚鉱装置沈下工程においては、バルン１の上部カップラ１２は開いた状態となっており、バルン本体１０の下部の開口部１０ｓからバルン本体１０内に海水が入り込む。なお、第一実施形態では、採掘装置としての複列ダウンホールモータ２が装備された集鉱装置３を複数のバルン１とともに海上の採鉱母船Ａから海中の採鉱位置に投入することになる。また、揚鉱装置１００の投入に際し、複列ダウンホールモータ２は、各ダウンホールモータ２Ａ〜２Ｌのビット９０が、集鉱ホッパ５の下端から下方に張り出しているので、ビット９０をレアアース泥床ＯＤに押し当てる位置に配備する。このとき、集鉱スカート７は、スカート縁部８が沈降時のウェイトを兼ねているため、スカート本体７ａが伸長した状態で垂下される。

そして、同図に示すように、ダウンホールモータ２の海中への投入と同時に、無人潜水機１０４を海上の採鉱母船Ａから海中に投入する（無人潜水機投入工程）。無人潜水機１０４を海中に投入した後、オペレータが採鉱母船Ａ上から無人潜水機１０４を操作し、無人潜水機１０４のロボットアーム１０４ａにより海底Ｄに到達した各バルン１の上部カップラ１２を開から閉に切り替える（カップラ閉鎖工程）。

なお、本実施形態のバルン１は、図２に示したように、下部カップラ１１とバルン本体１０とが、複数の連結ワイヤ１０ｗで相互に繋がれた状態でバルン本体１０下部が海中に開口している。そのため、ワイヤロープ２８によって揚鉱装置１００を海底Ｄのレアアース泥床ＯＤに向けて沈める際の降下速度によるものの、降下速度を速めると、バルン本体の上部カップラ１２が閉の場合、下部の開口部１０ｓからバルン本体１０内部への海水の流入量が多くなり、各バルン１が広がりすぎる懸念がある。そのため、降下時には、バルン本体１０の上部カップラ１２を開にして、降下時のバルン本体１０の萎縮姿勢を安定させ、海底Ｄに到達した後に、上部カップラ閉鎖工程にて、各バルン１の上部カップラ１２を開から閉に切り替えている。

次いで、図７に示すように、オペレータが採鉱母船Ａ上から無人潜水機１０４を操作し、無人潜水機１０４のロボットアーム１０４ａの操作により、所定の揚鉱スケジュールに従い貯鉱順が設定された対象のバルン１について、集鉱管６に接続されたバルン１の下部カップラ１１の開閉弁を開状態に設定する（集鉱管路接続工程）。
集鉱管６に接続された状態では、複数のリード用浮力体１３ｆおよび上部の浮力体１４の作用により、萎縮状態のバルン本体１０の上端が海中で浮遊して紡錘状の沈降姿勢が安定している。このため、無人潜水機１０４による下部カップラ１１の開閉作業を容易に行うことができる。

そして、集鉱管路接続工程の後、複列ダウンホールモータ２を稼働するとともにワイヤロープ２８の昇降操作により揚鉱装置１００を昇降させ、図８に示すように、泥質堆積層中のレアアース泥Ｄｒを解泥する採鉱作業を開始する。本実施形態では、図８に示すように、集鉱ホッパ５の集鉱口を海中のレアアース泥床ＯＤの上方に対向配置するとともに、集鉱スカート７により、レアアース泥床ＯＤ表面と集鉱口との対向方向での離隔部を囲繞した状態で複列ダウンホールモータ２を駆動して、集鉱装置５内でのエマルションＥｍによる液液分離によりレアアース泥Ｄｒを集鉱する。

ここで、レアアース泥床ＯＤは、表層部に形成されてレアアース泥の含有量が相対的に少ない非レアアース泥堆積層ＮＤに覆われた状態にあり、７０００ｐｐｍ程度の良質なレアアースを含むレアアース泥堆積層は、海底下の４〜６ｍ程度の深さにあることが知られている。
そこで、本実施形態では、複列ダウンホールモータ２の掘進に際し、図８に示す、非レアアース泥堆積層ＮＤを掘進するときには、あらかじめ入手されている非レアアース泥堆積層ＮＤの層厚さのデータに基づき、エマルションＥｍに替えて海水を駆動流体として複列ダウンホールモータ２を駆動する。なお、圧送ポンプでの海水圧送からエマルション圧送への切り替えは、エマルションおよび海水を注入する駆動流体供給ホース２６の容積分も考慮して、運転切り替えのタイミングが決定される。

一方、図９に示す、レアアース泥床ＯＤ、つまりレアアース泥堆積層を掘進するときには、図１０に拡大図示するように、あらかじめ入手されているレアアース泥堆積層の層厚さのデータに基づきエマルションＥｍを駆動流体として複列ダウンホールモータ２を駆動し、解泥したレアアース泥ＤｒとエマルションＥｍとを混合してレアアースを吸着結合したエマルションの混合物Ｍａとするとともに、混合物Ｍａを集鉱ホッパ５から集鉱管６を通して、集鉱管路接続工程を経たバルン１のバルン本体１０内に混合物Ｍａを貯鉱する（貯鉱工程Ｐｒ）。

詳しくは、複列ダウンホールモータ２の稼働に際しては、採鉱母船Ａ上の駆動流体圧送ポンプを駆動して高圧のエマルションＥｍを駆動流体供給ホース２６から連結ハウジング２３内の駆動流体供給路２３ａに注入し、複列ダウンホールモータ２の駆動流体供給路１８に導入する。そして、駆動流体供給路１８に導入された高圧のエマルションＥｍは、第１シャフト２０の駆動流体導入路２５を介して駆動流体導出口２４から導出され、各ダウンホールモータ２Ｘの駆動機構部７０の上部の位置３１ｕに供給される（図５の符号Ｍ１）。

さらに、高圧のエマルションＥｍは、インナロータ部２２とアウタロータ部３２との対向空間に画成された複数のキャビティＫに順次に導入される。これにより、各ダウンホールモータ２Ｘの駆動機構部７０は、キャビティＫに作用するエマルションＥｍの導入圧により、インナロータ部２２とアウタロータ部３２とが所定比率で連れ回りを開始する。

つまり、各ダウンホールモータ２Ａ〜２Ｌの駆動機構部７０において、エマルションＥｍの導入圧が第２シャフト３０の回転駆動力に変換される。各駆動機構部７０で第２シャフト３０が回転駆動すると、第２シャフト３０の先端に設けられた各ビット９０が共に回転する。駆動流体供給路１８から導入されたエマルションＥｍは、各駆動機構部７０の下部の位置３１ｓを経て（図５の符号Ｍ２）、各ビット９０先端のビットノズル９１から装置外に噴射される（図５の符号Ｍ３）。

