(57)【要約】【課題】  揚鉱システム自体の安全運転維持管理ために、水中ポンプの摩耗や腐食の原因となる、揚鉱管内を流れるスラリー比重の変化に起因する、流速や圧力変化による様々な不規則な脈動の問題を軽減する。【解決手段】  海上の作業船から目的の海底部へ通じる揚鉱管と、同じく前記作業船から降ろされた通気管と、前記揚鉱管に取り付けられる水中ポンプを主に備える揚鉱システムであって、前記通気管の下端は、前記揚鉱管と直接連通されてあり、前記通気管の上端は海上の大気に通じ、前記通気管内に自由水面を有し、また前記通気管の下部近傍に水中タンクを備えている揚鉱システムを提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
海底の鉱物や泥等の海底資源を海上まで移送する揚鉱システムに於いて、海上の作業船から目的の海底部へ通じる揚鉱管と、同じく前記作業船から降ろされた通気管と、前記揚鉱管に取り付けられる水中ポンプを主に備える揚鉱システムであって、前記通気管の下端は、前記揚鉱管と直接連通され、前記通気管の上端は海上の大気に通じ、前記通気管内に自由水面を有することを特徴とする揚鉱システム。
【請求項２】
請求項１の揚鉱システムであって、単数又は複数の前記水中ポンプは、前記揚鉱管と前記通気管とを直接連通している連通口よりも高位置に取り付けられていることを特徴とする揚鉱システム。
【請求項３】
請求項１又は２の揚鉱システムであって、前記通気管の下部近傍に水中タンクを備えている揚鉱システム。
【請求項４】
請求項１、２又は３の揚鉱システムであって、前記連通口近傍に圧力センサーを備えている揚鉱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    本発明は海底で採鉱された鉱物や泥等の海底鉱物資源を海上まで移送する揚水システムに関する。
【背景技術】
【０００２】    近年、コバルトリッチクラスト等を含む海底熱水鉱床等が発見され、海底鉱物資源に注目するようになった。基本的に海底鉱物資源は、金属成分が多く、しかも多品種元素を得ることが出来るため、非常に資源獲得手段として効率的である。しかし、これらの資源の多くは水深が約１０００ｍｍから６０００ｍにあり、大水深からの引き揚げ技術が求められているが、未だにどの国においても実用化には至っていない。【０００３】    しかしながら非特許文献１および２（ＪＯＧＭＥＣ）が示すように揚鉱方法の比較評価は概ねなされ、バケット式やエアリフト式よりもポンプ式の揚鉱技術が高く評価されている。またポンプ式においても、ダイアフラム型ポンプとターボ型ポンプが比較評価されているが、凡そダイアフラム型は揚鉱管の下端位置に取り付けられ、ターボ型は揚鉱管の中間位置に取り付けられ、運転時の消費電力は、中間位置に取り付けられるターボ型ではより深い位置に取り付けられるダイアフラム型の凡そ半分である。また非特許文献２（７４頁）によればリジッドライザーによるターボ型ポンプ方式を選定し概念設計を実施し、基礎的な知見、設計データを既に得ており、更に鉱石のスラリー移送による摩耗や腐食の影響の検討を求めている。【０００４】    しかし、公開されている特許文献の技術では、例えば特許文献１のようにポンプは揚鉱管の下端に位置し、船上に圧縮注水ポンプを設け、注水管を介して海底近くの水中のポンプを駆動するため、大きな電力を消費する技術は見られるが、揚鉱管の凡そ中間位置にターボ型ポンプを設置し揚鉱を図る技術は見られない。これは前記ターボ型ポンプ吸入口以下の揚鉱管内の海水を反重力方向に吸い上げることは管壁面摩擦抵抗も大きいため難しく、キャビテーションが発生し、ターボ型ポンプのインペラー（回転翼）を損傷する問題が考えられる。また特許文献２ではポンプは揚鉱管の凡そ中間位置にも取り付けられるが、揚鉱管のほぼ中間位置にある中継筐体にスラリーの沈澱が発生する問題がある。【０００５】    更には非特許文献３では、海中の揚鉱管には海中の潮の流れにより発生する渦に原因する管の振動、海上作業船の波による上下運動、更には揚鉱管内を流れるスラリーの比重の変化による、流速や圧力変化による様々な脈動の問題が発生することを指摘している。これらの問題は揚鉱システム自体の摩耗や腐食の原因となるが、未だに明確な対応技術が生み出されていないのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】    特開２０１２−１９３５７８号広報
