JP6936989B2 - 海洋資源揚鉱システムおよび海洋資源の揚鉱方法 - Google Patents

Description

本発明は、海洋資源揚鉱用バルーン、海洋資源揚鉱システムおよび海洋資源の揚鉱方法に係り、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海洋資源揚鉱用バルーン、海洋資源揚鉱システムおよび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の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。

また、いずれのリフト方式の場合も、レアアース泥のスラリー液を船上に回収する際は、海上から海底までライザー管等の揚鉱用配管を延設する必要があり、この種の揚鉱用配管の敷設には、多大な費用と多大な作業時間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、その目的は、海上から海底までの揚鉱用配管の延設を不要とし得る海洋資源揚鉱用バルーンを備えた海洋資源揚鉱システムおよび海洋資源揚鉱システムを用いた海洋資源の揚鉱方法を提供することにある。

本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱システムは、海底に沈められて、レアアース泥を吸着結合したエマルションの混合物を貯留する海洋資源揚鉱用バルーンであって、海中で前記混合物を内部に貯留し、下部にホース接続口を有するとともに、上部にカップラを備えたバルーン本体と、該バルーン本体の下部に装着されたウェイトと、前記バルーン本体の上部に装着された浮力体とを備え、海中で前記混合物を前記バルーン本体の内部に貯留した後、前記ウェイトを前記バルーン本体から切り離すことにより、前記バルーン本体が前記混合物と海水との比重差で海上まで浮上する海洋資源揚鉱用バルーンを備えた海洋資源揚鉱システムであって、海上から海中の採鉱位置に投入されて稼働することにより、泥質堆積層中のレアアース泥を解泥するとともに、解泥したレアアース泥とエマルションとを混合してレアアースを吸着結合したエマルションの混合物とする掘削装置と、該掘削装置及び前記海洋資源揚鉱用バルーンのホース接続口に接続され、前記混合物を通過させて前記バルーン本体内に貯留する回収ホースと、海上から海中に投入されて、前記掘削装置に接続された前記回収ホースを前記海洋資源揚鉱用バルーンのホース接続口に接続するとともにその接続状態を解除し、さらに、前記ウェイトを前記バルーン本体から切り離すロボットアーム付き無人潜水機と、前記ウェイトが切り離されて海水と前記混合物との比重差で海上まで浮上した前記バルーン本体内に貯留された前記混合物を吸引回収する吸引回収装置とを備えたことを要旨とする。

更に、本発明の別の態様に係る海洋資源の揚鉱方法は、前述の海洋資源揚鉱システムを用いた海洋資源の揚鉱方法であって、前述の海洋資源揚鉱用バルーンを海上から海底に沈めるバルーン沈下工程と、前記掘削装置を海上から海中の採鉱位置に投入する掘削装置投入工程と、前記ロボットアーム付き無人潜水機を海上から海中に投入する無人潜水機投入工程と、前記掘削装置に接続された前記回収ホースを前記海洋資源揚鉱用バルーンのホース接続口に前記ロボッットアーム付き無人潜水機により接続する回収ホース接続工程と、該回収ホース接続工程の後、前記掘削装置を稼働して、泥質堆積層中のレアアース泥を解泥するとともに、解泥したレアアース泥とエマルションとを混合してレアアースを吸着結合したエマルションの混合物とするとともに、該混合物を前記回収ホースを通して前記海洋資源揚鉱用バルーンの前記バルーン本体内に貯留する混合物貯留工程と、該混合物貯留工程の後、前記ロボットアーム付き無人潜水機により、前記回収ホースの前記ホース接続口に対する接続状態を解除するとともに、前記ウェイトを前記バルーン本体から切り離す回収ホース及びウェイト接離工程と、前記ウェイトが切り離された前記バルーン本体が海水と前記混合物との比重差で海上まで浮上した後、前記吸引回収装置で前記バルーン本体内に貯留された前記混合物を吸引回収する混合物吸引回収工程とを含むことを要旨とする。

なお、本明細書において、「解泥」とは、泥質堆積層の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。
本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱システム及び別の態様に係る海洋資源の揚鉱方法によれば、レアアース泥を吸着結合したエマルションの混合物を貯留した海洋資源揚鉱用バルーンを海水と前記混合物との比重差で海底から海上まで浮上させ、吸引回収装置により当該混合物を回収することができる。このため、海上から海底までの揚鉱用配管を設置することなく、レアアース泥を吸着結合したエマルションの混合物（アパタイト吸着エマルション）を回収することができる。

従って、従来のポンプリフト方式では、深海からの海洋資源の揚鉱には水深分の揚程を圧送することが必要で多大なエネルギーが必要であり、また、エアーリフト方式では、エネルギー効率が悪く、ポンプリフト方式以上の多大なるエネルギーが必要となり、さらに海上から深海の海底まで配管を設置することに多大な費用と時間を要したが、本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱用バルーン、別の態様に係る海洋資源揚鉱システム及び別の態様に係る海洋資源の揚鉱方法によれば、使用エネルギーの大幅な削減が可能で、多大な費用と時間を要した海上から深海の海底までの揚鉱用配管の設置を不要とすることができる。

また、本発明の別の態様に係る海洋資源揚鉱システムにおいて、掘削装置は、海水よりも比重が軽いエマエルションで駆動するダウンホールモータであり、ダウンホールモータには、ダウンホールモータを駆動するエマルションを噴射するビットノズルが形成されるとともにダウンホールモータを駆動することにより回転する掘削用のビットが装着されていることが好ましい。これにより、ビットによる掘削力とノズルから噴射されるエマルションの流体力とで泥質堆積層中のレアアース泥を解泥することができる。

そして、このエマルションは、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、解泥したレアアース泥をエマルションに吸着させた混合物をダウンホールモータから自ら浮上させて回収ホースを通して海洋資源揚鉱用バルーンのバルーン本体内に円滑に貯留することができる。

ここで、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、海水よりもエマルションが軽いので、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。

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。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。

また、本発明の別の態様に係る海洋資源揚鉱システムにおいて、前記ダウンホールモータには、前記ビットの上部の位置に前記ビットとともに回転する攪拌翼が設けられていることが好ましい。
また、本発明の別の態様に係る海洋資源揚鉱システムにおいて、前記ダウンホールモータを囲う位置に配設された集鉱装置であって、上部及び下部が海中に開口している集鉱管と、該集鉱管の下部に設けられ、下方に向けて拡径して海中に開口している集鉱ホッパとを有する集鉱装置を備えていることが好ましい。

