JP5755560B2 - 無線電力供給装置および無線電力供給システム - Google Patents

Description

本発明は、たとえばマイクロ波を利用した無線電力供給装置および無線電力供給システムに関する。

従来の無線電力供給装置には、たとえば特許文献１，２に開示されたものがある。同文献に開示された無線電力供給装置は、いわゆるマイクロ波により無線で電力を供給する方式を採用している。この種の無線電力供給装置は、マイクロ波を送出する送電アンテナを備えている。
送電アンテナは、マイクロ波を受信する受電側の受電アンテナと対向するように配置される。無線電力供給時、マイクロ波の出力レベルを高めることにより、より多くの電力を供給することができる。

特開平６−２４５３３７号公報 特開２００９−３０３３１６号公報

しかしながら、上記従来の無線電力供給装置では、出力レベルを高めると、送電アンテナや受電アンテナの周辺にマイクロ波が漏洩しやすくなり、その周辺の設置環境や人体に対して漏洩したマイクロ波が影響を及ぼしかねないという難点があった。

マイクロ波の漏洩を防ぐために、たとえば送電アンテナの周囲に遮蔽部材を設ける策が考えられるが、金属板等の遮蔽部材は、マイクロ波を多重反射（乱反射）する。
そのため、金属板等の遮蔽部材を設けただけでは、マイクロ波が反射を繰り返すうちにやがて隙間などから漏洩してしまう。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電磁波の漏洩を効果的に防止することができる無線電力供給装置、および無線電力供給システムを提供することにある。

本発明の無線電力供給装置は、無線電力供給用の電磁波を送出する送電アンテナと、前記送電アンテナの周囲に配置され、当該送電アンテナからの電磁波を遮蔽する遮蔽部材と、を備えた無線電力供給装置であって、前記送電アンテナからの電磁波が前記遮蔽部材へと進行する経路上に、前記遮蔽部材の内壁面を覆うように当該電磁波を吸収するための吸収手段が設けられ、前記吸収手段は、電磁波吸収特性をもつ液体を内部に形成した流路に収容するとともに当該液体を前記流路を通じて循環させる液体循環ジャケットからなることを特徴としている。

この構成によれば、送電アンテナは、たとえば電磁波として、いわゆるマイクロ波を受電側へと送出することができる。送電アンテナから送出されたマイクロ波のうち、受電側へと向かうことなく遮蔽部材の方へと向かうマイクロ波の一部は、遮蔽部材に達する前に吸収手段によって十分吸収される。
また、遮蔽部材に達したマイクロ波も、遮蔽部材によって反射させられる結果、再び吸収手段の方へと向かって吸収される。これにより、本発明の無線電力給電装置では、電磁波による受電側への無線電力供給に際して不要な電磁波の漏洩を効果的に防止することができる。

また、本発明の無線電力供給装置において、前記吸収手段は、電磁波吸収特性をもつ液体を収容するとともに当該液体を循環させる液体循環ジャケットからなることを特徴としている。

この構成によれば、液体循環ジャケットは、電磁波を吸収するとともに、電磁波の吸収によって生じた熱を循環する液体によって効率よく放出することができる。

また、本発明の無線電力供給装置において、前記液体循環ジャケットは、電磁波を透過する部材により形成されていることを特徴としている。

この構成によれば、送電アンテナからの電磁波が遮蔽部材に達する前に、当該電磁波を透過させつつ循環する液体に対して効率よく導くことができる。

また、本発明の無線電力供給システムは、前記無線電力供給装置と、前記送電アンテナから送出された電磁波を受電する受電アンテナと、を備え、前記吸収手段は、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の空間を包囲するように設けられていることを特徴としている。

この構成によれば、送電アンテナと受電アンテナとの間からの不要な電磁波の漏洩を吸収手段によって効果的に防止することができる、無線電力供給システムを実現することができる。

本発明によれば、電磁波の漏洩を効果的に防止することができる無線電力供給装置、および無線電力供給システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る無線電力供給装置の断面図である。 図１に示す無線電力供給装置に適用される遮蔽部材の斜視図である。 図１に示す無線電力供給装置に適用される遮蔽部材および液体循環ジャケットの一部断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る無線電力供給装置の断面図である。
図１に示すように、本実施形態の無線電力供給装置Ａは、一例として自動車用の無線電力供給システムに用いられるものであり、自動車Ｂに対して電磁波としてのマイクロ波により電力を供給するものである。なお、本実施形態の例に限らず、無線電力供給装置は、たとえば宇宙太陽発電システムといった他の大電力用途の無線電力供給システムにも適用可能である。

自動車Ｂの車体裏側には、所定周波数のマイクロ波を受電するための受電アンテナ１が設けられている。受電アンテナ１は、いわゆるレクテナ(Rectena；Rectifying antenna)であり、マイクロ波のエネルギーを直流電流に整流変換する。
その他、自動車Ｂには、受電アンテナ１を介して得られた直流電力を蓄えるバッテリが搭載されている。バッテリには、受電アンテナ１からマイクロ波を受信して得られた電力が供給される。

