JP2015076495A - 電力伝送システムおよび電力伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正対する磁界変換部間の熱干渉を抑える放熱手段を備えた無線電力伝送システムを提供する。
【解決手段】本発明の電力伝送システムは、電力を送電する磁界を送信する第１の磁界変換部を有する電力送電手段と、前記磁界の受信により前記電力を受電する第２の磁界変換部を有する電力受電手段と、前記第１と第２の磁界変換部の間にあって、前記第１と第２の磁界変換部で発生する熱を伝導する放熱手段と、を有し、前記放熱手段は、前記電力の送電の方向に対して異なる方向に前記熱を伝導する一体構造を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線電力伝送システムに関し、特に、接触式無線電力伝送システムにおいて高い放熱性と高い電力伝送効率とを両立する電力伝送システムおよび電力伝送方法に関する。

無線電力伝送システムとしては、特許文献１や特許文献２に開示された、電磁誘導を利用して電力を無線で伝送するシステムが考えられてきた。さらに近年、特許文献３に開示された、磁界エネルギーの共鳴現象である磁界共鳴を利用する無線電力伝送システムが提案されている。

電磁誘導や磁界共鳴を用いる無線電力伝送システムは、携帯電話等の小電力製品だけでなく、テレビやパソコンなどの比較的電力の大きい民用製品や、電気自動車（ＥＶ）等の大電力を必要とする民用製品への充電技術として期待されている。

電磁誘導や磁界共鳴を用いる無線電力伝送システムは、電力伝送用アンテナで発生する磁束を用いて電力エネルギーの伝送を行う。送電側電力伝送用アンテナから発生する磁束が、受電側電力伝送用アンテナを通過すると、受電側電力伝送用アンテナ内部に誘導電流を生じることで、電力エネルギーの伝送が行われる。

一般的に、電力伝送用アンテナには、その取り扱いを容易にするために、スパイラルコイルやヘリカルコイル等を誘電体で被覆し平板化した構造が用いられる。なお、当業者が想像できる範囲で、上記以外の各種構造が電力伝送用アンテナに適用されている場合もある。本明細書においては、このような電力伝送用アンテナを総称して、磁界変換部と呼称する。

非特許文献１には、１０ＫＷの大電力を効率９０％以上で電力伝送する無線電力伝送システムが開示されている。この無線電力伝送システムは、相対する磁界変換部を近接させて電力伝送を行う。磁界変換部間の距離は、一般的には数ｍｍ〜１ｃｍ程度であり、ほぼ接触に近い状態で電力伝送が行われる。このように、磁界変換部を近接させることで、高い電力伝送効率で電力伝送を安定的に行うことが可能となる。そのため、磁界変換部の距離を短くできる接触式無線電力伝送システムは、テレビやパソコン等の据え置きで用いられる家電に加えて、充電時には静止するＥＶ等の大電力な民用製品を、高効率に充電する技術として期待されている。本明細書においては、このような無線電力伝送システムを総称して、接触式無線電力伝送システムと呼称する。

しかしながら、非特許文献１に開示されているような接触式無線電力伝送システムを用いて電力伝送を行った場合、磁界変換部同士が近接しているため、各々の磁界変換部で発生した熱が干渉するという問題を生じる。

この問題は、磁界変換部から発生する熱を放熱する放熱構造を大型化し、テレビやパソコンなどの機器の裏面からの放熱効率を高めることで対処することが考えられるが、これらの機器が大型化してしまうという新たな問題を生じる。

この問題を解決するために、特許文献４には、二層の樹脂材料からなる放熱構造が開示されている。図１６に、特許文献４に開示された放熱構造を示す。放熱構造体１０は、磁界変換部の前面に設置された、二層の樹脂材料、樹脂材料（Ａ）４０と樹脂材料（Ｂ）５０とによって構成されている。

樹脂材料（Ａ）４０と樹脂材料（Ｂ）５０とは、異なる熱伝導率を有する。すなわち、樹脂材料（Ａ）４０の熱伝導率が樹脂材料（Ｂ）５０の熱伝導率に比べて高く設定されている。このような放熱構造体１０とすることで、樹脂材料（Ｂ）５０は、断熱材としての役割を果たし、磁界変換部（Ａ）２０から発生する熱が磁界変換部（Ｂ）３０に伝達しにくくなる。一方、樹脂材料（Ａ）４０は、磁界変換部（Ａ）２０から発生する熱をＸ軸方向とＹ軸方向に放熱する役割を果たす。すなわち、放熱構造体１０の構造により、電力の伝達方向（Ｚ軸方向）に対して、熱の伝達方向をＸ軸方向とＹ軸方向に制御することができ、正対する磁界変換部で発生する熱の干渉を抑えることが可能となる。

