JP6810937B2 - 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 - Google Patents

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。

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。

特許第５４９０５８２号公報 特開昭５１−７２９０２号公報

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、深海からのレアアース泥の揚泥には、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。
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。

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、海上の海洋資源回収船から海底まで海水が満たされた状態で延設される揚鉱管部と該揚鉱管部の下端に開口するとともに下方に向けて拡径する回収ホッパとを有するライザー管と、駆動流体として海水よりも比重が軽いエマルションを注入可能に前記ライザー管内に設けられた駆動流体注入管と、該駆動流体注入管の下部に配置されて前記駆動流体で駆動される流体モータ機構を有するとともに前記駆動流体を噴射するノズルが形成されたビットが自身回転部の先端に装着されるダウンホールモータと、該ダウンホールモータの外周面であって前記ビット上部の位置に前記回転部と一体で回転するように設けられた攪拌翼と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、ライザー管と駆動流体注入管とにより、二重管構造が構成され、駆動流体注入管から駆動流体としてエマルションを供給してダウンホールモータを駆動するとともに、ビット先端のノズルからエマルションを噴射して海底鉱床の泥質堆積層のレアアース泥を解泥できる。そして、ライザー管の回収ホッパに、ダウンホールモータのビット側で解泥されたレアアース泥を供給可能であり、さらに、回収ホッパ内には、回転部と一体で回転する攪拌翼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回収ホッパ内で混合することができる。
なお、本明細書において、「解泥」とは、海底鉱床の泥質堆積層に対するビットの掘削力と噴射流体の流体力とによって泥質堆積層のレアアース泥を解きほぐすことをいう。また、「泥質堆積層」とは、「非レアアース泥堆積層」および「レアアース泥堆積層」のいずれをも含む意味である。

そして、駆動流体として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ものにすることができる。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、ライザー管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。

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。そのため、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。

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。
ここで、本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置において、前記ライザー管内部には、前記駆動流体注入管として、海水注入管およびエマルション注入管が並列に配置されていることは好ましい。このような構成であれば、非レアアース泥堆積層の下部に分布するレアアース泥堆積層からレアアースを選鉱回収する揚鉱装置の構成として好適である。

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の揚鉱方法は、海上の海洋資源回収船から海底まで延設されたライザー管および駆動流体注入管と、前記駆動流体注入管の下部に配置されるとともに駆動流体により回転部が回転駆動される流体モータ機構を有するとともに前記回転部先端に装着されるビットのノズルから前記駆動流体を噴射可能に構成され且つ該ビットの上部に前記回転部と一体に設けられた攪拌翼を有するダウンホールモータと、を用いて海洋資源を揚鉱する方法であって、前記海洋資源の揚鉱工程は、前記駆動流体注入管の内部に前記海洋資源回収船から海水よりも比重が軽いエマルションを圧送供給する圧送供給工程と、前記ビットの回転と前記ビットのノズルから噴射されるエマルションの流体力とによってレアアース泥を解泥する解泥工程と、解泥されたレアアース泥と前記噴射されたエマルションとを前記攪拌翼で攪拌してビット上部に浮上させつつ相互を混合して前記レアアース泥を前記エマルションに吸着結合させて海水よりも比重が軽い混合物にする攪拌混合工程と、前記ライザー管の下部に設けられた回収ホッパから当該ライザー管の内部に前記混合物を導入する混合物導入工程と、前記混合物をその海水との比重差を利用して前記ライザー管を介して船上まで浮上回収する浮上回収工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の一態様に係る海洋資源の揚鉱方法によれば、ビットの回転とビットのノズルから噴射されるエマルションの流体力とによってレアアース泥を解泥できる。さらに、解泥されたレアアース泥と噴射されたエマルションとを攪拌翼で攪拌してビット上部に浮上させつつ、相互を混合してレアアース泥をエマルションに吸着結合させて海水よりも比重が軽い混合物にすることができる。
そして、駆動流体として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を軽くすることができる。そのため、ライザー管の下部に設けられた回収ホッパから当該ライザー管の内部に、エマルションにレアアース泥を吸着させた混合物を導入し、その混合物を海中で自ら浮上させてライザー管から回収できる。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。

ここで、本発明の一態様に係る海洋資源の揚鉱方法において、本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置として、前記ライザー管内部に、前記駆動流体注入管として、海水注入管およびエマルション注入管が並列に配置されている海洋資源揚鉱装置を用い、レアアース泥の上に堆積している非レアアース泥堆積層を掘削する際は、前記海洋資源の揚鉱工程の前に、海水圧送ポンプの運転により海水注入管を通して高圧の海水を駆動流体として前記ダウンホールモータに注入することでビットを回転させて非レアアース泥堆積層を掘削して非レアアース泥を除去する非レアアース泥除去工程を含み、前記海洋資源の揚鉱工程は、レアアース泥堆積層に到達後に当該レアアース泥堆積層を掘削する工程であり、前記海水圧送ポンプの運転を停止するとともにエマルション圧送ポンプを起動させ、エマルション注入管を通して高圧のエマルションを駆動流体として注入することは好ましい。このような揚鉱方法であれば、非レアアース泥堆積層の下部に分布するレアアース泥からレアアースを選鉱回収する方法として好適である。

上述のように、本発明によれば、エマルションにレアアース泥を吸着させた混合物を自ら浮上させてライザー管から回収できる。よって、高いエネルギー効率でレアアース泥等の海洋資源を揚鉱できる。

本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置の第一実施形態の全体構成を説明する模式図である。 第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。 第一実施形態の海洋資源揚鉱装置による揚鉱方法の説明図である。 第一実施形態の海洋資源揚鉱装置による揚鉱方法の説明図である。 第二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。 第二実施形態の海洋資源揚鉱装置による揚鉱方法の説明図である。 第二実施形態の海洋資源揚鉱装置による揚鉱方法の説明図である。 第三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。 第三実施形態の海洋資源揚鉱装置による揚鉱方法の説明図である。 第三実施形態の海洋資源揚鉱装置による揚鉱方法の説明図である。 第三実施形態の海洋資源揚鉱装置による揚鉱方法の説明図である。 第三実施形態の海洋資源揚鉱装置による揚鉱方法の説明図である。 第四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。 第四実施形態の海洋資源揚鉱装置による揚鉱方法の説明図である。 第四実施形態の海洋資源揚鉱装置による揚鉱方法の説明図である。 第四実施形態の海洋資源揚鉱装置による揚鉱方法の説明図である。 第四実施形態の海洋資源揚鉱装置による揚鉱方法の説明図である。

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。
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。

［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〜図４を適宜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１００Ａは、長尺な中空円筒状のライザー管１０１と、ライザー管１０１内に略同軸に支持された長尺な中空円筒状の駆動流体導入管２３とを備える。この海洋資源揚鉱装置１００Ａは、ライザー管１０１の軸線を上下方向として海中に配備され、海上に停泊する海洋資源回収船１まで海水が満たされた状態で延設される。

