JP6901251B2 - 流体モータ駆動ねじポンプおよびこれを備える移送ポンプ並びに海洋資源の回収方法 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプに係り、特に、海洋に存在するオイルやレアアース泥等の海洋資源の回収用途に好適なポンプ並びに海洋資源の回収方法に関する。

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。
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、耐久性に優れるものの、エネルギー効率が悪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、安定した運転性能を確保するとともに、エネルギー効率を向上させ得る流体モータ駆動ねじポンプおよびこれを備える移送ポンプ並びに海洋資源の回収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流体モータ駆動ねじポンプは、ハウジングと、前記ハウジ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一体形成さ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ハウジ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方向と同一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一体形成されて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ハウジ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方向と同一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備え、前記第一インナロータと前記第一アウタロータとで流体モータ部が構成され、前記第二インナロータと前記第二アウタロータとでねじポンプ部が構成されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る流体モータ駆動ねじポンプによれば、流体モータ部とねじポンプ部とが一体化されたシンプルな構造により、安定した運転性能を確保するとともに、エネルギー効率を向上させることができる。
つまり、ポンプリフト方式では、これまで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、本発明の一態様に係る流体モータ駆動ねじポンプは、流体モータ部が、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、ねじポンプ部が、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シンプルな構造でポンプを構成できる。
そのため、本発明の一態様に係る流体モータ駆動ねじポンプによれば、深海等の過酷な海洋条件下であっても、オイルや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供給できる。また、本発明の一態様に係る流体モータ駆動ねじポンプは、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削減が可能となる。

ここで、本発明の一態様に係る流体モータ駆動ねじポンプにおいて、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。

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２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。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る移送ポンプは、本発明のいずれか一の態様に係る流体モータ駆動ねじポンプを複数備えて構成され、前記複数の流体モータ駆動ねじポンプは、隣り合う流体モータ駆動ねじポンプの前記ねじポンプ部相互が直列に接続されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る移送ポンプによれば、本発明のいずれか一の態様に係る流体モータ駆動ねじポンプを複数備え、複数のねじポンプ部相互が直列に接続されているので、複数の流体モータ駆動ねじポンプの協働により、安定した運転性能を確保するとともに、エネルギー効率を向上させることができる。

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回収方法は、本発明のいずれか一の態様に係る移送ポンプを用いて海洋資源を回収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回収方法によれば、本発明のいずれか一の態様に係る移送ポンプを用いて海洋資源を回収するので、安定した運転且つ高いエネルギー効率で海洋資源を回収できる。

上述のように、本発明によれば、安定した運転を可能とし、エネルギー効率を向上させることができる。

本発明の一態様に係る流体モータ駆動ねじポンプの一実施形態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。 本発明の一態様に係る移送ポンプの一実施形態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。 図１の流体モータ駆動ねじポンプの変形例（第一変形例）を説明する図である。 図１の流体モータ駆動ねじポンプの変形例（第二変形例）を説明する図である。

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。本実施形態は、深海に存在するオイルやレアアース泥等の海洋資源の回収技術として、従来のポンプリフト方式やエアリフト方式に替わる、流体モータ駆動ねじポンプおよびこれを備える移送ポンプ並びに海洋資源の回収方法の例である。

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、以下に示す実施形態ないし変形例は、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ないし変形例に特定するものではない。

まず、本発明に係る流体モータ駆動ねじポンプの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、本実施形態の流体モータ駆動ねじポンプ１０は、中空円筒状のハウジング１１と、ハウジング１１内に回転自在に支持されたシャフト４０とを備える。ハウジング１１内には、流体モータ部２０がシャフト４０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３０がシャフト４０の他端側（この例では上下方向下側）に設けられている。なお、本実施形態の流体モータ駆動ねじポンプ１０は、揚鉱のために海中に配備される例なので、ポンプの軸線を上下方向として図示しているが、ポンプの姿勢（軸線方向）はこれに限定されず、他の用途において適宜の方向に設定できる。

詳しくは、本実施形態のハウジング１１は、流体モータ部２０が収容されるモータ部ハウジング２１と、ねじポンプ部３０が収容されるポンプ部ハウジング３１とを有する。モータ部ハウジング２１とポンプ部ハウジング３１相互は、インロー嵌合部１２で相互に接続されている。ここで、このインロー嵌合部１２は、軸線ＣＬ１に対して所定の偏心量Ｅを有して形成されている。

