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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein brennkraftbetriebenes Setzgerät der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 genannten Art. Derartige Setzgeräte können mit gasförmigen,
verdampfbaren flüssigen
oder festen Brennstoffen betrieben werden. Bei den brennkraftbetriebenen
Setzgeräten
wird bei einem Setzvorgang ein Setzkolben über Verbrennungsgase angetrieben. Über diesen
Setzkolben können
dann Befestigungselemente in einen Untergrund eingetrieben werden.
Bei dem Setzvorgang wird neben der kinetischen Energie des sich
bewegenden Kolbens zusätzlich
auch noch Wärmeenergie
erzeugt, die ggf. über
eine Kühleinrichtung,
wie Kühlrippen
etc. an die Umgebung abgeführt
wird.
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Derartige Setzgeräte umfassen zumeist auch elektronische
Bauteile, wie z. B. elektronisch ansteuerbare Ventile, Zündeinrichtungen,
Ventilatoren, Sensoren etc.. Diese Bauteile und deren Steuerungseinrichtungen
müssen
mit Strom versorgt werden, wobei eine Netzunabhängigkeit wünschenswert ist.
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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.
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Von Nachteil hierbei ist, dass die
NiCd-Akkumulatoren durch eine externe Energiezufuhr wieder aufgeladen
werden müssen.
Dazu müssen
die Akkumulatoren aus dem Setzgerät herausgenommen werden, was
für den
Anwender relativ unkomfortabel ist.
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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. Auch
bei diesem Setzgerät
ist eine externe Wiederaufladung der Blei-Säure Batterie notwendig.
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Aus der
DE 40 32 202 A1 ist bereits
ein brennkraftbetriebenes Setzgerät bekannt, bei dem an einer,
dem Kolben zugewandten Brennkammerwand Permanentmagnete zur zeitweiligen
Halterung des, zumindest teilweise aus einem magnetisch leitendem
Material bestehenden Kolbens angeordnet sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
liegt darin, ein Setzgerät
der vorgenannten Art zu entwickeln, das standortunabhängig betrieben
werden kann und das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die
im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Massnahmen erreicht,
denen folgende besondere Bedeutung zukommt.
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Die Spannungsquelle weist eine Generatoreinrichtung
auf, über
die zumindest Teile der Energie des Setzprozesses zur Gewinnung
von elektrischer Energie genutzt werden. Durch die erfindungsgemässe Massnahme
ist es möglich,
einen im Setzgerät
etwaig vorhandenen Akkumulator, Kondensator oder sonstigen Speicher
für elektrische
Energie direkt über
die bei einem Setzvorgang frei werdende Energie wieder elektrisch
aufzuladen. Die Generatoreinrichtung kann derart ausgebildet sein,
dass die im Setzgerät
bei einem Setzvorgang frei werdende kinetische Energie zumindest
teilweise in elektrische Energie umgewandelt wird. Die kinetische
Energie kann dabei z. B. von dem sich bei einem Setzvorgang bewegende
Treibkolben oder von der sich bei einem Anpress- oder Absetzvorgang
des Setzgerätes
an oder von einem Untergrund relativ zum Gehäuse bewegenden Kolbenführung und/oder
der Bolzenführung
abgegriffen werden. Diese kinetische Energie wird bei jedem Setzvorgang
frei und muss nicht zusätzlich
zugeführt
werden.
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Ebenfalls kann es von Vorteil sein,
wenn die Generatoreinrichtung dazu ausgebildet ist, die bei einem
Setzvorgang frei werdende Wärmeenergie
in elektrische Energie umzuwandeln. Hierzu ist die Generatoreinrichtung
vorzugsweise relativ nah an der Brennkammer bzw. dem Brennraum oder
bei pulver- oder tablettenbetriebenen Setzgeräten in der Nähe des Kartuschenlagers
angeordnet, wo die höchsten Temperaturen
durch den Verbrennungsprozess eines Treibmittels im Setzgerät vorliegen.
