JP2005522830A - 少なくとも一本の帯と外装とからなる炭素材料製の電気摩擦接触部品 - Google Patents

Abstract

本発明の摩擦帯（１）は、磨耗に耐えるのに適した第一の炭素質材料を含有する少なくとも一本の接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）と、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の第二の炭素質材料を含む、少なくとも一つの外装（２１、２１ａ、２１ｂ）とからなる。その接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）の表面の一部（２４、２４ａ、２４ｂ）が、前記接触面（２０）の全部または一部を形成する。本発明の摩擦帯により、特に停止時の集電の温度が低いことから、（カテナリーの維持費のような）運用費を削減することができる。

Description

本発明は、カテナリーまたは第三軌条のような固定電気導体から、鉄道車両、トロリー・バスまたは地下鉄列車のような車両に、停止時でも走行中でも電流を引けるようにするために用いる、パンタグラフ、（特にトロリーの）集電ポール、第三軌条の集電靴または工業用の摩擦部材のような摩擦接触装置に関するものである。本発明は、特に、摩擦接触装置の摩擦部材（または、摩擦帯）の要素に関するものである。

鉄道車両用のパンタグラフのような摩擦接触装置は、典型的には可動支持装置と摩擦帯とを含む。支持装置が摩擦帯を支えることにより、摩擦帯がカテナリー（一般的には補強した銅線）または第三軌条のような固定電気導体と接触することができ、そうすることで、その固定導体の電流が、走行中または停止時の車両へと確実に伝達されるようにしている。パンタグラフの場合には、摩擦帯が、パンタグラフの摩擦部材を含んでいる。

摩擦帯は、交換可能な消耗品として考えられており、一連の使用特性を備えていることが要求される。特に、そして何よりもまず、摩擦帯は、電導率のよいものでなければならず、すなわち、電気抵抗が僅かであり、エネルギー損失と発熱とを減らすことができるものでなくてはならない。更に摩擦帯は、固定導体に対する適切な摩擦特性を呈するものでなくてはならず、すなわち、摩擦帯や固定導体が早く消耗することを防ぐものでなくてはならない。特に、固定導体が焼けついたり磨耗したりすることが一切ないようにする必要がある。更に、パンタグラフの場合には、摩擦帯の軽量化が要求されるが、それは集電装置の機械慣性を最小限のものにするためであり、それにより、特に、車両の走行におけるパンタグラフの垂直運動の振幅を減らすことができ、摩擦部材とカテナリーとの接触に隙間ができることを防いでアークを発生させる可能性もなくすことができる。またその一方で、摩擦帯は、その固定導体と摩擦部材との間で次第に大きくなることが避けられない、アークに起因する消耗と磨耗とに耐えられるものであることが要求される。更に、パンタグラフの場合には、摩擦帯は、カテナリーにかかる機械的衝撃への耐久力が大きくなくてはならないのであるが、それは、摩擦帯の破損物が集電システムやカテナリー自体の重大な損傷を引き起こしかねないからである。摩擦帯はまた、最も過酷な使用条件の下では、場合によっては３００℃〜４００℃にも達しかねない熱にも耐えることが要求される。最後に、摩擦帯は取り付けと交換が容易でなくてはならない。

摩擦特性を改善する手段と、場合によっては伝導率を増す手段とを備えた、金属を主成分とする摩擦帯を用いることは既に知られている。例えば、減摩装置を備えた鉄製の帯、摩擦特性を改善するための（金属間化合物や鉛のような）添加物と伝導率を増すための銅の付加物とを組み込んだ多孔質焼結鉄製の帯、十分な摩擦特性を獲得するために（金属間化合物や鉛のような）添加物を組み込んだ多孔質焼結銅の帯、および（アルミナ繊維のような）繊維で強化することにより十分な摩擦特性を持たせた強化アルミニウム製帯を用いることは既に知られている。しかしながら、これらの摩擦帯も、アークで生じる磨耗に対する耐久力は不良であり、固定導体の消耗があり、アルミニウム製帯の場合を除いては重量も増す。

場合によって銅または銅合金を含浸させて電気伝導性を改善した無定形炭素を主成分とする消耗帯と、これら炭素製の帯は一般的には単独で用いるには脆すぎるので、機械的機能を確実にするために、支持体となる金属製帯とを含む摩擦帯を用いることもまた既に知られている。これらの混合帯を生産する費用もまた、一般的には、金属を主成分とする帯を生産するよりも高くつく。

金属製帯の大きな利点は、停止時の集電の際に（特にパンタグラフを用いる場合のカテナリーの）固定導体が発熱しすぎないようにすることができることであり、それにより、該固定導体の焼鈍効果による脆化が一切防止できることである。一方、金属製帯の主要な欠点は、炭素質帯よりもずっと早く（典型的には、カテナリーの場合では三倍の速さで）、磨耗効果により固定導体が劣化してしまうことである。

