JP7620288B2

JP7620288B2 - 水流揚鉱システム

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Publication number: JP7620288B2
Application number: JP2021040106A
Authority: JP
Inventors: 和智林元
Original assignee: JAPAN ORGANIZATION FOR METALS AND ENERGY SECURITY; Furukawa Co Ltd
Current assignee: JAPAN ORGANIZATION FOR METALS AND ENERGY SECURITY; Furukawa Co Ltd
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2025-01-23
Anticipated expiration: 2041-03-12
Also published as: JP2022139629A

Description

本発明は、海底熱水鉱床などに存在する海洋資源を海底から揚鉱するための技術に関する。

近年、各種産業機器を製造する上で必要不可欠な金属であり存在量が少ない有用金属の価格が高騰している。有用金属は産業上必要不可欠なものである。しかし、可採量が少ないだけでなく、産出国が限られているため地政学的リスクが存在している。そこで、有用金属含有鉱物の中でも、海底熱水鉱床などに存在する海洋資源が注目されている。
海底熱水鉱床などから海洋資源を揚鉱する方法として、揚鉱ポンプを用いたポンプリフト方式が試みられている。これまで、この種の鉱床において、ドラムカッタやカッタヘッド等の掘削ヘッドを備えた採鉱機により海中で鉱石を破砕し、その破砕した鉱石の礫を海中でスラリとし、そのスラリを揚鉱ポンプに向けて移送する採鉱装置が提案されている（例えば非特許文献１参照）。

一方、建築、土木工事における流動性の乏しい低スランプのコンクリートの圧送や土圧シールド工法における礫や土砂の圧送技術として、揺動管方式のピストンポンプが採用されている。
揺動管方式のピストンポンプでは、吐出と吸込みの切り替えに揺動管を用いる構造上、吐出と吸込みの切り替え時に、一方側の吐出吸入口から他方側の吐出吸入口に揺動管の連通口の位置を切り替える途中で、吐出側と吸込み側とが連通する瞬間が発生する。
このとき、輸送対象物の一部が、高圧な吐出側のポンプシリンダから低圧な吸込側のポンプシリンダに瞬間的に逆流する。このような逆流が生じると、容積効率が低下して振動や衝撃が発生するおそれがある。

これに対し、逆流防止機構を有する揺動管方式のピストンポンプが提案されている。例えば特許文献１に記載のピストンポンプは、上述した、メガネ板の左右の吸込吐出口の間隔を、揺動管の連通口の開口幅以上としている。
そして、同文献記載の技術では、連通口の両側に位置するシール部を有するウェアプレートを設け、両側のシール部を、一対の吸込吐出口の開口幅以上の広さに形成するとともに、ウェアプレートの背面には、揺動管の切り替え移動時に、対向するメガネ板に対して、ウェアプレートを摺動自在に挟持するガイド板を設けている。
また、例えば特許文献２に記載の逆流防止機構付のピストンポンプは、メガネ板およびガイド板に対するウェアプレートの摺動面に、潤滑剤を供給する潤滑溝を設けている。

特開２００２－２１３３４８号公報特開２００３－３４３４２９号公報

海底熱水鉱床開発計画第一期最終評価報告書（独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構）

また、海底熱水鉱床の鉱石を移送する揚鉱ポンプとしては、多段遠心ポンプが採用されている。多段遠心ポンプは複数のインペラと複数のボリュート室を有する複雑な接液部形状となっており、接液部品はスーパー２相ステンレスや高クロム鋳鉄等が採用される。

しかしながら、陸上での遠心ポンプを用いたスラリ移送では、接液部品が摩耗した場合、その場所での接液部品の交換も可能であるが、海底熱水鉱床などの海洋資源が存在する深海からの多段遠心ポンプを用いたスラリ移送では、接液部品を交換する場合、深海から船上に多段遠心ポンプを引き上げて部品の交換作業をする必要がある。
このため、商業化レベルでの稼働においては、複雑な接液部形状を持つ多段遠心ポンプの接液部品が早期に摩耗した場合、接液部品の交換に多くの時間と費用が必要なことが問題と考えられている。