特開２００６−２３０１２９号公報 特開２０１０−６３００７号公報 特表２００９−５０１５１０号公報 特開２０１０−２４５３２３号公報

松村，田内"非接触給電用インバータ"島田理化技報，Ｎｏ．２１，ｐ．２３，２０１１．

しかしながら、特許文献４の構造は以下の問題を有する。すなわち、放熱構造体１０は、材料定数の異なる樹脂材料（Ａ）４０と樹脂材料（Ｂ）５０との張り合わせによって構成されるため、意図しない電力伝送効率の悪化や意図しない放熱性の悪化を招く場合がある。

樹脂材料（Ａ）４０と樹脂材料（Ｂ）５０とは、特許文献４によれば、接着テープ等の接着材で接着層を形成することにより接合される。この接着層は、接着層厚のばらつきや、空気を巻き込むことによる厚さのばらつきなどをもたらす中間層となる。このような中間層は、磁界変換部（Ａ）２０と磁界変換部（Ｂ）３０の平行度を悪化させる、また、中間層が断熱材として機能する、などの問題を生じる。

磁界変換部（Ａ）２０と磁界変換部（Ｂ）３０の平行度が悪化すると、電力伝送効率が悪化する場合が生じる。磁界変換部（Ａ）２０と磁界変換部（Ｂ）３０との間の電力伝送は、送電側の磁界変換部が発生する磁束が、受電側の磁界変換部を通過することで行われる。そのため、磁界変換部（Ａ）２０と磁界変換部（Ｂ）３０の平行度が悪化すると、受電側の磁界変換部を通過する磁束量が減少する場合が生じるためである。

また、中間層が断熱材として機能すると、例えば、磁界変換部（Ａ）２０の発生する熱の、樹脂材料（Ａ）４０への放熱が妨げられるという問題を生じる。

以上の問題は、中間層の層数が多くなればなるほど顕著になる。中間層の数が多くなればなるほど、平行度の悪化や断熱効果を生じる可能性が高くなるためである。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、意図しない電力伝送効率や放熱効率の悪化の抑制された高い電力伝送効率と放熱効率とを有し、正対する磁界変換部間の熱干渉を抑制する放熱手段を備えた電力伝送システムを提供することである。

本発明の電力伝送システムは、電力を送電する磁界を送信する第１の磁界変換部を有する電力送電手段と、前記磁界の受信により前記電力を受電する第２の磁界変換部を有する電力受電手段と、前記第１と第２の磁界変換部の間にあって、前記第１と第２の磁界変換部で発生する熱を伝導する放熱手段と、を有し、前記放熱手段は、前記電力の送電の方向に対して異なる方向に前記熱を伝導する一体構造を有する、電力伝送システムである。

本発明の電力伝送方法は、電力を送電する磁界の送信をし、前記磁界の受信により前記電力を受電する電力伝送方法において、前記磁界の送信、もしくは、前記磁界の受信の際に発生する熱を、前記電力を送電する方向に対して異なる方向に、一体構造を有する媒体により放熱する、電力伝送方法である。

本発明によれば、意図しない電力伝送効率や放熱効率の悪化の抑制された高い電力伝送効率と放熱効率とを有し、正対する磁界変換部間の熱干渉を抑制する放熱手段を備えた電力伝送システムを提供することができる。

本発明の第１の実施形態の電力伝送システムの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態の電力伝送システムの放熱手段の構造を示す図である。 本発明の第１の実施形態の電力伝送システムの放熱手段の構造を示す図である。 本発明の第１の実施形態の電力伝送システムの電力伝送効率のシミュレーションのための構成を説明する図である。 本発明の第１の実施形態の電力伝送システムの電力伝送効率のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第１の実施形態の電力伝送システムの放熱効果のシミュレーションのための構成を説明する図である。 本発明の第１の実施形態の電力伝送システムの放熱効果のシミュレーション結果を示す図である。 既存の電力伝送システムの放熱効果のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態の電力伝送システムの放熱手段の構造を示す図である。 メタマテリアルであるリング共振器の実効透磁率の周波数依存性を示す図である。 本発明の第２の実施形態の電力伝送システムの電力伝送効率のシミュレーションのための構成を説明する図である。 本発明の第２の実施形態の電力伝送システムの電力伝送効率のシュレーション結果を示す図である。 放熱手段にメタマテリアルを用いない場合の電力伝送システムの電力伝送効率のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態の電力伝送システムの電力伝送時の磁界分布を示す図である。 放熱手段にメタマテリアルを用いない場合の電力伝送時の磁界分布を示す図である。 本発明の第２の実施形態の電力伝送システムの放熱効果のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の電力伝送システムの実施例を示す図である。 特許文献４の放熱構造体の構造と効果を説明するための図である。

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態の電力伝送システムを、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態の電力伝送システムの構造を示す図である。電力伝送システム１００は、電力送電手段１１１と電力受電手段１１２と放熱手段１０３とを有する。電力送電手段１１１は、磁界変換部（１）１０１と高周波接続部１１３と回路部１１５とを有する。電力受電手段１１２は、磁界変換部（２）１０２と高周波接続部１１４と回路部１１６とを有する。

