(57)【要約】【課題】 水中堆積物の吸引を効率良く行うことができるエアリフトポンプを提供する。【解決手段】 水中に起立状態で設置される主管（１０）および作動管（２０）を有し、作動管（２０）から主管（１０）に作動流体を導入することにより、主管（１０）の下部に形成された吸引口（１２）から堆積物を水と共に吸引して、上方に搬送するエアリフトポンプ（１）であって、作動管（２０）は、供給された液相の作動流体を外部の水と断熱した状態で下方に案内する断熱部（２２）と、断熱部（２２）を経た作動流体を外部の水との熱交換により加熱気化させて主管（１０）に供給する熱交換部（２４）とを備える。
2015190280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中に起立状態で設置される主管および作動管を有し、前記作動管から前記主管に作動流体を導入することにより、前記主管の下部に形成された吸引口から堆積物を水と共に吸引して、上方に搬送するエアリフトポンプであって、  前記作動管は、供給された液相の作動流体を外部の水と断熱した状態で下方に案内する断熱部と、前記断熱部を経た作動流体を外部の水との熱交換により加熱気化させて前記主管に供給する熱交換部とを備えるエアリフトポンプ。
【請求項２】
前記熱交換部は、前記断熱部から前記主管に向けて作動流体を上方に案内する請求項１に記載のエアリフトポンプ。
【請求項３】
前記主管を上昇する気相の作動流体を回収する気液分離器と、  回収された作動流体を圧縮加熱する圧縮機と、  水中に設置されて前記圧縮機からの作動流体を外部の水と熱交換して冷却する放熱部と、  前記放熱部を経た作動流体を膨張液化させる膨張器とを更に備え、  前記膨張器を経た液相の作動流体を前記作動管に導入する請求項１に記載のエアリフトポンプ。
【請求項４】
前記主管を上昇する気相の作動流体を回収する気液分離器と、  回収された作動流体を冷却して液化する冷却器とを更に備え、  前記冷却器を経た液相の作動流体を前記作動管に導入する請求項１に記載のエアリフトポンプ。
【請求項５】
主管および作動管を水中に起立状態で設置し、前記作動管から前記主管に作動流体を導入することにより、前記主管の下部に形成された吸引口から堆積物を水と共に吸引して、上方に搬送する水中堆積物の吸引方法であって、  前記作動管に供給された液相の作動流体を、外部の水と断熱状態で下方に案内するステップと、  前記作動管の下方に案内された液相の作動流体を、外部の水との熱交換により加熱気化させて、前記主管に供給するステップとを備える水中堆積物の吸引方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、エアリフトポンプおよび水中堆積物の吸引方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  液体を押し上げるための従来の装置として、フロン等の低沸点作動流体の相変化によるエアリフト効果を利用する構成が知られている。例えば、特許文献１には、作動流体の気泡を上昇管の下部から注入ノズルを介して注入し、上昇管内を温水と共に上昇させる液体押上装置が開示されている。作動流体の気泡は、上昇管の上部に設置された気液分離ドラムで温水と分離された後、空冷コンデンサにより凝縮・液化し、下降管内を自重により降下して再び上昇管の下部に導入される際に、上昇管内の温水により加熱されて沸騰気泡となる。【０００３】  また、特許文献２には、エアリフトパイプを海中に設置して、海底の鉱物等を海水と共に吸引する深底資源吸引装置が開示されている。レアアース、マンガン団塊等の海底資源は、我が国の資源の安定供給の要となる極めて重要な国内資源であり、その開発と利用が期待されている。海底からの揚鉱システムとしては、エアリフト式以外にポンプ式やバケット式等も知られているが、生産性およびメンテナンス性を両立させる点では、エアリフト式が有望である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−１５５０９９号公報
