JPWO2012001955A1 - 放熱構造を備えた無線電力伝送システムおよび送受電装置 - Google Patents

Abstract

無線電力伝送システムおよび送受電装置は、共振器（アンテナ）１０９と、放熱構造１１１とを備えている。放熱構造１１１は、導電性の熱伝導体１１を有し、熱伝導体１１は、電気絶縁体１２を介してアンテナ１０９のインダクタ１３と熱的に接触している。熱伝導体１１は、電気的閉ループを形成しないように構成される。

Description

本発明は、非接触でエネルギを充給電もしくは集電する無線電力伝送装置における送受電アンテナの放熱構造に関する。

電子機器の可搬性の向上や防水性・防塵性の確保などの観点から、非接点・非接触でのエネルギ充給電技術への注目が高まっている。このような非接触での電力伝送により、壁掛けテレビなどの家電製品の配線を不要にでき、電気自動車などの大型設備への充給電を簡便に行うことができる。

非接触での電力伝送方式として、従来検討されてきた電磁誘導方式だけでなく、特許文献１に開示された磁気共振方式が提案されている。この方式では、共振器間の共振モード間結合を利用することによって従来の電磁誘導方式よりも長距離、高効率の電力伝送が可能である。特に共振磁界を利用すれば、共振電界を利用した場合と比較して、周辺生体への影響も回避できるものと考えられている。

一方、磁気共振方式の電力伝送システムにおいて発生する損失の一部は、共振器において熱になる。共振器から発生する熱は、共振器や回路の温度特性に影響を及ぼし、伝送効率を低下させる。また、大電力を伝送する際には発熱量が大きくなるため、安全性の観点からも共振器で発生した熱を除去することが必要となる。

熱を除去する構造として、例えば特許文献２には電磁誘導方式の非接触給電装置に用いられる放熱構造が開示されている。この放熱構造では、１次、２次コイルおよび１次、２次磁心コアの表面を、電磁界の影響を受けない電気絶縁性を有する熱伝導性材料で覆うことによって放熱する。

また、特許文献３および特許文献４にも電磁誘導方式の非接触給電装置に用いられる放熱技術が開示されている。これらの技術では、金属の導電性材料で形成された放熱構造をインダクタ表面に密着させることによって放熱する。

さらに、特許文献５には、複数本の細い導電線をより合わせて形成されたリッツ線の中央部に冷却用の部材を設けることによって励磁コイルを冷却する技術が開示されている。この技術では、冷却用の部材として高熱伝導性を有するＰＤＡ系高分子材料、炭素系フィラメントを添加した樹脂、アルミ、ヒートパイプなどが用いられることが開示されている。

米国出願公開２００８／０２７８２６４−Ａ１公報 特開２００８−０８７７３３号公報 特開２００９−００４５１３号公報 特開２００６−１２９６０５号公報 特開２００５−１０８６５４号公報

特許文献２に開示された技術では、導電性材料よりも一般に熱伝導率が低い電気絶縁性材料が放熱構造として用いられるため、導電性材料を放熱構造に用いる場合に比べて放熱性が低いという課題がある。

一方、特許文献３に開示された技術では、電気絶縁性材料よりも一般に熱伝導率が高い導電性材料が熱伝導層として用いられるため、放熱性の低さは解消される。しかし、熱伝導層の放熱端が絶縁処理などを施されることなく、内部回路のグランドまたはグランドに接続された筐体に密着して放熱されるため、導電性の熱伝導層が電気的に閉じたループ（電気的閉ループ）を形成することになる。その結果、電力伝送時に発生する磁界によって熱伝導層内に誘導電流が流れ、導電損失が発生する。すなわち、特許文献３に開示された技術では、電力伝送効率が低下するという課題がある。

特許文献４には、電気的閉ループを形成しない放熱構造が開示されている。しかしながら、発熱体であるインダクタの表面に放熱構造が形成されるため、インダクタの巻線数が多い場合や、インダクタが厚い場合には放熱性が低下するという課題がある。

また、特許文献５に開示された放熱構造を採用した場合、複数の導電線に密着した冷却用部材によって放熱効果を高めることができると考えられる。しかしながら冷却用部材として導電性材料を用いる場合、上記特許文献３と同様、誘導電流の発生に起因して電力伝送効率が低下するという課題がある。

本発明は、上記の従来技術の課題を解決する。本発明の目的は、磁気共振方式の無線電力伝送システムに用いられる共振器で発生する熱を、電力伝送効率の低下を抑えながら除去するための放熱技術を提供することにある。

本発明の送受電装置は、共振磁界を介して電力を無線で伝送する無線電力伝送システムにおいて送電および受電の少なくとも一方を行う送受電装置であって、インダクタを有するアンテナと、前記インダクタに電気絶縁体を介して一部が熱的に接触した導電性熱伝導体であって、電気的に閉じたループを形成しないように構成された導電性熱伝導体を有する放熱構造とを備えている。

ある実施形態において、前記アンテナの共振周波数は、前記アンテナと電力伝送を行う他のアンテナの共振周波数に一致するように設定されている。

ある実施形態において、前記導電性熱伝導体は、電気的に接地されていない。

ある実施形態において、前記導電性熱伝導体は、前記インダクタで発生した熱を、前記インダクタから離れた位置まで伝達することによって放熱する。

ある実施形態において、前記放熱構造は、前記インダクタから離れた場所に位置する冷却部を有し、前記導電性熱伝導体は、前記インダクタで発生する熱を、前記冷却部に伝達することによって放熱する。

ある実施形態において、前記インダクタは、前記電気絶縁体によって少なくとも一部が被覆された導電線であって、前記導電性熱伝導体の少なくとも一部の周囲にスパイラル状に巻かれた導電線によって形成されている。

