特許 6954534 海洋資源採鉱装置および海洋資源の採鉱方法、並びに、海洋資源揚鉱装置および海洋資源の揚鉱方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6954534

(24)【登録日】2021年10月4日

(45)【発行日】2021年10月27日

(54)【発明の名称】海洋資源採鉱装置および海洋資源の採鉱方法、並びに、海洋資源揚鉱装置および海洋資源の揚鉱方法

(51)【国際特許分類】

   E21C 50/00 20060101AFI20211018BHJP

【ＦＩ】

   E21C50/00

【請求項の数】15

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2017-203943(P2017-203943)

(22)【出願日】2017年10月20日

(65)【公開番号】特開2019-78019(P2019-78019A)

(43)【公開日】2019年5月23日

【審査請求日】2020年6月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000165974

【氏名又は名称】古河機械金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100066980

【弁理士】

【氏名又は名称】森 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(74)【代理人】

【識別番号】100105854

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 一

(72)【発明者】

【氏名】藤田 豊久

(72)【発明者】

【氏名】ドドビバ ジョルジ

(72)【発明者】

【氏名】中村 謙太郎

(72)【発明者】

【氏名】林元 和智

【審査官】 松本 泰典

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１５７７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５２４４７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−１８３０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２８３０６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表昭６３−５０２２９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５２−０７０４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−００１０２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−２１１０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０８７０５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１９９３４０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０１９５０８７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ２１Ｃ ５０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧送されたリーチング用浸出溶液を駆動流体として駆動する掘削部と、
該掘削部またはその近傍に形成された吐出口から前記リーチング用浸出溶液を外部に吐出する吐出部と、
を有するダウンホールモータを備えることを特徴とする海洋資源採鉱装置。

【請求項2】

前記リーチング用浸出溶液は、硫酸アンモニウム水溶液、希硫酸、または希塩酸を含む請求項１に記載の海洋資源採鉱装置。

【請求項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る前記掘削部と、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掘削部に形成され前記吐出口を構成する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に記載の海洋資源採鉱装置。

【請求項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る前記掘削部と、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とともに前記第二シャフト下部の開口から前記掘削部に形成され前記吐出口を構成するノズル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に記載の海洋資源採鉱装置。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか一項に記載の海洋資源採鉱装置を用い、
前記リーチング用浸出溶液で前記ダウンホールモータを駆動して海中のレアアース鉱床のレアアース泥を採掘しつつ、その採掘時に吐出されたリーチング用浸出溶液に前記レアアース泥中のレアアースを採掘坑内で浸出させることを特徴とする海洋資源の採鉱方法。

【請求項6】

ライザー管と、該ライザー管内に設けられて圧送されたリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給する駆動流体供給管と、該駆動流体供給管の先端に装備された請求項１〜４のいずれか一項に記載の海洋資源採鉱装置と、を備えることを特徴とする海洋資源揚鉱装置。

【請求項7】

前記ライザー管の下部開口部を囲繞するとともに、前記ライザー管の配置時に海底に打ち込まれて採掘坑の坑口をシールする円筒形アンカーを更に備える請求項６に記載の海洋資源揚鉱装置。

【請求項8】

前記ライザー管に揚鉱用の圧縮空気を注入するエアリフト手段を更に備える請求項７に記載の海洋資源揚鉱装置。

【請求項9】

採掘坑の坑口を封止するパッカーと、前記ライザー管に揚鉱用の圧縮空気を注入するエアリフト手段と、を更に備える請求項６に記載の海洋資源揚鉱装置。

【請求項10】

前記パッカーは、前記ライザー管の下部に装着されて該下部の開口部を囲繞するように設けられた可撓性の集鉱スカートと、該集鉱スカートの下縁に設けられた複数のアンカーと、を有する請求項９に記載の海洋資源揚鉱装置。

【請求項11】

請求項６または７に記載の海洋資源揚鉱装置を用い、
船上からレアアース鉱床まで前記ライザー管を降ろす配置工程と、
前記ライザー管の配置後に、前記駆動流体供給管からリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給するとともに前記駆動流体供給管自体の給進により前記ダウンホールモータをレアアース泥堆積層中で掘進させつつ前記ダウンホールモータから噴射されるリーチング用浸出溶液でレアアース泥中のレアアースを浸出させる採掘・選鉱工程と、
前記リーチング用浸出溶液中にレアアースが浸出したレアアース選鉱溶液を、前記リーチング用浸出溶液供給時の残存圧力により前記ライザー管で揚鉱する揚鉱工程と、を含むことを特徴とする海洋資源の揚鉱方法。

【請求項12】

請求項８に記載の海洋資源揚鉱装置を用い、
船上からレアアース鉱床まで前記ライザー管を降ろす配置工程と、
前記ライザー管の配置後に、前記駆動流体供給管からリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給するとともに前記駆動流体供給管自体の給進により前記ダウンホールモータをレアアース泥堆積層中で掘進させつつ前記ダウンホールモータから噴射されるリーチング用浸出溶液でレアアース泥中のレアアースを浸出させる採掘・選鉱工程と、
前記リーチング用浸出溶液中にレアアースが浸出したレアアース選鉱溶液を、前記リーチング用浸出溶液供給時の残存圧力と、前記エアリフト手段により前記ライザー管に注入された圧縮空気によるエアリフトの浮上力と、により前記ライザー管で揚鉱する揚鉱工程と、を含むことを特徴とする海洋資源の揚鉱方法。

【請求項13】

請求項９に記載の海洋資源揚鉱装置を用い、
船上からレアアース鉱床まで前記ライザー管を降ろす配置工程と、
前記ライザー管の配置後に、前記駆動流体供給管からリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給するとともに前記駆動流体供給管自体の給進により前記ダウンホールモータをレアアース泥堆積層中で掘進させつつ前記ダウンホールモータから噴射されるリーチング用浸出溶液でレアアース泥中のレアアースを浸出させる採掘・選鉱工程と、
前記リーチング用浸出溶液中にレアアースが浸出したレアアース選鉱溶液を、前記坑口に設けたパッカー内に貯鉱する貯鉱工程と、
前記パッカー内に貯鉱された前記レアアース選鉱溶液を、前記エアリフト手段により前記ライザー管に注入された圧縮空気によるエアリフトの浮上力により前記ライザー管で揚鉱する揚鉱工程と、を含むことを特徴とする海洋資源の揚鉱方法。

