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STAND DER TECHNIK
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Druckminderungsventil-Vorrichtung.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Im Stand der Technik offenbart die
japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2011-108057 (
JP 2011-108057 A ) eine Druckminderungsventil-Vorrichtung, bei der ein Ventilsitz zwischen einem Ventilsitz-Fixierelement und einem im Durchmesser verringerten Abschnitt eines Gehäuses gehalten wird, und ein Ventilschaft in einer Durchgangsbohrung des Ventilsitz-Fixierelements aufgenommen ist.
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In der zuvor beschriebenen Druckminderungsventil-Vorrichtung berühren sich ein Ventilelement und ein konischer distaler Endabschnitt des Ventilschafts in einem Bereich, der von einer Durchgangsbohrung des Ventilsitzes und einer Durchgangsbohrung des im Durchmesser verringerten Abschnitts des Gehäuses umgeben ist. Ein Endabschnitt des Ventilschafts berührt einen Kolben, wobei der Endabschnitt sich auf einer Seite gegenüber dem Ventilelement befindet. Der Kolben wird durch eine elastische Kraft einer Kolbenfeder in Richtung zu dem Ventilschaft gedrückt. Das Ventilelement und der Ventilschaft bewegen sich in Axialrichtung der Druckminderungsventil-Vorrichtung aufgrund einer Druckdifferenz zwischen einer Druckeinstellkammer und einer Druckminderungskammer und der elastischen Kraft der Kolbenfeder und somit wird das Ventilelement auf dem Ventilsitz aufgesetzt oder wird von diesem getrennt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es besteht Bedarf an einer Verringerung der Größe, insbesondere bei der axialen Länge der Druckminderungsventil-Vorrichtung, um in einer Einheit, wie einem Fahrzeug eine Platzeinsparung in einem Fall zu erzielen, bei dem die Druckminderungsventil-Vorrichtung in der Einheit installiert ist. Es besteht jedoch eine Begrenzung der Verringerung der axialen Länge der Druckminderungsventil-Vorrichtung.
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Die Erfindung stellt eine Druckminderungsventil-Vorrichtung mit einer verringerten axialen Länge bereit.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Druckminderungsventil-Vorrichtung. Die Druckminderungsventil-Vorrichtung weist auf: eine ersten Körper, der einen Gaseinlass aufweist, einen zweiten Körper, der mit einem stromabwärtigen Abschnitt des ersten Körpers verbunden ist, wobei der zweite Körper einen Gasauslass aufweist; einen Ventilmechanismus, der in dem ersten Körper aufgenommen ist und konfiguriert ist, um einen Strömungsdurchgang zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass zu öffnen und zu schließen, wobei der Ventilmechanismus einen Ventilsitz und ein Ventilelement aufweist; und ein Kolben, der in dem zweiten Körper aufgenommen ist und der eine Druckminderungskammer definiert, die mit dem Gasauslass in Verbindung steht, und konfiguriert ist, um sich in Übereinstimmung mit einem Druck in der Druckminderungskammer zu bewegen, um das Ventilelement zu bewegen. Der erste Körper ist mit einem inneren Abschnitt eines Verbindungsabschnitts verbunden, der eine zylindrische Form mit Boden aufweist. Der Verbindungsabschnitt ist in dem zweiten Körper vorgesehen, um nach außen vorzustehen. Der Ventilsitz wird zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper in einer Richtung gehalten, in welcher der erste Körper und der zweite Körper so miteinander befestigt sind, dass der Ventilsitz im Strömungsdurchgang fixiert ist.
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In der Druckminderungsventil-Vorrichtung ist der Ventilmechanismus in dem ersten Körper aufgenommen, und der Verbindungsabschnitt, der die zylindrische Form mit Boden aufweist, ist in dem zweiten Körper vorgesehen, um nach außen vorzustehen. Zumindest ein Abschnitt des ersten Körpers ist in den Verbindungsabschnitt des zweiten Körpers eingesetzt, so dass der erste Körper und der zweite Körper miteinander verbunden sind. Somit überlappen sich der Ventilmechanismus und der Verbindungsabschnitt in Axialrichtung. Zusätzlich wird der Ventilsitz zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper in der Richtung gehalten, in welcher der erste Körper und der zweite Körper so miteinander verbunden sind, dass der Ventilsitz fixiert ist. So ist der Ventilsitz am distalen Ende des ersten Körpers positioniert. Daher ist es möglich, die axiale Länge der gesamten Druckminderungsventil-Vorrichtung zu verkürzen.
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Eine Durchgangsbohrung, die sich durch den Ventilsitz erstreckt, und eine Verbindungsbohrung, die sich durch einen Bodenabschnitt des Verbindungsabschnittes des zweiten Körpers erstreckt, können als ein Abschnitt des Strömungsdurchgangs vorgesehen sein, so dass die Durchgangsbohrung und die Verbindungsbohrung kontinuierlich miteinander in einer Gasströmungsrichtung sind; und ein Stababschnitt kann einstückig mit dem Ventilelement vorgesehen sein, wobei der Stababschnitt einen Außendurchmesser aufweisen kann, der kleiner als der Innendurchmesser der Verbindungsbohrung und der Durchgangsbohrung ist, und der Stababschnitt kann durch die Verbindungsbohrung und die Durchgangsbohrung eingesetzt sein, so dass der Stababschnitt den Kolben berührt.
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In der Konfiguration erreicht ein in den ersten Körper strömendes Gas den Gasauslass durch die Durchgangsbohrung des Ventilsitzes, die Verbindungsbohrung des zweiten Körpers und der Druckminderungskammer in den zweiten Körper. In diesem Fall ist der schmalste Abschnitt des Strömungsdurchgangs für das Gas zwischen den Innenumfangsflächen der Durchgangsbohrung des Ventilsitzes und der Verbindungsbohrung des zweiten Körpers und der Außenumfangsfläche des Stababschnittes des Ventilelements positioniert.
