JP6497813B2 - 水中非接触給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、水中非接触給電装置に関する。すなわち、海中等の水中で使用される、非接触給電装置に関するものである。

《技術的背景》
ケーブル等の機械的接触なしで、例えば電気自動車等にワイヤレス給電する非接触給電装置（ＷＰＴ）が、需要に基づき開発，実用化されつつある。
この非接触給電装置では、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、路面等に定置された送電側回路の送電コイルから、車輌等に搭載された受電側回路の受電コイルに対し、数１０ｍｍ〜数１００ｍｍ程度のエアギャップ存し、近接対応位置しつつ電力を供給する。

《従来技術》
さて、水中での電力供給については、次のとおり。
図２に示したように、例えば海底Ａで長時間何らかのロボット作業を行う場合は、潜水作業ロボットつまりＡＵＶ（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）１への電力供給のため、海底電源ベース２が電源基地として必要となる。
この海底電源ベース２は、母船３からケーブル４接続された遠隔操作型のＲＯＶ（Ｒｅｍｏｔｅｌｙ Ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）５を使って、電力が供給され充電される。そして海底電源ベース２は、供給された電力を電池に充電，貯蔵したり、貯蔵した電力を自律海中探査型ロボットのＡＵＶ１に送って、電力を電池に充電，蓄えさせる。
このような水中（海中）Ｂにおける電力供給，授受には、非接触給電装置（ＷＰＴ）（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）の技術が、不可欠である。ＲＯＶ５と海底電源ベース２間の電力授受、および、海底電源ベース２とＡＵＶ１間の電力授受には、非接触給電技術が必要不可欠である。

従来より開発，実用化されている陸上，空中用の非接触給電装置としては、例えば、次の特許文献１，２に示されたものが挙げられる。
特開２０１２−０１６１０６号公報 特開２０１２−１４３１０６号公報

《課 題》
ところで、これまで開発，実用化されている陸上，空中用の非接触給電装置を、海底Ａの水中（海中）Ｂで使用するためには、次の課題が指摘されていた。
第１に、高水圧に耐えうると共に、小型軽量であることが要求される。
例えば海底資源開発などでは、水深千メートル以上の深海，海底Ａでの給電，電力授受となる。そこで、非接触給電用の送電コイルを備えたカプラー容器や、受電コイルを備えたカプラー容器は、このような深海，海底Ａでの高水圧に耐えうることが、まず必要となる。
これと共にカプラー容器は、当然のことながら、軽量かつ小型であることも要求される。すなわち耐圧性に鑑み、強度向上のため頑丈化，堅固化を図り、重量そしてサイズを増加させることは、深海作業上，運用上避けるべきである。

第２に、高誘電率の水の影響への配慮が要求される。
非接触給電による電力授受は、送電コイルと受電コイル間の電磁誘導結合により、実施されるが、水中（海中）Ｂを媒体とし水中Ｂを介しての給電の場合は、水の比誘電率が非常に高いことから、静電容量による静電誘導結合も無視できなくなる。
もって、静電誘導結合を、有効利用する工夫の必要性が指摘されている。
第３に、水中（海中）のどこでも使えるように、水温変化の影響が少ないことが要求される。
すなわち、水の誘電率は水温変化に応じ、敏感かつ大幅に変化する。従って、水温が５℃以下となる深海，海底Ａでの非接触給電，電力授受に際しても、静電容量，静電誘導結合，そして結合係数への影響が低減，回避されることが必要となる。

《本発明について》
本発明の水中非接触給電装置は、このような実情に鑑み、上記従来技術の課題を解決すべくなされたものである。
そして本発明は、第１に、高水圧に耐えると共に小型軽量であり、第２に、高誘電率の水の影響そして静電誘導結合の影響を有効利用でき、第３に、水温変化による水の誘電率変化の影響は低減される、水中非接触給電装置を提案することを目的とする。

《各請求項について》
このような課題を解決する本発明の技術的手段は、特許請求の範囲に記載したように、次のとおりである。
請求項１については、次のとおり。
請求項１の水中非接触給電装置は、水中において、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、送電側回路の送電コイルから受電側回路の受電コイルに、ギャップを存し非接触で近接対応位置しつつ電力を供給する。
そして、該送電コイルを容器内に備えた送電カプラーと、該送電コイルのリード線が配されると共に該送電カプラーの容器に連結された送電ホースと、該受電コイルを容器内に備えた受電カプラーと、該受電コイルのリード線が配されると共に該受電カプラーの容器に連結された受電ホースと、を有してなる。
そして、該送電カプラー内のボイド空間と該送電ホース内のボイド空間は、連通されると共に絶縁油が封入されている。又、該受電カプラー内のボイド空間と該受電ホース内のボイド空間は、連通されると共に絶縁油が封入されていること、を特徴とする。

