(57)【要約】本発明は、カーボンブラシに対して移動する接点構造、特に電気機械の整流子又は集電環に電気的に接続するためのカーボンブラシ及びカーボンブラシの製造方法に関する。カーボンブラシのブラシ本体は、原料混合物をプレスし熱処理することにより得られる。原料混合物は、グラファイト粉末を樹脂及び添加剤と混合することにより得られる。樹脂は、プレス後に熱処理によって熱分解される。添加剤としてグラフェンが原料混合物に対して０．０１〜５重量％の割合で用いられる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンブラシに対して移動する接点構造、特に電気機械の整流子又は集電環に電気的に接続するためのカーボンブラシを製造する方法であって、
前記カーボンブラシのブラシ本体は、原料混合物をプレスし熱処理することにより得られ、
原料混合物は、グラファイト粉末を樹脂及び添加剤と混合することにより得られ、
前記樹脂は、熱処理によりプレス後に熱分解されており、
添加剤としてグラフェンが前記原料混合物に対して０．０１〜５重量％の割合で用いられることを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記樹脂はプレス後又はプレス中に硬化し、該樹脂の熱分解は５００℃以上の温度で行うことを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記ブラシ本体は、グラフェンを０．０１〜４重量％、好ましくは０．０１〜３重量％、特に好ましくは０．０１〜２重量％の割合で含有することを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、
前記原料混合物は主にグラファイト粉末で形成されていることを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、
前記樹脂は液体樹脂であり、
粒子状のグラフェンをグラファイト粉末と混合する前に前記液体樹脂に添加することを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記液体樹脂を溶媒、好ましくはアセトンで希釈し、熱処理によりプレス後又はプレス中に該溶媒を除去し、該樹脂を硬化することを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
【請求項７】
請求項５において、
前記樹脂は固体であって液化した液体樹脂であり、
前記粒子状のグラフェンをグラファイト粉末と混合する前に前記液体樹脂に添加し、
前記樹脂を硬化し、粉砕して粉末にし、該粉末をグラファイト粉末と混合することを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項において、
グラフェン及び樹脂が均一に分散していることを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項において、
平均粒子径が２μｍ以下のグラフェンを用いることを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項において、
前記樹脂として、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂、好ましくはフェノール樹脂を用いることを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項において、
グラフェンとして、酸化グラフェン（ＧＯ）、還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）、グラフェンナノプレートレット（ＧＮＯ）、及び／又はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いることを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項において、
単層又は多層のカーボンナノチューブ及び／又はカーボンブラックを前記添加剤に添加することを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項において、
前記ブラシ本体は、多層、好ましくは２層又は３層であり、
少なくとも一つの層は、前記添加剤を含み、前記接点構造に電気的に接続するための接触面を有することを特徴とするカーボンブラシの製造方法。
【請求項１４】
カーボンブラシに対して移動する接点構造、特に電気機械の整流子又は集電環に電気的に接続するためのカーボンブラシであって、
前記カーボンブラシは、硬化した樹脂及び粒子状の添加剤を含有するグラファイト粉末で形成された硬化した原料混合物で構成されたブラシ本体で形成され、
前記添加剤はグラフェンであり、前記ブラシ本体はグラフェンを０．０１〜５重量％の割合で含有することを特徴とするカーボンブラシ。
【請求項１５】
請求項１４に記載のカーボンブラシを備えた電気モーターを有する燃料ポンプ、特にガソリンポンプなど。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンブラシに対して移動する接点構造（接触構造体）、特に電気機械の整流子又は集電環（集電リング、スリップリング）に電気的に接続するためのカーボンブラシ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンマトリクスを含有するカーボンブラシ及びブラシ本体は、特定の用途、例えば燃料ポンプ内などでの使用に特に適している。燃料環境下での動作（作動）する場合又は燃料ポンプ内でブラシを作動する場合、カーボンブラシ及びカーボンブラシと相互作用する整流子セグメントに対して、燃料環境以外で実施する作動条件とは比較にならない特定の作動条件を満たさなければならない。