炭素質帯の主要な欠点は、たとえ金属を含浸させたにしても、停止時の集電の際に、（特にパンタグラフを用いる場合のカテナリーの）固定導体を大幅に過熱させてしまうことである。温度が約１１０℃を越える場合には、この熱が固定導体の焼鈍を引き起こし、該固定導体を脆化させてしまいかねない。

それゆえ、本出願人が追求した炭素質材料製帯は、特に電流の強さが非常に高まるよう、低圧（ＢＴ）と呼ばれる集電に応用して用いるのに適したものである。本出願人が特に追求した摩擦帯は、軽量で、長寿命で、電導性が高く、固定導体に対する浸食性は弱く、そして摩擦接触装置を用いる設備の運用費用を大幅に安くすることのできるものである。本出願人はまた、（特に金属製帯を使うことに起因する）劣化したカテナリーに対する大きな摩耗耐性を有し、停止時の集電の際にカテナリーが発熱しすぎない摩擦帯をも追求した。

本発明は、地面にある第三軌条、電線またはカテナリーのような固定導体から、パンタグラフのような摩擦接触装置を介して、走行中の車両に集電を行うための摩擦帯を対象とするものである。

本発明の摩擦帯は、炭素質材料を含んだ、固定導体と電気接触を行うための接触面を有する消耗帯からなるもので、該消耗帯が、好適には部分的に無定形である炭素を含有する少なくとも一本の接触帯と、典型的には黒鉛、または黒鉛を散布した、もしくは黒鉛化した材料を含有する、８０Ｗ／・Ｋ以上の熱伝導率を有する、少なくとも一つの外装とを含むもので、そして、その接触帯が前記接触面の全部または一部を形成することによって、固定導体との電気接触の全部または一部を確保できるようにすることを特徴としている。

本出願人の着想は、必要とされる特性の全てを備えたただ一つの材料を追求するよりもむしろ、二つの連結した別々の要素、即ち、それぞれに異なる炭素質材料を含み、一方は磨耗に耐える力が強く、そして他方は熱伝導率が高い、一本の接触帯と一つの外装とを結合させて用いることである。

更に詳細には、接触帯は、典型的には挿入物であり、走行の際、つまり、摩擦帯が固定導体と接触し、なおかつ該固定導体に対して移動している際の、磨耗に対する抵抗力を確保するものである。接触帯は、硬度Ｓｈｏｒｅ Ｃ２が、好適には約８０を越え、さらに好適には、約８５を越えるものである。

外装は、熱伝導率が高く、特に停止時の集電の際、つまり摩擦帯が固定導体と接触しているものの該固定導体に対して移動してはいない際に、作動中に発生した熱エネルギーを迅速に排出して固定導体の過熱を抑える。外装の硬度Ｓｈｏｒｅ Ｃ２は、典型的には約７０未満である。

好適には、接触帯（複数ある場合には各接触帯）は、摩擦帯の表面と同一平面上にあり、それにより均一な接触面が形成される。接触帯（あるいは各接触帯）は、場合によっては、摩擦帯の表面より上に（典型的にはおよそ１ミリメートル）飛び出していても構わない。一つ（または複数）の接触帯の、摩擦帯の表面と同一平面上か、あるいはそこから飛び出している部分は、平らでもよいし、あるいは、凸状の表面のものでもよい。接触帯（複数ある場合には各接触帯）は、好適には、熱を両端に向けてより拡散するようにし、固定導体との接触部分の大幅な過熱を防止するために、単一部品で形成されている。

パンタグラフにおいて、接触帯は、典型的には縦長の帯であり、外装は、典型的には、長手方向に溝を備え、その溝の中に接触帯を挿入した一本の帯、あるいは接触帯の側面に位置する二本の側帯である。

好適には、外装と各接触帯との間の界面（または接合面）は、接触熱抵抗が可能な限り小さく、それにより、接触帯の中に発生した熱エネルギーの迅速な排出を確実に行うことができる。

