(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
精密秤量器を備えた耐圧固化容器にキセノンガスを導入し、液体窒素により冷却固化して高密度に充填したのち、耐圧固化容器の温度を上昇させて残液体窒素を気化させた後、さらに昇温させて固化キセノンをガス化、昇温、昇圧させ、所定必要圧力に達した時点でキセノンガスの高圧ガス容器への充填を開始し、精密秤量器による耐圧固化容器のキセノン減少量と、配管系内容積とキセノン物性（温度・圧力）から求めた耐圧固化容器と高圧ガス容器間の接続配管系に残留するキセノンガス重量とから高圧ガス容器充填キセノンガス量を計算し、充填キセノンガス量が予め定めた設定量となった時点で充填を停止することを特徴とするキセノンガスの精密充填方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キセノンガスを原料ガスボンベから高圧ガス容器に充填する場合の精密充填方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人工衛星等においては、その搭載物に厳しい重量管理が行われており、１物体に対してグラム単位での精度が要求される。また、人工衛星の軌道制御、姿勢制御には、イオンエンジンが多く使用されている。イオンエンジンは、推進剤をイオン化し、静電力で加速噴射して推力を発生する推進機で、化学ロケットより１桁高い比推力、数千〜１００００秒が容易に得られる。
【０００３】
イオンエンジンには、電子衝撃型イオンエンジン、ＲＦイオンエンジン、接触電離型セシウムエンジン、マイクロ波エンジン等がある。このうち、電子衝撃型イオンエンジンは、地上と宇宙での試験経験、性能、寿命上の優位性から世界の主流として研究開発が盛んである。電子衝撃型イオンエンジンは、放電をイオン源とし、推進薬としては電離し易い原子状気体あるいは容易にその状態になる水銀、セシウム、希ガスが選ばれる。性能上および貯蔵供給面からは、水銀が最良であるが、周囲への影響を考慮した次善のものとしてキセノン、クリプトン、アルゴンを採用する傾向にある。
【０００４】
推進薬を充填する人工衛星の燃料タンクは、エンジンとの配管接続の関係から推進薬充填前に衛星に搭載される。このため、燃料タンクへのキセノンガスの充填は、衛星に燃料タンクを搭載した後に行われるので、その重量を計ることはできない。経験的には、人工衛星の総重量の０．１％の精度が要求される事態も生じることがある。
【０００５】
従来、高圧ガス容器へのキセノンガスの充填は、原料ガスボンベからダイヤフラム型圧縮機を用いてキセノンガスを吸引圧縮したのち、高圧ガス容器に圧送して充填するのが一般的である。しかしながら、圧縮機は、ダイヤフラム型圧縮機に限らず、非常に複雑な構造を持つため、原料ガスボンベから高圧ガス容器（衛星の気蓄器等）へのキセノンガスの充填精度は、［高圧ガス容器充填重量＝原料ガスボンベ減少量−接続配管系内残量−圧縮機内残量］で表される。
【０００６】
このうち、原料ガスボンベ減少量は、通常秤量器によって正確に測定することができる。接続配管系内残量は、接続配管系内容積が正確に測定できていれば、キセノン物性（温度、圧力）よりかなりの精度で決定することができる。しかし、圧縮機内残量は、ダイヤフラム内の状況温度、残圧、ダイヤフラムの位置の不安定により残量測定に大きな誤差が生じることは避けられない。そのため、高圧ガス容器充填量の精密な決定は、殆ど不可能と考えられる。
