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Stand der Technik
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Aus
der
WO 2005/066488
A1 ist eine sogenannte Laserzündung bekannt. Diese
Laserzündung umfasst einen Zündlaser, der in den
Brennraum einer Brennkraftmaschine hineinragt. Dieser Zündlaser
ist über einen Lichtleiter von einer Pumplichtquelle verbunden.
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An
einem dem Brennraum zugewandten Ende des Zündlasers ist
ein sogenanntes Brennraumfenster vorhanden, welches transmissiv
für die im Zündlaser erzeugten Laserimpulse ist.
Die Laserwellenlänge liegt zwischen 500 nm und 1500 nm,
vorzugsweise zwischen 900 nm und 1100 nm. Dieses Brennraumfenster
muss dichtend in einem Gehäuse des Zündlasers
aufgenommen werden. Dabei werden an die Abdichtung zwischen Brennraumfenster und
Gehäuse hohe Anforderungen gestellt, weil während
des Betriebs bspw. in einer Brennkraftmaschine Oberflächentemperaturen
von über 600°C an dem Brennraumfenster auftreten
können. Zusätzlich kommen noch intermittierende
Druckbelastungen von über 250 bar hinzu. Wenn ein Zündlaser
zum Zünden einer Gasturbine eingesetzt wird, herrschen
im Brennraum der Gasturbine zwar geringere Drücke, allerdings
kann die Oberfläche des Brennraumfensters Temperaturen
von bis zu 1.000°C erreichen.
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Es
ist offensichtlich, dass das Innere des Zündlasers gegen
die im Brennraum herrschenden extrem hohen Temperaturen und Drücke
sicher abgedichtet werden muss. Wenn nämlich Abgase aus dem
Brennraum ins Innere des Zündlasers gelangen, führt
dies zum Ausfall des Zündlasers.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Zündlaser
bereitzustellen, bei dem das Brennraumfenster gegenüber
einem Innenraum des Zündlasers so abgedichtet ist, dass
eine möglichst lange Lebensdauer des Zündlasers
mit einer sicheren und zuverlässigen Abdichtung gewährleistet
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Zündlaser,
umfassend einen laseraktiven Festkörper, ein Gehäuse
mit einer Innenhülse und einer Außenhülse
und ein Brennraumfenster, dadurch gelöst, dass zwischen
der Innenhülse und der Außenhülse ein
Einsatz vorgesehen ist und wobei der Einsatz und das Brennraumfenster
dichtend und stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
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Für
die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden
Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in
Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für
die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf jeweils
explizit hingewiesen wird. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich
in den Unteransprüchen.
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Durch
den erfindungsgemäßen Einsatz werden die Anforderungen
an das Gehäuse reduziert, so dass sich vereinfachte Fertigungsprozesse
und kostengünstigere Werkstoffe einsetzen lassen. Die Innen-
und Außenhülse können aus preiswert zu
beziehendem Metall, bspw. Stahl gefertigt sein. Das Gehäuse
muss im Wesentlichen ausreichend warmfest sein und die erforderliche
mechanische Festigkeit aufweisen.
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Andererseits
kann der erfindungsgemäße Einsatz aus einem anderen
Werkstoff als das Gehäuse hergestellt werden, so dass die
Abdichtung des Brennraumfensters vereinfacht wird. Dadurch wird der
erfindungsgemäße Zündlaser kostengünstiger und
betriebssicherer.
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Besonders
vorteilhaft ist dabei, wenn der Einsatz aus einer Keramik, insbesondere
aus Al2O3 (Aluminiumoxid)
mit einem Glaszusatz gefertigt ist. Al2O3 oder Modifikationen von Al2O3 oder Mischungen mit Al2O3 haben sich in der Vergangenheit schon als
temperatur- und druckresistenter Werkstoff bewährt. So
wird dieser Werkstoff beispielsweise zur Herstellung herkömmlicher
Zündkerzen seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt.
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Zwischen
dem erfindungsgemäßen Einsatz aus Keramik und
dem Brennraumfenster lässt sich prozesssicher eine dichtende
Verbindung realisieren, die den im Betrieb der Brennkraftmaschine
auftretenden Drücken und Temperaturen standhält.
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Bevorzugt
haben der Einsatz und das Brennraumfenster einem möglichst ähnlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten. Dadurch werden die thermischen
Spannungen reduziert und in Folge dessen die Lebensdauer und Zuverlässigkeit
der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Einsatz und
dem Brennraumfenster erhöht.