本実施形態のインロー嵌合部１２は、モータ部ハウジング２１内の下部に、シャフト４０の中央部を回転自在に支持するシャフト支持部４５が設けられている。シャフト支持部４５は、下部に形成された円筒状のインロー凸部２２と同軸に設けられ、シャフト支持部４５の軸線ＣＬ１に対し、ポンプ部ハウジング３１の軸線ＣＬ２が偏心量Ｅだけ偏心した位置になるように、ポンプ部ハウジング３１側に円筒状のインロー凹部３２が設けられている。

シャフト４０の中央部は、シャフト支持部４５の複数の軸受４３によって回転自在に支持されている。複数の軸受４３の両側それぞれにはシール部４４が設けられ、シール部４４により、シャフト４０の外周面とモータ部ハウジング２１との間がシールされている。なお、本実施形態は、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）。

モータ部ハウジング２１の上端部には、円筒状の作動流体導入管２３が装着されている。作動流体導入管２３は、作動流体Ｍを導入する導入口２４を有する。作動流体導入管２３の軸線は、ポンプ部ハウジング３１の軸線ＣＬ２と同軸に設けられている。また、モータ部ハウジング２１の途中部分の側面には、円筒状の作動流体導出管２５が側方に張り出すように一体に装着されている。作動流体導出管２５には、作動流体Ｍを導出する導出口２６が側方に開口している。

さらに、ポンプ部ハウジング３１の途中部分には、圧送流体Ｈを吐出する吐出口３４が側面に設けられ、この吐出口３４に圧送流体吐出管３３の基端部が連通して一体に装着されている。圧送流体吐出管３３は、基端側のエルボ部３３ｅで上方に曲げられ、直線状の管本体部３３ｈが、モータ部ハウジング２１に並行して上方に延びている。

モータ部ハウジング２１内の上部には、流体モータ部２０が設けられている。流体モータ部２０は、モータ部ハウジング２１内に、第一アウタロータ５０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５０には、左巻雌ねじ状の螺旋部５０ｒ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４１ｒ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４１ｂは、モータ部ハウジング２１内に直線状に延び、自在継手（ユニバーサルジョイント）を用いることなくシャフト４０に一体形成されており、シャフト４０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５０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５０は、その両端が、軸方向に離隔した複数の軸受５３を介してモータ部ハウジング２１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５０の外周面とモータ部ハウジング２１との間がシールされている。

第一アウタロータ５０は、モータ部ハウジング２１の本体部と同軸に設けられ、シャフト支持部４５におけるシャフト４０の回転中心となる軸線ＣＬ１に対し，第一アウタロータの回転中心となる軸線ＣＬ２が偏心量Ｅだけ偏心した位置に配置される。

本実施形態の流体モータ部２０では、第一インナロータ４１の螺旋部４１ｒは、左巻き２条雄ねじになっており、第一アウタロータ５０の内周面の螺旋部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、第一インナロータ４１の外周面の螺旋部４１ｒが、雌ねじ状の内面を形成した第一アウタロータ５０に内装され、第一アウタロータ５０の軸線ＣＬ２と第一インナロータ４１の軸線ＣＬ１とは、相互の軸心が軸心間距離Ｅ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５０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。

詳しくは、流体モータ部２０各ロータ４１、５０の螺旋部４１ｒ、５０ｒ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４１として、当該第一インナロータ４１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５０の輪郭とするように形成される。

また、螺旋部４１ｒ、５０ｒは、輪郭Ｄ３を第一インナロータ４１の輪郭とし、当該第一インナロータ４１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５０の輪郭とするように形成される。

さらに、螺旋部４１ｒ、５０ｒは、輪郭Ｄ４を第一インナロータ４１の輪郭とし、当該第一インナロータ４１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５０の輪郭とするように形成される。

以上の要領にて、螺旋部４１ｒ、５０ｒ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４１の輪郭とし、当該第一インナロータ４１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５０の輪郭とするように形成される。

