JP2023142760A - 土工機械 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を搭載しつつ、高い絶縁抵抗を実現する。【解決手段】土工機械は、車体と、燃料電池と、筐体と、冷媒配管とを備える。筐体は、燃料電池を格納し、車体に電気的に接続される。冷媒配管は、筐体を貫通して筐体の外部から燃料電池へ冷媒を流す。冷媒配管は、筐体と電気的に絶縁され、筐体の外部で冷媒と車体とが電気的に接続されるように構成される。【選択図】図２

Description

本開示は、土工機械に関する。

近年、化石燃料に代えて、クリーンなエネルギーを土工機械の動力とするために、土工機械に燃料電池を搭載することが検討されている。特許文献１には、燃料電池を搭載する車両のアース手段についての技術が開示されている。

特開２０１７－１０９６９１号公報

ところで、燃料電池は絶縁抵抗が低い一方で、ダンプトラックなどの土工機械には高い絶縁抵抗が求められている。例えば、ＩＳＯ１４９９０－１、ＩＳＯ１４９９０－２、ＩＳＯ１４９９０－３では、土工機械に設けられる電力回路と等電位ボンディング回路との間に１ＭΩ以上の絶縁抵抗が求められている。
本開示の目的は、燃料電池を搭載しつつ、高い絶縁抵抗を実現することができる土工機械を提供することにある。

本開示の一態様によれば、土工機械は、車体と、燃料電池と、前記燃料電池を格納し、前記車体に電気的に接続された筐体と、前記筐体を貫通して前記筐体の外部から前記燃料電池へ冷媒を流す配管であって、前記筐体と電気的に絶縁され、前記筐体の外部で前記冷媒と前記車体とが電気的に接続されるように構成された冷媒配管とを備える。

上記態様によれば、燃料電池を搭載しつつ、高い絶縁抵抗を実現することができる。

第一の実施形態に係る運搬車両を模式的に示す斜視図である。 第一の実施形態に係る燃料電池ユニットの構成を示す概略図である。 第一の実施形態に係る運搬車両の電気系統の構成を示す概略ブロック図である。

〈第一の実施形態〉
《運搬車両１０の構成》
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
第一の実施形態に係る運搬車両１０は、鉱山等で採掘した砕石物等を運搬するリジッドフレーム式のダンプトラックである。運搬車両１０は、水素ガスを燃料とする燃料電池によって駆動する。運搬車両１０は、土工機械の一例である。
図１は、第一の実施形態に係る運搬車両１０を模式的に示す斜視図である。運搬車両１０は、ダンプボディ１１と、車体１２と、走行装置１３とを備える。

ダンプボディ１１は、積荷が積載される部材である。ダンプボディ１１の少なくとも一部は、車体１２よりも上方に配置される。ダンプボディ１１は、ダンプ動作及び下げ動作する。ダンプ動作及び下げ動作により、ダンプボディ１１は、ダンプ姿勢及び積載姿勢に調整される。ダンプ姿勢とは、ダンプボディ１１が上昇している姿勢をいう。積載姿勢とは、ダンプボディ１１が下降している姿勢をいう。

ダンプ動作とは、ダンプボディ１１を車体１２から離隔させてダンプ方向に傾斜させる動作をいう。ダンプ方向は、車体１２の後方である。実施形態において、ダンプ動作は、ダンプボディ１１の前端部を上昇させて、ダンプボディ１１を後方に傾斜させることを含む。ダンプ動作により、ダンプボディ１１の積載面は、後方に向かって下方に傾斜する。

下げ動作とは、ダンプボディ１１を車体１２に接近させる動作をいう。実施形態において、下げ動作は、ダンプボディ１１の前端部を下降させることを含む。

排土作業を実施する場合、ダンプボディ１１は、積載姿勢からダンプ姿勢に変化するように、ダンプ動作する。ダンプボディ１１に積荷が積載されている場合、積荷は、ダンプ動作により、ダンプボディ１１の後端部から後方に排出される。積込作業が実施される場合、ダンプボディ１１は、積載姿勢に調整される。