請求項２については、次のとおり。
請求項２の水中非接触給電装置では、請求項１において該水中非接触給電装置は、該送電ホースと該受電ホースとを共に有しているが、このような請求項１によらず、該水中非接触給電装置は、該送電ホースと該受電ホースのいずれか一方のみを、有してなる。
もって、該送電カプラー内のボイド空間と該送電ホース内のボイド空間のみが、連通されると共に該絶縁油が封入されるか、又は、該受電カプラー内のボイド空間と該受電ホース内のボイド空間のみが連通されると共に、該絶縁油が封入されていること、を特徴とする。
請求項３については、次のとおり。
請求項３の水中非接触給電装置では、請求項２において、該受電ホースが連結されない該受電カプラー、又は、該送電ホースが連結されない該送電カプラーについては、次のとおり。
すなわち、そのボイド空間に絶縁油が封入され、該絶縁油が外部水圧変化に伴い内外圧均圧機能を発揮可能となっており、その容器が、機械的強度を備えた耐圧剛構造の電子機器容器に一体連結されていること、を特徴とする。
請求項４については、次のとおり。
請求項４の水中非接触給電装置では、請求項２において、該受電ホースが連結されない該受電カプラー、又は、該送電ホースが連結されない該送電カプラーについては、次のとおり。
すなわち、その内部に樹脂が充填されており、その容器が、機械的強度を備えた耐圧剛構造の電子機器容器に一体連結されていること、を特徴とする。

請求項５については、次のとおり。
請求項５の水中非接触給電装置では、請求項１又は２において、該送電ホースおよび１又は該受電ホースは、外部水圧変化により内外変形可能な可堯性を備えていること、を特徴とする。
請求項６については、次のとおり。
請求項６の水中非接触給電装置では、請求項５において、該絶縁油は、外部水圧上昇により、収縮変形する該送電ホースおよび／又は該受電ホースのボイド空間から、それぞれ、該送電カプラーおよび／又は該受電カプラーのボイド空間に向け、圧を伝達して加圧する。
もって該絶縁油は、該送電カプラーおよび／又は該受電カプラーについて、それぞれ内外圧均圧機能を発揮すること、を特徴とする。
請求項７については、次のとおり。
請求項７の水中非接触給電装置では、請求項１又は２において、該送電コイルと該受電コイルは、給電時の電磁誘導結合に際し、加極性磁気結合を形成する。もって結合係数について、静電誘導結合成分による結合係数がプラスに作用すること、を特徴とする。
請求項８については、次のとおり。
請求項８の水中非接触給電装置では、請求項１又は２において、該送電カプラーの容器および該受電カプラーの容器は、相互対応面を形成するトップカバーについて、比誘電率が１０未満の材料が選択使用されている。
もって該トップカバーは、水温変化による水の誘電率変動そして水との合成静電容量について、影響低減機能を発揮し、もって該送電コイルと該受電コイル間の静電誘導結合への影響を低減させること、を特徴とする。

《作用等について》
本発明は、このような手段よりなるので、次のようになる。
（１）水中非接触給電装置では、送電コイルから受電コイルに、水中でギャップを存し近接対応位置しつつ、電力が供給される。
（２）すなわち、送電カプラー内の送電コイルから受電カプラー内の受電コイルに、電力が供給されるが、送電カプラー，受電カプラーには、それぞれ、リード線が連結されている。
（３）そして外部水圧が上昇すると、封入された絶縁油が、送電ホースおよび／又は受電ホースのボイド空間から、送電カプラーおよび／又は受電カプラーのボイド空間に向け、それぞれ圧を伝達して加圧する。
このような均圧構造の採用により、送電カプラーおよび／又は受電カプラーは、それぞれ内外圧が均圧化され、小型軽量であっても、高水圧への耐圧性，機械的強度を備えることが可能となる。
（４）ところで、送電コイル，受電コイル，リード線等の発熱は、送電カプラー，受電カプラー，送電ホースおよび／又は受電ホースの各ボイド空間に封入された絶縁油を介し、それぞれ、外部の水中へと伝達される。このように、油封により冷却能力にも優れている。
（５）そして給電は、送電コイルと受電コイル間の電磁誘導結合にて行われる。そして、高誘電率の水中での給電であることに鑑み、加極性磁気結合を採用したことにより、静電容量による静電誘導結合成分の結合係数を、プラスに作用せしめることができる。静電誘導結合の影響を、有効利用可能となる。
（６）水の誘電率は、水温変化に伴い大幅に変化する。そこで、送電カプラー，受電カプラーのトップカバーの材料に、比誘電率１０未満のものを採用してなる。
これにより、水温変化による水の誘電率変化の影響、水との合成静電容量への影響、そして静電誘導結合への影響等を、低減可能となる。もって、結合係数の変化を回避可能となる。
（７）そこで、本発明に係る水中非接触給電装置は、次の効果を発揮する。

《第１の効果》
第１に、高水圧に耐えうると共に、小型軽量である。
本発明に係る水中非接触給電装置では、外部水圧が上昇すると、絶縁油が、送電ホースおよび／又は受電ホースのボイド空間から送電カプラーおよび／又は受電カプラーのボイド空間に向け、圧を伝達して加圧し、もって送電カプラーおよび／又は受電カプラーについて、内外圧を均圧する。
このような絶縁油による均圧構造の採用により、例えば海底資源開発などでは、水深千メートル以上の大深度，深海，海底での非接触給電に際しても、高水圧に十分耐える効果を発揮する。耐圧性向上，強度向上のため、頑丈化，堅固化を図り、重量そしてサイズを増加させ構造を採用する必要がなく、小型軽量化が実現する。
又、この水中非接触給電装置において、送電コイル，受電コイル，リード線等の発熱は、絶縁油を介し外部の海水等へと伝達されるので、冷却能力が向上する。もって電力供給量を、空中給電より倍増等増加させたり、同じ電力供給量なら空中給電より小型化を図れる効果を発揮する。

