JP2020148072A - 海洋資源揚鉱装置およびこれを用いた海洋資源揚鉱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レアアース泥を高い信頼性をもって揚鉱し得る海洋資源揚鉱装置およびこれを用いた海洋資源揚鉱方法を提供する。【解決手段】この海洋資源揚鉱装置は、洋上から供給される駆動用流体Ｓ１によって駆動される流体モータ部１１と、流体モータ部１１の下部に設けられて流体モータ部１１によって駆動されるねじポンプ部１２と、をケーシング３１内に有する第一揚鉱部１と、第一揚鉱部１のケーシング３１に沿って配置されてねじポンプ部１２の吐出口１６に連通するように配置されるライザー管２１と、ライザー管２１の内部に配管されて洋上から供給される揚鉱用流体Ｓ２をライザー管２１内での吐出口１６に連通する位置の近傍に噴射する揚水導入管２３と、を有する第二揚鉱部２と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、海洋資源を揚鉱するための装置および方法に係り、特に、海洋に存在するレアアース泥等の海洋資源の揚泥用に好適な揚鉱装置並びにこれを用いた海洋資源の揚鉱方法に関する。

２０１２年、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揚鉱技術としては、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揚鉱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導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、海洋資源であるレアアース泥は、水深５０００ｍ以上の深海に存在することから、ポンプリフト方式であると、多段遠心ポンプの直列運転となり、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。
一方、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膨大なエネルギーを要するという問題がある。

ここで、従来は、海底の硬い岩盤の掘削に際しては、図５に例示するようなライザー掘削装置１２０を用い、ライザー管１２１と、ビット１０４を駆動するとともに揚鉱用流体Ｓを導く駆動管１２３とにより、岩盤をビット１０４で掘削しつつ、その掘削礫を揚鉱用流体Ｓとともにライザー管１２１で還流（符号Ｍで示す矢印）させて揚鉱が行われている。
しかし、同図に示すようなライザー掘削装置１２０による掘削方法で海底のレアアース泥Ｂを揚鉱する場合、柔らかいレアアース泥Ｂでは、硬い岩盤を掘削する場合とは異なり、ライザー管１２１の側面からの液漏れにより、海底から船上までレアアース泥Ｂを揚鉱するための圧力の確保が難しいという問題がある。

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、レアアース泥を高い信頼性をもって揚鉱し得る海洋資源揚鉱装置およびこれを用いた海洋資源揚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、洋上から供給される駆動用流体によって駆動される流体モータ部と、該流体モータ部の下部に設けられて該流体モータ部によって駆動されるねじポンプ部と、をケーシング内に有する第一揚鉱部と、前記第一揚鉱部の前記ケーシングに沿って配置されて前記ねじポンプ部の吐出口に連通するように配置されるライザー管と、該ライザー管の内部に配管されて洋上から供給される揚鉱用流体を該ライザー管内での前記吐出口に連通する位置の近傍に噴射する揚水導入管と、を有する第二揚鉱部と、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、前記第一揚鉱部の駆動によって前記第二揚鉱部の前記ライザー管の最下部近傍に海底のレアアース泥を導入しつつ、前記揚水導入管から噴射する揚鉱用流体の圧力で該揚鉱用流体とともに前記吐出口から導入されたレアアース泥を洋上まで揚鉱することを特徴とする。

本発明のいずれか一の態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、第一揚鉱部と、第一揚鉱部のケーシングに沿って配置されたライザー管を有する第二揚鉱部とを備え、第一および第二揚鉱部のいずれも、洋上から送られる流体で作動する。
そのため、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れば、第一揚鉱部の駆動によって吐出口から第二揚鉱部のライザー管の下部近傍に海底のレアアース泥を導入しつつ、揚水導入管から噴射する揚鉱用流体の圧力で該揚鉱用流体とともに吐出口から導入されたレアアース泥を洋上まで揚鉱できる。
よって、本発明によれば、高圧水深下での軸シールの耐久性および信頼性に課題を持つ水中モータが不要であり、さらに、第一揚鉱部と第二揚鉱部との協働により、海底から船上までレアアース泥を揚鉱するための圧力を確保して、水深５０００ｍ以上の深海に存在するレアアース泥を洋上まで高い信頼性をもって揚鉱できる。

