特許 7488620 熱気球

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-14

(45)【発行日】2024-05-22

(54)【発明の名称】熱気球

(51)【国際特許分類】

   B64B 1/62 20060101AFI20240515BHJP

   B64B 1/60 20060101ALI20240515BHJP

   B64U 10/30 20230101ALI20240515BHJP

   B64U 50/31 20230101ALI20240515BHJP

   B64U 50/36 20230101ALI20240515BHJP

【ＦＩ】

B64B1/62

B64B1/60

B64U10/30

B64U50/31

B64U50/36

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023200536

(22)【出願日】2023-11-28

【審査請求日】2023-12-01

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】522355695

【氏名又は名称】株式会社Ｔ－Ｂｅｔｚ

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100175019

【弁理士】

【氏名又は名称】白井 健朗

(74)【代理人】

【識別番号】100195648

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 悠太

(74)【代理人】

【識別番号】100104329

【弁理士】

【氏名又は名称】原田 卓治

(74)【代理人】

【識別番号】100194179

【弁理士】

【氏名又は名称】中澤 泰宏

(72)【発明者】

【氏名】谷口 伸幸

【審査官】塚本 英隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－２１７０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２２７４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－０２４３８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６４Ｂ １／６２

Ｂ６４Ｂ １／６０

Ｂ６４Ｕ １０／３０

Ｂ６４Ｕ ５０／３１

Ｂ６４Ｕ ５０／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部から注入又は排気可能な空気を加温して浮力を生ずる熱気球であって、
外気と接する第１の球皮と、前記第１の球皮の内側に位置し、前記第１の球皮との間に断熱性を有するガスが充填された外空部を形成し、内部に内空部を形成する第２の球皮と、を備える気嚢と、
自然エネルギーによって発電する発電装置と、
前記第２の球皮内の前記内空部に配置され、前記浮力を生ずるために、前記発電装置で発電された電力によって前記内空部内の空気を加温する加温装置と、
前記内空部の空気と外気とを区画するキャップと、
を備える熱気球。

【請求項2】

前記外空部は、前記内空部を包含する、
請求項１に記載の熱気球。

【請求項3】

リング状部材をさらに備え、
前記第１の球皮の下端部は、前記リング状部材の外周部に気密に固定されており、
前記第２の球皮の下端部は、前記リング状部材の内周部に気密に固定されており、
前記キャップは、前記リング状部材の中心穴を塞ぐように配置されている、
請求項１に記載の熱気球。

【請求項4】

前記発電装置は、風力によって発電する風力発電装置を含む、
請求項１に記載の熱気球。

【請求項5】

前記発電装置は、太陽光によって発電する太陽光発電装置を含む、
請求項１に記載の熱気球。

【請求項6】

前記第１の球皮と前記第２の球皮とを接続する連結部を更に有する、
請求項１に記載の熱気球。

【請求項7】

前記内空部の圧力を調整する圧力調整手段を更に有する、
請求項１に記載の熱気球。

【請求項8】

前記加温装置は、吸い込んだ空気を加温し、加温した空気を上方に放出する、
請求項１に記載の熱気球。

【請求項9】

前記熱気球に推進力を与える推進機構と、通信機器または観測機器とを更に有する、
請求項１から８のいずれか１項に記載の熱気球。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱気球に関する。

【背景技術】

【0002】

加温された空気を利用して浮遊する気球が知られている。例えば、特許文献１には、バーナの火災噴射を利用して気嚢内の空気を加温して浮力を得る熱気球が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平６－２４３８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の熱気球では、気嚢の延焼を防止すると共に酸素を供給するため、ガスバーナは、気嚢の下部に設置されている。このため、飛行状態では、上空の低温の空気を加温する必要がある。このため、エネルギー効率が低い。
また、ガスバーナを利用した熱気球では、燃料がなくなったときには、一旦、着陸し、燃料を充填する必要がある。このため、飛行期間が相対的に短く、長時間上空に留まることが困難であり、結果的に、エネルギー効率が低い。

【0005】

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率の高い熱気球を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明に係る熱気球は、
外部から注入又は排気可能な空気を加温して浮力を生ずる熱気球であって、
外気と接する第１の球皮と、前記第１の球皮の内側に位置し、前記第１の球皮との間に断熱性を有するガスが充填された外空部を形成し、内部に内空部を形成する第２の球皮と、を備える気嚢と、
自然エネルギーによって発電する発電装置と、
前記第２の球皮内の前記内空部に配置され、前記浮力を生ずるために、前記発電装置で発電された電力によって前記内空部内の空気を加温する加温装置と、
前記内空部の空気と外気とを区画するキャップと、
を備える。

【0007】

前記外空部は、前記内空部を包含してもよい。

【0008】

例えば、リング状部材をさらに備え、前記第１の球皮の下端部は、前記リング状部材の外周部に気密に固定されており、前記第２の球皮の下端部は、前記リング状部材の内周部に気密に固定されており、前記キャップは、前記リング状部材の中心穴を塞ぐように配置されている、ように構成されてもよい。