また、海底熱水鉱床の鉱石する技術に逆流防止機構を有する揺動管方式のピストンポンプの採用も考えられる。しかし、特許文献１および２のいずれに記載される技術においても、揺動管の連通位置の切り替え移動時には、メガネ板およびウェアプレート相互が面接触により摺動し、また、ガイド板およびウェアプレート相互も面接触により摺動する。
そのため、揺動管の連通位置の切り替え移動時における摺動抵抗が大きく、揺動管を左右のメガネ板の吸込吐出口に連結するときに大きな駆動力を要するため、各構成部材および駆動装置の大型化を招くという問題がある。

また、この種の逆流防止機構を有するピストンポンプは、輸送対象物として、建築、土木工事における流動性の乏しい低スランプのコンクリートや土砂、あるいは、し尿処理場や下水処理場等で発生する低含水率の脱水汚泥等の圧送に用いられる。
そのため、高圧圧送になるほど、揺動管の連通位置の切り替え時に、輸送対象物の高い圧力によってウェアプレートがより強く押されることになる。これにより、メガネ板とウェアプレートとの間に隙間ができて、輸送対象物の漏れ量が大きくなってしまうという問題がある。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、高圧圧送時であっても、揺動管を揺動させる力を小さくして、揺動管を左右のメガネ板の吸込吐出口との連通位置に確実に切り替え可能なピストンポンプおよびこれを備える水流揚鉱システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るピストンポンプは、輸送対象物を輸送する輸送管が自身前壁側に接続されるホッパと、前記ホッパの背壁側に設けられて左右一対の吸込吐出口を有するとともに該一対の吸込吐出口相互の間隔が該吸込吐出口の開口幅以上に設定されたメガネ板と、前記ホッパ内に揺動可能に収容されて前記輸送管を前記一対の吸込吐出口に交互に連通させるように自身先端の開口部を前記一対の吸込吐出口のいずれかに臨む位置に交互に切換え移動可能な揺動管と、前記揺動管を前記一対の吸込吐出口に交互に連通する位置に揺動させるアクチュエータと、前記一対の吸込吐出口の背部にそれぞれ接続されて前記揺動管との非連通時には前記ホッパ内の輸送対象物を吸引するとともに前記揺動管との連通時には前記吸引した輸送対象物を吐出する左右一対のポンプシリンダと、前記揺動管の先端部外周面に当該先端部外周面に対して揺動軸線に沿った方向に相対的にスライド可能に篏合されて且つ前記メガネ板の対向面とは摺接するように装着されるとともに、前記揺動管の先端の開口部の左右両側であって前記メガネ板の対向面と自身とが摺接する部分に前記メガネ板の一対の吸込吐出口の開口幅以上の広さに設けられたシール部を有するウェアプレートと、前記揺動管と前記一対のポンプシリンダとの連結状態の切り替え時に、前記ウェアプレートにかかるスラスト荷重を受ける流体軸受と、を備えることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る水流揚鉱システムは、海底熱水鉱床などに存在する海洋資源を水流中に注入して移送する水流揚鉱システムであって、往路水流管および復路水流管を有するとともに前記往路水流管から前記復路水流管に向かう水流を形成するように構成される循環管路と、前記往路水流管に高圧水を注入可能に設置される高圧ポンプと、前記海洋資源を前記循環管路に注入可能に設置されるピストンポンプと、前記海洋資源を前記復路水流管から回収可能に設置される回収ホッパと、を備え、前記ピストンポンプとして、本発明の一態様に係るピストンポンプが装備されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係るピストンポンプでは、ウェアプレートの支持部に対して、揺動管と左右の圧送シリンダとの連結状態の切り替え時に、ウェアプレートにかかるスラスト荷重を流体軸受で受けるように構成している。
これにより、本発明の一態様に係るピストンポンプによれば、ウェアプレートにポンプシリンダ側から揺動管の方向にかかるスラスト荷重を流体軸受の水圧供給面にかかる水圧による揺動管側からポンプシリンダ方向への推力で相殺して軽減できる。
また、ウェアプレートにかかるスラスト荷重を受ける流体軸受は、ウェアプレートとの受圧面が水膜によって非接触摺動となる。そのため、摩擦係数を大幅に軽減できるので、メガネ板の左右の吸込吐出口に揺動管を連結するときの駆動力を低減できる。

