JP6739022B2 - Offshore resource lifting apparatus and offshore resource lifting method using the same - Google Patents
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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鉱用に好適な装置並びにこれを用いた海洋資源の揚鉱方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an apparatus and method for mining marine resources, and more particularly to an apparatus suitable for mining marine resources such as rare earth mud existing in the ocean and a method for mining marine resources using the same. ..
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。 In 2012, mud containing extremely high concentrations of rare earth (hereinafter referred to as "rare earth mud") was discovered in the deep sea of the exclusive economic zone of Minamitorishima. Here, as the artificial oil extraction technology for seabed oil and the recovery technology for rare earth mud in the deep sea, there are a pump lift method in which high-lift multistage slurry pumps are connected in series at multiple locations, and a deep-water layer from an air compressor onboard. An air lift method is considered in which high-pressure air is injected into several places. As a pump lift system, for example, Patent Document 1 (turbo type) and Patent Document 2 (mixed flow type impeller) are disclosed.
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。
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さらに多大なエネルギーを要するという問題がある。
However, the conventional pump lift system has a complicated structure of the device and it is difficult to reduce the weight.Therefore, there are many problems in ensuring stable operation, and reliability of the underwater equipment, especially in high pressure water depth. There is a problem with the durability and reliability of the shaft seal of the submersible motor. In addition, a large amount of energy is required for pumping mud from the deep sea in order to pump the head for the depth of water.
On the other hand, the air lift method is superior in reliability and durability to the pump lift method because it has extremely few underwater devices, but has a problem that the energy efficiency is poor and much more energy than the pump lift method is required.
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、エネルギー効率を向上させ得る海洋資源揚鉱装置およびこれを用いた海洋資源の揚鉱方法を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and it is an object of the present invention to provide an offshore resource landing apparatus that can improve energy efficiency and an offshore resource landing method using the same. And
上記課題を解決するために、本発明のうち、第一の態様に係る海洋資源揚鉱装置は、海水が満たされる撹拌室と、前記撹拌室内に配置された撹拌翼を有する撹拌部と、前記撹拌室にレアアース泥を供給するレアアース泥供給部と、前記撹拌室内に海水よりも比重が軽いエマルションを供給するエマルション供給部と、前記エマルションと前記レアアース泥とが結合されて海水よりも比重が軽い混合物を前記撹拌室から回収する混合物回収部と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, among the present invention, the marine resource lifting apparatus according to the first aspect is a stirring chamber filled with seawater, a stirring unit having a stirring blade arranged in the stirring chamber, and A rare earth mud supply unit for supplying rare earth mud to the stirring chamber, an emulsion supply unit for supplying an emulsion having a specific gravity lower than that of seawater into the stirring chamber, and a specific gravity lower than seawater by combining the emulsion and the rare earth mud. And a mixture collecting section for collecting the mixture from the stirring chamber.
本発明の第一の態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、撹拌室に海水が満たされており、その撹拌室に、レアアース泥供給部からレアアース泥を供給するとともに、エマルション供給部からエマルションを供給することができる。そして、撹拌室内には、撹拌翼を有する撹拌部が配置されているので、エマルションとレアアース泥とを撹拌室内で混合することができる。
そして、レアアース泥供給部から供給されるエマルションは、海水よりも比重が軽く、また、このエマルションとレアアース泥とが結合された混合物も、海水よりも比重が軽い。そのため、本発明の第一の態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、エマルションにレアアース泥を吸着させた混合物を海中で自ら浮上させ、混合物回収部から回収することができる。よって、上記特許文献1ないし2に記載の技術と比べて、エネルギー効率を向上させることができる。
According to the marine resource exploration apparatus according to the first aspect of the present invention, the stirring chamber is filled with seawater, and the stirring chamber is supplied with rare earth mud from the rare earth mud supply unit and emulsion from the emulsion supply unit. Can be supplied. Since the stirring unit having the stirring blade is arranged in the stirring chamber, the emulsion and the rare earth mud can be mixed in the stirring chamber.
The emulsion supplied from the rare earth mud supply unit has a lower specific gravity than seawater, and the mixture of the emulsion and the rare earth mud also has a lower specific gravity than seawater. Therefore, according to the apparatus for excavating marine resources according to the first aspect of the present invention, the mixture in which the rare earth mud is adsorbed in the emulsion can be floated in the sea and recovered from the mixture recovery unit. Therefore, the energy efficiency can be improved as compared with the techniques described in
ここで、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、本発明に係る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、比重が0.8から0.85になるため、海水よりも軽いので、上記混合物を自ら浮上させるためのエマルションとして好適である。
Here, the quality of rare earth contained in the rare earth mud is in the ppm order. Therefore, it is more preferable to perform the beneficiation on the seabed before the lifting and remove the unnecessary gangue in advance, in order to drastically reduce the cost required for the lifting mud.
On the other hand, as the emulsion according to the present invention, it is preferable to use an emulsion in which a surfactant (for example, sodium dodecyl sulfonate) is mixed with oil (for example, kerosene). When such an emulsion is used, it has a specific gravity of 0.8 to 0.85 and is lighter than seawater. Therefore, it is suitable as an emulsion for floating the above mixture by itself.
特に、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、上記エマルションにアパタイトを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。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。 In particular, according to research conducted in the course of completing the present invention, rare earth is adsorbed in high quality on apatite in the rare earth mud. Therefore, by adsorbing apatite to the above-mentioned emulsion, unnecessary gangue is removed from the rare earth mud, and the apatite on which the rare earth is adsorbed in a high quality can be efficiently liquid-liquid separated. Therefore, it is more suitable for improving energy efficiency.
また、上記課題を解決するために、本発明のうち、第二の態様に係る海洋資源揚鉱装置は、ケーシングと、前記ケーシング内に設けられて下部に開口を有する撹拌室と、前記撹拌室内に配置された撹拌翼を有する撹拌部と、前記撹拌室の開口に臨むように設けられてレアアース泥を掘削しつつ前記撹拌室内に導く掘削部と、前記撹拌室に海水よりも比重が軽いエマルションを供給するエマルション供給部と、前記エマルションと前記レアアース泥とが結合されて海水よりも比重が軽い混合物を前記撹拌室から回収する混合物回収部と、を備えることを特徴とする。 Further, in order to solve the above problems, in the present invention, an offshore resource exploration apparatus according to a second aspect is a casing, a stirring chamber provided in the casing and having an opening at the bottom, and the stirring chamber. An agitation part having an agitation blade arranged in the agitation part, an excavation part provided so as to face the opening of the agitation chamber and guiding the rare earth mud into the agitation chamber, and an emulsion having a specific gravity smaller than seawater in the agitation chamber. And a mixture collecting unit that collects a mixture of the emulsion and the rare earth mud, which has a lower specific gravity than seawater, from the stirring chamber.
本発明の第二の態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、上記第一の態様に係る海洋資源揚鉱装置同様の作用機序により、エマルションにレアアース泥を吸着させた混合物を自ら浮上させ、混合物回収部から回収することができる。よって、エネルギー効率を向上させることができる。 According to the marine resource exploration apparatus according to the second aspect of the present invention, the mixture in which the rare earth mud is adsorbed in the emulsion is levitated by the same mechanism as that of the marine resource exploration apparatus according to the first aspect. , Can be recovered from the mixture recovery unit. Therefore, energy efficiency can be improved.