本発明の好適な実施態様において、接触帯は部分的に無定形である炭素を含有し、外装は、黒鉛を散布した材料、つまり黒鉛を含む材料または電気黒鉛を含有する。

本発明の摩擦帯により、（カテナリーの維持費のような）運用費用を削減する事が出来るが、それは、特に停止時の集電温度を低く抑えられるからである。

本発明はまた、少なくとも一本の本発明の摩擦帯を含む、パンタグラフ、トロリーの集電ポール、第三軌条の集電靴または工業用の摩擦部材をも対象としている。

図１は、先行技術の典型的なパンタグラフの摩擦帯がカテナリーと接触しているところを、帯の長手方向に対する断面で示すものである。

図２は、損傷及び／または消耗の検出手段を備えた、先行技術の典型的な摩擦帯を、帯の長手方向に対する断面で示すものである。

図３は、電気接続手段を備えた先行技術の典型的な摩擦帯を、摩擦帯の長手方向に対する断面で示すものである。

図４は、摩擦帯を全長に渡って覆う支持補強材を有した先行技術の典型的な摩擦帯の、側面図（ａ）と底面図（ｂ）を示すものである。

図５は、本発明の摩擦帯をパンタグラフ上に固定する手段の、長手方向断面図を示すものである。

図６は、本発明の摩擦帯の、三つの実施態様を概略的に示すものである。

図７は、本発明の摩擦帯の消耗帯の様々な変形例を、概略的に横断図で示すものである。

図８は、本発明の摩擦帯の消耗帯の一つの変形例を、概略的に横断図で示すものである。

図１に示すように、先行技術の典型的なパンタグラフの摩擦帯（１）は、消耗帯（２）と支持補強材（４）とからなる。支持補強材（４）は、消耗帯の主成分が無定形炭素である場合に、消耗帯（２）の機械的堅牢度を改善するものであり、更に摩擦帯をパンタグラフに定着させることもできる。

摩擦帯（１）は、消耗帯（２）を介して、固定導体（３０）、典型的にはカテナリーと接触するためのものである。消耗帯（２）と固定導体（３０）との間の接触面（２０）は、典型的には平面である。

パンタグラフの場合、摩擦帯（１）は典型的には細長い形をしている。その典型的な寸法は、長さＬが１ｍ程度、高さＨが５ｃｍ程度、幅Ｐが５ｃｍ程度である。消耗帯（２）の厚みは、典型的には、最も分厚い部分で、２０〜３０ｍｍ程度である。

摩擦帯（１）の支持補強材（４）の長さＬは、典型的には、消耗帯（２）の長さＬ’に等しいか、それを上回る。

使用時の、固定導体（３０）の摩擦帯（１）に対する移動は、接触面（２０）がその移動方向Ｄとほぼ平行になるように行う。図において、摩擦帯（１）の移動方向を矢印Ｍで示す。方向Ｖは、普通、移動方向に対して直角である。方向Ｖは、パンタグラフの場合、典型的には垂直である。

本発明では、集電用摩擦帯（１）は、炭素質材料を含有した、固定導体（３０）と電気接触するための接触面（２０）を有する消耗帯（２）からなり、その特徴は、消耗帯（２）が、磨耗に耐えるのに適し、好適には８０以上の硬度Ｓｈｏｒｅ Ｃ２を有する、第一の炭素質材料を含有する、少なくとも一本の接触帯（または挿入物）（２２、２２ａ、２２ｂ）と、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好適には１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらに好適には１００と４００Ｗ／ｍ・Ｋの間である、第二の炭素質材料を含む、少なくとも一つの外装（２１、２１ａ、２１ｂ）とからなり、そして、接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）の表面の一部（２４、２４ａ、２４ｂ）が前記接触面（２０）の全部または一部を形成することである。

硬度Ｓｈｏｒｅ Ｃ２の測定は、ＩＥＣ（国際電気標準会議）規格第６０４１３号、１９７２年１月、「電気機械用ブラシ材料の物理特性測定用実験方法」の第３０２節（リバウンド法）に基づいて行う。硬度の測定は、円錐台または丸い先端を備えたハンマーを、所定の高さから落としたときのリバウンドにより行う。

前記第一の炭素質材料は、好適には部分的に無定形の炭素である。「部分的に無定形の炭素」という表現は、典型的には、カーボン・ブラック、コークス、（典型的には３０重量％未満の）僅かな割合の黒鉛、および炭化した結合剤を含有する、一切の炭素質材料を意味するものと理解してよい。この材料の元となる混合物に含まれるのは、典型的には、１０〜７０重量％（典型的には５０重量％）のカーボン・ブラック、１〜５０重量％（典型的には４０重量％）のコークス、１〜３０重量％（典型的には１０重量％）の黒鉛、１〜３０重量％（典型的には１０重量％）の黒鉛、１０〜３０重量％の結合剤（一般的にはピッチ）、および、有利には、１〜５重量％の（硫黄のような）香料添加物である。前記の部分的に無定形の炭素は、電気的な用途、特に既に知られたパンタグラフの摩擦帯において既に用いられたことのある無定形炭素であれば、どのようなものでもよい。これらの材料の熱伝導率は、典型的には２０Ｗ／ｍ・Ｋ未満である。

