JPH11240499A - 東西電池ラジエータを有する衛星 - Google Patents
東西電池ラジエータを有する衛星Info
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 東西の電池モジュール及び熱をディープスペ
ースに放出する同様な方向を向いたラジエータからなる
静止軌道を移動する船体安定化衛星の電池システム。 【解決手段】東の熱スイッチ５０は、第１の電池モジュ
ール３８を東向きラジエータ４０に熱的に接続するよう
に動作し、西の熱スイッチ５２は、第２の電池モジュー
ル４４を西向きラジエータ４６に熱的に接続するように
動作する。衛星が地球の陰から出現し太陽の最近接位置
に至る間に、それぞれの熱スイッチは第１の電池モジュ
ールをそのラジエータに熱的に接続しつつ第２の電池モ
ジュールをそのラジエータから切り離す。又、衛星が太
陽の最近接位置から地球の陰に入るまでの間、東の熱ス
イッチは第１の電池モジュールをそのラジエータから熱
的に切り離しつつ西の熱スイッチは第２の電池モジュー
ルをそのラジエータに熱的に接続する。更に他の場合
は、衛星が地球の陰にある間に始まり、電池モジュール
は同時にそれらの関連するラジエータに熱的に接続され
る。
ースに放出する同様な方向を向いたラジエータからなる
静止軌道を移動する船体安定化衛星の電池システム。 【解決手段】東の熱スイッチ５０は、第１の電池モジュ
ール３８を東向きラジエータ４０に熱的に接続するよう
に動作し、西の熱スイッチ５２は、第２の電池モジュー
ル４４を西向きラジエータ４６に熱的に接続するように
動作する。衛星が地球の陰から出現し太陽の最近接位置
に至る間に、それぞれの熱スイッチは第１の電池モジュ
ールをそのラジエータに熱的に接続しつつ第２の電池モ
ジュールをそのラジエータから切り離す。又、衛星が太
陽の最近接位置から地球の陰に入るまでの間、東の熱ス
イッチは第１の電池モジュールをそのラジエータから熱
的に切り離しつつ西の熱スイッチは第２の電池モジュー
ルをそのラジエータに熱的に接続する。更に他の場合
は、衛星が地球の陰にある間に始まり、電池モジュール
は同時にそれらの関連するラジエータに熱的に接続され
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、宇宙船応用の電
池、特に、船体安定化衛星の、通常使用しない東西表面
への電池ラジエータの再配置に関する。本発明の開示全
体にわたって用いられる静止衛星という用語は、軌道の
全体にわたって太陽のラインに垂直な向かい合った面を
保持するいかなる周回衛星にも適用できると理解され
る。
池、特に、船体安定化衛星の、通常使用しない東西表面
への電池ラジエータの再配置に関する。本発明の開示全
体にわたって用いられる静止衛星という用語は、軌道の
全体にわたって太陽のラインに垂直な向かい合った面を
保持するいかなる周回衛星にも適用できると理解され
る。
【０００２】
【従来の技術】商用の静止衛星のペイロード容量は、不
用な熱を排除する衛星の能力によって制限される。宇宙
空間における熱排除は熱放射によってなされるが、熱放
射は放射表面が太陽に直接さらされないときに最も効率
的に実行される。連続的に動作するペイロードを有する
船体安定化された衛星においては、北及び南に向いた面
だけが、通常この要求を満たす。衛星船体の他の面（東
西方向、地球方向、反地球方向）は全て、断続的に太陽
光線に直接さらされる。これらの面は太陽の光束によっ
て加熱され、太陽輻射の吸収のため、連続的に動作する
装置から熱を効率的に消散させるのには用いることがで
きない。最終的には、宇宙船／ペイロードの熱消散能力
によって制限される。
用な熱を排除する衛星の能力によって制限される。宇宙
空間における熱排除は熱放射によってなされるが、熱放
射は放射表面が太陽に直接さらされないときに最も効率
的に実行される。連続的に動作するペイロードを有する
船体安定化された衛星においては、北及び南に向いた面
だけが、通常この要求を満たす。衛星船体の他の面（東
西方向、地球方向、反地球方向）は全て、断続的に太陽
光線に直接さらされる。これらの面は太陽の光束によっ
て加熱され、太陽輻射の吸収のため、連続的に動作する
装置から熱を効率的に消散させるのには用いることがで
きない。最終的には、宇宙船／ペイロードの熱消散能力
によって制限される。
【０００３】現在、この制限に対しては、ある種の非常
に高い温度でも動作する装置を衛星の東及び西の面に配
置することによって部分的に対処している。この種の装
置の例としては、通信衛星における出力マルチプレクサ
（ＯＭＵＸ）がある。ＯＭＵＸは非電子的な部品なの
で、１００℃以上の温度で動作し、その据え付け面が太
陽の照射を直接受けやすい場合でも有効に熱消散する。
しかしながら、通常ＯＭＵＸは東及び西の衛星面の全面
を必要としない。本発明の目的は、他の装置を衛星の北
／南面から東／西面への再配置を可能にすることであ
る。この再配置によって、連続的に動作させなければな
らない電子回路装置に対して、更に南北面にラジエータ
領域が与えられ、衛星の能力が向上する。
に高い温度でも動作する装置を衛星の東及び西の面に配
置することによって部分的に対処している。この種の装
置の例としては、通信衛星における出力マルチプレクサ
（ＯＭＵＸ）がある。ＯＭＵＸは非電子的な部品なの
で、１００℃以上の温度で動作し、その据え付け面が太
陽の照射を直接受けやすい場合でも有効に熱消散する。
しかしながら、通常ＯＭＵＸは東及び西の衛星面の全面
を必要としない。本発明の目的は、他の装置を衛星の北
／南面から東／西面への再配置を可能にすることであ
る。この再配置によって、連続的に動作させなければな
らない電子回路装置に対して、更に南北面にラジエータ
領域が与えられ、衛星の能力が向上する。
【０００４】宇宙船の電池は、衛星の東西面への再配置
の対象となる装置の代表である。明らかに電池の特徴
は、放電するときに最大の熱を生成し、衛星が地球の陰
