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特開2022-134890水底資源の採取システムおよび採取方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022134890
(43)【公開日】2022-09-15
(54)【発明の名称】水底資源の採取システムおよび採取方法
(51)【国際特許分類】
   E21C 50/00 20060101AFI20220908BHJP
   E21B 43/00 20060101ALI20220908BHJP
【FI】
E21C50/00
E21B43/00 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021034371
(22)【出願日】2021-03-04
(71)【出願人】
【識別番号】000219406
【氏名又は名称】東亜建設工業株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】504194878
【氏名又は名称】国立研究開発法人海洋研究開発機構
(74)【代理人】
【識別番号】110001368
【氏名又は名称】清流国際弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】100129252
【弁理士】
【氏名又は名称】昼間 孝良
(74)【代理人】
【識別番号】100155033
【弁理士】
【氏名又は名称】境澤 正夫
(72)【発明者】
【氏名】森澤 友博
(72)【発明者】
【氏名】大森 慎哉
(72)【発明者】
【氏名】飯田 宏
(72)【発明者】
【氏名】宮▲崎▼ 英剛
(72)【発明者】
【氏名】秋山 敬太
(72)【発明者】
【氏名】許 正憲
(72)【発明者】
【氏名】澤田 郁郎
(72)【発明者】
【氏名】川村 善久
【テーマコード(参考)】
2D065
【Fターム(参考)】
2D065FA26
2D065GA01
(57)【要約】
【課題】水底地盤の泥土に含有されている水底資源を効率的に採取できる水底資源の採取システムおよび採取方法を提供する。
【解決手段】水上から水底地盤Bへ向けて揚収管2を延設し、揚収管2の下部に接続している挿入管3の少なくとも下部を水底地盤Bに挿入する。次いで、挿入管3の内部に液体Lを供給するとともに、揚収管2および挿入管3の内部を管軸方向に延在している回転軸4を回転させつつ、挿入管3の内部に配置した軸ブレ抑制手段9により回転軸4の軸ブレを抑制した状態で、回転軸4の下部に取付けられている撹拌翼6を挿入管3の内部で回転させることにより、挿入管3の内部の泥土Sを掘削して解泥する。そして、その解泥によってスラリー状にした泥土Sを挿入管3の上部へ上昇させ、その上昇させたスラリー状の泥土Sを揚収手段により揚収管2を通じて水上に揚収する。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水底資源が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する水底資源の採取システムにおいて、
水上から前記水底地盤に向かって延在する揚収管と、前記揚収管の下部に接続されている挿入管と、前記揚収管および前記挿入管の内部を管軸方向に延在している回転軸と、前記回転軸の下部に取付けられていて前記挿入管の内部に配置されている撹拌翼と、前記挿入管の内部に液体を供給する液体供給機構と、前記挿入管の内部に配置されていて前記回転軸の回転時の軸ブレを抑制する軸ブレ抑制手段とを備え、
前記挿入管の少なくとも下部が前記水底地盤に挿入された状態で、前記液体供給機構により前記挿入管の内部に前記液体が供給されるとともに、回転する前記回転軸の軸ブレが前記軸ブレ抑制手段によって抑制された状態で、前記回転軸の回転に伴って回転する前記撹拌翼により、前記挿入管の内部の前記泥土が掘削されて解泥され、その解泥によりスラリー状になった前記泥土が前記挿入管の上部に上昇し、その上昇したスラリー状の前記泥土が揚送手段により前記揚収管を通じて水上に揚収される構成にしたことを特徴とする水底資源の採取システム。
【請求項2】
前記軸ブレ抑制手段が、前記挿入管の内周面に当接する当接部を有している請求項1に記載の水底資源の採取システム。
【請求項3】
前記当接部として、前記撹拌翼の先端部から前記挿入管の内周面まで延在する弾性部材を備えている請求項2に記載の水底資源の採取システム。
【請求項4】
前記軸ブレ抑制手段として、前記回転軸に回転可能に軸支される軸受部と、平面視で前記軸受部から前記挿入管の内周面に向かって放射状に延在している複数のアームを有するアーム群と、それぞれの前記アームの先端部に設けられた前記当接部とを有する軸ブレ抑制ユニットを備えている請求項2または3に記載の水底資源の採取システム。
