WO2019211264A1 - Handgeführtes nagelsetzgerät und antrieb - Google Patents

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WO2019211264A1
WO2019211264A1 PCT/EP2019/061010 EP2019061010W WO2019211264A1 WO 2019211264 A1 WO2019211264 A1 WO 2019211264A1 EP 2019061010 W EP2019061010 W EP 2019061010W WO 2019211264 A1 WO2019211264 A1 WO 2019211264A1
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WO
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piston
working gas
spring
cylinder
nail
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PCT/EP2019/061010
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English (en)
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Inventor
Arno Mecklenburg
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Rhefor Gbr
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25C—HAND-HELD NAILING OR STAPLING TOOLS; MANUALLY OPERATED PORTABLE STAPLING TOOLS
    • B25C1/00—Hand-held nailing tools; Nail feeding devices
    • B25C1/06—Hand-held nailing tools; Nail feeding devices operated by electric power
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25C—HAND-HELD NAILING OR STAPLING TOOLS; MANUALLY OPERATED PORTABLE STAPLING TOOLS
    • B25C1/00—Hand-held nailing tools; Nail feeding devices
    • B25C1/04—Hand-held nailing tools; Nail feeding devices operated by fluid pressure, e.g. by air pressure
    • B25C1/047—Mechanical details
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/12—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moving in alternate directions by alternate energisation of two coil systems
    • H02K33/14—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moving in alternate directions by alternate energisation of two coil systems wherein the alternate energisation and de-energisation of the two coil systems are effected or controlled by movement of the armatures

Definitions

  • the present invention relates to a hand-held nail setter and a drive, in particular for a hand-held nail setter.
  • Pneumatically driven hand-held cord nail applicators in which the setting tool itself comprises a separate compressor and a working gas reservoir for receiving the compressed air provided by the compressor, are well known and prior art, for example from US 7 225 959 B2 from the company. Black & Decker.
  • a compressor generates compressed air by known methods, which is stored in the working gas reservoir; for setting a nail, the compressed air is passed from the working gas reservoir by means of a valve system in a pneumatic cylinder and exerts there from the bottom of a working piston from a pressure to accelerate this.
  • a nail is driven in with the aid of the piston (or by means of the kinetic energy of the piston and any further parts that may have been secured thereon).
  • Compressed air actuators with pressure accumulator appear less suitable for use in battery-operated hand-held nail setters (at least for higher set energies):
  • a compressor in order to allow a compact design, in the device with a compressor comparatively high pressures of at least 10 atmospheres have to be generated and stored in a reservoir which is energetically unfavorable: If, as is generally customary, a polytropic, approximately isothermal, irreversible regime is used, most of the mechanical work used - and thus also the overwhelming part of the electrical energy used - becomes waste heat that is difficult to exploit.
  • the disadvantage of low efficiency i. an electrical efficiency of typically less than 10%, with respect to the realistically available accumulator capacities, virtually excludes pneumatic actuators with accumulators for use in battery operated handheld nail setters.
  • each working gas reservoir are set strict limits in terms of volume and weight. Due to the limited volume of the pressure reservoir (working gas reservoir) results during a positioning process, a pressure drop, which is at the expense of recoverable set energy.
  • the inventive task is to find a mechanism or principle for a battery-powered, hand-held and at least partially pneumatically operating nail setter and a drive, the higher efficiency and / or higher Set energies, ie in the range of 50J and above (ie, for example, drywall and direct attachment in steel) can achieve than is the case in the prior art described above.
  • a hand-held nail setting device comprises at least one of: an electrochemical energy store, preferably a lithium-ion accumulator; a compressor, preferably a reciprocating compressor; an electric motor; a working gas reservoir; a cylinder and a piston, the piston being movably disposed in the cylinder; an electrically powered power source, such as a heat source; a device for returning the piston; but preferably not necessarily a first valve, for example a solenoid or pressure relief valve, which preferably has an opening time of less than 10ms, more preferably an opening time of less than 5ms, and most preferably an opening time of less than 3ms, wherein for setting a nail First, the engine is powered, the engine drives the compressor, the engine and compressor may be at least partially identical, the compressor compressed a working gas and the working gas, for example via a check valve, is conveyed into the working gas reservoir, and before and / or during the setting of the nail energy can be supplied to the system, for example, by supplying
  • a hand-held nail setter according to the first aspect, wherein an electrically operated heat source is arranged in a working gas reservoir or between a working gas reservoir and the cylinder or in the cylinder itself.
  • a hand-held nail setting apparatus wherein the electrically operated heat source consists wholly or predominantly of one or more heating resistors.
  • a hand-held nail setter according to the third aspect, wherein at least one heating resistor consists entirely or predominantly of an open-pore metal foam, preferably an open-pore foam of a heating conductor alloy, such as kanthai, selected thereafter, one for the application have sufficient resistance to oxidation, thermal shock and vibration on the respective life.
  • a heating resistor consists entirely or predominantly of an open-pore metal foam, preferably an open-pore foam of a heating conductor alloy, such as kanthai, selected thereafter, one for the application have sufficient resistance to oxidation, thermal shock and vibration on the respective life.
  • a hand-held nail setter wherein the wholly or predominantly made of open-pore metal foam heating resistor is disposed in a working gas reservoir, wherein the working gas reservoir is preferably formed partially cylindrical and the heating resistance of metal foam preferably has the shape of a cylindrical tube which is arranged coaxially in the associated working gas reservoir, preferably with the latter, and whose end faces have electrical contacts which can be electrically connected to an electrical power source such as, for example, the electrochemical energy store.
  • a hand-held nail setting apparatus according to the third, fourth or fifth aspect, wherein for setting a nail, the heating resistor or resistors can be supplied with current from the electrochemical power source.
  • the heating resistor or resistors can be supplied with current from the electrochemical power source.
  • the electrochemical power source e.g. be provided by a battery pack, electrical currents of several tens to hundreds of amperes for a time scale of preferably less than ls.
  • a hand-held nail setter is provided according to the sixth aspect, wherein an electrical capacitor in the form of one or more batteries (so-called) super and / or ultra and / or double-layer capacitors, which are preferably connected in parallel to the electrochemical energy storage or can be switched.
  • batteries so-called
  • a hand-held nail setter according to any one of the preceding aspects, wherein an electrically-driven heat source can be switched on and off by means of one or more MOSFETs, wherein preferably a device is provided which exclusively enables the user to switch on the electrically-operated heat source then allowed when in the working gas reservoirs or a pressure prevails, which is within a certain rated pressure range, which preferably corresponds to a specific compression ratio.
  • a hand-held nail setter according to the first aspect, wherein the working gas reservoir comprises a pressure sensor and preferably also at least one temperature sensor, and wherein the electric motor and thus the motor-driven compressor is operated on a motor control comprising at least one Having input for the signal of the pressure sensor.
  • a hand-held nail setting apparatus according to any one of the preceding aspects, further comprising an electrically operable heat source by means of which an electric discharge, in particular an arc discharge, can be induced to convert electrical energy into heat.
  • a hand-held nail setting device comprising at least: an electrochemical energy store, in particular a lithium-ion accumulator; a tensioner comprising an electric motor; a spring, preferably a helical compression spring; a first cylinder and a first piston in mechanical contact with the spring, hereinafter referred to as a compressor piston; a second cylinder and a second piston referred to below as a working piston; Means for locking and releasing the compressor piston; a device for returning the working piston; wherein the spring acts between setting device and first piston and for setting a nail with the help of the electrochemical energy storage, the tensioning device can be supplied with electrical power to tension the spring, and the compressor piston is transported to a first end position, in which the compressor piston locked and the spring can be kept taut, and wherein by releasing the compressor piston, the spring can be accelerated and accelerate the compressor piston, which can compress a working gas at least in its associated first cylinder, whereby at least a portion of the first cylinder itself can become
  • a spring can be tensioned, which is then unlatched (for nail setting), then with the spring a first piston is accelerated, then with this first piston, a working gas (eg air) is compressed, then supplied to the working gas heat is done, and then on a second piston (working piston) work is done by the piston is accelerated to ultimately perform even the nail setting work can.
  • a working gas eg air
  • working piston working piston
  • a hand-held nail setting apparatus according to the eleventh aspect, wherein the spring is made of a fiber composite material, in particular of carbon or Borturaver vomem plastic.
  • a hand-held nail setter according to the eleventh aspect, wherein the first and second cylinders are coaxial and arranged so that the compressor piston and the power piston make counter-rotating movements due to the release of the compressor piston
  • a hand-held nail setting apparatus according to the first or eleventh aspect, wherein heat can be supplied to the working gas during a setting operation by means of at least one electrically operable heat source.
  • a hand-held nail setter according to the first or eleventh aspect, wherein the working gas reservoir is equipped with at least one check and at least one outlet valve and at least one, preferably suitable for pulse operation, electrically operable heat source, so that the compressor piston in the first cylinder Compacting spring-driven working gas and can promote via a check valve in the working gas reservoir, where the working gas with the aid of the electrically operated heat source heat can be supplied before or while the exhaust valve is open and working gas flows into the second cylinder and there drives the resettable working piston for setting a nail ,
  • a hand-held nail setter according to the fourteenth aspect, wherein the first cylinder is provided with one or more relief valves or controllable valves, so that the compressor piston in the first cylinder can compress working gas, which after reaching a certain pressure and / or compression ratio along flow through one or more electrically operable heat sources and can be performed to the bottom of the working piston in the second cylinder.
  • a drive comprising at least a first exciting coil; a preferably arranged coaxially with the first excitation coil movably arranged first squirrel cage rotor; an electrical energy store, in particular a capacitor or a capacitor bank; one or more semiconductor switches, and here preferably a thyristor; an electronic controller for actuating the semiconductor switch or switches; a spring with progressive characteristic, in particular a gas spring; and means for first accelerating the first squirrel cage rotor to initiate a setting process in the direction of the first exciter coil, wherein the first squirrel cage rotor is in mechanical or fluid dynamic connection with the progressive spring or can be reversed to reverse the direction of movement of the first squirrel cage rotor, ie by spring action of the first squirrel cage first excitation coil to reflect, wherein with the aid of the electronic control, a discharge of the electrical energy storage via the first excitation coil can be brought about, which can be synchronized with the movement and / or position of the squirrel-cage relative to the first excitation
  • the squirrel cage rotor is formed as a pneumatic piston and / or embedded in a pneumatic piston, and the pneumatic piston is part of the at least one progressive spring formed as a gas spring.
  • a drive according to the seventeenth and / or eighteenth aspect wherein the drive is so dimensioned that at the turning point of the first squirrel-cage whose distance to the first excitation coil is as small as possible and in particular less than half the length of the exciter coil, which is preferably made flat.
  • Fig. 1 shows a drive according to an embodiment of the present invention.
  • the inventive mechanism is to set nails with the help of electrically powered heat engines.
