JP2014219077A - 圧力制御弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】気密性の低下を防止する圧力制御弁を提供する。【解決手段】高圧の気体燃料が流入する高圧室314と高圧室314の気体燃料が流れる低圧室318との間には弾性材から形成される弁座38及び弁座38を収容する弁座収容室392を有する弁座支持部材39が設けられている。金属から形成される弁座支持部材39の高圧室314側の端面393が第1弁ハウジング31の筒部311の内壁面310に当接するとき、弁座38の高圧室314側の端面382と第1弁ハウジング31の内壁面310との間には隙間が形成される。これにより、弁座支持部材39を所定の位置に固定するリテーナ395の軸力が弁座38の端面382と第1弁ハウジング31の内壁面310との間に作用しないため、弁座38は塑性変形しない。したがって、気体燃料用圧力制御弁は、長期に亘り高圧室314と低圧室318との気密を確実に保持することができる。【選択図】図3

Description

本発明は、圧力制御弁に関する。
内燃機関(以下、「エンジン」という)に供給される気体燃料、例えば、圧縮天然ガスの圧力を燃料タンク内の高圧から気体燃料用インジェクタが噴射可能な低圧に減圧する圧縮天然ガス用圧力制御弁が知られている。特許文献1には、ゴムから形成されるバルブシートを有する圧縮天然ガス用レギュレータが記載されている。
特許3594507号明細書
しかしながら、特許文献1に記載の圧縮天然ガス用レギュレータでは、バルブシートは、バルブシートに当接しつつ弁ハウジングとねじ結合するねじ部材により所定の位置に固定される。弁ハウジングとねじ部材との間の固定軸力はバルブシートに作用するため、長期の使用によりゴムから形成されるバルブシートは塑性変形し、ねじ部材の固定軸力がなくなるおそれがある。このため、弁ハウジングに対するバルブシートの位置が安定しなくなり、気密性が低下する。
本発明の目的は、気密性の低下を防止する圧力制御弁を提供することにある。
本発明は、外部からの流体が流入する第1室、及び、第1室に連通可能に形成され第1室の流体が流れる第2室を有する弁ハウジングと、弾性材から形成され第1室と第2室との間に位置する弁座と、金属から形成され第1室側に弁座を支持しつつ第1室と第2室との間に設けられる弁座支持部材と、弁座に対して往復移動可能に設けられ弁座に当接または離間すると第1室と第2室とを遮断または連通する弁体と、を備える圧力制御弁であって、弁座支持部材の第1室側の端面と弁ハウジングの弁座支持部材側の内壁面とは当接しつつ、弁座の第1室側の端面と弁ハウジングの弁座側の内壁面との間には隙間が形成されることを特徴とする。
本発明の圧力制御弁では、弾性材から形成される弁座を支持する弁座支持部材は金属から形成されている。弁座支持部材は、第1室側の端面が弁ハウジングの弁座支持部材側の内壁面に当接するよう弁ハウジング内に設けられる。このとき、弁座支持部材の第1室側に支持されている弁座は、弁ハウジングの弁座側の内壁面との間に隙間を形成する。これにより、弁座支持部材が所定の位置に固定されるよう弁座支持部材と弁ハウジングとの間に作用する作用力は、弁座支持部材の第1室側の端面と弁ハウジングの弁座支持部材側の内壁面との間に作用する一方、弁座の第1室側の端面と弁ハウジングの弁座側の内壁面との間には作用しない。これにより、弾性材から形成される弁座は当該作用力により塑性変形することなく第1室と第2室との間に位置し、長期に亘って第1室と第2室との間の気密を確実に保持することができる。
本発明の第1実施形態による圧力制御弁を用いた圧縮天然ガス供給システムの概略構成を示す模式図である。 本発明の第1実施形態による圧力制御弁の断面図である。 図2のIII部拡大図である。
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
(一実施形態)
