JP2019085703A - 海底鉱床の採掘システム、海底鉱床採掘用の採掘機および潜水機、並びに海底鉱床の採掘方法 - Google Patents

Abstract

【課題】海底の採掘機へのケーブル延設に係る種々の問題を考慮不要とし得て、海底鉱床での採掘作業を止めることなく効率的に採掘機を運転し得る採掘システムを提供する。【解決手段】この海底鉱床の採掘システムは、給電装置３ｋを有する支援船３と、非接触充電装置である動力ユニット４５を有するとともに動力ユニット４５に非接触給電で与えられた電力によって海底鉱床ＯＤを採掘する採掘ステーション２０と、支援船３と採掘ステーション２０との間を潜航可能な潜航装置である推進部６１および給電装置３ｋからの給電が可能に且つ動力ユニット４５への非接触充電が可能な給充電装置６５を有する潜水機６０と、を備える。【選択図】図８

Description

本発明は、海底鉱床を採掘する技術に関する。

近年、各種産業機器を製造する上で必要不可欠な金属であり存在量が少ない有用金属の価格が高騰している。有用金属は産業上必要不可欠なものであるが、可採量が少ないだけでなく、産出国が限られているため地政学的リスクが存在している。そこで、海底鉱床の中でも、海底鉱床に存在する有用金属含有鉱物が注目されている。
海底鉱床には、現在地上で採掘されている鉱物と比較して、高濃度で有用金属が存在していることが各種調査で明らかにされている。そこで、近年、様々な機関で試掘調査が行なわれ、また、海底鉱床の採掘方法や採掘システムも種々提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１には、海底鉱床の採掘システムが開示されている。同文献記載の採掘システムは、海底に設置されて海底鉱床を採掘可能な採掘機（採鉱基地）を備え、この採掘機は、陸上ないし洋上基地からアンビリカブルケーブル等のケーブルを介して電力供給を受けるように構成されている。

特開２０１６−１５３５５６号公報

しかし、特許文献１記載の技術では、採掘機は、陸上ないし洋上基地からケーブルを介して電力供給を受ける。そのため、海上から海底まで延設されたケーブルが潮流の影響（例えば海底近くとケーブル中央位置とでの潮流速度差）を受けて破損するおそれがあり、特に、採掘機とケーブルとの結合部が破損する可能性がある。

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、海底の採掘機へのケーブル延設に係る種々の問題を考慮不要とし得て、海底鉱床での採掘作業を止めることなく効率的に採掘機を運転し得る、海底鉱床の採掘システム、海底鉱床採掘用の採掘機および潜水機、並びに海底鉱床の採掘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底鉱床の採掘システムは、給電装置を有する海上基地と、非接触充電装置および該非接触充電装置に非接触給電で与えられた電力によって海底鉱床を採掘する採掘装置を有する採掘機と、前記海上基地と前記採掘機との間を潜航可能な潜航装置、前記給電装置からの充電が可能な充電装置および前記非接触充電装置に非接触での給電が可能な非接触給電装置を有する潜水機と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る海底鉱床の採掘システムによれば、潜水機は、海上基地と海底採掘機との間を潜航可能であり、また、充電装置により海上基地の給電装置から充電を受けるとともに、非接触給電装置により採掘機の非接触充電装置に非接触で給電することができる。そして、海底の採掘機は、非接触充電装置に非接触給電で与えられた電力によって海底で採掘することができる。
よって、本発明の一態様に係る海底鉱床の採掘システムによれば、海底の採掘機に対してケーブルレスによる電力の供給が可能である。したがって、海底の採掘機へのケーブル延設に係る種々の問題を考慮不要とし、海底鉱床の採掘作業を止めることなく効率的に採掘機を運転できる。

また、本発明の一態様に係る海底鉱床採掘用の採掘機は、非接触充電装置と、該非接触充電装置に非接触給電で与えられた電力によって海底鉱床を採掘する採掘装置と、を有することを特徴とする。
本発明の一態様に係る海底鉱床採掘用の採掘機によれば、非接触給電で与えられた電力によって海底鉱床を採掘できるので、海底の採掘機へのケーブル延設を行わずに、非接触給電で取得した電力で稼働できる。よって、海底の採掘機へのケーブル延設に係る種々の問題を考慮不要とし、海底鉱床での採掘作業を止めることなく効率的に運転できる。

また、本発明の一態様に係る海底鉱床採掘用の潜水機は、海上の海上基地と海底の採掘機との間を潜航可能な潜航装置と、前記海上基地に装備された給電装置からの充電が可能な充電装置と、前記採掘機に装備された非接触充電装置への給電が可能な非接触給電装置と、を有することを特徴とする。
本発明の一態様に係る海底鉱床採掘用の潜水機によれば、海上の海上基地と海底の採掘機との間を潜航し、海上基地に装備された給電装置から充電を受け、採掘機に装備された非接触充電装置に海中で非接触給電できる。つまり、海底の採掘機へのケーブル延設を行わずに、非接触給電で採掘機を稼働させる電力を供給できる。よって、海底の採掘機へのケーブル延設に係る種々の問題を考慮不要とし得て、海底鉱床での採掘作業を止めることなく効率的に採掘機を運転させることが可能となる。

