JP6522389B2 - 弁装置 - Google Patents

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Description

本発明は、軸受に摺動可能に挿通された弁軸と、前記弁軸の先端に設けられて前記弁軸と一体的に変位する弁体とを有し、前記弁体が弁座に対して着座又は離間する弁装置に関する。
燃料電池システムには、燃料電池に供給される反応ガスが流通する供給路と、水素貯蔵容器から燃料電池から排出された反応ガスが流通する排出路とが設けられる。このような構成において、供給路及び排出路には遮断弁が設けられることが一般的である。この種の遮断弁として、例えば、特許文献1に記載された逆止弁が知られている。
逆止弁の弁体は、コイルスプリングによって弁座側に弾発付勢されており、このために通常時は閉弁状態である。そして、逆止弁の弁体に加わる流体圧力の差圧による推力がコイルスプリングの弾発付勢力を上回って押したとき、コイルスプリングが圧縮されるとともに弁体が弁座から離間し、開弁状態となる。従って、ボディ内に形成された流路を流体が流通するに至る。
その一方で、上記流体圧力の差圧による推力がコイルスプリングの弾発付勢力を下回るようになると、コイルスプリングが伸張するとともに、弁体が該コイルスプリングから弾発付勢されて弁座に着座する。その結果、閉弁状態が形成されて流体の流通が遮断される。
特許第5161186号公報
本発明は、特許文献1記載の技術に関連してなされたもので、弁体が設けられた弁軸の微細な振動(いわゆるチャタリング)を抑制し得る弁装置を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明に係る弁装置は、弁体が弁座に対して着座又は離間することによって入口ポートに対して連通又は連通遮断される流路が形成されたボディと、
軸受に摺動可能に挿通されるとともに、その先端に前記弁体が設けられて前記弁体と一体的に変位する弁軸と、
を備え、
前記軸受の内壁に収容凹部が形成され、
前記収容凹部に、前記弁軸に対して摺動抵抗を付与する摺動抵抗付与部材が収容され、
前記弁軸が変位するとき、該弁軸が前記摺動抵抗付与部材に摺接することを特徴とする。
すなわち、この構成では、摺動抵抗付与部材を軸受内に収容している。このため、摺動抵抗付与部材に何らかの外力が作用することが回避される。これにより、弁軸と摺動抵抗付与部材との間に作用する力を、摺動抵抗付与部材から弁軸に伝達される摺動抵抗力(摩擦力)程度とすることが可能である。従って、摺動抵抗付与部材が振動することが抑制されるので、該摺動抵抗付与部材に摺接する弁軸が振動することも抑制される。その結果、チャタリングが発生することが抑制される。
弁装置は、摺動抵抗付与部材から離間した位置で軸受に当接するコイルスプリングを有するものとして構成される。該コイルスプリングは、例えば、弁軸を囲繞するとともに軸受及び弁体に当接し、弁体を前記弁座に指向して弾発付勢する。この場合、弁装置は、流体圧力に応じて自動的に開閉する。すなわち、弁体及び弁軸は、コイルスプリングの弾発付勢力と、流体圧力の差圧による推力とのいずれが大きいかに応じて開弁方向又は閉弁方向のいずれかに変位する。
この場合、コイルスプリングとして、その内径が、前記摺動抵抗付与部材を囲繞することが可能な寸法のものを採用することが好ましい。例えば、摺動抵抗付与部材が円環形状体であるときには、コイルスプリングの内径を、摺動抵抗付与部材の外径に比して大きく設定するとよい。
この構成では、コイルスプリングが摺動抵抗付与部材の上方に配設されることを回避することができる。従って、コイルスプリングの弾発付勢力が摺動抵抗付与部材に伝達されること、換言すれば、摺動抵抗付与部材にコイルスプリングの弾発付勢力が作用することで、摺動抵抗が低下してしまう状態を回避することができる。このため、チャタリングが発生することを一層有効に防止することができる。
なお、軸受とは別途に中空部材を設け、この中空部材内に摺動抵抗付与部材を収容するようにしてもよい。すなわち、本発明に係る別の弁装置は、弁体が弁座に対して着座又は離間することによって入口ポートに対して連通又は連通遮断される流路が形成されたボディと、