  • a working gas for example ambient air, filtered ambient air or the like
  • the expansion of the compressed working gas is used to do work for driving or setting a nail or bolt.
  • Characteristic of the invention is that the system additional electrical energy is supplied, in particular by electrical heating of the compressed working gas before or during its expansion. This electrical heating differs from heating by combustion of fuel (in so-called combustion-powered setting tools), as will be explained below.
  • One aspect of the present invention is to supply heat to the already compressed working gas by means of an electrically operated heat source, for example to compensate for heat losses (e.g., wall losses) after a predominantly adiabatic compression operation.
  • an electrically operated heat source for example to compensate for heat losses (e.g., wall losses) after a predominantly adiabatic compression operation.
  • the promotion is thus preferably either from the compressor directly into the working gas reservoir (possibly via a cooler, which may, however, form a unit with the compressor) or from a second working gas reservoir with higher pressure via a check valve in the aforementioned electrically heated working gas reservoir.
  • This "cycle” is similar to an Otto process with upstream compressor and intercooler (approximately isothermal compression, isochoric heat, adiabatic expansion), it can provide correspondingly a high efficiency of more than 25% and in particular higher than 30%, with the interpretation of
  • the heat supply which preferably supplies an amount of heat of the order of the set energy and more, for example heat energy in a range of 50-500 J, thus takes place, for example, on a timescale below ls, preferably below 500 ms , so that heat losses and in particular wall losses of the working gas reservoir are small in comparison to the supplied heat energy.
  • the "cool" working gas can be conducted from its reservoir with a valve through electrically heated heating plates or another electrically operated heating element, which may contain, for example, an open-pored metal foam formed by a heating conductor, so that, for example, a constant pressure process (instead of a contraction process) Or it is supplied to the working gas in the pneumatic cylinder itself heat, including, for example, a fixed to the piston head (at least before the setting process) electrically heated heating element in question, but also an electric heater cylinder wall or even a gas discharge in the pneumatic cylinder itself a nail power supply according to the invention a plurality of electrical Include heat sources in different places in order to better combine the above properties, if necessary, and to be able to find an application-specific compromise.
  • electrically heated heating plates or another electrically operated heating element which may contain, for example, an open-pored metal foam formed by a heating conductor, so that, for example, a constant pressure process (instead of a contraction process)
  • it is supplied to the working gas in the pneumatic
  • a nail setting device in particular a hand-held nail setting device, may comprise the following components: an electrochemical energy store, preferably a lithium-ion accumulator; a compressor, preferably a Kol benkompressor; an electric motor; a first valve, for example a solenoid or pressure relief valve, which preferably has an opening time of less than 10 ms, more preferably an opening time of less than 5 ms, and particularly preferably an opening time of less than 3 ms; and a working gas reservoir (which may be identical to the cylinder of a compressor); a cylinder in which a piston is movably arranged; an electrically operable energy source, in particular an electric heat source, which may additionally comprise a chemical heat source.
  • an electrochemical energy store preferably a lithium-ion accumulator
  • a compressor preferably a Kol benkompressor
  • an electric motor a first valve, for example a solenoid or pressure relief valve, which preferably has an opening time of less than 10 ms, more preferably an
  • the motor is first supplied with electrical power from the electrochemical energy store to drive the compressor, which compresses a working gas, for example filtered ambient air, which is stored in the working gas reservoir.
  • a working gas for example filtered ambient air
  • the first valve is opened and the working gas flows in thermal contact with the electrically operated heat source (for example by an electrically heated radiator in the form of eg a coil of Schuleiter sheet metal) into the cylinder and drives there the piston, which directly or indirectly the nail collects.
  • the electrically operated heat source for example by an electrically heated radiator in the form of eg a coil of Bankleiter sheet metal
  • heat can be added to the working gas by the electrically operated heat source quickly in this process, as explained above.
  • various heating conductors eg an open-pore metal foam, for example.
  • Kanthal a tube bundle or a honeycomb structure of the same, rod-shaped SiC heating element, etc.
  • gas discharges and in particular arc discharges The latter can be brought about, for example, by means of so-called plasma torches.
  • electrode material can evaporate, which can be combustible and, by chemical reaction with the working gas, can additionally supply heat to it.
  • the electrode material is preferably selected not to form electrically-reactive oxides.
  • carbon and / or aluminum-based materials are suitable, in particular for the cathode, including aluminum-impregnated graphite.
  • the supply of heat by the electrically operated heat source can take place in the working gas reservoir itself and be carried out within the shortest possible time (time scales as explained above).
  • an uncontrolled pressure relief valve can be designed in this case, which preferably opens with a certain known delay - but then as quickly as possible a large cross-section releases, so that the working gas With little pressure loss can flow into the cylinder. If the heat is supplied by the electrically operated heat source in the working gas reservoir, it should be noted that the first valve is exposed to high temperatures, and this, if the working gas is not inert but in particular air, under highly oxidizing conditions.
  • the object is to provide a sufficiently fast valve (which will withstand the chemical and thermal environmental conditions throughout the life of the equipment withstood) by the expert to solve problems.
  • the at least one electrically operated heat source (more generally: energy source) can, as already stated, also be arranged between working gas reservoir and cylinder or on or in the cylinder itself, wherein the first valve is preferably a magnetically or pneumatically controlled valve.
  • the first valve is preferably a magnetically or pneumatically controlled valve.
  • Such embodiments of the invention may allow even better controllability and higher set energies, but at the expense of the theoretically achievable efficiency.
  • one or more gas discharge devices such as plasma torches are used as heat sources, it is advantageous to store the electrical energy with which they are supplied or operated, preferably in one or more capacitors, for which the or the capacitors are preferably charged with a switching converter.
  • Nail-setting devices preferably have an electronic control and at least one pressure and possibly also a temperature sensor, which are preferably arranged in the working gas reservoir.
  • the third embodiment relates to pneumatic nail setters with spring-loaded, in which a first piston is accelerated in a first cylinder by means of a previously electromotively tensioned spring and a working gas, in particular compressed air, which then accelerates a second piston in a second cylinder, the kinetic energy is used to set a nail.
  • This arrangement initially serves as a pneumatic transmission in order to achieve on the second piston the piston speed required for a successful and reproducible setting operation with the setting energy of more than 50 J specified above.
  • the achievable set energy would be limited by that energy which can be elastically stored in the spring.
  • This technical obstacle can be radically eliminated by supplying sufficient heat to the air compressed by the first piston. This can be done as shown in the previous embodiments in various thermodynamic regimes.
  • an inlet valve which may be a check valve, out in a chamber as constant as possible volume and electrically heated before it via a passive valve (pressure relief valve) or a controlled valve, each as quickly as possible (in particular below the operating time of the piston) opening and possible high cross-section, is passed into the second cylinder.
  • a passive valve pressure relief valve
  • a controlled valve each as quickly as possible (in particular below the operating time of the piston) opening and possible high cross-section
  • intermediate storage in (nearly) constant volume can be dispensed with.
  • the air compressed by the first (compressor) piston in the first cylinder closed first can be supplied to the second cylinder via a pressure relief valve.
  • Working) are guided piston and thereby brought into thermal contact with the electrically operable heat source (which may be present, for example in the form of electrically heated Strömungsleitbleche), which may even be arranged in the second cylinder itself.
  • the fourth embodiment relates to the possibility of working for intermediate energy storage with a working gas reservoir in a polytropic, as reversible isothermal regime.
  • the working gas reservoir must always be kept at a high pressure level: the quotient or the pressure ratio Pmax / Pmin between the Working gas reservoir pressure Pmax before a positioning process and Pmin after a positioning process should be as little as possible greater than 1, for example in a range of 1 ⁇ Pmax / Pmin ⁇ 2, preferably in a range of 1 ⁇ Pmax / Pmin ⁇ 1.5. It should be noted, however, that although this mode of operation benefits the efficiency, this is at the expense of the effective (used) energy density of the working gas reservoir, whose weight and size should be taken into account when designing the setting device.
  • a hand-held nail setter may comprise an electrically operated hydraulic pump with the aid of which a hydraulic accumulator (for example a membrane or metal bellows accumulator) is charged with a pressure increase, for example, from 200 to 300 atmospheres.
  • a nail can now be set by opening a hydraulic valve with a hydraulically driven piston.
  • the hydraulically driven piston can also be used to compress a working gas - and here for example filtered air - so as to bring a second piston (smaller cross section) to a high speed, and then with the help of the kinetic energy of the second piston To put a nail.
  • This exemplary embodiment is characterized in that it comprises a so-called Thomson coil drive, in which a coil operated, for example, by means of a capacitor discharge drives a squirrel cage rotor which is fastened to a piston, inserted into a piston or is wholly or partly identical to the piston, wherein the piston is most preferably formed of a hardenable aluminum alloy of high electrical conductivity, and wherein the piston may be provided with a piston rod to drive a nail.
  • a capacitor discharge is carried out via the coil of the Thomson coil drive, whereupon the coil repels the piston.
  • the piston can then move in a cylinder associated with it and compress a working gas.
  • the arrangement forms a gas spring:
  • the air is compressed (in the present case almost adiabatic) by the piston first and then drives it back to its initial position (spring back to the coil).
  • the piston rod can take a nail and put.
  • the compressed working gas can in turn be supplied with energy, for example in the form of heat through a large-area heating source.
  • a large-area heat source for example, by the provision of a Schuschaums possible (eg Kanthaischaum).
  • the expert understands that the Pores of such a heating foam must not be too low, for example, pores in the pm range, in order to prevent excessive pressure loss when flowing over or through the surface.
  • the above arrangement offers yet another advantage:
  • the setting process begins with the piston in the setting tool moves backwards, ie away from the nail - this increases the contact pressure due to the conservation of momentum:
  • the setting device "wants" to move forward and can do so After "quasi-adiabatic" reflection on the gas spring inherent in an extremely progressive characteristic, ie, an ever-increasing effective spring constant of the gas spring, the piston may come to rest in its initial position.
  • This embodiment is based on the idea to use a Thomson coil actuator not as a compressor but - under him for physically highly advantageous conditions - directly for performing mechanical work, ie as an electrical energy source in the meaning of the main claim. This will be explained in more detail below with reference to a particularly advantageous variant of the seventh embodiment, in which equal two Thomson coil actuators are used, and in which one of the role of the compressor and the other of the electrical energy source can be attributed.
  • FIG. Fig. 1 shows a drive, in particular a drive for a hand-held nail setter. Also in this description is to take into account their exemplary nature; Thus, inter alia, with appropriate electrical wiring, a single instead of two capacitors can be used (see below). Also embodiment 7 is only for a better understanding of the invention.
  • FIG. 1 shows a piston rod 50, a piston 30 (in particular made of a hardenable aluminum alloy), squirrel-cage rotor 31, 32 (in particular short-circuited rings, eg of electrocopper), a seal 80, stators 11, 12 (eg made of a ferromagnetic material selected by experts) ), (Exciter) coils 21, 22, a stepped, partially double-walled cylinder 40, openings 41, 42, for example.
