JPWO2016010104A1 - 燃料ポンプモータ用の積層カーボンブラシ - Google Patents
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Abstract
液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシは、液体燃料中で、ディスク状のコンミュテータに対して摺動する。積層カーボンブラシは、低抵抗層と高抵抗層の２層から成り、コンミュテータの回転での周方向の周方向抵抗率が、低抵抗層でも高抵抗層でも、コンミュテータの径方向及びコンミュテータの摺動表面に直角な方向での抵抗率である、非周方向抵抗率よりも高く、かつ高抵抗層での非周方向抵抗率が90,000μΩ・cm以上である。燃料ポンプモータを高出力で作動させても、火花放電が発生しない。
Description
この発明は燃料ポンプモータ用の積層カーボンブラシに関する。
燃料ポンプモータ用のカーボンブラシは液体燃料中で使用され、コンミュテータに対して摺動する。ブラシとコンミュテータの間には液体燃料が有り、電気的な接触は不安定である。この為ブラシとコンミュテータの間に火花が発生しやすく、火花はブラシとコンミュテータセグメントが離れる摺動後端で特に著しい。火花によりブラシやコンミュテータの摺動後端は損傷、脱落し、摺動面に凹凸が発生する。するとさらに接触が不安定となり、より大きな火花が発生し、ブラシやコンミュテータは短時間で異常に摩耗し、いわゆる異常摩耗が発生する。ブラシやコンミュテータの寿命は燃料ポンプの最重要機能で、近年の燃料の多様化や燃料ポンプの小型化、高出力化により、燃料ポンプモータは高負荷状態で作動することが多くなっている。その為、火花に伴う異常摩耗を防止することが必要である。
異常摩耗を防止する為の、根本的な対策は火花を抑制することである。異常摩耗を防止するため、ブラシやコンミュテータへの各種の添加材により、耐摩耗性を向上させることが検討されている。しかし耐摩耗性を向上させることと、火花の抑制とは別のことである。
関連する先行技術を示す。特許文献１（JP2012-50276A）は、低抵抗層と高抵抗層とを積層した、２層のレジンボンドの積層カーボンブラシを提案している。ここにレジンボンドは、炭化していない合成樹脂がバインダーとして作用していることを意味する。カーボンブラシには成形時の加圧方向に基づく抵抗率の異方性があり、一般に加圧方向に沿っての抵抗率は高く、加圧方向に直角な面内での抵抗率は低い。特許文献１のカーボンブラシは、円筒状のコンミュテータに対して摺動し、コンミュテータの軸方向の抵抗率を高くし、これに直角な方向での抵抗率を低くしている。そして高抵抗層での抵抗率は、コンミュテータの周方向で例えば71,000μΩ・cm、軸方向で例えば760,000μΩ・cmとされている。なお特許文献１のカーボンブラシは燃料ポンプモータ用ではなく、火花に付いては検討していない。
この発明の課題は、積層カーボンブラシを液体燃料中で使用する際の、火花と異常摩耗との発生を防止することにある。
この発明は、液体燃料中で、ディスク状のコンミュテータの摺動表面に対して摺動する、液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシであって、
低抵抗層と高抵抗層の少なくとも２層から成り、
コンミュテータの回転での周方向の周方向抵抗率が、低抵抗層でも高抵抗層でも、コンミュテータの径方向及びコンミュテータの摺動表面に直角な方向での抵抗率である、非周方向抵抗率よりも高く、
かつ高抵抗層での非周方向抵抗率が90,000μΩ・cm以上であることを特徴とする。
低抵抗層と高抵抗層の少なくとも２層から成り、
コンミュテータの回転での周方向の周方向抵抗率が、低抵抗層でも高抵抗層でも、コンミュテータの径方向及びコンミュテータの摺動表面に直角な方向での抵抗率である、非周方向抵抗率よりも高く、
かつ高抵抗層での非周方向抵抗率が90,000μΩ・cm以上であることを特徴とする。
この発明の液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシ（カーボンブラシ）は、摺動方向後端側が高抵抗層、前端側が低抵抗層の少なくとも２層のカーボンブラシである。なお前端側にも高抵抗層を設けて、摺動方向に沿った中心部を低抵抗層とした、３層以上のカーボンブラシとしても良い。摺動方向後端側を高抵抗層とすることにより、コンミュテータのセグメントから離れる際に、カーボンブラシとセグメント間の抵抗を徐々に増して、火花を防止する。なお積層カーボンブラシ自体は公知である。
