(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
海底を掘削して採鉱を行う海底採鉱船であって、
船本体と、
前記船本体に設置され、高圧の水素ガスを貯蔵可能に設けられた高圧水素タンクと、
前記船本体から海底まで昇降可能に設けられ、前記高圧水素タンクから水素ガスを受取可能かつ前記高圧水素タンクに水素ガスを排出可能に、前記高圧水素タンクに接続された掘削昇降部とを有し、
前記掘削昇降部は、海水が出入り可能な開口部を有し、海水を収納可能に設けられた海水収納室と、前記海水収納室に隣接し、前記高圧水素タンクからの水素ガスを収納する水素収納室と、前記海水収納室と前記水素収納室とを仕切るよう設けられた伸縮性の仕切膜と、前記海底を掘削可能に設けられた掘削手段と、前記掘削手段による掘削物を回収して前記開口部から前記海水収納室に取り込み可能に設けられた集鉱手段とを有することを
特徴とする海底採鉱船。
【請求項２】
前記掘削昇降部の水深および重量に応じて、前記水素収納室の内部の圧力を調整可能に設けられた圧力調整手段を有することを特徴とする請求項１記載の海底採鉱船。
【請求項３】
前記船本体に設置された発電手段と、
前記船本体に設置され、前記発電手段で得られた電気を利用して電気分解を行うことにより高圧の水素ガスを製造可能であり、製造した前記水素ガスを前記高圧水素タンクと前記水素収納室とに選択的に供給可能に設けられた高圧水素製造手段とを、
有することを特徴とする請求項１または２記載の海底採鉱船。
【請求項４】
前記水素収納室は、並列に設けられた２つの区画に分割されており、
前記高圧水素製造手段は、製造された前記水素ガスを、前記水素収納室の各区画に選択的に供給可能であることを
特徴とする請求項３記載の海底採鉱船。
【請求項５】
前記船本体から海中に吊り下げられた錘部材と、
前記船本体と共に移動可能かつ、海面の変動に応じて上下動するよう海面に浮かべて配置された浮体とを有し、
前記発電手段は、前記船本体に対する前記浮体の上下動により発電するよう前記船本体に設けられていることを
特徴とする請求項３または４記載の海底採鉱船。
【請求項６】
一端が前記掘削昇降部に接続された可撓性の水素管と、
前記船本体に設置され、前記掘削昇降部を昇降可能に、前記水素管の他端を固定して巻き付けたウインチと、
前記水素管の他端と連通し、前記ウインチの回転軸の一端に取り付けられた回転継手と、
前記回転継手と前記高圧水素タンクとを接続する連通管とを、
有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の海底採鉱船。
【請求項７】
前記ウインチは、回転軸が鉛直方向を向くよう設けられ、
前記回転継手は前記回転軸の下端に取り付けられており、前記連通管に接続された軸受部材と、モータにより回転可能に設けられたスクリューポンプ部材と、前記ウインチの回転軸に接続された軸部材とを有し、
前記軸受部材は、それぞれ円筒状の内筒と外筒と、下部に前記内筒と前記外筒との間を塞ぐよう設けられた軸受面とを有し、前記内筒と前記外筒との間に潤滑流体を保持しており、
前記スクリューポンプ部材は、内径が前記内筒の外径より大きく、外径が前記外筒の内径より小さい円筒状を成し、前記内筒と前記外筒との間に上方から挿入され、前記モータによる回転によって前記潤滑流体が下方に向かう流れを生じるよう、内側面および／または外側面にネジ山が形成されており、
前記軸部材は、内径が前記内筒の外径より大きく、外径が前記スクリューポンプ部材の内径より小さい円筒状を成し、前記内筒と前記スクリューポンプ部材との間に上方から挿入され、前記スクリューポンプ部材の上端の高さ位置に、外側面から前記スクリューポンプ部材の外側まで突出するよう設けられたフランジ部を有することを
特徴とする請求項６記載の海底採鉱船。
【請求項８】
前記内筒の一部の帯状の円環部が、前記内筒の内側の圧力が外側の圧力より高くなったとき、前記軸部材の外側面に接するよう変形可能に設けられた、弾力性を有するパッキン材から成ることを特徴とする請求項７記載の海底採鉱船。
【請求項９】
前記掘削手段は、前記水素収納室に収納された水素ガスを導入し、外部に向かって噴射する噴射手段と、噴射された水素ガスに着火する着火手段とを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の海底採鉱船。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海底を掘削して採鉱を行う海底採鉱船に関する。