特に、第二の態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、ケーシング内に設けられた撹拌室は下部に開口を有し、撹拌室の開口に臨む掘削部は、レアアース泥を掘削しつつ撹拌室内に導くことができる。そのため、例えば、起伏可能なブームを有する海中作業機を用い、そのブーム先端にケーシングを装着し、ケーシング下部をレアアース泥床に押し付けた状態で掘削部を駆動すれば、泥床を掘削しつつ揚鉱作業を継続して行うことができる。 In particular, according to the marine resource exploration device according to the second aspect, the stirring chamber provided in the casing has an opening at the bottom, and the excavation part facing the opening of the stirring chamber stirs while excavating the rare earth mud. Can be led indoors. Therefore, for example, if you use a submersible work machine with a boom that can be undulated, attach a casing to the boom tip, and drive the excavation part with the lower part of the casing pressed against the rare earth mud bed, the mud bed will be lifted while being excavated. Mining work can be continued.
ここで、本発明の第一または第二態様に係る海洋資源揚鉱装置において、前記エマルション供給部および前記混合物回収部の相互は、前記エマルション供給部が、前記撹拌室の低い位置にエマルションを供給し、前記混合物回収部が、前記撹拌室の高い位置から前記混合物を回収することは好ましい。
このような構成であれば、海水よりも比重が軽いエマルションを低い位置に供給するとともに、エマルションとレアアース泥とが結合されて海水よりも比重が軽い混合物を撹拌室の高い位置から回収するので、自ら浮上する混合物を効率良く回収する上でより好適である。
Here, in the marine resource lifting apparatus according to the first or second aspect of the present invention, the emulsion supply unit and the mixture recovery unit mutually supply the emulsion to a lower position of the stirring chamber. However, it is preferable that the mixture collecting section collects the mixture from a high position of the stirring chamber.
With such a configuration, while supplying an emulsion having a lower specific gravity than seawater to a low position, the emulsion and the rare earth mud are combined to collect a mixture having a lower specific gravity than seawater from a higher position of the stirring chamber, It is more suitable for efficiently collecting the mixture that floats by itself.
また、上記課題を解決するために、本発明のうち、第三の態様に係る海洋資源揚鉱装置は、ケーシングと、前記ケーシング内に回転自在に支承されたシャフトと、前記ケーシング内に画成されて長手方向一方側の端部に開口する撹拌室と、前記撹拌室内に前記シャフトの途中部分と一体に設けられた撹拌翼と、前記撹拌室内に前記開口に臨むように設けられて前記シャフトの端部に基端部が接続された掘削ビットと、前記ケーシング内の長手方向他方側に設けられて前記ケーシングに導入された作動流体により前記シャフトを回転駆動する流体モータ部と、前記ケーシング内の前記撹拌室と前記流体モータ部との間に設けられて前記流体モータ部による前記シャフトの回転駆動力により前記撹拌室内から移送流体を吸引するポンプ部と、を備えることを特徴とする。 Further, in order to solve the above problems, in the present invention, an offshore resource exploration apparatus according to a third aspect is defined in a casing, a shaft rotatably supported in the casing, and the casing. And a stirring chamber that is open at one end in the longitudinal direction, a stirring blade that is integrally provided in the stirring chamber with an intermediate portion of the shaft, and the shaft that is provided in the stirring chamber so as to face the opening. In the casing, a drill bit having a base end connected to the end of the casing, a fluid motor unit provided on the other longitudinal side in the casing to drive the shaft to rotate by the working fluid introduced into the casing, and And a pump unit that is provided between the stirring chamber and the fluid motor unit and that sucks the transfer fluid from the stirring chamber by the rotational driving force of the shaft by the fluid motor unit.
本発明の第三の態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、流体モータ部とポンプ部とがケーシング内に一体化されたシンプルな構造なので、上記特許文献1ないし2に記載の技術と比べて、安定した運転性能を確保しつつ、エネルギー効率を向上させることができる。よって、海洋資源揚鉱装置の構成として優れている。
According to the offshore resource exploration device according to the third aspect of the present invention, the fluid motor unit and the pump unit have a simple structure integrated in the casing. Therefore, compared with the techniques described in
ここで、本発明の第三の態様に係る海洋資源揚鉱装置において、前記シャフトは、前記流体モータ部による当該シャフトを駆動後の前記作動流体を導入するとともに前記掘削ビットの吐出口から吐出可能な連通穴を有することは好ましい。このような構成であれば、上記エマルションを流体モータ部の作動流体として兼用する上で好適である。 Here, in the marine resource exploration device according to the third aspect of the present invention, the shaft is capable of introducing the working fluid after driving the shaft by the fluid motor unit and discharging the working fluid from the discharge port of the drill bit. It is preferable to have such a communication hole. Such a configuration is suitable for using the emulsion as a working fluid of the fluid motor section.
また、本発明の第三の態様に係る海洋資源揚鉱装置において、前記流体モータ部は、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、を有し、前記ポンプ部は、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、を有することは好ましい。 Further, in the offshore resource exploration device according to the third aspect of the present invention, the fluid motor unit is provided at one end of the shaft and has a first inner rotor having a male screw-shaped outer peripheral surface, and an outer portion of the first inner rotor. Is inserted and rotatably supported in the casing, and is arranged eccentric to the rotation axis of the first inner rotor by a predetermined distance, and has a female screw inner peripheral surface in the same winding direction as the screw winding direction of the first inner rotor. A first outer rotor having a second inner rotor having a screw-winding direction of the first inner rotor and a reverse-winding male screw-shaped outer peripheral surface, which is provided at the other end of the shaft, and the second inner rotor. And is rotatably supported in the casing and eccentrically arranged by a predetermined distance with respect to the rotation axis of the second inner rotor, and has a female screw-shaped inner portion in the same winding direction as that of the second inner rotor. And a second outer rotor having a peripheral surface.
このような構成であれば、海洋資源揚鉱装置の構成としてより好適である。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、上記構成の流体モータ部は、第一インナロータの回転軸線から所定距離離れて並列する軸線を中心に第一アウタロータを回転自在に支承するとともに、ねじポンプ部は、流体モータ部とは逆ねじで、第二インナロータの回転軸線から所定距離離れて並列する軸線を中心に第二アウタロータを回転自在に支承する構成なので、連れ回りする各機構部分に、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不要とし、流体モータ部とねじポンプ部とが一体化された極めてシンプルな構造でポンプを構成できる。
そのため、このような構成であれば、深海等の過酷な海洋条件下であっても、レアアース泥等の海洋資源を安定して圧送可能な信頼性の高いポンプを提供できる。また、エアリフト方式と比較して、ねじポンプ方式の採用により、エネルギー効率が極めて高く、ランニングコストの一層の削減が可能となる。
Such a configuration is more suitable as the configuration of the marine resource lifting apparatus. That is, in the conventional pump lift system, when a submersible motor has been used to drive the pump shaft, the fluid motor unit having the above-described configuration has the first inner rotor centered on an axis lined in parallel at a predetermined distance from the rotation axis line of the first inner rotor. The outer rotor is rotatably supported, and the screw pump part is a screw opposite to the fluid motor part, and the second outer rotor is rotatably supported around an axis parallel to the rotation axis of the second inner rotor at a predetermined distance. Therefore, a universal joint, which requires a large space, is not required for each mechanism that rotates together, and the pump can be configured with an extremely simple structure in which the fluid motor unit and the screw pump unit are integrated.
