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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024042511
(43)【公開日】2024-03-28
(54)【発明の名称】すり板
(51)【国際特許分類】
B60L 5/26 20060101AFI20240321BHJP
【ＦＩ】
B60L5/26 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022147277
(22)【出願日】2022-09-15
(71)【出願人】
【識別番号】000173784
【氏名又は名称】公益財団法人鉄道総合技術研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100104064
【弁理士】
【氏名又は名称】大熊 岳人
(72)【発明者】
【氏名】森本 文子
(72)【発明者】
【氏名】上田 洋
【テーマコード（参考）】
5H105
【Ｆターム（参考）】
5H105AA08
5H105BB01
5H105CC12
5H105DD04
5H105DD27
5H105EE03
5H105EE13
(57)【要約】
【課題】すり板がトロリ線と摺動して上昇したすり板の最高温度を、銅の体積分率を低減しつつ、現用材よりなるすり板を用いた場合における最高温度と同程度に維持することができるすり板を提供する。
【解決手段】すり板１は、トロリ線と摺動する第１面１３ａと、第１面１３ａと反対側の第２面１３ｂと、を含み、且つ、カーボンを主成分として含有する基体１３と、第１面１３ａから第２面１３ｂにそれぞれ達する複数の貫通孔１４と、複数の貫通孔１４の各々にそれぞれ埋め込まれ、且つ、それぞれ銅を主成分として含有する複数の柱状導体１５と、を有する。すり板１の全体積に対する複数の柱状導体１５の体積の総和の比である柱状導体１５の体積分率は、５％以上である。
【選択図】図７
【解決手段】すり板１は、トロリ線と摺動する第１面１３ａと、第１面１３ａと反対側の第２面１３ｂと、を含み、且つ、カーボンを主成分として含有する基体１３と、第１面１３ａから第２面１３ｂにそれぞれ達する複数の貫通孔１４と、複数の貫通孔１４の各々にそれぞれ埋め込まれ、且つ、それぞれ銅を主成分として含有する複数の柱状導体１５と、を有する。すり板１の全体積に対する複数の柱状導体１５の体積の総和の比である柱状導体１５の体積分率は、５％以上である。
【選択図】図７
【特許請求の範囲】
【請求項1】
トロリ線から集電する集電装置に備えられ、且つ、前記トロリ線と摺動するすり板において、
前記トロリ線と摺動する第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、を含み、且つ、カーボンを主成分として含有する基体と、
前記第１面から前記第２面にそれぞれ達する複数の貫通孔と、
前記複数の貫通孔の各々にそれぞれ埋め込まれ、且つ、それぞれ銅を主成分として含有する複数の柱状導体と、
を有し、
前記すり板の全体積に対する前記複数の柱状導体の体積の総和の比である柱状導体の体積分率は、５％以上である、すり板。
前記トロリ線と摺動する第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、を含み、且つ、カーボンを主成分として含有する基体と、
前記第１面から前記第２面にそれぞれ達する複数の貫通孔と、
前記複数の貫通孔の各々にそれぞれ埋め込まれ、且つ、それぞれ銅を主成分として含有する複数の柱状導体と、
を有し、
前記すり板の全体積に対する前記複数の柱状導体の体積の総和の比である柱状導体の体積分率は、５％以上である、すり板。
【請求項2】
請求項１に記載のすり板において、
前記柱状導体の体積分率は、５～１８％である、すり板。
前記柱状導体の体積分率は、５～１８％である、すり板。
【請求項3】
請求項１に記載のすり板において、
前記柱状導体の体積分率は、９～１５％である、すり板。
前記柱状導体の体積分率は、９～１５％である、すり板。
【請求項4】
請求項２に記載のすり板において、
前記第１面に沿った第１方向における熱伝導率に対する、前記第１面に垂直な第２方向における熱伝導率の比である熱伝導率比は、６～１５である、すり板。
前記第１面に沿った第１方向における熱伝導率に対する、前記第１面に垂直な第２方向における熱伝導率の比である熱伝導率比は、６～１５である、すり板。
【請求項5】
請求項４に記載のすり板において、
前記第２方向における電気抵抗率に対する、前記第１方向における電気抵抗率の比である電気抵抗率比は、１２０～３１０である、すり板。
前記第２方向における電気抵抗率に対する、前記第１方向における電気抵抗率の比である電気抵抗率比は、１２０～３１０である、すり板。
【請求項6】
請求項１に記載のすり板において、
前記複数の柱状導体の平均半径は、５～７６μｍであり、
前記複数の柱状導体の平均中心間隔は、６０～３００μｍであり且つ前記複数の柱状導体の平均半径の２倍よりも大きい、すり板。
前記複数の柱状導体の平均半径は、５～７６μｍであり、
前記複数の柱状導体の平均中心間隔は、６０～３００μｍであり且つ前記複数の柱状導体の平均半径の２倍よりも大きい、すり板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、トロリ線から集電する集電装置に備えられ、且つ、トロリ線と摺動するすり板に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、トロリ線に沿って移動する車両に搭載されトロリ線から集電するパンタグラフ等の集電装置に備えられ、且つ、車両がトロリ線に沿って移動する際にトロリ線と摺動するすり板として、銅粉又は鉄粉が主成分として含有され潤滑材としてスズ粉又はカーボン粉などが混合された焼結合金製のすり板に代えて、炭素材料（カーボン）よりなる基材に金属が含有された炭素系材料よりなるすり板、即ち所謂カーボン系すり板が使われるようになってきている。カーボン系すり板を用いることにより、カーボンが有する潤滑性により、すり板自身の摩耗、及び、相手材であるトロリ線の摩耗が少なく、設備の保守経費を節減するために有効である。このようなカーボン系すり板として、すり板を構成する炭素系材料の基材に種々の金属又は合金を含浸させることにより、摩損及び離線アークによる材質劣化をいっそう低減させたものが実用化されている。
【0003】
特開平１１－３４１６０３号公報（特許文献１）には、集電すり板において、軽金属の溶湯が含浸しうる空隙を内部に有する多孔質カーボンから形成される摺動部と、軽金属よりなる補強部から構成され、カーボン中の空隙内部に補強部と同一材質の軽金属を含侵させ、摺動部と補強部を結合させた技術が開示されている。
【0004】
特開２０１６－２２６１８０号公報（特許文献２）には、導電性摺動部材において、マトリックス中に炭素繊維及び黒鉛を含有する基材と、この基材中に層状に配設され、金属を主成分とし、表裏に貫通する複数の開口を規則的に有する１又は複数の導電層とを備え、導電層が、複数の開口に基材を構成する材料が充填されるよう基材中に埋没し、１又は複数の導電層の端面が少なくとも摺動面に露出し、１又は複数の導電層が摺動面に略垂直に配設されている技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平１１－３４１６０３号公報
