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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, insbesondere zur Montage in einem Zündkerzenschacht einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Mittel zur Erzeugung von Laserstrahlung, wobei das Mittel zur Erzeugung von Laserstrahlung sich in einem Kerzengehäuse befindet und einen Laserkristall umfasst.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für eine derartige Laserzündkerze.
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Bei heutigen Laserzündkerzen findet man verschiedene Realisierung zur Fixierung des Laserkristalls in einem Kristallhalter bzw. in einem Kerzengehäuse, wie zum Beispiel mittels Scheiben an jedem Ende des Kristallhalters oder mit mindestens einer Schraube, die einen Dämpfer, wie eine Gummipille oder eine Feder, aufweisen kann. Bei weiteren Realisierungen erfolgt die Fixierung des Laserkristalls im Kristallhalter über Löten (Yan et al. Laser Physics 21 (2011) 462).
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Für die Bewertung der Qualität einer Fixierungsmethode werden verschiedene Kriterien herangezogen. So soll eine Fixierung schüttelfest sein, dass bedeutet, die Fixierung hält Belastungen mit einer Beschleunigung von bis zu 100 g und/oder Stürzen aus 1 m auf Beton stand. Gleichzeitig soll die Fixierung möglichst keine bzw. nur eine geringe mechanische Spannung im Laserkristall verursachen, da mechanische Spannungen zu optischen Inhomogenitäten, wie z.B. Doppelbrechung, führen, die die Effizienz des Laserkristalls verringern. Des Weiteren muss die Fixierungsmethode einen ausreichenden Wärmekontakt zwischen Laserkristall und Kristallhalter bzw. Kristallgehäuse gewährleisten, damit der Laserkristall ausreichend gekühlt werden kann. Zusätzlich ist es wünschenswert, wenn die Fixierungsmethode auch eine abdichtende Funktion übernimmt. Idealerweise kann die Fixierung des Laserkristalls im Kristallhalter wieder gelöst werden, ohne dass die einzelnen Komponenten beschädigt oder zerstört werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit die Komponenten wieder zu verwenden und somit Kosten und Material zu sparen.
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In Tabelle I sind die bekannten Fixierungsmethoden entsprechend der oben genannten Kriterien bewertet worden. Ein ++ bzw. -- bedeutet, dass die Fixierungsmethode das Kriterium gut bzw. nicht erfüllt. Ein o bedeutet, dass die Fixierungsmethode das Kriterium nur bedingt erfüllt. Ein + bzw. – bedeutet, dass die Fixierungsmethode das Kriterium bedingt erfüllt mit einer Tendenz zu gut bzw. zu nicht erfüllt. Es zeigt sich in der Tabelle 1, dass jede der bekannten Methoden mindestens bei einem Kriterium mit o (bedingt) oder schlechter bewertet wird.
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Vorteil der Erfindung/Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze der eingangs genannten Art und ein entsprechendes Herstellungsverfahren hierfür dahingehend zu verbessern, dass die vorstehenden Nachteile der Fixierungsmethode bei der Laserzündkerze beseitigt bzw. minimiert werden.
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Diese Aufgabe wird bei der Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Laserkristall im Kerzengehäuse mittels einer Klebeverbindung fixiert ist.
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Die erfindungsgemäße Vorsehung, den Laserkristall mittels einer Klebeverbindung im Kerzengehäuse, bzw. im einem Kristallhalter, zu fixieren, ist besonders vorteilhaft, da dadurch alle eingangs genannten Qualitätskriterien für eine gute Fixierung des Laserkristalls erfüllt werden (siehe Tabelle II).
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Bei dem Kleber handelt es sich um einen 2-Komponeten-Kleber, wie z.B. ein Gießharz-Kleber. Es kann beispielsweise ein 2-Komponenten-Polyurethan-Gießharz-Kleber, wie z.B. ISO-PUR K 760, verwendet werden. Der 2-Komponenten-Kleber hat den Vorteil, dass er relativ weich ist und sich leicht auf dem Laserkristall verteilen lässt.