そして、当該輪郭Ｄ（Ｎ＋１）の第一アウタロータ５０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５０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４１の回転中心とする軸線ＣＬ１とし、当該第一インナロータ４１のピッチを第一アウタロータ５０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４１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５０として流体モータ部２０を構成している。

第一アウタロータ５０内に第一インナロータ４１の螺旋部４１ｒ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Ｋ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２０のキャビティＫが機能する必要最低限長さは、第一インナロータ４１が５４０°回転する長さである。その理由は、第一アウタロータ５０の入口から出口までを第一インナロータ４１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。

一方、ポンプ部ハウジング３１内には、ねじポンプ部３０が設けられている。ねじポンプ部３０は、ポンプ部ハウジング３１内に、右巻き雄ねじ状の螺旋部４２ａ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６０ｒが内周面に形成された第二アウタロータ６０とを有する。

第二インナロータ４２の基端部４２ｂは、ポンプ部ハウジング３１内に直線状に延び、自在継手（ユニバーサルジョイント）を用いることなくシャフト４０に一体形成され、シャフト４０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６０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６０は、その両端が、軸方向に離隔した複数の軸受６３を介してポンプ部ハウジング３１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６０の外周面とポンプ部ハウジング３１との間がシールされている。

第二アウタロータ６０は、ポンプ部ハウジング３１の本体部と同軸に設けられ、シャフト支持部４５の軸線ＣＬ１に対し第二アウタロータの軸線ＣＬ２が偏心量Ｅだけ偏心した位置に配置される。
本実施形態では、第二インナロータ４２は、螺旋部４２ｒの外周面に右巻き２条雄ねじを有し、第二アウタロータ６０は、その内周面に右巻き３条雌ねじの螺旋部６０ｒを有する。なお、ねじポンプ部３０の各ロータ４２、６０の螺旋部４２ｒ、６０ｒの詳細は、上述した流体モータ部２０とは、螺旋部４２ｒ、６０ｒ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２０と同様に構成されているため、詳細な説明を省略する。

第二インナロータ４２の外周面の螺旋部４２ｒが、雌ねじ状の内面を形成した第二アウタロータ６０の螺旋部６０ｒに内装され、第二アウタロータ６０の軸線ＣＬ２と第二インナロータ４２の軸線ＣＬ１とは、相互の軸心が軸心間距離Ｅ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６０が、第二インナロータ４２の回転に応じて連れ回りするようになっている。

ここで、流体モータ部２０とねじポンプ部３０のねじ仕様について、ねじポンプ部３０で揚液すべき圧送流体Ｈの液比重が流体モータ部２０に供給される作動流体Ｍの液比重よりも大きい場合、流体モータ部２０側の第一インナロータと第一アウタロータのピッチを長くして、ねじポンプ部３０側よりも流体モータ側に大流量を供給するか、ねじポンプ部３０側よりも流体モータ部２０側の段数を増やすことで圧送が可能となる。本実施形態の例では、流体モータ駆動ねじポンプ１０の用途が、海底に堆積したレアアース泥の揚鉱作業であり、レアアース泥の比重は、ポンプ駆動媒体である作動流体Ｍ、すなわち、海水よりも大きいので、上記の設定が必要となる。

一方、本実施形態の流体モータ駆動ねじポンプ１０を製作する観点では、１本のシャフト４０の両端に巻き方向の異なる二つのインナロータ４１、４２をそれぞれ製作する場合、加工ツールの形状と位置プログラムを同一とし、主軸の回転方向さえ逆転させれば、異なる巻き方向のインナロータ形状部をシャフト４０の両端に加工できる。そのため、流体モータ部２０とねじポンプ部３０のねじ仕様を揃えた方がコスト的に優位であるといえる。二つのインナロータ４１、４２相互のピッチが変われば、加工ツールの位置プログラムだけでなく、場合によっては加工ツールも変える必要があり、加工時間にロスが生じるからである。

次に、本実施形態の流体モータ駆動ねじポンプ１０の動作について説明する。
上記のように構成された流体モータ駆動ねじポンプ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Ｍが供給されると（符号Ｍｉｎ）、作動流体Ｍが第一インナロータ４１と第一アウタロータ５０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、流体モータ部２０は、キャビティＫに作用する作動流体Ｍの導入圧により、第一インナロータ４１が軸線ＣＬ２を中心として回転し、第一インナロータ４１の動きに伴って第一アウタロータ５０もその軸線ＣＬ１を中心として第一インナロータ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２０において、作動流体Ｍの導入圧がシャフト４０の回転駆動力に変換される。なお、作動流体Ｍは導入口２４から導出口２６へと送出される（符号Ｍｏｕｔ）。