になって東西面に入射太陽輻射がないとき（衛星の熱放
射能力が最も高いとき）に、通常、放電されることであ
る。電池は、衛星の東西面が交互に太陽にさらされる太
陽照射の期間に再充電される。電池を再充電するときに
は、高率での放電によって熱くなった電池を冷やすた
め、また、電池が一杯に充電されるにつれて再充電の効
率が悪くなることによって熱が生成されるため、熱の排
除が要求される。しかしながら、再充電は連続的である
必要はなく、実際、東西面に電池を配置した衛星では、
食の間における放電の後に陰になる西面を最初に再充電
し、次に東面を再充電するというようなシーケンスで順
番に再充電してもよい。
の対象となる装置の代表である。明らかに電池の特徴
は、放電するときに最大の熱を生成し、衛星が地球の陰
になって東西面に入射太陽輻射がないとき（衛星の熱放
射能力が最も高いとき）に、通常、放電されることであ
る。電池は、衛星の東西面が交互に太陽にさらされる太
陽照射の期間に再充電される。電池を再充電するときに
は、高率での放電によって熱くなった電池を冷やすた
め、また、電池が一杯に充電されるにつれて再充電の効
率が悪くなることによって熱が生成されるため、熱の排
除が要求される。しかしながら、再充電は連続的である
必要はなく、実際、東西面に電池を配置した衛星では、
食の間における放電の後に陰になる西面を最初に再充電
し、次に東面を再充電するというようなシーケンスで順
番に再充電してもよい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記したことは当業者
にはよく認識されており、例えば、ロシアのヤマル（Ru
ssian Yamal）衛星は東西配置の電池を用い、陰になっ
た電池のみを順番に再充電する方法を用いている。しか
しながら、東西に電池を配置したヤマル型には以下の問
題がある。 （１）動作していない電池の温度は逆に太陽輻射によっ
て上昇し、食の間の動作温度を上昇させるので、再充電
の間に冷却できる度合いを低下させる。これによって結
果的に、米国特許第５，３９５，７０６号が教示する最
適の再充電温度には達しないので電池の能力は低下す
る。
にはよく認識されており、例えば、ロシアのヤマル（Ru
ssian Yamal）衛星は東西配置の電池を用い、陰になっ
た電池のみを順番に再充電する方法を用いている。しか
しながら、東西に電池を配置したヤマル型には以下の問
題がある。 （１）動作していない電池の温度は逆に太陽輻射によっ
て上昇し、食の間の動作温度を上昇させるので、再充電
の間に冷却できる度合いを低下させる。これによって結
果的に、米国特許第５，３９５，７０６号が教示する最
適の再充電温度には達しないので電池の能力は低下す
る。
【０００６】（２）電池当たり１２時間未満の冷却時間
でのシーケンスで充電する場合、南北の電池に対して短
時間で個々の電池を冷却するには、単位電池容量当たり
のラジエータ領域はより大きくなければならない。 （３）ラジエータがより大きくなるに従い、最小温度以
上で電池を維持するのに要求される電力はより大きくな
り、太陽電池アレイの電力（通常、宇宙応用では１ワッ
トにつき１０００ドル）の電池ヒータへの割当てにイン
パクトを与える。
でのシーケンスで充電する場合、南北の電池に対して短
時間で個々の電池を冷却するには、単位電池容量当たり
のラジエータ領域はより大きくなければならない。 （３）ラジエータがより大きくなるに従い、最小温度以
上で電池を維持するのに要求される電力はより大きくな
り、太陽電池アレイの電力（通常、宇宙応用では１ワッ
トにつき１０００ドル）の電池ヒータへの割当てにイン
パクトを与える。
【０００７】（４）２系統のバスを有する衛星の電池を
順に再充電する場合、再充電時に２つのバスに蓄えたエ
ネルギー間に不均衡な状態が生じる。この不均衡によっ
て非常時のロック状態喪失時にはペイロードをシャット
ダウンすることが必要となる。 （５）また、電気スラスタの電力源として用いる場合、
スラスタが特定の点火時間において太陽にさらされると
きに電池を用いたとき（例えば、南北のステーションキ
ーピングに用いられたとき）では、ロジスティックな問
題に遭遇することがある。
順に再充電する場合、再充電時に２つのバスに蓄えたエ
ネルギー間に不均衡な状態が生じる。この不均衡によっ
て非常時のロック状態喪失時にはペイロードをシャット
ダウンすることが必要となる。 （５）また、電気スラスタの電力源として用いる場合、
スラスタが特定の点火時間において太陽にさらされると
きに電池を用いたとき（例えば、南北のステーションキ
ーピングに用いられたとき）では、ロジスティックな問
題に遭遇することがある。
【０００８】上記したことから本発明は理解され、次に
その実行について説明する。
その実行について説明する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、東西の電池モ
ジュールと、ディープスペースに熱を放出するための同
様に向かい合ったラジエータとを有し、地球静止軌道を
移動する船体安定化衛星の電池システムに関する。各電
池モジュールは関連するラジエータに熱伝導路によって
接続されている。東の熱スイッチは、東の電池モジュー
ルと東向きラジエータとを熱的に接続するように動作す
る。同様に、西の熱スイッチは、西の電池モジュールと
西向きラジエータとを熱的に接続するように動作する。
これらの熱スイッチは選択的に動作する。１例として、
ローカルの真夜中近くの地球の陰の位置からローカルの
正午近くの位置に衛星がいる間、それぞれの熱スイッチ
は、西の電池モジュールをそのラジエータに熱的に接続
し、東の電池モジュールをそのラジエータから切り離す
ように動作する。衛星がローカルの正午近くから始まっ
て地球の陰に入るまでの間は、電池モジュールはそれら
の関連するラジエータに同時に熱的に接続される。ラジ
エータに熱的に接続されている間、それぞれの電池の充
電が進められる。
ジュールと、ディープスペースに熱を放出するための同
様に向かい合ったラジエータとを有し、地球静止軌道を