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Weiterbildungen sehen vor, dass der Kleber auf mindestens einem Teil einer transversalen Seite des Laserkristalls aufgetragen wird. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Klebeverbindung entlang des vollen Umfangs der transversalen Seiten des Laserkristalls ausgebildet ist. Je nach Verwendung kann dabei die Klebeverbindung entlang der Gesamtlänge oder einer Teillänge einer transversalen Seite oder der transversalen Seiten des Laserkristalls ausgebildet sein.
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Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass die oben beschriebene Klebeverbindung eine schüttelfeste und abdichtende Fixierung des Laserkristalls im Kristallhalter, bzw. im Kerzengehäuse, ermöglicht. Des Weiteren verursacht die Fixierung mit einem weichen Kleber kaum mechanische Spannungen im Laserkristall. Aufgrund der Elastizität des Klebers können sogar thermische Spannungen zwischen Laserkristall und Kristallhalter bzw. Kerzengehäuse, die sich durch die unterschiedliche Temperaturausdehnung der Komponenten ergibt, ausgeglichen werden, so dass die Dichtheit und die Spannungsfreiheit für die beim Betrieb relevanten Temperaturen erfüllt werden.
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Durch das Aufbringen des Klebers auf mindestens einen Teil mindestens einer transversalen Seite des Laserkristalls ist ein guter Wärmekontakt zwischen Laserkristall und Kristallhalter, bzw. Kerzengehäuse, gewährleistet, so dass der Laserkristall ausreichend gekühlt wird. Die Klebeverbindung ist wieder lösbar. Bei Bedarf kann der Laserkristall aus der Kristallhalterung, bzw. dem Kerzengehäuse, gepresst werden ohne die einzelnen Komponenten zu beschädigen oder zu zerstören. Die dazu notwendige Kraft ist proportional zu der Fläche der Klebeverbindung. Die Klebereste können leicht vom Laserkristall und Kristallhalter, bzw. Kerzengehäuse, entfernt werden, so dass die einzelnen Komponenten wieder verwendbar sind.
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Der Laserkristall ist beispielsweise mittels der Klebeverbindung in einem Kristallhalter fixiert und der Kristallhalter ist wiederherum im Kerzengehäuse angeordnet fixiert. Alternativ kann der Kristallhalter auch einstückig in das Kerzengehäuse integriert sein, so dass insbesondere eine Unterscheidung von Kristallhalter und Kerzengehäuse nicht möglich ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kristallhalter, bzw. das Kerzengehäuse, mindestens eine Bohrung unter einem Winkel zu einer zum Laserkristall weisenden Innenfläche aufweist. Der Winkel zwischen Innenfläche und Bohrung nimmt dabei beispielsweise einen Wert zwischen 0° und 90° an, insbesondere ist ein Wert aus dem Bereich von 45° bis 90° zu bevorzugen. Der Kristallhalter, bzw. das Kerzengehäuse, kann mehrere Bohrungen unter einem gleichen Winkel oder verschiedenen Winkeln zur Innenfläche aufweisen. Die Bohrung bietet die Möglichkeit den Kleber für die Klebeverbindung in einen zwischen Laserkristall und Kristallhalter, bzw. Kerzengehäuse, ausgebildeten Zwischenraum einzubringen. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht mindestens eine zweite Bohrung vor, durch die Luft und/oder überschüssiger Kleber wieder entweichen kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Kristallhalter, bzw. das Kerzengehäuse, mindestens eine Nut auf der zum Laserkristall weisenden Innenfläche auf. Mittels der Nut kann der Kleber gleichmäßig im Zwischenraum zwischen Laserkristall und Kristallhalter, bzw. Kerzengehäuse, verteilt werden und an die gewünschten Stellen der transversalen Seiten des Laserkristalls geleitet werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich für die Laserzündkerze herausgestellt, wenn der Kristallhalter, bzw. das Kerzengehäuse, ein Netz aus Nuten aufweist. Das Netz aus Nuten kann aus Längsnuten, Quernuten, diagonal, kreisförmig und/oder spiralförmig angeordneten Nuten bestehen. Dadurch ist eine noch gezieltere Verteilung des Klebers im Zwischenraum von Laserkristall und Kristallhalter, bzw. Kerzengehäuse, möglich.
