JP3852555B2 - 熱制御装置、宇宙機および熱制御方法 - Google Patents
熱制御装置、宇宙機および熱制御方法Info
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の熱制御対象を同時にヒータ等で熱制御する熱制御装置、この熱制御装置を搭載した宇宙機、およびその熱制御方法に関するもので、例えば、人工衛星、宇宙ステーションや宇宙航行用の輸送機等の宇宙機の熱制御に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の人工衛星の熱制御の概略を、図6に示す。図6において、1は電源、2は人工衛星に搭載された複数の熱制御対象、3は各熱制御対象に取付けた複数のヒータ、4は各熱制御対象に取付けた複数の温度センサ、5は計算機の指示によりヒータ3をON/OFFするスイッチ、6はヒータ3のON/OFFを判断/指示する計算機、7は計算機6の中に搭載されたヒータ3のON/OFF判断手段である。なお、2〜5の記号に示す添字は、上から順に1、2、3 ・・とし、同じ構成要素のものが複数個あることを示す。また、人工衛星の場合、例えば上記熱制御対象2としては、衛星構体に配置された姿勢制御系、通信系、データ処理系、電源系等の電子機器、推進系機器、アンテナ等がある。
【0003】
次に動作について説明する。従来は、ヒータON/OFF判断手段7において図7に示すロジックに基づきヒータ3をON/OFF制御させている。以下、図6及び図7によりその動作を説明する。
最初にステップS1において、熱制御対象2iに付けた温度センサ4iにより各熱制御対象の温度Tiを計測する。ステップS2において温度Tiと熱制御対象2iの下限制御温度Tiaの比較を行い、TiがTiaより低いと、ステップS3に従い計算機6よりスイッチ5iにONの指示が行き、ヒータ3iはONとなり温度Tiは上がってくる。次にステップS2においてTiがTiaより高い場合は、ステップS4において、温度Tiと熱制御対象2iの上限制御温度Tibの比較を行い、TiがTibより高いと、ステップS5に従い、計算機6よりスイッチ5iにOFFの指示が行き、ヒータ3iはOFFとなり、熱制御対象2の温度Tiは下がってくる。また、ステップS4においてTiがTibより低い場合は、現状のヒータON/OFFステータスを切替えないでヒータのON/OFFを維持する(ヒステリシス)。従来の方式では、上記のように熱制御されるので、熱制御対象2iの温度Tiは図8に示すようになり、ほぼTia〜Tibの範囲に制御される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の人工衛星の熱制御方式では、複数個の熱制御対象を同時に熱制御すると、消費されるヒータ電力は図9のようになる。この図9は3個の熱制御対象を3個のヒータで熱制御している場合を例としており、3個のヒータの平均電力を破線で示すが、最大で3個のヒータが同時にONとなるケースがあり、時間で平均した平均電力よりもかなり大きなピーク電力(最大電力)が発生する。熱の収支から言えば、常時平均電力相当のヒータがONとなっていれば熱制御可能なはずであるが、従来の方式では、複数のヒータのONが重なった時に大きなピーク電力(最大電力)が発生し、人工衛星の電力系にインパクトを与えていると言う課題がある。
例えば、実際の人工衛星では100以上のヒータを搭載しているものが多々あり、その場合ヒータのピーク電力はヒータの平均電力の数倍〜10倍以上に及ぶことがあり、衛星の各搭載機器に供給すべき所要電力に比して無視しえないものとなり、したがって電力系はそのピーク電力に対しても電力を供給できる設計としなければならず、最大供給電力容量の大きな電源を使用するなど衛星の重量やコスト面で多大な影響を与えていた。
【0005】
この発明は、従来の人工衛星等の熱制御に係る上記課題を解決する為になされたもので、複数のヒータのONの重なりにより生ずるピーク電力(最大電力)を抑え、電力系へのインパクトを小さく抑えることを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この第1の発明による熱制御装置は、複数の熱制御対象をそれぞれ加熱する複数のヒータと、上記それぞれの熱制御対象の温度を計測する複数の温度センサと、温度に対応して予め設定された上記ヒータをONさせる優先順位と上記温度センサで計測される温度に基づいて、上記ヒータの電力の和が所定の電力を超えないように上記優先順位の高いヒータをONし、上記優先順位の低いヒータをOFFする制御手段とを備え、上記優先順位は、上記各熱制御対象における所要の温度制御範囲内に設けられた複数の温度範囲毎に予め設定された順位と上記温度センサで計測された温度との対比、及び上記熱制御対象における温度の応答速度に基づいて、上記熱制御対象における温度の応答速度の早いもの、および温度の低いものの優先度を高くしたことを特徴とするものである。
