燃料泵发动机用层压碳刷的制作方法

本发明涉及燃料泵发动机用层压碳刷。

背景技术：

燃料泵发动机用碳刷是在液体燃料中使用的，其相对于换向器滑动。在刷与换向器之间存在液体燃料，电接触是不稳定的。因此，在刷与换向器之间容易产生火花，火花在刷与换向器段(segment of the commutator)分离的滑动后端特别明显。刷、换向器的滑动后端由于火花而损伤、脱落，在滑动面产生凹凸。因此，接触变得更不稳定，产生更大的火花，刷、换向器会在短时间内异常磨损，产生所谓的异常磨损。刷、换向器的寿命是燃料泵的最重要功能，而由于近年来的燃料的多样化和燃料泵的小型化、高输出功率化，燃料泵发动机多在高负荷状态下进行工作。因此，需要防止与火花相伴的异常磨损。

用于防止异常磨损的根本性对策是抑制火花。为了防止异常磨损，研究了通过向刷、换向器添加各种添加材料来提高耐磨损性。但是，提高耐磨损性与抑制火花是不同的。

示出相关的现有技术。专利文献1(JP2012-50276A)提出了将低电阻层与高电阻层层压而成的两层的树脂结合(resin bonded)的层压碳刷。此处，树脂结合是指未碳化的合成树脂作为粘合剂起作用。对于碳刷来说，其具有基于成型时加压方向的电阻率的各向异性，通常是沿着加压方向的电阻率高，与加压方向成直角的面内上的电阻率低。专利文献1的碳刷相对于圆筒状换向器滑动，使得换向器轴向的电阻率提高，使得与其成直角的方向上的电阻率降低。而且，高电阻层中的电阻率在换向器的周向例如为71000μΩ·cm，在轴向例如为760000μΩ·cm。此外，专利文献1的碳刷并不是燃料泵发动机用的，对火花未进行研究。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP2012-50276A

技术实现要素：

发明所要解决的问题

本发明所要解决的问题在于：防止在液体燃料中使用层压碳刷时产生火花和异常磨损。

用于解决问题的手段

本发明为液体泵发动机用层压碳刷，其特征在于，其在液体燃料中相对于盘状换向器的滑动表面滑动，

其至少由低电阻层和高电阻层这两层形成，

换向器旋转时的周向的周向电阻率无论在低电阻层中还是在高电阻层中均比非周向电阻率高，上述非周向电阻率为换向器的径向和与换向器的滑动表面成直角的方向上的电阻率，

并且在高电阻层中的非周向电阻率为90000μΩ·cm以上。

本发明的液体泵发动机用层压碳刷(碳刷)是滑动方向后端侧为高电阻层、前端侧为低电阻层的至少两层的碳刷。此外，也可以在前端侧设置高电阻层，由此制成使沿滑动方向的中心部为低电阻层的三层以上的碳刷。通过使滑动方向后端侧为高电阻层，可以在从换向器段分离时缓慢地增加碳刷与段之间的电阻，由此防止火花。另外，层压碳刷本身是公知的。

对换向器的周向追加了与滑动相伴的前后关系的方向是滑动方向。与周向成直角的方向是非周向，换向器的径向和与滑动面垂直的方向均为非周向。碳刷的电阻率与成型时的加压方向有关，与加压方向平行的方向为高电阻，并且加压方向例如设定为与使用时的周向平行，与加压方向成直角的方向为低电阻，并且为使用时的非周向。而且，与加压方向成直角的两个方向的电阻率基本相等，因此非周向的电阻率无论在换向器的径向上还是在与滑动面垂直的方向上均基本相等。

对于碳刷来说，滑动方向的后端为高电阻层，并且周向的电阻率无论在低电阻层中还是在高电阻层中均比非周向的电阻率高，因此在沿着周向到碳刷的滑动方向后端的路径中导电性低。优选换向器为圆盘状并且换向器的滑动表面为圆形。特别优选换向器的滑动面由碳形成并且换向器沿着圆盘的直径方向被分割成多个段。