これにより、この複列ダウンホールモータ２は、図１０に拡大図示するように、各ダウンホールモータ２Ａ〜２Ｌのビット９０の回転による掘削力と、ビット９０のビットノズル９１から噴射されるエマルションＥｍの流体力とによってレアアース泥床ＯＤのレアアース泥Ｄｒを解泥できる。そして、この複列ダウンホールモータ２では、各ダウンホールモータ２Ａ〜２Ｌのビット９０が回転駆動されると、ビット９０の上部の位置にビット９０と一体に設けられた、図５に示した攪拌部２１８の複数の攪拌翼２１２〜２１７が共に回転する。

これにより、各ビット９０および各攪拌部２１８の複数の攪拌翼２１２〜２１７の回転による流れに導かれ、解泥されたレアアース泥Ｄｒおよびその周囲の海水ＷがエマルションＥｍとともに集鉱ホッパ５内に送り込まれる（図５、図１０の符号Ｍ４）。
さらに、図１０に示すように、集鉱ホッパ５の下部に導かれたレアアース泥Ｄｒは、各攪拌部２１８の複数の攪拌翼２１２〜２１７の回転により攪拌されつつ集鉱ホッパ５の上方に移動していく。

集鉱ホッパ５内に導入されたレアアース泥ＤｒとエマルションＥｍは、集鉱ホッパ５内で相互に混合される。そして、レアアース泥ＤｒがエマルションＥｍに接触することにより、レアアース元素が濃集したアパタイトがエマルションＥｍに吸着される。これにより、海中で液液分離された混合物Ｍａとしてアパタイト吸着エマルションが生成される。
そして、複列ダウンホールモータ２が引き続き駆動されると、集鉱ホッパ５内の混合物Ｍａ（アパタイト吸着エマルション）は、次第に集鉱ホッパ５上部の安定室部分５ｓを経て集鉱管６の端部まで満たされていく。

そのため、集鉱ホッパ５の下部から一定の距離を超えて上部の安定室部分５ｓまで移動した混合物Ｍａは、海水Ｗとの比重差によって各集鉱管６内で浮上を開始する。そして、各集鉱管６の上部には、バルン１が接続されているため、図９に示すように、浮上を開始した混合物Ｍａを、集鉱管６を通してバルン１のバルン本体１０内に貯鉱することができる。

以降、ビット９０の張り出し長さに応じた所定の掘削深度まで掘削後、図１１に示すように、採鉱母船Ａを水平方向に移動させるとともにワイヤロープ２８の昇降操作により揚鉱装置１００を昇降させて、所定の掘削深度での採鉱を継続する。同図白抜きの矢印は、採鉱母船Ａを水平方向に移動させるとともにワイヤロープ２８の昇降操作により揚鉱装置１００を昇降させて、所定の掘削深度での採鉱を継続するイメージを示している。第一実施形態では、採鉱母船Ａを水平方向に移動させることで、集鉱装置３と共に複列ダウンホールモータ２を一体で水平方向に平行移動させながらレアアース泥床ＯＤからレアアース泥Ｄｒを間欠的に続けて採鉱することができる。

そして、駆動流体として供給されるエマルションＥｍは、海水よりも比重が軽く、また、このエマルションＥｍとレアアース泥Ｄｒとが結合された混合物Ｍａも海水よりも比重が軽いものにすることができる。そのため、同図に示すように、エマルションＥｍにレアアース泥Ｄｒを吸着させた混合物Ｍａをバルン１のバルン本体１０内で海水と置換させて充填させることができる。

そして、この貯鉱工程の後、同図に示すように、オペレータが採鉱母船Ａ上から無人潜水機１０４を操作し、無人潜水機１０４のロボットアーム１０４ａにより、集鉱管６のカップラ６ｃに対するバルン本体１０の下部カップラ１１接続状態を解除して、集鉱管６のところで集鉱装置３からバルン本体１０を切り離す（バルン接離工程）。

集鉱装置３からバルン本体１０を切り離すと、図１２に示すように、バルン本体１０は、海水Ｗと混合物Ｍａとの比重差で海上Ｃに向かって浮上を開始する（揚鉱工程Ｐｓ）。このとき、バルン本体１０とワイヤロープ２８とはリードワイヤ１３で繋がれており、このリードワイヤ１３によって、バルン本体１０の浮上時に、ワイヤロープ２８に沿って当該バルン本体１０が案内される。
そして、図１に示すように、切り離されたバルン本体１０が海水Ｗと混合物Ｍａとの比重差で海上Ｃまでワイヤロープ２８に沿って浮上した後、洋上で待機している回収船Ｂの吸引回収装置１０５でバルン本体１０内に貯鉱された混合物Ｍａを吸引して回収する（混合物回収工程）。

この混合物回収工程においては、混合物Ｍａを吸引する吸引ホース５４の先端に設けられ且つ回収アーム５７の先端に配置された吸引カップラ５５を、海上Ｃに浮上したバルン本体１０の上部カップラ１２に接続し、吸引ホース５４に接続された吸引ポンプ５６の駆動により、バルン本体１０内に貯鉱された混合物Ｍａを吸引して回収する。回収された混合物Ｍａは回収船Ｂに設けられた図示しない回収器に収容される。

最後に、この混合物回収工程の後、回収アーム５７を駆動して、回収アーム５７の先端に取り付けた吸引カップラ５５及び上部カップラ１２を介して、混合物Ｍａを回収済みの空のバルン本体１０を回収船Ｂ上に回収する（バルン回収工程）。
本実施形態のバルン回収工程では、図１３に示すように、アーム型ロボット１０６を搭載した補助作業船Ｆを用い、補助作業船Ｆの作業者がアーム型ロボット１０６を操作して、ガイド用浮力体１３ｇの着脱構造の係合部を解除する。これにより、ガイド用浮力体１３ｇを分割された二つの分割体とすることにより、ワイヤロープ２８からリードワイヤ１３を取り外して回収船Ｂ上に回収する。そして、回収船Ｂ上に回収されたバルン本体１０を、他の集鉱装置３に再度装着し、図６に示した状態で海底Ｄに再度投入して上記一連の工程を繰り返すことにより、海上から海底までの揚鉱用配管の延設することなく、海洋資源を連続的に揚鉱することができる。

