(57)【要約】  複合集電装置は、摩擦学的に許容可能なマトリックス内に埋め込まれた金属メッシュを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導線へ又は該導線から電気を伝えるとともに該導線と摺動接触するのに使用する複合集電装置であって、
摩擦学的に許容可能なマトリックス内に埋め込まれた金属メッシュを備える複合集電装置。
【請求項２】
前記摩擦学的に許容可能なマトリックスは炭素系材料である、請求項１に記載の複合集電装置。
【請求項３】
前記炭素系材料はコークス／黒鉛／樹脂の混合物である、請求項２に記載の複合集電装置。
【請求項４】
前記金属メッシュは銅メッシュである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合集電装置。
【請求項５】
前記摩擦学的に許容可能なマトリックス内に埋め込まれた前記金属メッシュは、マトリックス材料と金属メッシュとをプレス成形した積層体から成る、請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合集電装置。
【請求項６】
前記金属メッシュの他に、１つ以上の非金属強化ウェブ層が設けられる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合集電装置。
【請求項７】
前記非金属強化ウェブ層は、前記複合集電装置の本体内に不均一に分布される、請求項６に記載の複合集電装置。
【請求項８】
前記金属メッシュは、前記摩擦学的に許容可能なマトリックス内に埋め込まれた複数の金属メッシュを備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の複合集電装置。
【請求項９】
前記複数の金属メッシュは、前記複合集電装置の本体内に不均一に分布される、請求項８に記載の複合集電装置。
【請求項１０】
前記金属メッシュは、前記複合集電装置の導線接触面に対して垂直に配置される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の複合集電装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の複合集電装置を製造する方法であって、
マトリックス材料と金属メッシュとから成る層が、一緒にプレス成形されて積層構造を形成する方法。
【請求項１２】
前記積層構造は、プレス成形後又はプレス成形中に、高温に上げられる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記積層構造は不活性雰囲気下で焼成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記積層構造は形成後に含浸される、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の複合集電装置によって、導線から電流を引き出す電動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機器の複合集電装置に関する。本発明はまた、かかる複合集電装置を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
集電装置は、導線へ又は導線から電気を伝えるとともに導線と摺動接触するのに用いられる。
【０００３】
電動鉄道車両は高架接触電線系（overhead contact wire system）（高架接触線（overhead contact line）すなわちＯＣＬとして一般に知られている）又は給電レール（powered rail）から電力を導く。どちらの場合も、集電装置は架線と摺動接触する。高架系の場合では、通常、車両のルーフに載置されているパンタグラフ機構は、車両を駆動するのに、高架線から電流を伝える集電装置を備えている。（トロリーポールで集電装置を使用するトロリーバスによっては、代替的な一装置が用いられる。本発明は、かかる装置を包含し、車両が導線から電流を引き出すすべての系をカバーすることが意図される）。このような装置はほぼ満足のいくものであるが、長年にわたって、鉄道車両の運転速度が増し、許容可能な集電の限界が下がっている。かかる状況に対する要求が増えるに伴い、このような要求環境で動作することが可能な改良された材料が必要とされている。
【０００４】
従来の集電装置では、材料は３つのカテゴリーにあてはめられている。すなわち、
押出し成形−軟質の成形可能な炭素が、コークス及び黒鉛をタールバインダ又はピッチバインダと混合することによって生成される。この材料はダイから押し出され、広範な横断面を得ることができる。押出し成形後に焼成が行われ、その結果、頑丈な多孔質炭素が得られる。
金属化−押出し成形された炭素の多孔質性を用いて金属化を行うことができる。溶融金属が圧力下で材料の孔に押しこまれる。これにより、機械強度、導電性及び伝熱性が高まる。金属化集電装置の一例は米国特許第５，６５７，８４２号明細書に見ることができ、ここでは、炭素繊維強化炭素材料が、ピン、繊維、フォイル、又はストリップの形態の導電性材料（例えば金属）を備えている。さらなる例は、国際公開第０１／０８９２０号明細書であり、ここでは、三次元延伸炭素繊維ウェブが、金属で含浸され得る炭素−炭素複合材の一部を形成する。金属含浸プロセスは、労働集約的であり、したがってコスト高である。