放熱手段１０３は、磁界変換部（１）１０１と磁界変換部（２）１０２との間に位置し、磁界変換部（１）１０１と磁界変換部（２）１０２の少なくとも一方に固定されることができる。放熱手段１０３は、熱伝導性絶縁体を有する。放熱手段１０３を介して、磁界変換部（１）１０１と磁界変換部（２）１０２の間で無線電力伝送を行うことができる。放熱手段１０３はまた、接着剤などによる貼り合わせ部のない一体構造を有する。

放熱手段１０３が磁界変換部（１）１０１に固定されることで、電力送電手段１１１と放熱手段１０３とが一体化される。そして、電力受電手段１１２の磁界変換部（２）１０２が放熱手段１０３と接することで、電力送電手段１１１から電力受電手段１１２への電力伝送を行うことができる。

もしくは、放熱手段１０３が磁界変換部（２）１０２に固定されることで、電力受電手段１１２と放熱手段１０３とが一体化される。そして、電力送電手段１１１の磁界変換部（１）１０１が放熱手段１０３と接することで、電力送電手段１１１から電力受電手段１１２への電力伝送を行うことができる。

放熱手段１０３を構成する熱伝導性絶縁体は、絶縁性を有し、熱伝導率の異方性を有する材料で構成されている。具体的には、放熱手段１０３は、図1のＺ軸方向の熱伝導率に比して、Ｘ軸方向とＹ軸方向の熱伝導率が高い。

このような熱伝導性絶縁体は、以下の様にして実現される。図２Ａは、本実施形態の電力伝送システムの放熱手段の構造を示す図である。放熱手段１０３ａは、ポリエチレンテレフタレート（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ。以下、ＰＥＴと略す）などの成形容易な樹脂１０５の内部に、ピラー状の微細な銅などの熱伝導率の高いピラー状材料１０６を分散させる。このピラー状材料１０６を分散させた樹脂を溶融して金型等に流し込むことで、ピラー状材料１０６を特定の方向に配向させて成型する。

以上の構造により、ピラー状材料１０６の配向の方向に熱伝導率の高い熱伝導性絶縁体が得られる。Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向に熱伝導率を高くする場合は、ピラー状材料１０６の配向の方向をＸ軸方向もしくはＹ軸方向とする。この方法で、例えば、Ｘ軸方向とＹ軸方向の熱伝導率を７．０ Ｗ／ｍ・Ｋ、Ｚ軸方向の熱伝導率を１．７ Ｗ／ｍ・Ｋと、Ｚ軸方向に比べてＸ軸方向とＹ軸方向とに高い熱伝導率を有することができる。

図２Ｂは、本実施形態の電力伝送システムの放熱手段の別の構造を示す図である。放熱手段１０３ｂは、ＰＥＴなどの成形容易な樹脂１０７を、一軸延伸法などの方法により成型することで実現することができる。一軸延伸法による成型により、ＰＥＴの高分子は延伸方向に配向する。この高分子の配向方向１０８に熱伝導率が高くなることから、熱伝導率の異方性を有する熱伝導性絶縁体を形成することができる。放熱手段１０３ｂは、樹脂１０７だけで形成されるため安価である。

磁界変換部（１）１０１と磁界変換部（２）１０２とは、銅線などの導体を複数回巻いたものを、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、フッ素樹脂、アクリル、セラミックなどの誘電体で包含して構成される。銅線などの導体は、ヘリカルコイルやスパイラルコイルなどの構造を有するが、本実施形態においてはこれらに限定されることはない。

磁界変換部（１）１０１は、送電用の高周波信号を入力するためのケーブルやコネクタなどの高周波接続部１１３を介して、高周波回路や高周波電源などの回路部１１５に接続されることができる。磁界変換部（２）１０２は、受電用の高周波信号を出力するためのケーブルやコネクタなどの高周波接続部１１４を介して、整流器、コンバータ、スイッチ、負荷などの回路部１１６に接続されることができる。

また、磁界変換部（１）１０１と磁界変換部（２）１０２と放熱手段１０３とは、各々の対向する面において密着していることが好ましい。一方で、磁界変換部（１）１０１と磁界変換部（２）１０２と放熱手段１０３との対向する面の一部または全部は、電力伝送効率や放熱効率に支障のない範囲で間隔を有していても良い。また、その間隔には、接着層あるいは空気あるいは水などの媒質が挿入されていても良い。

次に、本実施形態における、放熱手段１０３、磁界変換部（１）１０１、および、磁界変換部（２）１０２の動作について、順を追って説明する。本実施形態においては、磁界変換部（１）１０１から磁界が発生する、すなわち、磁界変換部（１）１０１を送電側として説明を行うが、磁界変換部（２）１０２が送電側となっても良い。

まず、磁界変換部（１）１０１に、高周波接続部１１３を介して、高周波回路や高周波電源などの回路部１１５から、送電用の高周波が入力し、磁界変換部（１）１０１から送電用の磁界が発生する。次に、磁界変換部（１）１０１から発生した磁界が、放熱手段１０３である熱伝導性絶縁体を通過する。次に、熱伝導性絶縁体を通過した磁界が、磁界変換部（２）１０２に入射し、磁界変換部（２）１０２に誘導電流を生じさせる。生じた誘導電流が、高周波接続部１１４を通じて、整流器、コンバータ、スイッチ、負荷などの回路部１１６に入力され、電力伝送が完了する。