このように、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱用バルン１、海洋資源揚鉱装置１００及びこれらを備える海洋資源揚鉱システム、並びに、これらを用いた海洋資源の揚鉱方法によれば、レアアース泥Ｄｒを吸着結合した海水よりも比重の軽いエマルションＥｍの混合物Ｍａを海底Ｄでバルン１内に貯鉱するとともに、その混合物Ｍａを貯鉱した状態のバルン１自身と海水Ｗとの比重差で海底Ｄから海上Ｃまで当該バルン１自身を浮上させ、吸引回収装置１０５により当該混合物Ｍａを海上Ｃにて回収できる。そのため、海上Ｃから海底Ｄまでの揚鉱用配管を設置することなく、レアアース泥Ｄｒを吸着結合したエマルションＥｍの混合物Ｍａ（アパタイト吸着エマルション）を効率良く回収できる。

つまり、従来のポンプリフト方式では、深海からの海洋資源の揚鉱には水深分の揚程を圧送することが必要で多大なエネルギーが必要であり、また、エアリフト方式では、エネルギー効率が悪く、ポンプリフト方式以上の多大なるエネルギーが必要となり、さらに海上から深海の海底まで配管を設置することに多大な費用と時間を要したところ、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱システム、バルン１、海洋資源揚鉱装置１００及び海洋資源の揚鉱方法によれば、使用エネルギーの大幅な削減が可能で、多大な費用と時間を要した海上から深海の海底までの揚鉱用配管の設置を不要とすることができる。

そして、エマルションＥｍは、海水よりも比重が軽く、また、このエマルションＥｍとレアアース泥Ｄｒとが結合された混合物Ｍａも海水よりも比重が軽いものにすることができる。そのため、解泥したレアアース泥ＤｒをエマルションＥｍに吸着させた混合物Ｍａを浮上させて海底Ｄにて集鉱管６を通してバルン１のバルン本体１０内に円滑に貯鉱することができる。なお、バルン本体１０自体の質量は、相対的に非常に軽いため、混合物Ｍａを貯鉱した状態のバルン本体１０を海水Ｗと混合物Ｍａとの比重差で海底Ｄから海上Ｃまで容易に浮上させることができる。

特に、従来のポンプリフト方式では、深海からの揚泥には水深分の揚程を圧送する多大なエネルギーが必要となり、エアリフト方式では、エネルギー効率が悪く、ポンプリフト方式以上のさらなる多大なエネルギーが必要となるところ、第一実施形態に係るバルン１、海洋資源揚鉱装置１００、海洋資源揚鉱システム及び海洋資源の揚鉱方法によれば、前述したように、安定した運転性能を確保するとともに、採鉱、集鉱および揚鉱に要するエネルギーを大幅に削減可能なので、エネルギー効率を大幅に向上させることができる。

ここで、レアアース泥Ｄｒに含まれるレアアースの品位はｐｐｍオーダーである。そのため、揚鉱前に海底で選鉱を行い、不要な脈石を予め取り除くことができれば、揚泥にかかるコストを大幅に減らす上でより好ましい。これに対し、本発明を完成する過程での研究によれば、レアアース泥Ｄｒ中のアパタイトには、高品位にレアアースが吸着されていることから、上記エマルションＥｍにアパタイトを吸着させることにより、レアアース泥Ｄｒから不要な脈石を除き、高品位にレアアースが吸着されているアパタイトを効率良く液液分離できる。そのため、エネルギー効率を向上させる上でより好適である。

また、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱装置１００によれば、各バルン１は、集鉱装置３の上部に設けられた集鉱管６の上端に着脱可能に接続されるので、集鉱ホッパ５内で順次に生成された混合物Ｍａを、集鉱ホッパ５から集鉱管６へと効率良く移動させて混合物Ｍａを安定させつつ、海水Ｗとの比重差によって混合物Ｍａ自ら集鉱管６内を浮上させ、混合物Ｍａを、集鉱管６内を通過させて複数のバルン本体１０内で海水と置換させて順次に効率翼良く充填させることができる。

そして、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱装置１００によれば、集鉱ホッパ５の上部に上記バルン１を複数配置しており、所定の揚鉱スケジュールに従って順次にバルン本体１０内に混合物Ｍａを充填後に、貯鉱状態のバルン本体１０を、海水と混合物Ｍａとの比重差で海底Ｄから海上Ｃまで順次に自ら浮上させるので、エマルションＥｍにレアアース泥Ｄｒを吸着させた混合物Ｍａを容易に且つより多く海上Ｃまで揚鉱できる。このため、前述したように、従来のポンプリフト方式やエアリフト方式で必要とする海上から海底までのライザー管等の揚鉱用配管の延設を不要とする構成として極めて優れている。

特に、第一実施形態の揚鉱装置１００によれば、バルン本体１０とワイヤロープ２８とを繋ぐリードワイヤ１３を有し、このリードワイヤ１３によって、バルン本体１０の浮上時に、ワイヤロープ２８に沿って当該バルン本体１０を案内するので、潮流等の影響がある場合でも、所定の浮上位置までバルンを円滑に且つ確実に案内しつつ浮上させることができる。

また、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱システムによれば、吸引回収装置１０５が海上の回収船Ｂに配置され、海上Ｃに浮上したバルン本体１０の上部カップラ１２に接続される吸引カップラ５５を先端に設けた吸引ホース５４と、吸引ホース５４に接続され、バルン本体１０内に貯鉱された混合物Ｍａを吸引回収する吸引ポンプ５６とを備えるので、海上の回収船Ｂに配置された吸引ポンプ５６を駆動することにより、バルン本体１０内に貯鉱された混合物Ｍａを、吸引ホース５４を介して効率良く吸引回収できる。

また、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱システムによれば、無人潜水機１０４は、遠隔操作型の無人潜水機であり、海上の回収船Ｂから水中ケーブル４５を介して動力が供給されるので、海上の採鉱母船Ａから無人潜水機１０４を駆動して、集鉱装置３の集鉱管６に接続されたバルン１の接続状態を解除して集鉱装置３から確実に切り離すことができる。
また、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱システムによれば、混合物Ｍａが吸引回収されたバルン本体１０を回収する回収アーム５７を備えるので、混合物Ｍａが吸引回収されたバルン本体１０を効率良く回収し、回収されたバルン本体１０を他に用意した集鉱装置３に装着して再度利用することができる。