  • abutment 71, 72 possibly also heat sink
  • a piston return 60 for example, an E. Motor with slip clutch for safe transport and possibly also the flattening of piston 30 in its Flubaggingslage after a setting process.
  • piston 30 At the beginning of a positioning process piston 30 abuts against coil 21 as close as possible, whereby a contact between the two parts should be excluded constructively (for example by a stop). Then, a first capacitor is first discharged via coil 21 so that it repels the piston electrodynamically.
  • Fig.l the piston has already set something in motion, it can be seen that an increasing with the incipient piston movement volume 02 (in Fig. 1 to the left of the piston 30) is formed, in which there is initially a Unterduck. This suppression can be neglected with correct dimensioning of the drive components.
  • piston 30 As piston 30 moves in the direction of spool 22, it increases the pressure in volume 01 (to the right of piston 30 in FIG. 1).
  • the discharge is to be dimensioned such that a maximum current is established in the excitation coil, which is reached only after the piston has reversed its direction of movement (by electrodynamic and gas forces) in the direction of the initial position of the piston, and the piston already has a non-vanishing speed of at least 5m / s, and preferably the piston is no further from the surface of the coil 22 facing it than its half coil length (the coil length corresponds to the extension of the coil along the direction of movement of the piston).
  • the Thomson coil actuator formed from coil 22, stator 12 and the piston 30 with squirrel cage 32 can achieve a very high electrical efficiency.
  • Fig.l can be further simplified by a single is used instead of two Thomson coils - namely, through which the piston rod is guided - and the piston simply in a closed cylinder, ie against a gas spring running.
  • Such a system can be energized over a plurality of cycles to ever higher energies, wherein in each case in the region of the reversal point, wherein the piston is in the influence of the exciting coil, the exciting coil is energized according to the invention to increase the kinetic energy of the piston.
  • the exciting coil is energized according to the invention to increase the kinetic energy of the piston.
  • such an arrangement requires a controllable nail feed, so that the nail is brought into the travel of the piston rod only when the maximum kinetic energy of the piston is sufficiently large.
  • it is advantageous to detect the piston position preferably spatially resolved and in (quasi) real time.

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Abstract

Bereitgestellt wird ein Antrieb, umfassend zumindest eine erste Erregerspule; einen bevorzugt koaxial zur ersten Erregerspule beweglich angeordneten ersten Kurzschlussläufer; einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Kondensator oder eine Kondensatorbank; einen oder mehrere Halbleiterschalter und hier bevorzugt einen Thyristor; eine elektronische Steuerung zum Betätigen des oder der Halbleiterschalter; eine Feder mit progressiver Kennlinie, insbesondere eine Gasfeder sowie Mittel, den ersten Kurzschlussläufer zum Einleiten eines Stellvorgangs zunächst in Richtung der ersten Erregerspule zu beschleunigen, wobei der erste Kurzschlussläufer mit der progressiven Feder in mechanischer oder fluiddynamischer Verbindung steht oder verbunden werden kann, die Bewegungsrichtung des ersten Kurzschlussläufers umzukehren, diesen also durch Federwirkung von der ersten Erregerspule fort zu reflektieren, wobei mit Hilfe der elektronischen Steuerung eine Entladung des elektrischen Energiespeichers über die erste Erregerspule herbeigeführt werden kann, welche mit der Bewegung und/oder Position des Kurzschlussläufers relativ zur ersten Erregerspule synchronisiert eingeleitet werden kann, wobei der Antriebs bevorzugt so bemessen wird, dass ein Maximum des Stromes in der ersten Erregerspule erreicht wird, nachdem der erste Kurzschlussläufer seine Bewegungsrichtung bereits geändert hat, er sich also von der ersten Erregerspule wieder entfernt, jedoch von der ersten Erregerspule noch nicht weiter entfernt ist als die erste Erregerspule lang ist.

Description

Handgeführtes Nagelsetzgerät und Antrieb
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein handgeführtes Nagelsetzgerät sowie einen Antrieb, insbesondere für ein handgeführtes Nagelsetzgerät.
Hintergrund
Pneumatisch angetriebene handgeführte Akku-Nagelsetzgeräte, bei denen das Setzgerät selbst einen eigenständigen Kompressor sowie ein Arbeitsgasreservoir zur Aufnahme der vom Kompressor bereitgestellten Druckluft umfasst, sind allgemein bekannt und Stand der Technik, beispielsweise aus US 7 225 959 B2 von der Fa. Black & Decker. Bei diesen Setzgeräten erzeugt ein Kompressor nach bekannten Verfahren Druckluft, welche im Arbeitsgasreservoir gespeichert wird; zum Setzen eines Nagels wird die Druckluft aus dem Arbeitsgasreservoir vermittels eines Ventilsystems in einen Pneumatikzylinder geleitet und übt dort aus den Boden eines Arbeitskolbens einen Druck aus, diesen zu beschleunigen. Ein Nagel wird schließlich mit Hilfe des Kolbens (bzw. mittels der kinetischen Energie des Kolbens sowie daran ggf. gefestigter weiterer Teile) eingetrieben. Bei einer anderen Art akkubetriebener handgeführter Nagelsetzgeräte, welche vom Hersteller Senco unter dem Begriff „Fusion Technology" angeboten wird, dient der Arbeitskolben selbst zugleich als Kompressor: Beim Rückstellen des Arbeitskolbens mit Hilfe eines elektrischen Antriebs verdichtet dieser ein Arbeitsgas (Stickstoff). In diesem Zustande wird der Kolben von einem Mechanismus blockiert. Ein Lösen des Mechanismus erlaubt dann dem zuvor verdichteten Arbeitsgas, den Arbeitskolben zum Eintreiben eines Nagels zu beschleunigen, siehe https://www.youtube.com/watch?v=nLknjeJhOls.
Aus WO/2018/104406 bekannt sind ferner Nagelsetzgeräte mit einem elektrodynamischen Direktantrieb, der eine Weiterentwicklung bekannter Thomson-Antriebe darstellt. Nagelsetzgeräte nach der Lehre von WO/2018/104406 können einen einfachen mechanischen Aufbau aufweisen.
Brennkraftgetriebene Systeme haben zwar weite Verbreitung gefunden, weisen jedoch entscheidende Nachteile auf: Es werden Gaskartuschen (mit Brennstoff) oder Patronen (mit Treibladungen) verbraucht, was für den Anwender mit zusätzlichen Kosten und einem höheren logistischen Aufwand verbunden ist. Beim Betrieb werden ferner Schadstoffe emittiert, beispielsweise NOX, aber auch Schwermetalle bzw. Schwermetallverbindungen aus den Anzündsätzen der Patronen. Ferner liegt eine vergleichsweise hohe und unerwünschte Geräuschbelastung vor, sowie inhärente Sicherheitsrisiken, insbesondere bei Setzgeräten mit patronierten Treibladungen (z.B. sog.„cook off").
Pneumatische Antriebe mit Druckspeicher erscheinen für die Verwendung in akkubetriebenen handgeführten Nagelsetzgeräten (zumindest für höhere Setzenergien) weniger geeignet: Es müssen, um eine kompakte Bauweise zu ermöglichen, im Gerät mit einem Kompressor vergleichsweise hohe Drücke von zumindest einigen 10 Atmosphären erzeugt und in einem Reservoir gespeichert werden, was energetisch ungünstig ist: Wird wie allgemein üblich in einem polytropen, näherungsweise isothermen irreversiblen Regime gearbeitet, so wird aus dem größten Teil der eingesetzten mechanischen Arbeit - und damit auch dem überwiegenden Teil der eingesetzten elektrischen Energie - unmittelbar schwer nutzbare Abwärme. Der Nachteil des geringen Wirkungsgrades, d.h. einem elektrischen Wirkungsgrad von typischerweise weniger als 10%, schließt mit Hinblick auf realistisch verfügbare Akkumulator-Kapazitäten pneumatische Antriebe mit Druckspeicher für die Verwendung in akku betriebenen handgeführten Nagelsetzgeräten nahezu aus.
Hinzu kommt, dass aus praktischen Gründen in einem handgeführten Gerät jedem Arbeitsgasreservoir strenge Grenzen bezüglich Volumen und Gewicht gesetzt sind. Durch das beschränkte Volumen des Druckspeichers (Arbeitsgasreservoirs) ergibt sich während eines Stellvorganges ein Druckabfall, der zu Lasten der erzielbaren Setzenergie geht.
Herkömmliche pneumatische Antriebe mit Federspeicher sind nur für handgeführte Nagelsetzgeräte mit vergleichsweise geringen Setzenergien geeignet, da die spezifischen Energien üblicher Federn gering sind, und sich folglich bei hohen Setzenergien für handgeführte Geräte prohibitive Federgewichte ergeben; diese Technologie ist also schlecht skalierbar. Geringe Setzenergien sind in diesem Zusammenhang Setzenergien im Bereich von höchstens 10 J. Diese sind zwar für Holzsetzgeräte ausreichend, nicht jedoch für den Trockenbau und Direktbefestigungen in Stahl.
Darstellung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund besteht die erfinderische Aufgabe darin, einen Mechanismus oder Prinzip für ein akkubetriebenes, handgeführtes und zumindest teilweise pneumatisch arbeitendes Nagelsetzgerät sowie einen Antrieb zu finden, die einen höheren Wirkungsgrad und/oder höhere Setzenergien, d.h. im Bereich von 50J und darüber (also z.B. beim Trockenbau und Direktbefestigung in Stahl) erreichen können, als dies beim vorstehend beschriebenen Stand der Technik der Fall ist.
