JP2017045249A - 圧力調整弁 - Google Patents

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吉岡 衛
Mamoru Yoshioka
衛 吉岡
小林 昌弘
Masahiro Kobayashi
昌弘 小林
秀行 福田
Hideyuki Fukuda
秀行 福田
健英 中村
Takehide Nakamura
健英 中村
中村 和弘
Kazuhiro Nakamura
和弘 中村
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Abstract

【課題】ピストンの摺動部分における偏摩耗を抑制できる圧力調整弁を提供する。【解決手段】本発明の一態様は、弁室12内に配置される弁体13と、調圧室11内に配置されるピストン15と、を有し、弁室12内の圧力と調圧室11内の圧力との差に応じてピストン15が摺動することにより弁体13が開閉する多段圧力調整弁10において、ピストン15における弁体13側に形成される受圧面153bは、ピストン15の径方向Lrの端部153cから中央部153dへ向かうにつれて、より弁体13側に位置するように傾斜している。【選択図】図2

Description

本発明は、燃料タンクから供給先へ供給する燃料ガスの圧力を減圧しながら所望の圧力に調整する圧力調整弁に関するものである。
特許文献1には、円筒部内に配置される弁体を備える開閉弁と、シリンダ内に配置されるピストンと、を有し、円筒部内の圧力とシリンダ内の圧力との差に応じてピストンが摺動して弁体が開閉する減圧弁が開示されている。
特開2014−115820号公報
特許文献1の減圧弁において、高圧ガスの供給源(例えば、水素タンク)に高圧ガスが充填された直後などの場合には、開閉弁が開いたときに、ピストンの下端面に高圧が作用する。このとき、シリンダの減圧室内においては2次ポート側へ向かう高圧ガスの流れが形成されるので、ピストンの下端面に作用する力は2次ポート側へ偏るおそれがある。そのため、ピストンが傾きながら摺動して、ピストンの摺動部分(シール部材)が偏摩耗するおそれがある。また、弁体も傾きながら摺動して、弁体が偏摩耗するおそれもある。
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、ピストンの摺動部分における偏摩耗を抑制できる圧力調整弁を提供すること、を課題とする。
上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、弁室内に配置されるバルブと、調圧室内に配置されるピストンと、を有し、前記弁室内の圧力と前記調圧室内の圧力との差に応じて前記ピストンが摺動することにより前記バルブが開閉する圧力調整弁において、前記ピストンにおける前記バルブ側に形成される受圧面は、前記ピストンの径方向の端部から中央部へ向かうにつれて、より前記バルブ側に位置するように傾斜していること、を特徴とする。
この態様によれば、ピストンの受圧面にてピストンの摺動方向に作用する力は、緩和される。そのため、受圧面に作用する力の偏りによる影響は、小さくなる。したがって、ピストンが傾いた状態で摺動することが抑制されるので、ピストンの摺動部分における偏摩耗は抑制される。
上記の態様においては、前記受圧面の傾斜角は、前記ピストンの径方向の端部から中央部へ向かうにつれて、大きくなっていること、が好ましい。
この態様によれば、ピストンの径方向の中央部に近い部分において、ピストンの受圧面にてピストンの摺動方向へ作用する力が少なくなる。そのため、ピストンの受圧面にてピストンの摺動方向に作用する力は、ピストンの径方向の中央部から端部に向かうにつれて、徐々に緩和される。したがって、より効果的に、ピストンの受圧面にてピストンの摺動方向に作用する力は、緩和される。
本発明の圧力調整弁によれば、ピストンの摺動部分における偏摩耗を抑制できる。
本実施形態の多段圧力調整弁の断面図である。 本実施形態の上流圧力調整弁の詳細断面図(図1の領域Aの拡大図)である。 比較例の上流圧力調整弁の詳細断面図である。
