KR20220141874A - 심해 채굴 차량 - Google Patents

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KR20220141874A
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deep
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outlet
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mining vehicle
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KR1020227032389A
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크리스 드 브루이네
함 스토퍼스
스테판 플라멘
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딥테크 엔브이
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Abstract

큰 깊이의 해저로부터 광물 침전물들을 흡수하기 위한 그리고 선택적으로는 상기 침전물들을 부유 디바이스에 수송하기 위한 심해 채굴 차량이 개시된다. 상기 차량은 지지 프레임을 포함하고, 상기 지지 프레임에는 상기 해저 상에서 상기 차량을 전방으로 이동시키기 위한 수단이 제공되고, 상기 지지 프레임에는 흡수된 광물 침전물들을 위한 저장소가 제공되고, 상기 지지 프레임에는 흡입 헤드가 추가적으로 제공되고, 상기 흡입 헤드에는 개방 흡입 사이드가 있고, 상기 개방 흡입 사이드는 상기 해저를 향해 지향되고, 상기 광물 침전물들은 상기 개방 흡입 사이드를 따라 흡수된다. 상기 광물 침전물들의 흡수 및 상기 저장소에 이르는 흡입 도관에 연결된 유출구로의 상기 광물 침전물들의 수송은, 물을 위한 그리고 상기 흡입 헤드의 유입구에 연결된 갭형 피드 개구에 의해, 그리고 상기 피드 개구를 통하는 높은 출구 속도로서 상기 피드 개구 및 상기 유출구를 서로 연결하는 내부 벽 파트를 따라 상기 유출구를 향하는 상기 높은 출구 속도로 물을 운반하기 위한 압력 챔버에 의해 지지된다. 상기 심해 채굴 차량의 상기 개방 흡입 사이드로의 거리가 상기 유입구로부터 감소한 후 상기 유출구를 향해 다시 증가하도록 상기 벽 파트가 만곡된다.

Description

심해 채굴 차량
발명은 큰 깊이의 해저 상의 광물 침전물들을 수집하기 위한 그리고 부유 디바이스 또는 물 위의(above) 다른 저장소로 상기 침전물들을 수송하기 위한 심해 채굴 차량에 관한 것이다. 마찬가지로 발명은, 심해 채굴 차량으로 큰 깊이의 광물 침전물들을 수집하기 위한 방법, 그리고 심해 채굴 차량용 흡입 헤드에 관한 것이다. 광물 침전물들은 망간 단괴(manganese nodule)들과 같은 다금속 단괴들을 포함할 수 있다.
증가하는 세계 인구 및 증가하는 천연 자원들의 결핍에 비추어 볼 때 심해 채굴을 위한 획기적인 기술들을 위한 요구가 증가하고 있다. 다금속 단괴들은 많은 대양들의 플로어들 상에서 발견되고, 니켈, 코발트 및 망간과 같은 필수적인 원재료들을 포함한다. 추출 이후에, 다금속 단괴들에 존재하는 금속들은, 예를 들면, 스테인리스 강, 배터리들, 풍력 터빈들, 광전지 시스템들 및 다른 유용한 적용 분야들에 적용될 수 있다.
심해 채굴에서 해저는 해수면으로부터 4000-6000 m 이상의 거리로 있을 수 있으므로, 심해 채굴 디바이스들은 높은 압력들 및 해저 부근과 같은 깊이에서 지배적인 다른 어려운 조건들을 견딜 수 있어야 한다.
일반적으로 심해 채굴 차량은 심해 채굴 선박으로부터 해저를 향해 하강된다. 여기서 이러한 목적을 위해 특별히 설계된, 원한다면 심해 채굴 차량의 설계에 맞게 개량된 진수(launch) 디바이스들이 이용될 수 있다. 심해 채굴 차량 및 심해 채굴 선박 사이에 배열된 수직 파이프(riser pipe) 또는 수직 스트링(riser string)은 심해 채굴 차량에 의해 수집된 광물 침전물들이 해저로부터 수면 위에 위치된 저장소로 운반되는 것을 추가적으로 보장한다. 이러한 목적을 위해 심해 채굴 선박에는 적합한 펌핑 장비가 제공된다. 원한다면, 펌프들은 결정된 수심에서 수직 스트링에 포함될 수도 있다. 수직 스트링 및 심해 채굴 차량 사이의 플렉서블 연결은 해저 위에서 상대적으로 자유롭게 차량이 이동할 수 있는 것을 보장한다.
다금속 단괴들을 수집하고 수집된 다금속 단괴들을 수면 위의 부유 디바이스로 수송하는 것은 현장의 어려운 조건들을 고려한다면 가능한 한 효율적으로 발생해야 한다는 것이 명백할 것이다.
본 발명은 무엇보다도 그 목적으로 심해 채굴 차량을 제공하는 것이고, 이에 따라 선행기술 대비 증가된 효율로 큰 깊이에서 광물 침전물들이 수집될 수 있다.
이러한 목적을 위해 발명은 청구항 제1항에 따른 심해 채굴 차량을 포함한다. 심해 채굴 차량은 큰 깊이의 해저로부터 광물 침전물들을 흡수(take up)하기 위한 그리고 선택적으로는 상기 침전물들을 부유 디바이스로 수송하기 위한 것으로, 심해 채굴 차량은 지지 프레임을 포함하고, 지지 프레임에는 해저 상에서 차량을 전방으로 이동시키기 위한 수단이 제공되고, 지지 프레임에는 흡수된 광물 침전물들을 위한 적어도 하나의 일시적 저장소가 제공되고, 지지 프레임에는 흡입 헤드가 추가적으로 제공되고, 흡입 헤드에는 개방 흡입 사이드가 있고, 개방 흡입 사이드는 해저를 향해 지향되고, 광물 침전물들은 개방 흡입 사이드를 따라 흡수되고, 광물 침전물들의 흡수 및 저장소에 이르는 흡입 도관에 연결된 유출구로의 광물 침전물들의 수송은, 물을 위한 그리고 흡입 헤드의 유입구에 연결된 갭형 피드 개구에 의해, 그리고 피드 개구를 통하는 높은 출구 속도로서 피드 개구 및 유출구를 서로 연결하는 내부 벽 파트를 따라 유출구를 향하는 높은 출구 속도로 물을 운반하기 위한 압력 챔버에 의해 지지되고, 심해 채굴 차량의 상기 개방 흡입 사이드로의 거리가 유입구로부터 감소한 후 유출구를 향해 다시 증가하도록 벽 파트가 만곡된다.