【特許文献２】    特開２０１５−７４１６号広報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】    平成２３年度海底熱水鉱床採鉱技術開発等調査に係る  揚鉱技術検討に係る仕様書  独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構（ＪＯＧＭＥＣ）ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｏｇｍｅｃ．ｇｏ．ｊｐ／ｎｅｗｓ／ｂｉｄ／ｃｏｎｔｅｎｔ／３０００５７５２５．ｐｄｆ
【非特許文献２】    第１期最終評価報告書  平成２５年７月５日  経済産業省資源エネルギー庁  独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構（ＪＯＧＭＥＣ）海底熱水鉱床開発委員会（４６−４８頁、５０−５１頁、７３−７４頁）ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｔｉ．ｇｏ．ｊｐ／ｐｒｅｓｓ／２０１３／０７／２０１３０７０５００３／２０１３０７０５００３−２．ｐｄｆ
【非特許文献３】    Ｄｙｎａｍｉｃｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｄｅｅｐ  ｓｅａ  ｍｉｎｉｎｇ  ＯＭＡＥ２０１１−４９４６４  Ｓｔａｎｉｓｌａｖ  Ｖｅｒｉｃｈｅｖ  ｅｔ  ａｌ．２０１１  ３０▲ｔｈ▼  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｏｃｅａｎ，Ｏｆｆｓｈｏｒｅ  ａｎｄ  Ａｒｃｔｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＯＭＡＥ２０１１，Ｊｕｎｅ  １９−２４，２０１１，Ｒｏｔｔｅｒｄａｍ，Ｔｈｅ  Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】    以上の問題を鑑み、揚鉱管内に鉱物溜まり等による閉塞が発生しないようにし、揚鉱管の凡そ中間位置に設置されるターボ型ポンプ内での飽和蒸気圧によるキャビテーションの発生を抑え、更には揚鉱システム自体の安全運転維持管理ために、水中ポンプの摩耗や腐食の原因となる、揚鉱管内を流れるスラリー比重の変化に起因する、流速や圧力変化による様々な不規則な脈動の問題を軽減する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】    請求項１の発明は海底の鉱物や泥等の海底資源を海上まで移送する揚鉱システムに於いて、海上の作業船から目的の海底部へ通じる揚鉱管と、同じく前記作業船から降ろされた通気管と、前記揚鉱管に取り付けられる水中ポンプを主に備える揚鉱システムであって、前記通気管の下端は、前記揚鉱管と直接連通されてあり、前記通気管の上端は海上の大気に通じ、前記通気管内に自由水面を有することを特徴とする揚鉱システムである。【００１０】    請求項２の発明は請求項１の発明に係る揚鉱システムであって、単数又は複数の前記水中ポンプは、前記揚鉱管と前記通気管とを直接連通している連通口よりも高位置に取り付けられていることを特徴とする揚鉱システムである。【００１１】    請求項３の発明は前記の請求項１の発明、または請求項２の発明の揚鉱システムであって、前記通気管の下部近傍に水中タンクを備えている揚鉱システムである。【００１２】    更に請求項４の発明は前記の請求項１、請求項２または請求項３の発明の揚鉱システムであって、前記連通口近傍に圧力センサーを備えている揚鉱システム。
