(57)【要約】【課題】膨大な運転動力を消費することなしに、極めて省エネルギー化され、かつ運転の容易な揚水機構、および、その揚水機構を使用して、深海底から鉱物資源の回収を高効率で行い、高い採鉱生産性を実現できる水底資源回収装置を提供することを課題とする。【解決手段】揚水機構は、底面２ａおよび当該底面を囲む側面２ｂを有する有底容器体２を水面に浮かべて、前記有底容器体の底面または側面に設けられた揚水口３に揚水管４を接続し、前記揚水管を通して水底Ｗｂから鉱物資源Ｍを水と共に揚水として汲み上げるときに使用される前記揚水を行う揚水機構において、前記揚水機構は、前記水面Ｗｓよりも水底Ｗｂ側とる位置に前記有底容器体の揚水口３を設置した構成とした。【選択図】図２
2009280960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面および当該底面を囲む側面を有する有底容器体を水面に浮かべて、前記有底容器体の底面または側面に設けられた揚水口に揚水管を接続し、前記揚水管を通して水底から鉱物資源を水と共に揚水として汲み上げるときに使用される前記揚水を行う揚水機構において、
前記揚水機構は、前記水面よりも水底側となる位置に前記有底容器体の揚水口を設置したことを特徴とする揚水機構。
【請求項２】
水底から鉱物資源を水と共に揚水として汲み上げると共に、前記鉱物資源と水とを分離する水底資源回収装置において、
水面に浮かび底面および当該底面を囲む側面を有する有底容器体と、この有底容器体の側面または底面に設けた揚水口と、この揚水口に接続される揚水管と、この揚水管により前記揚水を汲み上げる揚水機構と、前記有底容器体内に設置され前記揚水機構により前記揚水管を介して汲み上げられて噴出する揚水の噴きかかる位置に、前記揚水を鉱物資源と水とに分離すると共に分離した鉱物資源を前記有底容器体の外に搬送する分離搬送装置と、この分離搬送機構により鉱物資源と分離された水を前記有底容器外に排水する排水機構とを備え、
前記揚水機構は、前記有底容器体の揚水口を前記水面よりも水底側となる位置に設置することを特徴とする水底資源回収装置。
【請求項３】
前記排水機構は、前記有底容器体の上方に水面よりも高い位置に設置した貯水部と、前記有底容器体に設けられた排水管と、前記鉱物資源と分離され、かつ、前記有底容器体内に溜まった水を前記貯水部まで汲み上げる汲上ポンプと、この汲上ポンプに接続されて前記貯水部に水を送る送水管と、前記貯水部から前記排水管に接続される接続管とを備えることを特徴とする請求項２に記載の水底資源回収装置。
【請求項４】
前記揚水口には、開閉バルブが接続されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の水底資源回収装置。
【請求項５】
前記揚水口には、揚水を前記分離搬送装置に向かって案内する案内管が前記開閉バルブを介して接続されていることを特徴とする請求項４に記載の水底資源回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、深海底に存在する鉱物資源を回収するための揚水機構、および、その揚水機構を使用した水底資源回収装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、地上や大陸棚での資源探査がほぼ一巡した現在において、次の有望な資源探査箇所として深海底が注目されており、例えば、海面下５０００〜６０００ｍの深海底には、マンガン団塊、熱水鉱床、メタンハイドレート等の有用鉱物資源が存在することがわかっている。
【０００３】
それらの海底における鉱物資源を深海底表層から海面まで運搬する方法として、海中垂直運搬方式が考えられている。その海中垂直運搬方式では、海底から海面へと設置したパイプを介して揚水し、それと同時に深海底鉱物資源の揚鉱が一緒に行なわれるが、その際の揚水速度を高めることで、当然のこと揚鉱速度も高くして、採鉱の生産性を上げることが望まれている。
【０００４】
従来、揚水と揚鉱の目的で考えられてきた前記の海中垂直運搬方式は、揚水ポンプとエアーリフトとを併用する方法であったが、仮に1日に４０００トンのマンガン団塊を揚鉱しようとすると、８０００トンの深海水をポンプ揚水することが必要と計算され、その装置を運転するには膨大な動力を必要とする。ある一試算によると、マンガン団塊の採鉱では数万ＫＷを要すると発表されており、その電力を電力費に換算すれば莫大な金額になることから、実用化するには大幅な省エネルギー技術の開発が求められている。ここで消費されるエネルギーのほとんどは、揚水ポンプの運転に伴う電力であることから、揚水ポンプに代わる装置の開発が望まれていた。
【０００５】
そのため、従来において、海底から船上までの長さを備えたＵ字管を設置し、船上で開口する一方のＵ字管の上端開口に回収した海水を、ポンプを介して供給し、船上で開口する他方のＵ字管の上端開口から海底で採掘した鉱物を揚水と一緒に押し上げて回収する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２６９０７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の海底鉱物を揚上する装置では、以下に示すような問題点が存在する。