移動する船体安定化衛星の電池システムに関する。各電
池モジュールは関連するラジエータに熱伝導路によって
接続されている。東の熱スイッチは、東の電池モジュー
ルと東向きラジエータとを熱的に接続するように動作す
る。同様に、西の熱スイッチは、西の電池モジュールと
西向きラジエータとを熱的に接続するように動作する。
これらの熱スイッチは選択的に動作する。１例として、
ローカルの真夜中近くの地球の陰の位置からローカルの
正午近くの位置に衛星がいる間、それぞれの熱スイッチ
は、西の電池モジュールをそのラジエータに熱的に接続
し、東の電池モジュールをそのラジエータから切り離す
ように動作する。衛星がローカルの正午近くから始まっ
て地球の陰に入るまでの間は、電池モジュールはそれら
の関連するラジエータに同時に熱的に接続される。ラジ
エータに熱的に接続されている間、それぞれの電池の充
電が進められる。
【００１０】別の説明の仕方をすれば、本発明は船体安
定化衛星の、通常使用していない東及び西の面に電池ラ
ジエータを再配置する技術に関する。船体安定化衛星の
熱ラジエータは、通常太陽入射角が最大でも２３．５度
の北及び南の衛星面に通常配置される。衛星が太陽にさ
らされるとき電池は連続的に動作しないので、電池を東
西の面に配置し直すことが可能である。再配置は、可変
伝導熱パイプ（ダイオード熱パイプ及びガス充填ブラダ
(bladder)等の他の最適な熱スイッチ方法）の新規な使
用、及び制御された過充電を有する充電シーケンスによ
り可能となる。本発明は、連続的に動作しなければなら
ない装置に対して、衛星の南北面に追加のラジエータ領
域及びこの装置の据え付け領域を提供することによって
衛星のペイロード電力の実質的な増加を可能にする。
定化衛星の、通常使用していない東及び西の面に電池ラ
ジエータを再配置する技術に関する。船体安定化衛星の
熱ラジエータは、通常太陽入射角が最大でも２３．５度
の北及び南の衛星面に通常配置される。衛星が太陽にさ
らされるとき電池は連続的に動作しないので、電池を東
西の面に配置し直すことが可能である。再配置は、可変
伝導熱パイプ（ダイオード熱パイプ及びガス充填ブラダ
(bladder)等の他の最適な熱スイッチ方法）の新規な使
用、及び制御された過充電を有する充電シーケンスによ
り可能となる。本発明は、連続的に動作しなければなら
ない装置に対して、衛星の南北面に追加のラジエータ領
域及びこの装置の据え付け領域を提供することによって
衛星のペイロード電力の実質的な増加を可能にする。
【００１１】本発明の第一の特徴は、静止衛星の電池ラ
ジエータを船体安定化衛星の通常使用していない東西の
面に再配置することにある。本発明の他の特徴は、衛星
は各々が関連するラジエータを備えた１対の電池を有
し、１つのラジエータは東の電池からディープスペース
に熱を放出する東向きであり、他のラジエータは西の電
池からディープスペースに熱を放出する西向きである。
更に本発明の他の特徴は、東又は西の電池モジュールに
熱的に接続されて衛星の北面に設けられた１つの小さな
補助のラジエータと、西又は東の電池モジュールに熱的
に接続され衛星の南面に設けられたもう１つの小さな補
助のラジエータと、を設ける技術を提供することであ
る。
ジエータを船体安定化衛星の通常使用していない東西の
面に再配置することにある。本発明の他の特徴は、衛星
は各々が関連するラジエータを備えた１対の電池を有
し、１つのラジエータは東の電池からディープスペース
に熱を放出する東向きであり、他のラジエータは西の電
池からディープスペースに熱を放出する西向きである。
更に本発明の他の特徴は、東又は西の電池モジュールに
熱的に接続されて衛星の北面に設けられた１つの小さな
補助のラジエータと、西又は東の電池モジュールに熱的
に接続され衛星の南面に設けられたもう１つの小さな補
助のラジエータと、を設ける技術を提供することであ
る。
【００１２】更なる本発明の特徴は、第１の場合に、東
の電池モジュールが東向きのラジエータに熱的に接続さ
れると共に、西の電池モジュールは西向きのラジエータ
から熱的に切り離され、第２の場合に、西の電池モジュ
ールが西向きのラジエータに熱的に接続されると共に、
東の電池モジュールは東向きのラジエータから熱的に切
り離され、第３の場合に、東の電池モジュールが東向き
のラジエータに熱的に接続され、同時に、西の電池モジ
ュールが西向きのラジエータに熱的に接続される。更
に、２つの電池は、例えば熱パイプにより互いに熱的に
接続されてもよい。２つの電池は、東、西のラジエー
タ、又は東及び西のラジエータから、同時に熱を排除し
てもよい。
の電池モジュールが東向きのラジエータに熱的に接続さ
れると共に、西の電池モジュールは西向きのラジエータ
から熱的に切り離され、第２の場合に、西の電池モジュ
ールが西向きのラジエータに熱的に接続されると共に、
東の電池モジュールは東向きのラジエータから熱的に切
り離され、第３の場合に、東の電池モジュールが東向き
のラジエータに熱的に接続され、同時に、西の電池モジ
ュールが西向きのラジエータに熱的に接続される。更
に、２つの電池は、例えば熱パイプにより互いに熱的に
接続されてもよい。２つの電池は、東、西のラジエー
タ、又は東及び西のラジエータから、同時に熱を排除し
てもよい。
【００１３】更に、本発明の他の特徴は、衛星が地球の
陰から現れて始まり、衛星がローカルの正午で太陽に最
も近いときに終る静止軌道上の期間に第１の場合が実行
され、衛星が太陽に最も近いときに始まり、衛星が地球
の陰に入るときに終る静止軌道上の期間に第２の場合が
実行され、衛星が地球の陰にいるときに始まる静止軌道
上の期間に第３の場合が実行される動作方法を提供する
ことである。
陰から現れて始まり、衛星がローカルの正午で太陽に最
も近いときに終る静止軌道上の期間に第１の場合が実行
され、衛星が太陽に最も近いときに始まり、衛星が地球
の陰に入るときに終る静止軌道上の期間に第２の場合が
実行され、衛星が地球の陰にいるときに始まる静止軌道
上の期間に第３の場合が実行される動作方法を提供する