【請求項14】

請求項１０に記載の海洋資源揚鉱装置を用い、
船上からレアアース鉱床まで前記ライザー管を降ろす配置工程と、
前記ライザー管の配置後に、前記駆動流体供給管からリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給するとともに前記駆動流体供給管自体の給進により前記ダウンホールモータをレアアース泥堆積層中で掘進させつつ前記ダウンホールモータから噴射されるリーチング用浸出溶液でレアアース泥中のレアアースを浸出させる採掘・選鉱工程と、
前記リーチング用浸出溶液中にレアアースが浸出したレアアース選鉱溶液を、前記坑口に設けたパッカー内に貯鉱する貯鉱工程と、
前記パッカー内に貯鉱された前記レアアース選鉱溶液を、前記エアリフト手段により前記ライザー管に注入された圧縮空気によるエアリフトの浮上力により前記ライザー管で揚鉱する揚鉱工程と、を含み、
前記配置工程では、前記ライザー管下部の開口部を海底面から離隔した位置に保持するとともに、前記アンカーを海底面下に沈めて前記集鉱スカートの垂下姿勢を保持することにより前記ライザー管の下部と海底面との間に密封空間を設け、
前記貯鉱工程では、前記レアアース選鉱溶液を前記密封空間内に一旦貯留し、
前記揚鉱工程では、前記密封空間内に貯留されたレアアース選鉱溶液を前記エアリフトの浮上力により回収することを特徴とする海洋資源の揚鉱方法。

【請求項15】

前記採掘・選鉱工程は、前記ダウンホールモータの掘進方向として、レアアース鉱床に対し、採掘坑の入り口からレアアース泥堆積層に至るまでは竪穴を掘削し、レアアース泥堆積層に到達後はレアアース泥堆積層の延在方向に沿って横穴を掘削して前記採掘坑を掘進する請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の海洋資源の揚鉱方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、海洋資源を採鉱する技術に係り、特に、深海に存在するレアアース泥を採鉱する上で好適な海洋資源の採鉱および揚鉱技術に関する。

【背景技術】

【0002】

２０１２年、海洋資源として、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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５４９０５８２号公報

【特許文献2】特開昭５１−７２９０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。

【0005】

また、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、従来のエアリフト方式は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。そのため、集鉱効率を向上させる上で検討すべき課題が残されている。
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、採鉱効率を向上させ得る海洋資源採鉱装置および海洋資源の採鉱方法、並びに、海洋資源揚鉱装置および海洋資源の揚鉱方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

ここで、海洋資源としての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、揚鉱前に海底でリーチングを行い、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し、採鉱効率を向上させることができる。
すなわち、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採鉱装置は、圧送されたリーチング用浸出溶液を駆動流体として駆動する掘削部と、該掘削部またはその近傍に形成された吐出口から前記リーチング用浸出溶液を外部に吐出する吐出部と、を有するダウンホールモータを備えることを特徴とする。

【0007】

また、本発明の一態様に係る海洋資源の採鉱方法は、本発明の一態様に係る海洋資源採鉱装置を用い、前記リーチング用浸出溶液で前記ダウンホールモータを駆動して海中のレアアース鉱床のレアアース泥を採掘しつつ、その採掘時に吐出されたリーチング用浸出溶液に前記レアアース泥中のレアアースを採掘坑内で浸出させることを特徴とする。
また、本発明の一態様に係る海洋資源海洋資源揚鉱装置は、ライザー管と、該ライザー管内に設けられて圧送されたリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給する駆動流体供給管と、該駆動流体供給管の先端に装備された本発明の一態様に係る海洋資源採掘装置と、を備えることを特徴とする。

【0008】

また、本発明の他の一態様に係る海洋資源の採鉱方法は、本発明の一態様に係る海洋資源海洋資源揚鉱装置を用い、船上からレアアース鉱床まで前記ライザー管を降ろす配置工程と、前記ライザー管の配置後に、前記駆動流体供給管からリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給するとともに前記駆動流体供給管自体の給進により前記ダウンホールモータをレアアース泥堆積層中で掘進させつつ前記ダウンホールモータから噴射されるリーチング用浸出溶液でレアアース泥中のレアアースを浸出させる採掘・選鉱工程と、前記リーチング用浸出溶液中にレアアースが浸出したレアアース選鉱溶液を、前記リーチング用浸出溶液供給時の残存圧力により前記ライザー管で揚鉱する揚鉱工程と、を含むことを特徴とする。

【0009】

また、本発明の更に他の一態様に係る海洋資源の採鉱方法は、本発明の一態様に係る海洋資源海洋資源揚鉱装置を用い、船上からレアアース鉱床まで前記ライザー管を降ろす配置工程と、前記ライザー管の配置後に、前記駆動流体供給管からリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給するとともに前記駆動流体供給管自体の給進により前記ダウンホールモータをレアアース泥堆積層中で掘進させつつ前記ダウンホールモータから噴射されるリーチング用浸出溶液でレアアース泥中のレアアースを浸出させる採掘・選鉱工程と、前記リーチング用浸出溶液中にレアアースが浸出したレアアース選鉱溶液を、前記リーチング用浸出溶液供給時の残存圧力と、前記ライザー管に注入された圧縮空気によるエアリフトの浮上力と、により前記ライザー管で揚鉱する揚鉱工程と、を含むことを特徴とする。

【0010】

また、本発明の更に他の一態様に係る海洋資源の採鉱方法は、本発明の一態様に係る海洋資源海洋資源揚鉱装置を用い、船上からレアアース鉱床まで前記ライザー管を降ろす配置工程と、前記ライザー管の配置後に、前記駆動流体供給管からリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給するとともに前記駆動流体供給管自体の給進により前記ダウンホールモータをレアアース泥堆積層中で掘進させつつ前記ダウンホールモータから噴射されるリーチング用浸出溶液でレアアース泥中のレアアースを浸出させる採掘・選鉱工程と、前記リーチング用浸出溶液中にレアアースが浸出したレアアース選鉱溶液を、前記坑口に設けたパッカー内に貯鉱する貯鉱工程と、前記パッカー内に貯鉱された前記レアアース選鉱溶液を、エアリフトの浮上力により前記ライザー管で揚鉱する揚鉱工程と、を含むことを特徴とする。

