(57)【要約】【課題】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装置および海洋資源の揚鉱方法を提供する。【解決手段】海洋資源揚鉱装置１００Ａは、下部に採鉱口３ｂが開口する貯鉱室３ａが形成された貯鉱ケーシング３と、貯鉱ケーシング３の外面に配置されたスラスタ４と、貯鉱ケーシング内の上部に基端部が固定され下方の採鉱口から張り出す位置にビット装着部３３が位置するとともに海水またはエマルションを駆動流体とする流体モータ機構を有し且つビット装着部３３に駆動流体を噴射するノズルが形成されたビット９０が装着されるダウンホールモータ２と、ダウンホールモータ２の外周面であってビット上部の位置に配置された攪拌部２１８と、貯鉱ケーシング内のダウンホールモータ２を囲繞する位置に配置されて上部が貯鉱室内に開口するとともに下部に採鉱口に対向して下方に拡径する集鉱ホッパ１０３が形成された集鉱管１０２と、を備える。【選択図】図１
2019011569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海中の採鉱位置への潜水および海上の浮上位置への浮上が可能な海洋資源揚鉱装置であって、
内部が貯鉱室とされるとともに下部に外部に連通する採鉱口が開口する貯鉱ケーシングと、
該貯鉱ケーシングの外面に付設されたスラスタと、
前記貯鉱ケーシング内に装備されて自身先端の回転部が前記採鉱口から下方に張り出す位置に配置される掘削装置と、を備え、
前記掘削装置は、前記回転部に装着される掘削用のビットで掘削作動するとともに海水よりも比重が軽いエマルションを前記ビットまたは前記ビット近傍に設けられたノズルから噴射するように構成されていることを特徴とする海洋資源揚鉱装置。
【請求項２】
前記掘削装置は、ダウンホールモータであり、当該ダウンホールモータは、駆動流体として海水および海水よりも比重が軽いエマルションで駆動される流体モータ機構を有するとともに前記駆動流体を噴射するノズルが形成されたビットが前記回転部の先端に装着される請求項１に記載の海洋資源揚鉱装置。
【請求項３】
前記ダウンホールモータは、前記回転部の外周面であって前記ビット上部の位置に前記回転部と共に回転する攪拌翼を更に有する請求項２に記載の海洋資源揚鉱装置。
【請求項４】
前記貯鉱ケーシング内の前記ダウンホールモータを囲繞する位置に配置されて上部が前記貯鉱室内に開口するとともに下部が前記採鉱口に対向して下方に拡径する集鉱ホッパが形成された集鉱管を更に有する請求項２または３に記載の海洋資源揚鉱装置。
【請求項５】
前記集鉱管を前記貯鉱ケーシング内で昇降させる昇降装置を更に有する請求項４に記載の海洋資源揚鉱装置。
【請求項６】
前記ダウンホールモータは、その基端部が前記貯鉱ケーシング内の上部の位置に固定されるとともに該基端部に前記駆動流体の導入口が設けられ、該導入口に前記駆動流体として海水および前記エマルションを供給可能に海上の海洋資源回収船に駆動流体供給ホースで連結される請求項２〜５のいずれか一項に記載の海洋資源揚鉱装置。
【請求項７】
前記ダウンホールモータは、その基端部が前記貯鉱ケーシング内の上部の位置に固定されるとともに該基端部に前記駆動流体の導入口が設けられ、
前記海洋資源揚鉱装置は、海上の海洋資源回収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、前記貯鉱ケーシングには、前記エマルションが潜航時に満たされるとともに、電動機と、該電動機で駆動されて前記導入口に駆動流体を供給する駆動流体供給用のねじポンプと、該ねじポンプから前記導入口に供給される駆動流体として海水および前記エマルションの供給路を切換可能な電磁弁と、が配置されている請求項２〜５のいずれか一項に記載の海洋資源揚鉱装置。
【請求項８】
前記海洋資源揚鉱装置は、海上の海洋資源回収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、
前記貯鉱ケーシングには、電動機と、該電動機で駆動するねじポンプと、該ねじポンプから前記ノズルに供給される噴射流体の供給路を切り換える流体切換用の電磁弁と、が配置され、
前記ねじポンプのロータには、前記掘削装置のビットを回転させる前記回転部のシャフトが連結されている請求項１に記載の海洋資源揚鉱装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の海洋資源揚鉱装置を用い、
前記海洋資源揚鉱装置を海上から海中の採鉱位置まで潜水させる潜水工程と、
前記採鉱位置に潜水後に、前記ビットによる掘削力と前記ノズルから噴射される前記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解泥工程と、
前記解泥したレアアース泥と前記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混合工程と、
前記混合物を前記貯鉱室内に導き、該貯鉱室に前記混合物を貯留する貯留工程と、
前記混合物を貯留後に、前記海洋資源揚鉱装置を海上の浮上位置に浮上させて前記混合物を回収する回収工程と、
を含むことを特徴とする海洋資源の揚鉱方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の海洋資源揚鉱装置を用い、
海洋資源回収船は、前記駆動流体供給ホースから、非レアアース泥堆積層を掘削時には、前記ダウンホールモータの駆動流体として海水を供給し、レアアース泥堆積層を掘削時には、前記ダウンホールモータの駆動流体としてエマルションを供給する請求項９に記載の海洋資源の揚鉱方法。
【請求項１１】
請求項７に記載の海洋資源揚鉱装置を用い、
前記駆動流体切換用の電磁弁は、非レアアース泥堆積層を掘削時には、前記ダウンホールモータの駆動流体として海水を供給し、レアアース泥堆積層を掘削時には、前記ダウンホールモータの駆動流体としてエマルションを供給するように駆動流体の供給路を切り換える請求項９に記載の海洋資源の揚鉱方法。
【請求項１２】
前記潜水工程では、前記貯鉱ケーシング内の貯鉱室に、海水を満たした状態で潜航する請求項９〜１１のいずれか一項に記載の海洋資源の揚鉱方法。
【請求項１３】
請求項８に記載の海洋資源揚鉱装置を用い、
前記切換用の電磁弁は、非レアアース泥堆積層を掘削時には、前記ねじポンプに海水を供給して前記ノズルから噴射させ、レアアース泥堆積層を掘削時には、前記ねじポンプにエマルションを供給して前記ノズルから噴射させるように噴射流体の供給路を切り換える請求項９に記載の海洋資源の揚鉱方法。
【請求項１４】
前記潜水工程では、前記貯鉱ケーシング内の貯鉱室に、前記エマルションを満たした状態で潜航する請求項９または１３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５４９０５２１３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。
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】
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、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、本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置は、海中の採鉱位置への潜水および海上の浮上位置への浮上が可能な海洋資源揚鉱装置であって、内部が貯鉱室とされるとともに下部に外部に連通する採鉱口が開口する貯鉱ケーシングと、該貯鉱ケーシングの外面に付設されたスラスタと、前記貯鉱ケーシング内に装備されて自身先端の回転部が前記採鉱口から下方に張り出す位置に配置される掘削装置と、を備え、前記掘削装置は、前記回転部に装着される掘削用のビットで掘削作動するとともに海水よりも比重が軽いエマルションを前記ビットまたは前記ビット近傍に設けられたノズルから噴射するように構成されている。
【０００７】
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、本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置を用い、前記海洋資源揚鉱装置を海上から海中の採鉱位置まで潜水させる潜水工程と、前記採鉱位置に潜水後に、前記ビットによる掘削力と前記ノズルから噴射される前記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解泥工程と、前記解泥したレアアース泥と前記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混合工程と、前記混合物を前記貯鉱室内に導き、該貯鉱室に前記混合物を貯留する貯留工程と、前記混合物を貯留後に、前記海洋資源揚鉱装置を海上の浮上位置に浮上させて前記混合物を回収する回収工程と、を含むことを特徴とする。
なお、本明細書において、「解泥」とは、海底鉱床の泥質堆積層に対するビットの掘削力と噴射流体の流体力とによって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。
【０００８】