무엇보다도 벽 파트의 곡률은 갭형 피드 개구 및 상기 갭형 피드 개구의 출구 각도와 조합하여 해저로부터 망간 단괴들과 같은 광물 침전물들의 더욱 효율적인 흡수를 제공한다. 갭형 피드 개구의 출구 각도는 바람직하게는 수평 면에 대해 0도 및 45도 사이, 바람직하게는 20도 및 40도 사이에 있다.
발명의 일 실시 예는 심해 채굴 차량에 관한 것으로, 갭형 피드 개구는 흡입 헤드의 폭 방향에 평행하게 나아가는 방향으로 연장한다. 갭형 피드 개구는 개방 흡입 사이드의 위치에서 더욱 균일하고 연속적인 유동 프로파일을 제공하고, 더욱이 내부 벽 파트로의 유동의 더 나은 부착을 증진시킨다. 이에 따라 유동 손실들은 감소될 수 있다. 갭형 피드 개구는 원하는 유동 프로파일이 더욱 빨리 달성되는 것을 보장한다.
발명의 또 다른 실시 예에서, 심해 채굴 차량이 제공되고, 갭형 피드 개구의 단면은 가변적이다. 가변적인 갭형 피드 개구는 광물 침전물들의 더욱 효율적인 흡입이라는 결과를 가져올 수 있는 더 높은 출구 속도들을 가능하게 한다.
추가적인 일 실시 예는 심해 채굴 차량에 의해 달성되고, 갭형 피드 개구의 높이는 가변적이다. 이에 따라 심해 채굴 차량의 흡입 액션은 광물 침전물들의 (기대된) 물성들에 의존하여 조절될 수 있다.
다른 실시 예는 심해 채굴 차량에 관한 것으로, 유입구는 눈물 방울 형상의 단면을 갖고, 눈물 방울은 갭형 피드 개구에서(in the gap-like feed opening) 진출(debouch)한다. 이러한 조치들로 유체 역학적으로 최적화된 유동은 피드 개구 방향으로 획득되고, 이에 따라 추가적인 증가된 효율이 획득된다.
또 다른 실시 예는 심해 채굴 차량에 관한 것으로, 갭형 피드 개구는 상부 벽을 갖고, 상부 벽은 벽 파트 안으로 연속적으로 나아간다. 선택적으로는 갭형 피드 개구의 상부 벽 및 벽 파트는 결국 동일한 플레이트로부터 형성될 수 있다. 본 실시 예의 연장된 상부 벽은 벽 파트의 상부 벽으로의 물 유동의 개선된 부착을 제공한다. 이는 난류를 덜 생성시키고 흡입 헤드의 폭에 걸쳐 더욱 균일하고 연속적인 유동을 생성한다.
추가적인 개선된 일 실시 예에서, 심해 채굴 차량이 제공되고, 벽 파트는 유입구로부터 볼록한 곡률을 갖고, 심해 채굴 차량은, 선형 중간 파트, 및 오목한 곡률을 갖고 유출구로 이어지는 벽 파트를 포함한다. 이 실시 예에서 상부 벽의 볼록-선형-오목 형태는 최적 유동 프로파일을 제공하고, 최적 유동 프로파일은, 한편으로는 흡수된 광물 침전물들에 운동 모멘텀을 가능한 한 효율적으로 부여(impart)하고, 다른 한편으로는 저장소에 이르는 흡입 도관에 연결된 유출구에 가능한 한 효율적으로 광물 침전물들을 배출한다. 선형 중간 파트는 0 m 내지 3 m, 바람직하게는 0.1 m 내지 2.5 m의 길이를 가질 수 있다. 원한다면, 볼록한 형태를 갖는 벽 파트는 선형 파트 및 오목한 곡률을 갖고 유출구로 이어지는 벽 파트 사이에 위치될 수 있다.
또 다른 실시 예는 심해 채굴 차량을 제공하고, 흡입 개방 사이드의 면에 대한 선형 중간 파트의 높이는 0 및 200 mm 사이, 더욱 바람직하게는 20 및 110 mm 사이에 있다. 흡입 개방 사이드의 면은 수직으로 나아가는 강화 플레이트들의 하부 에지들에 의해 규정될 수 있다. 이러한 하부 에지들은 수중 바닥과 접촉할 수 있지만, 일반적으로 작동 중에 수중 바닥 위에서(above) 상대적으로 작은 거리로 유지될 것이다.
수평 면과 함께 흡입 도관의 길이 방향의 축에 의해 형성된 각도는 원칙적으로 리미트들 내에서 선택될 수 있다. 추가적으로 최적화된 심해 채굴 차량은 수평 면과 함께 흡입 도관의 길이 방향의 축에 의해 형성된 각도가 30도 및 80도 사이, 더욱 바람직하게는 40도 및 50도 사이에 있는 특징을 가진다. 흡입 도관의 각도의 선택은 광물 침전물들에 대한 중력의 반작용을 가늠하는 고려 사항으로서, 수평 면에 대한 가장 작은 가능한 각도는 바람직하게 차량의 일반적인 구조적 그리고 유체 역학적 물성들에 대해 선택되고, 차량의 형태가 더욱 컴팩트할수록 선택되는 각도는 더 크다.
또 다른 실시 예에 따른 심해 채굴 차량은, 흡입 헤드가, 유출구의 위치에 위치된 제 2 갭형 피드 개구, 및 제 2 피드 개구를 통하는 그리고 유출구에 연결될 수 있는 흡입 도관을 향하는 높은 출구 속도로 물을 운반하기 위한 제 2 압력 챔버를 포함하는 특징을 가진다. 이는 흡입 도관으로 흡수된 광물 침전물들의 수송을 개선한다. 제 2 갭형 피드 개구는 흡입 도관으로의 수송을 개선하는 것을 돕는다. 중력 영향으로 인해 광물 침전물들은 흡입 도관의 하부 사이드 상에서 주로 머무르는 경향을 가질 것이다. 광물 침전물들이 "롤링 백(rolling back)"하는 것을 방지하는 것을 돕기 위해서 제 2 물 유동이 유지된다.