軸受に摺動可能に挿通されるとともに、その先端に前記弁体が設けられて前記弁体と一体的に変位する弁軸と、
前記軸受の、前記弁体に臨む側に配置されて前記弁軸が挿通された中空部材と、
を備え、
前記中空部材の内壁に収容凹部が形成され、
前記収容凹部に、前記弁軸に対して摺動抵抗を付与する摺動抵抗付与部材が収容され、
前記弁軸が変位するとき、該弁軸が前記摺動抵抗付与部材に摺接することを特徴とする。
この構成においても、摺動抵抗付与部材に何らかの外力が作用することが回避される。摺動抵抗付与部材を中空部材内に収容しているからである。このため、上記と同様の理由から摺動抵抗付与部材が振動することが抑制され、その結果として、該摺動抵抗付与部材に摺接する弁軸が振動すること、すなわち、チャタリングが発生することを抑制することができる。
上記に準拠し、弁装置摺動抵抗付与部材から離間した位置で中空部材に当接するコイルスプリングを有するものとして構成される。コイルスプリングは、例えば、弁軸を囲繞するとともに中空部材及び弁体に当接し、弁体を前記弁座に指向して弾発付勢する。この場合、コイルスプリングとして幅狭のものを採用しても摺動抵抗付与部材に外力が作用し難い。摺動抵抗付与部材を中空部材内に収容しているので、コイルスプリングの弾発付勢力が摺動抵抗付与部材に直接作用することが回避されるからである。従って、弁装置の幅方向の小型化を図ることができる。
ただし、上記と同様の理由から、コイルスプリングとして、その内径が、前記摺動抵抗付与部材を囲繞することが可能な寸法のものを採用し、コイルスプリングが摺動抵抗付与部材の上方に配設されることを回避することが好ましい。
いずれにおいても、摺動抵抗付与部材としては、直径方向に沿って延在する切欠が形成されたリング形状体からなるものが好適である。この場合、直径方向内方に向かって撓ませ、この状態で収容凹部に挿入することが容易であり、しかも、挿入後に押圧力を解放することにより、弾性作用によって元の形状に戻すことができる。このため、摺動抵抗付与部材を収容凹部に収容する作業が円滑に進行する。加えて、元の形状に戻った後の摺動抵抗付与部材は、収容凹部から離脱し難い。このため、摺動抵抗付与部材を軸受又は中空部材に保持することが容易である。
本発明によれば、摺動抵抗付与部材を軸受又は中空部材内に収容するようにしている。このため、摺動抵抗付与部材に何らかの外力が作用して摺動抵抗が低下してしまう状態を回避し得、弁軸と摺動抵抗付与部材との間に作用する力を、摺動抵抗付与部材から弁軸に伝達される摺動抵抗力(摩擦力)程度とすることが可能となる。
この状態では、摺動抵抗付与部材が振動することが抑制される。従って、該摺動抵抗付与部材に摺接する弁軸が振動することが抑制されるので、チャタリングが発生することを抑制することができる。
図1A及び図1Bは、本発明の第1実施形態に係る弁装置が閉弁状態であるとき、開弁状態であるときの要部概略縦断面図である。 前記弁装置を構成する摺動抵抗付与部材としてのC字型リングの概略全体斜視図である。 図3A及び図3Bは、本発明の第2実施形態に係る弁装置が閉弁状態であるとき、開弁状態であるときの要部概略縦断面図である。 別の摺動抵抗付与部材としての連結リングの概略全体斜視図である。
以下、本発明に係る弁装置につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において「下」、「上」というときには、それぞれ、図1及び図3における下方、上方を指すものとする。ただし、これは、図面を参照した説明の理解を容易にするための便宜的な呼称であり、弁装置を実使用する際の方向を特定したものではない。
図1A及び図1Bは、それぞれ、第1実施形態に係る弁装置10が閉弁状態であるとき、開弁状態であるときの要部概略縦断面図である。この弁装置10は、常時閉弁である。
弁装置10を構成するボディ12は、略円筒形状をなす中空体である。すなわち、ボディ12の中空内部に流路14が画成されるとともに、その上端部に、流路14に連通する入口ポート16が形成される。また、ボディ12の天井壁には、入口ポート16の近傍に弁座18が設けられる。
また、ボディ12の中空内部には軸受20が配設される。軸受20には挿通孔22が形成されるとともに、該挿通孔22の上方開口近傍に、挿通孔22の内壁を直径方向外方に切り欠いたような形状の環状収容凹部24(収容凹部)が形成されている。このため、環状収容凹部24の内径は挿通孔22に比して大きく、従って、環状収容凹部24の底壁は環状段部25となっている。
