特開 2022-139628 水流揚鉱システムおよびこれを用いた水流揚鉱方法

(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】P2022139628

(43)【公開日】2022-09-26

(54)【発明の名称】水流揚鉱システムおよびこれを用いた水流揚鉱方法

(51)【国際特許分類】

   F04B 23/10 20060101AFI20220915BHJP

   F04B 15/02 20060101ALI20220915BHJP

   E21C 50/00 20060101ALI20220915BHJP

【ＦＩ】

F04B23/10

F04B15/02 Z

E21C50/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021040105

(22)【出願日】2021-03-12

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）経済産業省資源エネルギー庁 令和２年度 海洋鉱物資源開発に向けた資源量評価・生産技術等調査、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000165974

【氏名又は名称】古河機械金属株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504117958

【氏名又は名称】独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構

(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

(74)【代理人】

【識別番号】100066980

【弁理士】

【氏名又は名称】森 哲也

(72)【発明者】

【氏名】林元 和智

【テーマコード（参考）】

2D065

3H071

3H075

【Ｆターム（参考）】

2D065FA12

2D065FA23

3H071AA01

3H071AA13

3H071AA15

3H071BB15

3H071CC11

3H071CC35

3H071DD14

3H071DD31

3H075AA12

3H075BB02

3H075BB20

3H075BB21

3H075CC25

3H075CC37

3H075DA09

3H075DA24

(57)【要約】

【課題】海洋資源の移送効率を向上させるとともにメンテナンス性に優れた水流揚鉱システムおよびこれを用いた水流揚鉱方法を提供する。
【解決手段】この水流揚鉱システム３００Ａは、往路水流管３１１および復路水流管３１２を有するとともに往路水流管３１１から復路水流管３１２に向かう水流を形成するように構成される循環管路３１０と、往路水流管３１１に高圧水を注入可能に設置される高圧ポンプ３２０と、揚鉱機器２００Ａによる海洋資源を復路水流管３１２に注入可能に設置されるピストンポンプ１と、ピストンポンプ１で注入された海洋資源を復路水流管３１２から回収可能に設置される回収ホッパ３３０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

海洋資源を水流中に注入して移送する水流揚鉱システムであって、
往路水流管および復路水流管を有するとともに前記往路水流管から前記復路水流管に向かう水流を形成するように構成される循環管路と、
前記往路水流管に高圧水を注入可能に設置される高圧ポンプと、
前記海洋資源を前記循環管路に注入可能に設置されるピストンポンプと、
前記海洋資源を前記復路水流管から回収可能に設置される回収ホッパと、
を備えることを特徴とする水流揚鉱システム。

【請求項2】

前記海洋資源は、海底の鉱床で掘削された鉱石であり、
前記高圧ポンプは、前記往路水流管に高圧水を注入可能に洋上基地に設置され、
前記ピストンポンプは、前記海洋資源を前記循環管路に注入可能に海底またはその近傍に配置される揚鉱機器に設置され、
前記循環管路は、前記往路水流管が前記洋上基地から前記揚鉱機器まで延設されるとともに、前記復路水流管が前記揚鉱機器から前記洋上基地の前記回収ホッパに前記海洋資源を回収可能に延設され、前記洋上基地から前記揚鉱機器側に向かう水流を再び前記洋上基地まで戻す水流を形成するように構成されている請求項１に記載の水流揚鉱システム。

【請求項3】

前記ピストンポンプは、当該ピストンポンプ内の前記海洋資源を前記復路水流管に注入可能に前記復路水流管に接続される吐出配管と、該吐出配管の側からの前記海洋資源の逆流を防止する逆流防止機構と、を有する請求項１または２に記載の水流揚鉱システム。

【請求項4】

前記ピストンポンプは、当該ピストンポンプ内の前記海洋資源を前記復路水流管に注入可能に前記復路水流管に接続される吐出配管を有し、
前記復路水流管には、当該復路水流管に前記吐出配管が接続された箇所に対向する位置に、前記吐出配管が接続された箇所を開閉する逆止弁機構が配設されている請求項１または２に記載の水流揚鉱システム。

【請求項5】

請求項２～４のいずれか一項に記載の水流揚鉱システムを用いて海洋資源を移送する方法であって、
前記ピストンポンプにより前記循環管路に海洋資源を注入し、その海洋資源を前記循環管路の水流に乗せて洋上基地まで移送することを特徴とする水流揚鉱方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば海底熱水鉱床で採鉱される鉱石などの海洋資源を海底から揚鉱する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、各種産業機器を製造する上で必要不可欠な金属であり存在量が少ない有用金属の価格が高騰している。有用金属は産業上必要不可欠なものである。しかし、可採量が少ないだけでなく、産出国が限られているため地政学的リスクが存在している。そこで、有用金属含有鉱物の中でも、海底熱水鉱床などに存在する海洋資源が注目されている。

