JP5046393B2 - 非接触型電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波、特にマイクロ波を空中に送出し、該電磁波を受けて電力に変換することによって電力を伝送する非接触型電力伝送装置に関するものである。

図６は、従来の電磁波を利用した非接触型電力伝送装置の概略構成を示す図である。図６に示す非接触型電力伝送装置２６は、送電装置２９および受電装置３２からなっている。送電装置２９は、電源側の電力を電磁波としてマイクロ波に変換して出力する高周波発生部２７と、高周波発生部２７から出力されるマイクロ波を空中に輻射（送信）する輻射アンテナ（送信アンテナ）２８とを備えている。受電装置３２は、輻射アンテナ２８により輻射されたマイクロ波を受信して高周波電流に変換する受信アンテナ３０と、受信アンテナ３０から変換された高周波電流を整流して直流電力に変換する整流回路（検波回路）３１とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、この非接触型電力伝送装置２６では、整流回路３１に使用する整流素子について、（１）マイクロ波から変換された高周波電流をレスポンスよく整流することができず、かつ（２）小形で十分な耐電力を有するものが実用化されておらず、所望のサイズで、かつ所望の出力を有する受電装置（例えば、２０ｃｍ角の寸法で、かつ５００Ｗ以上の直流電力を出力可能な受電装置）を作製することは事実上、不可能であった。このため、従来装置では、非接触で長距離の電力伝送を可能としながら、装置の小形化・高出力化を図ることは困難であり、このような要求を満たす非接触型電力伝送装置の提供が望まれていた。

特開２００４−２１５４７７号

本発明の課題は、非接触で長距離を効率よく電力伝送することを可能としながらも、小形かつ高出力の非接触電力伝送装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、入力電力を電磁波に変換して該電磁波を空中に送出する送電装置と、送電装置から送出された電磁波を受けて出力電力に変換する受電装置とを備えた非接触型電力伝送装置において、送電装置は、入力電力を電磁波に変換して出力する高周波発生部と、当該高周波発生部から出力された電磁波を空中に送出する送信アンテナとを有し、受電装置は、送信アンテナから送出された電磁波を吸収して発熱する発熱体と、該発熱体からの熱を出力電力に熱電変換する熱電変換部とを有することを特徴としている。

この構成によれば、送電装置にて入力電力が電磁波に変換され、電磁波が空中に送出される。そして、送出された電磁波が受電装置の発熱体に吸収され、発熱体からの熱が出力電力に熱電変換される。このため、非接触で長距離を効率よく電力伝送することができる。
ここで、受電装置が発熱体および熱電変換部から構成され、電磁波を吸収して発熱する発熱体からの熱を熱電変換して出力電力を得ているので、電磁波を変換した高周波電流を整流する必要がない。このため、高周波電流を整流する整流素子を受電装置に組み込む必要がなく、受電装置をコンパクトにすることができる。しかも、発熱体からの熱を熱電変換して出力電力を得ているので、高周波電流を整流して出力電力を得る受電装置と比較して、小形かつ高出力の受電装置を作製することができる。
したがって、非接触で長距離を効率よく電力伝送することを可能としながらも、小形かつ高出力の非接触電力伝送装置を提供することができる。特に、電磁波がマイクロ波である場合に、本発明のように構成することが上記作用効果を発揮する上で好適である。

上記構成において、熱電変換部が、対向して配置された一対の絶縁体と、一対の絶縁体の間に配置された、Ｐ型およびＮ型のいずれかの熱電変換素子を含む熱電変換器と、一対の絶縁体の各対向面上であって熱電変換素子の両端部に各々設けられた電極とを備え、発熱体からの熱によって熱電変換素子の両端部間に温度差を与えることで両電極間に出力電力を発生させるように構成することが好ましい。
この構成によれば、発熱体からの熱によって熱電変換素子の両端部間に温度差を与えることで両電極間に出力電力を発生させているので、熱電変換部をコンパクトに構成することが可能であり、受電装置の小形化・高出力化が可能となる。