ことである。
【００１４】更なる本発明の特徴は、電池がそれぞれの
ラジエータに熱的に接続されているときに各電池の充電
が行われる技術を提供することである。本発明の他の、
及び更なる特徴、利点は、添付の図面と共に以下の説明
において明らかになる。前述の全般的な説明及び以下の
詳細な説明は、説明のための例示にすぎず、本発明を限
定するものではないことは理解されることである。本発
明の一部をなす添付の図面は、本発明の実施例のうちの
１つを説明し、詳細な説明と共に本発明の原理を説明す
るのに役立つ。この開示の全体にわたって同様の要素に
は同一の参照符を付す。
ラジエータに熱的に接続されているときに各電池の充電
が行われる技術を提供することである。本発明の他の、
及び更なる特徴、利点は、添付の図面と共に以下の説明
において明らかになる。前述の全般的な説明及び以下の
詳細な説明は、説明のための例示にすぎず、本発明を限
定するものではないことは理解されることである。本発
明の一部をなす添付の図面は、本発明の実施例のうちの
１つを説明し、詳細な説明と共に本発明の原理を説明す
るのに役立つ。この開示の全体にわたって同様の要素に
は同一の参照符を付す。
【００１５】
【発明の実施の形態】まず、図１及び図２は、地球Ｅの
静止軌道２２を進み、それぞれ北及び南面２４，２６、
東及び西面２８，３０、及び地球面、反地球面３２，３
４を有する船体安定化衛星２０、及びｘ，ｙ，ｚ軸を示
している。衛星２０のモジュール式の宇宙船電池システ
ム３６（図３）は、衛星２０上に適切にマウントされた
東の電池モジュール３８、東の電池モジュールからディ
ープスペースに熱を放出するラジエータ４０及び東の電
池モジュールと東向きのラジエータを接続する適切な構
造の東の熱伝導路４２からなる。同様に、西の電池モジ
ュール４４は衛星２０にマウントされ、西の電池モジュ
ールからディープスペースに熱を放出する西向きのラジ
エータ４６と関連する。西の熱伝導路４８は、西の電池
モジュール及び西向きのラジエータを接続している。熱
伝導路は、各電池モジュールからそれらの関連するラジ
エータに熱を送る働きをする。もちろん、効率が最適と
なるように、熱伝導路は最小の長さであることが望まし
い。
静止軌道２２を進み、それぞれ北及び南面２４，２６、
東及び西面２８，３０、及び地球面、反地球面３２，３
４を有する船体安定化衛星２０、及びｘ，ｙ，ｚ軸を示
している。衛星２０のモジュール式の宇宙船電池システ
ム３６（図３）は、衛星２０上に適切にマウントされた
東の電池モジュール３８、東の電池モジュールからディ
ープスペースに熱を放出するラジエータ４０及び東の電
池モジュールと東向きのラジエータを接続する適切な構
造の東の熱伝導路４２からなる。同様に、西の電池モジ
ュール４４は衛星２０にマウントされ、西の電池モジュ
ールからディープスペースに熱を放出する西向きのラジ
エータ４６と関連する。西の熱伝導路４８は、西の電池
モジュール及び西向きのラジエータを接続している。熱
伝導路は、各電池モジュールからそれらの関連するラジ
エータに熱を送る働きをする。もちろん、効率が最適と
なるように、熱伝導路は最小の長さであることが望まし
い。
【００１６】図３に模式的に示すように、東の熱スイッ
チ装置５０は東の電池モジュール３８を東向きラジエー
タ４０に熱的に接続し、また逆に、東の電池モジュール
を東向きラジエータから熱的に切り離すように動作す
る。同様に、図３に示すように、西の熱スイッチ装置５
２は西の電池モジュール４４を西向きラジエータ４６に
熱的に接続し、また逆に、西の電池モジュールを西向き
ラジエータから熱的に切り離すように動作する。
チ装置５０は東の電池モジュール３８を東向きラジエー
タ４０に熱的に接続し、また逆に、東の電池モジュール
を東向きラジエータから熱的に切り離すように動作す
る。同様に、図３に示すように、西の熱スイッチ装置５
２は西の電池モジュール４４を西向きラジエータ４６に
熱的に接続し、また逆に、西の電池モジュールを西向き
ラジエータから熱的に切り離すように動作する。
【００１７】ある場合に、東の熱スイッチ装置５０は東
の電池モジュール３８を東向きラジエータ４０に熱的に
接続し、一方、西の熱スイッチ装置５２は西の電池モジ
ュール４４を西向きラジエータ４６から熱的に切り離す
ように、東及び西の熱スイッチ装置５０，５２を選択的
に動作させる適切な制御装置５４が設けられている。他
の場合には、東の熱スイッチ装置は東の電池モジュール
を東向きラジエータから熱的に切り離し、一方、西の熱
スイッチ装置は西の電池モジュールを西向きラジエータ
に熱的に接続する。更に、他の場合には、スイッチ装置
５０，５２は、東の電池モジュールを東向きラジエータ
に熱的に接続し、同時に、西の電池モジュールを西向き
ラジエータに熱的に接続する。
の電池モジュール３８を東向きラジエータ４０に熱的に
接続し、一方、西の熱スイッチ装置５２は西の電池モジ
ュール４４を西向きラジエータ４６から熱的に切り離す
ように、東及び西の熱スイッチ装置５０，５２を選択的
に動作させる適切な制御装置５４が設けられている。他
の場合には、東の熱スイッチ装置は東の電池モジュール
を東向きラジエータから熱的に切り離し、一方、西の熱
スイッチ装置は西の電池モジュールを西向きラジエータ
に熱的に接続する。更に、他の場合には、スイッチ装置
５０，５２は、東の電池モジュールを東向きラジエータ
に熱的に接続し、同時に、西の電池モジュールを西向き
ラジエータに熱的に接続する。
【００１８】本発明は、ラジエータが高い入射太陽照射
を受けるときに、電池モジュールを東向き又は西向きラ
ジエータから熱的に切り離す適切な装置をまず用いるこ
とによって上記の問題に対処するものである。これを達
成する１つの方法として、指令可能にオン／オフするこ
とのできる可変伝熱パイプ５０，５２（図４参照）を使
用することである。この種の熱パイプ（例えば、「応用
熱設計ハンドブック」、編集長Ｅ．Ｃ．ガイヤ(E．C．G
uyer)、マグロウヒル社(McGraw-Hill Book Company)、