本发明使得碳刷的周向电阻率即沿着换向器的周向的电阻率比换向器的直径方向的电阻率和与换向器表面成直角的方向的电阻率高。对于碳刷来说，其具有基于加压方向的电阻率的各向异性，在以使换向器的周向为加压方向的方式进行压制时，可以使周向的电阻率比除此以外的非周向的电阻率高例如四倍以上。在提高周向的电阻率时，可以减小从低电阻层经由高电阻层而流向换向器段的电流，由此可以抑制火花的产生。

如图4所示，在增加高电阻层的电阻率(非周向的电阻率)的情况下，能够使得将碳刷组装到燃料泵发动机时的火花能量减小。特别是，在将高电阻层的电阻率从70000μΩ·cm增加到100000μΩ·cm的情况下，能够完全防止火花的产生。电阻率的上限没有特别意义，但由于使得高电阻层为绝缘层是没有意义的，因此例如为800000μΩ·cm以下，更具体来说为500000μΩ·cm以下。此外，高电阻层的周向的电阻率比非周向的电阻率高例如两倍以上，例如高五倍左右。而且，高电阻层的周向的电阻率比非周向的电阻率高，例如优选为4000000μΩ·cm以下，特别优选为2500000μΩ·cm以下。

高电阻层优选含有滑石、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、三氧化钼、云母、高岭土和蒙皂石等绝缘性无机层状化合物。此外，绝缘性无机层状化合物可以为一种化合物，也可以为多种化合物。蒙皂石例如为蒙脱石、贝得石、绿脱石、皂石、锂蒙脱石、锌蒙脱石、斯皂石。绝缘性无机层状化合物由于硬度低，因此不易成为刷和换向器磨损的原因，并且由于为绝缘性，因此能够提高高电阻层的电阻值。在绝缘性无机层状化合物之中，滑石、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、三氧化钼、云母、高岭土和蒙皂石的硬度低，并且在汽油中和醇中稳定。此外，由于是含有醇的燃料，因此不仅需要在汽油中的稳定性，还需要在醇中的稳定性。

在使高电阻层含有具有自润滑性的绝缘性无机层状化合物时，能够进一步减少刷和换向器的磨损。这样的材料例如有滑石、二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、三氧化钼和云母。

通过以例如粉体的形式加入绝缘性无机层状化合物，能够增加高电阻层的电阻率。另外，除此以外，也能够通过向石墨加入无定形碳、改变石墨和无定形碳的粒径以及改变树脂粘结剂的含量等来改变电阻率。而且，为了使高电阻层的非周向电阻率例如为100000μΩ·cm以上，可以使高电阻层含有10质量％以上且70质量％以下的上述添加物。上述添加物之中最优选的是硬度低的滑石。

低电阻层和高电阻层优选都含有热塑性树脂特别是具有耐热性和对于汽油和醇的耐久性的热塑性树脂作为粘合剂，例如含有聚苯硫醚(PPS)或者聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氧甲烯(POM)、聚酰亚胺(PI)等。这些热塑性树脂由于耐热性高并且热稳定、对于汽油和醇的耐久性高，因此适合浸渍于液体燃料来进行使用。

低电阻层的电阻率优选低，在低电阻层中的非周向电阻率例如优选为10000μΩ·cm以下，特别优选为500μΩ·cm以上且10000μΩ·cm以下。低电阻层的周向电阻率为非周向电阻率的例如五倍左右，因此例如优选为50000μΩ·cm以下，特别优选为2500μΩ·cm以上且50000μΩ·cm以下。

发明效果

本发明通过防止火花的产生，能够防止在燃料泵发动机中的层压碳刷和换向器的异常磨损。

附图说明

图1是一并示出实施例的燃料泵发动机用层压碳刷和换向器的侧视图。

图2是一并示出实施例的燃料泵发动机用层压碳刷和换向器的俯视图。

图3是实施例的燃料泵发动机用层压碳刷的制造工序图，其中，1)表示填充高电阻材料，2)表示填充低电阻材料，3)表示压制，4)表示在热塑性树脂的熔点以上进行热处理，5)表示切削加工，6)表示安装引线。