【背景技術】
【０００２】
4,000~6,000ｍの深海底に眠るマンガン団塊の採掘は、高水圧下での作業になるため、集鉱や揚鉱に多大のエネルギーおよびコストが掛かってしまう。このため、現在は、商業的なマンガン団塊の採鉱は行われていない。そこで、採鉱のエネルギーやコストを低減するために、函体の後方に向けたジェット水流を形成する噴射口と、函体の移動方向前側下部に、移動方向に対して横断する方向に設けたスリットと、スリット後方に設けた掻き寄せ刃と、函体の一部に設けた開口自在の蓋とを備える、マンガン団塊の採取装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この採取装置によれば、まず、採取装置の前方牽引索を採鉱船で牽引して、掻き寄せ刃で掻き寄せた海底表面の土砂とマンガン団塊とをスリットから函体内に導入し、泥土などをジェット水で分離しながらマンガン団塊を採取することができる。また、採取後の採取装置を、採鉱船とは別の母船に引き上げて、マンガン団塊を回収することができる。
【０００４】
なお、本発明者により、船本体から錘を吊り下げた波力発電船が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、本発明者により、電気分解で発生した気泡の上昇により生じる水の流れを利用して船本体を推進させる発電船が提案されている（例えば、特許文献３参照）。また、本発明者により、電気分解を利用して高圧水素を得ることができる高圧水素製造装置（例えば、特許文献４参照）や高圧水素タンク（例えば、特願２０１４−０９２４２６号参照）が提案されている。さらに、本発明者等により、回転体自身の回転により高圧の潤滑流体を発生させて、回転体を支持することができるスラスト軸受が提案されている（例えば、特願２０１４−１０５８０１号参照）。また、本発明者等により、高温で噴射するトーチで海底を掘削することができる掘削装置が提案されている（例えば、特願２０１４−２４１８２６号参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１６２９３９号公報
【特許文献２】特許第５０８１３３１号公報
【特許文献３】特許第５３４７０８０号公報
【特許文献４】特許第５２９７５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載のマンガン団塊の採取装置では、深海底に沈めた函体を、海底を掻き取りながら、海面の採鉱船により牽引しなければならないため、牽引ケーブルにかかる海水の抵抗や、海底を引きずるときの抵抗などにより、採鉱船には相当大きな牽引力が要求される。このため、採鉱船の牽引時に、エネルギー消費が相当大きくなり、採掘コストが上昇するという課題があった。また、採取したマンガン団塊を引き上げるときにも、採取量に応じたエネルギーが必要となり、採掘コストを増加させるという課題があった。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、より少ないエネルギーで安価に採鉱を行うことができる海底採鉱船を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る海底採鉱船は、海底を掘削して採鉱を行う海底採鉱船であって、船本体と、前記船本体に設置され、高圧の水素ガスを貯蔵可能に設けられた高圧水素タンクと、前記船本体から海底まで昇降可能に設けられ、前記高圧水素タンクから水素ガスを受取可能かつ前記高圧水素タンクに水素ガスを排出可能に、前記高圧水素タンクに接続された掘削昇降部とを有し、前記掘削昇降部は、海水が出入り可能な開口部を有し、海水を収納可能に設けられた海水収納室と、前記海水収納室に隣接し、前記高圧水素タンクからの水素ガスを収納する水素収納室と、前記海水収納室と前記水素収納室とを仕切るよう設けられた伸縮性の仕切膜と、前記海底を掘削可能に設けられた掘削手段と、前記掘削手段による掘削物を回収して前記開口部から前記海水収納室に取り込み可能に設けられた集鉱手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る海底採鉱船は、前記掘削昇降部の水深および重量に応じて、前記水素収納室の内部の圧力を調整可能に設けられた圧力調整手段を有することが好ましい。
【００１０】