심해 채굴 차량의 일 실시 예에서, 제 2 압력 챔버는 개방 흡입 사이드에 인접하고, 제 2 압력 챔버의 하부 사이드에는 흡수된 광물 침전물들을 가이드하기 위한 핑거(finger)들이 제공된다. 사용 시 핑거들의 하부 사이드가 해저 위에(above) 위치되도록 핑거들은 흡입 헤드의 바닥 면에 존재하는 개방 흡입 사이드에 대해 배치될 수 있다. 다시 말하면, 핑거들은 핑거들이 해저에서 스크래핑(scrap)하는 것을 방지하기에 충분히 높게 위치된다. 핑거들의 하부 사이드는 선형 중간 파트 위에(above) 놓이고, 이에 따라 핑거들의 하부 사이드가 해저에 터치하기 전이라면 선형 중간 파트는 먼저 해저를 터치할 것이다.
다른 실시 예는 심해 채굴 차량을 제공하고, 흡입 헤드는 폭을 갖고, 벽 파트, 피드 개구, 압력 챔버, 제 2 압력 챔버 및 유출구 중 적어도 하나는 흡입 헤드의 폭에 걸쳐 연장한다. 가능한 한 넓게 연장하는 흡입 헤드의 능동 파트들은 차량의 통로마다 커버된 해저 면 영역의 최적화를 제공하고, 따라서 생산의 최적화 및 추가적인 증가가 이루어진다.
여기서 벽 파트, 피드 개구, 압력 챔버, 제 2 압력 챔버 및 유출구가 일 실시 예에 따른 심해 채굴 차량에서 흡입 헤드의 폭에 걸쳐 모두 연장하는 것이 유리하다.
또 다른 실시 예에 따르면, 심해 채굴 차량의 생산은 차량이 서로 평행하게 배치된 복수 개의 흡입 헤드들을 포함할 때 개선될 수 있다. 여기서 흡입 헤드들은 집합적으로 작동될 수 있는 연결 유닛을 형성할 수 있다. 바람직하게는 흡입 헤드들의 개별적인 작동을 가능하게 하는 것도 가능하다. 결국 해저의 가변성에 각각의 흡입 헤드의 액션을 맞추는 것이 가능해지고, 예를 들면 이는 가능하게는 상이한 치수들로 국소적인 높이 차이들 및/또는 가능한 장애물들의 존재로 나타날 수 있다.
여기서 서로 평행하게 배치된 흡입 헤드들의 흡입 도관들이 하나 이상의 저장소, 바람직하게는 적어도 하나의 일시적인 저장소 안으로 진출하는 것을 심해 채굴 차량이 일 실시 예에 따라 특징으로 하는 것이 유리하다.
또 다른 실시 예는 심해 채굴 차량을 제공하고, 흡입 헤드 또는 복수 개의 흡입 헤드들은 해저에 대해 높이 조절 가능하고, 복수 개의 흡입 헤드들의 경우 바람직하게는 서로 독립적으로 높이 조절 가능하다. 이는 흡입 헤드가 흡입 헤드의 최적 작동 범위(해저 위의(above) 높이)에서 작동하게 하는 것을 가능하게 하고, 이는 예를 들면 차량의 가라앉음을 유발할 수 있는 국소 바닥 물성들과 독립적이다. 다시 말하면, 높이는 지지 프레임에 대해 조절 가능해진다. 바람직하게는 흡입 헤드는 해저 채굴 작업 중에 해저를 터치하지 않고, 바람직하게는 해저 위에서(above) 최적 높이로 유지된다. 일 실시 예에서, 높이 조절은 선형 가이드들에 의해 발생하고, 선형 가이드들은 흡입 도관 상에 배열되고, 선형 가이드들은 흡입 도관의 길이 방향의 축 방향으로 연장한다. 구동은 유체 역학적 실린더들을 사용하여 발생할 수 있다.
발명의 다른 양태는 발명에 따른 심해 채굴 차량을 위한 흡입 헤드에 관한 것이다. 흡입 헤드에는 개방 흡입 사이드가 제공되고, 개방 흡입 사이드는 해저를 향해 지향되고, 광물 침전물들은 개방 흡입 사이드를 따라 흡수되고, 광물 침전물들의 흡수 및 저장소에 이르는 흡입 도관에 연결된 유출구로의 광물 침전물들의 수송은, 물을 위한 그리고 흡입 헤드의 유입구에 연결된 갭형 피드 개구에 의해, 그리고 피드 개구를 통하는 그리고 피드 개구 및 유출구를 서로 연결하는 내부 벽 파트를 따라 유출구를 향하는 높은 출구 속도로 물을 운반하기 위한 압력 챔버에 의해 지지되고, 심해 채굴 차량의 개방 흡입 사이드로의 거리가 유입구로부터 감소한 후 유출구를 향해 다시 증가하도록 벽 파트가 만곡된다.
발명의 또 다른 양태에 따르면, 큰 깊이의 해저 상에서 광물 침전물들을 흡수하기 위한 그리고 선택적으로는 상기 침전물들을 부유 디바이스에 수송하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은, 발명에 따른 심해 채굴 차량을 제공하는 동작, 부유 디바이스 및 심해 채굴 차량 사이에 제공된 서스펜션 케이블에 심해 채굴 차량을 연결하는 동작, 해저를 향해 심해 채굴 차량을 하강시키는 동작, 및 광물 침전물들을 흡수하기 위해서 해저 위에서(above) 또는 해저 상에서(on) 심해 채굴 차량을 전방으로 이동시키는 동작을 포함한다.
추가적인 일 실시 예에서, 심해 채굴 차량은 광물 침전물들을 수집한 후에 부유 디바이스를 향해 끌어들여진다(haul in).
본원에 설명된 발명의 실시 예들은 이 실시 예들의 임의의 가능한 조합으로 결합될 수 있다. 각각의 실시 예는 분할출원의 주제를 개별적으로 형성할 수 있다.