ある実施形態において、前記インダクタの形成面に投影された、前記導電性熱伝導体において前記インダクタに熱的に接触した部分の幅は、前記インダクタの配線部分の幅よりも小さい。

ある実施形態において、前記導電性熱伝導体において前記インダクタに熱的に接触した部分の少なくとも一部は、前記インダクタの輪郭によって規定される領域の内部に含まれている。

ある実施形態において、前記導電性熱伝導体は、前記インダクタの輪郭によって規定される領域の内部で電気的に分断されている。

ある実施形態において、前記導電性熱伝導体は、前記インダクタの輪郭によって規定される領域の外部で電気的に分断されている。

ある実施形態において、前記導電性熱伝導体は、中空のパイプ状の構造を有し、少なくとも一部が電気的に分断されている。

ある実施形態において、前記導電性熱伝導体において電気的に分断された部分は、電気絶縁性材料によって形成されたパイプによって中継ぎされている。

ある実施形態において、前記導電性熱伝導体の内部には冷媒が封入されている。

ある実施形態において、前記導電性熱伝導体において電気的に分断された部分は、前記インダクタの屈曲した部分に近接している。

ある実施形態において、前記導電性熱伝導体において前記インダクタに熱的に接触した部分は、前記インダクタの巻き線が形成された部分の中央よりも外側に近接して配置されている。

本発明の無線電力伝送装置は、共振磁界を介して電力を無線で伝送する無線電力伝送システムであって、ＲＦエネルギを送出する送電アンテナを有する送電部と、前記ＲＦエネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナを有する受電部と、前記送電アンテナおよび前記受電アンテナの少なくとも一方のインダクタに電気絶縁体を介して一部が熱的に接触した導電性熱伝導体であって、電気的に閉じたループを形成しないように構成された導電性熱伝導体を有する放熱構造とを備えている。

ある実施形態において、前記送電アンテナの共振周波数および前記受電アンテナの共振周波数は、一致するように設定されている。

本発明の無線電力伝送システムおよび送受電装置によれば、電気的閉ループを形成しないように構成された導電性熱伝導体を用いて放熱する。そのため、共振器のインダクタから発生する熱を、電力伝送効率の低下を抑えながら除去することができる。

本発明の無線電力伝送システムの基本構成の一例を示す図 本発明の無線電力伝送システムにおける送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９の等価回路の例を示す図 本発明の無線電力伝送システムにおけるインダクタ１３の形状の例を示す図 本発明の無線電力伝送システムにおける放熱構造１１１の構成の例を示す図 本発明の無線電力伝送システムにおけるインダクタおよび熱伝導体１１の配置関係の例を示す図 本発明の第１の実施形態における受電装置の概略構成を示す図 本発明の第１の実施形態における熱伝導体１１と電気絶縁体１２とインダクタ１３とのＸＹ平面上での位置関係を示す配置図 本発明の第１の実施形態において熱伝導体１１の分断部１８がインダクタ１３の屈曲部近傍に配置されている場合の配置図 本発明の第１の実施形態における熱伝導体１１と電気絶縁体１２とインダクタ１３とのＺ軸方向の位置関係を示す配置図 本発明の第２の実施形態における受電装置の概略構造を示す図 （ａ）は、本発明の第２の実施形態における熱伝導体１１の分断部の第１の例を示す図であり、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態における熱伝導体１１の分断部の第２の例を示す図

まず、図１Ａおよび図１Ｂを参照しながら本発明による無線電力伝送システムの基本構成例を説明する。図１Ａは、本発明による無線電力伝送システム１００の構成例を示すブロック図である。図１Ａに示す無線電力伝送システム１００は、高周波エネルギ（ＲＦエネルギ）を送出する送電アンテナ１０７を有する送電装置１２０と、送電アンテナ１０７から送出されたＲＦエネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナ１０９を有する受電装置１４０と、受電アンテナ１０９から発生する熱を外部に伝達する導電性熱伝導体１１を有する放熱構造１１１とを備えている。導電性熱伝導体１１は、受電アンテナ１０９に直接的に接触せず、不図示の電気絶縁体を介して受電アンテナ１０９のインダクタに熱的に接触している。ここで、「熱的に接触する」とは、熱伝導によって熱の授受が可能であることを意味する。導電性熱伝導体１１は、受電アンテナ１０９のインダクタから熱を受け取り、外部に放出する。これにより、電気絶縁性を保ちながら受電アンテナ１０９のインダクタを放熱させることができる。なお、図１Ａに示す例では、放熱構造１１１は受電アンテナ１０９側に配置され、受電アンテナ１０９のインダクタを放熱させるが、放熱構造１１１は送電アンテナ１０７のインダクタを放熱させるように配置されていてもよい。また、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９の両方に放熱構造１１１が設けられていてもよい。

図１Ｂは、送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９の等価回路の例を示す図である。送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９は、ともにインダクタ１３、容量素子１４、抵抗１９を備える共振回路である。図１Ｂは、送電アンテナ１０７が直列共振回路であり、受電アンテナ１０９が並列共振回路である例を示しているが、各アンテナは、直列共振回路および並列共振回路のいずれであってもよい。