環状収容凹部24には、図2に示すC字型リング26が収容されている。C字型リング26の貫通孔28の内径は、軸受20の挿通孔22の内径と略同等である。また、該C字型リング26の外径及び高さは、環状収容凹部24の外径及び高さと略同等である。すなわち、C字型リング26は、全体が環状収容凹部24に収容されている。
C字型リング26は、円環形状体に対し、直径方向に沿って延在する切欠30を形成した形状をなす。また、C字型リング26は、貫通孔28が形成された等径部32と、下底面及び上底面の各々に形成された大径な第1フランジ部34及び第2フランジ部36とを有する。このため、等径部32の側壁は、第1フランジ部34及び第2フランジ部36の側壁に対して直径方向内方に陥没した形状となっている。
C字型リング26の貫通孔28の内径は、軸受20の挿通孔22の内径と略同等である。これら挿通孔22及び貫通孔28には、略円柱体形状の弁軸38が挿通される。弁軸38が変位するとき、該弁軸38の側壁は、挿通孔22及び貫通孔28の各内壁に摺接する。後述するように、弁軸38には、C字型リング26によって摺動抵抗が付与される。すなわち、C字型リング26は、摺動抵抗付与部材として機能する。
弁軸38の上端部には、該弁軸38よりも大径な弁体40が設けられる。弁体40は、例えば、弁軸38と別部材として形成され、図示しない連結ネジ等を介して弁軸38に連結される。この弁体40が弁座18に対して着座又は離間することにより、入口ポート16と流路14が連通遮断又は連通される。
弁軸38において、C字型リング26の貫通孔28から露呈した上端部は、コイルスプリング42に通されている。換言すれば、弁軸38の上端部はコイルスプリング42に囲繞されている。該コイルスプリング42の下端は軸受20の上端面に当接し、一方、上端は弁体40の下端面に当接している。このため、弁体40は、コイルスプリング42によって弁座18側に弾発付勢される。
第1実施形態では、コイルスプリング42として、その内径がC字型リング26の外径よりも大きいものが選定される。このため、コイルスプリング42は軸受20の上端面に当接するのみであり、C字型リング26の第2フランジ部36の上端面には当接していない。
第1実施形態に係る弁装置10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
上記の構成において、環状収容凹部24は、軸受20の挿通孔22と同軸上に形成される。このため、加工によって軸受20内に環状収容凹部24を形成するとき、挿通孔22と、環状収容凹部24との中心同士が精度よく位置合わせされる。従って、挿通孔22と、C字型リング26の貫通孔28との中心同士を精度よく位置合わせすることができる。
環状収容凹部24にC字型リング26を収容するときには、はじめに、C字型リング26を直径方向内方に押圧する。C字型リング26は、切欠30(図2参照)が形成されているために可撓性に富む。すなわち、C字型リング26は、直径方向内方に向かって弾性変形域内で容易に撓む。
この状態で、C字型リング26を環状収容凹部24に収容し、第1フランジ部34の下端面を環状段部25に当接させる。C字型リング26が変形しているので、この収容を行うことは容易である。
その後、C字型リング26を押圧力から解放する。この解放に伴ってC字型リング26が弾性作用によって押圧前の形状に戻り、その結果、第1フランジ部34及び第2フランジ部36の各側壁が環状収容凹部24の内壁に当接する。好ましくは、第1フランジ部34及び第2フランジ部36の各側壁は、環状収容凹部24の内壁を所定の力で押圧する。これにより、C字型リング26が環状収容凹部24から離脱することが困難となり、軸受20に堅牢に保持される。
このように、摺動抵抗付与部材としてC字型リング26を用いることにより、該C字型リング26を軸受20に組み込むことが容易となる。さらには、部品点数を増加することなく、簡素な構成でC字型リング26を軸受20に保持することができるという利点もある。