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Da der Stababschnitt einstückig mit dem Ventilelement vorgesehen ist, ist eine Verbindung oder dergleichen, die ein Hindernis darstellt, das den Gasstrom behindert, nicht vorhanden. Wenn also ein Gas in einen Strömungsdurchgang zwischen den Innenumfangsflächen der Durchgangsbohrung des Ventilsitzes und der Verbindungsbohrung des zweiten Körpers und der Außenumfangsfläche des Stababschnitts des Ventilelements strömt, wird kein turbulenter Gasstrom erzeugt und der reibungslose / glatte Gasstrom wird aufrechterhalten. Dementsprechend strömt das Gas reibungslos und somit ist es möglich, das Auftreten von Schwingungen oder Geräuschen zu unterdrücken.
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Eine konische Fläche kann vorgesehen sein, um einen stromabwärtigen Endabschnitt der Verbindungsbohrung zu definieren, wobei die konische Fläche einen Durchmesser aufweist, der in Richtung zu der Druckminderungskammer zunimmt. Da bei der Konfiguration die konische Fläche vorgesehen ist, um die Verbindungsbohrung des zweiten Körpers zu definieren, wobei die konische Fläche einen Durchmesser aufweist, der in Richtung der Druckminderungskammer zunimmt, ist es möglich, eine Gasströmungsrate aus dem folgenden Grund zu erhöhen. Die Dicke einer Bodenwand des zweiten Körpers wird verringert, indem die konische Fläche vorgesehen ist, die Verbindungsbohrung zu definieren und somit wird die axialen Länge eines Strömungsdurchgangs, der zwischen der Innenumfangsfläche der Verbindungsbohrung und der Außenumfangsfläche des Stababschnittes des Ventilelements verkürzt, und ein Strömungsdurchgang, der zwischen der konischen Fläche, welche die Verbindungsbohrung definiert, und der Außenumfangsfläche des Stababschnittes ausgebildet ist, vergrößert.
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Eine Stirnfläche des Kolbens kann mit einem kugelförmigen Flächenabschnitt vorgesehen sein und der Stababschnitt kann den kugelförmigen Flächenabschnitt berühren, wobei sich die Stirnfläche des Kolbens auf einer Seite des Ventilmechanismus befindet. Da in der Konfiguration der kugelförmige Flächenabschnitt und der Stababschnitt in Punktkontakt miteinander sind, ist selbst, wenn der Kolben in Bezug zu einer Achse der Druckminderungsventil-Vorrichtung geneigt ist, wenn der Kolben in Richtung der Bodenwand des zweiten Körpers durch ein Drückelement im zweiten Körper gedrückt wird, eine Richtung einer Kraft von dem Kolben, der den Stababschnitt drückt, konstant parallel zu der Achse der Druckminderungsventil-Vorrichtung. Selbst wenn der Kolben in Bezug zu der Achse der Druckminderungsventil-Vorrichtung geneigt ist, ist es daher möglich, zu verhindern, dass das Ventilelement in Bezug zu der Achse der Druckminderungsventil-Vorrichtung geneigt ist.
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Gemäß dem vorherigen Aspekt der Erfindung ist es möglich, die Druckminderungsventil-Vorrichtung mit der verringerten axialen Länge vorzusehen.
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Figurenliste
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Merkmale, Vorteile und technische und industrielle Bedeutung von beispielhaften Ausführungsbeispielen der Erfindung werden nachstehend in Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:
- 1 eine Schnittansicht ist, die teilweise eine Schnittkonfiguration einer Druckminderungsventil-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel darstellt;
- 2 eine Schnittansicht ist, die eine Schnittkonfiguration eines Stababschnittes eines Ventilelements und Komponenten in der Nähe des Stababschnittes in der Druckminderungsventil-Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt;
- 3 eine Schnittansicht ist, die teilweise eine Schnittkonfiguration einer Druckminderungsventil-Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt; und
- 4 eine Schnittansicht ist, die eine Schnittkonfiguration des Ventilelements der Druckminderungsventil-Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Im Folgenden wird eine Druckminderungsventil-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Druckminderungsventil-Vorrichtung ist eine Kolben-Druckminderungsventil-Vorrichtung, die in einem Brennstoffzellenfahrzeug installiert ist. Die Druckminderungsventil-Vorrichtung verringert den Druck eines unter hohem Druck stehenden Wasserstoffgases, das von einem Kraftstofftank zugeführt wird, auf einen niedrigen Druck und führt das Wasserstoffgas einer Brennstoffzelle zu.
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Wie in 1 dargestellt, weist eine Druckminderungsventil-Vorrichtung 1 als Hauptkomponenten einen ersten Körper 10 auf, einen Kolben 40, einen zweiten Körper 15 und einen Ventilmechanismus 20. Der erste Körper 10 und der zweite Körper 15 sind in Axialrichtung des ersten Körpers 10 und des zweiten Körpers 15 miteinander verschraubt. Der Ventilmechanismus 20 ist im ersten Körper 10 aufgenommen.
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Der erste Körper 10 ist so konfiguriert, dass er als eine Verbindung fungiert, zu der eine Leitung verbunden ist. Der erste Körper 10 weist einen primären Zugang 13 als einen Gaseinlass auf, der mit dem Kraftstofftank verbunden ist, eine Ventilsitz-Aufnahmebohrung 10a, die sich in Richtung zu einer Seite gegenüber des primären Zugang 13 öffnet, und eine Ventilaufnahmebohrung 10b, durch welche die Ventilsitz-Aufnahmebohrung 10a und der primäre Zugang 13 miteinander verbunden sind. Der primäre Zugang 13, die Ventilsitz-Aufnahmebohrung 10a und die Ventilaufnahmebohrung 10b sind auf der gleichen m-Achse vorgesehen. Eine Bodenfläche der Ventilaufnahmebohrung 10b öffnet sich in Richtung des primären Zugangs 13. Der Innendurchmesser der Ventilaufnahmebohrung 10b ist so festgelegt, um kleiner als der Innendurchmesser der Ventilsitz-Aufnahmebohrung 10a zu sein. Der Ventilmechanismus 20 ist in der Ventilaufnahmebohrung 10b aufgenommen. Eine Schraubennut 10c ist an der Außenumfangsfläche eines Endabschnitts des ersten Körpers 10 vorgesehen, wobei sich der Endabschnitt auf einer Seite der Ventilsitz-Aufnahmebohrung 10a befindet.