【0003】

海底熱水鉱床などから海洋資源を揚鉱する方法として、揚鉱ポンプを用いたポンプリフト方式が試みられている。これまで、この種の鉱床において、ドラムカッタやカッタヘッド等の掘削ヘッドを備えた採鉱機により海中で鉱石を破砕し、その破砕した鉱石の礫を海中でスラリとし、そのスラリを揚鉱ポンプに向けて移送する採鉱装置が提案されている（例えば非特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】海底熱水鉱床開発計画 第一期最終評価報告書（独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、海底熱水鉱床の鉱石を移送する揚鉱ポンプとしては、多段遠心ポンプが採用されている。多段遠心ポンプは、複数のインペラと複数のボリュート室とを有する複雑な接液部形状となっており、接液部品は、スーパー２相ステンレスや高クロム鋳鉄等が採用される。

【0006】

しかしながら、陸上での遠心ポンプを用いたスラリ移送では、接液部品が摩耗した場合、その場所での接液部品の交換も可能であるものの、海底熱水鉱床などの海洋資源が存在する深海からの多段遠心ポンプを用いたスラリ移送にあっては、接液部品を交換する場合、深海から船上に多段遠心ポンプを引き上げて部品の交換作業を行う必要がある。
そのため、商業化レベルでの稼働においては、複雑な接液部形状を持つ多段遠心ポンプの接液部品が早期摩耗した場合、接液部品の交換に多くの時間と費用が必要なことが問題と考えられている。

【0007】

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、海洋資源の移送効率を向上させるとともにメンテナンス性に優れたシンプルな構成で海底から洋上までの揚鉱が可能な、水流揚鉱システムおよびこれを用いた水流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】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る水流揚鉱システムは、海洋資源を水流中に注入して移送する水流揚鉱システムであって、往路水流管および復路水流管を有するとともに前記往路水流管から前記復路水流管に向かう水流を形成するように構成される循環管路と、前記往路水流管に高圧水を注入可能に設置される高圧ポンプと、前記海洋資源を前記循環管路に注入可能に設置されるピストンポンプと、前記海洋資源を前記復路水流管から回収可能に設置される回収ホッパと、を備えることを特徴とする。

【0009】

本発明の一態様に係る水流揚鉱システムによれば、高圧ポンプから圧送される高圧水により、往路水流管から復路水流管に向かう水流をつくり、その水流中にピストンポンプで海洋資源を注入して海洋資源を移送するという、水流を利用した移送システムを構築している。これにより、極めてシンプルな構成によって海洋資源の長距離移送が可能になる。よって、海洋資源の移送効率を向上させるとともにメンテナンス性に優れている。

【0010】

ここで、本発明の一態様に係る水流揚鉱システムにおいて、前記海洋資源は、海底の鉱床で掘削された鉱石であり、前記高圧ポンプは、前記往路水流管に高圧水を注入可能に洋上基地に設置され、前記ピストンポンプは、前記海洋資源を前記循環管路に注入可能に海底またはその近傍に配置される揚鉱機器に設置され、前記循環管路は、前記往路水流管が前記洋上基地から前記揚鉱機器まで延設されるとともに、前記復路水流管が前記揚鉱機器から前記洋上基地の前記回収ホッパに前記海洋資源を回収可能に延設され、前記洋上基地から前記揚鉱機器側に向かう水流を再び前記洋上基地まで戻す水流を形成するように構成されていることは好ましい。

【0011】

このような構成であれば、洋上基地に設置した高圧ポンプから圧送される高圧水により洋上基地と揚鉱機器との間に往路水流管から復路水流管に向かう水流をつくり、揚鉱機器に配置したピストンポンプで海洋資源を水流中に注入して海洋資源を移送する、水流を利用した移送システムを構築できる。
そのため、極めてシンプルな構成によって、揚鉱機器から洋上基地までの海洋資源の長距離移送が可能になる。そして、洋上基地と揚鉱機器との間の水流をつくるための高圧ポンプは洋上基地に設置されるため、そのメンテナンスが容易である。さらに、この高圧ポンプは、専ら海水を圧送する運転なので、接液部品の摩耗は極めて少なく、多段遠心ポンプによる鉱石圧送の場合のような接液部品の早期摩耗が生じるおそれがほとんどない。そのため、メンテナンス費用も大幅に削減できる。

【0012】

さらに、循環管路の水流中に海洋資源を注入するために、揚鉱機器に配置したピストンポンプは、摺動部品の定期的な交換は必要なものの、メンテナンスを必要とするポンプとしては、海洋資源を水流中に注入するピストンポンプが一台のみで済む。
そのため、運転管理の簡便化が図れるうえ、シンプルな構成によって海洋資源を水流中に注入可能である。よって、多段遠心ポンプで海洋資源のスラリを圧送する場合と比較して、部品の交換作業をするメンテナンス頻度が少なく、稼働効率を向上させることができる。

【0013】

また、多段遠心ポンプで鉱石スラリを圧送する場合、圧送可能なスラリ濃度は１５ｖｏｌ％以下であって、さらに安全をみると１０ｖｏｌ％以下に制限されるところ、本発明の一態様に係る水流揚鉱システムであれば、圧送可能なスラリ濃度が１５ｖｏｌ％以上の高濃度スラリであっても移送可能となる。