【0009】

前記発電装置は、風力によって発電する風力発電装置を含んでもよい。

【0010】

前記発電装置は、太陽光によって発電する太陽光発電装置を含んでもよい。

【0011】

前記第１の球皮と前記第２の球皮とを接続する連結部を更に有してもよい。

【0012】

前記内空部の圧力を調整する圧力調整手段を更に有してもよい。

【0013】

前記加温装置は、吸い込んだ空気を加温し、加温した空気を上方に放出してもよい。

【0014】

前記熱気球に推進力を与える推進機構と、通信機器または観測機器とを更に有してもよい。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、熱気球自体が発電装置を備え、発電した電力を加温装置に供給する。発電装置は、自然エネルギーにより発電するので、上空に留まったままでも、発電が可能である。このため、熱気球が、無着陸で長期間上空に留まることが可能となる。また、気嚢が内空部と内空部を囲む外空部とを備えるので、外空部が一種の断熱部材として機能し、内空部のガスが冷却されにくく、内空部の温度を高い温度に維持しやすくなる。このため、エネルギー効率が高い。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施の形態１に係る気球の飛行状態での全体図である。

【図2】図１に示す気球に搭載される制御装置の機能的構成を示す図である。

【図3】図２に示す制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。

【図4】図１に示す気球が巡行飛行している状態で、制御装置が実行する温度制御処理のフローチャートである。

【図5A】本発明の実施の形態１に係る気球の飛行までの手順を説明するための図である。

【図5B】本発明の実施の形態１に係る気球の飛行までの手順を説明するための図である。

【図5C】本発明の実施の形態１に係る気球の飛行までの手順を説明するための図である。

【図6】本発明の実施の形態１に係る気球の変形例を説明するための図である。

【図7】本発明の実施の形態２に係る気球の飛行状態での全体図である。

【図8】図７に示す気球が巡行飛行している状態で、制御装置が実行する気圧制御処理のフローチャートである。

【図9】本発明の実施の形態３に係る気球の飛行状態での全体図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に、本発明の実施の形態に係る気球とその動作について図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
実施の形態１に係る気球について図面を参照して説明する。
図１に示すように、実施の形態１に係る気球１は、飛行可能状態では、気嚢ＢＡ１と、気嚢ＢＡ１に吊下部材２１により吊り下げられたゴンドラ部ＢＡ２と、を備える。

【0018】

気嚢ＢＡ１は、全体として、その上部が略半球形状を有し、下部に向けて略円錐形状を有し、下端部に開口部を有する。
気嚢ＢＡ１は、外皮２と、外皮２内に配置された内皮３と、外皮２と内皮３とを連結する連結部６と、断熱キャップ７と、外皮２と内皮３の下端に位置するリング形状のリングキャップ８と、電気ヒータ１０と、を備える。

【0019】

外皮２は、気嚢ＢＡ１の外観を形成する球皮であり、気嚢ＢＡ１の外気と内気層とを区画する。内皮３は、外皮２よりもサイズが小さい球皮であり、外皮２に包含されている。外皮２と内皮３とによって、気嚢ＢＡ１内の気体層は二重に形成されている。具体的には、気嚢ＢＡ１は、外皮２と内皮３との間に外空部４を有し、内皮３の内側に内空部５を有する。外空部４は、内空部５を包み込むように配置及び形成される。外空部４は、一種の断熱材として機能し、内空部５の熱が外気に伝達して、内空部５内の温度が低下するのを抑える機能を有する。外皮２と内皮３は、例えば、フッ素樹脂がコーティングされたガラス繊維から形成される。このため、気嚢ＢＡ１の断熱性は高い。本実施の形態では、外空部４に、例えばアルゴンガスが封入されている。このため、気嚢ＢＡ１の断熱性は更に高められる。なお、外皮２は、本発明の「第１の球皮」の一例であり、内皮３は、本発明の「第２の球皮」の一例である。

【0020】

気嚢ＢＡ１は、外皮２と内皮３とを繋ぐ複数の連結部６を備える。連結部６は、通気性で帯状の布等から構成され、一方の端部が、外皮２の内面に固定され、他方の端部が内皮３の外面に固定されている。連結部６によって、外皮２と内皮３との相対的な位置関係が維持され、また、外皮２と内皮３の膨張時の形状が保持されるとともに、外空部４の領域が保たれる。外皮２と内皮３は、下端部に開口部を有する。

【0021】

リングキャップ８は、リング状の帯状部材（リング状部材）から構成され、外皮２と内皮３の下端の開口部に気密に取り付けられる。これにより、外皮２と内皮３の下部の形状が保持されると共に外空部４が気密状態に維持される。リングキャップ８は、外部から外空部４にアルゴンガスを注入又は排気するための継手ｊｂを備える。リングキャップ８の中央部には、穴（開口）が形成されている。外皮２の下端部は、リングキャップ８の外周に沿って気密に取り付けられている。また、内皮３の下端部は、リングキャップ８の内周に沿って気密に取り付けられている。リングキャップ８の中心穴は、断熱キャップ７によって塞がれている。

【0022】

断熱キャップ７は、断熱性の材料から形成され、気嚢ＢＡ１の下端に、内皮３の開口部を塞ぐ形で取り付けられている。断熱キャップ７は、気嚢ＢＡ１の内空部５の内気と外気とを区画し、気嚢ＢＡ１内と気嚢ＢＡ１外との熱の移動を抑制する役割を担う。断熱キャップ７には、配線ＥＬ、ＳＬを通す孔ｈaが設けられている。配線（電源線）ＥＬは、内空部５に配置されている電気ヒータ１０と、ゴンドラ部ＢＡ２に配置されるバッテリー２２とを接続する。また、配線（信号線）ＳＬは、制御装置３０と、電気ヒータ１０，バッテリー２２，及び高度測定機器６０を接続する。また、信号線ＳＬは、制御装置３０と高度測定機器６０及び監視装置９０を接続する。また、断熱キャップ７には、外部から内空部５に空気を注入又は排気するための継手ｊａを備える。継手ｊａは、圧力弁の機能を備え、内空部５内の圧力Ｐｉｎが、外気の圧力Ｐｏｕｔよりも一定の割合α以上だけ高くなった場合｛Ｐｉｎ≧Ｐｏｕｔ＊（１．０＋α）｝に、内空部５内の空気を外気に排気する。なお、αは１より小さい正の値であり、例えば、０．５～０．０５程度である。継手ｊａは、内空部５の圧力を調整する圧力調整手段の一例である。

