(57)【要約】【課題】エネルギー効率を向上させ得る海洋資源揚鉱装置を提供する。【解決手段】この海洋資源揚鉱装置１０は、海水Ｗが満たされる撹拌室７０と、撹拌室７０内に配置された撹拌翼８１，８２を有する撹拌部８０と、撹拌室７０にレアアース泥Ｒを供給するレアアース泥供給部である掘削部９０と、撹拌室７０内に海水Ｗよりも比重が軽いエマルションＥｍを供給するエマルション供給管１３と、エマルションＥｍとレアアース泥Ｒとが結合されて海水Ｗよりも比重が軽い混合物Ｍを撹拌室７０から回収する混合物揚鉱管１４とを備える。【選択図】図１
2018071098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海水が満たされる撹拌室と、
前記撹拌室内に配置された撹拌翼を有する撹拌部と、
前記撹拌室にレアアース泥を供給するレアアース泥供給部と、
前記撹拌室内に海水よりも比重が軽いエマルションを供給するエマルション供給部と、
前記エマルションと前記レアアース泥とが結合されて海水よりも比重が軽い混合物を前記撹拌室から回収する混合物回収部と、
を備えることを特徴とする海洋資源揚鉱装置。
【請求項２】
ケーシングと、
前記ケーシング内に設けられて下部に開口を有する撹拌室と、
前記撹拌室内に配置された撹拌翼を有する撹拌部と、
前記撹拌室の開口に臨むように設けられてレアアース泥を掘削しつつ前記撹拌室内に導く掘削部と、
前記撹拌室に海水よりも比重が軽いエマルションを供給するエマルション供給部と、
前記エマルションと前記レアアース泥とが結合されて海水よりも比重が軽い混合物を前記撹拌室から回収する混合物回収部と、
を備えることを特徴とする海洋資源揚鉱装置。
【請求項３】
前記エマルション供給部および前記混合物回収部の相互は、
前記エマルション供給部が、前記撹拌室の低い位置に前記エマルションを供給し、
前記混合物回収部が、前記撹拌室の高い位置から前記混合物を回収する請求項１または２に記載の海洋資源揚鉱装置。
【請求項４】
ケーシングと、
前記ケーシング内に回転自在に支承されたシャフトと、
前記ケーシング内に画成されて長手方向一方側の端部に開口する撹拌室と、
前記撹拌室内に前記シャフトの途中部分と一体に設けられた撹拌翼と、
前記撹拌室内に前記開口に臨むように設けられて前記シャフトの端部に基端部が接続された掘削ビットと、
前記ケーシング内の長手方向他方側に設けられて前記ケーシングに導入された作動流体により前記シャフトを回転駆動する流体モータ部と、
前記ケーシング内の前記撹拌室と前記流体モータ部との間に設けられて前記流体モータ部による前記シャフトの回転駆動力により前記撹拌室内から移送流体を吸引するポンプ部と、
を備えることを特徴とする海洋資源揚鉱装置。
【請求項５】
前記シャフトは、前記流体モータ部による当該シャフトを駆動後の前記作動流体を導入するとともに前記掘削ビットの吐出口から吐出可能な連通穴を有する請求項４に記載の海洋資源揚鉱装置。
【請求項６】
前記流体モータ部は、前記シャフトの一端に設けら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ケーシ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、を有し、
前記ポンプ部は、前記シャフトの他端に設けられて前記第一インナロータのねじ巻方向と逆巻き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ケーシ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、を有する請求項４または５に記載の海洋資源揚鉱装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の海洋資源揚鉱装置を用いて海洋資源を揚鉱することを特徴とする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、海洋資源を揚鉱するための装置および方法に係り、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装置並びにこれを用いた海洋資源の揚鉱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００５】
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、エネルギー効率を向上させ得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】
上記課題を解決するために、本発明のうち、第一の態様に係る海洋資源揚鉱装置は、海水が満たされる撹拌室と、前記撹拌室内に配置された撹拌翼を有する撹拌部と、前記撹拌室にレアアース泥を供給するレアアース泥供給部と、前記撹拌室内に海水よりも比重が軽いエマルションを供給するエマルション供給部と、前記エマルションと前記レアアース泥とが結合されて海水よりも比重が軽い混合物を前記撹拌室から回収する混合物回収部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の第一の態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、撹拌室に海水が満たされており、その撹拌室に、レアアース泥供給部からレアアース泥を供給するとともに、エマルション供給部からエマルションを供給することができる。そして、撹拌室内には、撹拌翼を有する撹拌部が配置されているので、エマルションとレアアース泥とを撹拌室内で混合することができる。
そして、レアアース泥供給部から供給されるエマルションは、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。そのため、本発明の第一の態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、エマルションにレアアース泥を吸着させた混合物を海中で自ら浮上させ、混合物回収部から回収することができる。よって、上記特許文献１ないし２に記載の技術と比べて、エネルギー効率を向上させることができる。
【０００８】
ここで、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になるため、海水よりも軽いので、上記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。
【０００９】