焼成−これらは金属と黒鉛粉末を混合することによって生成され、この混合物は次いで、プレス成形されて、熱処理される。導電性及び伝熱性は優れているが、機械強度は押出し成形又は金属化グレードよりも概して低い。重量がより重いことも潜在的な短所である。
【０００５】
集電装置での使用に最近提案されているものは（中国特許第１１７８７４５号明細書、中国特許第１２６５４２９号明細書、及び中国特許第１４６８８９１号明細書）、銅粉末／繊維又は銅被覆粉末、炭素繊維、及び樹脂を含む熱プレス成形材料（hot pressed materials）である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本出願人は、既存の集電装置の欠点は、それら集電装置の抵抗率が炭素の抵抗率によって決まるか、又は金属化材料若しくは焼成材料の場合では金属の含量及び接続性（connectivity）によって決まることであると認識している。摩擦学的に許容可能なマトリックス（例えば炭素）内に連続した金属導体が取り付けられていることが好ましいであろう。
【０００７】
摩擦学的に許容可能なマトリックス内に埋め込まれた金属メッシュを提供することによって、結果として得られる材料は抵抗率が低く（金属メッシュにより与えられる連続した電気経路による）、曲げ強度が高くなる（材料の複合性による）。
【０００８】
さらに、金属含浸ステップの複雑性が回避される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
したがって、本発明は、導線へ又は導線から電気を伝えるとともに導線と摺動接触するのに使用する複合集電装置であって、摩擦学的に許容可能なマトリックス内に埋め込まれた金属メッシュを備える複合集電装置を提供する。
【００１０】
摩擦学的に許容可能なマトリックスは、炭素系材料としてもよい。
【００１１】
かかる複合集電装置は、メッシュを介して導線から複合集電装置の遠隔側へ連続電流を供給することができ、したがって、系の抵抗が低くなる。
【００１２】
本発明のさらなる特徴は、以下の説明において例示された特許請求の範囲に記載されるものである。
【００１３】
本発明による複合集電装置は、金属メッシュ及び摩擦学的に適した材料から成る層を設け、それらの層をプレス成形して摩擦学的に適した材料をメッシュの孔を介して結合させることにより製造され得る。これにより、複合体（composite body）を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
例えば、図１に示されるように、複合集電装置は、圧力下及び加熱下で、
ａ）  コークス、黒鉛、及びフェノールノボラック樹脂、及び
ｂ）  拡張銅メッシュ
から成る代替的な層の複合材料から形成され得る。
【００１５】
コークス／黒鉛／樹脂層１、及び銅メッシュ層２が差し込まれ、押圧方向３に押圧される。
【００１６】
結果として積層複合材料が得られ、図２にこれを示している。
【実施例】
【００１７】
［実施例］
１．コークス／黒鉛／樹脂の混合物を、以下の方法で調製した。
【００１８】
２．周囲温度において「Ｚ」ブレードミキサのような低エネルギーミキサで以下の成分を混合することによって、予混合物（premix）を調製した。
石油コークス−グレードＺ１１Ｃ（Ｋ）  ジェームス  デュランズ  アンド  サンズ社，シェフィールド  イングランド（James Durrans & Sons Ltd, Sheffield, England）                                                                          〜５０％
鋳物用コークス−グレードＮＨ３５８（Ｎ）  モルガナイト  エレクトリカル  カーボン社，スワンシー，ウェールズ（Morganite Electrical Carbon Limited, Swansea, Wales）                                                                    〜３１％
ランプブラック−グレードＺ３５  ラポルテ  ピグメンツ  ブロックヒューズ社，ヴァルフ，ドイツ（Laporte Pigments Brockhues AG, Walluf, Germany）          〜１５％
黒鉛−グレードＨａｒｔ８０  デービッド  ハルト社，アルセスター，イングランド（David Hart Ltd., Alcester, England）                                      〜５％
【００１９】
３．次いで、この材料を、７０〜８０℃で高エネルギーインターミキサー（商標）内で以下の成分と混合した。
予混合物１                                                            〜７７％
フェノール樹脂−グレードＰＲ８２  ボーデンケミカルズ社，スリー，ウェールズ（Borden Chemicals Ltd., Sully, Wales）                                     〜１９％