Therefore, with such a configuration, it is possible to provide a highly reliable pump capable of stably pumping marine resources such as rare earth mud even under severe sea conditions such as deep sea. Further, compared to the air lift system, the adoption of the screw pump system has extremely high energy efficiency, and the running cost can be further reduced.
ここで、本発明の第三の態様に係る海洋資源揚鉱装置において、前記流体モータ部の前記第一インナロータおよび前記第一アウタロータの組、または、前記ねじポンプ部の前記第二インナロータおよび前記第二アウタロータの組は、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、前記インナロータとともに前記アウタロータが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ことは好ましい。 Here, in the offshore resource exploration apparatus according to the third aspect of the present invention, a set of the first inner rotor and the first outer rotor of the fluid motor unit, or the second inner rotor and the first of the screw pump unit. The two outer rotor sets include an outer rotor having an (N+1) female thread on the inner peripheral surface and an inner rotor having an N male thread on the outer peripheral surface, and the outer rotor is rotated together with the inner rotor at a rotation angle of N/(N+1). It is preferably configured to be drivable.
この構成において、Nが、2以上の自然数であれば、流体モータ駆動ねじポンプが、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から構成されるので、インナロータからアウタロータへの回転力の伝達をより確実とし、アウタロータの一層スムーズな従属回転を可能とし、より安定した運転性能を確保する上で好適である。 In this configuration, when N is a natural number of 2 or more, the fluid motor driving screw pump is composed of the inner rotor having two or more vertices and the outer rotor having three or more vertices, and therefore the transmission of the rotational force from the inner rotor to the outer rotor. This is more suitable for ensuring a more reliable and smoother subordinate rotation of the outer rotor and for ensuring more stable operation performance.
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て海洋資源を揚鉱することを特徴とする。
本発明の一態様に係る海洋資源の揚鉱方法によれば、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て海洋資源を揚鉱するので、レアアース泥の揚泥コストを削減し、高いエネルギー効率で海洋資源を揚鉱できる。
In addition, in order to solve the above-mentioned problems, the method for excavating marine resources according to one aspect of the present invention comprises using the marine resource excavation device according to any one aspect of the present invention to excavate marine resources. Is characterized by.
According to the method for excavating marine resources according to one aspect of the present invention, the marine resource is expelled using the marine resource excavation apparatus according to any one of the aspects of the present invention. It is possible to reduce and lift off ocean resources with high energy efficiency.
上述のように、本発明によれば、エネルギー効率を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, energy efficiency can be improved.
以下、本発明の実施形態について、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、海洋資源揚鉱装置およびこれを用いたに海洋資源の揚鉱方法の例である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the embodiments, as a technology for excavating marine resources such as rare earth mud existing in the deep sea, an offshore resource exploration apparatus and a method for excavating offshore resources using the same are used instead of the conventional pump lift method or air lift method. Here is an example.
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、以下に示す各実施形態は、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。 The drawings are schematic. Therefore, it should be noted that the relationship between the thickness and the plane size, the ratio, and the like are different from the actual ones, and the drawings include portions where the dimensional relationship and ratio are different from each other. In addition, each of the embodiments described below exemplifies a device and a method for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is that the material, shape, structure, The arrangement and the like are not specified in the embodiments below.
[第一実施形態]
まず、本発明に係る海洋資源揚鉱装置の第一実施形態について図1を参照しつつ説明する。
図1に示すように、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置10は、長尺な中空円筒状の本体ケーシング11と、本体ケーシング11内に回転自在に支持されたシャフト40とを備える。この海洋資源揚鉱装置10は、本体ケーシング11の軸線を上下方向として海中に配備される。本体ケーシング11の上端部には、複数の軸受43が内蔵されたシャフト支持部45が設けられている。シャフト支持部45は、本体ケーシング11と同軸にシャフト40を支持するように配置され、複数の軸受43を介してシャフト40の上端部を回転自在に支持している。
[First embodiment]
First, a first embodiment of an offshore resource exploration apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the marine
本体ケーシング11の内部は、下方が撹拌室70とされている。撹拌室70は、下部が開口しており、この開口がレアアース泥Rの吸込口36になっている。また、本体ケーシング11内の上部は、撹拌状態を落ち着かせるための安定室37が撹拌室70と連続して設けられている。
Inside the
撹拌室70には撹拌部80が設けられている。撹拌部80は、複数の撹拌翼として、二枚の撹拌翼81、82を有する。本実施形態では、二枚の撹拌翼81、82は、撹拌翼の中心部が、それぞれシャフト40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。各撹拌翼81、82は、シャフト40中心から径方向に放射状に延びる複数の羽根を有しており、所定方向に回転駆動されると、上方に配置された第一撹拌翼81は下降流を形成し、下方に配置された第二撹拌翼82は上昇流を形成するようになっている。
The stirring
本実施形態では、上下の撹拌翼81、82間に、内周面に水中軸受71が装着された軸受支持筒72が設けられ、この水中軸受71によって、シャフト40の先端側が回転自在に支持されている。軸受支持筒72は、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、平面視が略レンコン状をなしており、これにより、海水Wおよびレアアース泥Rが本体ケーシング11の軸方向に移動できるように構成されている。
In the present embodiment, a
シャフト40の先端には掘削ビット91が装着されている。掘削ビット91は、その先端側が下部開口である吸込口36に臨むように、自身基端部がシャフト40先端に接続されている。これにより、掘削ビット91は、シャフト40が回転駆動されると、レアアース泥Rを掘削しつつ、掘削したレアアース泥Rを海水Wとともに撹拌室70内に導く掘削部90を構成する、レアアース泥供給部になっている。
A
本体ケーシング11の上部には、上部中央に、流体モータ部20が設けられるとともに、流体モータ部20の左右に、本体ケーシング11内に連通するエマルション供給管13および混合物揚鉱管14が設けられている。
エマルション供給管13は、中空円筒状の管路であり、その上端部が、不図示のエマルジョン供給ポンプを介してエマルジョン供給槽に接続され、エマルション供給部を構成している。エマルション供給管13の下部の先端部13sは、本体ケーシング11の内部の、第一撹拌翼81の上部近傍の位置まで延設されており、先端部13sが、撹拌室70の低い位置にエマルションEmを供給する吐出口になっている。
A
The
混合物揚鉱管14は、中空円筒状の管路であり、その上端部が、ライザー管等を有する揚鉱設備に接続されて洋上まで、後述の混合物Mを揚鉱可能な混合物回収部を構成している。混合物揚鉱管14の下端部は、撹拌室70の高い位置から混合物Mを回収するように、本体ケーシング11の上部内面と面一になっており、本実施形態では、本体ケーシング11の上部の安定室37に混合物回収口14sが連通している。
The mixture lifting