上述のように、本発明によれば、レアアース泥を高い信頼性をもって揚鉱し得る海洋資源揚鉱装置およびこれを用いた海洋資源揚鉱方法を提供できる。

本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置の一実施形態の全体構成を説明する模式図である。 一実施形態の海洋資源揚鉱装置の要部構成を説明する図であり、同図では、軸線に沿った断面を示している。 一実施形態の海洋資源揚鉱装置の動作を説明する模式図である。 一実施形態の変形例に係る海洋資源揚鉱装置を説明する模式図である。 従来のライザー掘削装置の一例を示す説明図である。

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。

図１に示すように、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０は、流体モータ駆動ねじポンプとして構成された第一揚鉱部１と、長尺な中空円筒状のライザー管２１を有する第二揚鉱部２とを備える。第一揚鉱部１は、長尺な中空円筒状のケーシング３１を有する。ケーシング３１の下端には、ビット４を有する掘削部３が設けられている。
この海洋資源揚鉱装置１０は、同図に示すように、第一揚鉱部１のケーシング３１および第二揚鉱部２のライザー管２１の軸線を上下方向として海中に配備される。第二揚鉱部２のライザー管２１は、第一揚鉱部１のケーシング３１に沿って配置される。第一揚鉱部１と第二揚鉱部２とは、連結管２２を介して相互に連結され、海上に停泊する海洋資源回収船１００まで海水が満たされた状態で延設される。

そして、本実施形態の海洋資源揚鉱装置１０は、第一揚鉱部１および第二揚鉱部２のいずれも、洋上の海洋資源回収船１００から送られる流体で作動するように構成され、各揚鉱部１，２の作動用の流体、海水およびレアアース泥Ｂがライザー管２１に導かれるように構成されている。
詳しくは、図２に要部を拡大図示するように、第一揚鉱部１が構成する流体モータ駆動ねじポンプは、洋上の海洋資源回収船１００から供給される駆動用流体Ｓ１によって駆動される流体モータ部１１と、流体モータ部１１の下部に設けられて流体モータ部１１によって駆動されるねじポンプ部１２と、をケーシング３１内に備える。

一方、第二揚鉱部２を構成するライザー管２１は、ねじポンプ部１２の吐出口１６に自身最下部近傍の位置で連結管２２を介して連通される。ライザー管２１内には、略同軸に支持された長尺な中空円筒状の揚水導入管２３が設けられる。
揚水導入管２３は、ライザー管２１の内部に略同軸に配管され、洋上の海洋資源回収船１００から供給される揚鉱用流体Ｓ２を、ライザー管２１内での最下部近傍の位置に噴射可能になっている。

本実施形態のケーシング３１は、モータ部ケーシング３１ａと、ポンプ部ケーシング３１ｂとを有する。モータ部ケーシング３１ａとポンプ部ケーシング３１ｂとは、シャフト支持部６０を介して相互に連結されている。モータ部ケーシング３１ａの上端には、駆動流体導入管３２が略同軸に接続され、ポンプ部ケーシング３１ｂの下端には、複数の第一吸込口１７を周壁面に有する吸込ケーシング５が略同軸に接続されている。
モータ部ケーシング３１ａ内には、流体モータ部１１が設けられ、ポンプ部ケーシング３１ｂ内には、ねじポンプ部１２が設けられる。本実施形態では、後に詳述するように、流体モータ部１１およびねじポンプ部１２の基本構成として、インナロータとともにアウタロータが連れ回り駆動するねじポンプを採用している。

下部の吸込ケーシング５の内周面には、水中軸受６が装着された軸受支持筒７が設けられ、この水中軸受６によって、シャフト４０の先端部４０ｓが回転自在に支持されている。軸受支持筒７は、平面視が略レンコン状をなし、軸方向に沿って貫通する複数の貫通孔が周方向に離隔して形成された第二吸込口１８が軸方向に沿って設けられている。
さらに、吸込ケーシング５は、インナロータ先端にビット４を設けることで掘削部３を構成しており、海底のレアアース泥Ｂをビット４で掘削するとともに、ねじポンプ部１２を駆動することにより、掘削されたレアアース泥Ｂを、吸込ケーシング５の第一吸込口１７および第二吸込口１８から導入室８の内部に吸引し、上部の吐出口１６から連結管２２を介してライザー管２１に移送可能になっている。