１９８９年、７−５０ないし７−５８ページに記載）
は、非凝縮性の気体貯蔵装置５６によって作られる。
を受けるときに、電池モジュールを東向き又は西向きラ
ジエータから熱的に切り離す適切な装置をまず用いるこ
とによって上記の問題に対処するものである。これを達
成する１つの方法として、指令可能にオン／オフするこ
とのできる可変伝熱パイプ５０，５２（図４参照）を使
用することである。この種の熱パイプ（例えば、「応用
熱設計ハンドブック」、編集長Ｅ．Ｃ．ガイヤ(E．C．G
uyer)、マグロウヒル社(McGraw-Hill Book Company)、
１９８９年、７−５０ないし７−５８ページに記載）
は、非凝縮性の気体貯蔵装置５６によって作られる。
【００１９】例えば、図４を見ると、熱スイッチ装置５
０、５２の貯蔵装置５６内の窒素等の非凝縮性気体を熱
することによって、非凝縮性気体は膨張して流体伝達
（fluid communication）をなす熱パイプ６０の中に凝
縮性気体を押し戻し、それによって熱パイプ６０が熱を
伝達する長さが制限される。熱パイプ６０が上記の非凝
縮性／凝縮性気体接続を介して第２の熱パイプ６２及び
ラジエータ４０，４６につながれる場合、非凝縮性気体
を交互に加熱又は冷却することによって電池モジュール
３８，４４等の熱源とラジエータとを接続、又は切断す
ることができる。また、熱スイッチ装置５０，５２及
び、特に貯蔵装置５６に関連して、非凝縮性気体を熱す
るためのヒータ６３及び貯蔵装置から熱を引き抜くため
のラジエータ６３Ａがある。
０、５２の貯蔵装置５６内の窒素等の非凝縮性気体を熱
することによって、非凝縮性気体は膨張して流体伝達
（fluid communication）をなす熱パイプ６０の中に凝
縮性気体を押し戻し、それによって熱パイプ６０が熱を
伝達する長さが制限される。熱パイプ６０が上記の非凝
縮性／凝縮性気体接続を介して第２の熱パイプ６２及び
ラジエータ４０，４６につながれる場合、非凝縮性気体
を交互に加熱又は冷却することによって電池モジュール
３８，４４等の熱源とラジエータとを接続、又は切断す
ることができる。また、熱スイッチ装置５０，５２及
び、特に貯蔵装置５６に関連して、非凝縮性気体を熱す
るためのヒータ６３及び貯蔵装置から熱を引き抜くため
のラジエータ６３Ａがある。
【００２０】本発明においては、東又は西の電池モジュ
ールとそれらに関連するラジエータとの間の熱スイッチ
を構築するために可変伝熱パイプを用いることができ
る。例えばダイオード熱パイプ、易溶性の合金又は熱ヘ
リウム・ブラダの膨張に基づく熱ジョイント等、他の熱
切替の形式によっても同じ効果が得られることに注意す
べきである。重要な特徴は、熱源と熱排除システムとの
間の熱結合の指令可能性にある。図４の模式図に基づけ
ば、東西の電池に関する前述の多くの問題は、例えば、 ・熱スイッチを開き、ラジエータが太陽にさらされると
きに、そのラジエータに関連する電池の加熱を防ぐこと
によって、 ・電池が所望の最小温度近くにあるときに熱スイッチを
開き、電池が過度に冷却しないように動作する電池ヒー
タの必要性を減少するか又は除去することによって、及
び ・ラジエータに太陽が照射するときに電池を放電する場
合（例えば、電気スラスタの動作時）、熱スイッチを開
き電池の熱質量がその温度を制御するように用いて断熱
的に（すなわち、熱利得又は熱損失なしに）実行するこ
とによって、解決される。電池ラジエータが太陽入射か
ら十分離れれば、次に、電池の冷却及び再充電が実行さ
れる。
ールとそれらに関連するラジエータとの間の熱スイッチ
を構築するために可変伝熱パイプを用いることができ
る。例えばダイオード熱パイプ、易溶性の合金又は熱ヘ
リウム・ブラダの膨張に基づく熱ジョイント等、他の熱
切替の形式によっても同じ効果が得られることに注意す
べきである。重要な特徴は、熱源と熱排除システムとの
間の熱結合の指令可能性にある。図４の模式図に基づけ
ば、東西の電池に関する前述の多くの問題は、例えば、 ・熱スイッチを開き、ラジエータが太陽にさらされると
きに、そのラジエータに関連する電池の加熱を防ぐこと
によって、 ・電池が所望の最小温度近くにあるときに熱スイッチを
開き、電池が過度に冷却しないように動作する電池ヒー
タの必要性を減少するか又は除去することによって、及
び ・ラジエータに太陽が照射するときに電池を放電する場
合（例えば、電気スラスタの動作時）、熱スイッチを開
き電池の熱質量がその温度を制御するように用いて断熱
的に（すなわち、熱利得又は熱損失なしに）実行するこ
とによって、解決される。電池ラジエータが太陽入射か
ら十分離れれば、次に、電池の冷却及び再充電が実行さ
れる。
【００２１】本発明の静止衛星に対するこれらの特徴
は、図２に模式的に示されている。衛星２０が食６４か
ら出るにつれて、太陽照射を受ける東の電池モジュール
３８は関連するラジエータ４０から分離され、一方、陰
になった西の電池モジュール４４は再充電される。衛星
が軌道の正午点に達するまで、西の電池モジュールの再
充電は進む。この点において、完全に充電された西の電
池モジュールは開回路に戻されて関連するラジエータか
ら切り離され、東の電池がその関連するラジエータに接
続され再充電が開始される。両方の電池が完全に充電さ
れると、衛星が再び食６４に入る前に西のラジエータが
再接続される。
は、図２に模式的に示されている。衛星２０が食６４か
ら出るにつれて、太陽照射を受ける東の電池モジュール
３８は関連するラジエータ４０から分離され、一方、陰
になった西の電池モジュール４４は再充電される。衛星
が軌道の正午点に達するまで、西の電池モジュールの再
充電は進む。この点において、完全に充電された西の電
池モジュールは開回路に戻されて関連するラジエータか
ら切り離され、東の電池がその関連するラジエータに接
続され再充電が開始される。両方の電池が完全に充電さ
れると、衛星が再び食６４に入る前に西のラジエータが
再接続される。
【００２２】容量最適化と共に、電池又は電池モジュー