【特許文献２】特開２０００−２２７１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  ところが、上記の特許文献１に開示された液体押上装置を、海底資源の採取等のために海中などの水中で使用する場合、以下のような問題があった。すなわち、この液体押上装置は、上昇管内の温水温度と、下降管の周囲温度との温度差を利用して、作動流体の相変化を生じさせるように構成されているので、海中のように上昇管の内外で十分な温度差が生じない状況で使用すると、作動流体に所望の相変化が生じず、運転を継続的に行うことが困難であった。【０００６】  また、この液体押上装置は、作動流体の上昇管への注入が液相で行われ、上昇管内で加熱されて気相になるように構成されているので、作動流体の相変化を生じさせるための機構を上昇管の内部に設ける必要があり、この相変化部の構成が煩雑になるだけでなく、吸引する土砂等による相変化部の損傷等の問題が生じるおそれがあった。【０００７】  このため、従来のエアリフト式の揚鉱システムは、上記特許文献２に開示された圧送ポンプ等のように、作動流体を管内に導入するための動力源が必要とされており、この動力源の負荷は、注入深度が深くなるほど大きくなることから、低コストで省エネルギー化を実現するポンプシステムの開発が求められていた。【０００８】  そこで、本発明は、水中堆積物の吸引を効率良く行うことができるエアリフトポンプおよび水中堆積物の吸引方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明の前記目的は、水中に起立状態で設置される主管および作動管を有し、前記作動管から前記主管に作動流体を導入することにより、前記主管の下部に形成された吸引口から堆積物を水と共に吸引して、上方に搬送するエアリフトポンプであって、前記作動管は、供給された液相の作動流体を外部の水と断熱した状態で下方に案内する断熱部と、前記断熱部を経た作動流体を外部の水との熱交換により加熱気化させて前記主管に供給する熱交換部とを備えるエアリフトポンプにより達成される。【００１０】  このエアリフトポンプにおいて、前記熱交換部は、前記断熱部から前記主管に向けて作動流体を上方に案内することが好ましい。【００１１】  また、前記主管を上昇する気相の作動流体を回収する気液分離器と、回収された作動流体を圧縮加熱する圧縮機と、水中に設置されて前記圧縮機からの作動流体を外部の水と熱交換して冷却する放熱部と、前記放熱部を経た作動流体を膨張液化させる膨張器とを更に備え、前記膨張器を経た液相の作動流体を前記作動管に導入することが好ましい。あるいは、前記主管を上昇する気相の作動流体を回収する気液分離器と、回収された作動流体を冷却して液化する冷却器とを更に備えてもよく、前記冷却器を経た液相の作動流体を前記作動管に導入することも可能である。【００１２】  また、本発明の前記目的は、主管および作動管を水中に起立状態で設置し、前記作動管から前記主管に作動流体を導入することにより、前記主管の下部に形成された吸引口から堆積物を水と共に吸引して、上方に搬送する水中堆積物の吸引方法であって、前記作動管に供給された液相の作動流体を、外部の水と断熱状態で下方に案内するステップと、前記作動管の下方に案内された液相の作動流体を、外部の水との熱交換により加熱気化させて、前記主管に供給するステップとを備える水中堆積物の吸引方法により達成される。
【発明の効果】
【００１３】  本発明によれば、水中堆積物の吸引を効率良く行うことができるエアリフトポンプおよび水中堆積物の吸引方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るエアリフトポンプの概略構成図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係るエアリフトポンプの概略構成図である。
【図３】本発明の一実施例に係るエアリフトポンプの概略構成図である。
【図４】本発明の他の実施例に係るエアリフトポンプの概略構成図である。
【図５】図４に示すエアリフトポンプの測定データの一例を示す図であり、（ａ）は作動流体の流量変化、（ｂ）は作動流体の温度変化をそれぞれ示している。
【図６】図４に示すエアリフトポンプの揚水特性の測定結果を示す図であり、（ａ）から（ｃ）は、主管の内径をそれぞれ異ならせて従来技術と比較したものである。
