(57)【要約】【課題】水底の状態に関わらず効率的に水底資源の掘削、採集および水底での移動を行うことのできる水底資源採集装置およびその制御方法を提供する。【解決手段】水底資源採集装置１に浮力タンク９を設置して、水底資源の掘削、採集を行なうときは、浮力タンク９に注水して水底資源採集装置１の少なくとも一部が水底に接触する着床状態として、水底資源採集装置１が水底を移動するときは、浮力タンク９から排水して水底資源採集装置１の重量を低減する移動可能状態とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体と、この本体に設置されて水底と接触可能に構成された接地部と、前記本体に設置されて水底資源を掘削、採集する掘削機構とを備える水底資源採集装置において、
前記本体に設置される浮力タンクを備えていて、
前記浮力タンクに注水して前記接地部が水底に接触する着床状態と、前記浮力タンクから排水して前記水底資源採集装置の重量を低減する移動可能状態とを切り替え可能にすることを特徴とする水底資源採集装置。
【請求項２】
前記本体が枠状体で構成され、前記接地部が前記枠状体から下方に向かって延設されて前記枠状体の高さを調整する高さ調整機構を備える複数の脚部で構成され、前記枠状体と前記掘削機構との間に前記枠状体に沿って水平方向に移動可能な桁部が設置され、この桁部に沿って前記掘削機構が移動可能に設置される請求項１に記載の水底資源採集装置。
【請求項３】
前記水底資源がガスハイドレートであり、前記掘削機構により採集した前記ガスハイドレートをガス化するガス化機構を備えていて、前記浮力タンク内の水を前記ガス化機構で発生させたガスと置換することにより前記浮力タンク内の水を排水する請求項１または２に記載の水底資源採集装置。
【請求項４】
前記ガス化機構が、前記ガスハイドレートを加熱する熱交換器と、この熱交換器で発生したガスを前記浮力タンクに供給する管路とを備える請求項３に記載の水底資源採集装置。
【請求項５】
前記浮力タンクが、前記本体から上方に離間した位置に配置される請求項１〜４のいずれかに記載の水底資源採集装置。
【請求項６】
水底に存在する水底資源を掘削して採集する水底資源採集装置の制御方法であって、
前記水底資源採集装置に浮力タンクを設置して、
前記水底資源の掘削、採集を行なうときは、前記浮力タンクに注水して前記水底資源採集装置の少なくとも一部が水底に接触する着床状態として、
前記水底資源採集装置が水底を移動するときは、前記浮力タンクから排水して前記水底資源採集装置の重量を低減する移動可能状態とすることを特徴とする水底資源採集装置の制御方法。
【請求項７】
前記水底資源がガスハイドレートであり、前記浮力タンク内の水を、前記ガスハイドレートをガス化して得られるガスと置換することにより前記浮力タンク内の水を排水する請求項６に記載の水底資源採集装置の制御方法。
【請求項８】
熱交換器を設置して、この熱交換器で加熱した水を前記浮力タンクに供給して前記浮力タンク内を加熱して、その後、前記熱交換器で前記ガスハイドレートを加熱してガス化して前記浮力タンクに供給する請求項７に記載の水底資源採集装置の制御方法。
【請求項９】
本体と、この本体に設置されて水底と接触可能に構成された接地部と、前記本体に設置されて水底資源を掘削、採集する掘削機構とを備える水底資源採集装置において、
前記水底資源がガスハイドレートであり、前記本体が枠状体で構成され、前記接地部が前記枠状体から下方に向かって延設されて前記枠状体の高さを調整する高さ調整機構を備える複数の脚部で構成され、前記枠状体と前記掘削機構との間に前記枠状体に沿って水平方向に移動可能な桁部が設置され、この桁部に沿って前記掘削機構が移動可能に設置されることを特徴とする水底資源採集装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水底を掘削して水底資源を採集する水底資源採集装置およびその制御方法に関するものであり、詳しくは水底の状態に関わらず効率的に水底資源の掘削、採集および水底での移動を行うことのできる水底資源採集装置およびその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水深４００ｍ以深の水底にメタンガスハイドレートが存在することが知られていて、このメタンガスハイドレートを掘削、採集するための技術が求められている。水底で掘削等の作業を行なう装置が種々提案されている（例えば特許文献１、２参照）。
【０００３】
特許文献１は、水底に着床して荷重を水底にかけた状態でコバルト鉱の掘削作業を行なう水中重機を提案する。この水中重機は着床しているので、掘削作業にともない発生する反力を支持することができる。
【０００４】