無線電力供給装置Ａは、たとえば地面Ｃに一部を露出させ、地中に設けられている。
無線電力供給装置Ａは、送電アンテナ２、遮蔽部材３、液体循環ジャケット４、カバー５、マイクロ波発生装置６、制御装置７、循環ポンプ８、および熱交換器９を備えている。

送電アンテナ２は、いわゆるスロットアンテナ、または導波管スロットアンテナにより構成される。
送電アンテナ２は、所定周波数のマイクロ波を空中放出する送電面２０を有する。送電面２０は、たとえば平面視円形状に形成され、地中から地面Ｃの方に向けてマイクロ波を送出するように配置されている。なお、送電面２０は、平面視矩形状であってもよい。

遮蔽部材３は、マイクロ波を反射しやすい金属からなる。
遮蔽部材３は、送電アンテナ２の周囲に配置され、送電面２０の周縁部から地面Ｃの近傍まで延びている。これにより、遮蔽部材３は、送電面２０から地面Ｃに至るまでの間にマイクロ波の導波路Ｗを形成している。
図２は、遮蔽部材３の斜視図である。同図に示すように、遮蔽部材３の理想的な形態は、マイクロ波を漏洩する隙間や継ぎ目のない、一体成形または連続溶接により、全体的に筒状に形成されている。
もし加工上、継ぎ目を設ける必要がある場合は、その部分を３０ｍｍ以下の間隔でネジ止め等する必要がある。これは、たとえばマイクロ波の波長λが１２０ｍｍの場合、λ／４以下の間隔にすればマイクロ波が漏洩しにくくなるためである。

液体循環ジャケット４は、マイクロ波を吸収する吸収手段として設けられている。
液体循環ジャケット４は、導波路Ｗ内において送電面２０から送出されたマイクロ波が遮蔽部材３へと進行する経路上、遮蔽部材３の内壁面全体を覆うように配置されている。
液体循環ジャケット４は、水の流路４０を内部に形成している。水は、マイクロ波を吸収して減衰させやすい特性をもっている。液体循環ジャケット４には、流路４０に通じる流入口４１および流出口４２が設けられている。
流入口４１は、相対的に低位に設けられる一方、流出口４２は、相対的に高位に設けられている。液体循環ジャケット４の外部において、流入口４１と流出口４２との間には、水の循環路４３が形成されている。液体循環ジャケット４自体は、マイクロ波を透過しやすい樹脂あるいはガラスなどからなる。図３は、液体循環ジャケット４の一部断面図である。同図に示すように、液体循環ジャケット４内の流路４０の断面深さ寸法ｄは、１５０ｍｍ程度である。

カバー５は、送電面２０の上方において地面Ｃに沿うように配置され、導波路Ｗを覆っている。カバー５は、マイクロ波を透過しやすい樹脂あるいはガラスなどからなる。
これにより、カバー５は、送電面２０から導波路Ｗを経て進行してきたマイクロ波を外部に透過させる。カバー５は、自動車Ｂなどの重量物が載っても耐えることができるように頑強に形成されている。

マイクロ波発生装置６は、たとえばマグネトロン、クライストロン、ジャイロトロン、進行波管などの電子管を利用した発振機、水晶振動子の固有振動を増幅するソリッドステート式発振機により構成される。
マイクロ波発生装置６は、発生させたマイクロ波を送電アンテナ２に供給する。

制御装置７は、自動車Ｂからの指令信号、あるいは図外の操作手段からの操作信号などに応じてマイクロ波発生装置６を駆動させる。これにより、無線電力供給装置Ａは、上方に位置する自動車Ｂの受電アンテナ１に対して送電アンテナ２からマイクロ波を供給する。

循環ポンプ８および熱交換器９は、循環路４３上に設けられている。
循環ポンプ８は、循環路４３を介して流路４０の水を循環させる。熱交換器９は、流路４０から流出口４２を経て循環路４３へと導かれた水から熱を奪い去り、その水を循環ポンプ８へと送り出す。これにより、流路４０内においてマイクロ波の吸収・減衰により昇温した水は、熱交換器９により冷却された後、再び流路４０へと導かれて循環される。

次に、無線電力供給装置Ａの作用について説明する。

自動車Ｂが無線電力供給装置Ａ上に停止し、所定の信号が制御装置７に送信されると、制御装置７は、マイクロ波発生装置６を駆動させる。このとき、受電アンテナ１は、送電アンテナ２の上方に位置する。
これにより、送電アンテナ２は、受電アンテナ１に向けてマイクロ波を送出する。マイクロ波は、たとえば周波数が２４５０ＭＨｚ、波長λが略１２０ｍｍの特性をもつ。なお、走行中の自動車Ｂが無線電力供給装置Ａ上を通過する際に、送電アンテナ２から受電アンテナ１に向けてマイクロ波を送出させるようにしてもよい。