本発明に係る海底採鉱船は、深海底に眠るマンガン団塊などの鉱物資源を採掘するために、以下のようにして使用される。まず、掘削を行う位置で船本体を停止させ、掘削昇降部を海底まで降ろす。下降中、高圧水素タンクから掘削昇降部の水素収納室に水素ガスを供給し、水素収納室の内部の圧力が水深による水圧と同じ程度になるよう調整する。これにより、水素収納室のガス容積の変動を抑制し、水素収納室が水圧で潰れるのを防ぐことができる。また、水素収納室のガス容積を、そのガスによる浮力と掘削昇降部の重量とがほぼ同一になるように設定しておく。これにより、掘削昇降部を海中に吊り下げたときの重量を大幅に軽減することができる。
【００１１】
掘削昇降部が海底まで下降したならば、掘削手段により海底を掘削してマンガン団塊などの鉱物資源を掘り出し、それらを集鉱手段で海水収納室に取り込む。採鉱の終了後、掘削昇降部を引き上げて船本体の直下まで上昇させる。上昇中、採掘した鉱物の重量を含めた掘削昇降部の重量に釣り合うよう、水素収納室の内部の水素ガスを増やしてガス容積を大きくしておく。これにより、掘削昇降部を牽引する力を小さくすることができ、引き上げに要するエネルギーを減らすことができる。また、水素収納室の水素ガスによる浮力を、鉱物の重量を含めた掘削昇降部の重量よりも大きくすることにより、引き上げに要するエネルギーを不要にすることもできる。また、上昇中、掘削昇降部の水素収納室から高圧水素タンクに水素ガスを排出し、水素収納室の内部の圧力が水深による水圧と同じ程度になるよう調整する。これにより、水素収納室のガス容積が大きくなりすぎて、水素収納室が破裂するのを防ぐことができる。
【００１２】
こうして、本発明に係る海底採鉱船は、採掘したマンガン団塊などの鉱物資源を回収することができる。このように、本発明に係る海底採鉱船は、掘削昇降部の昇降時の消費エネルギーを減らすことができ、より少ないエネルギーで安価に採鉱を行うことができる。なお、本発明に係る海底採鉱船は、掘削昇降部が海底にあるとき、水素収納室のガス容量を増やして、掘削昇降部を一旦少し浮上させた後、水平に移動してから、水素収納室のガス容量を低下させて、掘削昇降部を再び海底に降ろすことにより、海底の別の場所で採掘を続けることもできる。
【００１３】
本発明に係る海底採鉱船は、掘削昇降部の海水収納室が、海水が出入り可能な開口部を有しており、また海水収納室と水素収納室とを仕切る仕切膜が伸縮性であるため、海水圧に対して、水素収納室の内部の水素ガスによる圧力を調整することにより、水素収納室のガス容積を容易に変えることができる。本発明に係る海底採鉱船で、掘削昇降部は、船本体の底部からワイヤで昇降可能に吊り下げられていることが好ましい。さらに、掘削昇降部と船本体とは、水素ガスを通すためのホース、および、掘削手段や集鉱手段に電力を供給するための電源ケーブルも接続されていることが好ましい。また、掘削昇降部は、集鉱手段がロボットアームから成り、近距離の場合はそのロボットアームを使用してカニのように這って海底を移動可能になっていてもよい。
【００１４】
本発明に係る海底採鉱船は、前記船本体に設置された発電手段と、前記船本体に設置され、前記発電手段で得られた電気を利用して電気分解を行うことにより高圧の水素ガスを製造可能であり、製造した前記水素ガスを前記高圧水素タンクと前記水素収納室とに選択的に供給可能に設けられた高圧水素製造手段とを、有することが好ましい。この場合、電気分解で製造された水素ガスを、水素収納室に供給することができる。高圧水素製造手段は、高圧の水素ガスを製造可能であればいかなるものであってもよく、例えば、特許文献４に記載の高圧水素製造装置や、特願２０１４−０９２４２６号に記載の高圧水素タンクを利用することができる。発電手段は、電気分解で製造された水素ガスや酸素ガスにより発電可能であってもよい。この場合、さらにエネルギー効率の良い採鉱を行うことができる。
【００１５】
本発明に係る海底採鉱船で、前記水素収納室は、並列に設けられた２つの区画に分割されており、前記高圧水素製造手段は、製造された前記水素ガスを、前記水素収納室の各区画に選択的に供給可能であってもよい。この場合、水素収納室の２つの区画の水素ガスの比率を変えることにより、掘削昇降部の姿勢を変えることができる。
【００１６】
本発明に係る海底採鉱船は、前記船本体から海中に吊り下げられた錘部材と、前記船本体と共に移動可能かつ、海面の変動に応じて上下動するよう海面に浮かべて配置された浮体とを有し、前記発電手段は、前記船本体に対する前記浮体の上下動により発電するよう前記船本体に設けられていることが好ましい。この場合、錘部材により船本体が揺れにくくなっているため、浮体の上下動により効率的に波力発電を行うことができる。また、船本体が揺れにくいため、安定した状態で掘削昇降部の昇降や、掘削昇降部による採鉱、船本体の航行を行うことができる。この構成には、例えば、特許文献２に記載の波力発電船を利用することができる。