水底を移動する際には、水中重機は水底に接触しているクローラを回転させて走行する。しかし水底が軟弱な地盤である場合は、地盤が水中重機の荷重に耐えられずに崩れてしまい、クローラが空転して移動が困難になる可能性がある。また水底が傾斜している場合は、水中重機が走行中にバランスを崩して転倒する可能性がある。
【０００５】
４００ｍ以深の大水深の水底では、この水中重機が走行不能となったり転倒したりすると、水中重機を水上の船舶等で吊り上げて移動させたり姿勢を戻したりしなくてはならないので復旧作業は極めて困難となる。
【０００６】
特許文献２は、複数の脚を有する架台と、この架台に移動可能に設置されるブレード部とを有する均し装置を提案する。この均し装置は着床してその荷重を水底にかけた状態で捨石の均し作業を行なうので、均し作業にともない発生する反力を支持することができる。
【０００７】
水底で均し装置を移動させる際には、水上の船舶からワイヤーで吊り上げて移動させる。水深が深い場合はこのワイヤーや均し装置が潮流等の影響を受けて流されるので、均し装置を任意の場所に着床させることは困難となる。
【０００８】
他方で、重力により下降する力と浮力により上昇する力とがバランスした状態（以下、中性浮力ということもある）に調整した水中ロボット（以下、ＲＯＶともいう）であれば、水底の状態に関わらず移動することができる。
【０００９】
しかしＲＯＶは水底に着床せずに常に水中で浮遊した状態となるので、ＲＯＶにより掘削作業や均し作業を行なうと、これらの作業にともなう反力を支持できずにＲＯＶの姿勢が崩れてしまう。掘削作業等にともない発生する反力を支持できないＲＯＶは、水底で移動することができても掘削作業等を効率よく行なうことは困難である。
【００１０】
水底の状態に関わらず水底資源の掘削、採集および水底での移動を行なうには、上記のいずれの装置であっても不具合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平０２−２６６０８８号公報
【特許文献２】特開２００８−２８０７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は水底の状態に関わらず効率的に水底資源の掘削、採集および水底での移動を行うことのできる水底資源採集装置およびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成する本発明の水底資源採集装置は、本体と、この本体に設置されて水底と接触可能に構成された接地部と、前記本体に設置されて水底資源を掘削、採集する掘削機構とを備える水底資源採集装置において、前記本体に設置される浮力タンクを備えていて、前記浮力タンクに注水して前記接地部が水底に接触する着床状態と、前記浮力タンクから排水して前記水底資源採集装置の重量を低減する移動可能状態とを切り替え可能にすることを特徴とする。
【００１４】
本発明の水底資源採集装置の制御方法は、水底に存在する水底資源を掘削して採集する水底資源採集装置の制御方法であって、前記水底資源採集装置に浮力タンクを設置して、前記水底資源の掘削、採集を行なうときは、前記浮力タンクに注水して前記水底資源採集装置の少なくとも一部が水底に接触する着床状態として、前記水底資源採集装置が水底を移動するときは、前記浮力タンクから排水して前記水底資源採集装置の重量を低減する移動可能状態とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、水底資源採集装置は着床状態で掘削作業を行ない、この作業にともなう反力を支持することができるので、掘削作業を効率的に行なうには有利である。また移動時には水底資源採集装置は相対的に浮力が大きくなり重量が低減して、例えば水底から離間して浮上した状態で移動することができるので、水底が軟弱であったり傾斜があったりしても移動し易くなる。また水底に接触した状態を維持しながら移動する場合でも、水底資源採集装置の重量が軽くなるので、例えば軟弱な水底地盤を崩すことなく移動することができる。
【００１６】
本体が枠状体で構成され、接地部が枠状体から下方に向かって延設されて枠状体の高さを調整する高さ調整機構を備える複数の脚部で構成され、枠状体と掘削機構との間に枠状体に沿って水平方向に移動可能な桁部が設置され、この桁部に沿って前記掘削機構が移動可能に設置される構成にすることができる。
【００１７】
この構成によれば、水底資源採集装置の姿勢を制御し易くなるので、水底の地盤の状態に左右されずに水底資源採集装置を移動させるには有利となる。
【００１８】
水底資源がガスハイドレートであり、掘削機構により採集したガスハイドレートをガス化するガス化機構を備えていて、浮力タンク内の水をガス化機構で発生させたガスと置換することにより浮力タンク内の水を排水する構成にすることができる。
【００１９】