Gemäß einem ersten Aspekt umfasst ein handgeführtes Nagelsetzgerät mindestens je: einen elektrochemischen Energiespeicher, bevorzugt einen Lithium-Ionen-Akkumulator; einen Kompressor, bevorzugt einen Kolbenkompressor; einen elektrischen Motor; ein Arbeitsgasreservoir; einen Zylinder und einen Kolben, wobei der Kolben in dem Zylinder beweglich angeordnet ist; eine elektrisch betriebene Energiequelle, beispielsweise eine Wärmequelle; eine Vorrichtung zum Rückstellen des Kolbens; sowie bevorzugt jedoch nicht notwendig ein erstes Ventil, beispielsweise ein Magnet- oder Überdruckventil, welches vorzugsweise eine Öffnungszeit von weniger als 10ms, weiter bevorzugt eine Öffnungszeit von weniger als 5ms, und besonders bevorzugt eine Öffnungszeit von weniger als 3ms aufweist, wobei zum Setzen eines Nagels zunächst der Motor mit Leistung versorgt wird, der Motor den Kompressor antreibt, wobei Motor und Kompressor zumindest teilweise identisch sein können, der Kompressor ein Arbeitsgas verdichtet und das Arbeitsgas, beispielsweise über ein Rückschlagventil, in das Arbeitsgasreservoir gefördert wird, und vor und/oder während des Setzens des Nagels dem System Energie zugeführt werden kann, indem beispielsweise dem Arbeitsgas mit Hilfe einer elektrisch betriebenen Wärmequelle Wärme zugeführt wird, und, beispielsweise durch Öffnen des ersten Ventils, das Gas aus dem Arbeitsgasreservoir auf einen Boden des Kolbens wirken kann, wodurch der Kol ben beschleunigt und anschließend kinetische Energie des Kolbens genutzt werden kann, einen Nagel einzutreiben, wobei nach einem Setzvorgang der Kolben mit Hilfe der Vorrichtung zum Rückstellen des Kolbens in seine Ausgangslage zurück gestellt oder zurückgestellt gehalten werden kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät nach dem ersten Aspekt bereitgestellt, wobei eine elektrisch betriebene Wärmequelle in einem Arbeitsgasreservoir oder zwischen einem Arbeitsgasreservoir und dem Zylinder oder im Zylinder selbst angeordnet ist.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät nach dem zweiten Aspekt bereitgestellt, wobei die elektrisch betriebene Wärmequelle ganz oder überwiegend aus einem oder mehreren Heizwiderständen besteht.
Gemäß einem vierten Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät nach dem dritten Aspekt bereitgestellt, wobei zumindest ein Heizwiderstand ganz oder überwiegend aus einem offenporigen Metallschaum und dabei bevorzugt aus einem offenporigen Schaum einer Heizleiterlegierung wie beispielsweise Kanthai besteht, die danach ausgewählt wird, eine für die Anwendung mit Hinblick auf die jeweilige Lebensdauer hinreichende Oxidations-, Temperaturwechsel- und Erschütterungsbeständigkeit aufzuweisen. Gemäß einem fünften Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät nach dem vierten Aspekt bereitgestellt, wobei der ganz oder überwiegend aus offenporigem Metallschaum gebildete Heizwiderstand in einem Arbeitsgasreservoir angeordnet ist, wobei das Arbeitsgasreservoir bevorzugt teilweise zylindrisch ausgebildet ist und der Heizwiderstand aus Metallschaum bevorzugt die Gestalt eines zylindrischen Rohres aufweist, welches im zugeordneten Arbeitsgasreservoir vorzugsweise mit diesem koaxial angeordnet ist, und dessen Stirnflächen elektrische Kontaktierungen aufweisen, welche mit einer elektrischen Leistungsquelle wie bspw. dem elektrochemischen Energiespeicher elektrisch verbunden werden können.
Gemäß einem sechsten Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät nach dem dritten, vierten oder fünften Aspekt bereitgestellt, wobei zum Setzen eines Nagels der oder die Heizwiderstände von der elektrochemischen Energiequelle mit einem Stromstoß versorgt werden können. Beispielsweise können, z.B. durch ein Akkupack, elektrische Stromstärken von mehreren zehn bis hundert Ampere für eine Zeitskala von bevorzugt unter ls bereitgestellt werden.
Gemäß einem siebenten Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät nach dem sechsten Aspekt bereitgestellt, wobei eine elektrische Kapazität in Form eines oder mehrerer Batterien (sogenannte) Super- und/oder Ultra- und/oder Doppelschichtkondensatoren aufweisen, welche vorzugsweise zu dem elektrochemischen Energiespeicher parallel geschaltet sind oder geschaltet werden können.
Gemäß einem achten Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät nach einem der vorstehenden Aspekte bereitgestellt, wobei eine elektrisch betriebene Wärmequelle mit Hilfe eines oder mehrerer MOSFETS an- und abgeschaltet werden kann, wobei bevorzugt eine Vorrichtung vorgesehen ist, die dem Nutzer ein Einschalten der elektrisch betriebenen Wärmequelle ausschließlich dann erlaubt, wenn in dem oder den Arbeitsgasreservoirs ein Druck herrscht, der innerhalb eines bestimmten Bemessungsdruckbereichs liegt, der bevorzugt einem bestimmten Verdichtungsverhältnis entspricht.
Gemäß einem neunten Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät nach dem ersten Aspekt bereitgestellt, wobei das Arbeitsgasreservoir einen Drucksensor aufweist und bevorzugt auch mindestens einen Temperaturfühler, und wobei der elektrische Motor und damit der mit Hilfe des Motors betriebene Kompressor an einer Motorsteuerung betrieben wird, welche zumindest einen Eingang für das Signal des Drucksensors aufweist. Gemäß einem zehnten Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät nach einem der vorstehenden Aspekte bereitgestellt, ferner umfassend eine elektrisch betreibbare Wärmequelle, mit deren Hilfe eine elektrische Entladung, insbesondere eine Bogenentladung, zum Umwandeln elektrischer Energie in Wärme herbeigeführt werden kann.
Gemäß einem elften Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät, umfassend zumindest: einen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere einen Lithium-Ionen-Akkumulator; eine Spannvorrichtung, umfassend einen elektrischen Motor; eine Feder, bevorzugt eine Schraubendruckfeder; einen ersten Zylinder und einen mit der Feder in mechanischem Kontakt stehendem ersten Kolben, nachfolgend als Verdichterkolben bezeichnet; einen zweiten Zylinder und einen nachfolgend als Arbeitskolben bezeichneten zweiten Kolben; Mittel zum Arretieren und Freigeben des Verdichterkolbens; eine Vorrichtung zur Rückstellung des Arbeitskolbens; wobei die Feder zwischen Setzgerät und erstem Kolben wirkt und zum Setzen eines Nagels mit Hilfe des elektrochemischen Energiespeichers die Spannvorrichtung mit elektrischer Leistung versorgt werden kann, die Feder zu spannen, und der Verdichterkolben dabei in eine erste Endlage transportiert wird, in welcher der Verdichterkolben arretiert und die Feder gespannt gehalten werden kann, und wobei durch Freigeben des Verdichterkolbens die Feder entspannt werden und dabei den Verdichterkolben beschleunigen kann, der zumindest im ihm zugeordneten ersten Zylinder ein Arbeitsgas verdichten kann, wodurch zumindest ein Teil des ersten Zylinders selbst zu einem Arbeitsgasreservoir werden kann, und wobei das Arbeitsgas im zweiten Zylinder, der einen geringeren Querschnitt aufweist als der erste Zylinder, Druck auf einen Boden des Arbeitskolbens ausüben kann, sodass auf diesen eine Kraft wirkt, ihn zu beschleunigen, und wobei kraft seiner dabei gewonnenen kinetischen Energie der Arbeitskolben direkt oder mittelbar den Nagel setzen kann. Gemäß diesem Aspekt kann zuerst eine Feder gespannt werden, die dann bedarfsweise (zum Nagelsetzen) entklinkt wird, wobei dann mit der Feder ein erster Kolben beschleunigt wird, dann mit diesem ersten Kolben ein Arbeitsgas (z.B. Luft) verdichtet wird, dann dem Arbeitsgas Wärme zugeführt wird, und dann an einem zweiten Kolben (Arbeitskolben) Arbeit verrichtet wird, indem der Kolben beschleunigt wird, um letztlich selbst am Nagel die Setzarbeit verrichten zu können.
Gemäß einem zwölften Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät nach dem elften Aspekt bereitgestellt, wobei die Feder aus einem Faserverbundmaterial besteht, insbesondere aus Kohle oder borfaserverstärktem Kunststoff.
Gemäß einem dreizehnten Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät nach dem elften Aspekt bereitgestellt, wobei der erster und der zweiter Zylinder koaxial und dabei so angeordnet sind, dass infolge des Freigebens des Verdichterkolbens der Verdichterkolben und der Arbeitskolben gegenläufige Bewegungen ausführen Gemäß einem vierzehnten Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät nach dem ersten oder elften Aspekt bereitgestellt, wobei dem Arbeitsgas während eines Setzvorganges mit Hilfe mindestens einer elektrisch betreibbaren Wärmequelle Wärme zugeführt werden kann.
Gemäß einem vierzehnten Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät nach dem ersten oder elften Aspekt bereitgestellt, wobei das Arbeitsgasreservoir mit mindestens einem Rückschlag- und mindestens einem Auslassventil sowie mindestens einer, bevorzugt für den Pulsbetrieb geeigneten, elektrisch betreibbaren Wärmequelle ausgerüstet ist, sodass der Verdichterkolben im ersten Zylinder federgetriebenes Arbeitsgas verdichten und über ein Rückschlagventil in das Arbeitsgasreservoir fördern kann, wo dem Arbeitsgas mit Hilfe der elektrisch betreibbaren Wärmequelle Wärme zugeführt werden kann bevor oder während das Auslassventil geöffnet ist und Arbeitsgas in den zweiten Zylinder strömt und dort den rückstellbaren Arbeitskolben zum Setzen eines Nagels antreibt.
Gemäß einem sechzehnten Aspekt wird ein handgeführtes Nagelsetzgerät nach dem vierzehnten Aspekt bereitgestellt, wobei der erste Zylinder mit einem oder mehreren Überdruckventilen oder steuerbaren Ventilen versehen ist, sodass der Verdichterkolben im ersten Zylinder Arbeitsgas verdichten kann, welches nach Erreichen eines bestimmten Druckes und/oder Verdichtungsverhältnisses entlang einer oder durch eine oder mehrere elektrisch betreibbare Wärmequellen strömen und zum Boden des Arbeitskolbens im zweiten Zylinder geführt werden kann.
Gemäß einem siebzehnten Aspekt wird ein Antrieb bereitgestellt, umfassend zumindest eine erste Erregerspule; einen bevorzugt koaxial zur ersten Erregerspule beweglich angeordneten ersten Kurzschlussläufer; einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Kondensator oder eine Kondensatorbank; einen oder mehrere Halbleiterschalter und hier bevorzugt einen Thyristor; eine elektronische Steuerung zum Betätigen des oder der Halbleiterschalter; eine Feder mit progressiver Kennlinie, insbesondere eine Gasfeder; sowie Mittel, den ersten Kurzschlussläufer zum Einleiten eines Stellvorgangs zunächst in Richtung der ersten Erregerspule zu beschleunigen wobei der erste Kurzschlussläufer mit der progressiven Feder in mechanischer oder fluiddynamischer Verbindung steht oder verbunden werden kann, die Bewegungsrichtung des ersten Kurzschlussläufers umzukehren, diesen also durch Federwirkung von der ersten Erregerspule fort zu reflektieren, wobei mit Hilfe der elektronischen Steuerung eine Entladung des elektrischen Energiespeichers über die erste Erregerspule herbeigeführt werden kann, welche mit der Bewegung und/oder Position des Kurzschlussläufers relativ zur ersten Erregerspule synchronisiert eingeleitet werden kann, wobei der Antriebs bevorzugt so bemessen wird, dass ein Maximum des Stromes in der ersten Erregerspule erreicht wird, nachdem der erste Kurzschlussläufer seine Bewegungsrichtung bereits geändert hat, er sich also von der ersten Erregerspule wieder entfernt, jedoch von der ersten Erregerspule noch nicht weiter entfernt ist als die erste Erregerspule lang ist.