また、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱装置１００において、採掘装置は、海水および海水よりも比重が軽いエマエルションで駆動する複列ダウンホールモータ２であり、複列ダウンホールモータ２が備える各ダウンホールモータ２Ｘには、各ダウンホールモータ２Ｘを駆動するエマルションＥｍを噴射するビットノズル９１が形成されるとともに各ダウンホールモータ２Ｘを駆動することにより回転する掘削用のビット９０が装着されているので、海底のレアアース泥を一のダウンホールモータにより採鉱する採鉱装置と比べて、複数のビット９０の回転による掘削力とビットノズル９１から噴射されるエマルションＥｍの噴射による流体力とで泥質堆積層中のレアアース泥Ｄｒを効率良く解泥する上で好適である。

特に、第一実施形態に係る複列ダウンホールモータ２によれば、複列の連数を偶数とし、隣り合うダウンホールモータ２Ｘ相互は、回転方向が互いに逆方向に設定されているので、採鉱機器本体となる集鉱装置３が受ける掘削時の反力が相殺される。
そのため、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱装置１００のように、アンカー等の保持手段で保持することなく、海中にて浮いた状態に維持しつつ採鉱、集鉱および揚鉱を行う集鉱装置３であっても、集鉱装置３の掘削時の姿勢がより安定するとともに、複数のダウンホールモータ２Ｘによる同時掘削により、採鉱効率を大幅に向上させることができる。また、集鉱装置３の掘削時の姿勢を保持するための、特段の姿勢制御装置およびプログラム等の制御手段が不要な上、そのような姿勢制御のためのエネルギーを消費するという問題もないという優れた効果を奏する。

また、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱装置１００によれば、各ダウンホールモータ２Ｘには、ビット９０の上部の位置にビット９０とともに回転する攪拌翼２１２〜２１７が設けられ、更に、複列ダウンホールモータ２を囲う位置に配設され、下方に向けて拡径して海中に開口する集鉱ホッパ５を有する集鉱装置３を備えるので、複数のダウンホールモータ２Ｘのビット９０の回転による掘削力とビットノズル９１から噴射されるエマルションＥｍの噴射による流体力とで泥質堆積層中のレアアース泥Ｄｒを効率良く解泥しつつ、集鉱ホッパ５内にて、ビット９０の上部の位置にある攪拌翼２１２〜２１７でレアアース泥Ｄｒと海水Ｗ及びエマルションＥｍを混合し、レアアース泥Ｄｒを吸着結合したエマルションＥｍの混合物Ｍａ（アパタイト吸着エマルション）を効率良く生成することができる。

また、特許文献１に記載されるようなターボ形のポンプの場合、機器はかなり複雑な形状のため、深海（例えば水深６０００ｍ）の高圧下では、局部的形状や各部の肉厚に強度的に十分な考慮が必要となる。これに対し、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１００であれば、各ダウンホールモータ２Ｘが円筒形状のシンプルな形状のため、深海の高圧下での強度的対応に優位な形状である。よって、安定した運転性能を確保する上で好適である。

さらに、特許文献１に記載されるようなターボ形のポンプの場合、機器はかなり大型かつ複雑な形状のため、複数のポンプの、各号機相互の接続に大きな横幅を必要とする。これに対し、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１００であれば、各ダウンホールモータ２Ｘは単純な円筒形状のため、シンプルな配管接続が可能である。

また、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱装置１００において、複列ダウンホールモータ２は、その基端部が集鉱装置３に支持されるとともに基端部にエマルションＥｍの導入口（駆動流体供給路１８）が設けられ、導入口にエマルションＥｍを供給可能に海上の採鉱母船Ａに駆動流体供給ホース２６で連結されるので、海上の採鉱母船Ａから駆動流体供給ホース２６を介してエマルションＥｍをダウンホールモータ２の導入口に安定して供給できる。

また、第一実施形態に係る複列ダウンホールモータ２によれば、従来のダウンホールモータのような、高圧の駆動流体で作り出されたロータの回転力を、ユニバーサルジョイントを介してシャフトに伝達していた構成と比べて、各ダウンホールモータ２Ｘは、アウタロータ部３２の回転駆動にユニバーサルジョイントが不要なので、駆動機構部７０の全長を短くしてコンパクトに構成できる。

また、第一実施形態のダウンホールモータ２Ｘによれば、アウタロータ部３２の回転駆動にユニバーサルジョイントが不要なので、ユニバーサルジョイントやその連結用ロッドも不要なことから、これらの強度に依存するという問題も解消される。また、インナロータ部２２の回転よりも減速されたアウタロータ部３２の回転力をビット９０に直接伝達できる。そのため、第１シャフト２０のトルクよりも大きな回転トルクを、第２シャフト３０の先端に設けられたビット９０に効率良く伝達可能なので、より高トルクに対応できる。

さらに、このダウンホールモータ２Ｘによれば、インナロータ部２２の外径よりも大きなアウタロータ部３２の外筒部３１を支承する大きな軸受５２ｊ、５３ｊを有する第２シャフト支持部５２、５３によって、ビット９０に加わる負荷を受けることができる。そのため、駆動機構部７０の全長をコンパクトに構成しつつも、より信頼性の高い海洋資源揚鉱装置１００を提供できる。

また、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱装置１００は、海上の採鉱母船Ａからワイヤロープ２８を介して揚鉱装置１００が昇降可能に垂下されるので、海上の採鉱母船Ａの航行にて、複列ダウンホールモータ２を海底Ｄ上で容易に移動させることができる。
ここで、本実施形態では、集鉱ホッパ５をレアアース鉱床ＯＤ表面と対向配置するところ、集鉱ホッパ５は、剛性が高い大型部材なので、深海での鉱床表面との対向距離の洋上での精密な管理が困難（例えば水深６０００ｍ下）である。また、鉱床表面も平坦とは限らず凹凸があるため、鉱床表面との対向距離が近い場合には、集鉱ホッパ５の衝突による破損のおそれがあり、また、鉱床表面との対向距離が遠い場合には、集鉱ホッパ５と鉱床表面との対向方向での離隔部間からエマルションＥＭが流出する懸念がある。

これに対し、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱装置１００であれば、集鉱ホッパ５の集鉱口５ｍから垂下されるとともに集鉱時に集鉱口５ｍと海底Ｄ表面との対向方向での離隔部を囲繞する可撓性の集鉱スカート７を有するので、集鉱ホッパ５とレアアース鉱床ＯＤ表面との対向方向での離隔部間を塞ぐことができる。