水底で採集したガスハイドレートを融解させてガスを発生させて、このガスにより浮力タンクの排水を行なうので、比較的小さな設備でかつ小さな動力で浮力タンクの排水を行なうことができる。
【００２０】
ガス化機構は、ガスハイドレートを加熱する熱交換器と、この熱交換器で発生したガス
を浮力タンクに供給する管路とを備える構成にすることができる。
【００２１】
浮力タンクが、本体から上方に離間した位置に配置される構成にすることができる。浮力タンクが水底に比べて水圧が低く周囲の水温が高い位置に配置されるので、排水時に浮力タンクに供給すべきガスの量を低減するには有利である。浮力タンクが配置される環境によっては、浮力タンクにガスハイドレートを直接供給すると、圧力減少と温度上昇にともないガスハイドレートが自然に融解してガス化する。そのためエネルギを消費することなく浮力タンクに供給するガスを得られる。
【００２２】
熱交換器を設置して、この熱交換器で加熱した水を浮力タンクに供給して浮力タンク内を加熱して、その後、熱交換器でガスハイドレートを加熱してガス化して浮力タンクに供給する構成にすることができる。
【００２３】
浮力タンクを予め加熱した後にガスハイドレートをガス化して得られたガスを供給するので、浮力タンク内でガスが冷却されて再びガスハイドレートを生成することを抑制するには有利である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の水底資源採集装置を例示する説明図である。
【図２】水底資源採集装置が掘削を行なっているときの各流体の移動状況を例示する説明図である。
【図３】浮力タンク内を加熱するときの各流体の移動状況を例示する説明図である。
【図４】浮力タンクから排水するときの各流体の移動状況を例示する説明図である。
【図５】水底資源採集装置が移動するときの各流体の移動状況を例示する説明図である。
【図６】浮力タンクに注水するときの各流体の移動状況を例示する説明図である。
【図７】浮力タンクを上方に離間した位置に配置した実施形態を例示する説明図である。
【図８】揚収管の一部を拡大して浮力タンクを形成した実施形態を例示する説明図である。
【図９】図８の浮力タンク周辺を拡大して断面で例示する説明図である。
【図１０】図８の揚収管を閉止した状態を例示する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の水底資源採集装置およびその制御方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。
【００２６】
図１に例示するように本発明の水底資源採集装置（以下、採集装置ということがある）１は、本体２と、この本体に設置されて水底と接触可能に構成された接地部３と、本体２に沿って水平方向に移動可能に構成される桁部４とを備えている。桁部４の下方には海や湖等の底に存在する水底資源を掘削して採集する掘削機構５が設置されている。
【００２７】
この実施形態では本体２は、四本の水平部材を連結して矩形に形成した枠状体２で構成されている。接地部３は、この枠状体２から水底に向かって延びる六本の脚部３で構成されている。この脚部３はそれぞれ枠状体２の四隅と一組の対向する水平部材の中間位置とに設置されている。枠状体２に設置する脚部３の数および位置は上記に限定されない。水中で枠状体２を支持できる構成であればよい。
【００２８】
脚部３は、下端に設けられて水底と接触する接触面６と、水底に対する枠状体２の高さと傾きを調整するための高さ調整機構７を備えている。この実施形態の高さ調整機構７は、脚部３に形成される少なくとも一つの屈曲部で構成されている。それぞれの脚部３の屈曲部を独立して曲げ伸ばしすることにより、水底に対する枠状体２の高さや傾きなど採集装置１の姿勢を制御することができる。
【００２９】
高さ調整機構７の構成は上記に限らず、採集装置１の姿勢を制御する機能を有していればよい。例えば脚部３を伸縮させる伸縮部で構成することができる。この伸縮部をそれぞれ独立して伸縮させることにより枠状体２の高さ等を調整できる。一つの脚部３に複数の屈曲部を設けてもよく、複数の伸縮部を設けてもよい。また屈曲部と伸縮部とを組み合わせて脚部３に設けてもよい。
【００３０】
桁部４は、枠状体２を構成する水平部材のうち、対向する一対の水平部材に接触する状態で配置されていて、この一対の水平部材に沿って水平方向に移動可能に構成されている。この桁部４の下方に設置されている掘削機構５は、桁部４に沿って水平方向に移動可能に構成されている。枠状体２に対する桁部４の移動方向と、桁部４に対する掘削機構５の移動方向とは、交差する方向となる状態に構成され、望ましくは直交する状態に構成される。この構成により掘削機構５は、枠状体２の内側の任意の位置に移動可能となる。
【００３１】