【0014】

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る水流揚鉱方法は、本発明の一態様に係る水流揚鉱システムを用いて海洋資源を移送する方法であって、前記ピストンポンプにより前記循環管路に海洋資源を注入し、その海洋資源を前記循環管路の水流に乗せて洋上基地まで移送することを特徴とする。
本発明の一態様に係る水流揚鉱方法によれば、本発明の一態様に係る水流揚鉱システムを用いて、海底で掘削した鉱石等の海洋資源を循環管路の水流に乗せて洋上基地まで移送するので、海洋資源の移送効率を向上させることができるとともにメンテナンス性に優れている。

【発明の効果】

【0015】

上述のように、本発明によれば、海洋資源の移送効率を向上させるとともにメンテナンス性に優れている。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一態様に係る水流揚鉱システムを用いた水流揚鉱方法の第一実施形態を示す模式的全体構成図である。

【図2】本発明の一態様に係る逆流防止機構付のピストンポンプの一実施形態の縦断面図である。

【図3】図２のピストンポンプをポンプシリンダ側から見たＹ－Ｙ断面図である。

【図4】スラスト荷重を受けるウェアプレートの支持部部分の構造を説明する図であり、同図（ａ）は図２の要部拡大図、（ｂ）は図２（ａ）のＺ－Ｚ断面図である。

【図5】図２に示すピストンポンプにおける逆流防止機構の作動説明図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）であり、同図は、図２のＸ－Ｘ断面から見た動作のイメージを示している。

【図6】従来の揺動管方式のピストンポンプの一例を説明する縦断面図である。

【図7】従来の揺動管方式のピストンポンプの作動説明図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）であり、各図はポンプシリンダ側から見た断面を示している。

【図8】本発明に係る水流揚鉱システムの循環管路への鉱石の注入装置として、逆流防止機構を有しないピストンポンプと逆止弁とを用いた、第二実施形態の水流揚鉱システムの全体構成図である。

【図9】第二実施形態の水流揚鉱システムにおいて、逆流防止機構を有しないピストンポンプのスイングバルブの切り替え時に、逆止弁を閉じた状態の説明図である。

【図10】第二実施形態の水流揚鉱システムにおいて、逆止弁を開いた状態にて、逆流防止機構を有しないピストンポンプで循環管路に鉱石を注入する状態の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

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。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】

まず、第一実施形態の水流揚鉱システムおよびこれを用いた水流揚鉱方法について説明する。本実施形態は、図１に示すように、海底ＳＢの海底熱水鉱床Ｔを、採鉱機（不図示）を用いて掘削し、海洋資源である掘削した鉱石を、本発明に係る水流揚鉱システム３００Ａによって洋上ＳＬの洋上基地Ｇまで揚鉱する水流揚鉱方法である。
水流揚鉱システム３００Ａは、同図に示すように、洋上基地Ｇから海底ＳＢに垂下される揚鉱機器２００Ａと、循環管路３１０と、を備える。揚鉱機器２００Ａには、逆流防止機構付きのピストンポンプ１が装備されている。循環管路３１０は、海底ＳＢの近傍まで延設された往路水流管３１１と、海底ＳＢの近傍から洋上基地Ｇまで延設された復路水流管３１２と、を有する。

【0019】

洋上基地Ｇは例えば船舶であり、洋上基地Ｇには高圧ポンプ３２０が設置されている。本実施形態の水流揚鉱システム３００Ａは、この高圧ポンプ３２０で往路水流管３１１に高圧水を注入して、往路水流管３１１により洋上基地Ｇから海底ＳＢに向かう水流を、復路水流管３１２で再び洋上基地Ｇまで戻す循環流が形成されるようになっている。
さらに、本実施形態の水流揚鉱システム３００Ａは、復路水流管３１２に対して、逆流防止機構付きのピストンポンプ１で掘削した鉱石を注入して、循環管路３１０の水流に乗せて鉱石を洋上基地Ｇまで移送するように構成されている。

【0020】

より詳しくは、同図に示すように、本実施形態の水流揚鉱システム３００Ａは、一台のピストンポンプ１が装備された揚鉱機器２００Ａと、往路水流管３１１および復路水流管３１２を有する循環管路３１０と、洋上基地Ｇに設置された高圧ポンプ３２０と、洋上基地Ｇに設置された回収ホッパ３３０と、を備える。回収ホッパ３３０は、海洋資源（この例では、採鉱機器を用いて海底で掘削された鉱石）を復路水流管３１２から回収可能に設置される。

【0021】

洋上基地Ｇには、クレーン３５０が設置され、クレーン３５０からアンビリカブルケーブル３６０を介して揚鉱機器２００Ａに対して、駆動に必要な電力や圧油の供給および信号の授受が可能になっている。
また、洋上基地Ｇに設置された回収ホッパ３３０には不図示の分級機が付設され、分級機は鉱石成分と海水とを分けて海水のみをタンク３４０に導出する。そして、高圧ポンプ３２０は、タンク３４０に貯留された海水を、往路水流管３１１に高圧水として注入可能に設置されている。