図２に要部を拡大図示するように、本実施形態のライザー管１０１は、下端部が、下方に向けて拡径する回収ホッパ１０３とされている。回収ホッパ１０３は下方が開口しており、この開口部分が、後述するレアアース泥Ｄｒの吸込口になっている。回収ホッパ１０３の上部は揚鉱管部１０２に連通している。揚鉱管部１０２は、長尺な中空円筒状の管路であり、複数の管路が略同軸に連接されて構成されている。図１に示したように、揚鉱管部１０２は、その上端部が、海上に停泊する海洋資源回収船１の揚鉱設備に接続され、後述する混合物Ｍａを海上まで揚鉱する混合物回収部を構成する。

図２に示すように、回収ホッパ１０３内には、駆動流体導入管２３の先端に、掘削用のビット９０が装着されたダウンホールモータ２が略同軸に配置される。ビット９０は、回収ホッパ１０３の下端からハウジング１０の途中部分まで張り出す位置に設けられている。ダウンホールモータ２は、中空円筒状のハウジング１０を備える。本実施形態では、駆動流体導入管２３の先端部分は、ダウンホールモータ２のハウジング１０の上部を構成している。そのため、以下、駆動流体導入管２３の先端部分を「上部ハウジング１１」と呼称する。

ダウンホールモータ２は、その先端側が回収ホッパ１０３の下部開口に臨むように、自身基端部が上部ハウジング１１先端（つまり、駆動流体導入管２３の先端部分）に接続されている。ビット９０の位置は、回収ホッパ１０３の下端から張り出している。これにより、ダウンホールモータ２は、上部ハウジング１１の駆動流体供給路１３に高圧の駆動流体Ｍが供給されると、ビット９０でレアアース泥床ＯＤを掘削しつつ、レアアース泥床ＯＤから掘削したレアアース泥Ｄｒを海水Ｗとともに回収ホッパ１０３内に導くようになっている。

詳しくは、本実施形態のハウジング１０は、上部ハウジング１１と、上部ハウジング１１の下端に同軸に装着された中空円筒状の下部ハウジング１２とを有する。ダウンホールモータ２は、使用時には、ハウジング１０の軸線を上下方向として海中に配備される。ハウジング１０は、内部が軸方向に沿って貫通しており、上端部および下端部にそれぞれ開口を有している。ハウジング１０の上部開口に連通する駆動流体流路が、駆動流体Ｍをダウンホールモータ２に導入する駆動流体供給路１３になっている。
本実施形態では、駆動流体Ｍとして高圧のエマルションＥｍが駆動流体供給路１３に導入される。駆動流体供給路１３が内部に形成された駆動流体導入管２３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海洋資源回収船１のエマルシ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。

上部ハウジング１１の下端には、インロー凸部１１ｔが設けられ、下部ハウジング１２の上端には、インロー凹部１２ｄが設けられている。インロー凸部１１ｔとインロー凹部１２ｄとは、インロー嵌合され、その状態で相互が連結されている。そして、上部ハウジング１１には、第一シャフト２０が回転自在に支持され、下部ハウジング１２には、第二シャフト３０が回転自在に支持されている。

上部ハウジング１１は、軸方向での下部の位置に、第一シャフト支持部５１が設けられている。第一シャフト支持部５１は、複数の軸受５１ｊと、複数の軸受５１ｊを上下の軸方向から自身の鍔部で挟持するようにそれぞれ装着される第一のブシュ４１および第二のブシュ４２と、第一のブシュ４１の内周面と第一シャフト２０の基端部２１の外周面との間に介装された第一のシール６１と、第二のブシュ４２の内周面と第一シャフト２０の基端部２１の外周面との間に介装された第二のシール６２と、下部開口に装着される円環状の支軸部キャップ８２と、を有する。

第一シャフト支持部５１は、上記インロー嵌合による連結時に、上部ハウジング１１内の凹の段部に装着された複数の軸受５１ｊおよびその両側の二つのブシュ４１、４２が、上部ハウジング１１の下部開口部に装着された支軸部キャップ８２によって軸方向に挟圧されることにより、装着状態が保持される。
その装着状態において、第一シャフト支持部５１は、上部ハウジング１１の軸線に対して所定の偏心距離Ｅだけ偏心した位置に第一シャフト２０の基端部２１を支持するように複数の軸受５１ｊが軸線方向に沿って配置され、複数の軸受５１ｊを介して第一シャフト２０の基端部２１を回転自在に支持する。第一シャフト支持部５１の複数の軸受５１ｊの両側は、第一のシール６１および第二のシール６２により、第一シャフト２０の基端部２１の外周面と上部ハウジング１１の内周面との間がシールされる。

下部ハウジング１２には、軸方向の上下に離隔して、二つの第二シャフト支持部５２、５３が設けられている。上部側を支持する第二シャフト支持部５２は、複数の軸受５２ｊと、複数の軸受５２ｊを軸方向の上方から自身鍔部で挟持するように装着される第三のブシュ４３と、第三のブシュ４４の内周面と第二シャフト３０の外周面との間に介装された第三のシール６３と、を有して構成されている。
また、下部側を支持する第二シャフト支持部５３は、複数の軸受５３ｊと、複数の軸受５３ｊを軸方向の下方から自身鍔部で挟持するように装着される第四のブシュ４４と、第四のブシュ４４の内周面と第二シャフト３０の外周面との間に介装された第四のシール６４と、円環状のフロントキャップ８１と、を有して構成されている。

第二シャフト３０の外周面には、軸方向の中央部に、凸の段部３１ｍが形成されており、上下の軸受５２ｊ、５３ｊの凸の段部３１ｍ側の側面が、凸の段部３１ｍの側面に当接するように装着されるとともに、下部ハウジング１２の下部開口部に装着されたフロントキャップ８１の装着によって軸方向に挟圧されることにより、装着状態が保持される。なお、フロントキャップ８１は、図示しない複数の埋め込みボルトにより下方から固定される。
その装着状態において、上下の第二シャフト支持部５２、５３は、下部ハウジング１２の軸線に対して同軸となる位置に第二シャフト３０の外周面を支持するように、複数の軸受５２ｊ、５３ｊが軸線方向に沿って配置され、複数の軸受５２ｊ、５３ｊを介して第二シャフト３０の外周面を回転自在に支持する。

また、第二シャフト支持部５２、５３の複数の軸受５２ｊ、５３ｊの上下の側は、第三のシール６３および第四のシール６４により、第二シャフト３０の外周面と下部ハウジング１２の内周面との間がシールされる。なお、本実施形態では、各シャフト２０、３０を支持する複数の軸受５１ｊ、５２ｊ、５３ｊに、スラスト荷重およびラジアル荷重を受ける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。