Gemäß einem achtzehnten Aspekt wird ein Antrieb nach dem siebzehnten Aspekt bereitgestellt, wobei der Kurzschlussläufer als pneumatischer Kolben ausgebildet und/oder in einen pneumatischen Kolben eingebettet ist und der pneumatische Kolben Teil der als Gasfeder ausgebildeten mindestens einen progressiven Feder ist.
Gemäß einem neunzehnten Aspekt wird ein Antrieb nach dem siebzehnten und/oder achtzehnten Aspekt bereitgestellt, wobei der Antrieb so bemessen wird, dass am Umkehrpunkt des ersten Kurzschlussläufers dessen Abstand zur ersten Erregerspule möglichst gering ist und insbesondere geringer ist als eine halbe Länge der Erregerspule, welche bevorzugt flach ausgeführt ist.
Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figuren beschreibung und der Gesamtheit der Ansprüche.
KURZE FIGURENBESCHREIBUNG
Fig. 1 zeigt einen Antrieb gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder entsprechende Elemente verwendet und eine sich wiederholende Beschreibung weitgehend vermieden.
Grundsätzlich besteht der erfinderische Mechanismus darin, Nägel mit Hilfe elektrisch betriebener Wärmekraftmaschinen zu setzen. Hierzu wird zunächst ein Arbeitsgas, z.B. Umgebungsluft, gefilterte Umgebungsluft oder dergleichen direkt oder mittelbar mit Hilfe mindestens einer elektrischen Maschine verdichtet. Anschließend wird die Expansion des verdichteten Arbeitsgases genutzt, Arbeit zum Eintreiben bzw. Setzen eines Nagels bzw. Bolzens zu verrichten. Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass dem System zusätzlich elektrische Energie zugeführt wird, insbesondere durch elektrisches Aufheizen des verdichteten Arbeitsgases vor oder während dessen Expansion. Dieses elektrische Aufheizen unterscheidet sich von einem heizen durch Verbrennung von Kraftstoff (bei sogenannten brennkraftbetriebenen Setzgeräten), wie im Folgenden erläutert wird.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft beschrieben. Die Beschreibung soll dem Fachmann eine leichte Umsetzung der Erfindung ermöglichen; keinesfalls ist sie einschränkend zu verstehen.
Eine scheinbar einfache Möglichkeit zur Verbesserung des Wirkungsgrades besteht darin, mit einer möglichst reversiblen, möglichst adiabatisch verlaufenden Verdichtung zu arbeiten, und das Arbeitsgas unter möglichst gründlicher thermischer Isolation in„heißem" Zustand zu speichern, und mit Hilfe eines Pneumatikzylinders zum Verrichten von Arbeit (d.h. hier dem Eintreiben von Nägeln) zu verwenden. Wärme- und Druckverluste können dabei vermittels Temperatur- und Druckfühlern erfasst und durch geregeltes Beheizen des Arbeitsgases bzw. auch„Nachpumpen" kompensiert werden. Diese Herangehensweise stellt allerdings erhebliche technische Anforderungen an den bevorzugt möglichst ungekühlt arbeitenden Kompressor. Am schwersten wiegt hier, dass bei den hohen Temperaturen die üblichen flüssigen Schmierstoffe versagen und dementsprechend auf eine zwangsläufig mit Abrieb verbundene (Festkörperreibung!) Schmierung mit festen Schmierstoffen übergegangen werden muss. Außerdem wirkt heiße Luft natürlich stark oxidierend. Hinzu kommen ggf. z.B. Passungsprobleme infolge von Temperaturgradienten wegen der thermischen Ausdehnung. Erfindungsgemäß wird das Arbeitsgas als „heiß" betrachtet, wenn seine absolute Temperatur wenigstens 150% und bevorzugst mehr als 200% der absoluten Umgebungstemperatur beträgt.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dem bereits verdichteten Arbeitsgas vermittels einer elektrisch betriebenen Wärmequelle Wärme zuzuführen, beispielsweise zum Ausgleich von Wärmeverlusten (z.B. Wandverlusten) nach einem überwiegend adiabatischen Verdichtungsvorgang. In vielen Fällen attraktiver ist allerdings, das Arbeitsgas, insbesondere angesaugte Umgebungsluft, mit einem gewöhnlichen gekühlten Kompressor zunächst auf ein Verdichtungsverhältnis zu verdichten, welches bevorzugt zwischen 1:2 und 1:20 liegt und besonders bevorzugt im Bereich von 1:5 bis 1:15, und dem Arbeitsgas anschließend mit einer oder mehreren elektrisch betriebenen Wärmequellen Wärme zuzuführen.
Dies kann beispielsweise in einem Arbeitsgasreservoir erfolgen, in welches das verdichtete Arbeitsgas, z.B. mittels Druckdifferenz über ein Ventil, gefördert worden ist, und das, abgesehen von praktisch unvermeidlichen Undichtheiten, zunächst geschlossen ist. Die Förderung erfolgt also bevorzugt entweder vom Kompressor direkt in das Arbeitsgasreservoir (ggf. über einen Kühler, der allerdings mit dem Kompressor eine Einheit bilden kann) oder von einem zweiten Arbeitsgasreservoir mit höherem Druck über ein Rückschlagventil in das vorgenannte elektrisch beheizbare Arbeitsgasreservoir.
Dies ermöglicht bei raschem Heizen eine nahezu isochore Wärmezufuhr, die gefolgt sein kann von einer weitgehend isentrop verlaufenden Entspannung des gespeicherten heißen Arbeitsgases über einen Pneumatikzylinder (durch Öffnen eines Ventils). Dieser„Kreisprozess" ähnelt einem Otto- Prozess mit vorgelagertem Verdichter und Intercooler (näherungsweise isotherme Kompression, isochore Wärmezufuhr, adiabatische Expansion), er kann entsprechend einen hohen Wirkungsgrad von höher als 25% und insbesondere höher als 30% bieten, wobei bei der Auslegung des Systems Reibmitteldruck und Irreversibilitäten durch strömungsbedingte Druckverluste berücksichtigt werden sollten. Die Wärmezufuhr, die bevorzugt eine Wärmemenge in der Größenordnung der Setzenergie und mehr zuführt, also beispielsweise Wärmeenergie in einem Bereich von 50 - 500 J erfolgt somit beispielsweise auf einer Zeitskala unter ls, bevorzugt unter 500ms, so dass Wärmeverluste und insbesondere Wandverluste des Arbeitsgasreservoirs klein sind im Vergleich zu der zugeführten Wärmeenergie.
Sollen indes besonders hohe Setzenergien von z.B. mehr als 50J, insbesondere mehr als 80J erzielt werden, so kann dies unter Kompromissen beim Wirkungsgrad verwirklicht werden, indem die Wärmezufuhr weiter nachgelagert wird. Nachgelagert bedeutet hier, dass die Wärmezufuhr nicht isochor in einem Reservoir erfolgt, sondern dass das Arbeitsgas zuerst in einem Arbeitsgasreservoir (unter Druck) gespeichert und nach Austritt aus diesem Arbeitsgasreservoir erhitzt wird. Wie im Folgenden beschrieben wird der„Kreisprozess" dadurch Diesel-ähnlicher, er nimmt also die Gestalt eines Gleichdruckprozesses an. Dessen Wirkungsgrad ist zwar bei gleichem Verdichtungsverhältnis geringer als der eines Ottoprozesses (isochore Wärmezufuhr), es kann aber ein höherer Mitteldruck erreicht und damit pro Hub/Setzvorgang mehr Arbeit verrichtet werden.
Beispielsweise kann das„kühle" Arbeitsgas aus seinem Reservoir mit einem Ventil durch elektrisch beheizte Heizbleche oder einen anderen elektrisch betriebenen Heizkörper geführt werden, der beispielsweise einen offenporigen, von einem Heizleiter gebildeten Metallschaum enthalten kann, sodass sich beispielsweise eher ein Gleichdruckprozess (anstelle eines Gleichraumprozesses) ergibt. Oder es wird dem Arbeitsgas im Pneumatikzylinder selbst Wärme zugeführt, wozu zum Beispiel ein am Kolbenboden befestigter (zumindest vor dem Setzvorgang) elektrisch beheizter Heizleiter infrage kommt, aber auch eine elektrische Heizung der Zylinderwand oder sogar eine Gasentladung im Pneumatikzylinder selbst. Es kann auch ein erfindungsgemäßes Nagelsetzgerät mehrere elektrische Wärmequellen an verschiedenen Stellen beinhalten, um die vorgenannten Eigenschaften bedarfsweise besser kombinieren und einen anwendungsspezifischen Kompromiss finden zu können.
Ein erfindungsgemäßes Nagelsetzgerät, insbesondere handgeführtes Nagelsetzgerät kann folgende Komponenten umfassen: einen elektrochemischen Energiespeicher, bevorzugt einen Lithium-Ionen- Akkumulator; einen Kompressor, bevorzugt einen Kol benkompressor; einen elektrischen Motor; ein erstes Ventil, beispielsweise ein Magnet- oder Überdruckventil, welches vorzugsweise eine Öffnungszeit von weniger als 10ms, weiter bevorzugt eine Öffnungszeit von weniger als 5ms, und besonders bevorzugt eine Öffnungszeit von weniger als 3ms aufweist; sowie ein Arbeitsgasreservoir (das mit dem Zylinder eines Kompressors identisch sein kann); einen Zylinder, in dem ein Kolben beweglich angeordnet ist; eine elektrisch betreibbare Energiequelle, insbesondere eine elektrische Wärmequelle, die zusätzlich eine chemische Wärmequelle umfassen kann.
