特許 7390174 給電ユニット及びワイヤレス給電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-22

(45)【発行日】2023-12-01

(54)【発明の名称】給電ユニット及びワイヤレス給電システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/10 20160101AFI20231124BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20231124BHJP

   H01F 38/14 20060101ALI20231124BHJP

【ＦＩ】

H02J50/10

H02J7/00 S

H02J7/00 301D

H01F38/14

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019217190

(22)【出願日】2019-11-29

(65)【公開番号】P2021087336

(43)【公開日】2021-06-03

【審査請求日】2022-09-22

(73)【特許権者】

【識別番号】504163612

【氏名又は名称】株式会社ＬＩＸＩＬ

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】幸前 康章

(72)【発明者】

【氏名】松田 宏

【審査官】佐藤 卓馬

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－０１６２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１５９６８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ５０／１０

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０１Ｆ ３８／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

壁の一方の壁面に設置される給電ユニットであって、
コイルと、
前記コイルを収容する筐体と、
前記筐体の外表面と、前記一方の壁面との間に隙間を形成するスペーサとを備え、
前記壁の他方の壁面に設置される受電ユニットに電力を供給する、給電ユニット。

【請求項2】

前記スペーサは、前記筐体の外表面に設けられた凸部である、請求項１に記載の給電ユニット。

【請求項3】

前記スペーサは、前記筐体の外表面に設けられ平行に並んだ複数条の凸部である、請求項１に記載の給電ユニット。

【請求項4】

前記コイルはソレノイドコイルであり、前記複数条の凸部は、前記ソレノイドコイルの軸に沿って互いに平行に配置される、請求項３に記載の給電ユニット。

【請求項5】

前記筐体の外表面と、前記一方の壁面との間の最小隙間は２ｍｍ以上である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の給電ユニット。

【請求項6】

壁の一方の壁面に対向して設置可能な給電ユニットであって、
給電側のコイル、
前記コイルを収容する筐体、及び
前記コイルの径方向外側において前記筐体の外表面と、前記一方の壁面との間に隙間を形成するスペーサを備える、給電ユニットと、
前記給電側のコイルで発生した電磁波を受け取る受電側のコイル、及び
前記受電側のコイルで発生した電力を出力する出力部を備える、前記壁の他方の壁面に対向して設置可能な受電ユニットと、を備えるワイヤレス給電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、給電ユニット及びワイヤレス給電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、給電側と受電側とを導線等で接続せずに電磁波等を用いて電力を供給するワイヤレス給電システムが知られている（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特解２０１９－２９４６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ワイヤレス給電システムでは給電側と受電側にそれぞれコイルを設置し、一対のコイルを用いて電力を送る。給電側のコイルに通電すると電磁波を発生し、受電側のコイルにて電磁波を受け取り、受け取った電磁波により電力を発生させる。コイルによる給電時には、コイルが発熱する。通常、コイルの発熱量はそれほど大きくないためコイルを備えるユニットを壁面に接触させて設置しても、壁及びその構成材料がすぐに発火する可能性は低い。しかしながら、依然として長期間の発熱による低温火災に対する安全性を高める余地が残されている。

【0005】

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、給電効率の低下を抑制しながら低温火災に対する安全性を高められる給電ユニット及びワイヤレス給電システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決するために本発明は、壁面に設置される給電ユニットであって、コイルと、コイルを収容する筐体と、筐体の外表面と、壁面との間に隙間を形成するスペーサとを備える。

【0007】

このような構成によれば、コイルで発生した熱が壁面に伝わるのを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施形態によるワイヤレス給電システムの概略構成図である。