特に、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。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明のうち、第二の態様に係る海洋資源揚鉱装置は、ケーシングと、前記ケーシング内に設けられて下部に開口を有する撹拌室と、前記撹拌室内に配置された撹拌翼を有する撹拌部と、前記撹拌室の開口に臨むように設けられてレアアース泥を掘削しつつ前記撹拌室内に導く掘削部と、前記撹拌室に海水よりも比重が軽いエマルションを供給するエマルション供給部と、前記エマルションと前記レアアース泥とが結合されて海水よりも比重が軽い混合物を前記撹拌室から回収する混合物回収部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第二の態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、上記第一の態様に係る海洋資源揚鉱装置同様の作用機序により、エマルションにレアアース泥を吸着させた混合物を自ら浮上させ、混合物回収部から回収することができる。よって、エネルギー効率を向上させることができる。
【００１２】
特に、第二の態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、ケーシング内に設けられた撹拌室は下部に開口を有し、撹拌室の開口に臨む掘削部は、レアアース泥を掘削しつつ撹拌室内に導くことができる。そのため、例えば、起伏可能なブームを有する海中作業機を用い、そのブーム先端にケーシングを装着し、ケーシング下部をレアアース泥床に押し付けた状態で掘削部を駆動すれば、泥床を掘削しつつ揚鉱作業を継続して行うことができる。
【００１３】
ここで、本発明の第一または第二態様に係る海洋資源揚鉱装置において、前記エマルション供給部および前記混合物回収部の相互は、前記エマルション供給部が、前記撹拌室の低い位置にエマルションを供給し、前記混合物回収部が、前記撹拌室の高い位置から前記混合物を回収することは好ましい。
このような構成であれば、海水よりも比重が軽いエマルションを低い位置に供給するとともに、エマルションとレアアース泥とが結合されて海水よりも比重が軽い混合物を撹拌室の高い位置から回収するので、自ら浮上する混合物を効率良く回収する上でより好適である。
【００１４】
また、上記課題を解決するために、本発明のうち、第三の態様に係る海洋資源揚鉱装置は、ケーシングと、前記ケーシング内に回転自在に支承されたシャフトと、前記ケーシング内に画成されて長手方向一方側の端部に開口する撹拌室と、前記撹拌室内に前記シャフトの途中部分と一体に設けられた撹拌翼と、前記撹拌室内に前記開口に臨むように設けられて前記シャフトの端部に基端部が接続された掘削ビットと、前記ケーシング内の長手方向他方側に設けられて前記ケーシングに導入された作動流体により前記シャフトを回転駆動する流体モータ部と、前記ケーシング内の前記撹拌室と前記流体モータ部との間に設けられて前記流体モータ部による前記シャフトの回転駆動力により前記撹拌室内から移送流体を吸引するポンプ部と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第三の態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、流体モータ部とポンプ部とがケーシング内に一体化されたシンプルな構造なので、上記特許文献１ないし２に記載の技術と比べて、安定した運転性能を確保しつつ、エネルギー効率を向上させることができる。よって、海洋資源揚鉱装置の構成として優れている。
【００１６】
ここで、本発明の第三の態様に係る海洋資源揚鉱装置において、前記シャフトは、前記流体モータ部による当該シャフトを駆動後の前記作動流体を導入するとともに前記掘削ビットの吐出口から吐出可能な連通穴を有することは好ましい。このような構成であれば、上記エマルションを流体モータ部の作動流体として兼用する上で好適である。
【００１７】
また、本発明の第三の態様に係る海洋資源揚鉱装置において、前記流体モータ部は、前記シャフトの一端に設けら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ケーシ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、を有し、前記ポンプ部は、前記シャフトの他端に設けられて前記第一インナロータのねじ巻方向と逆巻き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ケーシ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、を有することは好ましい。
【００１８】
このような構成であれば、海洋資源揚鉱装置の構成としてより好適である。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、上記構成の流体モータ部は、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、ねじポンプ部は、流体モータ部とは逆ねじで、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極めてシンプルな構造でポンプを構成できる。
そのため、このような構成であれば、深海等の過酷な海洋条件下であっても、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提供できる。また、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一層の削減が可能となる。
【００１９】
ここで、本発明の第三の態様に係る海洋資源揚鉱装置において、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。
【００２０】
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３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。
【００２１】
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揚鉱方法は、本発明のいずれか一の態様に係る海洋資源揚鉱装置を用いて海洋資源を揚鉱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揚鉱方法によれば、本発明のいずれか一の態様に係る海洋資源揚鉱装置を用いて海洋資源を揚鉱するので、レアアース泥の揚泥コストを削減し、高いエネルギー効率で海洋資源を揚鉱できる。