【０００７】
一方、衛星の燃料タンクに充填されるキセノンガスは、大抵の場合原料ガスばかりでなく、充填系も含めて清浄に管理されていることが要求されている。このため、衛星の燃料タンクへのキセノンガスの充填に際しては、圧縮機を含めて配管系全てに亘って内部パーティクルパージ、ガス成分パージ等の清浄化およびその確認分析が必要となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように圧縮機による高圧ガス容器へのキセノンガス充填においては、ダイヤフラム型はパーティクルが比較的少ないとはいっても、摺動部において発生すること、また、ガス成分パージにおいても、配管に比較してその複雑な構造のため、多大な時間を要するばかりでなく、高圧ガス容器への充填量の測定精度、清浄化の点で十分に満足できるものではなかった。
【０００９】
本発明の目的は、上記圧縮機による高圧ガス容器へのキセノンガス充填時の欠点を解消し、衛星に搭載される燃料タンクへキセノンガスを規定の重量精度で充填できるキセノンガスの精密充填方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のキセノンガスの精密充填方法は、精密秤量器を備えた耐圧固化容器にキセノンガスを導入し、液体窒素により冷却固化して高密度に充填したのち、耐圧固化容器の温度を上昇させて残液体窒素を気化させた後、さらに昇温させて固化キセノンをガス化、昇温、昇圧させ、所定必要圧力に達した時点でキセノンガスの高圧ガス容器への充填を開始し、精密秤量器による耐圧固化容器のキセノン減少量と、配管系内容積とキセノン物性（温度・圧力）から求めた耐圧固化容器と高圧ガス容器間の接続配管系に残留するキセノンガス重量とから高圧ガス容器充填キセノンガス量を計算し、充填キセノンガス量が予め定めた設定量となった時点で充填を停止することを特徴とする。
【００１１】
上記のように、精密秤量器を備えた耐圧固化容器にキセノンガスを導入し、液体窒素により冷却固化してガス体に比べて高密度に充填したのち、温度を上昇させて残液体窒素を気化させた後、さらに昇温させて固化キセノンをガス化、昇温、昇圧させ、高圧ガス容器に送り出す推進力を得るものである。高圧ガス容器にキセノンガスを充填中は、精密秤量器による耐圧固化容器キセノン減少量と、配管系内容積とキセノン物性（温度・圧力）から求めた耐圧固化容器と高圧ガス容器間接続配管系に残留するキセノンガス重量とから高圧ガス容器への充填キセノンガス量を計算し、充填キセノンガス量が予め定めた設定量となった時点で充填を停止することによって、高圧ガス容器への充填キセノンガス量を正確に計ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のキセノンガスの精密充填方法は、キセノンガスが融点−１１１．９℃、沸点−１０８．１℃であるので、沸点−１９５．８℃の液体窒素を用いて冷却することにより、キセノンガスを耐圧固化容器内で固化させれば、ガス体に比べて高密度（密度約３．０６／ｍｌ）に充填することができる。そして、温度を上昇させて固化キセノンをガス化し、昇圧させて高圧ガス容器に送り出す推進力を得るものである。
【００１３】
