EP2392055A1 - Zündlaser - Google Patents

Zündlaser

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EP2392055A1
EP2392055A1 EP10701146A EP10701146A EP2392055A1 EP 2392055 A1 EP2392055 A1 EP 2392055A1 EP 10701146 A EP10701146 A EP 10701146A EP 10701146 A EP10701146 A EP 10701146A EP 2392055 A1 EP2392055 A1 EP 2392055A1
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EP
European Patent Office
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combustion chamber
chamber window
insert
laser
ignition laser
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10701146A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Weyl
Marco Gueth
Werner Herden
Karl-Heinz Nuebel
Franz Wetzl
Martin Weinrotter
Pascal Woerner
Stefan Henneck
Juergen Raimann
Joerg Engelhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2392055A1 publication Critical patent/EP2392055A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/26—Starting; Ignition
    • F02C7/264—Ignition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/025—Constructional details of solid state lasers, e.g. housings or mountings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/113—Q-switching using intracavity saturable absorbers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making

Definitions

  • the inner and outer sleeves can be made from inexpensive metal, for example steel.
  • the housing must be substantially sufficiently heat-resistant and have the required mechanical strength.
  • Particularly preferred manufacturing methods of the ignition laser according to the invention provide that the integral connection of the insert to the combustion chamber window is effected by a soldering process.
  • a solder is provided, whose main components are silver and copper. The use of such a solder ensures that thermo-mechanical stresses between the joining partners in the solder can be taken plastic.
  • Main components were silver and copper and the titanium content of 2 wt .-% - 4 wt% had, also presented in long-term testing consistently very good results in terms of tightness and the thermo-mechanical load capacity of the joints.
  • solder material is punched out of a film by means of a punching device and inserted at the joint between the insert and the combustion chamber window. Subsequently, the soldering takes place under vacuum in a special centering device, which fixes the joining partners relative to each other.
  • the actual soldering is preferably carried out at a higher temperature than the baking and the sintering.
  • the soldering is carried out at a temperature which is above the hemisphere point of the material of the selected glass solder.
  • Alkaline earth borosilicate glass which has a proportion of Al 2 O 3 .
  • This glass solder is made by making glass powder into a paste with an organic binder system. Subsequently, this paste is applied by screen printing on the combustion chamber window 58. This is followed by heating of the organic constituents and sintering of the glass particles. The actual soldering takes place finally at a temperature which is above the hemisphere point of the glass solder.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zündlaser (26), umfassend einen laseraktiver Festkörper (44), ein Gehäuse (38) und ein Brennraumfenster (58), wobei das Gehäuse (38) eine Innenhülse (62) und eine Außenhülse (64) umfasst. Zwischen der Innenhülse (62) und der Außenhülse (64) ist ein Einsatz (70) vorgesehen, wobei der Einsatz (70) und das Brennraumfenster (58) dichtend und stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

Description

Beschreibung
Titel Zündlaser
Stand der Technik
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.
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.
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.
Offenbarung der Erfindung 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.
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.
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.
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.
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.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Einsatz aus einer Keramik, insbesondere aus AI2O3 (Aluminiumoxid) mit einem Glaszusatz gefertigt ist. AI2O3 oder Modifikationen von AI2O3 oder Mischungen mit AI2O3 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. 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.
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.
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 4000C 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.
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 AI2O3-Einkristall (Saphir), einem MgAI2O4- Einkristall (Spinell) oder aus Aluminiumoxynitrid (ALON™, auch "transparentes Aluminium" genannt) gefertigt sein.
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.
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.
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 4000C um nicht mehr 15% unterscheiden und/oder um nicht mehr als 1 *10"6/K unterscheiden, beispielsweise Saphir und AI2O3 mit einem
Glasphasenanteil.
Dabei kann die Dichtheit erhöht werden, wenn das Brennraumfenster von der Außenhülse das Brennraumfenster zusätzlich gegen den Einsatz gepresst wird.
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. Beim Diffusionsschweißen werden die Kontaktflächen von Einsatz und Brennraumfenster poliert und anschließend, bspw. durch die Außenhülse des
Gehäuses, aneinandergepresst.
Besonders bevorzugte Herstellverfahren des erfindungsgemäßen Zündlasers sehen vor, dass das stoffschlüssige Verbinden des Einsatzes mit dem Brennraumfenster durch einen Lötprozess erfolgt. 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.
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.
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.
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.
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 AI2O3, aufweist.
Das Material des Glaslots wird bevorzugt so gewählt, dass sein Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Fügepartner liegt.
Das Material des Glaslots wird ferner bevorzugt so gewählt, dass seine
Glasübergangstemperatur mindestens 5OK höher ist als die maximale Einsatztemperatur des Zündlasers, also beispielsweise mindestens 6500C beträgt. Überdies wird das Material des Glaslots bevorzugt so gewählt, dass es auch bei hohen Temperaturen, beispielsweise bei 6000C, gegenüber Abgasen chemisch resistent ist. 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.
Bevorzugt schließen sich die Verfahrensschritte Ausheizen der organischen Bestandteile und Versintern der Glaspartikel an.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft erläutert. Es zeigen:
Figur 1 a eine schematische Darstellung einer laserbasierten Zündeinrichtung in einer
Brennkraftmaschine;
Figur 1 b eine schematische und detaillierte Darstellung der Zündeinrichtung aus Figur
1 ; und
Figuren 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele eines Zündlasers aus Figur 1 oder 2.
Detaillierte Beschreibung
Anhand der Figuren wird die erfindungsgemäße Zündeinrichtung beispielhaft in einer
Brennkraftmaschine erläutert. Der Zündlaser kann jedoch auch in einer Gasturbine implementiert sein.
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1a insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die Brennkraftmaschine
10 umfasst üblicherweise mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 a 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.
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.
Wie aus Figur 1 b 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.
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 (Figur 1 a) 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.
Figur 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 Figur 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.
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.
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.
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.
Figur 3 unterscheidet sich von Figur 2 lediglich in der Ausgestaltung des Einsatzes 70 und der Lagerung des Brennraumfensters 58. In Figur 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. 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.
Das Material des Brennraumfenster 58 muss für die Wellenlänge der ausgesandten Laserstrahlen (zwischen 500 nm und 1500 nm, vorzugsweise zwischen 900 nm und 1 100 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 AI2O3 (Aluminiumoxid) oder Modifikationen von AI2O3 oder Mischungen mit AI2O3 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 AI2O3-Einkristall (Saphir), ein MgAI2O4- Einkristall (Spinell) oder Aluminiumoxynitrid (ALON™, auch "transparentes Aluminium" genannt).
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.
Alternativ ist es auch möglich, ein Glaslot zu verwenden, beispielsweise ein Alkali-
Erdalkali-Borosilicatglas, das einen Anteil AI2O3, 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.
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.
Es erfolgt bei der in Figur 2 gezeigten Variante eine axiale Verbindung der
Fügepartner 70, 58 an der Kontaktfläche 74. Bei der in Figur 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.
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.
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 Figur 3 gezeigt), jede Verbindungsfläche mit einer anderen Fügetechnik verbunden werden kann, so dass mehrere Verfahren angewandt werden können.

