JP2007300748A - カーボンブラシとカーボンコンミュテータ及び燃料噴射ポンプ - Google Patents

Abstract

【構成】 カーボンブラシやカーボンコンミュテータのカーボン製摺動部に、ＴiＯ2を１〜１０wt%添加する。
【効果】 カーボンブラシやカーボンコンミュテータの摩耗を防止しながら、整流火花を抑制できる。
【選択図】 図５

Description

この発明はカーボンブラシとカーボンコンミュテータとに関し、特に整流火花の抑制に関する。この発明のカーボンブラシとカーボンコンミュテータは直流モータや直流発電機等に用いるが、例えば燃料噴射ポンプに用いると好適である。

出願人は、燃料噴射ポンプにカーボンブラシやカーボンコンミュテータを用いることを検討した(特許文献１)。ここでブラシやコンミュテータにカーボンを用いるのは、燃料中に残存する硫黄分や燃料に添加されたアルコール類によって銅が腐食されるのを避けるためである。またこのような燃料噴射ポンプでも、カーボンブラシとカーボンコンミュテータ間の整流火花の防止が問題になる。一般に整流火花の防止では、ブラシの摺動方向前方と摺動方向後方との抵抗率を変え、摺動方向前方のブラシ材料では銅含有量を増し、摺動方向後方では銅含有量を少なくすることが行われている。しかしながらカーボンブラシやカーボンコンミュテータにおいて、銅含有量の調整で整流火花を防止することはできない。

これとは別に、銅黒鉛質ブラシではＳiＯ2やＡl2Ｏ3をブラシに添加し、ブラシと金属コンミュテータ間の摺動面に生じる酸化被膜を削摩することが知られている(例えば特許文献２)。整流火花はブラシやコンミュテータ表面の荒れと関係するから、研削剤を酸化被膜の除去ではなく、ブラシやコンミュテータ表面を削って平滑化するために用いることも考えられるが、それではブラシやコンミュテータの摩耗が著しくなる。そこで発明者は、カーボンブラシやカーボンコンミュテータの摩耗を抑制しながら、火花放電を防止し得る添加物を探索して本発明に到った。
特開２００２−６４９５８号公報 特開２００３−３４７００６号公報

この発明の課題は、カーボンブラシやカーボンコンミュテータの摩耗を抑制しながら、火花放電を少なくすることにある。

この発明はＴi酸化物を添加したカーボンブラシにあり、Ｔi酸化物にはＴiＯ，Ｔi2Ｏ3、ＴiＯ2の何れも用い得るが、好ましくはＴi酸化物としてＴiＯ2を用い、その構造はルチル型でもアナタース型でも、板チタン石型でも良い。また好ましくはブラシ本体に対しＴiＯ2を１〜１０wt%添加し、この範囲でモータや発電機の回転数が経時的に低下するのを防止できる。またこの発明のカーボンブラシは好ましくは、燃料噴射ポンプに用いる。

またこの発明はコンミューテータのカーボン製摺動部に、Ｔi酸化物を添加したカーボンコンミュテータにあり、コンミュテータでは摺動部がカーボン製であれば良く、その下地は銅黒鉛質などでも良い。Ｔi酸化物にはＴiＯ，Ｔi２Ｏ３、ＴiＯ2の何れも用い得るが、好ましくはＴi酸化物としてＴiＯ2を用い、その構造はルチル型でもアナタース型でも、板チタン石型でも良い。また好ましくはカーボン製摺動部に対しＴiＯ2を１〜１０wt%添加し、この範囲でモータの回転数が経時的に低下するのを防止できる。またこの発明のカーボンコンミュテータは好ましくは、燃料噴射ポンプに用いる。

この発明はさらに、ブラシ本体に対しＴiＯ2を１〜１０wt%添加したカーボンブラシと、コンミューテータの摺動部に対しＴiＯ2を１〜１０wt%添加したカーボンコンミュテータ、とを備えた燃料噴射ポンプにある。