【特許文献2】特開２０１６－２２６１８０号公報
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】寺田賢二郎、外１名、「均質化法入門」、丸善株式会社、２００３年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記したように、現用のパンタグラフ等の集電装置に備えられるすり板であって、カーボン系すり板と称されるすり板の材料即ち現用材として、銅とカーボンとの複合材料が用いられている。現用材の銅とカーボンとの複合材料としては、銅含浸カーボン材料（多孔質カーボンに銅が含浸された材料）、銅とカーボンとの焼結材料、及び、金属含浸Ｃ／Ｃ複合材料（炭素繊維／炭素複合材料に銅合金が含浸された材料）が挙げられる。
【0008】
上記した銅とカーボンとの複合材料のうち銅含浸カーボン材料は、多孔質のカーボンよりなる基材に溶融した銅が含浸されてなるものであり、銅含浸カーボン材料の全体積に対する銅の体積の総和の比である銅の体積分率は、１５～１８％程度である。このような体積分率で銅を含浸することにより、銅含浸カーボン材料の強度及び電気伝導率を向上させている。
【0009】
ところが、使用時の通電、摩擦又は離線アークにより、カーボン系すり板の表面温度が上昇して銅の融点である１０８３℃に達すると、カーボン系すり板の表面から銅が溶出してカーボン系すり板の強度が低下し、カーボン系すり板の摩耗量が増加するおそれがある。
【0010】
このような銅含浸カーボン材料を含む銅とカーボンとの複合材料は、複数の材料で構成された複合材料であるので、構成材料の組合せ、割合及び配置などの微視的構造が、材料全体の特性及び挙動に影響する。しかしながら、微視的構造を変更させた銅とカーボンとの複合材料よりなるすり板を作製し、変更させた微視的構造の全てについて測定を行って材料全体の特性及び挙動を評価することは容易ではない。そのため、集電装置が搭載された車両が走行する際にすり板がトロリ線と摺動することにより上昇したすり板の最高温度を、現用材よりなるすり板を用いた場合における最高温度よりも低下させることは、困難である。また、集電装置が搭載された車両が走行する際にすり板がトロリ線と摺動することにより上昇したすり板の最高温度を、銅の体積分率を低減しつつ、現用材よりなるすり板を用いた場合における最高温度と同程度に維持することは、困難である。
【0011】
また、上記した課題は、銅含浸カーボン材料のみならず、銅とカーボンとの焼結材料、及び、金属含浸Ｃ／Ｃ複合材料を含めた銅とカーボンとの複合材料全般に共通する課題である。
【0012】
本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、トロリ線と摺動するすり板において、すり板がトロリ線と摺動することにより上昇したすり板の最高温度を、現用材よりなるすり板を用いた場合における最高温度よりも低下させることができるか、又は、銅の体積分率を低減しつつ、現用材よりなるすり板を用いた場合における最高温度と同程度に維持することができるすり板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0014】
本発明の一態様としてのすり板は、トロリ線から集電する集電装置に備えられ、且つ、トロリ線と摺動するすり板である。当該すり板は、トロリ線と摺動する第１面と、第１面と反対側の第２面と、を含み、且つ、カーボンを主成分として含有する基体と、第１面から第２面にそれぞれ達する複数の貫通孔と、複数の貫通孔の各々にそれぞれ埋め込まれ、且つ、それぞれ銅を主成分として含有する複数の柱状導体と、を有する。すり板の全体積に対する複数の柱状導体の体積の総和の比である柱状導体の体積分率は、５％以上である。
【0015】
また、他の一態様として、柱状導体の体積分率は、５～１８％であってもよい。また、他の一態様として、柱状導体の体積分率は、９～１５％であってもよい。
【0016】
また、他の一態様として、第１面に沿った第１方向における熱伝導率に対する、第１面に垂直な第２方向における熱伝導率の比である熱伝導率比は、６～１５であってもよい。また、他の一態様として、第２方向における電気抵抗率に対する、第１方向における電気抵抗率の比である電気抵抗率比は、１２０～３１０であってもよい。
【0017】
また、他の一態様として、複数の柱状導体の平均半径は、５～７６μｍであり、複数の柱状導体の平均中心間隔は、６０～３００μｍであり且つ複数の柱状導体の平均半径の２倍よりも大きくてもよい。
【発明の効果】
【0018】
本発明の一態様を適用することで、トロリ線と摺動するすり板において、すり板がトロリ線と摺動することにより上昇したすり板の最高温度を、現用材よりなるすり板を用いた場合における最高温度よりも低下させることができるか、又は、銅の体積分率を低減しつつ、現用材よりなるすり板を用いた場合における最高温度と同程度に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】実施の形態のすり板が備えられる集電装置及びトロリ線の一例を示す斜視図である。
【図2】比較例１のすり板の一部分の材料分布を表すモデルを示す図である。
【図3】解析例１のすり板の一部分の材料分布を表すモデルを示す図である。
【図4】すり板を含む集電舟を表すＦＥＭモデルを示す図である。
【図5】比較例１のすり板の熱伝導解析結果を示すグラフである。
【図6】解析例１のすり板の熱伝導解析結果を示すグラフである。
【図7】実施の形態のすり板の一部断面を含む斜視図である。
【図8】実施の形態のすり板の一部分の材料分布を表すモデルを示す図である。
【図9】解析例２－１乃至解析例２－２３及び比較例２－１乃至比較例２－８における最高温度の銅の体積分率依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下に、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【0021】
なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実施の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。
【0022】
また本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
【0023】
更に、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見やすくするためにハッチング（網掛け）を省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見やすくするためにハッチングを付す場合もある。
【0024】
なお、以下の実施の形態においてＡ～Ｂとして範囲を示す場合には、特に明示した場合を除き、Ａ以上Ｂ以下を示すものとする。
【0025】