この時、磁界変換部（１）１０１、および、磁界変換部（２）１０２で熱が発生する。生じた熱は、放熱手段１０３である熱伝導性絶縁体を通じて放熱される。熱伝導性絶縁体は熱伝導率の異方性を有するため、磁界変換部（１）１０１や磁界変換部（２）１０２で生じた熱は、図１内の座標のＺ軸方向には伝達しにくく、Ｘ軸方向とＹ方向とに良好に伝達する。すなわち、電力の伝送方向と伝熱方向とが分離され、正対する磁界変換部間の熱干渉を抑えることが可能となる。

以上のように、本実施形態による電力伝送システム１００では、磁界変換部（１）１０１と磁界変換部（２）１０２とを放熱手段１０３を介して接触式無線電力伝送を行う場合、形成され得る中間層の層数は、磁界変換部（１）１０１と放熱手段１０３との間と、磁界変換部（２）１０２と放熱手段１０３との間の、２層という最低限の層数にできる。

中間層とは、磁界変換部（１）１０１と放熱手段１０３との間、もしくは、磁界変換部（２）１０２と放熱手段１０３との間にあって、接着層および巻き込まれた空気などの層からなる層であって、面内方向に厚みのばらつきを有する層を称する。本来ならば、この中間層はないことが好ましいため、図１などには記載されていない。

この中間層は、接着層厚のばらつきや、巻き込まれた空気などの層厚のばらつきをＸ軸方向やＹ軸方向に有する。そのため、この中間層は、磁界変換部（１）１０１と磁界変換部（２）１０２の平行度の悪化や、熱伝導の悪化をもたらす。

本実施形態では、放熱手段１０３が一体構造であることから、この中間層の形成が最小限に抑制される。そのため、中間層に起因する意図しない電力伝送効率の悪化や意図しない放熱性の悪化の発生は最低限に抑制され、高い放熱効率と電力伝送効率とを有する電力伝送システムが実現する。

図３は、本実施形態の電力伝送システムの電力伝送の効率をシミュレーションするためのシミュレーション構成１２０を示す図である。磁界変換部（１）１０１、および、磁界変換部（２）１０２は、銅線で構成された、直径３０ｃｍ、巻き数５回のヘリカルコイルである。放熱手段１０３の熱伝導性絶縁体は、図２ａの放熱手段１０３ａとし、Ｘ軸方向とＹ軸方向の熱伝導率は７．０ Ｗ／ｍ・Ｋ、Ｚ軸方向の熱伝導率は１．７ Ｗ／ｍ・Ｋ、寸法は、１５０ｃｍ×１５０ｃｍ×厚さ５ｃｍである。

図４に、電力伝送効率のシミュレーション結果である、電力伝送効率の電力伝送周波数依存性を示す。１７ＭＨｚ近辺で、伝送効率約９７％が得られている。すなわち、本実施形態の放熱手段１０３である熱伝導性絶縁体を介しても、電力伝送効率が損なわれることはないことが確認された。

図５は、本実施形態による放熱効果をシミュレーションするための、シミュレーション構成を示した図である。磁界変換部（１）１０１、および、磁界変換部（２）１０２は、銅、及び、それらを包含するポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ，ＰＴＦＥ）によって構成されている。放熱手段１０３の熱伝導性絶縁体は、Ｘ軸方向とＹ軸方向の熱伝導率は７．０ Ｗ／ｍ・Ｋ、Ｚ軸方向の熱伝導率は１．７ Ｗ／ｍ・Ｋとした。

シミュレーションを簡易化するために、磁界変換部（１）１０１と磁界変換部（２）１０２の形状は、直径３０ｃｍの円柱とし、放熱手段１０３の熱伝導性絶縁体のサイズは、６０ｃｍ×３０ｃｍ×厚さ５ｃｍとした。磁界変換部（１）１０１と磁界変換部（２）１０２は放熱手段１０３と接している。磁界変換部（１）１０１において５０Ｗの熱が発生しているとした。

図６Ａは、シミュレーション結果から得られた熱の伝わる様子を簡略化して示した図である。放熱手段１０３である熱伝導性絶縁体の面内方向、すなわち、この場合はＹ軸方向への熱伝導が顕著であることが明らかとなった。

一方、図６Ｂは、図６Ａの比較として、放熱手段にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向に等方的な熱伝導率を持つ絶縁体１０４を用いた場合の、シミュレーション結果である熱の伝わる様子を簡略化して示した図である。図６Ｂのように、等方的な熱伝導率を持つ絶縁体１０４を用いた場合、磁界変換部（１）１０１からの熱は、Ｚ方向にある磁界変換部（２）１０２に直接伝わり、正対する磁界変換部での熱干渉が大きいことが分かった。

