(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維を主体とする補強繊維を含む繊維強化樹脂で形成される主要部分と、該主要部分の表層部に５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するピッチ系炭素繊維を体積分率として３５％以上含む繊維強化樹脂層を配してなることを特徴とするパンタグラフ用集電舟体。
【請求項２】
主要部分を形成する繊維強化樹脂中の炭素繊維がＰＡＮ系炭素繊維であることを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ用集電舟体。
【請求項３】
請求項１又は２のパンタグラフ用集電舟体を用いたことを特徴とするパンタグラフ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は鉄道車両等の高速電気車両用集電装置（以下にパンタグラフと呼ぶ）の集電舟体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パンタグラフの集電舟体（架線と接触する部分）にはアルミが用いられてきたが、鉄道の高速化にともなう離線率の増加、車両走行時のアークによる舟体の損傷等の問題を有している。これらの問題を解決すべく、特開昭５９−９９９０１、特開昭６２−２１７８０６号公報に見られるように、炭素繊維強化樹脂製の舟体が提案され、表面へのセラミック溶射等による絶縁層の付与が提案されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高速走行時の架線とパンタグラフ摺り板間の摩擦発熱や、アークにより摺り板および摺り板を取り付けてある舟体は高温となる場合があり、この熱のため従来の炭素繊維強化樹脂製舟体では強度が低下したり、耐久性が損なわれ寿命が短くなるおそれがあった。摺り板および舟体の温度は２００℃から３００℃にまで達する場合があると言われており、一般的な繊維強化樹脂製部材の耐熱温度を越えている。
【０００４】
即ち、これまでに提案された、繊維強化樹脂製舟体では高温の摺り板からの伝熱やアーク飛来による熱が舟体の内部まで伝わり、全体が高温となるため、マトリックス樹脂の軟化もしくは劣化をひきおこす場合があった。
本発明は、上記のような熱による舟体の性能低下を防止し、高強度、長寿命の舟体を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する炭素繊維を体積分率として３５％以上含む繊維強化樹脂複合材を舟体表層部に配することにより摺り板からの伝熱やアークの飛来により舟体にもたらされる熱を舟体内部にほとんど伝えずに表層部で拡散させ、内部の炭素繊維強化樹脂の温度上昇を抑えることを特徴としている。
【０００６】
以下、本発明を詳細に説明する。
電気車両用パンタグラフの集電舟体は中空角パイプ、コの字断面棒、平板、飛行機の水平尾翼類似形状など様々な形状が考案されている。従って、本発明の集電舟体もこれらの任意の形状を採用できる。又、集電舟体の厚みは使用する炭素繊維の物性と、パンタグラフにかかる荷重により、適正に定めることができる。
【０００７】
本発明にかかる舟体は、炭素繊維を主体とする補強繊維とマトリックス樹脂を複合化した繊維強化樹脂で主要部分を形成されたものである。使用する炭素繊維の種類は、舟体が十分な剛性と強度を確保できるものを使用すればよく、特に限定されるものではないが、引っ張り弾性率２０ｔｏｎ／ｍｍ２  以上７０ｔｏｎ／ｍｍ２  以下、引っ張り強度３００ｋｇ／ｍｍ２  以上５００ｋｇ／ｍｍ２  以下の炭素繊維が望ましい。更に、補強繊維としては炭素繊維を主体とするが、絶縁性、靱性等を付与する為、ガラス繊維、アラミド繊維などを炭素繊維と混合して、あるいは独立した層として一部使用することも可能である。マトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、またはポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリアミド等の熱可塑性樹脂が用いられる。好ましくは、エポキシ樹脂が用いられる。