前記第一の炭素質材料の電気抵抗は、好適には約１００μΩ・ｍ未満、さらに好適には約５０μΩ・ｍ未満である。前記第一の炭素質材料の（三点で測定した）屈曲破壊強度は、好適には４０ＭＰａを超える。前記第一の炭素質材料の磨耗による消耗率は、好適には、粒度１００のグラインダー、圧力４．５ｋｇ、速度は時速１３０ｋｍ、検体の幅が４０ｍｍにおける測定では、好適には１０ｍｎにつき１ｍｍ未満である。

前記第一の炭素質材料の構造は典型的には顆粒状である。好適には、第一の炭素質材料、特に部分的に無定形の炭素は、粒度が大きい、つまり、１００μｍを越えるサイズ（典型的には、少なくとも８０重量％、更に好適には９０重量％の粒が、１００〜１０００μｍのサイズを有する）の粒を含む。典型的には９０重量％、更に９５重量％の粒が、０．１〜１０００μｍのサイズを有する。

前記第二の炭素質材料は、有利には（天然もしくは人工の黒鉛を含む炭素質材料または（典型的には多結晶の）電気黒鉛または黒鉛を散布したＣ／Ｃ複合材のような）黒鉛を散布した炭素質材料で、その熱伝導率は８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好適には１００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋである。黒鉛を散布した炭素質材料は、好適には異方性のもので、その異方性の配向は、接触面に対して直角方向のときに材料の熱伝導率が最も高くなるようにする。異方性係数は好適には１．１を超え、そして更に好適には１．２を超える。第二の炭素質材料の硬度Ｓｈｏｒｅ Ｃ２は典型的には約７０未満である。

本発明の有利な実施態様においては、前記第二の炭素質材料は、少なくとも１０重量％（典型的には１０〜９９重量％、好適には３５〜９９重量％、そして更に好適には６０〜９９重量％）の天然または人工の黒鉛を含んでいる。人工黒鉛の黒鉛化率は、典型的には０．２〜０．６である。

本発明のもう一つの有利な実施態様においては、前記第二の炭素質材料に含まれているのは電気黒鉛で、その熱伝導率は８０Ｗ／ｍ・Ｋを超える（好適には１００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋである）。

前記第二の炭素質材料の構造は、典型的には顆粒状である。好適には、第二の炭素質材料の粒度は、特にそれが黒鉛を散布した材料で形成されたもの、つまり、黒鉛または電気黒鉛を含有する材料で形成されたものである場合には、微細であり、つまり、含まれる粒のサイズが１００μｍ未満である（典型的には、少なくとも９０重量％、および好適には、少なくとも９５重量％の粒が、１００μｍ未満、更に好適には、５０μｍ未満のサイズを有する）。

前記第二の炭素質材料の電気抵抗は、好適には約２．５μΩ・ｍ未満である。

本発明の摩擦帯（１）の外装（２１、２１ａ、２１ｂ）と接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）が取りうる形態には様々のものがある。特に考えられる形態が図６と図７に示したものである。

接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）の断面は、有利には、摩擦帯の製造方法を単純化できるように、好適には横断面が長方形である単純なものである。本発明の接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）は、外装の中に挿入する部品（つまり挿入物）であるのが典型的である。

本発明の摩擦帯は、一本の接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）か、あるいは（図７ｃに示すように）ほぼ平行な二本の接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）から構成されるのが望ましい。実験により判明したところでは、接触帯の数を増やすと消耗率が増大する。

外装（２１、２１ａ、２１ｂ）と各接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）との間の界面（２３）は、摩擦帯の運動方向Ｍにほぼ直角であるのが典型的である。パンタグラフの場合には、界面（２３）は、消耗帯（２）の主軸Ａ（または消耗帯（２）が湾曲している場合には長手方向の接線Ａ’）に対してほぼ平行である。この界面（２３）の接触面（２０）に対する角度αは、図７ｄに示すように、９０°ではなくともよい。この後者の変形例により、外装内での接触帯の堅牢度を、確実に改善することができる（その目的のために、角度αは好適には９２°〜１００°である）。その場合には、各接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）の幅Ｐｉは、その接触帯の厚みＥｉ全体の平均的な幅に一致するものである。

一つ（または複数）の接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）の厚みＥｉは、消耗帯（２）の厚みＥの少なくとも６０％に等しいのが典型的である。その厚みＥｉは、消耗帯（２）の厚みと同一、つまり１００％であってもよい。その場合には、外装は二つの分離した部分（２１ａ、２１ｂ）からなる（図６ｃと７ｂ）。厚みＥｉは、場合によっては外装の厚みＥｇよりも厚くてもよいが（図７ｅ）、そのような変形例は経済性が劣る。