耐圧固化容器には、キセノンガスを冷却するための液体窒素槽部を重量軽減を目的として、耐圧固化容器上部の最適位置に設置し、最小容積により効率的にキセノンを固化できるようにしている。また、耐圧固化容器には、加熱設備を設置し、初期に液体窒素槽の残量液体窒素を気化させて追出し、その後固化キセノンのガス化昇圧、更にキセノンガスを１００℃以上に昇温させて昇圧させることによって、高圧ガス容器への充填後の耐圧固化容器のキセノン残量を最小とすることができる。
【００１４】
耐圧固化容器の下部には、精密秤量器を備えているので、導入されたキセノンガス量が精度よく測定でき、高圧ガス容器への充填可能量を決定することができる。高圧ガス容器へのキセノンガス充填時には、精密秤量器の減少量によって耐圧固化容器からのキセノンガスの払出し量を正確に計ることができる。なお、耐圧固化容器への配管等による重量測定時の影響は、正確に検討されたばね系ならびに切離し設備によって、完全に分離できる構造とするのがよい。
【００１５】
高圧ガス容器へのキセノンガス充填量は、耐圧固化容器のキセノン減少量から耐圧固化容器と高圧ガス容器間の配管系に残留するキセノン量を差し引くことによって行うが、配管系内容積とキセノン物性（温度・圧力）から自動的に計算し、常時フィードバックする。これによって、高圧ガス容器へのキセノン目標充填量とフィードバックされる高圧ガス容器へのキセノン充填量とを比較することによって、充填停止時間（タイミング）を正確に検出することができる。
【００１６】
本発明のキセノンガスの精密充填方法は、キセノンガスの高圧ガス容器への充填途中において、異常発生等により停止が生じても、中断後引続き充填を再開することが可能である。また、耐圧固化容器を液体窒素槽に液体窒素を導入して冷却すれば、それまでに充填したキセノンガスを耐圧固化容器に再度戻し、最初から再充填することもできる。
【００１７】
【実施例】
本発明のキセノンガスの精密充填方法の詳細を図１に基づいて説明する。図１は人工衛星の燃料タンクへのキセノンガスの精密充填工程の全体説明図である。図１において、１はキセノンガスボンベ、２は上部に加熱ヒータ３を有する液体窒素槽４と下部に加熱ヒータ５を付設した耐圧固化容器、６は耐圧固化容器２の重量を測定する精密秤量器、７は人工衛星に設置された燃料タンク、８は真空ポンプ、９は液体窒素容器である。
【００１８】
キセノンガスボンベ１と耐圧固化容器２は、手動弁Ｘ−０１、手動弁Ｘ−０２、減圧弁ＮＶ−０１、手動弁Ｘ−０３、フィルターＦ−０１、手動弁Ｘ−０４、緊急遮断弁ＸＥ−０１、手動弁Ｘ−０５を介してＳＵＳ配管により接続し、キセノンガスボンベ１から耐圧固化容器２へキセノンガスを導入できるよう構成している。また、手動弁Ｘ−０１と手動弁Ｘ−０２との間には、開閉弁Ｓ−０１を介して圧力指示計ＰＩ−１を、手動弁Ｘ−０３とフィルターＦ−０１との間には、開閉弁Ｓ−０２を介して圧力指示計ＰＩ−２を、フィルターＦ−０１と手動弁Ｘ−０４との間には、開閉弁Ｓ−０３を介して放散弁ＦＶ−０１を、手動弁Ｘ−０４と緊急遮断弁ＸＥ−０１との間には、開閉弁Ｓ−０４を介して圧力指示計ＰＩ−３を、緊急遮断弁ＸＥ−０１と手動弁Ｘ−０５との間には、開閉弁Ｓ−０８を有する精密圧力計ＰＴ−１と精密温度計ＴＨ−１を、手動弁Ｘ−０５と耐圧固化容器２との間には、開閉弁Ｓ−０５を介して放散弁ＦＶ−０２を連結している。
【００１９】
