JP5902675B2 - 制御可能な浮揚システムおよび方法 - Google Patents
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Description
特許文献10は、非剛性的な膨張可能な本体と、部分的に剛性なヘリウム貯蔵体と、本体の下側に設けられて凧を所定高度に保持する装置を収納する剛性ハウジングとを備え、鎖でつながれた熱力学的凧を開示している。
特許文献11は、第1の気体を有する第1の区画室と、第2の気体を有する第2の区画質とを備えた飛行船を開示している。制御装置は、飛行船を積極的に上昇または下降させるために、第1の気体を第1の区画室に流入・流出させる。
特許文献11は、少なくとも2つの地上ステーションと、高さおよび位置が調整可能な少なくとも1つの高高度接続ステーションとを備えた高高度通信システムを開示している。
第1気体と第2気体のいずれかが周囲空気より軽くなるように、支持構造物の浮力を変化させるのに使用される可変高度依存特性を有する第1気体を格納するとともに第2気体により囲繞される密封中空包囲体を有して、中空包囲体から第1気体が漏出するのを防止する一方向バルブを介して第1気体が中空包囲体に予め充填される、浮揚性の支持構造物と、
支持構造物の高度を表す標高信号を発生させるための標高センサと、
前記標高信号を受けて、測定された高度に応じて前記中空包囲体の内部にある前記第1気体の前記可変高度依存特性を変更することにより、前記支持構造物の浮力を変化させる高度トランスデューサと、
前記標高センサと前記高度トランスデューサとに結合されるとともに、前記支持構造物を予設定標高で浮揚させるように前記標高信号と少なくとも一つの基準標高信号とを受けて前記高度トランスデューサを自動制御する制御装置と、
を包含する制御可能な浮揚システムにおいて、
前記標高センサが、±1メートル以下の誤差で50mまでの高度を測定することが可能であり、
前記標高センサの動作範囲全体での前記システムの制御を可能にするため、休止状態から最初に上昇する時に、中空包囲体が標高が安定化された安定状態に達する前に実行される初期化段階においては、支持構造物が高過ぎると制御装置が推測するような故意に低いレベルに設定された指定の標準高度よりも支持構造物が高いかどうかを制御装置が判断して、前記中空包囲体に前記第1気体が充填されるように前記制御装置がポンプを作動させるようになされている、ことを特徴とする制御可能な浮揚システムが提供される。
FB=ρAir×VT×g (1)
により得られる。上式において、
VTは外側包囲体の容積、
ρAirは空気の密度、
gは重力加速度
である。
W=(mobject+mAir+mHe)×g (2)
で得られる。そのため、0.3kgの質量を持つ物体を支持するには、
(0.3+mAir+mHe)×g=ρAir×VT×g (3)
普遍的気体法則を適用すると、
P×V=m×R×T (4)
ρ=m/V=P/(R×T) (5)
そのため空気の密度は
ρAir=PAir/(RAir×TAir) (6)
で得られる。
ρHe=PHe/(RHe×THe) (7)
で得られる。
TAir=15℃(つまり288K)
PAir=101325Pa(つまり大気)
Rair=287.05Jkg−1K−1
が当てはまると仮定すると、
式6は
ρAir=101325/(287.05×288)=1.226kg/m3 (8)
となる。
THe=15℃(つまり288K)
PHe=110000Pa(つまり大気より若干高い)
RHe=2077Jkg−1K−1
と仮定すると、式7は
ρHe=110000/(2077×288)=0.184kg/m3 (9)
となる。
mAir=ρAir×VAir (10)
で得られる。
mHe=ρHe×(VT−Vair) (11)
で得られる。
0.3+ρAir×VAir+ρHe×(VT−VAir)=ρAir×VT (12)
となる。
0.3+ρHe×VT=ρAir×VT (13)
と単純化される。つまり
VT=0.3/(ρAir−ρHe) (14)
であって、
VT=0.3/(1.226−0.184)=0.287m3 (15)
が得られる。
VT=(4/3)πR3 (16)
で得られる。
R=(0.287×3/4π)1/3=0.41m (17)
で得られる。
11 支持構造物
12 密封中空包囲体/可撓性バルーン
13 外側包囲体
14 標高センサ