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Als Laserkristalle kann jeder laseraktive Festkörper verwendet werden. Es werden bevorzugt Glas oder YAG-Kristalle als Wirtskristalle mit Chrom, Neodym oder Ytterbium als Dotierungsmaterial verwendet. Als Laserkristall werden besonders bevorzugt Cr4+:Glas, Nd:Glas, Yb:Glas, Cr4+:YAG, Nd:YAG oder Yb:YAG verwendet. Der Laserkristall kann z.B. zylinderförmig oder quaderförmig mit quadratischen, rechteckigen oder mehreckigen Grundflächen sein. Der Laserkristall kann gegebenenfalls eine oder mehrere Beschichtungen aufweisen, z.B. auf der Pumplicht einkoppelnden Seite des Laserkristalls eine erste Beschichtung, die hochtransmittierend für eine Wellenlänge von 808 nm (HT808 nm) ist, und/oder ebenfalls auf der Pumplicht einkoppelnden Seite eine zweite Beschichtung, die hochreflektierend für eine Wellenlänge von 1064 nm bei senkrechtem Lichteinfall (HR1064 nm/0°) ist, und/oder auf der dem Brennraum zugewandten Auskoppelseite des Laserkristalls eine dritte Beschichtung, die für eine Lichtwellenlänge von 1064 nm eine Reflektion von 40% bis 70% bei senkrechtem Lichteinfall (R40%–R70% 1064 nm/0°) aufweist. Es ist auch möglich, dass der Laserkristall neben dem laseraktiven Festkörper (Festkörperlaser) auch eine passive oder aktive Güteschaltung und/oder eine Pumplichtquelle, wie z.B. einen Halbleiterdioden-Laser, umfasst. Diese Komponenten können gegebenenfalls alle oder teilweise monolithisch ausgebildet sein.
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Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Laserzündkerze gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch angegeben.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
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Zeichnung
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1 zeigt ein Beispiel für eine Laserzündkerze mit einem Kerzengehäuse, einem Kristallhalter, einem Mittel zur Erzeugung von Laserstrahlung und einem Mittel zur Fokussierung der Laserstrahlen.
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Die 2a) bis 2c) zeigen Beispiele für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze, bei der die Klebeverbindung auf der vollen Fläche der transversalen Seiten des Laserkristalls ausgebildet ist.
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Die 3a) und 3b) zeigen Beispiele für eine erfindungsgemäße Laserzündkerze, bei der die Klebeverbindung auf einer Teilfläche der transversalen Seiten des Laserkristalls ausgebildet ist.
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Die 4a) bis 4c) zeigen Beispiele für eine erfindungsgemäße Laserzündkerze, bei der der Kristallhalter mindestens eine Bohrung aufweist, durch die der Kleber in den Zwischenraum zwischen Kristallhalter und Laserkristall eingebracht wird.
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5 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Laserzündkerze, bei der der Kristallhalter mindestens eine Bohrung und mindestens eine Nut aufweist, durch die sich der Kleber im Zwischenraum zwischen Kristallhalter und Laserkristall verteilt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserzündkerze 1 mit einem Kerzengehäuse 2, einem Kristallhalter 3, einem Mittel zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung 4, einem Mittel zur Fokussierung 5 der gepulsten Laserstrahlung in einem im Brennraum befindlichen Zündpunkt und einem Brennraumfester 6.
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Das Kerzengehäuse 2 besteht typischerweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung, wie z.B. Stahl, insbesondere Edelstahl 1.4301. Bei dem Kristallhalter 3 kann es sich wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt um eine separate Komponente handeln. Alternativ kann der Kristallhalter 3 im Kerzengehäuse 2 integriert sein, so dass die beiden Komponenten aus einem Stück ausgebildet sind. Der Kristallhalter 3 besteht ebenfalls aus einem Metall oder einer Metalllegierung, wie z.B. Stahl, insbesondere Edelstahl 1.4301.
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Das Mittel zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung 4 umfasst einen laseraktiven Festkörper, auch Laserkristall 7 oder Festkörperlaser genannt, und/oder gegebenenfalls eine passive oder aktive Güteschaltung und/oder eine Pumplichtquelle. Die Komponenten des Mittels zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung 4 können als Einzelkomponenten oder ganz oder teilweise monolithisch als eine Komponente ausgebildet sein. Gegebenenfalls sind Mittel zur Übertragung des Pumplichts zum Festkörperlaser bzw. zum Laserkristall 7 vorgesehen.