【0011】

また、本発明の更に他の一態様に係る海洋資源の採鉱方法は、船上からレアアース鉱床まで前記ライザー管を降ろす配置工程と、前記ライザー管の配置後に、前記駆動流体供給管からリーチング用浸出溶液を駆動流体として供給するとともに前記駆動流体供給管自体の給進により前記ダウンホールモータをレアアース泥堆積層中で掘進させつつ前記ダウンホールモータから噴射されるリーチング用浸出溶液でレアアース泥中のレアアースを浸出させる採掘・選鉱工程と、前記リーチング用浸出溶液中にレアアースが浸出したレアアース選鉱溶液を、前記坑口に設けたパッカー内に貯鉱する貯鉱工程と、前記パッカー内に貯鉱された前記レアアース選鉱溶液を、エアリフトの浮上力により前記ライザー管で揚鉱する揚鉱工程と、を含み、前記配置工程では、前記ライザー管下部の開口部を海底面から離隔した位置に保持するとともに、アンカーを海底面下に沈めて集鉱スカートの垂下姿勢を保持することにより前記ライザー管の下部と海底面との間に密封空間を設け、前記貯鉱工程では、前記レアアース選鉱溶液を前記密封空間内に一旦貯留し、前記揚鉱工程では、前記密封空間内に貯留されたレアアース選鉱溶液をエアリフトの浮上力により回収することを特徴とする。

【0012】

ここで、前記リーチング用浸出溶液は、硫酸アンモニウム水溶液、希硫酸、または希塩酸含むことが好ましい。特に、硫酸アンモニウム水溶液は、一般的にリーチングで使用される硫酸や塩酸と異なり、肥料にも使用されており、環境に対する安全性が高いといえる。そして、硫酸アンモニウム水溶液であれば、レアアース泥中の、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）などのレアアースを溶出可能である。

【0013】

本発明の一態様に係る海洋資源採鉱装置および海洋資源の採鉱方法、並びに、海洋資源揚鉱装置および海洋資源の揚鉱方法によれば、リーチング用浸出溶液をダウンホールモータの駆動流体として利用してレアアース泥堆積層中で掘進しつつ、ダウンホールモータの掘削部から噴射されるリーチング用浸出溶液中にレアアースを浸出させたレアアース選鉱溶液を海中で生成できる（以下、「リーチング掘進」ともいう）。
そのため、このレアアース選鉱溶液を洋上に回収すれば、レアアースの採掘量をより稼ぐことができる。よって、本発明の一態様に係る海洋資源採鉱装置および海洋資源の採鉱方法、並びに、海洋資源揚鉱装置および海洋資源の揚鉱方法によれば、採鉱効率を向上させることができる。

【0014】

ここで、本発明のいずれか一の態様に係る海洋資源の採鉱方法において、前記採掘・選鉱工程は、前記ダウンホールモータの掘進方向として、レアアース鉱床に対し、採掘坑の入り口からレアアース泥堆積層に至るまでは竪穴を掘削し、レアアース泥堆積層に到達後はレアアース泥堆積層の延在方向に沿って横穴を掘削して前記採掘坑を掘進することは好ましい。このような構成であれば、レアアース泥堆積層中をレアアース泥堆積層の延在方向に沿って水平方向に掘削することで、レアアース鉱床を垂直方向に掘削する場合と比較して、レアアースの採掘量をより稼ぐことができる。

【発明の効果】

【0015】

上述のように、本発明によれば、リーチング掘進により海洋資源を選鉱しつつ採鉱できるため、採鉱効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明に係る採掘装置を備える海洋資源揚鉱装置を用いた海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図では、海洋資源揚鉱システム全体として、海上に停泊する揚鉱母船から揚鉱装置を海中に沈めている配置工程の途中の状態を示している。

【図2】本発明に係る採掘装置の第一実施形態であるダウンホールモータの説明図であり、同図では、採掘装置をその軸線に沿った断面で示している。

【図3】リーチング用浸出溶液の第一実施形態である、硫酸アンモニウム水溶液の重量濃度に対する各種レアアースの浸出率を示すグラフである。

【図4】リーチング用浸出溶液の第一実施形態である、硫酸アンモニウム水溶液への各種レアアースの浸出時間と浸出率との関係を示すグラフである。

【図5】本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図は、ダウンホールモータの掘進方向を縦から横方向に変えて掘進する採掘・選鉱工程を示している。

【図6】本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図は、採掘・選鉱工程において、採掘坑の坑口を封止するパッカーの密封空間内にレアアース選鉱溶液を所定の貯留時間だけ貯留する状態を示している。

【図7】本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図は、採掘・選鉱工程において、パッカーの密封空間内にレアアース選鉱溶液を貯留しつつレアアース泥堆積層の延在方向に沿って横穴を掘削して採掘坑を掘進する状態を示している。

【図8】本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図は、パッカーの密封空間内にレアアース選鉱溶液を所定の貯留時間だけ貯留後に、パッカーの密封空間内に貯鉱しているレアアース選鉱溶液を、ライザー管に圧縮空気を注入してエアリフトにより回収する揚鉱工程を示している。

【図9】本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図は、揚鉱装置を海底面上に引き上げるとともに揚鉱母船を所定距離だけ移動して他の採掘坑を掘進するための移動工程を示している。

【図10】本発明に係る海洋資源の揚鉱方法の第一実施形態の説明図であり、同図は、他の採掘坑を掘進して、ダウンホールモータの掘進方向を縦から横方向に変えて掘進する採掘・選鉱工程を繰り返す状態を示している。

【図11】リーチング用浸出溶液の他の実施形態である、０．２ｍｏｌ／Ｌの希薄な硫酸によるレアアース泥の浸出試験の結果を示すグラフである。

【図12】リーチング用浸出溶液の他の実施形態である、０．５ｍｏｌ／Ｌの希薄な塩酸によるレアアース泥の浸出試験の結果示すグラフである。

【図13】本発明に係る採掘装置を備える海洋資源揚鉱装置を用いた海洋資源の揚鉱方法の第二実施形態の説明図であり、同図では、ダウンホールモータの掘進方向を縦から横方向に変えて掘進しつつ、リーチング用浸出溶液中にレアアースが浸出したレアアース選鉱溶液を、リーチング用浸出溶液を供給時の残存圧力によりライザー管で揚鉱する状態を示している。