以上の結果から、Ｚ軸方向の熱伝導率に比べてＸ軸方向およびＹ軸方向の熱伝導率の高い放熱手段１０３を用いることによって、正対する磁界変換部（１）１０１と磁界変換部（２）１０２との間の熱干渉は、等方的な熱伝導率を有する絶縁体１０４を用いた場合と比較して、抑制されていることが明らかとなった。

放熱効果のシミュレーションで用いた図５の構造は、図３のシミュレーションの構造を簡易化したものであるが、電力が伝送される方向（Ｚ軸方向）に対して、放熱の方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）が分離されていることは、十分に確かめられた。そして、図３の構造を用いて熱伝導のシミュレーションを行った場合であっても、同様の効果が得られることは明らかである。

特許文献４では、熱の伝達方向と電力の伝達方向を分離するために、接着層を介した二層構造からなる樹脂材料による放熱構造が開示されている。本実施形態の放熱手段１０３によれば、熱の伝達方向と電力の伝達方向を、一層構造の材料によって分離することができる。すなわち、本実施形態によれば、形成され得る中間層の層数を少なくして、熱と電力の伝達方向の分離が可能となる。

以上より、本実施形態によれば、意図しない電力伝送効率や放熱効率の悪化の抑制された高い電力伝送効率と放熱効率とを有し、正対する磁界変換部間の熱干渉を抑制する放熱手段を備えた電力伝送システムを提供することができる。
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態の電力伝送システムの放熱手段を示す図である。本実施形態の電力伝送システムは、図１の電力伝送システム１００に対して、放熱手段２０６が異なる。また、本実施形態においては、磁界変換部（１）２０１から磁界が発生する、すなわち、磁界変換部（１）２０１を送電側として説明を行うが、磁界変換部（２）２０２が送電側となっても良い。

本実施形態の放熱手段２０６は、断熱材料２０３、導電性透磁率異方性材料（１）２０４、および、導電性透磁率異方性材料（２）２０５を有する。放熱手段２０６は、接着剤などによる貼り合わせ部のない一体構造を有する。

導電性透磁率異方性材料（１）２０４、および、導電性透磁率異方性材料（２）２０５は、導電性を有する材料であって、かつ、その少なくとも一部は、実効的な透磁率の異方性を有する。具体的には、電力が伝送される方向である図７のＺ軸方向の実効的な透磁率が、その垂直方向であるＸ軸方向とＹ軸方向の実効的な透磁率と比して大きい。導電性透磁率異方性材料（１）２０４は、磁界変換部（１）２０１と断熱材料２０３との間に挿入される。導電性透磁率異方性材料（４）２０５は、磁界変換部（２）２０２と断熱材料２０３との間に挿入される。

導電性透磁率異方性材料（１）２０４、および、導電性透磁率異方性材料（２）２０５の少なくとも一部には、銅やアルミニウムなどの導電性を有し放熱性の高い材料、またはそれらを組み合わせた材料を用いることができる。さらに、導電性透磁率異方性材料（１）２０４、および、導電性透磁率異方性材料（２）２０５の少なくとも一部には、透磁率の異方性を持たせるために、磁気異方性材料やメタマテリアルを用いることができる。

磁気異方性材料は、自発磁化の方向が結晶内で特定の方向を向いている材料であり、透磁率の異方性を有する。具体的には、Ｎｄ（ネオジウム）やＳｍ（サマリウム）のような希土類元素を含む材料が該当する。磁気異方性材料は、Ｘ軸方向とＹ軸方向の実効的な透磁率が、Ｚ軸方向の実効的な透磁率と比べて低くなるように、自発磁化の方向がＺ軸方向を向くように配置されている。例えば、Ｓｍ−Ｃｏ（サマリウム−コバルト）などの、Ｚ軸方向である厚み方向を自発磁化の方向とすることができる材料が可能である。

メタマテリアルは、金属コイルなどの一定のパターンを持った素子を、電磁波の波長より小さく密に複数並べて構成した人工媒質であり、共振周波数の近傍において透磁率を正から負に変化させることができる。図８は、リング共振器を用いたメタマテリアルの透磁率の周波数依存性の一例を示す図である。図８のように、メタマテリアルを用いることで透磁率を正から負にわたって変えることが可能である。

メタマテリアルは、透磁率が可変となる特性を用いて、Ｘ軸方向とＹ軸方向の実効的な透磁率が、Ｚ軸方向の実効的な透磁率と比べて低くなるように、例えば、前記の素子が周期的に配置されている。

断熱材料２０３としては、樹脂材料が可能であり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ，ＰＴＦＥ）が可能である。

導電性透磁率異方性材料（１）２０４や導電性透磁率異方性材料（２）２０５である磁気異方性材料やメタマテリアルは、断熱材料２０３の表面に、真空蒸着法やスパッタ法およびドライエッチング法などの、半導体プロセスにより形成することができる。よって、導電性透磁率異方性材料（１）２０４と断熱材料２０３との間や、導電性透磁率異方性材料（２）２０５と断熱材料２０３との間には、接着テープ等の接着材で固定される場合に形成される、空気層や接着層等の意図しない厚みばらつきを有する中間層が形成されることはない。すなわち、放熱手段２０６は、中間層のない一体構造を有することができる。