そして、流体モータ部２０で第一インナロータ４１が回転駆動すると、ねじポンプ部３０では、１本のシャフト４０に同軸に設けられた第二インナロータ４２が軸線ＣＬ１を中心として回転し、その動きに伴って第二アウタロータ６０も軸線ＣＬ２を中心として第二インナロータ４２の回転と同期して従動回転する。第二アウタロータ６０が第二インナロータ４２の２／３となる回転角度で駆動され、ねじポンプ部３０は流体モータ部２０とは逆ねじになっているので、第二アウタロータ６０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、圧送流体Ｈを吸込口３６（符号Ｈｉｎ）から吐出口３４（符号Ｈｏｕｔ）に向けて圧送することができる。

次に、上記流体モータ駆動ねじポンプ１０を複数用いた移送ポンプについて図２を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の移送ポンプは、ポンプの軸線を上下方向とし、揚鉱のために海中に配備される例である。
同図に示すように、この移送ポンプ１は、複数の流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａ、１０Ｂを備えて構成されている。各流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａ、１０Ｂは、相互を連結する連結管部分以外は、上記流体モータ駆動ねじポンプ１０と同一の構成を有する。

各流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａ、１０Ｂは、それぞれの流体モータ部２０Ａ、２０Ｂを上下方向の上方とし、それぞれのねじポンプ部３０Ａ、３０Ｂを上下方向の下方とした姿勢で海中に配備されている。各流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａ、１０Ｂの作動流体導入管２３Ａ、２３Ｂは、作動流体Ｍを導入可能に、不図示の作動流体導入部に接続されている。

そして、同図下側の流体モータ駆動ねじポンプ１０Ｂの圧送流体吐出管３３Ｂは、同図上側の流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａの圧送流体吸込管３５Ａに接続され、複数の流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａ、１０Ｂは、隣り合う流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａ、１０Ｂのねじポンプ部３０Ａ、３０Ｂ相互が直列に接続されている。

この移送ポンプ１は、各流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａ、１０Ｂの作動流体導入管２３Ａ、２３Ｂに作動流体Ｍが供給されると、それぞれの流体モータ部２０Ａ、２０Ｂが駆動される。これにより、同図下側の流体モータ駆動ねじポンプ１０Ｂは、圧送流体吸込管３５Ｂから圧送流体Ｈを吸込するとともに、吸入した圧送流体Ｈを圧送流体吐出管３３Ｂを介して同図上側の流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａに向けて吐出する。さらに、同図上側の流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａは、その圧送流体Ｈを圧送流体吸込管３５Ａから吸込するとともに、吸入した圧送流体Ｈを圧送流体吐出管３３Ａから、例えば洋上の基地に向けて圧送することができる。
なお、同図の例では、二台の流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａ、１０Ｂを備える例を示しているが、これに限定されず、揚鉱性能の要求等に応じて三台以上の流体モータ駆動ねじポンプを備える構成とし、各流体モータ駆動ねじポンプ相互を直列に接続することができる。

次に、上述した流体モータ駆動ねじポンプ１０およびこれを備える移送ポンプ１並びにこれらポンプを用いた海洋資源の回収方法の作用効果について説明する。
上述した移送ポンプ１によれば、上記流体モータ駆動ねじポンプ１０と同一構造を有する複数の流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａ、１０Ｂを備え、複数のねじポンプ部３０Ａ、３０Ｂ相互が直列に接続されているので、直列接続された複数の流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａ、１０Ｂの協働により、安定した運転性能を確保するとともに、エネルギー効率を向上させることができる。

すなわち、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、本実施形態の移送ポンプ１は、上記流体モータ駆動ねじポンプ１０と同一の構成を有する、複数の流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａ、１０Ｂを備えるので、各流体モータ駆動ねじポンプ１０Ａ、１０Ｂは、１本のシャフト４０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本のシャフト４０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、本実施形態の移送ポンプ１および流体モータ駆動ねじポンプ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２０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５０を回転自在に支承するとともに、ねじポンプ部３０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６０を回転自在に支承したので、流体モータ部２０とねじポンプ部３０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、シャフト４０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。