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Der zweite Körper 15 weist einen Zylinder 16 und eine Abdeckung 17 auf. Der Zylinder 16 hat eine zylindrische Form mit Boden. Der Zylinder 16 weist einen sekundären Zugang 18 als einen Gasauslass auf, der mit einer Brennstoffzelle über eine Leitung (nicht gezeigt) verbunden ist. Der Zylinder 16 weist eine Zylinder-Ausbildungsbohrung 16a auf, die sich in Richtung zu einer Seite gegenüber einer Bodenwand des Zylinders 16 öffnet, einen zylindrische-Form-mit-Boden-Verbindungsabschnitt 16c, der nach außen von der Bodenwand des Zylinders 16 vorsteht, und eine Verbindungsbohrung 16b, die sich durch einen Bodenabschnitt des Verbindungsabschnitts 16c erstreckt (die Bodenwand des Zylinders 16). Der Innendurchmesser der Zylinder-Ausbildungsbohrung 16a ist so festgelegt, um größer als der Innendurchmesser der Verbindungsbohrung 16b zu sein. Der Innendurchmesser des Verbindungsabschnitts 16c ist so festgelegt, um größer als der Innendurchmesser der Verbindungsbohrung 16b zu sein und ist nahezu gleich dem Außendurchmesser des ersten Körpers 10.
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Das Innere der Zylinder-Ausbildungsbohrung 16a und das Innere des Verbindungsabschnittes 16c sind miteinander über die Verbindungsbohrung 16b verbunden. Eine Schraubennut 16d ist an der Innenumfangsfläche eines Öffnungsendes (die obere Seite in 1) der Zylinder-Ausbildungsbohrung 16a vorgesehen. Eine Schraubennut 16e ist an der Innenumfangsfläche des Verbindungsabschnitts 16c vorgesehen. Die Schraubennut 10c des ersten Körpers 10 ist an die Schraubennut 16e geschraubt.
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Die Abdeckung 17 weist eine rohrförmige Bodenform auf. Die Abdeckung 17 weist eine Kolbenfeder-Aufnahmebohrung 17c auf. Der Außendurchmesser der Abdeckung 17 ist so festgelegt, um im Wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der Zylinder-Ausbildungsbohrung 16a des Zylinders 16 zu sein. Eine Schraubennut 17e ist an der Außenumfangsfläche eines Bodenwandabschnitts der Abdeckung 17 vorgesehen. Ein Dichtelement 17f ist an der Außenumfangsfläche eines Abschnitts der Abdeckung 17 vorgesehen, wobei sich der Abschnitt auf der Seite einer Öffnung der Abdeckung 17 befindet. Als Dichtelement 17f wird zum Beispiel ein O-Ring verwendet. Da das Dichtelement 17f vorgesehen ist, ist Luftdichtheit zwischen dem Zylinder 16 und der Außenseite sichergestellt.
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Ein Öffnungsende der Abdeckung 17 ist in die Zylinder-Ausbildungsbohrung 16a eingepasst. Die Schraubennut 17e der Abdeckung 17 ist mit der Schraubennut 16d des Zylinders 16 verschraubt. In dem Zylinder 16 ist der Kolben 40 zwischen der Bodenwand des Zylinders 16 und der Bodenwand der Abdeckung 17 aufgenommen. Der Kolben 40 weist eine zweite Kolbenfeder-Aufnahmebohrung 40a auf, die sich in Richtung der Abdeckung 17 öffnet. Ein Verschleißring und ein Dichtelement 40b sind an der Außenumfangsfläche des Kolbens 40 vorgesehen. Das Dichtelement ist auf der Mittelposition in Axialrichtung angeordnet, und eine Lippendichtung wird zum Beispiel als das Dichtelement verwendet. Da das Dichtelement vorgesehen ist, wird Luftdichtheit zwischen dem Zylinder 16 und der Außenseite sichergestellt. Die Außenumfangsfläche des Kolbens 40 gleitet in Bezug auf die Innenumfangsfläche des Zylinders 16. In dem Zylinder 16 ist eine Druckminderungskammer G1 dadurch definiert, dass sie von einer Bodenfläche 40c des Kolbens 40 und einer Innenfläche des Zylinders 16 umgeben ist. Die Druckminderungskammer G1 steht mit dem sekundären Zugang 18 in Verbindung. In dem Zylinder 16 ist eine Kolbenfeder 52 als Drückelement zwischen einer inneren Bodenfläche der Abdeckung 17 und einer inneren Bodenfläche des Kolbens 40 aufgenommen. Die Kolbenfeder 52 ist in einem Zustand aufgenommen, in dem die Kolbenfeder 52 zusammengedrückt ist. Aufgrund einer elastischen Kraft der Kolbenfeder 52 wird der Kolben 40 in Richtung der Bodenwand des Zylinders 16 (in Richtung des Ventilmechanismus 20) gedrückt. Zusätzlich ist eine Bewegung des Kolbens 40 in Richtung der Bodenwand des Zylinders 16 beschränkt, wenn eine Bodenwand des Kolbens 40 einen Stufenabschnitt 16f berührt, der an einem inneren Bodenabschnitt des zweiten Körpers 15 vorgesehen ist. In einem Zustand, in dem die Bodenwand des Kolbens 40 den Stufenabschnitt 16f berührt, ist ein Spalt zwischen der Bodenwand des Kolbens 40 und der Bodenwand des Zylinders 16 ausgebildet. Eine Druckeinstellkammer G2 ist zwischen der ersten Kolbenfeder-Aufnahmebohrung 17c und der zweiten Kolbenfeder-Aufnahmebohrung 40a definiert und die Druckeinstellkammer G2 ist zu der Außenluft geöffnet.