より詳しくは、吸込ケーシング５の上端部には、中空円筒状のモータ部ケーシング３１が同軸に接続されている。モータ部ケーシング３１の下端開口は、掘削されたレアアース泥Ｂの導入室８の上部の回収口１５に連通している。モータ部ケーシング３１内には駆動軸４３が回転自在に支持されている。
モータ部ケーシング３１内には、流体モータ部１１が、駆動軸４３の軸方向の一端側（この例では上下方向上側）に設けられるとともに、ねじポンプ部１２が、駆動軸４３の他端側（この例では上下方向下側）に設けられている。モータ部ケーシング３１の上端部は、駆動流体導入管３２からの駆動用流体Ｓ１を導入する導入口３３と連通される。

モータ部ケーシング３１の途中部分の下部寄りの位置に、駆動軸４３を回転自在に支持するシャフト支持部６０が設けられている。駆動軸４３は、シャフト支持部６０の複数の軸受４５によって回転自在に支持される。複数の軸受４５の両側それぞれにはシール部が設けられ、このシール部により駆動軸４３の外周面とモータ部ケーシング３１との間がシールされている。
なお、本実施形態は、駆動軸４３を支持する複数の軸受４５に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（モータ部ケーシング３１内の他の軸受について同様）。

駆動軸４３には、シャフト支持部６０よりも上部の位置に、駆動用流体噴射流路１３への導入口１４が設けられている。導入口１４は、流体モータ部１１による駆動軸４３を駆動後の駆動用流体Ｓ１が導入されて駆動用流体噴射流路１３へと送られる。
駆動用流体噴射流路１３は、導入口１４の位置から下方に向け、駆動軸４３の中心を貫通して駆動軸４３の下端面に連通している。さらに、駆動用流体噴射流路１３は、駆動軸４３の下端に接続されたシャフト４０の中心に貫通形成され、シャフト４０の先端部４０ｓに装着されるビット４に開口する複数の噴射口４ｓから駆動用流体Ｓ１を吐出可能に設けられている。

さらに、ケーシング３１の途中部分であってねじポンプ部１２の上部の位置には、駆動用流体Ｓ１と掘削されたレアアース泥Ｂとの混合物Ｍ１を吐出する吐出口１６が側面に設けられ、吐出口１６にライザー管２１の下端部近傍が連結管２２を介して連通して一体に装着されている。ライザー管２１は、その下端部近傍が、連結管２２で吐出口１６に接続され、直線状の管本体部がケーシング３１に並行して上方に延びている。
モータ部ケーシング３１ａ内には、上記流体モータ部１１が設けられている。流体モータ部１１は、モータ部ケーシング３１ａ内に、第一アウタロータ５１と、片持ち構造の第一インナロータ４１とを有する。第一アウタロータ５１には、左巻雌ねじ状の螺旋部が内周面に形成されている。

第一インナロータ４１には、左巻雄ねじ状の螺旋部が外周面に形成されている。第一インナロータ４１の基端部４４は、モータ部ケーシング３１ａ内に直線状に延び、自在継手（ユニバーサルジョイント）を用いることなく、駆動軸４３の上端に一体形成され、駆動軸４３とともに一体で回転するようになっている。
第一アウタロータ５１は、金属製で円筒状をなすロータ外筒５１ｓと、ロータ外筒５１ｓ内に配置されたゴム製のロータ内筒５１ｎとからなる。第一アウタロータ５１は、その両端が、軸方向に離隔した複数の軸受５３を介してモータ部ケーシング３１ａ内に回転自在に支承されている。複数の軸受５３の軸方向外側それぞれにはシール部５４が設けられ、このシール部５４により、第一アウタロータ５１の外周面とモータ部ケーシング３１ａとの間がシールされている。