最初に、一実施形態による「圧力制御弁」を用いる圧縮天然ガス供給システムの概略構成を図1に基づいて説明する。圧縮天然ガス供給システム5は、圧縮天然ガスを燃料とするエンジンを備える車両に搭載される。圧縮天然ガス供給システム5は、ガス充填口10、燃料タンク12、「圧力制御弁」としての気体燃料用圧力制御弁1、気体燃料用インジェクタ17、ECU9等を備える。
外部からガス充填口10を通して供給される高圧の気体燃料は、供給管6を通って燃料タンク12に貯留される。ガス充填口10は、逆流防止機能を有しており、ガス充填口10から供給される気体燃料が外部に逆流しないよう機能する。供給管6には、ガス充填弁11が設けられる。
燃料タンク12には、燃料タンク弁13が設けられる。燃料タンク弁13は、燃料タンク12からガス充填口10への逆流防止機能、規定量以上の気体燃料が供給管7を流れるとき燃料タンク12からの気体燃料の流れを遮断する過流防止機能、及び、燃料タンク12内の圧力上昇時に燃料タンク12内の圧力を外部に開放し燃料タンク12の破裂を防ぐ加圧防止安全機能を有する。
燃料タンク弁13は、供給管7を介して気体燃料用圧力制御弁1に接続する。供給管7には、手動により供給管7の遮断が可能な元弁14、電動により供給管7の遮断が可能な主止弁15が設けられている。
気体燃料用圧力制御弁1は、供給管7を介して供給される気体燃料の圧力を気体燃料用インジェクタ17に供給可能な圧力まで減圧する。例えば、気体燃料用圧力制御弁1は、燃料タンク12内の20MPaの気体燃料を気体燃料用インジェクタ17に供給可能な圧力である0.2〜0.65MPaまで減圧する。気体燃料用圧力制御弁1は、気体燃料用インジェクタ17に供給される気体燃料の圧力を所望の圧力範囲内で事前に変更可能である。なお、気体燃料用圧力制御弁1の詳細な構造は後述する。
気体燃料用圧力制御弁1で減圧された気体燃料は、オイルフィルタ16によってオイルが除去され、供給管8を通って気体燃料用インジェクタ17に供給される。気体燃料用インジェクタ17は、電気的に接続するECU9の指示に応じて吸気管18内に気体燃料を噴射する。気体燃料用インジェクタ17には、図示しない温度センサおよび圧力センサが設けられる。温度センサおよび圧力センサが検出する気体燃料の温度および圧力に関する情報は、ECU9に出力される。ECU9は、気体燃料用インジェクタ17に供給される気体燃料の圧力が規定値以上となるとき、主止弁15に供給管7を遮断する信号を出力する。
吸気管18内に噴射される気体燃料は、大気から導入される空気と混合され、吸気管18が接続するエンジン19の吸気ポートからシリンダ191内に導入される。エンジン19では、ピストン192の上昇による気体燃料および空気の混合気体の圧縮、及び、混合気体の爆発により回転トルクが発生する。なお、図1の矢印Fは、エンジン19に導入される空気、及び、排出される燃焼後の排気の流れを示す。
このようにして、圧縮天然ガス供給システム5は、高圧の気体燃料を気体燃料用圧力制御弁1により気体燃料用インジェクタ17に供給可能な低圧に減圧し、減圧された気体燃料を気体燃料用インジェクタ17よりエンジン19に供給する。
次に、気体燃料用圧力制御弁1の詳細構造について図2、3に基づいて説明する。なお、図2、3中の実線矢印Lは、気体燃料用圧力制御弁1において気体燃料が流れる方向を示す。
気体燃料用圧力制御弁1は、第1弁ハウジング31、第2弁ハウジング32、導出通路形成部材34、弁体36、弁座38、及び、受圧部材42などから構成される。
第1弁ハウジング31は、筒部311、及び、フランジ部312から構成される。筒部311及びフランジ部312は、金属から一体に形成されている。第1弁ハウジング31は、特許請求の範囲に記載の「弁ハウジング」に相当する。
筒部311は、略筒状に形成されており、導入通路313、高圧室314、及び、収容室315を有する。
導入通路313は、筒部311の側部に気体燃料用圧力制御弁1の中心軸に対して略垂直に形成されている。導入通路313は、供給管7の内部と高圧室314とを連通する。
高圧室314は、筒部311の略中央に略円柱状に形成されている。「第1室」としての高圧室314は、燃料タンク12に対して導入通路313の下流側に位置し、導入通路313を流れる高圧の気体燃料が流入する。