【０００８】
本発明の舟体は、繊維を一方向に引き揃えて上記マトリックス樹脂を含浸した一方向プリプレグ、織物や繊維マットにマトリックス樹脂を含浸した織物プリプレグや、樹脂含浸マットを単独ないしは、例えば複数の一方向プリプレグを０°、±４５°、９０°と方向をかえて組み合わせて積層したり、フィラメントワインディング法により型に繊維を巻き付け樹脂を含浸したりしたのち、必要に応じてオートクレーブ、プレス等で加熱、加圧等の操作を行い成形することができる。
【０００９】
そして本発明の最大の特徴は、少なくとも舟電体の表層部の層に、熱伝導度が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の炭素繊維を補強繊維とする繊維強化樹脂複合材を配することである。ここで表層部とは、後述する保護層等の表面を除いた実質的な舟体の架線との接触側の表面のことであり、その層の厚みは要求される性能に応じて決めればよいが、具体的には通常保護層も含めた表面から１ｍｍ以内であることが好ましい。アーク等により舟体表面の一部が加熱されたときに熱が舟体内部に伝わらず、舟体表面方向に拡散するように、高熱伝導の炭素繊維を含む層はこの繊維の体積分率が３５％以上で、繊維の配向方向が舟体表面にほぼ平行な方向となるようにすることが必要である。したがって、フィラメントワインディング法による繊維束の巻き付けや、一方向プリプレグ、織物プリプレグのシート巻き付け法により高熱伝導率炭素繊維の層を形成することができる。この高熱伝導率炭素繊維の層は、表面の一部が加熱されたときに加熱部の熱を周囲に拡散させることを目的としているから、舟体外表面全体あるいは、パンタグラフ使用時に加熱される箇所およびその周辺に限定して設ければ良く、その厚みは０．１ｍｍ以上、更に好ましくは０．３ｍｍ以上が良い。又、この表層部の内側には、強度面、軽量化、あるいはコストの面からの要求から、他の繊維強化樹脂層、例えば上記高熱伝導率以外の炭素繊維、ガラス繊維、ケプラー繊維等を強化繊維とする層、及び、又は、アルミハニカム材、ウレタン樹脂等の層を設けることができる。
【００１０】
これらの内側の繊維強化樹脂層に用いられるマトリックス樹脂と高熱伝導率炭素繊維層のマトリックスとして同じ樹脂、好ましくはエポキシ樹脂を用いて、一体成形することが望ましい。また、高熱伝導率炭素繊維強化樹脂層からの放熱を著しく妨げない範囲において、その外側に、電気絶縁性、耐亀裂性等の性質を付与するため、セラミックスコーティング層や他の繊維のプリプレグ層など上記高熱伝導率炭素繊維以外の材料の保護層を設けても良い。これにより舟体のアーク飛来部や、摺り板取付部に電気絶縁層や断熱層を設けて、舟体へのアークの飛来を低減したり、摺り板からの熱の伝導を抑制し、本発明の効果を高めることができる。
【００１１】
高熱伝導性炭素繊維はＰＡＮ系、ピッチ系、レーヨン系などの種類を限定しないが、舟体表面近傍に配したとき、加熱部の熱を周囲表面に拡散し易い繊維方向には熱伝導率が高く、繊維と直交方向には熱伝導率が低い異方性の高い、ピッチ系炭素繊維が好ましい。
本発明のパンタグラフ用集電舟体は、常法に従い、パンタグラフに組み込むことができる。すなわち、パンタグラフのアーム上の集電舟の上部に取り付けられ、その上に集電板を取り付けて用いることができる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の舟体は、パンタグラフに組み込んで使用した場合、アーク等の熱による舟体内部の物性低下や劣化が起こりにくく、高速走行にも適した耐久性の高い高信頼性の舟体としての性能を発揮する。そしてパンタグラフとしては、メインテナンスの手間のかからない、パンタグラフを得ることができる。