<多段圧力調整弁の構成>
まず、本実施形態の多段圧力調整弁10の構成について説明する。図1に示す多段圧力調整弁10は、燃料ガスGを多段階に減圧しながら所望の圧力に調整する圧力調整弁である。多段圧力調整弁10は、アルミ合金製のボデー部材7を有する。このボデー部材7には、上流圧力調整弁1の一部と下流圧力調整弁2と中通路3と逆止弁4が形成されている。
上流圧力調整弁1は、下流圧力調整弁2に対して燃料ガスGの流れ方向(図1に示す矢印の方向)の上流側の位置に配置されている。下流圧力調整弁2は、上流圧力調整弁1に対して燃料ガスGの流れ方向の下流側の位置に配置されている。このような上流圧力調整弁1と下流圧力調整弁2は、中通路3を介して、直列に接続されている。中通路3は、上流圧力調整弁1による減圧後であって下流圧力調整弁2による減圧前の燃料ガスGが流入して通過する通路である。逆止弁4は、中通路3に接続し、中通路3の圧力を所定の設定圧未満に制御する。
なお、燃料ガスGは、例えば、燃料電池(不図示)に供給される水素ガスである。そして、多段圧力調整弁10の上流側には、燃料タンク(不図示)に貯留された燃料ガスGを供給又は停止する主止弁(不図示)が接続されている。また、多段圧力調整弁10の下流側には、所望の圧力に調圧された燃料ガスGを燃料電池に供給するインジェクタ(不図示)が接続されている。燃料タンクに貯留される燃料ガスGは、充填設備によっては約80〜90MPa程度の圧力で充填される場合がある。一方、多段圧力調整弁10からインジェクタに供給される燃料ガスGの圧力は、1.0〜1.5MPa程度の圧力まで減圧される。したがって、多段圧力調整弁10は、燃料ガスGを、例えば、上流圧力調整弁1にて約80〜90MPa程度から約3.0〜5.0MPa程度まで減圧し、下流圧力調整弁2にて約3.0〜5.0MPa程度から約1.0〜1.5MPa程度まで減圧する。
(上流圧力調整弁)
上流圧力調整弁1は、調圧室11と、弁室12と、弁体13(バルブ)と、弁座14と、ピストン15と、コイルばね16と、保持部材17と、止め部材18などを備えている。
調圧室11は、弁座14の下方(弁座14に対して燃料ガスGの流れ方向の下流側の方向)の位置に形成され、弁体13が上方(弁座14とは反対側の方向)へ移動したときに弁室12と連通する。弁室12は、入口8と連通している。弁体13は、弁室12内を上下動する。弁座14は、弁室12の下端に形成され、弁体13と当接および離間する。ピストン15は、弁体13に対して弁ばね133の付勢方向の先に配置され、調圧室11内を上下動する。コイルばね16は、ピストン15を上方(弁体13側の方向)へ付勢している。保持部材17は、コイルばね16の下端に当接してコイルばね16を保持している。止め部材18は、保持部材17の高さを調整可能な状態で、ボデー部材7に螺子止めされている。
入口8と弁室12との間には、入口通路81が形成されている。この入口通路81の上流側にフィルタ30が設けられている。フィルタ30は、下流側の端部(図1の右側端部)が開口する中空円筒状に形成されており、多段圧力調整弁10内への異物侵入を阻止する部材である。このフィルタ30は、抑えばね31により固定されている。入口8から流入する燃料ガスGは、フィルタ30の外側から内側へ通過して入口通路81を介して弁室12へ流出するようになっている。
弁室12と弁体13との間には、弁体13を下方(弁座14側の方向)へ付勢する弁ばね133が配置されている。弁体13は、円筒状の本体部134と、円錐状のテーパ部132と、針状のニードル部131とを備えている。本体部134には、弁ばね133が装着されている。テーパ部132は、本体部134の下方(弁座14側の方向)に形成されており、弁座14と当接する部分である。ニードル部131は、テーパ部132の下方(ピストン15側の方向)に形成されており、弁座14に形成された貫通孔141を貫通して調圧室11まで延伸されている。このニードル部131の下端は、ピストン15の本体部150の上端(弁体13側の端部)にて突き出た状態で設けられた突部153の先端面153a(図2参照)に当接している。なお、本体部150は、略円柱状に形成されている。また、先端面153aは、中央部153dにて形成されている(図2参照)。
