JP2016059146A

JP2016059146A - 海水中給電システム

Info

Publication number: JP2016059146A
Application number: JP2014182790A
Authority: JP
Inventors: 粟井　郁雄; Ikuo Awai; 郁雄粟井; 大二神; Masaru Futagami; 裕一澤原; Yuichi Sawahara
Original assignee: RYUTECH CO Ltd
Current assignee: RYUTECH CO Ltd
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2016-04-21

Abstract

【課題】海水中において非放射電磁界を用いて無線で効率良く給電可能な海水中給電システムを提供する。
【解決手段】この海水中給電システムは、送電側共振器と送電側制御器と受電側共振器と受電側負荷回路を備えたものであって、前記送電側共振器は、近接して配置された第１及び第２のスパイラルコイルと、コンデンサと、を有して構成され、第１のスパイラルコイルの両端のうちの一つと第２のスパイラルコイルの両端のうちの一つが前記コンデンサを介して、第１のスパイラルコイルの両端のうちの他の一つと第２のスパイラルコイルの両端のうちの他の一つがコンデンサを介さずに、それぞれ接続されており、前記第１及び第２のスパイラルコイルは各々、リッツ線が平面的スパイラル状に巻かれて形成されたものであり、前記共振周波数は、４０ｋＨｚから４００ｋＨｚまでの範囲にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、海水中において無線で電力を供給する海水中給電システムに関する。

従来より、放射電磁界（電磁波）又は非放射電磁界（エバネッセント場）の電磁界を用いて無線で電力を供給する様々な給電システムが知られている。この中には、海水中において電磁界を用いて無線で電力を供給する海水中給電システムも含まれている。例えば、特許文献１には、船のコイルから海底探査装置のコイルへ無線で電力を供給するのに、電磁誘導、電波、又は共鳴を用いる海水中給電システムが記載されている。

特開２０１２−２４５９４４号公報

しかし、電磁界を用いた無線の海水中給電システムは、実用的には余り発達していないのが現状である。特許文献１においても、実用的に詳細な記載はない。これは、海水中での情報通信が一般には超音波が用いられることから、給電についても電磁界を用いたものは殆ど研究の対象になっていないと考えられる。なお、海水中の情報通信に超音波が用いられるのは、電磁波を用いた情報の効率の良い伝送が非常に困難であるからである。それは、海水中では、海水の大きな導電率のために、電磁波の吸収減衰が大きいうえに、低周波（例えば１ｋＨｚ）から高周波（例えばマイクロ波領域）まで周波数が高くなるにつれて電磁波の吸収減衰が急激に大きくなって行くからである。

本願発明者は、非放射電磁界が電磁波（放射電磁界）とは異なる特性を持つことに着目し、海水中においても非放射電磁界を用いて媒質（海水）に適した方式及び条件にすれば無線による効率の良い給電が可能になるのではないか、と思料し、鋭意研究を行った。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、海水中において非放射電磁界を用いて無線で効率良く給電可能な海水中給電システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の海水中給電システムは、送電側共振器と、該送電側共振器の共振周波数での励振を制御する送電側制御器と、前記送電側共振器の周囲の海水を通して分布する非放射電磁界に結合して共振する受電側共振器と、該受電側共振器から電力が供給される受電側負荷回路と、を備えた海水中給電システムであって、前記送電側共振器は、近接して配置された第１及び第２のスパイラルコイルと、コンデンサと、を有して構成され、第１のスパイラルコイルの両端のうちの一つと第２のスパイラルコイルの両端のうちの一つが前記コンデンサを介して、第１のスパイラルコイルの両端のうちの他の一つと第２のスパイラルコイルの両端のうちの他の一つがコンデンサを介さずに、それぞれ接続されており、前記第１及び第２のスパイラルコイルは各々、リッツ線が平面的スパイラル状に巻かれて形成されたものであり、前記共振周波数は、４０ｋＨｚから４００ｋＨｚまでの範囲にあることを特徴とする。