流体モータ部20は、本体ケーシング11の上部中央に同軸に装着された中空円筒状のモータ部ケーシング21を有する。モータ部ケーシング21と本体ケーシング11相互の接続部に上記シャフト支持部45が設けられている。シャフト支持部45の複数の軸受43の両側それぞれには不図示のシール部が設けられ、このシール部により、シャフト40の外周面とモータ部ケーシング21との間がシールされている。なお、本実施形態では、シャフト40を支持する複数の軸受43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(他の軸受について同様)。
The
モータ部ケーシング21の上端部には、円筒状の作動流体導入管23がインロー嵌合部12により装着されている。作動流体導入管23は、流体モータ部20を駆動するための作動流体Sを導入する導入口24を有する。また、モータ部ケーシング21の下部側面には、作動流体Sを海中に導出する導出口26が、モータ部ケーシング21の側方に開口している。なお、第一実施形態では、作動流体Sとして高圧の海水が導入される。
A cylindrical working
本実施形態では、モータ部ケーシング21内の上部に、流体モータ部20が設けられている。流体モータ部20は、モータ部ケーシング21内に固定されたステータ50と、片持ち構造のロータ41とを有する。ステータ50は、金属製で円筒状をなすステータ外筒51と、ステータ外筒51内に配置されたゴム製のステータ内筒52とからなる。ステータ内筒52には、雌ねじ状の螺旋部50rが内周面に形成されている。
In the present embodiment, the
ロータ41には、雄ねじ状の螺旋部41rが外周面に形成されている。ロータ41の基端部41bは、モータ部ケーシング21内の下方に直線状に延び、ユニバーサルジョイント(自在継手)48を介してシャフト40の上端に連結され、シャフト40に回転駆動力を伝達するようになっている。なお、ユニバーサルジョイント48に替えて、フレキシブルジョイントを介してシャフト40に連結してもよい。
ステータ50の軸線に対し、ロータ41の軸線は、相互の軸心が所定の軸心間距離だけ離れた平行な2軸となるように配置され、ユニバーサルジョイント48を介して、ロータ41の回転軸線が、ステータ50の軸線を中心として公転するようになっている。
A male screw-shaped
The axis of the
本実施形態の流体モータ部20では、ロータ41の螺旋部41rは、左巻き2条雄ねじになっており、ステータ50の螺旋部50r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。そしてロータ41の外周面の螺旋部41rがステータ50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が軸方向の複数個所に画成される。
In the
次に、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置10の動作並びにこれを用いた海洋資源の揚鉱方法について説明する。
上述の海洋資源揚鉱装置10は、例えば、起伏可能なブームを有する海中作業機を用い、その海中作業機のブーム先端に本体ケーシング11を装着して使用する。作業時には、海洋資源揚鉱装置10を装備した海中作業機を、海中のレアアース泥床の所期の位置に配置する。本体ケーシング11は、流体モータ部20を上方とし掘削ビット91を下方とした姿勢で海底に配備される。
Next, an operation of the marine
The above-mentioned ocean resource
そして、この海洋資源揚鉱装置10は、作動流体導入管23が作動流体Sを導入可能に、不図示の作動流体導入部に接続される。本実施形態では、高圧の海水を供給するポンプに接続される。混合物揚鉱管14は、上端部がライザー管等を有する揚鉱設備に接続される。また、エマルション供給管13は、その上端部が、不図示のエマルジョン供給ポンプを介してエマルジョン供給槽に接続される。各管路内には、海底に配備される当初は海水Wが満たされる。
In the offshore
上記のように配置された海洋資源揚鉱装置10において、流体モータ部20に対し、上部の導入口24から高圧の作動流体(この例では海水W)Sが供給される。これにより、高圧の作動流体Sがロータ41とステータ50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。流体モータ部20は、キャビティに作用する作動流体Sの導入圧により、ロータ41の回転軸線がステータ50の軸線を中心として公転を開始する。
In the offshore
これにより、流体モータ部20において、作動流体Sの導入圧がシャフト40の回転駆動力に変換される。なお、導入口24から導入された作動流体Sは導出口26から海中に送出される。流体モータ部20でロータ41が回転駆動すると、ユニバーサルジョイント48を介してシャフト40が回転し、シャフト40の先端に設けられた掘削ビット91、および掘削ビット91の上部に設けられた複数の撹拌翼81、82が共に回転する。
As a result, in the
次いでまたは同時に、エマルジョン供給ポンプが駆動され、これにより、エマルジョン供給槽内のエマルジョンEmがエマルション供給管13に供給される。本実施形態では、油としてケロシンを用いるとともに、界面活性剤としてドデシルスルホン酸ナトリウムを用いてエマルションEmを作り、このエマルションEmをエマルション供給管13に供給している。
Next or at the same time, the emulsion supply pump is driven, whereby the emulsion Em in the emulsion supply tank is supplied to the
これにより、掘削ビット91によってレアアース泥Rが掘削されるとともに、掘削ビット91の回転に導かれたレアアース泥Rおよび海水Wが、吸込口36から撹拌室70内に送り込まれる。さらに、撹拌室70下部の第二撹拌翼82が上昇流を形成しているので、撹拌室70下部に導かれたレアアース泥Rは、撹拌されつつ撹拌室70の上方に移動していく。
As a result, the rare earth mud R is excavated by the
なお、本実施形態では、掘削に伴う海洋資源揚鉱装置10の軸方向への本体ケーシング11のフィードは、海中作業機のブームの起伏作動によって行うが、これに限定されず、例えば、スライドガイド装置を有する送り機構等を用いるなど、種々のフィード方法を採用することができる。
In the present embodiment, the feeding of the main body casing 11 in the axial direction of the marine
上記エマルション供給管13に供給されたエマルションEmは、エマルション供給管13の先端部13sから第一撹拌翼81の上部近傍の位置に吐出される。撹拌室70上部の第一撹拌翼81が下降流を形成しているので、撹拌室70上部のエマルションEmは、撹拌されつつ撹拌室70の下方に移動していく。
The emulsion Em supplied to the
これにより、撹拌室70の上下から供給されたレアアース泥RとエマルションEmは、撹拌室70内で相互が混合される。レアアース泥R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Mとしてアパタイト吸着エマルションが生成される。
As a result, the rare earth mud R and the emulsion Em supplied from above and below the stirring
海洋資源揚鉱装置10が引き続き駆動されると、撹拌室70内の混合物M(アパタイト吸着エマルション)は、次第に撹拌室70上部の安定室37まで満たされていく。撹拌室70から安定室37の上部に行くほど、第一撹拌翼81による下降流の力が弱くなる。そのため、上部の安定室37にて撹拌室70から一定の距離を超えて移動した混合物M(アパタイト吸着エマルション)は、海水Wとの比重差によって自ら浮上を開始する。
そして、本体ケーシング11の上部には、混合物揚鉱管14が安定室37に連通して接続されている。そのため、浮上を開始した混合物Mは、安定室37から混合物揚鉱管14を介して船上まで延設されたライザー管等の回収設備にて洋上に移送することができる。
When the marine
Further, the mixture lifting
なお、アパタイトを吸着したエマルションEmは、海水中でエマルション油滴が合体し、安定室37において油滴径が大きくなるところ、海水Wとの比重差により、油滴径が1mmになれば海底下6000mから海上まで約13.6時間で自然に浮上し、油滴径が5mmになれば33分で浮上し、油滴径が10mmになれば8分で浮上する。
The emulsion Em that has adsorbed apatite has emulsion oil droplets coalesced in seawater, and the oil droplet diameter increases in the stabilizing
次に、第一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の揚鉱方法の作用効果について説明する。
上述したように、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置10によれば、海底設備としては、一台の流体モータ部20を設けるだけで、流体モータ部20の駆動により、掘削ビット91でレアアース泥Rを掘削しつつ、掘削ビット91上方の撹拌部80でレアアース泥Rと海水W及びエマルションEmを混合し、アパタイト吸着エマルションを混合物Mとして生成することができる。そして、順次に生成された混合物Mを安定室37で安定させつつ、海水Wとの比重差によって自ら浮上させ、海底から船上まで延設した回収配管にて混合物Mを揚泥できる。
Next, the operation effect of the offshore
As described above, according to the marine
そのため、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、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、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置10によれば、安定した運転性能を確保するとともに、揚鉱に要するエネルギーを大幅に削減可能なので、エネルギー効率を向上させることができる。
Therefore, in the conventional pump lift method, a great amount of energy for pumping the depth of water is required for pumping mud from the deep sea, and in the air lift method, the energy efficiency is poor and much more energy than the pump lift method is required. However, according to the offshore
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、本実施形態の海洋資源揚鉱装置10であれば、本体ケーシング11およびモータ部ケーシング21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。
Further, in the case of a turbo-type pump as described in
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、本実施形態の海洋資源揚鉱装置10であれば、本体ケーシング11およびモータ部ケーシング21が円筒形状のポンプのため、シンプルな配管接続が可能である。
Further, in the case of the turbo type pump as described in
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の揚鉱方法は、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。以下、他の実施形態について説明する。 It should be noted that the apparatus for excavating an ocean resource according to the present invention and the method for excavating an ocean resource using the apparatus are not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. is there. Hereinafter, other embodiments will be described.