特に、本実施形態の流体モータ駆動ねじポンプ１０は、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２０とねじポンプ部３０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オイルやレアアース泥を圧送可能な信頼性の高い移送ポンプ１を構成できる。また、本実施形態の流体モータ駆動ねじポンプ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。

また、本実施形態の流体モータ駆動ねじポンプ１０は、流体モータ部２０とねじポンプ部３０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。

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、本実施形態の流体モータ駆動ねじポンプ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。本実施形態の流体モータ駆動ねじポンプ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、本実施形態の移送ポンプ１のように、複数台の直結運転においては、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、本実施形態の流体モータ駆動ねじポンプ１０であれば、定量性に優れ、脈動が極めて小さい定常流のため、本実施形態の移送ポンプ１のように、複数台の直結運転においても、各号機間の運転バランスが正確に取りやすく、機器破損の原因となる負圧を発生させない運転が可能である。

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、本実施形態の流体モータ駆動ねじポンプ１０であれば、ハウジング（ケーシング）１１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。

さらに、本実施形態の移送ポンプ１のように、複数台の直結運転において、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、各号機相互の接続に大きな横幅を必要とする。これに対して、本実施形態の流体モータ駆動並列軸ねじポンプ１０であれば、ハウジング（ケーシング）１１が円筒形状のポンプのため、図２に示した移送ポンプ１の例のように、シンプルな配管接続が可能である。

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、インぺラ一枚当たり得られる揚程は３０ｍ以下である。これに対し、本実施形態の流体モータ駆動ねじポンプ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、深海からの揚液の場合、上記移送ポンプ１を構成するに際し、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、本実施形態の流体モータ駆動ねじポンプ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。

なお、本発明に係る流体モータ駆動ねじポンプおよびこれを備える移送ポンプは、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、上記実施形態では、流体モータ部２０およびねじポンプ部３０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。

つまり、本発明に係る流体モータ駆動ねじポンプは、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２０およびねじポンプ部３０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２０およびねじポンプ部３０の構成を、例えば、ハウジングと、ハウジ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、ねじポンプ部３０と流体モータ部２０とは逆ねじになっている例を説明したが、これに限定されず、ねじポンプ部３０および流体モータ部２０の螺旋部のねじの巻き方向を同じ方向としてもよい。この場合の変形例（第一変形例）を図３に示す。

同図に示す第一変形例では、流体モータ部２０では、第一インナロータ４１の螺旋部４１ｒは、右巻き２条雄ねじになっており、第一アウタロータ５０の内周面の螺旋部５０ｒの形状は、１２０度間隔の頂点を有する横断面が３角リング形状の右巻き３条雌ねじになっている点以外は、上記実施形態と同じ構成である。

つまり、ねじポンプ部３０は、流体モータ部２０と巻方向が同一方向のねじになるので、ポンプ部ハウジング３１内に、右巻き雄ねじ状の螺旋部４２ａ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６０ｒが内周面に形成された第二アウタロータ６０とを有する。

この第一変形例の構成においては、例えば、流体モータ部２０に対して上記実施形態での導入口と導出口の関係を逆とする。つまり、側部の符号２６を導入口とし、上部の符号２４を導出口とする。これにより、導入口（２６）から高圧の作動流体Ｍが供給されると（符号Ｍｉｎ）、流体モータ部２０において、作動流体Ｍの導入圧がシャフト４０の回転駆動力に変換される。作動流体Ｍは、側部の導入口（２６）から上部の導出口（２４）へと送出される（符号Ｍｏｕｔ）。

流体モータ部２０で第一インナロータ４１が回転駆動すると、ねじポンプ部３０では、１本のシャフト４０に同軸に設けられた第二インナロータ４２が軸線ＣＬ１を中心として回転し、圧送流体Ｈを下部の吸込口３６（符号Ｈｉｎ）から側部の吐出口３４（符号Ｈｏｕｔ）に向けて圧送することができる。