請求項２に記載の海水中給電システムは、請求項１に記載の海水中給電システムにおいて、前記共振周波数は、１００ｋＨｚであることを特徴とする。

本発明に係る海水中給電システムによれば、海水中において非放射電磁界を用いて無線で効率良く給電可能になる。

本発明の実施形態に係る海水中給電システムのブロック図である。同上の海水中給電システムの送電側共振器と送電側制御器の結合ループを示す斜視図である。同上の海水中給電システムの送電側共振器のスパイラルコイルを示すものであって、（ａ）がスパイラルコイルの平面図、（ｂ）がスパイラルコイルを形成するリッツ線の斜視図である。同上の海水中給電システムの送電側共振器の側面図である。同上の海水中給電システムの受電側共振器と受電側負荷回路の結合ループを示す斜視図である。同上の海水中給電システムの実験構成を示す側面図である。同上の海水中給電システムの実験結果の１つを示す特性図である。同上の海水中給電システムの実験結果のもう１つを示す特性図である。同上の海水中給電システムの送電側共振器の変形例を示す斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。本発明の実施形態に係る海水中給電システム１は、図１に示すように、送電側共振器２と、送電側制御器３と、受電側共振器４と、受電側負荷回路５と、を備えている。

送電側共振器２は、図２に示すように、近接して配置された複数個（この実施形態では２個）のスパイラルコイル（第１及び第２のスパイラルコイル２１、２２）とコンデンサ２３とを有して構成されている。これらのスパイラルコイルは、リッツ線２０が、図３（ａ）に示すように、平面的でスパイラル状に複数回（この図では巻数が１５回）巻かれて形成されたコイルである。リッツ線２０は、図３（ｂ）に示すように、複数の絶縁された細い導体２０ａ、２０ａ、・・・（この図の例では７個）を撚り合わせて一本にしたものである。両スパイラルコイル２１、２２は、同じ向きの磁界が生じるように配置される。両スパイラルコイル２１、２２は、実質的に同じ巻数で同じ大きさのものを用いればよいが、巻数又は大きさが違っていても構わない。両スパイラルコイル２１、２２は、所定距離だけ離して互いに略平行に配置され、スパイラルの中心軸（ｚ軸）が略一致するように配置される。なお、両スパイラルコイル２１、２２の間の距離は、図２では説明のために比較的広く示しているが、実際は、図４に示すように、短いのが通常である。

第１のスパイラルコイル２１及び第２のスパイラルコイル２２の接続については、第１のスパイラルコイル２１の両端のうちの一つと第２のスパイラルコイル２２の両端のうちの一つがコンデンサ２３を介して、第１のスパイラルコイル２１の両端のうちの他の一つと第２のスパイラルコイル２２の両端のうちの他の一つがコンデンサを介さずに、それぞれ電気的に接続されるようにする。より詳細には、図２に示すように、第１のスパイラルコイル２１と第２のスパイラルコイル２２の電気導線が巻かれる向きを同じにして、第１のスパイラルコイル２１の一端２１ａと第２のスパイラルコイル２２の他端２２ｂがコンデンサ２３を介して、第１のスパイラルコイル２１の他端２１ｂと第２のスパイラルコイル２２の一端２２ａがコンデンサを介さずに、それぞれ接続される。或いは、第１のスパイラルコイル２１の一端２１ａと第２のスパイラルコイル２２の他端２２ｂがコンデンサを介さずに、第１のスパイラルコイル２１の他端２１ｂと第２のスパイラルコイル２２の一端２２ａがコンデンサ２３を介して、それぞれ接続されるようにすることも可能である。また、或いは、第１のスパイラルコイル２１と第２のスパイラルコイル２２の電気導線が巻かれる向きを逆にして、第１のスパイラルコイル２１の一端２１ａと第２のスパイラルコイル２２の一端２２ａがコンデンサ２３を介して、第１のスパイラルコイル２１の他端２１ｂと第２のスパイラルコイル２２の他端２２ｂがコンデンサを介さずに、それぞれ接続されるようにすることも可能である。また、或いは、第１のスパイラルコイル２１及び第２のスパイラルコイル２２のその他の接続方法も可能である。

送電側制御器３は、送電側共振器２の共振周波数での励振を制御するものである。共振周波数は、４０ｋＨｚから４００ｋＨｚまでの範囲にあるようにしている。

送電側制御器３は、詳細には、高周波電源３１と結合ループ３２を有して構成される（図１参照）。高周波電源３１は、インピーダンスの整合を行う結合ループ３２を介して一の送電側共振器２をその共振周波数で励振する。結合ループ３２は送電側共振器２に電磁界結合している。結合ループ３２は、他の公知のインピーダンス整合手段で置き換えることも可能である。また、送電側共振器２の両スパイラルコイル２１、２２のいずれかに高周波電源３１を電気的に直結し、両スパイラルコイル２１、２２の巻数やコンデンサ２３の容量値などを調整してインピーダンス整合を行うことで、結合ループ３２などのインピーダンス整合手段を省略することも可能である。