[第二実施形態]
例えば、上記第一実施形態では、アパタイト吸着エマルションとされた混合物Mを洋上まで、海水Wとの比重差により、混合物M自身の浮上力のみによって浮上させる例を示したが、これに限定されない。例えば、混合物M自身の浮上力に加え、ポンプによる揚液力を併用してもよい。具体例を第二実施形態として図2に示す。
[Second embodiment]
For example, in the above-described first embodiment, an example has been shown in which the mixture M that is an apatite adsorption emulsion is floated up to the sea only by the levitation force of the mixture M itself due to the difference in specific gravity with the seawater W, but the invention is not limited thereto. For example, in addition to the floating force of the mixture M itself, a pumping force by a pump may be used together. A specific example is shown in FIG. 2 as a second embodiment.
同図に示す第二実施形態では、上記第一実施形態に対し、モータ部ケーシング21が、本体ケーシング11の安定室37内に配置されている点、および混合物揚鉱管14の管路部分に、ポンプの一例として流体モータ駆動揚鉱ポンプ1が装備されている点が異なっている。なお、他の構成は上記第一実施形態と同様なので、以下、相違点について説明し、上記第一実施形態と同様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、その説明を適宜省略する。
In the second embodiment shown in the figure, in contrast to the first embodiment, the
詳しくは、図2に示すように、第二実施形態の海洋資源揚鉱装置10は、本体ケーシング11の上端部に、作動流体S1として高圧の海水Wを導入する作動流体導入管23が、直接接続されるとともに、モータ部ケーシング21全体が、本体ケーシング11の安定室37内に同軸に配置されている。
これにより、本体ケーシング11内にモータ部ケーシング21が位置する部分が二重管構造になっている。作動流体S1を導出する導出口26は、モータ部ケーシング21の側方に伸びる管路が、作動流体S1を海中に向けて導出可能に、本体ケーシング11の側面に貫通形成されている。
Specifically, as shown in FIG. 2, in the marine
As a result, the portion where the
上記流体モータ駆動揚鉱ポンプ1は、混合物揚鉱管14の管路部分に装備されている。流体モータ駆動揚鉱ポンプ1は、混合物揚鉱管14の途中部分に替えて配管された中空円筒状のポンプケーシング21Pを有する。ポンプケーシング21Pの上部には、ポンプ用流体モータ部20Bが設けられている。ポンプ用流体モータ部20Bは、上記第一実施形態の流体モータ部20と同様に構成された、ロータ41Bおよびステータ50Bを有する。
The fluid motor driven
ポンプケーシング21Pの上端部には、作動流体導入管23Bが装着されている。作動流体導入管23Bは、作動流体S2として高圧の海水Wを導入する導入口24Bを有する。また、ポンプケーシング21Pの途中部分側面には、作動流体S2を導出する導出口26Bが海中に向けて作動流体S2を導出可能に開口している。
A working
ポンプケーシング21P内には、シャフト支持部45jに支持された連結軸40jが設けられている。シャフト支持部45jは、ポンプケーシング21Pの中央部分であって導出口26Bよりも下部の位置に設けられ、連結軸40jは、複数の軸受43jを介してシャフト支持部45jに回転自在に支持されている。
Inside the
そして、ポンプケーシング21P内には、連結軸40jよりも下部の位置に、ねじポンプ部20Pが設けられている。ねじポンプ部20Pは、ポンプ用流体モータ部20Bとは、ねじ状の螺旋部の巻き方向が逆方向になっている以外は、同様に構成された、ロータ41Pおよびステータ50Pを有する。
A
ポンプ用流体モータ部20Bのロータ41Bの下端は、ユニバーサルジョイント(自在継手)48Bを介して連結軸40jの上端に連結され、ねじポンプ部20Pのロータ41Pの上端は、ユニバーサルジョイント(自在継手)48Pを介して連結軸40jの下端に連結されている。
ポンプケーシング21Pの途中部分の側面には、ユニバーサルジョイント48Pのロッド部が位置する箇所に、混合物Mを揚鉱するための混合物揚鉱管14Pが接続され、混合物揚鉱管14Pは、ポンプケーシング21Pの側方に張り出すととともに上方に向けて混合物Mを導出可能に配管されている。
The lower end of the
A
このように構成された第二実施形態の海洋資源揚鉱装置10によれば、上記第一実施形態同様の作用効果を奏するとともに、これに加え、混合物回収部に流体モータ駆動揚鉱ポンプ1が装備されているので、混合物Mの揚鉱を、よりきめ細かく制御することができる。
According to the offshore
つまり、上記第一実施形態では、混合物Mの油滴径を制御する手段として安定室37を設けているものの、混合物M自身の浮上力のみによる揚鉱の場合、安定室37の容積やライザー管等の管路抵抗による損失、供給するエマルションの量、撹拌効率、レアアース泥の掘削速度等、多くのパラメータによって、混合物Mの状態やその油滴径が変動する可能性があるため、それに対応する制御が難しい場合が生じるおそれがある。
これに対し、第二実施形態の海洋資源揚鉱装置10によれば、流体モータ駆動揚鉱ポンプ1の駆動制御によって、混合物回収口14sからの混合物Mの揚鉱を、停止状態から所期の油滴径に対応する揚液速度を経て、機器の最大揚液速度までの任意の揚液速度に設定できる。
That is, in the first embodiment described above, although the stabilizing
On the other hand, according to the marine
[第三実施形態]
次に、第三実施形態について説明する。
上記第一および第二実施形態では、流体モータ部またはねじポンプ部の基本構成として、ロータおよび固定されたステータを有する一軸ねじポンプを例に説明した。しかし、本発明に採用し得るねじポンプは、これに限定されない。例えば、固定されたステータに替えて、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することができる。
[Third embodiment]
Next, a third embodiment will be described.
