JP6789556B2 - ジェット・ツイスター・ポンプおよびそれを備えた資源回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、水中（特に深海層）の土砂．礫．紛体．鉱石などの固形物を排出または揚鉱するのに好適な装置（ジェット・ツイスター・ポンプ）およびそれを備えた資源回収装置に関する。
さらに、上記固形物を含まない海底深くからの海水の汲みあげ、または高層階に送水するポンプとしての機能を有する設備にも活用できる。

従来の技術としては、ロータリーポンプ．ギアポンプ．ピストンポンプ．チューブポンプ等がある。

上記のポンプによれば、搬送物の種類によっては回転体を構成するインペラーやギア等の摩耗、排出管の摩耗と閉塞、搬送物粒径の限界、揚程の限界、等々の問題が有り、特に既存の技術（既存のポンプ）では深海からの揚鉱は不可能なので、これを可能にすることにある。
また、水底の土砂．礫．紛体．鉱石などの固形物の堆積物を水圧により粉砕し、かつこれらを速やかに排出管に導入することも必要となる。
さらに、海底深くから固形物を含まない海水を汲みあげたり、あるいは高層階に送水する場合、従来の高圧のロータリーポンプに代わる技術として、効率の良いポンプシステムを提供しようとするものである。

本発明に係るジェット・ツイスター・ポンプ（１）は、高圧ポンプ（４）は使用するが、高圧ポンプ（４）の回転体は、噴射させる流体との接触はするが、複数のジェット孔（２）から渦巻き状に噴射された流体は排出効果を活用しているため、排出時に固体との接触は全くない。したがって、どのような高圧ポンプ（４）を用いても、噴出部分のジェット孔（２）と固形物との接触による摩耗や噴出部の閉塞等の問題が発生する可能性が極めて少ないので、安定的かつ効率的な資源回収または固形物の排出を行うことができる。
この方法は、とくに深海からの資源を回収する場合、既存の渦巻ポンプ等では相当の高圧をかける必要があるので、それによるトラブルも発生しやすいが、この方法では、より高圧のポンプを採用しても、そのようなトラブルの発生はまったく起こらないと考えられるので、より一層の効果を発揮することが期待できる。すなわち、より過酷な条件下でも、その効果を遺憾なく発揮できるところが本発明の特徴の一つでもある。
さらに、ジェット・ツイスター・ポンプ（１）は、その特徴を転用することにより、たとえば排出管（３）の導入口付近の端部に１８０°逆方向に設置することにより、水底に堆積している土砂．礫．紛体．鉱石などの固形物を水圧により粉砕し、かつこれらを速やかに排出管（３）に導入することも可能である。そのためには、導入口近傍の排出管（３）は可動式とし、主に水平面方向に制御されて動くことができるようにしておくのが望ましい。それによって、相当広い範囲の土砂．礫．紛体．鉱石などの固形物を効率的に回収または揚鉱することが可能となり、本発明の目的を遂行することが可能となる。
また、排出管（３）内に導入されたこれらの固形物は、その量によっては、排出管内において、複雑に絡まり合って閉塞状態が発生することも起こり得る。このようなトラブルに対して、それを機械的に解決する方法もあるが、排出管（３）が比較的細くて長い場合は、容易に解決することが困難である。そこで、ジェット・ツイスター・ポンプ（１）を排出管（３）の軸方向に対し、１８０°正反対の方向に設置することにより、一時的に、排出方向と逆方向に、これらの土砂．礫．紛体．鉱石などの固形物を動かすことにより、上記による閉塞問題を解決しようとするものである。