また、本発明の一態様に係る海底鉱床の採掘方法は、海上で充電された潜水機を介した海中での非接触給電で採掘機に与えられた電力によって海底鉱床を採掘することを特徴とする。
本発明の一態様に係る海底鉱床の採掘方法によれば、海上で充電を受けた潜水機を介して海中での非接触給電で採掘機に与えられた電力によって海底鉱床を採掘するので、海底の採掘機へのケーブル延設を行わずに、非接触給電による電力で採掘機を稼働させることができる。よって、海底の採掘機へのケーブル延設に係る種々の問題を考慮不要とし、海底鉱床での採掘作業を止めることなく効率的に採掘機を運転できる。

上述のように、本発明によれば、海底の採掘機へのケーブル延設に係る種々の問題が考慮不要であり、海底鉱床での採掘作業を止めることなく効率的に採掘機を運転できる。

本発明の一態様に係る海底鉱床の採掘システムの全体構成の一実施形態を説明する模式図である。 図１の採掘機の一実施形態を示す模式的説明図であり、同図(ａ)は採掘時の平面視、(ｂ)は一の採掘機の採掘時の正面視（但し、海底鉱床の部分は断面のイメージ（以下正面視にて同様））をそれぞれ模式的に示している。 図２の採掘機を説明する模式的斜視図である。 図２の採掘機に装備される採掘装置を説明する模式的正面図である。 図４の採掘装置の装置本体の説明図であり、同図では軸線を含む縦断面を示している。 本発明の一実施形態に係るケーブルレス給電に用いられる自律型の潜水機を説明する模式的正面図であり、同図では、動力ユニットにドッキングした状態を示している。 ケーブルレス給電における非接触給電部の構成および非接触給電時の接合状態を説明するブロック図であり、同図は、潜水機側の二次電池から採掘機側の二次電池に非接触給電する状態を示している。 図１の採掘システムにおけるケーブルレス給電方法の全体を示す模式的概要図であり、同図は、海上の支援船で充電を受けた潜水機を介して海中での非接触給電で採掘機に与えられた電力によって海底鉱床を連続して採掘するイメージを示している。 潜水機が採掘機の位置を特定する音響測位方法を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。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、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。

まず、本実施形態の採掘システムの全体構成について説明する。
この採掘システムは、図１に示すように、採鉱基地として海上ＳＬに配置される採鉱母船１と、海底ＳＢに配置される採掘ステーション２０および揚鉱ユニット４と、採掘ステーション２０に電力を供給するための給電装置３ｋを有する海上基地である支援船３と、を備える。この採掘システムでは、複数の採掘ステーション２０を採掘機とする。各採掘ステーション２０には採掘装置３０が装備されている。

採掘装置３０は、海底鉱床ＯＤにさく孔により有底穴である竪穴を形成可能に構成されている。また、採掘装置３０は、海底鉱床を竪穴内でスラリー状にして採掘可能に構成されている。そして、この採掘システムは、採掘装置３０で採掘されたスラリー状の海底鉱物を、吸込管５を介して海中の揚鉱ユニット４に移送し、揚鉱ユニット４は、揚鉱管６を介して採鉱母船１に揚鉱するように構成されている。

本実施形態の例では、採鉱母船１、架設配置用母船２および支援船３が目的とする海域の海上ＳＬに停泊される。採鉱母船１には、発電機１２および貯蔵器１３が搭載されている。貯蔵器１３は換装可能に船上に載置されている。発電機１２は、揚鉱管６に沿って設けられたアンビリカルケーブル８を介して海底ＳＢに配置された揚鉱ユニット４に接続され、揚鉱ユニット４の作動に必要な電力や制御信号を供給可能になっている。

架設配置用母船２は、揚鉱ユニット４および採掘ステーション２０を運搬するとともに、これらを海底ＳＢに架設配置するための架設配置用の大型母船である。架設配置用母船２には、揚鉱ユニット４および採掘ステーション２０を、海底ＳＢに架設配置するためのクレーン等の作業機１１が装備されている。架設配置用母船２は、海底鉱床ＯＤの所定の位置まで採掘ステーション２０を搬送し、作業機１１のワイヤ１１ｗで採掘ステーション２０を垂下して海底ＳＢに立設する。また、同様にして、架設配置用母船２は、海底ＳＢの適切な位置に揚鉱ユニット４を配置する。

支援船３には、給電装置３ｋと、後述する潜水機６０の投入および揚収を行うためのクレーン等の作業機３ｓ、並びに、不図示の制御用コンピュータが搭載されている。給電装置３ｋは、軽油等を使用する発動発電機で発電するとともに、海洋再生可能エネルギーを利用する、洋上での風力発電、海洋温度差発電、海流若しくは潮流発電または波力発電を含む発電機を有し、この種の海洋再生可能エネルギーを用いて発電することができる。
支援船３と採掘ステーション２０とは、超音波信号による双方向の無線通信が可能に構成されている。これにより、海底の採掘ステーション２０は、自己の状態および周囲環境を支援船３の制御用コンピュータに送信する。制御用コンピュータは、支援船３側から海底の採掘ステーション２０をコントロールまたは管理する。