従来の海底鉱物を揚上する装置では、揚水管を用いて海底からの鉱物資源を回収する場合に、ポンプ等を使用して鉱物資源を揚水管へ導く構成であるため、膨大な運転動力を消費することが避けられなかった。
【０００７】
また、特許文献１の装置では、Ｕ字管中を通る海水は、船上で供給される海水のヘッド圧程度では、海水の流速が鉱物資源を移動させるには小さく、鉱物資源の回収の効率が低かった。さらに、特許文献１の装置では、鉱物資源を海底においてＵ字管中に入れるときに大きな圧力を加えないと、そのＵ字管中に鉱物資源を送り込めないことから、作業効率が低かった。
【０００８】
そこで、本発明は、前記問題点に鑑み創案されたものであり、膨大な運転動力を消費することなしに、極めて省エネルギー化され、かつ運転の容易な揚水機構、および、その揚水機構を使用して、深海底から鉱物資源の回収を高効率で行い、高い採鉱生産性を実現できる水底資源回収装置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】
【０００９】
本発明は、前記課題を解決するために、以下に示すような構成とした。すなわち、本発明に係る揚水機構は、底面および当該底面を囲む側面を有する有底容器体を水面に浮かべて、前記有底容器体の底面または側面に設けられた揚水口に揚水管を接続し、前記揚水管を通して水底から鉱物資源を水と共に揚水として汲み上げるときに使用される前記揚水を行う揚水機構において、前記揚水機構は、前記水面よりも水底側となる位置に前記有底容器体の揚水口を設置する構成とした。
【００１０】
このような構成により、揚水機構は、水面から揚水口までの距離をできるだけ大きく設けることで、その水面から押し下げられた位置にある揚水口から水が噴きあがり水面まで水位を戻そうとして、揚水管から有底容器体内に噴出することになる。揚水機構は、水面から水中側に下がった位置に揚水口を設けることで、有底容器体の底面側にかかる水圧の大きさ（水面から揚水口までの落差の距離）を変え、揚水口に接続されている揚水管から揚水する流速を制御することができる。したがって、鉱物資源の状態あるいは大きさ、または、鉱物資源の回収量に応じて水面から揚水口までの距離を調整することで、機械的なポンプ等のエネルギーを使うことなく、鉱物資源を回収する駆動源として動作する。
【００１１】
また、本発明に係る水底資源回収装置は、水底から鉱物資源を水と共に揚水として汲み上げると共に、前記鉱物資源と水とを分離する水底資源回収装置において、水面に浮かび底面および当該底面を囲む側面を有する有底容器体と、この有底容器体の側面または底面に設けた揚水口と、この揚水口に接続される揚水管と、この揚水管により前記揚水を汲み上げる揚水機構と、前記有底容器体内に設置され前記揚水機構により前記揚水管を介して汲み上げられて噴出する揚水の噴きかかる位置に、前記揚水を鉱物資源と水とに分離すると共に分離した鉱物資源を前記有底容器体の外に搬送する分離搬送装置と、この分離搬送機構により鉱物資源と分離された水を前記有底容器外に排水する排水機構とを備え、前記揚水機構は、前記有底容器体の揚水口を前記水面よりも水底側となる位置に配置する構成とした。
【００１２】
このような構成により、水底資源回収装置は、有底容器体を水面に浮かばせる状態とし、その有底容器体の揚水口に、揚水管を接続して水底側まで連続させる。そして、有底容器体の揚水口が水面から水底側に位置していることが揚水機構となり、揚水管の開口近くの水および揚水管の開口近くの鉱物資源を、揚水管を通して揚水として汲み上げる。そのため、水底資源回収装置は、揚水機構としてポンプ等の駆動力を必要としないため、鉱物資源の回収コストを極端に節減できることになる。そして、水底資源回収装置は、揚水管を通じて水と共に鉱物資源が汲み上がると、その揚水が噴きかかる位置に分離搬送装置が設置されているため、揚水された水は分離搬送機構の例えば網状の無端コンベアをすり抜けて有底容器体内に落下し、また、鉱物資源は例えば網状の無端コンベア上に積載されて外部へと搬送される。さらに、鉱物資源から分離された水は、排水機構により有底容器体の外に排水される。
【００１３】
さらに、前記した水底資源回収装置において、排水機構は、前記有底容器体の上方に水面よりも高い位置に設置した貯水部と、前記有底容器体に設けられた排水管と、前記鉱物資源と分離され、かつ、前記有底容器体内に溜まった水を前記貯水部まで汲み上げる汲上ポンプと、この汲上ポンプに接続されて前記貯水部に水を送る送水管と、前記貯水部から前記排水管に接続される接続管とを備える構成とした。
【００１４】
このような構成により、水底資源回収装置は、水底から有底容器体内に揚水した水を、汲上ポンプにより送水管を通して貯水部の高さまで一旦水を持ち上げる。このとき、貯水部は、水面より高い位置に設置されているため、その水面からの高さの差により貯水部から排水管を通して揚水した水が排水される。なお、排水管は、例えば、その他端を揚水管の先端と同等の深さ位置に開口させれば、鉱物資源を回収するときに揚水した水を元の位置に再度戻すことになり、環境保全に役立てることができる。
【００１５】