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Nachfolgend wird der Ventilmechanismus 20 beschrieben. Der Ventilmechanismus 20 öffnet und schließt einen Strömungsdurchgang zwischen dem primären Zugang 13 und dem sekundären Zugang 18. Der Ventilmechanismus 20 weist, wie in 1 dargestellt, ein Ventilelement 22, eine Ventilfeder 23 und einen Ventilsitz 24 auf.
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Wie in 2 dargestellt, ist der Ventilsitz 24 ein ringförmiges Harzelement, das eine zylindrisches Durchgangsbohrung 24a aufweist, die sich durch den Mittelabschnitt des Ventilsitzes 24 erstreckt. Der Ventilsitz 24 ist an einer Innenumfangsfläche der Ventilsitz-Aufnahmebohrung 10a angebracht. Die Außenumfangskante des Ventilsitzes 24 ist zwischen einer Bodenfläche 10d der Ventilsitz-Aufnahmebohrung 10a und einer Bodenfläche 16j des Verbindungsabschnitts 16c des zweiten Körpers 15 in einer Richtung gehalten, in welcher der erste Körper 10 und der zweite Körper 15 aneinander angebracht sind. Sowohl die Durchgangsbohrung 24a als auch die Verbindungsbohrung 16b des zweiten Körpers 15 fungieren als ein Gasströmungsdurchgang. Die Durchgangsbohrung 24a und die Verbindungsbohrung 16b sind auf der gleichen m-Achse vorgesehen, so dass die Durchgangsbohrung 24a und die Verbindungsbohrung 16b in einer Gasströmungsrichtung miteinander kontinuierlich sind. Die Durchgangsbohrung 24a ist in einen im Durchmesser angeglichener Abschnitt 24b und einen im Durchmesser vergrößerter Abschnitt 24c unterteilt, die in der angegebenen Reihenfolge in einer Richtung von dem Kolben 40 angeordnet sind. Der Innendurchmesser des im Durchmesser angeglichenen Abschnitts 24b ist gleich dem Innendurchmesser der Verbindungsbohrung 16b des zweiten Körpers 15. Der im Durchmesser vergrößerte Abschnitt 24c weist eine konische Fläche 24d mit einem Innendurchmesser auf, der von dem im Durchmesser angeglichenen Abschnitt 24b in Richtung des Ventilelements 22 graduell zunimmt.
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Das Ventilelement 22 weist einen Hauptkörperabschnitt 22b und einen Kontaktabschnitt 22a als einen distalen Endabschnitt auf. Der Kontaktabschnitt 22a ist an einem Endabschnitt des Hauptkörperabschnitts 22b vorgesehen, wobei sich der Endabschnitt auf der Seite des Ventilsitzes 24 befindet. Der Kontaktabschnitt 22a weist eine konische Fläche 22f mit einem Durchmesser auf, der graduell in Richtung des Hauptkörperabschnitts 22b zunimmt. Die Neigung der konischen Fläche 22f in Bezug auf die m-Achse ist dieselbe wie die Neigung der konischen Fläche 24d des im Durchmesser vergrößerten Abschnitts 24c des Ventilsitzes 24 in Bezug auf die m-Achse. Ein säulenartiger Stababschnitt 22c ist an einem distalen Ende des Kontaktabschnitts 22a ausgebildet. Der Außendurchmesser des gesamten Stababschnitts 22c ist so festgelegt, um kleiner als der minimale Innendurchmesser der Durchgangsbohrung 24a und der Verbindungsbohrung 16b zu sein. Der Stababschnitt 22c wird durch das Durchgangsbohrung 24a und die Verbindungsbohrung 16b eingesetzt. Ein Spalt, der zwischen der Außenumfangsfläche des Stababschnitts 22c und den Innenumfangsflächen der Durchgangsbohrung 24a und der Verbindungsbohrung 16b gebildet ist, fungiert als Gasströmungsdurchgang.
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Wie in 4 dargestellt, ist eine Querschnittsform des Hauptkörperabschnitts 22b, die durch Schnitt des Hauptkörperabschnitts 22b in einer Richtung senkrecht zu der Axialrichtung des Ventilelements 22 erhalten wird, im Wesentlichen viereckig. Die Außenfläche des Hauptkörperabschnitts 22b ist mit vier Gleitflächen 22i und vier Strömungsdurchgangs-ausbildenden-Flächen 22j vorgesehen. Jede Gleitfläche 22i ist ein Gleitabschnitt und ein Abstand zwischen jeder Gleitfläche 22i und der m-Achse ist im Wesentlichen gleich dem Radius der Ventilaufnahmebohrung 10b des ersten Körpers 10. Ein Abstand zwischen jeder Strömungsdurchgangs-ausbildenden-Fläche 22j und der m-Achse ist kleiner als der Radius der Ventilaufnahmebohrung 10b. Die Gleitflächen 22i und die Strömungsdurchgangs-ausbildenden-Flächen 22j sind abwechselnd in Umfangsrichtung des Ventilelements 22 vorgesehen. Jeder der vier Spalte, die zwischen den Strömungsdurchgangs-ausbildende-Flächen 22j des Ventilelements 22 und der Innenumfangsfläche der Ventilaufnahmebohrung 10b ausgebildet sind, fungieren als ein Außeneinführdurchgang 80, der ein Gasströmungsdurchgang ist. Zusätzlich ist in dem Hauptkörperabschnitt 22b eine Federbohrung 22d vorgesehen, die sich zu einem Endabschnitt gegenüber des Stababschnitts 22c öffnet.
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Wie in 1 dargestellt, ist die Ventilfeder 23 zwischen einer Bodenfläche der Federbohrung 22d des Ventilelements 22 und einer Bodenfläche der Ventilaufnahmebohrung 10b des ersten Körpers 10 aufgenommen. Die Ventilfeder 23 ist in einem Zustand aufgenommen, in dem die Ventilfeder 23 zusammengedrückt wird. Aufgrund einer elastischen Kraft der Ventilfeder 23 wird das Ventilelement 22 in Richtung des Ventilsitzes 24 gedrückt. Ein distales Ende des Stababschnitts 22c berührt die Bodenfläche 40c des Kolbens 40, so dass eine Bewegung des Ventilelements 22 in Richtung des Ventilsitzes 24 begrenzt wird.