揚鉱ユニット４は、揚鉱用ポンプ２５と、サイクロン装置を有する分級器２７とを備える。分級器２７は、その吐出側が、揚鉱ユニット４の内部で揚鉱用ポンプ２５の吸い込み側に接続される。分級器２７の吸入側は、吸込管５を介して採掘ステーション２０と接続される。吸込管５内には海水が満たされる。分級器２７には、排出管７の一端が接続され、排出管７の他端が、分級で不要とされた鉱物の戻し置き場まで配管される。なお、吸込管５、揚鉱管６および排出管７にはフレキシブル管を用いている。

揚鉱用ポンプ２５は、上記揚鉱管６を介して採鉱母船１と接続される。揚鉱管６は、採掘ステーション２０で採掘したスラリー状の鉱物を採鉱母船１まで揚鉱するためのフレキシブル性を有する円筒状管路である。揚鉱管６内には海水が満たされる。揚鉱管６の上部は、海上ＳＬの採鉱母船１まで到達し、採鉱母船１の船底を介して貯蔵器１３に接続される。貯蔵器１３は、揚鉱管６から揚鉱用ポンプ２５で揚鉱されたスラリー状の鉱物を貯蔵する。採鉱母船１に揚鉱されて貯蔵器１３に貯蔵された鉱物は、不図示の運搬船により、貯蔵器１３を採鉱母船１と換装して必要な場所に移送する。

次に、上記採掘ステーション２０について詳しく説明する。
図２に示すように、採掘ステーション２０は、矩形枠体状のベースフレーム２１を有する。ベースフレーム２１は、枠体の四隅が複数（この例では４脚）の支持脚２６で支持されている。各支持脚２６は、ジャッキ機構４９を介してベースフレーム２１に固定されている。
ジャッキ機構４９は、不図示のモータ、減速機構およびラック・ピニオン機構を有する。ラックは支持脚２６の軸方向に沿って形成されている。ジャッキ機構４９は、モータで減速機構を介してラック・ピニオン機構を駆動することにより、支持脚２６を上下方向（Ｚ方向）にスライド移動可能に且つその移動位置の保持が可能になっている。

この例では、ベースフレーム２１には、図３に斜視図を示すように、Ｘ方向に沿って移動フレーム４３が張り渡されている。各移動フレーム４３の両端は、Ｙ方向用移動機構４４を介してベースフレーム２１にそれぞれ支持される。Ｙ方向用移動機構４４は、不図示のモータ、減速機構およびラック・ピニオン機構を有し、モータで減速機構を介してラック・ピニオン機構を駆動することにより、移動フレーム４３をベースフレーム２１沿ってＹ方向にスライド移動可能になっている。

移動フレーム４３には、ガイドシェル４８が縦に配置されている。ガイドシェル４８は、採掘装置３０のＺ方向の送り機構を構成している。ガイドシェル４８は、Ｘ方向用移動機構５２を介して移動フレーム４３に支持されている。Ｘ方向用移動機構５２は、不図示のモータ、減速機構およびラック・ピニオン機構を有し、モータで減速機構を介してラック・ピニオン機構を駆動することにより、ガイドシェル４８を移動フレーム４３沿ってＸ方向にスライド移動可能になっている。

さらに、ベースフレーム２１には、非接触充電装置を兼ねる動力ユニット４５および吸込チャンバ５１が設けられている。本実施形態の動力ユニット４５は、上記潜水機６０からの非接触給電が可能に構成されている（後述する）。また、動力ユニット４５には、採掘ステーション２０および採掘装置３０を駆動するために、以下不図示の、高圧水供給ポンプと、高圧水供給ポンプを駆動するモータと、採掘ステーション２０全体の作動を制御する制御部と、上記超音波信号による無線通信機と、が内蔵されている。

各採掘ステーション２０は、海上で支援船３から充電を受けた潜水機６０を介して海中での非接触給電により必要な電力の供給を動力ユニット４５に受ける。そして、動力ユニット４５は、支援船３側の制御用コンピュータの指令に基づいて、ジャッキ機構４９の駆動により、採掘ステーション２０の姿勢を制御可能になっている。
さらに、動力ユニット４５は、Ｘ方向用移動機構５２およびＹ方向用移動機構４４の駆動により、ガイドシェル４８をＸ方向およびＹ方向に移動するとともに、高圧水供給ポンプの駆動により、取水した海水を高圧水として採掘装置３０に供給し、ガイドシェル４８に設けられた採掘装置３０を駆動可能になっている。

次に、各採掘ステーション２０に装備された採掘装置３０について説明する。
図４に示すように、ガイドシェル４８には、スライダ４６を介して採掘装置３０が装備されている。ガイドシェル４８の上部には、ガイドシェル４８に沿ってスライダ４６をＺ方向にスライド移動させるスライド移動機構４７が設けられている。スライド移動機構４７は、不図示のモータ、減速機構およびラック・ピニオン機構を有し、モータで減速機構を介してラック・ピニオン機構を駆動することにより、ガイドシェル４８に沿ってスライダ４６をＺ方向にスライド移動可能になっている。

採掘装置３０は、スライダ４６に装着されるハウジング部３１を有する。ハウジング部３１には、不図示の回転駆動機構およびスイベルが内蔵されている。ハウジング部３１は、ハウジング部３１の上部が、高圧水供給管９を介して上記動力ユニット４５の高圧水供給ポンプに接続される。