このような送電側の構成により、送電側共振器２の周囲には非放射電磁界が分布する。ここで、送電側共振器２は、リッツ線２０を用いて送電側共振器２の周囲の非放射電磁界の電界及び磁界の強度を大きくするとともに、コンデンサ２３による容量結合を含む第１のスパイラルコイル２１と第２のスパイラルコイル２２の間の大きな容量結合によって電界を閉じ込めて送電側共振器２の周囲の非放射電磁界の電界の強度の増大を抑制している。それにより、上記の共振周波数の範囲内において、非放射電磁界の強度を大きくするとともに海水Ｓの大きな導電率の非放射電磁界への影響を抑制している。

そして、受電側共振器４が送電側共振器２の近傍に有ると、受電側共振器４は、送電側共振器２の周囲の海水Ｓを通して分布する非放射電磁界に結合して共振する。

受電側共振器４は、構成は特に限定されるものではないが、送電側共振器２と共振周波数を一致させて、送電側共振器２と同様の構成とすることができる。すなわち、受電側共振器４は、図５に示すように、所定距離だけ離して互いに略平行に配置され、スパイラルの中心軸（ｚ軸）が略一致するように近接して配置された第１及び第２のスパイラルコイル４１、４２とコンデンサ４３とを有して、前述した第１及び第２のスパイラルコイル２１、２とコンデンサ２３と同様の構成にて、構成することができる。なお、受電側共振器４の大きさは、特に限定されるものではない。

受電側負荷回路５は、受電側共振器４に結合しており、受電側共振器４から電力が供給される。受電側負荷回路５は、充電回路やその他、海水Ｓを通して給電される機器の所要の機能のための回路である。

受電側負荷回路５は、詳細には、結合ループ５１と、負荷５２と、を有して構成されている（図１参照）。結合ループ５１は、受電側共振器３に電磁界結合しており、インピーダンスの整合を行う。なお、結合ループ５１は、他の公知のインピーダンス整合手段で置き換えることも可能である。

このような構成の海水中給電システム１では、送電側制御器３によって励振された送電側共振器２から受電側共振器４、それから受電側負荷回路５に効率良く電力が伝送される。なお、送電側共振器２と送電側制御器３は送電側装置の筐体内、受電側共振器４と受電側負荷回路５は受電側装置の筐体内に収容されて、通常、海水Ｓに直接接触しないが、両スパイラルコイル２１、２２及び両スパイラルコイル４１、４２は、耐久性等に問題なければ、海水Ｓに直接接触してもよい。

次に、本願発明者が行った実験について述べる。実験の構成としては、受電側共振器４の上に、図６に示すように、底面の直径が５０ｃｍ、上面の直径が６０ｃｍ、高さが２０ｃｍの逆円錐台形状の容器６を置き、容器６に注入した水の上に浮き部材（図示せず）を浮かべ、その上に送電側共振器２を置いた。容器６には、海水Ｓを想定して塩分濃度を３．６％とした水を注入した。送電側共振器２の第１及び第２のスパイラルコイル２１、２２と受電側共振器４の第１及び第２のスパイラルコイル４１、４２は全て、直径を３０ｃｍにした。また、リッツ線２０、４０は、直径０．１２ｍｍの細い導体を３０個撚り合わせて一本にしたものを用いた。

図７は、共振周波数に対する無負荷Ｑの変化を示す特性図である。無負荷Ｑは、媒質（海水）の影響を強く受ける。容器６の中の水の厚さ（図における深さ方向の寸法）は１５ｃｍとした。共振周波数は、送電側共振器２のコンデンサ２３と受電側共振器４のコンデンサ４３を調整することにより、変化させた。図７中、曲線ａ、ｂ、ｃはそれぞれ、送電側共振器２の第１及び第２のスパイラルコイル２１、２２と受電側共振器４の第１及び第２のスパイラルコイル４１、４２のリッツ線２０、４０の巻数を３０回、５５回、１００回としたものの特性である。図７より、無負荷Ｑは、共振周波数が１００ｋＨｚをほぼ中心として、４０ｋＨｚから４００ｋＨｚまでの範囲内で、極大値を示していることが分かる。