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Als nächstes wird eine Konfiguration des Stababschnittes 22c des Ventilelements 22 im Detail beschrieben. Wie in 2 dargestellt, weist der Stababschnitt 22c des Ventilelements 22 einen Stützabschnitt 22h und einen im Durchmesser verringerten Abschnitt 22e auf. Der Stützabschnitt 22h ist mit dem Kontaktabschnitt 22a des Ventilelements 22 über den im Durchmesser verringerten Abschnitt 22e verbunden. Der Außendurchmesser des Stützabschnitts 22h ist so festgelegt, um kleiner als der Innendurchmesser der Durchgangsbohrung 24a des Ventilsitzes 24 und der Verbindungsbohrung 16b des zweiten Körpers 15 zu sein. Der Außendurchmesser des im Durchmesser verringerten Abschnitts 22e ist so festgelegt, um kleiner als der Außendurchmesser des Stützabschnitts 22h zu sein. In dem Ventilelement 22 ist ein Ende des Stützabschnitts 22h mit einer konischen Fläche 22g vorgesehen, die mit dem im Durchmesser verringerten Abschnitt 22e verbunden ist. Der Durchmesser des Stababschnittes 22c nimmt graduell in Richtung zu dem im Durchmesser verringerten Abschnitt 22e von dem Stützabschnitt 22h ab. Der im Durchmesser verringerte Abschnitt 22e ist radial innerhalb der Durchgangsbohrung 24a des Ventilsitzes 24 und der Verbindungsbohrung 16b des zweiten Körpers 15 positioniert. Der Stützabschnitt 22h berührt die Bodenfläche 40c des Kolbens 40. Die Verbindungsbohrung 16b des zweiten Körpers 15 ist in einen im Durchmesser vergrößerten Abschnitt 16h und einen im Durchmesser angeglichenen Abschnitt 16i unterteilt, die in der angegebenen Reihenfolge in einer Richtung von dem Kolben 40 angeordnet sind. Der Innendurchmesser des im Durchmesser angeglichenen Abschnitts 16i ist gleich dem Innendurchmesser des im Durchmesser angeglichenen Abschnitts 24b der Durchgangsbohrung 24a des Ventilsitzes 24. Der im Durchmesser vergrößerte Abschnitt 16h ist durch eine konische Fläche 16g definiert, die einen Innendurchmesser aufweist, der von dem im Durchmesser angeglichenen Abschnitt 16i in Richtung des Kolbens 40 graduell zunimmt. Die Neigung der konische Fläche 16g ist in Bezug auf die m-Achse so festgelegt, um größer als die Neigung der konische Fläche 22g in Bezug auf die m-Achse zu sein.
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Hier wird ein Verfahren zum Festlegen der Größe des Außendurchmessers des im Durchmesser verringerten Abschnitts 22e und der Neigung der konische Fläche 22g und der Neigung der konische Fläche 16g beschrieben. Wie in 1 dargestellt, strömt ein dem primären Anschluss 13 zugeführtes Wasserstoffgas zu der Mehrzahl von Außeneinführdurchgängen 80 zwischen der Innenumfangsfläche des Ventilaufnahmebohrung 10b und der Außenumfangsfläche des Ventilelements 22, zu dem Spalt, der zwischen der Außenumfangsfläche des Stababschnitts 22c und der Innenumfangsfläche der Durchgangsbohrung 24a und der Verbindungsbohrung 16b ausgebildet ist, zu der Druckminderungskammer G1 und dem sekundären Zugang 18 in der angegebenen Reihenfolge.
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Wie in 2 dargestellt, wird in der Druckminderungsventil-Vorrichtung 1, wenn der Druck eines unter hohem Druck stehenden Wasserstoffgases auf einen vorbestimmten Druck verringert wird, der Druck des Wasserstoffgas basierend auf einer Querschnittsfläche eines Drosselabschnitts 70 eingestellt, als ein Gasströmungsdurchgang, der zwischen der konischen Fläche 22f des Ventilelements 22 und der konischen Fläche 24d des Ventilsitzes 24 ausgebildet ist, wobei die Querschnittfläche durch Schnitt des Gasströmungsdurchgangs in einer Richtung senkrecht zum Gasströmungsdurchgang erhalten wird. In einem Gasströmungsdurchgang, der sich stromabwärts des Drosselabschnitts 70 befindet und sich von dem Ventilsitz 24 zu der Druckminderungskammer G1 erstreckt (der Spalt zwischen der Außenumfangsfläche des Stababschnitts 22c und den Innenumfangsflächen des Durchgangsbohrung 24a und der Verbindungsbohrung 16b), sind der Außendurchmesser des im Durchmesser verringerten Abschnitts 22e und die Neigung der konischen Fläche 22g und die Neigung der konischen Fläche 16g in Bezug auf die m-Achse so festgelegt, dass eine Querschnittsfläche des Gasströmungsdurchgangs, die durch Schnitt des Gasströmungsdurchgangs in einer Richtung senkrecht zu dem Gasströmungsdurchgang erhalten wird, größer ist als die Querschnittsfläche des Gasströmungsdurchgangs des Drosselabschnitts 70, unabhängig davon, ob der Ventilmechanismus 20 in einem geöffneten Zustand oder einem geschlossenen Zustand ist.
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Für die konische Fläche 16g gibt es mehr Punkte zu berücksichtigen. Ein Abschnitt des Bodenabschnitts des Verbindungsabschnittes 16c erhält über den Ventilsitz 24 einen hohen Druck von dem Wasserstoffgas, wobei der Abschnitt den Ventilsitz 24 berührt. Daher ist, in Anbetracht der Langlebigkeit des Abschnitts des Bodenabschnitts des Verbindungsabschnitts 16c, der den Ventilsitz 24 berührt, die Neigung der konischen Fläche 16g in Bezug auf die m-Achse so festgelegt, dass die Dicke des Bodenabschnitts des Verbindungsabschnitts 16c nicht übermäßig klein ist.