【請求項5】
前記撹拌翼の上方位置に前記軸ブレ抑制ユニットが配置されていて、前記軸ブレ抑制ユニットが前記撹拌翼とともに前記挿入管に対して管軸方向に移動する構成である請求項4に記載の水底資源の採取システム。
【請求項6】
水底資源が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する水底資源の採取方法において、
水上から前記水底地盤へ向けて揚収管を延設し、前記揚収管の下部に接続している挿入管の少なくとも下部を前記水底地盤に挿入した状態で、前記挿入管の内部に液体を供給するとともに、前記揚収管および前記挿入管の内部を管軸方向に延在している回転軸を回転させつつ、前記挿入管の内部に配置した軸ブレ抑制手段により前記回転軸の軸ブレを抑制した状態で、前記回転軸の下部に取付けられている撹拌翼を前記挿入管の内部で回転させることにより、前記挿入管の内部の前記泥土を掘削して解泥し、その解泥によってスラリー状にした前記泥土を前記挿入管の上部へ上昇させ、その上昇させたスラリー状の前記泥土を揚収手段により前記揚収管を通じて水上に揚収することを特徴とする水底資源の採取方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水底資源の採取システムおよび採取方法に関し、さらに詳しくは、水底地盤の泥土に含有されている水底資源を効率的に採取できる水底資源の採取システムおよび採取方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
海洋資源開発においては、深海に存在するレアアース等の水底資源が含有されている水底地盤の泥土を水などの液体とともにポンプリフトやエアリフト等の揚収手段を利用して水上の揚収船等に揚収している。泥土の土塊が大きいほど揚収するために多くの液量が必要となる。泥土とともに揚収される液量が多くなるほど揚収作業や泥土と液体とを分離する作業工数が増え、水底資源の採取に要するコストも高くなる。それ故、水底地盤の泥土に含有されている水底資源を効率的に採取するには、水底地盤の泥土を細かく解泥してより少ない液量で揚収することが重要である。
【0003】
従来、水底地盤の泥土を掘削して揚収するシステムが種々提案されている(特許文献1参照)。特許文献1の海洋資源揚鉱装置では、揚収管部の下部に設けられている回収ホッパを水底地盤の地表に対向させる。次いで、回転させたビットを水底地盤に貫入するとともに、ビットの下端部に設けられたノズルから海水よりも比重の軽いエマルション(界面活性剤を混ぜた油)を噴射することで水底地盤の泥土を掘削する。そして、水底地盤中から回収ホッパの上部にまで上昇した泥土およびエマルションを、揚収管部を介して水上に揚収している。この方法では、ビットによって掘削した水底地盤中の泥土の多くが水底地盤中で拡散してしまうため、泥土を細かく解泥できない。それ故、この海洋資源揚鉱装置では、泥土を上昇させるために海水よりも比重の軽いエマルションを水底地盤中に噴射している。しかしながら、多量のエマルションを水底地盤中に噴射し、揚収する必要があるため、揚収した泥土とエマルションとを分離する作業工数が増大し、水底資源の採取に要するコストが高くなる。また、水中に流出するエマルションにより水中環境が害されることも懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2019-11568号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の目的は、水底地盤の泥土に含有されている水底資源を効率的に採取できる水底資源の採取システムおよび採取方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するため、本発明の水底資源の採取システムは、水底資源が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する水底資源の採取システムにおいて、水上から前記水底地盤に向かって延在する揚収管と、前記揚収管の下部に接続されている挿入管と、前記揚収管および前記挿入管の内部を管軸方向に延在している回転軸と、前記回転軸の下部に取付けられていて前記挿入管の内部に配置されている撹拌翼と、前記挿入管の内部に液体を供給する液体供給機構と、前記挿入管の内部に配置されていて前記回転軸の回転時の軸ブレを抑制する軸ブレ抑制手段とを備え、前記挿入管の少なくとも下部が前記水底地盤に挿入された状態で、前記液体供給機構により前記挿入管の内部に前記液体が供給されるとともに、回転する前記回転軸の軸ブレが前記軸ブレ抑制手段によって抑制された状態で、前記回転軸の回転に伴って回転する前記撹拌翼により、前記挿入管の内部の前記泥土が掘削されて解泥され、その解泥によりスラリー状になった前記泥土が前記挿入管の上部に上昇し、その上昇したスラリー状の前記泥土が揚送手段により前記揚収管を通じて水上に揚収される構成にしたことを特徴とする。