各インダクタ１３のインダクタンスおよび各容量素子１４の容量は、送電アンテナ１０７の共振周波数ｆＴと受電アンテナ１０９の共振周波数ｆＲとが一致するように設定されることが好ましい。なお、共振器間の結合によって高効率なエネルギ伝送を実現するためには、ｆＴ＝ｆＲが理想的であるが、ｆＴとｆＲとの差異が充分に小さければエネルギ伝送は可能である。本明細書において、「周波数ｆＴが周波数ｆＲに等しい」とは、以下の式１が満足される場合であると定義する。
（式１） ｜ｆＴ−ｆＲ｜≦ｆＴ／ＱＴ＋ｆＲ／ＱＲ
ここで、ＱＴは送電アンテナ１０７の共振器としてのＱ値、ＱＲは受電アンテナ１０９の共振器としてのＱ値である。一般に、共振周波数をＸ、共振器のＱ値をＱｘとした場合、この共振器の共振が生じる帯域はＸ／Ｑｘに相当する。式１の関係が成立すれば、２つの共振器間で磁気共振による高効率なエネルギ伝送が実現する。以下の説明では、所定の周波数をｆ０として、ｆＴ＝ｆＲ＝ｆ０が成立しているものとする。周波数ｆ０は、例えば５０Ｈｚ〜３００ＧＨｚ、より好ましくは１０ｋＨｚ〜１ＧＨｚ、さらに好ましくは２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚに設定される。

送電装置１２０は、送電アンテナ１０７のほか、不図示の発振器や電源などを備え得る。送電アンテナ１０７は、例えば、発振器から周波数ｆ０の高周波エネルギを受け取り、周波数ｆ０の磁界エネルギを周辺空間に分布させる。これにより、送電アンテナ１０７の周囲に周波数ｆ０で振動する共振磁界が形成される。受電装置１４０における受電アンテナ１０９は、この共振磁界と結合することによって送電装置１２０からＲＦエネルギを受け取ることができる。受電装置１４０は、不図示の内部回路や負荷などを備え得る。受電アンテナ１０９は、例えば、受け取ったＲＦエネルギを、内部回路を介して負荷に送出することにより、受電装置１４０を動作させることができる。

送電アンテナ１０７と受電アンテナ１０９との間で共振磁界を介して電力が伝送されると、一般に導電部分であるインダクタ１３において熱が発生し、伝送効率が低下する。従って、インダクタ１３から発生する熱を除去することが必要となる。

本発明による無線電力伝送システム１００では、放熱構造１１１が送電アンテナ１０７および受電アンテナ１０９の少なくとも一方のインダクタ１３の近傍に配置され、インダクタ１３を放熱させる。以下、図２Ａから図２Ｃを参照しながら、本発明における放熱方式を説明する。

図２Ａは、インダクタ１３の形状の例を示している。本発明におけるインダクタ１３の形状は、公知のどのような形状であってもよいが、ここでは、最大巻数が４の導電線（巻き線）からなる矩形のスパイラル形状を有するインダクタ１３を考える。インダクタ１３のサイズは、搭載される機器のサイズに応じて適宜設計される。例えば、小型の電子機器においては、インダクタ１３の特徴的なサイズ（例えば、インダクタ１３が矩形の場合は短辺の長さ、円形の場合は直径）は、数ｍｍ〜数ｃｍであり得る。また、大型の給電設備や電気自動車などにおいては、インダクタ１３の特徴的なサイズは、数十ｃｍ〜数ｍにもなり得る。

図２Ｂは、図２Ａに示すインダクタ１３を放熱させるための放熱構造１１１の例を示している。図示されるように、放熱構造１１１は、導電性熱伝導体１１（以下、「熱伝導体１１」と呼ぶ）を有している。熱伝導体１１は、例えば、インダクタ１３と熱的に接する部分である接触部分１１ａと、熱を外部に伝達する部分である伝達部分１１ｂとを有する。接触部分１１ａがインダクタ１３の巻き線部分の広範囲にわたって接するように熱伝導体１１が構成されることが好ましい。このような熱伝導体１１により、インダクタ１３から発生する熱を効果的に外部に放出することができる。

熱伝導体１１は、また、電気的に閉じたループを形成しないように構成される。例えば、図２Ｂに示す例では、熱伝導体１１は、接触部分１１ａおよび伝達部分１１ｂにそれぞれ分断部１８を有している。このような熱伝導体１１により、インダクタ１３が発生する磁界によって熱伝導体１１に誘導電流が流れることを防ぐことができる。

放熱構造１１１は、熱伝導体１１以外に、冷却部（不図示）を有していてもよい。そのような冷却部が熱伝導体１１の伝達部分１１ｂの先端（放熱端）１１ｃに接続されることにより、放熱効果を高めることができる。なお、冷却部が導電性材料で形成されている場合、熱伝導体１１の放熱端１１ｃが電気的に接続されることになるため、熱伝導体１１は、冷却部に接していない部分に分断部１８をもつ必要がある。

図２Ｃは、図２Ａに示すインダクタ１３および図２Ｂに示す熱伝導体１１の配置関係の例を示す図である。この図に示す例では、熱伝導体１１は、インダクタ１３の巻き線に沿うように配置されている。熱伝導体１１とインダクタ１３の巻き線との間には、熱伝導性を有する電気絶縁体１２の層が形成されている。電気絶縁体１２の厚さは、熱伝導体１１とインダクタ１３の巻き線との間の電気絶縁性を保持できる範囲で可能な限り薄くすることが好ましい。

以上の構成により、インダクタ１３から発生する熱を、熱伝導体１１によって効率的に除去することができる。本発明によれば、熱伝導体１１が電気的閉ループを形成しないため、インダクタ１３から発生する磁界によって熱伝導体１１中に誘導電流が発生することを抑えることができる。そのため、従来技術による放熱構造を用いた場合よりも、無線電力伝送の伝送効率を高く保つことが可能である。