【0022】

循環管路３１０は、往路水流管３１１から復路水流管３１２に向かう循環水流を形成するように、洋上基地Ｇから海底ＳＢの海底熱水鉱床Ｔの近傍に設置された揚鉱機器２００Ａまで配管される。ピストンポンプ１は、循環管路３１０に対して海洋資源を注入可能なように揚鉱機器２００Ａに設置される。
なお、往路水流管３１１および復路水流管３１２の敷設範囲は適宜設定できる。本実施形態では、揚鉱機器２００Ａ近傍の、Ｕ字状の折り返し部分よりも上流側が往路水流管３１１であり、Ｕ字状の折り返し部分よりも下流側が復路水流管３１２である。そして、ピストンポンプ１は、復路水流管３１２に吐出配管６を介して海洋資源を注入可能に揚鉱機器２００Ａの筐体２１０内に設置されている。

【0023】

本実施形態の揚鉱機器２００Ａは、筐体２１０の上部には、不図示の採鉱機器で掘削した鉱石が投入される投入ホッパ２１１が設けられ、投入ホッパ２１１下部の吐出口にはベルトフィーダ等による切り出し装置２１２が付設されている。
筐体２１０の内部上方には、スクリューコンベヤ２２５が配置され、切り出し装置２１２で切り出された鉱石がスクリューコンベヤ２２５に導入される。スクリューコンベヤ２２５の前端部（取出口）は、ピストンポンプ１のホッパ９の後部を貫通してホッパ９内に連通しており、スクリューコンベヤ２２５の駆動により、ホッパ９に向けて鉱石を所定量ずつ送出可能になっている。

【0024】

第一実施形態のピストンポンプ１は、図２に拡大図示するように、上部に開口するホッパ９を備える。ホッパ９内部には、略Ｓ字状に屈曲形成された揺動管２が、揺動可能に収容されている。ホッパ９内の揺動管２は、その基端部２ｂがホッパ９の前壁１ｆの下部の位置に回動可能に支持されている。

【0025】

揺動管２の基端部２ｂには、図１に示す復路水流管３１２への吐出配管６に接続されるカップリング５が設けられている。カップリング５には、吐出配管６の一端が接続され、揺動管２の基端部２ｂが吐出配管６に連通するように配置される。
揺動管２の中間部２ｍの上部には、軸線が水平な揺動管軸１０の一端が固定されている。揺動管軸１０の一端は、ホッパ９の背壁１ｂに回動可能に支持される。揺動管軸１０の他端は、ホッパ９の背壁１ｂの外側に延出され、切換レバー１１が固着されている。揺動管軸１０の回転中心ＣＬ１と、揺動管２の基端部２ｂの回転中心ＣＬ２とは、水平な一の揺動軸線ＣＬ上にある。

【0026】

ホッパ９の背壁１ｂの下部には、図３にも示す、一対の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒを左右に有するメガネ板８が設けられている。メガネ板８は、揺動管２の先端部２ｔが、ウェアプレート（wear plate）１２を介して摺接する部分に配置されている。メガネ板８は、ホッパ９の背面側から交換可能に装着される。
つまり、揺動管２の先端部２ｔは、メガネ板８に圧接された状態で摺動するため、本実施形態では、揺動管２の先端部２ｔには、交換可能なウェアプレート１２が取付けられている。メガネ板８およびウェアプレート１２には、耐摩耗材が使用されている。
ホッパ９の背部には、メガネ板８の一対の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒに対向する位置に、それぞれ一端が開口した一対のポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒが、互いの軸線を揺動軸線ＣＬと平行にして取付けられている。

【0027】

一対のポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒは、各ポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒ内に搬送ピストン７をそれぞれ有する。各搬送ピストン７は、図１に示す一対の駆動シリンダ１５Ｌ、１５Ｒによって、油圧駆動で交互に往復動される。
これにより、各ポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒは、対応する吸込吐出口１Ｌ、１Ｒが揺動管２との非連通時にはホッパ９内の海洋資源を吸引し、揺動管２との連通時にはその吸引した海洋資源を復路水流管３１２に向けて吐出するように駆動される。

【0028】

図３に示すように、上記切換レバー１１とホッパ９との間には、一対の切換シリンダ３Ｌ、３Ｒがアクチュエータとして取付けられている。一対の切換シリンダ３Ｌ、３Ｒは、切換シリンダ３Ｌ、３Ｒの一方が伸長するとき、他方が縮小するようになっている。
一対の切換シリンダ３Ｌ、３Ｒの伸縮に対応して、揺動管軸１０が揺動軸線ＣＬまわりに所定タイミングで回動し、揺動管２が所定の回動範囲にて左右に揺動される。これにより、図２に示す揺動管２の先端部２ｔが、左右の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒのいずれかに臨む位置に交互に移動するようになっている。

【0029】

ここで、本実施形態のピストンポンプ１は逆流防止機構を備える。
本実施形態のピストンポンプ１では、図４に要部を拡大して示すように、揺動管２の先端部２ｔに、ウェアプレート１２の中央の開口部１３と同軸となる位置に、円筒状のウェアリング（wear ring）２０が装着されている。
そして、本実施形態の逆流防止機構は、図５（ｂ）に示すように、メガネ板８の左右の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒの間隔が、ウェアプレート１２と一体で回動するウェアリング２０の開口部２０ｍの幅以上とされている。