このような弁体13には、環状の摺動部材135a,135bが装着されている。そして、これらの摺動部材135a,135bが弁室12の内周面12a(図2参照)に接触した状態で、弁体13が弁室12内に配置されている。これにより、弁体13の外周面13aが弁室12の内周面12aに接触することなく、摺動部材135a,135bと弁室12の内周面12aとが摺動して、弁体13が傾くことなく弁室12内を上下動するようになっている。なお、摺動部材135a,135bとしては、例えば、PTFE等の樹脂材を使用することができる。
また、弁体13には、弁室12における弁体13に対して上流側の位置に形成される部分と、弁室12における弁体13に対して下流側の位置に形成される部分とを連通させる内部通路136が形成されている。
ピストン15の本体部150の外周面150a(図2参照)には、調圧室11の内周面11aと接触して調圧室11をシールする環状シール部材151が配置されている。環状シール部材151は、上方(調圧室11側の方向)へV字状に開くリップ状断面を有する。ピストン15の下端には、コイルばね16を保持するばね受座154が凹状に形成されている。ばね受座154の外周面154a(図2参照)には、フッ素系樹脂製の摺動部材152が装着されている。本実施形態では、環状シール部材151と摺動部材152が、ピストン15の摺動部分に相当する。
本実施形態では、図1と図2に示すように、ピストン15における弁体13側に形成される受圧面153bは、ピストン15の径方向Lrの端部153cから中央部153dへ向かうにつれて、より弁体13側に位置するように傾斜している。すなわち、受圧面153bは、端部153cから中央部153dへ近づくほど、ピストン15の中心軸方向(図1や図2の上下方向)について徐々に弁体13側の位置に形成されるように傾斜している。そして、受圧面153bは、端部153cからすぐに傾斜するように形成されており、ピストン15の径方向Lrに平行に形成される部分を備えていない。なお、受圧面153bは、端部153cと中央部153d(先端面153a)とを繋いだ直線状の仮想線La(図2参照)よりも内側(ピストン15の中心軸側)の位置にて、さらに内側に凹むような曲線状に形成されている。
また、受圧面153bの傾斜角θは、端部153cから中央部153dへ向かうにつれて、徐々に大きくなっている。ここで、傾斜角θは、図2に示すように、受圧面153bを形成する線の接線Ltがピストン15の径方向Lrとなす角度である。なお、図2に示す例においては、傾斜角θは、端部153cにて0°、中央部153d(先端面153a)にて90°となっている。
なお、ピストン15は、当該ピストン15の中心軸方向が中通路3の中心軸方向と直交するように配置されている。また、ピストン15の中心軸方向について端部153cと中央部153dとの間の位置にて、中通路3と調圧室11の接続部分が形成されている。
また、図1に示すように、止め部材18には、フィルタ部材19が係止されている。また、調圧室11は、後述するように中通路3を介して下流圧力調整弁2の弁室22と連通されている。
(下流圧力調整弁)
下流圧力調整弁2は、調圧室21と、弁室22と、ピストン24と、弁体241と、コイルばね25と、弁座26と、止め部材27と、調整ねじ28などを備えている。
調圧室21は、ボデー部材7に形成される出口6と連通している。弁室22は、調圧室21の下方(調圧室21に対して燃料ガスGの流れ方向の上流側)の位置に形成されている。ピストン24は、調圧室21内を上下動する。弁体241は、略円筒状に形成され、ピストン24の中心軸方向に沿って弁室22まで設けられている。コイルばね25は、ピストン24を上方(蓋部材23側の方向)へ付勢する。弁座26は、弁室22の下端に形成され弁体241の下端部2414が当接および離間する。止め部材27は、ボデー部材7の右下端の位置にて、ボデー部材7内に嵌め込まれている。そして、止め部材27の内周面の内側に、弁座26が嵌め込まれている。調整ねじ28は、止め部材27の内周面の内側にねじ込まれて取り付けられている。そして、調整ねじ28により、弁座26の高さ調整ができるようになっている。