【図14】本発明に係る採掘装置を備える海洋資源揚鉱装置を用いた海洋資源の揚鉱方法の第三実施形態の説明図であり、同図では、ダウンホールモータの掘進方向を縦から横方向に変えて掘進しつつ、リーチング用浸出溶液中にレアアースが浸出したレアアース選鉱溶液を、リーチング用浸出溶液を供給時の残存圧力と、エアリフト手段によりライザー管に注入された圧縮空気によるエアリフトの浮上力と、によりライザー管で揚鉱する状態を示している。

【図15】本発明に係る採掘装置の他の実施形態であるダウンホールモータの説明図であり、同図では、採掘装置をその軸線に沿った断面で示している。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の各実施形態について、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、海洋資源採鉱装置および海洋資源の採鉱方法、並びに、海洋資源揚鉱装置および海洋資源の揚鉱方法を含む海洋資源揚鉱システムの例である。
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。

【0018】

［第一実施形態］
まず、本発明の第一実施形態について説明する。
図１に示すように、第一実施形態の海洋資源揚鉱システムは、目的とする海域の海上Ｃに停泊される採鉱母船１と、海洋資源揚鉱装置１００（以下、単に「揚鉱装置」ともいう）と、を備える。本実施形態の採鉱母船１には、リーチング用浸出溶液を用いる選鉱水溶液循環式採鉱システムが装備される。

【0019】

同図に示すように、採鉱母船１の上部中央には、揚鉱装置１００を垂下するためのデリック機構が装備された採鉱やぐら１４が立設されている。採鉱やぐら１４の船内下方には、以下不図示の、ライザ昇降装置と、ライザテンショナと、が装備されている。また、採鉱母船１の船底部には、複数基のスラスタが適所に装備されている。
ライザ昇降装置は、ライザー管１０１および駆動流体供給管２３の昇降動作およびその制御を行う装置を含んで構成される。ライザテンショナは、風速や波高、潮流が時々刻々変化する海況下にて、ライザー管１０１および駆動流体供給管２３の昇降位置の補正制御が可能な複数の可動アームを含んで構成される。また、複数基のスラスタは、自動船位保持システム（ＤＰＳ）によって採鉱母船１を定点保持可能に自動制御され、時々刻々変化する海況下にて採鉱母船１を定点保持可能に構成されている。

【0020】

海洋資源揚鉱装置１００は、深海にレアアース泥が存在する海域で、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Ｃに停泊する採鉱母船１まで海水が満たされた状態で海底Ｂまで延設される。第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１００は、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供給管２３と、駆動流体供給管２３の先端に連接されたダウンホールモータ２と、ライザー管１０１の下端に設けられたパッカー１０３と、を備える。

【0021】

本実施形態では、ライザー管１０１に沿って圧縮空気供給管１０２が配管され、洋上の採鉱母船１からパッカー１０３内に圧縮空気を注入可能になっている。本実施形態の圧縮空気供給管１０２は、複数の分岐管路１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃを有する。各分岐管路１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃは、ライザー管１０１の途中部分の適所にそれぞれ離隔した位置に接続されている。これにより、各分岐管路１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃからライザー管１０１の途中部分にも圧縮空気が供給され、揚鉱を補助して安定した揚鉱が可能になっている。

【0022】

パッカー１０３は、ライザー管１０１の下部に装着されて該下部の開口部を囲繞するように円錐状に設けられた可撓性の集鉱スカート１０４と、集鉱スカート１０４の下縁に沿って円環状に設けられた下部フレーム１０５と、下部フレーム１０５の周方向に離隔して適所に設けられた複数のアンカー１０６と、を有する。

【0023】

パッカー１０３内には、駆動流体供給管２３の先端に、掘削部となるビット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。パッカー１０３は、下部フレーム１０５の内側が下方に開口している。この開口部分が、後述するレアアース選鉱溶液Ｍａの吸込口になっている。パッカー１０３の集鉱スカート１０４上部中央は、ライザー管１０１に連通している。なお、本実施形態の駆動流体供給管２３は、管路に沿って電力線および信号線が一体形成されたアンビリカブルケーブルを構成しており、ダウンホールモータ２に駆動流体を供給する他、必要な電力の供給および信号の授受が可能になっている。

【0024】

ライザー管１０１は、その上端部が、海上に停泊する採鉱母船１の揚鉱設備に接続され、レアアース選鉱溶液Ｍａを海上まで揚鉱する選鉱溶液回収部を構成する。ライザー管１０１は、長尺な中空円筒状の管路であり、複数のライザー単管が略同軸に連接されて構成される。
各ライザー単管は、設置深度等に応じて、鋼管や、炭素繊維強化プラスチック等の複合強化プラスチック管を適宜用いて構成される。また、ライザー管１０１の途中部分には、渦励起振動等の不意の挙動を抑制するフェアリングが装着される。パッカー１０３とライザー管１０１の下端との接合部には、ライザー管１０１の緊急離脱機構を有する不図示の噴出防止装置が設けられる。

【0025】

本実施形態の海洋資源揚鉱装置１００は、船上から駆動流体供給管２３を通してレアアース泥床ＯＤの採掘坑底まで送られるリーチング用浸出溶液Ｌｓを駆動流体Ｍとしてダウンホールモータ２を駆動する。そして、ダウンホールモータ２の先端部のビット９０から駆動流体Ｍを噴射してレアアース泥床ＯＤ中のレアアース泥Ｄｒを採鉱するとともに、その採鉱と同時に海底Ｂでリーチング用浸出溶液Ｌｓにより選鉱可能になっている。

【0026】

本実施形態のダウンホールモータ２は、図２に示すように、流体モータ機構を構成する流体モータ部１３０が、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、ダウンホールモータ２は、同図に示すように、駆動流体供給管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。

【0027】

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が固定されている。ステータ１２０内には、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を導入するための上記駆動流体供給管２３の先端が接続される。