【0030】

ウェアプレート１２は、図５に示すように、ウェアプレート１２の開口部１３（図４参照）の左右両端にシール部１４Ｌ、１４Ｒを有する。本実施形態のシール部１４Ｌ、１４Ｒは、揺動管２の回動方向において、メガネ板８に形成された一対の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒの開口幅以上の広さにそれぞれ設けられる。なお、本実施形態において、一対の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒの開口形状は円形であり、相互の開口径は同一である。

【0031】

本実施形態のウェアリング２０は、図４に示すように、揺動管２の先端部２ｔの内周面に、内周面の端面に対してＯリング３０を介装してインロー篏合されている。これにより、揺動管２のウェアリング２０は、先端部２ｔの内周面に対して揺動軸線ＣＬの方向にスライド可能になっている。
ウェアリング２０の後端面は、メガネ板８の対向面と摺接するように装着される。ウェアリング２０の内径の開口形状は円形であり、その開口径は、メガネ板８の一対の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒの開口径と同一である。本実施形態のウェアリング２０は、図２に示すカップリング５側からの水流による内圧を利用したメカニカルシール機能を奏する。

【0032】

つまり、ウェアリング２０は、非連通位置においてカップリング５側からの水流により揺動管２の内圧が上昇すると、Ｏリング３０の介装端面が受圧面となって、ウェアリング２０が軸方向背面側に向けて押圧される。これにより、ウェアリング２０の後端面がメガネ板８の対向面に向けて押圧されるシール構造になっており、揺動管２の内圧が上がるほどシール力が強くなるように構成されている。
そして、本実施形態のウェアプレート１２は、揺動管２の先端部２ｔの外周面に、当該先端部２ｔの外周面およびウェアリング２０の外周面に対して、揺動軸線ＣＬの方向にスライド可能にインロー篏合される。本実施形態の例では、揺動管２の先端部２ｔとウェアプレート１２の端面との間には、円環状の加圧ピース３２が介装される。

【0033】

このように、本実施形態のピストンポンプ１では、ウェアリング２０およびウェアプレート１２は、揺動管２の先端部２ｔとの嵌合部が、それぞれインロー関係になっており、組み立てる際は、揺動行程の中間位置（図５（ｂ）の位置）で、搬送ピストン７側から各部品を図２に示されている順に軸方向に嵌め込むことで組み立てられる。
また、本実施形態では、ウェアリング２０の開口部２０ｍが、メガネ板８の左右の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒに合致する位置においても、ホッパ９側とセットプレート４０側とにそれぞれ固定された複数の軌道盤６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄに装着された複数の転動体６１，６２，６３，６４でウェアプレート１２が前後から支承されるように、ウェアプレート１２の内周部と外周部がウィング状の形状を呈するように構成している。

【0034】

つまり、本実施形態のピストンポンプ１では、ウェアプレート１２は、図３～図５に示すように、揺動管２の揺動範囲の全体に亘って、ウェアプレート１２の内周側が、円弧状の軌道盤６０ａ，６０ｂに装着された複数の転動体６１，６２で揺動軸線ＣＬの前後から支承されるとともに、ウェアプレート１２の外周側が、円弧状の軌道盤６０ｃ，６０ｄに装着された複数の転動体６３，６４で揺動軸線ＣＬの前後から支承されるように構成されている。

【0035】

本実施形態では、各転動体６１，６２、６３，６４には円筒ころが用いられており、各軌道盤６０ａ，６０ｂ、６０ｃ，６０ｄは、各転動体６１，６２、６３，６４を自転自在に保持する保持器とされている。また、各転動体６１，６２、６３，６４に対して、ウェアプレート１２とは反対の側には、各転動体６１，６２、６３，６４に対応する凹の円筒面が形成された複数の受動体６５ａ，６５ｂ，６５ｃ，６５ｄが介装され、各受動体６５ａ，６５ｂ，６５ｃ，６５ｄによって、各転動体６１，６２、６３，６４の揺動軸線ＣＬに沿った方向での位置および姿勢を保持している。

【0036】

さらに、本実施形態では、ウェアプレート１２とメガネ板８の間には、常にわずかな隙間が保持されるように、受動体６５ｂ，６５ｄとの間に、調整シム６６ｂおよび調整シム６６ｄを介装することによって、セットプレート４０側上下の軌道盤６０ｂ，６０ｄの装着面から転動体６２，６４とウェアプレート１２との接触面までの対向方向での距離を調整している。
これにより、ウェアプレート１２とメガネ板８との直接の接触摺動を無くすことで、揺動管２と左右のポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒとの連結状態の切り替え時における摺動抵抗の低減を図っている。

【0037】

さらにまた、本実施形態では、ホッパ９側上下についても、受動体６５ａ，６５ｃとの間に、調整シム６６ａおよび調整シム６６ｃを介装することによって、ホッパ９側の軌道盤６０ａ，６０ｃの装着面から転動体６１，６３とウェアプレート１２の接触面までとの対向距離を調整している。これにより、本実施形態では、ホッパ９側の軌道盤６０ａ，６０ｃの装着面から転動体６１，６３とウェアプレート１２との接触面間に適切な隙間を確保する構造としている。