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Besonders
bevorzugt haben das Material des Einsatzes und das Material des
Brennraumfensters Wärmeausdehnungskoeffizienten, die sich
weitestgehend entsprechen, also beispielsweise sich im Temperaturbereich
zwischen 25°C und 400°C um nicht mehr 20% unterscheiden
und/oder um nicht mehr als 2·10–6/K
unterscheiden. Auf diese Weise ist eine gute thermische und thermomechanische
Stabilität der Fügepartner bei der Herstellung
und im Betrieb des Zündlasers gewährleistet.
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Zusätzlich
sollte das Brennraumfenster die geforderten transmissiven Eigenschaften
mit möglichst geringen Verlusten für die Wellenlänge
der Laserimpulse haben. Hierzu eignen sich unterschiedliche Materialien.
So kann das Brennraumfenster aus einem Al2O3-Einkristall (Saphir), einem MgAl2O4-Einkristall (Spinell)
oder aus Aluminiumoxynitrid (ALONTM, auch ”transparentes
Aluminium” genannt) gefertigt sein.
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Die
Form des Brennraumfensters kann nahezu beliebig sein. Bevorzugt
ist jedoch eine quadratische oder eine kreisrunde Scheibe. Bei Verwendung
der kreisrunden Scheibe ist vorteilhafterweise der Materialeinsatz
des relativ teueren Materials geringer. Bei der Gestaltung des Brennraumfensters
ist zu berücksichtigen, dass die optische Apertur so groß wie
möglich ist, weil sich damit die Fokussiereigenschaften
zum Erzeugen eines Laserplasmas im Zündpunkt deutlich verbessern.
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Ferner
ist vorgesehen, dass das Brennraumfenster mit einer Stirnfläche
des Einsatzes dichtend und stoffschlüssig verbunden ist
oder dass das Brennraumfenster in eine Aussparung des Einsatzes eingelassen
und dichtend und stoffschlüssig verbunden ist. Die Ausgestaltung
des Einsatzes mit der Aussparung lässt dabei mehr Möglichkeiten
zum Verbinden der beiden Teile zu, da neben einer Verbindung mit
der Stirnfläche des Einsatzes das Brennraumfenster auch
radial verbunden werden kann. In jedem Fall muss durch geeignete
Fügetechniken sichergestellt sein, dass der Einsatz nach
dem Zusammenfügen mit dem Brennraumfenster eine gasdichte
und temperaturbeständige Einheit bildet.
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Erfolgt
eine radiale Verbindung zwischen Einsatz und Brennraumfenster, so
ist eine besonders hohe Übereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Fügepartner von Bedeutung. Es sind in diesem Fall Fügepartner
bevorzugt, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten sich im
Temperaturbereich zwischen 25°C und 400°C um nicht
mehr 15% unterscheiden und/oder um nicht mehr als 1·10–6/K unterscheiden, beispielsweise
Saphir und Al2O3 mit einem
Glasphasenanteil.
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Dabei
kann die Dichtheit erhöht werden, wenn das Brennraumfenster
von der Außenhülse das Brennraumfenster zusätzlich
gegen den Einsatz gepresst wird.
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Zum
Verbinden des Einsatzes mit dem Brennraumfenster ist es z. B. möglich,
dass das Brennraumfenster durch Hartlöten, Sintern, Garnieren
und anschließendem Versintern oder Diffusionsschweißen
an mindestens einer Berührungsfläche mit dem Einsatz
verbunden wird. So wird beim Hartlöten in der Regel ein
titanaktiviertes Lot verwendet. Beim Sintern kann ein Flussmittel
bereits im Material des Einsatzes enthalten sein oder Rohlinge des
Einsatzes und des Brennraumfensters werden in einem ungebrannten
Zustand zusammengebracht (sog. Garnieren) und anschließend
gesintert.
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Beim
Diffusionsschweißen werden die Kontaktflächen
von Einsatz und Brennraumfenster poliert und anschließend,
bspw. durch die Außenhülse des Gehäuses,
aneinandergepresst.
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Besonders
bevorzugte Herstellverfahren des erfindungsgemäßen
Zündlasers sehen vor, dass das stoffschlüssige
Verbinden des Einsatzes mit dem Brennraumfenster durch einen Lötprozess
erfolgt.
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Hierbei
ist in einer ersten Variante die Verwendung eines Lotes vorgesehen,
dessen Hauptbestandteile Silber und Kupfer sind. Die Verwendung
eines derartigen Lotes gewährleistet, dass thermomechanische
Spannungen zwischen den Fügepartnern im Lot plastisch aufgenommen
werden können.