第一実施形態の流体モータ部１１では、第一インナロータ４１の螺旋部は、左巻き２条雄ねじになっており、第一アウタロータ５１の内周面の螺旋部の形状は、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。
そして、第一インナロータ４１の外周面の螺旋部が、雌ねじ状の内面を形成した第一アウタロータ５１に内装されている。第一アウタロータ５１の軸線と第一インナロータ４１の軸線とは、相互の軸心が所定の偏心量（軸心間距離）だけ離れた平行な２軸でそれぞれ回転可能に支承され、第一アウタロータ５１が、第一インナロータ４１の回転に応じて連れ回りするようになっている。第一アウタロータ５１内に第一インナロータ４１の螺旋部が差し込まれると、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が、軸方向の複数個所に画成される。

一方、モータ部ケーシング３１ａの下部には、シャフト支持部６０を介してポンプ部ケーシング３１ｂが同軸に接続され、ポンプ部ケーシング３１ｂの内部に、上記ねじポンプ部１２が設けられている。ねじポンプ部１２は、ポンプ部ケーシング３１ｂ内に、右巻き雄ねじ状の螺旋部が外周面に形成された片持ち構造の第二インナロータ４２と、右巻き雌ねじ状の螺旋部が内周面に形成された第二アウタロータ５２とを有する。

第二インナロータ４２の基端部４６は、ポンプ部ケーシング３１ｂ内に直線状に延び、自在継手（ユニバーサルジョイント）を用いることなく、駆動軸４３の下端に一体形成され、駆動軸４３とともに一体で回転するようになっている。
第二アウタロータ５２は、金属製で円筒状をなすロータ外筒５２ｓと、ロータ外筒５２ｓ内に配置されたゴム製のロータ内筒５２ｎとからなる。第二アウタロータ５２は、その両端が、軸方向に離隔した複数の軸受６３を介してポンプ部ケーシング３１ｂ内に回転自在に支承されている。複数の軸受６３の軸方向外側それぞれにシール部６４が設けられ、このシール部６４により、第二アウタロータ５２の外周面とポンプ部ケーシング３１ｂとの間がシールされている。

第一実施形態では、第二インナロータ４２の下端部は、回収口１５を通して導入室８内まで延設され、導入室８内の上部の位置でシャフト４０の先端部４０ｓの上端に連結され、ビット４の基端部はシャフト４０の先端部４０ｓに連結されて一体で回転するようになっている。
本実施形態では、第二インナロータ４２は、螺旋部の外周面に右巻き２条雄ねじを有し、第二アウタロータ５２は、その内周面に右巻き３条雌ねじの螺旋部を有する。なお、ねじポンプ部１２の各ロータ４２、５２の螺旋部の詳細は、上述した流体モータ部１１とは、螺旋部の巻方向が逆方向（つまり、右巻き）である以外は、流体モータ部１１と同様に構成されているため、詳細な説明を省略する。

上記構成により、第二インナロータ４２の外周面の螺旋部が、雌ねじ状の内面を形成した第二アウタロータ５２の螺旋部に内装され、第二アウタロータ５２の軸線と第二インナロータ４２の軸線とは、相互の軸心が所定の偏心量（軸心間距離）だけ離れた平行な２軸でそれぞれ回転可能に支承され、第二アウタロータ５２が、第二インナロータ４２の回転に応じて連れ回りする。さらに、第二インナロータ４２の回転と共に、第二インナロータ４２の下端に連結されたシャフト４０も一体で回転駆動するようになっている。

次に、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０の動作および作用効果について説明する。
上記のように構成された第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０において、図１に示したように海洋資源揚鉱装置１０を配置し、流体モータ部１１に対し、洋上の海洋資源回収船１００から駆動流体導入管３２を介して上部の導入口３３に高圧の駆動用流体Ｓ１を供給する。導入口３３に高圧の駆動用流体Ｓ１が供給されると、駆動用流体Ｓ１が第一インナロータ４１と第一アウタロータ５１との対向空間に画成された複数のキャビティに順次に導入される。

これにより、流体モータ部１１は、キャビティに作用する高圧の駆動用流体Ｓ１の導入圧により、第一インナロータ４１が回転し、第一インナロータ４１の動きに伴って第一アウタロータ５１も第一インナロータ４１の回転と同期して従動回転する。これにより、流体モータ部１１において、駆動用流体Ｓ１の導入圧が駆動軸４３の回転駆動力に変換される。
さらに、駆動用流体Ｓ１は、導入口１４から駆動用流体噴射流路１３に導入され、駆動軸４３の中心からシャフト４０の中心に沿って軸方向に形成された駆動用流体噴射流路１３を通り、ビット４に開口する噴射口４ｓへと送出される。