【0028】

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を介してシャフトである駆動軸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の下方に張り出している。ビット装着部１４０ｓの外周面には、掘削用のビット９０を接続可能な雄ねじが形成されている。

【0029】

また、駆動軸１４０の上部には、動力伝達部１８０のハウジング１８１内に連通する複数の連通口１４１が形成されている。複数の連通口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９０の先端に吐出口９１ｍが開口するように形成された吐出部であるノズル９１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。

【0030】

このダウンホールモータ２によれば、駆動流体供給管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としてリーチング用浸出溶液Ｌｓを導入することで、流体モータ部１３０が、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、ロータ１１０の下端を出力軸とし、ロータ１１０の回転を、上下の継手部１８２、１８４および連結ロッド１８３を有するユニバーサルジョイント１８５を介して駆動軸１４０に伝達可能になっている。

【0031】

ここで、このダウンホールモータ２には、ハウジング１８１自体が所定の傾倒角度の範囲で屈曲が可能な屈曲機構１９０が、連結ロッド１８３の部分に内蔵されている。なお、この種の屈曲機構１９０としては、例えば、特許第３７３０５７０号公報や特許第５３６４１０４号公報に開示される周知の構造を採用することができる。

【0032】

本実施形態のダウンホールモータ２には、同図に示すように、屈曲機構１９０が連結ロッド１８３の部分に設けられている。この屈曲機構１９０には、不図示の姿勢検出センサが設けられており、アンビリカブルケーブルである駆動流体供給管２３に設けられた電力・駆動信号供給ケーブルを介して、海上に停泊する採鉱母船１のオペレータが、ダウンホールモータ２の随時の姿勢を監視可能になっている。
本実施形態の屈曲機構１９０は、屈曲部での屈曲が可能な屈曲構造１９４と、ハウジング１８１の屈曲方向を制御するために、ハウジング１８１内で複数の連通口１４１それぞれの領域に区分する複数の圧力室１９１と、これら複数の圧力室１９１それぞれへの駆動流体Ｍを導入する流路を開閉可能に配置された複数の開閉弁１９２と、各開閉弁１９２に対応して各圧力室１９１に配置された傾倒用アクチュエータ１９３と、を備える。

【0033】

複数の開閉弁１９２は、アンビリカブルケーブルである駆動流体供給管２３に設けられた電力・駆動信号供給ケーブルから伝えられた駆動信号に応じて開閉駆動される。これにより、この屈曲機構１９０は、複数の開閉弁１９２の開閉に応じて対応する圧力室１９１が開閉されると、当該圧力室１９１に設けられた傾倒用アクチュエータ１９３の駆動により、屈曲構造１９４部分でのハウジング１８１内の周方向での圧力室１９１相互に意図的な圧力不均衡を生じさせ、これにより、下の継手部１８４の位置から先の駆動軸支持部１６０が、下の継手部１８４を中心として、所期の方向に傾倒作動するようになっている。

【0034】

［第一実施形態における動作および作用効果］
次に、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１００の動作並びにこれを用いた海洋資源の揚鉱方法、並びに、その作用効果について説明する。ここで、本実施形態では、海底のレアアース泥床ＯＤにて、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を選鉱回収するものである。

【0035】

詳しくは、レアアース泥Ｄｒを選鉱回収する際は、まず、図１に示すように、採鉱母船１を目的とする海域の海上に停泊し、自動船位保持システムによって採鉱母船１を定点保持する。次いで、上述した海洋資源揚鉱装置１００を採鉱やぐら１４から海中に降ろし、海中のレアアース泥床ＯＤの所期の位置に海洋資源揚鉱装置１００を配置する。ライザー管１０１、駆動流体供給管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。

【0036】

所期の位置において、同図に示すように、ライザー管１０１のパッカー１０３をレアアース泥床ＯＤに対向させる。次いで、複数のアンカー１０６を海底面下の所定深度まで自重または他の打設装置により打ち込み、下部フレーム１０５を海底面に隙間なく当接させて集鉱スカート１０４内に密閉空間を画成する。このとき、ダウンホールモータ２は、ビット９０がパッカー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。

【0037】

本実施形態では、駆動流体供給管２３の基端部は、駆動流体導入部として採鉱母船１に装備された、不図示の駆動流体供給ポンプを介してリーチング用浸出溶液貯留槽に接続される。ライザー管１０１の上端部は、採鉱母船１に装備された揚鉱設備に接続される。そして、採鉱母船１から、海洋資源揚鉱装置１００に対し、駆動流体供給管２３から駆動流体Ｍとして高圧のリーチング用浸出溶液Ｌｓを圧送する。

【0038】

ここで、本実施形態では、駆動流体Ｍとして、硫酸アンモニウム水溶液を用いてリーチング用浸出溶液Ｌｓを作り、このリーチング用浸出溶液Ｌｓを駆動流体供給管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。
特に、硫酸アンモニウム水溶液は、一般的にリーチングで使用される硫酸や塩酸と異なり、肥料にも使用されており、環境に対する安全性が高いといえる。そして、硫酸アンモニウム水溶液であれば、図３に示すように、低濃度でも比較的高い浸出率でレアアース泥中の、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）などのレアアースを溶出可能である。
また、図４に示すように、比較的短時間でも比較的高い浸出率でレアアース泥中の、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）などのレアアースを溶出可能である。

【0039】

上記のように配置された海洋資源揚鉱装置１００において、採鉱作業時には、ダウンホールモータ２には、高圧の駆動流体Ｍが、上記駆動流体供給管２３の駆動流体供給路１３から導入され、ハウジング１３１の上部に供給される（図２の符号Ｍ１）。このダウンホールモータ２によれば、駆動流体供給管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、駆動流体Ｍの導入圧が回転駆動力に変換される。

【0040】

これにより、回転部であるロータ１１０に回転力を与え、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の回転がユニバーサルジョイント１８５を介して駆動軸１４０に伝達され、駆動軸１４０の先端に設けられたビット９０が共に回転する。また、駆動流体供給路１３からハウジング１８１に導入された駆動流体Ｍは、複数の連通口１４１から連通路１４２を介して、ビット９０先端のノズル９１から装置外に噴射される。