【図2】同ワイヤレス給電システムの給電ユニットの概略構成図である。

【図3】同ワイヤレス給電システムの給電ユニットの斜視図である。

【図4】変形例によるワイヤレス給電システムの給電ユニットの斜視図である。

【図5】変形例によるワイヤレス給電システムの給電ユニットの概略構成図である。

【図6】実施例によるワイヤレス給電システムの概略構成図である。

【図7】実施例の結果を示すグラフである。

【図8】実施例の結果を示すグラフである。

【図9】実施例の結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態によるワイヤレス給電システムについて説明する。ワイヤレス給電システムは、例えば居住空間の壁を介して給電側から受電側に電力を供給する。実施形態では、電磁誘導を用いた非放射型のワイヤレス給電システムを例に挙げて詳細な説明を行う。なお、以下では説明の便宜上、方向を説明するためにＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元直交座標を用いる。Ｘ軸は壁の厚方向に沿って延び、－Ｘ側に給電ユニットが配置され、＋Ｘ側に受電ユニットが配置されるものとする。Ｙ軸は水平面上でＸ軸と直交し、壁の幅方向に延びる。Ｚ軸は壁面に沿って延び、鉛直方向上側が＋Ｚ側となり鉛直方向下側が－Ｚ側となる。

【0010】

ワイヤレス給電システムは、例えば居住空間内を仕切る内壁、又は居住空間と外部空間を仕切る外壁を介して、給電側の給電ユニットから受電側の受電ユニットに電力を供給する。居住空間で内壁を介してワイヤレス給電を用いる場合としては、内壁を介して隣接する部屋にある家電製品に電力を供給する場合がある。また、外壁を介してワイヤレス給電を用いる場合としては居住空間内の電源から外部空間に設置された門扉又はシャッターのようなエクステリア設備等に電力を供給する場合がある。

【0011】

図１は、実施形態によるワイヤレス給電システムの概略構成図である。図１に示すように、給電ユニット１０は、コイルとしてソレノイドコイル１１を有する。なお、実施形態ではコイルとしてソレノイドコイル１１を例示するが、コイルの種類はどのようなものであってもよい。ソレノイドコイル１１は、Ｙ軸に沿って延びる軸を有する。ソレノイドコイル１１は、Ｙ軸と平行な軸周りを旋回しながらＹ軸方向に延びる。ソレノイドコイル１１の両端はそれぞれ電源Ｖに接続される。給電ユニット１０は、ソレノイドコイル１１を収容する筐体１３を備える。筐体１３は、ソレノイドコイル１１に通電したときに電磁波が透過できる材料で形成される。ＹＺ平面上にある筐体１３の１つの外表面１５は、給電システムの設置時に壁面１７と対向する。壁面１７と対向する筐体１３の外表面１５は、平坦で面一な面であってもよいが、これに限定されるものではない。筐体１３の外表面１５は、湾曲形状や段付き形状であってもよい。また、筐体１３の外表面１５は必ずしも１枚の面として形成されている必要はなく、開口等を有していてもよい。

【0012】

給電ユニット１０は、給電ユニット１０と壁面１７との間が接触しないようにするスペーサ１９を備える。スペーサ１９は、給電ユニット１０を設置したときに給電ユニット１０の外表面１５が、対向する壁面１７に接触しないように給電ユニット１０を保持する。スペーサ１９は、給電ユニット１０の筐体１３と一体に形成されたものでも良いし、別体で形成されたものでもよい。一例としてスペーサ１９は、給電ユニット１０と壁面１７との間に介在させる部材である。別の例としてスペーサは、給電ユニットと壁面との間に介在しない部材であってもよい。この場合スペーサは、給電ユニットの周辺にある他の部材から延び、かつ給電ユニットを壁面から離れた位置で保持できるアームのような部材で構成される。

【0013】

スペーサ１９によって維持される給電ユニット１０の外表面１５と、壁面１７との距離は、給電ユニット１０が取り扱う電力容量、給電ユニット１０が取り付けられる壁の壁材又は断熱材の種類等、各種条件に応じて適宜設定可能である。一例として、一般的な住宅用の壁材で構成された壁に給電ユニット１０を取り付ける場合、給電ユニット１０の外表面１５と、壁面１７との距離は、２ｍｍ以上とすることが好ましい。また、給電ユニット１０の外表面１５と、壁面１７との距離は、１００ｍｍ以下、より好ましくは１０ｍｍ以下とすることが好ましい。 給電ユニット１０の外表面１５と、壁面１７との距離が離れ過ぎてしまうと、給電ユニット１０による給電効率が低下してしまうおそれがある。給電ユニット１０の外表面１５と、壁面１７との距離は、Ｘ軸に沿った最小の距離で測定される。