【００１３】
【実施例】
実施例１
弾性率２４ｔｏｎ／ｍｍ２  のＰＡＮ系炭素繊維（熱伝導率１７Ｗ／ｍ・Ｋ）に１２０℃硬化型のエポキシ樹脂を含浸した厚さ０．２ｍｍ、繊維体積含有率５７％の一方向プリプレグ「ＨｙＥＪ２０」（化成コンポジット株式会社製）を０°、±４５°、９０°の方向に組み合わせて、それぞれ４枚、各２枚、２枚を用い、計１０層を積層し、その外側、両面に熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋを有するピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製「ダイアリードＫ１３７」）の１２０℃硬化型エポキシ樹脂含浸一方向プリプレグ（厚さ０．３ｍｍ、繊維体積含有率５５％）を９０°、０°に各１層積層し、オートクレーブ中にして硬化し、計１４層、厚み３．２ｍｍの硬化積層板を得た。この積層板から０°方向に長さ１０００ｍｍ、幅５０ｍｍの板を切り出し、以下の耐熱テストを実施した。
【００１４】
長さ３００ｍｍ、幅２００ｍｍの電気式ヒートプレートを表面温度２８０℃まで加熱しておき、この上に上記の耐熱試験片を置き、試験片中央部が長さ３００ｍｍにわたって直接ヒーターで加熱されるようにし、３０分間放置したが、この間、発煙はなかった。その後、試験片のヒーター接触面を観察したが、わずかに茶色っぽく変色しただけで、ふくれは見られなかった。
【００１５】
実施例２
実施例１の「ダイアリードＫ１３７」を、熱伝導率２７０Ｗ／ｍ・Ｋを有するピッチ系炭素繊維（三菱化学（株）製「ダイアリードＫ１３Ｂ」）に変えた他は、実施例１と同様に試験片を作成し、実施例と同じ条件で耐熱テストを実施した。
耐熱試験片を２８０℃のヒーター上に３０分間放置したが、この間発煙は見られた。また、３０分経過後、試験片のヒーター接触面を観察したが、変色、ふくれとも無かった。
【００１６】
比較例１
弾性率２４ｔｏｎ／ｍｍ２  で熱伝導率１７Ｗ／ｍ・ＫのＰＡＮ系炭素繊維の一方向プリプレグ「ＨｙＥＪ２０」を０°、±４５°、９０°の方向に組み合わせて、実施例１と同じ最終厚みになるようにそれぞれ４枚、各４枚、４枚を用い、計１６層を積層し、オートクレーブ中にて硬化し、厚み３．２ｍｍの硬化積層板を得た。この積層板から実施例１と同様に試験片を切り出し、耐熱テストを実施した。
耐熱試験片を２８０℃のヒーター上に３０分間放置したが、試験開始後、３分から発煙が見られた。３０分経過後、試験片のヒーター接触面を観察したが、茶褐色に変色し、表層部にふくれが生じていた。
【００１７】
比較例２
２４ｔｏｎ／ｍｍ２  で熱伝導率１７Ｗ／ｍ・ＫのＰＡＮ系炭素繊維の一方向プリプレグ「ＨｙＥＪ２０」（化成コンポジット株式会社製）を０°、±４５°、９０°の方向に組み合わせて、実施例１と同じ最終厚みになるようにそれぞれ８枚、各２枚、２枚を用いて１４層を積層し、その外側、両面に同じＰＡＮ系炭素繊維の平織りクロスにポリイミド樹脂を含浸したプリプレグ（厚み０．２ｍｍ）を各１層積層し、オートクレーブ中にて硬化し、計１６層、厚み３．２ｍｍの硬化積層板を得た。この積層板から実施例１と同様に試験片を切り出し、耐熱テストを実施した。
耐熱試験片を２８０℃のヒーター上に３０分間放置したが、この間、発煙は見られなかった。３０分経過後、試験片のヒーター接触面を観察したところ、変色はなかったが、表層部がふくれていた。
【００１８】
以上、実施例と比較例からわかるように、高熱伝導性の炭素繊維を表層部に配したＣＦＲＰ板は、舟体がさらされうる２００℃以上の高熱に対しても、劣化しないのに対して、高熱伝導でない通常のＣＦＲＰ板では、変色、ふくれ等の劣化の現象がはっきり認められた。