【０００３】
これらの条件を満たすことにより、この燃料環境では、一時的に１４ボルトを超える過電圧が発生すると、過電圧によるブラシ及び整流子の摩耗が著しく増大するため、ブラシ・整流子システムの耐用期間（寿命）を大幅に縮めることが判明した。したがって、問題となるブラシ本体は、一般に、グラファイト（黒鉛）粉末及び熱分解された樹脂からなる原料混合物で形成されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらのブラシ本体は、破壊（破断）強度が低く、破断し易いという欠点がある。撚り線をブラシ本体上に又は孔に入れて固定することによっても、ブラシ本体が容易に破断し易くなる。燃料ポンプの作動中にカーボンブラシが破壊すると特に問題である。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、カーボンブラシを製造する際の破断（割れ、引き裂き）の可能性及び作動中にカーボンブラシが破壊する可能性を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、請求項１の特徴を備えた方法と、請求項１４の特徴を備えたカーボンブラシによって達成される。
【０００７】
本発明による、接点構造、特にカーボンブラシに対して移動する電気機械の整流子又は集電環、と電気的に接続するためのカーボンブラシの製造方法によると、カーボンブラシのブラシ本体は、原料混合物をプレス（加圧、圧縮）して熱処理することで得られ、原料混合物はグラファイト粉末を樹脂及び添加剤と混合することにより得られ、添加剤としてグラフェンが用いられ、前記樹脂はプレスされた後に熱処理によって熱分解され、添加剤としてグラフェンは原料混合物に対して０．０１〜５重量％の割合で用いられる。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
驚くべきことに、少量のグラフェンを原料混合物に添加することで、完成したブラシ本体の破断強度が大幅に向上し、破断を防止できる。グラフェンを添加することによって、例えば、穴あけ加工や切削加工によってプレス加工又は機械加工を行うときに、ブラシ本体に割れが発生することを効果的に防止できる。その結果、ブラシ本体の安定性及び熱伝導率をさらに高めることができる。このように、ブラシ本体及びカーボンブラシの導電性を向上することに加えて、例えば、ブラシ本体の破損又はブラシ本体の孔（穴）内で締め固めた撚り線の緩みなどのカーボンブラシの故障が動作（作動）時間中に起きる可能性を最小限にすることができる。この場合、原料混合物及び完成したブラシ本体は、グラフェンを０．０１〜５重量％の割合で含んでいれば十分である。
【０００９】
グラファイト粉末としては、天然グラファイト、人造（合成）グラファイト又は電気グラファイトを用いることができる。
【００１０】
樹脂は、通常は結合剤（バインダー）として作用（機能）し、グラファイト粉末と混合する場合には、液体又は例えば粉末状の固体として用いることができる。
【００１１】
グラフェンは、各炭素原子が１２０度の角度で他の３つの原子に囲まれた２次元構造を有する炭素（カーボン）を改質（変形）したものである。特に、グラフェンの２次元構造によって、異なる種類の添加剤の比較的大きな３次元粒子を用いた場合のように、樹脂で充填されたグラファイト粉末の粒子間の隙間（空間）を拡大することなく、これらの空間に、少なくとも部分的にグラフェン粒子で橋渡し（架橋）することが可能になる。グラフェン粒子は、グラファイト粒子間の距離を拡大することなく、グラファイト粒子の周囲に、０．１〜１μｍの厚さの樹脂層を有利に分散させることができる。
【００１２】
原料混合物は、例えば押出機によって得られる。グラフェンを原料混合物に添加することで、ブラシ本体の物理的特性をさらに向上させることが実証されている。
【００１３】
樹脂はプレス後又はプレス中に硬化し、樹脂の熱分解は５００度以下の温度で行うことができる。その結果、硬化性樹脂を用いることができるので、最初に、樹脂の硬化によって本質的に安定したブラシ本体の圧縮成形体を実現（形成）できる。この圧縮成形体は、例えば炉（オーブン）の中で熱処理可能で、樹脂は実質的に完全に熱分解されるか、カーボンに変化する。したがって、樹脂を炭化又は熱分解することは、本発明の方法の範囲では意図されており、それによってブラシ本体の比抵抗（固有抵抗）が大幅に改善する。
【００１４】
ブラシ本体は、グラフェンを０．０１〜４％重量％未満、好ましくは０．０１〜３重量％未満、特に好ましくは０．０１〜２重量％未満の割合で含有できる。驚くべきことに、この割合のグラフェンで、カーボンブラシの剛性及び性能を大幅に向上できる。したがって、少量のグラフェンを原料混合物に添加するだけでよいため、カーボンブラシの剛性及び性能の向上を低コストで実現できる。
【００１５】
原料混合物は、有利には、主にグラファイト粉末で形成される。即ち、原料混合物は、グラファイトを、５０重量％を超える、好ましくは９０重量％を超える割合で含有できる。また、原料混合物は、固体潤滑剤、研磨剤、及び／又は金属粉末などの他の材料も含むことができる。これにより、カーボンブラシ及びブラシ本体の性能を、それぞれ所望の用途に適合させることができる。