本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、貯鉱ケーシングは、下部に外部に連通する採鉱口が開口しているので、採鉱口から貯鉱室内に海水またはエマルションを充填することにより、海洋資源揚鉱装置自身を容易に海中に沈めることができる。そして、貯鉱ケーシングの外面にはスラスタ付設されているので、このスラスタにより、貯鉱ケーシングの姿勢を制御するとともに潜水および浮上を含む潜航時の推進力を得ることができる。
【０００９】
よって、本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、自身を海上から海中の採鉱位置まで潜水させることができる。ここで、海洋資源揚鉱装置全体の質量を適切に設定すれば、潜水に際しては、中性浮力よりも浮力を小さく設定することにより、推進力が小さいスラスタであっても容易に潜水および浮上等の潜航が可能であり、また、浮遊姿勢を容易に保持できる。
【００１０】
そして、本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、貯鉱ケーシング内には、掘削装置が装備され、この掘削装置は、自身先端の回転部が下部の採鉱口から下方に張り出す位置に配置されているので、採鉱位置まで潜水後に、採鉱位置にて回転部に装着されたビットにより掘削を行うことができる。
さらに、この掘削装置は、ビットまたはビット近傍に設けられたノズルから海水よりも比重が軽いエマルションを噴射するように構成されているので、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。
【００１１】
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、本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置によれば、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貯鉱ケーシングの採鉱口から貯鉱室内に自ら浮上させ、貯鉱室内で海水またはエマルションと置換させて充填させることができる。
【００１２】
ここで、海洋資源揚鉱装置全体の質量を適切に調整すれば、浮上に際しては、貯鉱室に充填させるレアアース泥を吸着させた混合物の比重が海水よりも軽いので、中性浮力またはそれよりも浮力を大きく設定することができる。
例えば、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、上記混合物が貯鉱室に充填された海洋資源揚鉱装置自らを浮上させるためのエマルションとして好適である。
【００１３】
よって、貯鉱室に混合物を充填後には、推進力が小さいスラスタであっても容易に海洋資源揚鉱装置自らを海上の浮上位置に浮上させることができる。そして、浮上後に、貯鉱ケーシング内の貯鉱室から、エマルションにレアアース泥を吸着させた混合物を容易に回収することができる。よって、深海からレアアース泥を回収するに際し、上記特許文献１ないし２に記載の技術と比べて、海上から海底までの揚鉱用配管の延設が不要であり、また、エネルギー効率を向上させることができる。
【００１４】
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。
【００１５】
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、本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置を用い、前記海洋資源揚鉱装置を海上から海中の採鉱位置まで潜水させる潜水工程と、採鉱位置に潜水後に、前記ビットによる掘削力と前記ノズルから噴射される前記エマルションの流体力とで前記採鉱位置のレアアース泥を解泥する解泥工程と、解泥したレアアース泥と前記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混合工程と、前記混合物を前記貯鉱室に導き、該貯鉱室に前記混合物を貯留する貯留工程と、貯留後に、前記海洋資源揚鉱装置を海上の浮上位置に浮上させて前記混合物を回収する回収工程と、を含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明の一態様に係る海洋資源の揚鉱方法によれば、本発明の一態様に係る海洋資源揚鉱装置を用いるので、海洋資源揚鉱装置を海上から海中の採鉱位置まで潜水させることができる。そして、採鉱位置への潜水後に、ビットの回転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によって泥質堆積層中のレアアース泥を解泥できる。さらに、解泥されたレアアース泥と噴射されたエマルション相互を混合してレアアース泥をエマルションに吸着結合させて海水よりも比重が軽い混合物にすることができる。
【００１７】
そして、駆動流体として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を軽くすることができる。そのため、エマルションにレアアース泥を吸着させた混合物を貯鉱ケーシングの下部に設けられた採鉱口から貯鉱室内に導入し、その混合物を海中で貯鉱室に充填後、海洋資源揚鉱装置自らを浮上させて混合物を洋上で回収できる。よって、本発明の一態様に係る海洋資源の揚鉱方法によれば、上記特許文献１ないし２に記載の技術と比べて、海上から海底までの揚鉱用配管の延設が不要であり、また、エネルギー効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
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、海上の浮上位置への浮上および海中の採鉱位置への潜水が自ら可能な海洋資源揚鉱装置によって揚鉱するので、海上から海底までの揚鉱用配管の延設が不要である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る海洋資源揚鉱装置の第一実施形態を示す説明図であり、同図では、海中の海洋資源揚鉱装置を短軸軸線に沿った断面で示している。
【図２】第一実施形態の海洋資源揚鉱装置に装備される掘削装置であるダウンホールモータの部分の説明図であり、同図は図１のＡ部を拡大図示している。
【図３】第一実施形態の潜水式海洋資源揚鉱装置で海底に直接露出しているレアアース泥を選鉱回収する工程（第一揚鉱例）の説明図である。
【図４】第一実施形態の潜水式海洋資源揚鉱装置で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を選鉱回収する工程（第二揚鉱例）の説明図である。
【図５】第一実施形態の潜水式海洋資源揚鉱装置で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を選鉱回収する工程（第二揚鉱例）の説明図である。
【図６】第一実施形態の潜水式海洋資源揚鉱装置で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を選鉱回収する工程（第二揚鉱例）の説明図である。
【図７】第一実施形態の潜水式海洋資源揚鉱装置で貯鉱室にレアアース吸着エマルションを貯鉱し海上へ浮上する工程の説明図である。
【図８】本発明に係る海洋資源揚鉱装置の第二実施形態を示す説明図であり、同図では、海中の海洋資源揚鉱装置を短軸軸線に沿った断面で示している。
【図９】第二実施形態の海洋資源揚鉱装置に装備されるねじポンプの部分の説明図であり、同図は図８のＢ部を拡大図示している。
【図１０】第二実施形態の潜水式海洋資源揚鉱装置で海底に直接露出しているレアアース泥を選鉱回収する工程（第一揚鉱例）の説明図である。
【図１１】第二実施形態の潜水式海洋資源揚鉱装置で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を選鉱回収する工程（第二揚鉱例）の説明図である。
【図１２】第二実施形態の潜水式海洋資源揚鉱装置で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を選鉱回収する工程（第二揚鉱例）の説明図である。
【図１３】第二実施形態の潜水式海洋資源揚鉱装置で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を選鉱回収する工程（第二揚鉱例）の説明図である。
【図１４】第二実施形態の潜水式海洋資源揚鉱装置で貯鉱室にレアアース吸着エマルションを貯鉱し海上へ浮上する工程の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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、潜水式の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。
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。
【００２１】
［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〜図７を適宜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１００Ａは、殻壁が扁平な卵型をした中空形状の貯鉱ケーシング３と、貯鉱ケーシング３内の中心部に略垂直に支持されたダウンホールモータ２とを備える。貯鉱ケーシング３の殻壁は、例えばステンレス鋼板を用いた溶接構造によって製作される。また、貯鉱ケーシング３内には、必要に応じて適所に補強リブ等の補強構造が設けられる。この海洋資源揚鉱装置１００Ａは、海中の採鉱位置への潜水および海上の浮上位置への浮上が自ら可能に構成され、後述する混合物Ｍａを海上まで揚鉱する混合物回収部を構成する。