【0023】

電気ヒータ１０は、固定部材１１によって断熱キャップ７に固定されている。固定部材１１は、例えば、フレーム状に構成され、電気ヒータ１０と断熱キャップ７の間を空気が流通可能なように、電気ヒータ１０と断熱キャップ７の距離を維持する。

【0024】

電気ヒータ１０は、例えば、電動セラミックヒータ、赤外線カーボンヒータ等を備えるファンヒータから構成される。電気ヒータ１０は、自身の下面に配置された吸い込み口から吸い込んだ空気を加温し、加温した空気を内空部５の上方へ向けて放出する。電気ヒータ１０は、内空部５の空気の温度を２００℃程度に維持できる加温能力を有する。電気ヒータ１０は、本発明の「加温装置」の一例である。

【0025】

一点鎖線の矢印ＡＦで示すように、電気ヒータ１０は、内空部５の下端部の空気を吸い込んで加温し、内空部５に放出する。放出された加温空気は、内空部５内を上昇し、内皮３の近傍で、外空部４の内皮３との温度差により冷却され、降下する。降下した空気は、電気ヒータ１０に吸い込まれて、加温され、放出される。このようにして、空気は、内空部５を循環する。気嚢ＢＡ１は、外皮２と内皮３を有する二重構造のため、一重構造よりも断熱効果が得られる。また、外空部４は、アルゴンガスで満たされているので、更なる断熱効果が得られる。また、低温の外気を温めるガス燃焼の構成と比較して、電気ヒータ１０は、気嚢ＢＡ１内で循環する空気を温めるので、低い消費エネルギーで加温できる。

【0026】

ゴンドラ部ＢＡ２は、ゴンドラ２０を備える。ゴンドラ２０は、気嚢ＢＡ１の下端部に、吊下部材２１により、吊り下げられている。本実施の形態では、ゴンドラ２０の形状は、直方体状の箱形形状を有する。ゴンドラ２０の底面外側には、風力発電装置５０が取り付けられている。また、ゴンドラ２０は、バッテリー２２と、高度測定機器６０と、制御装置３０とを搭載する。

【0027】

風力発電装置５０は、自然エネルギーの一つである風力によって、電力を発電する装置である。風力発電装置５０は、風力によるタービンの回転により発電する発電機を備え、タービンの回転を電力に変換する。風力発電装置５０は、少なくとも水平方向の風成分により発電することが望ましい。また、風力発電装置５０は、水平方向の様々な方向からの風により発電する水平面内で無指向性であることが望ましい。風力発電装置５０の発電能力は、気嚢ＢＡ１のサイズと予定飛行高度に応じて選定されるが、巡行状態で、風力により、電気ヒータ１０の消費電力を満たす発電能力を有することが望ましい。発電機で発電された電力は、バッテリー２２に蓄電される。なお、発電機とタービンの回転部との間に、増速機が設けられてもよい。風力発電装置５０は、例えば、特許第７００２７９７号に開示された発電装置であってもよい。特許第７００２７９７号に開示された発電装置は、様々な方向からの風を高い効率で電力に変換可能であり、本願発明の発電装置として有効である。

【0028】

バッテリー２２は、風力発電装置５０に図示せぬ配線で接続され、風力発電装置５０が発電した電力を蓄電する。バッテリー２２の出力端は配線（電力線）ＥＬを介して電気ヒータ１０に接続され、電力を供給する。また、バッテリー２２は、制御装置３０及び高度測定機器６０にも動作用電力を供給する。

【0029】

高度測定機器６０は、気球１の飛行高度を測定する。本実施の形態では、高度測定機器６０は、ＧＰＳ（Global Positioning Sensor）を含む。なお、飛行高度の測定は、ＧＰＳを利用した測定方法に限定されず、他の任意の種類の測定方法であってもよい。

【0030】

制御装置３０は、気球１を制御する装置であり、図２に示すように、気球１の制御に必要な情報を取得する取得部３１と、制御装置３０の全体を制御する制御部３２と、通信インタフェースの役割を担う通信部３３と、制御に必要なデータを記憶する記憶部３４とを備える。

【0031】

取得部３１は、高度測定機器６０によって測定された飛行高度を取得する。制御部３２は、取得部３１によって取得した飛行高度に基づいて、電気ヒータ１０のＯＮとＯＦＦを制御する処理を実行する。本実施の形態では、この制御処理を「温度制御処理」と呼ぶ。詳しくは後述する。飛行高度に基づいた温度制御によって、浮力が制御されるので、バラストが不要である。通信部３３は、電気ヒータ１０と、高度測定機器６０と無線通信する。また、通信部３３は、地上の監視装置９０と無線通信する。