また、本発明の別の態様に係る海洋資源揚鉱システムにおいて、前記回収ホースは、前記集鉱管の上端に接続されることが好ましい。
更に、本発明の別の態様に係る海洋資源揚鉱システムにおいて、前記ダウンホールモータは、その基端部が前記集鉱装置に支持されるとともに前記基端部に前記エマルションの導入口が設けられ、該導入口に前記エマルションを供給可能に海上のエマルション供給船にエマルション供給ホースで連結されることが好ましい。

これにより、海上のエマルション供給船からエマルション供給ホースを介してエマルションをダウンホールモータの導入口に供給することができる。
また、本発明の別の態様に係る海洋資源揚鉱システムにおいて、前記集鉱装置は、クローラ走行体に支持され、該クローラ走行体は、海上の前記エマルション供給船から水中ケーブルを介して電源が供給されるように構成されることが好ましい。

これにより、海上のエマルション供給船からクローラ走行体を駆動し、ダウホータを海底上で移動させることができる。
また、本発明の別の態様に係る海洋資源揚鉱システムにおいて、前記吸引回収装置は、海上の混合物回収船に配置されており、海上に浮上した前記バルーン本体の前記カップラに接続される吸引カップラを先端に設けた混合物吸引ホースと、該混合物吸引ホースに接続され、前記バルーン本体内に貯留された前記混合物を吸引回収する吸引ポンプとを備えていることが好ましい。

これにより、海上の混合物回収船に配置された吸引ポンプを駆動することにより、バルーン本体内に貯留された混合物を混合物吸引ホースを介して吸引回収することができる。
また、本発明の別の態様に係る海洋資源揚鉱システムにおいて、前記ロボットアーム付き無人潜水機は、遠隔操作型の無人潜水機であり、海上の前記混合物回収船から水中ケーブルを介して動力が供給されるように構成されることが好ましい。

これにより、海上の混合物回収船からロボットアーム付き無人潜水機を駆動して、ダウンホールモータ（掘削装置）に接続された回収ホースを海洋資源揚鉱用バルーンのバルーン本体のホース接続口に接続するとともにその接続状態を解除し、さらに、ウェイトをバルーン本体から切り離すことができる。
また、本発明の別の態様に係る海洋資源揚鉱システムにおいて、前記ロボットアーム付き無人潜水機は、海底に到達した前記海洋資源揚鉱用バルーンのカップラを開から閉に切り替えることが好ましい。

また、本発明の別の態様に係る海洋資源揚鉱システムにおいて、前記混合物が吸引回収された前記バルーン本体を回収する回収アームを備えていることが好ましい。
これにより、混合物が吸引回収されたバルーン本体を回収し、回収されたバルーン本体にウェイトを装着して再度利用することができる。

上述のように、本発明によれば、深海からレアアース泥を回収するに際し、レアアース泥を吸着結合したエマルションの混合物を貯留した海洋資源揚鉱用バルーンを海水と前記混合物との比重差で海底から海上まで浮上させ、吸引回収装置により当該混合物を回収することができる。このため、海上から海底までの揚鉱用配管を設置することなく、レアアース泥を吸着結合したエマルションの混合物（アパタイト吸着エマルション）を回収することができる。

本発明に係る海洋資源の揚鉱方法を説明するための図で、海洋資源揚鉱用バルーンを海上から海底に沈める状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法を説明するための図で、ダウンホールモータを海上から海中に投入し、ロボットアーム付き無人潜水機を海上から海中に投入する状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法を説明するための図で、海底に到達した海洋資源揚鉱用バルーンのカップラをロボッットアーム付き無人潜水機により開から閉に切り替える状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法を説明するための図で、海洋資源揚鉱用バルーンのカップラを開から閉に切り替えた後、ロボッットアーム付き無人潜水機により、回収ホースを海洋資源揚鉱用バルーンのホース接続口に接続する状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法を説明するための図で、ダウンホールモータを稼働して、泥質堆積層中のレアアース泥を解泥するとともに、解泥したレアアース泥とエマルションとを混合してレアアースを吸着結合したエマルションの混合物とするとともに、該混合物を回収ホースを通して海洋資源揚鉱用バルーンのバルーン本体内に貯留する状態を示している。 図５における矢印６で示す部分の拡大図である。 図６におけるダウンホールモータの部分の拡大図である。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法を説明するための図で、ロボットアーム付き無人潜水機により、回収ホースのホース接続口に対する接続状態を解除する状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法を説明するための図で、ロボットアーム付き無人潜水機により、ウェイトをバルーン本体から切り離す状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法を説明するための図で、ウェイトが切り離されたバルーン本体が海水と混合物との比重差で海上まで浮上する状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法を説明するための図で、吸引回収装置でバルーン本体内に貯留された混合物を吸引回収する状態を示している。 本発明に係る海洋資源の揚鉱方法を説明するための図で、混合物を吸引回収したバルーン本体を回収アームで回収する状態を示している。

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、海洋資源揚鉱用バルーン、海洋資源揚鉱システム及び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。

まず、本発明に係る海洋資源揚鉱用バルーンの一実施形態について図１〜図６及び図８乃至図１０を適宜参照しつつ説明する。
図１乃至図６に示すように、海洋資源揚鉱用バルーン１は、海面Ｃ上から海底Ｄに沈められて、レアアース泥Ｄｒを吸着結合したエマルションＥｍの混合物Ｍａを貯留するものであり、海中で混合物Ｍａを内部に貯留するバルーン本体１０を備えている。海洋資源揚鉱用バルーン１は、混合物回収船Ｂ上に設置されたバルーン投入装置５８から海底Ｄに向けて投入される。

そして、バルーン本体１０の下部には、後述の回収ホース３を接続するためのホース接続口１１が設けられ、バルーン本体１０の上部には、開閉可能なカップラ１２が設けられている。カップラ１２は、開状態のときに、バルーン本体１０の内部と外部とを連通させ、海中に沈められるときにバルーン本体１０の外部から内部に海水が充填可能となる。また、カップラ１２は、閉状態のときに、バルーン本体１０の内部と外部との連通状態を遮断するとともに、後述する吸引カップラ５５と接続可能となる。

また、バルーン本体１０の下部には、連結ロープ１３ａを介してウェイト１３が装着されている。ウェイト１３は、海洋資源揚鉱用バルーン１を海中に投入した際に、その自重によりバルーン本体１０を海底Ｄにまで沈め、かつバルーン本体１０の内部に混合物Ｍａを十分に貯留した際にその自重によりバルーン本体１０の浮上を阻止する荷重に設定される。