【0010】
また、第2の発明による熱制御装置は、上記制御手段は、上記温度制御範囲の上限側に、ヒータ電力の和が所定の電力を超えない限りヒータのON/OFF動作を行わない範囲を有したものである。
【0011】
また、第3の発明による熱制御装置は、上記制御手段は、上記温度センサで計測された温度が上記温度制御範囲における上限近傍の範囲内に有る場合、ヒータをOFF動作させるものである。
【0012】
また、第4の発明による熱制御装置は、上記所定のヒータの最大電力は、上記ヒータの動作時の平均電力より僅かに大きいところに設定されたものである。
【0013】
また、第5の発明による宇宙機は、上記第1から第4の発明による熱制御装置を搭載し、各々ヒータが設けられた複数の熱制御対象の熱制御を行うものである。
【0014】
また、第6の発明による熱制御方法は、複数の熱制御対象をそれぞれ加熱する複数のヒータと、上記それぞれの熱制御対象の温度を計測する複数の温度センサとを具備してヒータの制御を行う熱制御方法において、上記各温度センサで計測された各々の温度に基づいて、上記各ヒータの対応するON動作の優先順位を決定する第1のステップと、上記第1のステップで決定されたヒータにおける上記優先順位の高いものから順に、ヒータをONした場合のヒータ電力を逐次加算する第2のステップと、上記第2のステップで優先順位に従って逐次加算されるヒータの総電力を逐次所定の電力と比較し、当該所定の電力を超えた段階で、当該所定の電力を超える前迄に逐次加算された優先順位に対応する各々のヒータをONさせる第3のステップと、を繰り返してヒータの制御を行い、上記優先順位は、上記各熱制御対象における所要の温度制御範囲内に設けられた複数の温度範囲毎に予め設定された順位と上記温度センサで計測された温度との対比、及び上記熱制御対象における温度の応答速度に基づいて、上記熱制御対象における温度の応答速度の早いもの、および温度の低いものの優先度を高くしたことを特徴とするものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1の構成を示す図である。図1において1は電源、2はN(N≧2)個の熱制御対象、3は熱制御対象に取付けたN(N≧2)個のヒータ、4は熱制御対象に取付けたN(N≧2)個の温度センサ、5は計算機の指示によりヒータ3をON/OFFするスイッチ、6はヒータ3のON/OFFを指示する計算機、8は計算機の中に搭載されたヒータON/OFF優先順位判断手段、9は計算機の中に搭載されたヒータピーク電力管理手段である。なお、3〜6の記号に示す添字は、上から順に1、2、3 ・・とし、同じ構成要素のものが複数個あることを示す。
【0016】
この実施形態においては、ヒータON/OFF優先順位判断手段8に搭載されたヒータON/OFF優先順位ロジックにより各ヒータ3をONする候補を選定し、ヒータピーク電力管理管理手段9に搭載されたヒータピーク電力管理ロジックにより、トータルヒータのピーク電力(最大電力)が制限値内に収まる範囲内で各ヒータ3をONする。ここで、トータルヒータのピーク電力(最大電力)制限値は、トータルヒータの平均電力よりも大きい値にする必要があるが、熱の収支から、その値は平均電力に近づけることができる。よって、トータルヒータの平均電力より少し大きいところにトータルヒータのピーク電力(最大電力)制限値を設ければ、図5に示すように、複数のヒータ3のトータル電力は平均電力付近で推移し、トータルヒータのピーク電力(最大電力)は、トータルヒータの平均電力よりも少し大きい程度に抑えることができる。
【0017】
図2及び図3は、それぞれこの実施形態に係わる、ヒータON/OFF優先順位判断手段8におけるヒータON/OFF優先順位ロジック、及びヒータピーク電力管理手段9におけるヒータピーク電力管理ロジックの一例を示すものであり、以下これら図1〜図3を元にその動作を具体的に説明する。
【0018】