調圧室21は、ボデー部材7内に嵌め込まれる蓋部材23によって封じられている。蓋部材23の下方(ピストン24側の方向)には、ピストン24の上端部に当接して、ピストン24の上方への移動を規制する円柱状凸部231が形成されている。円柱状凸部231がピストン24の上端部に当接した時には、調圧室21には円環状空間が形成される。調圧室21と出口6との間には、両者を連通させる出口通路61が水平状に形成されている。
ピストン24及び弁体241の軸中心には、円柱状の貫通孔2411がピストン24の上端部から弁体241の下端部まで形成されている。ピストン24の本体部の外周面には、調圧室21の内周面と接触して調圧室21をシールする環状シール部材242が配置されている。環状シール部材242は、上方へV字状に開くリップ状断面を有する。ピストン24の下端には、コイルばね25を保持するばね受座246が凹状に形成されている。コイルばね25は、円筒状の圧縮ばねである。コイルばね25の下端は、ボデー部材7と一体に形成された保持部247によって、その位置が規制されている。
保持部247の下方には、弁体241の外周面と接触して弁室22をシールする環状シール部材243が配置されている。環状シール部材243は、下方(弁室22側の方向)へV字状に開くリップ状断面を有する。環状シール部材243の下方には、弁体241を上下方向に移動可能に支持する軸受部245が装着されている。軸受部245は、環状シール部材243の落下止めを兼ねている。弁室22は、軸受部245の下方で略円筒状に形成されている。
(中通路)
中通路3は、上流圧力調整弁1の調圧室11と下流圧力調整弁2の弁室22との間で直線状に形成されている。中通路3は、全体に亘って同一の内径により形成されている。ボデー部材7には、中通路3を加工するための中通路用加工孔72が形成されている。ボデー部材7の外壁面71には、中通路用加工孔72を封止する封止部材9が締結されている。中通路3の上方には、後述する逆止弁4が設けられている。
中通路3と逆止弁4との間には、中通路3と逆止弁4とを連通させる逆止弁入口通路52が上下方向に形成されている。また、中通路3から分岐するトラップ通路32が形成されている。
(逆止弁)
逆止弁4は、弁室41と、弁室41の入口部42と、弁室41内に収容され入口部42と当接および離間する弁体43と、弁体43を入口部42へ付勢する押圧ばね44と、押圧ばね44を保持する保持部材46を備えている。弁室41と下流圧力調整弁2の調圧室21との間には、弁室41と調圧室21とを連通させる逆止弁出口空間部50と逆止弁出口通路51が形成されている。逆止弁出口通路51は、出口通路61と同軸上に形成されている。また、弁体43には、弁室12の上流側と下流側とを連通させる内部通路431が形成されている。
<多段圧力調整弁の作用>
次に、本実施形態の多段圧力調整弁10の作用(動作方法)について説明する。図1に示すように、例えば、車両用の燃料電池への燃料ガスGの供給が開始され、出口6から燃料ガスGが矢印の方向へ流出すると、下流圧力調整弁2の調圧室21内に貯留される燃料ガスGの圧力が低下する。調圧室21内の燃料ガスGの圧力が低下すると、ピストン24及び弁体241に形成された貫通孔2411を経由して、弁室22内の燃料ガスGが調圧室21内に供給され、調圧室21内の圧力が上昇する。調圧室21内の圧力が所望の圧力に到達すると、ピストン24がコイルばね25を押し下げて、弁体241の下端部2414が弁座26に当接し、弁室22内からの燃料ガスGの供給が停止する。なお、予め、調整ねじ28のねじ込み量を調整することによって、調圧室21内の圧力を所望の値(最終圧力)に設定することができる。
弁室22内の燃料ガスGの圧力が低下すると、弁室22と調圧室11とは中通路3によって連通されているので、調圧室11内に貯留された燃料ガスGが矢印の方向に沿って中通路3に流入する。