収容室315は、筒部311の一方の端部に形成され、後述するシャフト支持部材371及び蓋部材372を収容する。収容室315は、高圧室314と連通している。また、収容室315は、高圧室314の径外方向に形成されている連通路316を介してフランジ部312の内部に連通する。
フランジ部312は、筒部311の収容室315が形成される端部とは反側の端部に設けられる。フランジ部312は、外径が筒部311の外径より大きくなるように形成されている。フランジ部312は、中間室317、低圧室318、及び、連通路319を有する。
中間室317は、高圧室314に対して収容室315とは反対側に位置し、高圧室314と連通するよう形成されている。
低圧室318は、中間室317に対して高圧室314とは反対側に位置し、中間室317と連通するよう形成されている。「第2室」としての低圧室318の内径は、中間室317の内径より大きくなるよう形成されている。
連通路319は、低圧室318から径外方向に延びるよう形成されている。連通路319は、フランジ部312の径方向外側に設けられる導出通路形成部材34が形成する導出通路341と連通する。
導出通路形成部材34は、供給管8を介して気体燃料用インジェクタ23に接続する。これにより、フランジ部312の低圧室318は、連通路319及び導出通路341を介して気体燃料用インジェクタ23の内部に連通する。
第2弁ハウジング32は、筒部321、及び、フランジ部322から構成される。筒部321及びフランジ部322は金属から一体に形成されている。第2弁ハウジング32は、第1弁ハウジング31のフランジ部312に接続する。第2弁ハウジング32は、特許請求の範囲に記載の「弁ハウジング」に相当する。
筒部321は、略有底筒状に形成され、内部に第1スプリング44を収容する。筒部321の底壁には、筒部321の内部と外部とを連通する貫通孔323が形成されている。貫通孔323には、後述するニードル441が挿通される。また、筒部321の側壁には筒部321の内部と外部とを連通する貫通孔324が形成されている。貫通孔324は、連通路形成部材325が形成する連通路326を介して吸気管18の内部と連通する。
フランジ部322は、筒部321の開口側の端部に設けられる。フランジ部322は、その外径が筒部321の外径より大きくなるよう形成されている。
弁体36は、第1弁ハウジング31及び第2弁ハウジング32に対して往復移動可能なよう第1弁ハウジング31の内部に収容されている略棒状の金属部材である。弁体36は、第1シャフト部361、当接部362、第2シャフト部363、及び、規制部364から構成されている。第1シャフト部361、当接部362、第2シャフト部363及び規制部364は一体に形成されている。
第1シャフト部361は、棒状に形成され、高圧室314及び収容室315に位置する。第1シャフト部361は、収容室315に収容されるシャフト支持部材371に摺動しつつ支持されている。第1シャフト部361の一方の端部は、シャフト支持部材371より第1弁ハウジング31の外部側に突出し、シャフト支持部材371と蓋部材372との間に形成される調整室373に位置する。調整室373は、連通路316及び中間室317を介して低圧室318に連通する。第1シャフト部361とシャフト支持部材371との間、及び、シャフト支持部材371と第1弁ハウジング31との間には、調整室373と高圧室314と間の気密を保持するシール部材374、375が設けられている。
当接部362は、第1シャフト部361の他方の端部に接続するよう設けられる。当接部362は、弁体36の中心軸を含む平面での断面形状が略台形形状であり、最大の外径が第1シャフト部361の外径より大きくなるよう形成される。当接部362は、高圧室314側から低圧室318側に向かって外径が小さくなるテーパ面365を有する。当接部362のテーパ面365が形成される側とは反対側の端面には、第2スプリング366の一端が係止される。第2スプリング366の他端は、高圧室314を形成する第1弁ハウジング31の内壁に当接している。第2スプリング366は、弁体36を弁座38に当接する方向に付勢する。