ここで、熱電変換素子を酸化物系熱電変換材料から形成すると、熱電変換素子を金属で形成した場合のように熱電変換素子周辺に電磁波照射によるスパークが発生するのを防止することができる。また、熱電変換素子自体が電磁波を吸収するので、電磁波の吸収率が向上し、金属主体で形成された熱電変換素子に比較して熱電変換効率を向上させることができる。

また、電極を、絶縁体の熱膨張率と熱電変換素子の熱膨張率との間の範囲内の熱膨張率を有する熱緩衝材で形成するので、絶縁体と熱電変換素子の熱膨張率の差に起因して発生する応力を熱緩衝材により緩和し、熱電変換素子が破損するのを防止することができる。

両電極間に出力電力を効率的に発生させる観点からは、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを所定の間隔を隔てて配置するとともに、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが交互に直列に接続されるように電極を配置するのが好ましい。

本発明によれば、非接触で長距離を効率よく電力伝送することを可能としながらも、小形かつ高出力の非接触電力伝送装置を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態による、電磁波、特にマイクロ波を利用した非接触型電力伝送装置の概略構成を示す図である。
図１において、非接触型電力伝送装置１は、送電装置４および受電装置７からなっている。
送電装置４は、電源側の電力（入力電力）を電磁波に変換して出力する高周波発生部２と、高周波発生部２から出力される電磁波を空中に輻射（送出）する輻射アンテナ（送信アンテナ）３とを備えている。
受電装置７は、輻射アンテナ３により輻射された電磁波を吸収して発熱する発熱体５と、発熱体５からの熱を電力（出力電力）に熱電変換する熱電変換部６とを備えている。

図２は、本発明の熱電変換部６の一つの構成例を示す斜視図であり、図３は、図２の熱電変換部６をＸ方向から見た部分的側面図である。
図２および図３に示すように、対向して配置された一対の絶縁体７ａ、７ｂの間に、複数のＰ型熱電変換素子８およびＮ型熱電変換素子９が２次元的に互いに所定の間隔をあけて交互に並べられて配置されている。一対の絶縁体７ａ、７ｂの各対向面は平行に配置されている。
この場合、Ｐ型熱電変換素子８およびＮ型熱電変換素子９は、一対の絶縁体７ａ、７ｂの間に、対向面の法線方向に伸びる四角柱形状を有しているが、それ以外の任意の形状であってもよい。電極１０は、複数のＰ型熱電変換素子８およびＮ型熱電変換素子９が交互に直列に接続されるように、一対の絶縁体７ａ、７ｂの各対向面上であって各熱電変換素子８、９の両端部に設けられている。直列接続された熱電変換素子群の一端側と他端側には、それぞれ電位取り出し端子１１が設けられる。一対の絶縁体７ａ、７ｂのうち一方の絶縁体７ａは、高温側絶縁体として、発熱体５からの熱を受けるように発熱体５に接しているか発熱体５の近傍に位置し、他方の絶縁体７ｂが低温側絶縁体として発熱体５から離れた箇所に位置している。
このように、この実施形態では、複数のＰ型熱電変換素子８およびＮ型熱電変換素子９が本発明の「熱電変換器」を構成している。