【0007】
本発明の水底資源の採取方法は、水底資源が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する水底資源の採取方法において、水上から前記水底地盤へ向けて揚収管を延設し、前記揚収管の下部に接続している挿入管の少なくとも下部を前記水底地盤に挿入した状態で、前記挿入管の内部に液体を供給するとともに、前記揚収管および前記挿入管の内部を管軸方向に延在している回転軸を回転させつつ、前記挿入管の内部に配置した軸ブレ抑制手段により前記回転軸の軸ブレを抑制した状態で、前記回転軸の下部に取付けられている撹拌翼を前記挿入管の内部で回転させることにより、前記挿入管の内部の前記泥土を掘削して解泥し、その解泥によってスラリー状にした前記泥土を前記挿入管の上部へ上昇させ、その上昇させたスラリー状の前記泥土を揚収手段により前記揚収管を通じて水上に揚収することを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、水底地盤に挿入した挿入管の内部に液体を供給するとともに撹拌翼を回転させて、挿入管の内部で水底地盤の泥土を掘削、解泥することで、比較的少ない液量で泥土を効果的に細粒化してスラリー状にしつつ、挿入管の上部まで上昇させることが可能になる。しかも、挿入管の内部に配置した軸ブレ抑制手段によって回転軸の軸ブレを抑制することで、安定的に泥土を細粒化して揚収するには有利になる。それ故、泥土に含有されている水底資源を効率的に採取できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】本発明の水底資源の採取システムの実施形態の概要を例示する説明図である。
図2図1の挿入管の内部を平面視で例示する説明図である。
図3図2のA矢視で挿入管の内部を例示する説明図である。
図4図2のB矢視で挿入管の内部を例示する説明図である。
図5図1の挿入管を水底地盤に挿入した状態を例示する説明図である。
図6図5の状態から撹拌翼を水底地盤の所定深度まで貫入した状態を例示する説明図である。
図7図6の状態から挿入管の内部で撹拌翼を管軸方向に往復移動させている状態を例示する説明図である。
図8】本発明の水底資源の採取システムの別の実施形態の概要を例示する説明図である。
図9図8の挿入管の内部を平面視で例示する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の水底資源の採取システムおよび採取方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。本発明によって、レアアース等の水底資源(鉱物資源)が含有されている水底地盤の泥土を掘削して水上に揚収する。
【0011】
図1に例示する本発明の水底資源の採取システム1(以下、採取システム1という)は、水上から水底地盤Bに向かって延在する揚収管2と、揚収管2の下部に接続されている挿入管3と、揚収管2および挿入管3の内部を管軸方向に延在している回転軸4とを備えている。採取システム1はさらに、回転軸4の下部に取付けられた撹拌翼6と、挿入管3の内部に液体Lを供給する液体供給機構8と、挿入管3の内部に配置されている軸ブレ抑制手段9とを備えている。この実施形態では、揚収管2が水上の揚収船20に接続されている場合を例示しているが、揚収船20に限らず例えば、揚収管2が水上に設けられた揚収施設などに接続された構成にすることもできる。
【0012】
揚収管2と挿入管3は連通している。挿入管3の内径は揚収管2の内径よりも大きく設定されている。揚収管2と挿入管3との連結部分の内周面は滑らかに連続する曲面形状になっている。揚収管2の内径は例えば、0.2m以上1.0m以下の範囲内に設定され、挿入管3の内径は例えば、0.5m以上5m以下の範囲内に設定される。揚収管2には、挿入管3の上部に上昇した泥土Sを、揚収管2を通じて水上に揚送する揚送手段が接続されている。揚送手段は、例えば、エアリフトポンプやスラリーポンプ等で構成される。
【0013】
水底地盤Bの泥土Sを採取する際には、挿入管3は少なくとも下部が水底地盤Bに挿入された状態となり、挿入管3の上部は水底地盤Bの表面よりも上方に突出した状態となる。例えば、挿入管3の全長の50%以上が水底地盤Bに挿入された状態にする。挿入管3の管軸方向の長さは、水底資源が分布している地層の深さに応じて適宜設定されるが、例えば、2m以上20m以下の範囲内に設定される。この実施形態では、挿入管3の外周面に平面視で環状のストッパー3aが設けられている。このストッパー3aを境界にして、ストッパー3aよりも下側の挿入管3の領域が水底地盤Bに挿入された状態になり、ストッパー3aよりも上側の挿入管3の領域が水底地盤Bの表面よりも上方に突出した状態になる。