一つ（または複数）の接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）の幅Ｐｉ、Ｐｉ’は、５〜５５ｍｍであるのが典型的であるが、その帯のタイプによって、更に典型的には、３０〜５５ｍｍである。それは要するに、消耗帯の幅全体Ｐの一部であり、典型的には１０〜９５％、そして好適には４０〜９２％、そして更に好適には、４５〜６０％を占める。

一つまたは複数の接触帯の接触面（２４、２４ａ、２４ｂ）全体が、消耗帯の接触面（２０）の９０％までを占めてもよい（この割合は、典型的には２〜９０％、そして好適には４０〜８５％である）。接触面（２４、２４ａ、２４ｂ）が約９０％を越えると、外装（２１、２１ａ、２１ｂ）による排熱効率が悪くなる。接触面（２４、２４ａ、２４ｂ）が約２％未満であると、摩擦帯の消耗が余りにも早まることになる。消耗帯を構成する接触帯が一本だけではない場合には、その接触帯の接触面全体は、各接触帯の接触面（２４ａ、２４ｂ）を合計したものである。

接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）の形が長方形である場合には、外装（２１、２１ａ、２１ｂ）は、好適には、接触面（２０）にほぼ直角な少なくとも二つの面（２３）を覆う。不利にはなるが、接触帯の一面しか覆わない外装を用いることも可能ではある。

接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）の長さＬｉは、消耗帯の長さＬ’とほぼ等しいのが典型的である。接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）と外装（２１、２１ａ、２１ｂ）とは、長さが同じであるのが典型的である。接触帯は、単一の部品で構成されているのが典型的であり、それにより、特に製造方法を単純化できる。

消耗帯（２）の接触面（２０）は、長手方向に湾曲していてもよい（つまり、接線Ａ’の向きは、消耗帯に沿って変化する）。その湾曲は、パンタグラフの帯の場合には、凸型になるのが典型的である。消耗帯（２）の厚みＥも、またそれに従って変化してよい。パンタグラフの場合には、消耗帯（２）は両端のところが他の部分よりも薄くなっているのが典型的である。

図６に示すように、本発明における固定導体（３０）に対する摩擦帯（１）の向きは、好適には、矢印Ｄで示される前記固定導体の主な移動が、消耗帯（２）の主軸Ａにほぼ直角になるようなものである。

本発明の消耗帯（２）には更に、外装とその（あるいは各）接触帯との間の界面（２３）における熱伝導率および電気伝導率を高めるための手段を含んでもよい。これらの手段は、例えば、（典型的には銅を含有する金属性の編組被覆のような）金属継ぎ手（２６）の要素で、典型的には、図８に示すように接触帯の中に施された溝（２５）の中に挿入するようなものであってよい。

接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）を得る方法としては、先行技術の部分的に無定形である炭素でできた消耗帯の製造で知られている方法を用いることが考えられる。その接触帯を得る有利な手順は以下の通りである。
・前記第一の炭素含有材料を含む混合物を、典型的にはスピニング加工やプレス加工により成形して、未加工の帯を作り、
・前記帯を、少なくとも１８０℃（典型的には１０００℃）の温度で焼き、
・任意の選択として、帯に（銅のような）金属を含浸させる作業を行う。

外装（２１、２１ａ、２１ｂ）を得るには様々な技術が考えられる。特に、その外装を得る方法の手順は以下の通りである。
・基礎となる炭素質材料（つまり天然もしくは人工の黒鉛または電気黒鉛のような前記第二の炭素質材料）を含有する混合物を、典型的には圧縮することにより、未加工の原型を作り、
・その未加工の原型をコークス化または黒鉛化する作業を行い、
・任意の選択として、その外装に（銅のような）金属を含浸させる作業を行い、
・一つまたは複数の接触帯を収納するのに適した、一つまたは複数の溝を加工する作業を行う。

消耗帯（２）の仕上げは、接触帯を外装の各溝に、典型的には繰り返し、導入することである。

接触帯と外装との間の熱接触を改善するため、任意の選択肢として、帯に（銅のような）金属を含浸させる作業を、消耗帯の製造方法に含めてもよい。

前記混合物に典型的に含まれているのは、主成分としての炭素質材料、および樹脂のような有機結合剤または炭素質結合剤である。

外装（２１、２１ａ、２１ｂ）は、（典型的には２０００℃以上の温度で熱処理することにより）黒鉛化した炭素／炭素（Ｃ／Ｃ）複合材からも得ることが可能である。その場合には、前記混合物は、有機質または炭素質の繊維または織物のような補強材料も含有する。