また、前記した水底資源回収装置において、前記揚水口には、開閉バルブが接続されている構成とした。
このような構成により、水底資源回収装置は、揚水管から揚水口を通して揚水するときに、開閉バルブにより揚水の開始および停止を操作することができる。また、喫水位置の調整をするとき、修理等の臨時の開閉にも開閉バルブを使用することができる。
【００１６】
そして、前記した水底資源回収装置において、前記揚水口には、揚水を前記分離搬送装置に向かって案内する案内管が前記開閉バルブを介して接続されている構成とした。
このような構成により、水底資源回収装置は、揚水管を通して揚水した水と鉱物資源とが効率よく分離搬送装置に向かって噴きかかるようになる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る揚水機構および水底資源回収装置は、以下に示すような優れた効果を奏するものである。
揚水機構は、水面の位置から揚水口の位置までの距離を調整することで、揚水管から水と鉱物資源とが揚水として汲み上がる揚水量や揚水速度を制御できるため、膨大な運転動力を消費することなしに、極めて省エネルギー化され、かつ運転を容易とする。
【００１８】
水底資源回収装置は、有底容器体の揚水口の位置を水面の位置から水底側に距離を開けて設置しているので、水底の鉱物資源を水と共に揚水により回収するときに、あえて膨大な運転動力を消費することなしに、極めて省エネルギー化された状態で、かつ運転を容易とする。また、水底資源回収装置は、揚水した水底の水を排水管により再び元の水底へ戻すことができ、環境に対しても配慮して鉱物資源の回収を行うことができる。さらに、水底資源回収装置は、案内管を有することで、揚水管からの揚水の噴射方向を、分離搬送装置側に案内できることになり、鉱物資源の回収効率をさらに向上させることができる。そして、水底資源回収装置は、揚水口に接続される揚水管に開閉バルブを設置することで、揚水の開始および停止を制御することができるため、運転作業するときの操作がし易い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、水底資源回収装置を使用して水底資源を回収する状態を模式的に示した模式図、図２は、水底資源回収装置の全体を断面にして模式的に示す模式図である。なお、以下の説明では、海洋における作業を一例として説明するが、湖水、河口、あるいはダムにより貯水されている貯水池等の淡水を対象にした構成や作業であっても構わないことは勿論である。
【００２０】
図１および図２に示すように水底資源回収装置１は、ここでは、船舶Ｓの船体部分に設置されており、海中（海底側）に向かって昇降機構２０により昇降自在に設けられている。さらに、水底資源回収装置１で使用される揚水管４は、ここでは、船舶Ｓに所定長さに分割された状態で積載されており、船舶Ｓに設置されているクレーン装置３０等を使用して水底資源回収装置１に所定の長さになるまで、順次接続されていく構成として説明する。
【００２１】
図２に示すように、水底資源回収装置１は、海面（水面）Ｗｓに浮かばせた状態で支持されて揚水を行う有底容器体２と、この有底容器体２の底面２ａあるいは側面２ｂの一方（図面では底面として説明する）に形成した揚水口（オリフィス）３と、この揚水口３から海底側に接続される揚水管４と、この揚水管４を介して揚水口３から噴出する揚水に対向する位置に設置された分離搬送装置７と、この分離搬送装置７により揚水が海水（水）Ｗと鉱物資源Ｍとに分離されたときにその分離した海水Ｗを底面２ａ側から有底容器体２の外部に排水する海水排水機構（排水機構）１０と、を備えている。
【００２２】
図２に示すように、有底容器体２は、海面Ｗｓに浮かぶ状態で船舶Ｓ側に支持されるように形成されており、ここでは船舶Ｓの胴体部分から昇降自在に設けられている。この有底容器体２は、一例として、金属により底面２ａおよび側面２ｂが形成されており、上方を開放した箱型形状に形成されている。また、有底容器体２の海水と接する側の外底面は、船体の長手方向の中央に向かって流線型となるような、一般的な船底の形状としてもよい。なお、有底容器体２の底面２ａの内側では、後記する汲上ポンプ１１の設置される位置が低くなるように凹状に形成されている。また、有底容器体２は、後記する昇降機構２０からの駆動力により、船舶Ｓの設置位置から海中側に降下移動あるいは海中側から設置位置まで上昇移動できるように、船舶Ｓの船体部分に後記する昇降機構２０により支持されている。
【００２３】
有底容器体２の底面２ａに形成した揚水口３は、海面Ｗｓからの距離Ｈ１が所定以上になるように、昇降機構２０により設定される。この揚水口３の海面Ｗｓからの距離Ｈ１は、どの深さの海底から揚水を汲み上げるかにより決定される。なお、揚水口３から汲み上げられる揚水の揚水速度（噴出速度）は、鉱物資源Ｍを揚水とともに汲み上げるために、少なくとも４〜５（ｍ／ｓ）以上に設定することが望ましい。この揚水速度を決定する条件は、海面Ｗｓの高さから揚水口３の開口高さまでの距離Ｈ１（＝Ｈ＝１０ｍ（基本設計の値の例））である吃水と、揚水管径Ｒと、の関係から求めることができる。ここで一例として、速度水頭Ｈｖと、吃水および水頭距離に対応した噴水量Ｑ（ｍ３／ｄａｙ）とを具体的な数値を用いて算出して示す。なお、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、有底容器体２の揚水口３の位置は、底面２ａまたは側面３ｂの位置で、海面Ｗｓより海中（海底）側にあることで、揚水機構を発現させることができる。そして、この揚水機構は、噴出高さに対応する位置（Ｈ２）から噴きあがる海水の高さ（距離）が、底面２ａまたは側面２ｂのいずれであっても同等に算出できる。