（実施の形態）
＜集電装置＞
初めに、図１を参照し、本発明の一実施形態である実施の形態のすり板が備えられる集電装置について説明する。図１は、実施の形態のすり板が備えられる集電装置及びトロリ線の一例を示す斜視図である。
＜集電装置＞
初めに、図１を参照し、本発明の一実施形態である実施の形態のすり板が備えられる集電装置について説明する。図１は、実施の形態のすり板が備えられる集電装置及びトロリ線の一例を示す斜視図である。
【0026】
図１に示すように、本実施の形態のすり板１は、トロリ線２に沿って移動する車両３（図１では車両の屋根の一部のみを表示）に搭載されトロリ線２から集電するパンタグラフ等の集電装置４に備えられ、且つ、車両３がトロリ線２に沿って移動する際にトロリ線２と摺動するすり板である。集電装置４は、例えば集電舟５と、パンタグラフ６と、カバー７と、を備えている。集電舟５は、すり板１を含む。パンタグラフ６は、例えば車両３に碍子（図示は省略）を介して取り付けられた下側アーム６ａと、下側アーム６ａの上端にヒンジ６ｂを介して取り付けられた上側アーム６ｃと、を含み、集電舟５は、上側アーム６ｃの上端に取り付けられ、パンタグラフ６は、集電舟５を昇降させる。カバー７は、パンタグラフ６の下部を覆う。
【0027】
＜すり板における技術的思想＞
次に、図２乃至図４を参照し、本実施の形態のすり板における技術的思想について、比較例１及び解析例１のすり板を参照しながら説明する。図２は、比較例１のすり板の一部分の材料分布を表すモデルを示す図である。図３は、解析例１のすり板の一部分の材料分布を表すモデルを示す図である。図４は、すり板を含む集電舟を表すＦＥＭモデルを示す図である。
次に、図２乃至図４を参照し、本実施の形態のすり板における技術的思想について、比較例１及び解析例１のすり板を参照しながら説明する。図２は、比較例１のすり板の一部分の材料分布を表すモデルを示す図である。図３は、解析例１のすり板の一部分の材料分布を表すモデルを示す図である。図４は、すり板を含む集電舟を表すＦＥＭモデルを示す図である。
【0028】
前述したように、パンタグラフ等に備えられるすり板として、近年、銅粉又は鉄粉が主成分として含有され潤滑材としてスズ粉又はカーボン粉などが混合された焼結合金製のすり板に代えて、炭素材料（カーボン）よりなる基材に金属が含有された炭素系材料よりなるすり板、即ち所謂カーボン系すり板が使われるようになってきている。カーボン系すり板を用いることにより、カーボンが有する潤滑性により、すり板自身の摩耗、及び、相手材であるトロリ線の摩耗が少なく、設備の保守経費を節減するために有効である。このようなカーボン系すり板として、すり板を構成する炭素系材料の基材に種々の金属又は合金を含浸させることにより、摩損及び離線アークによる材質劣化をいっそう低減させたものが実用化されている。
【0029】
従前、結晶構造が未発達の多孔質炭素材料よりなるすり板が用いられていた。この多孔質炭素材料よりなるすり板は、コークス又は黒鉛などを原料にコールタールピッチなどを加えて練り成形し焼成されることにより、製造されていた。焼成したままの多孔質炭素材料は、その抵抗率が３０μΩｍ程度であり、すり板としても使用可能ではあるものの、焼成前の原料粉の段階又は焼成後の炭素に金属を含有させることにより、強度を約２倍、導電性を約１０倍に高めることができる。そして、これらの金属が含有された炭素系材料よりなるすり板が、前述したカーボン系すり板と称されている。
【0030】
また、前述したように、カーボン系すり板と称されるすり板の材料即ち現用材として、銅とカーボンとの複合材料が用いられている。また、前述したように、現用材の銅とカーボンとの複合材料としては、銅含浸カーボン材料（多孔質カーボンに銅が含浸された材料）、銅とカーボンとの焼結材料、及び、金属含浸Ｃ／Ｃ複合材料（炭素繊維／炭素複合材料に銅合金が含浸された材料）である。
【0031】
上記した銅とカーボンとの複合材料のうち銅含浸カーボン材料は、多孔質のカーボンよりなる基材に溶融した銅が含浸されてなるものであり、銅含浸カーボン材料の全体積に対する銅の体積の総和の比である銅の体積分率は、１５～１８％程度である。このような体積分率で銅を含浸することにより、銅含浸カーボン材料の強度及び電気伝導率を向上させている。
【0032】
ところが、使用時の通電、摩擦又は離線アークにより、カーボン系すり板の表面温度が上昇して銅の融点である１０８３℃に達すると、カーボン系すり板の表面から銅が溶出してカーボン系すり板の強度が低下し、カーボン系すり板の摩耗量が増加するおそれがある。
【0033】
このような銅含浸カーボン材料を含む銅とカーボンとの複合材料は、複数の材料で構成された複合材料であるので、構成材料の組合せ、割合及び配置などの微視的構造が、材料全体の特性及び挙動に影響する。しかしながら、微視的構造を変更させた銅とカーボンとの複合材料よりなるすり板を作製し、変更させた微視的構造の全てについて測定を行って材料全体の特性及び挙動を評価することは容易ではない。そのため、集電装置が搭載された車両が走行する際にすり板がトロリ線と摺動することにより上昇したすり板の最高温度を、現用材よりなるすり板を用いた場合における最高温度よりも低下させることは、困難である。また、集電装置が搭載された車両が走行する際にすり板がトロリ線と摺動することにより上昇したすり板の最高温度を、銅の体積分率を低減しつつ、現用材よりなるすり板を用いた場合における最高温度と同程度に維持することは、困難である。
【0034】
一方、微視的構造から物性が計算により評価できれば、特性向上のための材料開発において、目的の物性を持つ材料構造を容易に提案することができ、試作回数の削減による開発の効率化が期待できる。また、摩擦・摩耗現象には、摩擦面近傍の材料が受ける力及び熱が大きく影響するため、微視的なスケールでの応力及び温度の分布を計算で把握することにより、現象の理解が進み、優れた摩擦特性を有する材料の向上策の提案につながると期待される。
【0035】
そこで本発明者らは、鉄道用材料の特性向上のための材料開発において、設計指針の方向性を示すことを目指して、微視的な構造を考慮した材料のモデル化及び物性評価を行った。
【0036】
具体的には、現用材よりなるすり板として、銅とカーボンとの複合材料よりなるすり板を模擬した微視的構造を有するすり板を、比較例１のすり板とした。現用材である比較例１のすり板の材料は、多孔質のカーボンよりなる基材中に銅が含有されてなるものであり、硬さ及び導電性を向上させた材料である。そして、比較例１のすり板の材料について、微視的構造モデルを作成し、非特許文献１に記載された均質化法による解析を行って、弾性定数、熱伝導率及び電気抵抗率を算出した。
【0037】
また、比較例１のすり板について作成した、一辺の長さが３００μｍである立方体形状を有するモデルの例を、図２に示す。図２の左側にモデル１０２を示し、図２の右側にモデル１０２中に含有された導体１０５を示している。モデル１０２は、多孔質のカーボンよりなる基材１０３中に銅よりなる導体１０５が含有されてなる材料を示している。導体１０５は、銅球１０５ａ及び銅円柱１０５ｂを含む。現用材を模擬するため、モデル１０２の全体積に対する銅の体積分率を１６％とした。また、銅球１０５ａの半径Ｒｓを１００μｍとし、銅円柱１０５ｂの半径Ｒｃを１６．７μｍとした。
