DE10218194A1

DE10218194A1 - Über expandierende Gase antreibbares Setzgerät

Info

Publication number: DE10218194A1
Application number: DE10218194A
Authority: DE
Inventors: Thomas Granacher
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2022-04-25
Also published as: US20030201297A1; US6783047B2; FR2839915A1; DE10218194B4; FR2839915B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein über expandierende Gase antreibbares Setzgerät (10) zum Eintreiben von Befestigungselementen wie Nägeln, Bolzen, Stiften o. ä. in einen Untergrund, mit einem Gehäuse (11) und einem darin angeordneten Setzwerk, über das ein Befestigungselement an einem Setzpunkt in einen Untergrund eingetrieben wird, wenn ein Bediener über wenigstens einen Schalter einen Setzvorgang auslöst. Das erfindungsgemäße Setzgerät (10) weist ferner eine Spannungsquelle zur Speisung elektrischer Verbraucher am Setzgerät (10) auf, wobei die Spannungsquelle eine am Setzgerät angeordnete Brennstoffzelle (31) umfasst, die mit, in einem am Setzgerät (10) angeordneten Reservoir (20, 30) befindlichem Brennstoff und mit Sauerstoff betreibbar ist.

Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein, über expandierende Gase antreibbares Setzgerät der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Derartige Setzgeräte können mittels Brennstoffen oder aber durch pneumatische, mechanische oder elektropneumatische Antriebe betrieben werden.
Derartige Setzgeräte umfassen zumeist auch elektronische Bauteile, wie z. B. elektronisch ansteuerbare Ventile, Zündeinrichtungen, Ventilatoren, etc. Diese Bauteile und deren Steuerungseinrichtungen müssen mit Strom versorgt werden, wobei eine Netzunabhängigkeit wünschenswert ist.

Aus der US 4,403,722 ist ein gasbetriebenes Setzgerät bekannt, bei dem das im Brennraum befindliche Gemisch aus Luft und Brenngas vor der Zündung mittels eines elektrisch angetriebenen Ventilators homogenisiert wird. Zur Stromversorgung des Ventilator-Antriebs und seiner Steuerungseinrichtung ist dort ein NiCd-Akkumulator vorgesehen.

Ein grosser Nachteil dieser Art der Stromversorgung ist die technologisch begrenzte Kapazität des NiCd-Akkus.

Brauchbare alternative Akkumulatoren mit besseren Wirkungsgraden (Kapazität/Gewicht) sind in der Praxis nicht einsetzbar. Ein NiMH-Akku z. B. mit einer höheren Kapazität bei gleichem Gewicht ist für den Einsatz unter 0° Celsius nicht zu gebrauchen, da dieser Akku bei kalten Temperaturen ein instabiles Spannungsverhalten aufweist.

Aus der US 6,123,241 ist ferner ein gasbetriebenes Setzgerät bekannt, bei dem eine umfangreiche elektronische Steuerung verschiedene elektronische Einrichtungen steuert und/oder überwacht. So sind an dem Setzgerät verschiedene Sensoren, wie Temperatur-, Druck- und Arbeitsoberflächentemperatursensoren sowie eine elektronische Zündung und ein elektronisch angetriebener Ventilator angeordnet. Zur Stromversorgung dieses Setzgerätes werden gleich 2 Stromquellen benötigt. Eine alkalische Batterie versorgt einen Mikroprozessor als Kernstück der Steuerung mit elektrischer Energie und eine Blei-Säure Batterie dient als Hauptbatterie. Von Nachteil bei diesem Setzgerät ist, das dort durch den hohen Bedarf an elektrischer Energie gleich 2 Batterien zur Stromversorgung eingesetzt werden, was zu einem grösseren Bauraum und einem höheren Gerätegewicht führt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, ein Setzgerät der vorgenannten Art zu entwickeln, das standortunabhängig betrieben werden kann und das die vorgenannten Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Massnahmen erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.

Demnach genügt es, wenn am Setzgerät eine Brennstoffzelle zur Energieversorgung des Geräts vorgesehen ist, die mit Brennstoff aus einem am Setzgerät angeordneten Reservoir und mit Sauerstoff betreibbar ist. Vorzugsweise kann das Reservoir wieder befüllt, oder nach Entleerung durch ein neues, befülltes Reservoir ausgetauscht werden. Der Sauerstoff kann ebenfalls aus einem am Setzgerät befindlichen Reservoir bezogen werden, oder aber der Umgebungsluft entnommen werden.