Auch diese Wärmeenergie
ist bei jedem Setzgvorgang vorhanden, ohne dass zusätzliche
Massnahmen erforderlich wären.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
umfasst die Generatoreinrichtung eine Spulenanordnung aus ein oder
mehreren Spulen mit magnetischen Kernen die, z. B. in oder an der,
dem Setzkolben zugewandten Brennkammerwand oder Kartuschenlagerwand
angeordnet sind. In der oberen Totlage des Setzkolbens befindet
sich der Setzkolben sehr nah an der Spulenanordnung und steht in
direktem oder indirektem Kontakt mit den Magneten, so dass sich
der magnetische Fluss in den Setzkolben hinein fortsetzt. Wird der
Setzkolben nun in Folge eines ausgelösten Setzvorganges, durch die
aus der Verbrennung eines Treibmittels entstehenden expandierenden
Verbrennungsgase in kurzer Zeit auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt,
so bewirkt dies eine Änderung
des Permanetmagnetfeldes. Durch die Flussänderung wird in den Spulen
durch Induktion magnetische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
Diese Energie kann in vorteilhafterweise dazu benutzt werden direkt
oder indirekt elektrische Verbraucher im Setzgerät zu speisen.
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Von Vorteil kann es ferner sein,
wenn im Setzgerät
eine Regeleinrichtung vorgesehen wird, die elektrisch mit der Spulenanordnung
verbunden ist. Diese Regeleinrichtung die z. B. als Regelschaltkreis
einen gesteuerten Gleichrichter und einen DC/DC-Wandler beinhaltet,
kann die Spannungsimpulse, welche bei jedem Setzvorgang entstehen
in eine kontinuierliche Gleichspannung definierter Höhe an der
Last bzw. an den elektrischen Verbrauchern umwandeln. Ein Kondensator
oder Akkumulator kann nach der Gleichrichtung ebenfalls geladen
werden, und dem oder den Verbrauchern vorgeschaltet sein.
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Von Vorteil kann es, insbesondere
bei gasbetriebenen Setzgeräten
sein, wenn die magnetischen Elemente bzw. die Permanetmagnete als
Kolbenhaltemittel ausgebildet sind. Auf diese Weise kann der Setzkolben
bei dem Auslösen
eines Setzvorganges solange an der Brennkammer festgehalten werden, bis
sich ein genügend
hoher Druck in der Brennkammer aufgebaut hat und eine isochore Verbrennung
in der Brennkammer stattfinden kann bevor der Setzkolben sich von
der Brennkammer löst.
Die Funktion als Kolbenhaltemittel weisen die magnetischen Elemente
insbesondere dann auf, wenn diese direkt mit dem metallischen Setzkolben
in Kontakt stehen und dieser sich in seiner oberen Totpunktlage
befindet. Die Funktion als Kolbenhaltemittel der magnetischen Elemente
ist aber auch dann wirksam, wenn Polschuhe vorgesehen sind, die
den magnetischen Fluss von den magnetischen Elementen bzw. den Permanetmagneten
an den Setzkolben weiterleiten.
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In einer weiteren günstigen
Ausführungsform der
Erfindung weist die Generatoreinrichtung eine Anordnung von Pettier
Elementen auf, die thermisch an die Brennkammer und/oder an das
Kartuschenlager des Setzgerätes
angekoppelt sind. Über
den Peltier Effekt wird von der Peltier Elementanordnung eine elektrische
Spannung erzeugt, die in einem angeschlossenen Verbraucher in Strom
umgewandelt wird. Die Spannung entsteht an den Peltier Elementen
wie z. B. Peltier Halbleitern. Von Vorteil kann es sein, wenn die
Peltier Elementanordnung mehrere Schichten von Pettier Elementen
aufweist die durch Isolatoren, wie z. B. keramische Isolatoren getragen werden.
Auch bei dieser Art von Generatoreneinrichtung kann es günstig sein,
eine elektrische Regeleinrichtung vorzusehen die mit der Anordnung
von Pettier Elementen verbunden ist. Diese Regeleinrichtung dient
der Stabilisierung und Aufrechterhaltung der erforderlichen Last-Gleichspannung,
wozu die Regeleinrichtung wenigstens einen Kondensator und einen
DC/DC-Wandler aufweisen kann.