【0038】
なお、図２に示すｘ方向及びｙ方向は、すり板のトロリ線と摺動する面であるすり板の上面にそれぞれ沿い且つ互いに直交する方向であり、図２に示すｚ方向は、すり板の上面に垂直な方向である（後述する図３及び図８においても同様）。
【0039】
また、均質化法による解析に用いた材料定数を、表１に示す。表中の炭素（Ｃ）の物性は、カーボンよりなる基材の物性を再現するように決定し、銅（Ｃｕ）の物性は、公称値を用いた。
【0040】
【表1】
【0041】
すり板は、トロリ線と接する上面側から下面側（車両側）へ電気を通す部材である。電気抵抗率の低い銅が上下方向につながっていると、電流を効率的に車両側へ流すことができると考えられる。そこで、解析例１のすり板の材料のモデルとして、上下方向に一軸異方性を有する銅とカーボンとの複合材料のモデル（以下、「一軸異方性モデル」とも称する。）を作成して物性を算出し、現用材である比較例１のすり板の材料のモデル（以下、「等方性モデル」とも称する。）と比較した。
【0042】
解析例１のすり板の材料のモデルとして、一辺３００μｍの立方体形状の一軸異方性モデルを作成した。一軸異方性の方向はｚ方向とした。作成された一軸異方性モデルを、図３に示す。図３は、モデル１１２を示している。モデル１１２は、カーボンよりなる基材１１３中に、銅よりなる柱状導体１１５が埋め込まれてなる材料を示している。比較例１のすり板の材料のモデルと比較するため、解析例１のすり板の材料のモデルの全体積に対する銅の体積分率は、１７％とした。柱状導体１１５の半径を６９μｍとした。モデル１１２は、基材１１３中に、柱状導体１１５が１本のみ埋め込まれてなるものとし、柱状導体１１５は、ｘ方向及びｙ方向に３００μｍの間隔でマトリクス状に配列されているものとした。
【0043】
このようにして作成された比較例１のすり板の材料のモデル（等方性モデル）及び解析例１のすり板の材料のモデル（一軸異方性モデル）について、モデルの構成割合と均質化法により、すり板の材料の物性値を算出した。算出された物性値を、表２に示す。表２には、比較例１のすり板の材料のモデル（等方性モデル）について、炭素（炭素よりなる基材）及び銅（銅よりなる導体）の体積分率、並びに、熱伝導率及び電気抵抗率の物性値が記載されている。また、表２には、解析例１のすり板の材料のモデル（一軸異方性モデル）について、炭素（炭素よりなる基材）及び銅（銅よりなる導体）の体積分率、並びに、熱伝導率及び電気抵抗率の物性値が記載されている。
【0044】
【表2】
【0045】
解析例１の一軸異方性モデルの結果をｚ方向とｘ方向及びｙ方向との間で比較すると、ｘ方向及びｙ方向の物性値に対するｚ方向の物性値は、熱伝導率において１４倍、電気抵抗率において０．００３倍であった。炭素の物性値に対する銅の物性値は、表１に示すように、熱伝導率において約１１０倍、電気抵抗率において約０．０００４倍であり、炭素と銅で差がある物性値ほど異方性が高くなった。
【0046】
また、解析例１の一軸異方性モデルの結果と比較例１の等方性モデルの結果とを比較すると、一軸異方性モデルのｚ方向の物性値は、等方性モデルの物性値に比べ、熱伝導率において４．７倍、電気抵抗率において０．１５倍であった。一方、ｘ方向及びｙ方向の物性値は、等方性モデルの物性値に比べ、熱伝導率において０．３３倍、電気抵抗率において４３．８倍であった。同じ体積分率の等方性モデルに比べ、銅をｚ方向に連続的に配置することにより、電気抵抗率は、ｚ方向において下がりｘ方向及びｙ方向において上がるため、一方向に電流を流す機能を重視する場合に有効である。
【0047】
熱伝導率に関しては、ｚ方向において上がる一方、ｘ方向及びｙ方向において下がるため、すり板のｘ方向及びｙ方向の温度上昇が大きくなる可能性が考えられる。そこで、次に、表１に示した物性値、及び、図４に示すすり板を含む集電舟を表すＦＥＭ（Finite Element Method）モデルを用いて、すり板の表面温度の解析を行った。この際、摺動範囲であるすり板の上面に、摩擦及び接触抵抗により空間的及び時間的に均一に熱が与えられ、電流が均一に与えられると仮定して、すり板の表面温度の解析（熱伝導解析）を行った。
【0048】
図４は、熱伝導解析の解析条件を説明するための図でもある。図４に示すように、摩擦及び接触抵抗によりすり板１の上面に与えられる熱をＱとし、トロリ線からすり板１に流れる電流をＩとし、集電舟における熱伝達をｈとし、集電舟５における熱輻射をεとし、すり板１に設けられたシャント８における電位をＶ０としたとき、図４に示すように、また前述したように、摺動範囲であるすり板１の上面に、摩擦及び接触抵抗により空間的及び時間的に均一に熱Ｑが与えられ、電流Ｉが均一に与えられると仮定した、定常熱伝導解析を行った。このときの解析条件は、以下の通りである。
Ｉ＝４００Ａ
ｈ＝８０Ｗ／ｍ２Ｋ
ε（熱放射率）＝０．２
Ｔｉｎｆ（雰囲気温度）＝１５℃
Ｑ＝２６００Ｗ
Ｉ＝４００Ａ
ｈ＝８０Ｗ／ｍ２Ｋ
ε（熱放射率）＝０．２
Ｔｉｎｆ（雰囲気温度）＝１５℃
Ｑ＝２６００Ｗ
【0049】
また、走行速度を１００ｋｍ／ｈとし、摩擦係数を０．２とし、接触抵抗を２０ｍΩとし、押し付け力を６４Ｎとし、αｆｒ（摩擦熱のすり板側への配分率）＝０．２とし、αＲ（接触抵抗ジュール熱のすり板側への配分率）＝０．８とした。なお、摩擦熱は、摩擦係数×押付力×摩擦速度で算出し、接触抵抗ジュール熱は、接触抵抗×通電電流の二乗で算出した。
【0050】
【0051】
図５及び図６に示すように、比較例１のすり板における最高温度は４９３℃であり、解析例１のすり板における最高温度が４１０℃であり、一軸異方性モデルにより表される材料である解析例１のすり板における最高温度の方が、等方性モデルにより表される材料である比較例１のすり板における最高温度よりも低くなった。
【0052】
図５及び図６に示す結果から、本発明者らは、等方性モデルにより表され且つ現用材である比較例１のすり板の材料を、炭素の電気抵抗率よりも低い電気抵抗率を有する銅が上下方向につながるように配置した一軸異方性モデルにより表される解析例１のすり板の材料に変更することにより、電流を効率的に車両側へ流すことができ、すり板の最高温度を８０～９０℃程度下げることができることを見出した。
【0053】
また、本発明者らは、現実的に作製が可能な材料として、カーボンを主成分として含有する基体中に、上面から下面に貫通する柱状導体を形成した場合において、柱状導体の半径及び柱状導体同士の間隔を変更しながら、均質化法による熱伝導率及び電気抵抗率等の物性値の算出、並びに、算出された物性値に基づいてＦＥＭモデルによるすり板の表面温度の解析（熱伝導解析）を行った。その結果、後述する表３乃至表５及び図９を用いて説明するように、すり板の最高温度は、柱状導体の半径及び柱状導体同士の間隔にはほとんど依存せず、すり板中の銅の体積分率に主として依存することを見出した。また、すり板の最高温度を、現用材である比較例１のすり板の材料よりも低下させることができる銅の体積分率の範囲を見出した。
【0054】
【0055】