掘削機構５は、例えばメタンガスハイドレート（以下、ガスハイドレートということもある）や鉱物などを回転する掘削歯などにより掘削して、吸引等により採集する機能を備えている。掘削機構５により採集された資源は、揚収管８に送られる。この実施形態では揚収管８の水底側端部は採集装置１の枠状体２に固定され、水上側端部は水上で待機する船舶等に固定されている。揚収管８に送られた資源は、船舶等に設置されるポンプにより吸い上げられて、船舶等に設置される貯留タンクに回収され貯留される。
【００３２】
揚収管８は複数の鋼管を連結して構成することができる。揚収管８の構成はこれに限らず、しなやかに変形するフレキシブルなチューブを複数連結して構成してもよい。
【００３３】
枠状体２には、四つの浮力タンク９が設置されている。この浮力タンク９に注水することにより、採集装置１の接触面６は水底と接触する着床状態となる。浮力タンク９の数および設置する位置は上記に限らず、採集装置１に直接または間接に設置されていれば、いずれの位置であってもよい。
【００３４】
採集装置１により水底資源の掘削、採集を行なうときには、浮力タンク９に注水して採集装置１を着床状態とする。着床状態の採集装置１は、枠状体２に対する桁部４の移動と、桁部４に対する掘削機構５の移動により、枠状体２の内側の範囲の水底を順次掘削機構５で掘削していく。
【００３５】
採集装置１は水底に着床しているので、掘削機構５が水底を掘削する際に発生する反力は採集装置１により支持することができる。そのため採集装置１は、姿勢を安定させた状態で掘削作業を効率的に行なうことができる。掘削して採集されたガスハイドレート等の水底資源は、順次揚収管８を通じて水上の船舶等に搬送される。
【００３６】
枠状体２の内側の範囲の掘削作業が完了した後は、採集装置１を水平方向に移動させる。このとき水上の船舶等から浮力タンク９に空気を供給して、浮力タンク９内の水を空気と置換することにより浮力タンク９内の水を外部に排水する。
【００３７】
浮力タンク９内の水を排水する構成は上記に限らない。例えば圧縮空気等を充填したガスボンベを枠状体２に予め設置しておき、このガスボンベから浮力タンク９に気体を供給して排水する構成にしてもよい。
【００３８】
採集装置１は、浮力タンク９から外部に排水された水の重量に応じて軽くなる。この状態を以下、移動可能状態ということがある。採集装置１の重量に対して、採集装置１に働
く浮力の方が若干小さくなる程度まで、浮力タンク９から水を排水することが望ましい。
【００３９】
採集装置１の目的地に向かって脚部３をそれぞれ順次移動させることにより、採集装置１全体を移動させる。このとき採集装置１は、浮力タンク９からの排水により掘削作業時よりも軽くなっているので、水底地盤との間に発生する接地圧を低減させることができる。
【００４０】
移動可能状態である採集装置１は水底地盤に及ぼす荷重を低減できるので、水底が泥等の堆積により形成された軟弱な地盤である場合に、この地盤を崩さずに採集装置１を移動させるには有利である。また採集装置１の移動時に堆積した泥土等が巻き上げられることを抑制できるので、遠隔操作のために採集装置１に設置したカメラの視界を良好に維持するには有利である。
【００４１】
水底地盤が傾斜している場合は、脚部３の屈伸や伸縮により採集装置１の傾き等を制御できるので、採集装置１を転倒させずに移動させるには有利となる。
【００４２】
つまり浮力タンク９の排水により採集装置１の水底地盤に対する接地圧を減少させ、脚部３の高さ調整機構７により採集装置１の姿勢を制御できるので、水底地盤の状態に左右されずに採集装置１を移動させるには有利となる。水底で採集装置１が移動不能となったり転倒したりする可能性を低減できるので、採集装置１の転倒などを回復させるための復旧作業がほとんど不要となる。これにより従来復旧作業が困難であった大水深の水底において、採集装置１を使用した資源採集の作業性を向上するには有利である。
【００４３】
採集装置１を目的地に移動させた後は、浮力タンク９に注水して採集装置１を着床状態として掘削作業を再開する。なお、脚部３や掘削機構５には、水上の船舶等と採集装置１とを接続するケーブル等を介して制御信号および電力が供給される。
【００４４】
移動可能状態であるときに採集装置１の重量よりも採集装置１に発生する浮力の方が大きくなるように、または重力により下方する力と浮力により上昇する力とがバランスする中性浮力となるように、浮力タンク９から排水する構成にしてもよい。
【００４５】
これにより採集装置１が水底から離間して浮上した状態となる。そのため採集装置１は脚部３で水底を蹴りながら移動したり、スクリュー等を設置してこのスクリューの推力により移動する構成にすることができる。
【００４６】
採集装置１の構成は上記に限らず、水底に着床して掘削作業を行なえる構成であればよい。例えば水中バックホーなどクローラを備えた水中重機に、浮力タンク９を設置する構成にしてもよい。このとき、クローラが接地部３となる。浮力タンク９の排水によりクローラと水底地盤との間に発生する接地圧を低減できる。そのため水底が軟弱地盤であっても、地盤が崩れることを抑制しつつ水中重機を移動させるには有利である。