コークス化作業は、黒鉛の質量の割合が２０〜９５％となるように行う。

外装（２１、２１ａ、２１ｂ）の空隙は、場合によっては炭素質物質でコーティングしてもよい。そのようなコーティングの利点は、外装を機械的に強化するところにある。その目的のために、製造方法の一環として緻密化と呼ばれる作業を更に加えてもよい。この作業は典型的には、その帯に（ピッチ、ポリマー、タール、オイルまたはフェノール樹脂のような）炭素に富む液体を含浸させること、そして炭素質補強材が空隙の内部に留まるようにその液体をコークス化することを含み、その作業を必要な回数だけ（典型的には１ないし３回）繰り返す。別の選択肢として、前記作業の一環として、気体のクラッキングに都合の良い熱力学的条件下で、炭素に富む気体を外装の孔隙中に満たすということを含めてもよく、前記空隙の内部にピロカーボンが沈殿するようにする。これら二つの技法を、場合によっては組み合わせてもよい。

製造方法の有利な変形例においては、更に空洞の中に接触帯を貼り付けたり、あるいは埋め込んだりする作業を行う。この作業は金属継ぎ手の要素の導入を含むことができ、これにより外装と接触帯との間の界面の熱伝導率および電気伝導率を改善する。

外装及び／または接触帯は、場合によっては、前記炭素質材料の孔隙の中に金属の一部分を含有してもよい。金属は、典型的には銅もしくは（真鍮か青銅のような）銅を含有する合金、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、またはマグネシウムもしくはマグネシウム合金である。その外装及び／またはその（もしくは各）接触帯の中に含有される金属の割合は、典型的には、金属の性質によって、１０〜５０重量％である。銅とこれらの合金類については、その金属の割合は典型的には１５〜４０重量％である。本発明のそのような変形例は、電圧が約３ｋＶ未満の、所謂低圧（ＬＰ）の用途において有利である。そのような用途においては、電流は非常に強いので、摩擦帯の電気伝導率も非常に大きなものである必要がある。金属の含浸は、電圧が１０ｋＶを超えるのが典型的である所謂高圧の用途においては、一般的には必要ない。

そのような金属は、含浸により、前記の孔隙中に導入されるのが典型的である。金属の含浸は、液状の金属を、様々な材料に残った空隙、つまり開いたままになっている空隙に浸透させ、そして、浸透させた金属を固化させることによって実現することができる。浸透は一般的に、液状金属を空隙に確実によく浸透させるために（典型的には２０〜２００バールの）高圧にしたオートクレーブで行う。

必要なら、その消耗帯もまた、金属で含浸させる場合はその後に、（重合化の後に特に機械的特性を増強することのできる）ポリマーまたは（特に構造を強化することのできるピッチ、タールのような）コークス化したもしくはコークス化していない有機化合物のような流体物で含浸してもよい。最終生成物は、残った空隙またはその残った空隙の一部を充填するために用いて、摩擦を抑え、あるいは全体を疎水性にして、凍結に対する抵抗性を持たせてもよい。

本発明の摩擦帯（１）は、固定手段（６）を備えた支持体（４）を含み、それにより、帯を摩擦接触装置に固定することができるのが典型的である。本発明の消耗帯（２）の機械的特徴を考慮すると、消耗帯は自己支持形のものであってよく、そうすると摩擦帯（１）が支持補強材（４）を含まないこととなり、集電装置を単純化し、軽量化することができる。このとき、パンタグラフの場合では、本発明の摩擦帯は、パンタグラフ（９）に直接固定してもよいし、あるいは、図５に示されるように、固定栓（７）、ネジまたはボルト（８）のような固定手段（７、８、１２）を用いてパンタグラフ（９）に固定してもよい。図５ｂ）に示されるように、固定手段は、消耗帯（２）と固定栓（７）とが協働できるように、ダブテール型の嵌め込み（１２）を含んでもよい。

本発明の摩擦帯（１）には、消耗帯の損傷及び／または消耗を検知するための手段（３）があってもよい。該摩擦帯にはまた、消耗帯（２）の中に埋め込んだ電気ケーブル（５）か、あるいは金属製の爪（６）のような、電気接続手段（５、６）があってもよい。

本発明の摩擦帯は、パンタグラフ、トロリーの集電ポール、第三軌条の集電靴及び工業用の摩擦部材のような摩擦接触装置で用いるのが有利である。

本発明の摩擦帯により、特に、その外装にＣ／Ｃ複合材が含まれている場合に、パンタグラフの質量を著しく減らすことができるのであり、そのことによって、パンタグラフが固定導体に強く押しつけられないようにすることができる。

比較試験
本発明に従って、電気黒鉛材料で外装し銅を含浸させた、部分的に無定形である炭素でできた摩擦帯を複数本製造し、該摩擦帯を、先行技術の銅含浸材料製摩擦帯との特性の比較を行うための試験にかけた。