【0032】

記憶部３４は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などのメモリで構成されており、制御に必要なプログラムとデータを記憶する。具体的には、記憶部３４は、後述の温度制御処理を実行する制御プログラム、即ち、温度制御プログラムを記憶している。また、記憶部３４は、各種閾値を保存している。

【0033】

制御装置３０は、例えば、パーソナルコンピュータにより実現され、図３に例示するように、バス１０００を介して互いに接続された、温度制御プログラムを実行するプロセッサ１００１と、主記憶領域として機能するメモリ１００２と、温度制御プログラムを記憶する二次記憶装置１００３と、信号を入出力する入出力（Ｉ／Ｏ）（Input/Output）インタフェース１００４と、通信を行う通信モジュール１００５と、を備える。

【0034】

プロセッサ１００１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit：中央算出装置）を備える。プロセッサ１００１が、二次記憶装置１００３に記憶された温度制御プログラムをメモリ１００２に読み込んで実行する。

【0035】

メモリ１００２は、例えば、ＲＡＭにより構成される主記憶装置を含む。メモリ１００２は、プロセッサ１００１のワークメモリとして機能し、プロセッサ１００１が二次記憶装置１００３から読み込んだ温度制御プログラムを記憶する。

【0036】

二次記憶装置１００３は、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等から構成される。二次記憶装置１００３は、プロセッサ１００１が実行する温度制御プログラム、固定データ等を記憶する。

【0037】

Ｉ／Ｏインタフェース１００４は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ポートインタフェース等から構成される。Ｉ／Ｏインタフェース１００４は、例えば、プロセッサ１００１からの制御信号を電気ヒータ１０とバッテリー２２に送信し、高度測定機器６０からの測定信号をプロセッサ１００１に伝達する。

【0038】

通信モジュール１００５は、ネットワークインタフェース等から構成される。通信モジュール１００５は、例えば、プロセッサ１００１と地上の監視装置９０との間の通信を仲介する。

【0039】

図２および図３を参照しながら説明すると、取得部３１は、例えば、プロセッサ１００１とＩ／Ｏインタフェース１００４から構成される。制御部３２は、例えば、プロセッサ１００１から構成される。また、通信部３３は、例えば、通信モジュール１００５から構成される。また、記憶部３４は、メモリ１００２と二次記憶装置１００３から構成される。

【0040】

次に、上記構成を有する気球１の動作を説明する。
気球１は、風力発電装置５０で発電された電力を消費して、無補給で長期間上空に留まる能力を有する。この動作を説明する。

【0041】

気球１は、地上にあって飛行準備状態では、外空部４にアルゴンガスが充填され、内空部５に例えば、４０℃～８０℃程度に加温された空気が充填された状態にある。地上から上昇する場合、電気ヒータ１０を稼働させる。これにより、内空部５の空気の温度がさらに上昇する。空気の温度の上昇に伴い、内空部５内の圧力が上昇し、継手ｊａを介して、内空部５の空気が外気に排気される。これにより、気嚢ＢＡ１の浮力が増大し、気球１は上昇を開始する。

【0042】

上昇に伴い、気球１の外気圧は徐々に低下する。また、電気ヒータ１０の稼働によって、内空部５の温度はさらに上昇する。外気圧が内空部５内よりも一定の割合以上低くなると、継手ｊａを介して、内空部５の空気が外気に排気される。これにより、気嚢ＢＡ１に浮力が生じ、気球１はさらに上昇する。

【0043】

上空では、高度によるが、地上の２－４倍の風速で風が吹いている。この風に流されて気球１が移動する。このため、風速と気球１の移動速度との差に相当する風速の風が風力発電装置５０に常時吹き付け、風力発電装置５０は、昼夜、天候の差にかかわらず発電を継続し、電力をバッテリー２２に蓄電する。

【0044】

電気ヒータ１０は、制御装置３０の制御に従って、バッテリー２２に蓄電された電力を消費し、予め設定された飛行高度範囲内で飛行するように、内空部５の空気を加温しあるいは加温を停止する。気嚢ＢＡ１内の空気と外気との流通がなく、気嚢ＢＡ１内の空気層と、アルゴンガスが封入された断熱層との２層構造であることから、気嚢ＢＡ１内の空気の温度は低下しにくい。また、電気ヒータ１０は、内空部５の比較的高温の空気を加温する。このため、気球１は、高エネルギー効率で、飛行状態を維持できる。また、飛行中でも風力発電装置５０が常時発電を継続し、バッテリー２２に蓄電する。電気ヒータ１０は、バッテリー２２の蓄電電力を消費して加温する。このため、気球１は地上に降りることなく、飛行を継続することができる。

【0045】

次に、気球１の上記飛行動作時において、気嚢ＢＡ１内の空気の温度を制御する「温度制御処理」について説明する。上述したように、本実施の形態における「温度制御処理」は、飛行高度に基づいて、電気ヒータ１０のＯＮ、ＯＦＦを制御する処理である。この温度制御処理によって、気球１の高度が、目標とする飛行高度範囲内に維持される。ユーザが、制御装置３０を起動すると、制御部３２は、温度制御プログラムを実行し、図４に示す温度制御処理を開始する。また、ユーザは、制御装置３０に、気球１の巡行飛行時の予定高度範囲を設定する。