次に、上記採掘装置３０の装置本体１０の構成について説明する。
図５に装置本体１０の部分を拡大して示すように、この採掘装置３０は、単管のロッド５７を有し、ロッド５７の前方に装置本体１０が装着されている。装置本体１０は、ロッド５７の先端にテーパねじ部５６ａで連結されたシリンダ５６を有する。シリンダ５６には、上方から順に、チェックバルブ５９、ハンマ５４およびビット５０が内装され、ハンマ５４の前後には、シリンダ前室５２とシリンダ後室５３が画成されている。

採掘装置３０を駆動する高圧水は、ロッド５７上端の上記ハウジング部３１に、高圧水供給ポンプから高圧水供給管９を介して供給される。供給された高圧水は、シリンダ５６とハンマ５４の内外周面に形成されたハンマ往復動切換え機構により、ハンマ５４をシリンダ５６内で前後進させるようにシリンダ前室５２またはシリンダ後室５３に給排される。ロッド５７は、ガイドシェル４８に据え付けた送り機構４７とハウジング部３１の回転機構により回転および給進される。

シリンダ５６には、さく孔口の周囲を囲繞するように、フートパッド５８がさく孔口側に向けて押圧可能且つ軸方向に沿ってスライド移動可能に設けられている。フートパッド５８の上部側面には、スラリーを海底鉱床資源として採掘する吸込管５の一端が接続される。吸込管５の他端は、上記吸込チャンバ５１を介して分級器２７に接続される。吸込管５から、採掘装置３０の駆動により採掘されたスラリー状の鉱物が吸入される。

次に、上記潜水機６０の構成について説明する。
図６に示すように、潜水機６０は、海中の動力ユニット４５の給電位置となる給電部４５ｊへの潜水および海上の浮上位置への浮上可能に構成された自立潜水艇型の無人電源搬送装置である。
詳しくは、潜水機６０は、同図に示すように、円筒型殻壁を有する推進部６１と、推進部６１の下部に設けられた箱型の圧力容器を有する本体部６４と、本体部６４の下部に設けられた給充電装置６５と、を備える。この潜水機６０は、推進部６１の軸方向を水平とする潜航姿勢で海中に配備される。

推進部６１は、潜航装置であって、２基のスラスタ６２、６３が付設されている。この例では、推進部６１の後部には、推進（前進および後進）用スラスタ６２が軸線を水平に配置され、推進部６１の上部には、操舵翼６８ｙを備える操舵装置６８が載置固定されるとともに、操舵装置６８の内部に、浮力（浮上および潜水）用スラスタ６３が軸線を垂直に配置されている。本体部６４の内部には、給電および各スラスタ６２、６３を駆動するための二次電池であるバッテリ６６が、例えば球状の耐圧殻室内に搭載されている。

各スラスタ６２、６３は、以下不図示の、潜水機６０の内側に駆動モータが収容された回動機構部と、回動機構部から潜水機６０の殻壁外部に張り出す回動軸と、回動軸先端に固定され駆動モータの駆動により回転駆動されるスクリューとを有する。各スラスタ６２、６３は、回動機構部を駆動して回動軸を回動させ、スクリューを回転させて推進力または浮力を得ることが可能になっている。
操舵装置６８は、操舵翼６８ｙによる水平方向の姿勢制御が可能であり進行方向を操舵可能になっている。なお、本実施形態では、操舵翼６８ｙを有する例を示したが、これに限らず、操舵翼６８ｙに替えて、固定式の垂直安定翼を設けるとともに回頭用の補助スラスタを装備してもよい。

推進部６１の殻壁外面の前部には、超音波センサを含む音響信号の受信部６９が設置され、本体部６４内には、支援船３の船底に装備された後述する３個のトランスポンダ（発信器）３ａ，３ｂ，３ｃ（図１および図８参照）、および、採掘ステーション２０のベースフレーム２１の上部に装備された後述する３個の３個のトランスポンダ（発信器）４５ａ，４５ｂ，４５ｃ（図９参照）に対する自身の位置を音波による三角測量で計測する音響測位装置を含むコントローラ６７が装備されている。潜水機６０を制御するコントローラ６７は、推進部６１の耐圧容器内に収容されている。

コントローラ６７は、バッテリ６６からの電源で稼働されるマイクロコンピュータを含む情報処理装置であり、自動制御のプログラムまたは洋上の支援船３からのオペレータの操作に応じて、所定の給電処理を実行可能に構成されている。
なお、採掘機である採掘ステーション２０の構成が、海底で移動（例えば歩行や走行）可能な場合、海底の起伏など環境認知や掘削制御が複雑となり、採掘機の自律制御が難しいことがある。このような場合には、採掘機側にシーケンスな運転プログラムをあらかじめ組み込んでおくとともに、通信速度は遅いものの、音波による洋上の支援船３との信号送受信システムを組み合わせることが好ましい。

また、コントローラ６７は、所定の給電処理の実行に際し、上述したスラスタ６２、６３および操舵装置６８の駆動制御、超音波センサを含む受信部６９で取得した音響信号に基づく潜航位置情報の生成制御、非接触給電時のドッキング制御および姿勢維持制御等を含む必要な給電処理を実行する。