【図７】図６に示す測定結果を数値計算結果と比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るエアリフトポンプの概略構成図である。図１に示すように、エアリフトポンプ１は、不図示の支持部材により海水等の水中に起立状態で設置される主管１０および作動管２０を備えている。本実施形態のエアリフトポンプ１は、上記特許文献１に開示された閉鎖ループ内での液体流動装置とは異なり、開放空間での利用が可能な汎用性を有するものである。
【００１６】  主管１０は、下端側に吸引口１２が形成され、上端側に排出口１４が形成されており、吸引口１２が海底等の底面近傍に位置することにより、海底鉱物や土砂、汚泥等の水中堆積物を吸引口１２から吸引可能に配置されている。排出口１４は、海面等の水面よりも上方に位置しており、吸引口１２から海水等の水と共に吸引された水中堆積物が排出口１４から排出されて、回収部３０に回収される。主管１０の起立状態は、直立状態であることが好ましいが、傾斜状態であってもよい。
【００１７】  作動管２０は、下端側の接続口２２が、主管１０の吸引口１２の上方に接続されている。作動管２０の上端側には導入口２４が形成されており、液状の作動流体が導入口２４から作動管２０に導入される。また、作動管２０は、断熱部２６および熱交換部２８を備えており、導入口２４側に断熱部２６が配置され、接続口２２側に熱交換部２８が配置されている。作動管２０の起立状態は直立状態のみならず傾斜状態であってもよい。
【００１８】  断熱部２６は、内部を通過する作動流体を、外部の水と断熱した状態で下方に案内する。断熱部２６の具体的構成は、特に限定されないが、例えば、作動流体が通過する配管の外周面をウレタンフォームやポリイミド等の耐水性断熱材で被覆した構成、二重管を用いて内管内部の作動流体と外管外部の水とを真空断熱する構成等を挙げることができる。
【００１９】  熱交換部２８は、内部を通過する作動流体を、外部の水との熱交換により加熱気化させて、主管１０に供給する。熱交換部２８は、例えばアルミニウム合金等の熱伝導性に優れる金属管から構成することができ、作動流体の気化に必要な伝熱面積を確保するために、適宜湾曲させてもよい。断熱部２６が、配管を断熱材等で被覆して構成される場合には、配管の一部を露出させて熱交換部２８とすることができる。作動流体は、液密度が周囲液相（例えば海水）の密度以上であり、沸点が周囲液相の温度以下であり、周囲液相に対して不溶性または難溶性であるものを好適に使用することができる。作動流体は、これらの条件に加えて、不燃性または難燃性であり、人体や生物に対して無害であるものを、より好ましく使用することができる。
【００２０】  次に、上記の構成を備えるエアリフトポンプ１を用いて、水中堆積物を吸引する方法を説明する。作動管２０には、液状の作動流体を導入口２４から供給する。使用する作動流体は、導入時は液相である一方、水中においては熱交換部２８での熱交換により気相になるように、エアリフトポンプ１を設置する場所の水温や水圧を考慮して適宜選択すればよい。エアリフトポンプ１を水深が比較的浅い海中に設置する場合、海中において熱交換部２８の周囲の海水温よりも低い沸点を有する代替フロン等から適宜選択可能であり、例えば、1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパン（HFC−245fa、沸点：15.3 ℃）を使用することができる。深海底においては、高い水圧によって作動流体の沸点が上昇することから、例えば、HFC-23 (沸点-82℃(1気圧), 0℃(約20気圧))を作動流体として好ましく使用することができる。作動流体は、吹き込む位置の水深等を考慮して決定すればよく、例えば、HFC-22(沸点4℃(約5気圧)), HFC-32(沸点0℃(約7気圧)), HFC-134a(沸点4℃(約3.5気圧))等も使用可能である。
【００２１】  作動管２０に導入された作動流体は、断熱部２６を通過する間は外部の水との熱交換が遮断されるため、液相の状態が維持される。したがって、作動流体は、断熱部２６を自重により下降し、熱交換部２８に案内される。そして、作動流体が熱交換部２８を通過する間に、外部の水との熱交換により加熱され、大部分が液相から気相に変化して、主管１０に供給される。