さらに、この集鉱スカート７は可撓性を有するので、集鉱ホッパ５と鉱床表面との対向距離が所定範囲で変化した場合でも、その変位量に追従して容易に変形できる。特に、本実施形態のスカート本体７ａによれば、図２に示したように、円筒状のスカート本体７ａの周方向に沿って円環状に形成された多数の蛇腹折目７ｂが、スカート本体７ａの垂下方向に離隔して繰り返し折り返して形成されているので、集鉱ホッパ５と鉱床表面との対向距離が所定範囲で変化した場合でも、その変位量に追従して、図１０に示すように折り畳まれる。

そのため、短縮状態に容易且つ安定した変形をさせる上で好適である。よって、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱装置１００であれば、海上での集鉱ホッパ５の位置管理が容易となる上、集鉱スカート７で集鉱性をより向上させることができる。さらに、エマルションＥｍの不意の流出が防止または一層抑制されるとともに、集鉱ホッパ５の衝突による破損のおそれも防止または一層抑制される。

さらに、上述したように、７０００ｐｐｍ程度の良質なレアアースは、海底下の４〜６ｍ程度の深さにあるため、鉱床面の口切部分では、海水を駆動流体として掘削し、その後、所定深さではエマルションで駆動することが好ましいところ、本実施形態によれば、集鉱ホッパ５の集鉱口から垂下されるとともに集鉱時に集鉱口と海底Ｄ表面との対向方向での離隔部を囲繞する可撓性の集鉱スカート７を有するので、この集鉱スカート７を垂下させた長さの分だけ、複列ダウンホールモータ２の下方への張り出し長さを長くすることができる。

そのため、船上でのウインチの昇降操作により揚鉱装置１００自体を昇降させて、レアアース泥床ＯＤ表面に集鉱スカート７で覆いを被せた状態を維持したまま、レアアース泥床ＯＤ中で複列ダウンホールモータ２を下方に海底下の４〜６ｍ程度の深さにまで掘進させられるとともに、上方に揚鉱装置１００自体を引き上げることができる。よって、複列ダウンホールモータ２を上下動させるための送り機構が不要なので信頼性とメンテナンス性に優れ、海底下の４〜６ｍ程度の深さにまで深く採掘を行う上で極めて優れた構成といえる。

以上、本発明の第一実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。

例えば、上記実施形態では、海洋資源の一例として、レアアース泥床ＯＤの泥質堆積層を解泥してレアアースを揚鉱する例を説明したが、本発明を適用可能な海洋資源は、レアアース泥床のレアアースに限定されるものではない。
つまり、本発明は、海水よりも比重の軽い（小さい）エマルションと海底で採掘された鉱物とを含む混合物とし、この混合物をバルンに貯鉱するとともに、混合物を貯鉱した状態のバルン自身と海水との比重差で海底から海上まで当該バルンを浮上させ得るものであれば、海底で採掘された種々の鉱物を揚鉱対象とすることができる。

また、例えば上記第一実施形態では、バルン１及びロボットアーム１０４ａ付きの無人潜水機１０４はそれぞれ採鉱母船Ａから海中に投入する例を示したが、これに限らず、それぞれ回収船Ｂから海中に投入してもよい。また、無人潜水機１０４は、回収船Ｂ上やその他の船舶からオペレータが操作してもよい。また、採鉱母船Ａと回収船Ｂとを別の船で構成しているが、一つの船で構成してもよい。

また、例えば上記第一実施形態では、垂下手段としてワイヤロープ２８を用いた例で説明したが、本発明はこれに限らず、海洋資源揚鉱装置を垂下して支持可能であれば、種々の構成を垂下手段として採用できる。例えば、ワイヤロープ２８に替えて、アンビリカブルケーブルを垂下手段とすることができる。
この場合、揚鉱装置１００は、深海にレアアース泥が存在する海域で、アンビリカブルケーブルによって垂下された状態で海中に配備される。ここで、このアンビリカブルケーブルは、ダウンホールモータ２に駆動流体を供給する供給ホースとしての駆動流体供給管の他、その管路に沿って設けられた電力線および信号線が一体形成された複合ケーブルであり、設置深度等に応じて垂下に必要な強度を保てるように、鋼線や炭素繊維等を用いた複合強化構造を有して構成されることが好ましい。このような構成であれば、一のアンビリカブルケーブルにより、揚鉱装置１００を垂下するとともに、ダウンホールモータ２に駆動流体を供給する他、必要な電力の供給および信号の授受が可能となる。

また、例えば上記第一実施形態では、海洋資源揚鉱システムの一例として、海洋資源揚鉱用バルン１を用いるとともに、吸引回収装置１０５が海上の回収船Ｂに配置され、ロボットアーム１０４ａ付きの無人潜水機１０４を用いつつ、海上Ｃに浮上したバルン本体１０内に貯鉱された混合物Ｍａを回収船Ｂに回収する例を示した。
しかし、本発明に係る海洋資源揚鉱システムの構成はこれに限定されず、海洋資源揚鉱用バルン１および無人潜水機１０４を用いずに、ポンプやエアリフトを用いて揚鉱するライザー管や、エマルションによる比重差を利用した揚鉱管を用いて揚鉱してもよいし、また、回収船Ｂを用いずに、採鉱母船Ａに揚鉱設備を装備して揚鉱してもよいし、さらに、他の支援船を用いてもよい。

例えば、海洋資源揚鉱システムに、採鉱機器本体として海洋資源を下端の集鉱口から集鉱するとともに揚鉱するためのライザー管を用いる場合には、集鉱スカート７でライザー管の下部開口を覆うように構成することができる。また、複列ダウンホールモータ２は、偶数基のダウンホールモータ２Ｘを、該ライザー管の内部に且つ前記開口部に臨む位置に装着すればよい。以下、本発明に係る海洋資源揚鉱システムの他の実施形態について説明する。

［第二実施形態］
以下、本発明に係る海洋資源揚鉱システムの他の構成例として、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第二実施形態に係る海洋資源揚鉱システムは、上述した第一実施形態に係る海洋資源揚鉱システムに対し、回収船Ｂに替えて、採鉱母船Ａに揚鉱設備を装備して揚鉱する点、並びに、無人潜水機１０４および海洋資源揚鉱用バルン１に替えて、エマルションＥｍ自体による比重差を利用して揚鉱管を用いて揚鉱する点が相違する以外は、第一実施形態に係る海洋資源揚鉱システムと同様の構成を有する。そのため、以下の説明では、相違点について説明し、第一実施形態と同一または対応する構成については、同一の符号を付すとともに、詳細な説明は適宜省略する。