第2シャフト部363は、棒状に形成され、一方の端部を当接部362の外径が小さい側の端部に接続するよう設けられる。第2シャフト部363は、主に中間室317及び低圧室318に位置する。
規制部364は、第2シャフト部363より外径が大きい円柱状に形成されている。規制部364は、受圧部材42に係合している。規制部364は、規制部364の第1弁ハウジング31の中心軸に垂直な方向の断面積が調整室373に突出する第1シャフト部361の端部の断面積と同じ大きさになるよう形成される。これにより、弁体36に作用する低圧室318及び調整室373の気体燃料の圧力がキャンセルされる。
弁座38は、弾性材から略円環状に形成されている。弁座38は、略中央に弁体36の第2シャフト部363が挿通される貫通孔383を有する。弁座38は、弁座支持部材39に支持されている。貫通孔383の高圧室314側の開口を形成する縁部には、当接部362のテーパ面365と当接または離間する弁座面381が形成されている。弁座38は、図3に示すように、その外径R1が高圧室314の内径R2より大きくなるように形成されている。
弁座支持部材39は、金属から略円環状に形成されている。弁座支持部材39は、弁座38を支持しつつ第1弁ハウジング31の中間室317に収容される。弁座支持部材39は、略中央に貫通孔391、及び、貫通孔391と連通する弁座収容室392を有する。貫通孔391は、弁座収容室392に弁座38が収容されるとき、弁座38の貫通孔383に連通する。弁座収容室392は、高圧室314側の端部に凹状に形成され、その内径は高圧室314の内径R2より大きくなるように形成されている。弁座収容室392には、外径R1を有する弁座38が圧入固定される。これにより、弁座収容室392の弁座38は、弁座収容室392の内壁により径方向の移動が規制される。
中間室317に収容されている弁座支持部材39の高圧室314側の端面393は、第1弁ハウジング31の内壁面310に当接している。弁座支持部材39の端面393と第1弁ハウジング31の内壁面310との間にはシール部材394が設けられる。
また、弁座支持部材39の端面393と第1弁ハウジング31の内壁面310とが当接しているとき、弁座38の高圧室314側の端面382と第1弁ハウジング31の内壁面310との間には隙間が形成される。当該隙間は、極力小さくなるように弁座38は設けられる。弁座38と弁座支持部材39との間にはシール部材384が設けられる。端面393は、特許請求の範囲に記載の「弁座支持部材の第1室側の端面」に相当する。端面382は、特許請求の範囲に記載の「弁座の第1室側の端面」に相当する。内壁面310は、特許請求の範囲に記載の「弁ハウジングの弁座支持部材側の内壁面」及び「弁ハウジングの弁座側の内壁面」に相当する。
リテーナ395は、中間室317において弁座支持部材39の低圧室318側に設けられる。リテーナ395は、中間室317を形成する第1弁ハウジング31の内壁に形成されるねじ溝にねじ結合する。これにより、リテーナ395と第1弁ハウジング31との間には、弁座支持部材39の端面393が第1弁ハウジング31の内壁面310に当接するよう保持する軸力が発生している。リテーナ395は、特許請求の範囲に記載の「規制部材」に相当する。
リテーナ395は、貫通孔396、及び、連通路397を有する。貫通孔396は、リテーナ395の略中央に形成され、弁座38の貫通孔383及び弁座支持部材39の貫通孔391と連通し、高圧室314と低圧室318とを連通可能である。貫通孔396の径外方向に形成される連通路397は、中間室317及び連通路316を介して調整室373と低圧室318とを連通する。
受圧部材42は、第1弁ハウジング31と第2弁ハウジング32との間に設けられている。受圧部材42は、ダイアフラム421、第1連結部材422、第2連結部材423、及び、スプリングホルダ424などから構成される。受圧部材42は、第1ハウジング31のフランジ部312の低圧室318と第2ハウジング32の内部とを区画し、低圧室318と第1スプリング44が収容される第2弁ハウジング32内との圧力のバランスにより第1弁ハウジング31側、または、第2弁ハウジング32側に向かって変位する。