送電アンテナ２から送出されたマイクロ波は、導波路Ｗを通ってカバー５を透過し、受電アンテナ１により受信される。ただし、図３に示すように、導波路Ｗにおいては、受電アンテナ１の方へと進行せずに遮蔽部材３の方へと向かうマイクロ波も存在する。

遮蔽部材３の方へと向かうマイクロ波の一部は、遮蔽部材３に達する前に液体循環ジャケット４を透過する。この際、マイクロ波の一部は、流路４０内の水によって吸収され、エネルギーが減衰させられる。

一般に、マイクロ波に対する水の半減深度は、水温によって大きく変化し、９５℃においては略７０ｍｍである。半減深度とは、電力エネルギーが表面の５０％になる深さを意味する。
流路４０の断面深さ寸法ｄは、１５０ｍｍ程度である。これにより、流路４０を通って遮蔽部材３に達するまでのマイクロ波は、流路４０内の水によってエネルギーが約１／４以下まで減少させられる。

流路４０を通って遮蔽部材３に達したマイクロ波の一部は、遮蔽部材３で反射する。
反射したマイクロ波の一部は、再び液体循環ジャケット４を透過して導波路Ｗの方へと進行する。この際、先述したように、マイクロ波は、流路４０内の水によって吸収・減衰されるため、エネルギーが約１／４以下まで減少する。すなわち、液体循環ジャケット４を透過して遮蔽部材３で反射し、再び液体循環ジャケット４を透過して導波路Ｗへと至るマイクロ波は、エネルギーが約１／１６以下まで減少させられる。

また、遮蔽部材３を、複数の金属板をつなぎ合わせて形成した場合でも、遮蔽部材３に達したマイクロ波の一部は、複数の金属板がマイクロ波の波長λ（１２０ｍｍ）に対して十分小さい継ぎ目の間隔ｇ（３０ｍｍ）で連結されているため、これらの継ぎ目から漏洩するおそれがない。

一方、流路４０内の水は、マイクロ波の吸収によってそのエネルギーが熱に変換し、いわゆるマイクロ波加熱によって昇温する。昇温した水は、循環路４３を通って循環させられるとともに、熱交換器９によって効率よく冷却される。
すなわち、流路４０内の水は、マイクロ波の減衰材として機能するとともに、装置全体の冷却材としての機能も果たす。これにより、無線電力供給装置Ａは、マイクロ波の送出に伴う温度上昇が効果的に抑えられる。

また、流路４０内の水は、相対的に高温になるほど高位に移動し、低温のものは低位となるように対流を生じやすい。そして、循環路４３は、高位の流出口４２から低位の流入口４１へと水を循環させるように構成されている。
これにより、流路４０内の水は、循環路４３を介してスムーズに流れやすくなっており、これからも効率よく冷却される。

したがって、本実施形態の無線電力供給装置Ａによれば、導波路Ｗ内において受電アンテナ２の方へと進行しないマイクロ波のエネルギーが液体循環ジャケット４の水により十分低減させられ、ひいては無線電力供給に寄与しない不要なマイクロ波の漏洩を効果的に防止することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

たとえば、無線電力供給用の電磁波としては、マイクロ波に限らず、その他の周波数特性をもつものでもよい。

吸収手段は、電磁波吸収特性をもつ液体を循環させるものが好適であるが、電磁波加熱の程度によっては固体でもよく、もちろん水以外の液体を用いてもよい。

Ａ 無線電力供給装置
１ 受電アンテナ
２ 送電アンテナ
３ 遮蔽部材
４ 液体循環ジャケット（吸収手段）

Claims (5)

1. 無線電力供給用の電磁波を送出する送電アンテナと、
   前記送電アンテナの周囲に配置され、当該送電アンテナからの電磁波を遮蔽する遮蔽部材と、を備えた無線電力供給装置であって、
   前記送電アンテナからの電磁波が前記遮蔽部材へと進行する経路上に、前記遮蔽部材の内壁面を覆うように当該電磁波を吸収するための吸収手段が設けられ、
   前記吸収手段は、電磁波吸収特性をもつ液体を内部に形成した流路に収容するとともに当該液体を前記流路を通じて循環させる液体循環ジャケットからなることを特徴とする、無線電力供給装置。
2. 前記液体循環ジャケットには、前記流路に通じる前記液体の流入口と流出口とが設けられ、前記流出口は前記流入口に比べて高い位置に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の無線電力供給装置。
3. 前記液体循環ジャケットの外部に、前記流入口と前記流出口との間に前記液体の循環路が形成されており、前記循環路上には熱交換器が設けられ、前記流路内において電磁波の吸収・減衰により昇温した前記液体が前記熱交換器により冷却されることを特徴とする、請求項２に記載の無線電力供給装置。
4. 前記送電アンテナは地中に配置されており、地面に向かって電磁波を送出することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の無線電力供給装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の無線電力供給装置と、
   前記送電アンテナから送出された電磁波を受電する受電アンテナと、
   を備え、
   前記吸収手段は、前記送電アンテナと前記受電アンテナとの間の空間を包囲するように設けられていることを特徴とする、無線電力供給システム。

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