首页 > 专利学习

深海采矿车辆的制作方法

1.本发明涉及一种深海采矿车辆,用于在很大深度处的海床上收集矿物沉积物并且将所述沉积物输送到漂浮装置或水上的其它存储部。本发明还涉及一种用于利用深海采矿车辆在很大深度处收集矿物沉积物的方法，以及一种用于深海采矿车辆的抽吸头。矿物沉积物可以包括多金属结核，例如锰结核。

背景技术：

2.鉴于世界人口的增长和自然资源的日益缺乏，对用于深海采矿的突破性技术的需求日益增加。多金属结核出现在许多海洋的海底上，并且含有基本的原材料，例如镍、钴和锰。在提取之后，存在于多金属结核中的金属可以例如应用于不锈钢、电池、风力涡轮机、光伏系统和其他有用的应用中。
3.在深海采矿中，海床可以位于距离海面4000-6000m或更远的距离处，因此，深海采矿装置必须能够承受在海床附近的这种深度处普遍存在的高压和其它恶劣条件。
4.深海采矿车辆通常从深海采矿船朝向海床下降。在此可以使用特别为该目的设计的下水装置，如果需要，该下水装置可以适应于深海采矿车辆的设计。布置在深海采矿车辆和深海采矿船之间的立管或立管柱进一步确保由深海采矿车辆收集的矿物沉积物从海床被运送到位于水面上方的存储部。为此目的，深海采矿船设置有合适的泵送装备。如果需要，泵还可以在确定的水深处并入在立管柱中。立管柱和深海采矿车辆之间的柔性连接确保了车辆能够在海床上相对自由地移动。
5.显然，考虑到现场的恶劣条件，收集多金属结核并且然后将收集的多金属结核输送到水面上方的漂浮装置必须尽可能有效地进行。

技术实现要素：

6.本发明的目的尤其是提供一种深海采矿车辆，由此能够以相对于现有技术提高的效率在很大深度处收集矿物沉积物。
7.为此目的，本发明包括根据权利要求1的深海采矿车辆。深海采矿车辆用于从很大深度处的海床收取矿物沉积物，并且可选地将所述沉积物输送到漂浮装置，包括支撑框架，该支撑框架设置有用于在海床上在移动方向上向前移动车辆的手段，设置有用于收取的矿物沉积物的存储部，并且进一步设置有至少一个抽吸头，该至少一个抽吸头具有朝向海床定向并且设置在抽吸平面中的敞开抽吸侧，并且矿物沉积物沿着该敞开抽吸侧收取，其中，至少一个抽吸头的宽度方向与深海采矿车辆的宽度方向一致，其中，深海采矿车辆进一步设置有控制装置，用于将抽吸平面的高度相对于海床保持在预定限度内，其中，控制装置包括测量手段，用于获得相对于移动方向在敞开抽吸侧之前并且在深海采矿车辆的宽度上延伸的位置处的海床高度，以及致动器，其并入到控制电路中，并且构造为基于在这些位置处测量的海床高度来调节至少一个抽吸头的抽吸平面的高度，使得其相对于海床保持在预定限度之间。
8.根据本发明，至少一个抽吸头的抽吸平面的高度相对于海床保持在预定限度之间。已经发现，这种措施提高了从海床收取矿物沉积物的效率。
9.在本发明的上下文中，效率理解为是指每单位功率收取的矿物沉积物的重量的量。
10.本发明的实施例涉及深海采矿车辆，其中，测量手段包括细长的载体，载体相对于移动方向位于敞开抽吸侧之前，其中，载体设置有一系列源和一系列接收器，一系列源构造为生成在水下在海床方向上的地球物理信号，一系列接收器构造为测量经由海床返回的响应信号，其中，载体在深海采矿车辆的宽度方向中在深海采矿车辆的宽度上延伸。
11.在本发明的又一实施例中，提供了深海采矿车辆，其中地球物理信号包括声波。
12.通过深海采矿车辆获得另一实施例，其中测量手段包括多波束。多波束本身是已知的，并且例如用于绘制海床的地形。多波束系统以扇形的形式，即以不同的角度发射声波。声波从海床被发送回接收器所花费的时间量用于确定水深。与其它声纳系统相比，多波束系统使用波束形成以便从返回的声波中导出定向信息。