【発明の効果】
【００１３】    請求項１の発明により揚鉱管と通気管とが直接連通される事により、スラリーの鉱物溜まり等による前記揚鉱管の閉塞が無くなる。【００１４】    また請求項２の発明では水中ポンプの始動時の吸引は前記揚鉱管の下部から長い距離を掛けて海水を反重力方向に汲み上げるのではなく、直ぐ近くに連通している前記通気管内の海水を前記通気管下端部で重力方向に吸引できるのでキャビテーションの発生は低減でき、前記水中ポンプのインペラーの腐食の低減が図られ、スムーズな始動ができる。更に前記通気管内の海水が重力方向に吸引されることにより、前記通気管内の自由水面が海水面よりも下がり、前記通気管と連通している位置よりも下の水位の前記揚鉱管内の圧力は低下し、前記揚鉱管下端部で海水の吸引が始まる。【００１５】    請求項３の発明では水中ポンプ吸引部の近くの通気管に前記水中タンクを設けることで、揚鉱管内部に発生する流速や圧力の不規則な脈動を吸収、緩和ができ、前記水中ポンプや前記揚鉱管への急な負荷の変動は吸収できる。前記揚鉱管内の脈動を調整緩和できることで、本揚鉱システム自体の安全運転維持管理が図られ、事業化が可能になる。【００１６】    請求項４の発明ではある程度緩和された揚鉱管と通気管の連通口近傍の圧力変動を監視し、前記水中ポンプと動力モーターとの連携で圧力変動に対する自動応動システムを作ることにより、更なる安定した運転環境が構築できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】  本発明１と２の揚鉱システムの概念図で、ポンプの始動前（ａ）と始動後（ｂ）を説明する。
【図２】  本発明３を説明する揚鉱システムの概念図で、水中タンクが揚鉱管内、特に水中ポンプ吸入口近くの脈動を調整緩和するメカニズムを説明する。
【発明を実施するための形態】
【００１８】    以下、本発明の実施形態に係る揚鉱システム１について、図を参照しつつ説明する。
図１は本発明の揚鉱システム１である。海水面（ＳＬ）上の作業船６から目的の海水域まで揚鉱管２を降ろし、通気管３も同じく作業船６から降ろし、通気管３の下端は揚鉱管２に予め設定された位置に斜め上から連通させ連通口４を設け、通気管３内にスラリーの沈澱が起きないようにする。また通気管３の上端は海上の大気に通じ、通気管３内に自由水面（ＦＷＳ）を有している。更に水中ポンプ５は揚鉱管２と通気管３との連通部である連通口４よりもやや上位置に取り付け、通気管３内の自由水面（ＦＷＳ）の水位レベルよりも下に取り付ける。
【００１９】    図１ａは揚鉱システム１の始動前を示している。揚鉱管２と通気管３内の水位はどちらも海水面（ＳＬ）に位置する。しかし揚鉱システム１を始動させると図１ｂで示されているように、水中ポンプ５の吸入口近くにある連通口４の気圧は低下する。連通口４近傍の圧力が低下すると、重力方向と逆方向（点線矢印▲２▼）に上昇させる揚鉱管２内の水よりも、気圧が低下した連通口４を下端に有する通気管３内の水を、重力方向（実線矢印▲１▼）へ下降させる方が、水中ポンプ５は容易に吸引でき、また飽和蒸気圧になりにくい。通気管３内の水が下方に流れ始めると、同時に通気管３内の大気に解放されている自由水面（ＦＷＳ）は下がり始める。次に通気管３内の自由水面（ＦＷＳ）が下がり始めると、連通口４よりも下位の揚鉱管２内の気圧は通気管３内の自由水面（ＦＷＳ）が海水面（ＳＬ）よりも下がった分だけ気圧を下げる。その為に揚鉱管２下端部では周りの水圧よりも揚鉱管２内の気圧が低くなり、周りの海水が揚鉱管２内に押し入り始める。