【発明の効果】
【００２２】
上述のように、本発明によれば、エネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置の第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２】本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置の第二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３】本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置の第三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。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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、海洋資源揚鉱装置およびこれを用いたに海洋資源の揚鉱方法の例である。
【００２５】
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。
【００２６】
［第一実施形態］
まず、本発明に係る海洋資源揚鉱装置の第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、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０は、長尺な中空円筒状の本体ケーシング１１と、本体ケーシング１１内に回転自在に支持されたシャフト４０とを備える。この海洋資源揚鉱装置１０は、本体ケーシング１１の軸線を上下方向として海中に配備される。本体ケーシング１１の上端部には、複数の軸受４３が内蔵されたシャフト支持部４５が設けられている。シャフト支持部４５は、本体ケーシング１１と同軸にシャフト４０を支持するように配置され、複数の軸受４３を介してシャフト４０の上端部を回転自在に支持している。
【００２７】
本体ケーシング１１の内部は、下方が撹拌室７０とされている。撹拌室７０は、下部が開口しており、この開口がレアアース泥Ｒの吸込口３６になっている。また、本体ケーシング１１内の上部は、撹拌状態を落ち着かせるための安定室３７が撹拌室７０と連続して設けられている。
【００２８】
撹拌室７０には撹拌部８０が設けられている。撹拌部８０は、複数の撹拌翼として、二枚の撹拌翼８１、８２を有する。本実施形態では、二枚の撹拌翼８１、８２は、撹拌翼の中心部が、それぞれシャフト４０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。各撹拌翼８１、８２は、シャフト４０中心から径方向に放射状に延びる複数の羽根を有しており、所定方向に回転駆動されると、上方に配置された第一撹拌翼８１は下降流を形成し、下方に配置された第二撹拌翼８２は上昇流を形成するようになっている。
【００２９】
本実施形態では、上下の撹拌翼８１、８２間に、内周面に水中軸受７１が装着された軸受支持筒７２が設けられ、この水中軸受７１によって、シャフト４０の先端側が回転自在に支持されている。軸受支持筒７２は、軸方向に沿って貫通する複数の貫通孔が周方向に離隔して形成され、平面視が略レンコン状をなしており、これにより、海水Ｗおよびレアアース泥Ｒが本体ケーシング１１の軸方向に移動できるように構成されている。
【００３０】
シャフト４０の先端には掘削ビット９１が装着されている。掘削ビット９１は、その先端側が下部開口である吸込口３６に臨むように、自身基端部がシャフト４０先端に接続されている。これにより、掘削ビット９１は、シャフト４０が回転駆動されると、レアアース泥Ｒを掘削しつつ、掘削したレアアース泥Ｒを海水Ｗとともに撹拌室７０内に導く掘削部９０を構成する、レアアース泥供給部になっている。
【００３１】
本体ケーシング１１の上部には、上部中央に、流体モータ部２０が設けられるとともに、流体モータ部２０の左右に、本体ケーシング１１内に連通するエマルション供給管１３および混合物揚鉱管１４が設けられている。
エマルション供給管１３は、中空円筒状の管路であり、その上端部が、不図示のエマルジョン供給ポンプを介してエマルジョン供給槽に接続され、エマルション供給部を構成している。エマルション供給管１３の下部の先端部１３ｓは、本体ケーシング１１の内部の、第一撹拌翼８１の上部近傍の位置まで延設されており、先端部１３ｓが、撹拌室７０の低い位置にエマルションＥｍを供給する吐出口になっている。
【００３２】
混合物揚鉱管１４は、中空円筒状の管路であり、その上端部が、ライザー管等を有する揚鉱設備に接続されて洋上まで、後述の混合物Ｍを揚鉱可能な混合物回収部を構成している。混合物揚鉱管１４の下端部は、撹拌室７０の高い位置から混合物Ｍを回収するように、本体ケーシング１１の上部内面と面一になっており、本実施形態では、本体ケーシング１１の上部の安定室３７に混合物回収口１４ｓが連通している。
【００３３】
流体モータ部２０は、本体ケーシング１１の上部中央に同軸に装着された中空円筒状のモータ部ケーシング２１を有する。モータ部ケーシング２１と本体ケーシング１１相互の接続部に上記シャフト支持部４５が設けられている。シャフト支持部４５の複数の軸受４３の両側それぞれには不図示のシール部が設けられ、このシール部により、シャフト４０の外周面とモータ部ケーシング２１との間がシールされている。なお、本実施形態では、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）。
【００３４】
モータ部ケーシング２１の上端部には、円筒状の作動流体導入管２３がインロー嵌合部１２により装着されている。作動流体導入管２３は、流体モータ部２０を駆動するための作動流体Ｓを導入する導入口２４を有する。また、モータ部ケーシング２１の下部側面には、作動流体Ｓを海中に導出する導出口２６が、モータ部ケーシング２１の側方に開口している。なお、第一実施形態では、作動流体Ｓとして高圧の海水が導入される。
【００３５】
本実施形態では、モータ部ケーシング２１内の上部に、流体モータ部２０が設けられている。流体モータ部２０は、モータ部ケーシング２１内に固定されたステータ５０と、片持ち構造のロータ４１とを有する。ステータ５０は、金属製で円筒状をなすステータ外筒５１と、ステータ外筒５１内に配置されたゴム製のステータ内筒５２とからなる。ステータ内筒５２には、雌ねじ状の螺旋部５０ｒが内周面に形成されている。
【００３６】