【0014】
回転軸4は、揚収船20から揚収管2および挿入管3を挿通して吊り下げられていて、駆動機構により軸回転する。図2図4に例示するように、この実施形態では、回転軸4の下部に対して着脱可能に連結されるヘッド5に、撹拌翼6が取付けられている。ヘッド5の下端部には水底地盤Bの泥土Sを掘削する掘削刃7が設けられている。掘削刃7よりも上方に位置するヘッド5の外周面に、複数の撹拌翼6で構成された撹拌翼群が設けられている。それぞれの撹拌翼6は、挿入管3の内周面に向かって延在している。同じ撹拌翼群を構成する複数の撹拌翼6は、回転軸4の周方向に間隔をあけて配置されている。
【0015】
この実施形態のそれぞれの撹拌翼6は平板状に形成されていて、回転軸4(ヘッド5)に接続されている根元部分から先端に向かって先細りするテーパ形状になっている。撹拌翼6の回転方向における前端部は鋭く尖った形状になっている。例えば、撹拌翼6の前端部を山と谷とが連続する鋸歯状にすることもできる。撹拌翼6は、平板状に限らず、例えば、スクリューの羽根のような湾曲した形状にすることもできる。
【0016】
この実施形態では、対向する位置に配置された2枚の撹拌翼6で構成された撹拌翼群が、回転軸4の軸方向に3段設けられている。最下段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼6は、回転方向に向かって下向きに傾斜している。中段の撹拌翼群と最上段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼6は、回転方向に向かって上向きに傾斜している。図4に例示するように、回転軸4の軸方向と撹拌翼6の延在方向とのなす角度θ(俯角)は例えば、10度以上80度以下、好ましくは20度以上70度以下、より好ましくは25度以上40度以下の範囲内に設定される。
【0017】
回転軸4の軸方向に隣り合う撹拌翼6どうしは、平面視で回転軸4の周方向にずれた位置に配置されている。挿入管3の内周面と撹拌翼6の先端との間には、50mm~500mm程度のすき間(クリアランス)が設けられている。撹拌翼6(回転軸4)の回転数は例えば10rpm~200rpmである。
【0018】
回転軸4の軸方向に設ける撹拌翼群の段数や、各段の撹拌翼群を構成する撹拌翼6の数などは、この実施形態に限定されず、異なる構成にすることもできる。例えば、3枚の撹拌翼6で構成された撹拌翼群が、回転軸4の軸方向に2段設けられた構成などにすることもできる。それぞれの撹拌翼群を構成する撹拌翼6は、平面視で回転軸4の軸芯を中心にして点対象になるように配置することが好ましい。それぞれの段の撹拌翼群を構成する撹拌翼6の傾斜方向は、この実施形態に限定されず、例えば、最上段の撹拌翼群や中段の撹拌翼群を構成する撹拌翼6が回転方向に向かって下向きに傾斜している構成にすることもできる。
【0019】
液体供給機構8は、液体Lとして例えば、水(海水や淡水)を供給する。現場で入手できる現場水(海水や淡水)を利用すると便利である。その他に、液体Lとして例えば、水に添加剤を加えた液体や、水以外の液体を供給する構成にすることもできる。この実施形態の液体供給機構8は、撹拌翼6の先端部に設けられた噴射ノズル8aを有している。それぞれの噴射ノズル8aは、挿入管3の内周面に向かって液体Lを噴射する。水上(揚収船20)に設置された液体供給装置により、回転軸4に内部に延設された主管と、主管の下部で複数に分岐した配管8bとを通じて、それぞれの噴射ノズル8aに液体Lが供給される構成になっている。
【0020】
噴射ノズル8aおよび配管8bは、撹拌翼6の回転方向に対して撹拌翼6の背後側になる面に付設されている。例えば、噴射ノズル8aおよび配管8bを撹拌翼6に内設して撹拌翼6の先端から液体Lが噴射される構成にすることもできる。この実施形態では、全ての撹拌翼6にそれぞれ噴射ノズル8aが設けられているが、一部の撹拌翼6に選択的に噴射ノズル8aを設けることもできる。即ち、例えば、最下段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼6にだけ噴射ノズル8aを設けることもできる。
【0021】
一部の撹拌翼6に選択的に噴射ノズル8aを設ける場合にも、各段に設ける噴射ノズル8aは、平面視で回転軸4の軸芯を中心にして点対象になるように配置することが好ましい。なお、液体供給機構8は、挿入管3の内部に液体Lを供給できる構成であればよく、この実施形態の構成に限定されない。例えば、液体供給機構8として、挿入管3の内部に配置されている回転軸4の下部(ヘッド5)に、液体Lを吐出する吐出ノズルを設けることもできる。
【0022】