【００２２】
詳しくは、貯鉱ケーシング３は、卵型殻壁の長軸方向を水平とし短軸方向を上下とする潜航姿勢で海中に配備される。貯鉱ケーシング３の外面には、短軸軸線の殻壁周囲に複数のスラスタ４が付設されている。この例は、周方向に９０°に離隔する位置に、４基のスラスタ４が付設されている。
各スラスタ４は、貯鉱ケーシング３の内面側から固定された回動機構部４ｃと、回動機構部４ｃから貯鉱ケーシング３の外部に水平に張り出す回動軸４ｄと、回動軸４ｄの先端に固定されたスラスタ本体４ｂと、スラスタ本体４ｂの駆動モータの駆動により回転駆動されるスクリュー４ａとを有する。
【００２３】
これにより、各スラスタ４は、回動機構部４ｃの駆動してスラスタ本体４ｂを回動させることにより、スクリュー４ａの向きを上方、下方、および水平方向の左右並びに斜めの向きに、スラスタ本体４ｂの姿勢制御が可能である。そして、回動機構部４ｃによるスラスタ本体４ｂの姿勢制御後、その位置でスラスタ本体４ｂに内蔵された駆動モータの駆動によりスクリュー４ａを回転させて推進力を得ることが可能になっている。
【００２４】
また、貯鉱ケーシング３の殻壁外面３ｇには、下部中央に開口する採鉱口３ｂが設けられている。さらに、貯鉱ケーシング３の殻壁外面３ｇには、下部の採鉱口３ｂの側方に、下方に向けて配置された超音波センサ６が複数配置されている。貯鉱ケーシング３の殻壁内には、各スラスタ４の駆動部近傍に、各スラスタ４を駆動するためのバッテリ５がそれぞれ配置されている。さらに、貯鉱ケーシング３の内部には、貯鉱ケーシング３の短軸中心と並行にスライドガイド軸１６が配置されており、スライドガイド１６軸に沿って昇降装置８がスライド移動可能に設けられている。
【００２５】
昇降装置８の昇降機構は、例えばラックアンドピニオン機構を採用できる。具体的には、スライドガイド１６軸に形成された不図示のラックと、このラックに歯合するように昇降装置８の内部に設けられた不図示の駆動ピニオンと、この駆動ピニオンを回転駆動するように昇降装置８の内部に設けられた不図示の駆動モータとを有し、駆動モータの駆動により、スライドガイド１６軸に沿って昇降装置８を昇降可能である。
【００２６】
昇降装置８の本体部は、側方に張り出す支持腕８ｕを有し、支持腕８ｕの端部に、集鉱装置１０１の上部側面が固定されている。集鉱装置１０１は、集鉱管１０２と、集鉱管１０２の下端に設けられた集鉱ホッパ１０３とを有する。
図２に要部を拡大図示するように、集鉱装置１０１は、下端部が、下方に向けて拡径する集鉱ホッパ１０３とされている。集鉱ホッパ１０３は下方に向けて開口しており、この開口部分が、後述するレアアース泥Ｄｒの吸込口になっている。集鉱ホッパ１０３の上部が集鉱管１０２に連通して集鉱装置１０１が構成されている。集鉱管１０２は、中空円筒状の管路であり、その上端部が貯鉱ケーシング３の内部に開口している。
【００２７】
図１に示すように、貯鉱ケーシング３の短軸軸線方向の殻壁上部には甲板１５が水平に設けられている。甲板１５の中央には、駆動流体供給ホース７を接続するための駆動流体供給用カップラ３８が設けられている。また、駆動流体供給用カップラ３８の側方には、貯鉱ケーシング３の内部の貯鉱室３ａに貯鉱されたアパタイト吸着エマルションである混合物Ｍａを洋上で回収するための回収用カップラ４０が設けられている。
【００２８】
この海洋資源揚鉱装置１００Ａは、駆動流体供給用カップラ３８に、長尺で可撓性を有する駆動流体供給ホース７が海上に停泊する海洋資源回収船１から接続され、接続時には、海上に停泊する海洋資源回収船１まで海水が満たされた状態で延設される。
駆動流体供給ホース７は、海水注入用の第一駆動流体供給ホース７ａと、エマルション注入用の第二駆動流体供給ホース７ｂとを有して構成される。駆動流体供給ホース７の先端は、駆動流体供給用カップラ３８を介してダウンホールモータ２上部の連結ハウジング２３に接続され、さらに、連結ハウジング２３内の駆動流体導入路を介して、ダウンホールモータ２の駆動流体供給路１３に駆動流体が選択的に導入される。
【００２９】
つまり、本実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ａは、駆動流体Ｍとして、エマルションＥｍと海水Ｗを別々に注入できるように、ダウンホールモータ２の駆動流体供給路１３に駆動流体Ｍを注入する駆動流体供給ホース７が２本配管されている。本実施形態では、海上の海洋資源回収船１には、海水圧送ポンプとエマルション圧送ポンプの２台の圧送ポンプが設置され、海水圧送ポンプには、海水注入用の第一駆動流体供給ホース７ｂが連結され、エマルション圧送ポンプには、エマルション注入用の第二駆動流体供給ホース７ａが連結される。
【００３０】
本実施形態では、連結ハウジング２３内の駆動流体導入路として、図２に示すように、連結ハウジング２３内部の海水注入用の第一駆動流体供給管２３ｂと、エマルション注入用の第二駆動流体供給管２３ａとがダウンホールモータ２の第一シャフト２０の軸線と並行に所定距離離隔して貯鉱ケーシング３内部までそれぞれ配管されている。第一駆動流体供給管２３ｂは、駆動流体供給用カップラ３８を介して海水注入用の第一駆動流体供給ホース７ｂに接続され、第二駆動流体供給ホース７ａは、駆動流体供給用カップラ３８を介してエマルション注入用の第二駆動流体供給ホース７ａに接続される。
【００３１】
さらに、図１に示すように、甲板１５上には、この海洋資源揚鉱装置１００Ａを制御するコントローラ９が耐圧容器内に装備されている。コントローラ９は、バッテリ５からの電源で稼働されるマイクロコンピュータを含む情報処理装置であり、自動制御のプログラムまたは洋上からのオペレータの操作に応じて、所定の採鉱処理を実行可能に構成される。また、コントローラ９は、所定の採鉱処理の実行に際し、上述のスラスタ４の回動および回転制御、超音波センサ６による潜航位置情報の取得制御、昇降装置８の昇降動作の制御等を含む必要な揚鉱処理を実行する。
【００３２】
例えば所定の揚鉱処理として、コントローラ９は、海洋資源揚鉱装置１００Ａ自身を海上から海中の採鉱位置まで潜水させる潜水処理を実行する。潜水処理では、コントローラ９は、複数の超音波センサ６から取得する潜航位置情報およびコントローラ９内に設けられた姿勢センサから取得する姿勢情報等に基づき、４基のスラスタ４を駆動して、水平姿勢を維持しつつ所期の深度の採鉱位置まで潜航する。
【００３３】
採鉱位置に潜水後には、コントローラ９は、解泥工程監視処理を実行する。解泥工程監視処理では、コントローラ９は、ダウンホールモータ２を駆動させて、ビット９０による掘削力とノズル９１から噴射されるエマルションＥｍの流体力とで泥質堆積層中のレアアース泥Ｄｒを解泥する解泥工程が円滑に行われているか否かを監視する（例えば図３参照）。
解泥工程が円滑に行われているか否かの判断は、例えば駆動流体供給用カップラ３８に付設された圧力計から駆動流体の供給圧情報を取得し、その供給圧に所定を超えるような変動の有無を監視することにより判定できる。
【００３４】
さらに、コントローラ９は、解泥工程の監視とともに、混合工程監視処理を実行する。コントローラ９は、混合工程監視処理では、解泥されたレアアース泥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とする混合工程が円滑に行われているか否かを監視する。
また、コントローラ９は、混合工程の監視とともに、貯留工程監視処理を実行する。コントローラ９は、貯留工程監視処理では、混合物Ｍａを貯鉱室３ａに導き、貯鉱室３ａに混合物Ｍａを貯留する貯留工程が円滑に行われているか否かを監視する。
【００３５】
混合工程および貯留工程が円滑に行われているか否かの判断は、例えば中性浮力の管理情報に基づいて判定することができる。つまり、潜航直後は、貯鉱ケーシング３の内部には海水が満たされている。そのため、中性浮力を維持するためには、４基のスラスタ４による姿勢制御の出力が比較的に大きくなる。
これに対し、貯鉱ケーシング３の内部にエマルションの混合物Ｍａが貯留されるにつれ、混合物Ｍａの比重が海水よりも軽いことから、４基のスラスタ４による中性浮力の維持が次第に容易となる。よって、中性浮力の維持に要する電力を監視することにより、混合工程および貯留工程が円滑に行われているか否かの判断が可能である。
【００３６】
さらに、コントローラ９は、貯留後に、浮上処理を実行する。浮上処理では、コントローラ９は、海洋資源揚鉱装置１００Ａ自身を海上の浮上位置に浮上させる。また、浮上後には、混合物Ｍａを回収する混合物回収工程を監視する回収工程監視処理を実行する。浮上処理では、コントローラ９は、複数の超音波センサ６から取得する浮上位置情報およびコントローラ９内に設けられた不図示の姿勢センサから取得する姿勢情報等に基づき、４基のスラスタ４を駆動して、水平姿勢を維持しつつ海上の浮上位置まで浮上する。
【００３７】
図２に示すように、集鉱装置１０１の筒内には、掘削用のビット９０が装着されたダウンホールモータ２が集鉱管１０２と略同軸に配置される。ダウンホールモータ２は、中空円筒状のハウジング１０を備える。本実施形態では、連結ハウジング２３の先端部分が、ダウンホールモータ２のハウジング１０を構成する上部ハウジング１１の基端部と一体に接続されている。