Erstes Ausführungsbeispiel:
Zum Setzen eines Nagels wird zunächst aus dem elektrochemischen Energiespeicher der Motor mit elektrischer Leistung versorgt, den Kompressor anzutreiben, der ein Arbeitsgas - z.B. gefilterte Umgebungsluft - verdichtet, welches im Arbeitsgasreservoir gespeichert wird. Zum Setzen eines Nagels wird das erste Ventil geöffnet und das Arbeitsgas strömt in thermischem Kontakt mit der elektrisch betriebenen Wärmequelle (zum Beispiel durch einen elektrisch beheizten Heizkörper in Gestalt z.B. eines Wickels aus Heizleiter-Blech) in den Zylinder und treibt dort den Kolben an, welcher direkt oder mittelbar den Nagel eintreibt. Im Unterschied zu bekannten Geräten kann bei diesem Vorgang dem Arbeitsgas durch die elektrisch betriebene Wärmequelle schnell zusätzlich Wärme zugeführt werden, wie oben erläutert. Hierzu sind - unter Berücksichtigung derer Aerodynamik und chemischen Eigenschaften - diverse Heizleiter (z.B. ein offenporiger Metallschaum, bspw. aus Kanthai, ein Rohrbündel oder eine Wabenstruktur aus ebendiesem, stabförmige SiC-Heizleiter etc.) geeignet, aber auch Gasentladungen und insbesondere Bogenentladungen; letztere können z.B. mit Hilfe sogenannter Plasmafackeln herbeigeführt werden. Wird diese Methode (Gasentladung) gewählt, so kann Elektrodenmaterial verdampfen, welches brennbar sein und durch chemische Umsetzung mit dem Arbeitsgas diesem zusätzlich Wärme zuführen kann. Das Elektrodenmaterial wird bevorzugt danach ausgewählt, keine elektrisch leidenden Oxide zu bilden. Bei einer Gleichspannungsentladung kommen insbesondere für die Kathode Kohlenstoff- und/oder aluminiumbasierte Werkstoffe infrage, einschließlich aluminiumimprägniertem Graphit. Bei Gebrauch aluminiumhaltiger Elektroden mit sauerstoffhaltigem Arbeitsgas ist die mögliche Bildung von Aluminiumoxid-Feinstaub, bei Luft als Arbeitsgas auch die Bildung von Aluminiumnitrid- bzw. Aluminiumoxynitrid-Feinstaub zu berücksichtigen. Zweites Ausführungsbeispiel:
Die Wärmezufuhr durch die elektrisch betriebene Wärmequelle kann im Arbeitsgasreservoir selbst erfolgen und binnen möglichst kurzer Zeit (Zeitskalen wie oben erläutert) durchgeführt werden. Für das erste Ventil, welches Arbeitsgas aus dem Arbeitsgasreservoir in den Zylinder strömen lassen kann, kann in diesem Fall ein ungesteuertes Überdruckventil ausgelegt werden, welches bevorzugt mit einer gewissen, bekannten Verzögerung öffnet - dann jedoch möglichst rasch einen möglichst großen Querschnitt freigibt, damit das Arbeitsgas mit geringem Druckverlust in den Zylinder überströmen kann. Sofern die Wärmezufuhr durch die elektrisch betriebene Wärmequelle im Arbeitsgasreservoir erfolgt, ist zu berücksichtigen, dass das erste Ventil hohen Temperarturen ausgesetzt wird, und dies, falls das Arbeitsgas nicht inert sondern insbesondere Luft ist, unter stark oxidierenden Bedingungen. Wie jeder Dieselmotor demonstriert, der bei hohen Temperaturen mit hohem Luftüberschuss und in Gegenwart korrosiver Verunreinigungen wie Schwefel(-verbindungen) viele tausend Betriebsstunden erreichen kann, ist die Aufgabe der Bereitstellung eines hinreichend schnellen Ventils (das den chemischen und thermischen Umgebungsbedingungen über die Lebensdauer des Geräts standhält) vom Fachmann problemlos zu lösen.
Die mindestens eine elektrisch betriebene Wärmequelle (allgemeiner: Energiequelle) kann, wie bereits gesagt, auch zwischen Arbeitsgasreservoir und Zylinder oder am oder im Zylinder selbst angeordnet sei, wobei das erste Ventil bevorzugt ein magnetisch oder pneumatisch gesteuertes Ventil ist. Derartige Ausführungsvarianten der Erfindung können eine noch bessere Steuerbarkeit und höhere Setzenergien ermöglichen, allerdings zu Lasten des theoretisch erreichbaren Wirkungsgrads. In allen Varianten, bei denen eine oder mehrere Gasentladungseinrichtungen wie z.B. Plasmafackeln als Wärmequellen eingesetzt werden, gilt, dass vorteilhaft ist, die elektrische Energie, mit welcher diese versorgt bzw. betrieben werden, vorzugsweise in einem oder mehreren Kondensatoren zwischen zu speichern, wozu der oder die Kondensatoren bevorzugt mit einem Schaltwandler aufgeladen werden. Auf diesem Wege kann bei geeigneter Bemessung von Kondensatoren und elektrisch betriebener Wärmequelle kurzzeitig eine sehr hohe Heizleistung bereitgestellt werden, die durchaus im Bereich mehrerer MW liegen kann (anstelle von höchstens einigen 10 kW bei direkter Versorgung aus der elektrochemischen Energiequelle). Sofern als elektrisch betriebene Wärmequelle aber ein oder mehrere Heizleiter verwendet werden, kann die Wärmequelle direkt an der elektrochemischen Energiequelle betrieben werden, wobei es vorteilhaft sein kann, die Wärmequelle parallel zu Ultra- bzw. Superkondensatoren (mit Doppelschicht- und ggf. auch Pseudokapazitäten) zu betreiben. Erfindungsgemäße Nagelsetzgeräte weisen vorzugsweise eine elektronische Steuerung sowie zumindest einen Druck- und ggf. auch einen Temperaturfühler auf, welche bevorzugt im Arbeitsgasreservoir angeordnet sind.
Drittes Ausführungsbeispiel:
Das dritte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf pneumatische Nagelsetzgeräte mit Federspeicher, in denen ein erster Kolben in einem ersten Zylinder mit Hilfe einer zuvor elektromotorisch gespannten Feder beschleunigt wird und ein Arbeitsgas, insbesondere Luft, verdichtet, welche sodann einen zweiten Kolben in einem zweiten Zylinder beschleunigt, dessen kinetische Energie zum Setzen eines Nagels genutzt wird. Diese Anordnung dient zunächst als pneumatische Transmission, um am zweiten Kolben die für einen erfolgreichen und reproduzierbaren Setzvorgang erforderliche Kolbengeschwindigkeit mit der oben angegebenen Setzenergie von mehr als 50J zu erreichen. Damit wäre die erzielbare Setzenergie allerdings durch diejenige Energie beschränkt, welche elastisch in der Feder gespeichert werden kann. Dieses technische Hindernis kann radikal beseitigt werden, indem der vom ersten Kolben verdichteten Luft elektrisch genügend Wärme zugeführt wird. Dies kann wie an den vorangegangenen Ausführungsbeispielen gezeigt in verschiedenen thermodynamischen Regimes geschehen. Bei gleichem Verdichtungsverhältnis können möglichst hohe Wirkungsgrade mit einer isochoren Wärmezufuhr erreicht werden: Dazu wird das Arbeitsgas z.B. über ein Einlassventil, das ein Rückschlagventil sein kann, in eine Kammer möglichst konstanten Volumens geführt und dort elektrisch erhitzt, bevor es über ein passives Ventil (Überdruckventil) oder ein gesteuertes Ventil, jeweils möglichst schnell (insbesondere unterhalb der Stellzeit des Kolbens) öffnend und möglichst hohen Querschnitts, in den zweiten Zylinder geleitet wird. Um hingegen auf Kosten des Wirkungsgrads höchste Setzenergien zu erreichen, kann auf die Zwischenspeicherung in (nahezu) konstantem Volumen verzichtet werden: Die vom ersten (Verdichter-)Kolben im zunächst geschlossenen ersten Zylinder verdichtete Luft kann über ein Überdruckventil dem zweiten Zylinder mit dem zweiten (Arbeits-)Kolben geführt werden und dabei in thermischen Kontakt mit der elektrisch betreibbaren Wärmequelle gebracht werden (welche z.B. in Gestalt elektrisch beheizter Strömungsleitbleche vorliegen kann), die sogar im zweiten Zylinder selbst angeordnet sein kann.
Viertes Ausführungsbeispiel:
Das vierte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Möglichkeit, zur Energie-Zwischenspeicherung mit einem Arbeitsgasreservoir in einem polytropen, möglichst reversiblen isothermen Regime zu arbeiten. Um dies zu erreichen, muss das Arbeitsgasreservoir stets auf einem hohen Druckniveau gehalten werden: Der Quotient bzw. das Druckverhältnis Pmax/Pmin zwischen dem Arbeitsgasreservoir-Druck Pmax vor einem Stellvorgang und Pmin nach einem Stellvorgang sollte möglichst wenig größer als 1 sein, zum Beispiel in einem Bereich von 1 < Pmax/Pmin < 2, bevorzugt in einem Bereich von 1 < Pmax/Pmin < 1.5 . Dabei ist allerdings zu beachten, dass diese Arbeitsweise zwar dem Wirkungsgrad zu Gute kommt, dies jedoch zulasten der effektiven (genutzten) Energiedichte des Arbeitsgasreservoirs geht, dessen Gewicht und Baugröße bei der Auslegung des Setzgeräts unbedingt berücksichtigt werden sollte. Es ist entsprechend ein Kompromiss zu finden. Ein handgeführtes Nagelsetzgerät gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel kann eine elektrisch betriebene Hydraulikpumpe umfassen, mit deren Hilfe ein Hydraulikspeicher (bspw. ein Membran oder Metallfaltenbalg-Speicher) geladen wird mit einer Druckerhöhung bspw. von 200 auf 300 Atmosphären. Prinzipiell kann nun durch Öffnen eines Hydraulik-Ventils mit einem hydraulisch angetriebenen Kolben ein Nagel gesetzt werden. Der hydraulisch angetriebene Kolben kann indes auch genutzt werden, ein Arbeitsgas - und hier zum Beispiel gefilterte Luft - zu verdichten, um so einen zweiten Kolben (geringeren Querschnitts) auf eine hohe Geschwindigkeit zu bringen, um anschließend mit Hilfe der kinetischen Energie des zweiten Kolbens einen Nagel zu setzen. Auf diesem Wege kann wiederum dem verdichteten Arbeitsgas vor oder während seiner Expansion mit Hilfe einer elektrisch betriebenen Wärmequelle Wärme zugeführt und so das Arbeitsvermögen stark erhöht werden, was wiederum neben hohen Geschwindigkeiten des zweiten Kolbens (Setzkolben) insbesondere die Verwendung eines kleineren und leichteren Hydraulikspeichers ermöglicht.