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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.
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Es zeigen:
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1 schematisch,
ein erfindungsgemässes Setzgerät im teilweisen
Längsschnitt,
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2 schematisch,
das Setzgerät
aus 1 im Schnitt entlang
der Linie II – II
aus 1,
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3 schematisch,
eine Generatorschaltung eines Setzgeräts gem. 1,
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4 schematisch,
eine zweite Ausführungsform
eines Setzgeräts
im teilweisen Längsschnitt,
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5 schematisch,
eine Generatorschaltung eines Setzgeräts gem. 4.
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In den 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Setzgeräts 10 in
seiner Ruhe- oder Ausgangsstellung dargestellt. Das Setzgerät 10 verfügt über ein
allgemein mit 11 bezeichnetes ein- oder mehrteiliges Gehäuseteil,
in dem ein Setzwerk angeordnet ist. Über das Setzwerk kann ein Befestigungselement,
wie ein Nagel, Bolzen, etc. in einen hier nicht dargestellten Untergrund eingetrieben
werden, wenn das Setzgerät 10 mit
seiner Bolzenführung 15 an
einen Untergrund angepresst, und ausgelöst wird.
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Zum Setzwerk gehören u. a. eine Brennkammer 14,
eine Kolbenführung 12,
in der ein Setzkolben 13 axial versetzbar angeordnet ist
und eine Bolzenführung 15 in
der ein Befestigunselement geführt werden
kann, und wo ein Befestigungselement, während eines Setzvorgangs, über das
sich nach vorne bewegende, setzrichtungsseitige Ende des Setzkolbens 13 bzw.
seiner Kolbenstange bewegt, und in einen Untergrund eingetrieben
werden kann. Die Bolzenführung 15 schliesst
sich dabei in Setzrichtung an die Kolbenführung 12 an. Im vorderen
Endbereich der Kolbenführung 12 sind
ferner noch Dämpfungselemente 22 vorgesehen,
die den Aufschlag des beim Setzvorgang nach vorne schnellenden Setzkolbens 13 puffern.
Die Befestigungselemente können
z. B. in einem Magazin 20 am Setzgerät 10 bevorratet sein. Das
Setzgerät 10 in
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
kann mit einem Brenngas oder mit einem verdampfbaren Flüssigbrennstoff
betrieben werden, der in einem Brennstoffreservoir 16 bzw.
einer Brennstoffdose, Brennstofftank oder ähnlichem bereitgestellt wird.
Von dem Brennstoffreservoir 16 zweigt eine Brennstoffleitung 17 ab
die zur Brennkammer 14 führt. In die Brennstoffleitung 17 ist
eine Dosiereinrichtung 18 zwischengeschaltet, die nur die,
jeweils für
einen Setzvorgang benötigte
Brennstoffmenge der Brennkammer 14 zuführt. Es bleibt an dieser Stelle
noch anzumerken, das das Setzgerät 10 auch dazu
ausgebildet sein kann mit einem festen bzw. pulverförmigen Brennstoff,
z. B. in Form von Kartuschentreibladungen, betrieben zu werden.
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Zur Steuerung der Dosiereinrichtung 18,
einer Zündeinrichtung 25,
wie z. B. einer Zündkerze
ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
noch eine Steuereinrichtung 24 vorgesehen. Ggf. können noch Sensoren
vorgesehen sein (hier nicht zeichnerisch dargestellt), die mit der
Steuereinrichtung 24 zusammenwirken. Die Steuereinrichtung 24 ist über eine elektrische
Leitung 27 mit einem Auslöseschalter 23 am Handgriff 21 des
Setzgeräts 10 verbunden, über den
Setzvorgang ausgelöst
werden kann. Die vorgenannten Einrichtungen stellen zusammengefasst elektrische
Verbraucher 52 dar, die mit elektrischer Energie versorgt
werden müssen.
