WO2021104802A1 - Tankvorrichtung für ein schienenfahrzeug des personenverkehrs mit mechanischem befüllstopp - Google Patents

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WO2021104802A1
WO2021104802A1 PCT/EP2020/080731 EP2020080731W WO2021104802A1 WO 2021104802 A1 WO2021104802 A1 WO 2021104802A1 EP 2020080731 W EP2020080731 W EP 2020080731W WO 2021104802 A1 WO2021104802 A1 WO 2021104802A1
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WO
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Prior art keywords
valve
tank
valve body
force
fluid
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/080731
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin RICKEN
Original Assignee
Siemens Mobility GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Mobility GmbH filed Critical Siemens Mobility GmbH
Publication of WO2021104802A1 publication Critical patent/WO2021104802A1/de

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61C—LOCOMOTIVES; MOTOR RAILCARS
    • B61C17/00—Arrangement or disposition of parts; Details or accessories not otherwise provided for; Use of control gear and control systems
    • B61C17/02—Bunkers; Tanks; Tenders; Water or fuel pick-up or scoop apparatus; Water or fuel supply fittings

Definitions

  • the invention relates to a tank device for a rail vehicle for passenger transport, with a tank, a feed line for the inflow of a fluid of a predetermined density and a valve for closing the feed line, the valve comprising a valve opening and a valve body, the valve body between an open position in which the valve opening is open and is movable to a closed position in which the valve opening is closed by the valve body.
  • fresh water tanks of a rail vehicle for passenger transport are filled with fresh water
  • fresh water is usually pumped into the vehicle through a connection provided on the outer skin of the rail vehicle until excess water emerges from the overflow of a fresh water tank. If this water drips onto the floor and a service employee is on site, he can stop the filling process. If you are distracted and do not react in time, a lot of water runs unnecessarily into the track bed.
  • WO 2017/148693 A1 teaches a rail vehicle with several fresh water containers, a connection for jointly filling the fresh water containers and a common line between the connection and the fresh water containers.
  • a valve for controlling the filling of the respective fresh water container and thus for one on the vehicle side Filling stop provided in a line branching off from the common line between the common line and the fresh water tanks.
  • a filling level sensor is also arranged in each of the fresh water containers.
  • the invention is based on the object of proposing a simple and robust solution.
  • the movement of the float is caused by the buoyancy caused by the fluid in the tank.
  • the valve opening can be identical to an end of the supply line that is open towards the tank.
  • the floating body and the valve body are designed identically or monolithically as an integral component, firmly connected to one another or connected to one another via a transmission.
  • the fluid is preferably water, in particular fresh water.
  • a force applied to the float from the outside, in particular from the fluid in the tank, is thus transmitted to the valve body directly or indirectly via the gear, possibly with a predetermined gear ratio.
  • the float Due to its buoyancy by displacement, the float can swim independently according to the Archimedean principle. It is designed to float on the fluid and to represent a level of fluid in the tank.
  • the tank device is designed in such a way that the buoyancy force acting on the floating body due to the fluid in the tank is the same in the first and second positions.
  • the movement of the float from a first position into the second position thus takes place in direct dependence, in particular proportionally, on a movement of the surface of the fluid in the tank.
  • the mass and the volume of the floating body are designed so that the buoyancy force B and The force R resulting from gravity G is sufficient to counteract a resulting force S on the valve body which is directed in the opposite direction to the movement of the valve body from the open position into the closed position and to cause the valve body to move from the open position into the closed position.
  • the force of the fluid resting in the feed line closed by the valve body also act on the valve body. This force is dependent on the area A of the valve opening and on the hydrostatic pressure in the fluid in the supply line in the area of the valve opening. If the valve body moves from the closed position into the open position in the direction of the main flow direction of the fluid, this force thus counteracts a movement of the valve body from the open position into the closed position. If the valve body is in the open position, a hydrodynamic pressure, also called dynamic pressure, of the flowing fluid can then act on the valve body. In total, a force acts as a function of the so-called total pressure. The hydrodynamic pressure or the total pressure are additionally dependent on a predetermined, known density of the fluid and on the known flow velocity of the fluid. In addition, the predetermined, known shape and size of the surface of the valve body play a role.
  • valve body and the floating body are designed as an integral component, the aforementioned forces act with identical directions and amounts on the floating body.
  • valve body and the floating body are connected to one another via a gear
  • the forces act as a function of a transmission ratio of the gear.
  • the forces and paths transmitted to one another can be influenced by a predetermined, known lever arm.
  • the tank device in particular the floating body according to a further development of the invention, is designed in this way, in particular its mass and volume, and on the predetermined and / or known influencing factors mentioned above, in particular on the predetermined pressure, the predetermined density and the at least known flow rate of the fluid, the predetermined cross-sectional area of the valve opening as well as the shape and size of the surface of the valve body and possibly a coefficient of friction between the valve body and the surfaces of the valve guiding it are matched, so that a possibly via a predetermined gear from the float on The force R 'transmitted to the valve body, which is dependent on the force R acting on the float, resulting from the buoyancy force B and the force of gravity G, and possibly a predetermined gear ratio, one of the force R' counteracts te force S on the valve body to cause a movement of the valve body from the open position to the closed position or to keep the valve body in the closed position, the movement of the valve body from the open position to the closed position oppos
  • This relationship applies at least to a movement of the float from the first position into the second position and thus when the fill level of the fluid in the tank exceeds a predetermined threshold value. If the level of the fluid in the tank remains above the specified threshold value, the valve body will Logically held in the closed position, since the force acting on it is smaller than the force S, since it results, for example, only from the hydrostatic pressure and possibly frictional forces. In simple gears, the gear ratio is a constant factor, whereby the force R 'is proportional to the force R. This can be the case, for example, when the valve body and the float body are connected via a lever.