Durch den Einsatz einer Brennstoffzelle im Setzgerät kann vorteilhafterweise ein sehr hoher Wirkungsgrad von bis zu 60% und eine lange, netzunabhängige Betriebszeit mit einer Füllung des Brennstoffreservoirs erreicht werden. Weiterhin ermöglicht die Brennstoffzelle als Quelle elektrischer Energie einen Einsatz des Setzgerätes auch bei Temperaturen unter 0° Celsius bei gleichbleibend langer Betriebsdauer im Vergleich zu höheren Temperaturen, was bei Akkumulatoren regelmässig nicht der Fall ist.

Gemäss Anspruch 2 kann es ferner von Vorteil sein, wenn die Brennstoffzelle bei, mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betriebenen Setzgeräten thermisch an das Brennstoffreservoir oder die Brennstoffdose angekoppelt ist. Diese Ankopplung kann z. B. dadurch erfolgen, dass die Brennstoffzelle benachbart zu dem Brennstoffreservoir angeordnet wird, so dass dieses über die, von der Brennstoffzelle ausgehende Abwärme gewärmt wird. Die Reaktionsentropie oder Reaktionswärme kann, je nach Typ der Brennstoffzelle bei bis zu 90° Celsius liegen.

Durch diese Massnahme kann die bei Betriebsbeginn noch kalte Brennstoffdose bzw. das Brennstoffreservoir rasch temperiert, und bei kalter Umgebungstemperatur Störungen bei der Brennstoffzufuhr zum Gerät werden. Namentlich wird die Gefahr von Vapour-Lock bei flüssiggasbetriebenen Setzgeräten reduziert und das Zündverhalten ab einer voreingestellten Betriebstemperatur verbessert.

Vorteilhafterweise können die Brennstoffzelle und das Brennstoffreservoir gemeinsam in einem wärmeleitfähigen Bauteil des Setzgeräts angeordnet sein. In dem wärmeleitfähigen Bauteil kann je eine Aufnahme für die Brennstoffzelle und je eine Aufnahme für das Brennstoffreservoir vorgesehen sein. Durch diese Massnahme wird eine gleichmässige Bewärmung des Brennstoffreservoirs erreicht. Das wärmeleitfähige Bauteil kann ebenfalls auch integraler Bestandteil des Metallgehäuses des Setzgeräts sein.

Vorteilhafterweise können an dem wärmeleitfähigen Bauteil noch Mittel zur Kühlung des Bauteils, wie z. B. Kühlrippen oder Gehäuserippen vorgesehen sein, über die die überschüssige Wärmeenergie z. B., wenn die Brennstoffdose bereits erwärmt ist, an die Umgebungsluft abgegeben werden kann.

Bei der Verwendung einer PEM Brennstoffzelle (Polymer-Elektrolyt-Membran- Brennstoffzelle) gemäss Anspruch 6 oder bauähnlichen Brennstoffzellen liegen die Vorteile kann z. B. der unkomplizierten Handhabung, im geringen Gewicht und der hohen Leistungsdichte aufgrund der guten Protonenleitfähigkeit des Elektrolyten.