以上のように、本実施形態による電力伝送システムでは、磁界変換部（１）２０１と磁界変換部（２）２０２とを放熱手段２０６を介して接触式無線電力伝送を行う場合、中間層の層数は、磁界変換部（１）２０１と放熱手段２０６との間と、磁界変換部（２）２０２と放熱手段２０６との間の２層という最低限の層数となる。そのため、中間層で起こり得る平行度の悪化による、意図しない電力伝送効率の悪化や意図しない放熱性の悪化の発生は最低限に抑制され、高い放熱効率と電力伝送効率とを有する無線電力伝送システムが実現する。

放熱手段２０６を構成する導電性材料に透磁率の異方性を持たせることで、磁界変換部間に、銅やアルミニウム等の導電性材料が挿入されている場合であっても、高い電力伝送効率が得られることは、本発明者らが研究の結果はじめて見出した事項である。この効果が得られるメカニズムは、以下のように説明される。

数１は、磁界変換部として用いられるスパイラルアンテナから放射される、球座標系における磁界Ｈ、および、電界Ｅである。

数１から明らかなように、スパイラルアンテナから放射される電界Ｅは、電力伝送方向であるＺ軸に対して直交する平面方向（φ方向）にのみ存在する。

ここで、導電率ρを有する導電性材料中におけるオーム損失は、導電性材料中の電界強度Ｅ用いて、ρ×Ｅ^２と表すことができる。すなわち、数１に記載のφ方向の電界強度Ｅ_φ（平面座標系のＸ軸、および、Ｙ軸方向の電界強度Ｅ_ｘｙ ^２）を弱めることができれば、導電性材料中におけるオーム損失を低減し、電力伝送効率を改善することが可能である。

ここで、数１に示したように、Ｅ_φは、φ方向、すなわち、平面座標系のＸ軸、および、Ｙ軸方向の透磁率μにより決まる。すなわち、電力伝送の方向と垂直な面の透磁率μを低くすることで、金属等の導電性材料越しであっても、オーム損失が低減し、電力伝送効率が改善する。

図９は、本実施形態の放熱手段２０６における電力伝送効率をシミュレーションするためのシミュレーション構成１２１を示す図である。

磁界変換部（１）２０１と磁界変換部（２）２０２は、銅線を有する直径６０ｃｍ、巻き数５回のヘリカルコイルを有する。断熱材料２０３はＰＴＦＥを有し、そのサイズは６０ｃｍ×６０ｃｍ×６０ｃｍである。導電性透磁率異方性材料（１）２０４と導電性透磁率異方性材料（２）２０５は、銅板２０７と銅板２０７の上に形成されたメタマテリアル２０８を有する。銅板２０７のサイズは１２０ｃｍ×１２０ｃｍ×厚さ５ｍｍである。メタマテリアル２０８は、３個×３個のパターン素子２０９のマトリックスを有する。パターン素子２０９の寸法は、１５ｃｍ×１５ｃｍ×厚さ５ｍｍである。マトリックスの構成やパターン素子２０９などの寸法は、シミュレーションするための一例であり、前記には限定されない。

メタマテリアル２０８は、断熱材料２０３の両面の銅板２０７のそれぞれに形成されたスパイラルアンテナとしてのパターン素子２０９を有し、パターン素子２０９の間の距離は５ｍｍ、その材質は銅を有する。パターン素子２０９の間は、誘電率７０の充填材、例えば、積層セラミックを有する。

図１０は、図９の構成における電力伝送効率の電力伝送周波数依存性のシミュレーション結果である。比較のために、図１１に、メタマテリアルを用いない場合、すなわち、導電性透磁率異方性材料（１）２０４と導電性透磁率異方性材料（２）２０５に替えて、銅板を用いた場合のシミュレーション結果を示す。図１０のように、メタマテリアルを用いることによって、図１１の銅板を用いた場合に比較して、電力伝送効率の改善が確認された。図１０では、電力伝送効率のピークが３か所確認されている。これは、メタマテリアルの透磁率の周波数特性にも依存しているものと理解される。

図１２は、図９の構成で電力伝送効率をシミュレーションしたときの、図１０のピークに相当する電力伝送効率が高いときの、磁界分布１３０を示す図である。比較のために、図１３に、導電性透磁率異方性材料（１）２０４と導電性透磁率異方性材料（２）２０５に替えて、銅板（１）２１０と銅板（２）２１１を用いた場合の磁界分布１３１を示す。

図１２に示すように、メタマテリアルを用いた場合は、メタマテリアルを構成するパターン素子が共振している。これにより、磁界変換部（２）２０２には、磁界変換部（１）２０１で発生した磁界が到達している。すなわち、メタマテリアルを用いた導電性透磁率異方性材料（１）２０４と導電性透磁率異方性材料（２）２０５によって、電力伝送効率が向上していることが確認された。一方、図１３に示すように、銅板などの導電性材料だけを用いた場合、磁界は減衰し、磁界変換部（１）２０１で発生した磁界は、磁界変換部（２）２０２へほとんど到達しない。