本発明において、高圧ポンプ（４）は、流体のみを高圧で吐出する目的で使用されている。この高圧ポンプ（４）から、吐出された流体は、配管（５）を経て、リング状のディストリビューター（６）の内側に設けられたジェット孔（２）から噴出されるが、ジェット孔（２）は、円筒の中心（水平）に向かって上向きで、その範囲は４５〜９０°、同時に円周（垂直）に対してもある一定の角度をなしていて、その範囲は−４５〜４５°に設けられているために、ジェット孔（２）から排出される流体は、ジェット状に激しく渦巻き状の回転力が加えられている。この渦巻きが、流体の吐出効果を高めているだけでなく、流体の近傍に存在する固形物をも排出する効果を生み出している。そのために、たとえば資源の回収や、不要物体の排出を安定的にかつ効率的に行うことができる。
本発明の効果の程度を推測するには、たとえば一升瓶に一杯に充填させた水を逆さに向けて中の水を排出する場合、予め水に回転力（Ｔｗｉｓｔ）を与えてから逆さにした方がはるかに速やかに水を排出できることを生活の知恵として、知っていること。さらに、津波の引き潮によって、防波堤や家屋等の構造物、さらには多くの人命も飲み込んでしまうほどの強大な吸引力を有していることも、過去の経験から習得している。このような事象から類推して、本発明のジェット・ツイスター・ポンプ（１）は、排出管（３）およびその周辺という限られた領域にのみに限定はされてはいるが、少なくともその領域に関しては、極めて強力な吸排出効果が期待できることは容易に想定できよう。
さらに、ジェット・ツイスター・ポンプ（１）は、その構成要素の一つである複数のジェット孔（２０）から渦巻き状に噴射された高圧の流体は、土砂．礫．紛体．鉱石などの固形物の堆積物に衝突した際、それらを容易に粉砕することができることが知られている。この特徴を転用することにより、たとえば排出管（３）の導入口付近の端部に１８０°逆方向に設置することにより、水底に堆積している土砂．礫．紛体．鉱石などの固形物を水圧により粉砕し、かつこれらを速やかに排出管（３）に導入することも可能である。そのためには、導入口近傍の排出管（３）は、可動式とし、主に水平面方向に制御されて動くことができるようにしておくのが望ましい。それによって、相当広い範囲の土砂．礫．紛体．鉱石などの固形物を効率的に回収または揚鉱することが可能となり、本発明の目的を遂行することが可能となる。
また、排出管（３）内に導入されたこれらの固形物は、その量によっては、排出管（３）内において、複雑に絡まり合って閉塞状態が発生することも起こり得る。このようなトラブルに対して、それを機械的に解決する方法もあるが、排出管（３）が比較的細くて長い場合は、容易に解決することが困難である。一度、排出管（３）内で閉塞状態が発生すると、ジェット孔（２）から噴出される流体の圧力をいくら高めても、その閉塞状態を解決することが困難な場合が多い。かかる場合、固形物の流れを一時的に逆方向に向けてやるとスムースに解決することが広く知られている。そこで、ジェット・ツイスター・ポンプ（１）を排出管（３）の軸方向に対し、１８０°正反対の方向に設置することにより、一時的に、排出方向と逆方向に、これらの土砂．礫．紛体．鉱石などの固形物を動かすことにより、上記より閉塞問題を解決することができる。
さらに、本ジェット・ツイスター・ポンプ（１）は、メインの排出管（３）が単純な形状をしているため、通水に関してほとんど障害物となるものが無いので、極めて効率的に初期の目的を達成することができる。というのも、高圧ポンプ（４）はたとえば多段式のロータリーポンプが考えられるが、ディストリビューター（６）から噴出される高圧のジェット噴流によってその周辺の水を巻き込んで吐出されるメカニズムとなっているために、高圧ポンプ（４）からの吐出量そのものは排出管（３）の通水量に比較して、小容量のもので充分である。小容量の高圧ポンプ（４）とその配管（５）、さらにディストリビューター（６）およびジェット孔（２）などから構成されるポンプシステムは、その機構上故障なども発生しにくい特長を有している。

本実施例に係るジェット・ツイスター・ポンプおよびディストリビューターの詳細を示す図である。 本発明の応用例として、資源回収装置の概略を示す図である。 本発明の応用例として、浚渫装置の概略を示す図である。 図４−１は、本発明の応用例として、海洋深層水取水装置を示す図であり、図４−２は、高層階への送水装置を示す図である。