第二実施形態に係る海洋資源揚鉱システムは、図１４に示すように、目的とする海域の海上Ｃに停泊される採鉱母船Ａと、海洋資源揚鉱装置１００（以下、単に「揚鉱装置」ともいう）と、を備える。第二実施形態では、採鉱母船Ａに、吸引回収装置１０５が装備されている。

第二実施形態の吸引回収装置１０５は、第一実施形態での回収アーム５７に替えて、船上に、吸引ホース５４を巻回する吸引ホースリール５７が装備されている。吸引ホース５４は、エマルションＥｍによる比重差を利用して混合物Ｍａを揚鉱する可撓性パイプからなる揚鉱管である。
採鉱母船Ａの船内には、吸引ホース５４の基端部に接続されて吸引ホース５４の洋上の位置まで揚鉱された混合物Ｍａを吸引回収する吸引ポンプ５６が設けられている。吸引ポンプ５６で吸引回収された混合物Ｍａは、採鉱母船Ａに設けられた図示しない回収器に収容可能に構成されている。

第二実施形態の揚鉱装置１００は、図１５に拡大図示するように、ベースプレート４には、上記第二実施形態の吸引ホース５４の下端が、第一実施形態の複数の集鉱管６に替えて、揚鉱装置１００の上部に接続されている。第二実施形態においても、第一実施形態同様に、集鉱ホッパ５の集鉱口を囲繞する集鉱スカート７を有し、水中照明機１０７および水中カメラ１０８は、それぞれの支持アーム１０７ａ、１０８ａが、スカート縁部８の下部アンカー９に固定されている。

次に、第二実施形態に係る海洋資源揚鉱システムを用いた海洋資源の揚鉱方法について説明する。ここで、第二実施形態においても、上記第一実施形態同様に、表層部分の非レアアース泥堆積層ＮＤとなる鉱床面の口切部分では採鉱せずに、非レアアース泥堆積層ＮＤでは、海水を駆動流体として複列ダウンホールモータ２を駆動して掘削し、その後、海底下の４〜６ｍ程度の所定深さでは、エマルションＥｍを駆動流体として複列ダウンホールモータ２を駆動して採鉱する。

詳しくは、海洋資源としてのレアアース泥Ｄｒを吸着結合したエマルションＥｍの混合物Ｍａを揚鉱するには、先ず、採鉱母船Ａを目的とする海域の海上に停泊させる。そして、図１４に示すように、複列ダウンホールモータ２が装備された集鉱装置３に第二実施形態の吸引ホース５４を装着した状態の揚鉱装置１００を、海上の採鉱母船Ａ上に配置されたウインチ２９から滑車２８ａを介して延びるワイヤロープ２８によって海底Ｄのレアアース泥床ＯＤに向けて沈める（揚鉱装置沈下工程）。

次いで、図１６に示すように、集鉱ホッパ５の下端から下方に張り出している各ダウンホールモータ２Ａ〜２Ｌのビット９０をレアアース泥床ＯＤに押し当てる位置に配備する。このとき、集鉱スカート７は、スカート縁部８が沈降時のウェイトを兼ねているため、スカート本体７ａが伸長した状態で垂下されている。
ここで、同図に示すように、海底Ｄの表層部分の非レアアース泥層ＮＤとなる鉱床面の口切部分では、上記第一実施形態同様に、海水を駆動流体として複列ダウンホールモータ２を駆動して掘削する。その後、図１７に示すように、海底下の４〜６ｍ程度の所定深さでは、エマルションを駆動流体として複列ダウンホールモータ２を駆動して採鉱する。

つまり、上記第一実施形態で説明したように、採鉱母船Ａ上には、圧送ポンプの駆動をオペレータの操作に応じて制御するコントローラが設けられ、圧送ポンプは、オペレータの操作に応じて、駆動流体として、海水およびエマルションの一方を選択して複列ダウンホールモータ２に供給可能に構成されているので、オペレータは、レアアース泥床ＯＤにおいて、非レアアース泥層ＮＤに対応する深度では、駆動流体として海水を選択し、海底下の４〜６ｍ程度の所定深度では、駆動流体としてエマルションを選択して掘削および採鉱操作を行う（以下、同様）。

つまり、レアアース泥堆積層に対応する海底下の４〜６ｍ程度の所定深度では、図１８に拡大図示するように、採鉱母船Ａから駆動流体供給ホース２６を介して駆動流体として高圧のエマルションＥｍを供給して複列ダウンホールモータ２を稼働するとともにワイヤロープ２８の昇降操作により揚鉱装置１００を昇降させ、泥質堆積層中のレアアース泥Ｄｒを解泥するとともに、解泥したレアアース泥ＤｒとエマルションＥｍとを混合してレアアースを吸着結合したエマルションの混合物Ｍａとする。

これにより、上記第一実施形態で説明した作用機序にて、複列ダウンホールモータ２が引き続き駆動されると、集鉱ホッパ５内の混合物Ｍａ（アパタイト吸着エマルション）は、次第に集鉱ホッパ５上部の安定室部分５ｓを経て吸引ホース５４の内部まで満たされていく（貯鉱工程）。そして、集鉱ホッパ５の下部から一定の距離を超えて上部の安定室部分５ｓまで移動した混合物Ｍａは、海水Ｗとの比重差によって吸引ホース５４内で自ら浮上を開始する（揚鉱工程）。

以降、ビット９０の張り出し長さに応じた所定の掘削深度まで掘削後、図１９に示すように、採鉱母船Ａを水平方向に移動させ、その後、図２０に示すように、ワイヤロープ２８の昇降操作により揚鉱装置１００を昇降させて、非レアアース泥層ＮＤに対応する深度では、駆動流体として海水を選択し、海底下の４〜６ｍ程度の所定深度では、駆動流体としてエマルションを選択して掘削および採鉱操作を継続する。各同図白抜きの矢印は、採鉱母船Ａを水平方向に移動させるとともに（図１９）、ワイヤロープ２８の昇降操作により揚鉱装置１００を昇降させて（図２０）、非レアアース泥層ＮＤでの掘削および海底下の４〜６ｍ程度の所定の掘削深度での採鉱を継続するイメージを示している。

このように、第二実施形態の海洋資源揚鉱システムであっても、吸引ホース５４により、エマルションによる比重差を利用して混合物Ｍａを洋上の位置まで混合物Ｍａ自ら浮上させることができる。そして、洋上の位置まで揚鉱された吸引ホース５４内の混合物Ｍａを海上Ｃの採鉱母船Ａに配置された吸引ポンプ５６を駆動することにより、吸引ホース５４を介して効率良く混合物Ｍａを吸引・回収できる。