【0046】

図４に示す温度制御処理を開始すると、まず、取得部３１は、高度測定機器６０から、気球１の飛行高度を取得する（ステップＳ１０１）。制御部３２は、気球１の飛行高度が、ユーザにより設定された高度範囲の下限値に相当する第１の閾値よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１０２）。気球１の飛行高度が第１の閾値よりも低いと判定された場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、気球１の飛行高度は、目標とする飛行高度範囲に至っていない。このため、制御部３２は、電気ヒータ１０を稼働させて、内空部５の空気を加温する（ステップＳ１０３）。これにより、気球１の高度が上昇する。

【0047】

一方、気球１の飛行高度が第１の閾値以上と判定された場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、制御部３２は、気球１の飛行高度は、第２の閾値以下か否かを判定する（ステップＳ１０４）。第２の閾値は、第１の閾値よりも大きく、気球１の目標高度範囲の上限に相当する。気球１の飛行高度が、第２の閾値以下であると判定された場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、制御部３２は、処理をステップＳ１０６に移す。気球１の高度が、第１の閾値以上であって、かつ、第２の閾値以下の場合、気球１は、目標とする飛行高度範囲内の高度で飛行している。このため、制御部３２は、電気ヒータ１０への制御を行わず、処理をステップＳ１０６に移す。

【0048】

気球１の飛行高度が、第２の閾値よりも高いと判定された場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、気球１の飛行高度は、目標飛行高度範囲を超えている。このため、制御部３２は、電気ヒータ１０を停止する（ステップS１０５）。気嚢ＢＡ１内の空気は加温されなくなる。これにより、気球１の高度は下降に向かう。

【0049】

ステップＳ１０３の後、ステップＳ１０５の後、ステップＳ１０４においてＹｅｓと判定された後、制御部３２は、温度制御処理の終了コマンドが有るか否かを判定する（ステップＳ１０６）。制御部３２は、例えば、地上の監視装置９０から終了コマンドが送信されたか否かを判定する。温度制御処理の終了コマンドが送信されたと判定した場合（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、制御部３２は電気ヒータ１０の稼働を停止させ（ステップＳ１０７）、温度制御処理を終了する。気嚢ＢＡ１内の空気の温度が低下すると、気球１の高度は低下する。

【0050】

温度制御処理の終了コマンドが送信されていないと判定した場合（ステップＳ１０６：Ｎｏ）、制御部３２は、処理をステップＳ１０１へ戻す。

【0051】

このようにして、気球１は、予め設定された高度範囲内を風力発電装置５０で発電した電力を消費しつつ無補給で長期間飛行を継続可能である。

【0052】

次に、気球１が飛行するまでの準備作業について、図５Ａから図５Ｃを参照して説明する。

【0053】

保存状態では、気嚢ＢＡ１とゴンドラ部ＢＡ２とは分離されている。また、図５Ａに示すように、気嚢ＢＡ１における外皮２と内皮３は萎んだ状態である。また、断熱キャップ７，リングキャップ８，電気ヒータ１０は、気嚢ＢＡ１から取り外されている。

【0054】

この状態で、内皮３と外皮２の下端部に気密に接続されているリングキャップ８に、固定部材１１により電気ヒータ１０が固定された断熱キャップ７を装着する。そして、図５Ｂに例示するように、エアコンプレッサＡＩＣを使用して、継手ｊａを介して、内空部５に、例えば、４０℃～８０℃程度のわずかに浮力が生ずる温度の空気を注入し、内皮３をある程度膨ませる。また、アルゴンガスが入っているガスボンベＧＢを使用して、継手ｊｂを介して外空部４にアルゴンガスを注入し、外皮２を膨らませる。なお、エアコンプレッサＡＩＣに繋がれたホースＡＨと、ガスボンベＧＢに繋がれたホースＢＨを、それぞれ継手ｊａ，ｊｂに接続して、空気とアルゴンガスを注入する。

【0055】

外空部４へのアルゴンガスの注入が終了すると、ガスボンベＧＢに繋がれたホースＢＨを継手ｊｂから取り外す。内空部５への空気の注入がある程度のレベル、例えば８割程度空気が注入されると、エアコンプレッサＡＩＣに繋がれたホースＡＨを継手ｊａから取り外す。

【0056】

続いて、電気ヒータ１０を駆動して内空部５の空気を加温する。ただし、飛行開始までは、バッテリー２２の蓄積電力を維持することが望ましいので、図５Ｃに示すように、配線ＥＬを外部電源Ｅｇに接続し、外部電源Ｅｇから電気ヒータ１０に電力を供給する。

【0057】

気嚢ＢＡ１にゴンドラ部ＢＡ２を吊下部材２１を介して吊り下げる。また、電気ヒータ１０とバッテリー２２を配線ＥＬを介して接続し、また、電気ヒータ１０と制御装置３０を配線ＳＬを介して接続する。

【0058】

電気ヒータ１０は、気嚢ＢＡ１内の空気を加温して、加温した空気を内空部５に放出する。すると、気嚢ＢＡ１内の空気が、密度の小さい軽い空気となって浮力が生じて気球１が浮上し得る状態となる。その後、離陸時までに、外部電源Ｅｇから配線ＥＬが外されて、図１に示すように、配線ＥＬはバッテリー２２に接続される。

【0059】

監視装置９０からの指示により、制御装置３０が制御動作を開始し、ゴンドラ２０内の砂袋が取り除かれて、気球１が飛行し始める。なお、飛行開始後は、電気ヒータ１０は、バッテリー２２に蓄電された電力によって作動する。