図１は、本実施例に係るジェット・ツイスター・ポンプおよびディストリビューターの詳細を示す図である。図１に示すように、本事例では、フランジ部のボルト締結の例を示している。ジェット・ツイスター・ポンプ１と排出管３との接続は、ジェット・ツイスター・ポンプ１の管部上下のフランジと排出管３とを直接にねじ締結を通じて結合されている。７は、ジェット・ツイスター・ポンプ１と排出管３とを接合するボルト孔である。高圧ポンプ４から吐出された流体は、配管５を経てディストリビューター６に入り、内壁上部に設けられた複数のジェット孔２へと排出される。また排出管３内に閉塞が生じた場合、逆噴射用ディストリビューター１７に高圧の流体を送り逆噴射ジェット孔１８から下方に噴射する。
４は、高圧ポンプであり、液体または気体を高圧で排出させるものである。媒体を液体あるいは気体にするかは、その目的によって異なる。
１は、内側周辺部に複数の噴出口２を設けたリング部材６を要する、ジェット・ツイスター・ポンプ１と称している。
ジェット・ツイスター・ポンプ１は、フランジ部をボルトなどによって、排出管３と締結されている。
ジェット・ツイスター・ポンプ１のディストリビューター６に設けられている孔２は円筒の中心（水平）に向かって上向きで、その範囲は４５〜９０°、同時に円周（垂直）に対してもある一定の角度をなしていて、その範囲は−４５〜４５°、であることが望ましい。 ジェット・ツイスター・ポンプ１のディストリビューター６に設けられた孔２の断面形状は、通常は円形であるが、目的によっては星形あるいはそれ以外の断面形状でも初期の目的を達成することができれば、なんら制限を設けるものでない。
５は、高圧ポンプ４とジェット・ツイスター・ポンプ１とを繋ぐ配管である。
上記以外に、高圧ポンプ４を作動させる電源ケーブル１６が必要となる。その電源ケーブル１６を通じて、高圧ポンプ４を作動させる。高圧ポンプ４の作動により、ポンプから高圧の液体または気体が排出され、配管５を通じてディストリビューター６を経て、ジェット・ツイスター・ポンプ１の内側へと導かれる。ジェット・ツイスター・ポンプ１のディストリビューター６に設けられた複数の孔２から、ジェット状に高圧の液体または気体が排出管３の内部に噴出させられる。噴出している液体または気体は、ジェット・ツイスター・ポンプ１のディストリビューター６に設けられた孔２が、円筒の中心（水平）に向かって上向きでその範囲は４５〜９０°、同時に円周（垂直）でその範囲は−４５〜４５°、ある一定の角度を成しているために、ジェット孔２に導かれた液体または気体は、回転力が与えられ、激しい渦巻き状態となって排出管３に押し出される。同時に、そのような押し出し力は、排出管３周辺の液体または気体のみならず固体状の物体にも吸排出効果を生み出し、資源の回収や不要物の効率的排出等の目的のために活用することができる。
図２は、本発明の応用例として、資源回収装置の概略を示す図である。図２に示すように、深海の場合、通常資源は回収船に揚鉱するが、本図では、回収船は採鉱母船９およびシャトル船１０とからなっている。３は、排出管を示す。排出管３の一部にジェット・ツイスター・ポンプ１が取り付けられている。排出管３へは、高圧ポンプ４から噴出された高圧の流体が、配管５を通じてディストリビューター６へと送られ、ジェット・ツイスター・ポンプ１内部へと送られる。なお、ジェット・ツイスター・ポンプ１は、必要に応じて、排出管３の下端部や中間部あるいは上部等に、単数または複数設けることが可能である。また、資源は採掘機１２により粉砕されるが、粉砕された資源はフレキシブルパイプ８を通じてピット１４に送られるが、その場合も上記と同じジェット・ツイスター・ポンプ１が使用されることも当然考えられる。採掘機１２およびフレキシブルパイプ８の移動、さらには高圧ポンプ４やジェット・ツイスター・ポンプ１の稼働は、原則として、船上の制御室１１において遠隔操作で行われる。
図３は、本発明の応用例として、浚渫装置の概略を示す図である。図３に示すように、ダム貯水池あるいは港湾等における堆砂の浚渫の場合、主な方法はダム貯水池の水を抜いてあるいは部分的に水を排除して重機による土木的工事で処理するが、本図では、回収装置のジェット・ツイスター・ポンプ１を水上作業台２４に設置し、堆砂位置に移動をしながら回収をする。流木など排出管径を超える大きさのものは、プロテクター２３によって取り込を防ぐ。回収された土砂は地上の堆砂分離槽２６内で処理し、水はダム貯水池内に戻し砂礫はリサイクルする。
図４−１は、本発明の応用例として、海洋深層水取水装置を示す図であり、図４−２は、本発明の応用例として、高層階への送水装置を示す図である。従来の海洋深層水の取水方法は、海面下に設けた取水ピットに取水した海水を、そこからさらに地上の受水槽２７にポンプで上げるが、本図４−１ではジェット・ツイスター・ポンプ１を設置した取水管２８から直接受水槽２７に取水する。また、高層ビルの受水槽２７への送水は、現在は高圧ロータリーポンプが用いられているが、図４−２ではジェット・ツイスター・ポンプ１を単数または複数設置した送水管２９から受水槽２７に直接汲み上げる。