ビット９０は、貯鉱ケーシング３下部の採鉱口３ｂから下方に張り出す位置に設けられている。採鉱口３ｂからのビット９０の張り出し長さ（つまり、ハウジング１０の長さ）は、後述する非レアアース泥堆積層ＤＮの見込み厚さの分を見込んで設定される。なお、ダウンホールモータ２の軸方向の位置を調整可能に構成することは好ましい。
【００３８】
ダウンホールモータ２は、その先端側が集鉱ホッパ１０３の下部開口に臨むように配置される。ビット９０の位置は、集鉱ホッパ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、駆動流体供給ホース７から連結ハウジング２３を介して上部ハウジング１１内の駆動流体供給路１３に高圧の駆動流体Ｍが供給されると、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を海水Ｗとともに集鉱ホッパ１０３から集鉱装置１０１内に導くようになっている。
【００３９】
詳しくは、本実施形態のハウジング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。本実施形態では、上述したように、駆動流体Ｍとして、高圧の海水Ｗおよび高圧のエマルションＥｍが、駆動流体供給ホース７から連結ハウジング２３を介して駆動流体供給路１３に選択的に導入される。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
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。
【００４３】
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。
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。
【００４４】
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。
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。
【００４５】
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。
【００４６】
ここで、本実施形態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。
【００４７】
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、連結ハウジング２３内部の駆動流体供給路１３、駆動流体導入路２５および駆動流体導出口２４によって、自身基端側の連結ハウジング２３内部の第一駆動流体供給管２３ｂまたは第二駆動流体供給管２３ａ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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、駆動流体Ｍを吐出するノズル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。なお、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。
【００５２】
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２２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。
【００５３】
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のノズル９１から噴射される海水Ｗまたはエマルション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。
【００５４】
さらに、ダウンホールモータ２の外周には、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の基端部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１０の外周面を囲繞するようにハウジング１０と同軸に配置される。攪拌軸２００は、ハウジング１０との間に軸受２０１が介装され、ハウジング１０と干渉することなく、回転部である第二シャフト３０と一体で回転するように構成されている。
【００５５】
本実施形態の攪拌部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。
第一実施形態の攪拌部２１８は、所定方向に回転駆動されると、上方に配置された第一から第三攪拌翼２１２〜２１４は下降流を形成し、下方に配置された第四から第六攪拌翼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、第二シャフト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、第一攪拌翼２１２が上昇流を形成するように構成してもよい。
【００５６】
次に、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ａ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。
［第一実施形態：第一の揚鉱例］
まず、図３に示す、海底に直接露出しているレアアース泥堆積層Ｄからレアアース泥Ｄｒを選鉱回収する第一の揚鉱例について説明する。
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、海洋資源回収船１を目的とする海域の海上に停泊し、次いで、上述の海洋資源揚鉱装置１００Ａを海洋資源回収船１から海中に降ろし潜航させる。このとき、第一実施形態では、貯鉱ケーシング３の貯鉱室３ａには、海水Ｗを満たした状態で潜航させる。海洋資源揚鉱装置１００Ａは、コントローラ９の潜航処理に基づき、海中のレアアース泥床ＯＤの所期の位置に自ら潜航して配置につく。貯鉱ケーシング３、駆動流体供給ホース７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。
【００５７】
海洋資源揚鉱装置１００Ａでの揚鉱は、所期の位置において、図３に示すように、昇降装置８の昇降作動により、貯鉱ケーシング３の集鉱ホッパ１０３をレアアース泥床ＯＤに対向させる。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する。中性浮力はスラスタ４の適宜駆動により維持される。
【００５８】
この例の海洋資源揚鉱装置１００Ａでの揚鉱作業では、を駆動流体供給ホース７の第二駆動流体供給ホース７ａには、駆動流体Ｍとして、海洋資源回収船１に装備された、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。そして、海洋資源回収船１から、海洋資源揚鉱装置１００Ａに対し、第二駆動流体供給ホース７ａから連結ハウジング２３を介して駆動流体Ｍとして高圧のエマルションＥｍを導入する。
本実施形態では、駆動流体Ｍとして、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を駆動流体供給ホース７から連結ハウジング２３を介してダウンホールモータ２に駆動流体Ｍとして供給する（以下、他の揚鉱例において同様）。
【００５９】
上記のように配置された海洋資源揚鉱装置１００Ａにおいて、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としてエマルションＥｍが上記駆動流体供給路１３から導入され、第一シャフト２０の駆動流体導入路２５を介して駆動流体導出口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２の符号Ｍ１）。
さらに、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。これにより、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。
【００６０】
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２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２の符号Ｍ３）。
【００６１】
これにより、この海洋資源揚鉱装置１００Ａは、図３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、この海洋資源揚鉱装置１００Ａ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。
【００６２】
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２の符号Ｍ４）。
さらに、第一実施形態では、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。なお、集鉱ホッパ１０３の高さは、昇降装置８の駆動により適切な位置に配置することが好ましい。
【００６３】
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。
【００６４】