まず、図2はヒータON/OFF優先ロジックにおける優先順位の判断の1例を示すものであって、熱制御対象の温度応答性、及びヒータ3をONする最低要求温度(従来の場合の図8のTiaに相当)からの温度差を元に、各ヒータのONに関し各ヒータ間で優先順位を付けている(図中の数字▲1▼▲2▼▲3▼…▲9▼がそのヒータ3をONにする優先順位を示す)。ここで、ヒステリシスとあるのは、ヒータ3のON/OFF回数が頻繁にならないように、ヒータがONとなる温度とOFFとなる温度に差を設けるもので、このヒステリシスの領域では、後述のヒータピーク電力ロジックの条件を満足する限り現状を維持する(すなわち、現在ONであるものは原則的にON、現在OFFのものはOFFとする)。またΔTは、Tia+3ΔT≦Tib(Tia、Tibは図8による)となるように選び、この式中の数字3は、ヒータの数や温度範囲、温度応答性に応じて最適な制御が行えるように適宜他の値を使っても良い。
ヒータON/OFF優先順位判断手段8は、例えば図2のテーブルをデータベースに格納しておき、熱制御対象2iの対応するヒータ3iの計測温度をA/D変換した値に基づきデーターベースを参照することによって、ヒータ3iの対応する優先順位の情報を出力するように構成されたディジタル回路、或いは熱制御対象2iを識別する信号とその対応するヒータ3iの計測温度値を入力することによって、優先順位の情報を出力するように構成されたロジック回路等を備えることにより、優先順位の判断を行う。
例えば、ヒータ31で計測された温度が(1.5ΔT+Tia)であり、熱制御対象21の温度応答性が速い場合、Tiaからの差がΔT〜2ΔTに対応する優先順位が▲5▼であり、かつこのヒータ31はONさせる候補であると判断する。また、ヒータ32で計測された温度が(2.5ΔT+Tia)であり、熱制御対象22の温度応答性が遅い場合、Tiaからの差が2ΔT〜3ΔTに対応する優先順位が、このヒータ32をOFFさせるものであると判断する。
【0019】
次に、図3にもとづいて、ヒータピーク電力管理手段9のピーク電力管理ロジックにおける、ヒータ3のピーク電力を抑えた状態での熱制御動作の1例を説明する。
最初にステップS11により、各熱制御対象2iの温度Tiを温度センサ4iにより測定する。次にステップS12に従い、図2のヒータON/OFF優先ロジックにより、ヒータOFFにするものを除く。除かれたものは、ステップS13によりヒータ3iをOFFする。次に図2のヒータON/OFF優先ロジックによりヒータ3iをOFFしないもの(すなわちON及びヒステリシスのもの)については、ステップS13によりヒステリシスであるかを判定する。ヒステリシスであるものについては、ステップS15により、現在OFFであるものは、ステップS13によりヒータ3iをOFFにする。以上によりOFFするヒータ3は全て除外され、ステップS14により優先順位ロジックでONのものが、ステップS15によりヒステリシスで現在ONのものが、ONする候補のヒータ3jとしてステップS16に行く。例えば、ヒータ31の温度が(0.5ΔT+Tia)で対応の熱制御対象21の温度応答性が速く、ヒータ32の温度が(2.5ΔT+Tia)で対応の熱制御対象22の温度応答性が中で、ヒータ33の温度が(3ΔT+Tia)で対応の熱制御対象23の温度応答性が遅い場合、ヒータ31、ヒータ32、およびヒータ33の優先順位は、図2のロジックによって各々▲2▼、▲9▼、およびOFFとなる。このとき、ONする候補のヒータ3は、優先順位の高い順にヒータ31(優先順位▲2▼)、ヒータ32(優先順位▲9▼)となる。
【0020】
ステップS16では、これらONする候補のヒータ3jの各ヒータ電力Pjを電圧Vと各ヒータの抵抗値Rjより次式(1)により計算する。
Pj=V2/Rj ・・・・式(1)
そして、このONする候補の各ヒータ3jのヒータ電力Pjを求め、図2のヒータON/OFF優先ロジックの優先順位の高い順(▲1▼、▲2▼、▲3▼、…、m(h-1)、mh、…、▲9▼)にONした場合のヒータのトータル電力Ptを計算する。例えば、ΣPj(▲1▼)を優先順位が▲1▼のヒータ3jのヒータ電力の総和、ΣPj(▲2▼)を優先順位が▲2▼のヒータ3jのヒータ電力の総和、・・・、ΣPj(mh)を優先順位がmhのヒータ3jのヒータ電力の総和とすると、優先順位▲1▼からmhまでのヒータのトータル電力Ptは次式(2)のように計算される。
Pt=ΣPj(▲1▼)+ΣPj(▲2▼)+…+ΣPj(mh) ・・・・式(2)