【００２４】
揚水口（案内管６を接続したときはその開口：オリフィス）３より発生する噴出高さの具体的な試算用公式は、揚水口３の速度係数をＣｖ（＝０．９７）とし、重力加速度をｇ（＝９．８ｍ／ｓ２）とし、空気や落下水の抵抗が存在しないと仮定し、揚水が噴出する高さをＨ２として、その噴出高さの試算を行う。このとき、揚水口３から噴出する瞬間の噴出速度をＶとし、その速度に相当する速度水頭をＨｖとすれば、揚水の噴出高さＨ２はＨｖに等しくなるのが自然法則であるので、Ｈｖ＝Ｖ×Ｖ（２ｇ）１／２（式１）であり、揚水の噴出の初速度Ｖはトリチェリーの次の（式２）で示される。Ｖ＝Ｃｖ（２ｇＨ）１／２（式２）。
【００２５】
この（式２）においてＶの値を（式１）のＨｖに代入すれば、Ｃｖ（２ｇＨ）１／２×Ｃｖ（２ｇＨ）１／２／２ｇ＝Ｃｖ×Ｃｖ×Ｈ（式３）となる。したがって、噴出高さＨｖは、次の（式４）により算出することができる。Ｈｖ＝Ｃｖ×Ｃｖ×Ｈ（式４）。なお、具体的な数値を代入した場合、例えば、Ｈ（Ｈ１）＝１０ｍ、Ｃｖ＝０．９７を（式４）に代入すると揚水口３（案内管６）から海水の噴出高さはほぼ９．５ｍとなり、また、揚水口３（案内管６）における噴出速度は１３．６（ｍ／ｓ）となる。したがって、前記した揚水速度（噴出速度）の条件である４〜５ｍ／ｓ以上となり、鉱物資源Ｍを揚水とともに汲み上げることができることになる。なお、揚水管４の直径を０．５ｍ（一定）にして、海面Ｗｓから揚水口（オリフィス）３までの位置（以下、屹水（＝喫水）という）Ｈ１を１〜３０ｍまで変化させたときの揚水口３から噴きあがる噴出高さＨ２との関係を表１に、また、噴出高さＨ２における噴出速度（ｍ／ｓ）との関係を表２に示す。
【００２６】
【表１】
2009280960.tif 000003
【００２７】
【表２】
2009280960.tif 000004
【００２８】
また、屹水を２〜３０ｍに変化させ、揚水管（揚水口）径を０．２〜１ｍまで変化させたときの揚水（圧力水）の１日での揚水口３の通過水量（万トン／ｄａｙ）の試算を表３に示す。ここで、揚水口３を通過する水量（万トン／ｄａｙ）とし、収縮係数をＣｃ（＝１）とし、速度係数をＣｖ（０．９８）とし、重力の加速度をｇ（９．８ｍ／ｓ２）は、揚水口３の面積をＡ（ｍ２）とし、有効噴出高さ（有効落差と同じ）をＨ（ｍ）（ここでＨはほぼＨ２と等しい）とし、揚水管４の口径をｄΦ（ｍ）としたときに、つぎの（式５）により通過水量を算出した。すなわち、Ｑ＝Ｃｃ×Ｃｖ×Ａ（２ｇＨ）１／２（式５）である。
【００２９】
【表３】
2009280960.tif 000005
【００３０】
前記した表１ないし表３に示すように、通過水量を目安として、揚水の汲み上げ状態と鉱物資源Ｍの回収状態とを推定することができる。このように、揚水機構として揚水口３の位置を海面Ｗｓからの距離をとることで、ポンプ等の駆動力をあえて使用することなく海底Ｗｂ側から海水と共に鉱物資源Ｍを揚水として回収することが可能となる。
【００３１】
また、揚水管４は、図４に示すように、所定の長さに分割された状態で、船舶Ｓに積載されており、積載位置から船舶Ｓのクレーン装置３０により搬送されて、揚水口３から海底側に順次接続されて設置される。なお、ここでは、揚水管４は、排水管１５とペアとして揚水口３に接続される。揚水管４の接続は、図示しない継手手段を介して行うものや（Ｂｕｔｔｒｅｓｓ  Ｊｏｉｎｔ）、管端にネジ構造を備えて接続されるもの（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｊｏｉｎｔ、Ｔｏｏｌ  Ｊｏｉｎｔ）等の公知の手段により行われる。なお、一定長さの揚水管を接続して用いる代わりに連続管を使用してもよい。
【００３２】
そして、ここでは、揚水管４の最後に接続される管の他端に開閉バルブ５が設置され、さらにその先端に、案内管６が接続されている。
この案内管６は、揚水を後記する分離搬送装置７に向かって放出するように方向付けするためのものである。案内管６は、ここでは、分離搬送装置７にその開口位置が向くように先端側を湾曲させた形状としている。
【００３３】
図２に示すように、開閉バルブ５は、揚水の案内管６からの噴出および停止を制御するものである。この開閉バルブ５は、ここでは揚水口３に接続される揚水管４に設けられている。そして、開閉バルブ５は、バルブの開閉動作は外部から遠隔操作できるようにモータを介して行うように設定することができる。また、開閉バルブ５は、圧力等の揚水で使用される条件により公知の適切なものを選択して使用してもよい。
【００３４】