更に、バルーン本体１０の上部には、浮力体１４が装着されている。この浮力体１４は、後述するように、海中で混合物Ｍａをバルーン本体１０の内部に貯留した後、ウェイト１３をバルーン本体１０から切り離すことにより、バルーン本体１０が混合物Ｍａと海水との比重差で海上まで浮上するときに、バルーン本体１０の浮上力を補助する程度の浮力を有する。

そして、海洋資源揚鉱用バルーン１のバルーン本体１０は、図８乃至図１０に示すように、海中で混合物Ｍａをバルーン本体１０の内部に貯留した後、回収ホース３の接続を解除するともに、ウェイト１３をバルーン本体１０から切り離すことにより、バルーン本体１０が混合物Ｍａと海水との比重差で海上まで浮上する。
次に、この海洋資源揚鉱用バルーン１を用いた海洋資源揚鉱システムの一実施形態について、図１乃至図１２を適宜参照しつつ説明する。

図２乃至図１２に示すように、海洋資源揚鉱システム１００は、前述の海洋資源揚鉱用バルーン１と、掘削装置としてのダウンホールモータ２と、回収ホース３と、ロボットアーム付き無人潜水機４と、吸引回収装置５と、回収アーム５７とを備えている。
ここで、ダウンホールモータ２は、海上のエマルション供給船Ａから海中の採鉱位置に投入されて稼働することにより、レアアース泥床ＯＤ（図６参照）の泥質堆積層中のレアアース泥Ｄｒを解泥するとともに、解泥したレアアース泥ＤｒとエマルションＥｍとを混合してレアアースを吸着結合したエマルションの混合物Ｍａとするものである。

ダウンホールモータ２の構成について具体的に述べると、図７に示すように、上下方向に延びる連結ハウジング２３と一体に形成されたハウジング１５を備えている。連結ハウジング２３内には、ダウンホールモータ２の駆動流体としての海水よりも比重が軽いエマルションＥｍが注入される駆動流体供給路２３ａが形成される。連結ハウジング２３上端には、図示しないエマルション供給用カップラを介して図２に示すエマルション供給ホース２６が接続される。エマルション供給ホース２６は、図２に示すように、エマルション供給船Ａ上のホースリール２７に巻回されているとともに、エマルション供給船Ａ上に設置されたエマルション圧送ポンプ（図示せず）に連結されている。エマルション供給船Ａ上には、エマルション圧送ポンプの駆動をオペレータの操作に応じて制御するコントローラ（図示せず）が設けられている。

連結ハウジング２３と一体に形成されたハウジング１５は、図７に示すように、上部ハウジング１６と、上部ハウジング１６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１７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１５の軸線を上下方向として海中に配備される。ハウジング１５は、内部が軸方向に沿って貫通しており、上端部及び下端部に開口を有している。

ハウジング１５の上部ハウジング１６の上部開口に連通するエマルション流路が、エマルションＥｍをダウンホールモータ２に導入するエマルション供給路１８になっている。このエマルション供給路１８が、エマルションＥｍの導入口を構成する。本実施形態では、駆動流体として、高圧のエマルションＥｍが、エマルション供給ホース２６から連結ハウジング２３の駆動流体供給路２３ａを介してエマルション供給路１８に導入される。

上部ハウジング１６の下端には、インロー凸部１６ｔが設けられ、下部ハウジング１７の上端には、インロー凹部１７ｄが設けられている。インロー凸部１６ｔとインロー凹部１７ｄ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１６には、第１シャフト２０が回転自在に支持され、下部ハウジング１７には、第２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１６は、軸方向で下部の位置に、第１シャフト支持部５１を備えている。第１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１のブッシュ４１及び第２のブッシュ４２と、第１のブッシュ４１の内周面と第１シャフト２０の基端部２１の外周面との間に介装された第１のシール６１と、第２のブッシュ４２の内周面と第１シャフト２０の基端部２１の外周面との間に介装された第２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１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１６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ッシュ４１、４２が、上部ハウジング１６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１シャフト支持部５１は、上部ハウジング１６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１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１シャフト２０の基端部２１を回転自在に支持する。第１シャフト支持部５１の複数の軸受５１ｊの両側は、第１のシール６１および第２のシール６２により、第１シャフト２０の基端部２１の外周面と上部ハウジング１６の内周面との間がシールされる。

下部ハウジング１７には、軸方向の上下に離隔して、二つの第２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２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３のブッシュ４３と、第３のブッシュ４３の内周面と第２シャフト３０の外周面との間に介装された第３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２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４のブッシュ４４と、第４のブッシュ４４の内周面と第２シャフト３０の外周面との間に介装された第４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２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１７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２シャフト支持部５２、５３は、下部ハウジング１７の軸線に対して同軸となる位置に第２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２シャフト３０の外周面を回転自在に支持する。
また、第２シャフト支持部５２、５３の複数の軸受５２ｊ、５３ｊの上下の側は、第３のシール６３および第４のシール６４により、第２シャフト３０の外周面と下部ハウジング１７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、前述した下部ハウジング１７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１シャフト２０は、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、前述したエマルション供給路１８に連通して、基端部２１の軸方向に沿ってエマルション導入路２５が形成されている。基端部２１のエマルション導入路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、複数のエマルション導出口２４が、エマルション導入路２５の先端部と下部ハウジング１７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１シャフト２０には、エマルション供給路１８側から順に連通形成された、エマルション導入路２５およびエマルション導出口２４によって、自身基端側の連結ハウジング２３内部の駆動流体供給路２３ａから導入されたエマルションＥｍを自身先端側のエマルション導出口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１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２シャフト３０は、金属製で中空円筒状をなす外筒部３１と、外筒部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２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２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１７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２シャフト３０先端のビット装着部３３に接続される。

ビット９０の下面には、エマルションＥｍを吐出するビットノズル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を経た高圧のエマルションＥｍをビットノズル９１から噴射可能になっている。なお、ビットノズル９１を設ける位置は、本実施形態のようにビット９０自体に形成する他、ビット９０の近傍に設けることができる。

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、エマルション供給路１８、エマルション導入路２５、エマルション導出口２４を介して駆動機構部７０の上部の位置３１ｕにエマルションＥｍ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に高圧のエマルションＥｍ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２シャフト３０を回転部として回転駆動し、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のビットノズル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。なお、本実施形態では、レアアース泥床ＯＤの泥質堆積層を解泥する掘削装置としてダウンホールモータを例に説明したが、これに限らず、レアアース泥床ＯＤの泥質堆積層を解泥可能な掘削装置であれば、種々の掘削装置を採用できる。