《第２の効果》
第２に、高誘電率の水の影響そして静電誘導結合の影響を、有効利用可能である。
本発明の水中非接触給電装置において、送電コイルと受電コイルは、給電時の電磁誘導結合用に、加極性磁気結合を採用してなる。もって、静電誘導結合成分による結合係数が、プラス作用するようになる。
このように本発明では、給電が水を介して行われるので、水の誘電率が高いことを利用し、送電コイル，受電コイルについて静電誘導結合の影響を、有効利用するようになっている。

《第３の効果》
第３に、水温変化による水の誘導率変化の影響は、低減される。
本発明の水中非接触給電装置において、送電カプラーや受電カプラーのトップカバーは、比誘電率１０未満よりなる。もってトップカバーは、水温変化による水の誘電率変化の影響、水との合成静電容量への影響、静電誘導結合への影響、そして結合係数への影響等を、低減する効果を発揮する。
水の誘電率は、水温変化に応じて敏感，大幅に変化するが、本発明によると、このような変化の影響は低減，回避される。
このように、この種従来技術に存した課題がすべて解決される等、本発明の発揮する効果は、顕著にして大なるものがある。

本発明に係る水中非接触給電装置について、発明を実施するための形態の説明に供し、正断面説明図である。 同発明を実施するための形態の説明に供し、海底電源ベース等の説明図である。 同発明を実施するための形態の説明に供する。そして（１）図，（２）図は、空中での電磁誘導結合の説明図であり、（１）図は、減極性磁気結合の場合、（２）図は、加極性磁気結合の場合を示す。 （３）図，（４）図は、水中での電磁誘導結合と静電誘導結合の説明図であり、（３）図は、減極性磁気結合の場合を、（４）図は、加極性磁気結合の場合を示す。 同発明を実施するための形態の説明に供し、（１）図は、水中での回路解析結果のグラフである。（２）図は、トップカバーと水の２層構造のモデル図、（３）図は、合成比誘電率のグラフである。 同発明を実施するための形態の説明に供し、本発明の他の例の正断面説明図である。 同発明を実施するための形態の説明に供し、本発明の更に他の例の正断面説明である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。
《水中非接触給電装置６について》
まず、本発明の前提として、水中非接触給電装置６について、図１〜図３を参照して一般的に説明しておく。
水中非接触給電装置６は、これまでの陸上，空中用の非接触給電装置と同様、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、送電側回路７の送電コイル８から、受電側回路９の受電コイル１０に、ギャップＧを存し近接対応位置しつつ電力を供給する。

このような水中非接触給電装置６について、更に詳述する。まず、母船３そしてＲＯＶ５には、送電側回路７が配設される。海底電源ベース２には、受電側回路９および送電側回路７が配設される。ＡＵＶ１には、受電側回路９が配設される。ＲＯＶ５，海底電源ベース２，ＡＵＶ１等については、前述した背景欄の記載を参照。
もって、送電側回路７の送電コイル８と受電側回路９の受電コイル１０とは、給電に際し、数１０ｍｍ〜数１００ｍｍ程度の僅かな水中ギャップ（海中ギャップ）Ｇを存して、対応位置する。
受電コイル１０が、送電コイル８に対し対応位置して停止する停止給電方式が代表的であり、受電コイル１０と送電コイル８とは、対をなす対称構造よりなる。
送電側回路７の送電コイル８は、図示例ではサーキュラーコイルよりなり、高周波電源（電源インバータ）１１に接続されている。高周波電源１１は、直流電源に接続された周波数等交換用インバータよりなり、例えば数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚ程度の高周波交流を、送電コイル８に向けて通電する。
受電側回路９の受電コイル１０は、図示例ではサーキュラーコイルよりなり、コンバータを介しバッテリーＥに接続されている。ＡＵＶ１の場合は、充電されたバッテリー１２にて走行用モータ，その他の機器が駆動される。

電磁誘導の相互誘導作用については、次のとおり。給電に際しては、送電コイル８での磁束Φ形成により、受電コイル１０に誘導起電力を生成させて、送電コイル８から受電コイル１０に電力を供給することは、公知公用である。
すなわち送電コイル８に、高周波電源１１から給電交流，励磁電流を印加，通電することにより、自己誘導起電力が発生して磁界が送電コイル８の周囲に生じ、磁束Φがコイル面に対して直角方向に形成される。そして形成された磁束Φが、受電コイル１０を貫き鎖交することにより、誘導起電力が生成され磁界が誘起される。
このように誘起された磁界を利用して、数ｋＷ以上そして数１０ｋＷ〜数１００ｋＷ程度の電力供給が可能である。送電コイル８側の磁束Φの磁気回路と、受電コイル１０側の磁束Φの磁気回路は、相互間にも磁束Φの磁気回路つまり磁路が形成されて、電磁結合される。このような電磁誘導の相互誘導作用に基づき、非接触給電が行われる。
水中非接触給電装置６について、一般的説明は以上のとおり。