そして、流体モータ部１１で第一インナロータ４１が回転駆動すると、ねじポンプ部１２では、１本の駆動軸４３に同軸に設けられた第二インナロータ４２が回転する。これとともに、図３に示すように、海洋資源揚鉱装置１０を海底に向けて軸方向に沿って掘進する。
これにより、インナロータ先端のビット４により海底のレアアース泥Ｂがビット４で掘削される。さらに、第二インナロータ４２の動きに伴って第二アウタロータ５２も第二インナロータ４２の回転と同期して従動回転することでねじポンプ部１２がポンプとして機能する。

ここで、ねじポンプ部１２は、流体モータ部１１とは逆ねじになっているので、第二アウタロータ５２と第二インナロータ４２との接線で吸込側と吐出側を遮断するシールラインが吸込側から吐出側に連続的に移動することで、ビット４により掘削されたレアアース泥Ｂが、ビット４から噴射された駆動用流体Ｓ１と混合された混合物Ｍ１とされ、ねじポンプ部１２がポンプ機能により、先端の吸込ケーシング５の第一吸込口１７および第二吸込口１８から導入室８の内部に吸引して、吸込ケーシング５の導入室８に導かれ、導入室８内の混合物Ｍ１を下方の回収口１５から上方の吐出口１６に向けて圧送できる。

さらに、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０によれば、ライザー管２１の内部に配置された揚水導入管２３から高圧の揚鉱用流体Ｓ２が供給される。これにより、ビット４で掘削したレアアース泥Ｂとともにビット近傍に設けた回収口１５から駆動用流体Ｓ１とともにレアアース泥Ｂを吸引して、ライザー管２１の最下部近傍にレアアース泥Ｂを導入し、揚水導入管２３から供給される高圧の揚鉱用流体Ｓ２の圧力で、揚鉱用流体Ｓ２とともにライザー管２１でレアアース泥Ｂを洋上の海洋資源回収船１００まで揚鉱できる。
よって、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０によれば、駆動用流体Ｓ１とレアアース泥Ｂとの混合物Ｍ１を、ねじポンプ部１２により上方の吐出口１６に向けて圧送するとともに、ライザー管２１による揚鉱用流体Ｓ２の圧送力に加え、ねじポンプ部１２による揚液力の協働効果で混合物Ｍ１の浮上を補助できる（混合物Ｍ１に揚鉱用流体Ｓ２の圧送力が更に加わった状態の混合物を符号Ｍ２で示している）。

ここで、本実施形態の海洋資源揚鉱装置１０において、流体モータ駆動ねじポンプの流体モータ部１１への駆動用流体Ｓ１の導入と、ライザー管２１の内部に配置された揚水導入管２３への揚鉱用流体Ｓ２の導入と、を交互に切り替えて運転すれば、ねじポンプ部１２からライザー管２１への導入圧力を低減する上で好適である。
このように、本実施形態の海洋資源揚鉱装置１０によれば、深海からのレアアース泥Ｂの揚鉱において、実績のあるライザー管技術と、石油の掘削等で実績のあるダウンホールモータ技術を発展させた流体モータ駆動ねじポンプの技術とを組み合わせている。
そして、いずれの技術も、洋上の海洋資源回収船１００に配置したポンプで送られる流体Ｓ１、Ｓ２で作動することから、高圧水深下での軸シールの耐久性および信頼性に課題を持つ水中モータが不要であり、水深５０００ｍ以上の深海に存在するレアアース泥を船上まで高い信頼性をもって揚鉱できる。