図２に示すように、分離搬送装置７は、案内管６の噴射方向に対向する位置に設置され、案内管６から噴出する海水と鉱物資源Ｍとを分離して、鉱物資源Ｍを所定位置まで搬送するものである。この分離搬送装置７は、例えば、網目状の無端の搬送ベルト８と、この搬送ベルト８を両端から支持して搬送方向に向かって回転するように駆動するベルト駆動機構９とを備えている。搬送ベルト８は、海水Ｗを通過させ、所定の大きさとなる鉱物資源Ｍを載置できるように網目の大きさが予め設定され、所定間隔で搬送方向に沿って立設した載置羽根が幅方向に亘って設けられている。この分離搬送装置７に向かって揚水が噴出して来ると、海水Ｗは搬送ベルト８の網目を通過して後記する海水受部１６に収容されるか、あるいは、有底容器体２の底面２ａに落下する。また、揚水が搬送ベルト８を通過するときに、その網目により通過できない大きさあるいは粘度を有する鉱物資源Ｍが搬送ベルト８に積載されて所定の位置に搬送される。
【００３５】
なお、分離搬送装置７は、図５に示すように、予め設定した搬送場所に向かって鉱物資源Ｍを搬送するために、有底容器体２の外部においても第２の分離搬送装置（搬送装置）７Ａを設置することなど、複数台を設置することができる。また、有底容器体２の外部に設置される第２の分離搬送装置７Ａでは、搬送ベルト８の構成を網目状にすることや、あるいは、網目状にすることなく面状としても構わない。第２の分離搬送装置７Ａで搬送された鉱物資源Ｍは、船舶Ｓの船体に設置された収納バケットＢに収納される。
【００３６】
図２に示すように、分離搬送装置７により分離された海水Ｗは、海水排水機構１０により有底容器体２の外部に排水される。海水排水機構１０は、ここでは、分離搬送装置７により分離されて有底容器体２の底あるいは側面に設けた海水受部１６に溜まった海水Ｗを上方に汲み上げる汲上ポンプ１１と、この汲上ポンプ１１により汲み上げられる海水Ｗを上方に送る送水管１２と、この送水管１２により送られた海水Ｗを一旦貯水する貯水部１３と、この貯水部１３に一旦貯水された後に排水管１５に海水Ｗを送る接続管１４と、この接続管１４にその一端を接続し、かつ、海底Ｗｂ側に開口する排水管１５とを備えている。
【００３７】
図２に示すように、汲上ポンプ１１は、有底容器体２から貯水部１３に海水Ｗを汲み上げることができる能力のポンプを複数使用している（例えば、５７ＫＷで効率（μ）＝０．８のポンプを１０〜３０基）。この汲上ポンプ１１は、有底容器体２の内側となる底面２ａに向かって形成した窪みの位置に設置されてもよい。その場合、図２に示すように、海水排水機構１０は、揚水高さに対応する位置で、分離搬送装置７を通過した海水Ｗを受ける高さとなる側面２ｂの位置に、その海水Ｗを一時的に溜める海水受部１６を設置し、その海水受部１６に汲上ポンプ１１を設置し、送水管１２により貯水部１３に海水Ｗを送水するように構成している。このように海水受部１６を備えることで、揚水高さまで汲み上げた海水Ｗをその位置エネルギーを無駄にすることなく効率よく貯水部１３に送水することができるようにしている。
【００３８】
なお、汲上ポンプ１１は、揚水量に対応してその規模、大きさ等の条件が設定される。つまり、汲上ポンプ１１は、揚水量が、貯水部１３までに汲み上げる汲上げ量を極端に上回る、あるいは、極端に下回ることが無いようにしている。そのため、一定の水量が底面２ａの窪みに溜まったときに、図示しないセンサからの信号により、汲上ポンプ１１を作動させ、海水Ｗを貯水部１３に送るように設定されることが好ましい。また、揚水量が貯水部１３までに汲み上げる水量よりも多い場合には、開閉バルブ５を一旦閉めて揚水作業を中断するか、あるいは、有底容器体２の側面に排水穴（図示せず）を形成し、海水Ｗが所定量溜まったときにその排水穴（図示せず）から船舶Ｓ外に海水Ｗを排水できるように構成して、海水Ｗが有底容器体２内に所定量以上溜まらないようにすることが好ましい。
【００３９】
図２に示すように、貯水部１３は、海面Ｗｓよりも高い位置に設定されている。この貯水部１３は、揚水された海水Ｗを再び回収した海底Ｗｂ側とほぼ同じ深さの位置に戻す場合には、海面Ｗｓよりも高くなる位置に配置される。そして、貯水部１３は、海水Ｗを再び回収した海底Ｗｂ側とほぼ同じ深さの位置に戻す場合には、揚水するときの屹水の高さＨ１と同等またはそれ以上となるように海面Ｗｓからの高さが設定されることが好ましい。なお、貯水部１３は、揚水管４より排水管１５の直径を大きくすることで、海面Ｗｓからの距離を屹水の高さＨ１よりも小さくしても揚水量と排水量とを同等以上として排水することができる。
【００４０】
図２に示すように、排水管１５は、その一端が貯水部１３に接続される接続管１４に接続され、その他端が海底Ｗｂ側において開口するように設置される。この排水管１５は、揚水管４に隣接した状態で揚水口３に設置される。したがって、排水管１５は、揚水管４と同じ長さになるように分割した状態で船舶Ｓに積載されている（図４参照）。そして、排水管１５は、揚水管４を接続するときに、予め揚水管４に隣接するように取り付けられた状態となっている。
【００４１】
図２に示すように、接続管１４は、その一端が貯水部１３に接続された状態で設置され、その管胴部分に伸縮できる蛇腹部分（図示せず）を備えていることが好ましい。この接続管１４は、その他端に排水管１５が接続される。