また、本実施形態では、給充電装置６５の下部は、給電部４５ｊの凹球面と整合して嵌め合い可能な下方に向けて張り出す凸球面を有する非接触送電部となっており、その下部先端の最も低い位置には、給電凸部６５ｑが給電凹部４５ｑと対向する位置に形成されている。他方の給電部４５ｊは、凹球面状に形成され、凹球面状の底部の最も低い位置には、給電凹部４５ｑが形成されている。

次に、潜水機６０と採掘ステーション２０の動力ユニット４５との非接触給電部の内部の構成について説明する。
図７に示すように、本実施形態の非接触給電部は、潜水機６０を１次側（送電側）とするとともに動力ユニット４５を２次側（受電側）としており、相互の各電装部は耐圧構造でそれぞれ保護されている。本実施形態の非接触給電部は、同図に示すように、非接触電力伝送の方式のうち磁界共鳴方式による構成例であり、潜水機６０の給充電装置６５は、給充電装置６５に内蔵された耐圧殻７１を有する。

この耐圧殻７１内には、二次電池６６、インバータ７３および共振コンデンサ７４が収容されるとともに、上記給電凸部６５ｑの内側の位置に、送電コイル７５が配置されている。また、採掘ステーション２０の動力ユニット４５は、動力ユニット４５に内蔵された耐圧殻８１を有し、この耐圧殻８１内に、二次電池８２、整流器８３および共振コンデンサ８４が収容されるとともに、上記給電凹部４５ｑの内側の位置に、受電コイル８５が配置されている。

これにより、本実施形態の非接触給電部によれば、共振コンデンサ７４の高周波を送電コイル７５から受電コイル８５に伝送して、潜水機６０の共振コンデンサ７４と動力ユニット４５の共振コンデンサ８４を磁界共鳴させ、給充電装置６５の二次電池６６に蓄電された電力を受電側の動力ユニット４５に伝送可能であり、動力ユニット４５は、共鳴によって共振コンデンサ８４に生じた高周波を整流器８３によって直流に変換するとともに二次電池８２に蓄電可能になっている。

次に、潜水機６０が目標位置を取得するための構成について説明する。
図８に示すように、海上の支援船３には、音響信号を発信する３個のトランスポンダ３ａ，３ｂ，３ｃが船底部分に設けられ、各トランスポンダ３ａ，３ｂ，３ｃは、同期した音響信号を発信可能になっている。また、海底の採掘ステーション２０には、図９に示すように、音響信号を発信する３個のトランスポンダ４５ａ，４５ｂ，４５ｃがベースフレーム２１の上部に設けられ、各トランスポンダ４５ａ，４５ｂ，４５ｃは、同期した音響信号を発信可能になっている。

音響信号を受信する受信部６９を装備した潜水機６０には、コントローラ６７が音響測位装置を含む構成とされている。音響測位装置としても機能するコントローラ６７は、支援船３に装備された３個のトランスポンダ３ａ，３ｂ，３ｃ，および、採掘ステーション２０に装備された３個の３個のトランスポンダ４５ａ，４５ｂ，４５ｃからの音響信号に基づいて、３個のトランスポンダ３ａ，３ｂ，３ｃ、および、４５ａ，４５ｂ，４５ｃに対する位置を計測可能に構成されている。そして、潜水機６０のコントローラ６７は、音響測位装置による測位結果に基づき、支援船３および採掘ステーション２０に対して、それぞれへの予め設定された目標位置に向けて潜水機６０自身を移動するようにプログラムされている。

詳しくは、支援船３の給電装置３ｋで二次電池６６に充電を受けた潜水機６０は、海中に投入されると、コントローラ６７は、所定の給電処理として、潜水機６０自身を海上での投入位置から海中の給電位置まで潜水させる潜水処理を実行する。
潜水処理では、コントローラ６７は、図９にイメージを示すように、採掘ステーション２０に装備された３個のトランスポンダ４５ａ，４５ｂ，４５ｃから発信された音響信号を受信部６９で取得した潜航位置情報並びにコントローラ６７内に設けられた姿勢センサから取得する姿勢情報等に基づき、２基のスラスタ６２、６３および操舵装置６８を駆動して、水平姿勢を維持しつつ所期の深度の給電位置まで潜航する。

給電位置に潜水後には、コントローラ６７は、非接触給電時のドッキング制御処理および姿勢維持制御処理を実行する。これら処理では、コントローラ６７は、図６にドッキング状態を示したように、上部スラスタ６３を駆動させてドッキング動作を行うとともにそのドッキング姿勢を保持しつつ、給電工程が円滑に行われているか否かを監視する。なお、同図に示す白抜き矢印は、上部スラスタ６３を駆動させてドッキング動作およびその姿勢保持を行う際の水流のイメージを示している。

さらに、コントローラ６７は、所定の給電処理後に浮上処理を実行する。浮上処理では、コントローラ６７は、潜水機６０自身を海上の浮上位置に浮上させる。この浮上処理では、コントローラ６７は、支援船３に装備された３個のトランスポンダ３ａ，３ｂ，３ｃから発信された音響信号を受信部６９で取得した浮上位置情報並びにコントローラ６７内に設けられた不図示の姿勢センサから取得する姿勢情報等に基づき、２基のスラスタ６２、６３および操舵装置６８を駆動して、水平姿勢を維持しつつ海上の浮上位置まで浮上する。浮上後には、自身を揚収させるための揚収信号を支援船３に発信する揚収信号発信処理を実行する。支援船３は、揚収信号を受信したら、クレーン等の作業機３ｓで潜水機６０を揚収して二次電池６６を急速充電後に、再度、潜水機６０を海中に投入する。