《本発明の概要》
以下、本発明の水中非接触給電装置６について、図１〜図４を参照して説明する。まず、本発明の概要については、次のとおり。
本発明の水中非接触給電装置６は、上述したように、水中Ｂにおいて電磁誘導の相互誘導作用に基づき、送電側回路７の送電コイル８から受電側回路９の受電コイル１０に、ギャップＧを存し非接触で近接対応位置しつつ、電力を供給する。
そして、送電カプラー１３，送電ホース１５，受電カプラー１７，受電ホース１９等を、有してなる。
すなわち、送電コイル８を容器１２内に備えた送電カプラー１３と、送電コイル８のリード線１４が配されると共に送電カプラー１３の容器１２に連結された送電ホース１５と、受電コイル１０を容器１６内に備えた受電カプラー１７と、受電コイル１０のリード線１８が配されると共に受電カプラー１７の容器１６に連結された受電ホース１９と、を有してなる。
そして、送電カプラー１３内のボイド空間２０と、送電ホース１５内のボイド空間２１は、連通される共に絶縁油Ｄが封入されている。又、受電カプラー１７内のボイド空間２２と、受電ホース１９内のボイド空間２３は、連通され共に絶縁油Ｄが封入されている。
本発明の概要は、以上のとおり。以下、このような本発明について更に詳述する。

《送電カプラー１３，受電カプラー１７について》
まず、水中非接触給電装置６の送電カプラー１３と受電カプラー１７について、図１，図２を参照して説明する。
送電カプラー１３および受電カプラー１７は、それぞれ容器１２，容器１６を備えており、容器１２，容器１６は、ハード構造の略箱状，ケース状をなす。
すなわち、送電カプラー１３の容器１２は、壁状をなすトップカバー２４とバックプレート２５を、内部収納空間を存しつつ一体設してなる。そして、送電側回路７の送電コイル８と、フェライトコア２６とを収納してなる。
同様に、受電カプラー１７の容器１６は、壁状をなすトップカバー２７とバックプレート２８を、内部収納空間を存しつつ一体設してなる。そして、受電側回路９の受電コイル１０と、フェライトコア２９とを収納してなる。
フェライトコア２６，２９は、平板状をなし、コイルインダクタンスを増加させると共に、磁束Φを誘導する機能を発揮する。
送電カプラー１３のトップカバー２４と、受電カプラー１７のトップカバー２７とは、給電に際し対応位置せしめられる。そして共に、磁界誘起に鑑み非導電性の樹脂製よりなり、例えばポリペンコアセタール樹脂が用いられる。
送電カプラー１３，受電カプラー１７については、以上のとおり。

《送電ホース１５，受電ホース１９について》
次に、水中非接触給電装置６の送電ホース１５および受電ホース１９について、図１を参照して説明する。
送電ホース１５は、送電側回路７の送電コイル８と電源１１間のリード線１４が、内部に配されると共に、送電カプラー１３の容器１２のバックプレート２５に対し、一端部が一体連結されている。
送電ホース１５の他端部は、送電側回路７の電源１１や、その他の電子機器を収納した金属製耐圧剛構造の電子機器容器３０に、耐圧貫通部３１を介し一体連結されている。
同様に受電ホース１９は、受電側回路９の受電コイル１０とバッテリーＥ間のリード線１８が、内部に配されると共に、受電カプラー１７の容器１６のバックプレート２８に対し、一端部が一体的に連結されている。
受電ホース１９内の他端部は、受電側回路９のバッテリーＥや、その他の電子機器を収納した金属製耐圧剛構造の電子機器容器３２に、耐圧貫通部３３を介し一体連結されている。
そして、送電ホース１５および受電ホース１９は、外部水圧上昇や外部水圧降下により内外変形可能な可堯性を備えた、柔らかで弾性変形可能な材質のゴム製やビニール等の樹脂製よりなる。
送電ホース１５，受電ホース１９については、以上のとおり。

《絶縁油Ｄについて》
次に、絶縁油Ｄについて、図１を参照して説明する。
この水中非接触給電装置６において、送電カプラー１３内のボイド空間２０と送電ホース１５内のボイド空間２１とは、連通され共に絶縁油Ｄが封入されている。
同様に、受電カプラー１７内のボイド空間２２と受電ホース１９内のボイド空間２３とは、連通され共に絶縁油Ｄが封入されている。

これらについて、更に詳述する。送電カプラー１３の容器１２の内部収納空間には、前述したように送電コイル８やフェライトコア２６が収納されているが、残余のボイド空間２０には、電気絶縁油Ｄが封入されている。
同様に、受電カプラー１７の容器１６の内部収納空間は、受電コイル１０やフェライトコア２９が収納されているが、残余のボイド空間２２には、絶縁油Ｄが封入されている。
又、送電ホース１５内にはリード線１４が収納されているが、残余のボイド空間２１には、絶縁油Ｄが封入されている。同様に、受電ホース１９内にはリード線１８が収納されているが、残余のボイド空間２３には、絶縁油Ｄが封入されている。
そして、このように絶縁油Ｄが封入された送電カプラー１３のボイド空間２０と、送電ホース１５のボイド空間２１とは、連通され空間的に繋がっている。同様に、絶縁油Ｄが封入された受電カプラー１７のボイド空間２２と受電ホース１９のボイド空間２３とは、連通され空間的に繋がっている。
絶縁油Ｄについては、以上のとおり。