ここで、従来のポンプリフト方式では、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が問題とされる。これに対し、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０は、ポンプ部ケーシング３１ｂ内に、流体モータ部１１で駆動するねじポンプ部１２を備え、１本の駆動軸４３の軸方向一端のねじポンプを流体モータとして使用し、その出力をユニバーサルジョイントを介することなく、１本の駆動軸４３の他端のねじポンプを駆動できる。
つまり、従来のポンプリフト方式では、ポンプシャフトの駆動に水中モータが採用されてきたところ、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０によれば、ポンプシャフトの駆動に用いる流体モータ部１１として、第一インナロータ４１の軸心から所定距離離れた並列軸を中心に、雌ねじ状の第一アウタロータ５１を回転自在に支承するとともに、ねじポンプ部１２も同様に、第二インナロータ４２の軸心から所定距離離れた並列軸を中心に、雌ねじ状の第二アウタロータ５２を回転自在に支承している。

そのため、流体モータ部１１とねじポンプ部１２のいずれも、インナロータおよびアウタロータが共に回転する構造なので、駆動軸４３への回転力の伝達に、大きなスペースを必要とするユニバーサルジョイントを用いることなく、省スペース化を実現し、流体モータの駆動力を効率良くねじポンプに伝えることができる。
また、軸受４５で回転自在に支承されたシャフト４０の一端に左巻き雄ねじの第一インナロータ４１を構成し、シャフト４０の他端に右巻き雄ねじの第二インナロータ４２を構成することで、流体モータ部１１とねじポンプ部１２とが一体化されたシンプルな構造により、深海の過酷な条件下でも、レアアース泥を含む混合物Ｍを揚鉱可能な信頼性の高い海洋資源揚鉱装置１０を構成できる。また、本実施形態の海洋資源揚鉱装置１０は、エアリフト方式と比較して、エネルギー効率が極めて高く、ランニングコストの削減が可能となる。

特に、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０は、駆動軸４３の下端にシャフト４０の上端を連結して、シャフト４０をも同時に駆動するので、流体モータ部１１とねじポンプ部１２とに加え、掘削部３をも同時に駆動できる。よって、一体化されたシンプルな構造により、深海の過酷な条件下でも混合物Ｍを揚鉱可能な信頼性の高い海洋資源揚鉱装置１０を構成する上で極めて優れている。
また、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０は、流体モータ部１１とねじポンプ部１２のいずれも、各アウタロータ５１，５２が内周面に３条雌ねじを有するとともに、各インナロータ４１，４２が外周面に２条雄ねじを有するねじポンプなので、各インナロータ４１，４２を、自身軸線に対して偏心の無い楕円形状とし、インナロータとアウタロータを２頂点以上のインナロータと３頂点以上のアウタロータとすることで、インナロータからアウタロータへの回転力の伝達が確実となり、アウタロータのスムーズな従属回転が可能となり、安定した運転を確保する上で優れている。

特に、例えば、上記特許文献１記載の技術のように、ターボ形のポンプの場合、高揚程を確保するにはインペラ径を大きくする必要があり、外径１０００ｍｍの１枚の羽根で、達成される揚程は７０ｍ（清水圧７ｋｇｆ／ｃｍ^２）程度ある。したがって、より高揚程化を図るには、インペラの多段化を図る必要があるものの、その場合、機器はかなり大型かつ複雑な形状となる。
これに対し、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０では、機器外径は変えずにステージ数（アウタロータの１ピッチが１ステージ）を増やすことで、シンプルな形状のまま高圧化が達成できる。第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０では、１台当り１００ｋｇｆ／ｃｍ^２（揚程１０００ｍ）以上の吐出圧力の達成可能である。

さらに、特許文献１に記載のようなターボ形のポンプの場合、定量性に劣り、流れに脈動があるため、直列運転時の各号機間の運転バランスが難しい。また、流量バランスが崩れた場合、インペラ内部やケーシング内部の流れが複雑なため、部分的な負圧が発生して、機器の破損に至る可能性がある。これに対し、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０であれば、ねじポンプが定量性に優れ、脈動が極めて小さい定常流のため、安定した運転が可能である。

また、例えば、特許文献２記載の斜流形インペラのポンプの場合、得られる揚程はターボ形ポンプよりもさらに小さく、インペラ一枚当たり得られる揚程は３０ｍ以下である。これに対し、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０であれば、１台あたり１００ｋｇｆ／ｃｍ^２（清水揚程１０００ｍ）以上の能力があるため、深海からの揚鉱の場合、圧倒的に少ない台数での揚液が可能である。
また、特許文献２に記載されるタービン・ポンプセットは、ポンプインペラの外周にタービンが配置されているので、必然的に外径が大きくなる構造である。これに対し、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０では、機器外径は変えずに、ステージ数（アウタロータの１ピッチが１ステージ）を増やすことで吐出圧力を高めることができる。そのため、小径形状のままで高圧化を達成できる。