이제 발명은 달리 언급이 없는 한 다음의 도면들 및 선호 실시 예의 설명에 제한되지 않고 이들에 기초하여 더욱 자세히 설명될 것이다.
도 1은 부유 용기 및 이에 연결된 수직 파이프의 어셈블리의 개략적인 측면도로서, 수직 파이프의 하부 사이드에 발명의 실시 예에 따른 심해 채굴 차량이 연결되는 측면도이다;
도 2는 발명의 일 실시 예에 따른 심해 채굴 차량의 개략적인 측면도이다;
도 3은 발명의 일 실시 예에 따른 심해 채굴 차량의 개략적인 전방 사시도이다;
도 4는 발명의 일 실시 예에 따른 심해 채굴 차량의 흡입 헤드의 개략적인 전방 사시도이다;
도 5는 도 4에 도시된 발명의 일 실시 예에 따른 심해 채굴 차량의 흡입 헤드의 개략적인 후방 사시도이다;
도 6은 도 4에 도시된 발명의 일 실시 예에 따른 심해 채굴 차량의 흡입 헤드의 개략적인 저면도이다;
도 7은 발명의 일 실시 예에 따른 심해 채굴 차량의 흡입 헤드의 개략적인 상면도이다;
도 8은 도 7에 도시된 발명의 일 실시 예에 따른 심해 채굴 차량의 흡입 헤드의 B-B' 라인에 따른 개략적인 단면도이다;
도 9는 도 7에 도시된 발명의 일 실시 예에 따른 심해 채굴 차량의 흡입 헤드의 A-A' 라인에 따른 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 다금속 단괴들과 같은 광물 침전물들의 심해 채굴에 사용되는 전형적인 셋업(setup)의 일부가 도시된다. 셋업은 (수천 미터의 길이를 가질 수 있고 부유 용기(1)에 연결되는) 관형 수직 스트링(2) 형태의 수송 시스템을 전형적으로 포함하고, 심해 채굴 차량(3)과 같은 채굴 장비는 수송 시스템에 부착된다. 플렉서블 연결 호스 어셈블리(4)는 수직 파이프(2)의 하부 단부(7) 및 심해 채굴 차량(3) 사이에 배열될 수 있고, 심해 채굴 차량(3)은 심해 바닥(5) 상에서 이동하도록 구성되고 심해 바닥(5)으로부터 광물 침전물들을 수집하도록 구성된다.
연결 어셈블리(4)는 플렉서블 해저 호스(40)를 포함하고, 플렉서블 해저 호스(40)는 차량(3)에 의해 수집된 광물 단괴들을 강성 수직 파이프(2)로 수송하도록 구성된다. 호스(40)에는 부유 블록(41)들이 제공될 수 있고, 부유 블록(41)들은 컴포넌트들의 자중(own weight)을 보상하고 호스의 일부에서 상방 힘을 발생시키고 S 형상을 생성한다. 플렉서블 연결 어셈블리(4)는 채굴 차량(3)이 해저(5) 상에서 주변으로 이동하는 정해진 자유도를 갖게 하고, 수직 파이프(2)의 움직임들에 의해 차량이 영향을 받지 않는 것을 보장한다. 차량(3)을 지지하고 승강시기키 위해 스틸 호이스팅 케이블(미도시)들은 용기(1) 및 심해 채굴 차량(3) 사이에 제공될 수 있다. 파워 케이블들 또는 탯줄(umbilical)들(미도시)도 용기(1) 및 심해 채굴 차량(3) 사이에 제공된다.
원한다면, 극단적인 길이의 관형 수직 스트링(2) 형태의 수송 시스템은 많은 펌프 모듈(10)들을 포함할 수도 있고, 펌프 모듈(10)들은 길이 방향으로 배열된다. 펌프 모듈(10)들은 해저(5)로부터 해수면을 향해 배향되는 상부 방향(6)으로 해저(5)로부터 광물 침전물들(단괴들)을 펌프로 퍼 올리도록 구성된다. 수직 스트링(2)의 하부 사이드의 위치에서 하나의 펌핑 스테이션(미도시)을 제공하는 것도 가능하다.
도 2는 발명의 선호 실시 예에 따른 심해 채굴 차량(3)을 도시한다. 심해 채굴 차량(3)은 전형적으로 지지 프레임(300)을 포함하고, 지지 프레임(300)에는 심해 채굴 차량(3)이, 예를 들면 해저 위에서(over), 이동되게 하기 위한 수단(301)이 제공된다. 그러한 수단은 캐터필러 트랙(301)들, 휠들 또는 다른 이동 수단의 형태를 취할 수 있다.
광물 침전물들을 흡수할 수 있기 위해서 지지 프레임(300)에는 단괴 수집 헤드(8), 호퍼(32) 및 유출구(33)가 전형적으로 제공된다. 무엇보다도 단괴 수집 헤드(8)에 의해 흡수되는 물 및 광물 침전물의 혼합물은 해저로부터 심해 채굴 차량(3) 안으로 수송된다. 심해 채굴 차량(3), 특별하게는 분리 공간(31)에서, 혼합물은, 예를 들면 유출구(33)의 입구에 필터(311)를 배열함으로써, 적어도 2개의 부분들로 나뉜다. 결국 광물 단괴들은 혼합물 중 물 및 여러 더 미세한 입자들 중 더 큰 부분으로부터 분리된다. 혼합물 중 물 및 더 미세한 입자들은 심해 채굴 차량(3)의 후방 사이드의 위치에서 유출구(33)를 통해 배출되고 다시 주변 영역으로 되돌아간다. 유출구(33)의 단면은 심해 채굴 용기의 후방 사이드에서 혼합물의 출구 속도를 감소시키도록 외부 단부를 향해 증가한다.