【００１７】
本発明に係る海底採鉱船は、一端が前記掘削昇降部に接続された可撓性の水素管と、前記船本体に設置され、前記掘削昇降部を昇降可能に、前記水素管の他端を固定して巻き付けたウインチと、前記水素管の他端と連通し、前記ウインチの回転軸の一端に取り付けられた回転継手と、前記回転継手と前記高圧水素タンクとを接続する連通管とを、有していることが好ましい。この場合、ウインチを利用して、掘削昇降部を昇降させることができる。
【００１８】
また、この場合、特に、前記ウインチは、回転軸が鉛直方向を向くよう設けられ、前記回転継手は前記回転軸の下端に取り付けられており、前記連通管に接続された軸受部材と、モータにより回転可能に設けられたスクリューポンプ部材と、前記ウインチの回転軸に接続された軸部材とを有し、前記軸受部材は、それぞれ円筒状の内筒と外筒と、下部に前記内筒と前記外筒との間を塞ぐよう設けられた軸受面とを有し、前記内筒と前記外筒との間に潤滑流体を保持しており、前記スクリューポンプ部材は、内径が前記内筒の外径より大きく、外径が前記外筒の内径より小さい円筒状を成し、前記内筒と前記外筒との間に上方から挿入され、前記モータによる回転によって前記潤滑流体が下方に向かう流れを生じるよう、内側面および／または外側面にネジ山が形成されており、前記軸部材は、内径が前記内筒の外径より大きく、外径が前記スクリューポンプ部材の内径より小さい円筒状を成し、前記内筒と前記スクリューポンプ部材との間に上方から挿入され、前記スクリューポンプ部材の上端の高さ位置に、外側面から前記スクリューポンプ部材の外側まで突出するよう設けられたフランジ部を有することが好ましい。これにより、高圧の水素ガスを漏らすことなく、ウインチをスムーズに回転させることができる。また、軸部材と軸受部材との間に高圧流体を供給し続ける必要がないため、高圧ポンプの運転コストや設置コストなどの費用を低減することができる。
【００１９】
また、前記内筒の一部の帯状の円環部が、前記内筒の内側の圧力が外側の圧力より高くなったとき、前記軸部材の外側面に接するよう変形可能に設けられた、弾力性を有するパッキン材から成っていてもよい。これにより、ウインチを使用せずモータを停止させたとき、軸部材および内筒の内側を通る水素ガスの圧力の方が、内筒の外側の潤滑流体の圧力より高くなるため、パッキン材が軸部材の外側面に接するよう変形し、水素ガスが内筒と軸部材との間から漏れるのを防ぐことができる。
【００２０】
本発明に係る海底採鉱船で、前記掘削手段は、前記水素収納室に収納された水素ガスを導入し、外部に向かって噴射する噴射手段と、噴射された水素ガスに着火する着火手段とを有していてもよい。この場合、水中でも燃焼する高温のトーチを発生させることができる。この高温で噴射するトーチを、海底の堆積層や岩盤に向けて噴射することにより、堆積層を除去したり、熱により岩盤等を熔融したりするだけでなく、周囲に存在する水を瞬間的に蒸発させて水蒸気爆発による衝撃波を発生させ、堆積層を吹き飛ばしたり、岩盤を破砕したりすることができ、海底の掘削を行うことができる。なお、掘削手段としては、特願２０１４−２４１８２６号に記載の掘削装置を利用することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、より少ないエネルギーで安価に採鉱を行うことができる海底採鉱船を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態の海底採鉱船を示す正面視の縦断面図である。
【図２】図１に示す海底採鉱船の掘削昇降部の左側面視の縦断面図である。
【図３】図１に示す海底採鉱船の回転継手の変形例を示す（ａ）縦断面図、（ｂ）スクリューポンプ部材の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図３は、本発明の実施の形態の海底採鉱船を示している。
図１および図２に示すように、海底採鉱船１０は、海底１を掘削して採鉱を行う海底採鉱船１０であって、船本体１１と錘部材１２と発電手段（図示せず）と高圧水素製造手段１３と高圧水素タンク１４と高圧酸素タンク１５と酸素放出管１６と水素管１７とウインチ１８と回転継手１９と連通管２０と掘削昇降部２１とを有している。
【００２４】