本発明における放熱構造１１１は、上記のような送電装置１２０および受電装置１４０を備えた無線電力伝送システムに限らず、送電および受電の少なくとも一方を行う装置（送受電装置）にも搭載可能である。このような送受電装置は、送電および受電の少なくとも一方を行うアンテナと、アンテナのインダクタに電気絶縁体を介して一部が熱的に接触し電気的閉ループを形成しない導電性熱伝導体を有する放熱構造とを備える。送受電装置は、送電アンテナ１０７を備える送電装置１２０であってもよいし、受電アンテナ１０９を備える受電装置１４０であってもよい。また、１つのアンテナを用いて送電および受電の両方を行う装置であってもよい。

以下、図３から図６を参照しながら本発明の実施形態を説明する。以下の説明では、図中に示すＸＹＺ座標を用いる。以下の説明において同様の構成要素には同じ参照符号を付与する。

（実施形態１）
まず、本発明の第１の実施形態を説明する。本実施形態は、外部の送電装置から共振磁界を介して無線で電力の供給を受けることによって動作する受電装置に関している。受電装置は、例えばノートパソコンや携帯電話などのモバイル機器、電気自動車、蓄電池などであり、電気で動作する機器であればどのような機器であってもよい。なお、以下の説明における放熱構造は、送電装置に搭載された送電アンテナにおいても全く同様に適用でき、その効果に変わりはない。

図３は、本実施形態による受電装置１４０の概略構成を示す図である。受電装置１４０は、ＲＦエネルギを受け取る受電アンテナ１０９と、受電アンテナ１０９で発生する熱を外部に放出するための放熱構造１１１と、内部回路１５と、負荷１７とを備えている。受電アンテナ１０９は、インダクタ１３と、容量素子１４とを有する共振回路である。放熱構造１１１は、導電性材料で形成された熱伝導体１１と、熱伝導体１１を冷却するための冷却部１６とを有している。熱伝導体１１は、熱伝導性を有する電気絶縁体１２を介して受電アンテナ１０９のインダクタ１３に熱的に接触している。内部回路１５は、例えば整流回路であり、受電アンテナ１０９が受け取ったＲＦエネルギを直流エネルギに変換して負荷１７に直流エネルギを送出する。負荷１７は、例えば、一般の電気機器や蓄電池である。本実施形態において、内部回路１５および負荷１７は特に限定されず、公知の要素を適切に組み合わせて用いることができる。

以下、本実施形態における受電アンテナ１０９および放熱構造１１１をより詳細に説明する。

本実施形態における受電アンテナ１０９は、インダクタ１３と容量素子１４とを有する共振回路であり、不図示の送電アンテナから送出されるＲＦエネルギを効率よく受け取ることができる。なお、図３に示す構成では、インダクタ１３と容量素子１４とは並列に接続されているが、これらは直列に接続されていてもよい。

本実施形態におけるインダクタ１３は、巻数Ｎ（Ｎは２以上の整数）のスパイラル構造、または巻数１のループ構造を有するものとするが、公知の他の構造を有していてもよい。また、インダクタ１３は、一層の導電体パターンから構成されていてもよいし、積層された複数の導電体パターンを直列に接続した構成を有していてもよい。インダクタ１３は、高い導電率を有する銅や銀などの導電体によって好適に形成され得る。また、インダクタ１３のスパイラル配線の形状は、図３に示すような円形に限定されず、任意の形状でよい。例えば、矩形、楕円形、または非対称形状であっても構わない。ただし、矩形のスパイラル形状を採用する場合、角部分で一定以上の曲率を有していることが好ましい。急激な角度変化を有する配線形状は、高周波電流の集中および周辺空間の磁界密度の集中を招き、発生するジュール熱の増加、および伝送効率の低下につながるからである。なお、本明細書では、インダクタ１３の巻き線によって形成される面を、インダクタ１３の「形成面」と呼ぶことにする。インダクタ１３の形成面に平行な面をＸＹ平面とする。ここで、インダクタ１３の巻き線が同一平面上に配置されておらず、Ｚ軸方向に厚さをもつ層状の構造を有している場合、最大面積を有する配線層によって形成される面をインダクタ１３の「形成面」と呼ぶことにする。

本実施形態における容量素子１４は、例えばチップ形状、リード形状を有するあらゆるタイプのキャパシタを利用できる。また、空気を介した２配線間の容量を容量素子１４として機能させることも可能である。

本実施形態における受電アンテナ１０９の共振周波数ｆＲは、送電アンテナの共振周波数ｆＴに等しい値になるように、インダクタ１３、電気絶縁体１２、および放熱構造１１１を含む系のインダクタンス、および容量素子１４の容量が設定される。

受電アンテナ１０９の共振周波数を送電アンテナの共振周波数に一致させるためには、容量素子１４の容量Ｃ（Ｆ）を、以下の式２に示す値に設定すればよい。
（式２） Ｃ＝１／（（２πｆ）²・Ｌ）
ここで、送受電アンテナの共振周波数をｆ（Ｈｚ）、熱伝導体１１、電気絶縁体１２、およびインダクタ１３で構成される系がもつインダクタンス値をＬ（Ｈ）としている。

なお、インダクタンス値Ｌは、熱伝導体１１、電気絶縁体１２、インダクタ１３によって構成される系を、例えばインピーダンスアナライザやネットワークアナライザで計測することによって求めることができる。

次に、本実施形態における放熱構造１１１をより詳細に説明する。

放熱構造１１１は、熱伝導体１１と冷却部１６とを有する。熱伝導体１１は、好ましくは熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上を持つ材料、例えば銅などの金属類で形成される。熱伝導体１１は、熱伝導性を有する電気絶縁体１２を介してインダクタ１３から熱を受けられるように、インダクタ１３の巻き線の内部に配置されている。熱伝導体１１とインダクタ１３の巻き線との間の絶縁性を維持するために、電気絶縁体１２が熱伝導体１１とインダクタ１３との間に配置されている。熱伝導体１１は、分断部１８によって導電経路の少なくとも１箇所が分断されている。熱伝導体１１は、インダクタ１３から離れた位置に配置された冷却部１６と接し、インダクタ１３が発生した熱を冷却部１６に伝達する。