なお、本実施形態では、潜水機６０への急速充填を優先するため、潜水機６０を揚収して充電する例を示したが、これに限定されず、例えば、支援船３の船底に潜水機６０のドッキング部を設け、このドッキング部に潜水機６０をドッキングさせた状態で給充電装置６５を充電可能に構成してもよい。このような構成であれば、作業機３ｓで潜水機６０を揚収する作業を不要とすることができる。

次に、上述した採掘システムによって、海底鉱床ＯＤから鉱物を揚鉱する手順、並びにこの海底鉱床の採掘システム並びに採掘装置３０による海底鉱床の採掘方法の作用・効果について説明する。
図１に示したように、採鉱母船１、架設配置用母船２および支援船３は、目的とする海域の海上ＳＬに所定のスケジュールに従ってそれぞれ停泊する。そして、所定のスケジュールに従い、まず、架設配置用母船２に設置されているクレーン等の作業機１１を用い、採掘ステーション２０および揚鉱ユニット４を海中に降ろし、これらの機材が図１に示すような配置となるように海底ＳＢの適切な位置に設置する。

これらの機材の設置前または設置後に、吸込管５、揚鉱管６および排出管７並びにアンビリカルケーブル８等の必要な配管および配線を行い、各配管内には海水を満たす。なお、本実施形態において、採掘ステーション２０を海底鉱床ＯＤに配置する際は、海底ＳＢの凹凸形状に応じ、ベースフレーム２１の姿勢が水平になるように、ベースフレーム２１四隅の支持脚２６をジャッキ機構４９により上下にスライド移動させておく。

上述の機材の設置後、所定のスケジュールに従い、採掘ステーション２０を動力ユニット４５のバッテリ８２により起動して、海底鉱床ＯＤに有底穴である竪穴ＶＨをさく孔しつつ海底鉱床を粉砕する。これとともに、採鉱母船１からは、アンビリカルケーブル８を介して揚鉱ユニット４に必要な電力や制御信号を供給して揚鉱ユニット４を駆動する。

ここで、採掘ステーション２０のベースフレーム２１に設けられた高圧水供給ポンプから供給される高圧水は、採掘装置３０において、ハンマ往復動切換え機構によりハンマ５４を前後に駆動し、ハンマ５４がビット５０を打撃した衝撃によって海底鉱床ＯＤに有底穴である竪穴ＶＨをさく孔することができる。打撃後の高圧水は、ビット５０の軸心に設けた吸入孔５０ａを経てビット先端に出るが、さく孔で採掘された海底鉱床は、竪穴ＶＨ内で海水と混合されてスラリーとなる。

竪穴ＶＨ内で生成されたスラリーは、シリンダ５６の外側とさく孔内壁ＶＨｎとの隙間、ないし、さく孔内壁ＶＨｎに接して海水中まで延設されたロッド５７外側とさく孔内壁ＶＨｎとの隙間を通り、フートパッド５８の内側から吸込管５を介して竪穴ＶＨ内から直接回収される。よって、この採掘装置３０は、海中での採掘鉱物の飛散を防止または抑制できる。

吸込管５で吸入されたスラリー状の鉱物は吸込チャンバ５１を介して分級器２７に移送される。分級器２７は、鉱物粒子の比重差によって遠心力により所望の鉱物とそうでない不要な鉱物とを分離する。分級で不要とされた鉱物は、図１に示すように、分級器２７に接続された排出管７を介して海底の戻し置き場に導かれる。
一方、分離されたスラリー状の鉱物のうち、所望の比重の鉱物は、揚鉱用ポンプ２５に送られ、揚鉱管６を介して採鉱母船１の貯蔵器１３に揚鉱される。採鉱母船１では、貯蔵器１３に貯蔵するときに、スラリー状の鉱物を海水と分離し、海底鉱床が貯蔵器１３内部に貯蔵される。

各採掘ステーション２０は、採掘装置３０の最大さく孔深度まで採掘したら採掘装置３０を後退した後に、図２に示すように、採掘装置３０をＸ−Ｙ平面で移動して、Ｘ−Ｙ平面全体を走査するように順次にさく孔を行う。Ｘ−Ｙ平面での移動および移動後のさく孔は、本実施形態のように、動力ユニット４５に内蔵のコンピュータにより自動的に行ってもよいし、各採掘ステーション２０の状況を支援船３からオペレータが監視しつつ、オペレータの手動操作によって行ってもよい。

ここで、各採掘ステーション２０は、各動力ユニット４５に内蔵のバッテリ（例えばリチウムイオン二次電池）８２により自律運転されるものの、内蔵のバッテリ８２による稼動時間には限界がある。そこで、本実施形態では、各動力ユニット４５に対して、海上で充電を受けた潜水機６０を介して海中での非接触給電により、各動力ユニット４５に内蔵のバッテリ８２を非接触で充電する。