図１に示すように、船本体１１は、海上を航行可能に構成されている。なお、船本体１１は、タンカーなどの大型船を改良して成っていてもよい。錘部材１２は、長円状の扁平板形状を成し、船本体１１よりやや大きい平面形状を成している。錘部材１２は、中央に厚みを貫通して設けられた円形の貫通孔１２ａを有している。錘部材１２は、船本体１１の左右両舷にそれぞれ２つずつ、互いに対向する位置に設けられた４本の吊下柱２２により、船本体１１の下方の海中に水平状態で吊り下げられている。なお、具体的な一例では、錘部材１２は、船本体１１の５０〜６０ｍ下方に吊り下げられている。吊下柱２２は、船本体１１および錘部材１２との取付位置を中心として回転して、錘部材１２を船本体１１の底部近傍まで引き上げ可能になっている。
【００２５】
発電手段は、船本体１１に設置され、波を利用して発電する波力発電装置から成っている。発電装置は、海面の変動に応じて上下動するよう、船本体１１の内部に設置された海水槽内に浮かべられた浮体を有し、船本体１１に対する浮体の上下動により発電するようになっている。具体的な一例では、発電手段は、特許文献２に記載の波力発電手段から成っている。
【００２６】
高圧水素製造手段１３は、船本体１１に設置され、発電手段で得られた電気を利用して電気分解を行い、高圧の水素ガスおよび酸素ガスを製造可能に構成されている。高圧水素製造手段１３は、ポンプ２３を介して海水を導入し、その海水を電気分解するよう構成されている。高圧水素製造手段１３は、切替弁２４を介して、製造した高圧の水素ガスを、高圧水素タンク１４と掘削昇降部２１とに選択的に供給可能になっている。なお、具体的な一例では、高圧水素製造手段１３は、特願２０１４−０９２４２６号に記載の高圧水素タンク（例えば、耐圧６００気圧）から成っている。
【００２７】
高圧水素タンク１４は、船本体１１に設置され、高圧水素製造手段１３により製造された高圧の水素ガスを貯蔵可能に設けられている。高圧酸素タンク１５は、船本体１１に設置され、高圧水素製造手段１３により製造された高圧の酸素ガスを貯蔵可能に設けられている。
【００２８】
酸素放出管１６は、４本の吊下柱２２の内の、１本の吊下柱２２に取り付けられている。酸素放出管１６は、吊下柱２２に沿って上下方向に伸びて取り付けられており、下部開口１６ａと、船本体１１の側方に向くよう開口した上部開口１６ｂとを有している。また、酸素放出管１６は、下部に高圧酸素タンク１５から伸びるチューブ１５ａが接続されており、高圧酸素タンク１５に貯蔵された酸素ガスを、内部に導入可能になっている。
【００２９】
水素管１７は、一端が掘削昇降部２１に接続され、他端がウインチ１８に取り付けられている。水素管１７は、可撓性を有し、補強用のワイヤが内蔵されている。水素管１７は、掘削昇降部２１を、船本体１１の底部から、錘部材１２の貫通孔１２ａを通して、海中に吊り下げるよう設けられている。ウインチ１８は、船本体１１に設置され、掘削昇降部２１を昇降可能に、水素管１７を巻き付け可能になっている。回転継手１９は、水素管１７の他端と連通し、ウインチ１８の回転軸の一端に取り付けられている。連通管２０は、回転継手１９と切替弁２４とを接続するよう設けられている。
【００３０】
掘削昇降部２１は、船本体１１の底部に水素管１７で吊り下げられており、ウインチ１８を稼働することにより、船本体１１から海底まで昇降可能になっている。図１および図２に示すように、掘削昇降部２１は、海水収納室３１と水素収納室３２と仕切膜３３と切替弁３４と掘削手段３５と集鉱手段３６と圧力調整手段（図示せず）とを有している。海水収納室３１は、海水が出入り可能な開口部３１ａを有し、海水を収納可能に設けられている。水素収納室３２は、海水収納室３１の上方に隣接し、高圧水素タンク１４からの水素ガスを収納可能に設けられている。水素収納室３２は、前後に並んで設けられた２つの区画３２ａ，３２ｂに分割されている。仕切膜３３は、伸縮性で、海水収納室３１と水素収納室３２との境界に、海水収納室３１と水素収納室３２とを仕切るよう設けられている。海水収納室３１は、仕切膜３３が水素収納室３２の側に膨らんだときに形成される海水流入室３１ｂと、その下の空間３１ｃとに分割されている。海水流入室３１ｂとその下の空間３１ｃとは、圧力弁３１ｄを介して互いに連通している。圧力弁３１ｄは、海水圧が所定の圧力以上になったとき開放され、海水圧が所定の圧力以下になったとき閉鎖されるようになっている。具体的な一例では、その所定の圧力は、高圧水素タンク１４の耐圧である。
【００３１】