海洋資源揚鉱装置１００Ａ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、第一攪拌翼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、第一攪拌翼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の上部は、貯鉱ケーシング３内の上部近傍に開口しているため、図３に示すように、本実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ａによれば、浮上を開始した混合物Ｍａを、貯鉱ケーシング３の貯鉱室３ａ内に貯鉱することができる。
【００６５】
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３に示すように、スラスタ４による水平方向へのフィード動作Ｆ１により、所定の掘削深度での採鉱を継続する。本実施形態では、スラスタ４を水平方向に回動させた姿勢で推進駆動することで、貯鉱ケーシング３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。
【００６６】
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、この海洋資源揚鉱装置１００Ａによれば、図７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を貯鉱ケーシング３の貯鉱室３ａ内で海水と置換させて充填させることができる。
【００６７】
ここで、海洋資源揚鉱装置１００Ａ全体の質量を適切に調整すれば、浮上に際しては、貯鉱室３ａに充填させるレアアース泥を吸着させた混合物Ｍａの比重が海水よりも軽いので、中性浮力またはそれよりも浮力を大きく設定することができる。よって、貯鉱室３ａに混合物Ｍａを充填後には、推進力が小さいスラスタ４であっても容易に海洋資源揚鉱装置１００Ａ自らを浮上することができる。なお、図７に示す符号Ｆ６は、混合物Ｍａを貯鉱室３ａに貯留後に、海洋資源揚鉱装置１００Ａ自らを海上の浮上位置に浮上させるイメージを示している。
【００６８】
そして、海上の浮上位置に浮上後に、回収用カップラ４０に回収用ホースを接続して、貯鉱ケーシング３内の貯鉱室３ａから、エマルションにレアアース泥を吸着させた混合物Ｍａを容易に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、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。また、エネルギー効率を向上させることができる。
【００６９】
［第一実施形態：第二の揚鉱例］
次に、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、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を選鉱回収する第二の揚鉱例について説明する。
この場合、海洋資源揚鉱装置１００Ａでの揚鉱は、第一の揚鉱例同様に潜水後、所期の採鉱位置において、図４に示すように、貯鉱ケーシング３をレアアース泥床ＯＤに対向させる。ダウンホールモータ２は、ビット９０が貯鉱ケーシング３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。第二の揚鉱例では、昇降装置８の昇降動作により、集鉱装置１０１はレアアース泥床ＯＤの上方に離隔されている。そして、本実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ａでの揚鉱作業では、駆動流体Ｍとして、まず、海水圧送ポンプの駆動により、駆動流体供給ホース７の海水注入管である第一駆動流体供給ホース７ｂからダウンホールモータ２に海水Ｗが注入される。
【００７０】
これにより、作業時には、ダウンホールモータ２には、高圧の海水Ｗが駆動流体供給ホース７から駆動流体供給路１３を介してダウンホールモータ２に導入され、第一シャフト２０の駆動流体導入路２５を介して駆動流体導出口２４から導出されて駆動機構部７０の上部の位置３１ｕに海水Ｗが駆動流体Ｍとして供給される。
さらに、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。これにより、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。
【００７１】
これにより、図４に示すように、高圧の海水Ｗをダウンホールモータ２に注入することでビット９０を回転させ、レアアース泥堆積層Ｄの上に堆積している非レアアース泥堆積層ＤＮに竪穴を掘削して非レアアース泥Ｄｘを除去することができる（非レアアース泥除去工程）。なお、同図に示す符号Ｆ２の矢印は、ビット９０を回転させつつ、海洋資源揚鉱装置１００Ａ全体の軸方向のフィード位置をスラスタ４により調整して非レアアース泥Ｄｘを除去するイメージを示している。
【００７２】
そして、レアアース泥堆積層Ｄにビット９０が到達した後は、海水圧送ポンプを停止するとともにエマルション圧送ポンプを起動させ、駆動流体供給ホース７のエマルション注入管である第二駆動流体供給ホース７ａを通して高圧のエマルションＥｍを駆動流体Ｍとしてダウンホールモータ２に注入する。その際、昇降装置８の駆動により、集鉱ホッパ１０３でビット９０の周囲を覆うように、貯鉱ケーシング３の軸方向の位置を必要に応じて調整する。
【００７３】
これにより、図５に示すように、ビット９０を回転させるとともにノズル９１からエマルションＥｍを噴射してレアアース泥Ｄｒを解泥することができる（レアアース泥解泥工程）。なお、同図に示す符号Ｆ３の矢印は、貯鉱ケーシング３全体の上下方向の位置を調整して解泥されたレアアース泥Ｄｒを集鉱ホッパ１０３に収容するイメージを示している。また、同図に示す符号Ｆ４の矢印は、昇降装置８の駆動により、集鉱ホッパ１０３でビット９０で掘削された竪穴の周囲を覆うように、貯鉱ケーシング３の軸方向の位置を調整するイメージを示している。
【００７４】
引き続き、高圧のエマルションＥｍをダウンホールモータ２に注入することでビット９０を回転させ、レアアース泥堆積層Ｄにてレアアース泥Ｄｒの掘削および解泥作業を継続する（レアアース泥解泥工程）。さらに、ビット９０と一体になったビット上部の攪拌部２１８により、解泥されたレアアース泥ＤｒとエマルションＥｍとを集鉱ホッパ１０３の内部で攪拌しつつ、集鉱ホッパ１０３の内部で、ビット上部に浮上したレアアース泥ＤｒとエマルションＥｍとを混合する（攪拌混合工程）。
【００７５】
すなわち、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ａ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。
【００７６】
さらに、集鉱ホッパ１０３下部の攪拌翼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。
【００７７】
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。昇降装置８の駆動により集鉱ホッパ１０３の高さを調整することが好ましい。
【００７８】
海洋資源揚鉱装置１００Ａ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。集鉱ホッパ１０３から集鉱管１０２の上部に行くほど、攪拌翼２１２〜２１４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、レアアース泥Ｄｒ中のアパタイトを吸着したエマルションＥｍは、海水Ｗ中でエマルション油滴が合体し、集鉱管１０２において油滴径が大きくなる。
【００７９】
これにより、本実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ａによれば、貯鉱ケーシング３下部に設けられた集鉱ホッパ１０３で、レアアース泥Ｄｒを吸着結合したアパタイト吸着エマルションである混合物Ｍａを集鉱管１０２を介して貯鉱ケーシング３内部の貯鉱室３ａに導き、海水よりも比重が軽い混合物Ｍａをその比重差を利用して貯鉱室３ａに貯留することができる（混合物貯留工程）。
【００８０】
以降、所定深度までの掘削・解泥および貯留がなされた後は、スラスタ４の上昇作動により海洋資源揚鉱装置１００Ａとともにダウンホールモータ２を海底面の上方へ引き上げ（ダウンホールモータ引き上げ工程）、その後、図６に示すように、スラスタ４での水平方向へのフィード動作Ｆ５により、貯鉱ケーシング３と貯鉱ケーシング下部に設置された集鉱ホッパ１０３およびダウンホールモータ２を全体的に平行移動させる（平行移動工程）。
そして、平行移動後に、再度、上記非レアアース泥除去工程からダウンホールモータ引き上げ工程に至る一連の工程を繰り返す。このようにして、本実施形態によれば、図６に示すように、断続的に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を効率良く選鉱回収することができる。
【００８１】
そして、駆動流体Ｍ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も海水よりも比重を軽くすることができる。そのため、図７に示したように、エマルションにレアアース泥を吸着させた混合物Ｍａを貯鉱ケーシング３の下部に設けられた採鉱口３ｂから貯鉱室３ａ内に導入し、その混合物Ｍａを海中で貯鉱室３ａに充填後、海洋資源揚鉱装置１００Ａ自らを浮上させて混合物Ｍａを洋上で回収できる。よって、上記特許文献１ないし２に記載の技術と比べて、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。また、エネルギー効率を向上させることができる。