In the first and second embodiments, the uniaxial screw pump having the rotor and the fixed stator has been described as an example of the basic configuration of the fluid motor unit or the screw pump unit. However, the screw pump that can be used in the present invention is not limited to this. For example, instead of the fixed stator, a screw pump in which the outer rotor is driven together with the inner rotor can be adopted.
具体例を第三実施形態として図3に示す。同図に示す第三実施形態では、流体モータ部およびねじポンプ部の基本構成として、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するとともに、液液分離用に供給するエマルションEmを流体モータ部の作動流体Sとして兼用する例である。 A specific example is shown in FIG. 3 as a third embodiment. In the third embodiment shown in the figure, a screw pump in which an outer rotor is driven together with an inner rotor is adopted as a basic configuration of a fluid motor unit and a screw pump unit, and an emulsion Em supplied for liquid-liquid separation is used as a fluid motor unit. In this example, the working fluid S is also used.
詳しくは、図3に示すように、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置10は、本体ケーシング11の上端部に、中空円筒状のモータ部ケーシング21Xが同軸に接続されている。モータ部ケーシング21Xの下端開口は、安定室37上部の混合物回収口14sに連通している。モータ部ケーシング21X内には、第二のシャフトである駆動軸40kが回転自在に支持されている。
モータ部ケーシング21X内には、流体モータ部20Cが、駆動軸40k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20Qが、駆動軸40kの他端側(この例では上下方向下側)に設けられている。
Specifically, as shown in FIG. 3, in the marine
In the
モータ部ケーシング21Xの途中部分の下部寄りの位置に、駆動軸40kを回転自在に支持するシャフト支持部45kが設けられている。駆動軸40kは、シャフト支持部45kの複数の軸受43kによって回転自在に支持されている。複数の軸受43kの両側それぞれにはシール部が設けられ、シール部により、駆動軸40kの外周面とモータ部ケーシング21Xとの間がシールされている。なお、本実施形態は、駆動軸40kを支持する複数の軸受43k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21X内の他の軸受について同様)。
A
モータ部ケーシング21Xの上端部は、作動流体Sとして、高圧のエマルションEmを導入する導入口24Cとされ、不図示の作動流体導入管が着脱可能に装着される。駆動軸40kには、シャフト支持部45kよりも上部の位置に、連通穴13の導入口13tが設けられている。連通穴13の導入口13tは、流体モータ部20Cによる駆動軸40kを駆動後のエマルションEmが導入される。
An upper end of the
連通穴13は、導入口13tの位置から下方に向け、駆動軸40kの中心を貫通して駆動軸40kの下端面に連通している。さらに、連通穴13は、駆動軸40kの下端に接続されたシャフト40の中心に貫通形成されており、シャフト40の先端に装着される掘削ビット91の側面に開口する吐出口13sからエマルションEmを吐出可能に設けられており、この連通穴13がエマルション供給管を構成している。
The
さらに、モータ部ケーシング21Xの途中部分には、混合物Mを吐出する吐出口14tが側面に設けられ、この吐出口14tに混合物揚鉱管14Pの基端部が連通して一体に装着されている。混合物揚鉱管14Pは、基端側のエルボ部で上方に曲げられ、直線状の管本体部が、モータ部ケーシング21Xに並行して上方に延びている。
Further, a
モータ部ケーシング21X内の上部には、上記流体モータ部20Cが設けられている。流体モータ部20Cは、モータ部ケーシング21X内に、第一アウタロータ50Cと、片持ち構造の第一インナロータ41Cとを有する。第一アウタロータ50Cには、左巻雌ねじ状の螺旋部が内周面に形成されている。
The
第一インナロータ41C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41Cの基端部41kは、モータ部ケーシング21X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40kの上端に一体形成され、駆動軸40kとともに一体で回転するようになっている。
A left-handed male screw-shaped spiral portion is formed on the outer peripheral surface of the first inner rotor 41C. The
第一アウタロータ50Cは、金属製で円筒状をなすロータ外筒51と、ロータ外筒51内に配置されたゴム製のロータ内筒52とからなる。第一アウタロータ50C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21X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シール部54が設けられ、シール部54により、第一アウタロータ50Cの外周面とモータ部ケーシング21Xとの間がシールされている。
The first
第三実施形態の流体モータ部20Cでは、第一インナロータ41C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50C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41C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50Cに内装され、第一アウタロータ50Cの軸線と第一インナロータ41C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50Cが、第一インナロータ41Cの回転に応じて連れ回りするようになっている。
In the
Then, the spiral portion of the outer peripheral surface of the first inner rotor 41C is internally provided in the first
詳しくは、流体モータ部20Cの各ロータ41C、50Cの螺旋部は、基本距離をE(偏心量)としたときに、長径5E、短径3Eの楕円D2を第一インナロータ41Cとして、当該第一インナロータ41Cの長軸方向に軸心O1から距離Eだけ離れた点を軸心O2とし、軸心O1を中心として楕円D2を角度ωだけ回転させた楕円D2nを、軸心O2を中心に角度2/3ω逆転させた時の楕円D2mの集積輪郭D3を第一アウタロータ50Cの輪郭とするように形成される。
Specifically, the spiral portion of each of the
また、各ロータ41C、50Cの螺旋部は、輪郭D3を第一インナロータ41Cの輪郭とし、当該第一インナロータ41Cの頂点から底辺への軸方向に軸心O2から距離Eだけ離れた点を軸心O3とし、軸心O2を中心として輪郭D3を角度ωだけ回転させた輪郭D3nを、軸心O3を中心に角度3/4ω逆転させた時の輪郭D3mの集積輪郭D4を第一アウタロータ50Cの輪郭とするように形成される。
In addition, the spiral portion of each of the
さらに、各ロータ41C、50Cの螺旋部は、輪郭D4を第一インナロータ41Cの輪郭とし、当該第一インナロータ41Cの頂点から対向する頂点方向に軸心O3から距離Eだけ離れた点を軸心O4とし、輪郭D4を軸心O3を中心として角度ωだけ回転させた輪郭D4nを、軸心O4を中心に角度4/5ω逆転させた時の輪郭D4mの集積輪郭D5を第一アウタロータ50Cの輪郭とするように形成される。
Further, in the spiral portion of each of the
以上の要領にて、各ロータ41C、50Cの螺旋部は、集積輪郭D5から先も同様に、輪郭DNを第一インナロータ41Cの輪郭とし、当該第一インナロータ41Cの頂点から対向する頂点もしくは底辺方向に軸心ONから距離Eだけ離れた点を軸心OMとし、輪郭DNを軸心ONを中心として角度ωだけ回転させた輪郭DNnを、軸心OMを中心に角度N/(N+1)ω逆転させた時の輪郭DNmの集積輪郭D(N+1)を第一アウタロータ50Cの輪郭とするように形成される。
In the above manner, the spiral portion of each of the