前述したように、本実施の形態のすり板１は、トロリ線２（図１参照）に沿って移動する車両３（図１参照）に搭載されトロリ線２から集電する集電装置４（図１参照）に備えられ、且つ、車両３がトロリ線２に沿って移動する際にトロリ線２と摺動するすり板である。
【0056】
好適には、本実施の形態のすり板は、トロリ線に沿って移動する鉄道車両に搭載されトロリ線から集電する集電装置としてのパンタグラフに備えられ、且つ、鉄道車両がトロリ線に沿って移動する際にトロリ線と摺動するすり板である。しかし、本実施の形態のすり板は、鉄道車両に搭載されたパンタグラフに備えられるすり板に限られず、例えばトロリーバス又は無軌条電車に搭載された集電装置に備えられるすり板、及び、モノレール又は単軌鉄道に搭載された集電装置に備えられるすり板にも適用可能である。
【0057】
図７に示すように、本実施の形態のすり板１は、基体１３と、複数の貫通孔１４と、複数の柱状導体１５と、を有する。基体１３は、トロリ線と摺動する第１面１３ａと、第１面と反対側の第２面１３ｂと、を含み、且つ、カーボンを主成分として含有する。なお、カーボンを主成分として含有するとは、重量分率で５０％以上のカーボンを含有することを意味する。また、導体とは、電気抵抗率が１μΩｍ程度以下であることを意味する。
【0058】
なお、本実施の形態のすり板１は、所謂カーボン系すり板である。前述したように、カーボン系すり板とは、炭素材料（カーボン）よりなる基材（本実施の形態における基体１３に相当）に金属が含有された炭素系材料よりなるすり板である。従って、基体１３として、コークス又は黒鉛などの原料にコールタールピッチなどを加えて練り成形し焼成されてなる多孔質炭素材料よりなる基体、又は、炭素繊維強化炭素複合材（Ｃ／Ｃ複合材）よりなる基体、を用いることができる。
【0059】
複数の貫通孔１４は、第１面１３ａから基体１３をそれぞれ貫通して第２面１３ｂにそれぞれ達する。複数の柱状導体１５は、複数の貫通孔１４の各々にそれぞれ埋め込まれ、且つ、それぞれ銅を主成分として含有する。なお、銅を主成分として含有するとは、重量分率で５０％以上の銅を含有することを意味する。また、図７では、理解を簡単にするために、ｘ方向において３本の柱状導体１５が配列され、ｙ方向において２０本の柱状導体１５が配列された状態を図示しているものの、実際には、ｘ方向及びｙ方向のいずれにおいても多数本の柱状導体１５が配列されることができる。
【0060】
前述したように、上記した銅とカーボンとの複合材料のうち銅含浸カーボン材料は、多孔質のカーボンよりなる基材に溶融した銅が含浸されてなるものであり、銅含浸カーボン材料の全体積に対する銅の体積の総和の比である銅の体積分率は、１５～１８％程度である。このような体積分率で銅を含浸することにより、銅含浸カーボン材料の強度及び電気伝導率を向上させている。
【0061】
ところが、使用時の通電、摩擦又は離線アークにより、カーボン系すり板の表面温度が上昇して銅の融点である１０８３℃に達すると、カーボン系すり板の表面から銅が溶出してカーボン系すり板の強度が低下し、カーボン系すり板の摩耗量が増加するおそれがある。
【0062】
また、前述したように、このような銅含浸カーボン材料を含む銅とカーボンとの複合材料は、複数の材料で構成された複合材料であるので、すり板がトロリ線と摺動することにより上昇したすり板の最高温度を、現用材よりなるすり板を用いた場合における最高温度よりも低下させることは、困難である。また、集電装置が搭載された車両が走行する際にすり板がトロリ線と摺動することにより上昇したすり板の最高温度を、銅の体積分率を低減しつつ、現用材よりなるすり板を用いた場合における最高温度と同程度に維持することは、困難である。
【0063】
一方、本実施の形態のすり板１は、一軸異方性を有する複数の柱状導体１５を有する。これにより、すり板１の全体積に対する複数の柱状導体１５の体積の総和の比である体積分率（銅の体積分率）が現用材における銅の体積分率と同程度の場合（１５～１８％）、現用材より温度上昇を抑制することができる。また、銅の体積分率が現用材における銅の体積分率より少ない場合（５～１５％）でも、現用材より温度上昇を抑制することができる。そのため、本実施の形態では、現用材に比べ、すり板の摩耗量が増加することを防止又は抑制しつつ、トロリ線から集電される電流の電流量を容易に大きくすることができ、車両の速度を容易に高速化することができる。
【0064】
また、すり板１の全体積に対する複数の柱状導体１５の体積の総和の比である柱状導体１５の体積分率（銅の体積分率）は、５％以上である。このような場合、後述する表３乃至表５及び図９を用いて説明するように、銅の体積分率が５％未満の場合に比べて、すり板の最高温度を、現用材よりなる比較例１のすり板を用いる場合の最高温度（比較例１の最高温度）と同程度である５００℃程度又は比較例１の最高温度以下にすることができる。即ち、本実施の形態のすり板によれば、トロリ線と摺動するすり板において、すり板がトロリ線と摺動することにより上昇したすり板の最高温度を、現用材よりなるすり板を用いた場合における最高温度よりも低下させることができるか、又は、銅の体積分率を低減しつつ、現用材よりなるすり板を用いた場合における最高温度と同程度に維持することができる。
【0065】
好適には、柱状導体１５の体積分率（銅の体積分率）は、５～１８％である。銅の体積分率が５％以上の場合、前述したように、すり板の最高温度を、現用材よりなる比較例１のすり板を用いる場合の最高温度（比較例１の最高温度）と同程度である５００℃程度又は比較例１の最高温度以下にすることができる。また、銅の体積分率が１８％以下の場合、銅の体積分率を、現用材よりなる比較例１のすり板における銅の体積分率程度以下にすることができるので、すり板中のカーボンの含有率を現用材よりなる比較例１のすり板におけるカーボンの含有率と同程度以上にすることができ、すり板の最高温度を低減しつつトロリ線と摺動する際の潤滑性を向上させることができる。
【0066】
また、銅の体積分率が高くなるとすり板のヤング率が高くなるので、例えばトロリ線の摩耗量が増加するおそれがある。一方、銅の体積分率を低くすることにより、すり板のヤング率が高くなることを防止又は抑制することができ、トロリ線の摩耗量が増加することを防止又は抑制することができる。
【0067】
好適には、柱状導体１５の体積分率（銅の体積分率）は、９～１５％である。銅の体積分率が９％以上の場合、後述する表３乃至表５及び図９を用いて説明するように、すり板の最高温度を、現用材よりなる比較例１のすり板を用いる場合の最高温度よりも確実に低くすることができる。また、銅の体積分率が１５％以下の場合、銅の体積分率を、現用材よりなる比較例１のすり板における銅の体積分率よりも確実に少なくすることができるので、すり板中のカーボンの含有率を現用材よりなる比較例１のすり板におけるカーボンの含有率よりも確実に高くすることができ、すり板の最高温度を低減しつつトロリ線と摺動する際の潤滑性を確実に向上させることができる。
【0068】