13.另一实施例涉及深海采矿车辆，其中海床高度测量的位置的数量在宽度方向上位于1至400之间，更优选地在100至350之间，再优选地在200至300之间。利用这些措施，获得海床拓扑和可能存在于海床上并且必须避免的任何外物的相对完整的图像。
14.又一实施例涉及深海采矿车辆，其中，海床高度测量的两个相邻位置的中间距离在宽度方向上位于1至3cm之间，更优选地在1.2至2.5cm之间，再优选地在1.4至2cm之间。在该实施例中要求保护的两个相邻位置的中间距离对于本发明不是重要的，并且如果需要可以不同地选择。
15.在进一步改进的实施例中，提供了深海采矿车辆，其中至少一个抽吸头具有宽度，从在深海采矿车辆的宽度方向上测量的海床高度中滤除极端值，确定在至少一个抽吸头的宽度上的海床高度的子集，并且从子集中计算出在至少一个抽吸头的宽度上的最大海床高度，其中致动器构造为基于计算出的最大海床高度而调节至少一个抽吸头的抽吸平面的高度，使得其相对于海床保持在预定限度之间。
16.又一实施例提供了深海采矿车辆，其包括在深海采矿车辆的宽度方向上彼此平行设置的至少两个抽吸头，且更优选地包括2至16个抽吸头，更优选地包括10至16个抽吸头。在该实施例中要求保护的抽吸头的数量对于本发明不是重要的，并且如果需要，该数量可以不同地选择。
17.进一步优化的深海采矿车辆具有以下特征：抽吸头在相对于海床的高度方面单独地控制。
18.根据又一实施例的深海采矿车辆具有以下特征：预定限度量为0和200mm，更优选为20和100mm。
19.在深海采矿车辆的实施例中，测量手段相对于移动方向位于至少一个抽吸头的敞开抽吸侧的前侧之前20cm至250cm之间的前方距离，更优选地在50cm至200cm之间，最优选地在80cm至150cm之间。
20.另一实施例提供了深海采矿车辆，其包括另外的测量手段，其用于获得相对于移动方向在敞开抽吸侧之前并且在深海采矿车辆的宽度上延伸的位置处的海床高度，其中另外的测量手段包括板条，板条连接到框架并且可以在移动方向上在海床上移动，并且另外
的测量手段进一步包括计算装置，用于从测量的板条的倾斜度确定海床高度。
21.在此，在根据实施例的深海采矿车辆中，板条从海床可移除是有利的。
22.根据本发明的又一方面，提供了一种用于在很大深度处的海床上收取矿物沉积物并且可选地将所述沉积物输送到漂浮装置的方法。该方法包括提供根据本发明的深海采矿车辆，将深海采矿车辆连接到设置在漂浮装置与深海采矿车辆之间的悬挂线缆，将深海采矿车辆朝向海床下降，以及在海床上方或海床上向前移动深海采矿车辆以便收取矿物沉积物。
23.本专利申请中描述的本发明的实施例可以以这些实施例的任何可能的组合来组合，并且每个实施例可以单独地形成分案专利申请的主题。
附图说明
24.现在将基于以下附图和优选实施例的描述进一步阐述本发明，但本发明并不限于此。在附图中：
25.图1是漂浮船和连接到该漂浮船的立管的组件的示意性的侧视图，根据本发明实施例的深海采矿车辆连接到其下侧；
26.图2是根据本发明的实施例的深海采矿车辆的示意性的侧视图；
27.图3是根据本发明实施例的深海采矿车辆的示意性的前立体图；
28.图4是根据本发明实施例的深海采矿车辆的抽吸头的示意性的前立体图；
29.图5是图4所示的根据本发明实施例的深海采矿车辆的抽吸头的示意性的后立体图；