そして、当該輪郭D(N+1)の第一アウタロータ50Cの軸心OMを回転中心とする軸線CL2として回転可能に支承すると共に、第一アウタロータ50Cの軸心OMから距離Eだけ離れたONを輪郭DNの第一インナロータ41Cの回転中心とする軸線CL1とし、当該第一インナロータ41Cのピッチを第一アウタロータ50CのピッチのN/(N+1)に設定し、この時のNが2以上(但しNは自然数)の集積輪郭の左雄ねじを第一インナロータ41Cとし、N+1が3以上の集積輪郭の左雌ねじを第一アウタロータ50Cとして流体モータ部20Cを構成している。
Then, while rotatably supporting the contour D(N+1) of the first
第一アウタロータ50C内に第一インナロータ41C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。なお、本実施形態で流体モータ部20Cのキャビティが機能する必要最低限長さは、第一インナロータ41Cが540°回転する長さである。その理由は、第一アウタロータ50Cの入口から出口までを第一インナロータ41Cとのシールラインでつなぐために540°回転する長さが最低限必要だからである。
When the spiral portion of the first inner rotor 41C is inserted into the first
一方、モータ部ケーシング21X内の下部には、上記ねじポンプ部20Qが設けられている。ねじポンプ部20Qは、モータ部ケーシング21X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41Q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50Qとを有する。第二インナロータ41Qの基端部41uは、モータ部ケーシング21X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40kの下端に一体形成され、駆動軸40kとともに一体で回転するようになっている。
On the other hand, the screw pump portion 20Q is provided in the lower portion of the
第二アウタロータ50Qは、金属製で円筒状をなすロータ外筒61と、ロータ外筒61内に配置されたゴム製のロータ内筒62とからなる。第二アウタロータ50Qは、その両端が、軸方向に離隔した複数の軸受63を介してモータ部ケーシング21X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、シール部64により、第二アウタロータ50Qの外周面とモータ部ケーシング21Xとの間がシールされている。
The second
第三実施形態では、第二インナロータ41Qの下端部は、混合物回収口14sを通して安定室37内まで延設されており、安定室37内上部の位置でシャフト40の上端部に連結され、一体で回転するようになっている。第二インナロータ41Qとシャフト40との連結部の近傍の位置には、内周面に水中軸受71Bが装着された軸受支持筒72Bが設けられ、この水中軸受71Bによって、シャフト40の基端側が回転自在に支持されている。
さらに、上下の撹拌翼81、82間に、内周面に水中軸受71Aが装着された軸受支持筒72Aが設けられ、この水中軸受71Aによって、シャフト40の先端側が回転自在に支持されている。なお、軸受支持筒72A、72Bは、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、平面視が略レンコン状をなしている。
In the third embodiment, the lower end portion of the second inner rotor 41Q is extended to the inside of the
Further, a
本実施形態では、第二インナロータ41Q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50Q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20Qの各ロータ41Q、50Qの螺旋部の詳細は、上述した流体モータ部20C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20Cと同様に構成されているため、詳細な説明を省略する。
In the present embodiment, the second inner rotor 41Q has a right-handed two-thread male thread on the outer peripheral surface of the spiral portion, and the second
上記構成により、第二インナロータ41Q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50Qの螺旋部に内装され、第二アウタロータ50Qの軸線と第二インナロータ41Q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50Qが、第二インナロータ41Qの回転に応じて連れ回りする。さらに、第二インナロータ41Qの回転と共に、第二インナロータ41Q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。
With the above-described configuration, the spiral portion of the outer peripheral surface of the second inner rotor 41Q is housed in the spiral portion of the second
次に、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置10の動作について説明する。
上記のように構成された第三実施形態の海洋資源揚鉱装置10において、流体モータ部20Cに対し、上部の導入口24Cから作動流体Sとして高圧のエマルションEmが供給されると、高圧のエマルションEmが第一インナロータ41Cと第一アウタロータ50C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。
Next, the operation of the marine
In the marine
これにより、流体モータ部20Cは、キャビティに作用する高圧のエマルションEmの導入圧により、第一インナロータ41Cが回転し、第一インナロータ41Cの動きに伴って第一アウタロータ50Cも第一インナロータ41C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20Cにおいて、エマルションEmの導入圧が駆動軸40kの回転駆動力に変換される。さらに、エマルションEmは、エマルション供給管として機能する連通穴13の導入口13tに導入され、駆動軸40k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連通穴13を通り、掘削ビット91の側面に開口する吐出口13sへと送出される。
As a result, in the
As a result, the introduction pressure of the emulsion Em is converted into the rotational driving force of the
そして、流体モータ部20Cで第一インナロータ41Cが回転駆動すると、ねじポンプ部20Qでは、1本の駆動軸40kに同軸に設けられた第二インナロータ41Qが回転し、その動きに伴って第二アウタロータ50Qも第二インナロータ41Qの回転と同期して従動回転する。
ここで、ねじポンプ部20Qは、流体モータ部20Cとは逆ねじになっているので、第二アウタロータ50Qと第二インナロータ41Q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、安定室37内の混合物Mを、下方の混合物回収口14sから上方の吐出口14tに向けて圧送することができる。
Then, when the first inner rotor 41C is rotationally driven by the
Here, since the screw pump portion 20Q has a reverse thread to the
よって、第三実施形態のような構成であれば、上記第一実施形態同様の作用機序により、アパタイトを吸着したエマルションである混合物Mを、海水Wとの比重差に基づく自身の浮上力によって洋上まで浮上可能とするとともに、その浮上力に加え、ねじポンプ部20Qによる揚液力で浮上を補助することができる。 Therefore, in the case of the configuration of the third embodiment, the mixture M, which is an emulsion in which apatite is adsorbed, has a levitation force based on a difference in specific gravity between the water M and the seawater W, by the action mechanism similar to that of the first embodiment. It is possible to levitate to the sea, and in addition to its levitating force, the levitating force by the screw pump portion 20Q can assist the levitating.