ダイアフラム421は、環状の薄膜であって、径方向外側の端部を第1弁ハウジング31のフランジ部312の端部と第2弁ハウジング32のフランジ部322の端部との間に挟まれることで支持される。ダイアフラム421の径方向内側の端部には、第1連結部材422、第2連結部材423、及び、スプリングホルダ424が接続する。
第1連結部材422は、ダイアフラム421に対して低圧室318側に設けられる金属部材である。第1連結部材422の第1弁ハウジング31側の端部には、弁体36の規制部364が係合されている。第1連結部材422の第2弁ハウジング32側の端部には、第2連結部材423が接続する凸部425が設けられている。第1連結部材422及び第2連結部材423は、ダイアフラム421の径方向内側の端部を挟み込みつつダイアフラム421と一体となって変位する。
スプリングホルダ424は、ダイアフラム421とともに第1連結部材422及び第2連結部材423に支持されている皿状の金属部材である。スプリングホルダ424は、第1スプリング44の一端を係止する。
第1スプリング44は、スプリングホルダ424に係止される側とは反対側の他端が第2弁ハウジング32に収容されているスプリングホルダ442に当接している。第1スプリング44は、受圧部材42を介して弁体36を弁座38から離間する方向に付勢する。第1スプリング44の付勢力は、第2スプリング366の付勢力より大きく設定されている。これにより、高圧室314及び低圧室318に気体燃料が満たされていないとき、弁体36は弁座38から離間する。
ニードル441は、第2弁ハウジング32の貫通孔323に挿通され、第2弁ハウジング32とねじ結合している。ニードル441は、スプリングホルダ442の略中央に当接し、第2弁ハウジング32に対するスプリングホルダ442の位置を調整する。これにより、ニードル441は第1スプリング44の付勢力を調整可能である。具体的には、ニードル441を第2弁ハウジング32に対してねじ込むと、第1スプリング44の付勢力は相対的に大きくなる。
次に、気体燃料用圧力制御弁1の作用について図2、3に基づいて説明する。
エンジン19が停止しているとき、気体燃料用インジェクタ17は供給管8内の気体燃料を消費しないため、供給管8に接続する気体燃料用圧力制御弁1の低圧室318の気体燃料の圧力は比較的高い。このとき、受圧部材42には低圧室318の燃料の圧力が作用するため、第2弁ハウジング32の方向に変位する。受圧部材42に連結する弁体36は、第1スプリング44の付勢力に抗して図2の下方向に移動し、当接部362のテーパ面365と弁座38の弁座面381とが当接する。これにより、高圧室314と低圧室318とは遮断される。
エンジン19が駆動し気体燃料用インジェクタ17が吸気管18内に気体燃料を噴射すると、低圧室318の圧力は小さくなる。受圧部材42は、低圧室318の圧力が所定の値より小さくなると、第1弁ハウジング31の方向に変位する。受圧部材42に連結する弁体36は、図2の上方向に移動し、当接部362のテーパ面365と弁座38の弁座面381とが離間する。これにより、高圧室314の気体燃料が貫通孔383、391、396を通って低圧室318に流入する。このとき、弁体36のテーパ面365と弁座38の弁座面381との間の開口面積の大きさにより気体燃料用インジェクタ17に供給される気体燃料の圧力が決定される。
一実施形態による気体燃料用圧力制御弁1では、弁座支持部材39の端面393が第1弁ハウジング31の内壁面310に当接している一方、弁座38の端面382と内壁面310との間に隙間が形成されている。弁座支持部材39にリテーナ395のねじ結合における軸力が作用すると、当該軸力は弁座支持部材39の端面393と内壁面310との間に作用する。弁座支持部材39は、金属材料から形成されているため、リテーナ395の軸力が作用しても容易に塑性変形することがないため、リテーナ395の軸力は維持される。すなわち、弁座支持部材39は所定の位置に保持される。また、弁座38の端面382と内壁面310との間には隙間が形成されているため、当該軸力が弾性材から形成されている弁座38に作用することはない。これにより、当該軸力により弁座38が塑性変形しないため、弁座38が所望の位置に設けられ、高圧室314と低圧室318との間の気密を長期に亘り確実に保持することができる。