１ ジェット・ツイスター・ポンプ
２ ジェット孔
３ 排出管
４ 高圧ポンプ
５ 配管
６ ディストリビューター
７ ボルト孔
８ フレキシブルパイプ
９ 採鉱母船
１０ シャトル船
１１ 制御室
１２ 採掘機
１３ 鉱床
１４ ピット
１５ 海水排水ポンプ
１６ 電源ケーブル
１７ 逆噴射用ディストリビューター
１８ 逆噴射ジェット孔
１９ 粉砕用ディストリビューター
２０ 粉砕ジェット孔
２１ 球面可撓継手
２２ 水圧ジャッキ
２３ プロテクター
２４ 水上作業台
２５ 深度調整装置
２６ 堆砂分離槽
２７ 受水槽
２８ 取水管
２９ 送水管

Claims (4)

1. 上下両端に排出管（３）の接続部を有した円筒状のジェット・ツイスター・ポンプ（１）であって、
   上下両側において排出管（３）と同じ断面を有するとともに上下中間部に筒径を部分的に大きくした拡径部を有し、前記拡径部に、上下方向の断面で円形状をなすリング状の中空部材であるディストリビューター（６）を、内周側を管の内周面から突出させるように配し、
   前記ディストリビューター（６）は、前記内周面からの突出部分に、複数のジェット孔（２）を有し、
   前記複数のジェット孔（２）は、円筒の中心に向かうように水平方向に対して４５〜９０°で上向きに、かつ円筒の軸方向に対して−４５〜４５°をなすように形成されており、
   高圧ポンプ（４）から前記ディストリビューター（６）に送られた流体を前記複数のジェット孔（２）からジェット状に噴射し、排出管（３）内部の流体を加速させる
   ジェット・ツイスター・ポンプ（１）。
2. 前記ディストリビューター（６）は、前記複数のジェット孔（２）を上下１８０°反転させた複数の逆噴射ジェット孔（１８）を有する
   請求項１に記載のジェット・ツイスター・ポンプ（１）。
3. 前記ディストリビューター（６）の下方に設けられたリング状の中空部材であり、前記複数のジェット孔（２）を上下１８０°反転させた向きに開口した複数の粉砕ジェット孔（２０）を有し、高圧ポンプ（４）からの前記流体を前記粉砕ジェット孔（２０）から噴射させる粉砕用ディストリビューター（１９）を有する
   請求項１または請求項２に記載のジェット・ツイスター・ポンプ（１）。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のジェット・ツイスター・ポンプ（１）と、
   ジェット・ツイスター・ポンプ（１）に取り付けられた排出管（３）と、
   前記ディストリビューター（６）に流体を送る高圧ポンプ（４）と、
   前記排出管（３）の上端を開口させた回収ピットと、を備え、
   前記ジェット・ツイスター・ポンプ（１）により、鉱石を含んだ海水を前記排出管（３）で揚鉱させて前記回収ピットに回収する
   資源回収装置。
   

Images