ロータ４１には、雄ねじ状の螺旋部４１ｒが外周面に形成されている。ロータ４１の基端部４１ｂは、モータ部ケーシング２１内の下方に直線状に延び、ユニバーサルジョイント（自在継手）４８を介してシャフト４０の上端に連結され、シャフト４０に回転駆動力を伝達するようになっている。なお、ユニバーサルジョイント４８に替えて、フレキシブルジョイントを介してシャフト４０に連結してもよい。
ステータ５０の軸線に対し、ロータ４１の軸線は、相互の軸心が所定の軸心間距離だけ離れた平行な２軸となるように配置され、ユニバーサルジョイント４８を介して、ロータ４１の回転軸線が、ステータ５０の軸線を中心として公転するようになっている。
【００３７】
本実施形態の流体モータ部２０では、ロータ４１の螺旋部４１ｒは、左巻き２条雄ねじになっており、ステータ５０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。そしてロータ４１の外周面の螺旋部４１ｒがステータ５０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が軸方向の複数個所に画成される。
【００３８】
次に、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０の動作並びにこれを用いた海洋資源の揚鉱方法について説明する。
上述の海洋資源揚鉱装置１０は、例えば、起伏可能なブームを有する海中作業機を用い、その海中作業機のブーム先端に本体ケーシング１１を装着して使用する。作業時には、海洋資源揚鉱装置１０を装備した海中作業機を、海中のレアアース泥床の所期の位置に配置する。本体ケーシング１１は、流体モータ部２０を上方とし掘削ビット９１を下方とした姿勢で海底に配備される。
【００３９】
そして、この海洋資源揚鉱装置１０は、作動流体導入管２３が作動流体Ｓを導入可能に、不図示の作動流体導入部に接続される。本実施形態では、高圧の海水を供給するポンプに接続される。混合物揚鉱管１４は、上端部がライザー管等を有する揚鉱設備に接続される。また、エマルション供給管１３は、その上端部が、不図示のエマルジョン供給ポンプを介してエマルジョン供給槽に接続される。各管路内には、海底に配備される当初は海水Ｗが満たされる。
【００４０】
上記のように配置された海洋資源揚鉱装置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（この例では海水Ｗ）Ｓが供給される。これにより、高圧の作動流体Ｓがロータ４１とステータ５０との対向空間に画成された複数のキャビティに順次に導入される。流体モータ部２０は、キャビティに作用する作動流体Ｓの導入圧により、ロータ４１の回転軸線がステータ５０の軸線を中心として公転を開始する。
【００４１】
これにより、流体モータ部２０において、作動流体Ｓの導入圧がシャフト４０の回転駆動力に変換される。なお、導入口２４から導入された作動流体Ｓは導出口２６から海中に送出される。流体モータ部２０でロータ４１が回転駆動すると、ユニバーサルジョイント４８を介してシャフト４０が回転し、シャフト４０の先端に設けられた掘削ビット９１、および掘削ビット９１の上部に設けられた複数の撹拌翼８１、８２が共に回転する。
【００４２】
次いでまたは同時に、エマルジョン供給ポンプが駆動され、これにより、エマルジョン供給槽内のエマルジョンＥｍがエマルション供給管１３に供給される。本実施形態では、油としてケロシンを用いるとともに、界面活性剤としてドデシルスルホン酸ナトリウムを用いてエマルションＥｍを作り、このエマルションＥｍをエマルション供給管１３に供給している。
【００４３】
これにより、掘削ビット９１によってレアアース泥Ｒが掘削されるとともに、掘削ビット９１の回転に導かれたレアアース泥Ｒおよび海水Ｗが、吸込口３６から撹拌室７０内に送り込まれる。さらに、撹拌室７０下部の第二撹拌翼８２が上昇流を形成しているので、撹拌室７０下部に導かれたレアアース泥Ｒは、撹拌されつつ撹拌室７０の上方に移動していく。
【００４４】
なお、本実施形態では、掘削に伴う海洋資源揚鉱装置１０の軸方向への本体ケーシング１１のフィードは、海中作業機のブームの起伏作動によって行うが、これに限定されず、例えば、スライドガイド装置を有する送り機構等を用いるなど、種々のフィード方法を採用することができる。
【００４５】
上記エマルション供給管１３に供給されたエマルションＥｍは、エマルション供給管１３の先端部１３ｓから第一撹拌翼８１の上部近傍の位置に吐出される。撹拌室７０上部の第一撹拌翼８１が下降流を形成しているので、撹拌室７０上部のエマルションＥｍは、撹拌されつつ撹拌室７０の下方に移動していく。
【００４６】
これにより、撹拌室７０の上下から供給されたレアアース泥ＲとエマルションＥｍは、撹拌室７０内で相互が混合される。レアアース泥Ｒ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、海中で液液分離された混合物Ｍとしてアパタイト吸着エマルションが生成される。
【００４７】
海洋資源揚鉱装置１０が引き続き駆動されると、撹拌室７０内の混合物Ｍ（アパタイト吸着エマルション）は、次第に撹拌室７０上部の安定室３７まで満たされていく。撹拌室７０から安定室３７の上部に行くほど、第一撹拌翼８１による下降流の力が弱くなる。そのため、上部の安定室３７にて撹拌室７０から一定の距離を超えて移動した混合物Ｍ（アパタイト吸着エマルション）は、海水Ｗとの比重差によって自ら浮上を開始する。
そして、本体ケーシング１１の上部には、混合物揚鉱管１４が安定室３７に連通して接続されている。そのため、浮上を開始した混合物Ｍは、安定室３７から混合物揚鉱管１４を介して船上まで延設されたライザー管等の回収設備にて洋上に移送することができる。
【００４８】
なお、アパタイトを吸着したエマルションＥｍは、海水中でエマルション油滴が合体し、安定室３７において油滴径が大きくなるところ、海水Ｗとの比重差により、油滴径が１ｍｍになれば海底下６０００ｍから海上まで約１３．６時間で自然に浮上し、油滴径が５ｍｍになれば３３分で浮上し、油滴径が１０ｍｍになれば８分で浮上する。
【００４９】
次に、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０およびこれを用いた海洋資源の揚鉱方法の作用効果について説明する。