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Bei dem Mittel zur Fokussierung 5 der gepulsten Laserstrahlung kann es sich wie hier gezeigt um eine Linsenkombination aus Aufweitungslinse 8 und Fokussierungslinse 9 handeln. Denkbar sind auch andere Kombination aus mehr oder weniger Aufweitungslinsen und/oder Fokussierungslinsen.
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Das Brennraumfester 6 besteht typischerweise aus einem für die verwendete Wellenlänge transparenten Einkristall, insbesondere ein Saphir-Einkristall, und trennt die Laserzündkerze 1 von der Brennkammer, in der die Zündung eines brennbaren Luft-Gas-Gemisches stattfindet.
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Nicht gezeigt, sind die zur Laserzündkerze
1 dazugehörigen elektrischen Leitungen für die Stromversorgung des Mittels zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung
4, sowie Details der konstruktiven Ausgestaltung der Laserzündkerze
1, die dem Fachmann beispielsweise aus der
EP 1 519 038 A1 oder der
DE-10 2010 031 598 A1 bekannt sind. Optional sind Mittel zur optischen Übertragung des Pumplichts und/oder des gepulsten Laserstrahls vorgesehen. Ferner kann eine thermische Leitung, insbesondere für Kühlflüssigkeit, zur Kühlung der Mittel zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung
4 und/oder anderen Komponenten vorgesehen sein. Ebenso nicht dargestellt sind mögliche Mittel zur Montage der Laserzündkerze
1 in einen Zündkerzenschacht an einer Brennkraftmaschine, wie z.B. ein Gewinde oder Klammern.
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In den 2a) bis 2c) wird ein Beispiel zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze 1 gezeigt, wobei der Kleber 10 auf allen transversalen Seiten 11 über die gesamte Länge des Laserkristalls 7 aufgebracht ist. Im ersten Schritt wird auf einer Teillänge des Laserkristalls 7, z.B. auf 1/3 der Gesamtlänge des Laserkristalls 7, auf allen transversalen Seiten 11 der Kleber 10 mittels einer Kanüle aufgetragen (2a)). Danach wird der Laserkristall 7 auf eine Öffnung 12 des Kristallhalters 3, bzw. Kerzengehäuses 2, gesetzt, dabei weist der mit Kleber 10 bestriechenden Teil des Laserkristalls 7 zum Kristallhalter 3, bzw. zum Kerzengehäuse 2, hin. Aufgrund der Schwerkraft versenkt sich der Laserkristall 7 selbstständig in der Öffnung 12 des Kristallhalters 3, bzw. des Kerzengehäuses 2 (2b)). Dabei verteilt sich der Kleber 10 gleichmäßig auf der gesamten transversalen Oberfläche des Laserkristalls 7. Die Stirnseiten 13 des Laserkristalls 7 bleiben dabei frei vom Kleber 10 (2c)). Der Kleber 10 härtet anschließend für ca. 12 Stunden bei Raumtemperatur aus.
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Die Vorteile der Klebung in diesem Ausführungsbeispiel sind, dass die Fixierung eine hohe Schüttelfestigkeit, eine sehr gute Abdichtung und einen guten Wärmekontakt zwischen Laserkristall 7 und Kristallhalter 3, bzw. Kerzengehäuse 2, aufweist. Durch das langsame und selbstständige Positionieren des Laserkristalls 7 im Kristallhalter 3, bzw. Kerzengehäuse 2, und das langsame Aushärten des Klebers 10 wird der Laserkristall 7 nahezu frei von mechanischen Verspannungen fixiert. Aufgrund der großen Klebefläche muss bei diesem Ausführungsbeispiel die größte Kraft zum Auspressen des Laserkristalls 7 aus dem Kristallhalter 3, bzw. Kerzengehäuse 2, im Vergleich zu den anderen Ausführungsformen aufgewendet werden.
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In Tabelle II ist die Bewertung der eingangs erwähnten Qualitätskriterien einer guten Fixierung für diese Ausführungsform der Klebeverbindung zusammengefasst. Es gilt die gleiche Legende wie für die Bewertung in Tabelle I. Die erfindungsgemäße Klebeverbindung wird in allen Punkten mit mindestens einem + (bedingt/gut) bewertet.