【００８２】
ここで、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泥するか、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泥する必要があった。
【００８３】
これに対し、本実施形態の第二の揚鉱例によれば、海上の海洋資源回収船１から深海の海底まで延設配置された貯鉱ケーシング３の下部に集鉱ホッパ１０３を配置し、貯鉱ケーシング３内部に海上の海洋資源回収船１に設置された海水圧送ポンプとエマルション圧送ポンプの２台の圧送ポンプに連結された第一駆動流体供給ホース７ｂ（海水注入管）と第二駆動流体供給ホース７ａ（エマルション注入管）の２本の流体注入管を並列配置し、２本の流体注入管の下部にダウンホールモータ２を配置した海洋資源揚鉱装置１００Ａを用いたので、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の回収が可能となる。
【００８４】
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１００Ａによれば、海底設備としては、貯鉱ケーシング３の集鉱ホッパ１０３内部に一台のダウンホールモータ２を設けるだけで、流体モータ機構を有する駆動機構部７０の駆動により、ビット９０の回転による掘削力とエマルションＥｍの噴射による流体力とでレアアース泥Ｄｒを解泥しつつ、集鉱ホッパ１０３内にて、ビット９０上方の攪拌部２１８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、アパタイト吸着エマルションを混合物Ｍａとして生成することができる。
【００８５】
そして、順次に生成された混合物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自ら集鉱管１０２内を浮上させ、貯鉱ケーシング３の貯鉱室３ａ内で海水と置換させて充填させることができる。そして、貯鉱室３ａに混合物Ｍａを充填後には、海洋資源揚鉱装置１００Ａは、自ら浮上できるので、エマルションにレアアース泥を吸着させた混合物Ｍａを容易に洋上に回収することができる。そのため、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。
【００８６】
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、第一実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ａ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。
【００８７】
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１００Ａであれば、貯鉱ケーシング３およびダウンホールモータ２が卵型形状や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。
【００８８】
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１００Ａであれば、貯鉱ケーシング３が単純な卵型形状の上部に甲板を設けた構造であり、また、ダウンホールモータ２も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。
そして、第一実施形態の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。
【００８９】
また、第一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。
【００９０】
さらに、第一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の外筒部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１００Ａを提供できる。
【００９１】
［第二実施形態］
以下、第二実施形態として図８〜図１４を適宜参照しつつ説明する。第二実施形態は、海上の海洋資源回収船から水中ケーブルで潜水式海洋資源揚鉱装置に電力を供給し、貯鉱室に設置したねじポンプを作動させる例である。
なお、第二実施形態では、ダウンホールモータ２Ｂを駆動する駆動機構が上記第一実施形態とは相違し、また、攪拌部２１８の攪拌翼２１５〜２１７の構成が相違するが、その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。
【００９２】
図８に示すように、第二実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ｂは、海上の海洋資源回収船１から水中ケーブル１４が、コントローラ９の耐圧容器に接続され、水中ケーブル１４を介して電源の供給および必要な通信が可能に構成されている。なお、第二実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ｂは、海上の海洋資源回収船１からオペレータが遠隔操作を行うこともできる。
詳しくは、第二実施形態では、貯鉱ケーシング３には、上部の甲板１５上の中央に電動機１７が設けられている。貯鉱ケーシング３内には、甲板１５の裏面側にねじポンプ３００が電動機１７の軸線と同軸に装備されている。ねじポンプ３００は、中空円筒状のポンプハウジング３０１を有し、ポンプハウジング３０１の軸線を縦にしてその上端面が甲板１５の裏面に固定されている。
【００９３】
図９に要部を拡大図示するように、ポンプハウジング３０１内には、インナロータ３１０とアウタロータ３２０とが内装されている。インナロータ３１０は、上方に設けられた円筒状のインナロータ支軸部３１１と、インナロータ支軸部３１１の下端に一体に連結された雄ねじ状外周面を有するインナロータねじ部３１２とを有する。
インナロータ支軸部３１１の上端は、電動機１７の出力軸１７ｊに駆動力を伝達可能に接続され、電動機１７によって回転駆動されるようになっている。インナロータ支軸部３１１は、ポンプハウジング３０１の上部を構成するインナロータ支持部３０２内に、上下のインナロータ軸受３１３を介して回転自在に支持されている。上下のインナロータ軸受３１３の端面は、それぞれ支軸部シール３１４によってシールされている。
【００９４】
ポンプハウジング３０１の途中部分には、水平方向に開口する海水吸入口３０４と、エマルション吸入口３０５とが設けられている。海水吸入口３０４には、流路を開閉可能な電磁弁１８ｂが介装された海水吸入管１８が接続されている。また、エマルション吸入口３０５には、流路を開閉可能な電磁弁１９ｂが介装されたエマルション吸入管１９が接続されている。
電磁弁１８ｂ、１９ｂが、ねじポンプ３００から供給される噴射流体切換用の流路制御弁となっている。電磁弁１８ｂ、１９ｂは、非レアアース泥堆積層ＤＮを掘削時には、ダウンホールモータ２Ｂからの噴射流体として海水を供給し、レアアース泥堆積層Ｄを掘削時には、ダウンホールモータ２Ｂからの噴射流体としてエマルションＥｍを供給するように切り換えられる。
【００９５】
ポンプハウジング３０１は、海水吸入口３０４およびエマルション吸入口３０５よりも下部が、ねじポンプ部３０３とされている。ねじポンプ部３０３の内には、上記アウタロータ３２０が内装されている。アウタロータ３２０は、金属製で中空円筒状をなすアウタロータ外筒３２１と、アウタロータ外筒３２１内に設けられたゴム製の雌ねじ状内周面を有するアウタロータねじ部３２２とから構成される。アウタロータ３２０は、上下のアウタロータ軸受３２３を介して回転自在に支持されている。上下のアウタロータ軸受３２３の端面は、それぞれポンプ部シール３２４によってシールされている。
【００９６】
本実施形態のねじポンプ部３０３は、内周面に（Ｎ＋１）条雌ねじを有するアウタロータ３２０と、外周面にＮ条雄ねじを有するインナロータ３１０とを備える。そして、アウタロータ３２０の回転軸線に対し、インナロータ３１０の回転軸線は、相互の軸心が所定の偏心距離だけ離れた平行な２軸となるように配置され、インナロータ３１０とともにアウタロータ３２０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。
【００９７】
本実施形態の例では、ねじポンプ部３０３は、インナロータ３１０のインナロータねじ部３１２が、左巻き２条雄ねじになっており、アウタロータ３２０のアウタロータねじ部３２２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、インナロータねじ部３１２がアウタロータねじ部３２２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てねじポンプが構成されている。
【００９８】
本実施形態では、インナロータねじ部３１２の先端には、スプライン軸３４２がインナロータねじ部３１２と同軸に一体形成され、このスプライン軸３４２の部分が、ポンプハウジング３０１の下端よりも下方に張り出している。ポンプハウジング３０１の下端には、円筒状の連結部ハウジング３４１がポンプハウジング３０１と同軸に連結され、連結部ハウジング３４１の下端が、ダウンホールモータ２Ｂの連結ハウジング２３の上端に連結されている。