【００２２】  主管１０に供給された作動流体は、水中を気泡Ｂとなって上昇する。このエアリフト効果により、主管１０の吸引部１２から海底鉱物等の水中堆積物Ｍが水と共に吸引され、上方に搬送される。こうして、主管１０の排出口１４から水と共に排出された水中堆積物Ｍを、回収部３０において回収することができる。回収部３０は、例えば底板が網板などからなるコンテナ状に形成することができ、水を底板から排出して水中堆積物Ｍのみを貯留することができる。主管１０に対する作動流体の導入箇所は、本実施形態のように吸引口１２の近傍であることが好ましいが、例えば、主管１０の中央付近等であっても、吸引口１２から水中堆積物Ｍを吸引することが可能である。
【００２３】  本実施形態のエアリフトポンプ１によれば、作動管２０が、液相の作動流体を外部の水と断熱した状態で下方に案内する断熱部２６と、断熱部２６を経た作動流体を外部の水との熱交換により加熱気化させて主管１０に供給する熱交換部２８とを備えているので、周囲の水温より沸点が低い作動流体を選択することにより、作動流体を下降させるための動力や、作動流体の相変化を生じさせるための動力を必要とすることなく、主管１０の内部に作動流体によるエアリフト効果を生じさせることができる。したがって、水中堆積物の吸引を低コストで効率良く行うことができ、例えば、レアアース、マンガン団塊、メタンハイドレード等の海底資源の吸引、港湾施設やダム等での浚渫工事における土砂の吸引、養殖所、ダム湖、貯水タンク等における汚泥の吸引等、各種の水中堆積物の吸引に好適に使用することができる。
【００２４】  また、作動流体は大部分が気相の状態で主管１０に供給されるため、作動流体を水深が深い位置で注入する場合でも、注入エネルギーを軽減して主管１０内に作動流体を容易且つ確実に供給することができる。また、従来のように作動流体の相変化部を主管１０の内部に設ける必要がないので、相変化部の修理やメンテナンスの問題を解消することができると共に、主管１０を流れる流体に固体が含まれる場合にも好適に使用可能である。
【００２５】  更に、作動流体の沸点が周囲の水温よりも低いと、気相の状態で主管１０に導入された作動流体が、主管１０を上昇する途中で凝縮するおそれがない。したがって、エアリフト効果を安定的に生じさせることができ、水中堆積物の吸引搬送を確実に行うことができる。
【００２６】  作動管２０に供給される液相状態での作動流体の密度は、作動管２０の周囲における水の密度よりも大きいことが好ましい。このような作動流体を選択することにより、作動管２０における液相の作動流体の自重による移動を、エアリフトポンプ１の始動直後から補助動力を要することなく確実に行うことができ、作動流体を搬送するためのエネルギーの低減を図ることができる。
【００２７】  図２は、本発明の他の実施形態に係るエアリフトポンプの概略構成図である。図２において、図１と同様の構成部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００２８】  図２に示すエアリフトポンプ１’は、図１に示すエアリフトポンプ１において、主管１０の上部に気液分離器４０を設けると共に、この気液分離器４０の気体出口４２を、作動管２０の導入口２４に還流配管５０を介して接続することにより、作動流体が相変化を伴いながら循環するように構成したものである。
【００２９】  還流配管５０は、気液分離器４０で分離された気相の作動流体を断熱圧縮により加熱する圧縮機５２と、圧縮機５２で加熱された作動流体を冷却する放熱部５４と、放熱部５４で冷却された作動流体を断熱膨張により液化させる膨張器５６とを備えており、膨張器５６を経た作動流体が作動管２０に導入される。放熱部５４は、熱伝導性が良好な材料からなる配管から構成することができ、内部を通過する作動流体の温度よりも低温の水中に設置されて、作動流体を外部の水との熱交換により冷却する。この水温は、作動管２０の熱交換部２８の周囲における水温と同程度であればよい。例えば、主管１０および作動管２０を海中に設置する場合には、放熱部５４も海中に設置すればよい。