【0014】

図２は、ワイヤレス給電システムの給電ユニットの概略構成図である。具体的には、図２は＋Ｚ方向から見た上面図である。図３は、ワイヤレス給電システムの給電ユニットの斜視図である。図示の例では、スペーサ１９は、給電ユニット１０の外表面１５に設けられた複数条の凸部２１である。複数の凸部２１は、給電ユニット１０の外表面１５から略同一の距離だけ外表面１５の面方向（＋Ｘ方向）に突出する。また複数の凸部２１は、給電ユニット１０の外表面１５を何れかの方向に横切るように延びる。また複数の凸部２１は、Ｚ軸に沿って外表面１５の端から端まで延びても良いし、外表面１５の途中で終端してもよい。この場合、複数の凸部２１は互いに平行に延びることが好ましい。凸部２１の断面形状は、図示の例のように長方形状でもよいし台形状であってもよい。凸部２１の数は、給電ユニット１０の外表面１５の面積に応じて適宜変更可能である。一例として給電ユニット１０は、２条の凸部２１を備える。この場合、それぞれの凸部２１は、給電ユニット１０の外表面１５のＹ軸に沿って離れた両端に配置されることが好ましい。

【0015】

図示の例では凸部２１は、その延びる方向がソレノイドコイル１１の軸と直交するように配置される。凸部２１が延びる方向をソレノイドコイル１１の軸と直交させると、給電ユニット１０の取り付け時に凸部２１はＺ軸に沿って延びる。凸部２１をＺ軸に沿って延ばすと、凸部２１間の隙間２３は±Ｚ方向に開口する。給電ユニット１０の外表面１５と壁面１７との間に、±Ｚ方向に開口する隙間２３を形成することで、暖められて比重が軽くなった高温空気を効率的に隙間２３から排出できる。

【0016】

隙間２３は、上述したように平行に延びる２つの凸部２１の間に形成されＺ軸に沿って延びるものであってもよいし、Ｚ軸に対して角度を持っていてもよい。一例として、２つの凸部２１をＹ軸に沿って延ばし、Ｙ軸に沿って延びる隙間２３を形成してもよい。従って、隙間２３は、給電ユニット１０を壁面１７に設置したときに隙間２３が壁面１７の面内方向に向いていればよい。さらには、２つの凸部２１は完全に平行に延びる必要はない。したがって、平行とは、凸部２１同士が完全に平行であることだけではなく、２つの凸部２１同士が互いにほぼ平行に延びる場合をも含む。ほぼ平行とは、給電ユニット２０の外表面１５内で２つの凸部２１同士が交差することなく、かつ端部同士が接触しない範囲で角度が付けられている範囲をいう。このような隙間２３を形成することで、隙間２３内の空気を外部に排出できる。

【0017】

給電ユニット１０は、ビス２５等の固定手段を用いて壁面１７に固定されてもよい。ビス２５は、Ｘ軸に沿って筐体１３から凸部２１を貫通する。ビス２５は、１つの凸部２１に対してＺ軸に沿って複数配置してもよい。

【0018】

また、給電ユニット１０は、発熱による筐体１３の反りを抑制する当接部２７を備えていてもよい。当接部２７は、ＸＹ平面において凸部２１の間に配置される。当接部２７は、筐体１３の外表面１５から面方向に突出する。当接部２７は凸部２１を介して給電ユニット１０を壁面１７に固定したときに、その先端が壁面１７に接触する形状であればどのような形状を有していてもよい。図示の例では、当接部２７は、ＸＹ平面において長方形状を有し、Ｚ軸に沿って所定長さを有する。このような当接部２７を凸部２１の間に配置することで、筐体１３の凸部２１の間が壁面１７に向かって反るのを抑制できる。