【００４７】
掘削、採集対象である水底資源がメタンなどのガスハイドレートである場合は、採集したガスハイドレートをガス化して、浮力タンク９内の水をこのガスと置換して排水する構成にしてもよい。
【００４８】
水上の船舶等から浮力タンク９に空気等を供給して水を排水する場合、水深が深いほど空気を高圧に加圧して供給しなければ浮力タンク９内の水を排水できない。しかし水底で採集したガスハイドレートをガス化して浮力タンク９に供給する場合は、空気を高圧に加圧するための装置が不要となり、加圧するためのエネルギも不要となる。
【００４９】
ガスボンベから浮力タンク９に空気等を供給する場合、ガスボンベの容量により浮力タンク９から水を排水できる回数が制限されてしまう。しかしガスハイドレートをガス化して浮力タンク９に供給する場合は、ガスハイドレートさえ採集できれば、回数の制限なく浮力タンク９内の水を排水できる。
【００５０】
図２〜６に例示するように、掘削機構５と揚収管８とを接続する管路１０の途中に、ガス化機構１１を接続して、このガス化機構１１と浮力タンク９とを接続する構成にすることができる。
【００５１】
この実施形態ではガス化機構１１が、ガスハイドレートを加熱する熱交換器１２と、管路１０から熱交換器１２を通過して浮力タンク９に接続される熱交換用管路１３とで構成されている。熱交換器１２は、水面に近い位置から採取した暖かい水を熱媒として循環させることで、通過するガスハイドレートを加熱する構成を備えている。
【００５２】
図２〜６では説明のため一つの浮力タンク９を図示しているが、採集装置１が複数の浮力タンク９を備える場合は、それぞれの浮力タンク９を互いに並列に接続することが望ましい。
【００５３】
図２に例示されるように管路１０と揚収管８との間には開閉バルブ１４が配置されていて、掘削機構５と開閉バルブ１４との間の管路１０には熱交換用管路１３の一端が接続されている。一端を管路１０に他端を浮力タンク９に接続される熱交換用管路１３には、管路１０に接続された側から順に開閉バルブ１５と熱交換器１２とが配置されている。
【００５４】
ガス化機構１１は、一端を開閉バルブ１５と熱交換器１２との間に位置する熱交換用管路１３に接続され他端を開口状態とした取水管１６を備えている。この取水管１６の途中には取水バルブ１７が設置されている。取水管１６は開口した他端側から、採集装置１の周囲の水を管路内に取り込むことができる。
【００５５】
浮力タンク９の底面と揚収管８とは、排水管１８により接続されている。排水管１８の途中には排水バルブ１９が設置されている。浮力タンク９の天面には一端を開口状態とした排ガス管２０の他端が接続されていて、途中には排ガスバルブ２１が設置されている。
【００５６】
また浮力タンク９には、内部の温度を測定する温度センサ２２と、浮力タンク９内の水位を測定する水位センサ２３とを設置することが望ましい。この実施形態では温度センサ２２は、浮力タンク９の内側底面近傍の温度を測定するように配置されている。なお、図２〜６では、開放状態のバルブを白抜きで示し、閉止状態のバルブを黒塗りで示している。
【００５７】
例えば水深１０００ｍで、水底近傍の水温が２℃の水底において採集装置１がガスハイドレートを掘削、採集する場合を例にガス化機構１１の動作を説明する。
【００５８】
掘削作業時には、管路１０と揚収管８との間に設置される開閉バルブ１４が開放されて、掘削機構５で掘削、採集されたガスハイドレートは管路１０および開閉バルブ１４をとおり揚収管８に送られる。メタンガスハイドレートの比重は０．９程度であり周囲の水よりも軽いので、揚収管８に送られたガスハイドレートは浮力を得て浮上する。ガスハイドレートの浮上にともない揚収管８内には上昇流が発生する。揚収管８内の水およびガスハイドレートを、水上の船舶等に設置したポンプにより吸い上げる構成にしてもよい。また揚収管８の途中に管内に強制的に気体を送り込むエアリフトポンプを設置して、揚収管８内に密度差による上昇流を発生させるいわゆるガスリフト方式を採用してもよい。
【００５９】
このとき浮力タンク９には水が充填されていて、採集装置１は水底に着床した状態で掘削作業を行なう。そのため、掘削作業にともない発生する反力を採集装置１は支持できる。
【００６０】
掘削作業が進み完了が近づいたとき、浮力タンク９内の加熱を開始する。図３に例示するように浮力タンク９の加熱時には、例えば水面近傍の水温２０℃程度の水を熱媒としてポンプ等により熱交換器１２に供給する。
【００６１】