ここで、本実施形態のダウンホールモータ２は、上述した下部ハウジング１２内に、流体モータ機構を構成する駆動機構部７０が設けられている。
詳しくは、第一シャフト２０は、上記基端部２１と、基端部２１の先端側に形成されたインナロータ部２２とを一体に有して構成されている。基端部２１の上面には、上述した駆動流体供給路１３に連通して、基端部２１の軸方向に沿って駆動流体導入路２５が形成されている。基端部２１の駆動流体導入路２５は、基端部２１とインナロータ部２２との境となる位置まで延設されている。

そして、基端部２１とインナロータ部２２との境となる位置には、複数の駆動流体導出口２４が、駆動流体導入路２５の先端部と下部ハウジング１２の内部とを連通するように径方向に形成されている。つまり、第一シャフト２０には、駆動流体供給路１３側から順に連通形成された、第一の駆動流体導入路２３、第二の駆動流体導入路２５および駆動流体導出口２４によって、自身基端側の第一の駆動流体導入路２３から導入された駆動流体Ｍを自身先端側の駆動流体導出口２４から吐出可能な駆動流体流路が設けられている。

さらに、インナロータ部２２は、第一シャフト２０の基端部２１の先端から軸方向に沿って同軸に下方に向けて垂下された状態で延設され、その延設された部分に、雄ねじ状の外周面を有している。一方、第二シャフト３０は、金属製で中空円筒状をなす外筒３１と、外筒３１内に配置されたゴム製のアウタロータ部３２とを一体にして構成され、アウタロータ部３２は、雌ねじ状の内周面を有している。

本実施形態の駆動機構部７０は、内周面に（Ｎ＋１）条雌ねじを有するアウタロータ部３２と、外周面にＮ条雄ねじを有するインナロータ部２２とを備える。そして、アウタロータ部３２の回転軸線ＣＬ２に対し、インナロータ部２２の回転軸線ＣＬ１は、相互の軸心が所定の偏心距離Ｅだけ離れた平行な２軸となるように配置され、インナロータ部２２とともにアウタロータ部３２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。但し、Ｎは１以上の自然数である。

本実施形態の例では、駆動機構部７０は、インナロータ部２２の螺旋部２２ｒが、左巻き２条雄ねじになっており、アウタロータ部３２の螺旋部３２ｒの形状が、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。そしてインナロータ部２２外周面の螺旋部２２ｒがアウタロータ部３２の螺旋部３２ｒ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Ｋが軸方向の複数個所に画成されている。

第二シャフト３０の先端には、掘削用のビット９０が装着される。本実施形態では、第二シャフト３０の外筒部３１の先端は、フロントキャップ８１よりも下部ハウジング１２の下方に張り出してビット装着部３３とされている。ビット装着部３３の外周面には、ビット９０を接続可能な雄ねじが形成され、ビット９０は、自身基端部が第二シャフト４２先端のビット装着部３３に接続される。なお、ビット９０の下面には、駆動流体Ｍを吐出するノズル９１が、中央部から放射状に複数に分岐して開口しており、複数のキャビティＫを経た高圧の駆動流体Ｍをノズル９１から噴射可能になっている。

これにより、このダウンホールモータ２は、インナロータ部２２とアウタロータ部３２とが、インナロータ部２２の回転軸線ＣＬ１とアウタロータ部３２の回転軸線ＣＬ２とを並列に且つ所定の偏心距離Ｅだけ離してそれぞれ回転自在に支承される。そして、このダウンホールモータ２を駆動するときは、インナロータ部２２と一体の第一シャフト２２内部に連通形成された駆動流体流路を介して駆動機構部７０の上部の位置３１ｕに駆動流体Ｍを導入し、インナロータ部２２とアウタロータ部３２とで画成されるキャビティＫに高圧の駆動流体Ｍを流し込む。

これにより、このダウンホールモータ２は、ねじポンプの原理（逆作動）でインナロータ部２２とアウタロータ部３２とが所定比率で回転され、アウタロータ部３２と一体の第二シャフト３０を駆動軸として回転駆動し、その外筒部３１を延設してなるビット装着部３３に装着されたビット９０を回転しつつ、ビット９０の回転による掘削力と、ビット９０のノズル９１から噴射されるエマルションＥｍの流体力とによってレアアース泥床ＯＤの泥質堆積層を解泥可能になっている。

さらに、ダウンホールモータ２の外周には、複数の攪拌翼２１２、２１３を有する攪拌部２１６が設けられている。本実施形態の攪拌部２１６は、ビット９０の基端部と一体に形成された中空円筒状の攪拌軸２００を有する。攪拌軸２００は、下部ハウジング１２の外周面を囲繞するように下部ハウジング１２と同軸に配置される。攪拌軸２００は、下部ハウジング１２との間に軸受２０１が介装され、下部ハウジング１２と干渉することなく、回転部である第二シャフト３０と一体で回転するように構成されている。

本実施形態の攪拌部２１６は、複数の攪拌翼として、二枚の攪拌翼２１２、２１３を有する。二枚の攪拌翼２１２、２１３は、各攪拌翼の中心部が、それぞれ攪拌軸２００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。各攪拌翼２１２、２１３は、攪拌軸２００の中心から径方向に放射状に延びる複数の羽根を有する。
攪拌部２１６は、所定方向に回転駆動されると、上方に配置された第一攪拌翼２１２は下降流を形成し、下方に配置された第二攪拌翼２１３は上昇流を形成するようになっている。これにより、ダウンホールモータ２が駆動されると、第二シャフト３０の回転とともに、二枚の攪拌翼２１２、２１３をも同時に回転し、所期の攪拌動作が行え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１００Ａ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。なお、第一実施形態の揚鉱方法は、図３に示すように、泥質堆積層として、レアアース泥Ｄｒを多く含有するレアアース泥堆積層Ｄが海底に直接露出しているレアアース泥床ＯＤからレアアース泥Ｄｒを選鉱回収する例である。
レアアース泥Ｄｒを選鉱回収する際は、まず、海洋資源回収船１を目的とする海域の海上に停泊し、次いで、上述の海洋資源揚鉱装置１００Ａを海中に降ろし、海中のレアアース泥床ＯＤの所期の位置に配置する。ライザー管１０１、駆動流体導入管２３およびダウンホールモータ２の各配管内には、海底に配備される当初は海水Ｗが満たされる。
所期の位置において、図３に示すように、ライザー管１０１の回収ホッパ１０３をレアアース泥床ＯＤに対向させる。ダウンホールモータ２は、ビット９０が回収ホッパ１０３の下端から張り出しているので、ビット９０をレアアース泥床ＯＤに押し当てる位置に配備する。