Sechstes Ausführungsbeispiel:
Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, einen sogenannten Thomson-Coil-Antrieb zu umfassen, bei welchem eine bspw. vermittels einer Kondensatorentladung betriebene Spule einen Kurzschlussläufer antreibt, welcher an einem Kolben befestigt, in einen Kolben eingelassen oder ganz oder teilweise mit dem Kolben identisch ist, wobei der Kolben stark bevorzugt aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung hoher elektrisch Leitfähigkeit gebildet wird, und wobei der Kolben mit einer Kolbenstange versehen sein kann, einen Nagel einzutreiben. Zum Setzen eines Nagels wird hierbei z.B. eine Kondensatorentladung über die Spule des Thomson-Coil-Antriebs durchgeführt, woraufhin die Spule den Kolben abstößt. Der Kolben kann sich sodann in einem ihm zugeordneten Zylinder bewegen und ein Arbeitsgas verdichten. Sofern der Zylinder auf der der Thomson-Spule abgewandten Seite geschlossen ist, so bildet die Anordnung eine Gasfeder: Die Luft wird (vorliegend nahezu adiabatisch) vom Kolben zuerst verdichtet und treibt diesen dann zurück in seine Ausgangslage (Rückfedern zur Spule hin). Beim Rückfedern kann die Kolbenstange einen Nagel mitnehmen und setzen. Zur Steigerung des Arbeitsvermögens (d.h. der Setzenergie) kann dem verdichteten Arbeitsgas wiederum Energie zugeführt werden, beispielsweise in der Form von Wärme durch eine großflächige Heizquelle. Eine derart großflächige Heizquelle wir zum Beispiel durch die Bereitstellung eines Heizschaums ermöglicht (z.B. Kanthaischaum). Der Fachmann versteht, dass die Poren eines derartigen Heizschaums nicht zu gering sein dürfen, z.B. Poren im pm-Bereich, um einen zu großen Druckverlust beim Über- bzw. Durchströmen der Oberfläche zu verhindern.
Die obige Anordnung bietet noch einen weiteren Vorteil: Der Stellvorgang beginnt damit, dass sich der Kolben im Setzgerät nach hinten, also vom Nagel fort bewegt - dies erhöht infolge der Impulserhaltung den Anpressdruck: Das Setzgerät„will" sich nach vorn bewegen und kann dies bei gegebenem Spiel auch tun. Nach„quasi-adiabatischer" Reflexion an der Gasfeder, der eine extrem progressive Charakteristik inhärent ist, d.h. ein immer weiteres Ansteigen einer effektiven Federkonstante der Gasfeder, kann der Kolben in seiner Anfangslage zum Ruhen kommen. Mit anderen Worten wird eine„lokale" Federkonstante D(V )= A*(dp /dV ) in N/m immer größer, je mehr sich der Kolben einer Endlage annähert. Da sich die Kolbenfläche A nicht ändert, gilt im adiabatischen Grenzfall P =PI*(VI/V )K mit k « 1.4 für Luft, entsprechend wächst der Druck näherungsweise exponentiell mit dem Isentropenexponenten K. In diesem Fall bleibt der Schwerpunkt des Nagelsetzgerätes in summa während eines vollständigen Setzvorgangs unverändert - mit einer Rücklaufeinrichtung könnte Rückschlagfreiheit erreicht werden. Tatsächlich kann keine vollständige Rückschlagfreiheit erreicht werden, da beim Eintreiben des Nagels Impuls von der Maschine nach außen übertragen wird. Es kann aber der Rückschlag erheblich vermindert sein, was bei der Handhabung erhebliche Vorteile bietet, insbesondere betreffend die Ermüdung des Nutzers.
Siebentes Ausführungsbeispiel:
Diesem Ausführungsbeispiel liegt die Idee zu Grunde, einen Thomson-Coil-Aktuator nicht als Kompressor sondern - unter für ihn physikalisch höchst vorteilhaften Bedingungen - direkt zum Verrichten mechanischer Arbeit einzusetzen, also als elektrische Energiequelle im Sinne des Hauptanspruchs. Dies wird im Folgenden detaillierter erläutert anhand einer besonders vorteilhaften Variante des siebenten Ausführungsbeispiels, in welchem gleich zwei Thomson-Coil-Aktuatoren zur Anwendung kommen, und bei welchem einem die Rolle des Kompressors und dem anderen die der elektrischen Energiequelle zugerechnet werden kann.
Diese Ausführungsform der Erfindung wird im Schnitt in Fig. 1 dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Antrieb, insbesondere einen Antrieb für ein handgeführtes Nagelsetzgerät. Auch in dieser Beschreibung ist deren beispielhaftes Wesen zu berücksichtigen; so kann u.a. bei entsprechender elektrischer Beschaltung auch ein einziger anstelle zweier Kondensatoren verwendet werden (s.u.). Auch Ausführungsbeispiel 7 dient lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung. Fig. 1 zeigt eine Kolbenstange 50, einen Kolben 30 (insb. aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung), Kurzschlussläufer 31, 32 (insbes. Kurzschlussringe, z.B. aus Elektrokupfer), eine Dichtung 80, Statoren 11, 12 (z.B. aus einem fachmännisch ausgewählten ferromagnetischen Werkstoff), (Erreger-)spulen 21, 22, einen gestuften, abschnittsweise doppelwandiger Zylinder 40, Öffnungen 41, 42, bspw. in Form den Umfang umlaufender Bohrungen, Widerlager 71, 72, ggf. außerdem Kühlkörper, eine Kolbenrückführung 60, z.B. ein E-Motor mit Rutschkupplung zum sicheren Transport und ggf. auch dem Flalten von Kolben 30 in seine Flubanfangslage nach einem Setzvorgang.
Zu Beginn eines Stellvorganges liegt Kolben 30 möglichst dicht an Spule 21 an, wobei eine Berührung beider Teile konstruktiv (z.B. durch einen Anschlag) ausgeschlossen werden sollte. Dann wird zuerst ein erster Kondensator über Spule 21 entladen, sodass diese den Kolben elektrodynamisch abstößt. In Fig.l hat sich der Kolben bereits etwas in Bewegung gesetzt, es ist zu sehen, dass sich ein mit der beginnenden Kolbenbewegung zunehmendes Volumen 02 (in Fig. 1 links vom Kolben 30) ausbildet, in welchem zunächst ein Unterduck herrscht. Dieser Unterdrück kann bei korrekter Bemessung der Antriebskomponenten vernachlässigt werden. Indem sich Kolben 30 in Richtung von Spule 22 bewegt, erhöht er den Druck in Volumen 01 (in Fig. 1 rechts vom Kolben 30). Nachdem der Kolben die Öffnungen 41 überstrichen hat, kann Arbeitsgas aus Volumen 01 über die Öffnungen 41, 42 zur in Fig. l linken Kolbenseite, mithin in Volumen 02, gefördert werden. Sobald der Kolben die Öffnungen 42 überstreicht, schließt er ein Arbeitsgasvolumen ein und komprimiert dieses; die Kompression kann dabei nahezu adiabatisch erfolgen und zu einem außerordentlich steilen (schnellen) Druckanstieg im dann verbleibenden Restvolumen führen. Das von Kolben 30, der Wand von Zylinder 40 und Stator 12 eingeschlossene Gas speichert nicht nur Energie: Es verhindert auch, dass es zu einer schädlichen Kollision zwischen Kolben 30 und dem aus Spule 22 und Stator 12 gebildeten Thomson-Coil-Ensemble kommen kann. Nun wird mit der Kolbenbewegung synchronisiert ein zweiter Kondensator über Spule 22 entladen, wobei die Entladung bevorzugt noch (kurz!) vor dem Umkehren des Kolbens eingeleitet wird. Dabei ist die Entladung so zu bemessen, dass sich in der Erregerspule ein Strommaximum einstellt, welches erst erreicht wird, nachdem der Kolben seine Bewegungsrichtung (durch elektrodynamische- und Gaskräfte) in Richtung der Flubanfangslage umgekehrt hat, der Kolben auch bereits eine nicht-verschwindende Geschwindigkeit von wenigstens 5m/s aufweist, und der Kolben bevorzugt nicht weiter von der ihm zugewandten Oberfläche der Spule 22 entfernt ist als deren halbe Spulenlänge (die Spulenlänge entspricht der Ausdehnung der Spule entlang der Bewegungsrichtung des Kolbens). Auf diese Weise kann der aus Spule 22, Stator 12 und dem Kolben 30 mit Kurzschlussläufer 32 gebildete Thomson-Coil-Aktuator einen sehr hohen elektrischen Wirkungsgrad erreichen.
Der bei FEM-Simulationen gefundene überraschend hohe Wirkungsgrad bei der Wandlung der im zweiten Kondensator gespeicherten elektrostatischen Energie von über 50% ist darauf zurückzuführen, dass die momentan gebildete Gasfeder (d.h. wenn die Belüftungsschlitze vom Kolben überstrichen werden) das Anlaufen des Thomson-Coil-Aktuators unterstützt. Anschließend bewegt sich der Kolben in seine Hubanfangslage zurück, wobei wiederum der Einschluss von Luft (diesmal in Volumen 02) einen zerstörerischen Aufprall des Kolbens gegen Stator 11 oder Spule 21 verhindern kann. Bei dieser Anordnung kann der Nagel während der an einen Freikolbenmotor erinnernden Hin- und Herbewegung des Kolbens transportiert werden, sodass er von Kolbenstange 50 mitgenommen und gesetzt werden kann.
Der in Fig.l gezeigte Aufbau kann weiter vereinfacht werden, indem anstelle zweier Thomson-Spulen eine einzige eingesetzt wird - nämlich die, durch welche die Kolbenstange geführt wird - und der Kolben einfach in einem geschlossenen Zylinder, also gegen eine Gasfeder, läuft. Ein solches System kann über eine Mehrzahl von Zyklen zu immer höheren Energien hin erregt werden, wobei jeweils im Bereich desjenigen Umkehrpunkts, bei welchem der Kolben sich im Einflussbereich der Erregerspule befindet, die Erregerspule erfindungsgemäß bestromt wird, um die kinetische Energie des Kolbens zu erhöhen. Eine solche Anordnung bedarf allerdings einer steuerbaren Nagelzuführung, damit der Nagel erst dann in den Stellweg der Kolbenstange gebracht wird, wenn die maximale kinetische Energie des Kolbens genügend groß ist. Jedenfalls ist von Vorteil, die Kolbenposition zu erfassen, bevorzugt ortsaufgelöst und in (quasi-)Echtzeit.

Claims

Ansprüche
1. Handgeführtes Nagelsetzgerät, umfassend mindestens je:
- einen elektrochemischen Energiespeicher, bevorzugt einen Lithium-Ionen-Akkumulator;
- einen Kompressor, bevorzugt einen Kolbenkompressor;
- einen elektrischen Motor;
- ein Arbeitsgasreservoir;
- einen Zylinder und einen Kolben, wobei der Kolben in dem Zylinder beweglich angeordnet ist;
- eine elektrisch betriebene Energiequelle, beispielsweise eine Wärmequelle;
- eine Vorrichtung zum Rückstellen des Kolbens; sowie bevorzugt jedoch nicht notwendig ein erstes Ventil, beispielsweise ein Magnet- oder Überdruckventil, welches vorzugsweise eine Öffnungszeit von weniger als 10ms, weiter bevorzugt eine Öffnungszeit von weniger als 5ms, und besonders bevorzugt eine Öffnungszeit von weniger als 3ms aufweist, wobei zum Setzen eines Nagels zunächst der Motor mit Leistung versorgt wird, der Motor den Kompressor antreibt, wobei Motor und Kompressor zumindest teilweise identisch sein können, der Kompressor ein Arbeitsgas verdichtet und das Arbeitsgas, beispielsweise über ein Rückschlagventil, in das Arbeitsgasreservoir gefördert wird, und vor und/oder während des Setzens des Nagels dem System Energie zugeführt werden kann, indem beispielsweise dem Arbeitsgas mit Hilfe einer elektrisch betriebenen Wärmequelle Wärme zugeführt wird, und, beispielsweise durch Öffnen des ersten Ventils, das Gas aus dem Arbeitsgasreservoir auf einen Boden des Kolbens wirken kann, wodurch der Kolben beschleunigt und anschließend kinetische Energie des Kolbens genutzt werden kann, einen Nagel einzutreiben, wobei nach einem Setzvorgang der Kolben mit Hilfe der Vorrichtung zum Rückstellen des Kolbens in seine Ausgangslage zurück gestellt oder zurückgestellt gehalten werden kann.