以上説明したように、本実施形態の海洋資源揚鉱装置１０およびこれを用いた海洋資源揚鉱方法によれば、レアアース泥を高い信頼性をもって揚鉱できる。なお、本発明に係る海洋資源揚鉱装置およびこれを用いた海洋資源揚鉱方法は、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である。
例えば、上記第一実施形態では、流体モータ部１１およびねじポンプ部１２の一例として、内周面に３条雌ねじを有するアウタロータ５１，５２と、外周面に２条雄ねじを有するインナロータ４１，４２とを備え、各インナロータ４１，４２とともに各アウタロータ５１，５２が２／３の回転角度で連れ回り駆動可能な例に説明したが、これに限定されない。

つまり、第一実施形態に例示する海洋資源揚鉱装置１０は、インナロータとともにアウタロータが連れ回り駆動可能な流体モータ部１１およびねじポンプ部１２であれば、内周面に（Ｎ＋１）条雌ねじを有するアウタロータと、外周面にＮ条雄ねじを有するインナロータとを備え、インナロータとともにアウタロータがＮ／（Ｎ＋１）の回転角度で連れ回り駆動可能な構造（但し、Ｎは、１以上の自然数である。）を採用できる。
具体的には、流体モータ部１１およびねじポンプ部１２の構成を、例えば、ケーシングと、ケーシング内に回転可能に支持されるとともに内周面に２条雌ねじを有するアウタロータと、アウタロータ内に挿入されるとともに回転可能に支持されて外周面に１条雄ねじを有するインナロータとを備え、インナロータとともにアウタロータが１／２の回転角度で連れ回り駆動する構成としてもよい。

また、例えば上記実施形態では、連結管２２がねじポンプ部１２の吐出口１６に直接連通する位置に接続された例を示したが、これに限定されず、図４に示す変形例のように、海底のレアアース泥Ｂを一層深く掘り進むために、第一揚鉱部１の流体モータ部１１の外周部に案内管７０を設け、揚鉱するレアアース泥Ｂの混合物Ｍ１を導くための流路をケーシング３１の外周に沿って構成してもよい。
つまり、同図の例では、流体モータ部１１のモータ部ケーシング３１ａ外周を囲繞するように、案内管７０を同軸に設けている。案内管７０の下部は、ねじポンプ部１２の吐出口１６に連通する位置に配置され、案内管７０の下端が、円環状の案内管下部支持部７２で閉止されるようにポンプ部ケーシング３１ｂに固定されている。

また、案内管７０の上部は、駆動流体導入管３２に沿って、一層深く掘り進むために必要な長さだけ上方に延設され、その上端近傍の位置で側方に張り出す案内管連結路７３を介して連結管２２に連通されている。案内管７０の上端は、円環状の案内管上部支持部７１で閉止されるように駆動流体導入管３２に固定されている。
このような構成であれば、ねじポンプ部１２の吐出口１６の位置によって掘進深度が規制されない。そのため、必要な長さだけ上方に延設した分だけ、深い位置まで掘進できる。

１ 第一揚鉱部
２ 第二揚鉱部
３ 掘削部
４ ビット
４ｓ 噴射口
５ 吸込ケーシング
６ 水中軸受
７ 軸受支持筒
８ 導入室
１０ 海洋資源揚鉱装置
１１ 流体モータ部
１２ ねじポンプ部
１３ 駆動用流体噴射流路
１４ 導入口
１５ 回収口
１６ 吐出口
１７ 第一吸込口
１８ 第二吸込口
２１ ライザー管
２２ 連結管
２３ 揚水導入管
２４ 閉塞板
３１ ケーシング
３１ａ モータ部ケーシング
３１ｂ ポンプ部ケーシング
３２ 駆動流体導入管
３３ 導入口
４０ シャフト
４１ 第一インナロータ
４２ 第二インナロータ
４３ 駆動軸
４４ 基端部
４５ 軸受
４６ 基端部
５１ 第一アウタロータ
５１ｓ ロータ外筒
５１ｎ ロータ内筒
５２ 第二アウタロータ
５２ｓ ロータ外筒
５２ｎ ロータ内筒
５３ 軸受
５４ シール部
６０ シャフト支持部
６３ 軸受
６４ シール部
７０ 案内管
７１ 案内管上部支持部
７２ 案内管下部支持部
７３ 案内管連結路
１００ 海洋資源回収船
Ｍ 混合物
Ｓ１ 駆動用流体
Ｓ２ 揚鉱用流体
Ｂ 海底のレアアース泥