【００４２】
また、図２に示すように、船舶Ｓの船体内には、有底容器体２を海中側に降下移動させるとともに、降下移動させた有底容器体２を海中側から船舶側に上昇移動させるための昇降機構２０を備えている。この昇降機構２０は、有底容器体２を昇降移動させるワイヤなどによる巻上装置２１と、この巻上装置２１に連動して動作する移動装置２２とを備えている。
【００４３】
そして、巻上装置２１は、有底容器体２に係合するワイヤ２１ａと、このワイヤ２１ａの送り出した長さを、滑車２１ｂを介して巻戻すウインチ（駆動部）２１ｃとを備えている。ここでは、巻上装置２１を有底容器体２の対面する側面２ｂ側に設置してウインチ２１ｃのモータを同期して動作するように構成している。
【００４４】
また、移動装置２２は、例えば、ラックアンドピニオンのような有底容器体２を移動したときにその移動位置において有底容器体２の位置を保持できるものであることが好ましい。この移動装置２２は、船体側に設置した支持台に設置した駆動モータ２２ａと、この駆動モータ２２ａからの駆動力により回転するピニオンギア２２ｂと、有底容器体２の側面２ｂに沿って外側に曲折して形成した設置部２ｃを介して固定したピニオンギア（駆動伝達部）２２ｃとを備えている。
【００４５】
なお、昇降機構２０は、巻上装置２１および移動装置２２を、有底容器体２の重量に応じて設置数および設置条件を設定しており、例えば、有底容器体２の対面する側面２ｂに巻上装置２１，２１（２機）を設置すると共に、移動装置２２，２２（２機）を設置するようにしている。そして、昇降機構２０は、巻上装置２１および移動装置２２が、その駆動タイミングを同期させて有底容器体２の降下移動および上昇移動を行っている。
【００４６】
この昇降機構２０は、海中側に有底容器体２を降下移動させる場合に、海水からの浮力の抵抗を受けることになるが、その浮力を軽減するために錘を予め有底容器体２に設置するか、あるいは、有底容器体２自体の重量を大きくなるように構成しても構わない。
昇降機構２０により有底容器体２を昇降移動させる構成とする場合には、昇降移動する有底容器体２と船体側とがパッキン、メカニカルシール、油圧等の公知の手段により水密にシールされていることが好ましい。
【００４７】
さらに、図４および図７に示すように、船舶Ｓには、クレーン装置３０が設置されている。このクレーン装置３０は、揚水管４および排水管１５の搬送、収納バケットＢ（図５参照）の搬送等、基材の搬送を行うものであり、甲板等に設置したレールＬに沿って躯体３１が移動し、その躯体３１に移動自在に設置されたクレーンフック３２により基材の搬送作業を行っている。このクレーン装置３０は、クレーンフック３２の位置を、躯体３１等を移動させることで、空間座標におけるＸＹＺ方向のいずれの座標点にも制御できることで、基材の搬送作業を行っている。なお、ここで示す船舶Ｓには、移動用クレーンとしてのクレーン装置３０や、船舶Ｓから収納バケットＢ等を他の船あるいは陸揚げするときに使用する揚貨装置（図示せず）を備える構成である。
【００４８】
つぎに、水底資源回収装置１の動作について説明する。
図１に示すように、はじめに、資源回収現場の海底に、予め陸上で組み立てた揚水管４を支持するとともに集積バケット４１を備える構造物４０をクレーン等により船から海底に下ろして設置する。また、海底の構造物４０の近くに、海底を走行して鉱物資源Ｍを集める海底自走車４２が予め船からクレーン等により下ろされており、集積バケット４１に、例えば、メタンハイドレート、オイルサンド、熱水鉱床、マンガン団塊等の鉱物資源Ｍが集積された状態を示している。なお、海底自走車４２により集めた鉱物資源Ｍは、集積バケット４１に集積される状態となる。また、集積バケット４１は、構造物４０の自重で海底Ｗｂに埋没するように設置するか、予めドリル等により海底Ｗｂに穴を形成した位置に設置するようにしている。
【００４９】
水底資源回収装置１は、船舶Ｓに設置されて、鉱物資源Ｍの回収地点の真上となる海上まで航行して停止する。回収地点に予め設置された構造物４０は、揚水管４が接続できるようにワイヤの先端にブイを接続して構造物４０の位置が視覚的に判断できるようになっている。そして、船舶Ｓの音波探知装置、あるいは、予め海底に設置した音波発生装置などを使って、構造物４０の正確な海底の位置を特定することができる。
【００５０】
なお、船舶Ｓに水底資源回収装置１を設置して使用する場合には、海上において船舶Ｓの位置を制御することが必要になるが、例えば、以下のようにすることで実現することができる。船舶Ｓは、衛星から受信する位置データや、予め海底に設置した音波発生装置などを使って、船舶Ｓの位置を特定すると同時に、風や波の方向や速さなど「船に働いている力」を計る。それらのデータをもとに、船体の基準位置からのずれる方向や速さを予測する。その予測をもとに、３６０度回転する巨大な水中プロペラを船舶Ｓに設置して、コンピュータ制御で動かし、船の位置がずれないように、「ずれ」の反対方向から推進力を加えて、船にかかる外からの力とバランスをとり船舶Ｓの位置を維持することができる（自動船位保持システム（Dynamic Positioning System：DPS）。
【００５１】