また、第二実施形態の海洋資源揚鉱システムにおいても、第二実施形態の揚鉱装置１００がアンカー等の保持手段で保持することなく、海中にて浮いた状態を維持しつつ、採鉱、集鉱および揚鉱作業を行うところ、上記第一実施形態同様の複列ダウンホールモータ２を用いて採鉱を行うので、上記第一実施形態同様に、揚鉱装置１００の姿勢をより安定させるとともに採鉱効率を向上させることができる。

そして、第二実施形態の海洋資源揚鉱システムにおいても、海上の採鉱母船Ａからワイヤロープ２８を介して揚鉱装置１００が昇降可能に垂下されるので、海上の採鉱母船Ａの航行にて、複列ダウンホールモータ２を海底Ｄ上で容易に移動させることができる。
また、第二実施形態に係る海洋資源揚鉱装置１００においても、集鉱ホッパ５の集鉱口から垂下されるとともに集鉱時に集鉱口と海底Ｄ表面との対向方向での離隔部を囲繞する可撓性の集鉱スカート７を有するので、集鉱ホッパ５とレアアース鉱床ＯＤ表面との間を塞ぐことができる。
さらに、この集鉱スカート７は可撓性を有するので、集鉱ホッパ５と鉱床表面との対向距離が所定範囲で変化した場合でも、その変位量に追従して容易に変形できる。よって、海上での集鉱ホッパ５の位置管理が容易となる上、集鉱スカート７で集鉱性をより向上させることができる。さらに、エマルションＥｍの不意の流出が防止または一層抑制されるとともに、集鉱ホッパ５の衝突による破損のおそれも防止または一層抑制される。

そして、第一実施形態同様に、船上でのウインチの昇降操作により揚鉱装置１００自体を昇降させて、レアアース泥床ＯＤ表面に集鉱スカート７で覆いを被せた状態を維持したまま、レアアース泥床ＯＤ中で複列ダウンホールモータ２を下方に掘進させられるとともに、上方に揚鉱装置１００自体を引き上げることができる。よって、複列ダウンホールモータ２を上下動させるための送り機構が不要なので、信頼性とメンテナンス性に優れ、海底下の４〜６ｍ程度の深さにまで深く採掘を行う上で極めて優れた構成といえる。

［採掘装置の他の構成例について］
なお、本発明に係る採掘装置についても、上述した第一ないし第二実施形態の構成例に限らず、種々の変更、改良を行うことができる。
例えば上記実施形態では、レアアース泥床ＯＤの泥質堆積層を解泥する採掘装置は、単位となるダウンホールモータ２Ｘとして、駆動流体により駆動するダウンホールモータを例に示したが、採掘装置はこれに限定されない。

例えば、単位となるダウンホールモータ２Ｘとしては、電動機を用いて駆動するビットないし攪拌翼を有する構成や、電動ポンプや水流を利用したジェットポンプと攪拌翼とを使用した構成等、レアアース泥床ＯＤの泥質堆積層を解泥可能な採掘装置であれば、種々の採掘装置をダウンホールモータ２Ｘとして採用できる。
但し、駆動流体として海水よりも比重の軽いエマルションを海上から供給して駆動するダウンホールモータを採用することは、レアアース泥を採掘しつつ、レアアース泥、エマルションおよび海水を混合攪拌し、高品位にレアアースが吸着されているアパタイトを吸着結合したエマルションの混合物を前記採鉱機器本体により揚鉱する上で好適である。

また、例えば上記実施形態では、各ダウンホールモータ２Ｘは、ねじポンプを駆動機構部７０に使用し、その出力を、ユニバーサルジョイントを介することなく出力軸となるビット装着部３３に出力し、これにより、省スペース化を実現し、駆動機構部７０での駆動力を効率良く伝達する構成例を示したが、これに限らず、駆動機構部７０での出力を、ユニバーサルジョイントを介して出力軸に出力する一軸偏心ねじポンプで構成してもよい。

また、例えば上記実施形態では、レアアース泥床ＯＤの泥質堆積層を解泥する採掘装置は、単位となるダウンホールモータ２Ｘとして、ダウンホールモータ２Ａ〜２Ｌの１２台を並列配置してなる複列ダウンホールモータ２を用いた例について説明したが、本発明に係る複列ダウンホールモータ２の並列配置構成は、これに限定されず、ダウンホールモータ２Ｘを偶数基備えて並列配置し、隣り合うダウンホールモータ相互のビットの回転方向を、互いに逆方向に設定する構成であれば、種々の態様を採用することができる。

１００ 海洋資源揚鉱装置
１ バルン（海洋資源揚鉱用バルン）
２ 複列ダウンホールモータ（採掘装置）
２Ａ〜２Ｌ ダウンホールモータ
２Ｘ いずれか一のダウンホールモータ
３ 集鉱装置（採鉱機器本体）
４ ベースプレート
５ 集鉱ホッパ
５ｍ 集鉱口
６ 集鉱管
７ 集鉱スカート
７ａ スカート本体
７ｂ 蛇腹折目
８ スカート縁部
９ 下部アンカー
１０ バルン本体
１１ 下部カップラ
１２ 上部カップラ
１３ リードワイヤ
１３ｆ リード用浮力体
１３ｇ ガイド用浮力体
１４ 浮力体
１５ ハウジング
１６ 上部ハウジング
１７ 下部ハウジング
１８ 駆動流体供給路（エマルションの導入口）
２０ 第１シャフト
２１ 基端部
２２ インナロータ部
２３ 連結ハウジング
２３ａ 駆動流体供給路
２４ 駆動流体導出口
２５ 駆動流体導入路
２６ 駆動流体供給ホース
２７ ホースリール
２８ ワイヤロープ
２８ａ 滑車
２９ ウインチ
３０ 第２シャフト
３１ 外筒部
３２ アウタロータ部
３３ ビット装着部
４１ 第１のブッシュ
４２ 第２のブッシュ
４３ 第３のブッシュ
４４ 第４のブッシュ
４５ 水中ケーブル
４６ 動力供給装置
５１ 第１シャフト支持部
５２ 第２シャフト支持部
５３ 第２シャフト支持部
５４ 混合物吸引ホース
５５ 吸引カップラ
５６ 吸引ポンプ
５７ 回収アーム
６１ 第１のシール
６２ 第２のシール
６３ 第３のシール
６４ 第４のシール
６５ 水中ケーブル
６５ａ 滑車
６６ 起立ポスト
６７ ケーブルリール
７０ 駆動機構部
７１ 駆動流体分岐室
７２ 駆動流体供給管
７３ 採掘装置支持筐体
８１ フロントキャップ
８２ 支軸部キャップ
９０ ビット
９１ ビットノズル（噴射口）
１０４ 無人潜水機
１０５ 吸引回収装置
１０７ 水中照明機
１０８ 水中カメラ
２００ 攪拌軸
２１２〜２１７ 攪拌翼
２１８ 攪拌部
Ａ 採鉱母船
Ｂ 回収船
Ｃ 海上
Ｄ 海底
ＣＬ１ 第１シャフトの回転軸線
ＣＬ２ 第２シャフトの回転軸線
Ｅ 偏心距離
Ｋ キャビティ
Ｅｍ エマルション（駆動流体、噴射流体）
Ｍａ 混合物（移送流体：アパタイト吸着エマルション）
Ｄｒ （解泥された）レアアース泥（海洋資源：海底で採掘された鉱物）
Ｗ 海水
ＯＤ レアアース泥床
ＮＤ 非レアアース泥堆積層