광물 단괴들은 호퍼(32)에 포획되고, 이 경우 호퍼(32)는 저장소로서 또는 일시적 저장소로서 기능한다. 심해 채굴 차량(3)이 도 1에 도시된 바와 같은 심해 채굴 셋업의 일부를 형성할 때, 광물 단괴들은, 이 일시적 저장소(32)를 통해, 선택적으로는 심해 채굴 차량(3)의 중심 배출 파이프를 통해, 호스(40)로 펌핑된다. 다른 실시 예에서, 침해 채굴 차량(3)에 광물 단괴들을 수집하기 위한 단괴 통(bin)(미도시)이 제공되는 것이 가능하다. 원한다면, 심해 채굴 차량(3)이 (일시적) 저장소로 기능하는 복수 개의 호퍼(32)들을 포함할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
도 3은 발명의 일 실시 예에 따른 심해 채굴 차량(3)의 개략적인 전방 사시도이다. 이 사시도로부터 심해 채굴 차량(3)이 지지 프레임(300) 및 캐터필러 트랙(301)들을 포함한다는 점을 다시 한번 알 수 있다. 특별하게는 이 사시도는 하나의 단괴 수집 헤드(8) 외에도 서로 평행하게 배치된 복수 개의 단괴 수집 헤드(8)들을 포함할 수 있다는 것을 도시한다. 여기서 수집 헤드(8)들의 전체 폭은 자유롭게 선택될 수 있고, 일부 예들에서 예를 들면 4-20 m, 더욱 바람직하게는 10-16 m에 이를 수 있다.
그러한 상황에서, 단괴 수집 헤드(8)들은, 공급되는 주변 물로, 해저에 위치된 광물 침전물을 혼합하도록 높은 속도로 해저 상으로 물을 분사한다.
이러한 단괴 수집 헤드(8)들은 전형적으로 펌프(81)로 구성되고, 펌프(81)는 하나 이상의 공급 도관을 통해 흡입 헤드(80)에 높은 출구 속도로 물을 제공한다. 펌프(81)는 또한 2개 이상의 단괴 수집 헤드들 사이에 공유될 수 있고, 펌프(81)는 양 헤드들에 물을 제공한다. 해저에 위치될 수 있는 광물 침전물들이 공급되는 주변 물과 혼합되도록 흡입 헤드(80)로부터 물이 고속으로 해저 상으로 분사된다. 물 및 해저의 이러한 혼합물은 단괴 수집 헤드들을 통해 심해 채굴 차량(3) 안으로 흡수되고, 이후 도 2을 참조하며 위에서 설명된 바와 같이 처리된다. 헤드(80)로부터 혼합물은 단괴 수집 헤드(8)에서의 흡입 도관(84)에 의해 수용된다.
하나 이상의 단괴 수집 헤드(8)는 측정 설비 프레임(83)에 장착된 측정 설비를 통해 주변 영역에 대해 취해진 조치들에 기초하여 제어될 수 있다.
도 4 및 도 5는 발명의 일 실시 예에 따른 심해 채굴 차량(3)의 단괴 수집 헤드(8)의 일부로서 흡입 헤드(80)의 개략적인 전방 사시도 및 후방 사시도를 각각 도시한다. 이 사시도로부터 무엇보다도 단괴 수집 헤드(8)가 흡입 헤드(80) 및 흡입 도관(84)으로 구성된다는 점을 다시 한번 알 수 있다. 특별하게는 이 사시도로부터 흡입 헤드(80)가 흡입 도관(84)에 부분적으로 놓이고 이러한 요소들이 높이 조절 액추에이터(851) 및 가이드 설비(852)에 의해 서로 연결된다는 것을 알 수 있다. 특별하게는 흡입 도관(84)에서의 개구와 대응하는 외부 주변부를 갖는 유출구(813)는 흡입 도관(84)에 적어도 부분적으로 배열된다. 높이 조절 액추에이터(851)는 흡입 헤드(80) 및 흡입 도관(84)이 서로에 대해 조절 가능하게 한다. 이는 흡입 도관(84) 안으로 또는 밖으로 유출구(813)를 이동시킴으로써 달성된다. 가이드 설비(852)는 이러한 선형 이동을 추가적으로 지지하기 위해 배열된다. 흡입 도관(84)이 지지 프레임(300)에 장착될 때, 높이 조절 액추에이터(851)도 지지 프레임(300)에 대해 흡입 헤드(80)의 변위를 가능하게 하고, 따라서 심해 채굴 차량(3)의 변위를 가능하게 한다. 특별하게는 흡입 헤드(80)는 흡입 도관(84)의 길이 방향의 축을 따라 변위될 수 있다.
이 사시도로부터 흡입 헤드(80)가 하나 이상의 물 유입구(801), 압력 챔버(802), 개방 흡입 사이드(803), 유출구(813), 및 선택적인 능동 흡입 공간(804)으로 추가적으로 구성된다는 점도 알 수 있다. 공급 도관(82)으로부터 제공되고 이미 압력 하에 있는 물은 하나 이상의 물 유입구(801)를 통해 압력 챔버(802)에 수집된다. 압력 챔버(802)로부터 제공된 물은 개방 흡입 사이드(803) 안으로, 특별하게는 유출구 방향으로 높은 속도로 분사된다.
흡입 헤드(80)가 일 부분을 형성하는 단괴 수집 헤드(8)가 심해 채굴 차량(3)에 설치될 때, 개방 흡입 사이드(803)는 심해 채굴 차량(3)이 놓이는 바닥, 예를 들면 해저를 향해 환경용으로 지향된다. 흡입 도관(84)의 길이 방향의 축이 수평 면과 30도 및 60도 사이, 더욱 바람직하게는 40도 및 50도 사이의 각도로 형성하는 방식으로 수집 헤드(8)가 설치된다.
해저 위를 향해 또는 해저에 평행하게 물 유동을 목표로 함으로써 물 유동은 압력 챔버(802)로부터 흡입 도관(84)으로 실현되고, 이러한 방식으로 물 및 광물 침전물의 혼합물은 흡입 도관(84) 안으로 흡입된다. 흡입 도관(84)을 향해 그리고 흡입 도관(84) 안으로 이러한 혼합물의 유동은 흡입 도관(84)의 흡입 방향으로, 예를 들면 흡입 도관(84) 안으로 물을 고속으로 분사함으로써, 능동 흡입 공간(804)에서 강화될 수 있다. 물은 이차 물 유입구(805)를 통해 능동 흡입 공간(804)으로 고압 하에서 공급된다. 이차 물 유입구(805)는, 흡입 도관에서 더 적은 상대적으로 저속 구역들이 존재하는 것 그리고 유출구(813) 및 흡입 도관(84)에서 흡입된 혼합물의 작은 중력 드롭이 존재하는 것을 보장한다. 이러한 목적으로 물은 펌프, 예를 들면 펌프(81)에 의해 압력 하에 추가적으로 이를 수 있고, 공급 도관(82)과 유사한 공급 도관에 의해 이차 물 유입구(805)로 제공될 수 있다. 그러한 접근 방식으로 해저 상에 위치된 광물 침전물들 및 해저 하에 부분적으로 매장된 광물 침전물들은 끌어당겨질 수 있다.