15 制御装置
16 第1電線
17 ポンプ
18 第1区分
19 入口
20 第2区分
21 ソレノイドバルブ
22 第2電線
23 リチウムポリマー電池
24 主幹スイッチ
25 LED
26 LEDドライバ
27 補助スイッチ
28 RFモジュール
29 遠隔制御装置
30 上板
31 ねじ
32 孔
33,34 側面部分
35 弓形リム
36 外周スロット
37 底板
38 ケーシング
40 中央孔
41 コネクタ
42 孔
43 気体入口
44 孔
45 キャップ
46 プラグ
47 凹孔
48 レンズ
49 孔、プリント回路基板
51 ねじ穴
52 充電端子
53 孔
54,56 ナット
60 浮遊ランプ装置
61 スタンド
62 底部
63 ポール
64 受台
65 枠材
66 保持キャップ
70 高度トランスデューサ
71 加熱要素
72 熱絶縁材料
75 高度トランスデューサ
76 コード
77 内壁
78 モータ
Claims (26)
- 第1気体と第2気体のいずれかが周囲空気より軽くなるように、支持構造物の浮力を変化させるのに使用される可変高度依存特性を有する第1気体を格納するとともに第2気体により囲繞される密封中空包囲体(12)を有して、前記中空包囲体から前記第1気体が漏出するのを防止する一方向バルブを介して前記第1気体が前記中空包囲体に予め充填される、浮揚性の支持構造物(11)と、
前記支持構造物の高度を表す標高信号を発生させるための標高センサ(14)と、
前記標高信号を受けて、測定された高度に応じて前記中空包囲体の内部にある前記第1気体の前記可変高度依存特性を変更することにより、前記支持構造物の浮力を変化させる高度トランスデューサ(17,21,61,66,67,68)と、
前記標高センサと前記高度トランスデューサとに結合されるとともに、前記支持構造物を予設定標高で浮揚させるように前記標高信号と少なくとも一つの基準標高信号とを受けて前記高度トランスデューサを自動制御する制御装置(15)と、
を包含する制御可能な浮揚システム(10)において、
前記標高センサが、±1メートル以下の誤差で50mまでの高度を測定することが可能であり、
前記標高センサの動作範囲全体での前記システムの制御を可能にするため、休止状態から最初に上昇する時に、前記中空包囲体(12)が標高が安定化された安定状態に達する前に実行される初期化段階においては、前記支持構造物(11)が高過ぎると前記制御装置が推測するような故意に低いレベルに設定された指定の標準高度よりも前記支持構造物(11)が高いかどうかを前記制御装置が判断して、前記中空包囲体(12)に前記第1気体が充填されるように前記制御装置がポンプを作動させるようになされている、
ことを特徴とする制御可能な浮揚システム(10)。 - 目標の予設定標高を表す第1基準信号を前記少なくとも一つの基準標高信号が含む、請求項1に記載のシステム。
- 瞬間標高と前記予設定標高との許容差を表す第2基準信号を前記少なくとも一つの基準標高信号が含む、請求項1または2に記載のシステム。
- 前記中空包囲体が弾性であって、
中空包囲体(12)への気体供給路のバルブ(21)を介して前記中空包囲体の入口にポンプ(17)が結合され、
前記標高信号を受けて、前記制御装置が、前記中空包囲体を膨張させるように第1気体を前記中空包囲体へ注入するか、前記内側中空包囲体を収縮させるように前記バルブを開放する、
請求項1乃至3のいずれか一つに記載のシステム。 - 前記高度トランスデューサが前記中空包囲体の内側に少なくとも一つの電気加熱要素(61)を含み、
前記制御装置が、前記支持構造物が前記所定標高を下回ると前記中空包囲体の浮力を上昇させるように第2気体を加熱するとともに、前記支持構造物が前記所定標高を上回ると前記中空包囲体の浮力を低下させるように前記第2気体を冷却する、
請求項1に記載のシステム。 - 前記制御装置は、前記第1気体が受動的に冷却されるように前記少なくとも一つの電気加熱要素を通電停止することにより前記第1気体を冷却するものである、
請求項5に記載のシステム。 - さらに、
前記第1気体を能動的に冷却するための冷却装置、
を含み、
前記制御装置は、前記少なくとも一つの電気加熱要素の通電停止に加えて前記冷却装置に通電することにより前記第1気体を冷却するものである、
請求項5に記載のシステム。 - 前記中空包囲体が実質的に剛性であり、