水底資源回収装置１は、はじめに、ブイに接続されている海底Ｗｂに設置した構造物４０からのワイヤを、有底容器体２の揚水口３から船体側に引き上げる作業を作業者等により行う。そして、図７（ａ）に示すように、船体上に分割して収納している揚水管４および排水管１５を予め隣接した状態で係合しているものを、クレーン装置３０により順次揚水口３に前記したワイヤを連通した状態で挿通させて下方となる海底に設置されている構造物４０に向かって接続しながら降下させていく。なお、揚水管４および排水管１５は、隣接した状態であってもそれぞれが、軸回り方向に回転できる状態で係合されている。
【００５２】
そして、揚水管４および排水管１５が構造物４０に到達したときには、ワイヤにより構造物４０の接続部分に、揚水管４および排水管１５の先端部分が誘導されて挿入された状態で係合している。そして、揚水管４および排水管１５が構造物４０に係合したら、船上側から揚水管４および排水管１５をそれぞれ回転させることで、構造物４０に固定される。構造物４０に予め設置されている揚水管４および排水管１５の係合管は、蛇腹状の伸縮部分を備えていることで、揚水管４および排水管１５を接続するときの作業を容易とする。同様に、海面Ｗｓに近い側の揚水管４および排水管１５においても、蛇腹状の伸縮部分を備えることで、有底容器体２に接続するときの作業を容易とする。
【００５３】
また、揚水管４および排水管１５を接続して海中に延設していく場合、図７（ａ）に示すように、海面Ｗｓより高い位置に、揚水管４および排水管１５の開口が配置されるように、船体側に設置されている保持手段３５により保持した状態で作業が行われる。
【００５４】
図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、分割した最後の揚水管４のつぎに開閉バルブ５を設けた案内管６を接続して揚水口３の位置に、クレーン装置３０により移動させて、揚水管４および排水管１５を揚水口３側に係合させる。そして、排水管１５は、貯水部１３に一端を接続されている接続管１４の他端に接続した状態とする。なお、排水管１５は、常に海面Ｗｓよりも開口しいている位置が高い位置にあるので、接続作業を行っているときに、揚水機構が働くことなく海水が溢れ出ることはない。
【００５５】
水底資源回収装置１は、揚水管４および排水管１５の準備が完了すると、揚水量に応じた喫水深さとなるように、昇降機構２０を用いて有底容器体２の底部位置、すなわち揚水口３を、船舶Ｓ側から海中側へと降下移動させる。つまり、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、昇降機構２０の巻上装置２１および移動装置２２により所定の位置まで浮力に抗して海中側に移動する。水底資源回収装置１では、昇降機構２０により有底容器体２の位置を海中側に移動して、喫水の距離Ｈ１を大きくし、揚水管４からの噴きあがる揚水の噴出速度を高めることで、ある程度の重さのある鉱物資源Ｍであっても海水Ｗと一緒に汲み上げるように調整することができる。
【００５６】
また、喫水の距離Ｈ１を大きくすることは、揚水量も増えるので、資源回収効率を高めることになる。なお、揚水量については、すでに説明した表１から表３を参照することで、実際に水底資源回収装置１で行う回収作業の目安になる。
【００５７】
水底資源回収装置１では、有底容器体２の位置を昇降機構２０により設定すると、有底容器体２の揚水口３に接続した案内管６の開閉バルブ５を開放することで、図７（ｄ）に示すように、揚水を噴き上げて海底資源の回収作業を開始する。このとき、案内管６の開口の位置が、海面Ｗｓよりも海底側となる位置にあることで揚水機構を構成し、海底Ｗｂ側から海水Ｗとともに鉱物資源Ｍを汲み上げることができる。
【００５８】
水底資源回収装置１では、揚水管４を通して海水Ｗと鉱物資源Ｍが案内管６から噴出すと、海水は、分離搬送装置７の網目状の搬送ベルト８を通過して海水受部１６に入るか、あるいは、有底容器体２の底面２ａに落下して溜まる。また、鉱物資源Ｍは、大きさあるいは粘度により分離搬送装置７の搬送ベルト８に引っ掛かった状態となり順次搬送されて所定の位置まで送られることで回収される。
【００５９】
水底資源回収装置１では、揚水された海水は、底面２ａに設置した複数の汲上ポンプ１１および海水受部１６に設置した複数の汲上ポンプ１１により、送水管１２を通して貯水部１３に送り込まれる。そして、貯水部１３に送られた海水Ｗは、接続管１４を通り、排水管１５によりほぼ元の深さの位置に戻されることになる。海水をその汲み上げた海底Ｗｂ側に戻すことにより、海洋環境に悪影響を及ぼすことがなく、海洋環境を保全するという目的を達成することができる。
【００６０】
このように、水底資源回収装置１では、海底Ｗｂ側から海水Ｗと共に鉱物資源Ｍを揚水する場合に、海面Ｗｓからの揚水口３までの距離となる喫水の距離Ｈ１を大きくすることで揚水機構を働かせているので、揚水を行うときにポンプ等のエネルギーをあえて使用することなく鉱物資源Ｍの回収を行うことができる。
【００６１】
以上のように水底資源回収装置１の構成および動作について、具体的に説明したが、以下に示すように、各構成を適宜変更するものであっても構わない。