图4是示出在以18V的直流电压使燃料泵发动机工作时层压碳刷与换向器之间的火花能量的特性图。

图5是示出图4的试验后的刷a的滑动面的照片。

图6是示出图4的试验后的刷c的滑动面的照片。

图7是示出图4的试验后的刷d的滑动面的照片。

具体实施方式

下面，示出用于实施本发明的最佳实施例。本发明并不限于实施例，其是由权利要求书确定的，并且本领域技术人员可向实施例加入公知项目来进行变形。

实施例

燃料泵发动机用层压碳刷的结构

图1、图2示出燃料泵发动机用层压碳刷(碳刷)2和作为滑动对象的换向器20。碳刷2从滑动方向前端5起具备中央部的低电阻层4和滑动方向后端9一侧的高电阻层6，其中，在低电阻层4安装有引线8。低电阻层4与高电阻层6的厚度之比优选为10:1～2:1左右，碳刷的滑动方向前端5(前端)和滑动方向后端9(后端)根据换向器20的直径方向而进行了切割。

换向器20为盘状，并且表面的滑动面例如由碳形成，沿着周向被切断成多个段22。段22之间存在间隙24，26为中心孔。换向器20的旋转方向由图1、图2的空心箭头来表示，相对于碳刷2将与旋转方向平行的方向(周向)设定为x方向，将沿着换向器的滑动表面23与x方向成直角的方向设定为y方向，将与换向器的滑动表面23垂直的方向设定为z方向。y方向和z方向都为非周向。对于碳刷2的低电阻层4和高电阻层6来说，x方向的电阻率比y方向和z方向的电阻率高例如四倍左右，y方向的电阻率与z方向的电阻率基本相等。对于高电阻层6来说，x方向的电阻率比y方向和z方向的电阻率大四倍以上，例如大五倍以上。此外，29为段22的滑动方向后端。

在图1、图2的状态下，高电阻层6从段22a分离，低电阻层4开始与段22b接触。而且，由于x方向的电阻率高，因此由段22a介由高电阻层6向低电阻层4的电流路径的电阻高。由此，高电阻层6与段22a之间的电流变小，可抑制火花的产生。

通过使高电阻层6的电阻率比低电阻层4的电阻率高，在碳刷2从段22分离之时，可缓慢地减小电流，由此防止火花。而且，在燃料泵发动机用的情况下，低电阻层4的电阻率通常优选为10000μΩ·cm以下，实施例为2000μΩ·cm。此外，只要没有特别说明，则电阻率是指非周向的电阻率。但是，由于以前从未对通过层压碳刷来防止火花进行过研究，因此不清楚当使高电阻层6的电阻率为何种情况时能够防止火花。所以，发明人如下那样制造出对高电阻层6的电阻率进行了各种变化的层压碳刷，并对火花的产生状况进行了观察。

碳刷的制造

将92质量％的平均粒径为30μm的天然石墨与8质量％的平均粒径为10μm的热塑性树脂(PPS)粉末混合，对粒度进行调整，由此制成了平均粒径为100μm的低电阻层用混合粉。就高电阻层用，制备了56质量％的平均粒径为30μm的天然石墨、8质量％的平均粒径为70μm的无定形碳和酚醛树脂溶液的混合粉末。此外，酚醛树脂的添加量相对于高电阻层材料的总量为8质量％。将72质量％的上述混合粉末与4质量％的平均粒径为10μm的热塑性树脂(PPS)粉末、24质量％的平均粒径为10μm的滑石粉末混合，对粒度进行调整，由此得到平均粒径为150μm的高电阻层用混合粉。滑石为无机绝缘体，对于汽油和醇等燃料稳定，莫氏硬度低，并且具有自润滑性。

