JP6653890B2 - 海底資源回収装置 - Google Patents
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Description
本発明は、海底資源回収装置に関し、より詳しくは、水深２０００ｍを越えるような深海の海底から、レアアース等の鉱物を含む泥を掘削し、掘削した鉱物を含む泥を確実に浮上させて回収することができる海底資源回収装置に関する。
水深数千ｍの深海底には、レアアース等の鉱物が豊富に存在している。特に、太平洋上の水深２０００ｍから６０００ｍの深海底には、有用金属が豊富に含まれており、その埋蔵量も膨大な量に上ることが判明している。従来、水深２０００ｍを越える深海は、約２０Ｍｐａ（約２００ｋｇｆ／ｃｍ２、約２００気圧）以上の高圧がかかり、しかも、海底まで伸ばすライザー管の総質量が大きくなるので、ワイヤーの先端にサンプリング装置を取り付け泥の試料を採取するのが限界であり、商業ベースで掘削することは困難であった。
特許文献１には、海底から鉱物を揚鉱することのできる揚鉱装置が提案されている。この揚鉱装置は、海底から鉱物を含む海水を海上基地に移す揚鉱用移送管と、海上基地から海底に海水を戻す循環用移送管と、海水を循環用移送管に送り込む循環ポンプと、海底で鉱物を含む海水を吸込口から吸い込んで揚鉱用移送管に送り込む水中ポンプと、循環用移送管を流れる海水を動力源にして水中ポンプを駆動する水車とから構成されている。
しかし、上記特許文献１に示すような従来の方法、装置においては、深海底に到達可能な長くて重いパイプを、ワイヤー等により母船から吊り下げる必要があるため、パイプやワイヤーが自重により破断する等の問題があり、また、海底において予め鉱石を掘削し、海底に集積しておかなければならないため、別途、海底で鉱石を掘削する設備が必要になるという問題もある。
しかし、上記特許文献１に示すような従来の方法、装置においては、深海底に到達可能な長くて重いパイプを、ワイヤー等により母船から吊り下げる必要があるため、パイプやワイヤーが自重により破断する等の問題があり、また、海底において予め鉱石を掘削し、海底に集積しておかなければならないため、別途、海底で鉱石を掘削する設備が必要になるという問題もある。
本発明は、前記の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、水深２０００ｍを越えるような深海からレアアース等を含む鉱物を、自ら掘削し、掘削した鉱物を含む泥を浮上させて回収することができる海底資源回収装置を提供することにある。
本発明によると、上記課題は、次のようにして解決される。
（１） ポンプから送出された海水を受け入れ、海底まで流下させるドリルパイプと、前記ドリルパイプの下端に設けられる海水分流ノズルと、前記海水分流ノズルの下端に設けられるドリルと、前記ドリルにより掘削される泥を採鉱船まで浮上させて回収するライザーパイプとを備える海底資源回収装置において、
前記ドリルパイプを前記ライザーパイプ内に配設し、前記ドリルパイプ内に前記ポンプから送出された海水の流下により一方向へ回転する駆動翼を配置し、前記ライザーパイプ内に前記駆動翼と一体回転し前記ライザーパイプ内に上昇水流を発生させる従動翼を配置し、前記駆動翼と前記従動翼とを一体として備える一体翼を構成した、海底資源回収装置 である。
（１） ポンプから送出された海水を受け入れ、海底まで流下させるドリルパイプと、前記ドリルパイプの下端に設けられる海水分流ノズルと、前記海水分流ノズルの下端に設けられるドリルと、前記ドリルにより掘削される泥を採鉱船まで浮上させて回収するライザーパイプとを備える海底資源回収装置において、
前記ドリルパイプを前記ライザーパイプ内に配設し、前記ドリルパイプ内に前記ポンプから送出された海水の流下により一方向へ回転する駆動翼を配置し、前記ライザーパイプ内に前記駆動翼と一体回転し前記ライザーパイプ内に上昇水流を発生させる従動翼を配置し、前記駆動翼と前記従動翼とを一体として備える一体翼を構成した、海底資源回収装置 である。
このような構成とすると、ドリルパイプ内に配置されている駆動翼は、ドリルパイプ内を流下する海水によって回転し、ライザーパイプ内に配置されている従動翼も駆動翼と一体回転する。
従動翼は、回転により上昇方向に揚力が生じるような翼の形状となっており、上昇水流を形成する従動翼をライザーパイプ内に多数設置することによって、掘削したレアアース等を含む泥が絶えず押し上げられるようになる。これにより、レアアース等を含む泥を海水と共に採鉱船まで、浮上させて回収することができる。