【００３０】  図２に示すエアリフトポンプ１’によれば、気液分離器４０の液体出口４４から水中堆積物Ｍを含む水を回収部３０において回収した後、気液分離器４０で分離された作動流体が、圧縮機５２、放熱部５４および膨張器５６を通過することにより気相から液相に変化するので、作動管２０に導入される作動流体を、主管１０内にエアリフト効果を生じさせる動力源として再利用可能となる。すなわち、作動流体の液化エネルギーのみでエアリフトポンプ１’を作動させることができ、設置場所の水深が深い場合であっても、水中堆積物Ｍを低コストで効率良く吸引することができる。また、上述した作動流体の液化エネルギーは、放熱部５４を主管１０および作動管２０と同様に水中に設置することで軽減可能であり、更なる低コスト化、高効率化を図ることができる。
【００３１】  還流配管５０は、不凝縮性ガスである空気の混入を確実に防止できるように、気液分離器４０および作動管２０に気密に接続されていることが好ましく、また、仮に空気が混入した場合には、この空気を還流配管５０の外部に容易に排出できるように、排出弁などの排出機構を備えることが好ましい。
【００３２】  熱交換部２８は、断熱部２６側から主管１０に向けて作動流体を上方に案内することができるように、作動流体の液体流入位置が気相流出位置より低いことが好ましい。この構成によれば、熱交換部２８において気相となった作動流体を主管１０に確実に案内することができ、主管１０への作動流体の注入をより容易に行うことができる。具体的には、図２に示すように、熱交換部２８を、断熱部２６から主管１０に向けて傾斜して配置することが好ましい。あるいは、熱交換部２８を、一部に鉛直部を有する屈曲配管等から構成することもできる。
【００３３】  以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。本発明によれば、深海底における資源の引き上げコストを低減でき、海底資源の利用が容易になるので、我が国における資源・エネルギーの安定供給に寄与することができる。また、高効率の吸引装置として、海底資源の吸引以外の用途にも広く適用可能である。
【００３４】  本発明の作用・効果を検証するため、図３に示す構成のエアリフトポンプ１０１を貯水槽内に設置して試験を行った。なお、図３において、図１および図２と同様の構成部分には、同一の符号を付している。
【００３５】  主管１０は、内径を１１ｍｍ、長さを１０００ｍｍとした。作動管２０の断熱部２６は、内径を１１ｍｍ、長さを９００ｍｍの配管とし、ネオプレンスポンジで被覆することにより周囲と断熱した。作動管２０の熱交換部２８は、内径を１１ｍｍ、長さを１５０ｍｍの配管とし、断熱部２６から主管１０に向けてθ＝６０度の角度で直線状に傾斜するように配置した。作動流体はＨＦＣ−２４５ｆａを使用し、エアリフトポンプ１０１の周囲の液体Ｌは、３０℃の水とした。気液分離器４０と作動管２０とはペルチェ素子６２を備える冷却器６０を介して接続し、気液分離器４０から導入された気相の作動流体が、ペルチェ冷却により液化して、作動管２０に導入されるように構成した。
【００３６】  上記の構成を備えるエアリフトポンプ１０１は、ペルチェ素子６２を１１０Ｗの電力で０℃に制御したところ、断熱部２６には、１４℃の液相の作動流体が0.013 L/min（0.017 kg/min）の流量で導入され、この作動流体が熱交換部２８で気相になった後、主管１０に導入されることにより、主管１０には、周囲の水Ｌが吸込流量30 mL/s（1.8 L/min）で吸引された。
【００３７】  図３に示すエアリフトポンプ１０１と同様の構成を備える装置を、水深の深い海中などに設置した場合、主管１０内を作動流体が上昇する際に、上昇とともに作動流体の圧力が減少し、膨張により温度が低下する。したがって、主管１０への外部からの熱移動量を抑制することにより、主管１０出口での作動流体温度、すなわち、冷却器６０への流入温度を低下でき、冷却器６０での除熱量が少なくなり、効率を向上することができる。主管１０の熱移動量を抑制する方法は、特に限定されないが、例えば、作動管２０の断熱部２６と同様に、主管１０の外周面をウレタンフォームやポリイミド等の耐水性断熱材で被覆した構成、主管１０を二重管として内管内部と外管外部とを真空断熱する構成等を挙げることができる。主管１０の熱移動量の抑制は、主管１０内を通過する海水が凍らない程度に、水深等に応じて適宜調整すればよい。