  • the valve is designed as a slide valve and the valve body can be displaced with a directional component transverse to the main flow direction of the fluid through the valve between the open position and the closed position.
  • the aforementioned valve designed as a slide valve comprises a spring which is pretensioned in such a way that the valve body is moved from the closed position into the open position and / or is held in the open position free of further external forces.
  • the float if necessary via the transmission, has to apply a force to the float that counteracts and exceeds the spring force of the pretensioned spring.
  • there is an additional restoring force of the spring for determining the force S acting on the valve body. At the same time, there are no other external forces. The force S results in particular from a frictional force in the valve and the spring force.
  • the frictional force is formed as the product of the resultant of weight force and total pressure, in particular the hydrostatic pressure, the area of the valve opening and the coefficient of friction between the surface of the valve body and the contacting surfaces of the valve that guide the valve body as pairs of friction surfaces in the valve.
  • the floating body and the valve as well as their mechanical coupling are coordinated with one another in such a way that, with given parameters for filling the tank, in particular with a given pressure of the fluid, the force R 'transmitted from the float to the valve body, which results from a given gear ratio and a
  • the force R acting on the float and resulting from the buoyancy force B and gravity G is sufficient to exceed the force S acting on the valve body, resulting from the frictional force in the valve and the spring force and opposing the force R, so that a movement of the float occurs the first position at a level of fluid in the tank below the specified threshold value in the second position at a level of fluid in the tank above the specified threshold value leads to a movement of the valve body from the open position into the closed position.
  • the tank of the tank device is in particular a central, large fresh water tank of a wagon of a rail vehicle for supplying at least two water consumers of at least one sanitary cell of the rail vehicle.
  • the fresh water tank is designed for Supply of several sanitary cells and / or to supply several water consumers in the rail vehicle.
  • the water consumers of sanitary cells include, in particular, hand basins and toilets. A toilet flush can also only be connected indirectly to the central fresh water tank via an intermediate gray water treatment device.
  • water consumers include, for example, hand basins, coffee machines or dishwashers in so-called galleys.
  • the fresh water tank can be designed to hold more than 100 liters of fresh water. The respective delivery to the water consumer is limited to smaller quantities between 100 ml and 10 liters.
  • the fresh water tank is refilled from the outside with fresh water under a predetermined pressure.
  • the feed line can end in an upper area of the tank.
  • valve and the float are exclusively mechanically coupled.
  • the valve is also designed purely mechanically. It is therefore an electronics-free tank device.
  • One advantage of the tank device according to the invention is its simplicity and robustness compared to electrical or electronic disconnection devices.
  • a rail vehicle according to the invention has at least one tank device according to the invention, in particular it has at least two tank devices according to the invention and a connection for joint filling of the at least two tank devices, which are connected to one another and to the connection via a common filling line.
  • the filling line leads from the connection to the respective tanks of the tank devices. If a first tank is sufficiently filled when all of the tanks connected to the connection are filled, the valve closes as described above and the fluid in the filling line is directed to the other tanks so that they are also filled.
  • each tank is equipped accordingly according to the invention and when the filling of one tank is switched off, the filling of the other is automatically continued in an intensified manner.
  • the fluid is distributed automatically, making complicated, fault-prone distribution systems obsolete.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a tank device according to the invention schematically in section
  • FIG. 2 shows the tank device from FIG. 1 with a different fill level
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a tank device according to the invention schematically in section
  • Fig. 4 shows a further embodiment of a tank device according to the invention schematically in section
  • Fig. 5 shows a further embodiment of a tank device according to the invention schematically in section.
  • FIGS. 1 and 2 A first exemplary embodiment of a tank device according to the invention is shown schematically in section in FIGS. 1 and 2.
  • the tank device comprises a tank 1, here a fresh water tank of a rail vehicle for passenger transport, for supplying at least two fresh water consumers in a sanitary cell of the rail vehicle with fresh water. If the tank 1 is empty, it is refilled from the outside by service personnel at a stop.
  • the rail vehicle includes a connection, not shown, for a water hose. This in turn is connected via a filling line which leads the fresh water to a feed line 2 to the tank 1 which branches off from the filling line immediately in front of the tank 1.
  • the fresh water reaches the tank 1 via the supply line 2.
  • the filling line can be connected to further tank devices, so that several tanks can be filled with one another in one operation through the same connection via the common filling line.
  • the feed line 2 leads from above into the tank and ends in the tank.
  • a valve 3 is arranged at its end in order to regulate the filling of the tank 1.
  • the valve 3 comprises a valve opening 4 and a valve body 5, here a ball for closing the valve opening 4.
  • the valve opening 4 is formed here by an end of the supply line 2 that is open towards the tank 1. This also applies to the valve openings of the exemplary embodiment according to FIGS. 3 and 4.
  • the valve body 5, is designed as a floating body, also called a buoyancy body. Valve body 5 and float are identical.