《絶縁油Ｄによる均圧構造について》
次に、絶縁油Ｄによる均圧構造について、図１を参照して説明する。
絶縁油Ｄは、外部水圧上昇により、収縮変形する送電ホース１５や受電ホース１９内のボイド空間２１，２３から、それぞれ、送電カプラー１３や受電カプラー１７内のボイド空間２０，２２に向け、圧を伝達して加圧する。
もって絶縁油Ｄは、送電カプラー１３や受電カプラー１７について、それぞれ内外均圧機能を発揮する。

これらについて、更に詳述する。例えば深海において、水中（海中）Ｂの圧が上昇した場合は、次のとおり。送電ホース１５や受電ホース１９は、圧を受けて、それぞれ径方向内側に凹むように収縮変形し、体積が減少すると共に内容積を減少せしめようとする。
もって、送電ホース１５や受電ホース１９内のボイド空間２１，２３内の絶縁油Ｄの圧が上昇する。そして、連通する送電カプラー１３側のボイド空間２０の絶縁油Ｄや、受電カプラー１７側のボイド空間２２の絶縁油Ｄへと、それぞれ上昇した圧を伝達する。
これにより、送電カプラー１３側のボイド空間２０や受電カプラー１７側のボイド空間２２の絶縁油Ｄは、それぞれ圧が上昇する。つまり、上昇した外部水圧に見合った圧へと、ボイド空間２０やボイド空間２２内が加圧されて圧が上昇する。
このような絶縁油Ｄによる均圧構造により、送電カプラー１３や受電カプラー１７は、それぞれ内外圧が均圧化される。その容器１２，１６の内部圧と外部圧とが均圧化され、内外圧差は補償される。容器１２，１６に差圧がかかることはなく、水圧で圧壊されることは防止される。
なお上述とは逆に、事後、外部水圧が低下した場合、絶縁油Ｄの圧力は、送電カプラー１３側や受電カプラー１７側から、それぞれ、送電ホース１５側や受電ホース１９側へと向かい、送電ホース１５や受電ホース１９は、元の原状へと復帰変形する。
絶縁油Ｄによる均圧構造については、以上のとおり。

《静電誘導結合について》
次に、高誘電率の水中Ｂでの給電であることに鑑み、静電誘導結合の利用について、図３，図４の（１）図を参照して説明する。
この水中非接触給電装置６では、送電コイル８と受電コイル１０について、給電時の電磁誘導結合に際し、加極性磁気結合が採用されている。もって結合係数Ｋについて、静電誘導結合成分による結合係数Ｋｃが、プラスに作用するようになる。

これらについて、更に詳述する。まず、水中非接触給電装置６による電力授受は、送電コイル８と受電コイル１０間の電磁誘導結合によって行われる。
しかしながら、電力授受が水中Ｂで実施される場合は、水の比誘電率が非常に高いことから（２０℃で８０程度、０℃では８８程度）、図１中にも示したように、更に、静電容量Ｃによる静電誘導結合も無視できなくなる。

ところで、送電コイル８と受電コイル１０間の電磁誘導結合には、図３の（１）図に示したように、減極性磁気結合コイルを使用した場合の減極性磁気結合と、図３の（２）図に示したように、加極性磁気結合コイルを使用した場合の加極性磁気結合と、２通りがある。
そして、陸上，空中での両者の電磁誘導結合による結合係数Ｋｍは、同じである。これに対し水中Ｂのように、静電容量Ｃによる静電誘導結合が強まった場合、水中Ｂでの結合係数Ｋについて、図３の（３）図，（４）図に示したように、静電誘導結合（成分）による結合係数Ｋｃの作用する符号（極性）が異なる。
すなわち水中Ｂでの結合係数Ｋにおいて、図３の（３）図の減極性磁気結合では、下記の数式１に示したように、Ｋｍに対しＫｃはマイナスとなり減算される。これに対し、図３の（４）図に示した加極性磁気結合では、下記の数式２に示したように、Ｋｍに対しＫｃはプラスとなり加算される。

上述した所は、まず、図３の（１）図〜（４）図を用いた回路解析によって確認された。
図４の（１）図は、水中Ｂでの回路解析結果であり、スパイスソフト（電子回路の動作を解析シュミレーションするソフト）の回路解析によって、上述した所が確認された。
すなわち、周波数が上がるに従い、受電コイル１０の出力電圧は降下する。そして、水中Ｂでの加極性磁気結合の場合（Ｋ＝Ｋｍ＋Ｋｃ）は、水中Ｂでの減極性磁気結合の場合
（Ｋ＝Ｋｍ−Ｋｃ）に比し、その電圧降下度が少ない。このように加極性磁気結合の場合は、電力降下度が少ないので、より大きな電力供給が可能となる。
更に、実験結果によっても、上述した所が裏付けられた。
すなわち、送電コイル８や受電コイル１０に加極性磁気結合コイルを使用した所、空中における結合係数Ｋ＝０．３４に対し、水中（海中）Ｂでは結合係数Ｋ＝０．３７４が計測された。このように加極性磁気結合では、静電容量Ｃによる静電誘導結合がプラスに作用し、約１０％程度の結合度アップとなった。
因に、実験データについては次のとおり。ギャップＧは３０ｍｍ。空中の場合、送電コイル８のインダクタンスは２．０３μＨ、受電コイル１０は６．７μＨ。水中Ｂの場合、送電コイル８のインダクタンスは１．９１３μＨ、受電コイル１０は６．８１６μＨ。