切替弁３４は、水素収納室３２の各区画３２ａ，３２ｂの境界に配置され、水素管１７の一端が接続されている。切替弁３４は、高圧水素製造手段１３で製造された高圧の水素ガスや、高圧水素タンク１４に貯蔵された高圧の水素ガスを、水素収納室３２の各区画３２ａ，３２ｂに選択的に供給可能、かつ、各区画３２ａ，３２ｂの内部の水素ガスを、選択的に高圧水素タンク１４に排出可能に構成されている。
【００３２】
掘削手段３５は、アームの先端に取り付けられ、海底１を掘削可能に設けられている。集鉱手段３６は、アームの先端に取り付けられたバケットから成り、掘削手段３５による掘削物を回収して、開口部３１ａから海水収納室３１に取り込み可能に構成されている。なお、水素管１７に沿って取り付けられた電源ケーブル（図示せず）により、掘削手段３５および集鉱手段３６に電力が供給されている。圧力調整手段は、掘削昇降部２１の水深および重量に応じて、切替弁２４および切替弁３４を制御することにより、水素収納室３２の内部の圧力を調整可能になっている。
【００３３】
次に、作用について説明する。
海底採鉱船１０は、深海底に眠るマンガン団塊などの鉱物資源を採掘するために、以下のようにして使用される。まず、掘削を行う位置で船本体１１を停止させ、ウインチ１８を利用して掘削昇降部２１を海底１まで降ろす。下降中、水素収納室３２の内部の圧力と海水圧との差が水素収納室３２の耐圧限界（例えば、３０気圧）より低くならないよう、圧力調整手段により、高圧水素タンク１４（例えば、耐圧３０気圧）から掘削昇降部２１の水素収納室３２に水素ガスを供給し、水素収納室３２の内部の圧力が水深による水圧と同じ程度になるよう調整する。これにより、水素収納室３２のガス容積の変動を抑制し、水素収納室３２が水圧で潰れるのを防ぐことができる。また、水素収納室３２のガス容積を、そのガスによる浮力と掘削昇降部２１の重量とがほぼ同一になるように設定しておく。これにより、掘削昇降部２１を海中に吊り下げたときの重量を大幅に軽減することができる。
【００３４】
掘削昇降部２１が海底１まで下降したならば、掘削手段３５により海底１を掘削してマンガン団塊などの鉱物２を掘り出し、それらを集鉱手段３６で海水収納室３１に取り込む。採鉱の終了後、ウインチ１８により掘削昇降部２１を引き上げて船本体１１の直下まで上昇させる。上昇中、採掘した鉱物２の重量を含めた掘削昇降部２１の重量に釣り合うよう、水素収納室３２の内部の水素ガスを増やしてガス容積を大きくしておく。これにより、掘削昇降部２１を牽引する力を小さくすることができ、引き上げに要するエネルギーを減らすことができる。また、水素収納室３２の水素ガスによる浮力を、鉱物２の重量を含めた掘削昇降部２１の重量よりも大きくすることにより、引き上げに要するエネルギーを不要にすることもできる。また、上昇中、水素収納室３２の内部の圧力と海水圧との差が水素収納室３２の耐圧限界より高くならないよう、圧力調整手段により、掘削昇降部２１の水素収納室３２から高圧水素タンク１４に水素ガスを排出して、水素収納室３２の内部の圧力が水深による水圧と同じ程度になるよう調整する。これにより、水素収納室３２のガス容積が大きくなりすぎて、水素収納室３２が破裂するのを防ぐことができる。
【００３５】
こうして、海底採鉱船１０は、採掘したマンガン団塊などの鉱物２を回収することができる。高圧下でも水の電気分解に要するエネルギーは不変（ファラデーの電気分解の法則）であるため、高圧水素製造手段１３の密閉容器内で電気分解を続けることにより、圧縮ポンプ等を使用して圧縮しなくても、高圧の水素ガスおよび酸素ガスを発生させることができる。海底採鉱船１０は、この水素ガスを高水圧の深海に送り込み、水素収納室３２の内部に充填することにより、掘削昇降部２１に浮力を発生させることができる。このため、海底採鉱船１０では、掘削昇降部２１の下降、海底の掘削、採鉱、掘削昇降部２１の上昇に要するエネルギーを、水（海水）の電気分解に要するエネルギーのみにすることができる。このように、海底採鉱船１０は、掘削昇降部２１の昇降時や採鉱時の消費エネルギーを減らすことができ、より少ないエネルギーで安価に採鉱を行うことができる。
【００３６】
なお、海底採鉱船１０は、掘削昇降部２１が海底にあるとき、水素収納室３２のガス容量を増やして、掘削昇降部２１を一旦少し浮上させた後、水平に移動してから、水素収納室３２のガス容量を低下させて、掘削昇降部２１を再び海底に降ろすことにより、海底の別の場所で採掘を続けることもできる。
【００３７】