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Eine netzunabhängige Energieversorgung ist
bei dem Setzgerät 10 in
Form einer insgesamt mit 30 bezeichneten Generatoreinrichtung
verwirklicht. Diese Generatoreinrichtung 30 beinhaltet
zunächst eine
Spulenanordnung 31 aus mehren Spulen 33 die jeweils
um ein magnetisches Element 32, wie z. B. einen Permanentmagneten,
herum angeordnet sind. Über
elektrische Leitungen 39 sind die einzelnen Spulen 33 parallel
zueinander geschaltet. Es ist aber auch denkbar, die Spulen 33 in
Reihe zu schalten. Mittels der elektrischen Leitungen 28 ist
die Spulenanordnung mit einer insgesamt mit 34 bezeichneten Regeleinrichtung
verbunden. Diese Regeleinrichtung 34 weist einen Gleichrichter 35,
einen DC/DC-Konverter 36, einen Stromspeicher 37,
einen Spannungsregler 38 und einen Masseanschluss 51 auf. Über den
optional geregelten Gleichrichter 35 erfolgt eine Vollweg-Gleichrichtung des
elektrischen Stroms, der anschliessend den Stromspeicher 37, wie
einen Kondensator oder Akkumulator auflädt. Mittels des DC/DC Konverters 36 werden
Spannungsschwankungen des Stromspeichers 37 in Folge eines
unterschiedlichen Ladungszustandes in gewissen Grenzen ausgeglichen.
Der Spannungsregler 38 Der Gleichrichter 35, der
insbesondere als Vollweggleichrichter ausgebildet ist, bewirkt durch
seine Halbleiterventile, dass der Stromfluss unabhängig von
der Polarität
der in den Spulen 33 induzuierten Spannungspolarität immer
in einer Richtung fliesst. Durch den gleichgerichteten Strom wird
der Kondensator 47 aufgeladen. Der Regler 38 steuert
die Halbleiterventile an, so dass der Kondensator 47 auf
eine vorgegebene Spannung aufgeladen wird. Der Regler 38 erfüllt somit
die Aufgabe eines Spannungsreglers. Steigt die Spannung des Kondensators 47 über das Sollniveau,
so verhindert der Regler 38 durch Abschaltung der Halbleiterventile
ein weiteres Nachladen des Kondensators 47, und somit einen
unerwünschten
weiteren Spannungsanstieg am Kondensator 47.
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Über
elektrische Leitungen 26 ist die Regeleinrichtung 34 dann
mit den Verbrauchern 52, wie z. B. der Steuereinrichtung 24 verbunden.
Elektrische Energie wird von der Generatoreinrichtung 30 bei
jeder Bewegung des Setzkolbens in einem Setzvorgang erzeugt. In
der, in 1 dargestellten
Ruhestellung des Setzgeräts 10 befindet
sich der Setzkolben 13 in seiner oberen Totpunktlage direkt
an der Brennkammer 14. In dieser Lage wird der Setzkolben 13 von
den magnetischen Elementen 32, die hier gleichzeitig zu
ihrer Funktion in der Generatoreinrichtung 30 als Kolbenhaltemittel
fungieren, mit einer bestimmten Kraft gehalten. Wird mittels des
Auslöseschalters 23 vom
Anwender des Setzgeräts 10 ein Setzvorgang
ausgelöst,
so wird über
die Zündeinrichtung 25 ein
in der Brennkammer 14 befindliches Brennstoff-Luftgemisch
gezündet.
Durch den in kurzer Zeit auf hohe Geschwindigkeit beschleunigten Setzkolben 13 wird
eine Änderung
des Permanentmagnetfelds der magnetischen Elemente 32 erzeugt. Durch
die dadurch hervorgerufene Änderung
des magnetischen Flusses in den Spulen 33 wird durch Induktion
magnetische Energie in elektrische Energie umgewandelt, die den
Verbrauchern 52 über
die vorher beschriebene Generatorschaltung zur Verfügung gestellt
wird.