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Es sei angemerkt, dass die Formulierung „der Ventilmechanismus 20 im ersten Körper 10 aufgenommen ist“ bedeutet, dass sich das Ventilelement 22 in dem ersten Körper 10 in einem Zustand befindet, in dem der Stababschnitt 22c aus dem ersten Körper 10 vorsteht, wie in 1 dargestellt.
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Als nächstes wird die Betriebsweise der Druckminderungsventil-Vorrichtung 1 beschrieben. Die Druckminderungsventil-Vorrichtung 1 befindet sich im Anfangszustand in einem geöffneten Zustand. Wie in 1 dargestellt, wird in der Druckminderungsventil-Vorrichtung 1 ein unter hohem Druck stehendes Wasserstoffgas, das von dem Kraftstofftank zu dem primären Zugang 13 zugeführt wird, in die Ventilaufnahmebohrung 10b des ersten Körpers 10 geleitet. Das in die Ventilaufnahmebohrung 10b strömende Wasserstoffgas strömt in jeden der Mehrzahl von Außeneinführdurchgängen 80, die zwischen der Außenfläche des Ventilelements 22 und der Innenumfangsfläche der Ventilaufnahmebohrung 10b ausgebildet sind. Wenn der Ventilmechanismus 20 sich in einem geöffnetem Zustand befindet, passiert das in die Außeneinführdurchgänge 80 einströmende Wasserstoffgas die Durchgangsbohrung 24a des Ventilsitzes 24 und die Verbindungsbohrung 16b des zweiten Körpers 15 und wird in die Druckminderungskammer G1 geleitet. Danach wird das in die Druckminderungskammer G1 geleitete Wasserstoffgas der Brennstoffzelle über den sekundären Zugang 18 zugeführt.
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Da das Wasserstoffgas der Druckminderungsventil-Vorrichtung 1 aus dem Kraftstofftank zugeführt wird, steigt der Innendruck der Druckminderungskammer G1 an. Eine Kraft, die auf den Kolben 40 aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Innendruck der Druckminderungskammer G1 und dem Innendruck der Druckeinstellkammer G2 aufgebracht wird, wirkt gegen eine Drückkraft der Kolbenfeder 52 und somit bewegt sich der Kolben 40 in Richtung der Abdeckung 17 (d.h. der Kolben 40 bewegt sich in 1 nach oben). Das Ventilelement 22 bewegt sich in Richtung des Kolbens 40 in Übereinstimmung mit der zuvor beschriebenen Bewegung des Kolbens 40. Dann berührt der Kontaktabschnitt 22a des Ventilelements 22 den Ventilsitz 24, so dass die Durchgangsbohrung 24a des Ventilsitzes 24 geschlossen ist. Das heißt, der Ventilmechanismus 20 wird in einen geschlossenen Zustand gebracht. Infolgedessen wird die Zufuhr des Wasserstoffgases zu der Druckminderungskammer G1 gestoppt, und somit wird der Innendruck der Druckminderungskammer G1 verringert, wenn das Wasserstoffgas in der Brennstoffzelle verbraucht wird, die sich stromabwärts des sekundären Zugangs 18 befindet. Wenn eine Kraft, die den Kolben 40 nach oben drückt (eine Kraft in Richtung der Abdeckung 17 in 1), die aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Innendruck der Druckminderungskammer G1 und dem Innendruck der Druckeinstellkammer G2 erzeugt wird, kleiner als die Drückkraft der Kolbenfeder 52 ist, bewegt sich der Kolben 40 in Richtung zu dem Stufenabschnitt 16f eines Bodenabschnitts des Zylinders 16. Zu dieser Zeit ist eine Drückkraft der Ventilfeder 23 so klein, dass die Drückkraft ignoriert werden kann. Wenn sich das Ventilelement 22 gemäß der Bewegung des Kolbens 40 in Richtung der Bodenfläche der Ventilaufnahmebohrung 10b bewegt, bewegt sich der Kontaktabschnitt 22a des Ventilelements 22 weg von dem Ventilsitz 24. Das heißt, der Ventilmechanismus 20 wird in den geöffneten Zustand gebracht. Infolgedessen wird das Wasserstoffgas wieder der Druckminderungskammer G1 zugeführt, und somit steigt der Innendruck der Druckminderungskammer G1 an. Die Druckminderungsventil-Vorrichtung 1 verringert den Druck eines unter hohem Druck stehenden Wasserstoffgases, das von dem Kraftstofftank über den primären Zugang 13 zugeführt wird, auf den vorbestimmten Druck und führt, wie zuvor beschrieben, das druckreduzierte Wasserstoffgas über den sekundären Zugang 18 der Brennstoffzelle durch Wiederholen der Öffnungs- und Schließvorgänge des Ventilmechanismus 20 zu.
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Wie zuvor beschrieben, ist es mit der Druckminderungsventil-Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel möglich, die folgenden Betriebsweisen und Effekte zu erzielen. (
1) In der Druckminderungsventil-Vorrichtung
1 ist der Ventilmechanismus
20 im ersten Körper
10 aufgenommen und der zweite Körper
15 (die Bodenwand des Zylinders
16) ist mit dem zylindrischen-Form-mit-Boden-Verbindungsabschnitt 16c vorgesehen, der nach außen vorsteht. Ein Abschnitt des ersten Körpers
10 ist in den Verbindungsabschnitt
16c des zweiten Körpers
15 eingesetzt, so dass der erste Körper
10 und der zweite Körper
15 miteinander verbunden sind. Somit überlappen sich der Ventilmechanismus
20 und der Verbindungsabschnitt
16c in Axialrichtung. Zusätzlich ist der Ventilsitz
24 zwischen dem ersten Körper
10 (der Bodenfläche
10d der Ventilsitz-Aufnahmebohrung
10a) und dem zweiten Körper
15 (der Bodenfläche
16j des Verbindungsabschnitts
16c) in Axialrichtung gehalten, so dass der Ventilsitz
24 fixiert ist. Somit ist der Ventilsitz
24 am distalen Ende des ersten Körpers
10 (das distale Ende auf der Seite des zweiten Körpers
15) positioniert. Daher ist es möglich, die axiale Länge der gesamten Druckminderungsventil-Vorrichtung
1 zu verkürzen. Überdies ist es möglich, den Ventilmechanismus
20, insbesondere den Ventilsitz
24, so nahe wie möglich am zweiten Körper
15 (genauer gesagt dem Kolben
40) zu positionieren. Dies ist offensichtlich, da ein Ventilsitz-Fixierelement (
70) und ein Ventilschaft- (
72) in
JP 2011-108057 A nicht verwendet werden.