【0038】

ここで、揺動管２と左右のポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒとの連結状態を切替える途中では、復路水流管３１２からの水圧により、揺動管２とポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒを通してポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒ側から吐出方向にウェアプレート１２に向けた推力がかかる。
これに対し、本実施形態では、ウェアプレート１２が、上述のように、ホッパ９側に固定された軌道盤６０ａ内に、周方向に沿って装着された複数の受動体６３によって回転自在に保持される。また、複数の転動体６３とホッパ９に固定された軌道盤６０ｃ内に装着された複数の受動体６５ｃとによって回転自在に保持される複数の転動体６３でウェアプレート１２への吐出方向に推力を受けることができる。

【0039】

ウェアプレート１２の揺動部分の各部に配置される複数の転動体６１，６２，６３，６４および複数の受動体６５ａ，６５ｂ，６５ｃ，６５ｄは、耐久性を向上させるために、耐摩耗性に優れるジルコニア若しくは窒化珪素などのセラミックスや、超硬合金若しくはＳＫＳ、ＳＫＤ、ＳＫＨなどの工具鋼で構成することが好ましい。

【0040】

さらに、本実施形態のピストンポンプ１では、ウェアプレート１２の揺動部分の各部に配置される複数の転動体６１，６２，６３，６４と複数の受動体６５ａ，６５ｂ，６５ｃ，６５ｄとの間には、耐海水仕様のグリス６７を封入しており、グリス６７を充填することにより、各部に配置される複数の転動体６１，６２，６３，６４と複数の受動体６５ａ，６５ｂ，６５ｃ，６５ｄとの間の摺動抵抗を軽減させている。
これにより、本実施形態のピストンポンプ１は、ウェアプレート１２が揺動管２と共に揺動したときに、メガネ板８の左右の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒに合致する位置においても、ウェアプレート１２両側のシール部１４Ｌ、１４Ｒが、径方向上下に配置された、複数の転動体６１，６２および複数の転動体６３，６４を介して確実に支承されるとともに円滑な揺動が可能になっている。

【0041】

次に、第一実施形態の水流揚鉱システム３００Ａの動作および作用効果について説明する。
第一実施形態の水流揚鉱システム３００Ａは、上述したように、高圧ポンプ３２０から循環管路３１０に圧送される高圧水により循環水流をつくり、揚鉱機器２００Ａに装備されたピストンポンプ１で海洋資源を復路水流管３１２から循環水流中に注入して海洋資源を洋上基地まで移送するという、循環水流を利用した移送システムを構築したので、極めてシンプルな構成によって海洋資源の長距離移送が可能になる。よって、海洋資源の移送効率を向上させるとともにメンテナンス性に優れている。

【0042】

特に、第一実施形態のピストンポンプ１では、ホッパ９内の海洋資源を圧送する際は、揺動用の切換シリンダ３Ｌ、３Ｒの駆動により、揺動管２を左右方向に揺動させるとともに、２本のポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒ内の搬送ピストン７を駆動して交互に前進後退させる。
これにより、ホッパ９内の海洋資源が、一方の吸込吐出口１Ｌまたは１Ｒから対応するポンプシリンダ４Ｌまたは４Ｒ内に吸入される。このとき、他方の吸込吐出口１Ｒまたは１Ｌは、対応するポンプシリンダ４Ｒまたは４Ｌが揺動管２と連通し、内部に吸入されていた海洋資源が、対応するポンプシリンダ４Ｒまたは４Ｌの搬送ピストン７の前進により圧送されて揺動管２から吐出配管６へと吐出される。

【0043】

吐出配管６との連通位置では、搬送ピストン７側から海洋資源を押し出すときには、揺動管２内で逆向きに作用するカップリング５側からの水流圧（例えば７ＭＰａ）よりも大きな力で押し出すことができる。
よって、本実施形態のピストンポンプ１によれば、２本のポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒ内の搬送ピストン７の前後進の動作に合わせて、切換シリンダ３Ｌ、３Ｒを所定のタイミングで駆動することにより揺動管２を左右に揺動させ、ホッパ９内の海洋資源を、揺動管２から吐出配管６を通して復路水流管３１２中に連続的に吐出して注入できる。

【0044】

ここで、例えば多段遠心ポンプで海洋資源を圧送する場合、圧送可能なスラリ濃度は、１５ｖｏｌ％以下であり、より安全をみると１０ｖｏｌ％以下に制限されるところ、本実施形態の水流揚鉱システム３００Ａであれば、ピストンポンプ１を用いて圧送可能なスラリ濃度は、１５ｖｏｌ％以上の高濃度スラリであっても移送可能であり、稼働効率を向上させる上で優れている。