本実施形態では、駆動流体導入管２３の基端部は、駆動流体導入部として海洋資源回収船１に装備された、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。ライザー管１０１の上端部は、海洋資源回収船１に装備された揚鉱設備に接続される。そして、海洋資源回収船１から、海洋資源揚鉱装置１００Ａに対し、駆動流体導入管２３から駆動流体Ｍとして高圧のエマルションＥｍを導入する。
本実施形態では、駆動流体Ｍとして、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を駆動流体導入管２３からダウンホールモータ２に駆動流体Ｍとして供給する。

上記のように配置された海洋資源揚鉱装置１００Ａにおいて、作業時には、ダウンホールモータ２には、高圧の駆動流体Ｍが駆動流体供給路１３から導入され、第一シャフト２０の駆動流体導入路２５を介して駆動流体導出口２４から導出されて駆動機構部７０の上部の位置３１ｕに供給される（図２の符号Ｍ１）。
さらに、高圧の駆動流体Ｍは、インナロータ部２２とアウタロータ部３２との対向空間に画成された複数のキャビティＫに順次に導入される。これにより、駆動機構部７０は、キャビティＫに作用する駆動流体Ｍの導入圧により、インナロータ部２２とアウタロータ部３２とが所定比率で連れ回りを開始する。

つまり、駆動機構部７０において、駆動流体Ｍの導入圧が第二シャフト３０の回転駆動力に変換される。駆動機構部７０で第二シャフト３０が回転駆動すると、第二シャフト３０の先端に設けられたビット９０が共に回転する。駆動流体供給路１３から導入された駆動流体Ｍは、駆動機構部７０の下部の位置３１ｓを経て（図２の符号Ｍ２）、ビット９０先端のノズル９１から装置外に噴射される（図２の符号Ｍ３）。

これにより、この海洋資源揚鉱装置１００Ａは、図３に示すように、ビット９０の回転による掘削力と、ビット９０のノズル９１から噴射されるエマルションＥｍの流体力とによってレアアース泥床ＯＤのレアアース泥Ｄｒを解泥できる。そして、この海洋資源揚鉱装置１００Ａでは、ビット９０が回転駆動されると、ビット９０の上部の位置にビット９０と一体に設けられた複数の攪拌翼２１２、２１３が共に回転する。

これにより、ビット９０および複数の攪拌翼２１２、２１３の回転による流れに導かれ、解泥されたレアアース泥Ｄｒおよびその周囲の海水ＷがエマルションＥｍとともに回収ホッパ１０３内に送り込まれる。さらに、回収ホッパ１０３下部の第二攪拌翼２１３が上昇流を形成しているので、回収ホッパ１０３の下部に導かれたレアアース泥Ｄｒは、攪拌されつつ回収ホッパ１０３の上方に移動していく。一方、回収ホッパ１０３上部の第一攪拌翼２１２が下降流を形成しているので、回収ホッパ１０３上部のエマルションＥｍは、攪拌されつつ回収ホッパ１０３の下方に移動していく。

回収ホッパ１０３内に導入されたレアアース泥ＤｒとエマルションＥｍは、回収ホッパ１０３内で相互に混合される。そして、レアアース泥Ｄｒ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Ｍａとしてアパタイト吸着エマルションが生成される。

海洋資源揚鉱装置１００Ａが引き続き駆動されると、回収ホッパ１０３内の混合物Ｍａ（アパタイト吸着エマルション）は、次第に回収ホッパ１０３上部の揚鉱管部１０２の端部まで満たされていく。回収ホッパ１０３から揚鉱管部１０２の上部に行くほど、第一攪拌翼２１２による下降流の力が弱くなる。そのため、上部の揚鉱管部１０２にて回収ホッパ１０３から一定の距離を超えて移動した混合物Ｍａは、海水Ｗとの比重差によって自ら浮上を開始する。

なお、レアアース泥Ｄｒ中のアパタイトを吸着したエマルションＥｍは、海水Ｗ中でエマルション油滴が合体し、揚鉱管部１０２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分で浮上し、海水との液比重差により自然に海上まで上昇させ混合物Ｍａを船上に浮上回収することができる。

そして、ライザー管１０１の上部は、揚鉱管部１０２を介して船上まで延設されているため、本実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ａによれば、浮上を開始した混合物Ｍａを、ライザー管１０１の揚鉱管部１０２から回収設備に回収して、洋上の海洋資源回収船１に移送することができる。
以降、ビット９０の張り出し長さに応じた所定の掘削深度まで掘削後、図４に示すように、水平方向へのフィード動作Ｕにより、所定の掘削深度での採鉱を継続できる。本実施形態では、海上の海洋資源回収船１を所定速度で移動させることで、図４に示すようにライザー管１０１と共にダウンホールモータ２を一体で水平方向に平行移動させながらレアアース泥床ＯＤからレアアース泥Ｄｒを連続的に採鉱することができる。

なお、本実施形態では、掘削・解泥に伴う海洋資源揚鉱装置１００Ａの軸方向および水平方向へのライザー管１０１のフィードは、海洋資源回収船１から行うが、これに限定されず、例えば、海中作業機のブームの起伏作動によって海洋資源揚鉱装置１００Ａのフィードを行ったり、ライザー管１０１に対してダウンホールモータ２を軸方向にフィード可能なスライドガイド装置を有する送り機構等を用いたりするなど、軸方向または水平方向への機器のフィード動作は、種々のフィード手法を採用できる。

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、ライザー管１０１の回収ホッパ内部に一台のダウンホールモータ２を設けるだけで、流体モータ機構を有する駆動機構部７０の駆動により、ビット９０の回転による掘削力とエマルションＥｍの噴射による流体力とでレアアース泥Ｄｒを解泥しつつ、ビット９０上方の攪拌部２１６でレアアース泥Ｄｒ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Ｍａ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Ｍａを回収ホッパ１０３から揚鉱管部１０２へと移動させて混合物Ｍａを安定させつつ、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ライザー管１０１にて混合物Ｍａを揚泥することができる。

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１００Ａ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。

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１００Ａであれば、ライザー管１０１およびダウンホールモータ２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。

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１００Ａであれば、ライザー管１０１およびダウンホールモータ２が円筒形状のため、シンプルな配管接続が可能である。
そして、第一実施形態のダウンホールモータ２によれば、従来のダウンホールモータのような、高圧の駆動流体で作り出されたロータの回転力を、ユニバーサルジョイントを介してシャフトに伝達していた構成と比べて、アウタロータ部３２の回転駆動にユニバーサルジョイントが不要なので、駆動機構部７０の全長を短くしてコンパクトに構成できる。

また、第一実施形態のダウンホールモータ２によれば、アウタロータ部３２の回転駆動にユニバーサルジョイントが不要なので、ユニバーサルジョイントやその連結用ロッドも不要なことから、これらの強度に依存するという問題も解消される。
また、インナロータ部２２の回転よりも減速されたアウタロータ部３２の回転力をビット９０に直接伝達できる。そのため、第一シャフト２０のトルクよりも大きな回転トルクを、第二シャフト３０の先端に設けられたビット９０に効率良く伝達可能なので、より高トルクに対応できる。