一対の絶縁体７ａ、７ｂは、例えばシリカから形成されるのが望ましいが、ガラス材料、セラミック材料、ゴム材料、プラスチック材料、またはウレタン樹脂などで形成されてもよい。
熱電変換素子は、酸化物系熱電変換材料で形成されるのが好ましい。このような酸化物系熱電変換材料として、Ｐ型熱電変換素子では、例えばＣａ２．７Ｂｉ０．５Ｃｏ９．７、Ｎ型熱電変換素子では、例えばＬａ０．９Ｂｉ０．１ＮｉＯ３．０を用いることができる。このように、酸化物系熱電変換材料で熱電変換素子を形成することにより、熱電変換素子を金属で形成した場合のように熱電変換素子周辺に電磁波照射によるスパークが発生するのを防止することができる。また、熱電変換素子自体が電磁波を吸収するので、電磁波の吸収率が向上し、金属主体で形成された熱電変換素子の場合と比較して熱電変換効率を向上させることができる。
また、熱電変換材料は上記材料に限らず、半導体熱電変換材料であるＢｉ−Ｔｅ系、Ｂｉ−Ｓｂ系、Ｐｂ−Ｔｅ系、Ｇｅ−Ｔｅ系、Ｇｅ−Ｓｉ系、Ｇａ−Ｓｅ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｓｉ−Ｃ系、Ｂ−Ｃ系、およびＣｏ−Ｓｉ系のうちのいずれかを用いてもよく、発熱体からの発熱状態に応じて最適なものが選択される。なお、熱電変換素子の厚さや面積は、熱電変換素子の熱伝導特性、発熱体の温度、および所望の出力電力を考慮して最適に設計される。熱電変換素子には、比較的小形かつ大電力を扱うことができるものが提供されていることから、このような熱電変換素子を用いることによって受電装置を従来のものに比較して受電装置の小形化・高出力化を図ることができる。
また、電極の材料は、例えば３０ｗｔ％以上の銀を含むペーストから形成された導電性の熱緩衝材やポリシリコンを用いるのが望ましいが、銅、アルミニウムなどの公知の適当な金属または合金を用いてもよい。ここで、電極を、絶縁体および熱電変換素子の熱膨張率の間の範囲内にある熱膨張率を有する熱緩衝材で形成すると、絶縁体と熱電変換素子の熱膨張率の差に起因して発生する応力を熱緩衝材により緩和し、熱電変換素子が破損するのを防止することができる。なお、電極の厚さは、所望の電力を得るために、電気抵抗をなるべく小さくするような所定の厚さとされる。

そして、送電装置４から空中に送出された電磁波を吸収して発熱体５が発熱すると、絶縁体７ｂに対して絶縁体７ａの温度が上昇する。これにより、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子８、９の両端部間に温度差が与えられ、Ｐ型熱電変換素子８およびＮ型熱電変換素子９のキャリア分布が変化する。その結果、両電極１０間に電位差が生じ、熱起電力が発生する。したがって、非接触で長距離を効率よく電力伝送することができる。
以上のように、この実施形態によれば、受電装置７が発熱体５および熱電変換部６から構成され、電磁波を吸収して発熱する発熱体５からの熱を熱電変換して出力電力を得ているので、電磁波を変換した高周波電流を整流する必要がない。このため、高周波電流を整流する整流素子を受電装置７に組み込む必要がなく、受電装置７をコンパクトにすることができる。しかも、発熱体からの熱を熱電変換して出力電力を得ているので、高周波電流を整流して出力電力を得る場合と比較して、小形かつ高出力の受電装置７を作製することができる。したがって、非接触で長距離を効率よく電力伝送することを可能としながらも、小形かつ高出力の非接触電力伝送装置を提供することができる。

図４は、本発明の熱電変換部１２の別の構成例を示す部分的側面図である。図４に示す構成例は、熱電変換素子が複数のＰ型熱電変換素子のみから構成されている点で、図３に示すものと異なっている。
図４に示すように、対向して配置された一対の絶縁体１３ａ、１３ｂの間に、複数のＰ型熱電変換素子１４が、一対の絶縁体１３ａ、１３ｂ間に対向面の法線方向に伸びるようにして、互いに間隔をあけて配置されている。
電極１５は、一対の絶縁体１３ａ、１３ｂの各対向面上であって複数のＰ型熱電変換素子１４の各両端部に設けられている。
導体１６は、複数のＰ型熱電変換素子１４が互いに直列に接続されるように設けられ、互いに隣接する熱電変換素子の絶縁体１３ａ（高温側絶縁体）の電極１５と絶縁体１３ｂ（低温側絶縁体）の電極１５とが接続される。なお、導体は電極と同様な材料で形成してもよく、図示しないが、導体周囲が絶縁材料からなる絶縁膜などで覆われるのが望ましい。
このように、この実施形態では、複数のＰ型熱電変換素子１４が本発明の「熱電変換器」を構成している。
高温側絶縁体１３ａは、発熱体５からの熱を受けるように、発熱体５に接しているか、発熱体５の近傍に位置している。