表１は、これら比較試験のために製造した本発明の摩擦帯の材料の構成を種類ごとに示すものである。

材料Ａ１は、熱伝導率の非常に高い（つまり３００Ｗ／ｍ・Ｋを超える）Ｃ／Ｃ複合材に対応するものである。材料Ａ２は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ未満の電気黒鉛に対応するものである。タイプＡ３は、熱伝導率が典型的には１１０〜１２０Ｗ／ｍ・Ｋである電気黒鉛に対応するものである。

銅の含浸を行う方法は、試験にかける帯の全てについて同一であり、その方法は、真空下で消耗帯を１２００℃まで熱し、つぎに、（含浸浴槽の表面に１４０バールの圧力をかけて）液状の銅の入った浴槽内に含浸させ、つぎに浴槽から帯を引き上げ、帯を１００バールの窒素圧下で冷却するものである。

挿入物の接触面（２４、２４ａ、２４ｂ）全体は、摩擦帯の接触面（２０）全体の４７％であった。

本発明の帯の試験は、実地試験／試験用客車（フランス国鉄試験列車）の条件の下で行った。表２に示す結果は、試験した本発明の帯について得られたもので、それらの結果を、先行技術を代表する（挿入物のない）銅で含浸した部分的に無定形である炭素でできた摩擦体で、ヨーロッパの幾つもの鉄道の車両で用いられているものについて得られる典型的な数値と比較している。

停止時の集電試験（線方向に１４０Ａ／ｃｍ）で判明したことは、（黒鉛で外装した）本発明の帯は、先行技術の炭素質パンタグラフよりも明らかに発熱しにくいということである。過熱温度は、典型的には７０℃であり、１１０℃を超えることはなかった。本出願人は、この違いは、黒鉛材料の熱伝導率が高いことによるものであると考えている。消耗の結果は、先行技術の帯の消耗の結果と同程度であった。

驚くべきことに、黒鉛を含む外装を付加しても、その帯の消耗が早まることにはならないということが確認された。そのようにして、消耗に対する抵抗性を失うことなく集電容量を得る。

カテナリーと接触している先行技術の典型的なパンタグラフの摩擦帯の断面図。 損傷及び／または消耗の検出手段を備えた、先行技術の典型的な摩擦帯の断面図。 電気接続手段を備えた先行技術の典型的な摩擦帯の断面図。 支持補強材を有した先行技術の典型的な摩擦帯の側面図及び底面図。 本発明の摩擦帯をパンタグラフ上に固定する手段の断面図。 本発明の摩擦帯の実施態様を示した概略図。 本発明の摩擦帯の消耗帯の様々な変形例を示した概略図。 本発明の摩擦帯の消耗帯の一つの変形例を示した概略図。

符号の説明

１ 摩擦帯
２ 消耗帯
３ 損傷及び／または消耗の検出手段
４ 支持補強材
５、６ 電気接続手段
７、８ 固定手段
９ パンタグラフ
１２ 固定手段
２０ 接触面
２１、２１ａ、２１ｂ 外装
２２、２２ａ、２２ｂ 接触帯
２３ 外装／接触帯の界面
２４、２４ａ、２４ｂ 接触帯の接触面
２５ 溝
２６ 金属継ぎ手
３０ 固定導体

Claims (30)