さらに、第一実施形態のダウンホールモータ２によれば、インナロータ部２２の外径よりも大きなアウタロータ部３２の外筒部３１を支承する大きな軸受５２ｊ、５３ｊを有する第二シャフト支持部５２、５３によって、ビット９０に加わる負荷を受けることができる。そのため、駆動機構部７０の全長をコンパクトに構成しつつも、より信頼性の高い海洋資源揚鉱装置１００Ａを提供できる。

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。
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Ｍａを洋上まで、海水Ｗとの比重差により、混合物Ｍａ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Ｍａ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。

また、例えば上記第一実施形態では、ダウンホールモータ２は、ねじポンプを流体モータ機構に使用し、その出力を、ユニバーサルジョイントを介することなく出力軸に出力し、これにより、省スペース化を実現し、流体モータ機構での駆動力を効率良く伝達する構成例を示したが、これに限らず、流体モータ機構での出力を、ユニバーサルジョイントを介して出力軸に出力する構成としてもよい。
以下、具体例を第二実施形態として図５〜図７を適宜参照しつつ説明する。なお、第二実施形態では、ダウンホールモータを駆動する流体モータ機構が上記第一実施形態とは相違するが、その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（以下、他の実施形態にて同様）。

［第二実施形態］
図５に示すように、第二実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ｂは、上記第一実施形態と同様に、揚鉱管部１０２と、揚鉱管部１０２下部に設けられた回収ホッパ１０３とを有するライザー管１０１を備える。ライザー管１０１の内部には、揚鉱管部１０２と略同軸に、駆動流体Ｍを供給する駆動流体導入管２３が１本設けられる。駆動流体導入管２３の下端に、ダウンホールモータ２００が装着される。ここで、第二実施形態のダウンホールモータ２００では、流体モータ機構を構成する流体モータ部１３０は、ステータ１２０が固定型であってユニバーサルジョイント１８５を使用して回転駆動力を伝達するように構成されている。

詳しくは、第二実施形態のダウンホールモータ２００は、同図に示すように、駆動流体導入管２３の下端に位置する流体モータ部１３０と、流体モータ部１３０の下部に設けられた動力伝達部１８０と、動力伝達部１８０の下部に設けられた駆動軸支持部１６０とを有する。
流体モータ部１３０には、円筒状のハウジング１３１内に、螺旋状の内周面を有するステータ１２０が固定されるとともに、そのステータ１２０内に、螺旋状の外周面を有するロータ１１０が回転自在に支持され、ロータ１１０とステータ１２０との間に複数のキャビティＫが画成される。また、ハウジング１３１の上部には、駆動流体Ｍを導入する駆動流体導入管２００が接続される。

駆動軸支持部１６０には、円筒状のハウジング１７０内に、スラスト荷重およびラジアル荷重を受ける軸受１５０を介して駆動軸１４０が回転自在に支持されている。駆動軸１４０の先端は、ビット装着部１４０ｓとされている。ビット装着部１４０ｓは、ハウジング１７０の下方に張り出し且つ回収ホッパ１０３の下端よりも下方に張り出している。ビット装着部１４０ｓの外周面には、掘削用のビット１９０を接続可能な雄ねじが形成されている。

また、駆動軸１４０の上部には、動力伝達部１８０のハウジング１８１内に連通する連通口１４１が形成されている。連通口１４１は、駆動軸１４０の軸方向に沿って形成された連通路１４２を介してビット１９０の先端に形成されたノズル１９１に駆動流体流路として連通している。そして、ロータ１１０の下端と駆動軸１４０の上端とは、動力伝達部１８０のハウジング１８１内にそれぞれ張り出しており、ロータ１１０の下端と駆動軸１４０の上端相互は、ユニバーサルジョイント１８５を介してハウジング１８１内で回転駆動力を伝達可能に接続されている。

このような構成により、第二実施形態のダウンホールモータ２００によれば、駆動流体導入管２３から流体モータ部１３０のキャビティＫに高圧の駆動流体Ｍを導入することで、流体モータ部１３０は、一軸偏心ねじポンプの作動原理の逆作動により、回転部であるロータ１１０に回転力を与えることができる。そして、流体モータ部１３０は、ロータ１１０の下端を出力軸とし、ロータ１１０の回転をユニバーサルジョイント１８５を介して駆動軸１４０に伝達する。

よって、このダウンホールモータ２００によれば、駆動軸１４０先端に装着されたビット１９０によってレアアース泥床ＯＤを掘削できる。そして、流体モータ部１３０を経た駆動流体Ｍは、駆動流体流路としての、ハウジング１８１内を通り、連通口１４１から連通路１４２を順に介してビットのノズル１９１から噴射され、その流体力によってビット１９０による掘削力との協働により効率良くレアアース泥Ｄｒを解泥することができる。
これにより、第二実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ｂは、図６に示すように、上記第一実施形態同様に海底に配置され、上記第一実施形態同様に、駆動流体ＭとしてエマルションＥｍを駆動流体導入管２３からダウンホールモータ２００に供給することにより、海底のレアアース泥床ＯＤに直接露出しているレアアース泥堆積層Ｄからレアアース泥Ｄｒを解泥できる。

さらに、第二実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ｂは、その解泥されたレアアース泥Ｄｒを周囲の海水ＷおよびエマルションＥｍとともに回収ホッパ１０３内に送り込み、攪拌翼２１２、２１３の回転にて攪拌して海中で液液分離された混合物Ｍａとしてアパタイト吸着エマルションを生成し、海水Ｗとの比重差によって自ら浮上させて揚鉱管部１０２から選鉱回収することができる。そして、図７に示すように、上記第一実施形態同様に、以降、ビット１９０の張り出し長さに応じた所定の掘削深度まで掘削後、水平方向へのフィード動作Ｕにより、所定の掘削深度での採鉱を継続できる。

但し、第二実施形態のダウンホールモータ２００では、ロータ１１０の回転力を、動力伝達部１８０のユニバーサルジョイント１８５を介して駆動軸１４０に伝達するので、ユニバーサルジョイント１８５の介在により、駆動機構の全長が長くなる。
また、ビット１９０を駆動するためには、トルクを伝達する各部材が、高トルクに対応する必要があるところ、第二実施形態では、ユニバーサルジョイント１８５を構成する上下の継手部１８２、１８４および連結ロッド１８３の強度は、ロータ１１０や駆動軸１４０の強度に比較して劣るため、ビット１９０への伝達トルクは、ユニバーサルジョイント１８５の強度に依存する。