ステップS17により、ONする候補の各ヒータ3jのヒータ電力を、優先順位に基づいて逐次加算することによって得られるトータルヒータ電力Ptが、制限値Plを超えるときの優先順位mhを求め、ステップS18ではその1つ手前の優先順位m(h-1)までONする候補の各ヒータ3jをONし、かつそれ以降の優先順位の低い他のONする候補のヒータ3jをOFFに設定する。
【0021】
これにより、次式(3)に示すように、ヒータのトータル電力Ptは制限値Pl内となり、ヒータON/OFF優先ロジック及びピーク電力管理ロジックによる一連のヒータON/OFF設定作業が終わる。
Pt=ΣPj(▲1▼)+ΣPj(▲2▼)+…+ΣPj(m(h-1))<Pl ・・・式(3)
(ΣPj(▲1▼)を優先順位が▲1▼のヒータ3jのヒータ電力の総和、ΣPj(▲2▼)を優先順位が▲2▼のヒータ3jのヒータ電力の総和、・・・、ΣPj(mh)を優先順位がmhのヒータ3jのヒータ電力の総和と仮定。)
そして再び最初のステップS11に戻り、各熱制御対象の温度Tiを測定し、上記一連の作業を繰り返す。
【0022】
上記手順により、熱制御対象の温度Tiは図4のようになる。この図4は、図2における温度応答性が中のものに対し、この発明の一例の熱制御による温度応答を示したもので、熱制御対象の温度は、従来は図8に示すように所要の制御範囲Tia〜Tibの温度範囲で振れるが、この発明では通常Tia〜Tibよりは内側でヒータのON/OFFがなされ、温度はTia〜Tibよりは内側となる。従来の図7のロジックだと、ヒータはTiaまで温度が下がらないとONとならず、またTiaまで温度が下がったら必ずONしなければならない。この発明の方式では、図2に示すようにTiaに温度が下がる前からヒータをONすることを可能にさせ、かつその場合必ずしもヒータをONする必要はないので、ヒータのON/OFFに対し大幅な自由度がある。また、ピーク電力(最大電力)の制限値Plに対しヒータのトータル電力Ptが少ない場合は、Tiaまで温度が下がらなくても優先順位にしたがってヒータをONすることができるし、逆にピーク電力(最大電力)の制限値Plに対しトータル電力Ptが超えてしまう場合は、優先順位の低い順にしたがってヒータをOFFしていくことができる。
【0023】
以上によって、ヒータのON/OFFは自由度の大きな状態で、そのトータルヒータ電力Ptがヒータの平均電力より少し大きく設定したピーク電力(最大電力)制限値Pl内に収まるように制御されるので、その結果、トータルヒータ電力Ptは、図5に示すように常時平均電力付近で推移するようになる。このトータルヒータ電力の挙動は、従来は図9に示す例のように平均電力に比べて大きなピーク電力(最大電力)が生じるが、この発明では図5のように平均電力に比べて少し大きい程度のピーク電力(最大電力)に抑えることができる。
【0024】
よってこの実施の形態によれば、人工衛星等の宇宙機を熱制御するためのヒータピーク電力(最大電力)を小さく抑えることができるため、ヒータに電力供給している宇宙機の電力系の最大電力を小さく抑えることができ、電力系の設計を容易にすることができる。また、これによって宇宙機に搭載される電源の重量を低減し、かつコストを低減させることが可能となる。
【0025】
特に近年、宇宙ステーション等において、ドッキングを伴うシステムがある。このようなシステムにおいては、ドッキング後は一方から他方へ電力が供給されることが多く、電力の供給を受ける側は、電力を抑える厳しい管理が要求されるようになってきている。この実施の形態で示したような熱制御装置を、例えば宇宙ステーションとドッキングする輸送機(宇宙機)に使用すれば、ヒータ電力を抑圧することができ、上記厳しい電力管理にも対応が可能な宇宙機を製作できる。
【0026】
なお、上記例では、図2に示した優先順位判断ロジックを用いているが、発明の主旨とするところが同じであれば他の優先順位判断ロジックを用いることもできる。また、熱制御対象が多数の場合、温度応答性の3段階分割では、同一順位ランクのヒータが多数存在することとなるが、その場合は温度応答性を3段階以上に細分化してもよい。あるいは、同一順位ランクの中を更に別の判断基準で順位付けをしてもよい(例えば、同一ランク内を更に3段階に順位付けし、▲1▼-1、▲1▼-2、▲1▼-3、▲2▼-1、▲2▼-2、▲2▼-3、・・・、▲9▼-1、▲9▼-2、▲9▼-3のように順位を設定する。)