  • the valve body 5 is guided and held in a cage 8 if the level of fluid in the tank 1 falls below a predetermined threshold value.
  • the level of fluid in a tank 1 is well below a predetermined threshold value. In Fig. 2, however, the level is slightly above the predetermined threshold value. If the tank 1 is almost full, as sketched in FIG. 2, the fill level is detected via the buoyancy of the float, here the valve body 5, and this is used to stop the flow of fluid, here by opening the valve
  • the floating body 6 and the valve body 5 are also formed as an integral component.
  • the characteristics differ only in the form and type of guidance.
  • the float 6 or the valve body 5 is not guided in a cage, but is guided along a rod-shaped guide 9 to the valve opening 4, so that the valve body 5 can only move along the straight guide 9 parallel to the main direction of flow of the fluid from the supply line 2 is.
  • the principle is identical: a movement of the float 6 from a first position when the level of fluid in the tank 1 is below the specified threshold value to a second position when the level of fluid in the tank 1 is above the specified threshold value, due to the buoyancy caused by the Fluid in the tank causes the valve body to move
  • valve opening 4 is open.
  • valve opening 4 is closed by the valve body 5.
  • the floating body and the valve body according to FIG. 4 are rigidly connected to one another via a lever arm 7.
  • the lever 7 is rotatably mounted on a joint 10 in the area of the valve opening 4.
  • the path of the floating body 6 is thus significantly larger than the path of the valve body 5.
  • the force that can be transmitted and exerted by the floating body 6 on the valve body 5 is increased, however.
  • a "pressureless" valve can also be used, as shown in FIG. 5. In this case, the valve 3 does not have to be closed directly against the water pressure and the force resulting therefrom. Thus, the required buoyancy of the float 6 and its size are reduced considerably .
  • the floating body 6 is also connected via a lever 7, which is mounted in a swivel joint 10, and strikes against a valve slide 11.
  • the valve slide 11 is rigidly connected to the valve body 5 and can move it perpendicular to the main flow direction of the fluid out of the valve opening 4.
  • a return spring 12 is attached which moves the valve body 5 into the open position and / or holds it there when it is free from other external forces.
  • the valve body 5 is in particular free of other external forces when the level of fluid in the tank 1 is well below the predetermined threshold value.
  • buoyancy of a float 6 is used directly to stop the filling process mechanically.
  • This very simple system structure dispenses with electrical components and can be installed at the end of the pipe in the tank if required. It is also not shown here that advantageously at least two or more identical tanks are fluidly connected to a common filling line, the filling line being connected to a connection for automatic filling of the tanks.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung für ein Schienenfahrzeug des Personenverkehrs, mit einem Tank (1), einer Zuleitung (2) zum Zufluss eines Fluids vorgegebener Dichte und einem Ventil (3) zum Verschluss der Zuleitung (2), wobei das Ventil (3) eine Ventilöffnung (4) und einen Ventilkörper (5) umfasst, wobei der Ventilkörper (5) zwischen einer Offenstellung, in der die Ventilöffnung (4) offen ist, und einer Schließstellung beweglich ist, in der die Ventilöffnung (4) durch den Ventilkörper (5) verschlossen ist, wobei die Tankvorrichtung einen Schwimmkörper (6) aufweist, welcher im Tank (1) angeordnet und mit dem Ventilkörper (5) mechanisch gekoppelt ist, so dass eine Bewegung des Schwimmkörpers (6) aus einer ersten Stellung bei einem Füllstand an Fluid im Tank unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts in eine zweite Stellung bei einem Füllstand an Fluid im Tank oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts zu einer Bewegung des Ventilkörpers (5) aus der Offenstellung in die Schließstellung führt.

Description

Beschreibung
Tankvorrichtung für ein Schienenfahrzeug des Personenverkehrs mit mechanischem Befüllstopp
Die Erfindung betrifft eine Tankvorrichtung für ein Schienenfahrzeug des Personenverkehrs, mit einem Tank, einer Zuleitung zum Zufluss eines Fluids vorgegebener Dichte und einem Ventil zum Verschluss der Zuleitung, wobei das Ventil eine Ventilöffnung und einen Ventilkörper umfasst, wobei der Ventilkörper zwischen einer Offenstellung, in der die Ventilöffnung offen ist, und einer Schließstellung beweglich ist, in der die Ventilöffnung durch den Ventilkörper verschlossen ist.
Werden Frischwassertanks eines Schienenfahrzeugs des Personenverkehrs mit Frischwasser befüllt, wird üblicherweise so lange Frischwasser in das Fahrzeug durch einen dafür vorgesehenen Anschluss an der Außenhaut des Schienenfahrzeugs gefördert, bis überschüssiges Wasser aus dem Überlauf eines Frischwassertanks austritt. Tropf dieses Wasser auf den Boden und ein Service-Mitarbeiter ist vor Ort, kann dieser den Befüllvorgang stoppen. Ist abgelenkt und reagiert nicht rechtzeitig, läuft viel Wasser unnötig ins Gleisbett.
Dem Entgegenzuwirken sind Lösungen bekannt geworden, die einen vollen Tank detektieren und diesen einer Befüllstation melden, um den Befüllvorgang landseitig automatisiert zu stoppen.