冷却部１６は、例えばフィン構造を備え、フィンによって対流を発生することにより、熱伝導体１１から伝導された熱を外部に放出する。なお、冷却部１６における放熱方式は、対流による冷却方式に限らず、インダクタ１３で発生した熱を十分に放出できればどのような方式であってもよい。図３に示す構成では、受電装置１４０は１つの冷却部１６を備えているが、２つ以上の冷却部１６を備えていてもよい。また、冷却部１６が受電装置１４０に設置されていることは必須ではなく、冷却部１６０は受電装置１４０の外部に設けられていてもよい。

熱伝導性を有する電気絶縁体１２の材料として、例えば、シリコン樹脂をベースとする材料や、アルミ製のフィラーを含有したセラミック材料等を用いることができる。また、これらの材料の代わりに空気などの気体で代用することもできる。

本実施形態における熱伝導体１１は、インダクタ１３によって形成される磁界による誘導電流の経路が閉じたループを形成しないように、導電経路が分断部１８によって分断される構造をもつ。例えば、図３に示される構成では、熱伝導体１１は、インダクタの形成面の内部に３箇所、冷却部１６の内部に１箇所の分断部１８を有している。ここで、冷却部１６の内部における熱伝導体１１の放熱端は、短絡および接地しないように配置されることが好ましい。分断部１８の数および位置は上記の例に限らず、導電経路の少なくとも１箇所以上が分断されていればよい。分断部１８は、インダクタ１３の輪郭によって規定される領域の内部に設けられていてもよいし、外部に設けられていてもよい。また、本実施形態における熱伝導体１１は、内部回路１５などに対して接地しないように構成される。これにより、閉ループの形成による誘導電流の発生を抑えることができる。

以下、図４Ａから図４Ｃを参照しながら、熱伝導体１１の好ましい配置について説明する。

図４Ａは、熱伝導体１１と電気絶縁体１２とインダクタ１３の巻き線とのＸＹ平面上の位置関係を示す配置図である。図４Ａに示すインダクタ１３の形状は、図３に示すインダクタ１３の形状とは異なり、矩形であるが、インダクタ１３の形状はどのような形状であってもよい。

ここで、前述したように、熱伝導体１１において電気絶縁体１２を介してインダクタ１３に熱的に接した部分を「接触部分」と呼ぶことにする。熱伝導体１１の接触部分をインダクタ１３の形成面に投影したとき、当該接触部分は、インダクタ１３の最も外側の巻き線と最も内側の巻き線との間に位置するように熱伝導体１１を配置することが好ましい。すなわち、熱伝導体１１の接触部分の投影幅は、インダクタ１３の投影幅よりも小さくすることが好ましい。ここで、インダクタ１３の「投影幅」とは、インダクタ１３の形成面において、最も外側の巻き線と最も内側の巻き線との間の距離（Ｗ１）を意味するものとする。また、熱伝導体１１の投影幅とは、ＸＹ平面内においてインダクタ１３の巻き線の方向に垂直な方向の熱伝導体１１の幅（Ｗ２）を意味するものとする。熱伝導体１１に流れる誘導電流の量は、熱伝導体１１の投影幅に依存する。熱伝導体１１の投影幅がインダクタ１３の投影幅に対して大きい程、インダクタ１３によって発生する磁界の影響を受けやすく、誘導電流の量が多くなる。その結果、伝送効率が低下する。逆に、投影幅が小さい程、熱伝導体１１とインダクタ１３との接触部分が少なくなるため、放熱できる熱量は減少する。従って、熱伝導体１１の投影幅は、要求される伝送効率と放熱量とを考慮して最適な値に設計される。

また、図４Ａに示すように、本実施形態における熱伝導体１１は、インダクタ１３の巻き線が設けられている部分の中央付近に接するように配置されることが好ましい。なお、電流密度および磁界密度が集中するスパイラルの内側部分の配線抵抗を低減させることは、スパイラルの外側部分の配線抵抗を低減させることよりも共振器のＱ値をより改善させることにつながる。そのため、熱伝導体１１をインダクタ１３の巻き線が設けられている部分の中央よりも外側に熱的に接するように配置してもよい。

熱伝導体１１の導電経路上の分断部１８がインダクタ１３のスパイラル形状内に設けられる場合、分断部１８は、巻き線の屈曲部の近傍に配置することが好ましい。図４Ｂは、分断部１８が巻き線の屈曲部の近傍に配置された例を示す図である。巻き線の屈曲部分の近傍に発生する磁界の密度は、巻き線の直線部分の近傍に発生する磁界の密度よりも大きいため、屈曲部分の近傍に熱伝導体１１の導電部分が配置されていると、誘導電流がより多く流れることになる。その結果、エネルギ損失が大きくなる。従って、分断部１８は、巻き線の直線部分の近傍ではなく、屈曲部分の近傍に設けることが好ましい。