为了使高电阻层的电阻率发生变化，改变滑石含量，由此得到了各种电阻率的高电阻层用混合粉。除此以外，改变无定形碳的含量、石墨和无定形碳的粒径等，由此使高电阻层的电阻率发生了变化。另外，得到了代替滑石而含有二硫化钼、二硫化钨、氮化硼、三氧化钼、云母的高电阻层用混合粉。也可以通过除了滑石含量以外的方法对电阻率进行调整，但当使用硬度低的滑石时，刷与换向器的磨损量少。

如图3所示那样，制造了碳刷2。向具备定模30和下部的动模31的模具填充高电阻层用混合粉32，对低电阻层用混合粉34进行层压，使上部的动模35下降，由此进行压制成型。压制的加压方向与高电阻层用混合粉32和低电阻层用混合粉34的界面成直角。在压制成型后，加热至比作为热塑性树脂的PPS的熔点280℃高的300℃，通过作为粘合剂的PPS来结合材料粉体。接着，根据换向器的形状来加工成型体，安装引线8，制成碳刷2。

试验

将所制得的碳刷2组装到燃料泵发动机，使其在普通汽油中工作。使燃料泵发动机以高输出功率工作，为了在容易产生火花的条件下进行试验，以比通常的电池电源的12V高的18V的直流电源使燃料泵发动机工作1小时。改变滑石含量，由此使碳刷2的高电阻层的电阻率(非周向电阻率)从2000μΩ·cm(仅低电阻层的单层刷)在235000μΩ·cm的范围变化。

使用电流探头和示波器对火花噪音进行计测，由其波形计算出火花能量，并且对试验后的碳刷的滑动面(与换向器的接触面)进行了观察。测定了碳刷的磨损量和换向器的磨损量。发动机输出功率在进行了试验的范围与高电阻层的电阻率无关，是几乎相同的。

结果示于图4和表1。虽然当高电阻层6的电阻率为约70000μΩ·cm以下时产生了火花，但当为100000μΩ·cm以上时未产生火花。即，当高电阻层6的电阻率在70000μΩ·cm与100000μΩ·cm之间时，火花的产生状况发生了临界变化。

试验后的试样a、c、d中的滑动面示于图5、图6、图7。对于试样a(图5)和试样c(图6)来说，在滑动方向后端观察到严重的粗糙，但对于试样d(图7)来说，滑动面在后端部是平滑的，未观察到与火花相伴的磨损。另外，对于通过改变碳刷的加压方向使得换向器的直径方向的电阻率得以提高的试样g来说，产生了火花，但对于除了加压方向以外相同的试样d来说，未产生火花。这表明了：通过提高周向的电阻率，能够抑制火花。

表1

*1滑石含有率的单位为质量％，

*2高电阻层的电阻率的单位为μΩ·cm，并且示出非加压方向的电阻率和加压方向的电阻率，

*3火花能量的单位为μA·ms，

*4刷磨损量和换向器磨损量的单位为mm，

*5试样g为除了将y方向(非周向)作为加压方向并增加电阻率以外与试样d同样地将周向作为加压方向的比较例，

*6对于除了试样g以外的各试样来说，高电阻层的周向的电阻率为非周向的电阻率的约五倍，

*7各试样均是低电阻层的非周向的电阻率为2000μΩ·cm、周向的电阻率为10000μΩ·cm。

此外，在加压方向为周向的情况下，就算通过滑石来调整电阻率，就算通过二硫化钼等其它自润滑剂来调整电阻率，或者就算将石墨等的粒径等加入电阻率的调整，当使高电阻层的电阻率为100000μΩ·cm以上时，也不产生火花。

符号说明

2 燃料泵发动机用层压碳刷(碳刷)

4 低电阻层

5 滑动方向前端

6 高电阻层

8 引线

9、29 滑动方向后端

20 换向器

22 段

23 滑动表面

24 间隙

26 中心孔

30 定模

31、35 动模

32 高电阻层用混合粉

34 低电阻层用混合粉