前記中空包囲体の壁(67)を前記制御装置に結合するための前記中空包囲体の内側の容積調節装置(66)を前記高度トランスデューサが含み、
前記制御装置が、前記支持構造物が前記所定標高を下回ると、前記中空包囲体の中の気体の容積を増加させることにより前記中空包囲体の浮力を上昇させるとともに、前記支持構造物が前記所定標高を上回ると、前記中空包囲体の中の気体の容積を減少させることにより前記中空包囲体の浮力を低下させる、
請求項1に記載のシステム。 - 前記容積調節装置が、前記中空包囲体の内壁に第1端部が固定されるとともに前記制御装置に第2端部が結合されたコードであり、
前記制御装置は、前記コードの張力を調節することにより前記中空包囲体の中の前記気体の容積を変化させるものである、
請求項8に記載のシステム。 - 前記コードの張力をそれぞれ上昇または低下させるように前記コードの巻取りまたは巻出しを行うように前記制御装置により作動するモータ(68)を介して、前記コード(61)が前記制御装置(15)に結合される、請求項9に記載のシステム。
- 前記中空包囲体が弾性であって、
中空包囲体(12)への気体供給路のバルブ(21)を介して前記中空包囲体の気体入口にポンプ(17)が結合され、
前記制御装置が前記標高信号に応じて、前記中空包囲体を膨張させるように前記中空包囲体へ前記第2気体を注入するか、前記中空包囲体を収縮させるように前記バルブを開放する、
請求項1に記載のシステム。 - 電池(25)により自家発電が行われる、請求項1乃至11のいずれか一つに記載のシステム。
- 前記電気装置へ送られる放射により発電が行われる、請求項1乃至11のいずれか一つに記載のシステム。
- 太陽光発電が行われる、請求項13に記載のシステム。
- 装着された物体を支持するための架台として前記支持構造物が機能する、請求項1乃至14のいずれか一つに記載のシステム。
- 前記予設定標高を設定するため前記制御装置に結合されたセレクタを有する、請求項1乃至15のいずれか一つに記載のシステム。
- さらに、前記制御装置の遠隔操作のため前記制御装置に結合された遠隔制御ユニット(28)を含み、前記遠隔制御ユニットは、標高センサの動作範囲内の所定の高度において前記支持構造物(11)およびこれの付属物を予設定標高で浮揚させるようになされている請求項1乃至16のいずれか一つに記載のシステム。
- 前記遠隔制御ユニットがRFモジュール(28)である、請求項17に記載のシステム。
- 前記制御装置は、前記支持構造物が前記安定状態に達するまで前記初期化段階を実行してから前記支持構造物を前記目標予設定標高に維持する調整段階を実行するものである、請求項1乃至18のいずれか一つに記載のシステム。
- 固有IDにより前記支持構造物(11)が特定され、前記制御装置が、前記固有IDを受けて、受信した標高信号を前記支持構造物と関連付けるとともに前記支持構造物の中の前記高度トランスデューサへ制御信号を送達することで、遠隔制御装置(29)による一つ以上の支持構造物の遠隔制御を可能にする、請求項17乃至19のいずれか一つに記載のシステム。
- 各自の制御装置を各々が格納する複数の支持構造物を含み、前記制御装置のすべてが相互に同期化される、請求項20に記載のシステム。
- 100mm未満の解像度で0から6.45mの高度を測定するのに前記標高センサが適している、請求項1乃至21のいずれか一つに記載のシステム。
- 5kg未満の合計質量を有する、請求項1乃至22のいずれか一つに記載のシステム。
- 請求項4に記載のシステムを前記予設定標高まで上昇させるための方法であって、
前記目標予設定標高より低い標準高度を指定することと、
前記初期化段階において、測定された高度が前記標準高度よりも高いと前記制御装置が推測して、前記中空包囲体(12)へ第1気体を注入するため前記高度トランスデューサを作動させるように、前記制御装置のための基準として前記標準高度を使用することと、
前記中空包囲体に充分な第1気体がある時に、前記支持構造物を前記目標予設定標高に維持する調整段階に変更することと、
を包含する方法。 - 前記初期化段階中に、前記中空包囲体の浮力によって前記支持構造物が上昇することが防止される、請求項24に記載の方法。
- 遠隔制御を用いて前記初期化段階から前記調整段階へ変更することを含む、請求項24または25に記載の方法。
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