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Deshalb ist es in einem Fall möglich, in dem die Druckminderungsventil-Vorrichtung- 1 in einem Fahrzeug installiert ist, die Größe eines Raumes zu verringern, der erforderlich ist, um die Druckminderungsventil-Vorrichtung 1 in dem Fahrzeug zu montieren. Dadurch wird die Montierbarkeit der Druckminderungsventil-Vorrichtung 1 in das Fahrzeug verbessert (mit anderen Worten kann die Druckminderungsventil-Vorrichtung 1 leichter im Fahrzeug montiert werden). Da zusätzlich der Ventilsitz 24 und das Ventilelement 22 näher an dem Kolben 40 angeordnet werden können, wird es außerdem wahrscheinlich, dass Feuchtigkeit, die in einem Wasserstoffgas enthalten ist, in die Druckminderungskammer G1 strömt. Das heißt, da die Länge eines Strömungsdurchgangs zwischen dem Drosselabschnitt 70 und der Druckminderungskammer G1 verkürzt ist, ist es denkbar, die Möglichkeit zu verringern, dass die in dem Gas enthaltene Feuchtigkeit zu den Außeneinführdurchgängen 80 zurückkehrt, die von der Außenfläche des Ventilelements 22 und der Innenumfangsfläche der Ventilaufnahmebohrung 10b des ersten Körpers 10 umgeben sind, ohne zu der Druckminderungskammer G1 zu strömen (d.h. zu der stromabwärtigen Seite), nachdem sie den Drosselabschnitt 70 passiert hat. Somit ist es denkbar, die Möglichkeit zu verringern, dass sich die Feuchtigkeit in den Außeneinführdurchgängen 80 ansammelt und einfriert.
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(2) Es ist bekannt, dass eine Gasströmung turbulent wird und Schwingungen und Geräusche in der Druckminderungsventil-Vorrichtung 1 wahrscheinlich auftreten, wenn ein Hindernis, das den Gasstrom behindert, in einem Gasströmungsdurchgang vorhanden ist. In dieser Hinsicht ist in der Druckminderungsventil-Vorrichtung 1 der Stababschnitt 22c des Ventilelements 22 einstückig mit dem Ventilelement 22 und der Außenumfangsfläche des Stababschnitts 22c vorgesehen, der sich reibungslos und kontinuierlich erstreckt. Wenn daher ein Wasserstoffgas in einen Spalt zwischen den Innenumfangsflächen der Durchgangsbohrung 24a des Ventilsitzes 24 und der Verbindungsbohrung 16b des zweiten Körpers 15 und der Außenumfangsfläche des Stababschnitts 22c des Ventilelements 22 strömt, wird der Gasstrom daran gehindert, turbulent zu sein. Dementsprechend strömt das Gas reibungsloser und somit ist es möglich, das Auftreten von Schwingungen und Geräuschen in der Druckminderungsventil-Vorrichtung 1 zu unterdrücken.
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(3) In der Durchgangsbohrung 24a des Ventilsitzes 24 und der Verbindungsbohrung 16b des zweiten Körpers 15 ist der im Durchmesser verringerte Abschnitt 22e des Stababschnitts 22c des Ventilelements 22 vorgesehen. Daher ist es möglich, einen Gasströmungsdurchgang zwischen den Innenumfangsflächen der Durchgangsbohrung 24a und der Verbindungsbohrung 16b und der Außenumfangsfläche des Stababschnitt 22c zu vergrößern. Dementsprechend ist es möglich, eine Gasströmungsrate zu erhöhen.
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(4) Die konische Fläche 16g ist vorgesehen, um den im Durchmesser vergrößerten Abschnitt 16h der Verbindungsbohrung 16b in der Bodenwand des zweiten Körpers 15 zu definieren, wobei die konische Fläche 16g einen Innendurchmesser aufweist, der in Richtung des Kolbens 40 graduell von dem im Durchmesser angeglichenen Abschnitt 16i der Verbindungsbohrung 16b zunimmt. Somit ist es möglich, eine Gasströmungsrate im Gasströmungsdurchgang zwischen den Innenumfangsflächen des Durchgangsbohrung 24a des Ventilsitzes 24 und der Verbindungsbohrung 16b des zweiten Körpers 15 und der Außenumfangsfläche des Stababschnitts 22c des Ventilelements 22 weiter zu erhöhen, aus folgendem Grund. Die Dicke der Bodenwand des zweiten Körpers 15 wird durch Vorsehen der konischen Fläche 16g verringert, um die Verbindungsbohrung 16b zu definieren, und somit die axiale Länge eines Gasströmungsdurchgangs, der zwischen der Innenumfangsfläche des im Durchmesser angeglichenen Abschnitts 16i der Verbindungsbohrung 16b und der Außenumfangsfläche des im Durchmesser verringerten Abschnitts 22e des Stababschnitts 22c des Ventilelements 22 ausgebildet ist, verkürzt wird, und ein Gasströmungsdurchgang, der zwischen der konischen Fläche 16g, die den im Durchmesser vergrößerten Abschnitt 16h der Verbindungsbohrung 16b definiert, und der Außenumfangsfläche des Stababschnitts 22c ausgebildet ist (oder die konische Fläche 22g des Stababschnitt 22c), vergrößert wird. Wenn die axiale Länge des im Durchmesser verringerten Abschnitts 22e des Stababschnitts 22c des Ventilelements 22 länger wird, wird die Steifigkeit des Stababschnitts 22c niedriger und der Stababschnitt 22c wird eher verformt. Da jedoch die konische Fläche 16g vorgesehen ist, um die Verbindungsbohrung 16b in der Bodenwand des zweiten Körpers 15 zu definieren, wird die Dicke der Bodenwand des zweiten Körpers 15 klein, und somit ist es möglich, die axiale Länge des Gasströmungsdurchgangs, der zwischen der Innenumfangsfläche des im Durchmesser angeglichenen Abschnitts 16i der Verbindungsbohrung 16b und der Außenumfangsfläche des im Durchmesser verringerten Abschnitts 22e des Stababschnitts 22c des Ventilelements 22 ausgebildet ist, zu verkürzen. Somit ist es möglich, eine Gasströmungsrate aufrechtzuerhalten, wenn die axiale Länge des im Durchmesser verringerten Abschnitts 22e des Stababschnitts 22c entsprechend der Verringerung der Länge des Gasströmungsdurchgangs verkürzt wird. Dementsprechend ist es möglich, die Langlebigkeit des Ventilelements 22 zu verbessern, während eine Gasströmungsrate aufrechterhalten wird.