軸ブレ抑制手段9は、挿入管3の内部に配置されていて、回転軸4の回転時の軸ブレを抑制する。軸ブレ抑制手段9は、挿入管3の内周面に当接可能な当接部10を有する。当接部10は、挿入管3の内周面に常時当接する仕様であっても、回転軸4が許容範囲を超えて屈曲した時にだけ挿入管3の内周面に当接する仕様であってもよい。この実施形態では、軸ブレ抑制手段9を構成する当接部10として、撹拌翼6の先端部から挿入管3の内周面まで延在する弾性部材を備えている。弾性部材は例えば、ゴムや樹脂などの弾性を有する材料で形成された板状部材で構成される。回転軸4が挿入管3の管軸中心から管軸方向に直交する方向に許容範囲を超えて位置ずれしたときに、回転軸4が位置ずれした方向に位置する少なくとも1つの弾性部材の先端部が、挿入管3の内周面に押し当てられて湾曲または圧縮した状態になる構成になっている。
【0023】
この実施形態では、全ての撹拌翼6にそれぞれ弾性部材を設けているが、例えば、一部の撹拌翼6に選択的に弾性部材を設けることもできる。一部の撹拌翼6に選択的に弾性部材を設ける場合にも、各段に設ける弾性部材は、平面視で回転軸4の軸芯を中心にして点対象になる位置に配置することが好ましい。
【0024】
この実施形態では、撹拌翼6とその撹拌翼6に取付けられている弾性部材とが同じ向きに傾斜している。即ち、最下段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼6に設けられている弾性部材は、回転方向に向かって下向きに傾斜している。中段と最上段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼6に設けられている弾性部材は、回転方向に向かって上向きに傾斜している。
【0025】
次に、この採取システム1を用いて水底資源を採取する方法の手順の一例を以下に説明する。
【0026】
揚収管2の下部に挿入管3を接続し、挿入管3の上部の内部にヘッド5を着脱可能に固定しておく。そして、図5に例示するように、水上(揚収船20)から水底地盤Bへ向けて揚収管2を延設し、揚収管2の下部に接続されている挿入管3の少なくとも下部を水底地盤Bに挿入する。この際、ヘッド5が収容されている挿入管3の上部は水底地盤Bに挿入せずに、ヘッド5を水底地盤Bの表面よりも上方に配置した状態にする。この段階では、水底地盤Bに挿入されている挿入管3の下部の内部は水底地盤Bの泥土Sで満たされた状態になっている。水底地盤Bに挿入されていない挿入管3の上部の内部は、水域の水Wで満たされた状態になっている。
【0027】
この実施形態では、挿入管3の外側に設けられているストッパー3aが水底地盤Bの地表に当接する位置まで挿入管3を水底地盤Bに挿入すると、水底資源が分布している地層の深さまで挿入管3の下部が挿入される。ヘッド5が収容されている挿入管3の上部は水底地盤Bの地表よりも上方に突出した状態となる。
【0028】
次いで、回転軸4を、揚収管2および挿入管3の内部に挿通させた状態で水上(揚収船20)から水底地盤Bへ向けて降下させて、回転軸4の下端部にヘッド5(撹拌翼6)を連結する。回転軸4の下端部にヘッド5を連結した状態で、回転軸4をさらに水底地盤Bへ向けて下方移動させると挿入管3からヘッド5が外れる。その結果、回転軸4と一体化したヘッド5(撹拌翼6)が管軸方向に移動可能な状態となる。
【0029】
次いで、図6に例示するように、液体供給機構8により挿入管3の内部に液体Lを供給するとともに、回転軸4を回転させる。そして、回転する回転軸4の下部(ヘッド5)に取付けられている撹拌翼6を挿入管3の内部で回転させることにより、挿入管3の内部の泥土Sを掘削して解泥する。この際、挿入管3の内部に配置した軸ブレ抑制手段9により回転軸4の軸ブレを抑制する。そして、図7に例示するように、その解泥によってスラリー状にした泥土Sを撹拌翼6の回転によって発生させた撹拌流によって挿入管3の上部へ上昇させ、その上昇させたスラリー状の泥土Sを揚収手段により揚収管2を通じて水上(揚収船20)に揚収する。
【0030】
より具体的には、図5に例示するように、撹拌翼6を水底地盤Bの表面よりも上方に配置した状態で、噴射ノズル8aによる液体Lの噴射を開始し、それぞれの撹拌翼6の先端部に設けられている弾性部材(当接部10)の先端部を挿入管3の内周面に当接させた状態で、回転軸4を回転駆動させて撹拌翼6(弾性部材)を回転させた状態にする。そして、図6に例示するように、噴射ノズル8aから挿入管3の内周面に向かって液体Lを高圧で噴射しつつ、回転させた状態の撹拌翼6を水底地盤Bの表面から所定深度まで下方移動させて、挿入管3の内部の泥土Sを掘削する。この際、挿入管3の下端3bよりも深い位置までは掘削せずに、挿入管3の中途位置の所定深度まで泥土Sを掘削する。
【0031】