30.图6是图1所示的根据本发明实施例的深海采矿车辆的具体的示意性的侧视图。
31.图7是由布置在深海采矿车辆上的测量手段获得的深海海底高度的测量的可视化。
具体实施方式
32.参考图1，示出了用于对矿物沉积物(例如多金属结核)的深海采矿的典型设备的一部分。该设备通常包括管状的立管柱2形式的输送系统(其长度可以为几千米，并且连接到漂浮船1)，诸如深海采矿车辆3的采矿装备附接到该立管柱。柔性连接软管组件4可以布置在立管2的下端7和深海采矿车辆3之间，该深海采矿车辆适应于在深海海底5上移动并且从该深海海底收集矿物沉积物。
33.连接组件4包括柔性海底软管40，其适应于将车辆3收集的矿物结核输送到刚性立管2。软管40可以设置有漂浮块41，该漂浮块补偿部件自身的重量并且在软管的一部分中生成向上的力，且形成s形。柔性连接组件4使得采矿车辆3能够具有确定的自由度以在海床5上四处移动，并且确保车辆不受立管2的移动的影响。为了支撑和提升车辆3，可以在船1和深海采矿车辆3之间设置钢吊线缆(未示出)。
34.如果需要，呈极长的管状的立管柱2形式的输送系统还可以包括在纵向方向上布置的多个泵模块10。泵模块10适应于在定向为远离海床5朝向海面的向上方向6上从海床5向上泵送矿物沉积物(结核)。
35.图2示出了根据本发明优选实施例的深海采矿车辆3。深海采矿车辆3通常包括支
撑框架300，该支撑框架设置有用于使深海采矿车辆3能够例如在海床上移动的手段301。这种手段可以采取履带301、轮子或其它移动手段的形式。
36.为了能够收取矿物沉积物，支撑框架300通常设置有结核收集头8、储料器32和出口33。由结核收集头8收取的水和矿物沉积物等的混合物从海床输送到深海采矿车辆3中。在深海采矿车辆3中，特别是在分离空间31中，混合物例如通过在出口33的入口处布置过滤器311而分成至少两部分。因此矿物结核与混合物中的大部分的水和若干更细颗粒分离。混合物中的水和更细颗粒经由出口33喷射回到周围区域中。
37.矿物结核被捕获在储料器32中，在这种情况下，储料器用作存储部或临时存储部。在深海采矿车辆3形成如图1所示的深海采矿设备的一部分时，矿物结核经由该存储部、可选地经由深海采矿车辆3的中心排放管泵送到软管40。在另一实施例中，可以为深海采矿车辆3设置用于收集矿物结核的结核仓。
38.图3示出了根据本发明实施例的深海采矿车辆3的示意性的前立体图。从该视角可以再次看到，深海采矿车辆3包括支撑框架300和履带301。该视角特别示出了深海采矿车辆3，除了一个之外，还可以包括彼此平行设置的多个结核收集头8。
39.在使用情况下，这种结核收集头8将水高速地喷洒到海床上，以便由此将位于那里的矿物沉积物与供应的和周围的水混合。
40.这些结核收集头8通常包括泵81，该泵经由一个或更多个供应管道将水在高压下提供到抽吸头80。泵81也可以在两个或更多个结核收集头之间共用，其中泵向两个头提供水。水从抽吸头80高速地喷洒到海床上，使得位于那里的矿物沉积物与供应的和周围的水混合。水和海床的混合物经由结核收集头收取到深海采矿车辆3中，之后，如上文参考图2所述来对其进行处理。混合物从头80通过抽吸管道84接收在结核收集头8中。
41.一个或更多个结核收集头8能够基于经由安装在测量装备框架83上的测量装备对周围区域进行的测量来控制。
