JP4091024B2 - カーボンブラシ - Google Patents
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Description
本発明は、カーボン製整流子に接触させて摺動、整流する場合に使用するカーボンブラシに関し、例えば、燃料ポンプ中におけるガソリン等の腐食性の強い液体中で使用されるカーボンブラシに関する。
現代社会において、燃焼機関を有する自動車等の移動手段は必須である。この自動車等の燃料ポンプとしては、モーター部分とポンプ部分を内蔵した電磁駆動式の燃料ポンプが多く使用されている。
電磁駆動式の燃料ポンプの原理は、以下の通りである。モーター部分の整流子の接触部分がブラシと接触することによって電機子に電源から電流が供給され電機子が回転する。この電機子の回転により、ポンプ部分のインペラーが回転し、燃料が燃料タンクから吸い上げられてエンジンに供給されるものである。
一般に、このような燃料ポンプに用いられる整流子は銅で形成される場合が非常に多い。
しかしながら、銅製の整流子は酸化あるいは硫黄やアルコール成分を含有するガソリン等に晒されるので整流子自体が腐食を起こしやすいという問題がある。
そこで、近年、銅製の整流子に変わり、下記特許文献１〜３に示されるカーボン製の整流子が提案されている。
特開平８−１２６２５９号公報
特開平８−３０８１８３号公報
特開平１０−１６２９２３号公報
電磁駆動式の燃料ポンプの原理は、以下の通りである。モーター部分の整流子の接触部分がブラシと接触することによって電機子に電源から電流が供給され電機子が回転する。この電機子の回転により、ポンプ部分のインペラーが回転し、燃料が燃料タンクから吸い上げられてエンジンに供給されるものである。
一般に、このような燃料ポンプに用いられる整流子は銅で形成される場合が非常に多い。
しかしながら、銅製の整流子は酸化あるいは硫黄やアルコール成分を含有するガソリン等に晒されるので整流子自体が腐食を起こしやすいという問題がある。
そこで、近年、銅製の整流子に変わり、下記特許文献１〜３に示されるカーボン製の整流子が提案されている。
通常、銅製の整流子はカーボン整流子よりも硬質であるため、銅製の整流子用のカーボンブラシをそのままカーボン整流子に適用しても、カーボン整流子の摩耗量が増大するだけである。
また、カーボン整流子は上記各特許文献で提案されているものの、カーボン整流子と接触し摺動するカーボンブラシについては、整流子片とカーボンブラシは同材質のものが良いという程度の開示に留まっている。即ち、カーボン整流子の摩耗量が少ないカーボンブラシについては、殆ど着目されていないのが現状である。
また、上記カーボン整流子やカーボンブラシを構成するカーボン材料は多くの気孔を有した多孔質材料である。このため、上述したカーボン整流子やカーボンブラシは、燃料となるガソリン等に常時晒された環境下にあるので、カーボン整流子やカーボンブラシ自体が膨潤してしまい、ブラシホルダーに固着してしまうという問題もある。
また、カーボン整流子は上記各特許文献で提案されているものの、カーボン整流子と接触し摺動するカーボンブラシについては、整流子片とカーボンブラシは同材質のものが良いという程度の開示に留まっている。即ち、カーボン整流子の摩耗量が少ないカーボンブラシについては、殆ど着目されていないのが現状である。
また、上記カーボン整流子やカーボンブラシを構成するカーボン材料は多くの気孔を有した多孔質材料である。このため、上述したカーボン整流子やカーボンブラシは、燃料となるガソリン等に常時晒された環境下にあるので、カーボン整流子やカーボンブラシ自体が膨潤してしまい、ブラシホルダーに固着してしまうという問題もある。
そこで、本発明の目的は、カーボン整流子の摩耗量を抑制でき、しかも膨潤の少ないカーボンブラシを提供することである。
本発明のカーボンブラシは、炭素質フィラーとコールタールピッチとを混合、混錬、成形、焼成してなるブラシ本体と、前記ブラシ本体の一部に接続されているリードとを備えており、燃料ポンプに用いられるカーボン整流子に接触して摺動するカーボンブラシであって、前記ブラシ本体に、かさ密度が１．６６〜１．８２ｇ／ｃｍ３、好ましくは１．６０〜１．７５ｇ／ｃｍ３、ショア硬さが２８〜３４、好ましくは３０〜３４のものであり、３０℃のガソリン中に、２０００時間浸漬した際の層方向の膨潤率が０．０５％以下であるカーボン材料が用いられている。また、前記炭素質フィラーは、コークス５〜３０重量％と、天然黒鉛９５〜７０重量％とを有するものであることが好ましい。また、本発明のカーボンブラシは、タルク、二硫化モリブデン、又は二硫化タングステンをさらに含有してなることが好ましい。