また、海底採鉱船１０は、高圧水素タンク１４が満タンになったとき、水素収納室３２の水素ガスを高圧水素タンク１４に排出することができなくなるため、水素収納室３２の内部の圧力を、高圧水素タンク１４の耐圧（例えば、３０気圧）以下にすることができない。このため、海水流入室３１ｂとその下の空間３１ｃとが連通したままの状態では、掘削昇降部２１の上昇時に海水圧が高圧水素タンク１４の耐圧（例えば、３０気圧）以下になると、水素収納室３２の体積が膨張し、掘削昇降部２１の浮力が大きくなりすぎて船本体１１に衝突してしまう。海底採鉱船１０は、海水圧が高圧水素タンク１４の耐圧（例えば、３０気圧）以下になったとき、圧力弁３１ｄが閉鎖されるため、海水流入室３１ｂの海水が排出されなくなり、水素収納室３２の圧力および体積が変化するのを防止することができる。このため、掘削昇降部２１の上昇時に、掘削昇降部２１が船本体１１に衝突するのを防ぐことができる。
【００３８】
海底採鉱船１０は、錘部材１２により船本体１１が揺れにくくなっているため、浮体の上下動により効率的に波力発電を行うことができる。また、船本体１１が揺れにくいため、安定した状態で掘削昇降部２１の昇降や、掘削昇降部２１による採鉱、船本体１１の航行を行うことができる。また、電気分解により発生して高圧酸素タンク１５（例えば、耐圧１０気圧程度）に貯蔵された酸素ガスを、酸素放出管１６の下部から内部に供給することにより、酸素放出管１６の内部を上昇する酸素ガスにより発生する水流が上部開口から排出されて、船本体１１の動きを制御することができる。この水流を利用して、風などにより船本体１１が移動しないよう制御することにより、より安定した状態で掘削昇降部２１の昇降や、掘削昇降部２１による採鉱を行うことができる。
【００３９】
海底採鉱船１０は、掘削昇降部２１の海水収納室３１が、海水が出入り可能な開口部３１ａを有しており、また海水収納室３１と水素収納室３２とを仕切る仕切膜３３が伸縮性であるため、海水圧に対して、水素収納室３２の内部の水素ガスによる圧力を調整することにより、水素収納室３２のガス容積を容易に変えることができる。
【００４０】
海底採鉱船１０は、水素収納室３２の２つの区画３２ａ，３２ｂの水素ガスの比率を変えることにより、掘削昇降部２１の前後の姿勢を変えることができる。これにより、例えば、一旦前方の開口部３１ａ付近に搭載した鉱物２を、掘削昇降部２１を後ろに傾けることにより、後方に転がして移動させることができる。
【００４１】
海底採鉱船１０は、例えば１万ｋｗの発電能力のある発電手段であれば、水素ガスの生産効率を８０％とすると、６００気圧の水素ガスを１時間に５．８ｍ３生産できるため、１,０００ｍ３の高圧水素タンク１４を約７．２日で満タンにすることができる。この場合、１,０００ｔの掘削昇降部２１および鉱物２を、余分なエネルギーを使わずに海面下まで引き上げることができる。
【００４２】
なお、発電手段は、電気分解で製造された水素ガスや酸素ガスにより発電可能であってもよい。また、水素管１７や連通管２０の内部の水素ガスの移動により発電可能に、ガスタービンが設けられていてもよい。これら場合、さらにエネルギー効率の良い採鉱を行うことができる。
【００４３】
また、図１に示すように、ウインチ１８は、回転軸が鉛直方向を向くよう設けられ、図３（ａ）に示すように、回転継手１９は、ウインチ１８の回転軸の下端に取り付けられており、連通管２０に接続された軸受部材５１と、モータ５２により回転可能に設けられたスクリューポンプ部材５３と、ウインチ１８の回転軸に接続された軸部材５４とを有していてもよい。この場合、具体的には、回転継手１９は、特願２０１４−１０５８０１号に記載のスラスト軸受を改良したものから成っていてもよい。
【００４４】
すなわち、図３（ａ）に示すように、軸受部材５１は、それぞれ円筒状の内筒５１ａと外筒５１ｂと、下部に内筒５１ａと外筒５１ｂとの間を塞ぐよう設けられた軸受面５１ｃとを有している。また、軸受部材５１は、内筒５１ａと外筒５１ｂとの間に潤滑流体５５を保持している。図３（ａ）および（ｂ）に示すように、スクリューポンプ部材５３は、内径が内筒５１ａの外径より大きく、外径が外筒５１ｂの内径より小さい円筒状を成し、内筒５１ａと外筒５１ｂとの間に上方から挿入されている。スクリューポンプ部材５３は、上端側部に、モータ５２の歯車５２ａに螺合する歯車５３ａを有している。また、スクリューポンプ部材５３は、モータ５２による回転によって潤滑流体５５が下方に向かう流れを生じるよう、内側面および外側面にネジ山５３ｂが形成されている。
【００４５】