도 6은 발명의 일 실시 예에 따른 도 4 및 도 5에 도시된 심해 채굴 차량(3)의 흡입 헤드(80)의 개략적인 저면 사시도이다. 다시 한번 이 사시도는 흡입 헤드(80)가 물 유입구(801) 및 압력 챔버(802)로 구성되는 것을 도시하고, 개방 흡입 사이드(803)가 흡입 헤드(80)에 제공되는 것을 도시한다.
특별하게는 고속으로 개방 흡입 사이드(803) 안으로 물을 분사하는 것은 압력 챔버(802) 및 개방 흡입 사이드(803) 사이의 연결부가 갭형 피드 개구(806)롤 구성되는 점에서 실현된다는 점이 이 사시도로부터 알 수 있다. 관통 유동을 추가적으로 개선하기 위해서 바람직하게는 압력 챔버(802)의 단면은 눈물 방울 형상이고, 눈물 방울은 갭형 피드 개구(806)에서 진출한다. 피드 개구(806)의 섹션이 물 유입구(801)의 섹션보다 상당히 더 작기 때문에, 물은 증가된 속도로 피드 개구(806)를 통해 개방 흡입 사이드(803) 안으로 그리고 흡입 도관(84)을 향해 분사된다. 갭형 피드 개구(806)가 흡입 헤드(80)의 전체 폭 또는 거의 전체 폭에 평행하게 그리고 흡입 헤드(80)의 전체 폭 또는 거의 전체 폭에 걸쳐 배열되기 때문에, 물 유동은 개방 흡입 사이드(803)의 전체 폭 또는 거의 전체 폭에 걸쳐 추가적으로 제공된다.
바람직한 일 실시 예에서, 갭형 피드 개구(806)의 섹션은 가변적이다. 바람직하게는 갭형 피드 개구(806)의 높이는 가변적이다.
개방 흡입 사이드(803)를 통해 갭형 피드 개구(806)로부터 운반되는 물은 피드 개구(806) 및 흡입 도관(84)을 서로 연결하는 내부 벽 파트(811)를 따라 유동한다. 이 벽 파트는 개방 흡입 사이드(803)로의 거리가 유입구로부터 감소하다가 유출구 방향으로 다시 증가하도록 만곡된다. 바람직하게는 피드 개구(806)는 벽 파트(811) 안으로 연속적인 상부 벽을 가진다.
이 사시도에서, 제 2 물 유입구(805)가 능동 흡입 공간(804)으로 물을 어떻게 공급할 수 있는지 더욱 명백하게 알 수도 있고, 이는 제 2 물 유입구(805)가 제 2 압력 챔버(810) 안으로 진출하기 때문이다. 압력 챔버(810)는 피드 개구(814)에 연결된다. 바람직하게는 피드 개구(814)의 유출 유동 방향(P6)은 흡입 도관(84)과 동일한 길이 방향의 축으로 놓인다. 여기서 흡입 헤드(80)의 유출구(813)도 흡입 도관(84)에 부분적으로 수용됨 없이 도시된다. 흡입 헤드(80)의 유출구(831)는 유출구(831)가 유효 능동 흡입 공간(804)와 동일선상에 있어 이에 따라 유효 능동 흡입 공간(804)을 연장시키도록 흡입 헤드(80)의 다른 요소들에 대해 배치된다.
흡입 헤드(80)를 강화시키기 위해서 흡입 헤드(80)에는 연결 빔(809)이 제공되고, 연결 빔(809)은 압력 챔버(802)를 추가적으로 흡입 도관(84)을 향해 놓이는 흡입 헤드(80)의 일 부분에 연결한다.
개방 흡입 사이드(803)로 주변 물의 더욱 균일하고 가이드 된 유동을 보장하기 위해서 복수 개의 물 유입 가이드 핀(807)들이 제공된다. 복수 개의 장착(탈착) 가능한 핑거(808)들이 퇴적물 안으로 파고 들지 않도록 복수 개의 장착(탈착) 가능한 핑거(808)들이 배치된다. 핑거(808)들은 제 1 개소(place)에서 망간 단괴들과 같은 흡입된 광물 침전물들이 내뚫는(shoot through) 것을 회피하고 유출구(813) 및 흡입 도관(84)에서 머무르지 않는 목적을 가진다. 흡입 헤드 하에 위치되고 물 제트들에 의해 이미 움직임이 개시된(그리고 물 제트들 안으로 일부 펌핑 에너지가 결국 이미 부여된) 단괴들은 바람직하게는 유출구(813) 및 흡입 도관(84)으로 그리고 유출구(813) 및 흡입 도관(84) 안으로 수송되어야 한다.
도 7은 발명의 일 실시 예에 따른 흡입 헤드(80)의 개략적인 상면도이다. 이 사시도는 유입구(801)가 압력 챔버(802)로 이어지는 것 그리고 흡입 헤드(80)를 강화하기 위해 흡입 헤드(80)가 흡입 헤드(80)의 사이드 벽들을 형성하는 하나 이상의 연결 플레이트(809)들이 제공되는 것을 다시 한번 도시한다. 이 사시도는 흡입 헤드(80)의 유출구(813)에 내부 벽 파트(811)를 연결하는 중심 플레이트(812)에 의해 흡입 헤드가(80)가 강화되는 것을 추가적으로 도시한다. 가이드 설비(852)의 장착 파트들도 도시된다. 개방 흡입 사이드(803)의 면은 수직으로 나아가는 강화 또는 연결 플레이트(809)들 및 중심 플레이트(812)의 하부 에지들에 의해 규정될 수 있다. 이러한 하부 에지들은 수중 바닥과 접촉할 수 있지만, 보통 작업 중에 수중 바닥 위에서(above) 상대적으로 작은 거리로 유지될 것이다.