Claims (9)

1. 海底で採掘された鉱物を集鉱する集鉱装置と、該集鉱装置に着脱可能に設けられる海洋資源揚鉱用バルンと、を備え、
   前記集鉱装置は、海上の母船上のウインチで昇降可能に垂下手段にて吊り下げられるとともに海中で前記鉱物がエマルションに混合された混合物を自身下部に設けられた集鉱口から集鉱する集鉱ホッパと、前記海洋資源揚鉱用バルンのバルン本体を前記集鉱ホッパに着脱可能に支持する集鉱管と、前記集鉱ホッパ内に前記集鉱口から自身の掘削部が突出するように設けられるとともに海上から供給ホースを介して供給されて海水よりも比重の軽いエマルションを駆動流体として駆動する採掘装置と、前記集鉱ホッパの集鉱口から垂下されるとともに集鉱時に該集鉱口と海底表面との対向方向での離隔部を囲繞する可撓性の集鉱スカートと、を有し、
   前記海洋資源揚鉱用バルンは、前記集鉱装置で集鉱した前記混合物を自身内部に貯鉱するとともに、前記混合物を貯鉱した状態での自身と海水との比重差で浮上するように構成されていることを特徴とする海洋資源揚鉱装置。
2. 前記海洋資源揚鉱用バルンは、前記バルン本体の下部に設けられて前記集鉱管に着脱可能に接続されるカップラと、前記バルン本体と前記垂下手段とを繋ぐとともに当該バルン本体の浮上時に前記垂下手段に沿って当該バルン本体を案内するリードワイヤと、を有する請求項１に記載の海洋資源揚鉱装置。
3. 前記集鉱ホッパには、前記集鉱管が複数接続されており、各集鉱管それぞれに、前記バルン本体が前記カップラを介して着脱可能に接続される請求項２に記載の海洋資源揚鉱装置。
4. 海底で採掘された鉱物がエマルションに混合された混合物を自身下部に設けられた集鉱口から集鉱する集鉱ホッパと、該集鉱ホッパ内に前記集鉱口から自身の掘削部が突出するように設けられた採掘装置と、前記集鉱ホッパおよび前記採掘装置を海上の母船上のウインチで昇降可能に海底に吊り下げる垂下手段と、前記採掘装置にその駆動流体として海水よりも比重の軽いエマルションを海上から供給する駆動流体供給管と、前記採掘装置で採掘されるとともに前記集鉱ホッパ内に集鉱されて前記鉱物を吸着した前記エマルションの混合物を揚鉱する混合物揚鉱管と、前記集鉱ホッパの集鉱口から垂下されるとともに集鉱時に該集鉱口と海底表面との対向方向での離隔部を囲繞する可撓性の集鉱スカートと、を備えることを特徴とする海洋資源揚鉱装置。
5. 前記採掘装置は、前記集鉱ホッパ内に、互いの軸線を並行にして支持された偶数基のダウンホールモータを有し、
   前記偶数基のダウンホールモータは、隣り合うダウンホールモータ相互のビットの回転方向が、互いに逆方向に設定されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の海洋資源揚鉱装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の海洋資源揚鉱装置を用い、
   海上の母船の移動操作および母船上でのウインチの昇降操作の繰り返しにより、前記海洋資源揚鉱装置を海底で繰り返して移動および昇降させて前記採掘装置によりレアアース泥を採掘することを特徴とする海洋資源の揚鉱方法。
7. 集鉱ホッパおよびこの集鉱ホッパの下部に開口する集鉱口を囲繞する可撓性の集鉱スカートを有する集鉱装置と、該集鉱装置内に装備されて海水よりも比重の軽いエマルションを駆動流体として駆動する採掘装置と、を備える装置を用い、
   前記集鉱ホッパの前記集鉱口を海中のレアアース泥床の上方に対向配置するとともに、前記集鉱スカートにより前記レアアース泥床表面と前記集鉱口との対向方向での離隔部を囲繞した状態で前記採掘装置を駆動して、前記集鉱装置内での前記エマルションによる液液分離によりレアアース泥を集鉱することを特徴とする海洋資源の集鉱方法。
8. 前記集鉱装置は、海上の母船上でのウインチの昇降操作により垂下手段を介して昇降可能に海底に吊り下げられ、前記採掘装置の給進動作は、前記集鉱装置の昇降動作によるものであり、
   前記集鉱装置は、前記採掘装置の掘削開始時は、前記集鉱スカートが伸長状態となる離隔高さに吊り下げられ、
   前記採掘装置の掘進時は、前記ウインチによる前記垂下手段の繰り出し操作により前記集鉱装置が降下して、前記集鉱スカートを折り畳みつつ前記採掘装置の掘削を進行させる請求項７に記載の海洋資源の集鉱方法。
9. 前記レアアース泥床は、表層部に形成されてレアアース泥の含有量が相対的に少ない非レアアース泥堆積層と、該非レアアース泥堆積層よりも深い位置に形成されてレアアース泥の含有量が相対的に多いレアアース泥堆積層と、を有するものであり、
   前記採掘装置の掘進は、前記非レアアース泥堆積層を掘進するときには、前記エマルションに替えて海水を駆動流体として前記採掘装置を駆動し、前記レアアース泥堆積層を掘進するときには、前記エマルションを駆動流体として前記採掘装置を駆動する請求項８に記載の海洋資源の集鉱方法。

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