好適には、第１面１３ａに沿った第１方向（図７におけるｘ方向又はｙ方向）における熱伝導率に対する、第１面１３ａに垂直な第２方向（図７におけるｚ方向）における熱伝導率の比である熱伝導率比は、６～１５である。熱伝導率比が６以上の場合、後述する表４及び表５を用いて説明するように、熱伝導率比が６未満の場合に比べて、すり板の最高温度を、現用材よりなる比較例１のすり板を用いる場合の最高温度（比較例１の最高温度）と同程度である５００℃程度又は比較例１の最高温度以下にすることができる。また、熱伝導率比が１５以下の場合、銅の体積分率を、現用材よりなる比較例１のすり板における銅の体積分率程度以下にすることができるので、すり板中のカーボンの含有率を現用材よりなる比較例１のすり板におけるカーボンの含有率と同程度以上にすることができ、すり板の最高温度を低減しつつトロリ線と摺動する際の潤滑性を向上させることができる。
【0069】
好適には、第１面１３ａに垂直な第２方向（図７におけるｚ方向）における電気抵抗率に対する、第１面１３ａに沿った第１方向（図７におけるｘ方向又はｙ方向）における電気抵抗率の比である電気抵抗率比は、１２０～３１０である。電気抵抗率比が１２０以上の場合、後述する表４及び表５を用いて説明するように、電気抵抗率比が１２０未満の場合に比べて、すり板の最高温度を、現用材よりなる比較例１のすり板を用いる場合の最高温度（比較例１の最高温度）と同程度である５００℃程度又は比較例１の最高温度以下にすることができる。また、電気抵抗率比が３１０以下の場合、銅の体積分率を、現用材よりなる比較例１のすり板における銅の体積分率程度以下にすることができるので、すり板中のカーボンの含有率を現用材よりなる比較例１のすり板におけるカーボンの含有率と同程度以上にすることができ、すり板の最高温度を低減しつつトロリ線と摺動する際の潤滑性を向上させることができる。
【0070】
なお、後述する表４及び表５を用いて説明するように、複数の柱状導体１５の平均半径は、５～７６μｍとすることができるものの、複数の柱状導体１５の平均半径は、５～７６μｍの範囲に限定されるものではなく、それ以外の値であってもよい。また、後述する表４及び表５を用いて説明するように、複数の柱状導体１５の平均中心間隔は、６０～３００μｍであり且つ複数の柱状導体１５の平均半径の２倍よりも大きくすることができるものの、複数の柱状導体１５の平均中心間隔は、特に限定されるものではなく、それ以外の値であってもよい。また、複数の柱状導体１５の半径及び間隔等の形状を評価する評価方法として、Ｘ線ＣＴ（Computed Tomography）を用いることができる。
【0071】
また、本実施の形態のすり板を製造する製造方法としては、特に限定されないものの、例えば以下のような製造方法を用いることができる。
【0072】
まず、コークス粉又は黒鉛粉等とコールタールピッチとが混合されることによりカーボンを主成分とした前駆体としてのプリプレグシートを作製する。このとき、プリプレグシートの面内にカーボンよりも低温で溶融又は蒸発可能な樹脂繊維が一方向に延在している状態で多数本配置されるように、プリプレグシートを作成する。
【0073】
次に、多数のプリプレグシートを積層し、多数のプリプレグシートが積層された状態でＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing）により成形し、例えば１３００℃程度の高温で焼成し、樹脂繊維を溶融又は蒸発させることにより、樹脂繊維が延在していた方向における両側の端面である第１面と第２面とを含み、カーボンを主成分として含有する基体を作製する。このとき、樹脂繊維が溶融又は蒸発することにより、基体には、第１面から基体をそれぞれ貫通して第２面にそれぞれ達する複数の貫通孔が形成される。
【0074】
次に、基体に溶融した銅を主成分として含有する金属を含浸させ、貫通孔の各々にそれぞれ埋め込まれ、且つ、それぞれ銅を主成分として含有する複数の柱状導体を形成する。これにより、基体と、複数の貫通孔と、複数の柱状導体と、を有するすり板を容易に製造することができる。
【0075】
＜すり板の熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析＞
次に、本実施の形態のすり板について熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析を行って求められた結果を、比較例のすり板の熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析を行って求められた結果と比較しながら説明する。以下では、本実施の形態のすり板として、熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析を行った例を、解析例２－１乃至解析例２－２３とする。また、比較例のすり板として、熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析を行った例を、比較例２－１乃至比較例２－８とする。なお、前述した解析例１は、解析例２－１９と同一の解析例であり、前述した比較例１は、比較例２－３と同一の比較例である。
次に、本実施の形態のすり板について熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析を行って求められた結果を、比較例のすり板の熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析を行って求められた結果と比較しながら説明する。以下では、本実施の形態のすり板として、熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析を行った例を、解析例２－１乃至解析例２－２３とする。また、比較例のすり板として、熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析を行った例を、比較例２－１乃至比較例２－８とする。なお、前述した解析例１は、解析例２－１９と同一の解析例であり、前述した比較例１は、比較例２－３と同一の比較例である。
【0076】
なお、比較例２－１乃至比較例２－８及び解析例２－１乃至解析例２－２３の熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析については、前述した図２及び図３並びに表１及び表２を用いて説明した比較例１及び解析例１の熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析と同様の方法により行った。
【0077】
まず、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の各々における一辺の長さが３００μｍである立方体形状を有し且つカーボンよりなる基材の空隙部分に銅が埋め込まれてなるモデルにおいて、比較例１のすり板をベースとして、モデルの全体積に対する複数の銅よりなる導体の体積の総和の比である導体の体積分率（銅の体積分率）を２．４～２１．５の範囲で変化させた場合に、熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析を行った例を、比較例２－１乃至比較例２－８とした。
【0078】