Die WO 2017/148693 Al lehrt ein Schienenfahrzeug mit mehreren Frischwasserbehältern, einem Anschluss zum gemeinsamen Befüllen der Frischwasserbehälter und einer Gemeinschaftsleitung zwischen dem Anschluss und den Frischwasserbehältern. Vor jedem der Frischwasserbehälter ist dabei ein Ventil zur Steuerung der Befüllung des jeweiligen Frischwasserbehälters und damit für einen fahrzeugseitigen Befüllstopp in einer von der Gemeinschaftsleitung abzweigenden Leitung zwischen der Gemeinschaftsleitung und den Frischwasserbehältern vorgesehen. Zur Regelung der Befüllung ist zudem in jedem der Frischwasserbehälter ein Füllstandsensor angeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und robuste Lösung vorzuschlagen.
Gelöst wird die Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche wieder.
Eine erfindungsgemäße Tankvorrichtung für ein Schienenfahrzeug des Personenverkehrs umfasst einen Tank, insbesondere einen Frischwassertank, eine Zuleitung zum Tank für den Zufluss eines Fluids vorgegebener Dichte in den Tank und ein Ventil, insbesondere in der Zuleitung oder an einem zum Tank hin offenen Ende der Zuleitung, zum Verschluss der Zuleitung, wobei das Ventil eine Ventilöffnung und einen Ventilkörper umfasst, wobei der Ventilkörper zwischen einer Offenstellung, in der die Ventilöffnung offen ist, und einer Schließstellung beweglich ist, in der die Ventilöffnung durch den Ventilkörper verschlossen ist, wobei die Tankvorrichtung einen Schwimmkörper aufweist, welcher im Tank angeordnet ist, und wobei der Schwimmkörper mit dem Ventilkörper mechanisch derart gekoppelt ist, dass eine Bewegung des Schwimmkörpers aus einer ersten Stellung bei einem Füllstand an Fluid im Tank unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts in eine zweite Stellung bei einem Füllstand an Fluid im Tank oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts zu einer Bewegung des Ventilkörpers aus der Offenstellung in die Schließstellung führt. Die Bewegung des Schwimmkörpers wird durch den Auftrieb durch das Fluid im Tank bedingt. Die Ventilöffnung kann, je nach Ausführung, identisch mit einem zum Tank hin offenen Ende der Zuleitung sein. Gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind der Schwimmkörper und der Ventilkörper identisch bzw. monolithisch als integrales Bauteil ausgebildet, fest miteinander verbunden oder über ein Getriebe miteinander verbunden. Bei dem Fluid handelt es sich bevorzugt um Wasser, insbesondere um Frischwasser .
Eine auf den Schwimmkörper von außen, insbesondere vom Fluid im Tank, aufgebrachte Kraft wird so auf den Ventilkörper unmittelbar oder mittelbar über das Getriebe, gegebenenfalls mit einer vorgegebenen Getriebeübersetzung, übertragen. Der Schwimmkörper ist aufgrund seines Auftriebs durch Verdrängung nach dem archimedischen Prinzip selbständig schwimmfähig. Er ist ausgebildet, auf dem Fluid zu schwimmen und einen Füllstand an Fluid im Tank zu repräsentieren. Dabei ist die Tankvorrichtung so ausgebildet, dass die auf den Schwimmkörper wirkende Auftriebskraft durch das Fluid im Tank in der ersten und der zweiten Stellung gleich groß ist.
Die Bewegung des Schwimmkörpers aus einer ersten Stellung in die zweite Stellung erfolgt somit in unmittelbarer Abhängigkeit, insbesondere proportional, zu einer Bewegung der Oberfläche des Fluids im Tank.
Auf den Schwimmkörper im Tank wirkt eine aus Auftriebskraft B und Schwerkraft G resultierende Kraft R. Ohne weitere äußere Kräfte bewirkt die Schwerkragt G des Schwimmkörpers bei sinkendem Fluid ein Absinken des Schwimmkörpers mit dem Fluid, bei steigendem Fluid im Tank bewirkt die Auftriebskraft B dagegen ein Ansteigen des Schwimmkörpers im Tank.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Masse und das Volumen des Schwimmkörpers so ausgestaltet, dass die auf den Schwimmkörper wirkende, aus Auftriebskraft B und Schwerkraft G resultierende Kraft R hinreichend ist, einer der Bewegung des Ventilkörpers aus der Offenstellung in die Schließstellung entgegengerichteten, resultierenden Kraft S auf den Ventilkörper entgegenzuwirken und die Bewegung des Ventilkörpers aus der Offenstellung in die Schließstellung zu bewirken .
Je nach Ausführung wirken weitere, als die oben genannten Kräfte auf den Schwimmkörper. So wirken auf den Ventilkörper in der Schließstellung neben der Gewichtskraft auch die Kraft des in der durch den Ventilkörper verschlossenen Zuleitung ruhenden Fluids. Diese Kraft ist abhängig von der Fläche A der Ventilöffnung, sowie vom hydrostatischen Druck im Fluid in der Zuleitung im Bereich der Ventilöffnung. Bewegt sich der Ventilkörper aus der Schließstellung in die Offenstellung in Richtung der Hauptströmungsrichtung des Fluids, wirkt diese Kraft also einer Bewegung des Ventilkörpers aus der Offenstellung in die Schließstellung entgegen. Befindet sich der Ventilkörper in der Offenstellung kann dann zusätzlich ein hydrodynamischer Druck, auch Staudruck genannt, des strömenden Fluids auf den Ventilkörper wirken. In Summe wirkt eine Kraft in Abhängigkeit des sogenannten Totaldrucks. Der hydrodynamische Druck bzw. der Totaldruck sind dabei zusätzlich abhängig von einer vorgegebenen, bekannten Dichte des Fluids sowie von der bekannten Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Darüber hinaus spielt die vorgegebene, bekannte Form und Größe der Oberfläche des Ventilkörpers eine Rolle.