図４Ｃは、熱伝導体１１と電気絶縁体１２とインダクタ１３とのＺ軸方向の位置関係を示す配置図である。この図では、インダクタ１３はＺ軸方向に所定の間隔をもつ２層の巻き線からなる構造を示している。図４Ｃに示すように、インダクタ１３が複数層の巻き線からなる構造を有する場合、熱伝導体１１は、Ｚ軸方向においてインダクタ１３の巻き線の内部に配置されることが好ましい。熱伝導体１１をこのように配置することによって、インダクタ１３で発生する熱を効率的に冷却部１６へ伝達することができる。このような配置を採用する場合、インダクタ１３の巻き線と熱伝導体１１との間の絶縁性を維持するために、Ｚ軸方向においてインダクタ１３の巻き線と熱伝導体１１との間に電気絶縁体１２が配置される。電気絶縁体１２の厚さは、絶縁性を保持できるレベルで可能な限り薄くすることが好ましい。なお、図４Ｃでは、インダクタ１３が２層の巻き線からなる場合の例を示しているが、インダクタ１３が３層以上の巻き線からなる場合も同様にＺ軸方向において巻き線の間に電気絶縁体１２が配置されることが好ましい。

以上のように、熱伝導体１１は、インダクタ１３との接触部分において、ＸＹ方向およびＺ方向のいずれにおいてもインダクタ１３の巻き線（インダクタ１３の輪郭）によって形成される領域の内部に設けられることが好ましい。このように熱伝導体１１が配置されることにより、熱伝導体１１とインダクタ１３との接触部分の範囲を広くすることができるため、放熱効果を高めることができる。

本実施形態における放熱構造１１１によれば、インダクタ１３を効率的に放熱させるとともに、伝送効率の低下を抑えることができる。電力伝送時にインダクタ１３に電流が流れると、インダクタ１３自身がもつ直流抵抗成分によるジュール熱が発生する。ジュール熱は、インダクタ１３を形成する巻き線中で発生するので、複数の巻き線がスパイラル状に巻かれているインダクタにおいては、内部で発生する熱を効率よく外部に伝導させることが放熱効率を高める上で重要である。本実施形態における熱伝導体１１は、高い熱伝導率を持ち、かつインダクタ１３の輪郭によって形成される領域の内部に配置されることにより、インダクタ１３で発生するジュール熱を効率よく冷却部１６に伝達することができる。また、熱伝導体１１の分断部１８において電流経路が分断されるため、熱伝導体１１に発生する誘導電流が流れにくくなる。結果として、熱伝導体１１によるエネルギ損失が少なくなり、伝送効率の低下を防ぐことができる。

以上、放熱構造１１１が受電装置１４０に搭載される場合の実施形態を説明した。本実施形態における放熱構造１１１は、受電装置１４０に限らず、受電装置１４０に送電するための送電アンテナ１０７を備えた送電装置１２０においても全く同様に適用することができ、その効果に変わりはない。

（実施形態２）
次に、図５および図６を参照しながら、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態も実施形態１と同様、受電装置１４０に関している。本実施形態における受電装置１４０は、インダクタ１３および放熱構造１１１が実施形態１の受電装置１４０とは異なっており、その他の構成要素は基本的に同一である。そのため、実施形態１の受電装置１４０と異なる点のみを説明し、重複する点は説明を省略する。なお、本実施形態における放熱構造１１１も、受電装置１４０のみならず送電アンテナ１０７を備える送電装置１２０にも全く同様に利用することができる。

図５は、本実施形態における受電側共振器の概略構成を模式的に示す図である。本実施形態における熱伝導体１１は、中空のパイプ状の形状を有し、内部に冷媒４３が封入されている。また、本実施形態におけるインダクタ１３は、電気絶縁体１２によって周囲が被覆された複数の導電線が熱伝導体１１の周囲に巻かれた構造を有している。インダクタ１３を構成する各導電線は、容量素子１４および内部回路１５に接続されている。また、熱伝導体１１の端部は、インダクタから離れた冷却部１６に接続されている。

本実施形態における放熱構造１１１は、例えばヒートパイプを用いて実現され得る。以下、ヒートパイプを用いる場合の例を説明する。

ヒートパイプは、両端に発生する温度差によって内部の冷媒が自立的に循環する構造を持つ。ヒートパイプの熱伝導率は高く、例えば銅線の熱伝導率の約１００倍に達する。本実施形態では、インダクタ１３に電流が流れたときのインダクタ１３側の温度と冷却部１６側の温度との差によって、インダクタ１３と冷却部１６との間を冷媒４３が振動循環する。これにより、インダクタ１３から発生する熱を効果的に除去することができる。このように、実施形態１における熱伝導体１１よりもさらに熱伝導性の高いヒートパイプなどの材料で熱伝導体１１を形成することによって、同一の熱量を伝達するために必要となる熱伝導体１１の厚さをより細くすることができる。その結果、インダクタ１３に流れる電流の方向に垂直な平面で熱伝導体１１およびインダクタ１３を切った断面における、インダクタ１３の断面積に対する熱伝導体１１の断面積の割合を小さくできる。その結果、熱伝導体１１に流れる誘導電流が少なくなるため、伝送効率の低下をさらに抑えることができる。

本実施形態において、熱伝導体１１の導電経路上に分断部を形成する場合、図５に示されるようにインダクタ１３の外部の冷却部１６側に設けてもよいし、インダクタ１３の輪郭によって規定される領域の内部に設けてもよい。好ましくはインダクタ１３の外部および内部の両方に分断部が設けられる。

分断部を冷却部１６内に設ける場合には、ヒートパイプは、終端同士が電気的に短絡しないように冷却部１６に接続される。ヒートパイプは、好ましくは、冷却部１６内部の放熱フィン構造４４に接続される。放熱フィン構造４４によって、インダクタ１３からヒートパイプの終端部に伝達された熱を効率的に外部に放出することができる。なお、冷却部１６の構成は上記のものに限られず、公知のどのような方式を採用してもよい。

図５では簡単のために冷却部１６に接続されたヒートパイプの終端部は短く示されているが、冷却部１６に接続されるヒートパイプの終端部の長さは、可能な限り長くすることが好ましい。ヒートパイプ終端部の温度をできるだけ下げるために、インダクタ１３から熱伝導体１１を介して伝導される熱量に応じた放熱量を確保できるように放熱構造１１１は構成される。