回転する撹拌翼6により挿入管3の中央側の泥土Sが掘削され、撹拌翼6の先端部に設けられた弾性部材と噴射ノズル8aから高圧噴射される液体Lとにより、撹拌翼6の先端と挿入管3の内周面との間の泥土Sが掘削、解泥される。この実施形態では、最下段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼6および弾性部材が、回転方向に向かって下向きに傾斜している。そのため、最下段の撹拌翼群を構成する撹拌翼6および弾性部材によって掘削、解泥された泥土Sは上方移動し、その上方移動した泥土Sが中段の撹拌翼群と最上段の撹拌翼群を構成する撹拌翼6によってさらに細粒化される。
【0032】
この泥土Sを掘削、解泥しているときには、それぞれの弾性部材の先端部は挿入管3の内周面に当接して湾曲または圧縮されて、それぞれの弾性部材から撹拌翼6に対して管軸中心に向けた付勢力が付与された状態となる。この弾性部材から付与される付勢力により、回転軸4は挿入管3の管軸中心に維持され、回転軸4の管軸方向と直交する方向の移動(軸ブレ)が抑制される。回転軸4の偏芯が抑制されることに伴い、回転する撹拌翼6の偏芯も抑制される。
【0033】
海底資源を採取する場合は、回転軸4は相当の長さになる。このような回転軸4の下端部が水底地盤Bに押付けられることで、回転軸4には曲げ変形が生じて軸芯位置がずれて偏芯する。偏芯の程度が大きくなると、撹拌翼6による正常な撹拌ができなくなる。そのため、採取システム1の性能を安定的に確保するには、軸ブレ抑制手段9(当接部10)は極めて有効に機能する。
【0034】
その後、図7に例示するように、挿入管3の内部で、噴射ノズル8aから液体Lを噴射しつつ、回転させた状態の撹拌翼6を管軸方向に複数回往復移動させて、挿入管3の内部の泥土Sを繰り返し解泥する。これにより、挿入管3の内部の泥土Sはさらに細粒化され、挿入管3の内部の細粒化された泥土Sが、挿入管3の内部の液体(水域の水Wと液体供給機構8によって供給された液体Lとを含む)に紛れて浮遊した状態、即ち、挿入管3の内部がスラリー状の泥土Sで満たされた状態となる。液体供給機構8により挿入管3の内部に新たな液体Lが供給されることで、挿入管3の内部の水Wや泥土Sが新たに供給された液体Lに置換されることが促進される。さらに、撹拌翼6の回転によって挿入管3の内部に撹拌流が発生することで、挿入管3の内部で細粒化された泥土Sは挿入管3の上部まで上昇し易くなる。挿入管3の上部に上昇したスラリー状の泥土Sは揚収手段によって揚収管2を通じて水上(揚収船20)に順次揚収される。
【0035】
このように、本発明では、水底地盤Bに挿入した挿入管3の内部に液体Lを供給するとともに撹拌翼6を回転させて、挿入管3の内部で水底地盤Bの泥土Sを掘削、解泥することで、比較的少ない液量で泥土Sを効果的に細粒化しつつ、挿入管3の上部まで上昇させることが可能になる。しかも、挿入管3の内部に配置した軸ブレ抑制手段9によって回転軸4の軸ブレを抑制することで、安定的に泥土Sを細粒化して揚収するには有利になる。それ故、泥土Sに含有されている水底資源を効率的に採取できる。加えて、軸ブレ抑制手段9によって回転軸4の軸ブレを抑制することで、撹拌翼6が挿入管3に接触して損傷することをより確実に防ぐことができる。
【0036】
また、深海で使用する揚収管2の内径は小さく、揚収管2の内周面と回転軸4との間のすき間は比較的狭いが、挿入管3の内部の泥土Sは土塊の少ない細粒化した状態で揚収管2に流れ込む。軸ブレ抑制手段9により回転軸4は揚収管2および挿入管3の管軸中心に維持されるので、揚収管2に泥土Sが詰まり難くなる。それ故、揚収管2に不具合が生じ難く、水底地盤Bの泥土Sを非常に円滑に揚収できる。また、挿入管3の内部に液体Lを供給して挿入管3の内部で泥土Sを掘削、解泥するので、液体Lとして水以外を供給する場合にも液体Lが挿入管3の外部の水中に流出し難い。
【0037】
さらに、挿入管3の内部に軸ブレ抑制手段9を設けることで、回転軸4の管軸方向と直交する方向の移動量を小さくできる。これにより、挿入管3の内周面と撹拌翼6の先端との間のすき間(クリアランス)の大きさを比較的小さく設定することが可能になる。軸ブレ抑制手段9を設けない場合よりも、撹拌翼6を挿入管3の内周面により近い位置まで延在させることが可能になるので、挿入管3の内部の泥土Sを撹拌翼6によってより効率よく掘削、解泥することが可能になる。
【0038】
泥土Sを効率的に解泥し、効果的な撹拌流を発生させるには、撹拌翼6の回転数を20rpm以上、より好ましくは40rpm以上にするとよい。特に、泥土Sを上昇させる撹拌流を発生させるには、撹拌翼6の回転数を相応に速くする必要がある。一方、撹拌翼6を高速で回転させるには限界があるので、回転数の上限は例えば80rpm、或いは60rpm程度にする。
【0039】