Sind der Ventilkörper und der Schwimmkörper als ein integrales Bauteil ausgebildet, wirken die genannten Kräfte mit identischen Richtungen und Beträgen somit auch auf den Schwimmkörper .
Sind Ventilkörper und Schwimmkörper hingegen über ein Getriebe miteinander verbunden, wirken die Kräfte in Abhängigkeit eines Übersetzungsverhältnisses des Getriebes. Auch bei einer starren Verbindung zwischen Schwimmkörper und Ventilkörper, können die aufeinander übertragenen Kräfte und Wege durch einen vorgegebenen, bekannten Hebelarm beeinflusst sein.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Tankvorrichtung, insbesondere der Schwimmkörper gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung derart ausgebildet, insbesondere seine Masse und sein Volumen, und auf die vorgegebenen und/oder bekanntem oben genannten Einflussfaktoren, insbesondere auf den vorgegebenen Druck, die vorgegebene Dichte und die zumindest bekannte Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, der vorgegebenen Querschnittsfläche der Ventilöffnung sowie der Form und Größe der Oberfläche des Ventilkörpers und gegebenenfalls einem Reibungskoeffizienten zwischen dem Ventilkörper und den ihn führenden Oberflächen des Ventils, abgestimmt sind, so dass eine gegebenenfalls über eine vorgegebenes Getriebe vom Schwimmkörper auf den Ventilkörper übertragene Kraft R', welche abhängig ist von der auf den Schwimmkörper wirkenden, aus Auftriebskraft B und Schwerkraft G resultierenden Kraft R und gegebenenfalls einer vorgegebenen Getriebeübersetzung, eine der Kraft R' entgegengerichtete Kraft S auf den Ventilkörper übersteigt, um eine Bewegung des Ventilkörpers aus der Offenstellung in die Schließstellung zu bewirken oder um den Ventilkörper in der Schließstellung zu halten, wobei die der Bewegung des Ventilkörpers aus der Offenstellung in die Schließstellung entgegengerichteten Kraft S auf den Ventilkörper eine resultierende Kraft ist aus dem Totaldruck P des bei der Befüllung des Tanks durch die Ventilöffnung strömenden Fluids auf den Ventilkörper in der Offenstellung, der Gewichtskraft G des Ventilkörpers und Reibungskräften des Ventilkörpers im Ventil. Dieser Zusammenhang gilt zumindest bei einer Bewegung des Schwimmkörpers aus der ersten Stellung in die zweite Stellung und somit bei Übersteigen eines vorgegebenen Schwellwerts des Füllstands des Fluids im Tank. Verbleibt der Füllstand des Fluids im Tank über dem vorgegebenen Schwellwert, wird der Ventilkörper logischerweise in der Schließstellung gehalten, da die auf ihn wirkende Kraft kleiner ist als die Kraft S, da sie beispielsweise nur noch aus dem hydrostatischen Druck und gegebenenfalls Reibungskräften resultiert. Bei einfachen Getrieben ist die Getriebeübersetzung ein konstanter Faktor wodurch die Kraft R' proportional ist zur Kraft R. Dies kann beispielsweise bei einer Verbindung von Ventilkörper und Schwimmkörper über einen Hebel der Fall sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Ventil als Schieberventil ausgebildet und der Ventilkörper ist mit einer Richtungskomponenten quer zur Hauptströmungsrichtung des Fluids durch das Ventil zwischen der Offenstellung und der Schließstellung verschiebbar.
Da sich der Ventilkörper nicht entgegen der
Hauptströmungsrichtung des Fluids aus der Offenstellung in die Schließstellung bewegt, sondern mit einer Richtungskomponente quer dazu, insbesondere senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Fluids, sind geringe Kräfte in Abhängigkeit des Totaldrucks des Fluids zu überwinden. In Abhängigkeit des Totaldrucks des Fluids können lediglich Reibungskräfte innerhalb des Ventils zu überwinden sein.
Weitergebildet umfasst das vorgenannte, als Schieberventil ausgebildete Ventil eine Feder, welche derart vorgespannt ist, dass der Ventilkörper frei von weiteren äußeren Kräften aus der Schließstellung in die Offenstellung bewegt wird und/oder in der Offenstellung gehalten wird. Zum Verschließen des Ventils und damit zum Bewegen des Ventilkörpers aus der Offenstellung in die Schließstellung ist also vom Schwimmkörper, gegebenenfalls über das Getriebe, noch eine Kraft auf den Schwimmkörper aufzubringen, welche der Federkraft der vorgespannten Feder entgegenwirkt und diese auch übersteigt. Zum vorherigen Ausführungsbeispiel kommt noch eine zusätzliche Rückstellkraft der Feder zur Bestimmung der auf den Ventilkörper wirkenden Kraft S hinzu. Gleichzeitig entfallen andere äußere Kräfte. Die Kraft S resultiert insbesondere aus einer Reibungskraft im Ventil und der Federkraft. Die Reibungskraft wird gebildet als Produkt aus der Resultierenden aus Gewichtskraft und Totaldruck, insbesondere dem hydrostatischen Druck, der Fläche der Ventilöffnung sowie dem Reibungskoeffizienten zwischen der Oberfläche des Ventilkörpers und die berührenden, den Ventilkörper führenden Oberflächen des Ventils als Reibflächenpaare im Ventil.
