WO2012101924A1 - 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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carbon brush
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西尾　誠
慎也 中川
清利 大井
村上　洋一
隆司 福塚
亮一 本保
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トライス株式会社
株式会社デンソー
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/12—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof specially adapted for operating in liquid or gas

Definitions

  • the present invention relates to a carbon brush for a fuel pump and a manufacturing method thereof.
  • Carbon brush used in liquid fuel is built into the fuel pump motor and slides in liquid fuel using the commutator as a sliding partner.
  • the electrical contact is unstable. For this reason, a spark is easily generated between the brush and the commutator, and the generation of the spark is particularly remarkable at the sliding rear end where the brush and the commutator segment are separated.
  • the phenol resin of the binder is almost carbonized because it is fired at a high temperature, and the carbon particles that are the main component of the brush structure are bonded with the carbide of the phenol resin. When a spark is generated, the phenol resin carbide is burned out by the spark, and as a result, the carbon particles are dropped and the brush is worn.
  • Patent Document 1 JP2007-300748A discloses that rectification sparks are suppressed by adding 1 to 10% by mass of TiO 2 to a carbon brush for a fuel pump.
  • Patent Document 2 JP2008-43028A discloses that rectifying sparks are suppressed by adding 5 to 30% by mass of montmorillonite or fibrous potassium titanate to a carbon brush.
  • the carbon brushes of Patent Documents 1 and 2 are insufficient to prevent abnormal wear when the fuel pump motor is operated at a high voltage.
  • An object of the present invention is to provide a carbon brush that does not cause abnormal wear even when a fuel pump motor is operated at a high voltage.
  • the present invention relates to a carbon brush for a fuel pump comprising a brush body and a lead wire connected to the brush body, wherein the brush body is made of carbon and polyetheretherketone PEEK [-O- ⁇ -O- ⁇ -CO- ⁇ n: ⁇ is a benzene ring, and n is a degree of polymerization, for example, about 100-1000).
  • PEEK polyetheretherketone
  • Polyetheretherketone is a highly heat-resistant thermoplastic resin having a melting point of 334 ° C. and a glass transition point of 143 ° C. Since polyether ether ketone has high heat resistance, it is difficult to burn out due to spark discharge with the commutator.
  • the polyether ether ketone content in the brush body is preferably 5% by mass or more and 30% by mass or less, and if it is less than 5% by mass, the strength of the brush is insufficient, resulting in poor durability. Sex is reduced.
  • the carbon in the brush body may be artificial graphite such as electrographite or amorphous carbon, but is preferably natural graphite which is inexpensive and has excellent slidability.
  • the average particle diameter of the polyether ether ketone is, for example, from 5 ⁇ m to 50 ⁇ m, preferably from 15 ⁇ m to 35 ⁇ m, and most preferably from 20 ⁇ m to 30 ⁇ m. Since polyetheretherketone bonds between carbon particles, too large particles are inefficient as binders. For this reason, the average particle diameter is preferably 50 ⁇ m or less, preferably 35 ⁇ m or less, particularly preferably 30 ⁇ m or less. The optimum value of the average particle diameter of the polyether ether ketone is around 25 ⁇ m, and the average particle diameter is preferably 15 ⁇ m or more, particularly preferably 20 ⁇ m or more.
  • Polyether ether ketone having an average particle size that is too small has insufficient ability to prevent abnormal wear, and polyether ether ketone having an average particle size that is too large is inefficient as a binder. Therefore, a mixed powder of a polyether ether ketone having an average particle size of 15 ⁇ m or more and 35 ⁇ m or less, particularly preferably an average particle size of 20 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, and carbon is compression-molded.
  • the present invention also relates to a method for producing a carbon brush for a fuel pump comprising a brush body and a lead wire connected to the brush body, wherein the brush body is a mixed powder mainly composed of carbon and polyetheretherketone.
  • the compression molding and firing may be performed in the same mold, or the brush body may be taken out from the compression molding mold as a separate step, and the firing atmosphere is arbitrary in air, nitrogen, reducing atmosphere, or the like.