車体１２は、図示しない車体フレームを含む。車体フレームは、運搬車両１０の保護等電位ボンディング回路を構成する。車体１２は、車体フレームに設けられたヒンジピンを介してダンプボディ１１を回転可能に支持する。車体１２は、走行装置１３に支持される。車体フレームのうち走行装置１３の前輪の上部に、プラットフォーム１２１が設けられる。プラットフォーム１２１は、車体フレームの上面を構成する平板である。プラットフォーム１２１の上には、運転室１２２、コントロールキャビネット１２３、およびリターダグリッド６９が設けられる。また、車体フレーム上には、燃料電池システム４０が設けられる。車体１２の前面にはグリル１２４がはめられた開口部が設けられる。

コントロールキャビネット１２３は、電力の変換を行う。具体的には、コントロールキャビネット１２３は、燃料電池システム４０と各種電気機器（バッテリ６２、走行モータ６５、油圧ポンプモータ６７等）とリターダグリッド６９との間の電力制御を行う。
リターダグリッド６９は、走行装置１３の制動によって発生する回生電力を吸収するための抵抗器である。リターダグリッド６９は、回生電力を熱エネルギーに変換する。

走行装置１３は、車体１２を支持する。走行装置１３は、運搬車両１０を走行させる。走行装置１３は、運搬車両１０を前進又は後進させる。走行装置１３の少なくとも一部は、車体１２よりも下方に配置される。走行装置１３は、一対の前輪と一対の後輪とを備える。前輪は操舵輪であり、後輪は駆動輪である。

図２は、第一の実施形態に係る燃料電池ユニット４１の構成を示す概略図である。
燃料電池システム４０は、複数の燃料電池ユニット４１を備える。各燃料電池ユニット４１は、図２に示すように筐体４１１と燃料電池４１２とを備える。燃料電池４１２は、筐体４１１に格納される。燃料電池４１２は、図示しない水素タンクから供給される水素と外気に含まれる酸素とを電気化学反応させて発電する。燃料電池４１２には、冷却水が流れる流路である冷却水チャネル４１３が設けられ、燃料電池４１２の温度管理が可能となるように構成されている。筐体４１１は金属で構成される。筐体４１１と燃料電池４１２とは電気的に絶縁される。例えば、筐体４１１と燃料電池４１２との間には絶縁体で構成されたスペーサが設けられてよい。筐体４１１は、車体フレームに電気的に接続される。すなわち筐体４１１はフレームアースされる。

燃料電池システム４０は、燃料電池ユニット４１に対応する複数のラジエータ４２を備える。各ラジエータ４２は、グリル１２４の後段に並べて設けられる。ラジエータ４２は、グリルを介して流入する外気により冷却水を冷却し、対応する燃料電池ユニット４１に供給する。ラジエータ４２は、車体フレームに電気的に接続される。すなわちラジエータ４２はフレームアースされる。ラジエータ４２には、冷却水配管４３（第一冷却水配管４３Ａおよび第二冷却水配管４３Ｂ）が接続される。第一冷却水配管４３Ａの一端は、ラジエータ４２の吐出口に接続され、他端は、燃料電池４１２内の冷却水チャネル４１３の流入口に接続される。第二冷却水配管４３Ｂの一端は燃料電池４１２の冷却水チャネル４１３の吐出口に接続され、他端はラジエータ４２の流入口に接続される。燃料電池４１２内の冷却水チャネル４１３の壁面は金属で構成される。そのため、冷却水チャネル４１３を通る冷却水は、燃料電池４１２の出力電圧と電気的に接続されることとなる。なお、冷却水は冷媒の一例であり、冷却水配管４３は冷媒配管の一例である。

冷却水配管４３は、絶縁体で構成された内配管４３１と、内配管４３１を覆う金属で構成されたシールド部４３２とを有する。そのため、冷却水配管４３を通る冷却水は、筐体４１１と電気的に絶縁される。他方、冷却水配管４３のシールド部４３２は筐体４１１と電気的に接続される。第一冷却水配管４３Ａには、冷却水を循環させる循環ポンプ４４が設けられる。循環ポンプ４４は、循環ポンプモータ６４によって駆動する。循環ポンプモータ６４は、車体フレームに電気的に接続される。すなわち循環ポンプモータ６４はフレームアースされる。循環ポンプ４４は、筐体４１１の外部に設けられ、冷却水配管４３の冷却水を圧送する冷媒ポンプの一例である。第一冷却水配管４３Ａの燃料電池４１２からポンプ４４までの長さおよび、第二冷却水配管４３Ｂからラジエータ４２までの長さは、各冷却配管内の冷却水の抵抗が所定の絶縁抵抗（例えば、１ＭΩ）となる長さ以上である。ここで配管の長さをＬ、冷却水の抵抗率をρ、配管の断面積をＳとすると冷却水の抵抗はＲ＝ρ・Ｌ／Ｓで表すことができる。