そして、本発明の一態様に係る水流揚鉱システムによれば、例えば船上に設置した高圧ポンプから圧送される高圧水で船上と海底近傍との間に循環水流を作り、海底またはその近傍に配置した本発明の一態様に係るピストンポンプで鉱石等の海洋資源を注入して揚鉱することができるため、極めてシンプルな構成で深海から船上までの揚鉱が可能となる。
ここで、本発明の一態様に係る水流揚鉱システムにおいて、前記循環管路から前記高圧ポンプで供給される高圧水を分岐して前記流体軸受に高圧水を供給する供給管路を有することは好ましい。また、前記供給管路は、前記ピストンポンプで前記掘削物を前記循環管路に注入する位置よりも上流側の位置で前記循環管路から分岐されていることは好ましい。

このような構成であれば、流体軸受に供給する高圧水として、例えば船上に設置した高圧ポンプで供給される高圧水を循環管路から分岐して流体軸受に供給できるので、供給する高圧水を船上に設置した高圧ポンプで供給できる。そのため、流体軸受に高圧水を供給するためのポンプを海底に設けることが不要である。

上述のように、本発明によれば、高圧圧送時であっても、揺動管を揺動させる力を小さくして、揺動管を左右のメガネ板の吸込吐出口との連通位置に確実に切り替えることができる。

本発明の一態様に係る水流揚鉱システムの一実施形態を示す模式的全体構成図である。図１に示すピストンポンプと循環管路との接続状態の一実施形態を示す縦断面図である。図２に示すピストンポンプと循環管路との接続状態をポンプシリンダ側から見た模式的説明図である。図２に示すピストンポンプにおける逆流防止機構の作動状態の説明図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）であり、同図は、図２のＸ－Ｘ断面から見た動作のイメージを示している。図２に示すピストンポンプにおけるポンプシリンダ側から見た逆流防止機構の動作のイメージを示す作動状態の説明図（ａ）～（ｋ）である。同図において、流路中の網掛け部にて連通状態の遷移するイメージを示している。複数の電磁弁でのＯＮ／ＯＦＦ制御の作動状態を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。

まず、第一実施形態の水流揚鉱システムおよびこれを用いた水流揚鉱方法について説明する。
本実施形態は、図１に示すように、海底ＳＢの海底熱水鉱床Ｔを、採鉱機（不図示）を用いて掘削し、海洋資源である掘削した鉱石を、本発明に係る水流揚鉱システム３００によって洋上ＳＬの洋上基地Ｇまで揚鉱する水流揚鉱方法である。
水流揚鉱システム３００は、同図に示すように、洋上基地Ｇから海底ＳＢに垂下される揚鉱機器２００と、循環管路３１０と、を備える。揚鉱機器２００には、逆流防止機構付きのピストンポンプ１が装備されている。循環管路３１０は、海底ＳＢの近傍まで延設された往路水流管３１１と、海底ＳＢの近傍から洋上基地Ｇまで延設された復路水流管３１２と、を有する。

洋上基地Ｇは例えば船舶であり、洋上基地Ｇには高圧ポンプ３２０が設置されている。本実施形態の水流揚鉱システム３００は、この高圧ポンプ３２０で往路水流管３１１に高圧水を注入して、往路水流管３１１により洋上基地Ｇから海底ＳＢに向かう水流を、復路水流管３１２で再び洋上基地Ｇまで戻す循環流が形成されるようになっている。
さらに、本実施形態の水流揚鉱システム３００は、復路水流管３１２に対して、逆流防止機構付きのピストンポンプ１で掘削した鉱石を注入して、循環管路３１０の水流に乗せて鉱石を洋上基地Ｇまで移送するように構成されている。

より詳しくは、同図に示すように、本実施形態の水流揚鉱システム３００は、一台のピストンポンプ１が装備された揚鉱機器２００と、往路水流管３１１および復路水流管３１２を有する循環管路３１０と、洋上基地Ｇに設置された高圧ポンプ３２０と、洋上基地Ｇに設置された回収ホッパ３３０と、を備える。回収ホッパ３３０は、海洋資源（この例では、採鉱機器を用いて海底で掘削された鉱石）を復路水流管３１２から回収可能に設置される。

洋上基地Ｇには、クレーン３７０が設置され、クレーン３７０からアンビリカブルケーブル３６０を介して揚鉱機器２００に対して、駆動に必要な電力や圧油の供給および信号の授受が可能になっている。
また、洋上基地Ｇに設置された回収ホッパ３３０には不図示の分級機が付設され、分級機は鉱石成分と海水とを分けて海水のみをタンク３４０に導出する。そして、高圧ポンプ３２０は、タンク３４０に貯留された海水を、往路水流管３１１に高圧水として注入可能に設置されている。