一方で取水バルブ１７と排水バルブ１９とを開放する。このとき掘削作業が継続されていて揚収管８内には上昇流が発生しているので、浮力タンク９内の水は圧力の低い揚収管８側に吸い込まれるように移動する。同時に取水管１６の開口端から取り込まれた水は、熱交換器１２で加熱された後に浮力タンク９に移動する。浮力タンク９内が例えば１５℃など予め定めた温度まで加熱されるまで、取水バルブ１７と排水バルブ１９とを開放状態とする。温度センサ２２により測定される浮力タンク９内の温度が所定の温度に達したとき、浮力タンク９内の加熱を終了する。
【００６２】
浮力タンク９内の加熱が完了した後で、かつ掘削作業が完了したときは、浮力タンク９内の水の排水を開始する。図４に例示するように掘削作業の完了とともに、開閉バルブ１４と取水バルブ１７を閉止して、熱交換用管路１３に配置される開閉バルブ１５を開放する。掘削機構５により直前に掘削され採集されたガスハイドレートは、水とともに熱交換用管路１３を通じて熱交換器１２に順次移動する。熱交換器１２には引き続き比較的暖かい水が熱媒として供給されている。
【００６３】
ここで、掘削作業中に所定量のガスハイドレートを管路１０と開閉バルブ１５の間の熱交換用管路１３内に予め保持しておき、このガスハイドレートを熱交換器１２に送る構成にしてもよい。また掘削機構５を再始動して新たに掘削、採集したガスハイドレートを熱交換器１２に送る構成にしてもよい。
【００６４】
水底の水深が１０００ｍの場合は水圧が約１０ＭＰａであり、この条件下でメタンガスハイドレートは１１〜１２℃程度まで加熱されるとガス化する。熱交換器１２に送られたガスハイドレートは１２℃以上まで加熱されガス化して、ガス化により発生したメタンガスは浮力タンク９に送られる。また水に溶解していたメタンガスが気泡の状態となり、浮力タンク９に送られる。
【００６５】
融解する前の塊状のガスハイドレートが熱交換器１２から流れ出さないように、熱交換器１２の管路内にスリットを設置する構成にしてもよい。このスリットは、水は通過できるが塊状のガスハイドレートは通過できない程度のすき間を有している。融解していないガスハイドレートが熱交換器１２内に留まり加熱され続けるので、ガス化を迅速に行なうには有利である。一方でスリットを設置せずに、塊状のガスハイドレートが浮力タンク９内に流れ込む構成にしてもよい。この場合は、ガスハイドレートが浮力タンク９内で融解してガス化する。
【００６６】
浮力タンク９内は例えば１５℃程度まで予め加熱されているので、浮力タンク９内に供給されたメタンガスが水と接触して再びガスハイドレートになる再ハイドレート化を防止できる。熱交換器１２により十分に暖められたガスを浮力タンク９内に供給できて、浮力タンク９内でメタンガスが再ハイドレート化するおそれがない場合は、前述の浮力タンク９を予め加熱する工程を省略してもよい。
【００６７】
ガスの供給により浮力タンク９内の圧力は上昇していき、この上昇にともない内部の水は、浮力タンク９の底面に接続される排水管１８を通じて揚収管８に徐々に排水される。
つまり浮力タンク９内の水はメタンガスに置換されることにより排水される。
【００６８】
浮力タンク９内にメタンガスを供給する過程で、取水バルブ１７を開放してメタンをほとんど含まない外部の水を熱交換用管路１３や浮力タンク９に導く構成にしてもよい。熱交換器１２で発生したメタンガスに接触する水のメタン濃度を下げることができるので、熱交換用管路１３や浮力タンク９内でメタンガスが再ハイドレート化することを抑制するには有利である。
【００６９】
このとき取水バルブ１７の開度を１００％より小さくしてもよい。この構成により熱交換用管路１３を流れるガスハイドレートが取水管１６側に移動して外部に排出されることを防止できる。また水は通過できるがガスハイドレートは通過できないスリットを、熱交換用管路１３と取水管１６との接続部、または取水管１７の途中に設置してもよい。
【００７０】
温度センサ２２の測定値から再ハイドレート化が発生するリスクを想定できるので、温度センサ２２の値に基づき熱交換器１２に送る熱媒の流量を制御したり、取水バルブ１７の開度を増減させる開閉制御を行なう構成にしてもよい。
【００７１】
水位センサ２３により測定される浮力タンク９内の水位が所定の水位に達したとき、浮力タンク９の排水を停止して、採集装置１の移動を開始する。所定の水位は、採集装置１に発生する浮力に対して、移動時の採集装置１の重量をどの程度に設定するかにより予め決定される。
【００７２】
例えば採集装置１を浮上させて移動させる場合には、浮力に対して重量の方が小さくなるまで浮力タンク９内の水を排水する必要があるので、水位は低く設定される。採集装置１を中性浮力とする場合には、浮力と重量が釣り合う状態となるまで浮力タンク９内の水を排水するので、浮上させるときよりも水位は高く設定される。採集装置１を着床状態で移動させる場合には、中性浮力のときよりも水位はさらに高く設定される。
【００７３】