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Darüber
hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass das Lot ein Aktivlot ist,
das heißt ein Lot ist, das die Benetzung der Fügepartner
gewährleistet. Vorzugsweise weist das Lot zu diesem Zweck
einen Anteil von 1 Gew-%–10 Gew-% Titan auf.
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In
Versuchen der Anmelderin, bei denen Lote verwendet wurden, deren
Hauptbestandteile Silber und Kupfer waren und die Titan-Anteile
von 2 Gew-%–4 Gew-% aufwiesen, stellten sich auch in Dauererprobungen
durchweg sehr gute Ergebnisse bezüglich der Dichtheit und
der thermomechanischer Belastbarkeit der Fügestellen ein.
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Es
ist vorgesehen, dass das Lotmaterial mittels einer Stanzvorrichtung
aus einer Folie herausgestanzt und an der Fügestelle zwischen
dem Einsatz und dem Brennraumfenster eingelegt wird. Anschließend
erfolgt das Löten unter Vakuum in einer speziellen Zentriervorrichtung,
die die Fügepartner relativ zueinander fixiert.
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Alternativ,
in einer zweiten Variante, ist die Verwendung eines Glaslotes vorgesehen.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Glaslot um ein Alkali-Erdalkali-Borosilicatglas,
insbesondere um ein Alkali-Erdalkali-Borosilicatglas, das einen
Anteil mindestens eines Elementoxids, zum Beispiel Al2O3, aufweist.
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Das
Material des Glaslots wird bevorzugt so gewählt, dass sein
Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Fügepartner liegt.
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Das
Material des Glaslots wird ferner bevorzugt so gewählt,
dass seine Glasübergangstemperatur mindestens 50 K höher
ist als die maximale Einsatztemperatur des Zündlasers,
also beispielsweise mindestens 650°C beträgt. Überdies
wird das Material des Glaslots bevorzugt so gewählt, dass
es auch bei hohen Temperaturen, beispielsweise bei 600°C, gegenüber
Abgasen chemisch resistent ist.
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Das
Glaslot wird bevorzugt hergestellt, indem Glaspulver mit einem organischen
Binder oder einem organischen Bindersystem zu einer Paste verarbeitet
wird. Anschließend wird diese Paste beispielsweise mittels
Siebdruck oder Dispensen auf mindestens einem der Fügepartner
aufgebracht.
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Bevorzugt
schließen sich die Verfahrensschritte Ausheizen der organischen
Bestandteile und Versintern der Glaspartikel an.
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Das
eigentliche Löten erfolgt bevorzugt bei einer höheren
Temperatur als das Ausheizen und das Versintern. Vorzugsweise erfolgt
das Löten bei einer Temperatur, die oberhalb des Halbkugelpunktes
des Materials des gewählten Glaslotes liegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung
beispielhaft erläutert. Es zeigen:
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1a eine
schematische Darstellung einer laserbasierten Zündeinrichtung
in einer Brennkraftmaschine;
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1b eine
schematische und detaillierte Darstellung der Zündeinrichtung
aus 1; und
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2 und 3 zwei
Ausführungsbeispiele eines Zündlasers aus 1 oder 2.
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Detaillierte Beschreibung
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Anhand
der Figuren wird die erfindungsgemäße Zündeinrichtung
beispielhaft in einer Brennkraftmaschine erläutert. Der
Zündlaser kann jedoch auch in einer Gasturbine implementiert
sein.
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Eine
Brennkraftmaschine trägt in 1a insgesamt
das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht
dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst üblicherweise
mehrere Zylinder, von denen in 1a nur
einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des
Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff
gelangt in den Brennraum 14 durch einen Injektor 18,
der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen
ist. Alternativ kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch auch außerhalb
des Brennraums 14, zum Beispiel im Saugrohr, gebildet werden.
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Das
im Brennraum 14 vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch 22 wird
mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der
von einer einen Zündlaser 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in
den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird der Zündlaser 26 über
eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist,
welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird.
Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert,
das auch den Injektor 18 ansteuert.
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Wie
aus 1b hervorgeht, speist die Pumplichtquelle 30 mehrere
Lichtleitereinrichtungen 28 für verschiedene Zündlaser 26,
die jeweils einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind.