軸部材５４は、内径が内筒５１ａの外径より大きく、外径がスクリューポンプ部材５３の内径より小さい円筒状を成し、内筒５１ａとスクリューポンプ部材５３との間に上方から挿入されている。軸部材５４は、スクリューポンプ部材５３の上端の高さ位置に、外側面からスクリューポンプ部材５３の外側まで突出するよう設けられたフランジ部５４ａを有している。また、回転継手１９は、スクリューポンプ部材５３や軸部材５４が軸受部材５１から外れないよう、軸部材５４のフランジ部５４ａを上から押さえて、軸受部材５１の外筒５１ｂの上部に取り付けられた円環状の固定部材５６を有している。
【００４６】
この場合、高圧の水素ガスを漏らすことなく、ウインチ１８をスムーズに回転させることができる。また、軸部材５４と軸受部材５１との間に高圧流体を供給し続ける必要がないため、高圧ポンプの運転コストや設置コストなどの費用を低減することができる。
【００４７】
さらに、図３に示すように、回転継手１９は、内筒５１ａの一部の帯状の円環部が、内筒５１ａの内側の圧力が外側の圧力より高くなったとき、軸部材５４の外側面に接するよう変形可能に設けられた、弾力性を有するパッキン材５７から成っていてもよい。これにより、ウインチ１８を使用せずモータ５２を停止させたとき、軸部材５４および内筒５１ａの内側を通る水素ガスの圧力の方が、内筒５１ａの外側の潤滑流体５５の圧力より高くなるため、パッキン材５７が軸部材５４の外側面に接するよう変形し、水素ガスが内筒５１ａと軸部材５４との間隙から漏れるのを防ぐことができる。また、たとえその間隙から水素ガスが漏れ出したとしても、ベルヌーイの定理により間隙側の方が内筒５１ａの内側より陰圧になるため、パッキン材５７が押されて間隙を閉じることができる。
【００４８】
また、掘削手段３５は、水素収納室３２に収納された水素ガスを導入し、外部に向かって噴射する噴射手段と、噴射された水素ガスに着火する着火手段とを有していてもよい。この場合、水中でも燃焼する高温のトーチを発生させることができる。この高温で噴射するトーチを、海底の堆積層や岩盤に向けて噴射することにより、堆積層を除去したり、熱により岩盤等を熔融したりするだけでなく、周囲に存在する水を瞬間的に蒸発させて水蒸気爆発による衝撃波を発生させ、堆積層を吹き飛ばしたり、岩盤を破砕したりすることができ、海底の掘削を行うことができる。具体的には、掘削手段３５は、特願２０１４−２４１８２６号に記載の掘削装置から成っていてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１  海底
２  鉱物
１０  海底採鉱船
１１  船本体
１２  錘部材
１２ａ  貫通孔
１３  高圧水素製造手段
１４  高圧水素タンク
１５  高圧酸素タンク
１５ａ  チューブ
１６  酸素放出管
１６ａ  下部開口
１６ｂ  上部開口
１７  水素管
１８  ウインチ
１９  回転継手
２０  連通管
２１  掘削昇降部
３１  海水収納室
３１ａ  開口部
３１ｂ  海水流入室
３１ｃ  下の空間
３１ｄ  圧力弁
３２  水素収納室
３２ａ，３２ｂ  区画
３３  仕切膜
３４  切替弁
３５  掘削手段
３６  集鉱手段
２２  吊下柱
２３  ポンプ
２４  切替弁
５１  軸受部材
５１ａ  内筒
５１ｂ  外筒
５１ｃ  軸受面
５２  モータ
５２ａ  歯車
５３  スクリューポンプ部材
５３ａ  歯車
５３ｂ  ネジ山
５４  軸部材
５４ａ  フランジ部
５５  潤滑流体
５６  固定部材
５７  パッキン材
【要約】
【課題】より少ないエネルギーで安価に採鉱を行うことができる海底採鉱船を提供する。
【解決手段】高圧水素タンク１４が、船本体１１に設置され、高圧の水素ガスを貯蔵可能に設けられている。掘削昇降部２１が、船本体１１から海底１まで昇降可能に設けられ、高圧水素タンク１４から水素ガスを受取可能かつ高圧水素タンク１４に水素ガスを排出可能に、高圧水素タンク１４に接続されている。掘削昇降部２１は、海水が出入り可能な開口部３１ａを有し、海水を収納可能に設けられた海水収納室３１と、海水収納室３１に隣接し、高圧水素タンク１４からの水素ガスを収納する水素収納室３２と、海水収納室３１と水素収納室３２とを仕切るよう設けられた伸縮性の仕切膜３３と、海底１を掘削可能に設けられた掘削手段３５と、掘削手段３５による掘削物を回収して開口部３１ａから海水収納室３１に取り込み可能に設けられた集鉱手段３６とを有している。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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