入口ポート16に進入した流体(例えば、水素)圧力の差圧による推力がコイルスプリング42の弾発付勢力を下回るとき、弁体40は、コイルスプリング42から弾発付勢されることで弁座18側に押圧される。このため、弁体40は、弁座18に対して着座した状態を維持する。従って、入口ポート16と流路14の連通が遮断された状態が維持されるので、弁装置10が閉弁状態を保つ。
一方、入口ポート16に進入した流体圧力の差圧による推力がコイルスプリング76の弾発付勢力を上回って押したとき、弁体40がコイルスプリング42の弾発付勢力に抗して下方に変位する。すなわち、弁座18から弁体40が離間し、入口ポート16と流路14が連通する。その結果、弁装置10が開弁状態となり、ボディ12内の流路14に流体が流通する。
この際、弁軸38が弁体40と一体的に変位する。この変位の際、該弁軸38の側壁がC字型リング26の貫通孔28の内壁に摺接することにより、弁軸38に対して所定の摺動抵抗が付与される。
ここで、C字型リング26は、上記したように環状収容凹部24に収容されることで軸受20に囲繞されている。しかも、コイルスプリング42の下端が第2フランジ部36の上端面から離間している。従って、C字型リング26に何らかの外力が作用することが回避される。その結果、C字型リング26の貫通孔28の内壁に、弁軸38に対する摩擦力が生じるのみである。このような理由から、弁軸38が振動すること、換言すれば、チャタリングが発生することを有効に抑制することができる。
また、軸受20の挿通孔22と、C字型リング26の貫通孔28との中心同士が精度よく位置合わせされているので、弁軸38が傾斜することが抑制される。このことも、チャタリングの発生防止に寄与する。
入口ポート16に進入した流体圧力の差圧による推力がコイルスプリング42の弾発付勢力を下回るようになると、弁体40がコイルスプリング42から弁座18側に弾発付勢され、弁座18に着座する。すなわち、入口ポート16と流路14の連通が遮断され、弁装置10が閉弁状態となる。
この際にも、弁軸38が弁体40と一体的に変位する。勿論、この変位の際にも、上記と同様にC字型リング26によって弁軸38に所定の摺動抵抗が付与されるとともに、弁軸38にチャタリングが発生することが抑制される。
次に、図3A及び図3Bを参照し、第2実施形態に係る弁装置50につき説明する。なお、図1A、図1B及び図2に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図3A及び図3Bは、それぞれ、第2実施形態に係る弁装置50が閉弁状態であるとき、開弁状態であるときの要部概略縦断面図である。この弁装置50は、弁装置10と同様に常時閉弁である。
この弁装置50は、ボディ12、軸受20、弁軸38及び弁体40の他、軸受20の弁体40側端面(上端面)に配設された中空部材52を有する。この中空部材52は、貫挿孔54が形成された略円筒形状の中空体である。該貫挿孔54の下方開口近傍には、貫挿孔54の内壁を直径方向外方に切り欠いた形状の環状収容凹部56(収容凹部)が形成されている。すなわち、環状収容凹部56の内径は貫挿孔54に比して大きく、このために環状収容凹部56の天井壁は環状段部58となっている。
環状収容凹部56には、図2に示すC字型リング26が収容されている。この場合、貫挿孔54の内径は、C字型リング26の貫通孔28の内径、及び軸受20の挿通孔22の内径と略同等である。また、環状収容凹部56の外径及び高さは、C字型リング26の外径及び高さと略同等である。すなわち、C字型リング26は、全体が環状収容凹部56に収容されている。
弁軸38において、中空部材52の貫挿孔54から露呈した上端部は、コイルスプリング60に囲繞されている。該コイルスプリング60の下端は中空部材52の上端面に当接し、一方、上端は弁体40の下端面に当接している。このため、弁体40がコイルスプリング60によって弁座18側に弾発付勢されるとともに、中空部材52が軸受20に指向して弾発付勢される。中空部材52は、この弾発付勢によって軸受20の上端面に位置決めされている。
第2実施形態では、コイルスプリング60として、その内径が中空部材52の外径よりも若干小さいものが選定される。このため、コイルスプリング60が中空部材52を囲繞することはない。なお、C字型リング26が中空部材52の内部に収容されていることから、コイルスプリング60がC字型リング26に当接することもない。コイルスプリング60は、その内径がC字型リング26の外径よりも大きいものであることがさらに好ましい。