この発明では、Ｔi酸化物をカーボンブラシあるいはコンミュテータのカーボン製の摺動部に加えることにより、整流火花の発生を抑制する(図４)。次に整流火花の発生を防止することだけであれば、従来から研削剤として金属黒鉛質ブラシに添加されるＡl2Ｏ3でも、酸化チタンと同程度の効果が得られる(図４)。しかしながらＡl2Ｏ3ではカーボンブラシやカーボンコンミュテータの摩耗が著しいが、酸化チタンではこれらの摩耗を少なくできる(図５，図６)。

酸化チタンを加えることによる整流火花の発生防止機構の詳細は不明であるが、カーボンブラシやコンミュテータの摺動面を平滑化して火花が発生しやすい箇所を無くすというよりも、
・ 火花放電の直前に活性なカーボン(沸点３５５０℃)が気化する前に、酸化チタンが昇華して気化熱で周囲を冷却し、
・ 気化した酸化チタンが不活性で、放電を促進する陽イオン等になり難い、ことが考えられる。
なお図４に示したように、酸化アルミニウムにも酸化チタンと同程度の火花放電抑制効果が有るが、酸化アルミニウムの沸点温度は３５００℃程度でカーボンの沸点と大差がなく、カーボンブラシやカーボンコンミュテータの表面を研削して平滑化することが、放電を防止する機構と考えられる。

なお酸化チタンの添加は、銅黒鉛質ブラシや銅黒鉛質のコンミュテータでの整流火花の防止には効果がない。銅の沸点は約２６００℃で酸化チタンの沸点と同程度かそれよりも低いと考えられ、先に銅原子が昇華してイオン化し放電を促進するため、酸化チタンの火花放電抑止効果は僅かと考えられる。また酸化チタンは３０００℃以上で分解しながら昇華する化合物で、この発明では火花放電の開始直前に酸化チタンが昇華すること等を利用するため、酸化チタンが２価か３価か４価かなどの価数や、ルチルかアナタースかなどの結晶構造は重要ではない。実施例ではカーボンブラシへの酸化チタンの添加を示すが、カーボンコンミュテータのカーボン製摺動部に酸化チタンを添加する場合も全く同様である。この明細書で、カーボンブラシへの酸化チタンの添加に関する記載は、特に断らない限り、コンミュテータのカーボン製摺動部への添加にもそのまま当てはまる。

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１に実施例のカーボンブラシ２を示すと、ブラシ本体４は、人造黒鉛や天然黒鉛、あるいはその他のカーボンに、樹脂バインダーとＴiＯ2とを添加し、８００℃以上の温度で焼成したものである。ＴiＯ2添加量は焼成後のブラシ本体４の全量に対して１〜１０wt%である。６はピグテールで、スズメッキ銅線や黄銅線等からなり、ブラシ本体４と外部との電気接続の手法は任意である。またブラシ本体４には硫化物潤滑剤などの第３成分を添加しても良いが、Ｃｕ粉や黄銅粉等の金属粉の含有量は１０wt%以下とし、好ましくは金属粉を無添加とする。さらにブラシ本体４を、２層の境界の積層面がブラシ本体４の摺動面８に平行な２層の積層ブラシとし、摺動面８寄りの層をＴiＯ2添加で金属粉無添加のカーボンで構成し、ピグテール６寄りの層を例えばＴiＯ2無添加で金属粉添加の金属黒鉛質材料で構成しても良い。

図２は実施例のカーボンコンミュテータ１０を示し、カーボンコンミュテータ１０は軸１１に関し左右対称である。その摺動部１２は、人造黒鉛や天然黒鉛、あるいはその他のカーボンに、ＴiＯ2を添加したもので、摺動部１２での銅粉や黄銅粉等の金属粉含有量は１０wt%以下とし、好ましくは金属粉無添加とする。基部１４は黄銅粉や銅粉等の金属粉と人造黒鉛や天然黒鉛、あるいはその他のカーボンとを混合したもので、ＴiＯ2無添加であり、摺動部１２と基部１４は一体に成形されて、８００℃以上の温度で焼成されている。なお基部１４にもＴiＯ2を添加しても良い。また原材料には樹脂バインダーを添加し、これは焼成時にカーボンに変化する。摺動部１２と基部１４はディスク状に成形され、焼成後に半径方向に沿って複数に切断されて、個々の整流子片となる。１６は金属片、１８は樹脂製のボス、２０は図示しないシャフトのためのシャフト孔である。