上述したように、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０によれば、海底設備としては、一台の流体モータ部２０を設けるだけで、流体モータ部２０の駆動により、掘削ビット９１でレアアース泥Ｒを掘削しつつ、掘削ビット９１上方の撹拌部８０でレアアース泥Ｒと海水Ｗ及びエマルションＥｍを混合し、アパタイト吸着エマルションを混合物Ｍとして生成することができる。そして、順次に生成された混合物Ｍを安定室３７で安定させつつ、海水Ｗとの比重差によって自ら浮上させ、海底から船上まで延設した回収配管にて混合物Ｍを揚泥できる。
【００５０】
そのため、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、また、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、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１０によれば、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。
【００５１】
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１０であれば、本体ケーシング１１およびモータ部ケーシング２１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。
【００５２】
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１０であれば、本体ケーシング１１およびモータ部ケーシング２１が円筒形状のポンプのため、シンプルな配管接続が可能である。
【００５３】
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。以下、他の実施形態について説明する。
【００５４】
［第二実施形態］
例えば、上記第一実施形態では、アパタイト吸着エマルションとされた混合物Ｍを洋上まで、海水Ｗとの比重差により、混合物Ｍ自身の浮上力のみによって浮上させる例を示したが、これに限定されない。例えば、混合物Ｍ自身の浮上力に加え、ポンプによる揚液力を併用してもよい。具体例を第二実施形態として図２に示す。
【００５５】
同図に示す第二実施形態では、上記第一実施形態に対し、モータ部ケーシング２１が、本体ケーシング１１の安定室３７内に配置されている点、および混合物揚鉱管１４の管路部分に、ポンプの一例として流体モータ駆動揚鉱ポンプ１が装備されている点が異なっている。なお、他の構成は上記第一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。
【００５６】
詳しくは、図２に示すように、第二実施形態の海洋資源揚鉱装置１０は、本体ケーシング１１の上端部に、作動流体Ｓ１として高圧の海水Ｗを導入する作動流体導入管２３が、直接接続されるとともに、モータ部ケーシング２１全体が、本体ケーシング１１の安定室３７内に同軸に配置されている。
これにより、本体ケーシング１１内にモータ部ケーシング２１が位置する部分が二重管構造になっている。作動流体Ｓ１を導出する導出口２６は、モータ部ケーシング２１の側方に伸びる管路が、作動流体Ｓ１を海中に向けて導出可能に、本体ケーシング１１の側面に貫通形成されている。
【００５７】
上記流体モータ駆動揚鉱ポンプ１は、混合物揚鉱管１４の管路部分に装備されている。流体モータ駆動揚鉱ポンプ１は、混合物揚鉱管１４の途中部分に替えて配管された中空円筒状のポンプケーシング２１Ｐを有する。ポンプケーシング２１Ｐの上部には、ポンプ用流体モータ部２０Ｂが設けられている。ポンプ用流体モータ部２０Ｂは、上記第一実施形態の流体モータ部２０と同様に構成された、ロータ４１Ｂおよびステータ５０Ｂを有する。
【００５８】
ポンプケーシング２１Ｐの上端部には、作動流体導入管２３Ｂが装着されている。作動流体導入管２３Ｂは、作動流体Ｓ２として高圧の海水Ｗを導入する導入口２４Ｂを有する。また、ポンプケーシング２１Ｐの途中部分側面には、作動流体Ｓ２を導出する導出口２６Ｂが海中に向けて作動流体Ｓ２を導出可能に開口している。
【００５９】
ポンプケーシング２１Ｐ内には、シャフト支持部４５ｊに支持された連結軸４０ｊが設けられている。シャフト支持部４５ｊは、ポンプケーシング２１Ｐの中央部分であって導出口２６Ｂよりも下部の位置に設けられ、連結軸４０ｊは、複数の軸受４３ｊを介してシャフト支持部４５ｊに回転自在に支持されている。
【００６０】
そして、ポンプケーシング２１Ｐ内には、連結軸４０ｊよりも下部の位置に、ねじポンプ部２０Ｐが設けられている。ねじポンプ部２０Ｐは、ポンプ用流体モータ部２０Ｂとは、ねじ状の螺旋部の巻き方向が逆方向になっている以外は、同様に構成された、ロータ４１Ｐおよびステータ５０Ｐを有する。
【００６１】
ポンプ用流体モータ部２０Ｂのロータ４１Ｂの下端は、ユニバーサルジョイント（自在継手）４８Ｂを介して連結軸４０ｊの上端に連結され、ねじポンプ部２０Ｐのロータ４１Ｐの上端は、ユニバーサルジョイント（自在継手）４８Ｐを介して連結軸４０ｊの下端に連結されている。
ポンプケーシング２１Ｐの途中部分の側面には、ユニバーサルジョイント４８Ｐのロッド部が位置する箇所に、混合物Ｍを揚鉱するための混合物揚鉱管１４Ｐが接続され、混合物揚鉱管１４Ｐは、ポンプケーシング２１Ｐの側方に張り出すととともに上方に向けて混合物Ｍを導出可能に配管されている。
【００６２】
このように構成された第二実施形態の海洋資源揚鉱装置１０によれば、上記第一実施形態同様の作用効果を奏するとともに、これに加え、混合物回収部に流体モータ駆動揚鉱ポンプ１が装備されているので、混合物Ｍの揚鉱を、よりきめ細かく制御することができる。
【００６３】
つまり、上記第一実施形態では、混合物Ｍの油滴径を制御する手段として安定室３７を設けているものの、混合物Ｍ自身の浮上力のみによる揚鉱の場合、安定室３７の容積やライザー管等の管路抵抗による損失、供給するエマルションの量、撹拌効率、レアアース泥の掘削速度等、多くのパラメータによって、混合物Ｍの状態やその油滴径が変動する可能性があるため、それに対応する制御が難しい場合が生じるおそれがある。
これに対し、第二実施形態の海洋資源揚鉱装置１０によれば、流体モータ駆動揚鉱ポンプ１の駆動制御によって、混合物回収口１４ｓからの混合物Ｍの揚鉱を、停止状態から所期の油滴径に対応する揚液速度を経て、機器の最大揚液速度までの任意の揚液速度に設定できる。
【００６４】
［第三実施形態］
次に、第三実施形態について説明する。
上記第一および第二実施形態では、流体モータ部またはねじポンプ部の基本構成として、ロータおよび固定されたステータを有する一軸ねじポンプを例に説明した。しかし、本発明に採用し得るねじポンプは、これに限定されない。例えば、固定されたステータに替えて、インナロータとともにアウタロータが連れ回り駆動するねじポンプを採用することができる。