【００１６】
樹脂は、液体（液状、液体樹脂）であってもよい。グラフェンは粒子状で液体樹脂に添加した後に、グラファイト粉末と混合してもよい（粒子状のグラフェンをグラファイト粉末と混合する前に液体樹脂に添加してもよい）。一般に、樹脂は、粉末状であってもよいが、グラフェンが液体樹脂と良好に混合できるため、樹脂が液体であることは特に有利である。
【００１７】
グラフェンは、粉末の一種である粒子状のものを用いることができ、この粒子は２次元構造を有する板状（プレート状）である。グラフェンの製造方法によっては、２次元構造のプレートが積層されていてもよく、積層されていなくてもよい。少なくとも、グラフェン粒子は球体（球状）を形成していない。
【００１８】
原料混合物は、液体樹脂を溶媒、好ましくはアセトンで希釈する場合、特に容易に得られる。熱処理によりプレス後又はプレス中に溶媒を除去でき、樹脂を硬化できる。溶媒で希釈することにより、特に均一な原料混合物が得られ、この原料混合物を例えば押出機で容易に加工できる。これにより、グラフェンは樹脂と特に良好に混合できる。樹脂は、熱処理によって溶媒が気化することで硬化され、原料混合物及びこのようにして実現されたブラシ本体から溶媒を除去できる。溶媒を熱処理又は気化する場合には、樹脂の硬化工程が開始されるような温度を選択できる。また、溶剤を混練機（ブレンダー）で気化させ、グラフェンを樹脂と混合し、混合物をプレスした後で熱処理を行ってもよい。
【００１９】
これに代えて、樹脂は、固体であり、固体状の樹脂を溶媒で液化した樹脂（液体樹脂）であってもよい。この場合、粒子状のグラフェンをグラファイト粉末と混合する前に当該液体樹脂に添加し、樹脂を硬化させて粉末状に加工し、この粉末をグラファイト粉末と混合できる。加工された粉末は、押し出し法でグラファイト粉末と混合できる。
【００２０】
有利には、グラフェンと樹脂が均一に分散していてもよい。これにより、この分散液をグラファイト粉末に混合するだけで、グラフェンが原料混合物内に、即ちブラシ本体内に容易に均一に分散される。
【００２１】
平均粒子径が２μｍ以下のグラフェンを用いた場合、ブラシ本体の導電性が特に高くなる。
【００２２】
樹脂としては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂であってもよく、好ましくはフェノール樹脂である。
【００２３】
グラフェンとして、酸化グラフェン（ＧＯ）、還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ）、グラフェンナノプレートレット（ＧＮＯ）、及び／又はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いることができ、それぞれ単層又は多層であってもよい。用いられるグラフェンは、その製造方法の機能として特に機能を持たせてもよい。特定のグラフェンを用いることで、カーボンブラシの特性を有利に調整することが可能になる。
【００２４】
単層又は多層のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンブラック及び／又は他の改質されたグラフェンを添加剤に添加すると、カーボンブラシの特性をさらに有利に導出（改変）できる。カーボンブラックに関しては、粒子径が比較的小さいことが特に重要である。グラファイト粉末の粒子のサイズ分布によっては、カーボンブラック粒子がグラファイト粉末の粒子間のより大きな空間を有利に埋めることができる。
【００２５】
ブラシ本体は、多層であってもよく、好ましくは２層又は３層である。ブラシ本体の少なくとも一つの層は、添加剤を有し、接点構造と電気的に接続するための接触面を有するように形成される。接点構造と反対側に面する（接点構造から離れて向き合う）ブラシ本体の層は、例えば、異なる割合のグラフェンを有する層であってもよく、又はグラフェンを含まない層であってもよい。上述した各層は、グラファイト粉末及び／又は金属粉末を異なる割合で含有する点で相違していてもよい。これにより、接触面において特に優れた電気的接触が可能で、同時に接触面と反対側の端部において撚り線を簡単に固定（取り付け）できるブラシ本体が得られる。
【００２６】
本発明によるカーボンブラシは、カーボンブラシに対して移動する接点構造、特に電気機械の整流子又は集電環に電気的に接続するためのものである。このカーボンブラシは、熱分解された樹脂及び粒子状の添加剤を含有するグラファイト粉末で形成された硬化した原料混合物で構成されたブラシ本体で形成されている。添加剤はグラフェンである。ブラシ本体はグラフェンを０．０１〜５重量％の割合で含有する。本発明に係るカーボンブラシの利点（有利な効果）については、本発明に係る方法の利点の説明が参照される。カーボンブラシのさらに有利な実施形態は、請求項１に係る方法を参照する従属請求項から導き出される。
【００２７】
本発明に係る燃料ポンプ、特にガソリンポンプ又はその均等物は、本発明に係るカーボンブラシを備えた電気モーターを有する。燃料ポンプのさらに有利な実施形態は、請求項１に係る方法を参照する従属請求項から導き出される。
【国際調査報告】
2021508913.tif 000002
2021508913.tif 000003
2021508913.tif 000004
2021508913.tif 000005
2021508913.tif 000006
2021508913.tif 000007