また、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の各々における一辺の長さが３００μｍである立方体形状を有し且つカーボンよりなる基体としての基材に、半径がＲμｍである円柱形状を有し且つ銅よりなる柱状導体が、ｘ方向及びｙ方向の各々にそれぞれ中心間隔ｄμｍで配列されるように埋め込まれた一軸異方性モデルにおいて、ｄ＝７５μｍ（一定）とし、Ｒを５～２０μｍの範囲で変化させた場合に、熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析を行った例を、解析例２－１乃至解析例２－８とした。
【0079】
ここで、解析例２－１乃至解析例２－８のすり板について作成した、一辺３００μｍの立方体形状のモデルの例を図８に示す。図８は、実施の形態のすり板の一部分の材料分布を表すモデルを示す図である。図８は、図７に示した実施の形態のすり板の一部分を拡大して示している。また、図８は、モデル２２を示し、モデル２２は、カーボンよりなる基体としての基材２３中に、銅よりなる柱状導体２５が埋め込まれてなる材料を示している。なお、図８は、解析例２－３（ｄ７５Ｒ１５）の例を例示している。
【0080】
また、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の各々における一辺の長さが３００μｍである立方体形状を有し且つカーボンよりなる基体としての基材に、半径がＲμｍである円柱形状を有し且つ銅よりなる柱状導体が、ｘ方向及びｙ方向の各々にそれぞれ中心間隔ｄμｍで配列されるように埋め込まれた一軸異方性モデルにおいて、Ｒ＝１７μｍ（一定）とし、ｄを６０～１５０μｍの範囲で変化させた場合に、熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析を行った例を、解析例２－９乃至解析例２－１１とした。
【0081】
また、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の各々における一辺の長さが３００μｍである立方体形状を有し且つカーボンよりなる基体としての基材に、半径がＲμｍである円柱形状を有し且つ銅よりなる柱状導体が、ｘ方向及びｙ方向の各々にそれぞれ中心間隔ｄμｍで配列されるように埋め込まれた一軸異方性モデルにおいて、ｄ＝３００μｍ（一定）とし、Ｒを２０～７６μｍの範囲で変化させた場合に、熱伝導率、電気抵抗率及び表面温度の解析を行った例を、解析例２－１２乃至解析例２－２３とした。
【0082】
このようにして解析された比較例２－１乃至比較例２－８及び解析例２－１乃至解析例２－２３の解析結果を、表３乃至表５及び図９に示す。
【0083】
表３は、等方性モデルである比較例２－１乃至比較例２－８について、Ｃｕ体積、Ｃ体積、推定密度、推定比熱、熱伝導率λ、電気抵抗率ρ及び最高温度を示している。表４は、解析例２－１乃至解析例２－１１について、Ｃｕ体積、Ｃ体積、推定密度、推定比熱、熱伝導率λｘ＝λｙ、熱伝導率λｚ、電気抵抗率ρｘ＝ρｙ、電気抵抗率ρｚ及び最高温度を示している。表５は、解析例２－１２乃至解析例２－２３について、Ｃｕ体積、Ｃ体積、推定密度、推定比熱、熱伝導率λｘ＝λｙ、熱伝導率λｚ、電気抵抗率ρｘ＝ρｙ、電気抵抗率ρｚ及び最高温度を示している。なお、表３において、例えばモデル名のＲｓ１１０Ｒｃｙ１８．３は、銅球１０５ａ（図２参照）の半径Ｒｓが１１０μｍであり、ｙ方向の銅円柱１０５ｂ（図２参照）の半径ＲｃであるＲｃｙが１８．３μｍであることを意味する。また、表４及び表５において、例えばモデル名のｄ７５Ｒ５は、中心間隔ｄが７５μｍであり、半径Ｒが５μｍであることを意味する。
【0084】
図９は、解析例２－１乃至解析例２－２３及び比較例２－１乃至比較例２－８における最高温度の銅の体積分率依存性を示すグラフである。なお、図９では、比較例２－１乃至比較例２－８を、Ｃｕ球＋Ｃｕ円柱＿Ｒｃｙ＝Ｒｓ／６（等方性）と表記し、解析例２－１乃至解析例２－８を、Ｃｕ円柱異方性ｄ７５と表記し、解析例２－９乃至解析例２－１１を、Ｃｕ円柱異方性Ｒ１７と表記し、解析例２－１２乃至解析例２－２３を、Ｃｕ円柱異方性Ｒ３００と表記している。
【0085】
【表3】
【0086】
【表4】
【0087】
【表5】
【0088】
表４、表５及び図９に示すように、解析例２－１乃至解析例２－８を表すプロット、解析例２－９乃至解析例２－１１を表すプロット、及び、解析例２－１２乃至解析例２－２３を表すプロットが、略同一の曲線上に配置され、解析例２－１乃至解析例２－２３のすり板における最高温度は、複数の柱状導体１５（図７参照）の半径Ｒ及び中心間隔ｄ（図８参照）には依存せず、柱状導体１５（図７参照）の体積分率（銅の体積分率）のみに依存することを見出した。また、表４、表５及び図９に示すように、柱状導体１５の体積分率（銅の体積分率）が高いほど熱伝導率が高くなり、電気抵抗率が低くなることを見出した。
【0089】
表４、表５及び図９に示すように、解析例２－１乃至解析例２－２３のうち、柱状導体１５（図７参照）の体積分率（銅の体積分率）が５．３％以上の場合、すり板の最高温度を４９１℃以下、即ち略５００℃以下にすることができる。一方、表３及び図９に示すように、銅の体積分率が、比較例２－１乃至比較例２－８のうち、銅の体積分率が現用材における銅の体積分率に近い比較例２－２及び比較例２－３における１６．４～１８．３％の場合、すり板の最高温度は４７５～４９３℃、即ち略５００℃程度である。そのため、柱状導体１５（図７参照）の体積分率（銅の体積分率）が５％以上である場合、柱状導体１５の体積分率（銅の体積分率）が５％未満の場合に比べて、すり板の最高温度を、現用材よりなる比較例２－２及び比較例２－３のすり板を用いる場合の最高温度（比較例２－２及び比較例２－３の最高温度）と同程度である５００℃程度又は比較例２－２及び比較例２－３の最高温度以下にできることが明らかになった。
【0090】
また、銅の体積分率をＲＣｕ％とし、すり板の最高温度をＴＭａｘ℃とし、解析例２－１乃至解析例２－２３のうち、柱状導体１５（図７参照）の体積分率（銅の体積分率）が４．０％以下の解析例のプロットを直線近似すると、下記式（数１）となり、解析例２－１乃至解析例２－２３のうち、銅の体積分率が１５．９～２４．８％の解析例のプロットを直線近似すると、下記式（数２）となる。
ＴＭａｘ＝－５９．３ＲＣｕ＋７４５ （数１）
ＴＭａｘ＝－２．６０ＲＣｕ＋４５３ （数２）
ＴＭａｘ＝－５９．３ＲＣｕ＋７４５ （数１）
ＴＭａｘ＝－２．６０ＲＣｕ＋４５３ （数２）
【0091】
ここで、上記式（数１）及び上記式（数２）で表される直線が、ＲＣｕ＝５．１％で交差している。従って、柱状導体１５（図７参照）の体積分率（銅の体積分率）が５％未満の場合、銅の体積分率が５％を超える場合に比べて、銅の体積分率の減少に伴って最高温度が急激に増加する点において、好ましくないことが分かる。
【0092】
また、表４、表５及び図９に示すように、解析例２－１乃至解析例２－２３のうち、柱状導体１５（図７参照）の体積分率（銅の体積分率）が１８％以下の場合、銅の体積分率を、現用材よりなる比較例２－２及び比較例２－３のすり板における銅の体積分率程度以下にすることができ、すり板を容易に製造することができる。
【0093】