上記構成により、燃料電池４１２は、冷却水配管４３を流れる冷却水を介して、フレームアースされた循環ポンプモータ６４並びにラジエータ４２と接続される。冷却水配管４３の内配管４３１が絶縁体で構成され、長さが冷却水の抵抗が絶縁抵抗以上となるように構成されるため、燃料電池４１２は土工機械に求められる絶縁抵抗を確保することができる。冷却水は絶縁抵抗を介してフレームアースに設置されるため、燃料電池の出力電圧とフレームアースの間の電位を持つことになる。しかし、冷却水配管４３の外側に金属のシールド部４３２を設けることで、たとえ冷却水配管４３に水漏れが生じたとしても、漏れ出た冷却水がシールド部４３２に触れることで、循環ポンプモータ６４あるいはラジエータ４２を介してフレームアースされる。

《電気系統６０の構成》
図３は、第一の実施形態に係る運搬車両１０の電気系統６０の構成を示す概略ブロック図である。電気系統６０は、燃料電池ユニット４１、第一ＤＣＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、第二ＤＣＤＣコンバータ６３、循環ポンプモータ６４、走行モータ６５、第一インバータ６６、油圧ポンプモータ６７、第二インバータ６８、リターダグリッド６９、制御装置８０を備える。第一ＤＣＤＣコンバータ６１、第二ＤＣＤＣコンバータ６３、第一インバータ６６、第二インバータ６８および制御装置８０は、コントロールキャビネット１２３内に設けられる。

電気系統６０は、燃料電池ユニット４１と同数の第一ＤＣＤＣコンバータ６１を備える。第一ＤＣＤＣコンバータ６１は、対応する燃料電池ユニット４１に接続される。第一ＤＣＤＣコンバータ６１は、燃料電池システム４０が生成した直流電力を母線Ｂに供給する。第一ＤＣＤＣコンバータ６１は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータである。すなわち、第一ＤＣＤＣコンバータ６１は、トランスを有し、一次側（燃料電池ユニット４１側）と二次側（母線Ｂ側）とが絶縁される。これにより、複数の燃料電池ユニット４１が並列に設けられていても、各燃料電池ユニット４１が必要な絶縁抵抗を確保できていれば、電気系統６０全体としても必要な絶縁抵抗を確保することができる。

バッテリ６２は、燃料電池システム４０において発生した電力を蓄える。バッテリ６２は、走行モータ６５において発生した回生電力を蓄えてもよい。バッテリ６２は、蓄えた電力を出力する。第二ＤＣＤＣコンバータ６３は、バッテリ６２に充電された電力を母線Ｂに供給する。また第二ＤＣＤＣコンバータ６３は、母線Ｂに流れる直流電力の電圧を調整してバッテリ６２に供給することで、バッテリ６２を充電させる。つまり、第二ＤＣＤＣコンバータ６３は、ＤＣＤＣコンバータの一例であって双方向に電力変換ができるものである。バッテリ６２は、バッテリ６２の状態を監視する図示しないＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）を備える。ＢＭＳは、バッテリ６２の充電率を計測し、制御装置８０に計測データを出力する。

循環ポンプモータ６４は、母線Ｂに流れる直流電力により、図２に示す循環ポンプ４４を駆動させる。
走行モータ６５は、走行装置１３を駆動させる三相交流電気モータである。第一インバータ６６は、母線Ｂに流れる直流電力を三相交流電力に変換して走行モータ６５に供給する。また第一インバータ６６は、走行モータ６５が生成する回生電力を直流電流に変換し、リターダグリッド６９に消費させる。