循環管路３１０は、往路水流管３１１から復路水流管３１２に向かう循環水流を形成するように、洋上基地Ｇから海底ＳＢの海底熱水鉱床Ｔの近傍に設置された揚鉱機器２００まで配管される。ピストンポンプ１は、循環管路３１０に対して海洋資源を注入可能なように揚鉱機器２００に設置される。
なお、往路水流管３１１および復路水流管３１２の敷設範囲は適宜設定できる。本実施形態では、揚鉱機器２００近傍の、Ｕ字状の折り返し部分よりも上流側が往路水流管３１１であり、Ｕ字状の折り返し部分よりも下流側が復路水流管３１２である。そして、ピストンポンプ１は、復路水流管３１２に吐出配管６を介して海洋資源を注入可能に揚鉱機器２００の筐体２１０内に設置されている。

本実施形態の揚鉱機器２００は、筐体２１０の上部には、不図示の採鉱機器で掘削した鉱石が投入される投入ホッパ２１１が設けられ、投入ホッパ２１１下部の吐出口には切り出し装置２１２が付設されている。
筐体２１０の内部上方には、スクリューコンベヤ２２５が配置され、ベルトフィーダ等の切り出し装置２１２で切り出された鉱石がスクリューコンベヤ２２５に導入される。スクリューコンベヤ２２５の前端部（取出口）は、ピストンポンプ１のホッパ９の後部を貫通してホッパ９内に連通しており、スクリューコンベヤ２２５の駆動により、ホッパ９に向けて鉱石を所定量ずつ送出可能になっている。

本実施形態のピストンポンプ１は、図２に拡大図示するように、上部に開口するホッパ９を備え、ホッパ９内部には、略Ｓ字状に屈曲形成された揺動管２が、揺動可能に収容されている。ホッパ９内の揺動管２は、その基端部２ｂがホッパ９の前壁１ｆの下部の位置に回動可能に支持されている。
揺動管２の基端部２ｂには、図１に示す復路水流管３１２への吐出配管６に接続されるカップリング５が設けられている。カップリング５には、吐出配管６の一端が接続され、揺動管２の基端部２ｂが吐出配管６に連通するように配置される。

揺動管２の中間部２ｍの上部には、軸線が水平な揺動管軸１０の一端が固定されている。揺動管軸１０の一端は、ホッパ９の背壁１ｂに回動可能に支持される。揺動管軸１０の他端は、ホッパ９の背壁１ｂの外側に延出され、切換レバー１１が固着されている。揺動管軸１０の回転中心ＣＬ１と、揺動管２の基端部２ｂの回転中心ＣＬ２とは、水平な一の揺動軸線ＣＬ上にある。
ホッパ９の背壁１ｂの下部には、一対の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒを左右に有するメガネ板８が設けられている。メガネ板８は、揺動管２の先端部２ｔが摺接する部分に配置されている。メガネ板８は、ホッパ９の背面側から交換可能に装着される。
揺動管２の先端部２ｔは、メガネ板８に圧接された状態で摺動する。そのため、揺動管２の先端部２ｔには、交換可能なウェアプレート（wear plate）１２が取付けられている。本実施形態では、メガネ板８およびウェアプレート１２には、耐摩耗材が使用されている。

本実施形態のピストンポンプ１は、ウェアプレート１２に、メガネ板８と摺接するウェアリング２０が装着されている。本実施形態のウェアプレート１２には、揺動管２の先端部２ｔに、ウェアプレート１２の中央の開口部１３と同軸となる位置に、円筒状のウェアリング（wear ring）２０が装着される。
ホッパ９の背部には、メガネ板８の一対の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒに対向する位置に、それぞれ一端が開口した一対のポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒが、互いの軸線を揺動軸線ＣＬと平行にして取付けられている。

一対のポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒは、各ポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒ内に搬送ピストン７をそれぞれ有する。各搬送ピストン７は、図１に示す一対の駆動シリンダ１５Ｌ、１５Ｒによって、油圧駆動で交互に往復動される。
これにより、各ポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒは、対応する吸込吐出口１Ｌ、１Ｒが揺動管２との非連通時にはホッパ９内の海洋資源を吸引し、揺動管２との連通時にはその吸引した海洋資源を復路水流管３１２に向けて吐出するように駆動される。