また上記例では熱制御の加熱源としてヒータの場合について述べたが、この方式は電力を用いた他の加熱装置にも適用できる。また電力を用いた冷却装置による熱制御にも、同様の考えを用いて、冷却装置のピーク電力の削減に適用できる。さらに、以上の説明では電力を供給エネルギーとする熱制御装置の電力のピーク電力の削減について述べたが、供給エネルギーを他のエネルギー、例えばガス、石油等とした場合であっても、主旨とするところが同じであれば供給エネルギーのピーク量の削減ができることは言うまでもない。
【0027】
【発明の効果】
この発明によれば、ヒータに電力供給している電力系のピーク電力を小さく抑えることができ、ヒータによる電力系への負荷を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明による熱制御装置の実施形態1を示す構成図である。
【図2】 この発明によるヒータON/OFF優先順位ロジックの一例を示す図である。
【図3】 この発明によるヒータピーク電力管理ロジックの一例を示す図である。
【図4】 この発明による熱制御装置の温度応答を示す図である。
【図5】 この発明による熱制御装置のトータルヒータ電力の挙動を示す図である。
【図6】 従来熱制御装置の構成図である。
【図7】 従来の熱制御装置のヒータON/OFF判断ロジックを示す図である。
【図8】 従来の熱制御装置の温度応答を示す図である。
【図9】 従来の熱制御装置のトータルヒータ電力の挙動を示す図である。
【符号の説明】
1 電源、 2 熱制御対象、 3 ヒータ、 4 温度センサ、 5 スイッチ、 6 計算機、 8 ヒータON/OFF優先順位判断手段、 9 ヒータピーク電力管理手段。
Claims (6)
- 複数の熱制御対象をそれぞれ加熱する複数のヒータと、
上記それぞれの熱制御対象の温度を計測する複数の温度センサと、
温度に対応して予め設定された上記ヒータをONさせる優先順位と上記温度センサで計測される温度に基づいて、上記ヒータの電力の和が所定の電力を超えないように上記優先順位の高いヒータをONし、上記優先順位の低いヒータをOFFする制御手段と、
を備え、
上記優先順位は、上記各熱制御対象における所要の温度制御範囲内に設けられた複数の温度範囲毎に予め設定された順位と上記温度センサで計測された温度との対比、及び上記熱制御対象における温度の応答速度に基づいて、上記熱制御対象における温度の応答速度の早いもの、および温度の低いものの優先度を高くしたことを特徴とする熱制御装置。 - 上記制御手段は、上記温度制御範囲の上限側に、ヒータ電力の和が所定の電力を超えない限りヒータのON/OFF動作を行わない範囲を有したことを特徴とする請求項1記載の熱制御装置。
- 上記制御手段は、上記温度センサで計測された温度が上記温度制御範囲における上限近傍の範囲内に有る場合、ヒータをOFF動作させることを特徴とする請求項1記載の熱制御装置。
- 上記所定のヒータの最大電力は、上記ヒータの動作時の平均電力より僅かに大きいところに設定されたことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の熱制御装置。
- 上記請求項1から4記載の熱制御装置を搭載し、各々ヒータが設けられた複数の熱制御対象の熱制御を行うことを特徴とした宇宙機。
- 複数の熱制御対象をそれぞれ加熱する複数のヒータと、上記それぞれの熱制御対象の温度を計測する複数の温度センサとを具備してヒータの制御を行う熱制御方法において、
上記各温度センサで計測された各々の温度に基づいて、上記各ヒータの対応するON動作の優先順位を決定する第1のステップと、
上記第1のステップで決定されたヒータにおける上記優先順位の高いものから順に、ヒータをONした場合のヒータ電力を逐次加算する第2のステップと、
上記第2のステップで優先順位に従って逐次加算されるヒータの総電力を逐次所定の電力と比較し、当該所定の電力を超えた段階で、当該所定の電力を超える前迄に逐次加算された優先順位に対応する各々のヒータをONさせる第3のステップと、
を繰り返してヒータの制御を行い、
上記優先順位は、上記各熱制御対象における所要の温度制御範囲内に設けられた複数の温度範囲毎に予め設定された順位と上記温度センサで計測された温度との対比、及び上記熱制御対象における温度の応答速度に基づいて、上記熱制御対象における温度の応答速度の早いもの、および温度の低いものの優先度を高くしたことを特徴とする熱制御方法。
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