ヘキサミン−ＶＷＲインターナショナル社  ，プール，イングランド（VWR International, Poole, England）                                                   ２．０％
ナイロン繊維−アルファ  エレクトロスタティスティック  フロッキング社，ケンフィグ，ウェールズ（Alpha Electrostatic Flocking Ltd.（Kenfig, Wales）製）
２．０％
【００２０】
４．この材料は微粉末に粉砕し、プロパン−２−オール（２５ｍｌの溶媒に対し１００ｇの固体）と混合してペースト（成分１）を形成した。
【００２１】
成分１の組成は主として炭素系であるが、金属メッシュが導電経路を与えるため、層間材料は、絶縁体、例えばセラミック材料、又は適した摩擦学的特性を有する炭素／セラミックの混合物であってもよい。他の適した層間材料としては、適当な充填材で充填された高温熱可塑性プラスチックが挙げられる。
【００２２】
層間材料はまた、
さらなる強度を与えるための繊維（この繊維は導電すると導電性も高めるか又は代替的に導電性を高める−例えば炭素繊維、カーボンナノファイバ）、
伝熱及び放熱を高めるための熱伝導性材料、
導電性を高めるとともにホットスポットの危険性を減らすための、粉末、繊維、又は板の形態の導電性充填材、
複合集電装置の意図された使用が許す場合は、導線との電気的接触を促進させるためのわずかな研磨材料、
潤滑剤、
複合集電装置の導線との接触面の劣化を低減するための酸化防止剤
を含んでもよい。
【００２３】
中国特許第１１７８７４５号明細書、中国特許第１２６５４２９号明細書、及び中国特許第１４６８８９１号明細書に記載のある材料のような材料を層間材料として用いてもよい。
【００２４】
５．次いで、ペーストを表面上に載置し、圧延して平板状にした。次いで、エキスパメット  グレード  ９４７（Expamet Grade 947）（エキスパンデッド  メタル社，ハートルプール，イングランド（Expanded Metal Company（Hartlepool, England））のような拡張銅メッシュ（成分２）をシート上に載置し、ペーストのさらなる層を銅の上に塗布して薄く延ばした。次いで、これを圧延して、厚さ約１〜２ｍｍのシートにした。拡張銅メッシュが例示されているが、織メッシュ（woven meshes）又は編メッシュ（knitted meshes）若しくは不織フェルト状メッシュのような他のメッシュの形態を用いることができる。有利には、メッシュの電気接続性は高くなければならず、このような拡張金属メッシュは織メッシュ又は編メッシュが好ましく、そのいずれもフェルト状メッシュであることが好ましい。
【００２５】
６．シートを５０℃で乾燥させた。
【００２６】
７．次いで、シートを適当な大きさにカットした。
【００２７】
８．次いで、カットしたシートを互いに積み重ね（必要とされるブロックの厚みに応じた枚数分）、必要とされる形状を、１〜２トン／ｉｎ２（１５〜５０ＭＰａ）かつ周囲温度で、ダイでの押圧により予備成形した。
【００２８】
９．次いで、この予備成形品を、２〜５トン／ｉｎ２（３０〜７５ＭＰａ）かつ１６０℃で５分間、熱プレス成形して、固体ブロックを形成した。
【００２９】
１０．次いで、固体ブロックを１０℃／時間で１８０℃まで加熱することによってさらに硬化させた。固体ブロックをこの温度のままさらに２時間維持した。
【００３０】
１１．固体ブロックは、例えば９８％の窒素及び２％の水素から成る不活性雰囲気中、５０℃／時間で８００℃まで加熱することによって焼成した。固体ブロックをこの温度のままさらに２時間維持した。
（当然のことながら、硬化ステップ及び焼成ステップは、中間層として用いられる材料の性質に左右され、焼成は必要でない場合もある。上記で開示した厳密な条件は、特別な例として挙げて言及しているにすぎない。）
【００３１】
この材料の典型的な特性は、
密度１．９０ｇｃｍ−３、
抵抗率＜１μΩ．ｍ（銅メッシュの方向に）、
である。
【００３２】
製造（fabrication）には熱プレス成形を伴う必要はなく、積層構造を作成することを可能にするいずれの方法（route）、例えば圧延を用いることができる。例えば、国際公開第０２／０９０２９１号明細書において記載されている押出しシート材料のプロセスは、メッシュ材料を黒鉛又は炭素シートに圧延することに適している。
【００３３】
［実施例２］
天然黒鉛３７部とフェノール樹脂１５部との予混合物は、成分を湿式混合することによって調製し、６０℃で乾燥し、粉砕した。層間材料は、成分を乾式混合することによって作製した。
【００３４】
【表１】
2007511197.tif 000003
【００３５】
次いで、結果として得られる混合物を、銅メッシュの周りにプレス成形して予備成形品を形成するとともに熱プレス成形して、実施例１におけるような固体ブロックを形成した。
【００３６】
結果として得られる生成物は、２．４７ｇ．ｃｍ−３の密度及び低い電気抵抗率を示した。
【００３７】
本発明はまた、金属メッシュの他に非金属ウェブ層（例えば炭素繊維メッシュ又は布）の含有物にも対応して、さらなる強度を与えることができる。
【００３８】
積層構造を形成した後、この積層構造を樹脂又は他の材料で含浸させて、特性（例えば、強度、摩擦学的特性等）を改善してもよい。
【００３９】
調製された材料は、パンタグラフ動的テストリグに取り付けて試験すると、フィールドトライアル、すなわち１０ｍｍ／１００００ｋｍ以下に匹敵する摩耗結果を示した。