【0045】

さらに、本実施形態によれば、循環管路３１０の循環水流中に海洋資源を注入するために、揚鉱機器２００Ａに配置したピストンポンプ１は、摺動部品の定期的な交換は必要なものの、メンテナンスを必要とするポンプが海洋資源を循環水流中に注入するピストンポンプ１の一台のみで済む。
そのため、運転管理の簡便化が図れる上、シンプルな構成によって海洋資源を循環水流中に注入可能である。そのため、多段遠心ポンプで海洋資源のスラリを圧送する場合と比較して、部品の交換作業をするメンテナンス頻度が少なく稼働効率を向上させることができる。

【0046】

ここで、一般に、従来の揺動管式のピストンポンプ１００は、図６、図７に一例を示すように、左右一対の吸込吐出口１０１Ｌ、１０１Ｒを有するメガネ板１０８をホッパ１０９の背壁１０９ｂに設けている。
各吸込吐出口１０１Ｌ、１０１Ｒの背部には、それぞれポンプシリンダ１０４Ｌ、１０４Ｒが配設されている。ホッパ１０９内には、先端部１０２ｔを左右の吸込吐出口１０１Ｌ、１０１Ｒに臨む位置に交互に切換え移動可能な揺動管１０２が設けられる。揺動管１０２は、切換レバー１１１の揺動駆動により、揺動管軸１１０の揺動軸線ＣＬまわりに揺動可能になっている。

【0047】

しかし、従来の揺動管方式のピストンポンプ１００では、上述したような逆流防止機構を有していない。そのため、図７（ｂ）に示すように、左側の吐出吸入口１０１Ｌから右側の吐出吸入口１０１Ｒへと切り替える途中で、左右の吐出吸入口１０１Ｌ、１０１Ｒが連通する状態が生じる。
そのため、船上から海底に向かう水流を復路水流管３１２で再び船上まで戻す循環流を形成して、この復路水流管３１２に対して、単に、従来の揺動管方式のピストンポンプ１００で鉱石を注入する場合、復路水流管３１２の高圧水が左側の吐出吸入口１０１Ｌから右側の吐出吸入口１０１Ｒへと切り替える途中で、復路水流管３１２内の高圧水が、揺動管１０２を通じて瞬間的にホッパ１０９内に多量に逆流して、復路水流管３１２の循環水流の流量変動が発生するという問題があり、また、振動や衝撃が発生するおそれもある。

【0048】

これに対し、第一実施形態のピストンポンプ１によれば、上述したように、ウェアプレート１２を用いた逆流防止機構を備えるので、揺動管２を揺動させてその先端部２ｔを一方の吸込吐出口１Ｌから他方の吸込吐出口１Ｒへ（ウェアプレート１２を図５（ａ）の位置から図５（ｃ）の位置へ）、または、他方の吸込吐出口１Ｒから一方の吸込吐出口１Ｌへ（ウェアプレート１２を図５（ｃ）の位置から図５（ａ）の位置へ）、切換える過程において、図５（ｂ）に示す途中の位置に達しても、左右の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒ相互が連通する状態が生じることがなく、循環管路３１０からの逆流を確実に防止できる。

【0049】

さらに、第一実施形態のピストンポンプ１によれば、ウェアプレート１２とウェアリング２０とを分離構造としたので、ウェアプレート１２の回動動作を円滑にすることができるとともに、圧送圧力が高くなるほど、メカニカルシール機能を有するウェアリング２０が、メガネ板８により強く密着してシール力を一層高めることができる。
つまり、第一実施形態のピストンポンプ１によれば、揺動管２の先端部２ｔの内周面に設けられたウェアリング２０がメカニカルシールとして機能するので、圧送圧力が高くなるほど、メガネ板８との対向面にウェアリング２０が強く密着してシール力を高めることができる。さらに、別箇に設けられたウェアプレート１２によって逆流防止機能を奏しつつ、メガネ板の左右の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒとの連通位置に揺動管２を確実に切替えることができる。

【0050】

また、第一実施形態のピストンポンプ１によれば、ウェアプレート１２とメガネ板８の間に、常にわずかな隙間が保持されるように、調整シム６６ｂ、６６ｄを介装する等による揺動時の摺動抵抗低減構造を有するので、揺動管２と左右のポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒとの連結状態の切り替え時における摺動抵抗を低減できる。
そのため、例えばウェアプレート１２とウェアリング２０とを一体構造とした場合に比べて、高圧圧送時であっても、シール力を高めるとともに、逆流防止機能を奏し且つ揺動管２を揺動させる力をより小さくして、揺動管２を左右のメガネ板の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒとの連通位置に確実に切替る構成として極めて優れているといえる。

【0051】

以上説明したように、本実施形態の水流揚鉱システム３００Ａおよびこれを用いた水流揚鉱方法によれば、海洋資源の移送効率を向上させるとともに揚鉱システムのメンテナンス性に優れている。
なお、本発明に係る水流揚鉱システムおよびこれを用いた水流揚鉱方法は、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なことは勿論である。
例えば、上記第一実施形態では、逆流防止機構を有するピストンポンプ１を用いた例を示したが、これに限定されず、例えば、以下の第二実施形態のように、逆流防止機構を有しないピストンポンプによって水流揚鉱システムを構築してもよい。