図６は、インダクタ１３の導電線によって形成される領域の内部に分断部を設ける場合において、図５のＡ−Ａ´線による断面の一部を示す図である。図６（ａ）に示すように、ヒートパイプ（熱伝導体１１および冷媒４３）の一部を分断し、分断された間の領域を熱伝導性のある電気絶縁性材料５１で埋めることにより、熱伝導体１１に流れる誘導電流を減少させることができる。また、図６（ｂ）に示すように、熱伝導体１１を導電経路の途中で分断し、分断された部分を熱伝導性のある電気絶縁性材料５１で形成されたパイプで中継ぎした構造を採用してもよい。

熱伝導性のある電気絶縁性材料５１としては、冷媒漏れを防ぐために温度による膨張率などの特性がヒートパイプに近い材料を用いることが好ましい。また、絶縁性の樹脂材料で冷媒漏れを封止することが好ましい。電気絶縁性材料５１として材料特性が適正であれば、電気絶縁体１２と同じ材料を用いてもよい。

なお、本実施形態における放熱構造１１１は、ヒートパイプを用いずに構成することも可能である。例えば、熱伝導性の高い導電性材料で形成されたパイプ状の構造をもつ熱伝導体１１を用いて、パイプ構造の内部と冷却部１６との間を冷却用の冷媒４３が循環する構成を採用してもよい。冷媒４３として、例えばポリアルファオレフィンまたはフローレートなどの高誘電率材料を用いることができる。高誘電率材料は電気抵抗が高いため、磁界による冷媒４３中における誘導電流の発生や、不要な導電接触を抑制できる。

冷却部１６は、例えば電磁ポンプを有し、冷媒４３を強制循環させることによってインダクタ１３を冷却してもよい。このような構成では、冷媒４３が能動的に循環するため、熱伝導体１１の単位時間、単位体積あたりの伝導熱量をさらに増加させることができる。そのため、ヒートパイプを用いた構成と比較して、さらに伝送効率の低下を抑えることができる。

（実施例）
以下、本発明の実施例を説明する。

本発明の有利な効果を実証するべく、図３に示す共振器の構成に基づき、放熱効果の解析を行った。本実施例における送電アンテナのインダクタは、外径７５ｍｍ、内径４５ｍｍ、巻き線幅２ｍｍ、巻き線厚０．５ｍｍ、巻き線間隔３ｍｍ、最大巻数４である正方形状のスパイラルインダクタである。また、送電アンテナの容量素子として、送電アンテナの共振周波数が２ＭＨｚになるように設定された、３．８３８ｎＦの容量素子を並列に接続した構成を採用した。

受電アンテナのインダクタとして、外径７５ｍｍ、内径４５ｍｍ、巻き線幅２ｍｍ、巻き線厚０．５ｍｍ、巻き線間隔３ｍｍ、最大巻数４（スパイラル部分の幅１７ｍｍ）である正方形状のスパイラルインダクタがスパイラル形成面の垂直方向に０．９ｍｍの間隔で並列に接続された構成を採用した。さらに、並列に接続された２層のインダクタの中間位置に内径５０ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの熱伝導体を配置した。スパイラルインダクタの配線および熱伝導体の材料としては、銅を用いた。

なお、本実施例においては、熱伝導性をもつ電気絶縁体１２として、簡単のために空気を用いた。インダクタ１３によって生じる磁界結合による伝送効率を比較する上で、空気を用いても特性的に大きな影響がないためである。

実施例として、分断部の幅を５ｍｍとし、熱伝導体１１における分断部１８の位置および個数を変えて伝送効率を測定した。伝送効率は、送電／受電アンテナの入出力端子をネットワークアナライザに接続し、小信号入力条件で通過／反射特性を測定し、アンテナ間の伝送効率を最大化する最適インピーダンスに設定した上で測定した。なお、比較のために、熱伝導体１１に分断部１８を設けない構成、および熱伝導体１１自体を設けない構成における伝送効率も測定した。

以下の表１に、伝送効率の比較結果を示す。また、各場合の共振周波数が２ＭＨｚになるように設定された容量素子の容量も伝送効率と合わせて示す。

表１に示すように、熱伝導体１１に分断部を設けることによって、分断部がない場合と比較して、伝送効率が大幅に改善した。また、分断部の位置がインダクタ１３内にある方がインダクタ１３外にある場合よりも伝送効率が約０．１７％改善した。さらに、分断部の数が多いほど、伝送効率がより改善することが確認できた。

次に、受電アンテナ１０９における熱伝導体１１の幅を８ｍｍおよび１７ｍｍに変えた場合の伝送効率を測定した。以下の表２に、測定結果を示す。ここで、分断部１８はアンテナ内に１箇所設けられ、分断部の幅は５ｍｍである。また、各場合の共振周波数が２ＭＨｚになるようにインダクタ１３に並列配置した容量素子１４の容量も合わせて示す。

表２に示すように、熱伝導体１１の幅が小さいほど、伝送効率が良いことが確認できた。

熱伝導体１１に熱伝導率の高い材料を使用することにより、単位面積あたりの伝導熱量を大きくすることができ、同じ熱量を伝導させるために必要な熱伝導体１１の幅を小さくすることができる。そのような熱伝導率の高い材料を使用し、熱伝導体１１の幅を小さくすれば、伝送効率の低下を抑えることができることが証明された。

以上の実施例より、熱伝導率の高い導電性材料で形成された電気的閉ループを持たない放熱構造を用いることによってインダクタ１３を効率的に放熱させるとともに伝送効率の低下を抑えることができる本発明特有の効果が実証された。