そして、調圧室11内に貯留された燃料ガスGが中通路3に流入すると、弁室22内の圧力が上昇する。このとき、調圧室11内の圧力が低下するので、ピストン15を付勢するコイルばね16の付勢力によって、ピストン15は上流圧力調整弁1の弁体13側へ向かって摺動する。すなわち、ピストン15は、環状シール部材151が調圧室11の内周面11aに接触しながら、かつ、摺動部材152がボデー部材7の内周面7aに接触しながら、弁体13側へ向かって移動する。これにより、ピストン15と接触する弁体13が上方へ移動する。
そして、弁体13が上方へ移動して弁座14と離間すると、燃料タンクから入口8に供給される高圧の燃料ガスGが、入口通路81、内部通路136及び弁室12を経由して、調圧室11内に供給される。このようにして調圧室11内に燃料ガスGが供給されることにより、調圧室11内の燃料ガスGの圧力は、所定の値に維持される。なお、予め、止め部材18のねじ込み量を調整することによって、調圧室11内の圧力を所定の値に設定することができる。
一方、燃料電池への燃料ガスGの供給が停止すると、下流圧力調整弁2の調圧室21内に貯留される燃料ガスGの圧力が低下しない。そのため、上流圧力調整弁1の調圧室11内の圧力が低下しないので、ピストン15を付勢するコイルばね16の付勢力に対抗して、ピストン15は弁体13とは反対側へ向かって摺動する。これにより、ピストン15と接触する弁体13が下方へ移動する。そして、弁体13が弁座14と当接する。
このようにして、弁室12内の圧力と調圧室11内の圧力との差に応じてピストン15が摺動することにより、弁体13が開閉する。すなわち、燃料電池への燃料ガスGの供給が始動すると、ピストン15が弁体13と側へ向かって摺動することにより、弁体13が弁座14から離間する。一方、燃料電池への燃料ガスGの供給が停止すると、ピストン15が弁体13とは反対側へ向かって摺動することにより、弁体13が弁座14に当接する。
また、前記のように燃料電池への燃料ガスGの供給が停止すると、下流圧力調整弁2の調圧室21内に貯留される燃料ガスGの圧力が低下しないので、上流圧力調整弁1から中通路3へ漏れ出た燃料ガスGの逃げ場がなくなり、中通路3内の圧力が上昇する。そして、中通路3内の燃料ガスGの圧力が所定の設定圧以上になると、逆止弁4の弁体43が入口部42から離間して、逆止弁4が作動する。このとき、中通路3から逆止弁入口通路52を経由して、逆止弁4の弁室41内に燃料ガスGが放出される。そのため、中通路3に面した上流圧力調整弁1の調圧室11をシールする環状シール部材151や下流圧力調整弁2の弁室22をシールする環状シール部材243に対する燃料ガスGの過負荷を回避させることができる。なお、逆止弁4の弁室41内に放出された燃料ガスGは、弁体43の内部通路431、逆止弁出口空間部50、逆止弁出口通路51、下流圧力調整弁2の調圧室21、出口通路61を経由して出口6に供給される。
<作用効果>
ここで、図3に示すように、ピストン15の受圧面がピストン15の径方向(図3の左右方向)に平行に形成される平坦部15aを備えている比較例において、調圧室11内に燃料ガスGが供給されるときを想定する。このとき、燃料ガスGは超音速の流速で調圧室11内に供給されるので、調圧室11内に燃料ガスGによる衝撃エネルギーが加えられる。すると、平坦部15aにおいて燃料ガスGによりピストン15の摺動方向(中心軸方向)に力(衝撃エネルギー)が作用した後、燃料ガスGは、その流れ方向が急変して、中通路3へ流れ込む。このように、調圧室11内においては中通路3に向かう燃料ガスGの流れが形成されるので、燃料ガスGにより平坦部15aに作用する力は中通路3に近い側へ偏り易くなる。そのため、燃料ガスGによりピストン15の摺動方向に作用する力は、中通路3に近いほど大きくなる。
したがって、インジェクタが作動して燃料電池への燃料ガスGの供給が始動するとピストン15が中通路3側に傾きながら摺動し、インジェクタが停止して燃料電池への燃料ガスGの供給が停止するとピストン15が中通路3とは反対側に傾きながら摺動する挙動が繰り返される。そのため、環状シール部材151や摺動部材152の偏摩耗が生じるおそれがある。
また、ピストン15が傾くことにより、弁体13も傾きながら摺動するので、摺動部材135a,135bや弁体13の偏摩耗が生じるおそれがある。さらに、弁体13が傾くことにより、弁座14の中心軸と弁体13の中心軸とがずれるので、燃料ガスGの流れが不均一になり、気流音が大きくなるおそれがある。