従動翼は、回転により上昇方向に揚力が生じるような翼の形状となっており、上昇水流を形成する従動翼をライザーパイプ内に多数設置することによって、掘削したレアアース等を含む泥が絶えず押し上げられるようになる。これにより、レアアース等を含む泥を海水と共に採鉱船まで、浮上させて回収することができる。
また、海底資源回収装置を上記構成とすれば、ドリルパイプ内を流下する海水が、ドリルパイプの下端に設けられたドリルを回転させ、このドリルにより海底の資源埋蔵層の掘削を行うことができる。上記海底資源回収装置では、採鉱船に設けられている海水を送出するポンプの操作のみで、レアアース等を含む泥を回収することができ、かつ、構成が簡単なため、故障・トラブルが起きにくいという利点が得られる。
さらに、駆動翼と従動翼とを一体として備える一体翼を構成することにより、駆動翼と 従動翼とを、鋳型を用いて、単純な工程で一体的に鋳造することができるという利点を有 する。
さらに、駆動翼と従動翼とを一体として備える一体翼を構成することにより、駆動翼と 従動翼とを、鋳型を用いて、単純な工程で一体的に鋳造することができるという利点を有 する。
（２） ポンプから送出された海水を受け入れ、海底まで流下させるドリルパイプと、前 記ドリルパイプの下端に設けられる海水分流ノズルと、前記海水分流ノズルの下端に設け られるドリルと、前記ドリルにより掘削される泥を採鉱船まで浮上させて回収するライザ ーパイプとを備える海底資源回収装置において、
前記ドリルパイプを前記ライザーパイプ内に配設し、前記ドリルパイプ内に前記ポンプ から送出された海水の流下により一方向へ回転する駆動翼を配置し、前記ライザーパイプ 内に前記駆動翼と一体回転し前記ライザーパイプ内に上昇水流を発生させる従動翼を配置 し、前記駆動翼と前記従動翼とを一体として備える一体翼を構成し、
さらに、前記一体翼と当該一体翼を収容する上部ハウジングおよび下部ハウジングとを 備える一体翼部を構成する。
前記ドリルパイプを前記ライザーパイプ内に配設し、前記ドリルパイプ内に前記ポンプ から送出された海水の流下により一方向へ回転する駆動翼を配置し、前記ライザーパイプ 内に前記駆動翼と一体回転し前記ライザーパイプ内に上昇水流を発生させる従動翼を配置 し、前記駆動翼と前記従動翼とを一体として備える一体翼を構成し、
さらに、前記一体翼と当該一体翼を収容する上部ハウジングおよび下部ハウジングとを 備える一体翼部を構成する。
このような構成とすると、可動部分である一体翼を含む複数の構成部分を１パッケージ の一体翼部として扱うことができるので、海底資源回収装置の組み立て作業が容易となる 。
（３） 上記（２）項において、前記一体翼部を前記ドリルパイプの連結部に設ける。
このような構成とすると、海底資源回収装置は、多くのドリルパイプとライザーパイプとを繋ぎ合わせる工程において、ドリルパイプを繋ぎ合わせる際、一体翼部をドリルパイプの結合要素として用いることができるので、繋ぎ合わせ工程を簡略化することができる。
（４） 上記（３）項において、前記ドリルパイプと前記一体翼部との連結を螺合によるものとする。
このような構成とすると、ドリルパイプへの一体翼部の取り付けが容易になるとともに、水圧の高いドリルパイプからライザーパイプ側への海水の漏れを抑止することができる。
（５） 上記（１）から（４）項のいずれかにおいて、一体翼を受ける軸受けの外側にラビリンスを設ける。
このような構成とすると、水圧の高いドリルパイプから軸受け部を通してライザーパイプ側への漏れを抑止することができると共に、運転停止時の、ライザーパイプ側からの泥が軸受け部に侵入することを抑止することができる。
上記海底資源回収装置によると、ドリルパイプを流下する海水が、ドリルパイプの下端に設けられたドリルを回転させ、このドリルにより海底の資源埋蔵層を自ら掘削することができると共に、本発明による一体翼部を用いることにより、水深２０００ｍを越えるような深海から、掘削したレアアース等を含む泥を海水と共に採鉱船まで、浮上させて回収することができ、さらに、採鉱船に設けられている海水を送り込むポンプの操作のみで、海底資源回収装置を運転することができる、構成が簡単で、故障やトラブルが起きにくいようにすることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図において、同様の部分には、同一符号を付している。