42.图4和图5分别示出了根据本发明实施例的作为深海采矿车辆3的结核收集头8的一部分的抽吸头80的示意性的前立体图和后立体图。从该视角中，可以再次看到，结核收集头8包括抽吸头80和抽吸管道84等。从该视角中特别是可以看到，抽吸头80部分地位于抽吸管道84中，其中这些元件通过高度调节致动器851和引导装备852相互连接。具有与抽吸管道84中的开口对应的外周的出口813特别地至少部分地布置在抽吸管道84中。高度调节致动器851使得抽吸头80和抽吸管道84能够相对于彼此可调节。这通过将出口813移进或移出抽吸管道84而实现。引导装备852布置用于进一步支撑该线性移动。
43.从该视角还可以看出，抽吸头80还包括一个或更多个进水口801、压力室802、敞开抽吸侧803、出口813和可选的主动抽吸空间804。从供应管道82提供的并且已经处于高压的水经由一个或更多个进水口801收集到压力室802中。提供的水从压力室802特别是在出口的方向上高速地喷入敞开抽吸侧803。
44.在抽吸头80形成其一部分的结核收集头8安装在深海采矿车辆3上时，敞开抽吸侧803在使用环境中朝向深海采矿车辆3搁置的底部(例如海床)定向。在以这种方式安装的收集头8中，抽吸管道84的纵向轴线优选地与水平面形成30至80度之间的角度，并且更优选地形成40至50度之间的角度。
45.通过将水流对准海床，实现从压力室802到抽吸管道84的水流，并且以这种方式，
水和矿物沉积物的混合物抽吸到抽吸管道84中。通过将水在抽吸管道84的抽吸方向上高速地喷射到抽吸管道84中，可以在主动抽吸空间804中增强这种混合物进入抽吸管道84的流动。水在高压下经由次级进水口805供应到主动抽吸空间804。为此目的，水可以进一步通过泵，例如泵81，置于压力下，并且通过类似于供应管道82的供应管道提供到次级进水口805。通过这种方法，位于海床上的矿物沉积物和部分埋在海床下的矿物沉积物都可以被吸取。
46.图6示出了深海采矿车辆3的一部分。在该视图中，可以再次看到，深海车辆3包括支撑框架300，该支撑框架搁置在履带301上。
47.在该视图中还可以看到，抽吸管道84安装在支撑框架300上，其中抽吸头80的出口813至少部分地布置在抽吸管道84中。测量手段83还包括支撑体831，导航和定位系统832以及测量头833(多波束)从该支撑体悬挂。测量系统框架83还设置有机械后退系统834。
48.抽吸管道84和抽吸头80之间的相对位移由高度调节致动器851控制。为了进一步支撑该线性移动，设置了引导装备852。引导装备852用于减小高度调节致动器上的扭转力。由于主供应管道82a和次级供应管道82b由柔性材料制成，所以对于多高度的抽吸头80来说向抽吸头80供应水是可能的。由于抽吸管道84安装在支撑框架300上的角度，抽吸头80的位移也总是以一定角度发生，特别是相同的角度。在抽吸头80向上发生位移时，由此它也总是至少部分地向后发生位移。
49.该设备特别是构造为控制抽吸头80到下面的海床的距离。在深海采矿车辆包括多个抽吸头时，这些抽吸头可以在相对于海床的高度方面单独地控制。
50.通过控制装置调节朝向海床定向的抽吸头80的平面(以下称为抽吸平面)的高度，以便将该距离保持在确定的限度内。
51.这通过测量头833和高度调节致动器851来实现，该测量头用于获得相对于移动方向在敞开抽吸侧之前并且在深海采矿车辆3的几乎整个宽度上延伸的位置处的海床高度，该高度调节致动器并入到控制电路中并且构造为基于在这些位置处测量的海床高度来调节抽吸头80的抽吸平面的高度，使得其相对于海床保持在预定限度之间。