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In den 4 und 5 ist eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemässen
Setzgeräts 10 in
seiner Ruhe- oder Ausgangsstellung dargestellt. Das Setzgerät 10 unterscheidet
sich im Wesentlichen dadurch, von dem in den 1 bis 3 dargestellten, dass
die elektrische Energie von einer anders gearteten, insgesamt mit 40 bezeichneten
Generatoreinrichtung geliefert wird. Während bei der Generatoreinrichtung 30 in
den 1 bis 3 kinetische Setzenergie
in elektrische Energie umgesetzt wird, so wird von der Generatoreinrichtung
40 gem. den 4 und 5 Wärmeenergie, die bei der Verbrennung
des Treibmittels freigesetzt wird, genutzt um elektrische Energie
zu erzeugen.
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Die Generatoreinrichtung 40 beinhaltet
in diesem Ausführungsbeispiel
eine Anordnung 41 von Peltier Elementen 42, die
aussen an der Brennkammer 14 an einer Brennkammerrückwand 29 angeordnet
ist, und die aus der, bei der Verbrennung in der Brennkammer 14 entstehenden
Wärme Q
elektrische Energie erzeugt. Die Peltier Elemente 42 sind dabei
in Schichten 45 angeordnet, die durch Isolatoren 43 voneinander
getrennt sind. An der, der Brennkammerwand 29, abgewandten
Seite der Anordnung 41 ist ein Kühlelement 50 angeordnet,
welches die Wärme
Q an die Umgebung ableitet.
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Über
die elektrische Leitung 28 ist die Anordnung 41 mit
einer Regeleinrichtung 44 verbunden. Diese Regeleinrichtung 44 einen
DC/DC-Konverter 46, einen Stromspeicher 47 und einen Masseanschluss 51 auf.
Mittels des DC/DC Konverters 46 werden Spannungsschwankungen
des Stromspeichers 47 in Folge eines unterschiedlichen
Ladungszustandes in gewissen Grenzen ausgeglichen. Über elektrische
Leitungen 26 ist die Regeleinrichtung 44 dann
mit den Verbrauchern 52, wie z. B. der Steuereinrichtung 24 verbunden.
Elektrische Energie wird von der Generatoreinrichtung 40 über den
Peltier-Effekt solange erzeugt, wie ein genügender Temperaturgradient zwischen
der Brennkammer 14 und der Umgebung vorliegt.
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Bezüglich hier nicht explizit erwähnter technischer
Details wird vollumfänglich
Bezug genommen, auf die Beschreibung zu den 1 bis 3.
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- 10
- Setzgerät
- 11
- Gehäuseteil
- 12
- Kolbenführung
- 13
- Setzkolben
- 14
- Brennkammer
- 15
- Bolzenführung
- 16
- Brennstoffreservoir
- 17
- Brennstoffleitung
- 18
- Dosiereinrichtung
- 19
- Expansionsraum
- 20
- Magazin
für Befestigungselemente
- 21
- Handgriff
- 22
- Dämpfungselemente
- 23
- Auslöseschalter
- 24
- Steuereinrichtung
- 25
- Zündeinrichtung
- 26
- elektrische
Leitung
- 27
- elektrische
Leitung
- 28
- elektrische
Leitung
- 29
- Brennkammerwand
- 30
- Generatoreinrichtung
- 31
- Spulenanordnung
- 32
- magnetische
Elemente
- 33
- Spulen
- 34
- Regeleinrichtung
- 35
- Gleichrichter
- 36
- DC/DC
Konverter
- 37
- Stromspeicher
- 38
- Spannungsregler
- 39
- elektrische
Leitung
- 40
- Generatoreinrichtung
- 41
- Anordnung
(von Pettier Elementen)
- 42
- Peltier
Elemente
- 43
- Isolatoren
- 44
- Regeleinrichtung
- 45
- Schichten
(von Pettier Elementen)
- 46
- DC/DC
Konverter
- 47
- Stromspeicher
- 50
- Kühlelement
- 51
- Masseanschluss
- 52
- Verbraucher