油圧ポンプモータ６７は、ダンプボディ１１を駆動させるための図示しない油圧ポンプを駆動させる三相交流電気モータである。第二インバータ６８は、母線Ｂに流れる直流電力を三相交流電力に変換して油圧ポンプモータ６７に供給する。

制御装置８０は、第一ＤＣＤＣコンバータ６１、第二ＤＣＤＣコンバータ６３、第一インバータ６６、第二インバータ６８を制御する。

《作用・効果》
このように、第一の実施形態に係る運搬車両１０は、以下の構成を備える。運搬車両１０は、車体１２に電気的に接続され燃料電池４１２を格納する筐体４１１と、筐体４１１を貫通して筐体４１１の外部から燃料電池４１２へ冷媒を流す冷却水配管４３とを備える。第一の実施形態に係る冷却水配管４３は、筐体４１１と電気的に絶縁され、冷却水配管４３を通る冷却水は、筐体４１１の外部で車体１２と電気的に接続される。第一の実施形態に係る燃料電池４１２は、筐体４１１と電気的に絶縁されることで、筐体４１１を介して低い抵抗で車体１２に電気的に接続されることを防ぐことができる。また冷却水配管４３を通る冷却水を介して電気が流れるが、筐体４１１と絶縁され、筐体４１１の外部で車体１２に電気的に接続されるため、燃料電池４１２からフレームアースされる点までの距離に応じた抵抗を得ることができる。これにより、運搬車両１０は、燃料電池４１２を搭載しつつ、高い絶縁抵抗を実現することができる。

また第一の実施形態に係る循環ポンプモータ６４は、フレームアースされることで、冷却水配管４３を通る冷却水を介して流れる電気は、循環ポンプモータ６４を介してフレームアースされる。なお、他の実施形態に係る運搬車両１０では、循環ポンプモータ６４を介してフレームアースされるものでなく、例えば循環ポンプ４４を介してフレームアースされてもよいし、モータ６４のシャフトに図示しないフレームアースされたブラシを接触させる等の他の構成によってフレームアースされてもよい。さらに、第一の実施形態に係るラジエータ４２はフレームアースされているため、冷却水を介して流れる電気は循環ポンプモータ６４だけでなくラジエータ４２を介してもフレームアースされる。一方で、ラジエータ４２をフレームアースしないで、浮動電位にすることもできる。この場合には、ラジエータ４２が電位を持つため、人が容易にアクセスできないようにラジエータ４２をグリル１２４ならびに筐体で覆う。また、循環ポンプモータ６４や循環ポンプ４４を浮動電位にすることもできる。この場合には、循環ポンプモータ６４や循環ポンプ４４が電位を持つため人が容易にアクセスできないように循環ポンプモータ６４や循環ポンプ４４を図示しない筐体で覆う。

また第一の実施形態に係る運搬車両１０において、冷却水配管４３のうち、第一冷却水配管４３Ａの燃料電池４１２からポンプ４４までの長さおよび、第二冷却水配管４３Ｂからラジエータ４２までの長さは、冷却水配管４３を通る冷却水の抵抗が所定の絶縁抵抗となる長さ以上である。これにより、運搬車両１０は、所望の絶縁抵抗を得ることができる。なお、筐体４１１の外に出ている部分の長さで絶縁抵抗を確保することで、筐体４１１内部の配管の長さを短くし、筐体４１１自体の大きさを小さくすることができる。また、第一の実施形態に係る運搬車両１０が備える複数の燃料電池ユニット４１と対応するラジエータ４２との距離はそれぞれ異なるが、冷却水配管４３のうち筐体４１１の外に出ている部分の長さを揃えることで、燃料電池ユニット４１ごとの絶縁抵抗を揃えることができる。

また第一の実施形態に係る冷却水配管４３は、絶縁体で構成された内配管４３１と、内配管４３１を覆う金属で構成されたシールド部４３２とを有する。これにより、冷却水配管４３の水漏れが生じても、冷却水がシールド部４３２に触れることで、フレームアースさせることができる。