【0060】

以上説明したように、実施の形態１に係る気球１は、気嚢ＢＡ１の内部に電気ヒータ１０を備える。電気ヒータ１０は、気球１に搭載したバッテリー２２を電力源として作動する。バッテリー２２には、気球１に搭載した風力発電装置５０が発電した電力が蓄電される。電気ヒータ１０は、気嚢ＢＡ１の内部の空気を加温するので、外気の低温空気を燃焼する構成と比較して、エネルギー消費が小さい。その上、気球１は風力発電装置５０によって自家発電できる。このため、気球１は、燃料切れとなる構成と異なり、着陸することなく、長期間飛行し続けられる。

【0061】

また、気球１は、外皮２と内皮３を有する二重構造のため、一重構造と比較して、断熱効果が大きい。また、外空部４には、アルゴンガスが封入されているので、断熱効果が更に大きい。

【0062】

（変形例）
上記実施の形態１は、種々の変更が可能である。
例えば、上記実施の形態１では、気球１は風力発電によって自家発電を行う構成であったが、これに加えて、太陽光発電によって自家発電を行ってもよい。図６に示すように、ゴンドラ２０の側面の外側に太陽光発電装置４０を備えてもよい。風力発電装置５０によって発電した電力に加えて、太陽光発電装置４０が発電した電力がバッテリー２２に蓄電されてもよい。これにより、風力発電と太陽光発電との自家発電によって、より安定した蓄電が実現可能となる。

【0063】

また、上記の実施の形態１では、ゴンドラ２０内部にバッテリー２２、高度測定機器６０が配置されていたが、これに加えて、携帯アンテナ、テレビアンテナなどの備品、気象センサを搭載してもよい。

【0064】

また、電気ヒータ１０は、自身の吸い込み口に温度センサを備えてもよい。これにより、気嚢ＢＡ１内の温度が予め定められた第１の温度に達したら、電気ヒータ１０は吸気の加温を停止してもよい。また、気嚢ＢＡ１内の温度が予め定められた第２の温度以下となったら、電気ヒータ１０は吸気の加温を再開してもよい。

【0065】

実施の形態１では、電気ヒータ１０として、ファンヒータを例示したが、ファンヒータに限定されない。電気ヒータ１０は、内空部５の空気を加熱できれば、その構成は任意である。

【0066】

また、実施の形態１では、外空部４にアルゴンガスを注入したが、アルゴンガス以外のガスでもよい。ただし、空気より比重の小さいガスが望ましい。また、外空部４の断熱機能を確保するため、内空部５内の空気よりも熱伝達率の小さいガスが望ましい。

【0067】

また、外空部４に代えて、比重の小さい材料、例えば、発砲ウレタンを断熱材として内皮３の外表面の全部又は一部を覆い、断熱するようにしてもよい。

【0068】

外空部４が内空部５のほぼ全体を包含する例を示したが、外空部４は内空部５の一部の上のみに配置される構成でもよい。外空部４の断熱効果の必要度に応じて配置すればよい。

【0069】

実施の形態１において、温度制御処理に関し、第１と第２の閾値にヒステリシスを与えてもよい。また、実施の形態１では、温度制御処理で、電気ヒータ１０をオン・オフ制御したが、高度測定機器６０で測定された飛行高度Ｈｒと目標高度Ｈｔとに応じて、空気の加温量を制御してもよい。例えば、図４のステップＳ１０２～Ｓ１０５に代えて、飛行高度Ｈｒと目標高度Ｈｔとの偏差ΔＨに基づいて、ＰＩＤ（比例積分微分）制御により、例えば、電気ヒータ１０の加温に使用する電力ＰをＰ＝α・ΔＨ＋β・∫ΔＨｄｔ＋γ・ｄΔＨ／ｄｔとなるように、制御してもよい。ここで、α、β、γは任意の係数である。その他、制御の手法自体は任意である。

【0070】

実施の形態１では、外皮２と内皮３の下端部をリングキャップ８に固定したが、外空部４と内空部５を形成できるならば、リングキャップ８を使用する例に限定されない。例えば、内皮３の下端部を外皮２の内面に気密に固定してもよい。同様に、外皮２の下端部を内皮３の外面に気密に固定する等してもよい。

【0071】

上記実施の形態では、気球１の上昇開始時（地上）に、内空部５内の空気の温度を比較的低温の４０℃～８０℃としたが、これに限定されない。例えば、上昇予定高度に応じて地上で１５０℃～３００℃、例えば、２００℃程度の、大きい浮力を発生させる高温の空気を内空部５に充填してもよい。この場合、内空部５から外気への排気、外気の内空部５への供給を行わなくても、電気ヒータ１０による内空部５の空気の温度制御で気球１の上昇及び下降が可能となる。また装置構成も簡易にできる。

【0072】

（実施の形態２）
実施の形態２においては、内空部５の内圧を調整することによって、気球１の上昇と降下の両方に対応可能とする。以下、このような特徴を有する実施の形態２の気球を、図７および図８を参照しつつ、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