さらに、ダウンホールモータ２の外周であってビット９０の上部の位置には、複数の攪拌翼２１２〜２１７を有する攪拌部２１８が設けられている。本実施形態の攪拌部２１８は、ビット９０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、ハウジング１５の外周面を囲繞するようにハウジング１５と同軸に配置される。攪拌軸２００は、ハウジング１５との間に軸受２０１が介装され、ハウジング１５と干渉することなく、回転部である第２シャフト３０と一体で回転するように構成されている。

ここで、攪拌部２１８は、複数の攪拌翼として、６枚の攪拌翼２１２〜２１７を有する。各攪拌翼２１２〜２１７は、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２１２〜２１７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２１８は、所定方向に回転駆動されると、上方に配置された第１から第３の攪拌翼２１２〜２１４は下降流を形成し、下方に配置された第４から第６の攪拌翼２１５〜２１７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２シャフト３０の回転とともに、６枚の攪拌翼２１２〜２１７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。なお、第１の攪拌翼２１２が上昇流を形成するように構成してもよい。

そして、図６及び図７に示すように、ダウンホールモータ２を囲う位置には、ダウンホールモータ２と同軸上に集鉱装置１０１が配設されている。集鉱装置１０１は、上部及び下部が海中に開口している集鉱管１０２と、集鉱管１０２の下部に設けられ、下方に向けて拡径して海中に開口している集鉱ホッパ１０３とを有する。
ダウンホールモータ２の基端部、即ちハウジング１５から一体に延びる連結ハウジング２３は、集鉱装置１０１の集鉱管１０２に支持されている。

また、集鉱装置１０１は、図６に示すように、海底Ｄ上を走行可能なクローラ走行体６に支持されている。クローラ走行体６は、走行体本体６ａと、走行体本体６ａの下部に設けられたクローラ部６ｂとを備えている。集鉱装置１０１は、クローラ走行体６の走行体本体６ａに支持されている。このため、クローラ走行体６が海底Ｄ上を走行することにより、集鉱装置１０１及びその内部にあるダウンホールモータ２はクローラ走行体６とともに海底Ｄ上を移動する。

なお、集鉱装置１０１は、クローラ走行体６の走行体本体６ａに上下移動不可能に支持されているが、用途に応じ走行体本体６ａに対し昇降可能に支持されていてもよい。
クローラ走行体６は、図２に示すように、海上のエマルション供給船Ａ上に配置された巻き揚げ機２９から滑車２８ａを介して延びるワイヤロープ２８によって吊り下げられ、ダウンホールモータ２とともに海中に投入されるようになっている。

そして、クローラ走行体６は、図２に示すように、海上のエマルション供給船Ａから水中ケーブル６５を介して電源が供給されるように構成される。水中ケーブル６５は、エマルション供給船Ａ上に設置されたケーブルリール６７から起立ポスト６６の先端に設けられた滑車６５ａを介して延びている。
次に、回収ホース３は、図５及び図６に示すように、掘削装置としてのダウンホールモータ２及び海洋資源揚鉱用バルーン１のホース接続口１１に接続され、レアアースを吸着結合したエマルションの混合物Ｍａを通過させてバルーン本体１０内に貯留するものである。回収ホース３は、具体的には、図６に示すように、一端が集鉱管１０２の上端に接続され、他端が、後述するように、ロボットアーム付き無人潜水機４により、海洋資源揚鉱用バルーン１のホース接続口１１に接続されるとともに、その接続状態が解除される。

回収ホース３には、複数の浮力体３ａが取り付けられており、海中にあるときには複数の浮力体３ａにより浮力が付与される。
また、ロボットアーム付き無人潜水機４は、海上の混合物回収船Ｂから海中に投入されて、図３に示すように、海底Ｄに到達した海洋資源揚鉱用バルーン１のカップラ１２を開から閉に切り替える。

また、ロボットアーム付き無人潜水機４は、海洋資源揚鉱用バルーン１のカップラ１２を開から閉に切り替えた後、図４に示すように、掘削装置としてのダウンホールモータ２に接続された回収ホース３を海洋資源揚鉱用バルーン１のホース接続口１１に接続する。
更に、ロボットアーム付き無人潜水機４は、レアアースを吸着結合したエマルションの混合物Ｍａをバルーン本体１０内に貯留した後、図８に示すように、海洋資源揚鉱用バルーン１のホース接続口１１に接続した回収ホース３の接続状態を解除する。

また、ロボットアーム付き無人潜水機４は、回収ホース３の接続状態を解除した後、図９に示すように、バルーン本体１０に連結ロープ１３ａを介して装着されたウェイト１３を連結ロープ１３ａのところで切断し、ウェイト１３をバルーン本体１０から切り離す。
このロボットアーム付き無人潜水機４は、遠隔操作型の無人潜水機であり、海上の混合物回収船Ｂの動力供給装置４６から水中ケーブル４５を介して動力が供給されるように構成される。混合物回収船Ｂ上には、動力供給装置４６の駆動をオペレータの操作に応じて制御するコントローラ（図示せず）が設けられている。

なお、ロボットアーム付き無人潜水機４の電源は、ロボットアーム付き無人潜水機４内に内蔵されているが、混合物回収船Ｂから水中ケーブル４５とは別途の水中ケーブルにより供給するようにしてもよい。
次に、吸引回収装置５は、図１０及び図１１に示すように、ウェイト１３が切り離されたバルーン本体１０が海水と混合物Ｍａとの比重差で海上まで浮上した後、バルーン本体１０内に貯留された混合物Ｍａを吸引回収するものである。

このため、吸引回収装置５は、海上の混合物回収船Ｂに配置されており、図１１に示すように、海上に浮上したバルーン本体１０のカップラ１２に接続される吸引カップラ５５を先端に設けた混合物吸引ホース５４と、混合物吸引ホース５４に接続され、バルーン本体１０内に貯留された混合物Ｍａを吸引回収する吸引ポンプ５６とを備えている。
また、回収アーム５７は、海上の混合物回収船Ｂに設置され、その先端に吸引カップラ５５を取り付けている。そして、回収アーム５７は、吸引回収装置５がバルーン本体１０内に貯留された混合物Ｍａを吸引回収した後、先端に取り付けた吸引カップラ５５及びカップラ１２を介してバルーン本体１０を混合物回収船Ｂ上に回収する。