また、弁座38の外径R1及び弁座38が圧入固定される弁座収容室392の内径は、高圧室314の内径R2より大きくなるように形成されている。これにより、弁座収容室392に圧入固定される弁座38の径方向の保持力がなくなる場合でも、弁座38が弁座支持部材39の弁座収容室392より脱落することを防止することができる。
また、弁座38は、弁座38の端面382と第1弁ハウジング31の内壁面310との間の隙間をできる限り小さくなるよう設けられている。これにより、弁座38のシール性が低下することを防止することができる。
(他の実施形態)
(ア)上述の実施形態では、本発明の「圧力制御弁」は高圧の気体燃料を気体燃料用インジェクタに供給可能な低圧に減圧し気体燃料用インジェクタに供給する圧縮天然ガス供給システムに用いられるとした。しかしながら、本発明の「圧力制御弁」が用いられるシステムはこれに限定されない。流体の圧力を制御する機能を具えるシステムに用いられればよい。
(イ)上述の実施形態では、弁座の外径及び弁座収容室の内径は、高圧室の内径より大きくなるように形成されているとした。しかしながら、弁座の外径及び弁座収容室の内径はこれに限定されない。高圧室の内径より小さくてもよい。
(ウ)上述の実施形態では、リテーナは、弁座支持部材の端面が第1弁ハウジングの内壁面に当接するよう保持するとした。しかしながら、弁座支持部材を第1弁ハウジングの内壁面に当接するよう保持する方法はこれに限定されない。弁座支持部材にねじ溝が形成され、第1弁ハウジングに形成されているねじ溝とねじ結合することにより、弁座支持部材が第1弁ハウジングの内壁面に当接してもよい。すなわち、リテーナはなくてもよい。
以上、本発明はこのような実施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の形態で実施可能である。
1 ・・・気体燃料用圧力制御弁(圧力制御弁)、
31 ・・・第1弁ハウジング(弁ハウジング)、
310 ・・・内壁面(弁ハウジングの弁座支持部材側の内壁面、弁ハウジングの弁座側の内壁面)、
314 ・・・高圧室(第1室)、
318 ・・・低圧室(第2室)、
32 ・・・第2弁ハウジング(弁ハウジング)、
36 ・・・弁体、
38 ・・・弁座、
382 ・・・端面(弁座の第1室側の端面)、
39 ・・・弁座支持部材、
393 ・・・端面(弁座支持部材の第1室側の端面)。

Claims (3)

  1. 外部からの流体が流入する第1室(314)、及び、前記第1室に連通可能に形成され前記第1室の流体が流れる第2室(318)を有する弁ハウジング(31、32)と、
    弾性材から形成され、前記第1室と前記第2室との間に位置する弁座(38)と、
    金属から形成され、前記第1室側に前記弁座を支持しつつ前記第1室と前記第2室との間に設けられる弁座支持部材(39)と、
    前記弁座に対して往復移動可能に設けられ、前記弁座に当接または離間すると前記第1室と前記第2室とを遮断または連通する弁体(36)と、
    を備え、
    前記弁座支持部材の前記第1室側の端面(393)と前記弁ハウジングの前記弁座支持部材側の内壁面(310)とは当接しつつ、前記弁座の前記第1室側の端面(382)と前記弁ハウジングの前記弁座側の内壁面(310)との間には隙間が形成されることを特徴とする圧力制御弁。
  2. 前記弁座の外径(R1)は、前記第1室の内径(R2)より大きいことを特徴とする請求項1に記載の圧力制御弁。
  3. 前記弁ハウジングに対する前記弁座支持部材の相対位置を規制する規制部材(395)を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の圧力制御弁。
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