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In den 3a) und 3b) sind alternative Ausführungsformen für die Fixierung des Laserkristalls 7 dargestellt. Der Kleber 10 für die Fixierung ist nur auf einer Teillänge anstatt auf der gesamten Länge der transversalen Seiten 11 des Laserkristalls 7 aufgebracht. Vorzugsweise sollte die Klebeverbindung auf dem Teil des Laserkristalls 7 ausgebildet sein, in dem das Pumplicht eingekoppelt wird, da beim Einkoppeln des Pumplichts die meiste Wärme im Laserkristall 7 entsteht. Der Wärmekontakt für die Kühlung des Laserkristalls 7 wird über die Klebeverbindung hergestellt.
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Zusätzlich ist denkbar, dass mittels mindestens eines weiteren Klebepunkts 14 der Laserkristall 7 gestützt wird. In 3b) sind verschiedene mögliche Positionen für einen oder mehrere weitere Klebepunkte 14 gezeigt. Ein weiterer Klebepunkt 14 bewirkt eine Fixierung und verhindert ein mögliches Schwingen des Laserkristalls 7.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 1 sind in den 4a) bis c) dargestellt. Der Kristallhalter 3, bzw. das Kerzengehäuse 2, weist mindestens eine Bohrung 15 auf, die senkrecht oder unter einem Winkel zu einer zum Laserkristall 7 weisenden Innenfläche 16 des Kristallhalters 3, bzw. des Kerzengehäuses 2, ausgebildet ist. In 4a) beträgt der Winkel, unter dem die Bohrung 15 ausgebildet ist, ca. 55°. Der Kleber 10 wird mittels einer Kanüle durch die Bohrung 15 in den Zwischenraum 17 zwischen Laserkristall 7 und Kristallhalter 3, bzw. Kerzengehäuse 2, eingefüllt und verteilt sich im Zwischenraum 17. Die Menge des Klebers 10 ist so dosiert, dass der Kleber 10 nicht an den Öffnungen 12 an den Stirnseiten 13 des Laserkristalls 7 austritt.
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In den 4b) und c) sind Ausführungsformen dargestellt, bei denen es mindestens eine weitere Bohrung 15b gibt. Die weitere Bohrung 15b kann versetzt oder in einer Linie zur ersten Bohrung 15a angeordnet sein. Durch die erste Bohrung 15a wird der Kleber 10 in den Zwischenraum 17 eingefüllt. Durch die weiteren Bohrungen 15b entweichen die vom Kleber 10 verdrängte Luft und überschüssiger Kleber 10. Dadurch werden Lufteinschlüsse im Kleber 10 verhindert.
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Eine weitere Ausführungsform ist in
5 abgebildet. Zusätzlich zu den Bohrungen
15 weist der Kristallhalter
3, bzw. das Kerzengehäuse
2, auf der Innenfläche
16 Nuten
18 auf. Die Nuten
18 unterstützen eine gezielte Verteilung des Klebers
10 im Zwischenraum
17. Des Weiteren wird überschüssiger Kleber
10 von den Nuten
18 aufgenommen.
| Anforderung/Fixierung | fixierend | mechanisch spannungsfrei | abdichtend | Wärmekontakt | lösbar |
| Scheiben | ++ | o | - | o | ++ |
| Schraube | ++ | -- | -- | o | ++ |
| Schraube mit Dämpfer | o | o | -- | o | ++ |
| Löten | ++ | o | ++ | ++ | -- |
Tabelle I: Fixierung beim Stand der Technik; Legende: ++: erfüllt gut, +: bedingt/gut; o: bedingt, -: bedingt/nicht, --: nicht erfüllt
| Anforderung/Fixierung | fixierend | mechanisch spannungsfrei | abdichtend | Wärmekontakt | lösbar |
| Umfang-Kleben | ++ | + | ++ | + | ++ |
Tabelle II: erfindungsgemäße Fixierung mittels Klebeverbindung
Legende: ++: erfüllt gut, +: bedingt/gut; o: bedingt, -: bedingt/nicht, --: nicht erfüllt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1519038 A1 [0030]
- DE 102010031598 A1 [0030]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Yan et al. Laser Physics 21 (2011) 462 [0003]
- ISO-PUR K 760 [0009]