Weitergebildet sind der Schwimmkörper und das Ventil sowie deren mechanische Kopplung derart aufeinander abgestimmt, dass bei vorgegebenen Parametern zur Befüllung des Tanks, insbesondere bei vorgegebenem Druck des Fluids, die vom Schwimmkörper auf den Ventilkörper übertragene Kraft R', welche resultiert aus einer vorgegebenen Getriebeübersetzung und einer auf den Schwimmkörper wirkenden, aus Auftriebskraft B und Schwerkraft G resultierenden Kraft R, ausreichend ist, die auf den Ventilkörper wirkende, aus der Reibungskraft im Ventil und der Federkraft resultierende und der Kraft R entgegengerichtete Kraft S zu übersteigen, so dass eine Bewegung des Schwimmkörpers aus der ersten Stellung bei einem Füllstand an Fluid im Tank unterhalb des vorgegebenen Schwellwerts in die zweite Stellung bei einem Füllstand an Fluid im Tank oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts zu einer Bewegung des Ventilkörpers aus der Offenstellung in die Schließstellung führt.
Bei dem Tank der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung handelt es sich insbesondere um einen zentralen, großen Frischwassertank eines Wagens eines Schienenfahrzeugs zur Versorgung wenigstens zweier Wasserverbraucher wenigstens einer Sanitärzelle des Schienenfahrzeugs. Gemäß einer Ausführungsform ist der Frischwassertank ausgebildet zur Versorgung mehrerer Sanitärzellen und/oder zur Versorgung mehrerer Wasserverbraucher im Schienenfahrzeug. Zu den Wasserverbraucher von Sanitärzellen zählen insbesondere Handwaschbecken und Toiletten. Dabei kann eine Toilettenspülung auch nur mittelbar über eine dazwischengeschaltete Grauwasseraufbereitungsvorrichtung mit dem zentralen Frischwassertank verbunden sein. Als Wasserverbraucher neben Sanitärzellen sind beispielsweise Handwaschbecken, Kaffeemaschinen oder Spülmaschinen in sogenannten Galleys zu nennen. Der Frischwassertank kann dabei zur Aufnahme von mehr als 100 Liter Frischwasser ausgebildet sein. Die jeweilige Abgabe an die Wasserverbraucher beschränkt sich dabei aber auf jeweils kleinere Mengen zwischen 100 ml und 10 Litern.
Der Frischwassertank wird weitergebildet von außen mit Frischwasser unter einem vorgegebenen Druck befüllt.
Die Zuleitung kann weitergebildet in einem oberen Bereich des Tanks enden.
Das Ventil und der Schwimmkörper sind insbesondere ausschließlich mechanisch gekoppelt. Das Ventil ist weitergebildet ebenfalls rein mechanisch ausgebildet. Es handelt sich somit um eine elektronikfreie Tankvorrichtung.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Tankvorrichtung ist ihre Einfachheit und Robustheit gegenüber elektrischen oder elektronischen Abschalteinrichtungen.
Ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug weist wenigstens eine erfindungsgemäße Tankvorrichtung auf, insbesondere weist es wenigstens zwei erfindungsgemäße Tankvorrichtungen sowie einen Anschluss zum gemeinsamen Befüllen der wenigstens zwei Tankvorrichtungen auf, welche über eine gemeinsame Füllleitung miteinander und mit dem Anschluss verbunden sind. Die Füllleitung führt dabei von dem Anschluss zu den jeweiligen Tanks der Tankvorrichtungen. Ist beim Befüllen aller am Anschluss angeschlossenen Tanks ein erster Tank ausreichend gefüllt, schließt das Ventil wie oben ausgeführt und das Fluid in der Füllleitung wird zu den weiteren Tanks geleitet, so dass ebenfalls gefüllt werden.
Beim Befüllen von mehreren über eine gemeinsame Leitung ist der Einsatz der Erfindung somit vorteilhaft, wenn jeder Tank entsprechend erfindungsgemäß ausgerüstet ist und beim Abschalten der Befüllung eines Tanks automatisch die Befüllung der anderen intensiviert fortgesetzt wird. Es kommt zu einer automatischen Verteilung des Fluids und komplizierte, störungsanfällige Verteilsysteme sind dadurch obsolet .
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Sie wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in denen jeweils ein Ausgestaltungsbeispiel dargestellt ist. Gleiche Elemente in den Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen .
Fig. 1 zeigt eine erste Ausbildung einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung schematisch im Schnitt,
Fig. 2 die Tankvorrichtung aus Fig. 1 mit einem anderen Füllstand,
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausbildung einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung schematisch im Schnitt,
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausbildung einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung schematisch im Schnitt,
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausbildung einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung schematisch im Schnitt.