耐圧固化容器２に付設した液体窒素槽４と液体窒素容器９は、手動弁Ｎ−３１、フレキシブルホースＮ−３０、手動弁Ｎ−３２を介してＳＵＳ配管により接続し、液体窒素容器９より液体窒素槽４へ液体窒素を導入できるよう構成している。また、フレキシブルホースＮ−３０と手動弁Ｎ−３２との間には、開閉弁Ｓ−３０を介して放散弁ＦＶ−３０を連結している。液体窒素容器９には、圧力指示計ＰＩ−３０が設けられている。加熱ヒータ３、５には、温度指示制御警報計ＴＩＣＡ−１、ＴＩＣＡ−２が設けられている。
【００２０】
耐圧固化容器２と燃料タンク７は、手動弁Ｘ−０５、流量調整弁ＰＣＶ−１、緊急遮断弁ＸＥ−０２、手動弁Ｘ−０６、フィルターＦ−０２、手動弁Ｘ−０７、フレキシブルホースＨ−１、手動弁Ｘ−０８、フィルターＦ−０３、燃料タンク７の受入れ弁である注排弁Ｔ−０１を介してＳＵＳ配管により接続し、耐圧固化容器２から燃料タンク７へキセノンガスを充填できるよう構成している。また、緊急遮断弁ＸＥ−０２と手動弁Ｘ−０６との間には、開閉弁Ｓ−０６を介して圧力指示計ＰＩ−４を、開閉弁Ｓ−０７を介して放散弁ＦＶ−０４を設置している。手動弁Ｘ−０６とフィルターＦ−０２の間には、開閉弁ＳＰ−１を介してサンプルガス導入ポートを接続できるよう構成している。フィルターＦ−０２と手動弁Ｘ−０７との間には、開閉弁Ｓ−０９を有する精密圧力計ＰＴ−２と精密温度計ＴＨ−２を設けている。
【００２１】
キセノンガスボンベ１から耐圧固化容器２へのキセノンガス導入系、耐圧固化容器２から燃料タンク７へのキセノンガス充填系には、系内の不純物除去パージのために、系内の随所に真空ポンプ８のラインとの接続ポートを設け、短時間で確実なパージが行えるよう構成している。すなわち、手動弁Ｘ−０３とフィルターＦ−０１の間と真空ポンプ８とは、手動弁Ｖ−０１を、手動弁Ｘ−０４と緊急遮断弁ＸＥ−０１の間と真空ポンプ８とは、手動弁Ｖ−０２を、手動弁Ｘ−０５と耐圧固化容器２の間と真空ポンプ８とは、手動弁Ｖ−０３を、緊急遮断弁ＸＥ−０２と手動弁Ｘ−０６の間と真空ポンプ８とは、手動弁Ｖ−０４を、フィルターＦ−０３と燃料タンク７の間と真空ポンプ８とは、手動弁Ｖ−０５、フレキシブルホースＨ−２、手動弁Ｖ−０６を介在させ、手動弁Ｖ−０７を介してＳＵＳ配管により接続している。
【００２２】
１１はシーケンサで、開閉弁Ｘ−０５と緊急遮断弁ＸＥ−０１、流量調整弁ＰＣＶ−１の間の配管系の精密圧力計ＰＴ−１と精密温度計ＴＨ−１、耐圧固化容器２の出口の圧力指示警報計ＰＩＡ−１、耐圧固化容器２内の温度指示警報計ＴＩＡ−１、液体窒素槽４と耐圧固化容器２下部の加熱ヒータ３、５の温度指示制御警報計ＴＩＣＡ−１、ＴＩＣＡ−２、秤量器６、精密圧力計ＰＴ−２、精密温度計ＴＨ−２の実測値が入力される。シーケンサ１１は、入力されたこれらの圧力、温度に基づいて、燃料タンク７へキセノンガスを充填する際の過剰な温度上昇の防止、急激な圧力上昇の防止のための流量制御、耐圧固化容器２の急激な圧力上昇の防止のための加熱ヒータ３、５の温度制御と、充填システム側および燃料タンク７側に要求される制御条件を満足させるため、緊急遮断弁ＸＥ−０１、流量調整弁ＰＣＶ−１、緊急遮断弁ＸＥ−０２の制御を実施するよう構成している。
【００２３】
上記のように構成したことによって、キセノンガスボンベ１から耐圧固化容器２へのキセノンガスの充填は、先ず真空ポンプ８を起動して手動弁Ｖ−０１、Ｖ−０２、Ｖ−０３を開放して充填ラインをパージしたのち、手動弁Ｖ−０１、Ｖ−０２、Ｖ−０３を閉じ、真空ポンプ８を停止する。しかるのち、手動弁Ｘ−０１、Ｘ−０２、Ｘ−０３、Ｘ−０４、緊急遮断弁ＸＥ−０１、手動弁Ｘ−０５を開放し、キセノンガスボンベ１から耐圧固化容器２へキセノンガスを充填する。耐圧固化容器２の液体窒素槽４には、手動弁Ｎ−３１、Ｎ−３２を開放して液体窒素容器９から液体窒素を導入し、耐圧固化容器２および耐圧固化容器２内のキセノンガスを冷却する。