コンミュテータの周方向に摺動に伴う前後の関係を追加したものが摺動方向である。周方向に直角な方向が非周方向で、コンミュテータの径方向と摺動面に垂直な方向は共に非周方向である。カーボンブラシの抵抗率は成形時の加圧方向と関係があり、加圧方向と平行な方向が高抵抗で、加圧方向は使用時の周方向と例えば平行にし、加圧方向に直角な方向は低抵抗で、使用時の非周方向となる。そして加圧方向に直角な２方向での抵抗率は基本的に等しいので、非周方向の抵抗率はコンミュテータの径方向でも摺動面に垂直な方向でも基本的に等しい。
カーボンブラシは摺動方向の後端が高抵抗層で、低抵抗層でも高抵抗層でも周方向の抵抗率が非周方向の抵抗率よりも高いので、周方向に沿ってカーボンブラシの摺動方向後端へ到る経路では導電性が低い。好ましくはコンミュテータは円盤状で、コンミュテータの摺動表面は円形である。特に好ましくはコンミュテータは摺動面がカーボンから成り、円盤の直径方向に沿ってコンミュテータは複数のセグメントに分割されている。
この発明では、カーボンブラシの周方向抵抗率、即ちコンミュテータの周方向に沿った抵抗率を、コンミュテータの直径方向の抵抗率及びコンミュテータ表面に直角な方向の抵抗率よりも高くする。カーボンブラシには加圧方向に基づく抵抗率の異方性があり、コンミュテータの周方向が加圧方向になるようにプレスすると、周方向の抵抗率を、それ以外の非周方向の抵抗率よりも、例えば４倍以上高くできる。周方向の抵抗率を高くすると、低抵抗層から高抵抗層を経由してコンミュテータのセグメントへ流れる電流を減らすことができ、これによって火花の発生を抑制できる。
図４に示すように、高抵抗層の抵抗率（非周方向の抵抗率）を増すと、燃料ポンプモータにカーボンブラシを組み込んだ際の火花エネルギを小さくできる。特に高抵抗層の抵抗率を70,000μΩ・cmから100,000μΩ・cmに増すと、火花の発生を完全に防止できる。抵抗率の上限には特に意味はないが、高抵抗層が絶縁層では意味が無いので、例えば800,000μΩ・cm以下、より具体的には500,000μΩ・cm以下とする。なお高抵抗層の周方向の抵抗率は、非周方向の抵抗率よりも例えば２倍以上高く、例えば５倍程度高い。そして高抵抗層の周方向の抵抗率は、非周方向の抵抗率よりも高く、例えば4,000,000μΩ・cm以下、特に2,500,000μΩ・cm以下が好ましい。
好ましくは、高抵抗層は、タルク、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、三酸化モリブデン、マイカ、カオリン、及びスメクタイト等の、絶縁性の無機層状化合物を含有する。なお絶縁性の無機層状化合物は、１種類の化合物でも複数種類の化合物でも良い。スメクタイトは、例えばモンモリロナイト、バイデライト、ノントロナイト、サポナイト、ヘクトライト、ソーコナイト、スチーブンサイトである。絶縁性の無機層状化合物は硬度が低いので、ブラシとコンミュテータの摩耗の原因となりにくく、絶縁性なので高抵抗層の抵抗値を高くできる。絶縁性の無機層状化合物の内で、タルク、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、三酸化モリブデン、マイカ、カオリン、及びスメクタイトは硬度が低く、またガソリン中及びアルコール中で安定である。なおアルコールを含有する燃料のため、ガソリン中のみでなく、アルコール中での安定性も必要である。
自己潤滑性がある絶縁性の無機層状化合物を高抵抗層に含有させると、ブラシとコンミュテータの摩耗をさらに少なくできる。このような材料には例えば、タルク、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、三酸化モリブデン、及びマイカがある。
絶縁性の無機層状化合物を、例えば粉体として加えることにより、高抵抗層の抵抗率を増すことができる。またこれ以外に、黒鉛に無定形炭素を加えること、黒鉛及び無定形炭素の粒径を変えること、及び樹脂バインダの含有量を変えること等によっても、抵抗率を変えることができる。そして高抵抗層の非周方向抵抗率を例えば100,000μΩ・cm以上にするには、上記の添加物を10mass%以上で70mass%以下、高抵抗層に含有させると良い。上記の添加物で最も好ましいのは、硬度が低いタルクである。