これに対し、本実施形態では、図2に示すように、ピストン15の受圧面153bは、端部153cから中央部153dへ向かうにつれて、より弁体13側に位置するように傾斜している。
これにより、調圧室11内に供給される燃料ガスGは、図2に示す矢印のように、受圧面153bに沿って流れた後、中通路3に流れ込む。そのため、受圧面153bにてピストン15の摺動方向(中心軸方向)に作用する力(衝撃エネルギー)は、緩和される。したがって、中通路3に近い部分ほど受圧面153bにてピストン15の摺動方向に作用する力が大きくなるという力の偏りの影響は、小さくなる。ゆえに、ピストン15の中心軸が調圧室11の中心軸に対して傾いた状態でピストン15が摺動することが抑制されるので、環状シール部材151や摺動部材152の偏摩耗が抑制される。また、ピストン15に押されて弁体13が摺動するときに、弁体13の中心軸が弁室12の中心軸に対して傾くことも抑制されるので、弁体13や摺動部材135a,135bの偏摩耗も抑制される。
また、弁体13が傾くことが抑制されるので、弁座14の中心軸に対する弁体13の中心軸のずれが生じ難くなる。そのため、燃料ガスGの流れが均一になり、気流音の発生が抑制される。
また、燃料ガスGにより作用する力は中央部153dに近いほどピストン15の摺動方向に強くなる傾向にあるが、これに対し、本実施形態では、受圧面153bの傾斜角θは、端部153cから中央部153dへ向かうにつれて、大きくなっている。これにより、中央部153dに近い部分において、受圧面153bにてピストン15の摺動方向へ作用する力が少なくなる。そのため、受圧面153bにてピストン15の摺動方向に作用する力は、中央部153dから端部153cに向かうにつれて、徐々に緩和される。したがって、より効果的に、受圧面153bにてピストン15の摺動方向に作用する力は、緩和される。
変形例として、受圧面153bは、円弧状に形成されていてもよく、また、端部153cから中央部153dへ亘って階段状に形成されていてもよい。あるいは、受圧面153bは、直線状に、すなわち、端部153cから中央部153dへ亘って傾斜角θが一定になるように形成されていてもよい。
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。
1 上流圧力調整弁
2 下流圧力調整弁
3 中通路
4 逆止弁
7 ボデー部材
10 多段圧力調整弁
11 調圧室
13 弁体
15 ピストン
22 弁室
24 ピストン
52 逆止弁入口通路
135a,135b 摺動部材
141 貫通孔
151 環状シール部材
152 摺動部材
153 突部
153b 受圧面
153c 端部
153d 中央部
242 環状シール部材
G 燃料ガス
Lr 径方向
θ 傾斜角

Claims (2)

  1. 弁室内に配置されるバルブと、調圧室内に配置されるピストンと、を有し、前記弁室内の圧力と前記調圧室内の圧力との差に応じて前記ピストンが摺動することにより前記バルブが開閉する圧力調整弁において、
    前記ピストンにおける前記バルブ側に形成される受圧面は、前記ピストンの径方向の端部から中央部へ向かうにつれて、より前記バルブ側に位置するように傾斜していること、
    を特徴とする圧力調整弁。
  2. 請求項1の圧力調整弁において、
    前記受圧面の傾斜角は、前記ピストンの径方向の端部から中央部へ向かうにつれて、大きくなっていること、
    を特徴とする圧力調整弁。
JP2015166840A 2015-08-26 2015-08-26 圧力調整弁 Withdrawn JP2017045249A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2019007594A (ja) * 2017-06-28 2019-01-17 国立大学法人 東京医科歯科大学 サーボ弁

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