また、例えば上記実施形態では、流体モータ駆動ねじポンプ１０の軸線を上下とする姿勢で用いる例を示したが、ポンプの姿勢もこれに限定されない。例えば、図４に第二変形例を示す。同図の例は、流体モータ駆動ねじポンプ１０の軸線を水平に配置するとともに、ねじポンプ部３０の螺旋部のねじの巻き方向を流体モータ部２０と同じ方向にした例である。

同図に示す第二変形例では、ねじポンプ部３０は、第二インナロータ４２の螺旋部４２ｒが左巻き２条雄ねじになっており、第二アウタロータ６０の内周面の螺旋部６０ｒが左巻き３条雌ねじになっている点以外は、上記実施形態と同じ構成である。この第二変形例においては、流体モータ駆動ねじポンプ１０の軸線を水平に配置し、例えば、ねじポンプ部３０に対して上記実施形態での吸込口と吐出口の関係を逆にして用いる。つまり、側部の符号３４を吸込口とし、端部の符号３６を吐出口とする。

これにより、流体モータ部２０において、水平方向の一端部の導入口２４から高圧の作動流体Ｍが供給されると（符号Ｍｉｎ）、作動流体Ｍの導入圧がシャフト４０の回転駆動力に変換される。作動流体Ｍは、端部の導入口２４から導出口２６へと送出される（符号Ｍｏｕｔ）。
流体モータ部２０で第一インナロータ４１が回転駆動すると、ねじポンプ部３０では、１本のシャフト４０に同軸に設けられた第二インナロータ４２が軸線ＣＬ１を中心として回転し、圧送流体Ｈを下部の吸込口３４（符号Ｈｉｎ）から水平方向の他端部の吐出口３６（符号Ｈｏｕｔ）に向けて圧送することができる。

１ 移送ポンプ
１０ 流体モータ駆動ねじポンプ
１１ ハウジング
１２ インロー嵌合部
２０ 流体モータ部
２１ モータ部ハウジング
２２ インロー凸部
２３ 作動流体導入管
２４ 導入口
２５ 作動流体導出管
２６ 導出口
３０ ねじポンプ部
３１ ポンプ部ハウジング
３２ インロー凹部
３３ 圧送流体吐出管
３４ 吐出口
３５ 圧送流体吸込管
３６ 吸込口
４０ シャフト
４１ 第一インナロータ
４１ｒ 螺旋部
４２ 第二インナロータ
４２ｒ 螺旋部
４３ 軸受
４４ シール部
４５ シャフト支持部
５０ 第一アウタロータ
５０ｒ 螺旋部
５１ ロータ外筒
５２ ロータ内筒
５３ 軸受
５４ シール部材
６０ 第二アウタロータ
６０ｒ 螺旋部
６１ ロータ外筒
６２ ロータ内筒
６３ 軸受
６４ シール部材

Claims (5)

1. ハウジングと、
   前記ハウジ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一体形成さ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ハウジ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一体形成されて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ハウジ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、
   を備え、
   前記第一インナロータと前記第一アウタロータとで流体モータ部が構成され、
   前記第二インナロータと前記第二アウタロータとでねじポンプ部が構成されている、
   ことを特徴とする流体モータ駆動ねじポンプ。
2. 前記流体モータ部と前記ねじポンプ部とは、ねじ仕様のステージ数又はピッチが互いに異なっている請求項１に記載の流体モータ駆動ねじポンプ。
3. 前記ねじポンプ部で揚液すべき圧送流体の液比重が前記流体モータ部に供給される作動流体の液比重よりも大きい用途に用いられ、
   前記ねじポンプ部側よりも前記流体モータ部側に大流量を供給するように、前記ねじポンプ部側のステージ数よりも前記流体モータ部側のステージ数が多くなっている、又は、前記ねじポンプ部側のピッチよりも前記流体モータ部側のピッチが長くなっている、請求項２に記載の流体モータ駆動ねじポンプ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の流体モータ駆動ねじポンプを複数備えて構成され、
   前記複数の流体モータ駆動ねじポンプは、隣り合う流体モータ駆動ねじポンプの前記ねじポンプ部相互が直列に接続されていることを特徴とする移送ポンプ。
5. 請求項４に記載の移送ポンプを用いて海洋資源を回収することを特徴とする海洋資源の回収方法。

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