심해 채굴 차량(3)이 그 주변과 함께 일반적으로 전방에 설치되는 단괴 수집 헤드(8)들과 충돌할 때 강화 요소들이 변형을 방지하기에 적합하도록 강화 요소들은 흡입 헤드(80)의 길이 방향으로 배치된다.
바람직하게는, 흡입 헤드(80)의 폭에 대해, 벽 파트(811), 피드 개구(806), 압력 챔버(802), 제 2 압력 챔버(810) 및 유출구(813) 중 적어도 하나는 흡입 헤드(80)의 폭에 걸쳐, 더욱 바람직하게는 전체 폭에 걸쳐 연장한다.
도 8 및 도 9는 도 7에 도시된 발명의 일 실시 예에 따른 심해 채굴 차량의 흡입 헤드의 B-B' 라인 및 A-A' 라인에 각각 따른 개략적인 단면도들을 도시한다.
특별하게는 이 단면도는 흡입 헤드(80)의 요소들이 정해진 유동 방향으로 유동 경로(P1~7)를 함께 규정하는 것을 도시한다. 물 유입구는 압력 챔버 안으로 진출한다(P1). 갭형 피드 개구는 압력 챔버 및 개방 흡입 사이드 사이의 연결을 형성한다(P2). 개방 흡입 사이드는 선택적인 능동 흡입 공간을 통해(P3) 유출구에(P4) 추가적으로 연결된다. P5는 가이드 핀(807)들을 따라 주변 영역으로부터 물 유입 유동을 규정하고, P6는 제 2 갭형 개구(814)로부터 이차 물 유입 유동을 규정하고, P7은 핑거(808)들을 통해 후방 사이드로부터 유효 능동 흡입 공간(804)을 향해 압력 챔버(810)의 외부 벽 주위로의 물 (유입) 유동을 규정한다.
다양한 유동 경로들은 P1 = P2, P2 + P5 + P7 = P3, 그리고 P3 + P6 = P4와 같이 결합될 수 있다. 유동 경로 P7에 대한 유체 역학적 저항을 덜 제기(pose)하기 위해서, 바람직하게는 압력 챔버(810)는 해저에 대해 충분히 높게 위치된다. 특별하게는 내부 벽 파트(811)가 일부 식별 가능한 세그먼트들을 포함하고 이 세그먼트들이 갭형 피드 개구로부터(P2) 유출구로(P4)의 유동 경로의 형태를 규정하는 점을 추가적으로 알 수 있다. 제 1 벽 파트 세그먼트(811A)는 개방 흡입 사이드(803)로의 거리가 유동 방향으로 감소하도록 만곡된다. 이에 따라 바람직하게는 제 1 벽 파트 세그먼트(811A)는 유동 경로에 대해 볼록한 곡률을 갖는다. 선택적으로는 내부 벽 파트(811)는 선형 중간 파트(811C)를 포함하고, 개방 흡입 사이드(803)로의 거리는 일정하게 유지된다. 바람직하게는 개방 흡입 사이드(803)에 대한 선형 중간 파트(811C)의 높이는 20 및 200 mm 사이, 더욱 바람직하게는 50 및 110 mm 사이, 훨씬 더욱 바람직하게는 75 및 95 mm 사이에 있을 것이다. 내부 벽 파트(811)는 제 2 벽 파트 세그먼트(811B)도 포함하고, 제 2 벽 파트 세그먼트(811B)는 개방 흡입 사이드(803)로의 거리가 유동 방향으로 증가하도록 만곡된다. 제 3 벽 파트 세그먼트(811D)는 유동 경로에 대해 오목한 경로를 갖고 유출구(813)로 이어지는 벽 파트(811)의 일 부분을 규정한다.
특별하게는 이 단면도들은 이차 압력 챔버(810) 및 능동 흡입 공간(804) 사이의 연결부가 제 2 갭형 피드 개구(814)로 구성되는 점에서 선택적인 능동 흡입 공간(804) 안으로 물을 고속으로 분사하는 것이 실현된다는 것을 도시한다. 물이 유동 방향 P3 & P4으로 분사되기 때문에, 흡입되고 유출구(813)에 위치된 혼합물은 가속된 방식으로 심해 채굴 차량의 나머지를 향해 배출된다. 심해 채굴 차량의 전진 속도는 흡입 속도를 향상시킬 수 있고, 이는 특별하게는 가이드 핀(807)들을 따른 주변 영역으로부터의 물 유입 유동 P5가 지지되기 때문이다.
발명은 앞서 설명된 실시 예에 제한되지 아니하고 아래 첨부된 청구범위의 보호범위에 속하는 정도로 실시 예의 변경들을 포함하기도 한다.

Claims (18)

  1. 큰 깊이의 해저로부터 광물 침전물들을 흡수하기 위한 그리고 선택적으로는 상기 침전물들을 부유 디바이스에 수송하기 위한 심해 채굴 차량에 있어서,
    상기 차량은 지지 프레임을 포함하고, 상기 지지 프레임에는 상기 해저 상에서 상기 차량을 전방으로 이동시키기 위한 수단이 제공되고, 상기 지지 프레임에는 흡수된 상기 광물 침전물들을 위한 적어도 하나의 일시적 저장소가 제공되고, 상기 지지 프레임에는 흡입 헤드가 추가적으로 제공되고, 상기 흡입 헤드에는 개방 흡입 사이드가 있고, 상기 개방 흡입 사이드는 상기 해저를 향해 지향되고, 상기 광물 침전물들은 상기 개방 흡입 사이드를 따라 흡수되고, 상기 광물 침전물들의 흡수 및 상기 저장소에 이르는 흡입 도관에 연결된 유출구로의 상기 광물 침전물들의 수송은, 물을 위한 그리고 상기 흡입 헤드의 유입구에 연결된 갭형 피드 개구에 의해, 그리고 상기 피드 개구를 통하는 높은 출구 속도로서 상기 피드 개구 및 상기 유출구를 서로 연결하는 내부 벽 파트를 따라 상기 유출구를 향하는 상기 높은 출구 속도로 물을 운반하기 위한 압력 챔버에 의해 지지되고, 상기 심해 채굴 차량의 상기 개방 흡입 사이드로의 거리가 상기 유입구로부터 감소한 후 상기 유출구를 향해 다시 증가하도록 상기 벽 파트가 만곡되고, 상기 압력 챔버는 눈물 방울 형상의 단면을 갖고, 상기 눈물 방울은 상기 갭형 피드 개구에서 진출하고, 상기 갭형 피드 개구는 상부 벽을 갖고, 상기 상부 벽은 상기 벽 파트 안으로 연속적으로 나아가는 심해 채굴 차량.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 갭형 피드 개구는 상기 흡입 헤드의 폭 방향에 평행하게 나아가는 방향으로 연장하는 심해 채굴 차량.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 갭형 피드 개구의 단면은 가변적인 심해 채굴 차량.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 갭형 피드 개구의 높이는 가변적인 심해 채굴 차량.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 벽 파트는 상기 유입구로부터 볼록한 곡률을 갖고, 상기 심해 채굴 차량은, 선형 중간 파트, 및 오목한 곡률을 가지고 상기 유출구로 이어지는 벽 파트를 포함하는 심해 채굴 차량.