連結ハウジング２３の内部には、連結シャフト３３１が同軸に配置されている。連結シャフト３３１の上端には、内部にスプライン溝３４３が形成された連結穴が形成されており、この連結穴内のスプライン溝３４３に上記スプライン軸３４２がスプライン嵌合するように挿入されスプライン連結部３４０が構成されている。
【００９９】
連結シャフト３３１の下端には、雄ねじが形成され、ダウンホールモータ２Ｂのビット９０が装着される。これにより、連結シャフト３３１は、ダウンホールモータ２Ｂのビット９０を回転させる回転部として機能する。連結シャフト３３１の上端側の適所には、連結ハウジング２３との間に介装された水中軸受３３０によって回転自在に支承されている。この水中軸受３３０は、軸方向に沿って貫通する貫通孔が複数設けられており、連結シャフト３３１と連結ハウジング２３との間に流れる噴射用流体の流路が確保されている。
【０１００】
また、第二実施形態では、上記第一実施形態とは、攪拌部２１８の攪拌翼２１５〜２１７の構成が相違する。つまり、第二実施形態の攪拌部２１８は、所定方向に回転駆動されると、上方に配置された第一から第三攪拌翼２１２〜２１４は下降流を形成し、下方に配置された第四から第六攪拌翼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２Ｂが駆動されると、ビット９０の回転とともに、６枚の攪拌翼２１２〜２１７をも同時に回転し、貯鉱ケーシング３内のエマルションＥｍ中にあっても、所期の攪拌動作が行えるようになっている。
【０１０１】
次に、第二実施形態の海洋資源揚鉱装置１００Ｂ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。
［第二実施形態：第一の揚鉱例］
まず、図１０に示す、海底に直接露出しているレアアース泥堆積層Ｄからレアアース泥Ｄｒを選鉱回収する第一の揚鉱例について説明する。なお、上述した第一実施形態と同様の点は適宜説明を省略する。
第二実施形態では、上述の海洋資源揚鉱装置１００Ｂを海洋資源回収船１から海中に降ろして潜航させるとき、図８に示すように、貯鉱ケーシング３の貯鉱室３ａには、エマルションＥｍを満たした状態で潜航させる。
【０１０２】
海洋資源揚鉱装置１００Ｂでの揚鉱は、所期の位置において、図１０に示すように、第一実施形態同様に、貯鉱ケーシング３の集鉱ホッパ１０３をレアアース泥床ＯＤに対向させる。ダウンホールモータ２Ｂ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する。昇降装置８の昇降動作により、集鉱装置１０１の集鉱高さを調整する。
この例の海洋資源揚鉱装置１００Ｂでの揚鉱作業では、電磁弁１８ｂを常時閉として海水吸入口３０４を常に閉じ、電磁弁１９ｂを常時開としてエマルション吸入口３０５を常に開いた状態で電動機１７が稼働される。これにより、ねじポンプ３００が駆動され、連結シャフト３３１の回転とともにダウンホールモータ２Ｂのビット９０が回転するため、掘削を行うことができる。
【０１０３】
さらに、貯鉱室３ａ内のねじポンプ３００が駆動されることにより、貯鉱室３ａ内に開口するエマルション吸入管１９からエマルションＥｍがねじポンプ３００に吸引され（図９の符号Ｍ１）、ポンプハウジング３０１の下端開口から高圧のエマルションＥｍとして吐出できる。そして、ポンプハウジング３０１の下端開口から吐出されたエマルションＥｍは、スプライン連結部３４０の内部から連結ハウジング２３内に導入され（図９の符号Ｍ２）、ビット９０に形成されたノズル９１から噴射される（図９の符号Ｍ３）。
【０１０４】
これにより、この海洋資源揚鉱装置１００Ｂは、図１０に示すように、ビット９０の回転による掘削力と、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、この海洋資源揚鉱装置１００Ｂでは、攪拌部２１８においては、攪拌翼２１２と攪拌翼２１７が上昇流を形成し、攪拌翼２１３〜２１６が水平流を形成するので、ビット９０の回転力とビット９０のノズル９１から噴射されるエマルションＥｍの流体力とによって解泥されたレアアース泥Ｄｒは、ノズル９１から噴射されるエマルションＥｍと混合攪拌される。そして、海洋資源揚鉱装置１００Ｂ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、集鉱ホッパ１０３の上方に移動して集鉱管１０２の上端部から貯鉱ケーシング３内に排出される。
【０１０５】
ここで、エマルションにアパタイトが吸着したアパタイト吸着エマルションは貯鉱ケーシング３内のエマルションＥｍよりも比重が重くなる。そして、この第二実施形態では、貯鉱ケーシング３の貯鉱室３ａには、エマルションＥｍが満たされているので、図１０に示すように、エマルションＥｍよりは比重が重く海水Ｗよりは比重が軽い混合物Ｍａは、貯鉱室３ａの下部側から次第に貯留されていく。
【０１０６】
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１０に示すように、水平方向へのフィード動作Ｆ１により、所定の掘削深度での採鉱を継続する。本実施形態では、第一実施形態同様に、スラスタ４を水平方向に回動させた姿勢で推進駆動することで、貯鉱ケーシング３と共にダウンホールモータ２Ｂ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。
【０１０７】
そして、図１４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を貯鉱ケーシング３の貯鉱室３ａ内でエマルションＥｍと置換させて充填させることができる。そして、浮上後に、回収用カップラ４０に回収用ホースを接続して、貯鉱ケーシング３内の貯鉱室３ａから、混合物Ｍａを容易に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、第二実施形態おいても、上記第一実施形態同様、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。また、エネルギー効率を向上させることができる。なお、図１４に示す符号Ｆ６は、混合物Ｍａを貯鉱室３ａに貯留後に、海洋資源揚鉱装置１００Ｂ自らを海上の浮上位置に浮上させるイメージを示している。
【０１０８】
［第二実施形態：第二の揚鉱例］
次に、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、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を選鉱回収する第二の揚鉱例について説明する。
この場合、海洋資源揚鉱装置１００Ｂでの揚鉱は、図８に示す潜水後、所期の採鉱位置において、第一実施形態の第二の揚鉱例同様に、図１１に示すように、貯鉱ケーシング３をレアアース泥床ＯＤに対向させる。ダウンホールモータ２は、ビット９０が貯鉱ケーシング３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。集鉱装置１０１は上方に退避させておく。
【０１０９】
そして、本実施形態の第二の揚鉱例において、海洋資源揚鉱装置１００Ｂでの揚鉱作業では、まず、電磁弁１９ｂを閉じてエマルション吸入管１９からのエマルションＥｍの導入を止める一方、電磁弁１８ｂを開いて海水吸入管１８から海水吸入口３０４に海水Ｗを導入する。そして、この状態で電動機１７が稼働される。これにより、ねじポンプ３００が駆動され、連結シャフト３３１の回転によりダウンホールモータ２Ｂのビット９０が回転するため、掘削を行うことができる。
【０１１０】
さらに、ねじポンプ３００が駆動されることにより、海水吸入管１８から海中の海水Ｗがねじポンプ３００に吸引され、ポンプハウジング３０１の下端開口から高圧の海水Ｗが吐出される。そして、吐出された高圧の海水Ｗは、スプライン連結部３４０の内部から連結ハウジング２３内に導入され、ビット９０に形成されたノズル９１から噴射される。
これにより、この海洋資源揚鉱装置１００Ｂは、図１１に示すように、ビット９０の回転による掘削力と、ノズル９１から噴射される海水Ｗの流体力とによってレアアース泥床ＯＤの非レアアース泥堆積層ＤＮに竪穴を形成して非レアアース泥Ｄｘを除去できる（非レアアース泥除去工程）。
【０１１１】
そして、レアアース泥堆積層Ｄにビット９０が到達した後は、図９に示す電磁弁１８ｂを閉にして海水吸入口３０４を閉じる一方、電磁弁１９ｂを開にしてエマルション吸入口３０５を開いた状態で電動機１７を稼働する。これにより、ダウンホールモータ２Ｂのビット９０を回転させつつ、ビット９０に形成されたノズル９１から高圧のエマルションＥｍが噴射される。その際、集鉱ホッパ１０３でビット９０の周囲を覆うように、貯鉱ケーシング３の軸方向の位置を調整するとともに、昇降装置８の昇降作動により、集鉱装置１０１をレアアース泥床ＯＤを覆う集鉱位置に下降させる。
【０１１２】
なお、図１２に示す符号Ｆ３の矢印は、貯鉱ケーシング３全体の上下方向の位置を調整して解泥されたレアアース泥Ｄｒを集鉱ホッパ１０３に収容するイメージを示している。また、同図に示す符号Ｆ４の矢印は、昇降装置８の駆動により、集鉱ホッパ１０３でビット９０で掘削された竪穴の周囲を覆うように、貯鉱ケーシング３の軸方向の位置を調整するイメージを示している。