第2実施形態に係る弁装置50は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
この場合、環状収容凹部56は、中空部材52の貫挿孔54と同軸上に形成される。このため、加工によって中空部材52に環状収容凹部24を形成するとき、貫挿孔54と、環状収容凹部24との中心同士が精度よく位置合わせされる。従って、貫挿孔54と、C字型リング26の貫通孔28との中心同士を精度よく位置合わせすることができる。
C字型リング26を環状収容凹部56に収容するときには、第1実施形態に準拠した作業を行えばよい。すなわち、C字型リング26を、直径方向内方に向かって弾性変形域内で撓ませ、この状態で環状収容凹部24に収容し、第2フランジ部36の上端面を環状段部58に当接させる。その後、C字型リング26を押圧力から解放すれば、C字型リング26がその弾性作用によって押圧前の形状に戻る。
以上のように、第2実施形態においても、C字型リング26を中空部材52に容易に組み込むことができる。勿論、部品点数を増加することなく、簡素な構成でC字型リング26を中空部材52に保持することも可能である。
第2実施形態では、C字型リング26を中空部材52内に収容しているので、C字型リング26とコイルスプリング60の間に中空部材52が介在する。従って、中空部材52がコイルスプリング60の弾発付勢力を受けるので、該弾発付勢力がC字型リング26に直接作用することがない。すなわち、C字型リング26が中空部材52で保護されるので、該C字型リング26に外力が作用し難い。このため、コイルスプリング60として幅狭のものを採用することができる。この分、弁装置50の幅方向の小型化を図ることができる。
入口ポート16に進入した流体圧力の差圧による推力がコイルスプリング60の弾発付勢力を下回るとき、弁装置50は閉弁状態を保つ。これに対し、入口ポート16に進入した流体圧力の差圧による推力がコイルスプリング60の弾発付勢力を上回るようになると、弁体40がコイルスプリング60の弾発付勢力に抗して下方に変位する。その結果、弁座18から弁体40が離間し、入口ポート16と流路14が連通して弁装置50が開弁状態となるとともに、ボディ12内の流路14に流体が流通する。
このようにして弁体40が変位する際、該弁体40と一体的に弁軸38が変位する。このとき、弁軸38の側壁がC字型リング26の貫通孔28の内壁に摺接することにより、弁軸38に対して所定の摺動抵抗が付与される。
C字型リング26は、上記したように環状収容凹部56に収容されることで中空部材52に囲繞されている。このため、コイルスプリング60がC字型リング26に直接当接することはない。しかも、コイルスプリング60の内径がC字型リング26の外径よりも大きいと、コイルスプリング60の弾発付勢力がC字型リング26に伝達され難い。
以上のような理由から、C字型リング26に何らかの外力が作用することが回避される。このため、第1実施形態と同様に、C字型リング26の貫通孔28の内壁において、弁軸38に対する摩擦力が生じるのみである。このため、弁軸38が振動すること、換言すれば、チャタリングが発生することを有効に抑制することができる。
また、中空部材52の貫挿孔54と、C字型リング26の貫通孔28との中心同士が精度よく位置合わせされているので、弁軸38が傾斜することが抑制される。このことも、チャタリングの発生防止に寄与する。
入口ポート16に進入した流体圧力の差圧による推力がコイルスプリング60の弾発付勢力を下回るようになると、弁体40がコイルスプリング60から弁座18側に弾発付勢され、弁座18に着座する。すなわち、入口ポート16と流路14の連通が遮断され、弁装置50が閉弁状態となる。
この際にも弁軸38が弁体40と一体的に変位することに伴い、C字型リング26によって弁軸38に所定の摺動抵抗が付与される。とともに、勿論、このときにも、弁軸38にチャタリングが発生することが抑制される。