ルに必要なラジエータ領域の制限については、再充電プ
ロファイルの最適化によって対処される。図５に、典型
的な丘テーパ型充電（例えば、本願と同一の出願人に譲
渡された米国特許第5,395,706号及び第5,652,073号の教
示する）による再充電プロファイルを、熱生成曲線のピ
ーク時に終了する再充電プロファイルと比較して示す。
熱生成曲線のピーク時に再充電を終了する場合では、電
池容量のｌ％未満が失なわれることに注意すべきであ
る。しかしながら、この効果は、１０℃だけ再充電の温
度上昇を減少させることである。もちろん、この温度減
少は、さらに大きいラジエータを用いることによっても
得られる。しかし、この解決策は質量の増大を伴うので
衛星ペイロードの能力に影響を及ぼす。
ルに必要なラジエータ領域の制限については、再充電プ
ロファイルの最適化によって対処される。図５に、典型
的な丘テーパ型充電（例えば、本願と同一の出願人に譲
渡された米国特許第5,395,706号及び第5,652,073号の教
示する）による再充電プロファイルを、熱生成曲線のピ
ーク時に終了する再充電プロファイルと比較して示す。
熱生成曲線のピーク時に再充電を終了する場合では、電
池容量のｌ％未満が失なわれることに注意すべきであ
る。しかしながら、この効果は、１０℃だけ再充電の温
度上昇を減少させることである。もちろん、この温度減
少は、さらに大きいラジエータを用いることによっても
得られる。しかし、この解決策は質量の増大を伴うので
衛星ペイロードの能力に影響を及ぼす。
【００２３】充電の終わりでの低減された温度は、その
後の再充電の間の最大到達温度を制限するのみならず、
電池がそのラジエータから切り離されている間の温度上
昇を制限するので非常に重要である。電池が太陽熱によ
る加熱を除去するためにそのラジエータから切り離され
ることがあるからである。しかしながら、この熱源が無
いときでさえ、電池の温度は、例えば衛星の熱の電池モ
ジュールへのリーク、及び電池自身の放電により上昇す
ることが予期される。すなわち、 ＮｉＯＯＨ＋（1/2）Ｈ2＝ＮｉＯ2Ｈ2 （１） 更に、ラジエータを切り離したときの温度上昇は、熱ス
イッチの動作タイミングによって制御される。電池ラジ
エータへの太陽の入射角は、６時間で０度から９０度ま
で変化する。実際の電池への熱入力は、図２の矢印６５
によって示される入射太陽輻射の角度のサイン（sine）
関数である。照射の初期、及びシャドーイングの直前の
正味の熱フローはラジエータ方向である。従って、熱ス
イッチ装置５０，５２の動作の適当なタイミングによっ
て、効率的に実行される。更に、充電が終了した後、自
己放電が指数関数的に減衰し、ラジエータが太陽方向に
回転する１ないし２時間前に放電を終了することによっ
て最適化することができる。この最適化の効果は、図６
に示されている。
後の再充電の間の最大到達温度を制限するのみならず、
電池がそのラジエータから切り離されている間の温度上
昇を制限するので非常に重要である。電池が太陽熱によ
る加熱を除去するためにそのラジエータから切り離され
ることがあるからである。しかしながら、この熱源が無
いときでさえ、電池の温度は、例えば衛星の熱の電池モ
ジュールへのリーク、及び電池自身の放電により上昇す
ることが予期される。すなわち、 ＮｉＯＯＨ＋（1/2）Ｈ2＝ＮｉＯ2Ｈ2 （１） 更に、ラジエータを切り離したときの温度上昇は、熱ス
イッチの動作タイミングによって制御される。電池ラジ
エータへの太陽の入射角は、６時間で０度から９０度ま
で変化する。実際の電池への熱入力は、図２の矢印６５
によって示される入射太陽輻射の角度のサイン（sine）
関数である。照射の初期、及びシャドーイングの直前の
正味の熱フローはラジエータ方向である。従って、熱ス
イッチ装置５０，５２の動作の適当なタイミングによっ
て、効率的に実行される。更に、充電が終了した後、自
己放電が指数関数的に減衰し、ラジエータが太陽方向に
回転する１ないし２時間前に放電を終了することによっ
て最適化することができる。この最適化の効果は、図６
に示されている。
【００２４】更に、本発明の他の実施例においては、図
３に示すように、交差した熱伝導路６６，６８が２つの
電池モジュール３８，４４に接続されている。この実施
例において、電池モジュールは、それ自身のラジエータ
から切り離され、反対側の電池モジュールのラジエータ
に接続されてもよい。この方法によって、直接のラジエ
ータを分離している間に自己放電及びリーク熱の消散が
なされる。
３に示すように、交差した熱伝導路６６，６８が２つの
電池モジュール３８，４４に接続されている。この実施
例において、電池モジュールは、それ自身のラジエータ
から切り離され、反対側の電池モジュールのラジエータ
に接続されてもよい。この方法によって、直接のラジエ
ータを分離している間に自己放電及びリーク熱の消散が
なされる。
【００２５】あるいは、図１及び図３に示すように、各
電池モジュール３８，４４は、それぞれ電池モジュール
３８、４４に関連する、連続動作の小さな補助の南北ラ
ジエータ７０，７２を有していてもよい。補助の北及び
南ラジエータ７０，７２は、通常それぞれ北面及び南面
２４，２６に設置される。他の例として、可変伝熱パイ
プ又はダイオード熱パイプを用いて、反地球面の補助ラ
ジエータにモジュールを接続することも本発明の範囲内
である。
電池モジュール３８，４４は、それぞれ電池モジュール
３８、４４に関連する、連続動作の小さな補助の南北ラ
ジエータ７０，７２を有していてもよい。補助の北及び
南ラジエータ７０，７２は、通常それぞれ北面及び南面
２４，２６に設置される。他の例として、可変伝熱パイ
プ又はダイオード熱パイプを用いて、反地球面の補助ラ
ジエータにモジュールを接続することも本発明の範囲内
である。
【００２６】更に本発明の特徴は、容量の不均衡につい
てである。この不均衡についての問題は、東の電池モジ
ュールに完全に太陽が照射する前に、食の間の短時間
（例えば１−２時間）、両方の電池モジュールを同時に