【0041】

ここで、このダウンホールモータ２には、上述のように、ハウジング１８１自体が所定の傾倒角度の範囲で屈曲が可能な屈曲機構１９０が、連結ロッド１８３の部分に設けられており、採鉱母船１から、アンビリカブルケーブルである駆動流体供給管２３に設けられた電力・駆動信号供給ケーブルを介して、傾倒用アクチュエータ１９３を駆動することにより、駆動軸支持部１６０が、下の継手部１８４を中心として、所期の方向に傾倒作動させることができる。

【0042】

そのため、ダウンホールモータ２は、図５に示すように、ダウンホールモータ２の掘進方向として、レアアース泥床ＯＤに対し、所定の掘削深度まで、つまり、採掘坑Ｅの入り口Ｆからレアアース泥堆積層Ｄに至るまでの非レアアース泥堆積層ＤＮでは竪穴を掘削し、所定の掘削深度まで掘削後、つまりレアアース泥堆積層Ｄに到達後はレアアース泥堆積層Ｄの延在方向に沿って横穴を掘削して採掘坑Ｅを掘進することができる。

【0043】

これにより、この海洋資源揚鉱装置１００は、ビット９０の回転による掘削力と、ビット９０のノズル９１から噴射されるリーチング用浸出溶液Ｌｓ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を解泥しつつレアアースを選鉱できる。そして、ビット９０の回転力とリーチング用浸出溶液供給時の残存圧力とによる流れに導かれ、解泥されたレアアース泥Ｄｒおよびその周囲のリーチング用浸出溶液Ｌｓがパッカー１０３内に送り込まれる。

【0044】

以降、図６に拡大図示するように、駆動流体供給管２３を張り出させたフィード長に応じた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および選鉱を継続し、駆動軸１４０先端に装着されたビット９０によってレアアース泥床ＯＤのレアアース泥堆積層Ｄに沿って効率良く採鉱しつつ選鉱することができる。

【0045】

本実施形態では、海上の採鉱母船１から駆動流体供給管２３を所定速度でフィードさせることで、駆動流体供給管２３と共にダウンホールモータ２を一体で水平方向に掘進させながらレアアース泥床ＯＤからレアアース泥Ｄｒを連続的に採鉱しつつ選鉱することができる。なお、同図白抜き矢印は、屈曲機構１９０による傾倒作動で、ダウンホールモータ２の掘進方向を縦方向から横方向に変えているイメージを示している。

【0046】

特に、この海洋資源揚鉱装置１００によれば、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に形成された吐出部であるノズル９１から噴射される。そして、その流体力によってビット９０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、この海洋資源揚鉱装置１００は、駆動流体Ｍとしてリーチング用浸出溶液Ｌｓを駆動流体供給管２３からダウンホールモータ２に供給することにより、海底のレアアース泥堆積層Ｄのレアアース泥Ｄｒを解泥しつつ選鉱できる。

【0047】

さらに、この海洋資源揚鉱装置１００は、リーチング用浸出溶液供給時の残存圧力により、解泥されたレアアース泥Ｄｒを周囲のリーチング用浸出溶液Ｌｓとともにパッカー１０３内に送り込み、海中で液液分離されたレアアース選鉱溶液Ｍａを採掘坑Ｅ内およびパッカー１０３内にて効率良く生成できる。

【0048】

また、パッカー１０３内に導入されたレアアース泥Ｄｒとリーチング用浸出溶液Ｌｓは、パッカー１０３内で相互に混合される。そして、パッカー１０３に導かれたレアアース泥Ｄｒは、レアアース泥Ｄｒがリーチング用浸出溶液Ｌｓにより永く接触することにより、リーチング用浸出溶液Ｌｓにレアアース泥Ｄｒ中のレアアースが一層効率良く浸出される。これにより、海中で液液分離されたレアアース選鉱溶液Ｍａとしてレアアース泥Ｄｒ中のレアアースが効率良く選鉱される。海洋資源揚鉱装置１００が引き続き駆動されると、パッカー１０３内のレアアース選鉱溶液Ｍａは、次第にパッカー１０３上部のライザー管１０１まで満たされていく。

【0049】

特に、本実施形態によれば、ライザー管１０１に揚鉱用の圧縮空気を注入するエアリフト手段としての圧縮空気供給管１０２と、採掘坑Ｅの坑口Ｆを封止するパッカー１０３と、を備え、パッカー１０３は、ライザー管１０１の下部に装着されて該下部の開口部を囲繞するように設けられた可撓性の集鉱スカート１０４と、該集鉱スカート１０４の下縁に設けられた複数のアンカー１０６と、を有するので、パッカー１０３が形成する密閉空間に、レアアースの溶解したレアアース選鉱溶液Ｍａと溶解進行中のレアアース泥およびリーチング用浸出溶液Ｌｓが貯留される。

【0050】

この密閉空間において、上記図３ないし図４に示すような、各種レアアースの浸出時間と浸出率のデータから推察されるレアアースが十分に溶解する所定時間の貯留後、レアアースが十分に浸出したレアアース選鉱溶液Ｍａを、ライザー管１０１に圧縮空気供給管１０２から圧縮空気を注入してエアリフトで揚鉱できる。そのため、パッカー１０３の密閉空間にて一定の浸出時間を確保することにより、レアアース泥Ｄｒ中のレアアースを選択的に且つ十分に浸出したレアアース選鉱溶液Ｍａを揚鉱できる。よって、より高効率にレアアースを揚鉱する上で好適である。

【0051】

その後、図７に示すように、図１に示した圧縮空気供給管１０２から圧縮空気をパッカー１０３内に注入する。同図に符号Ａを付す矢印は、圧縮空気供給管１０２から圧縮空気をパッカー１０３内に注入しているイメージを示している。これにより、注入された圧縮空気Ａとレアアース選鉱溶液Ｍａとがパッカー１０３内にて撹拌混合され、図８に示すように、パッカー１０３内に貯鉱されたレアアース選鉱溶液Ｍａを、エアリフトの浮上力によりライザー管１０１内に浮上させる。

【0052】

ライザー管１０１は、海上の採鉱母船１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１００によれば、レアアース選鉱溶液Ｍａを、リーチング用浸出溶液供給時の残存圧力と、ライザー管１０１に注入された圧縮空気によるエアリフトの浮上力とにより、ライザー管１０１から洋上の採鉱母船１の回収設備に回収できる。