次に、前述の海洋資源揚鉱システム１００を用いた本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の一実施形態について、図１乃至図１２を適宜参照しつつ説明する。
海洋資源としてのレアアース泥Ｄｒを吸着結合したエマルションＥｍの混合物Ｍａを揚鉱するには、先ず、エマルション供給船Ａ及び混合物回収船Ｂを目的とする海域の海上に停泊させる。

そして、図１に示すように、複数の海洋資源揚鉱用バルーン１を、海上の混合物回収船Ｂのバルーン投入装置５８から所定の間隔で海底Ｄに沈める（バルーン沈下工程）。
このバルーン沈下工程においては、海洋資源揚鉱用バルーン１のカップラ１２は開いた状態となっており、バルーン本体１０内に海水が入り込む。
次いで、図２に示すように、掘削装置としてのダウンホールモータ２をクローラ走行体６とともに海上のエマルション供給船Ａから海中の採鉱位置に投入する（掘削装置投入工程）。

この掘削装置投入工程においては、巻き揚げ機２９から滑車２８ａを介してワイヤロープ２８を繰り出しダウンホールモータ２をクローラ走行体６とともに海底Ｄに沈める（図３参照）。
なお、ダウンホールモータ２の投入に際し、図２及び図６に示すように、回収ホース３の一端を、ダウンホールモータ２を支持する集鉱管１０２の上端に接続しておく。

また、ダウンホールモータ２の投入に際し、ダウンホールモータ２は、ビット９０が集鉱ホッパ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しておく。
そして、図２に示すように、ダウンホールモータ２の海中への投入と同時にロボットアーム付き無人潜水機４を海上の混合物回収船Ｂから海中に投入する（無人潜水機投入工程）。

そして、ロボットアーム付き無人潜水機４を海中に投入した後、オペレータが混合物回収船Ｂ上からロボットアーム付き無人潜水機４を操作し、図３に示すように、ロボットアーム付き無人潜水機４により海底Ｄに到達した海洋資源揚鉱用バルーン１のカップラ１２を開から閉に切り替える（カップラ閉鎖工程）。
次いで、図４に示すように、オペレータが混合物回収船Ｂ上からロボットアーム付き無人潜水機４を操作し、ダウンホールモータ２（集鉱管１０２）に一端が接続された回収ホース３の他端を、海洋資源揚鉱用バルーン１のホース接続口１１にロボットアーム付き無人潜水機４により接続する（回収ホース接続工程）。

ここで、回収ホース３の一端がダウンホールモータ２（集鉱管１０２）に接続された状態では、図３に示すように、複数の浮力体３ａの作用により回収ホース３の他端が海中で浮遊している。このため、ロボットアーム付き無人潜水機４による回収ホース３の接続作業を容易に行うことができる。
そして、回収ホース接続工程の後、図５及び図６に示すように、掘削装置としてのダウンホールモータ２を稼働して、泥質堆積層中のレアアース泥Ｄｒを解泥するとともに、解泥したレアアース泥ＤｒとエマルションＥｍとを混合してレアアースを吸着結合したエマルションの混合物Ｍａとするとともに、混合物Ｍａを回収ホース３を通して海洋資源揚鉱用バルーン１のバルーン本体１０内に貯留する（混合物貯留工程）。

ここで、ダウンホールモータ２の稼働に際しては、エマルション供給船Ａ上のエマルション圧送ポンプを駆動して高圧のエマルションＥｍをエマルション供給ホース２６から連結ハウジング２３内の駆動流体供給路２３ａに注入し、ダウンホールモータ２のエマルション供給路１８に導入する。そして、エマルション供給路１８に導入された高圧のエマルションＥｍは、第１シャフト２０のエマルション導入路２５を介してエマルション導出口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７の符号Ｍ１）。

さらに、高圧のエマルションＥｍ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に作用するエマルションＥｍ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、エマルションＥｍの導入圧が第２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２シャフト３０が回転駆動すると、第２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。エマルション供給路１８から導入されたエマルションＥｍは、駆動機構部７０の下部の位置３１ｓを経て（図７の符号Ｍ２）、ビット９０先端のビットノズル９１から装置外に噴射される（図７の符号Ｍ３）。

これにより、このダウンホールモータ２は、図６に示すように、ビット９０の回転による掘削力と、ビット９０のビットノズル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、このダウンホールモータ２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攪拌部２１８の複数の攪拌翼２１２〜２１７が共に回転する。

これにより、ビット９０および攪拌部２１８の複数の攪拌翼２１２〜２１７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とともに集鉱ホッパ１０３内に送り込まれる（図７の符号Ｍ４）。
さらに、集鉱ホッパ１０３下部の複数の攪拌翼２１５〜２１７が上昇流を形成しているので、集鉱ホッパ１０３の下部に導かれたレアアース泥Ｄｒは、攪拌されつつ集鉱ホッパ１０３の上方に移動していく。一方、集鉱ホッパ１０３上部の複数の攪拌翼２１２〜２１４が下降流を形成しているので、集鉱ホッパ１０３上部のエマルションＥｍは、攪拌されつつ集鉱ホッパ１０３の下方に移動していく。

集鉱ホッパ１０３内に導入されたレアアース泥ＤｒとエマルションＥｍは、集鉱ホッパ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。

ダウンホールモータ２が引き続き駆動されると、集鉱ホッパ１０３内の混合物Ｍａ（アパタイト吸着エマルション）は、次第に集鉱ホッパ１０３上部の集鉱管１０２の端部まで満たされていく。そして、集鉱ホッパ１０３から集鉱管１０２の上部に行くほど、第１の攪拌翼２１２による下降流の力が弱くなる。
そのため、上部の集鉱管１０２にて集鉱ホッパ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集鉱管１０２内で浮上を開始する。なお、第１の攪拌翼２１２が上昇流を形成するように構成すれば、浮上を開始させるタイミングを調整することができる。そして、集鉱管１０２の上部には、回収ホース３が接続されているため、図５及び図６に示すように、浮上を開始した混合物Ｍａを、回収ホース３を通して海洋資源揚鉱用バルーン１のバルーン本体１０内に貯留することができる。

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６に示すように、クローラ走行体６を水平方向に移動させて、所定の掘削深度での採鉱を継続する。本実施形態では、クローラ走行体６を水平方向に移動させることで、集鉱装置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。