【0073】

図７に示すように、断熱キャップ７の内面には、気圧センサ１５が取り付けられている。配線（信号線）ＳＬは、気圧センサ１５と制御装置３０とを、孔ｈａを介して接続する。

【0074】

ゴンドラ２０には、コンプレッサ、空気ボンベ、等のガス供給装置が配置される。以下の説明では、ガス供給装置を空気ボンベＡｉＢであるとする。

【0075】

空気ボンベＡｉＢにはエアホースＡＨが取り付けられている。また、継手ｊａは、三方向継手から構成されている。三方向継手の３方向のうちの１方向の端部は、継手ｊａに取り付けられている。残りの２方向の端部は、それぞれ、第１電磁弁Ｂ１，第２電磁弁Ｂ２を備える。エアホースＡＨは、第１電磁弁Ｂ１を備える端部と、空気ボンベＡｉＢとを接続する。継手ｊａ、空気ボンベＡｉＢ、制御装置３０は、内空部５の圧力を調整する圧力調整手段の一例である。

【0076】

また、制御装置３０の記憶部３４は、気球１の高度Ｈ別に、内空部５のサイズを維持しつつ浮力を得るために必要な内空部５内の圧力の基準値Ｐr（Ｈ）を記憶している。

【0077】

次に、このような構成の気球１の飛行動作時において、気嚢ＢＡ１の内空部５の気圧を制御する「気圧制御処理」について説明する。本実施の形態における「気圧制御処理」は、気球１の高度Ｈと内空部５内の気圧Ｐinに基づいて、第１電磁弁Ｂ１，第２電磁弁Ｂ２の開閉を制御する処理である。第１電磁弁Ｂ１が開くと、空気ボンベＡｉＢから内空部５へ空気が注入される。一方、第２電磁弁Ｂ２が開くと、内空部５の空気が気嚢ＢＡ１の外部へ排出される。気圧制御処理によって、内皮３の形状が、一定程度維持される。気球１が飛行を開始すると、制御部３２は、気圧制御プログラムを実行し、図８に示す気圧制御処理を開始する。

【0078】

図８に示す気圧制御処理を開始すると、まず、取得部３１は、気圧センサ１５から、内空部５の気圧Ｐinを取得し、高度測定機器６０から気球１の飛行高度Ｈを取得する（ステップＳ２０１）。制御部３２は、取得した高度Ｈに対応する基準値Ｐｒ（Ｈ）を記憶部３４から読み出す。制御部３２は、読み出した基準値Ｐｒ（Ｈ）に基づいて、内空部５内の高度Ｈに適正圧力範囲の下限値ＰｒＬに相当する第１の気圧閾値を求める。第１の気圧閾値、即ち、適正圧力範囲の下限値ＰｒＬは、例えば、基準値Ｐｒ（Ｈ）の０．９５～０．８５倍に設定される。

【0079】

続いて、制御部３２は、ステップＳ２０１で取得した内空部５の気圧Ｐinが下限値ＰｒＬ（＝第１の気圧閾値）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ２０２）。内空部５の気圧が第１の気圧閾値よりも低いと判定された場合（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、内空部５の気圧は、内空部５のサイズを維持しつつ浮力を得るために必要な圧力に達していない。このため、制御部３２は、第１電磁弁Ｂ１を開く制御（開弁）を行い、空気ボンベＡｉＢから内空部５に空気を注入する（ステップＳ２０３）。空気の注入によって内空部５の気圧が上昇し、内空部５の形状が維持される。

【0080】

一方、内空部５の気圧が第１の気圧閾値以上と判定された場合（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、制御部３２は、基準値Ｐｒ（Ｈ）に基づいて、内空部５内の高度Ｈに適正な圧力範囲の上限値ＰｒＵに相当する第２の気圧閾値を求める。第２の気圧閾値、即ち、適正圧力範囲の上限値ＰｒＵは、例えば、基準値Ｐｒ（Ｈ）の１．０５～１．１５倍に設定される。続いて、制御部３２は、ステップＳ２０１で取得した内空部５の気圧Ｐinが上限値ＰｒＵ（＝第２の気圧閾値）以下か否かを判定する（ステップＳ２０４）。内空部５の気圧が、第２の閾値以下であると判定された場合（ステップＳ２０４：Ｙｅｓ）、内空部５の気圧は、高度Ｈに対して適切な圧力範囲にある。このため、制御部３２は、第１電磁弁Ｂ１及び第２電磁弁Ｂ２を閉じて、内空部５の空気の注入及び排気を行わず、処理をステップＳ２０７に移す。

【0081】

内空部５の気圧が、第２の気圧閾値よりも高いと判定された場合（ステップＳ２０４：Ｎｏ）、内空部５の気圧が高度Ｈに対応する適切な圧力範囲を超えている。このため、制御部３２は、第２電磁弁Ｂ２を開く制御を行う（ステップS２０６）。これにより、内空部５の空気が排気され、内皮３の形状が維持される。

【0082】

ステップＳ２０３の後、ステップＳ２０５の後、ステップＳ２０６の後、制御部３２は、気圧制御処理の終了コマンドが有るか否かを判定する（ステップＳ２０７）。制御部３２は、例えば、地上の監視装置９０から終了コマンドが送信されたか否かを判定する。気圧制御処理の終了コマンドが送信されたと判定した場合（ステップＳ２０７：Ｙｅｓ）、制御部３２は、第１電磁弁Ｂ１及び第２電磁弁Ｂ２を閉じる制御を行う（ステップＳ２０８）。気圧制御処理を終了する。

【0083】

地上の監視装置９０から終了コマンドが送信された場合、上述の温度制御処理も終了する。

【0084】

気圧制御処理の終了コマンドが送信されていないと判定した場合（ステップＳ２０７：Ｎｏ）、制御部３２は、処理をステップＳ２０１へ戻す。

【0085】

このようにして、気球１は、内空部５の気圧を、気球１の高度Ｈ別に、内空部５のサイズを維持して浮力を得るために必要な圧力範囲に維持する。これにより、気球１は、高度Ｈを変化させながら飛行を継続可能である。