図５に例示するように採集装置１の移動時には、排水バルブ１９および開閉バルブ１５をはじめとする全てのバルブを閉止することが望ましい。全てのバルブを閉止することにより、移動中の採集装置１が万が一転倒したりした場合であっても、浮力タンク９内のガスが外部に漏れて内部に水が流れ込み、採集装置１の重量が増加することを防止できる。採集装置１は、浮力タンク９内の水の排水により重量が軽くなった状態で移動する。
【００７４】
採集装置１が目的の位置まで移動を完了した後は、浮力タンク９への注水を開始する。図６に例示するように取水バルブ１７と排ガスバルブ２１とを開放する。浮力タンク９内のメタンガスは、浮力タンク９の天面に接続された排ガス管２０から外部に放出され、浮力タンク９内の圧力低下にともない取水管１６から取り込まれた水が浮力タンク９に流れ込む。
【００７５】
排ガス管２０の開口端部を揚収管８に接続して、浮力タンク９内のメタンガスが揚収管８を通じて水上の船舶等で回収される構成にしてもよい。採集装置１が頻繁に移動しながら広範囲でガスハイドレートを掘削する場合であっても、浮力タンク９内のメタンガスを資源として回収できるので資源採集の経済性を向上するには有利である。
【００７６】
浮力タンク９内のメタンガスが水に置換されて、浮力タンク９内に水が供給されるにともない、採集装置１の重量が増加して、後に採集装置１は着床する。浮力タンク９内に所定量の水が充填された後は、採集装置１は掘削作業を再開する。
【００７７】
このとき熱交換器１２を作動させて、取水管１６から取り込んだ水を加熱して浮力タン
ク９に供給する構成にしてもよい。浮力タンク９に加熱した水を供給することにより、浮力タンク９内で再ハイドレート化によりガスハイドレートが生成されていた場合に、このガスハイドレートを融解させることができる。生成したガスハイドレートが浮力タンク９や排ガス管２０や排水管１８の内壁面に付着したり、管路を閉塞させたりすることを抑制するには有利である。
【００７８】
掘削機構５とガス化機構１１と浮力タンク９とをそれぞれ接続する管路は上記に限定されない。掘削機構５で採集されたガスハイドレートがガス化機構１１に供給され、ガス化機構１１で発生したガスが浮力タンク９に供給される構成であれば、管路は適宜変更することができる。例えば排ガス管２０の直径を比較的大きく形成して、排ガスバルブ２１の開放により浮力タンク９内のメタンガスが外部に排出されるとともに、浮力タンク９内に水が流入する構成にしてもよい。また排水管１８の端部を揚収管８に接続せずに開口端部とすることもできる。
【００７９】
また管路の途中に適宜ポンプを設置する構成にしてもよい。管路内の流体を積極的に移動させることができるので、浮力タンク９の排水および注水等を短時間で行うには有利である。
【００８０】
浮力タンク９に内部を加熱する加熱機構を設置してもよい。また浮力タンク９を断熱材で覆う構成にしてもよい。浮力タンク９が周囲の水により冷却され、浮力タンク９内でメタンガスが再ハイドレート化することを抑制するには有利である。
【００８１】
浮力タンク９内に加熱機構を設置している場合は、浮力タンク９内に直接ガスハイドレートを供給して、浮力タンク９内でガス化させる構成にしてもよい。この場合は、加熱機構を設置される浮力タンク９がガス化機構１１の機能を果たすので、熱交換器１２を設置しない構成にしてもよい。
【００８２】
浮力タンク９内に設置される加熱機構は、電気の供給により発熱する例えば電気ヒータで構成してもよい。同様に熱交換器１２の代わりに電気ヒータでガス化機構１１を構成してもよい。
【００８３】
図７に例示するように、採集装置１の本体２から上方に離間した位置に浮力タンク９を配置する構成にしてもよい。この浮力タンク９は、例えばワイヤロープ等の連結部材２４により本体２に連結されている。この実施形態では二つの浮力タンク９がそれぞれ連結部材２４により本体２に連結されていて、浮力タンク９近傍の連結部材２４どうしもワイヤロープ等の連結部材により連結されている。この構成により浮力タンク９の位置を採集装置１の真上に維持し易くなるので、採集装置１が移動する際の姿勢を制御し易くなる。
【００８４】
この浮力タンク９は、注水されている場合であっても水中に浮遊した状態となるように浮力と重量とを調整されている。そのため浮力タンク９は、本体２に直接設置される場合に比べて周囲の水圧が低く、水温の高い領域に位置する。
【００８５】
水上の船舶２５等と浮力タンク９とをホース等で接続して、船舶２５から浮力タンク９に圧縮空気等を供給することにより浮力タンク９内の水を排水する場合、浮力タンク９の周囲の水圧が水底よりも低いので、それほど圧縮しなくても空気を浮力タンク９に送り排水することができる。浮力タンク９から排水する際に必要となるエネルギを低減するには有利である。
【００８６】
採集したガスハイドレートをガス化して浮力タンク９に供給することにより浮力タンク９内の水を排水する場合、水底に位置する採集装置１から浮力タンク９に供給されたガス