［第三実施形態］
次に、第三実施形態について、図８〜図１２を適宜参照しつつ説明する。
ここで、上記第一および第二実施形態では、海底のレアアース泥床ＯＤにて、直接露出しているレアアース泥堆積層Ｄからレアアース泥Ｄｒを選鉱回収する例を説明した。これに対し、この第三実施形態は、図９にレアアース泥床ＯＤを示すように、レアアース泥Ｄｒの堆積層Ｄが露出しておらず、深海の非レアアース泥堆積層ＤＮの下部に分布するレアアース泥堆積層Ｄからレアアース泥Ｄｒを選鉱回収する例である。

詳しくは、図８に示すように、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ｃは、駆動流体として、エマルションＥｍと海水Ｗを別々に注入できるように、駆動流体を駆動流体導入路２５に注入する駆動流体導入管２３が２本配管されている点が上記第一実施形態と相違する。つまり、第三実施形態の例では、駆動流体導入路２５に連通する駆動流体導入管２３として、海水注入用の第一駆動流体導入管２３ａと、エマルション注入用の第二駆動流体導入管２３ｂとが、ダウンホールモータ２１０Ｃの第一シャフト２０の軸線と並行に所定距離離隔してライザー管１０１内部に設けられている。

また、第三実施形態では、回収ホッパ１０３の下端からのビット９０の張り出し長さが上記第一実施形態と相違する。つまり、第三実施形態では、非レアアース泥堆積層ＤＮの見込み厚さの分だけ、第一実施形態よりもビット９０の張り出し長さが長く設定される。さらに、第三実施形態では、ダウンホールモータ２１０Ｃの軸方向の位置を調整可能になっている。これにより、回収ホッパ１０３の下端からのビット９０の張り出し長さを調整可能に構成されている。
なお、第三実施形態では、攪拌部２１６の複数の攪拌翼の配置位置は、第一実施形態同様に回収ホッパ１０３内に位置しているが、複数の攪拌翼の段数が、第一から第四攪拌翼２１２〜２１５の四段構成とされている点が相違する。この場合、例えば上方の二段の翼が下降流を形成し、下方の二段の翼が上昇流を形成するように構成することができる。その他の構成は、上記第一実施形態と同様であるため、説明を省略する。

第三実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ｃでの揚鉱は、図９に示すように、深海の非レアアース泥堆積層ＤＮの下部に分布するレアアース泥堆積層Ｄからレアアース泥を選鉱回収する。
その方法としては、海上の海洋資源回収船１から深海の海底までライザー管１０１を延設し、そのライザー管１０１下部の回収ホッパ１０３をレアアース泥床ＯＤに対向配置する。このとき、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ｃでは、ダウンホールモータ２１０Ｃのビット９０が回収ホッパ１０３の下端から張り出しているので、ビット９０をレアアース泥床ＯＤに押し当てる位置に軸方向の位置を調整する。

第三実施形態では、海上の海洋資源回収船１には、海水圧送ポンプとエマルション圧送ポンプの２台の圧送ポンプが設置され、海水圧送ポンプには、海水注入用の第一駆動流体導入管２３ａが連結され、エマルション圧送ポンプには、エマルション注入用の第二駆動流体導入管２３ｂが連結される。第三実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ｃでの揚鉱作業では、駆動流体Ｍとして、まず、海水圧送ポンプの駆動により、海水注入管である第一駆動流体導入管２３ａからダウンホールモータ２１０Ｃに海水Ｗが注入される。

これにより、図９に示すように、高圧の海水Ｗをダウンホールモータ２１０Ｃに注入することでビット９０を回転させ、レアアース泥堆積層Ｄの上に堆積している非レアアース泥堆積層ＤＮを掘削して非レアアース泥Ｄｘを除去することができる（非レアアース泥除去工程）。なお、同図に示す符号Ｆ１の矢印は、ビット９０を回転させつつ、海洋資源揚鉱装置１００Ｃ全体の軸方向のフィード位置を調整して非レアアース泥Ｄｘを除去するイメージを示している。

そして、レアアース泥堆積層Ｄにビット９０が到達した後は、海水圧送ポンプを停止するとともにエマルション圧送ポンプを起動させ、エマルション注入管である第二駆動流体導入管２３ｂを通して高圧のエマルションＥｍを駆動流体としてダウンホールモータ２１０Ｃに注入する。その際、回収ホッパ１０３でビット９０の周囲を覆うように、ライザー管１０１の軸方向の位置を調整する。これにより、図１０に示すように、ビット９０を回転させるとともにノズル９１からエマルションＥｍを噴射してレアアース泥Ｄｒを解泥することができる（レアアース泥解泥工程）。なお、同図に示す符号Ｆ２の矢印は、ライザー管１０１の軸方向の位置を調整して解泥されたレアアース泥Ｄｒを収容するイメージを示している。

引き続き、高圧のエマルションＥｍをダウンホールモータ２１０Ｃに注入することでビット９０を回転させ、レアアース泥堆積層Ｄにてレアアース泥Ｄｒの掘削および解泥作業を継続する（レアアース泥解泥工程）。なお、図１１に示す符号Ｆ３の矢印は、ビット９０を回転させつつ、ダウンホールモータ２１０Ｃの軸方向の位置を掘削方向にフィードしてレアアース泥Ｄｒの解泥作業を継続するイメージを示している。

さらに、ビット９０と一体になったビット上部の複数の攪拌翼２１２〜２１５により、解泥されたレアアース泥ＤｒとエマルションＥｍとを攪拌しつつ、回収ホッパ１０３の内部で、ビット上部に浮上したレアアース泥ＤｒとエマルションＥｍとを混合する（攪拌混合工程）。
これにより、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ｃによれば、ライザー管１０１下部に設けられた回収ホッパ１０３で、レアアース泥Ｄｒを吸着結合したアパタイト吸着エマルションである混合物Ｍａをライザー管１０１内部に導き、海水よりも比重が軽い混合物Ｍａをその比重差を利用して船上に浮上回収することができる（混合物浮上回収工程）。

以降は、ダウンホールモータ２１０Ｃを海底面の上方へ引き上げ（ダウンホールモータ引き上げ工程）、その後、図１２に示すように、海上の海洋資源回収船１の所定速度での移動により、ライザー管１０１とライザー管下部に設置された回収ホッパ１０３およびダウンホールモータ２１０Ｃを全体的に平行移動させる（平行移動工程）。
そして、平行移動後に、再度、上記非レアアース泥除去工程からダウンホールモータ引き上げ工程に至る一連の工程を繰り返す。このようにして、この第三実施形態によれば、断続的に深海の非レアアース泥堆積層ＤＮの下部に分布するレアアース泥堆積層Ｄからレアアース泥Ｄｒを効率良く選鉱回収することができる。

ここで、従来のポンプリフト方式やエアリフト方式では、深海の非レアアース泥堆積層の下部に分布するレアアース泥堆積層からレアアース泥を船上まで揚泥する場合、レアアース泥堆積層上部に堆積している非レアアース泥も船上まで揚泥するか、クローラドリル等で非レアアース泥堆積層を掘削排除した後に、レアアース泥を船上まで揚泥する必要があった。