周知のとおり結合係数Ｋは、非接触給電による電力授受にとって、その性能を左右する重要な指標である。電力損失低減，高出力確保，大電力供給等にとって、重要な要素となる。
もって水中非接触給電装置６において、加極性磁気結合採用による静電誘導結合成分のプラス作用、結合係数Ｋ増加のメリットは大きい。
静電誘導結合については、以上のとおり。

《トップカバー２４，２７の誘電率等について》
次に、送電カプラー１３や受電カプラー１７のトップカバー２４，２７の比誘電率について、図１，図４の（２）図，（３）図等を参照して説明する。
送電カプラー１３の容器１２および受電カプラー１７の容器１６は、相互対応面を形成するトップカバー２４，２７について、比誘電率が１０未満の材料が使用されている。
もって、このトップカバー２４，２７は、水温変化による水の誘電率変動そして水との合成静電容量について、影響低減機能を発揮し、もって静電誘導結合への影響を低減させる。

これらについて、更に詳述する。水の比誘電率は、２０℃で８０程度であるが、０℃では８８程度に約１０％上昇する。このように水の誘電率は、水温変化に応じ敏感かつ大幅に変化する。そして水温は、例えば深海，海底Ａ（図２を参照）では、５℃以下となる。
さて、このような水温変化により、結合係数Ｋが変化しないことが望ましい。すなわち、水温変化による水の誘電率変動の影響が低減され、静電容量Ｃ，静電誘導結合，そして結合係数Ｋへの影響が回避されることが望ましい。

図４の（２）図は、比誘電率ε_１のトップカバー２４，２７と、比誘電率ε_２の水との２層構造のモデル図である。
同図においてトップカバー２４，２７の材質を非導電性樹脂とし、その比誘電率ε_１を水より一桁以上小さく取る。代表的には１０未満とし、図示例では３．７のポリペンコアセタール樹脂とする。
すると、合成静電容量Ｃ_０は下記数式３のように表され、水と図示トップカバー２４，２７との合成比誘電率は、図４の（３）図のグラフのようになる。

上記数式３において、送電コイル８や受電コイル１０の面積をＳ、真空の誘電率をε_０、トップカバー２４，２７の比誘電率をε_１（図示例では３．７）、水の比誘電率をε_２（例えば８０）、トップカバー２４，２７の肉厚寸法をそれぞれｄ_１とし、水の距離寸法をｄ_２とする。
そして、トップカバー２４，２７の肉厚寸法の和２ｄ_１（図示例では５ｍｍ）は一定、水の距離寸法ｄ_２はギャップＧに相当する。そして、このギャップＧ（水の距離寸法ｄ_２）を変化させた場合、合成静電容量Ｃ_０の変化を、等価的に合成比誘電率の変化として表したのが、図４の（３）図のグラフである。

これによると、水の比誘電率８０に対し、水と両トップカバー２４，２７との合成比誘電率は、その１／２０以下となる。つまり、水温変化による静電容量Ｃ_０の変化は、水だけの場合の変化に対し、１／２０以下となる。
例えば、両トップカバー２４，２７の肉厚寸法の和２ｄ_１が、図示例のように５ｍｍの場合、これと同程度のギャップＧ（水の距離寸法ｄ_２）としたケースにおいて、合成比誘電率は３．５４となる。つまり、このようなギャップＧにおいては、水の誘電率はほとんど合成比誘電率そして合成静電容量Ｃ_０には影響しないことになる。
このようにトップカバー２４，２７は、水温の変化による静電容量Ｃ_０の変化を、大きく低減させる機能を発揮する。
水温変化により水の誘電率が変化しても、トップカバー２４，２７の比誘電率が１０未満の場合は、静電容量Ｃへの影響，静電誘導結合への影響は、大きく低減される（１０以上の場合は、水の比誘電率の影響が出てくる）。もってテーマとする結合係数Ｋへの悪響は回避されるようになる。
トップカバー２４，２７の誘電率等については、以上のとおり。

《作用等》
本発明の水中非接触給電装置６は、以上説明したように構成されている。そこで以下のようになる。
（１）この水中非接触給電装置６では、水中Ｂにおいて、送電側回路７の送電コイル８から、受電側回路９の受電コイル１０に、ギャップＧを存し近接対応位置しつつ、電力が供給される（図１を参照）。
代表例では、母船３そしてＲＯＶ５から、海底電源ベース２へと電力授受が行われる。又、海底電源ベース２から、ＡＵＶ１へと電力授受が行われる（図２を参照）。

（２）そして、この水中非接触給電装置６では、送電カプラー１３内の送電コイル８から、受電カプラー１７内の受電コイル１０へと電力授受が行われる。
送電カプラー１３には、リード線１４が配された送電ホース１５が、連結されている。受電カプラー１７には、リード線１８が配された受電ホース１９が、連結されている（図１を参照）。

（３）そして、深海，海底Ａでの給電に際し、外部水圧が上昇した場合については、次のとおり。
この場合、この水中非接触給電装置６では、封入されていた絶縁油Ｄが、送電ホース１５や受電ホース１９内のボイド空間２１，２３から、それぞれ、送電カプラー１３や受電カプラー１７内のボイド空間２０，２２に向け、圧を伝達し加圧する。これにより、送電カプラー１３や受電カプラー１７について、内外圧が均圧化される（図１を参照）。
このような絶縁油Ｄによる均圧構造の採用により、送電カプラー１３や受電カプラー１７は、小型軽量であっても、高水圧に耐える耐圧性を備えることができる。
なお、これに対し送電ホース１５や受電ホース１９の耐圧貫通部３１，３３については、絶縁油Ｄから伝達される圧に耐え得る機械的強度を備えることが、必要である。