【００６５】
具体例を第三実施形態として図３に示す。同図に示す第三実施形態では、流体モータ部およびねじポンプ部の基本構成として、インナロータとともにアウタロータが連れ回り駆動するねじポンプを採用するとともに、液液分離用に供給するエマルションＥｍを流体モータ部の作動流体Ｓとして兼用する例である。
【００６６】
詳しくは、図３に示すように、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置１０は、本体ケーシング１１の上端部に、中空円筒状のモータ部ケーシング２１Ｘが同軸に接続されている。モータ部ケーシング２１Ｘの下端開口は、安定室３７上部の混合物回収口１４ｓに連通している。モータ部ケーシング２１Ｘ内には、第二のシャフトである駆動軸４０ｋが回転自在に支持されている。
モータ部ケーシング２１Ｘ内には、流体モータ部２０Ｃが、駆動軸４０ｋ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２０Ｑが、駆動軸４０ｋの他端側（この例では上下方向下側）に設けられている。
【００６７】
モータ部ケーシング２１Ｘの途中部分の下部寄りの位置に、駆動軸４０ｋを回転自在に支持するシャフト支持部４５ｋが設けられている。駆動軸４０ｋは、シャフト支持部４５ｋの複数の軸受４３ｋによって回転自在に支持されている。複数の軸受４３ｋの両側それぞれにはシール部が設けられ、シール部により、駆動軸４０ｋの外周面とモータ部ケーシング２１Ｘとの間がシールされている。なお、本実施形態は、駆動軸４０ｋを支持する複数の軸受４３ｋ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（モータ部ケーシング２１Ｘ内の他の軸受について同様）。
【００６８】
モータ部ケーシング２１Ｘの上端部は、作動流体Ｓとして、高圧のエマルションＥｍを導入する導入口２４Ｃとされ、不図示の作動流体導入管が着脱可能に装着される。駆動軸４０ｋには、シャフト支持部４５ｋよりも上部の位置に、連通穴１３の導入口１３ｔが設けられている。連通穴１３の導入口１３ｔは、流体モータ部２０Ｃによる駆動軸４０ｋを駆動後のエマルションＥｍが導入される。
【００６９】
連通穴１３は、導入口１３ｔの位置から下方に向け、駆動軸４０ｋの中心を貫通して駆動軸４０ｋの下端面に連通している。さらに、連通穴１３は、駆動軸４０ｋの下端に接続されたシャフト４０の中心に貫通形成されており、シャフト４０の先端に装着される掘削ビット９１の側面に開口する吐出口１３ｓからエマルションＥｍを吐出可能に設けられており、この連通穴１３がエマルション供給管を構成している。
【００７０】
さらに、モータ部ケーシング２１Ｘの途中部分には、混合物Ｍを吐出する吐出口１４ｔが側面に設けられ、この吐出口１４ｔに混合物揚鉱管１４Ｐの基端部が連通して一体に装着されている。混合物揚鉱管１４Ｐは、基端側のエルボ部で上方に曲げられ、直線状の管本体部が、モータ部ケーシング２１Ｘに並行して上方に延びている。
【００７１】
モータ部ケーシング２１Ｘ内の上部には、上記流体モータ部２０Ｃが設けられている。流体モータ部２０Ｃは、モータ部ケーシング２１Ｘ内に、第一アウタロータ５０Ｃと、片持ち構造の第一インナロータ４１Ｃとを有する。第一アウタロータ５０Ｃには、左巻雌ねじ状の螺旋部が内周面に形成されている。
【００７２】
第一インナロータ４１Ｃには、左巻雄ねじ状の螺旋部が外周面に形成されている。第一インナロータ４１Ｃの基端部４１ｋは、モータ部ケーシング２１Ｘ内に直線状に延び、自在継手（ユニバーサルジョイント）を用いることなく駆動軸４０ｋの上端に一体形成され、駆動軸４０ｋとともに一体で回転するようになっている。
【００７３】
第一アウタロータ５０Ｃ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５０Ｃは、その両端が、軸方向に離隔した複数の軸受５３を介してモータ部ケーシング２１Ｘ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５０Ｃの外周面とモータ部ケーシング２１Ｘとの間がシールされている。
【００７４】
第三実施形態の流体モータ部２０Ｃでは、第一インナロータ４１Ｃの螺旋部は、左巻き２条雄ねじになっており、第一アウタロータ５０Ｃの内周面の螺旋部の形状は、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４１Ｃの外周面の螺旋部が、雌ねじ状の内面を形成した第一アウタロータ５０Ｃに内装され、第一アウタロータ５０Ｃの軸線と第一インナロータ４１Ｃの軸線とは、相互の軸心が所定の偏心量（軸心間距離）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５０Ｃが、第一インナロータ４１Ｃの回転に応じて連れ回りするようになっている。
【００７５】
詳しくは、流体モータ部２０Ｃの各ロータ４１Ｃ、５０Ｃの螺旋部は、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４１Ｃとして、当該第一インナロータ４１Ｃ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５０Ｃの輪郭とするように形成される。
【００７６】
また、各ロータ４１Ｃ、５０Ｃの螺旋部は、輪郭Ｄ３を第一インナロータ４１Ｃの輪郭とし、当該第一インナロータ４１Ｃ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５０Ｃの輪郭とするように形成される。
【００７７】
さらに、各ロータ４１Ｃ、５０Ｃの螺旋部は、輪郭Ｄ４を第一インナロータ４１Ｃの輪郭とし、当該第一インナロータ４１Ｃ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５０Ｃの輪郭とするように形成される。
【００７８】
以上の要領にて、各ロータ４１Ｃ、５０Ｃの螺旋部は、集積輪郭Ｄ５から先も同様に、輪郭ＤＮを第一インナロータ４１Ｃの輪郭とし、当該第一インナロータ４１Ｃ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５０Ｃの輪郭とするように形成される。
【００７９】