Hierzu weist die Pumplichtquelle 30 mehrere einzelne Laserlichtquellen 34 auf,
die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind. Durch
das Vorhandensein der mehreren einzelnen Laserlichtquellen 34 ist
gleichsam eine „ruhende” Verteilung von Pumplicht
an die verschiedenen Lasereinrichtungen 26 realisiert,
so dass keine optischen Verteiler oder dergleichen zwischen der
Pumplichtquelle 30 und den Zündlasern 26 erforderlich
sind.
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Der
Zündlaser 26 weist einen laseraktiven Festkörper 44 mit
einer passiven Güteschaltung 46 auf, die zusammen
mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen
optischen Resonator bildet. Unter Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem
Pumplicht erzeugt der Zündlaser 26 in an sich
bekannter Weise einen Laserimpuls 24, der durch eine Fokussieroptik 52 auf
einen in dem Brennraum 14 (1a) befindlichen Zündpunkt
ZP fokussiert ist. Die in dem Gehäuse 38 des Zündlasers 26 vorhandenen
Komponenten sind durch ein scheibenförmiges Brennraumfenster 58 von
dem Brennraum 14 getrennt. Das Brennraumfenster 58 kann
quadratisch oder bevorzugt rund ausgeführt sein.
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2 und 3 zeigen
zwei erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele
des Zündlasers 26. In beiden Ausführungsbeispielen
ist das Gehäuse 38 zweiteilig ausgebildet. Es
umfasst eine Innenhülse 62 und eine Außenhülse 64.
Die Innenhülse 62 umschließt den laseraktiven
Festkörper 44. Die Außenhülse 64 weist
an einem dem Brennraum 14 (siehe 1a) zugewandten
Ende einen Absatz 66 auf. Die Innenhülse 62 und
die Außenhülse 64 sind über
eine radiale Schweißnaht 68 miteinander verbunden.
Dabei können die Innenhülse 62 und die
Außenhülse 64 so miteinander verschweißt
werden, dass der Absatz 66 das Brennraumfenster 58 gegen
einen Einsatz 70 presst.
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Zwischen
der Innenhülse 62 und der Außenhülse 64 ist
ein Einsatz 70 angeordnet, der bevorzugt aus einem keramischen
Material hergestellt ist. Der Einsatz 70 weist entgegen
einer Laserstrahlaustrittsrichtung eine Verdickung 72 auf.
Die Verdickung 72 sorgt für eine zuverlässige
Fixierung des Einsatzes 70 in der Außenhülse 64.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Fokussieroptik
in den Auskoppelspiegel 48 integriert. Der erfindungsgemäße
Einsatz 70 hat eine ebene und ringsförmige Abschlussfläche 74.
An der Abschlussfläche 74 liegt eine Seite des
Brennraumfenster 58 an; auf der Gegenseite des Brennraumfensters 58 liegt
ein Absatz 66 der Außenhülse 64 an. Der
Absatz 66 ist derart ausgestaltet, dass er mittig eine Öffnung
aufweist, durch die die Laserimpulse des Zündlasers 26 ungehindert
hindurchtreten können.
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Der
Einsatz 70 und das Brennraumfenster 58 werden
an der ringförmigen Kontaktfläche 74 dichtend
miteinander verbunden. Dazu kann eines der in der Beschreibungseinleitung
genannten Fügeverfahren eingesetzt werden. Alternativ oder
kumulativ ist es auch möglich, den Einsatz 70 und
das Brennraumfenster 58 gegeneinander zu pressen. Dazu
ist zwischen dem Einsatz 70 und der Innenhülse 62 ein Ring 78 vorgesehen,
der in axialer Richtung federnd ausgebildet ist und die erforderliche
Anpresskraft zwischen Einsatz 70 und Brennraumfenster 58 bereitstellt.
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3 unterscheidet
sich von 2 lediglich in der Ausgestaltung
des Einsatzes 70 und der Lagerung des Brennraumfensters 58.
In 3 ist das Brennraumfenster 58 zusätzlich
seitlich radial durch eine Einfassung 76 des Einsatzes 70 geführt,
so dass das Brennraumfenster 58 im Bereich des Einsatzes 70 an
der Abschlussfläche 74 und auch radial mit dem
Einsatz 70 verbunden werden kann. Bei dieser Ausgestaltung
sind vorzugsweise kreisrunde Scheiben zu verwenden. Quadratische
Scheiben sind hier generell auch möglich.
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Um
die geforderte lange Lebensdauer des Zündlasers 26 und
eine sichere Abdichtung des Brennraumfensters 58 mit dem
Einsatz 70 für einen zuverlässigen Betrieb
zu gewährleisten, ist die Auswahl des Materials des Brennraumfensters 58 und des
Einsatzes 70, sowie die Fügetechnik zum Verbinden
der beiden Teile von entscheidender Bedeutung.