（４）又、送電コイル８，受電コイル１０，リード線１４，１８等は、給電に際して発熱する。このような発熱は、それぞれの送電カプラー１３，受電カプラー１７，送電ホース１５，受電ホース１９等の各ボイド空間２０，２２，２１，２３に封入されていた絶縁油Ｄに、直接伝達される（図１を参照）。
そして絶縁油Ｄから、それぞれの送電カプラー１３，受電カプラー１７や，送電ホース１５，受電ホース１９を介して、外部の水中（海中）Ｂへと伝達される（図２を参照）。もって、この水中非接触給電装置６は、冷却能力にも優れている。

（５）そして給電は、送電コイル８と受電コイル１０間の電磁誘導結合によって行われるが、高誘電率の水中Ｂでの給電であることに鑑み、この水中非接触給電装置６では、加極性磁気結合を採用してなる（図３を参照）。
もって、静電容量Ｃによる静電誘導結合成分の結合係数Ｋｃを、プラスに作用せしめることができる（図４の（１）図を参照）。給電性能の重要指標である結合係数Ｋについて、静電誘導結合の影響を有効利用可能となる。

（６）水の誘電率は、水温変化により大幅に変化する。そして深海，海底Ａでの給電に際しては、水温低下が顕著である。
そこで、この水中非接触給電装置６では、送電カプラー１３や受電カプラー１７のトップカバー２４，２７について、比誘電率１０未満の材質を採用してなる。
これにより、水温変化による水の誘電率変化の影響や、水との合成誘電率，合成静電容量Ｃ_０への影響、そして送電コイル８，受電コイル１０の静電誘導結合への影響等を、低減可能となる。これにより、結合係数Ｋが水温変化により変化することが、回避される（図４の（２）図，（３）図を参照）。
本発明の作用等については、以上のとおり。

《他の例》
図５および図６は、それぞれ本発明の他の例を示す。以下、この図５，図６に示した他の例について説明する。
まず、以上説明した図１，図２に示した本発明の例において、水中非接触給電装置６は、送電ホース１５と受電ホース１９とを、共に有している。
これに対し、図５，図６に示した本発明の他の例では、これによらず、水中非接触給電装置６は、送電ホース１５と受電ホース１９のいずれか、一方のみを有してなる。
すなわち、図５の例の水中非接触給電装置６にあっては、送電ホース１５のみを有し、受電ホース１９は有していない。これに対し、図６の例の水中非接触給電装置６にあっては、送電ホース１５を有しておらず、受電ホース１９のみを有している。
図５の例としては、海底電源ベース２からＡＵＶ１へ給電するケースが考えられる。図６の例としては、ＲＯＶ５から海底電源ベース２へ給電するケースが考えられる（図２を参照）。

もって図５の例では、送電カプラー１３内のボイド空間２０と送電ホース１５内のボイド空間２１のみが、連通されると共に絶縁油Ｄが封入されている。図６の例では、受電カプラー１７内のボイド空間２２と受電ホース１９内のボイド空間２３のみが、連通されると共に絶縁油Ｄが封入されている。
ところで絶縁油Ｄは、図５の例では、受電コイル１０を収納した受電カプラー１７の容器１６内のボイド空間２２にも、封入されている。絶縁油Ｄは、図６の例では、送電コイル８を収納した送電カプラー１３の容器１２内のボイド空間２０にも、封入されている。
受電ホース９が連結されない図５の例の受電カプラー１７や、送電ホース１５が連結されない図６の例の送電カプラー１３は、このように、そのボイド空間２２や２０に絶縁油Ｄが封入されており、絶縁油Ｄが、外部水圧変化に伴い内外圧均圧機能を発揮可能となっている。
すなわち、外部水圧変化に伴って、内外可堯変形可能なそれぞれの容器１６や１２を介し、圧が絶縁油Ｄに伝達され、もって内部圧が外部圧と均圧化され、内外圧差は補償される。このような均圧構造により、送電カプラー１３や受電カプラー１７は、高水圧に耐える耐圧性を備えている。

そして、（図１の例のような）受電ホース１９が連結されない図５の例の受電カプラー１７は、その容器１６のバックプレート２８が、機械的強度を備えた耐圧剛構造の電子機器容器３２に、一体的に連結，取付けされている。
そして、受電コイル１０からのリード線１８は、耐圧剛構造の電子機器容器３２を貫通するためのコネクタ、すなわち耐圧貫通部３３を経由して、電子機器容器３２内の受電側回路９に接続されている。
（図１の例のような）送電ホース１５が連結されない図６の例の送電カプラー１３は、その容器１２のバックプレート２５が、機械的強度を備えた耐圧剛構造の電子機器容器３０に、一体的に連結，取付けされている。
そして、送電コイル８からのリード線１４は、耐圧剛構造の電子機器容器３０を貫通するためのコネクタ、すなわち耐圧貫通部３１を経由して、電子機器容器３０内の送電側回路７に接続される。