2. Handgeführtes Nagelsetzgerät nach Anspruch 1, wobei eine elektrisch betriebene Wärmequelle in einem Arbeitsgasreservoir oder zwischen einem Arbeitsgasreservoir und dem Zylinder oder im Zylinder selbst angeordnet ist.
3. Handgeführtes Nagelsetzgerät nach Anspruch 2, wobei die elektrisch betriebene Wärmequelle ganz oder überwiegend aus einem oder mehreren Heizwiderständen besteht.
4. Handgeführtes Nagelsetzgerät nach Anspruch 3, wobei zumindest ein Heizwiderstand ganz oder überwiegend aus einem offenporigen Metallschaum und dabei bevorzugt aus einem offenporigen Schaum einer Heizleiterlegierung wie beispielsweise Kanthai besteht, die danach ausgewählt wird, eine für die Anwendung mit Hinblick auf die jeweilige Lebensdauer hinreichende Oxidations-, Temperaturwechsel- und Erschütterungsbeständigkeit aufzuweisen.
5. Handgeführtes Nagelsetzgerät nach Anspruch 4, wobei der ganz oder überwiegend aus offenporigem Metallschaum gebildete Heizwiderstand in einem Arbeitsgasreservoir angeordnet ist, wobei das Arbeitsgasreservoir bevorzugt teilweise zylindrisch ausgebildet ist und der Heizwiderstand aus Metallschaum bevorzugt die Gestalt eines zylindrischen Rohres aufweist, welches im zugeordneten Arbeitsgasreservoir vorzugsweise mit diesem koaxial angeordnet ist, und dessen Stirnflächen elektrische Kontaktierungen aufweisen, welche mit einer elektrischen Leistungsquelle wie bspw. dem elektrochemischen Energiespeicher elektrisch verbunden werden können.
6. Handgeführtes Nagelsetzgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, wobei zum Setzen eines Nagels der oder die Heizwiderstände von der elektrochemischen Energiequelle mit einem Stromstoß versorgt werden können.
7. Handgeführtes Nagelsetzgerät nach Anspruch 6, wobei eine elektrische Kapazität in Form eines oder mehrerer Batterien sogenannte Super- und/oder Ultra- und/oder Doppelschichtkondensatoren aufweisen, welche vorzugsweise zu dem elektrochemischen Energiespeicher parallel geschaltet sind oder geschaltet werden können.
8. Handgeführtes Nagelsetzgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine elektrisch betriebene Wärmequelle mit Hilfe eines oder mehrerer MOSFETS an- und abgeschaltet werden kann, wobei bevorzugt eine Vorrichtung vorgesehen ist, die dem Nutzer ein Einschalten der elektrisch betriebenen Wärmequelle ausschließlich dann erlaubt, wenn in dem oder den Arbeitsgasreservoirs ein Druck herrscht, der innerhalb eines bestimmten Bemessungsdruckbereichs liegt.
9. Handgeführtes Nagelsetzgerät nach Anspruch 1, wobei das Arbeitsgasreservoir einen Drucksensor aufweist und bevorzugt auch mindestens einen Temperaturfühler, und wobei der elektrische Motor und damit der mit Hilfe des Motors betriebene Kompressor an einer Motorsteuerung betrieben wird, welche zumindest einen Eingang für das Signal des Drucksensors aufweist.
10. Handgeführtes Nagelsetzgerät nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, ferner umfassend eine elektrisch betreibbare Wärmequelle, mit deren Hilfe eine elektrische Entladung, insbesondere eine Bogenentladung, zum Umwandeln elektrischer Energie in Wärme herbeigeführt werden kann.
11. Handgeführtes Nagelsetzgerät umfassend zumindest:
- einen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere einen Lithium-Ionen-Akkumulator
- eine Spannvorrichtung, umfassend einen elektrischen Motor;
- eine Feder, bevorzugt eine Schraubendruckfeder;
- einen ersten Zylinder und einen mit der Feder in mechanischem Kontakt stehendem ersten Kolben, nachfolgend als Verdichterkolben bezeichnet;
- einen zweiten Zylinder und einen nachfolgend als Arbeitskolben bezeichneten zweiten Kolben;
- Mittel zum Arretieren und Freigeben des Verdichterkolbens;
- eine Vorrichtung zur Rückstellung des Arbeitskolbens; wobei die Feder zwischen Setzgerät und erstem Kolben wirkt und zum Setzen eines Nagels mit Hilfe des elektrochemischen Energiespeichers die Spannvorrichtung mit elektrischer Leistung versorgt werden kann, die Feder zu spannen, und der Verdichterkolben dabei in eine erste Endlage transportiert wird, in welcher der Verdichterkolben arretiert und die Feder gespannt gehalten werden kann, und wobei durch Freigeben des Verdichterkolbens die Feder entspannt werden und dabei den Verdichterkolben beschleunigen kann, der zumindest im ihm zugeordneten ersten Zylinder ein Arbeitsgas verdichten kann, wodurch zumindest ein Teil des ersten Zylinders selbst zu einem Arbeitsgasreservoir werden kann, und wobei das Arbeitsgas im zweiten Zylinder, der einen geringeren Querschnitt aufweist als der erste Zylinder, Druck auf einen Boden des Arbeitskolbens ausüben kann, sodass auf diesen eine Kraft wirkt, ihn zu beschleunigen, und wobei kraft seiner dabei gewonnenen kinetischen Energie der Arbeitskolben direkt oder mittelbar den Nagel setzen kann.
12. Handgeführtes Nagelsetzgerät gemäß Anspruch 11, wobei die Feder aus einem Faserverbundmaterial besteht, insbesondere aus Kohle- oder borfaserverstärktem Kunststoff.
13. Handgeführtes Nagelsetzgerät gemäß Anspruch 11, wobei der erster und der zweiter Zylinder koaxial und dabei so angeordnet sind, dass infolge des Freigebens des Verdichterkolbens der Verdichterkolben und der Arbeitskolben gegenläufige Bewegungen ausführen.
14. Handgeführtes Nagelsetzgerät gemäß Anspruch 1 und 11, wobei dem Arbeitsgas während eines Setzvorganges mit Hilfe mindestens einer elektrisch betreibbaren Wärmequelle Wärme zugeführt werden kann.
15. Handgeführtes Nagelsetzgerät gemäß Anspruch 1 und 11, wobei das Arbeitsgasreservoir mit mindestens einem Rückschlag- und mindestens einem Auslassventil sowie mindestens einer, bevorzugt für den Pulsbetrieb geeigneten, elektrisch betreibbaren Wärmequelle ausgerüstet ist, sodass der Verdichterkolben im ersten Zylinder federgetriebenes Arbeitsgas verdichten und über ein Rückschlagventil in das Arbeitsgasreservoir fördern kann, wo dem Arbeitsgas mit Hilfe der elektrisch betreibbaren Wärmequelle Wärme zugeführt werden kann bevor oder während das Auslassventil geöffnet ist und Arbeitsgas in den zweiten Zylinder strömt und dort den rückstellbaren Arbeitskolben zum Setzen eines Nagels antreibt.
16. Handgeführtes Nagelsetzgerät gemäß Anspruch 14, wobei der erste Zylinder mit einem oder mehreren Überdruckventilen oder steuerbaren Ventilen versehen ist, sodass der Verdichterkolben im ersten Zylinder Arbeitsgas verdichten kann, welches nach Erreichen eines bestimmten Druckes und/oder Verdichtungsverhältnisses entlang einer oder durch eine oder mehrere elektrisch betreibbare Wärmequellen strömen und zum Boden des Arbeitskolbens im zweiten Zylinder geführt werden kann.
17. Antrieb, umfassend zumindest
- eine erste Erregerspule;
- einen bevorzugt koaxial zur ersten Erregerspule beweglich angeordneten ersten Kurzschlussläufer;
- einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Kondensator oder eine Kondensatorbank;
- einen oder mehrere Halbleiterschalter und hier bevorzugt einen Thyristor;
- eine elektronische Steuerung zum Betätigen des oder der Halbleiterschalter;
- eine Feder mit progressiver Kennlinie, insbesondere eine Gasfeder sowie
- Mittel, den ersten Kurzschlussläufer zum Einleiten eines Stellvorgangs zunächst in Richtung der ersten Erregerspule zu beschleunigen wobei der erste Kurzschlussläufer mit der progressiven Feder in mechanischer oder fluiddynamischer Verbindung steht oder verbunden werden kann, die Bewegungsrichtung des ersten Kurzschlussläufers umzukehren, diesen also durch Federwirkung von der ersten Erregerspule fort zu reflektieren, wobei mit Hilfe der elektronischen Steuerung eine Entladung des elektrischen Energiespeichers über die erste Erregerspule herbeigeführt werden kann, welche mit der Bewegung und/oder Position des Kurzschlussläufers relativ zur ersten Erregerspule synchronisiert eingeleitet werden kann, wobei der Antriebs bevorzugt so bemessen wird, dass ein Maximum des Stromes in der ersten Erregerspule erreicht wird, nachdem der erste Kurzschlussläufer seine Bewegungsrichtung bereits geändert hat, er sich also von der ersten Erregerspule wieder entfernt, jedoch von der ersten Erregerspule noch nicht weiter entfernt ist als die erste Erregerspule lang ist.
18. Antrieb gemäß Anspruch 17, wobei der Kurzschlussläufer als pneumatischer Kolben ausgebildet und/oder in einen pneumatischen Kolben eingebettet ist und der pneumatische Kolben Teil der als Gasfeder ausgebildeten mindestens einen progressiven Feder ist.
19. Antrieb gemäß Anspruch 17 und/oder 18, wobei der Antrieb so bemessen wird, dass am Umkehrpunkt des ersten Kurzschlussläufers dessen Abstand zur ersten Erregerspule möglichst gering ist und insbesondere geringer ist als eine halbe Länge der Erregerspule, welche bevorzugt flach ausgeführt ist.
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