この構成においても、上記と同様に、送電装置４から空中に送出された電磁波を吸収して発熱体５が発熱すると、絶縁体１３ｂに対して絶縁体１３ａの温度が上昇する。これにより、Ｐ型熱電変換素子１４の両端部間に温度差が与えられ、Ｐ型熱電変換素子１４のキャリア分布が変化する。その結果、両電極１５間に電位差が生じ、熱起電力が発生する。
したがって、非接触で長距離を効率よく電力伝送することができる。
図４において、熱電変換部が、複数のＰ型熱電変換素子のみで構成されている一例を説明したが、この代わりに、複数のＮ型熱電変換素子のみで構成されていてもよい。

図５は、本発明による非接触型電力伝送装置１を具体的な回路で実現した一つの構成例を説明した図である。
図５において、非接触型電力伝送装置１は、送電装置４および受電装置７からなっている。
送電装置４は高周波発生部２および輻射アンテナ３（送信アンテナ）を備えており、受電装置７は発熱体５および熱電変換部６を備えている。
高周波発生部２は、交流電源１７、高圧トランス１８、昇圧回路１９、およびマグネトロン２０を有する。
発熱体５は、水槽２２および水槽２２内に貯えられた水２３を有する。熱電変換部６は、熱電変換素子２４および電位取り出し端子２５を有する。
熱電変換素子２４は、熱電変換素子がＰ型熱電変換素子８およびＮ型熱電変換素子９のうちのいずれか一方、またはその両方からなり、熱電変換部６の一方の端面（高温側絶縁体７ａまたは１３ａの端面）２４ａが、発熱体５の熱を受けて他方の端面（低温側絶縁体７ｂまたは１３ｂの端面）２４ｂとの間に温度差を生じさせるように構成されている。

次に、この非接触型電力伝送装置１の動作を簡単に説明する。
空気中を伝搬するマイクロ波は、水槽２２を透過して、水槽２２に貯えられた水２３を加熱し、それによって熱電変換素子２４の水槽２２に接した熱電変換部６の一方の端面２４ａが加熱される。一方、他方の端面２４ｂは加熱されないため、一方の端面２４ａおよび他方の端面２４ｂ間に温度差が発生し、熱電変換によって熱起電力が発生し、電位取り出し端子２５を通して、直流電力が得られる。

（実施例）
次に、非接触型電力伝送装置１から出力される電力を測定した。
４Ｖ・１Ａ出力の熱電変換素子の対（Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とからなる対）を合計１２０個、直列に接続して熱電変換部６を作製し、非接触型電力伝送装置１に組み込んだ。
この非接触型電力伝送装置１において、まず、交流電源１７から電圧１００Ｖ、周波数６０Ｈｚ、１６００Ｗの電力を入力し、高圧トランス１８で１８００Ｖの交流電圧に昇圧した。次に、昇圧回路１９で５６００Ｖの直流電圧に昇圧した。これにより、マグネトロン２０が駆動して周波数２．４５ＧＨｚ、電力８００Ｗのマイクロ波を出力させて、導波管と一体となった輻射アンテナ３から空中に輻射されて伝搬させ、熱電変換部６から得られる電力を測定した。その結果、熱電変換部６から４８０Ｗ（４８０Ｖ・１Ａ）の直流出力が得られた。

図５において、発熱体５を、水槽２２および水槽２２内に貯えられた水２３から構成した例を示したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、水槽２２の代わりに別の容器を用いてもよいし、水２３の代わりに水以外の液体、固体、または気体を用いてもよい。
固体とした場合は、水槽２２などの容器を不要とすることができる。また、発熱体５を複数個組み合わせてもよいし、輻射アンテナ３に電気抵抗器を接続し、電磁波を直接に熱に変換するように発熱体を構成してもよい。