なお第１に、上述した均圧構造に代え、樹脂充填構造も採用可能である。
すなわち、上述した図５，図６の例の水中非接触給電装置６において、（受電ホース１９が連結されない）受電カプラー１７や、（送電ホース１５が連結されない）送電カプラー１３は、それぞれ、容器１６，１２内のボイド空間２２，２０に絶縁油Ｄが封入され、もって均圧構造とされていた。
しかし、このような図５，図６の例で図示された均圧構造に代え、それぞれ、受電コイル１０や送電コイル８を収納する容器１６，１２内に、樹脂を充填する耐圧構造も、採用可能である。例えばエポキシ樹脂等を、図示のボイド空間２２，２０に相当するエリアに、内部充填するようにしてもよい。
なお第２に、前述した図５，図６の例の水中非接触給電装置６や、上述した例の水中非接触給電装置６において、その他の構成，機能，作用等は、前述した図１〜図４の例の水中非接触給電装置６に準じるので、同符号を付しその説明は省略する。
他の例については、以上のとおり。

１ ＡＵＶ
２ 海底電源ベース
３ 母船
４ ケーブル
５ ＲＯＶ
６ 水中非接触給電装置
７ 送電側回路
８ 送電コイル
９ 受電側回路
１０ 受電コイル
１１ 電源
１２ 容器
１３ 送電カプラー
１４ リード線
１５ 送電ホース
１６ 容器
１７ 受電カプラー
１８ リード線
１９ 受電ホース
２０ ボイド空間
２１ ボイド空間
２２ ボイド空間
２３ ボイド空間
２４ トップカバー
２５ バックプレート
２６ フェライトコア
２７ トップカバー
２８ バックプレート
２９ フェライトコア
３０ 電子機器容器
３１ 耐圧貫通部
３２ 電子機器容器
３３ 耐圧貫通部
Ａ 海底
Ｂ 水中（海中）
Ｃ 静電容量
Ｄ 絶縁油
Ｅ バッテリー
Ｇ ギャップ
Ｋ 結合係数
Φ 磁束

Claims (8)

1. 水中において、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、送電側回路の送電コイルから受電側回路の受電コイルに、ギャップを存し非接触で近接対応位置しつつ電力を供給する、水中非接触給電装置であって、
   該送電コイルを容器内に備えた送電カプラーと、該送電コイルのリード線が配されると共に、該送電カプラーの容器に連結された送電ホースと、
   該受電コイルを容器内に備えた受電カプラーと、該受電コイルのリード線が配されると共に、該受電カプラーの容器に連結された受電ホースと、を有してなり、
   該送電カプラー内のボイド空間と該送電ホース内のボイド空間は、連通されると共に絶縁油が封入されており、又、該受電カプラー内のボイド空間と該受電ホース内のボイド空間は、連通されると共に絶縁油が封入されていること、を特徴とする水中非接触給電装置。
2. 請求項１において該水中非接触給電装置は、該送電ホースと該受電ホースとを共に有しているが、このような請求項１によらず、該水中非接触給電装置は、該送電ホースと該受電ホースのいずれか一方のみを有してなり、
   もって、該送電カプラー内のボイド空間と該送電ホース内のボイド空間のみが連通されると共に該絶縁油が封入されるか、又は、該受電カプラー内のボイド空間と該受電ホース内のボイド空間のみが連通されると共に該絶縁油が封入されていること、を特徴とする水中非接触給電装置。
3. 請求項２において、該受電ホースが連結されない該受電カプラー、又は、該送電ホースが連結されない該送電カプラーは、
   そのボイド空間に絶縁油が封入され、該絶縁油が外部水圧変化に伴い内外圧均圧機能を発揮可能となっており、その容器が、機械的強度を備えた耐圧剛構造の電子機器容器に一体連結されていること、を特徴とする水中非接触給電装置。
4. 請求項２において、該受電ホースが連結されない該受電カプラー、又は、該送電ホースが連結されない該送電カプラーは、
   その内部に樹脂が充填されており、その容器が、機械的強度を備えた耐圧剛構造の電子機器容器に一体連結されていること、を特徴とする水中非接触給電装置。
5. 請求項１又は２において、該送電ホースおよび／又は該受電ホースは、外部水圧変化により内外変形可能な可堯性を備えていること、を特徴とする水中非接触給電装置。
6. 請求項５において、該絶縁油は、外部水圧上昇により、収縮変形する該送電ホースおよび／又は該受電ホースのボイド空間から、該送電カプラーおよび／又は該受電カプラーのボイド空間に向け、圧を伝達して加圧し、
   もって該絶縁油は、該送電カプラーおよび／又は該受電カプラーについて、それぞれ内外圧均圧機能を発揮すること、を特徴とする水中非接触給電装置。
7. 請求項１又は２において、該送電コイルと該受電コイルは、給電時の電磁誘導結合に際し加極性磁気結合を形成し、もって結合係数について、静電誘導結合成分による結合係数がプラスに作用すること、を特徴とする水中非接触給電装置。
8. 請求項１又は２において、該送電カプラーの容器および該受電カプラーの容器は、相互対応面を形成するトップカバーについて、比誘電率が１０未満の材料が選択使用されており、
   もって該トップカバーは、水温変化による水の誘電率変動そして水との合成静電容量について、影響低減機能を発揮し、もって該送電コイルと該受電コイルの静電誘導結合への影響を低減させること、を特徴とする水中非接触給電装置。

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