再充電することによって部分的に対処することができ
る。これにより、東の電池モジュールに幾らかの電荷を
蓄積でき、ソーラ・ロック（solar lock）を失い完全な
電力動作が制限された場合の動作を可能にする。北及び
南の太陽電池アレイ７４，７６（図１及び図３）がそれ
ぞれ太陽に面しないとき、又は様々な理由によって生成
電力に不均衡が生じたときにソーラ・ロックが発生す
る。アレイ７４，７６は共に、電池モジュール３８，４
４の再充電を行い、軌道２２上で衛星が食に入っていな
い間、衛星に電力を供給する。
てである。この不均衡についての問題は、東の電池モジ
ュールに完全に太陽が照射する前に、食の間の短時間
（例えば１−２時間）、両方の電池モジュールを同時に
再充電することによって部分的に対処することができ
る。これにより、東の電池モジュールに幾らかの電荷を
蓄積でき、ソーラ・ロック（solar lock）を失い完全な
電力動作が制限された場合の動作を可能にする。北及び
南の太陽電池アレイ７４，７６（図１及び図３）がそれ
ぞれ太陽に面しないとき、又は様々な理由によって生成
電力に不均衡が生じたときにソーラ・ロックが発生す
る。アレイ７４，７６は共に、電池モジュール３８，４
４の再充電を行い、軌道２２上で衛星が食に入っていな
い間、衛星に電力を供給する。
【００２７】本発明の、更なる他の特徴は、東及び西の
電力変換装置から、両方の電池モジュールを再充電する
ための充電電力供給装置を用いることである。これによ
り、単一の充電システムに熱が集中するのを制限し、よ
って衛星の効率的な熱設計を進めることができる。本発
明の好適な実施例について詳細に開示したが、特許請求
の範囲及び詳細な説明に記載された本発明の範囲から逸
脱せずに様々な他の変更が可能であることは当業者であ
れば理解できるであろう。
電力変換装置から、両方の電池モジュールを再充電する
ための充電電力供給装置を用いることである。これによ
り、単一の充電システムに熱が集中するのを制限し、よ
って衛星の効率的な熱設計を進めることができる。本発
明の好適な実施例について詳細に開示したが、特許請求
の範囲及び詳細な説明に記載された本発明の範囲から逸
脱せずに様々な他の変更が可能であることは当業者であ
れば理解できるであろう。
【図１】地球の静止軌道を移動する船体安定化された、
本発明の電池システムを具現化する衛星の斜視図であ
る。
本発明の電池システムを具現化する衛星の斜視図であ
る。
【図２】図１に示される全ての構成要素の平面図であ
る。
る。
【図３】本発明の電池システムを示す模式図である。
【図４】本発明の電池システムに用いる熱スイッチ装置
の１形式を表わす模式図である。
の１形式を表わす模式図である。
【図５】熱生成曲線のピーク時に充電が終了する再充電
曲線に対する通常の全テーパ充電の電池の比較再充電曲
線を時間に対して示す図である。
曲線に対する通常の全テーパ充電の電池の比較再充電曲
線を時間に対して示す図である。
【図６】電池モジュールをそれらの各ラジエータに熱的
に接続している熱スイッチ装置の動作タイミングの電池
温度に対する効果を示す図である。
に接続している熱スイッチ装置の動作タイミングの電池
温度に対する効果を示す図である。
２０ 衛星 ２２ 静止軌道 ２８ 東面 ３０ 西面 ３６ 電池システム ３８、４４ 電池モジュール ４０、４６、６３Ａ ラジエータ ４２、４８、６６、６８ 熱伝導路 ５０、５２ 熱スイッチ装置 ５６ 貯蔵装置 ６０ 熱パイプ ６４ 食 ７０、７２ 補助ラジエータ ７４、７６ 太陽電池アレイ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウォルター エス． ジェロン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94065 レッドウッドシティ アイランド プレイス 622
Claims (12)
- 【請求項１】 通常、東西南北面、地球面及び反地球面
を有し、軌道を移動する船体安定化衛星の電池システム
であって、 衛星にマウントされた第１の電池モジュールと、 前記第１の電池モジュールから熱をディープスペースに
放出する東向きラジエータと、 前記第１の電池モジュール及び前記東向きラジエータを
接続する東熱伝導路と、 衛星にマウントされた第２の電池モジュールと、 前記第２の電池モジュールから熱をディープスペースに
放出する西向きラジエータと、 前記第２の電池モジュール及び前記西向きラジエータを
接続する西熱伝導路と、 前記第１の電池モジュールを前記東向きラジエータに熱
的に接続し、前記第１の電池モジュールを前記東向きラ
ジエータから熱的に切り離すよう動作する東の熱スイッ
チ手段と、 前記第２の電池モジュールを前記西向きラジエータに熱
的に接続し、前記第２の電池モジュールを前記西向きラ
ジエータから熱的に切り離すよう動作する西の熱スイッ
チ手段と、 前記東の熱スイッチ手段及び前記西の熱スイッチ手段を
選択的に動作させる制御装置と、からなり、 ある場合には、前記東の熱スイッチ手段は前記第１の電
池モジュールを前記東向きラジエータに熱的に接続しつ
つ前記西の熱スイッチ手段は前記第２の電池モジュール
を前記西向きラジエータから熱的に切り離し、他の場合
には、前記東の熱スイッチ手段は前記第１の電池モジュ
ールを前記東向きラジエータから熱的に切り離しつつ前
記西の熱スイッチ手段は前記第２の電池モジュールを前
記西向きラジエータに熱的に接続し、更に他の場合に
は、前記第１の電池モジュールを前記東向きラジエータ
に熱的に接続し、同時に、前記第２の電池モジュールを
前記西向きラジエータに熱的に接続することを特徴とす
る電池システム。 - 【請求項２】 請求項１に記載の電池システムであっ
て、 前記第１の電池モジュールからディープスペースに熱を
放出するための補助の北向きラジエータと、 前記第１の電池モジュール及び前記補助の北向きラジエ
ータを接続する補助熱伝導路と、 前記第２の電池モジュールからディープスペースに熱を