なお、表１において、熱伝導体１１がない場合の伝送効率が最も高い数値を示しているが、これは本解析では温度上昇に起因する伝送効率の低下が反映されていないことに起因すると考えられる。熱伝導体１１がない場合、一般にインダクタの温度が急激に上昇するため、伝送効率が大きく低下することになる。よって、実際には熱伝導体１１がない場合の伝送効率は、熱伝導体１１がある場合の伝送効率よりも低くなると考えられる。本解析では、温度上昇に伴う効果が結果に反映されていないため、熱伝導体１１がない場合の伝送効率が実際よりも高い数値となっていると考えられる。

本発明の無線電力伝送システムおよび送受電装置は、パソコン、ノートパソコンなどのオフィス機器や、壁掛けテレビ、モバイルＡＶ機器などのＡＶ機器に好適に利用できる。また、補聴器、ヘルスケア機器などの医療機器への充給電にも適用できる。さらに、電気自動車、電動バイク、移動ロボットなどのための走行中充電システムや、駐車中充電システムにも好適に利用することができる。さらには、太陽電池や燃料電池を用いた集電システム、直流給電システム、交流コンセントの代替など、幅広い分野に応用できる。

１１ 導電性熱伝導体
１１ａ 導電性熱伝導体の接触部分
１１ｂ 導電性熱伝導体の伝達部分
１１ｃ 導電性熱伝導体の放熱端
１２ 電気絶縁体
１３ インダクタ
１４ 容量素子
１５ 内部回路
１６ 冷却部
１７ 負荷
１８ 分断部
１９ 抵抗
４３ 冷媒
４４ 放熱フィン構造
５１ 電気絶縁性材料
１００ 無線電力伝送システム
１０７ 送電アンテナ
１０９ 受電アンテナ
１１１ 放熱構造
１２０ 送電装置
１４０ 受電装置

Claims (17)

1. 共振磁界を介して電力を無線で伝送する無線電力伝送システムにおいて送電および受電の少なくとも一方を行う送受電装置であって、
   インダクタを有するアンテナと、
   前記インダクタに電気絶縁体を介して一部が熱的に接触した導電性熱伝導体であって、電気的に閉じたループを形成しないように構成された導電性熱伝導体を有する放熱構造と、
   を備えている、送受電装置。
2. 前記アンテナの共振周波数は、前記アンテナと電力伝送を行う他のアンテナの共振周波数に一致するように設定されている、請求項１に記載の送受電装置。
3. 前記導電性熱伝導体は、電気的に接地されていない、請求項１または２に記載の送受電装置。
4. 前記導電性熱伝導体は、前記インダクタで発生した熱を、前記インダクタから離れた位置まで伝達することによって放熱する、請求項１から３のいずれかに記載の送受電装置。
5. 前記放熱構造は、前記インダクタから離れた場所に位置する冷却部を有し、
   前記導電性熱伝導体は、前記インダクタで発生する熱を、前記冷却部に伝達することによって放熱する、請求項４に記載の送受電装置。
6. 前記インダクタは、前記電気絶縁体によって少なくとも一部が被覆された導電線であって、前記導電性熱伝導体の少なくとも一部の周囲にスパイラル状に巻かれた導電線によって形成されている、請求項１から５のいずれかに記載の送受電装置。
7. 前記インダクタの形成面に投影された、前記導電性熱伝導体において前記インダクタに熱的に接触した部分の幅は、前記インダクタの配線部分の幅よりも小さい、請求項１から６のいずれかに記載の送受電装置。
8. 前記導電性熱伝導体において前記インダクタに熱的に接触した部分の少なくとも一部は、前記インダクタの輪郭によって規定される領域の内部に含まれている、請求項１から７のいずれかに記載の送受電装置。
9. 前記導電性熱伝導体は、前記インダクタの輪郭によって規定される領域の内部で電気的に分断されている、請求項８に記載の送受電装置。
10. 前記導電性熱伝導体は、前記インダクタの輪郭によって規定される領域の外部で電気的に分断されている、請求項１から９のいずれかに記載の送受電装置。
11. 前記導電性熱伝導体は、中空のパイプ状の構造を有し、少なくとも一部が電気的に分断されている、請求項１から１０のいずれかに記載の送受電装置。
12. 前記導電性熱伝導体において電気的に分断された部分は、電気絶縁性材料によって形成されたパイプによって中継ぎされている、請求項１１に記載の送受電装置。
13. 前記導電性熱伝導体の内部には冷媒が封入されている、請求項１１または１２に記載の送受電装置。
14. 前記導電性熱伝導体において電気的に分断された部分は、前記インダクタの屈曲した部分に近接している、請求項９から１３のいずれかに記載の送受電装置。
15. 前記導電性熱伝導体において前記インダクタに熱的に接触した部分は、前記インダクタの巻き線が形成された部分の中央よりも外側に近接して配置されている、請求項１から１４のいずれかに記載の送受電装置。
16. 共振磁界を介して電力を無線で伝送する無線電力伝送システムであって、
    ＲＦエネルギを送出する送電アンテナを有する送電部と、
    前記ＲＦエネルギの少なくとも一部を受け取る受電アンテナを有する受電部と、
    前記送電アンテナおよび前記受電アンテナの少なくとも一方のインダクタに電気絶縁体を介して一部が熱的に接触した導電性熱伝導体であって、電気的に閉じたループを形成しないように構成された導電性熱伝導体を有する放熱構造と、
    を備えている、無線電力伝送システム。
17. 前記送電アンテナの共振周波数および前記受電アンテナの共振周波数は、一致するように設定されている、請求項１６に記載の無線電力伝送システム。

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