次に、放熱効果について述べる。図１４は、本実施形態の放熱手段２０６における、磁界変換部（１）２０１が５０Ｗの発熱をした場合の、放熱状態をシミュレーションした結果である。シミュレーションには、図９の構成を用いた。放熱状態１３２は、磁界変換部（１）２０１で発生した熱が、導電性透磁率異方性材料（１）２０４を介して、横方向、すなわちＹ軸方向に効率よく放熱されていることを示している。この時、磁界変換部（１）２０１での最高温度が約５０℃なのに対して、導電性透磁率異方性材料（１）２０４の最高温度は約４５℃と、磁界変換部（１）２０１に近い温度に達している。すなわち、磁界変換部（１）２０１の熱は、導電性透磁率異方性材料（１）２０４に効率よく伝導していることが分かる。

さらに、磁気異方性材料やメタマテリアルは、半導体プロセスを用いて断熱材料上に一体的に形成することができる。すなわち、放熱手段２０６は、接着剤などによる貼り合わせ部のない一体構造を有する。よって、図７に示す、磁界変換部（１）２０１と磁界変換部（２）２０２と放熱手段２０６との平行度を損なうことが抑制された放熱構造とすることが可能である。

すなわち、本実施形態によれば、意図しない電力伝送効率や放熱効率の悪化の抑制された高い電力伝送効率と放熱効率とを有し、正対する磁界変換部間の熱干渉を抑制する放熱手段を備えた電力伝送システムを提供することができる。
（実施例）
本発明の実施例を図１５に示す。図１５は、磁界変換部（１）１１が、海水１３中で駆動する潜水艇１５に具備され、磁界変換部（２）１２と放熱手段１６がセンサー１４に具備された無線電力伝送システムを示す。磁界変換部（２）１２と放熱手段１６とセンサー１４とは、海底に設置されることができる。放熱手段１６は、熱伝導性絶縁体や、導電性透磁率異方性材料／断熱材料／導電性透磁率異方性材料の構造体とすることができる。導電性透磁率異方性材料は、磁気異方性材料やメタマテリアルとすることができる。

本実施例では、センサー１４に潜水艇１５から接触式無線給電方式を用いて充電した場合、正対する磁界変換部間の熱干渉を抑え安定的な給電が可能となる。なお、磁界変換部（１）１１を備える潜水艇１５は、船舶または海底に敷設された電力供給源等であってもよい。

また、センサー１４は、石油漏れを検知する機能、潮流や水圧等を測定する機能、物体の接近を検知する機能、通信機能、間欠動作機能、制御機能のいずれか、または、それらを組み合わせた機能等を有することができる。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。

付記
（付記１）
電力を送電する磁界を送信する第１の磁界変換部を有する電力送電手段と、前記磁界の受信により前記電力を受電する第２の磁界変換部を有する電力受電手段と、前記第１と第２の磁界変換部の間にあって、前記第１と第２の磁界変換部で発生する熱を伝導する放熱手段と、を有し、前記放熱手段は、前記電力の送電の方向に対して異なる方向に前記熱を伝導する一体構造を有する、電力伝送システム。
（付記２）
前記異なる方向は垂直方向である、付記１記載の電力伝送システム。
（付記３）
前記一体構造は、接着剤による接着層を有しない、付記１または２記載の電力伝送システム。
（付記４）
前記放熱手段は、前記電力の送電方向よりも前記送電方向に対して異なる方向に高い熱伝導率を有する、付記１から３の内の１項記載の電力伝送システム。
（付記５）
前記異なる方向は垂直方向である、付記４記載の電力伝送システム。
（付記６）
前記放熱手段は、絶縁性を有する、付記１から５の内の１項記載の電力伝送システム。
（付記７）
前記放熱手段は、樹脂を有する、付記１から６の内の１項記載の電力伝送システム。
（付記８）
前記放熱手段は、少なくとも一部が導電性部を有し、前記導電性部の少なくとも一部が前記電力の送電方向よりも前記送電方向に対して垂直方向に高い透磁率を有する、付記１から５の内の１項記載の電力伝送システム。
（付記９）
前記送電方向に対して垂直方向に高い透磁率を有する材料は、磁気異方性材料、あるいは、メタマテリアルである、付記８記載の無線電力伝送システム。
（付記１０）
前記放熱手段は、前記第１と第２の磁界変換部の少なくとも一方に固定された、付記１から９の内の１項記載の無線電力伝送システム。
（付記１１）
電力を送電する磁界の送信をし、前記磁界の受信により前記電力を受電する電力伝送方法において、前記磁界の送信、もしくは、前記磁界の受信の際に発生する熱を、前記電力を送電する方向に対して異なる方向に、一体構造を有する媒体により放熱する、電力伝送方法。
（付記１２）
前記異なる方向は垂直方向である、付記１１記載の電力伝送方法。
（付記１３）
前記媒体は、接着剤による接着層を含まない前記一体構造を有し、前記電力の送電方向よりも前記送電方向に対して前記異なる方向の熱伝導率が高い、付記１１または１２記載の電力伝送方法。
（付記１４）
前記異なる方向は垂直方向である、付記１１から１３の内の１項記載の電力伝送方法。
（付記１５）
前記媒体は、絶縁体である、付記１１から１４の内の１項記載の電力伝送方法。
（付記１６）
前記媒体は、樹脂である、付記１１から１５の内の１項記載の電力伝送方法。
（付記１７）
前記媒体は、少なくとも一部が導電性部を有し、前記導電性部の少なくとも一部が前記電力の送電方向よりも前記送電方向に対して垂直方向に高い透磁率を有する、付記１１から１６の内の１項記載の電力伝送方法。
（付記１９）
前記送電方向に対して垂直方向に高い透磁率を有する材料は、磁気異方性材料、あるいは、メタマテリアルである、付記１７記載の電力伝送方法。
（付記２０）
前記電力送電手段と前記電力受電手段とは海中に設置された、付記１から１０の内の１項記載の電力伝送システム。
（付記２１）
前記電力送電手段は船舶に設置された、付記２０記載の電力伝送システム。
（付記２２）
前記電力受電手段はセンサーを有する、付記２０または２１記載の電力伝送システム。
（付記２３）
前記センサーは、石油漏れを検知する機能、潮流や水圧等を測定する機能、物体の接近を検知する機能、通信機能、間欠動作機能、制御機能のいずれか、または、それらを組み合わせた機能を有する、付記２２記載の電力伝送システム。