52.测量头833包括构造为生成在水下在海床方向上的地球物理信号(例如声音信号)的源，以及构造为测量经由海床返回的响应信号的一系列接收器，其中载体在深海采矿车辆3的宽度方向中、在深海采矿车辆3的宽度上延伸。为了确保在整个宽度上的充足精度，测量手段可以包括多束波。代替在1个位置处测量，这样的多波束在车辆的整个宽度上在多个位置处测量，例如256个。这些位置分布在深海采矿车辆3的整个宽度上，由此，海床高度测量的两个相邻位置的中间距离在宽度方向上位于1和3cm之间，更优选地在1.2和2.5cm之间，还更优选地在1.4和2cm之间。在其它示例性实施例中，两个相邻位置的中间距离可以不同地选择。
53.致动器851可以基于计算出的最大海床高度调节至少一个抽吸头80的抽吸平面的高度，使得其相对于海床保持在预定限度之间。
54.尽管有上述预防措施，如果抽吸头80设置成比上述限度更靠近海床，或者如果测量头832由于其它原因而失效，则以连接到载体831的一个或更多个板条的形式的机械后退系统834提供解决方案。这些可以在海床上在移动方向上移动，并且后退系统还包括计算手段，用于由所测量的板条的倾斜度确定海床高度。这些板条可以从系统移除。
55.图7示出了这些测量的示意性展示。该图示出了多个测量点92，这些测量点由测量
头833、832测量并且总是布置在极限测量范围90内。测量范围90被分成不同的区域，其中单个的区域91与布置在深海采矿车辆3的该宽度处的抽吸头80对应。因此所有区域一起大体上与深海采矿车辆3的整个宽度对应。
56.对于单个抽吸头80，基于在相关区域中执行的测量92来确定要设置的高度。为了防止抽吸头80错误地提升并且因此降低抽吸能力，可以从测量的海床高度中滤除极端值。在抽吸头80的每个宽度处有足够的测量值时，可以安全地假定最远的极端值是由测量误差引起的。从剩余的测量中可以进一步计算在该抽吸头80的宽度上的最大海床高度。
57.为了防止抽吸头80不断地上下移动，在预定的时间周期内进行多次连续的测量，并且将这些测量的平均值确定为抽吸头80的期望高度93。由此可能的是，在意外的急剧变化的情况下，期望高度93不及时调整，由此在建立上述测量系统时必须考虑到必须接受在底部上的最小残余量。
58.本发明不限于上述实施例，并且还包括落入以下所附权利要求的范围内的对这些实施例的修改。

技术特征：

1.深海采矿车辆，用于从很大深度处的海床收取矿物沉积物，并可选地将所述沉积物输送至漂浮装置，其中，所述车辆包括支撑框架，所述支撑框架设置有用于在所述海床上在移动方向上向前移动所述车辆的手段、设置有用于收取的所述矿物沉积物的存储部、并且进一步设置有至少一个抽吸头，所述至少一个抽吸头具有朝向所述海床定向并且设置在抽吸平面中的敞开抽吸侧，并且所述矿物沉积物沿着所述敞开抽吸侧收取，其中，所述至少一个抽吸头的宽度方向与所述深海采矿车辆的宽度方向一致，其中，所述深海采矿车辆进一步设置有控制装置，用于将所述抽吸平面的高度相对于所述海床保持在预定限度内，其中，所述控制装置-包括测量手段，用于获得相对于所述移动方向在所述敞开抽吸侧之前并且在所述深海采矿车辆的宽度上延伸的位置处的海床高度，以及-致动器，其并入到控制电路中，并且构造为基于在所述位置处测量的所述海床高度来调节所述至少一个抽吸头的抽吸平面的高度，使得其相对于所述海床保持在预定限度之间，以及其中，所述测量手段包括细长的载体，所述载体相对于所述移动方向在所述敞开抽吸侧之前，其中，所述载体设置有一系列源和一系列接收器，所述一系列源构造为生成在水下在所述海床的方向上的地球物理信号，所述一系列接收器构造为测量经由所述海床返回的响应信号，其中，所述载体在所述深海采矿车辆的宽度方向中在所述深海采矿车辆的宽度上延伸。