また第一の実施形態に係る運搬車両１０は、複数の燃料電池ユニット４１それぞれに対応して、絶縁型のＤＣＤＣコンバータである第一ＤＣＤＣコンバータ６１に接続される。これにより、燃料電池ユニット４１それぞれで必要な絶縁抵抗を確保できていれば、電気系統６０全体においても必要な絶縁抵抗を確保できる。例えば、比較例として第一ＤＣＤＣコンバータ６１が非絶縁型のＤＣＤＣコンバータである場合、燃料電池ユニット４１が並列に接続されてしまうため、燃料電池ユニット４１それぞれが確保しなければならない絶縁抵抗が、土工機械に求められる絶縁抵抗の並列数倍だけ必要となる。したがって、第一の実施形態に係る運搬車両１０では、燃料電池ユニット４１それぞれが確保しなければならない絶縁抵抗を抑えることができる。なお、第一ＤＣＤＣコンバータ６１として非絶縁型のＤＣＤＣコンバータを採用する場合、冷却水配管４３の長さを、一つの燃料電池ユニット４１に求められる絶縁抵抗の並列数倍の抵抗値を得ることができる長さとすることで、電気系統６０全体において必要な絶縁抵抗を確保してもよい。

〈他の実施形態〉
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。
上述した実施形態に係る燃料電池システム４０は、複数の燃料電池ユニット４１に対応する複数のラジエータ４２を備えるが、これに限られない。例えば、燃料電池システム４０は、１台のラジエータ４２を備えるものであってよい。この場合、ラジエータ４２が冷却した冷却水は、例えばマニホールドを介して燃料電池ユニット４１別に分岐されてよい。マニホールドの後段には、燃料電池ユニット４１ごとに循環ポンプ４４が設けられる。また他の実施形態によれば、ラジエータ４２が冷却した冷却水を、１つの循環ポンプ４４で複数の燃料電池ユニット４１へ供給してもよい。この場合、冷却水配管４３は、循環ポンプ４４の後段で分岐し、各燃料電池ユニット４１に並列に接続される。

１０…運搬車両 １１…ダンプボディ １２…車体 １２１…プラットフォーム １２２…運転室 １２３…コントロールキャビネット １２４…グリル １３…走行装置 ４０…燃料電池システム ４１…燃料電池ユニット ４１１…筐体 ４１２…燃料電池 ４１３…冷却水チャネル ４２…ラジエータ ４３…冷却水配管 ４３１…内配管 ４３２…シールド部 ４３Ａ…第一冷却水配管 ４３Ｂ…第二冷却水配管 ４４…循環ポンプ ６０…電気系統 ６１…第一ＤＣＤＣコンバータ ６２…バッテリ ６３…第二ＤＣＤＣコンバータ ６４…循環ポンプモータ ６５…走行モータ ６６…第一インバータ ６７…油圧ポンプモータ ６８…第二インバータ ６９…リターダグリッド ８０…制御装置 Ｂ…母線

Claims (5)

1. 車体と、
   燃料電池と、
   前記燃料電池を格納し、前記車体に電気的に接続された筐体と、
   前記筐体を貫通して前記筐体の外部から前記燃料電池へ冷媒を流す配管であって、前記筐体と電気的に絶縁され、前記筐体の外部で前記冷媒と前記車体とが電気的に接続されるように構成された冷媒配管と
   を備える土工機械。
2. 前記筐体の外部に設けられ、前記冷媒配管の冷媒を圧送する冷媒ポンプと、
   前記冷媒ポンプを駆動させるポンプモータと
   を備え、
   前記ポンプモータが前記車体と電気的に接続された
   請求項１に記載の土工機械。
3. 前記冷媒配管のうち、前記筐体の外に出ている部分の長さは、前記冷媒配管を通る前記冷媒の抵抗が所定の絶縁抵抗となる長さ以上である
   請求項１または請求項２に記載の土工機械。
4. 前記冷媒配管は絶縁体で構成された内配管と、前記内配管を覆う金属で構成されたシールド部とを有する
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の土工機械。
5. 前記燃料電池を含む複数の燃料電池と、
   一次側が前記複数の燃料電池のそれぞれに接続され、二次側が互いに並列に接続される複数の絶縁型ＤＣＤＣコンバータと
   を備える請求項１から請求項４の何れか１項に記載の土工機械。

Images