(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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