ここで、従来のポンプリフト方式では、機器の信頼性、特に高圧水深化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、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置10は、モータ部ケーシング21X内に流体モータ部20Cで駆動するねじポンプ部20Qを備え、1本の駆動軸40kの軸方向一端のねじポンプを流体モータとして使用し、その出力軸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40kの他端のねじポンプを駆動できる。
Here, in the conventional pump lift system, the reliability of the equipment, especially the durability of the shaft seal of the submersible motor under high pressure water depth is a problem. On the other hand, the marine
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、第三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20Cとして、第一インナロータ41C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50Cを回転自在に支承するとともに、ねじポンプ部20Qも同様に、第二インナロータ41Q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50Qを回転自在に支承したので、流体モータ部20Cとねじポンプ部20Q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40kへの回転力伝達に、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。
That is, in the conventional pump lift system, when the submersible motor has been used to drive the pump shaft, according to the marine
また、軸受43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20Cとねじポンプ部20Q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。
Further, a left-handed male screw first
特に、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置10は、駆動軸40k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20Cとねじポンプ部20Qとに加え、掘削部90と撹拌部80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を構成する上で極めて優れている。
Particularly, in the marine
また、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置10は、流体モータ部20Cとねじポンプ部20Qのいずれも、アウタロータが内周面に3条雌ねじを有するとともに、インナロータが外周面に2条雄ねじを有するねじポンプなので、インナロータを、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。
Further, in the marine
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/cm2)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、第三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。第三実施形態の海洋資源揚鉱装置10では、1台当り100kgf/cm2(揚程1000m)以上の吐出圧力の達成可能である。
In particular, for example, in the case of a turbo-type pump as in the technique described in
On the other hand, in the offshore
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、第三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。
Further, in the case of the turbo type pump as described in
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、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置10であれば、1台あたり100kgf/cm2(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。
Further, for example, in the case of the mixed flow type impeller pump described in Patent Document 2, the obtained head is even smaller than that of the turbo type pump, and the head obtained per impeller is 30 m or less. On the other hand, the offshore
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、第三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。
Further, the turbine-pump set described in Patent Document 2 has a structure in which the turbine is arranged on the outer periphery of the pump impeller, and therefore the outer diameter is necessarily increased. On the other hand, in the marine
なお、上記第三実施形態では、流体モータ部20Cおよびねじポンプ部20Q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と、外周面に2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。
In the third embodiment described above, as an example of the
つまり、第三実施形態に例示する海洋資源揚鉱装置は、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20Cおよびねじポンプ部20Q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。
That is, in the offshore resource exploration device illustrated in the third embodiment, the outer rotor having the (N+1) female thread on the inner peripheral surface is the
具体的には、流体モータ部20Cおよびねじポンプ部20Q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。
Specifically, the configuration of the
1 流体モータ駆動揚鉱ポンプ
10 海洋資源揚鉱装置
11 本体ケーシング
12 インロー嵌合部
13 エマルション供給管(エマルション供給部)
14 混合物揚鉱管(混合物回収部)
20 流体モータ部
21 モータ部ケーシング
23 作動流体導入管
24 導入口
26 導出口
36 吸込口
37 安定室
40 シャフト
41 ロータ
43 軸受
45 シャフト支持部
48 自在継手(ユニバーサルジョイント)
50 ステータ
51 ステータ外筒
52 ステータ内筒
70 撹拌室
71 水中軸受
72 軸受支持筒
80 撹拌部
81 第一撹拌翼(撹拌翼)
82 第二撹拌翼(撹拌翼)
90 掘削部(レアアース泥供給部)
91 掘削ビット
S 作動流体
Em エマルション
M 混合物(移送流体:アパタイト吸着エマルション)
R レアアース泥
W 海水
1 Fluid Motor Driven
14 Mixing ore pipe (mixture collecting part)
20
50
82 Second stirring blade (stirring blade)
90 Excavation section (rare earth mud supply section)
91 Drilling Bit S Working Fluid Em Emulsion M Mixture (Transfer Fluid: Apatite Adsorption Emulsion)
R Rare earth mud W Seawater
Claims (7)
前記撹拌室内に配置された撹拌翼を有する撹拌部と、
前記撹拌室にレアアース泥を供給するレアアース泥供給部と、
前記撹拌室内に海水よりも比重が軽いエマルションを供給するエマルション供給部と、
前記エマルションと前記レアアース泥とが結合されて海水よりも比重が軽い混合物を前記撹拌室から回収する混合物回収部と、
を備えることを特徴とする海洋資源揚鉱装置。 A stirring chamber filled with seawater,
A stirring unit having a stirring blade disposed in the stirring chamber,
A rare earth mud supply unit for supplying rare earth mud to the stirring chamber,
An emulsion supply unit that supplies an emulsion having a specific gravity lower than that of seawater into the stirring chamber,
A mixture recovery unit for recovering from the stirring chamber a mixture in which the emulsion and the rare earth mud are combined to have a specific gravity smaller than seawater.
An offshore resource exploration device comprising:
前記ケーシング内に設けられて下部に開口を有する撹拌室と、
前記撹拌室内に配置された撹拌翼を有する撹拌部と、
前記撹拌室の開口に臨むように設けられてレアアース泥を掘削しつつ前記撹拌室内に導く掘削部と、
前記撹拌室に海水よりも比重が軽いエマルションを供給するエマルション供給部と、
前記エマルションと前記レアアース泥とが結合されて海水よりも比重が軽い混合物を前記撹拌室から回収する混合物回収部と、
を備えることを特徴とする海洋資源揚鉱装置。 A casing,
A stirring chamber provided in the casing and having an opening at the bottom,
A stirring unit having a stirring blade disposed in the stirring chamber,
An excavation unit that is provided so as to face the opening of the stirring chamber and guides the rare earth mud into the stirring chamber while excavating the rare earth mud
An emulsion supply unit that supplies an emulsion having a specific gravity lower than that of seawater to the stirring chamber,
A mixture recovery unit for recovering from the stirring chamber a mixture in which the emulsion and the rare earth mud are combined to have a specific gravity smaller than seawater.
An offshore resource exploration device comprising:
前記エマルション供給部が、前記撹拌室の低い位置に前記エマルションを供給し、
前記混合物回収部が、前記撹拌室の高い位置から前記混合物を回収する請求項1または2に記載の海洋資源揚鉱装置。 The emulsion supply unit and the mixture recovery unit are mutually
The emulsion supply unit supplies the emulsion to a lower position of the stirring chamber,
The offshore resource exploration device according to claim 1 or 2, wherein the mixture recovery unit recovers the mixture from a higher position of the stirring chamber.
前記ケーシング内に回転自在に支承されたシャフトと、
前記ケーシング内に画成されて長手方向一方側の端部に開口する撹拌室と、
前記撹拌室内に前記シャフトの途中部分と一体に設けられた撹拌翼と、
前記撹拌室内に前記開口に臨むように設けられて前記シャフトの端部に基端部が接続された掘削ビットと、
前記ケーシング内の長手方向他方側に設けられて前記ケーシングに導入された作動流体により前記シャフトを回転駆動する流体モータ部と、
前記ケーシング内の前記撹拌室と前記流体モータ部との間に設けられて前記流体モータ部による前記シャフトの回転駆動力により前記撹拌室内から移送流体を吸引するポンプ部と、
を備えることを特徴とする海洋資源揚鉱装置。 A casing,
A shaft rotatably supported in the casing,
A stirring chamber defined in the casing and opened at one end in the longitudinal direction,
A stirring blade integrally provided with the middle part of the shaft in the stirring chamber,
A drill bit provided in the stirring chamber so as to face the opening and having a base end connected to an end of the shaft,
A fluid motor unit provided on the other side in the longitudinal direction within the casing to drive the shaft to rotate by the working fluid introduced into the casing;
A pump unit which is provided between the stirring chamber and the fluid motor unit in the casing, and which sucks the transfer fluid from the stirring chamber by the rotational driving force of the shaft by the fluid motor unit;
An offshore resource exploration device comprising:
前記ポンプ部は、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、を有する請求項4または5に記載の海洋資源揚鉱装置。 The fluid motor unit is provided at one end of the shaft and has a male screw-shaped outer peripheral surface, a first inner rotor externally inserted into the first inner rotor and rotatably supported in the casing, and the first inner rotor. A first outer rotor having a female screw-shaped inner peripheral surface which is arranged eccentrically with respect to the rotation axis of the first eccentricity and is arranged in the same winding direction as the screw winding direction of the first inner rotor,
The pump portion is provided at the other end of the shaft and has a second inner rotor having a screw-winding direction of the first inner rotor and a male screw-like outer peripheral surface of reverse winding, and is externally inserted to the second inner rotor and rotatable in the casing. A second outer rotor that is supported on the second inner rotor and is eccentric to the rotation axis of the second inner rotor by a predetermined distance, and that has a female screw-shaped inner peripheral surface in the same winding direction as the screw winding direction of the second inner rotor. The offshore resource lifting apparatus according to claim 4 or 5.
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