そして、当該輪郭Ｄ（Ｎ＋１）の第一アウタロータ５０Ｃ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５０Ｃ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４１Ｃの回転中心とする軸線ＣＬ１とし、当該第一インナロータ４１Ｃのピッチを第一アウタロータ５０Ｃ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４１Ｃ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５０Ｃとして流体モータ部２０Ｃを構成している。
【００８０】
第一アウタロータ５０Ｃ内に第一インナロータ４１Ｃの螺旋部が差し込まれると、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２０Ｃのキャビティが機能する必要最低限長さは、第一インナロータ４１Ｃが５４０°回転する長さである。その理由は、第一アウタロータ５０Ｃの入口から出口までを第一インナロータ４１Ｃ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。
【００８１】
一方、モータ部ケーシング２１Ｘ内の下部には、上記ねじポンプ部２０Ｑが設けられている。ねじポンプ部２０Ｑは、モータ部ケーシング２１Ｘ内に、右巻き雄ねじ状の螺旋部が外周面に形成された片持ち構造の第二インナロータ４１Ｑと、右巻き雌ねじ状の螺旋部が内周面に形成された第二アウタロータ５０Ｑとを有する。第二インナロータ４１Ｑの基端部４１ｕは、モータ部ケーシング２１Ｘ内に直線状に延び、自在継手（ユニバーサルジョイント）を用いることなく駆動軸４０ｋの下端に一体形成され、駆動軸４０ｋとともに一体で回転するようになっている。
【００８２】
第二アウタロータ５０Ｑ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５０Ｑは、その両端が、軸方向に離隔した複数の軸受６３を介してモータ部ケーシング２１Ｘ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５０Ｑの外周面とモータ部ケーシング２１Ｘとの間がシールされている。
【００８３】
第三実施形態では、第二インナロータ４１Ｑの下端部は、混合物回収口１４ｓを通して安定室３７内まで延設されており、安定室３７内上部の位置でシャフト４０の上端部に連結され、一体で回転するようになっている。第二インナロータ４１Ｑとシャフト４０との連結部の近傍の位置には、内周面に水中軸受７１Ｂが装着された軸受支持筒７２Ｂが設けられ、この水中軸受７１Ｂによって、シャフト４０の基端側が回転自在に支持されている。
さらに、上下の撹拌翼８１、８２間に、内周面に水中軸受７１Ａが装着された軸受支持筒７２Ａが設けられ、この水中軸受７１Ａによって、シャフト４０の先端側が回転自在に支持されている。なお、軸受支持筒７２Ａ、７２Ｂは、軸方向に沿って貫通する複数の貫通孔が周方向に離隔して形成され、平面視が略レンコン状をなしている。
【００８４】
本実施形態では、第二インナロータ４１Ｑは、螺旋部の外周面に右巻き２条雄ねじを有し、第二アウタロータ５０Ｑは、その内周面に右巻き３条雌ねじの螺旋部を有する。なお、ねじポンプ部２０Ｑの各ロータ４１Ｑ、５０Ｑの螺旋部の詳細は、上述した流体モータ部２０Ｃとは、螺旋部の巻方向が逆方向（つまり、右巻き）である以外は、流体モータ部２０Ｃと同様に構成されているため、詳細な説明を省略する。
【００８５】
上記構成により、第二インナロータ４１Ｑの外周面の螺旋部が、雌ねじ状の内面を形成した第二アウタロータ５０Ｑの螺旋部に内装され、第二アウタロータ５０Ｑの軸線と第二インナロータ４１Ｑの軸線とは、相互の軸心が所定の偏心量（軸心間距離）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５０Ｑが、第二インナロータ４１Ｑの回転に応じて連れ回りする。さらに、第二インナロータ４１Ｑの回転と共に、第二インナロータ４１Ｑの下端に連結されたシャフト４０も一体で回転駆動するようになっている。
【００８６】
次に、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置１０の動作について説明する。
上記のように構成された第三実施形態の海洋資源揚鉱装置１０において、流体モータ部２０Ｃに対し、上部の導入口２４Ｃから作動流体Ｓとして高圧のエマルションＥｍが供給されると、高圧のエマルションＥｍが第一インナロータ４１Ｃと第一アウタロータ５０Ｃとの対向空間に画成された複数のキャビティに順次に導入される。
【００８７】
これにより、流体モータ部２０Ｃは、キャビティに作用する高圧のエマルションＥｍの導入圧により、第一インナロータ４１Ｃが回転し、第一インナロータ４１Ｃの動きに伴って第一アウタロータ５０Ｃも第一インナロータ４１Ｃ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２０Ｃにおいて、エマルションＥｍの導入圧が駆動軸４０ｋの回転駆動力に変換される。さらに、エマルションＥｍは、エマルション供給管として機能する連通穴１３の導入口１３ｔに導入され、駆動軸４０ｋの中心からシャフト４０の中心に沿って軸方向に形成された連通穴１３を通り、掘削ビット９１の側面に開口する吐出口１３ｓへと送出される。
【００８８】
そして、流体モータ部２０Ｃで第一インナロータ４１Ｃが回転駆動すると、ねじポンプ部２０Ｑでは、１本の駆動軸４０ｋに同軸に設けられた第二インナロータ４１Ｑが回転し、その動きに伴って第二アウタロータ５０Ｑも第二インナロータ４１Ｑの回転と同期して従動回転する。
ここで、ねじポンプ部２０Ｑは、流体モータ部２０Ｃとは逆ねじになっているので、第二アウタロータ５０Ｑと第二インナロータ４１Ｑ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、安定室３７内の混合物Ｍを、下方の混合物回収口１４ｓから上方の吐出口１４ｔに向けて圧送することができる。
【００８９】
よって、第三実施形態のような構成であれば、上記第一実施形態同様の作用機序により、アパタイトを吸着したエマルションである混合物Ｍを、海水Ｗとの比重差に基づく自身の浮上力によって洋上まで浮上可能とするとともに、その浮上力に加え、ねじポンプ部２０Ｑによる揚液力で浮上を補助することができる。
【００９０】
ここで、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、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置１０は、モータ部ケーシング２１Ｘ内に流体モータ部２０Ｃで駆動するねじポンプ部２０Ｑを備え、１本の駆動軸４０ｋ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本の駆動軸４０ｋの他端のねじポンプを駆動できる。