【0019】

図１に示すように、受電ユニット３１は、給電ユニット１０のソレノイドコイル１１で発生した電磁波を受け取るソレノイドコイル３３を備える。受電側のソレノイドコイル３３は、外部機器に向けて電力を供給する出力部３５に接続される。受電ユニット３１は、単体として設置されても良いし、家電等の機器に内蔵されたものであってもよい。受電ユニット３１が単体として設置される場合、受電ユニット３１の筐体３７に上述したスペーサ３９及び当接部（図示せず）を設けてもよい。

【0020】

次に、ワイヤレス給電システムの作用について説明する。給電ユニット側のソレノイドコイル１１に電流が流れると電磁波が発生する。受電ユニット３１側のソレノイドコイル３３が電磁波を受け取ると、受電ユニット３１側のソレノイドコイル３３は電流を発生させる。発生した電流は出力部３５を介して外部機器に供給される。給電ユニット１０側のソレノイドコイル１１に電流が流れ電磁波が発生する際、ソレノイドコイル１１が発熱して筐体１３の温度が上昇することがある。筐体１３はスペーサ１９を介して壁面１７から離れて配置されているため、給電ユニット１０の筐体１３の温度が上昇しても壁面１７に熱が伝わるのを抑制できる。また、当接部２７を設けることで筐体１３に反りが生じるのを抑制できる。

【0021】

また、受電ユニット３１側にもスペーサ３９及び当接部を設ければ、受電ユニット３１の熱が壁面に伝わるのを抑制でき、かつ受電ユニット３１の筐体３７に反りが生じるのを抑制できる。

【0022】

以上のようにワイヤレス給電システムによれば、低温火災に対する安全性を高められる。

【0023】

次にワイヤレス給電システムの変形例について説明する。図４は、変形例によるワイヤレス給電システムの斜視図である。より具体的には図４は、給電ユニットの取り付け構造を示す分解斜視図である。また、図５は変形例によるワイヤレス給電システムの概略構成図である。より具体的には図５は、ワイヤレス給電システムのＸＹ平面における断面図である。図４に示すように、給電ユニットを壁面に取り付けるために固定部４１を用いてもよい。固定部４１は、一方の主面側（取り付け時に壁面と対向する面側）にスペーサとしての凸部４３を備える。凸部４３は、固定部４１の一方の主面から壁面に向けて突出する。固定部４１の他方の主面側には給電ユニットを受け入れるスロット４５が設けられている。スロット４５は、給電ユニットを内蔵するコネクタ４７を受け入れる。より具体的にはスロット４５は、Ｚ軸に沿って延びる一対の凹状部４９により形成される。一対の凹状部４９は、Ｙ軸に沿って所定の間隔で配置され、Ｙ軸に沿って互いに向けて開口している。一対の凹状部４９はコネクタ４７を受け入れ、保持する。また固定部４１の他方の主面側には給電ユニットのコネクタ４７がスロット４５に嵌め込まれたときに、コネクタ４７を－Ｚ方向から支持するストッパ５１を備える。このような固定部４１はビス５３等の固定手段を用いて壁面に固定される。

【0024】

給電ユニットに固定されるコネクタ４７は、給電ユニットの外表面に一体に形成されている。コネクタ４７は、ＸＹ平面においてスロット４５と相補的な形状を有している。コネクタ４７をＺ軸に沿って移動させてスロット４５に嵌め込み、コネクタ４７をストッパ５１で支持することで給電ユニットを固定部４１に取り付けられる。このような固定部４１を用いることで給電ユニットを壁面に対して容易に着脱できる。