【００２４】
耐圧固化容器２内のキセノンガスは、液体窒素により冷却されて固体化し、高密度で耐圧固化容器２内に蓄積される。シーケンサ１１は、燃料タンク７が要求するキセノン量と耐圧固化容器２およびキセノン充填ライン系に残留するキセノン量を、秤量器６から入力される秤量値に基づいて耐圧固化容器２内へ導入蓄積し、目標値に達した時点で緊急遮断弁ＸＥ−０１を遮断する。しかるのち、手動弁Ｘ−０１、Ｘ−０２、Ｘ−０３、Ｘ−０４、Ｘ−０５を閉じ、キセノンガスの耐圧固化容器２への導入を停止し、手動弁Ｎ−３１、Ｎ−３２を閉じて液体窒素容器９から液体窒素槽４への液体窒素の供給を停止し、キセノンガスの耐圧固化容器２への充填を終了する。
【００２５】
しかるのち、シーケンサ１１は、液体窒素槽４に付設した加熱ヒータ３により液体窒素槽４を所定温度に加熱し、液体窒素槽４内に残留する液体窒素をガス化し、液体窒素槽４よりの追い出しを実施する。そして、耐圧固化容器２は、液体窒素の導入ならびにブローラインおよび真空ラインと接続部の切離しまたはバネ系により独立した状態とし、精密秤量器６によって初期重量の測定を実施する。その後、シーケンサ１１は、加熱ヒータ３および耐圧固化容器２下部の加熱ヒータ５によって耐圧固化容器２およびキセノンガスの加熱を継続し、耐圧固化容器２内のキセノンガス圧力を所定必要圧力まで昇圧する。
【００２６】
その間に、真空ポンプ８を起動して手動弁Ｖ−０４、Ｖ−０５、Ｖ−０６を開放し、燃料タンク７へのキセノンガスの供給ラインをパージしたのち、手動弁Ｖ−０４、Ｖ−０５、Ｖ−０６を閉じ、真空ポンプ８を停止する。耐圧固化容器２内のキセノンガス圧力が所定必要圧力に達した時点で、手動弁Ｘ−０５、手動弁Ｘ−０６、手動弁Ｘ−０７、手動弁Ｘ−０８、注排弁Ｔ−０１を開放する。シーケンサ１１は、流量調整弁ＰＣＶ−１、緊急遮断弁ＸＥ−０２を制御して燃料タンク７へのキセノンガスの供給を開始する。
【００２７】
この場合、シーケンサ１１は、燃料タンク７の過剰な温度上昇の防止、急激な圧力上昇の防止のため、精密圧力計ＰＶ−１、ＰＶ−２、精密温度計ＴＨ−１、ＴＨ−２から入力される実測値に基づき、流量調整弁ＰＣＶ−１による流量制御と、耐圧固化容器２の急激な圧力上昇の防止のため、温度指示制御警報計ＴＩＣＡ−１、ＴＩＣＡ−２から入力される実測値に基づき、加熱ヒータ３、５の温度制御を実施する。この燃料タンク７へのキセノンガスの充填は、系内の状態、特にキセノン充填ラインのバラツキを避けるため、できる限り遅くすることが望ましい。
【００２８】
また、シーケンサ１１は、精密秤量器６から入力される耐圧固化容器２の重量に基づき計算されるキセノン減少量と、精密圧力計ＰＴ−１、ＰＴ−２、精密温度計ＴＨ−１、ＴＨ−２から入力されるキセノン物性（温度・圧力）と予め設定されている耐圧固化容器２と燃料タンク７間の配管系内容積から耐圧固化容器２と燃料タンク７間に残るキセノン量との差により、燃料タンク７へのキセノンガスの充填量を常時計算する。そして、シーケンサ１１は、燃料タンク７へのキセノンガスの充填量が、燃料タンク７充填要求キセノン量に一致、すなわち、（燃料タンク７充填要求キセノン量）＝（耐圧固化容器２重量減少量）−（キセノン充填ライン残量）が一致した時点で、緊急遮断弁ＸＥ−０２を閉じる。