JP6137835B2 - 燃料ポンプ用のカーボンブラシとその製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は燃料ポンプ用のカーボンブラシとその製造方法とに関する。
液体燃料中で使用するカーボンブラシは燃料ポンプモータに組み込まれ、液体燃料中でコンミテータを摺動相手として摺動する。燃料ポンプ用のカーボンブラシでは、ブラシとコンミテータの間に液体燃料が介在するために、電気的な接触が不安定である。このためブラシとコンミテータとの間に火花が発生しやすく、火花の発生は特にブラシとコンミテータセグメントが離れる摺動後端で著しい。従来のカーボンブラシでは、バインダーのフェノール樹脂は高温で焼成するためほとんど炭化しており、ブラシ組織の主成分であるカーボン粒子をフェノール樹脂の炭化物で結合している。火花が発生すると、フェノール樹脂炭化物は火花によって焼損し、この結果、カーボン粒子が脱落し、ブラシが摩耗する。
燃料ポンプモータが低い電圧で動作している間は火花の発生が少ないため、摩耗も大きくならないが、ある電圧を超えると急激にカーボンの脱落が多くなり、摺動後端に面荒れが発生し、凹凸が激しくなる。するとさらに火花が発生しやすくなり、面荒れが著しくなって、ブラシは急激に摩耗して行く。以上のように、燃料ポンプモータを高負荷状態で高い電圧で作動させると、ブラシが短時間で異常に摩耗するいわゆる異常摩耗が発生する。ブラシとコンミテータの寿命は燃料ポンプの重要機能の一つであるため、異常摩耗を確実に排除する必要がある。近年の燃料ポンプモータは、小型で高い燃料圧力を要求されるため、より高速で回転させるために高負荷状態で作動することが多くなっている。そのために異常摩耗が発生するリスクが高まっており、設計上の大きな懸念点となっている。
関連する先行技術を示すと、特許文献1(JP2007−300748A)は燃料ポンプ用のカーボンブラシにTiO2を1〜10質量%添加することにより、整流火花を抑制することを開示している。また特許文献2(JP2008−43028A)は、カーボンブラシにモンモリナイトあるいは繊維状のチタン酸カリウムを5〜30質量%添加することにより、整流火花を抑制することを開示している。しかしながら発明者らの実験によると、特許文献1,2のカーボンブラシは、燃料ポンプモータを高電圧で動作させた際の異常摩耗を防止するには不十分である。
JP2007−300748A JP2008−43028A
この発明の課題は、燃料ポンプモータを高い電圧で作動させても、異常摩耗が発生しないカーボンブラシを提供することにある。
この発明は、ブラシ本体とブラシ本体に接続されたリード線とを備え、燃料ポンプモータに組み込まれ、液体燃料中で前記モータのコンミテータを摺動相手として摺動する燃料ポンプ用のカーボンブラシにおいて、前記ブラシ本体は、天然黒鉛とポリエーテルエーテルケトン(PEEK[-O-φ-O-φ-CO−φ]n:φはベンゼン環,nは重合度で例えば100-1000程度)とを主成分とし、ブラシ本体中のポリエーテルエーテルケトンの含有量が5質量%以上30質量%以下であることを特徴とする。ポリエーテルエーテルケトンは融点が334℃でガラス転移点が143℃の耐熱性の高い熱可塑性樹脂である。ポリエーテルエーテルケトンは耐熱性が高いため、コンミテータとの間の火花放電により焼損しにくい。このため燃料ポンプ用のカーボンブラシに含有させた際に、ブラシの異常摩耗を防止し、ブラシの耐久性を増すことができる。またブラシ本体中のポリエーテルエーテルケトンの含有量は好ましくは5質量%以上30質量%以下とし、5質量%未満ではブラシの強度が不足するため耐久性に欠け、30質量%超ではブラシの導電性が低下する。ブラシ本体中の天然黒鉛は電気黒鉛等の人造黒鉛、あるいは非晶質カーボンでも良いが、好ましくは安価で摺動性に優れた天然黒鉛とする。
ポリエーテルエーテルケトンの平均粒径は例えば5μm以上50μm以下とするが、好ましくは15μm以上で35μm以下、最も好ましくは20μm以上で30μm以下とする。ポリエーテルエーテルケトンはカーボン粒子間を結合するので、大きすぎる粒子はバインダーとして不効率である。このため平均粒径は50μm以下が好ましく、好ましくは35μm以下、特に好ましくは30μm以下とする。ポリエーテルエーテルケトンの平均粒径の最適値は25μm付近に有り、平均粒径は好ましくは15μm以上、特に好ましくは20μm以上とする。
平均粒径が小さすぎるポリエーテルエーテルケトンは異常摩耗を防止する能力が不十分で、平均粒径が大きすぎるポリエーテルエーテルケトンはバインダーとして不効率である。そこで、好ましくは平均粒径が15μm以上35μm以下、特に好ましくは平均粒径が20μm以上30μm以下のポリエーテルエーテルケトンと、カーボンとの混合粉体を圧縮成型する。
またこの発明は、ブラシ本体とブラシ本体に接続されたリード線とを備え、燃料ポンプモータに組み込まれ、液体燃料中で前記モータのコンミテータを摺動相手として摺動する燃料ポンプ用のカーボンブラシの製造方法において、前記ブラシ本体を、天然黒鉛とポリエーテルエーテルケトンとを主成分とする混合粉体を圧縮成型し、ポリエーテルエーテルケトンの融点である334℃以上でかつ500℃以下の温度で焼成することにより製造し、かつブラシ本体中のポリエーテルエーテルケトンの含有量を5質量%以上30質量%以下にすることを特徴とする。なお圧縮成型と焼成は同じ型内で行っても、ブラシ本体を圧縮成型の型から取り出して別のステップとして行っても良く、焼成雰囲気は空気中、窒素中、還元雰囲気中等任意である。ポリエーテルエーテルケトンは500℃以下の焼成では実質的には分解しないが、好ましくは焼成温度は融点の334℃以上で400℃以下とする。