Claims

Ansprüche
1. Zündlaser (26), umfassend einen laseraktiver Festkörper (44), ein Gehäuse (38) und ein Brennraumfenster (58),wobei das Gehäuse (38) eine Innenhülse (62) und eine Außenhülse (64) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Innenhülse (62) und der Außenhülse
(64) ein Einsatz (70) vorgesehen ist, und wobei der Einsatz (70) und das Brennraumfenster (58) dichtend und stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
2. Zündlaser (26) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz
(70) aus einem keramischen Werkstoff besteht.
3. Zündlaser (26) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (70) aus AI2O3, bevorzugt mit einem Glaszusatz, gefertigt ist.
4. Zündlaser (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Einsatzes (70) einen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten dem Material des Brennraumfensters (58) weitestgehend entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
5. Zündlaser (26) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (58) aus einem AI2O3-Einkristall gefertigt ist.
6. Zündlaser (26) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (58) aus einem MgAI2θ4-Einkristall gefertigt ist.
7. Zündlaser (26) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (58) aus Aluminiumoxynitrid gefertigt ist.
8. Zündlaser (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (58) eine viereckige, vorzugsweise quadratische, Scheibe ist.
9. Zündlaser (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (58) eine runde, vorzugsweise kreisrunde, Scheibe ist.
10. Zündlaser (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (58) mit einer Stirnfläche (74) des Einsatzes (70) dichtend und stoffschlüssig verbunden ist.
1 1. Zündlaser (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (58) in eine Aussparung des Einsatzes (70) eingelassen, und dichtend und stoffschlüssig verbunden ist.
12. Zündlaser (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (58) durch Hartlöten, Sintern, Garnieren und anschließendes Sintern und/oder oder Diffusionsschweißen an mindestens einer Berührungsfläche (74, 76) mit dem Einsatz (70) verbunden ist.
13. Laserzündeinrichtung (27) umfassend eine Steuereinrichtung (32), einen Zündlaser (26), eine Lichtleitereinrichtung (28), die mit einem Pumplicht aus einer Pumplichtquelle (30) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass der
Zündlaser (26) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist.
14. Verfahren zur Herstellung eines Zündlasers (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden des Einsatzes (70) mit dem Brennraumfenster (58) durch Löten erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Löten mit Hilfe eines Lotes erfolgt, das entweder ein Aktivlot, insbesondere ein Lot auf Ag-Cu-Basis mit Titananteil ist, oder ein Glaslot, insbesondere ein Alkali- Erdalkali-Borosilicatglas, das einen Anteil AI2O3, aufweist, ist.
EP10701146A 2009-02-02 2010-01-25 Zündlaser Withdrawn EP2392055A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009000540 2009-02-02
DE102010001185A DE102010001185A1 (de) 2009-02-02 2010-01-25 Zündlaser
PCT/EP2010/050795 WO2010086287A1 (de) 2009-02-02 2010-01-25 Zündlaser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2392055A1 true EP2392055A1 (de) 2011-12-07

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