本発明は、上記した第1実施形態及び第2実施形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、摺動抵抗付与部材として、図4に示す連結リング70を採用することもできる。この場合、連結リングを構成する半円形状ピース72、74の各々に係合部76a、76b、78a、78bを設けるようにすれば、半円形状ピース72、74の各々を収容凹部に収容した後、係合部76a、78a同士、係合部76b、78b同士を係合することによって、連結リング70を容易に構成することができる。
摺動抵抗付与部材は、その外側壁、又は収容凹部の内壁に塗布した接着剤を介して収容凹部に保持するようにしてもよい。又は、軸受や中空部材の端部を加締めることで摺動抵抗付与部材の収容凹部からの抜け止めとするようにしてもよい。
さらに、例えば、摺動抵抗付与部材の内壁に溝を形成し、該溝内にバネ部材を収容するようにしてもよい。この構成では、バネ部材が、摺動抵抗付与部材を収容凹部の内壁側に指向して弾発付勢する。この弾発付勢に伴い、摺動抵抗付与部材が収容凹部内に保持される。
摺動抵抗付与部材と収容凹部との間にクリアランスが形成されるようなときには、スペーサを挿入するようにしてもよい。例えば、第2実施形態においては、軸受20の上端面とC字型リング26の第1フランジ部34の下端面との間にバネ部材を介在すればよい。バネ部材が伸縮することにより、クリアランスの広狭に対応することができる。
また、第1実施形態及び第2実施形態では、流体圧力の大小に応じて自動的に開閉する弁装置10、50を例示しているが、電磁弁等であってもよい。
10、50…弁装置 12…ボディ
14…流路 16…入口ポート
18…弁座 20…軸受
22…挿通孔 24、56…環状収容凹部
26…C字型リング 28…貫通孔
30…切欠 38…弁軸
40…弁体 42、60…コイルスプリング
52…中空部材 54…貫挿孔
70…連結リング 72、74…半円形状ピース
76a、76b、78a、78b…係合部

Claims (5)

  1. 弁体が弁座に対して着座又は離間することによって入口ポートに対して連通又は連通遮断される流路が形成されたボディと、
    軸受に摺動可能に挿通されるとともに、その先端に前記弁体が設けられて前記弁体と一体的に変位する弁軸と、
    前記弁体を弾発付勢するコイルスプリングと、
    を備え、
    前記軸受の内壁に収容凹部が形成され、
    前記収容凹部に、前記弁軸に対して摺動抵抗を付与する摺動抵抗付与部材が収容され、
    前記コイルスプリングは、前記摺動抵抗付与部材から離間した位置で前記軸受に当接し、
    前記弁軸が変位するとき、該弁軸が前記摺動抵抗付与部材に摺接することを特徴とする弁装置。
  2. 請求項1記載の弁装置において、前記コイルスプリングは、前記弁軸を囲繞するとともに前記軸受及び前記弁体に当接し、前記弁体を前記弁座に指向して弾発付勢することを特徴とする弁装置。
  3. 弁体が弁座に対して着座又は離間することによって入口ポートに対して連通又は連通遮断される流路が形成されたボディと、
    軸受に摺動可能に挿通されるとともに、その先端に前記弁体が設けられて前記弁体と一体的に変位する弁軸と、
    前記軸受の、前記弁体に臨む側に配置されて前記弁軸が挿通された中空部材と、
    前記弁体を弾発付勢するコイルスプリングと、
    を備え、
    前記中空部材の内壁に収容凹部が形成され、
    前記収容凹部に、前記弁軸に対して摺動抵抗を付与する摺動抵抗付与部材が収容され、
    前記コイルスプリングは、前記摺動抵抗付与部材から離間した位置で前記中空部材に当接し、
    前記弁軸が変位するとき、該弁軸が前記摺動抵抗付与部材に摺接することを特徴とする弁装置。
  4. 請求項3記載の弁装置において、前記コイルスプリングは、前記弁軸を囲繞するとともに前記中空部材及び前記弁体に当接し、前記弁体を前記弁座に指向して弾発付勢することを特徴とする弁装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の弁装置において、前記摺動抵抗付与部材は、直径方向に沿って延在する切欠が形成されたリング形状体からなることを特徴とする弁装置。
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