図３に示すように、上記切換レバー１１とホッパ９との間には、一対の切換シリンダ３Ｌ、３Ｒがアクチュエータとして取付けられている。一対の切換シリンダ３Ｌ、３Ｒは、切換シリンダ３Ｌ、３Ｒの一方が伸長するとき、他方が縮小するようになっている。
一対の切換シリンダ３Ｌ、３Ｒの伸縮に対応して、揺動管軸１０が揺動軸線ＣＬまわりに所定タイミングで回動し、揺動管２が所定の回動範囲にて左右に揺動される。これにより、図２に示す揺動管２の先端部２ｔが、左右の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒのいずれかに臨む位置に交互に移動するようになっている。

ここで、本実施形態のピストンポンプ１は逆流防止機構を備える。
本実施形態の逆流防止機構は、図５（ｂ）に示すように、メガネ板８の左右の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒの間隔が、ウェアプレート１２と一体で回動するウェアリング２０の開口部２０ｍの幅以上とされている。
ウェアプレート１２は、図５に示すように、ウェアプレート１２の開口部１３（図４参照）の左右両端にシール部１４Ｌ、１４Ｒを有する。左右のシール部１４Ｌ、１４Ｒは、メガネ板８との対向面と自身とが摺接しつつ回動されるように設けられている。
本実施形態のシール部１４Ｌ、１４Ｒは、揺動管２の回動方向において、メガネ板８に形成された一対の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒの開口幅以上の広さにそれぞれ設けられる。なお、本実施形態において、一対の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒの開口形状は円形であり、相互の開口径は同一である。

ウェアプレート１２の内周は、図２に示すように、ホッパ９側に固定された軌道盤６０Ａに装着された受動体６１Ａおよび転動体６２Ａで支承され、さらに、セットプレート４０側に固定された軌道盤６０Ｂに装着された受動体６１Ｂおよび転動体６２Ｂで支承されている。ウェアプレート１２の外周は、ホッパ９側に固定された流体軸受８０と、セットプレート４０側に固定された軌道盤６０Ｃに装着された受動体６１Ｃと転動体６２Ｃとで前後から支承されている。

本実施形態では、各転動体６２Ａ，６２Ｂ、６２Ｃには円筒ころが用いられており、各軌道盤６０Ａ，６０Ｂ、６０Ｃは、各転動体６２Ａ，６２Ｂ、６２Ｃを自転自在に保持する保持器とされている。また、各転動体６２Ａ，６２Ｂ、６２Ｃに対して、ウェアプレート１２とは反対の側には、各転動体６２Ａ，６２Ｂ、６２Ｃに対応する凹の円筒面が形成された複数の受動体６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃが介装され、各受動体６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃによって、各転動体６２Ａ，６２Ｂ、６２Ｃの揺動軸線ＣＬに沿った方向での位置および姿勢を保持している。

ここで、本実施形態の流体軸受８０は、略弓型で円弧状に形成された軸受枠８０ｈと、複数の第一摺動ピース８０ｓと、複数の第二摺動ピース８０ｐと、を有する。軸受枠８０ｈの両端は、ホッパ９の下部側内面にねじ等によって固定されるようになっている。
軸受枠８０ｈには、周方向に沿って、第一摺動ピース８０ｓ若しくは第二摺動ピース８０ｐを収容する複数の収容穴が貫通形成されている。各第一摺動ピース８０ｓおよび各第二摺動ピース８０ｐは、周方向に沿って略扇状に形成されている。
そして、軸受枠８０ｈの複数の収容穴に対して収容された、複数の第一摺動ピース８０ｓと、複数の第二摺動ピース８０ｐとの組が周方向に沿って配置されることで、ウェアプレート１２の外周を支持する流体軸受全体が構成されている。

各第二摺動ピース８０ｐは、周方向に沿った長さが、第一摺動ピース８０ｓよりも長く形成されている。そして、各第二摺動ピース８０ｐには、外周面から中央部に連通するように高圧水導入通路が形成され、さらに、各第二摺動ピース８０ｐが装着されたときにウェアプレート１２の外周面と対向する側の面には、高圧水吐出口が高圧水導入通路に貫通形成されて高圧水供給面になっている。
さらに、本実施形態の水流揚鉱システム３００では、循環管路３１０から分岐する供給管路３５０が設けられている。供給管路３５０は、吐出配管６の接続部よりも循環管路３１０の上流側に設けられている。供給管路３５０により、図１に示す高圧ポンプ３２０から循環管路３１０に供給される高圧水を分岐して流体軸受８０に高圧水を供給可能になっている。