本発明は、例えば電気自動車に対する非接触充電システムに適用することができる。すなわち、本発明によれば、電気自動車に対する非接触充電において、車載が可能な小形かつ、電気自動車の充電が可能な大電力の受電装置を実現している。このため、地面側および電気自動車側にそれぞれ、本発明の送電装置および受電装置を設けることにより、地面および車体間のような比較的長距離を効率よく電力伝送することが可能となる。

本発明の一実施形態による、電磁波を利用した非接触型電力伝送装置の概略構成を示す図である。 本発明の熱電変換部の一つの構成例を示す斜視図である。 図２の熱電変換部のＸ方向に見た部分的側面図である。 本発明の熱電変換部の別の構成例を示す部分的側面図である。 本発明による非接触型電力伝送装置を具体的な回路で実現した一つの構成例を説明した図である。 従来のマイクロ波または電磁波を利用した非接触型電力伝送装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 非接触型電力伝送装置
２ 高周波発生部
３ 輻射アンテナ（送信アンテナ）
４ 送電装置
５ 発熱体
６ 熱電変換部
７ 受電装置
７ａ、７ｂ 絶縁体
８ Ｐ型熱電変換素子
９ Ｎ型熱電変換素子
１０ 電極
１１ 電位取り出し端子
１２ 熱電変換部
１３ａ、１３ｂ 絶縁体
１４ Ｐ型熱電変換素子
１５ 電極
１６ 導体
１７ 交流電源
１８ 高圧トランス
１９ 昇圧回路
２０ マグネトロン
２１ 輻射アンテナ（送信アンテナ）
２２ 水槽
２３ 水
２４ 熱電変換素子
２４ａ 一方の端面
２４ｂ 他方の他面
２５ 電位取り出し端子
２６ 非接触型電力伝送装置
２７ 高周波発生部
２８ 輻射アンテナ（送信アンテナ）
２９ 送電装置
３０ 受信アンテナ
３１ 整流回路（検波回路）
３２ 受電装置

Claims (6)

1. 入力電力を電磁波に変換して該電磁波を空中に送出する送電装置と、前記送電装置から送出された電磁波を受けて出力電力に変換する受電装置とを備えた非接触型電力伝送装置において、
   前記送電装置は、前記入力電力を電磁波に変換して出力する高周波発生部と、当該高周波発生部から出力された電磁波を空中に送出する送信アンテナとを有し、
   前記受電装置は、前記送信アンテナから送出された電磁波を吸収して発熱する発熱体と、該発熱体からの熱を前記出力電力に熱電変換する熱電変換部とを有することを特徴とする非接触型電力伝送装置。
2. 前記電磁波がマイクロ波であることを特徴とする請求項１記載の非接触型電力伝送装置。
3. 前記熱電変換部は、
   対向して配置された一対の絶縁体と、
   前記一対の絶縁体の間に配置された、Ｐ型およびＮ型のいずれかの熱電変換素子を含む熱電変換器と、
   前記一対の絶縁体の各対向面上であって前記熱電変換素子の両端部に各々設けられた電極と、
   を備え、
   前記発熱体からの熱によって前記熱電変換素子の両端部間に温度差を与えることで両電極間に前記出力電力を発生させることを特徴とする請求項１または２記載の非接触型電力伝送装置。
4. 前記熱電変換素子が酸化物系熱電変換材料からなる請求項３記載の非接触型電力伝送装置。
5. 前記電極が、前記絶縁体の熱膨張率と前記熱電変換素子の熱膨張率との間の範囲内の熱膨張率を有する熱緩衝材からなることを特徴とする請求項３または４記載の非接触型電力伝送装置。
6. Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを所定の間隔を隔てて配置するとともに、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが交互に直列に接続されるように前記電極を配置したことを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載の非接触型電力伝送装置。

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