Weitere Vorteile und Massnahmen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist die Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch, eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemässen Setzgeräts in Seitenansicht und teilweiser Schnittansicht,
Fig. 2 schematisch, das Setzgerät aus Fig. 1 in einem Schnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 1,
Fig. 3 schematisch, eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Setzgerätes in einem Schnitt entsprechend dem Schnitt der Linie II-II aus Fig. 1.
In den Fig. 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemässen Setzgerätes dargestellt, das in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem Brenngas betrieben wird. Das Setzgerät weist ein Gehäuse 11 auf, in dem ein Setzwerk 15 angeordnet ist, mittels dessen ein Befestigungselement 40 in einen hier nicht dargestellten Untergrund eingetrieben werden kann, wenn das Setzgerät 10 an den Untergrund angepresst wird. Zum Setzwerk 15 gehören ein Brennraum bzw. eine Brennkammer 23 eine Kolbenführung 16, in der ein Treibkolben 17 verschieblich gelagert ist, eine Bolzenführung 16' in der ein Befestigunselement 40 geführt werden kann, und wo das Befestigunselement 40 über das sich nach vorne bewegende setzrichtungsseitige Ende 18 des Treibkolbens 17 bewegt, und in einen Untergrund eingetrieben werden kann.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist im Brennraum 23 noch ein Ventilator 12 mit Rotor 12' bzw. Propeller und eine Zündeinrichtung 13, wie z. B. eine Zündkerze angeordnet. Über den Ventilator 12 wird im Brennraum in bekannter Weise eine Turbulenz zur Mischung des Brenngases mit Luft erzeugt, bevor über eine Steuereinrichtung 50 ein Zündfunke an der Zündeinrichtung 13 zur Entzündung des Brenngas-Luftgemischs ausgelöst wird.
Die Zufuhr des Brenngases in den Brennraum 23 erfolgt dabei über eine Brennstoffzuleitung 22 und ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Ventil 21 aus einem Brennstoffreservoir 20.
Der Setzvorgang an wird erst nach Betätigen eines Triggers bzw. Triggerschalters 14 am Handgriff des Setzgeräts 10 ausgelöst. Dieser Schalter kann in seiner Funktion mechanisch oder auch elektronisch oder auch elektromechanisch arbeiten.
Am Setzgerät können ferner noch weitere Schalter vorgesehen sein, die entweder alle oder in verschiedener Kombination zusammen geschaltet werden müssen um einen Setzvorgang auszulösen. Diese Schalter sind z. B. Nasenkopfschalter, Magazinschalter oder Sensoren die z. B. die Art des Untergrunds ermitteln.
Die Stromversorgung der elektrischen Verbraucher am Setzgerät 10, wie z. B. der Steuerung 50, des Ventilators 12, der Zündeinrichtung 13, des Triggerschalters 14 und ggf. der weiteren Schalter, des oder der Ventile 21 und anderer elektronischer Bauteile erfolgt bei dem vorliegenden Setzgerät über eine Brennstoffzelle 31, die in einem wärmeleitfähigen Bauteil 11' angeordnet ist, in dem sich auch das Brennstoffreservoir 20 für den Betrieb des Setzgeräts 10 befindet. Durch diese Massnahme kann das Brennstoffreservoir 30, wie z. B. eine Gasdose bei kaltem Gerät über die Abwärme der Brennstoffzelle 31 schnell temperiert, und auf Betriebstemperatur gebracht werden. Ein Vapour-Lock, wie er ansonsten häufig bei gasbetriebenen Setzgeräten auftritt kann so vermieden werden. Zur Kühlung der Brennstoffzelle 31 und des Setzgeräts 10, können an dem wärmeleitfähigen Bauteil 11' Kühlrippen 19, oder andere den Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft fördernde Mittel angeordnet sein.
Die Verteilung der elektrischen Energie von der Brennstoffzelle 31 zu den Verbrauchern und die Weitergabe von elektrischen Steuerimpulsen erfolgt über elektrische Zu- und Steuerleitungen 51, 52, 53, 54.
Um eine leichte Austauschbarkeit der Brennstoffreservoire 20, 30 für das Brenngas des Setzgeräts und den Brennstoff der Brennstoffzelle 31 zu ermöglichen, sind beide Brennstoffreservoire 20, 30 jeweils in Aufnahmen 28 und 29 in dem wärmeleitfähigen Bauteil 11' des Setzgeräts 10 eingesteckt, in welchen sie über eine lösbare Verbindung gehalten werden. Ist ein Brennstoffreservoir 20, 30 leer, so kann dieses in einfacher Weise ausgetauscht, und durch ein volles ersetzt werden. Die Brennstoffreservoire können aber auch derart ausgestaltet sein, das sie direkt im Setzgerät 10 wiederbefüllt werden können.
Für die Brennstoffzufuhr 26 zur Brennstoffzelle 31 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Brennstoffreservoir 30 vorgesehen, welches z. B. mit H₂, Methanol oder einem anderen für den Brennstoffzelleneinsatz tauglichen Brennstoff befüllt ist. Die Brennstoffzufuhr 24 in den Brennraum 23 des Setzgeräts 10 erfolgt hingegen aus dem Brennstoffreservoir 20, welches mit einem geeigneten Brennstoff, wie z. B. einem Brenngas oder Brenngasgemisch befüllt ist. Die Luftzufuhr 25 zur Brennstoffzelle 31 erfolgt aus der Umgebungsluft. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, einen separaten Sauerstofftank am Setzgerät vorzusehen, aus dem die Luft bzw. Sauerstoffzufuhr zur Brennstoffzelle dann erfolgen kann.
Die Brennstoffzelle funktioniert nach den, dem Fachmann allgemein bekannten Prinzipien. Günstig kann z. B. die Verwendung einer PEM Brennstoffzelle (Polymer-Elektrolyt-Membran- Brennstoffzelle) sein.
Die Befestigungselemente 40 sind in einem Magazin 41 zu einem Magazinstreifen 42 konfektioniert, der vorne am Setzgerät 10 angeordnet ist. Die Befestigungselemente 40 können aber natürlich auch einzeln in die Bolzenführung 16' vom Benutzer eingesteckt werden, ohne das ein derartiges Magazin 40 erforderlich wäre.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Setzgeräts 10 dargestellt, das sich nur dadurch von dem vorhergehend beschriebenen Setzgerät unterscheidet, das dort nur ein Brennstoffreservoir 20 vorgesehen ist, welches sowohl der Brennstoffzufuhr 26' zur Brennstoffzelle 31 als auch der Brennstoffzufuhr 24 in die Brennkammer 23 des Setzgeräts 10 dient. Das Brenngas ist dabei so gewählt, das es sowohl für den Verbrennungsprozess in der Brennkammer des Geräts, als auch zur Verwendung in der Brennstoffzelle 31 geeignet ist. Beispiele für einen derartigen Brennstoff sind z. B. H₂, Propan, Butan, Ethanol, Methanol.
Abschliessend bleibt noch zu bemerken, das die Erfindung nicht auf die hier dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist. So kann z. B. die thermische Ankopplung auch über einen oder mehrere Wärmeleiter erfolgen, die das Brennstoffreservoir 20 mit der Brennstoffzelle 31 verbinden. Insbesondere müssen dann die Brennstoffzelle 31 und das Brennstoffreservoir 20 nicht zusammen in ein und demselben Bauteil angeordnet sein, sondern können räumlich getrennt voneinander in oder an dem Setzgerät angeordnet sein. Bezugszeichenliste 10 Setzgerät
11 Gehäuse
11' Gehäuseabschnitt/wärmeleitfähiges Bauteil
12 Ventilator
12' Rotor
13 Zündeinrichtung
14 Schalter/Trigger/Triggerschalter
15 Setzwerk
16 Kolbenführung
17 Treibkolben
18 setzrichtungsseitiges Ende von 17
19 Kühlrippen
20 Brennstoffreservoir/Gasdose/Reservoir
21 Dosiereinrichtung/Ventil
22 Brennstoffzuleitung
23 Brennraum/Brennkammer
24 Brennstoffzufuhr von 20 zu 23
25 Luftzufuhr aus der Umgebung zu 31
26 Brennstoffzufuhr von 30 zu 31
26' Brennstoffzufuhr von 20 zu 31
27 elektrische Verbindung
28 Aufnahme für 30
29 Aufnahme für 20
30 Brennstoffreservoir für 31/Reservoir
31 Brennstoffzelle/Spannungsquelle
40 Befestigungselement
41 Magazin
42 Magazinstreifen
50 Steuerungseinrichtung
51 elektrische Zu- und Steuerleitung
52 elektrische Zuleitung
53 elektrische Zu- und Steuerleitung
54 elektrische Zu- und Steuerleitung