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Im Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Druckminderungsventil-Vorrichtung beschrieben. Grundsätzlich hat die Druckminderungsventil-Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die gleiche Konfiguration wie das in den 1, 2 und 4 dargestellte erste Ausführungsbeispiel. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich jedoch von dem ersten Ausführungsbeispiel in der Konfiguration der Bodenfläche 40c des Kolbens 40 (d.h. einer Stirnfläche auf der Seite des Ventilmechanismus 20). Somit werden die gleichen Komponenten wie jene in dem ersten Ausführungsbeispiel mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung dessen wird weggelassen.
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Wie in 3 dargestellt, ist die Bodenfläche 40c des Kolbens 40 mit einem halbkugelförmigen vorstehenden Abschnitt 41 vorgesehen, der ein kugelförmiger Flächenabschnitt ist. Der vorstehende Abschnitt 41 berührt den Stützabschnitt 22h des Stababschnitts 22c des Ventilelements 22.
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Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist es möglich, die folgende Effekte zusätzlich zu den Effekten (1) bis (4) in dem ersten Ausführungsbeispiel zu erzielen. (5) In dem Zylinder 16 können der Kolben 40 und die Bodenfläche des Kolbens 40 in Bezug auf die m-Achse geneigt sein, wenn der Kolben 40 durch eine elastische Kraft der Kolbenfeder 52 gedrückt wird.
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In dieser Hinsicht ist eine Richtung einer Kraft von dem Kolben 40, der den Stababschnitt 22c drückt, konstant parallel zu der m-Achse der Druckminderungsventil-Vorrichtung 1, da der vorstehende Abschnitt 41 und der Stützabschnitt 22h des Stababschnitts 22c in Punktkontakt miteinander sind. Selbst wenn der Kolben 40 in Bezug auf die m-Achse geneigt ist, ist es daher möglich, das Ventilelement 22 daran zu hindern, gegenüber der m-Achse m geneigt zu sein.
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Es sei angemerkt, dass das erste und das zweite Ausführungsbeispiel wie folgt abgewandelt werden können, solange keine technische Inkonsistenz auftritt. In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Bodenfläche des Kolbens 40 mit dem halbkugelförmigen vorstehenden Abschnitt 41 vorgesehen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann die gesamte Bodenfläche des Kolbens 40 eine halbkugelförmige Form aufweisen. Auch in diesem Fall ist es möglich, das Ventilelement 22 daran zu hindern, in Bezug zu der m-Achse geneigt zu sein, da die Bodenfläche des Kolbens 40 und der Stützabschnitt 22h des Stababschnitts 22c des Ventilelements 22 in Punktkontakt sind.
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In dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist die konische Fläche 16g vorgesehen, um die Verbindungsbohrung 16b der Bodenwand des zweiten Körpers 15 zu definieren. Die konische Fläche 16g kann jedoch weggelassen werden. Zusätzlich ist in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Stababschnitt 22c des Ventilelements 22 mit dem im Durchmesser verringerten Abschnitt 22e vorgesehen. Der im Durchmesser verringerte Abschnitt 22e kann jedoch weggelassen werden. In diesem Fall kann die konische Fläche 22g auch weggelassen werden und der Stababschnitt 22c kann ein stabförmiges Element mit einem konstanten Außendurchmesser sein. Auch in diesem Fall wird jedoch in dem Gasströmungsdurchgang, der zwischen der Innenumfangsfläche der Verbindungsbohrung 16b und der Außenumfangsfläche des Stababschnitts 22c des Ventilelements 22 gebildet ist, der Außendurchmesser des Stababschnitts 22c so eingestellt, dass eine Querschnittsfläche des Gasströmungsdurchgangs, der durch Schnitt Gasströmungsdurchgangs in einer Richtung senkrecht zum Gasströmungsdurchgang erhalten wird, größer wird als eine Querschnittsfläche des Strömungsdurchgangs des Drosselabschnitts 70, unabhängig davon, ob sich der Ventilmechanismus 20 in einem geöffneten Zustand oder einem geschlossenen Zustand befindet, unter Berücksichtigung der Druckeinstellung der Druckminderungsventil-Vorrichtung 1.
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In dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist der Stababschnitt 22c einstückig mit dem Kontaktabschnitt 22a des Ventilelements 22 vorgesehen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann der Stababschnitt 22c getrennt von dem Kontaktabschnitt 22a des Ventilelements 22 ausgebildet sein. In diesem Fall sind eine Außenfläche des Kontaktabschnitts 22a und eine Außenfläche des Stababschnitts so geformt, dass sie sich glatt und kontinuierlich an einer Verbindung zwischen dem Kontaktabschnitt 22a des Ventilelements 22 und dem Stababschnitt erstrecken, der getrennt von dem Kontaktabschnitt 22a ausgebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2011108057 [0002]
- JP 2011108057 A [0002, 0034]