2.根据权利要求1所述的深海采矿车辆，其中，所述地球物理信号包括声波。3.根据权利要求1或2所述的深海采矿车辆，其中，所述测量手段包括多波束。4.根据前述权利要求中任一项所述的深海采矿车辆，其中，所述海床高度测量的位置的数量在宽度方向上位于1至400之间，更优选地在100至350之间，再优选地在200至300之间。5.根据前述权利要求中任一项所述的深海采矿车辆，其中，所述海床高度测量的两个相邻位置的中间距离在宽度方向上位于1至3cm之间，更优选地在1.2至2.5cm之间，再优选地在1.4至2cm之间。6.根据前述权利要求中任一项所述的深海采矿车辆，其中，所述至少一个抽吸头具有宽度，从在所述深海采矿车辆的宽度方向上测量的所述海床高度中滤除极端值，确定在所述至少一个抽吸头的宽度上的海床高度的子集，并且从所述子集中计算出在所述至少一个抽吸头的宽度上的最大海床高度，其中，所述致动器构造为基于计算出的所述最大海床高度而调节所述至少一个抽吸头的抽吸平面的高度，使得其相对于所述海床保持在所述预定限度之间。7.根据前述权利要求中任一项所述的深海采矿车辆，包括在所述深海采矿车辆的宽度方向上彼此平行设置的至少两个抽吸头。8.根据权利要求7所述的深海采矿车辆，包括2至10个抽吸头，更优选地包括3至5个抽吸头。9.根据权利要求7或8所述的深海采矿车辆，其中，所述抽吸头在相对于所述海床的高度方面单独地控制。10.根据前述权利要求中任一项所述的深海采矿车辆，其中，所述预定限度量为0和
200mm，更优选为20和100mm。11.根据前述权利要求中任一项所述的深海采矿车辆，其中，所述测量手段相对于所述移动方向位于所述至少一个抽吸头的敞开抽吸侧的前侧之前5至100cm之间的前方距离。12.根据前述权利要求中任一项所述的深海采矿车辆，包括另外的测量手段，用于获得相对于所述移动方向在所述敞开抽吸侧之前并且在所述深海采矿车辆的宽度上延伸的位置处的海床高度，其中所述另外的测量手段包括板条，所述板条连接到所述框架并且能够在所述移动方向上在所述海床上移动，并且所述另外的测量手段进一步包括计算装置，用于从测量的所述板条的倾斜度确定海床高度。13.根据权利要求12所述的深海采矿车辆，其中，所述板条从所述海床可移除。14.用于在很大深度处的海床上收取矿物沉积物并且可选地将所述沉积物输送到漂浮装置的方法，所述方法包括提供根据前述权利要求1至13中任一项所述的深海采矿车辆，将所述深海采矿车辆连接到设置在所述漂浮装置与所述深海采矿车辆之间的悬挂线缆，将所述深海采矿车辆朝向海床下降，以及在所述海床上方或在所述海床上向前移动所述深海采矿车辆以便收取所述矿物沉积物，以及可选地将所述深海采矿车辆朝向所述漂浮装置拖拽。

技术总结

描述了一种深海采矿车辆，用于从很大深度处的海床收取矿物沉积物，并且可选地将所述沉积物输送到漂浮装置。车辆包括支撑框架，该支撑框架设置有用于在海床上向前移动车辆的手段、用于收取的矿物沉积物的存储部、以及抽吸头，该抽吸头具有朝向海床定向并且沿着其收取矿物沉积物的敞开抽吸侧。深海采矿车辆还设置有控制装置，用于将抽吸平面的高度相对于海床保持在预定限度内。控制装置利用测量手段来获得相对于移动方向在敞开抽吸侧之前并且在深海采矿车辆的宽度上延伸的位置处的海床高度。并入到控制电路中的致动器基于在这些位置处测量的海床高度来调节抽吸头的高度。测量的海床高度来调节抽吸头的高度。测量的海床高度来调节抽吸头的高度。