すなわち、潜水機６０は、所定の給電スケジュールに従い、図９に示すように、採掘ステーション２０の３つのトランスポンダ４５ａ，４５ｂ，４５ｃからの音響信号に基づいて、トランスポンダ４５ａ，４５ｂ，４５ｃに対する位置を計測する音響測位により、あらかじめ設定された目標位置に潜航する。

図８に給電動作全体のイメージを示すように、潜水機６０は、支援船３から採掘ステーション２０の目標位置まで潜航したら、図６に拡大図示するように、採掘ステーション２０の動力ユニット４５の上部にドッキングして、潜水機６０に内蔵されている二次電池６６から非接触で電力を供給する。
このとき、潜水機６０の非接触送電部（送電コイル７５）が、採掘ステーション２０の非接触受電部（受電コイル８５）と、送受電部の壁面形状に案内され、図６、図７に示したように、着脱可能な状態で、スラスタ６３の推進力により非接触給電の送電部と受電部相互の密着を保持する。所定の給電を終えた潜水機６０は、既定の電池残量を残してドッキングを解除して浮上を開始し、支援船３に帰還して再度自身のバッテリ６６に充電され、図８に示す一連の給電処理が継続される。

次に、上述した採掘システムの作用効果について説明する。
ところで、海底鉱床のうち、一般に、海底熱水鉱床は、鉱床面積が小さい上、その水深は深いところにある。例えば、代表的な海底熱水鉱床としては、海底の露出面積が直径１００ｍ程度、海上から海底鉱床までの水深が２，０００ｍ前後である。一方、この種の海底熱水鉱床の採鉱工程は、掘削、搬送、破砕および揚鉱等を行うための様々な採鉱機器で構成されるところ、従来、それら採鉱機器は、海上の複数の支援船からアンビリカルケーブル等の複数のケーブルにより電源および制御信号が供給される。

そのため、従来提案されている採掘システムでは、海上の複数の支援船から海底まで長く延ばされた複数のケーブルが、非常に狭い海底鉱床に向かって密集するのが現実であり、多数の採鉱機器に繋がれた複数の長いケーブルは、潮流の影響を受けながら各採鉱機器の移動に追従しなければならず、長く延ばされた複数のケーブル相互の絡まりを避けるためのオペレーションが極めて難しいことになる。また、万一、いずれかのケーブルが破断した場合には、その復旧に掛かる時間と費用は膨大である。

一方、洋上には複数の支援船は必要であり、安全上、船と船との船間距離は近くても１００ｍ程度離し、ケーブルが絡まない様に停留位置を制御しなければならない。この船間距離と停留位置を保持するには、高額なＤＰＳ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）付きの船が必要となるため、その傭船費が高くなるという問題がある。

これに対し、本実施形態の採掘システムによれば、潜水機６０は、海上基地となる支援船３と海底の採掘機である採掘ステーション２０との間を無人で潜航可能であり、また、潜水機６０は、給充電装置６５により支援船３の給電装置３ｋから急速充電するとともに、採掘ステーション２０の動力ユニット４５に非接触給電することができる。

そして、海底の採掘ステーション２０は、動力ユニット４５に非接触充電で与えられた電力によって海底で採掘することができる。よって、本実施形態の採掘システムによれば、海底の採掘ステーション２０に対してケーブルレスによる電力の供給が可能である。そのため、海底の採掘ステーション２０へのケーブル延設に係る種々の問題を考慮不要とし、海底鉱床の採掘作業を止めることなく効率的に採掘ステーション２０を運転できる。特に、海中における電力供給には海水に対する絶縁の必要性から非接触給電は好適である。

また、本実施形態の採掘システムによれば、海中で非接触充電を行うケーブルレス給電なので、洋上では、特定位置への支援船３の停留が不要である。そのため、高価な自己位置保持機構（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）が不要となる。さらに、海象状況による支援船３の緊急退避等に伴うケーブルの切断作業も発生しない。そのため、ケーブル延設に係る種々の問題を考慮不要とし得て、海底鉱床での採掘作業を止めることなく効率的に採掘ステーション２０を運転できる。なお、ＤＰＳ無しの支援船３であると、船間距離を１ｋｍ程度離す必要があるところ、ケーブルが繋がっていなければなんら問題はない。

また、本実施形態の採掘システムによれば、海上の支援船３には、音響信号を発信するトランスポンダ３ａ，３ｂ，３ｃが装備されるとともに、潜水機６０の二次電池６６を充電するための給電装置３ｋ、および、潜水機６０を海中に投入および回収するクレーン等の作業機３ｓが搭載されているので、潜水機６０を介して海中での非接触充電で採掘ステーション２０に与えられた電力によって海底鉱床を採掘するための海上基地として好適である。

ここで、給電効率から送受コイルの相対位置精度は重要である一方、万一、海底で送受電部の切り離しができない場合には、その復旧には大きなコストと時間が発生するため、脱着が容易であることは重要である。これに対し、本実施形態であれば、非接触送電部と非接触受電部とは、図６に示したように、相互の送受電部の外形形状に沿って挿着状態および抜脱状態に案内されるとともに、非接触充電時における非接触送電部および非接触受電部相互の密着状態は、スラスタ６３の推進力により保持されるので、ロック機構などを有しない構成によるドッキング姿勢の保持により、高い相対位置精度を実現するとともに、送受電部の切り離しを容易且つ確実に実行できる。