これにより、この海洋資源揚鉱装置１００Ｂは、図１２に示すように、ビット９０の回転による掘削力と、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、非レアアース泥堆積層ＤＮよりも下層に位置するレアアース泥床ＯＤのレアアース泥Ｄｒを解泥できる。
【０１１３】
そして、上記第一揚鉱例同様に、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が共に回転し、上記第一揚鉱例同様の作用機序により、海中で液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。
そして、エマルションＥｍよりは比重が重く海水Ｗよりは比重が軽い混合物Ｍａは、図１２に示すように、貯鉱室３ａの下部側から次第に貯留されていく。引き続き、レアアース泥堆積層Ｄにてレアアース泥Ｄｒの掘削および解泥作業を所定の掘削深度まで継続する（レアアース泥解泥工程）。
【０１１４】
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の掘削・解泥および貯留がなされた後は、スラスタ４の稼働によりダウンホールモータ２Ｂを海底面の上方へ引き上げ（ダウンホールモータ引き上げ工程）、その後、図１３に示すように、スラスタ４での水平方向へのフィード動作Ｆ５により、貯鉱ケーシング３と貯鉱ケーシング下部に設置された集鉱ホッパ１０３およびダウンホールモータ２Ｂを全体的に平行移動させる（平行移動工程）。
【０１１５】
そして、平行移動後に、再度、上記非レアアース泥除去工程からダウンホールモータ引き上げ工程に至る一連の工程を繰り返す。海洋資源揚鉱装置１００Ｂが引き続き駆動されると、貯鉱ケーシング３内の混合物Ｍａは、次第に貯鉱室３ａ上部まで満たされていく。
そして、図１４に示したように、貯鉱室３ａの上部まで混合物Ｍａが満たされたら、同図のように、海洋資源揚鉱装置１００Ｂ自らを浮上させて混合物Ｍａを洋上で回収する。このように、第二実施形態の第二の揚鉱例おいても、上記第一実施形態同様に、断続的に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を効率良く選鉱回収できる。
【０１１６】
［総括］
以上説明したように、上述した各実施形態によれば、ダウンホールモータ２、２Ｂ等の掘削装置を備える潜水式の海洋資源揚鉱装置１００Ａ、１００Ｂを用いることにより、ビット９０での掘削およびノズル９１からの流体の噴射により非レアアース泥またはレアアース泥を容易に解泥できる。
さらに、ビット上部に設けた攪拌部２１８の複数の攪拌翼をも同時に駆動し、レアアース泥と海水及びエマルションの攪拌・混合に必要なエネルギーを、掘削装置を駆動する動力のみで賄える。そして、アパタイト吸着エマルションである混合物Ｍａをその比重差によって自から貯鉱ケーシング３内に浮上させて集鉱できる。
さらに、貯鉱ケーシング３に貯鉱後は、潜水式の海洋資源揚鉱装置１００Ａ、１００Ｂ自体を洋上まで浮上させてから混合物Ｍａを洋上で回収できるので、海上から海底までの揚鉱用配管の延設を不要とし、また、使用エネルギーを大幅に削減できる。
【０１１７】
ここで、レアアース泥に含まれるレアアースの品位はｐｐｍオーダーであるところ、上述した各実施形態によれば、レアアース泥をエマルションに接触させて、レアアース元素が濃集したアパタイトをエマルションに吸着させた「アパタイト吸着エマルション」を貯鉱した貯鉱ケーシング３自体を浮上させて回収するので、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、レアアースの回収にかかるコストを大幅に削減できる。
【０１１８】
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、ダウンホールモータ２は、ねじポンプを流体モータ機構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、流体モータ機構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、流体モータ機構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。
【０１１９】
また、例えば、上記各実施形態では、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、貯鉱ケーシング３の下部の採鉱口３ｂ近傍にて、ビット９０で掘削するとともに海水よりも比重が軽いエマルションＥｍをビット９０またはその近傍に設けられたノズル９１から噴射すれば、掘削力とエマルションＥｍ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Ｍａとして採鉱口３ｂに浮上させ、貯鉱室３ａ内で海水と置換させて充填させることができる。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。
【０１２０】
また、例えば上記第一実施形態では、海洋資源回収船１が、駆動流体供給ホース７から、非レアアース泥堆積層Ｄｎを掘削時には、ダウンホールモータ２の駆動流体Ｍとして海水Ｗを供給し、レアアース泥堆積層Ｄを掘削時には、ダウンホールモータ２の駆動流体ＭとしてエマルションＥｍを供給する例を示したが、これに限らず、例えば、上記第二実施形態の構成のように、海洋資源揚鉱装置１００Ａの側に電動機とこれにより駆動されるポンプを配置してもよい。
【０１２１】
すなわち、例えば上記第一実施形態で、海洋資源揚鉱装置１００Ａにおいては、駆動流体供給ホース７に替えて、海上の海洋資源回収船１から水中ケーブル１４を介して電源が供給されるように構成する。そして、貯鉱ケーシング３内の貯鉱室３ａには、潜航時にエマルションＥｍが満たされる。さらに、海洋資源揚鉱装置１００Ａには、甲板１５上に電動機１７を設けるとともに貯鉱室３ａにねじポンプ３００を設ける。
【０１２２】
但し、このねじポンプ３００は、上記第二実施形態とは替えて、ダウンホールモータ２の連結ハウジング２３内に駆動流体Ｍを供給する駆動流体供給用ねじポンプとして用いる。これにより、このねじポンプ３００から連結ハウジング２３内に駆動流体Ｍを供給してダウンホールモータ２を駆動できる。そして、連結ハウジング２３内に供給される駆動流体Ｍとして海水ＷおよびエマルションＥｍの供給路を電磁弁１８ｂ、１９ｂによって適宜切り換えることにより、上記第一実施形態の第二揚鉱例と同様の揚鉱を行うことができる。
【符号の説明】
【０１２３】
１００Ａ、１００Ｂ    海洋資源揚鉱装置
１    海洋資源回収船
２、２Ｂ    ダウンホールモータ（掘削装置）
３    貯鉱ケーシング
４    スラスタ
５    バッテリ
６    超音波センサ
７    駆動流体供給ホース（駆動流体流路）
８    昇降装置
９    コントローラ
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    水中ケーブル
１５    甲板
１６スライドガイド軸
１７    電動機
１８    海水吸入管
１９    エマルション吸入管
２０    第一シャフト
２１    基端部
２２    インナロータ部
２３    連結ハウジング（駆動流体流路、駆動流体の導入口）
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    外筒部
３２    アウタロータ部
３３    ビット装着部
３８    駆動流体供給用カップラ
４０    回収用カップラ
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
９１    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
３００    ねじポンプ
３０１    ポンプハウジング
３０２    インナロータ支持部
３０３    ねじポンプ部
３０４    海水吸入口
３０５    エマルション吸入口
３１０    インナロータ
３１１    インナロータ支軸部
３１２    インナロータねじ部
３１３    インナロータ軸受
３１４    支軸部シール
３２０    アウタロータ
３２１    アウタロータ外筒
３２２    アウタロータねじ部
３２３    アウタロータ軸受
３２４    ポンプ部シール
３３０    水中軸受
３３１    連結シャフト
３４０    スプライン連結部
３４１    連結部ハウジング
３４２    スプライン軸
３４３    スプライン溝
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
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）
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
ＤＮ    非レアアース泥堆積層（泥質堆積層）
Ｄｘ    （解泥された）非レアアース泥
Ｗ    海水（駆動流体、噴射流体）
ＯＤ    レアアース泥床（海底鉱床）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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