【００９１】
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、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置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２０Ｃとして、第一インナロータ４１Ｃ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５０Ｃを回転自在に支承するとともに、ねじポンプ部２０Ｑも同様に、第二インナロータ４１Ｑ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５０Ｑを回転自在に支承したので、流体モータ部２０Ｃとねじポンプ部２０Ｑ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、駆動軸４０ｋ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。
【００９２】
また、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２０Ｃとねじポンプ部２０Ｑ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レアアース泥を含む混合物Ｍを揚鉱可能な信頼性の高い海洋資源揚鉱装置を構成できる。また、本実施形態の海洋資源揚鉱装置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。
【００９３】
特に、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置１０は、駆動軸４０ｋの下端にシャフト４０の上端を連結して、シャフト４０をも同時に駆動するので、流体モータ部２０Ｃとねじポンプ部２０Ｑとに加え、掘削部９０と撹拌部８０をも同時に駆動できる。よって、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混合物Ｍを揚鉱可能な信頼性の高い海洋資源揚鉱装置を構成する上で極めて優れている。
【００９４】
また、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置１０は、流体モータ部２０Ｃとねじポンプ部２０Ｑ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。
【００９５】
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／ｃｍ２）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、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置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。第三実施形態の海洋資源揚鉱装置１０では、１台当り１００ｋｇｆ／ｃｍ２（揚程１０００ｍ）以上の吐出圧力の達成可能である。
【００９６】
さらに、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、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置１０であれば、ねじポンプが定量性に優れ、脈動が極めて小さい定常流のため、安定した運転が可能である。
【００９７】
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、インペラ一枚当たり得られる揚程は３０ｍ以下である。これに対し、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置１０であれば、１台あたり１００ｋｇｆ／ｃｍ２（清水揚程１０００ｍ）以上の能力があるため、深海からの揚鉱の場合、圧倒的に少ない台数での揚液が可能である。
【００９８】
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、第三実施形態の海洋資源揚鉱装置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。
【００９９】
なお、上記第三実施形態では、流体モータ部２０Ｃおよびねじポンプ部２０Ｑ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。
【０１００】
つまり、第三実施形態に例示する海洋資源揚鉱装置は、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２０Ｃおよびねじポンプ部２０Ｑ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。
【０１０１】
具体的には、流体モータ部２０Ｃおよびねじポンプ部２０Ｑの構成を、例えば、ケーシングと、ケーシ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。
【符号の説明】
【０１０２】
１    流体モータ駆動揚鉱ポンプ
１０    海洋資源揚鉱装置
１１    本体ケーシング
１２    インロー嵌合部
１３    エマルション供給管（エマルション供給部）
１４    混合物揚鉱管（混合物回収部）
２０    流体モータ部
２１    モータ部ケーシング
２３    作動流体導入管
２４    導入口
２６    導出口
３６    吸込口
３７    安定室
４０    シャフト
４１    ロータ
４３    軸受
４５    シャフト支持部
４８    自在継手（ユニバーサルジョイント）
５０    ステータ
５１    ステータ外筒
５２    ステータ内筒
７０    撹拌室
７１    水中軸受
７２    軸受支持筒
８０    撹拌部
８１    第一撹拌翼（撹拌翼）
８２    第二撹拌翼（撹拌翼）
９０    掘削部（レアアース泥供給部）
９１    掘削ビット
Ｓ    作動流体
Ｅｍ    エマルション
Ｍ    混合物（移送流体：アパタイト吸着エマルション）
Ｒ    レアアース泥
Ｗ    海水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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