【0053】

特に、本実施形態では、圧縮空気供給管１０２は、複数の分岐管路１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃを有し、各分岐管路１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃがライザー管１０１の途中部分の適所に接続されているので、ライザー管１０１の途中部分にも圧縮空気を供給することができる。これにより、ライザー管１０１が長い場合でも、揚鉱を補助して安定した揚鉱を行うことができる。
そして、上述した一連の海洋資源揚鉱工程の終了後、図９に示すように、ダウンホールモータ２とパッカー１０３を深海の海底面上に引き上げ、揚鉱スケジュールに従い、採鉱母船１を所定距離移動してレアアース泥床ＯＤの他の位置にて上述した一連の海洋資源揚鉱工程を繰り返す。

【0054】

このように、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１００によれば、海底設備としては、駆動流体供給管２３を内蔵するとともに圧縮空気供給管１０２を付設したライザー管１０１を用い、このライザー管１０１の下部に配置したパッカー１０３内に、一台のダウンホールモータ２を設けるだけで、リーチング用浸出溶液Ｌｓによる流体モータ機構を構成する流体モータ部１３０の駆動により、ビット９０の回転による掘削力とリーチング用浸出溶液Ｌｓの噴射による流体力とでレアアース泥Ｄｒを解泥しつつ、レアアース泥Ｄｒとリーチング用浸出溶液Ｌｓとを混合し、レアアース選鉱溶液Ｍａを生成することができる。

【0055】

そして、順次に生成されたレアアース選鉱溶液Ｍａをパッカー１０３からライザー管１０１へと移動させてレアアース選鉱溶液Ｍａを安定させつつ、リーチング用浸出溶液供給時の残存圧力により、海底から船上まで延設したライザー管１０１にてレアアース選鉱溶液Ｍａを揚鉱できる。そして、リーチング用浸出溶液供給時の残存圧力よりライザー管の下部に設けられたパッカー１０３からライザー管１０１内にレアアース選鉱溶液Ｍａを導入することができる。

【0056】

ここで、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、揚鉱前に海底でリーチングを行い、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ことができる。すなわち、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１００によれば、安定した運転性能を確保するとともに、採鉱効率を向上させることができる。

【0057】

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１００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。また、本実施形態のダウンホールモータ２は、採鉱時に、駆動流体供給管２３を回転させないので、駆動流体供給管２３の強度や摩擦にも有利である。

【0058】

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１００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。

【0059】

また、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鉱するか、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鉱する必要があった。これに対し、本実施形態によれば、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の選鉱回収が可能となる。

【0060】

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、リーチング用浸出溶液Ｌｓとして、硫酸アンモニウム水溶液を用いた例で説明したが、本発明に適用できるリーチング用浸出溶液Ｌｓは、硫酸アンモニウム水溶液に限定されず、例えば、希硫酸、または希塩酸を含むものであってもよい。

【0061】

図１１に、０．５ｍｏｌ／Ｌの希薄な塩酸によるレアアース泥の浸出試験の結果示すように、希硫酸をリーチング用浸出溶液Ｌｓとして用いても、リーチング掘進によりレアアース泥Ｄｒからレアアースを選鉱しつつ採鉱できる。そのため、採鉱効率を向上させることができる。また、図１２に、０．５ｍｏｌ／Ｌの希薄な塩酸によるレアアース泥の浸出試験の結果示すように、希塩酸をリーチング用浸出溶液Ｌｓとして用いても、リーチング掘進によりレアアース泥Ｄｒからレアアースを選鉱しつつ採鉱できる。そのため、採鉱効率を向上させることができる。

【0062】

また、例えば上記第一実施形態では、レアアース選鉱溶液Ｍａを洋上まで揚鉱する手段として、リーチング用浸出溶液供給時の残存圧力と、ライザー管１０１に注入された圧縮空気によるエアリフトの浮上力とを併用して、レアアース選鉱溶液Ｍａを浮上させる例を示したが、これに限定されない。例えば、リーチング用浸出溶液供給時の残存圧力のみによって揚鉱してもよいし、また、ライザー管１０１に注入された圧縮空気によるエアリフトの浮上力のみによって揚鉱してもよい。

【0063】

［第二実施形態］
具体例として、本発明の第二実施形態について説明する。
図１３に示すように、第二実施形態では、上記第一実施形態に示したエアリフト手段である圧縮空気供給管１０２を設けておらず、また、パッカー１０３に替えて、採掘坑Ｅの坑口Ｆをシールする円筒形アンカー１０８を備える点が相違する。
円筒形アンカー１０８は、ライザー管１０１の下部開口部を囲繞するとともに、ライザー管１０１の配置時に海底Ｂでレアアース泥床ＯＤに打ち込まれて、採掘坑Ｅの坑口Ｆをシール可能に構成されている。他の構成は上記第一実施形態と同様である。

【0064】

この第二実施形態の構成によれば、海底設備としては、駆動流体供給管２３を内蔵したライザー管１０１の下部に配置した円筒形アンカー１０８内に一台のダウンホールモータ２を設けるだけで、リーチング用浸出溶液Ｌｓによる流体モータ部１３０の駆動により、ビット９０の回転による掘削力とリーチング用浸出溶液Ｌｓの噴射による流体力とでレアアース泥Ｄｒを解泥しつつ、レアアース泥Ｄｒとリーチング用浸出溶液Ｌｓとを混合し、レアアース選鉱溶液Ｍａを生成できる。

【0065】

そして、駆動流体供給管２３を所定速度でフィードさせることで、リーチング掘進によりレアアース泥Ｄｒからレアアースを選鉱しつつ採鉱できる。そのため、採鉱効率を向上させることができる。そして、深度に応じて、エアリフトを用いることなく、リーチング用浸出溶液供給時の残存圧力によりライザー管１０１で揚鉱可能である。

【0066】

［第三実施形態］
また、他の具体例として、本発明の第三実施形態について説明する。
図１４に示すように、第三実施形態では、上記第一実施形態に対し、パッカー１０３に替えて、採掘坑Ｅの坑口Ｆをシールする円筒形アンカー１０８を備える点が相違する。他の構成は上記第一実施形態と同様である。