  6. 제 5 항에 있어서,
    오목형 벽 파트는 상기 선형 중간 파트 및 상기 유출구로 이어지는 볼록하게 만곡된 상기 벽 파트 사이에 제공된 심해 채굴 차량.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 개방 흡입 사이드에 대한 상기 선형 중간 파트의 높이는 50 mm 및 110 mm 사이, 더욱 바람직하게는 75 mm 및 95 mm 사이에 있는 심해 채굴 차량.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개방 흡입 사이드는 면을 규정하고, 상기 면과 함께 상기 흡입 도관의 길이 방향의 축에 의해 형성된 각도는 30도 및 60도 사이, 더욱 바람직하게는 40도 및 50도 사이에 있는 심해 채굴 차량.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개방 흡입 사이드는 면을 규정하고, 상기 면과 함께 상기 피드 개구의 유출 유동 방향에 의해 형성된 각도는 0도 및 45도 사이, 더욱 바람직하게는 20도 및 30도 사이에 있는 심해 채굴 차량.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡입 헤드는, 상기 유출구의 위치에 위치된 제 2 갭형 피드 개구, 및 상기 제 2 피드 개구를 통하는 그리고 상기 유출구에 연결될 수 있는 상기 흡입 도관을 향하는 높은 출구 속도로 상기 물을 운반하기 위한 제 2 압력 챔버를 포함하는 심해 채굴 차량.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 압력 챔버는 상기 개방 흡입 사이드에 인접하고, 상기 제 2 압력 챔버의 하부 사이드에는 흡수된 광물 침전물들을 가이드하기 위한 핑거들이 제공된 심해 채굴 차량.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡입 헤드는 폭을 갖고, 상기 벽 파트, 상기 피드 개구, 상기 압력 챔버, 상기 제 2 압력 챔버 및 상기 유출구 중 적어도 하나는 상기 흡입 헤드의 폭에 걸쳐 연장하는 심해 채굴 차량.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 벽 파트, 상기 피드 개구, 상기 압력 챔버, 상기 제 2 압력 챔버 및 상기 유출구는 상기 흡입 헤드의 폭에 걸쳐 연장하는 심해 채굴 차량.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    서로 평행하게 배치된 복수 개의 흡입 헤드들을 포함하는 심해 채굴 차량.
  15. 제 14 항에 있어서,
    서로 평행하게 배치된 상기 흡입 헤드들에 각각 부착된 상기 흡입 도관들은 상기 저장소 안으로 진출하는 심해 채굴 차량.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡입 헤드 또는 복수 개의 흡입 헤드들은 상기 해저에 대해 높이 조절 가능한 심해 채굴 차량.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 심해 채굴 차량을 위한 흡입 헤드에 있어서,
    상기 흡입 헤드에는 개방 흡입 사이드가 제공되고, 상기 개방 흡입 사이드는 상기 해저를 향해 지향되고, 상기 광물 침전물들은 상기 개방 흡입 사이드를 따라 흡수되고, 상기 광물 침전물들의 흡수 및 상기 저장소에 이르는 흡입 도관에 연결된 유출구로의 상기 광물 침전물들의 수송은, 물을 위한 그리고 상기 흡입 헤드의 유입구에 연결된 갭형 피드 개구에 의해, 그리고 상기 피드 개구를 통하는 높은 출구 속도로서 상기 피드 개구 및 상기 유출구를 서로 연결하는 내부 벽 파트를 따라 상기 유출구를 향하는 상기 높은 출구 속도로 물을 운반하기 위한 압력 챔버에 의해 지지되고, 상기 심해 채굴 차량의 상기 개방 흡입 사이드로의 거리가 상기 유입구로부터 감소한 후 상기 유출구를 향해 다시 증가하도록 상기 벽 파트가 만곡되고, 상기 압력 챔버는 눈물 방울 형상의 단면을 갖고, 상기 눈물은 상기 갭형 피드 개구에서 진출하고, 상기 갭형 피드 개구는 상부 벽을 갖고, 상기 상부 벽은 상기 벽 파트 안으로 연속적으로 나아가는 흡입 헤드.
  18. 큰 깊이의 해저 상에서 광물 침전물들을 흡수하기 위한 그리고 선택적으로는 상기 침전물들을 부유 디바이스에 수송하기 위한 방법에 있어서,
    상기 방법은, 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 심해 채굴 차량을 제공하는 동작, 상기 부유 디바이스 및 상기 심해 채굴 차량 사이에 제공된 서스펜션 케이블에 상기 심해 채굴 차량을 연결하는 동작, 해저를 향해 상기 심해 채굴 차량을 하강시키는 동작, 및 상기 광물 침전물들을 흡수하기 위해 상기 해저 위에서 또는 상기 해저 상에서 상기 심해 채굴 차량을 전방으로 이동시키는 동작, 그리고 선택적으로는 상기 부유 디바이스를 향해 상기 심해 채굴 차량을 끌어들이는 동작을 포함하는 방법.
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