【００４０】
材料は、任意の従来の方法で取り付けてもよく、望む場合には、剥離又は他の損傷を防止するために外装してもよい。
【００４１】
図３は、導線４から電流を引き出す複合集電装置５の一例を示している。複合集電装置５は、摩擦学的に許容可能なマトリックス８内に埋め込まれた金属メッシュ導線６及び強化ウェブ７（例えばカーボンクロス又は繊維ウェブ）を備えている。
【００４２】
複合集電装置内のメッシュの分布、実際には強化ウェブの分布は均一である必要はない。複合集電装置のうち最も影響が生じる部分（例えば前縁、或いは後縁）において、これらの領域内に強化ウェブを位置させることによってさらなる強化が与えられてもよい。集電を最大にするために、メッシュの密度を、複合集電装置のうち導線との最も大きな接触が生じる領域において最大にしてもよい。
【００４３】
金属メッシュは、図３に示されるように、導線との縁接触を有するように方向付けられるであろう。複数の金属メッシュがある場合、それぞれの金属メッシュが導線と接触してもよい。メッシュは、複合集電装置の架線接触面に対して厳密に垂直である必要はなく、例えば、メッシュが複合集電装置の優勢な横断方向に傾くか又はその方向とは反対に傾くような角度で方向付けられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による複合集電装置を製造する方法を示す図である。
【図２】図１の方法により製造された製品の写真である。
【図３】複合集電装置及び関連の架線を比喩的に示す図である。
【図１】
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【図２】
2007511197.tif 000005
【図３】
2007511197.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成17年5月24日(2005.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導線へ又は該導線から電気を伝えるとともに該導線と摺動接触するのに使用する複合集
電装置であって、
摩擦学的に許容可能なマトリックス内に埋め込まれた金属メッシュを備え、
前記摩擦学的に許容可能なマトリックスは、
金属を含浸しない炭素材料と、
コークス／黒鉛／樹脂複合材料と、
セラミック材料と、
炭素／セラミック混合物と、
適当な充填材で装填された高温熱可塑性プラスチックと
からなる群から選択される複合集電装置。
【請求項２】
前記摩擦学的に許容可能なマトリックスはさらに、
強化した及び／または導電性を高めた繊維と、
熱伝導性材料と、
導電性充填材と、
研磨材料と、
潤滑剤と、
酸化防止剤と
からなる群から選択される１つ以上の添加剤を含む、請求項１に記載の複合集電装置。
【請求項３】
前記炭素系材料はコークス／黒鉛／樹脂の混合物である、請求項１または２に記載の複
合集電装置。
【請求項４】
前記金属メッシュは銅メッシュである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合集電
装置。
【請求項５】
前記摩擦学的に許容可能なマトリックス内に埋め込まれた前記金属メッシュは、コーク
ス／黒鉛／樹脂マトリックス材料と金属メッシュとをプレス成形した積層体から成る、請
求項１〜４のいずれか一項に記載の複合集電装置。
【請求項６】
前記金属メッシュの他に、１つ以上の非金属強化ウェブ層が設けられる、請求項１〜５
のいずれか一項に記載の複合集電装置。
【請求項７】
前記非金属強化ウェブ層は、前記複合集電装置の本体内に不均一に分布される、請求項
６に記載の複合集電装置。
【請求項８】
前記金属メッシュは、前記摩擦学的に許容可能なマトリックス内に埋め込まれた複数の
金属メッシュを備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の複合集電装置。
【請求項９】
前記複数の金属メッシュは、前記複合集電装置の本体内に不均一に分布される、請求項
８に記載の複合集電装置。
【請求項１０】
前記金属メッシュは、前記複合集電装置の導線接触面に対して垂直とはならないように
配置される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の複合集電装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の複合集電装置を製造する方法であって、
マトリックス材料と金属メッシュとから成る層が、金属含浸ステップなしに、一緒にプ
レス成形されて積層構造を形成する方法。
【請求項１２】
前記積層構造は、プレス成形後又はプレス成形中に、高温に上げられる、請求項１１に
記載の方法。
【請求項１３】
前記積層構造は不活性雰囲気下で焼成される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記積層構造は形成後に含浸される、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の複合集電装置によって、導線から電流を引き出
す電動車両。
【国際調査報告】
2007511197.tif 000007
2007511197.tif 000008