図５に、ポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒ側から見た逆流防止機構の揺動動作の作動イメージを示す。
同図の（ａ）から（ｆ）に示す揺動行程にかけては、同図でのウェアプレート１２の左サイドに対して、ポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒ側から揺動管２の方向に向けて、スラスト荷重が増大するように変化しつつ負荷がかかる。
一方、同図の（ｇ）から（ｋ）に示す揺動行程にかけては、同図でのウェアプレート１２の右サイドに対して、ポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒ側から揺動管２の方向に向けて、スラスト荷重が減少するように変化しつつ負荷がかかる。

本実施形態の水流揚鉱システム３００では、このように遷移する各揺動行程（ａ）～（ｋ）において、各揺動行程での負荷がかかる位置と負荷の大きさが変化しつつウェアプレート１２に作用するスラスト荷重に対して可及的に対応すべく、ウェアプレート１２の外周側を支持する流体軸受８０の各第二摺動ピース８０ｐに対し、適正なタイミングで必要な水圧をかける与圧遷移機構９０が設けられている。

与圧遷移機構９０は、図２に示すように、供給管路３５０に介装されており、供給管路３５０に供給された高圧水は、与圧遷移機構９０を介して調圧されるとともに、複数の分岐管路３５１、３５２から流体軸受８０の各部に配置された各第二摺動ピース８０ｐに対して与圧が遷移されつつ供給されるようになっている。
より詳しくは、図３に示すように、与圧遷移機構９０は、複数の分岐管路３５１～３５３を有するとともに、これら分岐管路３５１～３５３に介装された、複数の電磁弁９１～電磁弁９５と、複数の絞り弁９６～９８と、複数の逆止弁９９ａ，９９ｂと、を有する。本実施形態の例では、供給管路３５０は、その下流側で、第一段の分岐管路３５１、３５２、３５３の３つに分岐されている。

同図中央の第一段の分岐管路３５１には、上流側から電磁弁９１および絞り弁９６が介装されるとともに、絞り弁９６の下流側が更に２つに分岐された第二段の分岐管路３５１ａ，３５１ｂとされている。第二段の分岐管路３５１ａ，３５１ｂには、それぞれに逆止弁９９ａ，９９ｂが介装されている。逆止弁９９ａ，９９ｂの向きは、上流側から下流側に向かう流れを許容し、その逆方向には阻止するように設けられている。
同図左側の第一段の分岐管路３５２には、上流側から電磁弁９２および電磁弁９３、並びに、絞り弁９７が介装されるとともに、絞り弁９７の下流側が更に３つに分岐された第二段の分岐管路３５２ａ，３５２ｂ，３５２ｃとされている。分岐管路３５１ａは、分岐管路３５２ｂの位置で分岐管路３５２に合流している。
同図右側の第一段の分岐管路３５３には、上流側から電磁弁９４および電磁弁９５、並びに、絞り弁９８が介装されるとともに、絞り弁９８の下流側が更に３つに分岐された第二段の分岐管路３５３ａ，３５３ｂ，３５３ｃとされている。分岐管路３５１ｂは、分岐管路３５３ｂの位置で分岐管路３５３に合流している。

本実施形態の与圧遷移機構９０では、供給管路３５０の末端が６つの分岐管路３５２ａ，３５２ｂ，３５２ｃ、および分岐管路３５２ａ，３５２ｂ，３５２ｃに分岐されてホッパ９の下面９ｄに設けられた複数の分岐管路接続部にそれぞれ接続されている。複数の分岐管路接続部は、ホッパ９の下面９ｄ側の肉厚部を貫通する貫通流路を有し、各貫通流路が、上述した各第二摺動ピース８０ｐの外周面の高圧水導入通路に連通する位置に開口している。

上述した電磁弁９１～電磁弁９５のＯＮ／ＯＦＦ制御の作動状態を図６のタイミングチャートに示す。同図に示すように、電磁弁９１は、ウェアプレート１２の作動全域にかけて低圧水を注水するように水圧を制御する。
ここで、揺動管２と左右のポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒとの連結状態の切り替え時間は１秒～１．５秒程度と短時間である。そのため、本実施形態では、流体軸受８０に対する高圧水の注水については、左右それぞれに２個の電磁弁９２，９３および電磁弁９４，９５を配置しており、これらの協働動作によって注水するタイミングを制御する構成としている。