これに対し、この第三実施形態によれば、海上の海洋資源回収船１から深海の海底まで延設配置されたライザー管１０１の下部に回収ホッパ１０３を配置し、このライザー管内部に海上の海洋資源回収船１に設置された海水圧送ポンプとエマルション圧送ポンプの２台の圧送ポンプに連結された第一駆動流体導入管２３ａ（海水注入管）と第二駆動流体導入管２３ｂ（エマルション注入管）の２本の流体注入管を並列配置し、２本の流体注入管の下部にダウンホールモータ２１０Ｃを配置した海洋資源揚鉱装置１００Ｃを用いたので、クローラドリル等の設備も不要であり、深海の非レアアース泥堆積層ＤＮの下部に分布するレアアース泥堆積層Ｄから効率的なレアアースＤｒの回収が可能となる。

［第四実施形態］
次に、第四実施形態について、図１３〜図１７を適宜参照しつつ説明する。
図１３に示すように、第四実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ｄは、上述した第二実施形態の構成に対し、第三実施形態での変更点を盛り込んで、深海の非レアアース泥堆積層ＤＮの下部に分布するレアアース泥堆積層ＤからレアアースＤｒを第三実施形態同様の工程により回収する例である。
つまり、図１３に示すように、第四実施形態では、ステータ固定型のユニバーサルジョイントを使用したダウンホールモータ２００Ｄに対し、駆動流体Ｍとして、エマルションＥｍと海水Ｗを別々に注入できるように、作動流体注入管として第一駆動流体導入管２３ａおよび第二駆動流体導入管２３ｂが設けられている。

そして、第四実施形態においても、上記第三実施形態同様に、海上の海洋資源回収船１から深海の海底まで延設配置されたライザー管１０１の下部に回収ホッパ１０３を配置し、このライザー管内部に海上の海洋資源回収船１に設置された海水圧送ポンプとエマルション圧送ポンプの２台の圧送ポンプにそれぞれが連結された第一駆動流体導入管２３ａ（海水注入管）と第二駆動流体導入管２３ｂ（エマルション注入管）との２本の駆動流体導入管２３ａ、２３ｂを並列配置する。

このように、第四実施形態によれば、上記第三実施形態同様に、これら２本の駆動流体導入管２３ａ、２３ｂの下部にダウンホールモータ２００Ｄを配置し、海水ＷおよびエマルションＥｍを選択的に駆動流体Ｍとして供給可能に構成したので、レアアース泥堆積層Ｄの上部に非レアアース泥が堆積したレアアース泥床ＯＤであっても、クローラドリル等の設備を不要とし、上記第三実施形態同様の工程により、深海の非レアアース泥堆積層ＤＮの下部に分布するレアアース泥堆積層Ｄから効率的なレアアース泥Ｄｒの回収が可能となる。

つまり、図１４に示すように、深海の非レアアース泥堆積層ＤＮに対しては、駆動流体Ｍとして、第一駆動流体導入管２３ａからダウンホールモータ２００Ｄに海水Ｗを注入して非レアアース泥Ｄｘを除去する（非レアアース泥除去工程）。次いで、図１５に示すように、非レアアース泥Ｄｘを除去後には、駆動流体Ｍとして、第二駆動流体導入管２３ｂからダウンホールモータ２００ＤにエマルションＥｍを注入し、ビット９０を回転させるとともにノズル９１からエマルションＥｍを噴射してレアアース泥Ｄｒを解泥する。

そして、これと同時に、同図に示すように、回収ホッパ１０３でビット９０の周囲を覆うように、ライザー管１０１の軸方向の位置を調整し、レアアース泥Ｄｒを解泥しつつ、解泥されたレアアース泥ＤｒとエマルションＥｍとをビット上部の複数の攪拌翼２１２〜２１５により攪拌し、回収ホッパ１０３の内部で、ビット上部に浮上したレアアース泥ＤｒとエマルションＥｍとを混合する。以降、図１６に符号Ｆ３で示すように、ビット９０を回転させつつ、ダウンホールモータ２００Ｄの軸方向のフィード位置を調整して所定深度までのレアアース泥Ｄｒの掘削・解泥作業を行う。
これにより、この第四実施形態においても、ライザー管１０１下部に設けられた回収ホッパ１０３でレアアース泥Ｄｒを吸着結合したアパタイト吸着エマルションである混合物Ｍａをライザー管１０１内部に導き、海水よりも比重が軽い混合物Ｍａをその比重差を利用して船上に浮上回収することができる。

以降は、ダウンホールモータ２００Ｄを海底面の上方へ引き上げ（ダウンホールモータ引き上げ工程）、図１７に符号Ｕで示すように、海上の海洋資源回収船１の所定速度での移動により、ライザー管１０１とライザー管下部に設置された回収ホッパ１０３およびダウンホールモータ２００Ｄを全体的に平行移動させる。平行移動後に、再度、上記非レアアース泥除去工程からダウンホールモータ引き上げ工程に至る一連の工程を繰り返す。このようにして、この第四実施形態においても、断続的に深海の非レアアース泥堆積層ＤＮの下部に分布するレアアース泥堆積層Ｄからレアアース泥を効率良く選鉱回収することができる。

［総括］
以上説明したように、上述した各実施形態によれば、ダウンホールモータを備える海洋資源揚鉱装置を用いることにより、海水またはエマルションを駆動流体として流体モータ機構を駆動する動力のみで、ビットでの掘削およびビットのノズルからの駆動流体の噴射により非レアアース泥またはレアアース泥を解泥できる。
さらに、ビット上部の攪拌翼をも同時に駆動し、レアアース泥と海水及びエマルションの攪拌混合に必要なエネルギーを、流体モータ機構を駆動する動力のみで賄える。そして、アパタイト吸着エマルションを比重差によって自から海上まで浮上させてライザー管から回収できるので、使用エネルギーを大幅に削減できる。

そして、レアアース泥に含まれるレアアースの品位はｐｐｍオーダーであるところ、上述した各実施形態によれば、レアアース泥をエマルションに接触させて、レアアース元素が濃集したアパタイトをエマルションに吸着させた「アパタイト吸着エマルション」をライザー管から浮上回収させるので、海底で選鉱を行い不要な脈石を取り除くことができる。そのため、レアアース泥を海底から船上にすべて揚泥して、そのあとで選鉱する揚鉱方法と比較して、レアアース回収にかかるコストを大幅に削減できる。