この発明では、燃料ポンプ用カーボンブラシの異常摩耗を防止し、燃料ポンプの信頼性を向上させることができる。
実施例のカーボンブラシの正面図 実施例と比較例でのカーボンブラシの摩耗量を示す特性図 実施例と比較例でのコンミテータの摩耗量を示す特性図
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。本発明は実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に基づいて定められ、かつ実施例に当業者に公知の事項を加えて変形できる。
平均粒径30μmの天然黒鉛粉末92質量%に対し、平均粒径25μmのPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂8質量%を配合し、ブレンダーで均一に混合して配合粉を得る。この配合粉を粉末圧縮成型機で3×10N/cm2の圧力で成型し、配合粉を成型したものを型から取り出して空気中で350℃(最高温度の保持時間は60分)で熱処理してブラシ素材を得た。このブラシを切削加工機で図1の形状に加工し、リード線を銅粉止めで取り付けてブラシ完成品とした。PEEKは[-O−φ−0−φ-CO-φ-]n(φはベンゼン環)の構造の熱可塑性樹脂で、融点は334℃、ガラス転移点は143℃である。350℃での焼成によりPEEK粒子は溶融して天然黒鉛粒子間を接続する。また焼成雰囲気は任意で、焼成時の最高温度は、PEEKの融点である334℃以上で、PEEKの熱分解を避けるため500℃以下が好ましく、400℃以下での焼成が特に好ましい。またPEEKの含有量はブラシ本体に対し5質量%以上30質量%以下が好ましく、カーボンは天然黒鉛が好ましいが、非晶質カーボン、あるいは電気黒鉛等の人造黒鉛でも良い。焼成温度はポリエーテルエーテルケトンの融点の334℃以上で500℃以下が好ましく、特に好ましくはポリエーテルエーテルケトンの融点以上で400℃以下とする。図1にカーボンブラシ2の構造を示し、4は前記のブラシ本体で、6はリード線、8はコンミテータとの摺動面である。
比較例のカーボンブラシを製造した。平均粒径30μmの天然黒鉛粉末80質量%に、天然黒鉛80質量%に対して20質量%のフェノール樹脂ワニスをメタノールに溶かしたものをミキサーで混練、乾燥、粉砕して開口の一辺が198μmの篩いを通過させ、配合粉を得た。この配合粉を粉末圧縮成型機で3×10N/cm2の圧力で成型し、還元雰囲気中、電気炉で800℃に加熱して焼成しブラシ素材を得た。他は実施例と同様にして、比較例のカーボンブラシとした。
実施例と比較例のカーボンブラシを以下の条件で試験した。カーボンブラシをカーボンコンミテータを備えた燃料ポンプモータに組み込み、さらにそのモータを燃料ポンプに組み込んだ。レギュラーガソリン中に浸漬されている燃料ポンプに対して、最初に14Vの電圧を印加し、48Hr経過ごとに1Vずつ電圧を上昇させ、48Hrずつ一定の電圧を加えて動作させた。最終の印加電圧を19V、総運転時間を288Hrとし、2個のポンプを用いて試験を行い、48Hr経過ごとにモータを一旦停止させて、カーボンブラシの磨耗量およびコンミテータの磨耗量を測定した。カーボンブラシの摩耗量を図2に、コンミテータの摩耗量を図3に示す。
図2,図3から明らかなように、比較例では燃料ポンプモータに加える電圧を16V以上にすると、カーボンブラシ、コンミテータ共に異常摩耗が発生した。実施例では、時間と共にカーボンブラシ及びコンミテータの摩耗量が増大するものの、異常摩耗には至らなかった。このようにポリエーテルエーテルケトンをバインダーとして使用することにより、高負荷時に高電圧で燃料ポンプモータを動作させた際の、異常摩耗を防止できることが分かった。
2 カーボンブラシ
4 ブラシ本体
6 リード線
8 摺動面

Claims (4)

  1. ブラシ本体とブラシ本体に接続されたリード線とを備え、燃料ポンプモータに組み込まれ、液体燃料中で前記モータのコンミテータを摺動相手として摺動する燃料ポンプ用のカーボンブラシにおいて、
    前記ブラシ本体は、天然黒鉛とポリエーテルエーテルケトンとを主成分とし、ブラシ本体中のポリエーテルエーテルケトンの含有量が5質量%以上30質量%以下であることを特徴とする、燃料ポンプ用のカーボンブラシ。
  2. 前記ポリエーテルエーテルケトンの平均粒径が15〜35μmであることを特徴とする、請求項1の燃料ポンプ用のカーボンブラシ。
  3. ブラシ本体とブラシ本体に接続されたリード線とを備え、燃料ポンプモータに組み込まれ、液体燃料中で前記モータのコンミテータを摺動相手として摺動する燃料ポンプ用のカーボンブラシの製造方法において、
    前記ブラシ本体を、天然黒鉛とポリエーテルエーテルケトンとを主成分とする混合粉体を圧縮成型し、334℃以上でかつ500℃以下の温度で焼成することにより製造し、かつブラシ本体中のポリエーテルエーテルケトンの含有量を5質量%以上30質量%以下にすることを特徴とする、燃料ポンプ用のカーボンブラシの製造方法。
  4. 平均粒径が15〜35μmのポリエーテルエーテルケトンと天然黒鉛との混合粉体を圧縮成型することを特徴とする、請求項3の燃料ポンプ用のカーボンブラシの製造方法。
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