水底資源回収装置１は、船舶に設置した例として説明したが、洋上基地に設置する構成としても構わない。洋上基地に設置する場合には、水底資源回収装置１を複数設置して鉱物資源Ｍの回収を行い、回収した鉱物資源Ｍを運搬船により輸送することができるために回収効率を向上させることが可能となる。
【００６２】
また、水底資源回収装置１では、数十メートルから数千メートルを超える水深において使用することができ、海水および淡水で使用することができる。このとき、構造物４０を設けることなく、揚水管４の先端に開口よりも離間した状態でドリルを設置してそのドリルにより掘削した鉱物資源Ｍを海水Ｗと共に揚水する構成としても構わない。
【００６３】
さらに、水底資源回収装置１は、海底Ｗｂ側の海水を吸い込む位置に排水管１５の先端を設けることによって揚水した海水Ｗを戻すように構成しているが、貯水部１３、接続管１４および排水管１５を設けることなく、汲上ポンプ１１で汲み上げた海水を送水管１２により海面Ｗｓ側に排水する構成としても構わない。
【００６４】
そして、水底資源回収装置１は、昇降機構２０により海中側に移動できるように構成されているが、予め海面Ｗｓから揚水口３（案内管６の開口）までの距離（喫水）を設定した状態で使用する構成としても構わない。また、開閉バルブ５は、揚水口３に設けられることや、揚水口３に最後に接続される揚水管４に設けられることや、あるいは、案内管６に設けられることのいずれかの構成であっても構わず、さらに、２つあるいは３つ等複数を設ける構成としてもよい。
【００６５】
また、水底資源回収装置１は、揚水口３が、ここでは、有底容器体２の底面２ａに形成された例として説明したが、海面Ｗｓより所定距離を開けて下方となる位置であれば、側面２ｂに形成されても構わない。なお、海水受部１６は、側面２ｂに設ける構成として説明したが、底面２ａに所定高さに支持する支持脚を介して搬送ベルト８の裏側に近接して配置する構成としても構わない。つまり、海水受部１６は、揚水高さに対応して分離搬送装置７に沿った位置に設けられる構成であることが好ましい。
【００６６】
さらに、水底資源回収装置１において、揚水管４あるいは排水管１５は、例えば、内径が約５０ｃｍで、外側に噴出防止装置（ＢＯＰ）を制御するための導線、油圧管、流体の圧入管を装備する二重構造になっており、外径が１．２ｍとなる、いわゆるライザーパイプを使用することができる。
【００６７】
また、海底Ｗｂに設置した構造物４０に接続するための方法は、ワイヤを使用するもの以外であってもよく、例えば、構造物４０を水底に降下するときに、揚水管４を構造物４０に接続して、揚水管４の接続を行いながら構造物４０を降下させる等、海底Ｗｂにおいてパイプを海上から延設して作業を行う場合に使われる公知の方法で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】（ａ）は、本発明に係る水底資源回収装置を船舶に設置して鉱物資源を回収する状態を模式的に示す模式図であり、（ｂ）は海底における鉱物資源の集積状態を示す模式図である。
【図２】本発明に係る水底資源回収装置を模式的に示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る資源回収装置における揚水機構を説明するための模式図である。
【図４】本発明に係る水底資源回収装置を模式的に示す平面図である。
【図５】本発明に係る水底資源回収装置により回収した鉱物資源の搬送および収納状態を一部を切り欠いて模式的に示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る水底資源回収装置の有底容器体を船体から海中側に降下移動する状態および海中側にある有底容器体を船体側に上昇移動する状態を模式的に示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係る水底資源回収装置の動作を説明する状態を一部切り欠いて模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１        水底資源回収装置
２        有底容器体
２ａ      底面
２ｂ      側面
３        揚水口
４        揚水管
５        開閉バルブ
６        案内管
７        分離搬送装置
８        搬送ベルト
９        ベルト駆動機構
１０      海水排水機構（排水機構）
１１      汲上ポンプ
１２      送水管
１３      貯水部
１４      接続管
１５      排水管
１６      海水受部
２０      昇降機構
２１      巻上装置
２２      移動装置
３０      クレーン装置
３５      保持手段
Ｂ        収納バケット
Ｗｓ      海面
Ｗｂ      海底
Ｗ        海水
Ｍ        鉱物資源
【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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