好ましくは、低抵抗層と高抵抗層とが共に、熱可塑性樹脂、特に耐熱性とガソリン及びアルコールへの耐久性とを備える熱可塑性樹脂、例えばポリフェニレンサルファイド（PPS）、あるいはポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ポリオキシメチレン（POM）、ポリイミド（PI）等を、バインダーとして含有する。これらの熱可塑性樹脂は耐熱性が高く熱的に安定であり、ガソリン及びアルコールへの耐久性が高いので、液体燃料に浸して使用することに適している。
低抵抗層の抵抗率は低いことが好ましく、低抵抗層での非周方向抵抗率は例えば10,000μΩ・cm以下で、特に500μΩ・cm以上10,000μΩ・cm以下が好ましい。低抵抗層の周方向抵抗率は、非周方向抵抗率の例えば５倍程度となるので、例えば50,000μΩ・cm以下で、特に2500μΩ・cm以上50,000μΩ・cm以下が好ましい。
この発明では、火花の発生を防止することにより、燃料ポンプモータでの積層カーボンブラシとコンミュテータの異常摩耗を防止できる。
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。
燃料ポンプモータ用の積層カーボンブラシの構造
図１，図２に、燃料ポンプモータ用の積層カーボンブラシ（カーボンブラシ）２と、摺動相手のコンミュテータ２０とを示す。カーボンブラシ２は摺動方向前端５から中央部の低抵抗層４と、摺動方向後端９側の高抵抗層６とを備え、低抵抗層４にリード線８が取り付けられている。低抵抗層４と高抵抗層６との厚さの比は10:1〜2:1程度が好ましく、カーボンブラシの摺動方向前端５（前端）と摺動方向後端９（後端）は、コンミュテータ２０の直径方向に合わせて、カットしてある。
図１，図２に、燃料ポンプモータ用の積層カーボンブラシ（カーボンブラシ）２と、摺動相手のコンミュテータ２０とを示す。カーボンブラシ２は摺動方向前端５から中央部の低抵抗層４と、摺動方向後端９側の高抵抗層６とを備え、低抵抗層４にリード線８が取り付けられている。低抵抗層４と高抵抗層６との厚さの比は10:1〜2:1程度が好ましく、カーボンブラシの摺動方向前端５（前端）と摺動方向後端９（後端）は、コンミュテータ２０の直径方向に合わせて、カットしてある。
コンミュテータ２０はディスク状で、表面の摺動面は例えばカーボンから成り、周方向に沿って複数のセグメント２２に切断されている。セグメント２２間にはギャップ２４があり、２６はセンター孔である。コンミュテータ２０の回転方向を図１，図２の白抜き矢印で示し、カーボンブラシ２に対し、回転方向に平行な方向（周方向）をx方向、コンミュテータの摺動表面２３に沿ってx方向に直角な方向をy方向、コンミュテータの摺動表面２３に垂直な方向をz方向とする。y方向とz方向は共に非周方向である。カーボンブラシ２の低抵抗層４と高抵抗層６は、x方向の抵抗率がy方向及びz方向の抵抗率よりも例えば４倍程度高く、y方向の抵抗率とz方向の抵抗率は基本的に等しい。高抵抗層６では、x方向の抵抗率はy方向及びz方向の抵抗率よりも４倍以上大きく、例えば５倍以上大きい。なお２９はセグメント２２の摺動方向後端である。
図１，図２の状態で、高抵抗層６はセグメント２２ａから離れ、低抵抗層４はセグメント２２ｂとの接触を開始している。そしてx方向の抵抗率が高いので、セグメント２２ａから高抵抗層６を介して低抵抗層４への電流経路の抵抗は高い。これにより、高抵抗層６とセグメント２２ａ間の電流が小さくなり、火花の発生を抑制する。
高抵抗層６の抵抗率が低抵抗層４の抵抗率よりも高いことにより、セグメント２２からカーボンブラシ２が離れる際に、電流を徐々に小さくして火花を防止する。また低抵抗層４の抵抗率は、燃料ポンプモータ用では一般に、10,000μΩ・cm以下が好ましく、実施例では2,000μΩ・cmとする。なお抵抗率は特に断らない限り、非周方向の抵抗率を意味する。しかしながら積層カーボンブラシにより火花を防止することは検討されていなかったので、高抵抗層６の抵抗率をどのようにすれば火花を防止できるのかは不明であった。そこで発明者は、高抵抗層６の抵抗率を様々に変えた積層カーボンブラシを、以下のように製造し、火花の発生状況を観察した。
カーボンブラシの製造
平均粒径30μｍの天然黒鉛92mass%と、平均粒径10μｍの熱可塑性樹脂（PPS）粉末8mass%を混合し、粒度を調整して平均粒径100μｍの低抵抗層用混合粉とした。高抵抗層用に、平均粒径30μｍの天然黒鉛56mass%と、平均粒径70μｍの無定形炭素8mass%、及びフェノール樹脂溶液の混合粉末を調製した。なおフェノール樹脂の添加量は、高抵抗層材料の全量に対して8mass%とした。上記の混合粉末72mass%と平均粒径10μｍの熱可塑性樹脂（PPS）粉末4mass%、平均粒径10μｍのタルク粉末24mass%を混合し、粒度調整して平均粒径150μｍの高抵抗層用混合粉を得た。タルクは無機絶縁体で、ガソリン及びアルコール等の燃料に対して安定で、モース硬度が低く、かつ自己潤滑性がある。