そして、駆動流体として供給されるエマルションＥｍは、海水よりも比重が軽く、また、このエマルションＥｍとレアアース泥Ｄｒとが結合された混合物Ｍａ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、図５に示すように、エマルションＥｍにレアアース泥Ｄｒを吸着させた混合物Ｍａを海洋資源揚鉱用バルーン１のバルーン本体１０内で海水と置換させて充填させることができる。

そして、この混合物貯留工程の後、図８に示すように、オペレータが混合物回収船Ｂ上からロボットアーム付き無人潜水機４を操作し、ロボットアーム付き無人潜水機４により、回収ホース３のホース接続口１１に対する接続状態を解除するとともに、図９に示すように、連結ロープ１３ａのところで切断し、ウェイト１３をバルーン本体１０から切り離す（回収ホース及びウェイト接離工程）。

回収ホース３のホース接続口１１に対する接続状態を解除するともにウェイト１３をバルーン本体１０から切り離すと、図１０に示すように、バルーン本体１０は、海水と混合物Ｍａとの比重差で海上に向かって浮上する。
そして、図１１に示すように、ウェイト１３が切り離されたバルーン本体１０が海水と混合物Ｍａとの比重差で海上まで浮上した後、混合物回収船Ｂ上の吸引回収装置５でバルーン本体１０内に貯留された混合物Ｍａを吸引回収する（混合物吸引回収工程）。

この混合物吸引回収工程においては、混合物吸引ホース５４の先端に設けられ且つ回収アーム５７の先端に配置された吸引カップラ５５を、海上に浮上したバルーン本体１０のカップラ１２に接続し、混合物吸引ホース５４に接続された吸引ポンプ５６で、バルーン本体１０内に貯留された混合物Ｍａを吸引回収する。吸引回収された混合物Ｍａは図示しない回収器に回収される。

最後に、この混合物吸引回収工程の後、図１２に示すように、回収アーム５７を駆動して、回収アーム５７の先端に取り付けた吸引カップラ５５及びカップラ１２を介して、混合物Ｍａが回収されたバルーン本体１０を混合物回収船Ｂ上に回収する（バルーン本体回収工程）。
そして、混合物回収船Ｂ上に回収されたバルーン本体１０にウェイト１３を装着し、再度海底Ｄへ投入して上記一連のバルーン沈下工程、掘削装置投入工程、無人潜水機投入工程、カップラ閉鎖工程、回収ホース接続工程、混合物貯留工程、回収ホース及びウェイト接離工程、混合物吸引回収工程、及びバルーン本体回収工程を繰り返し、海洋資源の揚鉱工程が終了する。

このように、本実施形態に係る海洋資源揚鉱用バルーン１、海洋資源揚鉱システム１００及び海洋資源の揚鉱方法によれば、レアアース泥Ｄｒを吸着結合したエマルションＥｍの混合物Ｍａを貯留した海洋資源揚鉱用バルーン１を海水と混合物Ｍａとの比重差で海底Ｄから海面Ｃ上まで浮上させ、吸引回収装置５により当該混合物Ｍａを回収することができる。このため、海上から海底までの揚鉱用配管を設置することなく、レアアース泥Ｄｒを吸着結合したエマルションＥｍの混合物Ｍａ（アパタイト吸着エマルション）を回収することができる。

従って、従来のポンプリフト方式では、深海からの海洋資源の揚鉱には水深分の揚程を圧送することが必要で多大なエネルギーが必要であり、また、エアーリフト方式では、エネルギー効率が悪く、ポンプリフト方式以上の多大なるエネルギーが必要となり、さらに海上から深海の海底まで配管を設置することに多大な費用と時間を要したが、本実施形態に係る海洋資源揚鉱用バルーン１、海洋資源揚鉱システム１００及び海洋資源の揚鉱方法によれば、使用エネルギーの大幅な削減が可能で、多大な費用と時間を要した海上から深海の海底までの揚鉱用配管の設置を不要とすることができる。

また、本実施形態に係る海洋資源揚鉱システム１００において、掘削装置は、海水よりも比重が軽いエマエルションで駆動するダウンホールモータ２であり、ダウンホールモータ２には、ダウンホールモータ２を駆動するエマルションＥｍを噴射するビットノズル９１が形成されるとともにダウンホールモータ２を駆動することにより回転する掘削用のビット９０が装着されている。これにより、ビット９０の回転による掘削力とビットノズル９１から噴射されるエマルションＥｍの噴射による流体力とで泥質堆積層中のレアアース泥Ｄｒを解泥することができる。

そして、このエマルションＥｍは、海水よりも比重が軽く、また、このエマルションＥｍとレアアース泥Ｄｒとが結合された混合物Ｍａ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、解泥したレアアース泥ＤｒをエマルションＥｍに吸着させた混合物Ｍａをダウンホールモータ２から自ら浮上させて回収ホース３を通して海洋資源揚鉱用バルーン１のバルーン本体１０内に円滑に貯留することができる。

そして、レアアース泥Ｄｒ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、本発明を完成する過程での研究によれば、レアアース泥Ｄｒ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Ｅｍにアパタイトを吸着させることにより、レアアース泥Ｄｒ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。

また、本実施形態に係る海洋資源揚鉱システム１００において、ダウンホールモータ２には、ビット９０の上部の位置にビット９０とともに回転する攪拌翼２１２〜２１７が設けられ、更に、ダウンホールモータ２を囲う位置に配設された集鉱装置１０１であって、上部及び下部が海中に開口している集鉱管１０２と、集鉱管１０２の下部に設けられ、下方に向けて拡径して海中に開口している集鉱ホッパ１０３とを有する集鉱装置１０１を備えている。

これにより、ダウンホールモータ２のビット９０の回転による掘削力とビットノズル９１から噴射されるエマルションＥｍの噴射による流体力とで泥質堆積層中のレアアース泥Ｄｒを解泥しつつ、集鉱ホッパ１０３内にて、ビット９０の上部の位置にある攪拌翼２１２〜２１７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、レアアース泥Ｄｒを吸着結合したエマルションＥｍの混合物Ｍａ（アパタイト吸着エマルション）を生成することができる。

また、本実施形態に係る海洋資源揚鉱システム１００において、回収ホース３は、集鉱管１０２の上端に接続される。
これにより、集鉱ホッパ１０３内で順次生成された混合物Ｍａを集鉱ホッパ１０３から集鉱管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混合物Ｍａ自ら集鉱管１０２内を浮上させ、混合物Ｍａを集鉱管１０２に接続された回収ホース３内を通過させてバルーン本体１０内で海水と置換させて充填させることができる。