は、周囲の水圧の変化にともない膨張するので、浮力タンク９に供給するガスを少量とすることができる。ガス化させるガスハイドレートの量を抑制できるので、ガス化機構１１で消費するエネルギ量を低減するには有利である。また浮力タンク９から外部にガスを排出して浮力タンク９に注水する際に、排出され破棄されるガスを少量とすることができるので、資源採集の経済性を向上するには有利である。
【００８７】
この実施形態においては、ガスハイドレートをガス化せずに浮力タンク９に直接供給する構成にしてもよい。浮力タンク９は水底に比べて水圧が低く水温が高い領域に配置されているので、浮力タンク９に供給されたガスハイドレートは自然に溶解してガス化する。そのためガス化機構１１が不要となり、採集装置１の製造コスストを抑制するには有利である。またガス化機構１１を設置しないことにより、採集装置１の構造が簡易化されるので、採集装置１が故障する可能性を低減するには有利である。
【００８８】
図８〜図１０例示するように、採集装置１と水上の船舶２５等とを連結する揚収管８の途中部分を半径方向に拡大して浮力タンク９を形成する構成にしてもよい。この実施形態では揚収管８は、フレキシブルなチューブで構成されている。浮力タンク９は例えば球形に形成され、採集装置１の本体２から上方に離間した位置に形成される。この浮力タンク９は、本体２の近傍に比べて周囲の水圧が低く、水温の高い領域に形成される。図９および図１０に例示するように浮力タンク９の上方には揚収管８の管路を閉止する閉止板２６が設置されている。
【００８９】
図９に例示するように、採集装置１の掘削作業時には閉止板２６が開放位置となり、塊状のガスハイドレートＨや水に溶解したメタンガスが浮力タンク９を通過して水上の船舶２５等まで搬送される。
【００９０】
図１０に例示するように、採集装置１の移動時には閉止板２６が回転して閉止位置となり、揚収管８が閉止される。そのため揚収管８を上昇移動してきたガスハイドレートＨや水に溶解したメタンガスは浮力タンク９内に留まる。浮力タンク９は水底に比べて水圧が低く水温が高い領域に配置されているので、浮力タンク９に供給されたガスハイドレートは自然に溶解してガス化する。また水に溶解していたメタンガスが放出される。浮力タンク９に充填されていた水は水底側に押し戻されてメタンガスに置換されるので、揚収管８の重量が減少する。
【００９１】
浮力タンク９に電気の供給により発熱する例えば電気ヒータ等を設置してもよい。電気ヒータ等で浮力タンク９内を加熱することにより、ガスハイドレートＨの融解を促進して、浮力タンク９からの排水に必要となる時間を短縮するには有利である。
【００９２】
揚収管８が水中に配置されたときに中性浮力になるように調整されている場合は、揚収管８の重量減少にともない上向きの力を得て揚収管８は浮き上る。揚収管８の端部に固定されている採集装置１は、揚収管８から上向きの力を受ける。採集装置１の見かけ上の重量が軽くなるので、水底地盤の状況に関わらず採集装置１を効率的に移動させるには有利である。
【００９３】
図７に例示した実施形態と比べて、採集装置１の本体２と浮力タンク９とを連結するためのワイヤロープ等の連結部材２４や、ガスハイドレートを浮力タンク９に供給するための管路等を設ける必要がないため、採集装置１の製造コストを抑制するには有利である。
【００９４】
揚収管８に形成する浮力タンク９の構成は上記に限定されない。揚収管８内にメタンガスを留めて水を排出して揚収管８の重量を減少できればよい。例えば閉止板２６のみを設置して、閉止板２６の下方となる領域の揚収管８の管路を浮力タンク９として利用する構
成にしてもよい。揚収管８に半径方向に拡大した部分が形成されないので、揚収管８を船舶等により運搬するときや、揚収管８を船舶等から降ろして水中に沈降させるときの取り扱いが容易になる。
【符号の説明】
【００９５】
１     水底資源採集装置（採集装置）
２     本体（枠状体）
３     接地部（脚部）
４     桁部
５     掘削機構
６     接触面
７     高さ調整機構
８     揚収管
９     浮力タンク
１０   管路
１１   ガス化機構
１２   熱交換器
１３   熱交換用管路
１４   開閉バルブ
１５   開閉バルブ
１６   取水管
１７   取水バルブ
１８   排水管
１９   排水バルブ
２０   排ガス管
２１   排ガスバルブ
２２   温度センサ
２３   水位センサ
２４   連結部材
２５   船舶
２６   閉止板
Ｈ     ガスハイドレート
【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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