そして、手動弁Ｘ−０８、注排弁Ｔ−０１を閉じたのち、手動弁Ｘ−０５、手動弁Ｘ−０６、手動弁Ｘ−０７、流量調整弁ＰＣＶ−１を閉じ、燃料タンク７へのキセノンガスの充填を完了する。なお、キセノン充填ラインのキセノンガス残量は、精密圧力計ＰＴ−１、ＰＴ−２および精密温度計ＴＨ−１、ＴＨ−２に基づくキセノン物性と、予め設定されている耐圧固化容器２と燃料タンク７間の配管系内容積によって、キセノン充填ラインの配管系内残量が精度良く算出することができる。
【００２９】
上記のように、本発明方法は、キセノンガスを燃料タンク７に送り出す推進力を、従来のように圧縮機を用いず、耐圧固化容器２内にキセノンを固化させて高密度に充填したのち、耐圧固化容器２の温度を上昇させ、固化キセノンのガス化昇圧、さらに昇温（１００℃以上）させて昇圧させて得るから、圧縮機に起因するパーティクルの混入を防止できる。また、系内にフィルターＦ−０１、Ｆ−０２、Ｆ−０３を設けたから、パーティクル、不純物成分を除去することができる。
【００３０】
さらに、精密秤量器によるキセノン減少量と、精密圧力計ＰＴ−１、ＰＴ−２および精密温度計ＴＨ−１、ＴＨ−２に基づくキセノン物性と予め設定されている耐圧固化容器２と燃料タンク７間の配管系内容積によって計算されるキセノン充填ラインの配管系内残量に基づき、燃料タンク７へのキセノンガスの充填量を算出するから、燃料タンク７の総重量の０．１％の精度でキセノンガスを充填することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のキセノンガスの精密充填方法は、キセノンガスを燃料タンクに送り出す推進力を耐圧固化容器内にキセノンを固化させて高密度に充填したのち、耐圧固化容器の温度を上昇させ、固化キセノンをガス化し、さらに昇温（１００℃以上）させて高圧のガス化したキセノンを得られることから、パーティクルの混入を大幅に抑制できると共に、燃料タンクの総重量の０．１％以下の精度でキセノンガスを充填することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】人工衛星の燃料タンクへのキセノンガスの精密充填工程の全体説明図である。
【符号の説明】
１  キセノンガスボンベ
２  耐圧固化容器
３、５  加熱ヒータ
４  液体窒素槽
６  精密秤量器
７  燃料タンク
８  真空ポンプ
９  液体窒素容器
１１  シーケンサ
Ｘ−０１、Ｘ−０２、Ｘ−０３、Ｘ−０４、Ｘ−０５、Ｘ−０６、Ｘ−０７、Ｘ−０８、Ｓ−０９  手動弁
ＮＶ−０１  減圧弁
Ｆ−０１、Ｆ−０２、Ｆ−０３  フィルター
ＸＥ−０１、ＸＥ−０２  緊急遮断弁
Ｓ−０１、Ｓ−０２、Ｓ−０３、Ｓ−０４、Ｓ−０５、Ｓ−０６、Ｓ−０７、Ｓ−０８、Ｓ−０９、Ｓ−３０、ＳＰ−１  開閉弁
ＰＩ−１、ＰＩ−２、ＰＩ−３、ＰＩ−４、ＰＩ−３０  圧力指示計
ＦＶ−０１、ＦＶ−０２、ＦＶ−０４、ＦＶ−３０  放散弁
Ｎ−３１、Ｎ−３２、Ｖ−０１、Ｖ−０２、Ｖ−０３、Ｖ−０４、Ｖ−０５、Ｖ−０６、Ｖ−０７  手動弁
Ｎ−３０、Ｈ−１、Ｈ−２  フレキシブルホース
ＴＩＣＡ−１、ＴＩＣＡ−２  温度指示制御警報計
ＰＣＶ−１  流量調整弁
Ｔ−０１  注排弁
ＰＴ−１、ＰＴ−２  精密圧力計
ＴＨ−１、ＴＨ−２  精密温度計
【図１】
0003569190.tif 000002