Claims (7)

1. 洋上から供給される駆動用流体によって駆動される流体モータ部と、該流体モータ部の下部に設けられて該流体モータ部によって駆動されるねじポンプ部と、をケーシング内に有する第一揚鉱部と、
   前記第一揚鉱部の前記ケーシングに沿って配置されて前記ねじポンプ部の吐出口に連通するように配置されるライザー管と、該ライザー管の内部に配管されて洋上から供給される揚鉱用流体を該ライザー管内での前記吐出口に連通する位置の近傍に噴射する揚水導入管と、を有する第二揚鉱部と、を備えることを特徴とする海洋資源揚鉱装置。
2. 前記第二揚鉱部は、前記ライザー管の下部近傍が、前記駆動用流体とともに揚鉱するレアアース泥を前記ねじポンプ部の吐出口から導入可能に前記ケーシングに接続されている請求項１に記載の海洋資源揚鉱装置。
3. 前記第一揚鉱部には、前記流体モータ部のケーシング外周部に、揚鉱するレアアース泥を前記吐出口から導くための案内管が設けられ、
   前記第二揚鉱部は、前記ライザー管の下部近傍が、前記案内管に接続されている請求項１に記載の海洋資源揚鉱装置。
4. 前記第一揚鉱部は、
   前記ケーシング内に回転自在に支承されたシャフトと、
   前記シャフトの一端に設けられて雄ねじ状の外周面を有する第一インナロータと、
   前記第一インナロータに外挿され且つ前記ケーシング内に回転自在に支承されるとともに前記第一インナロータの回転軸線に対して所定距離偏心して配置されて前記第一インナロータのねじ巻方向と同一巻方向の雌ねじ状の内周面を有する第一アウタロータと、
   前記シャフトの他端に設けられて前記第一インナロータのねじ巻方向と逆巻き雄ねじ状外周面を有する第二インナロータと、
   前記第二インナロータに外挿され且つ前記ケーシング内に回転自在に支承されるとともに前記第二インナロータの回転軸線に対して所定距離偏心して配置されて前記第二インナロータのねじ巻方向と同一巻方向の雌ねじ状の内周面を有する第二アウタロータと、を有し、
   前記流体モータ部が、前記第一インナロータと前記第一アウタロータとで構成され、前記ねじポンプ部が、前記第二インナロータと前記第二アウタロータとで構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の海洋資源揚鉱装置。
5. 前記第一揚鉱部は、前記第一インナロータの下部の位置で前記駆動用流体を導入可能に形成された導入口と、該導入口から導入された前記駆動用流体を前記第二インナロータの下部先端に配置されたビットから噴射可能に形成された駆動用流体噴射流路と、を前記シャフトに有するとともに、その噴射された駆動用流体とともに前記ビットで掘削されたレアアース泥を前記ねじポンプ部によって前記ケーシング内に吸引可能に前記ビットの近傍に形成された吸込口と、を有する請求項４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、
   前記第一揚鉱部の駆動によって前記第二揚鉱部の前記ライザー管の下部近傍に海底のレアアース泥を導入しつつ、前記揚水導入管から噴射する揚鉱用流体の圧力で該揚鉱用流体とともに前記吐出口から導入されたレアアース泥を洋上まで揚鉱することを特徴とする海洋資源揚鉱方法。
7. 前記第一揚鉱部の前記駆動モータ部への駆動用流体の導入と、前記第二揚鉱部の前記泥水導入管への揚鉱用流体の導入と、を交互に切り替えて揚鉱する請求項６に記載の海洋資源揚鉱方法。

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