本発明に係るカーボンブラシは、ブラシ本体に、かさ密度が１．６６〜１．８２ｇ／ｃｍ ３ 、ショア硬さが２８〜３４であり、且つ、３０℃のガソリン中に、２０００時間浸漬した際の層方向の膨潤率が０．０５％以下であるカーボン材料が用いられているので、カーボン整流子の摩耗量を抑制でき、しかも膨潤の少ないカーボンブラシとすることができる。
以下、図面を参照しつつ本発明に係るカーボンブラシの実施の形態の一例を具体的に説明する。
本発明に係るカーボンブラシ１１は、例えば、図４に示すような形状で、その一部にはリードが接続されている。このカーボンブラシ１１は、ブラシ本体に、かさ密度が１．６６〜１．８２ｇ／ｃｍ３、好ましくは１．６０〜１．７５ｇ／ｃｍ３、ショア硬さが２８〜３４、好ましくは３０〜３４であるカーボン材料が用いられているものである。また、該カーボン材料は、３０℃のガソリン中に、２０００時間浸漬した際の層方向の膨潤率が０．０５％以下である。また、カーボンブラシ１１は、黒鉛粉末とコークスとを含む炭素質フィラーと、結合剤であるコールタールピッチとで構成されたものを成形し、熱処理してなる。さらに、カーボンブラシ１１は、自己潤滑性を付与するために、タルク、ＭｏＳ２（二硫化モリブデン）、又はＷＳ２（二硫化タングステン）等の添加剤が０．１〜１０重量％添加されたものでもよい。
本発明に係るカーボンブラシ１１は、例えば、図４に示すような形状で、その一部にはリードが接続されている。このカーボンブラシ１１は、ブラシ本体に、かさ密度が１．６６〜１．８２ｇ／ｃｍ３、好ましくは１．６０〜１．７５ｇ／ｃｍ３、ショア硬さが２８〜３４、好ましくは３０〜３４であるカーボン材料が用いられているものである。また、該カーボン材料は、３０℃のガソリン中に、２０００時間浸漬した際の層方向の膨潤率が０．０５％以下である。また、カーボンブラシ１１は、黒鉛粉末とコークスとを含む炭素質フィラーと、結合剤であるコールタールピッチとで構成されたものを成形し、熱処理してなる。さらに、カーボンブラシ１１は、自己潤滑性を付与するために、タルク、ＭｏＳ２（二硫化モリブデン）、又はＷＳ２（二硫化タングステン）等の添加剤が０．１〜１０重量％添加されたものでもよい。
整流子１は、図１および図２に示すように等角度間隔に分割された８個のセグメント２と、セグメント２を支持する樹脂製の支持部３とで構成されている。各セグメント２は、接触部４および接触部４と電気的に接続している銅製端子部５からなる。各セグメント２を分割している溝は支持部３にまで達しているので、各セグメント３は互いに電気的に絶縁されている。爪部５ａは各端子部５の外周側に突出しており、コイルと電気的に接続している。
このように構成されている整流子１は、次のように製造されている。
まず、端子部５と接触する接触部２の端面にニッケルめっきを施し、このニッケル面と端子部５とをはんだ付けする。端子部５は外周に爪部５ａを有する円板状の銅製であり、接触部２はコークスを主成分とするフィラーと、結合剤とで構成され、この結合剤が、炭化されているものである。そして、端子部５に樹脂をモールドして支持部３を形成し、この支持部３に達するまで接触部２および端子部５を分割し、接触部６２および端子部６３を形成する。この後、爪部５ａにコイルをヒュージングして接触部２とコイルとを電気的に接続する。
まず、端子部５と接触する接触部２の端面にニッケルめっきを施し、このニッケル面と端子部５とをはんだ付けする。端子部５は外周に爪部５ａを有する円板状の銅製であり、接触部２はコークスを主成分とするフィラーと、結合剤とで構成され、この結合剤が、炭化されているものである。そして、端子部５に樹脂をモールドして支持部３を形成し、この支持部３に達するまで接触部２および端子部５を分割し、接触部６２および端子部６３を形成する。この後、爪部５ａにコイルをヒュージングして接触部２とコイルとを電気的に接続する。
以下に、下記表１に示す実施例１〜８、参考例１を用いて、本発明を具体的に説明する。
（実施例１〜６）
実施例１〜６のカーボンブラシは、以下のように作製した。まず、表１に示すように、所定重量％の平均粒径２０μｍの天然黒鉛粉末と所定重量％の平均粒径１０μｍのコークスとを含む炭素質フィラーと、所定重量％のコールタールピッチ（結合材）とを混合し、混練した。この混練後のものを、再粉砕し、所定の形状に成形・焼成し、実施例１〜６のカーボンブラシとした。
実施例１〜６のカーボンブラシは、以下のように作製した。まず、表１に示すように、所定重量％の平均粒径２０μｍの天然黒鉛粉末と所定重量％の平均粒径１０μｍのコークスとを含む炭素質フィラーと、所定重量％のコールタールピッチ（結合材）とを混合し、混練した。この混練後のものを、再粉砕し、所定の形状に成形・焼成し、実施例１〜６のカーボンブラシとした。