平均粒径30μｍの天然黒鉛92mass%と、平均粒径10μｍの熱可塑性樹脂（PPS）粉末8mass%を混合し、粒度を調整して平均粒径100μｍの低抵抗層用混合粉とした。高抵抗層用に、平均粒径30μｍの天然黒鉛56mass%と、平均粒径70μｍの無定形炭素8mass%、及びフェノール樹脂溶液の混合粉末を調製した。なおフェノール樹脂の添加量は、高抵抗層材料の全量に対して8mass%とした。上記の混合粉末72mass%と平均粒径10μｍの熱可塑性樹脂（PPS）粉末4mass%、平均粒径10μｍのタルク粉末24mass%を混合し、粒度調整して平均粒径150μｍの高抵抗層用混合粉を得た。タルクは無機絶縁体で、ガソリン及びアルコール等の燃料に対して安定で、モース硬度が低く、かつ自己潤滑性がある。
高抵抗層の抵抗率を変化させるため、タルク含有量を変えて様々な抵抗率の高抵抗層用混合粉を得た。これ以外に、無定形炭素の含有量、黒鉛と無定形炭素の粒径等を変えて、高抵抗層の抵抗率を変化させた。またタルクの代わりに、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、窒化ホウ素、三酸化モリブデン、マイカを含有させた、高抵抗層用混合粉を得た。タルク含有量以外の方法で抵抗率を調整しても良いが、硬度が低いタルクを用いると、ブラシとコンミュテータの摩耗量が少なかった。
図３のようにして、カーボンブラシ２を製造した。固定型３０と下部の可動型３１とを備えた金型に、高抵抗層用混合粉３２を充填し、低抵抗層用混合粉３４を積層し、上部の可動金型３５を下降させて、プレス成形した。プレスの加圧方向は、高抵抗層用混合粉３２と低抵抗層用混合粉３４との界面に直角である。プレス成形後に、熱可塑性樹脂であるPPSの融点280℃よりも高い300℃に加熱し、材料粉体をバインダーのPPSにより結合した。次いで成形体を、コンミュテータの形状に合わせて加工し、リード線８を取り付け、カーボンブラシ２とした。
試験
作製したカーボンブラシ２を燃料ポンプモータに組み込み、レギュラーガソリン中で作動させた。燃料ポンプモータを高出力で動作させ、火花が発生しやすくなっている条件で試験するため、通常のバッテリー電源の12Vよりも高い18Vの直流電源により、燃料ポンプモータを１Hr動作させた。カーボンブラシ２の高抵抗層の抵抗率（非周方向抵抗率）を、タルク含有量を変えて、2000μΩ・cm（低抵抗層のみの単層ブラシ）から、235,000μΩ・cmの範囲で変化させた。
作製したカーボンブラシ２を燃料ポンプモータに組み込み、レギュラーガソリン中で作動させた。燃料ポンプモータを高出力で動作させ、火花が発生しやすくなっている条件で試験するため、通常のバッテリー電源の12Vよりも高い18Vの直流電源により、燃料ポンプモータを１Hr動作させた。カーボンブラシ２の高抵抗層の抵抗率（非周方向抵抗率）を、タルク含有量を変えて、2000μΩ・cm（低抵抗層のみの単層ブラシ）から、235,000μΩ・cmの範囲で変化させた。
カレントプローブとオシロスコープを用い、火花ノイズを計測し、その波形から火花エネルギーを算出し、また試験後のカーボンブラシの摺動面（コンミュテータとの接触面）を観察した。カーボンブラシの摩耗量とコンミュテータの摩耗量とを測定した。モータ出力は、試験した範囲では、高抵抗層の抵抗率によらずほぼ同等であった。
図４と表１に結果を示す。高抵抗層６の抵抗率が約70,000μΩ・cm以下では火花が発生したが、100,000μΩ・cm以上では火花が発生しなかった。即ち、高抵抗層６の抵抗率が70,000μΩ・cmと100,000μΩ・cmの間で、火花の発生状況が臨界的に変化した。
試験後の試料a,c,dでの摺動面を図５，図６，図７に示す。試料a（図５）及び試料c（図６）では摺動方向後端に激しい荒れが観察されたが、試料d（図７）では後端部で摺動面は平滑であり、火花に伴う摩耗は観察されなかった。またカーボンブラシの加圧方向を変えて、コンミュテータの直径方向の抵抗率を高くした試料gでは火花が発生したが、加圧方向以外は同様の試料dでは火花は発生しなかった。このことは、周方向の抵抗率を高くすることにより、火花を抑制できることを示している。
*2 高抵抗層の抵抗率はμΩ・cm単位で非加圧方向の抵抗率と加圧方向の抵抗率とを示し、
*3 火花エネルギの単位はμA・ms、
*4 ブラシ摩耗量とコンミュテータ摩耗量の単位はmm、