In den Fig. 1 und Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung schematisch im Schnitt dargestellt. Die Tankvorrichtung umfasst einen Tank 1, hier ein Frischwassertank eines Schienenfahrzeugs des Personenverkehrs, zur Versorgung von wenigstens zwei Frischwasserverbrauchern einer Sanitärzelle des Schienenfahrzeugs mit Frischwasser. Ist der Tank 1 leer, wird er durch Servicepersonal an einem Halt von außen aufgefüllt. Hierzu umfasst das Schienenfahrzeug einen nicht dargestellten Anschluss für einen Wasserschlauch. Dieser ist wiederum über eine Füllleitung verbunden, die das Frischwasser bis zu einer unmittelbar vor dem Tank 1 von der Füllleitung abzweigenden Zuleitung 2 zum Tank 1 führt. Über die Zuleitung 2 gelangt das Frischwasser in den Tank 1. Die Füllleitung hingegen kann mit weiteren Tankvorrichtungen verbunden sein, so dass mehrere Tanks durch denselben Anschluss über die gemeinsame Füllleitung miteinander in einem Arbeitsgang befüllt werden können.
Die Zuleitung 2 führt von oben in den Tank und endet im Tank. An ihrem Ende ist ein Ventil 3 angeordnet, um die Befüllung des Tanks 1 zu regeln. Das Ventil 3 umfasst eine Ventilöffnung 4 und einen Ventilkörper 5, hier eine Kugel zum Verschluss der Ventilöffnung 4. Die Ventilöffnung 4 ist hier durch ein zum Tank 1 hin offenes Ende der Zuleitung 2 gebildet. Dies gilt auch für die Ventilöffnungen der Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 und 4. Der Ventilkörper 5 hingegen ist als Schwimmkörper, auch Auftriebskörper genannt, ausgebildet. Ventilkörper 5 und Schwimmkörper sind identisch. Der Ventilkörper 5 ist in einem Käfig 8 geführt und gehalten, sofern der Füllstand an Fluid im Tank 1 unter einen vorgegebenen Schwellwert fällt.
In Fig. 1 ist der Füllstand an Fluid in einem Tank 1 deutlich unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts. In Fig. 2 hingegen ist der Füllstand leicht oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts . Ist der Tank 1 nahezu voll, wie in Fig. 2 skizziert, wird der Füllstand über den Auftrieb des Schwimmkörpers, hier des Ventilkörpers 5, detektiert und dieser dazu verwendet den Zufluss an Fluid zu stoppen, hier, indem er die Ventilöffnung
4 verschließt. So wird weiteres Wasser daran gehindert durch die Zuleitung 2 in den Tank 1 zu strömen und der Befüllvorgang gestoppt. Das Verschließen der Zuleitung 2 erfolgt hier somit direkt durch den Schwimmkörper.
In Fig. 3 ist der Schwimmkörper 6 und der Ventilkörper 5 ebenfalls als integrales Bauteil ausgebildet. Lediglich in Form und Art der Führung unterscheiden sich die Ausprägungen. Hier ist der Schwimmkörper 6 respektive der Ventilkörper 5 nicht in einem Käfig geführt, sondern wird entlang einer stabförmigen Führung 9 zur Ventilöffnung 4 geführt, so dass eine Bewegung des Ventilkörpers 5 nur entlang der geradlinigen Führung 9 parallel zur Hauptströmungsrichtung des Fluids aus der Zuleitung 2 möglich ist. Das Prinzip ist jedoch identisch: eine Bewegung des Schwimmkörpers 6 aus einer ersten Stellung bei einem Füllstand an Fluid im Tank 1 unterhalb des vorgegebenen Schwellwerts in eine zweite Stellung bei einem Füllstand an Fluid im Tank 1 oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts, bedingt durch den Auftrieb durch das Fluid im Tank, führt zu einer Bewegung des Ventilkörpers
5 aus einer Offenstellung in eine Schließstellung. In der hier veranschaulichten Offenstellung ist die Ventilöffnung 4 offen. In der Schließstellung ist die Ventilöffnung 4 durch den Ventilkörper 5 verschlossen.
Der Schwimmkörper und der Ventilkörper gemäß Fig. 4 sind über einen Hebelarm 7 starr miteinander verbunden. Der Hebel 7 ist an einem Gelenk 10 im Bereich der Ventilöffnung 4 drehbar gelagert. Der Weg des Schwimmkörpers 6 ist somit deutlich vergrößert zum Weg des Ventilkörpers 5. Die Kraft, die durch den Schwimmkörper 6 auf den Ventilkörper 5 übertragen und ausgeübt werden kann, ist jedoch vergrößert. Alternativ kann auch ein „druckloses" Ventil eingesetzt werden, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Hierbei muss das Ventil 3 nicht direkt gegen den Wasserdruck und die daraus resultierende Kraft geschlossen werden. Somit reduziert sich die benötigte Auftriebskraft des Schwimmkörpers 6 und dessen Größe erheblich.