そして、バルーン本体１０内に混合物Ｍａを充填後には、バルーン本体１０は、海水と混合物Ｍａとの比重差で海底Ｄから海面Ｃ上まで浮上できるので、エマルションＥｍにレアアース泥Ｄｒを吸着させた混合物Ｍａを容易に回収することができる。このため、前述したように、従来のポンプリフト方式やエアリフト方式で必要とする海上から海底までのライザー管等の揚鉱用配管の延設が不要である。

なお、バルーン本体１０自体の重さは非常に軽いため、混合物Ｍａを貯留したバルーン本体１０を海水と混合物Ｍａとの比重差で海底Ｄから海面Ｃ上まで容易に浮上させることができる。
また、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、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、本実施形態に係る海洋資源揚鉱用バルーン１、海洋資源揚鉱システム１００及び海洋資源の揚鉱方法によれば、前述したように、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システム１００であれば、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システム１００であれば、ダウンホールモータ２は単純な円筒形状のため、シンプルな配管接続が可能である。
また、本実施形態に係る海洋資源揚鉱システム１００において、ダウンホールモータ２は、その基端部が集鉱装置１０１に支持されるとともに基端部にエマルションＥｍの導入口（エマルション供給路１８）が設けられ、導入口にエマルションＥｍを供給可能に海上のエマルション供給船Ａにエマルション供給ホース２６で連結されている。これにより、海上のエマルション供給船Ａからエマルション供給ホース２６を介してエマルションＥｍをダウンホールモータ２の導入口に供給することができる。

そして、本実施形態に係る海洋資源揚鉱システム１００における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、こ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１シャフト２０のトルクよりも大きな回転トルクを、第２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、こ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２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システム１００を提供できる。

また、本実施形態に係る海洋資源揚鉱システム１００において、集鉱装置１０１は、クローラ走行体６に支持され、クローラ走行体６は、海上のエマルション供給船Ａから水中ケーブル６５を介して電源が供給されるように構成される。これにより、海上のエマルション供給船Ａからクローラ走行体６を駆動し、ダウンホールモータ２を海底Ｄ上で移動させることができる。

また、本実施形態に係る海洋資源揚鉱システム１００において、吸引回収装置５は、海上の混合物回収船Ｂに配置されており、海上に浮上したバルーン本体１０のカップラ１２に接続される吸引カップラ５５を先端に設けた混合物吸引ホース５４と、混合物吸引ホース５４に接続され、バルーン本体１０内に貯留された混合物Ｍａを吸引回収する吸引ポンプ５６とを備えている。

これにより、海上の混合物回収船Ｂに配置された吸引ポンプ５６を駆動することにより、バルーン本体１０内に貯留された混合物Ｍａを混合物吸引ホース５４を介して吸引回収することができる。
また、本実施形態に係る海洋資源揚鉱システム１００において、ロボットアーム付き無人潜水機４は、遠隔操作型の無人潜水機であり、海上の混合物回収船Ｂから水中ケーブル４５を介して動力が供給されるように構成される。

これにより、海上の混合物回収船Ｂからロボットアーム付き無人潜水機４を駆動して、ダウンホールモータ（掘削装置）２に接続された回収ホース３を海洋資源揚鉱用バルーン１のホース接続口１１に接続するとともにその接続状態を解除し、さらに、ウェイト１３をバルーン本体１０から切り離すことができる。
また、本実施形態に係る海洋資源揚鉱システム１００において、混合物Ｍａが吸引回収されたバルーン本体１０を回収する回収アーム５７を備えている。これにより、混合物Ｍａが吸引回収されたバルーン本体１０を回収し、回収されたバルーン本体１０にウェイト１３を装着して再度利用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、掘削装置としてダウンホールモータ２を用いた例について説明したが、電動機を用いたビットや攪拌翼を用いた掘削装置であったり、電動ポンプや水流を利用したジェットポンプと攪拌翼を使用した掘削装置であってもよい。

また、ダウンホールモータ２は、ねじポンプを駆動機構部７０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となるビット装着部３３に出力し、これにより、省スペース化を実現し、駆動機構部７０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、駆動機構部７０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一軸偏心ねじポンプで構成してもよい。

また、実施形態では、集鉱ホッパ１０３等を含む集鉱装置１０１を設けた例を示したが、これに限らず、集鉱ホッパ１０３等を含む集鉱装置１０１を設けない場合であってもよい。但し、より効率良く採鉱する上では、集鉱装置１０１を設けることが望ましい。
また、エマルション供給船Ａと混合物回収船Ｂとを別の船で構成しているが、一つの船で構成してもよい。

更に、海洋資源揚鉱用バルーン１及びロボットアーム付き無人潜水機４はそれぞれ混合物回収船Ｂから海中に投入されるようにしてあるが、それぞれエマルション供給船Ａから海中に投入されるようにしてもよい。
また、ロボットアーム付き無人潜水機４は、エマルション供給船Ａ上からオペレータが操作するようにしてもよい。

１００ 海洋資源揚鉱システム
１ 海洋資源揚鉱用バルーン
２ ダウンホールモータ（掘削装置）
３ 回収ホース
３ａ 浮力体
４ ロボットアーム付き無人潜水機
５ 吸引回収装置
６ クローラ走行体
１０ バルーン本体
１１ ホース接続口
１２ カップラ
１３ ウェイト
１３ａ 連結ロープ
１４ 浮力体
１５ ハウジング
１６ 上部ハウジング
１７ 下部ハウジング
１８ エマルション供給路（エマルションの導入口）
２０ 第１シャフト
２１ 基端部
２２ インナロータ部
２３ 連結ハウジング
２３ａ 駆動流体供給路
２４ エマルション導出口
２５ エマルション導入路
２６ エマルション供給ホース
２７ ホースリール
２８ ワイヤロープ
２８ａ 滑車
２９ 巻き揚げ機
３０ 第２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１のブッシュ
４２ 第２のブッシュ
４３ 第３のブッシュ
４４ 第４のブッシュ
４５ 水中ケーブル
４６ 動力供給装置
５１ 第１シャフト支持部
５２ 第２シャフト支持部
５３ 第２シャフト支持部
５４ 混合物吸引ホース
５５ 吸引カップラ
５６ 吸引ポンプ
５７ 回収アーム
５８ バルーン投入装置
６１ 第１のシール
６２ 第２のシール
６３ 第３のシール
６４ 第４のシール
６５ 水中ケーブル
６５ａ 滑車
６６ 起立ポスト
６７ ケーブルリール
７０ 駆動機構部
８１ フロントキャップ
８２ 支軸部キャップ
９０ ビット
９１ ビットノズル（噴射口）
１０１ 集鉱装置
１０２ 集鉱管
１０３ 集鉱ホッパ
２００ 攪拌軸
２１２〜２１７ 攪拌翼
２１８ 攪拌部
Ａ エマルション供給船
Ｂ 混合物回収船
Ｃ 海面
Ｄ 海底
ＣＬ１ 第１シャフトの回転軸線
ＣＬ２ 第２シャフトの回転軸線
Ｅ 偏心距離
Ｋ キャビティ
Ｅｍ エマルション（駆動流体、噴射流体）
Ｍａ 混合物（移送流体：アパタイト吸着エマルション）
Ｄｒ （解泥された）レアアース泥
Ｗ 海水
ＯＤ レアアース泥床