【0086】

制御装置３０は、図４に示す温度制御処理と図８に示す気圧制御処理を並行して実行することにより、気球１の上昇及び下降を繰り返して制御することができる。

【0087】

（変形例）
なお、上記実施の形態においては、浮力が得られる程度に適切な圧力Ｐｒ（Ｈ）にほぼ一致するように、内空部５内の圧力を制御した。この発明は、これに限定されない。気球１が浮力を得られる程度に内空部５の圧力を調整できれば、その手法は任意である。例えば、外気圧を測定する外気圧センサを設け、外気圧より基準値だけ大きくなるように内空部５の気圧を制御してもよい。基準値は、例えば、気球１の浮力が得られる程度に内空部５のサイズと形状を確保できる値に設定される。また、例えば、内皮３に伸長計を貼付し、内空部５のサイズと形状が、気球１が浮力を得られる程度となる程度に内皮３が伸長するように、内空部５の気圧を制御してもよい。また、内空部５のサイズまたは形状を計測するセンサを配置し、内空部５のサイズ又は形状が基準条件を満たすように、内空部５の気圧を制御してもよい。

【0088】

（実施の形態３）
実施の形態１，２では、気球１は、自力航行能力を備えてない。そのため気球１自身の位置を自立的に制御できない。
例えば、図９に例示するように、気球１は、推進装置１０１を備えてもよい。推進装置１０１は、気球１の水平方向への推進力を生成し、気球１の水平方向への移動を可能とする。なお、鉛直方向への移動は、電気ヒータ１０の制御により可能である。図９に例示する推進装置１０１は、プロペラ１０２と、舵１０３と、プロペラ１０２を回転させると共に舵１０３を操縦する駆動操舵装置１０４を備える。推進装置１０１は、本発明の「推進機構」の一例である。

【0089】

制御装置３０は、駆動操舵装置１０４を制御し、プロペラ１０２の回転方向と回転速度を制御する。これにより、気球１は、前進及び後進が可能となる。制御装置３０は、駆動操舵装置１０４を制御し、舵１０３の向きを制御する。これにより、気球１の進行方向を制御することができる。このような構成とすれば、気球１をほぼ一定位置に滞在させたり、任意の経路で移動させることが可能となる。

【0090】

制御装置３０は、慣性航法の手法等の既知の航法を用いて、気球１の運行を制御できる。例えば、制御装置３０は、ＧＰＳ信号から気球１の位置を測定し、記憶部３４に設定されている目標位置（例えば、緯度、経度）を維持するように推進装置１０１を制御し、或いは、記憶部３４に記憶されているルートに従って、移動するように推進装置１０１を制御する。

【0091】

なお、高度Ｈは、実施の形態１，２で説明したように、電気ヒータ１０の温度を制御しつつ、内空部５の圧力を制御することによって、調整されればよい。

【0092】

このような構成とすることにより、例えば、ゴンドラ２０に通信機器（例えば、基地局を構成する機器あるいは中継局を構成する機器）、観測用機器を配置し、ほぼ一定位置で長期間浮遊した状態を維持することにより、既存の基地局、中継局、定点観測装置以上の機能を達成できる。また、移動しながら、通信を中継、地上を観測すること等も可能でとなる。観測用機器は、本発明の「観測機器」の一例である。

【0093】

以上の説明では、外空部４については、圧力制御を行っていないが、圧力制御を行っても良い。

【0094】

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

【符号の説明】

【0095】

１ 気球、２ 外皮、３ 内皮、４ 外空部、５ 内空部、６ 連結部、７ 断熱キャップ、８ リングキャップ、１０ 電気ヒータ、１１ 固定部材、１５ 気圧センサ、２０ ゴンドラ、２１ 吊下部材、２２ バッテリー、３０ 制御装置、３１ 取得部、３２ 制御部、３３ 通信部、３４ 記憶部、４０ 太陽光発電装置、５０ 風力発電装置、６０ 高度測定機器、９０ 監視装置、１０１ 推進装置、１０２ プロペラ、１０３ 舵、１０４ 駆動操舵装置、１０００ バス、１００１ プロセッサ、１００２ メモリ、１００３ 二次記憶装置、１００４ 入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース、１００５ 通信モジュール、ＢＡ１ 気嚢、ＢＡ２ ゴンドラ部、ＥＬ 配線（電源線）、ｈａ 孔、ｊａ，ｊｂ 継手、ＡＩＣ エアコンプレッサ、ＡｉＢ 空気ボンベ、ＡＨ エアホース、Ｂ１ 第１電磁弁、Ｂ２ 第２電磁弁、Ｅｇ 外部電源、ＳＬ 配線（信号線）。

【要約】

【課題】エネルギー効率の高い気球を提供する。
【解決手段】気球１は、外気と接する第１の球皮２と、第１の球皮２の内側に位置し、第１の球皮２との間にガスが充填された外空部４を形成し、内部に内空部５を形成する第２の球皮３と、を備える気嚢ＢＡ１と、自然エネルギーによって発電する発電装置と、第２の球皮３内の内空部５に配置され、発電装置で発電された電力によって内空部５の空気を加温する加温装置と、内空部５の空気と外気とを区画するキャップと、を備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】