Der Schwimmkörper 6 ist ebenfalls über einen Hebel 7, der in einem Drehgelenk 10 gelagert ist, verbunden und schlägt an einem Ventilschieber 11 an. Der Ventilschieber 11 wiederum ist starr mit dem Ventilkörper 5 verbunden und kann diesen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Fluids aus der Ventilöffnung 4 verschieben. Auf der dem Ventilschieber 11 gegenüberliegenden Seite des Ventilkörpers 5 ist eine Rückstellfeder 12 angebracht, die den Ventilkörper 5, wenn dieser frei von sonstigen äußeren Kräften ist, in die Offenstellung bewegt und/oder dort hält. Der Ventilkörper 5 ist insbesondere frei von sonstigen äußeren Kräften, wenn der Füllstand an Fluid im Tank 1 deutlich unterhalb des vorgegebenen Schwellwerts ist. Steigt nun jedoch der Füllstand an und übersteigt den vorgegebenen Schwellwert, wirkt auf den Schwimmkörper 6 eine resultierende Kraft, die über das Getriebe mit dem Hebel 7 und dem Ventilschieber 11 auf den Ventilkörper 5 übertragen wird, die ausreicht, den Ventilkörper 5 in die Schließstellung zu bewegen und somit den Zufluss zu stoppen. Zu Überwinden sind hier lediglich Reibungskräfte im Ventil sowie die Federkraft der Rückstellfeder 12. Die Reibungskräfte hängen von den ausgewählten Materialpaarungen und deren Oberflächengrößen und -beschaffenheiten ab, sowie von den Gewichtskräften und dem hydrostatischen Druck des zulaufenden Fluids.
Anders als bei einem elektrisch angesteuerten Ventil, wird der Auftrieb eines Schwimmkörpers 6 direkt genutzt, um den Befüllvorgang mechanisch zu stoppen. Dieser sehr einfache Systemaufbau verzichtet auf elektrische Komponenten und ist bei Bedarf am Rohrende im Tank ein zu bauen. Nicht dargestellt ist auch hier, dass vorteilhaft wenigstens zwei oder mehrere baugleiche Tanks mit einer gemeinsamen Füllleitung fluidverbunden sind, wobei die Füllleitung zur automatischen Befüllung der Tanks mit einem Anschluss verbunden ist.

Claims

Patentansprüche
1. Tankvorrichtung für ein Schienenfahrzeug des Personenverkehrs, mit einem Tank (1), einer Zuleitung (2) zum Zufluss eines Fluids vorgegebener Dichte und einem Ventil (3) zum Verschluss der Zuleitung (2), wobei das Ventil (3) eine Ventilöffnung (4) und einen Ventilkörper (5) umfasst, wobei der Ventilkörper (5) zwischen einer Offenstellung, in der die Ventilöffnung
(4) offen ist, und einer Schließstellung beweglich ist, in der die Ventilöffnung (4) durch den Ventilkörper (5) verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankvorrichtung einen Schwimmkörper (6) aufweist, welcher im Tank (1) angeordnet und mit dem Ventilkörper
(5) mechanisch gekoppelt ist, so dass eine Bewegung des Schwimmkörpers (6) aus einer ersten Stellung bei einem Füllstand an Fluid im Tank unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts in eine zweite Stellung bei einem Füllstand an Fluid im Tank oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts zu einer Bewegung des Ventilkörpers (5) aus der Offenstellung in die Schließstellung führt.
2. Tankvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse und das Volumen des Schwimmkörpers (6) so ausgestaltet sind, dass die auf den Schwimmkörper (6) wirkende, aus Auftriebskraft B und Schwerkraft G resultierende Kraft R hinreichend ist, einer der Bewegung des Ventilkörpers aus der Offenstellung in die Schließstellung entgegengerichteten Kraft S auf den Ventilkörper (5) entgegenzuwirken und die Bewegung des Ventilkörpers (5) aus der Offenstellung in die Schließstellung zu bewirken .
3. Tankvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (6) und der Ventilkörper (5) starr miteinander verbunden sind oder als integrales Bauteil ausgebildet sind.
4. Tankvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (6) und der Ventilkörper (5) über ein Getriebe miteinander verbunden sind.
5. Tankvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilöffnung (4) ein zum Tank (1) hin offenes Ende der Zuleitung (2) ist.
6. Tankvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (3) als Schieberventil ausgebildet ist und der Ventilkörper (5) mit einer Richtungskomponenten quer zur Hauptströmungsrichtung des Fluids durch das Ventil zwischen der Offenstellung und der Schließstellung verschiebbar ist.
7. Tankvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (3) eine Feder (12) umfasst, welche derart vorgespannt ist, dass der Ventilkörper (5) frei von weiteren äußeren Kräften aus der Schließstellung in die Offenstellung bewegt wird und/oder in der Offenstellung gehalten wird.
8. Tankvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (6), das Ventil (3) und deren mechanische Kopplung derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei vorgegebenem Druck des Fluids zur Befüllung des Tanks (1) die vom Schwimmkörper (6) auf den Ventilkörper (5) übertragene Kraft R', welche resultiert aus einer vorgegebenen Getriebeübersetzung und einer auf den Schwimmkörper (6) wirkenden, aus Auftriebskraft und Schwerkraft resultierenden Kraft R, ausreichend ist, die auf den Ventilkörper (5) wirkende, aus Reibungskraft im Ventil und Federkraft der Feder (12) resultierende und der Kraft R entgegengerichtete Kraft S zu übersteigen.
9. Schienenfahrzeug umfassend wenigstens eine Tankvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10.Schienenfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Anschluss zum gemeinsamen Befüllen von wenigstens zwei Tankvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, welche über eine gemeinsame Füllleitung miteinander und mit dem Anschluss verbunden sind.
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