【００２０】    例えば揚鉱管２の長さを２０００ｍとし、通気管３内の自由水面（ＦＷＳ）は海水面（ＳＬ）よりも約７５０ｍ低い位置にあり、連通口４は海水面（ＳＬ）から約８００ｍ低い位置にあれば、自由水面（ＦＷＳ）の位置で凡そ大気圧であるから、それよりも５０ｍ深い位置の連通口４では約５気圧であり、連通口４よりも下位の揚鉱管２内の気圧は各水位レベルの揚鉱管２外の水圧よりも約７５気圧低くなり、揚鉱管２下端内部では１２５気圧になる。一方目的の海水域の水圧は２００気圧なので、海水は採鉱された鉱物と一緒に揚鉱管２内に押し入る。勿論海水と鉱物の二相流のスラリーの比重は重くなるので、揚鉱管２内の気圧は高くなり、管壁面摩擦抵抗による圧力損失を加えた圧力差が、つまり海水面（ＳＬ）と通気管３内の自由水面（ＦＷＳ）の必要落差が設定される。
【００２１】    しかし一方、揚鉱管の凡そ中間位置に水中ポンプを設けただけの既知の揚鉱システムの場合、水中ポンプを始動すると吸入口近くの圧力が低下するが揚鉱管壁面摩擦抵抗が大きいために、容易に揚鉱管内の水を吸引できず、飽和蒸気圧になりやすく、キャビテーションの発生を招き、水中ポンプの羽根の疲労や腐食の被害を蒙る恐れがある。
【００２２】    次に図２は揚鉱システム１に水中タンク７を加えた図である。通気管３の下端部、連通口４の近くに水中タンク７を設け、水中タンク７内に予め設定されている自由水面（ＦＷＳ）が来るようにする。これは非特許文献３が示すように、スラリーが流れる揚鉱システムでは常に比重が変わるために流速や圧力の変動が激しく、不規則な脈動が揚鉱管や水中ポンプの疲労や腐食の問題を引き起こす。本揚鉱システム１では水中ポンプ５の下部にある連通口４から通気管３へ向けて、揚鉱管２は連通しているために揚鉱管２内で発生する不規則な脈動は水中タンク７につながる連通口４近傍で低減される。これは揚鉱管２の連通口４の近傍での流速や圧力変動があれば、水中タンク７内の自由水面（ＦＷＳ））が自動応動し昇降する。水中タンク７の径が揚鉱管２の径よりも大きくなるほど、自由水面（ＦＷＳ）の昇降幅は小さくなり、水中ポンプ５の吸入口近くの流速、圧力変動を大きく吸収、緩和する。
【００２３】    尚、本揚鉱システム１であって、通気管３内の自由水面（ＦＷＳ）が予め設定された水位にある時に、この通気管３の上端部を封鎖すれば、通気管３内の空気は大気から隔離される。しかし空気（気体）は圧縮が出来るので連通口４近傍での圧力が急に上昇すれば、通気管３内の空気は圧縮され急な圧力上昇を吸収できるのでアキュムレーターの働きをする。しかし、急な圧力低下には飽和蒸気圧以下はできない。
【００２４】    次に本発明の揚鉱システム１に図示されていない圧力センサーを水中タンク７内も含めた連通口４近傍に取り付け、揚鉱管２内の圧力変動を監視し、水中ポンプ５の動力モーターとの連携で圧力の変動に対する自動応動システムを作りし、更なる安定した運転環境を構築する。
【００２５】    以上説明したように本揚水システム１は揚鉱管２内で発生する不規則な脈動に対してパッシブ型でもアクティブ型でも自動応動するメカニズムを有している。尚、本発明の揚水システム１は海底よりの揚水システムで説明してあるが、淡水湖等の湖底よりの揚水も可能である。
【符号の説明】
【００２６】１        揚鉱システム
２        揚鉱管
３        通気管
４        連通口
５        水中ポンプ      揚水中継筐体
６        作業船
７        水中タンク
ＳＬ      海水面
ＦＷＳ    自由水面
▲１▼    重力方向への流れ  （実線矢印）
▲２▼    反重力方向への流れ  （点線矢印）
【図１】
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【図２】
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