（参考例１）
表１に示すように、参考例１のカーボンブラシは、コールタールピッチの代わりに、所定重量％のフェノール樹脂を用いた以外、実施例４と同様の方法で作製した。
表１に示すように、参考例１のカーボンブラシは、コールタールピッチの代わりに、所定重量％のフェノール樹脂を用いた以外、実施例４と同様の方法で作製した。
（実施例７、８）
実施例７、８のカーボンブラシは、以下のように作製した。まず、表１に示すように、所定重量％の平均粒径２０μｍの天然黒鉛粉末と所定重量％の平均粒径１０μｍのコークスとを含む炭素質フィラーと、所定重量％のコールタールピッチ（結合材）と、所定重量％のタルクとを混合し、混練した。この混練後のものを、再粉砕し、所定の形状に成形・焼成し、実施例７、８のカーボンブラシとした。
実施例７、８のカーボンブラシは、以下のように作製した。まず、表１に示すように、所定重量％の平均粒径２０μｍの天然黒鉛粉末と所定重量％の平均粒径１０μｍのコークスとを含む炭素質フィラーと、所定重量％のコールタールピッチ（結合材）と、所定重量％のタルクとを混合し、混練した。この混練後のものを、再粉砕し、所定の形状に成形・焼成し、実施例７、８のカーボンブラシとした。
これらを図３に示す試験装置に設置することによって、カーボンブラシ摩耗率を測定した。また、上述の方法で作製した各実施例のカーボンブラシを３０℃のガソリン中に２０００時間浸漬した際の層方向の膨潤率も測定した。なお、この膨潤率の測定は、各実施例のカーボンブラシの層方向である厚さ方向（図４参照）について行った。具体的には、ガソリン浸漬前の厚さをＬ0、ガソリン浸漬後の厚さをＬ1として、（（Ｌ1−Ｌ0）／Ｌ0）×１００（％）なる式から膨潤率の算定を行った。
図３に示す試験装置は、先端に整流子１が設けられたモーター１３と、整流子１に接触するカーボンブラシ１１と、カーボンブラシ１１を整流子１に付勢するスプリング１２とで構成されている。カーボンブラシ摩耗率は、実際に燃料用ポンプのカーボンブラシとして使用した場合を想定して、石油系鉱物油１４雰囲気内で、下記の条件で行った。
回転数：１００００ｍｉｎ-1
整流子：φ２０ｍｍ
カーボンブラシ：図４に示す形状及び寸法のもの
電流：Ｄ．Ｃ．６Ａ
周速：１０（ｍ／ｓ）
回転数：１００００ｍｉｎ-1
整流子：φ２０ｍｍ
カーボンブラシ：図４に示す形状及び寸法のもの
電流：Ｄ．Ｃ．６Ａ
周速：１０（ｍ／ｓ）
また、各実施例のかさ密度（ｇ／ｃｍ3）、硬さ（ショアＣ）、抵抗率（μΩ・ｍ）、曲げ強さ（ＭＰａ）についても測定した。なお、かさ密度はカーボンブラシの重量（ｇ）／体積（ｃｍ3）にて算出した。また、硬さはショアＣ硬度計、抵抗率は電圧降下法、曲げ強さは材料試験機により測定した。
表１に示した測定結果から、各実施例のカーボンブラシは、ブラシ摩耗率が０．２６〜０．８３ｍｍ／１０００ｈと低いことが確認できた。また、これらの各実施例のカーボンブラシを用いた整流子の摩耗率が０．１７〜０．４２ｍｍ／１０００ｈと低いものであることも確認できた。さらに、層方向の膨潤率が０．０５％以下であることも確認できた。
これらの結果より、カーボン整流子の摩耗量を抑制でき、しかも膨潤の少ないカーボンブラシが作製できたことがわかる。
これらの結果より、カーボン整流子の摩耗量を抑制でき、しかも膨潤の少ないカーボンブラシが作製できたことがわかる。
なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。
１ 整流子
２ セグメント
３ 支持部
４ 接触部
５ 端子部
５ａ 爪部
１１ カーボンブラシ
１５ リード
２ セグメント
３ 支持部
４ 接触部
５ 端子部
５ａ 爪部
１１ カーボンブラシ
１５ リード
Claims (3)
- 炭素質フィラーとコールタールピッチとを混合、混錬、成形、焼成してなるブラシ本体と、前記ブラシ本体の一部に接続されているリードとを備えており、燃料ポンプに用いられるカーボン整流子に接触して摺動するカーボンブラシであって、
前記ブラシ本体に、かさ密度が１．６６〜１．８２ｇ／ｃｍ３、ショア硬さが２８〜３４であり、且つ、３０℃のガソリン中に、２０００時間浸漬した際の層方向の膨潤率が０．０５％以下であるカーボン材料が用いられていることを特徴とするカーボンブラシ。 - 前記炭素質フィラーは、コークス５〜３０重量％と、天然黒鉛９５〜７０重量％とを有するものであることを特徴とする請求項１に記載のカーボンブラシ。
- タルク、二硫化モリブデン、又は二硫化タングステンをさらに含有してなる請求項１又は２に記載のカーボンブラシ。
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