少なくとも1つの撹拌翼6の先端部に液体供給機構8が設けられていて、この液体供給機構8が挿入管3の内周面に向かって液体Lを噴射する噴射ノズル8aを有している構成にすると、撹拌翼6が届かない撹拌翼6の先端と挿入管3の内周面との間の泥土Sを、噴射ノズル8aから噴射した液体Lによって掘削、解泥できる。それ故、挿入管3の内部の泥土Sを網羅的に揚収することが可能になる。さらに、挿入管3の内周面に近い撹拌翼6の先端部に噴射ノズル8aを配置することで、撹拌翼6の先端と挿入管3の内周面との間の泥土Sを切削するのに必要な液体Lの噴射圧を比較的低くできる。それ故、比較的少ない液量で撹拌翼6の先端と挿入管3の内周面との間の泥土Sを効率よく掘削、解泥できる。
【0040】
当接部10として、撹拌翼6の先端部から挿入管3の内周面まで延在する弾性部材を備えた構成にすると、非常に簡素な構成でありながら、挿入管3の内周面に当接した弾性部材による付勢力により、回転軸4の軸ブレを効果的に抑制できる。特に、平面視で回転軸4の軸芯を中心にして点対象になるように弾性部材を配置すると、回転軸4の軸ブレをより効果的に抑制できる。さらに、撹拌翼6の先端部と挿入管3の内周面との間に弾性部材が介在することで、撹拌翼6が挿入管3に接触して損傷することをより確実に防ぐことができる。
【0041】
さらに、撹拌翼6が届かない撹拌翼6の先端と挿入管3の内周面との間の泥土Sを弾性部材によって掘削、解泥できるので、挿入管3の内部の泥土Sを網羅的に揚収するには有利になる。また、当接部10はスクレーパとしても機能し、挿入管3の内部の泥土Sを揚収し終えた後に挿入管3の内周面に付着して残る泥土Sがより少なくなる。挿入管3を挿入する位置を変えて泥土Sの揚収作業を複数回行う場合は、水底地盤Bの新たな位置に挿入管3を挿入する際の抵抗が大きくならず、挿入管3を円滑に挿入できる。揚収作業を終えた後の挿入管3のメンテナンスに要する労力も低減できる。
【0042】
この実施形態のように、弾性部材と噴射ノズル8aとを兼ね備えた構成にすると、撹拌翼6の先端と挿入管3の内周面との間の泥土Sを弾性部材と噴射ノズル8aから噴射した液体Lとによってより効率よく掘削、解泥できる。それ故、挿入管3の内部の泥土Sを網羅的に揚収するにはより一層有利になる。
【0043】
最下段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼6が、回転方向に向かって下向きに傾斜している構成にすると、最下段の撹拌翼群を構成する撹拌翼6によって掘削、解泥された泥土Sが上方に向かい、その上方の段の撹拌翼群を構成する撹拌翼6によってさらに解泥される。それ故、泥土Sを非常に効率よく細粒化できる。また、最下段の撹拌翼群を構成する撹拌翼6によって掘削、解泥された泥土Sや挿入管3の内部の液体(水域の水Wと液体L)が、挿入管3の下部開口から挿入管3の外部に流出し難くなるので、挿入管3の内部の泥土Sを効率的に揚収するには有利になる。さらに、最下段の撹拌翼群を構成する撹拌翼6によって挿入管3の内部に、泥土Sが上昇し易い撹拌流が発生するため、解泥された泥土Sが沈降し難くなり、挿入管3の上部に向かって上昇し易くなる。
【0044】
最上段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼6が、回転方向に向かって上向きに傾斜している構成にすると、最上段の撹拌翼群を構成する撹拌翼6に衝突した泥土Sが下方に向かい、その下方の段の撹拌翼6によってさらに解泥される。それ故、泥土Sを効率的に細粒化するには有利になる。
【0045】
一方で、最上段の撹拌翼群を構成するそれぞれの撹拌翼6が、回転方向に向かって下向きに傾斜している構成にすると、最上段の撹拌翼群を構成する撹拌翼6によって挿入管3の内部に、解泥された泥土Sが上昇し易い撹拌流が発生する。そのため、解泥された泥土Sが挿入管3の上部に向かってより上昇し易くなる。
【0046】
弾性部材が、取付けられている撹拌翼6と同じ向きに傾斜している構成にすると、泥土S中において弾性部材が撹拌翼6とともに回転し易くなり、泥土Sを円滑に掘削、解泥するには有利になる。また、弾性部材により、前述した撹拌翼6を回転方向に向かって傾斜させることによる効果と概ね同じ効果を奏することができる。
【0047】
図8図9に例示する別の実施形態の採取システム1のように、軸ブレ抑制手段9は、例えば軸ブレ抑制ユニット11で構成することもできる。採取システム1のその他の構成は、先に例示した実施形態と同じである。尚、図9では、ヘッド5、撹拌翼6および噴射ノズル8aを省略して図示している。
【0048】
軸ブレ抑制ユニット11は、回転軸4に外嵌めされた軸受部12と、軸受部12に連結された複数のアーム13で構成されたアーム群と、それぞれのアーム13の先端部に設けられた当接部10とを有して構成されている。軸受部12は、回転軸4に回転可能に軸支されている。
【0049】