  • Polyetheretherketone does not substantially decompose upon firing at 500 ° C. or lower, but preferably the firing temperature is 334 ° C. or higher and 400 ° C. or lower of the melting point.
  • PEEK polyether ether ketone
  • natural graphite powder having an average particle size of 30 ⁇ m
  • This blended powder is molded at a pressure of 3 ⁇ 10 4 N / cm 2 with a powder compression molding machine, and the blended powder is molded and removed from the mold at 350 ° C. (maximum temperature holding time is 60 minutes).
  • the brush material was obtained by heat treatment. This brush was processed into the shape shown in FIG. 1 with a cutting machine, and the lead wire was attached with a copper powder stopper to obtain a finished brush.
  • PEEK is a thermoplastic resin having a structure of [-O- ⁇ - ⁇ -CO- ⁇ -] n ( ⁇ is a benzene ring), and has a melting point of 334 ° C and a glass transition point of 143 ° C.
  • ⁇ is a benzene ring
  • the firing atmosphere is arbitrary, and the maximum temperature during firing is 334 ° C. or higher, which is the melting point of PEEK.
  • 500 ° C. or lower is preferable, and baking at 400 ° C. or lower is particularly preferable.
  • the PEEK content is preferably 5% by mass to 30% by mass with respect to the brush body, and the carbon is preferably natural graphite, but may be amorphous carbon or artificial graphite such as electrographite.
  • the calcination temperature is preferably 334 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, which is the melting point of polyetheretherketone, and particularly preferably higher than or equal to the melting point of polyetheretherketone and 400 ° C. or lower.
  • FIG. 1 shows the structure of the carbon brush 2, wherein 4 is the brush body, 6 is a lead wire, and 8 is a sliding surface with the commutator.
  • the carbon brush of the comparative example was manufactured. 80% by mass of natural graphite powder with an average particle size of 30 ⁇ m and 20% by mass of phenol resin varnish dissolved in methanol with respect to 80% by mass of natural graphite are kneaded with a mixer, dried and pulverized, and one side of the opening is 198 ⁇ m. A sieve was passed through to obtain a blended powder. This blended powder was molded at a pressure of 3 ⁇ 10 4 N / cm 2 with a powder compression molding machine, heated in an electric furnace to 800 ° C. in a reducing atmosphere, and fired to obtain a brush material. Other than that, the carbon brush of the comparative example was made in the same manner as the example.
  • the carbon brushes of Examples and Comparative Examples were tested under the following conditions.
  • the carbon brush was incorporated into a fuel pump motor equipped with a carbon commutator, and the motor was further incorporated into the fuel pump.
  • a voltage of 14 V was applied to the fuel pump immersed in regular gasoline, the voltage was increased by 1 V every 48 hours, and a constant voltage was applied by 48 hours.
  • the final applied voltage was 19V, the total operation time was 288Hr, a test was performed using two pumps, the motor was stopped once every 48Hr elapsed, and the wear amount of the carbon brush and the wear amount of the commutator were measured.
  • the wear amount of the carbon brush is shown in FIG. 2, and the wear amount of the commutator is shown in FIG.

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Abstract

　燃料ポンプ用のカーボンブラシ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、ブラシ本体はカーボンとポリエーテルエーテルケトンとを主成分とする。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。

Description

燃料ポンプ用のカーボンブラシとその製造方法
　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、前記ブラシ本体がカーボン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）とす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。ブラシ本体中のカーボン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、カーボン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3×10４Ｎ／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－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3×10４Ｎ／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 (6)

  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、カーボンとポリエーテルエーテルケトンとを主成分とすることを特徴とする、燃料ポンプ用のカーボンブラシ。
  2. 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、請求項１の燃料ポンプ用のカーボンブラシ。
  3. ブラシ本体中のカーボンが天然黒鉛であることを特徴とする、請求項１または２の燃料ポンプ用のカーボンブラシ。
  4. 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３の燃料ポンプ用のカーボンブラシ。
  5. 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、カーボン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。
  6. 平均粒径が15～35μｍ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ことを特徴とする、請求項５の燃料ポンプ用のカーボンブラシの製造方法。
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