図３に実施例の燃料噴射ポンプ２２を示す。２４はケーシング、２５は直流モータ、２６はステータ、２７は電機子、２８，２９は軸受けで、図３を切り欠いて示す位置にカーボンブラシ２とカーボンコンミュテータ１０とがあり、これらはガソリン等の液体燃料中に浸されている。実施例では、カーボンブラシ２とカーボンコンミュテータ１０の双方にＴiＯ2を添加するが、少なくとも一方に添加すればよい。

平均粒径が２５μｍの天然黒鉛粉体１００重量部に、ルチル型の酸化チタン(平均粒径 ２．５μｍ)を５重量部と、バインダーのノボラック系フェノール樹脂バインダ１５重量部のメタノール溶液を混合し、ミキサーで混練した。次いで混合粉体を流動乾燥機で乾燥させて篩で分級し、篩を通過しなかった部分を衝撃型粉砕機で粉砕して、篩を通過した粉体に混合した。混合粉体を金型でピグテールを埋設するようにプレス成型し、９００℃で焼成した。焼成温度は８００℃以上１２００℃以下が好ましく、この温度でＴiＯ2は安定である。ブラシ本体４でのＴiＯ2の含有量は約４．６wt%であるが、これを簡単のため５wt%添加と呼ぶ。ＴiＯ2の添加量を変える場合、カーボンとバインダ樹脂(１５重量部)とＴiＯ2の合計量を１２０重量部に固定し、簡単のため、１２０重量部中のＴiＯ2の重量部数を表示する。この添加量を樹脂バインダの焼成による減量を見込んだ真の添加量に補正するには、見掛けの添加量に９２％を掛けると良い。

ＴiＯ2の効果を検討するため、ＴiＯ2無添加のカーボンブラシや、ＴiＯ2添加量を変えたカーボンブラシを作成した。またＴiＯ2に代えて平均粒径８μｍのαアルミナを５重量％添加したカーボンブラシを作成した。

カーボンコンミュテータ１０の摺動部１２にはカーボンブラシ２と例えば同じ材料を用い、基部１４には黄銅粉６５重量部と天然黒鉛粉３５重量部及び前記のバインダ樹脂５重量部を混合した材料を用いた。これらの２種の原料粉体を積層成型し、９００℃で焼成し、金属片１６に取り付けてボス１８を成型し、金属片１６毎摺動部１２と基部１４を複数に切断して、カーボンコンミュテータ１０とした。カーボンコンミュテータ１０でも、摺動部１２への同様にＴiＯ2添加量を０〜４０wt%２に代えたものと、ＴiＯ2に代えてＡl2Ｏ3を添加したものを作成した。

実施例のカーボンブラシ４と金属酸化物無添加のカーボンブラシ及びＡl2Ｏ3添加のカーボンブラシを、金属酸化物無添加のカーボンコンミュテータと組み合わせ、フォトダイオード法により火花の発生状況を調べた。結果を図４に示す。また上記の組み合わせを燃料噴射ポンプに組み込んで１００時間使用した後に、ブラシの摩耗量(図５)、カーボンコンミュテータの摩耗量(図６)、モータの回転数の低下率(図７)を測定した。