Claims

1. Über expandierende Gase antreibbares Setzgerät, zum Eintreiben von Befestigungselementen wie Nägeln, Bolzen Stiften o. ä. in einen Untergrund,
mit einem Gehäuse (11) und einem darin angeordneten Setzwerk (15), über das ein Befestigungselement (40) an einem Setzpunkt in einen Untergrund eingetrieben wird, wenn ein Bediener über wenigstens einen Schalter (14) einen Setzvorgang auslöst,
und mit einer Spannungsquelle (31) zur Speisung elektrischer Verbraucher am Setzgerät (10),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spannungsquelle eine am Setzgerät (10) angeordnete Brennstoffzelle (31) umfasst, die mit, in einem am Setzgerät (10) angeordneten Reservoir (20, 30) befindlichen Brennstoff und mit Sauerstoff betreibbar ist.

2. Setzgerät, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Setzgerät (10) ein, mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betriebenes Setzgerät (10) ist, bei dem der Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir (20) geliefert wird, das thermisch an die Brennstoffzelle (31) angekoppelt, und über deren Abwärme erwärmbar ist.

3. Setzgerät, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff für die Brennstoffzelle (31) identisch ist mit dem Brennstoff zum Antreiben des Setzgeräts (10) und bei dem beide Brennstoffe in nur einem Reservoir (20) bevorratet sind.

4. Setzgerät, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff für die Brennstoffzelle (31) in einem separaten Reservoir (30) bevorratet ist.

5. Setzgerät, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (31) eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle ist.

6. Setzgerät, nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff wenigstens einen Stoff aus der Gruppe:
Wasserstoff (H₂), n-Alkan (C_nH_2n+2), einwertige Alkanole (C_nH_2n+1OH), mehrwertige Alkanole (C_nH_n+2(OH)_n)
enthält.

7. Setzgerät, nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Ankopplung der Brennstoffzelle (31) an das Brennstofferservoir (20, 30) durch die gemeinsame Anordnung in einem wärmeleitfähigem Bauteil (11') erfolgt.

8. Setzgerät, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitfähige Bauteil (11') dem Gehäuse (11) zugehörig, und aus einem Metall ausgebildet ist.