1. 炭素質材料を含有し、固定導体（３０）と電気接触するための接触面（２０）を有する消耗帯（２）からなる集電用摩擦体（１）であって、消耗帯（２）が、磨耗に耐えるのに適し、８０以上の硬度Ｓｈｏｒｅ Ｃ２を有する、第一の炭素質材料を含有する、少なくとも一本の接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）と、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である第二の炭素質材料とを含む、少なくとも一つの外装（２１、２１ａ、２１ｂ）とからなり、そして、接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）の表面の一部（２４、２４ａ、２４ｂ）が前記接触面（２０）の全部または一部を形成することを特徴とする集電用摩擦帯（１）。
2. 接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）を一本だけ含むことを特徴とする、請求項１に記載の摩擦帯（１）。
3. ほぼ平行の二本の接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の摩擦帯（１）。
4. 各接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）の幅Ｐｉの、消耗帯（２）の幅全体Ｐに対する割合が、１０〜９５％であり、好適には４０〜９２％であることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載の摩擦帯。
5. 各接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）の幅Ｐｉの、消耗帯（２）の幅全体Ｐに対する割合が、４５〜６０％であることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載の摩擦帯。
6. 各接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）の厚みＥｉが、消耗帯（２）の厚みＥの少なくとも６０％に等しいことを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載の摩擦帯。
7. 前記第一の炭素質材料の電気抵抗が約１００μΩ・ｍ未満であることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか一つに記載の摩擦帯（１）。
8. 前記第一の炭素質材料が、カーボン・ブラック、コークス、３０重量％未満の黒鉛、および炭化した結合剤とを含むことを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれか一つに記載の摩擦帯。
9. 前記第一の炭素質材料が、１０〜７０重量％のカーボン・ブラック、１〜５０重量％のコークス、１〜３０重量％の黒鉛、１〜３０重量％の黒鉛、および１０〜３０重量％の結合剤とを含む混合物から得られることを特徴とする、請求項８に記載の摩擦帯。
10. 前記第一の炭素質材料の構造が顆粒状であり、前記第一の炭素質材料の少なくとも８０重量％の粒が１００μｍ〜１０００μｍのサイズであることを特徴とする、請求項１〜請求項９のいずれか一つに記載の摩擦帯。
11. 前記第二の炭素質材料に電気黒鉛材料が含まれることを特徴とする、請求項１〜請求項１０のいずれか一つに記載の摩擦帯（１）。
12. 前記第二の炭素質材料に、少なくとも１０重量％の天然または人工の黒鉛が含まれることを特徴とする、請求項１〜請求項１０のいずれか一つに記載の摩擦帯（１）。
13. 前記第二の炭素質材料に、３５〜９９重量％の天然または人工の黒鉛が含まれることを特徴とする、請求項１２に記載の摩擦帯（１）。
14. 前記第二の炭素質材料に、６０〜９９重量％の天然または人工の黒鉛が含まれることを特徴とする、請求項１２に記載の摩擦帯（１）。
15. 第二の炭素質材料の構造が顆粒状であり、前記第二の炭素質材料の少なくとも９０重量％、好適には９５重量％の粒が１００μｍ未満のサイズであることを特徴とする、請求項１１〜請求項１４のいずれか一つに記載の摩擦帯（１）。
16. 第二の炭素質材料の構造が顆粒状であり、前記第二の炭素質材料の少なくとも９０重量％、好適には９５重量％の粒が５０μｍ未満のサイズであることを特徴とする、請求項１１〜請求項１４のいずれか一つに記載の摩擦帯（１）。
17. 前記第二の炭素質材料が黒鉛化した炭素／炭素複合材であることを特徴とする、請求項１〜請求項１０のいずれか一つに記載の摩擦帯（１）。
18. 前記第二の炭素質材料の異方性係数が１．１を超え、好適には１．２を超えることを特徴とする、請求項１〜請求項１７のいずれか一つに記載の摩擦帯（１）。
19. 前記異方性の配向が、接触面に対して直角方向のときに材料の熱伝導率が最も高くなるものであることを特徴とする、請求項１８に記載の摩擦帯（１）。
20. 接触帯あるいは各接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）が挿入物であることを特徴とする、請求項１〜請求項１９のいずれか一つに記載の摩擦帯（１）。
21. 消耗帯（２）の空隙を炭素質物質でコーティングすることを特徴とする、請求項１〜請求項２０のいずれか一つに記載の摩擦帯（１）。
22. 接触帯あるいは各接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）が金属を含むことを特徴とする、請求項１〜請求項２１のいずれか一つに記載の摩擦帯（１）。
23. 接触帯あるいは各接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）の金属の割合が、１０〜５０重量％であることを特徴とする、請求項２２に記載の摩擦帯（１）。
24. 外装（２１、２１ａ、２１ｂ）が金属を含むことを特徴とする、請求項１〜請求項２３のいずれか一つに記載の摩擦帯（１）。
25. 外装（２１、２１ａ、２１ｂ）の金属の割合が、１０〜５０重量％であることを特徴とする、請求項２４に記載の摩擦帯（１）。
26. 前記金属が、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウムまたはマグネシウム合金を含む群から選ぶものであることを特徴とする、請求項２２〜請求項２５のいずれか一つに記載の摩擦帯（１）。
27. 消耗帯（２）に、外装（２１、２１ａ、２１ｂ）と接触帯あるいは各接触帯（２２、２２ａ、２２ｂ）との間の界面（２３）での熱伝導率および電気伝導率を高めるための、金属継ぎ手（２６）の要素のような手段があることを特徴とする、請求項１〜請求項２６のいずれか一つに記載の摩擦帯（１）。
28. 消耗帯（２）が自己支持形のものであり、摩擦帯（１）が支持補強材（４）を含んでいないことを特徴とする、請求項１〜請求項２７のいずれか一つに記載の摩擦帯（１）。
29. 少なくとも一本の摩擦帯（１）を含む、請求項１〜請求項２８のいずれか一つに記載の摩擦接触装置。
30. パンタグラフ、トロリーの集電ポール、第三軌条の集電靴または工業用の摩擦部材を含む群から選ぶことを特徴とする、請求項２９に記載の装置。
    
    

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