なお、すり板が銅含浸カーボン材料よりなる場合には、多孔質カーボン中の空孔率が２０％程度以下であるため、銅の体積分率も２０％程度以下である。一方、すり板が銅とカーボンとの焼結材料よりなる場合には、銅の体積分率は、２０％以上であることができ、実際には２４％以下であることができる。そのため、柱状導体１５（図７参照）の体積分率（銅の体積分率）が２４％以下の場合、銅の体積分率を、銅とカーボンとの焼結材料よりなる現用材のすり板における銅の体積分率以下にすることができ、すり板を容易に製造することができる。
【0094】
また、表４、表５及び図９に示すように、解析例２－１乃至解析例２－２３のうち、柱状導体１５（図７参照）の体積分率（銅の体積分率）が８．８％以上の場合、すり板の最高温度を４５０℃以下にすることができる。一方、表３及び図９に示すように、銅の体積分率が、現用材における銅の体積分率に近い比較例２－２及び比較例２－３における１６．４～１８．３％の場合、すり板の最高温度は４７５～４９３℃である。そのため、銅の体積分率が９％以上である場合、すり板の最高温度を、現用材よりなる比較例２－２及び比較例２－３のすり板を用いる場合の最高温度よりも確実に低くすることができることが明らかになった。
【0095】
また、表４、表５及び図９に示すように、柱状導体１５（図７参照）の体積分率（銅の体積分率）が１５％以下である場合、銅の体積分率を、現用材よりなる比較例２－２及び比較例２－３のすり板における銅の体積分率よりも確実に少なくすることができる。
【0096】
また、表４、表５及び図９に示すように、解析例２－１乃至解析例２－２３のうち、第１面１３ａ（図７参照）に沿った第１方向（図７及び図８におけるｘ方向又はｙ方向）における熱伝導率に対する、第１面１３ａに垂直な第２方向（図７及び図８におけるｚ方向）における熱伝導率の比である熱伝導率比が６以上の場合、銅の体積分率が５％以上となり、熱伝導率比が６未満の場合に比べて、すり板の最高温度を、現用材よりなる比較例２－２及び比較例２－３のすり板を用いる場合の最高温度（比較例２－２及び比較例２－３の最高温度）と同程度又は比較例２－２及び比較例２－３の最高温度以下にすることができる。
【0097】
また、表４、表５及び図９に示すように、解析例２－１乃至解析例２－２３のうち、第１方向（図７及び図８におけるｘ方向又はｙ方向）における熱伝導率に対する、第２方向（図７及び図８におけるｚ方向）における熱伝導率の比である熱伝導率比が１５以下の場合、銅の体積分率を、１８％以下、即ち現用材よりなる比較例２－２及び比較例２－３のすり板における銅の体積分率程度以下にすることができる。
【0098】
また、表４、表５及び図９に示すように、解析例２－１乃至解析例２－２３のうち、第１面１３ａ（図７参照）に垂直な第２方向（図７及び図８におけるｚ方向）における電気抵抗率に対する、第１面１３ａ（図７参照）に沿った第１方向（図７及び図８におけるｘ方向又はｙ方向）における電気抵抗率の比である電気抵抗率比が１２０以上の場合、銅の体積分率が５％以上となり、電気抵抗率比が１２０未満の場合に比べて、すり板の最高温度を、現用材よりなる比較例２－２及び比較例２－３のすり板を用いる場合の最高温度（比較例２－２及び比較例２－３の最高温度）と同程度である５００℃程度又は比較例２－２及び比較例２－３の最高温度以下にすることができる。
【0099】
また、表４、表５及び図９に示すように、解析例２－１乃至解析例２－２３のうち、第２方向（図７及び図８におけるｚ方向）における電気抵抗率に対する、第１方向（図７及び図８におけるｘ方向又はｙ方向）における電気抵抗率の比である電気抵抗率比が３１０以下の場合、銅の体積分率を、１８％以下、即ち現用材よりなる比較例２－２及び比較例２－２のすり板における銅の体積分率程度以下にすることができる。
【0100】
また、前述したように、解析例２－１乃至解析例２－２３のすり板における最高温度は、複数の柱状導体１５（図７参照）の半径Ｒ及び中心間隔ｄ（図８参照）には依存せず、柱状導体１５の体積分率（銅の体積分率）のみに依存する。また、解析例２－１乃至解析例２－２３において、複数の柱状導体１５の各々の半径Ｒは、５～７６μｍの範囲であり、複数の柱状導体１５の中心間隔ｄは、６０～３００μｍで且つ半径Ｒの２倍よりも大きい範囲である。そのため、表４及び表５に示すように、複数の柱状導体１５の各々の半径Ｒは、少なくとも５～７６μｍの範囲とすることができ、複数の柱状導体１５の中心間隔ｄは、少なくとも６０～３００μｍで且つ半径Ｒの２倍よりも大きい範囲とすることができる。なお、中心間隔ｄが半径Ｒの２倍よりも大きいとは、互いに隣り合う２つの柱状導体１５が互いに離れていることを意味する。しかし、複数の柱状導体１５の各々の半径Ｒは、５～７６μｍの範囲以外の場合にも適用可能であり、複数の柱状導体１５の中心間隔ｄは、６０～３００μｍの範囲以外の場合にも適用可能である。
【0101】
また、解析例２－１乃至解析例２－２３のすり板における最高温度は、複数の柱状導体１５（図７参照）の半径Ｒ及び中心間隔ｄ（図８参照）には依存せず、柱状導体１５の体積分率（銅の体積分率）のみに依存する。そのため、複数の柱状導体１５の各々の半径が互いに等しい場合における平均半径及び平均中心間隔を、複数の柱状導体１５の各々の半径が互いに等しくなく例えば正規分布を有する場合における平均半径及び平均中心間隔に置き換えても同様の傾向が得られることが明らかになった。
【0102】
このように、本発明者らは、一軸異方性を有する銅とカーボンとの複合材料についての構造モデルを用い、円柱の半径及び間隔を変更しながらすり板の最高温度の解析を行うことにより、すり板の最高温度については、主として銅の体積分率に依存するものの、円柱の半径及び間隔にはあまり依存しないことを見出した。また、本発明者らは、すり板の最高温度の解析を行うことにより、従来の材料よりもすり板の最高温度を著しく低減できる銅の体積分率の範囲であって、且つ、軽量化及び耐摩耗性等の観点で有利な銅の体積分率の範囲を見出した。
【0103】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【0104】
本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【0105】
例えば、前述の各実施の形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【0106】
本発明は、トロリ線から集電する集電装置に備えられ、且つ、トロリ線と摺動するすり板に適用して有効である。
【符号の説明】
【0107】
１ すり板
２ トロリ線
３ 車両
４ 集電装置
５ 集電舟
６ パンタグラフ
６ａ 下側アーム
６ｂ ヒンジ
６ｃ 上側アーム
７ カバー
８ シャント
１３ 基体
１３ａ 第１面
１３ｂ 第２面
１４ 貫通孔
１５ 柱状導体
２２、１１２ モデル
２３、１１３ 基材
２５、１１５ 柱状導体
２ トロリ線
３ 車両
４ 集電装置
５ 集電舟
６ パンタグラフ
６ａ 下側アーム
６ｂ ヒンジ
６ｃ 上側アーム
７ カバー
８ シャント
１３ 基体
１３ａ 第１面
１３ｂ 第２面
１４ 貫通孔
１５ 柱状導体
２２、１１２ モデル
２３、１１３ 基材
２５、１１５ 柱状導体
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】