【0067】

この第三実施形態の構成によれば、海底設備としては、駆動流体供給管２３を内蔵するとともに圧縮空気供給管１０２を付設したライザー管１０１を用い、このライザー管１０１の下部に配置した円筒形アンカー１０８内に、一台のダウンホールモータ２を設けるだけで、リーチング用浸出溶液Ｌｓによる流体モータ部１３０の駆動により、ビット９０の回転による掘削力とリーチング用浸出溶液Ｌｓの噴射による流体力とでレアアース泥Ｄｒを解泥しつつ、レアアース泥Ｄｒとリーチング用浸出溶液Ｌｓとを混合し、レアアース選鉱溶液Ｍａを生成できる。

【0068】

そして、駆動流体供給管２３を所定速度でフィードさせることで、リーチング掘進によりレアアース泥Ｄｒからレアアースを選鉱しつつ採鉱できる。そのため、採鉱効率を向上させることができる。そして、リーチング用浸出溶液供給時の残存圧力と、圧縮空気供給管１０２からライザー管１０１に注入された圧縮空気によるエアリフトの浮上力と、によりライザー管１０１で揚鉱可能である。

【0069】

［ダウンホールモータの他の実施形態］
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して出力軸に出力し、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することなく出力軸に出力する構成としてもよい。

【0070】

以下、具体的な他の実施形態を説明する。なお、当該他の実施形態では、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（ないし第二、第三実施形態）とは相違するが、その他の構成は上記第一実施形態（ないし第二、第三実施形態）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（ないし第二、第三実施形態）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。

【0071】

当該他の実施形態のダウンホールモータ２は、図１５に示すように、中空円筒状のハウジング１０を備える。本実施形態では、駆動流体供給管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、駆動流体供給管２３の先端部分を「上部ハウジング１１」と呼称する。
このダウンホールモータ２は、自身基端部が上部ハウジング１１先端（つまり、駆動流体供給管２３の先端部分）に接続されている。ビット９０の位置は、パッカー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に高圧のリーチング用浸出溶液Ｌｓが駆動流体Ｍとして供給されると、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をリーチング用浸出溶液Ｌｓとともにパッカー１０３内に導くようになっている。

【0072】

詳しくは、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。

【0073】

この例では、駆動流体Ｍとして高圧のリーチング用浸出溶液Ｌｓ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供給管２３は、その上端部が、不図示の駆動流体供給ポンプを介して採鉱母船１のリーチング用浸出溶液貯留槽に接続され、駆動流体供給部を構成している。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

ここで、こ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。

【0083】

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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

この例では、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。

【0087】

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を吐出する吐出部であるノズル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。

【0088】

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。

【0089】

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。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。
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から噴射されるリーチング用浸出溶液Ｌｓ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。

【0090】

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１５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１５の符号Ｍ３）。

【0091】

これにより、当該他の実施形態のダウンホールモータ２を備える海洋資源揚鉱装置１００であっても、第一実施形態（ないし第二、第三実施形態）同様に、ビット９０の回転による掘削力と、ビット９０のノズル９１から噴射されるリーチング用浸出溶液Ｌｓ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。これにより、ビット９０の回転力とリーチング用浸出溶液供給時の残存圧力とによる流れに導かれ、解泥されたレアアース泥Ｄｒおよびその周囲のリーチング用浸出溶液Ｌｓがパッカー１０３内に送り込まれる。

【0092】

以降、所定の掘削深度まで掘削後、第一実施形態（ないし第二、第三実施形態）同様に、駆動流体供給管の張り出し長さに応じた水平方向へのフィード動作により、所定の掘削深度での採鉱を継続できる。そして、海上の採鉱母船１から駆動流体供給管２３を所定速度でフィードさせることで、第一実施形態同様に、駆動流体供給管２３と共にダウンホールモータ２を一体で水平方向に掘進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。

【0093】

そして、当該他の実施形態のダウンホールモータ２によれば、上記第一実施形態に対して、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。

【0094】

また、当該他の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。

【0095】

さらに、当該他の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１００を提供できる。
［総括］

【0096】

以上説明したように、上述した各実施形態によれば、リーチング用浸出溶液を駆動流体とする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、リーチング用浸出溶液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レアアース泥を解泥しつつ選鉱できる。さらに、効率良くリーチングする上で、レアアース泥とリーチング用浸出溶液との攪拌混合に必要なエネルギーをも流体モータ機構を駆動する動力のみで賄える。

【0097】

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、リーチング用浸出溶液に海底の採掘坑内やパッカー内でレアアース泥を接触させて、レアアースが浸出したレアアース選鉱溶液をライザー管から回収するので、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、レアアース泥自体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、採鉱効率を大幅に向上させ、レアアース回収にかかるコストを大幅に削減できるのである。

【符号の説明】

【0098】

１ 採鉱母船
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）
１４ 採鉱やぐら
２０ 第一シャフト
２１ 基端部
２２ インナロータ部
２３ 駆動流体供給管（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
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（掘削部）
９１ ノズル（吐出部）
１００ 海洋資源揚鉱装置
１０１ ライザー管
１０２ 圧縮空気供給管（エアリフト手段）
１０３ パッカー
１０４ 集鉱スカート
１０５ 下部フレーム
１０６ アンカー
１０８ 円筒形アンカー
１１０ ロータ
１２０ ステータ
１３０ 流体モータ部
１３１ ハウジング
１４０ 駆動軸（シャフト）
１４１ 連通口
１４２ 連通路
１６０ 駆動軸支持部
１７０ ハウジング
１８０ 動力伝達部
１８１ ハウジング
１８２ 継手部
１８３ 連結ロッド
１８４ 継手部
１８５ ユニバーサルジョイント
１９０ 屈曲機構
１９１ 圧力室
１９２ 開閉弁
１９３ 傾倒用アクチュエータ
１９４ 屈曲構造
Ａ 圧縮空気
Ｂ 海底
Ｃ 海上
Ｅ 採掘坑
Ｆ 採掘坑の坑口
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
Ｌｓ リーチング用浸出溶液（駆動流体）
Ｍａ レアアース選鉱溶液（移送流体）
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（海洋資源）
ＤＮ 非レアアース泥堆積層（泥質堆積層）
ＯＤ レアアース泥床（海底鉱床）
Ｕ フィード動作
Ｗ 海水

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】