【００３８】  ついで、図４に示すエアリフトポンプ１０１’を貯水槽１１０に設置して、作動の検証を行った。図４において、図１から図３と同様の構成部分には、同一の符号を付している。主管１０は、内径を１１ｍｍ、長さを１０００ｍｍとした。貯水槽１１０に貯留される液体Ｌは３０±１℃の水を使用し、主管１０の揚水高さＨｄを３００ｍｍに設定した。作動流体はＨＦＣ−２４５ｆａを使用した。作動管２０は、図３の構成と同様にして断熱部２６を形成し、熱交換部２８については、両壁面２８ａ，２８ｂが厚さ０．５ｍｍのアルミ板により形成されたケーシングを鉛直方向に直立させることで、入熱量がケーシング内の液面高さにより調整されるように構成した。主管１０の吸引口１２と作動管２０の接続口２２との距離Ｌｉは、２０ｍｍに設定した。気液分離器４０は、湿式流量計１２０を介して冷却器６０と接続し、気液分離器４０から排出される気相の作動流体の流量を測定可能にした。冷却器６０は、作動流体の流量調整時にバッファとなるリザーブバッグ６４を備えており、ペルチェ素子６２の印加電圧の調節により、作動流体の流量に応じて吸熱量を制御可能に構成した。
【００３９】  上記のエアリフトポンプ１０１’を５００秒間作動させて、湿式流量計１２０により作動流体の流量を測定すると共に、図４に示す４か所の測温部Ｔ１〜Ｔ４における作動流体の温度を測定した結果を図５に示す。図５（ａ）は、冷却器６０に導入される作動流体の流量を示しており、図５（ｂ）は、各測温部Ｔ１〜Ｔ４の温度を貯水槽１１０内の水温と共に示している。図５（ａ）および（ｂ）から明らかなように、流量および温度のいずれも安定していることを確認した。
【００４０】  次に、図４に示すエアリフトポンプ１０１’において、内径が異なる３種類（８ｍｍ、１１ｍｍ、１６ｍｍ）の主管１０を用意し、それぞれについて、湿式流量計１２０が検出する気相の作動流体の流量Ｑｇ（ｍｌ／ｓ）と、主管１０の揚水量Ｑｌ（ｍｌ／ｓ）との関係を測定した。この結果を図６に示す。
【００４１】  図６（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、主管１０の内径が８ｍｍ、１１ｍｍおよび１６ｍｍである場合にそれぞれ対応しており、貯水槽１１０内の水温を、２５℃、３０℃、３５℃および４０℃に設定した場合において、上記のＱｇとＱｌとの関係をそれぞれ複数回ずつ測定した。この結果を従来技術と比較するため、主管１０に導入する作動流体として圧縮空気を使用し、上記のＱｇとＱｌとの関係を測定した。
【００４２】  図６（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合においても、本発明に係るエアリフトポンプ１０１’の揚水特性は、従来技術のエアリフトポンプの揚水特性と同様の傾向を示した。すなわち、揚水特性に関する既存の知見が、本発明の相変化エアリフトポンプにも利用可能であることを確認した。従来のエアリフトポンプの揚水量を予測する手法としては、畠山ら（１９８９）による「一次元二流体ドリフトフラックスモデル」を用いて数値計算する方法が知られているが、この数値計算結果を図６（ａ）〜（ｃ）の測定結果と比較すると、図７に示すように両者は概ね一致することを確認した。
【符号の説明】
【００４３】１，１’  エアリフトポンプ１０  主管１２  吸引口２０  作動管２６  断熱部２８  熱交換部３０  回収部４０  気液分離器５２  圧縮機５４  放熱部５６  膨張器６０  冷却器
【図１】
2015190280.tif 000003
【図２】
2015190280.tif 000004
【図３】
2015190280.tif 000005
【図４】
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【図５】
2015190280.tif 000007
【図６】
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【図７】
2015190280.tif 000009
【国際調査報告】
2015190280.tif 000010
2015190280.tif 000011
2015190280.tif 000012