平面視で複数のアーム13が回転軸4を中心にして軸受部12から挿入管3の内周面に向かって放射状に延在している。この実施形態ではアーム群が、4本のアーム13を有する場合を例示しているが、アーム13の本数は2本以上であれば特に限定されず、例えば、3本のアーム13を有する構成や、5本以上のアーム13を有する構成にすることもできる。この実施形態の当接部10は、挿入管3の内周面に当接して管軸方向に回転するローラ15で構成されている。当接部10はその他にも例えば、挿入管3の内周面に当接した状態で管軸方向に滑動可能な滑動部材や、挿入管3の内周面に固定された固定部材などで構成することもできる。
【0050】
この実施形態の軸ブレ抑制ユニット11は撹拌翼6の直上に配置されている。この軸ブレ抑制ユニット11は、撹拌翼6(ヘッド5)に追従して挿入管3の内部で管軸方向に移動することで、軸ブレ抑制ユニット11と撹拌翼6との管軸方向の離間距離が一定に保たれる構成になっている。即ち、この軸ブレ抑制ユニット11(軸受部12)は、回転軸4に外嵌めされた状態で、回転軸4とともに管軸方向に移動する構成になっている。
【0051】
この採取システム1を用いて水底資源の採取を行なう方法は先に例示した実施形態と概ね同じである。ただし、この実施形態では、揚収管2の下部に接続されている挿入管3の下部を水底地盤Bに挿入する際に、ヘッド5と軸ブレ抑制ユニット11が収容されている挿入管3の上部は水底地盤Bに挿入せずに、ヘッド5と軸ブレ抑制ユニット11を水底地盤Bの表面よりも上方に配置した状態にする。
【0052】
次いで、回転軸4を、揚収管2および挿入管3の内部に挿通させた状態で水上(揚収船20)から水底地盤Bへ向けて降下させて、回転軸4を軸ブレ抑制ユニット11の軸受部12に挿通させ、回転軸4の下端部にヘッド5(撹拌翼6)を連結する。回転軸4の下端部にヘッド5を連結した状態で、回転軸4をさらに水底地盤Bへ向けて下方移動させると挿入管3からヘッド5および軸ブレ抑制ユニット11が外れる。その結果、回転軸4と一体化したヘッド5(撹拌翼6)および軸ブレ抑制ユニット11が管軸方向に移動可能な状態となる。その後の作業手順は先に例示した実施形態と同じである。
【0053】
この実施形態のように、軸ブレ抑制手段9として軸ブレ抑制ユニット11を備えた構成にすると、当接部10が挿入管3の内周面に当接することにより、回転軸4の軸芯位置のずれが規制された状態となり、回転軸4が管軸中心に維持される。それ故、回転軸4の回転時の軸ブレを効果的に抑制できる。さらに、軸受部12が、回転軸4に回転可能に軸支されていることで、回転軸4が高速回転している場合にも、軸ブレ抑制ユニット11の回転を抑制できる。それ故、アーム13や当接部10に大きな負荷がかかることを回避できる。
【0054】
軸ブレ抑制ユニット11は、最下段の撹拌翼6、より好ましくは最上段の撹拌翼6よりも上方に配置することが好ましい。軸ブレ抑制ユニット11を撹拌翼6よりも上方に配置することで、泥土Sの掘削時に軸ブレ抑制ユニット11にかかる抵抗を小さくでき、水底地盤Bをより掘削し易くなる。特に、撹拌翼6の上方位置に軸ブレ抑制ユニット11が配置されていて、撹拌翼6とともに軸ブレ抑制ユニット11が管軸方向に移動する構成にすると、軸ブレ抑制ユニット11が常に撹拌翼6に近い位置で回転軸4の軸ブレを抑制した状態になる。そのため、撹拌翼6が管軸方向と直交する方向によりブレ難くなり、撹拌翼6が挿入管3に接触して損傷することをより確実に防ぐことができる。
【0055】
この実施形態のように、アーム13の先端部に設ける当接部10を、挿入管3の内周面に当接して管軸方向に回転するローラ15で構成すると、回転軸4とともに軸ブレ抑制ユニット11を挿入管3に対して管軸方向に円滑に移動させ易くなる。例えば、当接部10を、挿入管3の内周面との摩擦が小さい滑動部材で構成し、滑動部材が挿入管3の内周面に当接して管軸方向に滑動する構成した場合にも概ね同じ効果を奏することができる。
【0056】
なお、軸ブレ抑制手段9は、挿入管3の内部に配置されていて回転軸4の回転時の軸ブレを抑制するものであれば、上記で例示した弾性部材および軸ブレ抑制ユニット11に限定されず、他にも様々な構成にすることができる。例えば、軸ブレ抑制ユニット11が撹拌翼6と独立して、挿入管3の内部で管軸方向に移動する構成にすることもできる。また、例えば、軸ブレ抑制ユニット11(当接部10)が挿入管3の内部の所定位置に固定されていて、軸ブレ抑制ユニット11(軸受部12)に対して回転軸4が管軸方向に相対移動可能な構成にすることもできる。また、例えば、軸ブレ抑制手段9として弾性部材と軸ブレ抑制ユニット11とを兼ね備えた構成にすることもできる。
【符号の説明】
【0057】
1 水底資源の採取システム
2 揚収管
3 挿入管
3a ストッパー
3b 下端
4 回転軸
5 ヘッド
6 撹拌翼
7 掘削刃
8 液体供給機構
8a 噴射ノズル
8b 配管
9 軸ブレ抑制手段
10 当接部
11 軸ブレ抑制ユニット
12 軸受部
13 アーム
20 揚収船
B 水底地盤
S 泥土
L 液体
W 水
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9