なお、本発明に係る海底鉱床の採掘システム、海底鉱床採掘用の採掘機および潜水機、並びに海底鉱床の採掘方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能なことは勿論である。
例えば、上記実施形態では、海上基地として支援船３を例示するとともに、海上の採鉱基地として採鉱母船１を例に説明したが、これに限定されず、海上基地や海上揚鉱基地として機能すれば、例えば海上に建設されたプラットホームなどであってもよい。また、例えば上記実施形態では、採掘ステーション２０が自らは移動しない例で説明したが、これに限らず、例えば採掘ステーションが自ら移動可能な機構を有する構成とすることもできる。

また、例えば上記実施形態では、潜水機６０の給充電装置６５は、給電装置３ｋからの充電が可能な充電装置と、非接触充電装置である動力ユニット４５に非接触での給電が可能な非接触給電装置とを兼ね備えた構成例を示したが、これに限らず、給電装置３ｋからの充電が可能な充電装置と、動力ユニット４５等の非接触充電装置に非接触給電が可能な非接触給電装置とを別箇の構成として装備してもよい。

１ 採鉱母船
２ 架設配置用母船
３ 支援船（海上基地）
３ａ，３ｂ，３ｃ トランスポンダ
３ｋ 給電装置
３ｓ 作業機
４ 揚鉱ユニット
５ 吸込管
６ 揚鉱管
７ 排出管
８ アンビリカルケーブル
９ 高圧水供給管
１０ 装置本体
１１ 作業機
１２ 発電機
１３ 貯蔵器
２０ 採掘ステーション（採掘機）
２１ ベースフレーム
２５ 揚鉱用ポンプ
２６ 支持脚
２７ 分級器
３０ 採掘装置
３１ ハウジング部
４３ 移動フレーム
４５ 動力ユニット（非接触充電装置）
４５ａ，４５ｂ，４５ｃ トランスポンダ
４８ ガイドシェル
４９ ジャッキ機構
５０ ビット
６０ 潜水機
６１ 推進部
６２、６３ スラスタ
６４ 本体部
６５ 給充電装置（充電装置、非接触給電装置）
６６ バッテリ（二次電池）
６７ コントローラ
７０ 非接触送電部
８０ 非接触受電部
８２ バッテリ（二次電池）
ＳＬ 海上
ＳＢ 海底
ＯＤ 海底鉱床
ＶＨ 竪穴（有底穴）

Claims (9)

1. 給電装置を有する海上基地と、
   非接触充電装置および該非接触充電装置に非接触給電で与えられた電力によって海底鉱床を採掘する採掘装置を有する採掘機と、
   前記海上基地と前記採掘機との間を潜航可能な潜航装置、前記給電装置からの充電が可能な充電装置および前記非接触充電装置に非接触での給電が可能な非接触給電装置を有する潜水機と、
   を備えることを特徴とする海底鉱床の採掘システム。
2. 前記採掘機は、複数の前記非接触充電装置を有し、前記潜水機は、同時に複数台が稼動される請求項１に記載の海底鉱床の採掘システム。
3. 前記海上基地および前記採掘機は、同期した音響信号を発信する３個のトランスポンダをそれぞれ有し、
   前記潜水機は、前記３個のトランスポンダからの音響信号を受信する受信機と、前記３個のトランスポンダから受信した音響信号に基づいて前記３個のトランスポンダに対する自身の位置を計測する測位装置と、該測位装置で計測した位置情報に基づいて前記海上基地および前記採掘機に対する目標位置に潜航する制御装置と、を有する請求項１または２に記載の海底鉱床の採掘システム。
4. 前記潜水機は、前記潜航装置がスラスタを有するとともに、前記非接触給電装置が非接触送電部を有し、前記採掘機は、前記非接触充電装置が非接触受電部を有し、
   前記非接触送電部と前記非接触受電部とは、相互の送受電部の外形形状に沿って挿着状態および抜脱状態に案内されるとともに、非接触充電時における非接触送電部および非接触受電部相互の密着状態は、前記スラスタの推進力により保持されるように構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の海底鉱床の採掘システム。
5. 前記海上基地と前記採掘機とは、超音波信号による双方向の無線通信が可能に構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の海底鉱床の採掘システム。
6. 前記海上基地の給電装置は、海洋再生可能エネルギーを利用する、洋上での風力発電、海洋温度差発電、海流若しくは潮流発電または波力発電を含む発電機を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の海底鉱床の採掘システム。
7. 非接触充電装置と、該非接触充電装置に非接触給電で与えられた電力によって海底鉱床を採掘する採掘装置と、を有することを特徴とする海底鉱床採掘用の採掘機。
8. 海上の海上基地と海底の採掘機との間を潜航可能な潜航装置と、前記海上基地に装備された給電装置からの充電が可能な充電装置と、前記採掘機に装備された非接触充電装置への給電が可能な非接触給電装置と、を有することを特徴とする海底鉱床採掘用の潜水機。
9. 海上で充電された潜水機を介した海中での非接触給電で採掘機に与えられた電力によって海底鉱床を採掘することを特徴とする海底鉱床の採掘方法。

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