つまり、図６に示すように、本実施形態では、電磁弁９２および電磁弁９３の開状態が重なりあう部分で流体軸受８０の左サイドの各第二摺動ピース８０ｐに高圧水が供給される。また、電磁弁９４および電磁弁９５の開状態が重なりあう部分で流体軸受８０の右サイドの各第二摺動ピース８０ｐに高圧水が供給される。
さらに、本実施形態では、適圧な潤滑流体を流体軸受８０の各第一摺動ピース８０ｓおよび各第二摺動ピース８０ｐのすべり面に供給するために、供給管路３５０から中央の分岐管路３５１に電磁弁９１および絞り弁９６を介装して、電磁弁９１と絞り弁９６とで流体軸受８０に対し、図５に示す揺動行程（ａ）～（ｋ）の全域において低圧水を供給している。

また、分岐管路３５２において、電磁弁９２と電磁弁９３および絞り弁９７とによって、ウェアプレート１２の左サイドへの高圧水を制御するように配置して、図５に示す揺動行程（ｄ）～（ｅ）で最大となる高圧水を流体軸受８０の各第二摺動ピース８０ｐのすべり面に供給するように構成している。
また、分岐管路３５３において、電磁弁９４と電磁弁９５および絞り弁９８とによって、ウェアプレート１２右サイドへの高圧水を制御するように配置して、図５に示す揺動行程（ｇ）～（ｈ）で最大となる高圧水を流体軸受８０の各第二摺動ピース８０ｐのすべり面に供給するように構成している。

流体軸受８０の各第一摺動ピース８０ｓおよび各第二摺動ピース８０ｐに対して供給する低圧水および高圧水の圧力の実施例としては、循環管路３１０の水圧７ＭＰａに対して、中央の分岐管路３５１による低圧水の水圧は、電磁弁９１および絞り弁９６によって２ＭＰａに調圧して流体軸受８０に供給している。また、分岐管路３５２および分岐管路３５３での高圧水の水圧は、絞り弁９７と絞り弁９８とでそれぞれ６ＭＰａに調圧して流体軸受８０に供給している。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態の水流揚鉱システム３００によれば、船上に設置した高圧ポンプ３２０から圧送される高圧水で船上と海底近傍間に循環水流を作り、海底近傍に配置した逆流防止機構を有するピストンポンプ１で鉱石を注入して揚鉱する水流を利用した揚鉱システムであり、極めてシンプルな構成で深海から船上までの揚鉱が可能となる。
特に、本実施形態のピストンポンプ１によれば、ウェアプレート１２の支持部が、揺動管２の揺動範囲の全体に亘ってウェアプレート１２を揺動軸線の前後から複数の転動体６２Ａ，６２Ｂ、６２Ｃを介して常に支承する構造を基本構造とし、さらに、逆流防止機能を有する揺動管式のピストンポンプ１の揺動管２と左右のポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒとの連結状態の切り替え時に、ウェアプレート１２にかかるスラスト荷重を、流体軸受８０で受けるように構成している。

これにより、ウェアプレート１２に対してポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒ側から揺動管２の方向にかかるスラスト荷重を、流体軸受８０の水圧供給面にかかる水圧による揺動管２側からのポンプシリンダ４Ｌ、４Ｒ方向への推力で相殺して軽減できる。
また、ウェアプレート１２にかかるスラスト荷重を受ける流体軸受８０は、ウェアプレート１２との受圧面が、水膜により非接触摺動となるため、摩擦係数を大幅に軽減できる。そのため、揺動管２を左右のメガネ板８の吸込吐出口に連結するときの駆動力を低減できる。

さらに、本実施形態の水流揚鉱システム３００では、循環管路３１０から高圧ポンプ３２０で供給される高圧水を分岐して流体軸受８０に高圧水を供給する供給管路３５０を有するので、本実施形態の水流揚鉱システム３００によれば、流体軸受８０に供給する高圧水を船上に設置した高圧ポンプ３２０で供給される高圧水から分岐して供給できる。つまり、流体軸受８０に供給する高圧水を船上に設置した高圧ポンプ３２０で供給できる。そのため、高圧水を循環管路３１０から分岐して供給するため、流体軸受８０に高圧水を供給するためのポンプを海底に設けることが不要である。