Claims (12)

1. 海底に沈められて、レアアース泥を吸着結合したエマルションの混合物を貯留する海洋資源揚鉱用バルーンであって、海中で前記混合物を内部に貯留し、下部にホース接続口を有するとともに、上部にカップラを備えたバルーン本体と、該バルーン本体の下部に装着されたウェイトと、前記バルーン本体の上部に装着された浮力体とを備え、海中で前記混合物を前記バルーン本体の内部に貯留した後、前記ウェイトを前記バルーン本体から切り離すことにより、前記バルーン本体が前記混合物と海水との比重差で海上まで浮上する海洋資源揚鉱用バルーンを備えた海洋資源揚鉱システムであって、
   海上から海中の採鉱位置に投入されて稼働することにより、泥質堆積層中のレアアース泥を解泥するとともに、解泥したレアアース泥とエマルションとを混合してレアアースを吸着結合したエマルションの混合物とする掘削装置と、
   該掘削装置及び前記海洋資源揚鉱用バルーンのホース接続口に接続され、前記混合物を通過させて前記バルーン本体内に貯留する回収ホースと、
   海上から海中に投入されて、前記掘削装置に接続された前記回収ホースを前記海洋資源揚鉱用バルーンのホース接続口に接続するとともにその接続状態を解除し、さらに、前記ウェイトを前記バルーン本体から切り離すロボットアーム付き無人潜水機と、
   前記ウェイトが切り離されて海水と前記混合物との比重差で海上まで浮上した前記バルーン本体内に貯留された前記混合物を吸引回収する吸引回収装置とを備えたことを特徴とする海洋資源揚鉱システム。
2. 前記掘削装置は、海水よりも比重が軽いエマエルションで駆動するダウンホールモータであり、該ダウンホールモータには、前記ダウンホールモータを駆動するエマルションを噴射するビットノズルが形成されるとともに前記ダウンホールモータを駆動することにより回転する掘削用のビットが装着されていることを特徴とする請求項１に記載の海洋資源揚鉱システム。
3. 前記ダウンホールモータには、前記ビットの上部の位置に前記ビットとともに回転する攪拌翼が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の海洋資源揚鉱システム。
4. 前記ダウンホールモータを囲う位置に配設された集鉱装置であって、上部及び下部が海中に開口している集鉱管と、該集鉱管の下部に設けられ、下方に向けて拡径して海中に開口している集鉱ホッパとを有する集鉱装置を備えていることを特徴とする請求項２又は３に記載の海洋資源揚鉱システム。
5. 前記回収ホースは、前記集鉱管の上端に接続されることを特徴とする請求項４に記載の海洋資源揚鉱システム。
6. 前記ダウンホールモータは、その基端部が前記集鉱装置に支持されるとともに前記基端部に前記エマルションの導入口が設けられ、該導入口に前記エマルションを供給可能に海上のエマルション供給船にエマルション供給ホースで連結されることを特徴とする請求項４又は５に記載の海洋資源揚鉱システム。
7. 前記集鉱装置は、クローラ走行体に支持され、該クローラ走行体は、海上の前記エマルション供給船から水中ケーブルを介して電源が供給されるように構成されることを特徴とする請求項６に記載の海洋資源揚鉱システム。
8. 前記吸引回収装置は、海上の混合物回収船に配置されており、海上に浮上した前記バルーン本体の前記カップラに接続される吸引カップラを先端に設けた混合物吸引ホースと、該混合物吸引ホースに接続され、前記バルーン本体内に貯留された前記混合物を吸引回収する吸引ポンプとを備えていることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載の海洋資源揚鉱システム。
9. 前記ロボットアーム付き無人潜水機は、遠隔操作型の無人潜水機であり、海上の前記混合物回収船から水中ケーブルを介して動力が供給されるように構成されることを特徴とする請求項８に記載の海洋資源揚鉱システム。
10. 前記ロボットアーム付き無人潜水機は、海底に到達した前記海洋資源揚鉱用バルーンのカップラを開から閉に切り替えることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の海洋資源揚鉱システム。
11. 前記混合物が吸引回収された前記バルーン本体を回収する回収アームを備えていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の海洋資源揚鉱システム。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の海洋資源揚鉱システムを用いた海洋資源の揚鉱方法であって、
    請求項１記載の海洋資源揚鉱用バルーンを海上から海底に沈めるバルーン沈下工程と、
    前記掘削装置を海上から海中の採鉱位置に投入する掘削装置投入工程と、
    前記ロボットアーム付き無人潜水機を海上から海中に投入する無人潜水機投入工程と、
    前記掘削装置に接続された前記回収ホースを前記海洋資源揚鉱用バルーンのホース接続口に前記ロボッットアーム付き無人潜水機により接続する回収ホース接続工程と、
    該回収ホース接続工程の後、前記掘削装置を稼働して、泥質堆積層中のレアアース泥を解泥するとともに、解泥したレアアース泥とエマルションとを混合してレアアースを吸着結合したエマルションの混合物とするとともに、該混合物を前記回収ホースを通して前記海洋資源揚鉱用バルーンの前記バルーン本体内に貯留する混合物貯留工程と、
    該混合物貯留工程の後、前記ロボットアーム付き無人潜水機により、前記回収ホースの前記ホース接続口に対する接続状態を解除するとともに、前記ウェイトを前記バルーン本体から切り離す回収ホース及びウェイト接離工程と、
    前記ウェイトが切り離された前記バルーン本体が海水と前記混合物との比重差で海上まで浮上した後、前記吸引回収装置で前記バルーン本体内に貯留された前記混合物を吸引回収する混合物吸引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。

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