*5 試料gは、y方向（非周方向）を加圧方向として抵抗率を増し、他は試料dと同様に周方向を加圧方向とした比較例、
*6 試料g以外の各試料では、高抵抗層の周方向の抵抗率は、非周方向の抵抗率の約５倍、
*7 各試料とも、低抵抗層の非周方向の抵抗率は2000μΩ・cm、周方向の抵抗率は10000μΩ・cm。
なお、加圧方向が周方向である場合、タルクによって抵抗率を調整しても、二硫化モリブデン等の他の自己潤滑剤によって抵抗率を調整しても、あるいは黒鉛等の粒径等を抵抗率の調整に加えても、高抵抗層の抵抗率を100,000μΩ・cm以上にすると、火花は発生しなかった。
２ 燃料ポンプモータ用の積層カーボンブラシ（カーボンブラシ）
４ 低抵抗層
５ 摺動方向前端
６ 高抵抗層
８ リード線
９，２９ 摺動方向後端
２０ コンミュテータ
２２ セグメント
２３ 摺動表面
２４ ギャップ
２６ センター孔
３０ 固定型
３１，３５ 可動型
３２ 高抵抗層用混合粉
３４ 低抵抗層用混合粉
４ 低抵抗層
５ 摺動方向前端
６ 高抵抗層
８ リード線
９，２９ 摺動方向後端
２０ コンミュテータ
２２ セグメント
２３ 摺動表面
２４ ギャップ
２６ センター孔
３０ 固定型
３１，３５ 可動型
３２ 高抵抗層用混合粉
３４ 低抵抗層用混合粉
Claims (12)
- 液体燃料中で、ディスク状のコンミュテータの摺動表面に対して摺動する、液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシであって、
低抵抗層と高抵抗層の少なくとも２層から成り、
コンミュテータの回転での周方向の周方向抵抗率が、低抵抗層でも高抵抗層でも、コンミュテータの径方向及びコンミュテータの摺動表面に直角な方向での抵抗率である、非周方向抵抗率よりも高く、
かつ高抵抗層での非周方向抵抗率が90,000μΩ・cm以上であることを特徴とする、液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシ。 - 高抵抗層が絶縁性の無機層状化合物を含有することを特徴とする、請求項１の液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシ。
- 高抵抗層が、絶縁性の無機層状化合物として、自己潤滑性の絶縁性の無機層状化合物を含有することを特徴とする、請求項２の液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシ。
- 高抵抗層が、絶縁性の無機層状化合物を、10mass%以上で70mass%以下含有することを特徴とする、請求項２の液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシ。
- 高抵抗層がタルクを含有することを特徴とする、請求項２の液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシ。
- 低抵抗層と高抵抗層とが共に熱可塑性樹脂を含有することを特徴とする、請求項１の液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシ。
- 低抵抗層と高抵抗層とが共に熱可塑性樹脂を含有することを特徴とする、請求項２の液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシ。
- 高抵抗層での非周方向抵抗率が800,000μΩ・cm以下であることを特徴とする、請求項１の液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシ。
- 高抵抗層での周方向抵抗率は、4,000,000μΩ・cm以下であることを特徴とする、請求項８の液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシ。
- 低抵抗層での非周方向抵抗率が10,000μΩ・cm以下であることを特徴とする、請求項１の液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシ。
- 低抵抗層での周方向抵抗率が50,000μΩ・cm以下であることを特徴とする、請求項９の液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシ。
- コンミュテータは円盤状で、コンミュテータの摺動表面は円形であることを特徴とする、請求項１の液体ポンプモータ用の積層カーボンブラシ。
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