以上説明したように、本実施形態の逆流防止機構付のピストンポンプ１によれば、高圧圧送時であっても、揺動管２を揺動させる力を小さくして、揺動管２を左右のメガネ板８の吸込吐出口１Ｌ、１Ｒとの連通位置に確実に切り替えることができる。そして、本実施形態の水流揚鉱システム３００によれば、シンプルな構成で深海から船上までの揚鉱が可能な水流揚鉱システム３００を提供できる。
なお、本発明に係る水流揚鉱システム３００は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能であることは勿論である。

１ピストンポンプ
１Ｌ、１Ｒ吸込吐出口
１ｂ背壁
１ｆ前壁
２揺動管
２ｂ基端部
２ｍ中間部
２ｔ先端部
３Ｌ、３Ｒ切換シリンダ
４Ｌ、４Ｒポンプシリンダ
５カップリング
６吐出配管
７搬送ピストン
８メガネ板
９ホッパ
１０揺動管軸
１１切換レバー
１２ウェアプレート
１３開口部
１４Ｌ、１４Ｒシール部
１５Ｌ、１５Ｒ駆動シリンダ
２０ウェアリング
２０ｍ開口部
４０セットプレート
６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ軌道盤
６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ受動体
６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ転動体
８０流体軸受
９０与圧遷移機構
９１～９５電磁弁
９６～９８絞り弁
９９ａ，９９ｂ逆止弁
２００揚鉱機器
２１０筐体
２１１投入ホッパ
２１２切り出し装置
２２５スクリューコンベヤ
３００水流揚鉱システム
３１０循環管路
３１１往路水流管
３１２復路水流管
３２０高圧ポンプ
３３０回収ホッパ
３４０タンク
３５０供給管路
３５１～３５３分岐管路
３５２ａ，３５２ｂ，３５２ｃ第二段の分岐管路
３５３ａ，３５３ｂ，３５３ｃ第二段の分岐管路
３６０アンビリカブルケーブル
３７０クレーン
ＣＬ揺動軸線
Ｇ洋上基地
ＳＢ海底
ＳＬ洋上
Ｔ海底熱水鉱床

Claims

海底熱水鉱床などに存在する海洋資源を水流中に注入して移送する水流揚鉱システムであって、
往路水流管および復路水流管を有するとともに前記往路水流管から前記復路水流管に向かう水流を形成するように構成される循環管路と、
前記往路水流管に高圧水を注入可能に設置される高圧ポンプと、
掘削物を前記循環管路に注入可能に設置されるピストンポンプと、
前記掘削物を前記復路水流管から回収可能に設置される回収ホッパと、を備え、
前記ピストンポンプは、
輸送対象物を輸送する輸送管が自身前壁側に接続されるホッパと、
前記ホッパの背壁側に設けられて左右一対の吸込吐出口を有するとともに該一対の吸込吐出口相互の間隔が該吸込吐出口の開口幅以上に設定されたメガネ板と、
前記ホッパ内に揺動可能に収容されて前記輸送管を前記一対の吸込吐出口に交互に連通させるように自身先端の開口部を前記一対の吸込吐出口のいずれかに臨む位置に交互に切換え移動可能な揺動管と、
前記揺動管を前記一対の吸込吐出口に交互に連通する位置に揺動させるアクチュエータと、
前記一対の吸込吐出口の背部にそれぞれ接続されて前記揺動管との非連通時には前記ホッパ内の輸送対象物を吸引するとともに前記揺動管との連通時には前記吸引した輸送対象物を吐出する左右一対のポンプシリンダと、
前記揺動管の先端部外周面に当該先端部外周面に対して揺動軸線に沿った方向に相対的にスライド可能に篏合されて且つ前記メガネ板の対向面とは摺接するように装着されるとともに、前記揺動管の先端の開口部の左右両側であって前記メガネ板の対向面と自身とが摺接する部分に前記メガネ板の一対の吸込吐出口の開口幅以上の広さに設けられたシール部を有するウェアプレートと、
前記揺動管と前記一対のポンプシリンダとの連結状態の切り替え時に、前記ウェアプレートにかかるスラスト荷重を受ける流体軸受と、を備え、
前記循環管路から前記高圧ポンプで供給される高圧水を分岐して前記流体軸受に高圧水を供給する供給管路を有することを特徴とする水流揚鉱システム。
前記供給管路は、前記ピストンポンプで前記掘削物を前記循環管路に注入する位置よりも上流側の位置で前記循環管路から分岐されている請求項１に記載の水流揚鉱システム。