初めに、海底資源回収装置１００について説明し、次に、本発明に係る一体翼部について詳細に説明する。図１は、本発明に関連する海底資源回収装置の全体構成を示している。
海底資源回収装置１００は、ドリルパイプ１、ライザーパイプ２、一体翼部３、資源採取部４、ポンプ５、および、採鉱船６から構成されている。
海底資源回収装置１００は、ドリルパイプ１、ライザーパイプ２、一体翼部３、資源採取部４、ポンプ５、および、採鉱船６から構成されている。
まず、資材・設備を積み込んだ採鉱船６が、資源が埋蔵されている海域に到着すると、そこで、ドリルパイプ１、ライザーパイプ２等の組立を行う。ドリルパイプ１は、海底７の資源埋蔵層８を掘削するドリル４２（図２参照）を回転させるための駆動源としての海水を流下させるパイプであり、ライザーパイプ２は、資源採取部４で採取した資源を含む泥を採鉱船６まで浮上させて回収するパイプである。一般にパイプの長さは６ｍ程度であるため、２０００ｍ以上の深海にある資源を採取するには、数百本のパイプを繋ぐことが必要となる。
本実施形態では、ドリルパイプ１をライザーパイプ２内に配設してある。これは、後述する一体翼３０をドリルパイプ１とライザーパイプ２とに設置するために好適な構成とするためである。なお、ドリルパイプ１の下端には、資源回収部４が設置されている。
資源回収部４は、ドリルパイプ１の出口に設けられた海水分流ノズル４１とその下方に設けられたドリル４２を備えている（図２参照）。海水分流ノズル４１は、ドリルパイプ１を流下した海水を、ドリル４２駆動用と、ライザーパイプ２における上昇流形成用とに分流するものである。ドリル４２は、例えば６〜１０ＲＰＭの低速の回転数で、鉱床を掘削する。掘削した資源を含む泥は、海水分流ノズル４１から噴出する海水と共に、ライザーパイプ２内を上昇していく。
図２は、ドリルパイプ１およびライザーパイプ２の下端付近の構成を示している。ドリルパイプ１およびライザーパイプ２のパイプ連結部には、一体翼部３が連結されている。一体翼部３は、上側のドリルパイプ１と下側のドリルパイプ１とを螺合する構成となっている。ライザーパイプ２同士は、フランジ２１とボルト２２で連結されている。
ここで、本発明に係る一体翼部３について、細述する。ドリルパイプ１およびライザーパイプ２により二重管を構成している従来の海底資源回収装置では、採鉱船に設置したポンプから送出される海水によりドリルパイプの下端に設置されたドリルで、海底７の鉱床を掘削し、掘削した鉱物を含む泥を伴ってライザーパイプを浮上させる方式がとられていた。しかし、ポンプから送出される海水のみで、鉱物を含む泥を２０００ｍ以上の深海から採鉱船までライザーパイプ内を浮上させて回収することは、現実には困難であった。
そこで、一体翼部３を設置することにより、鉱物を含む泥を２０００ｍ以上の深海から採鉱船まで、ライザーパイプ２内を浮上させて回収することを可能にしたものである。一体翼部３は、一体翼３０、上部ハウジング３３および下部ハウジング３４を備えており、さらに、一体翼３０は、駆動翼３１、従動翼３２および翼支持部３８を備えている。翼支持部３８は、駆動翼３１と従動翼３２とを一体的に繋ぎ合わせているものである。すなわち、一体翼３０は、２種類の翼部としての駆動翼３１と従動翼３２とを有している。駆動翼３１は、ドリルパイプ１内に設けられ、従動翼３２は、ライザーパイプ２内に設けられている。
図２に示すように、一体翼３０は、上部ハウジング３３および下部ハウジング３４の二分割されたハウジングに収められている。各ハウジングには、軸受３５およびラビリンス３６が設けられ、一体翼３０は、軸受３５に回転可能に支持され、上部ハウジング３３および下部ハウジング３４は、ボルト３７により、組み立てられている。なお、上部ハウジング３３の上端および下部ハウジング３４の下端は、連結されるドリルパイプ１と螺合するために、ネジ部が成形されている。
ラビリンス３６は、圧力の高いドリルパイプ１から、軸受け部を通してライザーパイプ側への漏れを抑止することができると共に、運転停止時の、ライザーパイプ側からの泥が、軸受け部に侵入することを抑止している。
ここで、駆動翼３１および従動翼３２を旋回させる原理について説明する。図２に示すように、駆動翼３１は、ドリルパイプ１内に配置され、従動翼３２は、ライザーパイプ２内に収まるように配置されている。ここで、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における一体翼部３の拡大横断面図であり、図４は、一体翼部３を斜め上から見た斜視図である。駆動翼３１の翼は、ドリルパイプ１内を流下する海水によって駆動翼３１が回転することに適した翼形状となっている。駆動翼３１が回転するすると、翼支持部３８を介して駆動翼３１と一体化している従動翼３２も駆動翼３１と同じ回転数で回転することになる。