１００Ａ 海洋資源揚鉱装置
１ 海洋資源回収船
２ ダウンホールモータ
１０ ハウジング
１１ 上部ハウジング
１２ 下部ハウジング
１３ 駆動流体供給路（駆動流体流路）
２０ 第一シャフト
２１ 基端部
２２ インナロータ部
２３ 駆動流体導入管（駆動流体流路）
２４ 駆動流体導出口（駆動流体流路）
２５ 駆動流体導入路（駆動流体流路）
３０ 第二シャフト
３１ 外筒部
３２ アウタロータ部
３３ ビット装着部
４１ 第一のブシュ
４２ 第二のブシュ
４３ 第三のブシュ
４４ 第四のブシュ
５１ 第一シャフト支持部
５２ 第二シャフト支持部
５３ 第二シャフト支持部
６１ 第一のシール
６２ 第二のシール
６３ 第三のシール
６４ 第四のシール
７０ 駆動機構部（流体モータ機構）
８１ フロントキャップ
８２ 支軸部キャップ
９０ ビット（レアアース泥供給部）
９１ ノズル（噴射口）
１０１ ライザー管
１０２ 揚鉱管部
１０３ 回収ホッパ
２００ 攪拌軸
２１２ 第一攪拌翼（攪拌翼）
２１３ 第二攪拌翼（攪拌翼）
２１４ 第三攪拌翼（攪拌翼）
２１５ 第四攪拌翼（攪拌翼）
２１６ 攪拌部
ＣＬ１ 第一シャフトの回転軸線
ＣＬ２ 第二シャフトの回転軸線
Ｅ 偏心距離
Ｋ キャビティ
Ｍ 駆動流体
Ｅｍ エマルション（駆動流体）
Ｍａ 混合物（移送流体：アパタイト吸着エマルション）
Ｄ レアアース泥堆積層（泥質堆積層）
Ｄｒ （解泥された）レアアース泥
ＤＮ 非レアアース泥堆積層（泥質堆積層）
Ｄｘ （解泥された）非レアアース泥
Ｗ 海水（駆動流体）
ＯＤ レアアース泥床（海底鉱床）

Claims (6)

1. 海上の海洋資源回収船から海底まで海水が満たされた状態で延設される揚鉱管部と該揚鉱管部の下端に開口するとともに下方に向けて拡径する回収ホッパとを有するライザー管と、
   駆動流体として海水よりも比重が軽いエマルションを注入可能に前記ライザー管内に設けられた駆動流体注入管と、
   該駆動流体注入管の下部に配置されて前記駆動流体で駆動される流体モータ機構を有するとともに前記駆動流体を噴射するノズルが形成されたビットが自身回転部の先端に装着されるダウンホールモータと、
   該ダウンホールモータの外周面であって前記ビット上部の位置に前記回転部と一体で回転するように設けられた攪拌翼と、
   を備えることを特徴とする海洋資源揚鉱装置。
2. 前記ライザー管内部には、前記駆動流体注入管として、海水注入管およびエマルション注入管が並列に配置されている請求項１に記載の海洋資源揚鉱装置。
3. 前記ダウンホールモータは、
   前記駆動流体が導入されるハウジングと、
   該ハウジングの内部に固定されたステータと、
   該ステータの内部に配置されて前記駆動流体が導入されることによりねじポンプの原理で回転するロータと、
   ユニバーサルジョイントおよび連結ロッドを介して前記ロータの下端に連結されるとともに前記ハウジング内に軸受で支承されて前記ロータの回転に伴い回転する前記回転部を構成するシャフトと、
   前記シャフトの先端に前記ハウジングの端部から張り出すように延設されて自身外周面に前記ビットが装着されるビット装着部と、
   前記シャフトの内部に設けられて前記駆動流体をシャフト上部の開口から導入するとともにシャフト下部の開口から前記ノズルに導出するように形成された駆動流体流路と、
   を有する請求項１または２に記載の海洋資源揚鉱装置。
4. 前記ダウンホールモータは、
   前記駆動流体が導入されるハウジングと、
   前記ハウジング内に自身基端が回転自在に支承された第一シャフトと、
   前記第一シャフトの先端側に軸方向に沿って延設されて雄ねじ状の外周面を有するインナロータ部と、
   前記インナロータ部に外挿され且つ前記ハウジング内に回転自在に支承された第二シャフトと、
   前記第二シャフトの内周面に雌ねじ状に設けられて前記インナロータ部との協働によって画成されたキャビティに前記駆動流体が導入されることによりねじポンプの原理で前記第一シャフトおよび前記第二シャフト相互を所定比率で回転させる前記流体モータ機構を構成するアウタロータ部と、
   前記第二シャフトの先端に前記ハウジングの端部から張り出すように延設されて自身外周面に前記ビットが装着されるビット装着部と、
   前記第一シャフトの内部に設けられて前記駆動流体を第一シャフトの上部の開口から導入し第一シャフトの下部の開口からアウタロータ部の上部に導出するように形成された駆動流体流路と、
   を備える請求項１または２に記載の海洋資源揚鉱装置。
5. 海上の海洋資源回収船から海底まで延設されたライザー管および駆動流体注入管と、前記駆動流体注入管の下部に配置されるとともに駆動流体により回転部が回転駆動される流体モータ機構を有するとともに前記回転部先端に装着されるビットのノズルから前記駆動流体を噴射可能に構成され且つ該ビットの上部に前記回転部と一体に設けられた攪拌翼を有するダウンホールモータと、を用いて海洋資源を揚鉱する方法であって、
   前記海洋資源の揚鉱工程は、
   前記駆動流体注入管の内部に前記海洋資源回収船から海水よりも比重が軽いエマルションを圧送供給する圧送供給工程と、
   前記ビットの回転と前記ビットのノズルから噴射されるエマルションの流体力とによってレアアース泥を解泥する解泥工程と、
   解泥されたレアアース泥と前記噴射されたエマルションとを前記攪拌翼で攪拌してビット上部に浮上させつつ相互を混合して前記レアアース泥を前記エマルションに吸着結合させて海水よりも比重が軽い混合物にする攪拌混合工程と、
   前記ライザー管の下部に設けられた回収ホッパから当該ライザー管の内部に前記混合物を導入する混合物導入工程と、
   前記混合物をその海水との比重差を利用して前記ライザー管を介して船上まで浮上回収する浮上回収工程と、
   を含むことを特徴とする海洋資源の揚鉱方法。
6. 請求項２に記載の海洋資源揚鉱装置を用い、
   レアアース泥の上に堆積している非レアアース泥堆積層を掘削する際は、前記海洋資源の揚鉱工程の前に、海水圧送ポンプの運転により海水注入管を通して高圧の海水を駆動流体として前記ダウンホールモータに注入することでビットを回転させて非レアアース泥堆積層を掘削して非レアアース泥を除去する非レアアース泥除去工程を含み、
   前記海洋資源の揚鉱工程は、レアアース泥堆積層に到達後に当該レアアース泥堆積層を掘削する工程であり、前記海水圧送ポンプの運転を停止するとともにエマルション圧送ポンプを起動させ、エマルション注入管を通して高圧のエマルションを駆動流体として注入する請求項５に記載の海洋資源の揚鉱方法。

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