１１ 磁界変換部（１）
１２ 磁界変換部（２）
１３ 海水
１４ センサー
１５ 潜水艇
１６ 放熱手段
１０ 放熱構造体
２０ 磁界変換部（Ａ）
３０ 磁界変換部（Ｂ）
４０ 樹脂材料（Ａ）
５０ 樹脂材料（Ｂ）
１００ 電力伝送システム
１０１ 磁界変換部（１）
１０２ 磁界変換部（２）
１０３、１０３ａ、１０３ｂ 放熱手段
１０５ 樹脂
１０６ ピラー状材料
１０７ 樹脂
１０８ 高分子の配向方向
１１１ 電力送電手段
１１２ 電力受電手段
１１３、１１４ 高周波接続部
１１５、１１６ 回路部
１２０、１２１ シミュレーション構成
１３０、１３１ 磁界分布
１３２ 放熱状態
２０１ 磁界変換部（１）
２０２ 磁界変換部（２）
２０３ 断熱材料
２０４ 導電性透磁率異方性材料（１）
２０５ 導電性透磁率異方性材料（２）
２０６ 放熱手段
２０７ 銅板
２０８ メタマテリアル
２０９ パターン素子
２１０ 銅板（１）
２１１ 銅板（２）

Claims (10)

1. 電力を送電する磁界を送信する第１の磁界変換部を有する電力送電手段と、
   前記磁界の受信により前記電力を受電する第２の磁界変換部を有する電力受電手段と、
   前記第１と第２の磁界変換部の間にあって、前記第１と第２の磁界変換部で発生する熱を伝導する放熱手段と、を有し、
   前記放熱手段は、前記電力の送電の方向に対して異なる方向に前記熱を伝導する一体構造を有する、電力伝送システム。
2. 前記異なる方向は垂直方向である、請求項１記載の電力伝送システム。
3. 前記一体構造は、接着剤による接着層を有しない、請求項１または２記載の電力伝送システム。
4. 前記放熱手段は、絶縁性を有する、請求項１から３の内の１項記載の電力伝送システム。
5. 前記放熱手段は、少なくとも一部が導電性部を有し、前記導電性部の少なくとも一部が前記電力の送電方向よりも前記送電方向に対して垂直方向に高い透磁率を有する、請求項１から３の内の１項記載の電力伝送システム。
6. 前記送電方向に対して垂直方向に高い透磁率を有する材料は、磁気異方性材料、あるいは、メタマテリアルである、請求項５記載の無線電力伝送システム。
7. 前記放熱手段は、前記第１と第２の磁界変換部の少なくとも一方に固定された、請求項１から６の内の１項記載の無線電力伝送システム。
8. 電力を送電する磁界の送信をし、前記磁界の受信により前記電力を受電する電力伝送方法において、
   前記磁界の送信、もしくは、前記磁界の受信の際に発生する熱を、前記電力を送電する方向に対して異なる方向に、一体構造を有する媒体により放熱する、電力伝送方法。
9. 前記異なる方向は垂直方向である、請求項８記載の電力伝送方法。
10. 前記媒体は、接着剤による接着層を含まない前記一体構造を有し、前記電力の送電方向よりも前記送電方向に対して前記異なる方向の熱伝導率が高い、請求項８または９記載の電力伝送方法。