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Das
Material des Brennraumfenster 58 muss für die
Wellenlänge der ausgesandten Laserstrahlen (zwischen 500
nm und 1500 nm, vorzugsweise zwischen 900 nm und 1100 nm) transmissiv
sein und sollte einen möglichst ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
wie der Einsatz 70 aufweisen, um Wärmespannungen
zu verhindern. Außerdem müssen beide Materialien
hitzebeständig sein, da im Betrieb des Zündlasers
bis 1.000°C auftreten können. Als Material für
den Einsatz bieten sich Al2O3 (Aluminiumoxid)
oder Modifikationen von Al2O3 oder
Mischungen mit Al2O3 insbesondere
mit Glaszusätzen an. Diese haben sich in der Vergangenheit
schon als temperatur- und druckresistenter Werkstoff, so bspw. bei
herkömmlichen Zündkerzen, bewährt. Die
o. g. Bedingungen für das Brennraumfenster 58 erfüllt
dabei bspw. ein Al2O3-Einkristall
(Saphir), ein MgAl2O4-Einkristall
(Spinell) oder Aluminiumoxynitrid (ALONTM,
auch ”transparentes Aluminium” genannt).
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Zum
Verbinden des Brennraumfensters 58 mit dem Einsatz 70 bieten
sich verschieden Fügetechniken an. So kann die Verbindung
bspw. durch Hartlöten mit einem titanaktivierten Lot hergestellt werden.
Hierfür wird beispielsweise ein Silber-Kupfer-Lot mit einem
Anteil von 3,5 Gew-% Titan verwendet. Aus einer Folie, die aus diesem
Material besteht, werden passende Stücke herausgestanzt
und an der Kontaktfläche 74 zwischen dem Einsatz 70 und
dem Brennraumfenster 58 eingelegt. Anschließend
erfolgt das Löten unter Vakuum in einer speziellen Zentriervorrichtung,
die die Fügepartner relativ zueinander fixiert.
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Alternativ
ist es auch möglich, ein Glaslot zu verwenden, beispielsweise
ein Alkali-Erdalkali-Borosilicatglas, das einen Anteil Al2O3, aufweist. Dieses Glaslot
wird hergestellt, indem Glaspulver mit einem organischen Bindersystem
zu einer Paste verarbeitet wird. Anschließend wird diese
Paste mittels Siebdruck auf dem Brennraumfenster 58 aufgebracht. Nachfolgend
erfolgen ein Ausheizen der organischen Bestandteile und ein Versintern
der Glaspartikel. Das eigentliche Löten erfolgt abschließend
bei einer Temperatur, die oberhalb des Halbkugelpunktes des Glaslotes
liegt.
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In
von der Anmelderin durchgeführten Dauererprobungen von
Zündlasern 26, bei denen ein derartiges Glaslot
in der beschriebenen Art und Weise zum Verbinden des Einsatzes 70 mit
dem Brennraumfenster 58 verwendet wurde, ließen
sich durchweg sehr gute Ergebnisse bezüglich der Dichtheit und
der thermomechanischen Belastbarkeit der Fügestellen verzeichnen.
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Es
erfolgt bei der in 2 gezeigten Variante eine axiale
Verbindung der Fügepartner 70, 58 an
der Kontaktfläche 74. Bei der in 3 gezeigten
Variante erfolgt anstelle der axialen Verbindung oder zusätzlich
zu dieser eine radiale Verbindung zwischen Brennraumfenster 58 und
der Einfassung 76 des Einsatzes 70.
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Ein
Verbinden der beiden Teile durch Sintern ist ebenfalls möglich,
wobei ein Flussmittel bereits im Material des Einsatzes 70 enthalten
sein kann. Es können auch beide Materialien in einem (”grünen”) ungebrannten
Zustand zusammengebracht (sog. Garnieren) und anschließend
gesintert werden.
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Auch
ein Diffusionsverschweißen ist möglich, dabei
werden die Berührungsflächen hochpoliert und anschließend,
bspw. durch den Absatz 66 der Außenhülse 64,
aneinandergepresst. Anzumerken ist, dass bei einer Anordnung, die
mehr als eine Verbindungsflächen zwischen Brennraumfenster 58 und Einsatz 70 bietet
(so wie in 3 gezeigt), jede Verbindungsfläche
mit einer anderen Fügetechnik verbunden werden kann, so
dass mehrere Verfahren angewandt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/066488
A1 [0001]