【0052】

以下、第二実施形態の水流揚鉱システムについて説明する。
図８および図９に示すように、第二実施形態の水流揚鉱システム３００Ｂでは、ピストンポンプとして、図６に示した逆流防止機構を有しないピストンポンプ１００を装備している。但し、第二実施形態の水流揚鉱システム３００Ｂでは、逆流防止機能を担保するために、上記第一実施形態の逆流防止機構に替えて、逆止弁機構１４０を備える点が上記第一実施形態の水流揚鉱システム３００Ａと相違する。
なお、第二実施形態において、ピストンポンプ１００および逆止弁機構１４０以外の構成は上記第一実施形態と共通なので、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は同一符号を付すとともにその説明は適宜省略する。

【0053】

第二実施形態のピストンポンプ１００は、図６に示したように、ポンプ自体には逆流防止機構を有しておらず、そのため、吐出と吸込みの切り替えに揺動管１０２を用いる構造上、図７に模式図を示すように、吐出と吸込みの切り替え時に、同図左側の吐出吸入口１０１Ｌから右側の吐出吸入口１０１Ｒに揺動管１０２の連通口１０２ｔの位置を切り替える途中で、図７（ｂ）に示すように、吐出側と吸込み側とが連通する瞬間が発生する。

【0054】

これに対し、第二実施形態の水流揚鉱システム３００Ｂでは、図９および図１０に示すように、復路水流管３１２に海洋資源を注入する吐出配管１０６の開口部に対向するように、逆止弁機構１４０が配設されている。
逆止弁機構１４０は、油圧シリンダ１４１と、油圧シリンダ１４１の駆動により進退するポペット弁１４２と、を有する。ポペット弁１４２の先端には、円盤状のバルブディスク１４２ｄが設けられ、吐出配管１０６の開口部の周囲には、バルブディスク１４２ｄの周囲に対向する位置に、円環状のバルブリング１４３が嵌め込まれている。

【0055】

ポペット弁１４２は、図９に示す前進位置では、吐出配管１０６の開口部を閉止し、図１０に示す後退位置では、吐出配管１０６の開口部を全開にするとともに、復路水流管３１２の流路を妨げない位置まで後退可能に構成されている。
これにより、第二実施形態の水流揚鉱システム３００Ｂのピストンポンプ１００においても、復路水流管３１２からの逆流を防止して、上記第一実施形態同様の作用効果を奏することができる。

【0056】

なお、第二実施形態のピストンポンプ１００は、逆止弁機構１４０が復路水流管３１２の側に設けられているので、第一実施形態でのピストンポンプ１のような、ウェアプレート１２両側のシール部１４Ｌ、１４Ｒには、上下に配置された、複数の転動体６１，６２および複数の転動体６３，６４を介して支承される構成を不要とすることができる。
また、復路水流管３１２の側に設けた逆止弁機構１４０についても、ポペット弁１４２は、循環管路３１０の循環水流中に常にさらされているので、海洋資源の礫がポペット弁１４２およびその駆動部分に詰まるような不具合が生じることがない。

【符号の説明】

【0057】

１ ピストンポンプ
１Ｌ 吸込吐出口
１Ｒ 吸込吐出口
１ｂ 背壁
１ｆ 前壁
２ 揺動管
２ｂ 基端部
２ｍ 中間部
２ｔ 先端部
３Ｌ、３Ｒ 切換シリンダ
４Ｌ ポンプシリンダ
４Ｒ ポンプシリンダ
５ カップリング
６ 吐出配管
７ 搬送ピストン
８ メガネ板
９ ホッパ
１０ 揺動管軸
１１ 切換レバー
１２ ウェアプレート
１３ 開口部
１４Ｌ、１４Ｒ シール部
１５Ｌ、１５Ｒ 駆動シリンダ
２０ ウェアリング
２０ｍ 開口部
３０ Ｏリング
３２ 加圧ピース
４０ セットプレート
６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ 軌道盤
６１，６２，６３，６４ 転動体
６５ａ，６５ｂ，６５ｃ，６５ｄ 受動体
６７ グリス
１００ ピストンポンプ
１０１Ｌ 吐出吸入口
１０１Ｒ 吐出吸入口
１０１ｂ 背壁
１０２ 揺動管
１０２ｔ 連通口
１０４Ｌ、１０４Ｒ ポンプシリンダ
１０６ 吐出配管
１０８ メガネ板
１０９ ホッパ
１１０ 揺動管軸
１１１ 切換レバー
１４０ 逆止弁機構
１４１ 油圧シリンダ
１４２ ポペット弁
２００Ａ、２００Ｂ 揚鉱機器
２１０ 筐体
２１１ 投入ホッパ
２１２ 切り出し装置
２２５ スクリューコンベヤ
３００Ａ、３００Ｂ 水流揚鉱システム
３１０ 循環管路
３１１ 往路水流管
３１２ 復路水流管
３２０ 高圧ポンプ
３３０ 回収ホッパ
３４０ タンク
３５０ クレーン
３６０ アンビリカブルケーブル
ＣＬ 揺動軸線
ＣＬ１ 回転中心
ＣＬ２ 回転中心
Ｇ 洋上基地
Ｔ 海底熱水鉱床

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】