図８は、水の厚さ（図における深さ方向の寸法）に対する電力の伝送の効率の変化を示す特性図である。送電側共振器２と受電側共振器４の共振周波数は、１００ｋＨｚとした。送電側共振器２の第１及び第２のスパイラルコイル２１、２２と受電側共振器４の第１及び第２のスパイラルコイル４１、４２は、直径を３０ｃｍにし、リッツ線２０、４０の巻数を１００回とした。水の厚さが２０ｃｍを超えるときは、容器６を２個上下に重ねて使用した。図８中、曲線ｄは、電力の伝送の効率を直接測定したものであり、曲線ｅは、無負荷Ｑと結合係数を乗算して求めたものである。結合係数は、送電側共振器２と受電側共振器４の距離などに影響される。図８より、水の厚さが３５ｃｍ程度となっても、４０％以上の効率の良い給電が可能であることが分かる。また、曲線ｄと曲線ｅが良く一致していることから、効率についても、４０ｋＨｚから４００ｋＨｚまでの範囲内で極大値又はそれに近い値を示すことが分かる。

従って、海水中給電システム１では、共振周波数が４０ｋＨｚから４００ｋＨｚまでの範囲内で、効率の良い給電が可能なことが分かる。また、共振周波数が１００ｋＨｚならば、リッツ線２０、４０の巻数を変えたとしても、効率の良い給電が可能なことが分かる。

以上、本発明の実施形態に係る海水中給電システムについて説明した。本発明は、海洋資源探索又は設備保全などを目的としたＡＵＶ（ＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＶｅｈｉｃｌｅ）や海中農作物管理装置など様々な機器への給電に適用可能である。また、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、送電側共振器２は、３個以上のスパイラルコイルを近接して配置させてもよい。送電側共振器２を構成するスパイラルコイルが２個の場合は、第１及び第２のスパイラルコイル２１、２２のそれぞれの両端のうちコンデンサを介さずに電気的に接続される端同士は配線を介して直接接続される（図２の端２１ｂと２２ａを参照）が、送電側共振器２を構成するスパイラルコイルが３個以上の場合、第１及び第２のスパイラルコイル２１、２２のそれぞれの両端のうちコンデンサを介さずに電気的に接続される端同士は、配線を介するとともに、第３のスパイラルコイル２４などの追加のスパイラルコイルを挟んで接続されることになる（図９の端２１ｂと２２ａを参照）。同様に、受電側共振器４についても、３個以上のスパイラルコイルを近接して配置させてもよい。本願発明者は、送電側共振器２及び受電側共振器４を構成するスパイラルコイルが３個以上の場合でも、無負荷Ｑについて、スパイラルコイルが２個の場合とほぼ同じような特性であることを確認した。

１海水中給電システム
２送電側共振器
２１送電側共振器を構成する第１のスパイラルコイル
２１ａ、２１ｂ第１のスパイラルコイルの両端
２２送電側共振器を構成する第２のスパイラルコイル
２２ａ、２２ｂ第２のスパイラルコイルの両端
２３送電側共振器を構成するコンデンサ
３送電側制御器
４受電側共振器
５受電側負荷回路
Ｓ海水

Claims

送電側共振器と、該送電側共振器の共振周波数での励振を制御する送電側制御器と、前記送電側共振器の周囲の海水を通して分布する非放射電磁界に結合して共振する受電側共振器と、該受電側共振器から電力が供給される受電側負荷回路と、を備えた海水中給電システムであって、
前記送電側共振器は、近接して配置された第１及び第２のスパイラルコイルと、コンデンサと、を有して構成され、第１のスパイラルコイルの両端のうちの一つと第２のスパイラルコイルの両端のうちの一つが前記コンデンサを介して、第１のスパイラルコイルの両端のうちの他の一つと第２のスパイラルコイルの両端のうちの他の一つがコンデンサを介さずに、それぞれ接続されており、
前記第１及び第２のスパイラルコイルは各々、リッツ線が平面的スパイラル状に巻かれて形成されたものであり、
前記共振周波数は、４０ｋＨｚから４００ｋＨｚまでの範囲にあることを特徴とする海水中給電システム。
請求項１に記載の海水中給電システムにおいて、
前記共振周波数は、１００ｋＨｚであることを特徴とする海水中給電システム。