図４から明らかなように、ＴiＯ2、Ａl2Ｏ3共に火花の発生の抑制に有効であるが、ブラシやコンミュテータの摩耗はＴiＯ2ではＡl2Ｏ3の数分の１になっている(図５，図６)。Ａl2Ｏ3の場合、火花の発生自体は抑制できるものの、ブラシの摩耗は金属酸化物無添加の場合の４０％、コンミュテータの摩耗は金属酸化物無添加の場合の約２倍で、耐久性の点でカーボンブラシやカーボンコンミュテータには適さない。ＴiＯ2で摩耗が少ないことは、ブラシやコンミュテータ表面の研削以外の機構によって火花の発生が防止されていることを示し、その原因は火花の発生直前にＴiＯ2が昇華して周囲を冷却し、カーボンの昇華を抑制することと、昇華したチタン酸化物が不活性でイオン化し難く、放電を停止させることに有るものと考えられる。

図７から、２０wt%以上のＴiＯ2添加はモータの回転数を経時的に低下させることが分かる。ＴiＯ2添加量を変えた際の結果を表１に示し、添加量は前記の見掛けの添加量である。

表１ ＴiＯ2添加量の影響
ＴiＯ2添加量（見掛けのwt%） １.５％ ５％ １０％ ２０％
火花発生量(ｍＶ) １４０ １１０ １００ ９５
ブラシ摩耗量(μｍ) ２ １ ２．５ ４
コンミュテータ摩耗量(μｍ) ３ ２ ４ ５
回転数低下率(％) ３ ３ ３．５ １０
＊ 摩耗量や回転数低下率は燃料噴射ポンプを１００時間運転後に測定

実施例では、カーボンブラシ２へのＴiＯ2の添加を示したが、カーボンコンミュテータ１０の摺動部１２に添加しても全く同様の効果が得られ、カーボンブラシ２とカーボンコンミュテータ１０の摺動部１２の双方に添加しても良い。

実施例のカーボンブラシの正面図 実施例のカーボンコンミュテータの半断面図 実施例の燃料噴射ポンプの断面図 実施例のカーボンブラシと、比較例の金属酸化物無添加のカーボンブラシ、及びＡl2Ｏ3添加のカーボンブラシとの、フォトダイオード法で測定した火花発生量を示す特性図である。 実施例のカーボンブラシと、比較例の金属酸化物無添加のカーボンブラシ、及びＡl2Ｏ3添加のカーボンブラシを燃料噴射ポンプに組み込み、金属酸化物無添加のカーボンコンミュテータを摺動相手として１００時間動作させた際の、ブラシ側の摩耗量を示す特性図である。 図５の実験での、カーボンコンミュテータ側の摩耗量を示す特性図である。 ＴiＯ2添加量を変えたカーボンブラシを作成し、燃料噴射ポンプに組み込み１００時間動作させた際の、回転周の初期値からの減少率を示す特性図である。

符号の説明

２ カーボンブラシ
４ ブラシ本体
６ ピグテール
８ 摺動面
１０ カーボンコンミュテータ
１２ 摺動部
１４ 基部
１６ 金属片
１８ ボス
２０ シャフト孔
２２ 燃料噴射ポンプ
２４ ケーシング
２５ 直流モータ
２６ ステータ
２７ 電機子
２８，２９ 軸受け

Claims (7)

1. Ｔi酸化物を添加したカーボンブラシ。
2. Ｔi酸化物として、ブラシ本体に対しＴiＯ2を１〜１０wt%添加したことを特徴とする、請求項１のカーボンブラシ。
3. カーボンブラシが燃料噴射ポンプ用であることを特徴とする、請求項２のカーボンブラシ。
4. コンミューテータのカーボン製摺動部に、Ｔi酸化物を添加したカーボンコンミュテータ。
5. Ｔi酸化物として、コンミューテータのカーボン製摺動部に対しＴiＯ2を１〜１０wt%添加したことを特徴とする、請求項４のカーボンコンミュテータ。
6. カーボンコンミュテータが燃料噴射ポンプ用であることを特徴とする、請求項５のカーボンコンミュテータ。
7. ブラシ本体に対しＴiＯ2を１〜１０wt%添加したカーボンブラシと、
   コンミューテータの摺動部に対しＴiＯ2を１〜１０wt%添加したカーボンコンミュテータ、とを備えた燃料噴射ポンプ。