放出するための補助の南向きラジエータと、 前記第２の電池モジュール及び前記補助の南向きラジエ
ータを接続する補助熱伝導路と、 前記補助の北向きラジエータを前記第１の電池モジュー
ルに熱的に接続し、前記補助の南向きラジエータを前記
第２の電池モジュールに熱的に接続する選択的に動作可
能な補助熱スイッチ手段と、を有することを特徴とする
電池システム。 - 【請求項３】 請求項１に記載の電池システムであっ
て、 前記電池モジュールの各々を充電する充電手段を有する
ことを特徴とする電池システム。 - 【請求項４】 請求項３に記載の電池システムであっ
て、 前記充電手段は、前記第１の電池モジュールに電気的に
接続された北面マウントの太陽電池アレイと、前記第２
の電池モジュールに電気的に接続された南面マウントの
太陽電池アレイと、を有することを特徴とする電池シス
テム。 - 【請求項５】 請求項１に記載の電池システムであっ
て、前記充電手段は、 前記第１の電池モジュール若しくは前記第２の電池モジ
ュール、又は前記第１の電池モジュール及び前記第２の
電池モジュールの両者に選択的に電気的に接続された北
面マウントの太陽電池アレイと、 前記第１の電池モジュール若しくは前記第２の電池モジ
ュール、又は前記第１の電池モジュール及び前記第２の
電池モジュールの両者に電気的に接続された南面マウン
トの太陽電池アレイと、 前記北面マウントの太陽電池アレイ及び前記南面マウン
トの太陽電池アレイをそれぞれ前記第１及び第２の電池
モジュールに電気的に接続する選択的に動作可能なスイ
ッチ手段と、 前記スイッチ手段を動作させる制御手段と、を有するこ
とを特徴とする電池システム。 - 【請求項６】 請求項１に記載の電池システムであっ
て、 前記東熱伝導路及び前記西向きラジエータを接続する第
１の交差熱伝導路と、 前記西熱伝導路及び前記東向きラジエータを接続する第
２の交差熱伝導路と、を有し、 前記東の熱スイッチ手段は、前記東の電池モジュールを
前記西向きラジエータに熱的に接続し、かつ前記東の電
池モジュールを前記西向きラジエータから熱的に切り離
す選択的動作が可能であり、前記西の熱スイッチ手段
は、前記西の電池モジュールを前記東向きラジエータに
熱的に接続し、かつ前記西の電池モジュールを前記東向
きラジエータから熱的に切り離す選択的動作が可能であ
ることを特徴とする電池システム。 - 【請求項７】 東西南北面、地球面及び反地球面を有
し、静止軌道を移動する船体安定化衛星に電池システム
を配置して動作させる方法であって、 （ａ）衛星内部に第１の電池モジュールをマウントする
ステップと、 （ｂ）衛星内部に第２の電池モジュールをマウントする
ステップと、 （ｃ）第１の電池モジュールから熱をディープスペース
に放出する東向きラジエータを衛星の東面にマウントす
るステップと、 （ｄ）第２の電池モジュールから熱をディープスペース
に放出する西向きラジエータを衛星の西面にマウントす
るステップと、 （ｅ）ある場合に、前記第１の電池モジュールを前記東
向きラジエータに熱的に接続しつつ前記第２の電池モジ
ュールを前記西向きラジエータから熱的に切り離すステ
ップと、 （ｆ）他の場合に、前記第２の電池モジュールを前記西
向きラジエータに熱的に接続しつつ前記第１の電池モジ
ュールを前記東向きラジエータから熱的に切り離すステ
ップと、 （ｇ）更に他の場合に、前記第１の電池モジュールを前
記東向きラジエータに熱的に接続し、同時に、前記第２
の電池モジュールを前記西向きラジエータに熱的に接続
するステップと、を有することを特徴とする方法。 - 【請求項８】 請求項７に記載の電池システムを配置し
て動作させる方法であって、 前記第１の電池モジュールは前記東向きラジエータの近
傍にマウントされ、前記第２の電池モジュールは前記西
向きラジエータの近傍にマウントされることを特徴とす
る方法。 - 【請求項９】 請求項７に記載の電池システムを配置し
て動作させる方法であって、 （ｈ）前記衛星が地球の陰から現れるときに開始し前記
衛星が太陽に最も近いときに終了する前記衛星の静止軌
道の有限の期間にステップ（ｅ）を実行するステップ
と、 （ｉ）前記衛星が太陽に最も近いときに開始し前記衛星
が地球の陰に入るときに終了する前記衛星の静止軌道の
有限の期間にステップ（ｆ）を実行するステップと、 （ｊ）前記衛星が地球の陰の中にあるときに開始する前
記衛星の静止軌道の有限の期間にステップ（ｇ）を実行
するステップと、を有することを特徴とする方法。 - 【請求項１０】 請求項７に記載の電池システムを配置
して動作させる方法であって、 （ｈ）前記電池モジュールの各々がそれぞれのラジエー
タに熱的に接続されている間に前記電池モジュールの各
々を充電するステップを有することを特徴とする方法。 - 【請求項１１】 請求項９に記載の電池システムを配置
して動作させる方法であって、 （ｋ）ステップ（ｈ）と同時に前記第１の電池モジュー
ルを充電するステップと、 （ｌ）ステップ（ｉ）と同時に前記第２の電池モジュー
ルを充電するステップと、 （ｍ）ステップ（ｊ）と同時に前記第１の電池モジュー
ル及び前記第２の電池モジュールの両者を充電するステ
ップと、を有することを特徴とする方法。 - 【請求項１２】 請求項７に記載の電池システムを配置
して動作させる方法であって、 （ｈ）関連する前記ラジエータの太陽方向への回転の所
定時間前に前記電池モジュールの各々の放電を終了させ
るステップ、を有することを特徴とする方法。
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| US08/985452 | 1997-12-05 | ||
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- 1998-11-27 JP JP33763998A patent/JPH11240499A/ja active Pending
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