ここで、従動翼３２の翼は、回転によって、ライザーパイプ２内の海水を押し上げる方向の上昇水流を発生するような形状となっている。上昇水流を発生する従動翼３２がライザーパイプ２内に多数設置されているため、鉱物を含む泥は、従動翼３２によって絶えず押し上げられることにより、鉱物を含む泥は、容易にライザーパイプ２内を浮上し、採鉱船６に回収されるようになる。一体翼３０の回転数は、例えば、１５００ＲＰＭとすることができる。この回転数は、資源の比重、掘削で発生する泥の性状等により、適宜、調整される。
一体翼３０は、駆動翼３１と従動翼３２とが一体化しているので、鋳型を用いて、単純な工程で鋳造することができる。もちろん、インゴットから旋盤等で削り出したり、板金を溶接して製作してもよい。
なお、一体翼部３をドリルパイプ１の全ての連結部に設けることは要求されず、例えば、ドリルパイプ１の連結部の７０％〜５０％に一体翼部３を設けてもよいし、５０％〜３０％に一体翼部３を設けてもよい場合がある。水深の程度、海底の状況、資源の比重、掘削で発生する泥の性状等により適宜、一体翼部３を設ける箇所は決定される。
ドリルパイプ１、ライザーパイプ２、一体翼部３、および資源採取部４には、例えばクロム・モリブデン鋼(ＳＣＭ材)、耐海水鋼(Ｃｕ―Ｎｉ―Ｍｎ鋼，Ｓｉ―Ｍｎ―Ｃｒ鋼)、フェライト系・オーステナイト系・２相系ステンレス等を使用することができる。
１ ドリルパイプ
２ ライザーパイプ
３ 一体翼部
４ 資源採取部
５ ポンプ
６ 採鉱船
７ 海底
８ 資源埋蔵層
２１ フランジ
２２ ボルト
３０ 一体翼
３１ 駆動翼
３２ 従動翼
３３ 上部ハウジング
３４ 下部ハウジング
３５ 軸受
３６ ラビリンス
３７ ボルト
３８ 翼支持部
４１ 海水分流ノズル
４２ ドリル
１００ 海底資源回収装置
２ ライザーパイプ
３ 一体翼部
４ 資源採取部
５ ポンプ
６ 採鉱船
７ 海底
８ 資源埋蔵層
２１ フランジ
２２ ボルト
３０ 一体翼
３１ 駆動翼
３２ 従動翼
３３ 上部ハウジング
３４ 下部ハウジング
３５ 軸受
３６ ラビリンス
３７ ボルト
３８ 翼支持部
４１ 海水分流ノズル
４２ ドリル
１００ 海底資源回収装置
Claims (5)
- ポンプから送出された海水を受け入れ、海底まで流下させるドリルパイプと、前記ドリルパイプの下端に設けられる海水分流ノズルと、前記海水分流ノズルの下端に設けられるドリルと、前記ドリルにより掘削される泥を採鉱船まで浮上させて回収するライザーパイプとを備える海底資源回収装置において、
前記ドリルパイプを前記ライザーパイプ内に配設し、前記ドリルパイプ内に前記ポンプから送出された海水の流下により一方向へ回転する駆動翼を配置し、前記ライザーパイプ内に前記駆動翼と一体回転し前記ライザーパイプ内に上昇水流を発生させる従動翼を配置し、前記駆動翼と前記従動翼とを一体として備える一体翼を構成したことを特徴とする海底資源回収装置。 - ポンプから送出された海水を受け入れ、海底まで流下させるドリルパイプと、前記ドリ ルパイプの下端に設けられる海水分流ノズルと、前記海水分流ノズルの下端に設けられる ドリルと、前記ドリルにより掘削される泥を採鉱船まで浮上させて回収するライザーパイ プとを備える海底資源回収装置において、
前記ドリルパイプを前記ライザーパイプ内に配設し、前記ドリルパイプ内に前記ポンプ から送出された海水の流下により一方向へ回転する駆動翼を配置し、前記ライザーパイプ 内に前記駆動翼と一体回転し前記ライザーパイプ内に上昇水流を発生させる従動翼を配置 し、前記駆動翼と前記従動翼とを一体として備える一体翼を構成し、
さらに、前記一体翼と当該一体翼を収容する上部ハウジングおよび下部ハウジングとを 備える一体翼部を構成したことを特徴とする海底資源回収装置。 - 前記一体翼部を前記ドリルパイプの連結部に設けたことを特徴とする請求項２に記載の海底資源回収装置。
- 前記ドリルパイプと前記一体翼部との連結を螺合によるものとしたことを特徴とする請求項３に記載の海底資源回収装置。
- 前記一体翼を受ける軸受けの外側に、ラビリンスを設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の海底資源回収装置。
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