【0025】

変形例にかかるワイヤレス給電システムによれば、低温火災に対する安全性を高められ、かつ給電ユニットを壁面に対して着脱自在にできる。

【0026】

以下、実施例について説明する。図６は、実施例によるワイヤレス給電システムの概略構成図である。実施例では、厚さ１３ｍｍの木製の壁材１０１，１０３を８７ｍｍの間隔で設置し、壁材１０１,１０３の間を断熱材としてのグラスウール１０５で埋めた。壁の一方の側には、壁材１０１の面から０ｍｍの位置に受電ユニット１０７を設置した。壁の他方の側には、給電ユニット１０９を設置した。壁の他方の面、及び給電ユニット１０９の外表面のそれぞれに熱電対１１３，１１５を設置し、両者の温度を検出できるようにした。実施例では給電ユニット１０９と壁材１０３の面との距離を変化させ、壁及び給電ユニット１０９の外表面の温度の変化を検証した。温度の変化を検証したときの給電ユニット１０９と壁材との間の距離を、０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、及び５ｍｍで変化させた。また、実施例では給電ユニット１０９を、１００Ｖ電源に接続し、０．１５Ａの電流を流した。

【0027】

図７～図９は、実施例の結果を示すグラフである。図７は、給電ユニットと対向する壁材の表面に熱センサを設置して測定した、各距離について壁材の表面温度（Ｔ２）と経過時間との関係を示す。図８は、給電ユニットの外表面の温度（Ｔ１）と、壁材の表面温度（Ｔ１）との差（ΔＴ）と、経過時間との関係を示す。図９は、ΔＴの飽和値（４．５時間後）と、給電ユニットと壁材との間の距離との関係を示す。

【0028】

図７から分かるように、給電ユニット１０９と壁材１０３との間の距離を２ｍｍ以上とすることで壁材１０３の表面温度の上昇が低減する。また、図８から分かるように、給電ユニット１０９と壁材１０３との間の距離を２ｍｍ以上とすることでΔＴが大きくなる。また、図９から分かるように、給電ユニット１０９と壁材１０３との間の距離を２ｍｍ以上とすることで、ΔＴの飽和値が大きくなる。

【0029】

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成は特許請求の範囲に記載された発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

【0030】

上述の実施形態を一般化すると以下の態様が得られる。

【0031】

〔態様１〕
壁面に設置される給電ユニットであって、
コイルと、
前記コイルを収容する筐体と、
前記筐体の外表面と、前記壁面との間に隙間を形成するスペーサとを備える、給電ユニット。

【0032】

このような構成によれば、コイルで発生した熱が壁面に伝わるのを抑制できる。

【0033】

〔態様２〕
前記スペーサは、前記筐体の外表面に設けられた凸部である、請求項１に記載の給電ユニット。

【0034】

このような構成によれば、筐体と壁面との隙間を適切に保持できる。

【0035】

〔態様３〕
前記スペーサは、前記筐体の外表面に設けられ平行に並んだ複数条の凸部である、態様１に記載の給電ユニット。

【0036】

このような構成によれば、筐体の外表面と壁面との間に空気を流し、効率的に放熱できる。

【0037】

〔態様４〕
前記コイルはソレノイドコイルであり、前記複数条の凸部は、前記ソレノイドコイルの軸に沿って互いに略平行に配置される、態様３に記載の給電ユニット。

【0038】

このような構成によれば、筐体の外表面と壁面との間に空気を流し、効率的に放熱できる。

【0039】

〔態様５〕
前記筐体の外表面と、前記壁面との間の最小隙間は２ｍｍ以上である、態様１乃至４のいずれか１項に記載の給電ユニット。

【0040】

このような構成によれば、壁面の表面温度の上昇を抑制できる。

【0041】

〔態様６〕
壁面に対向して設置可能な給電ユニットであって、
給電側のコイル、
前記コイルを収容する筐体、及び
前記コイルの径方向外側において前記筐体の外表面と、前記壁面との間に隙間を形成するスペーサを備える、給電ユニットと、
前記給電側のコイルで発生した電磁波を受け取る受電側のコイル、及び
前記受電側のコイルで発生した電力を出力する出力部を備える受電ユニットと、を備えるワイヤレス給電システム。

【0042】

このような構成によれば、コイルで発生した熱が壁面に伝わるのを抑制できる。

【符号の説明】

【0043】

１０ 給電ユニット、 １１ ソレノイドコイル、 １３ 筐体、 １５ 外表面、 １９ スペーサ、 ２１ 凸部、 ３１ 受電ユニット、 ３３ ソレノイドコイル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】