Messkammer zur Anbringung auf einer Rauchdetektionseinheit mit einer Lichtfalle nach dem Prinzip einer Fresnel-Stufenlinse

Die Erfindung betrifft eine Messkammer zur Anbringung auf bzw. über einer Rauchdetektionseinheit eines Rauchmelders.

Die Messkammer ist insbesondere topf-, becher-, hauben- oder kappenförmig ausgestaltet. Sie ist für zu detektierenden Rauch durchlässig. Die Messkammer ist vorzugsweise für direk tes Umgebungslicht abschirmend ausgebildet. Weiterhin umfasst sie eine Messkammerdecke mit lichtabsorbierenden kantigen Strukturen an einer Innenseite der Messkammer.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstel lung einer besonderen Ausführungsform einer derartigen Mess kammer. Weiter betrifft die Erfindung ein Rauchdetektions modul mit einer Rauchdetektionseinheit und mit einer derarti gen Messkammer sowie mit einer Messkammer hergestellt nach einem derartigen Herstellungsverfahren. Schliesslich betrifft die Erfindung einen Rauchmelder, insbesondere einen Streu lichtrauchmelder .

Der Einsatz derartiger Messkammern in Rauchmeldern ist allge mein bekannt. Sie werden auch als optische Messkammern oder auch als Labyrinth bezeichnet.

Aus der EP 3499 475 A2 und aus der EP 3319 057 Al sind Rauchdetektionseinheiten bekannt, die in optoelektronische Bauteile als System-on-a-Chip (SoC) integriert sind.

Die in der EP 3499 475 A2 als SMD-Bauelement ausgebildete Rauchdetektionseinheit umfasst eine Infrarot-LED, eine blau leuchtende LED sowie eine spektral darauf abgestimmte Photo diode. Die optischen Achsen der LEDs verlaufen im montierten Zustand der Rauchdetektionseinheit quer, d.h. nahezu orthogo nal, zur Leiterplatte. Die optische Achse der Photodiode ver- läuft orthogonal zur Leiterplatte. Zudem ist eine Messkammer zur Applizierung auf einem Schaltungsträger beschrieben, der eine solche integrierte Rauchdetektionseinheit umfasst. Die Messkammer ist durchlässig für zu detektierenden Rauch, je doch gegenüber direktem Umgebungslicht abgeschirmt.

Hierbei tritt das Problem auf, dass durch die extreme Rück- wärtsstreulichtanordnung von ca. 160° ein nicht unerheblicher Teil des von den beiden LEDs in Richtung zur gegenüberliegen den Messkammer ausgesandten Lichts als sogenannter Grundpuls zurück zum Photosensor bzw. zur Photodiode gestreut und/oder reflektiert wird. Weist eine solche Messkammer einen angenom menen Durchmesser von 25 mm bei einer Bauhöhe von 15 mm auf, so überschreitet der empfangene Lichtintensitätspegel des reflektierten Grundpulses den Alarmierungspegel für den Brandfall um ein Vielfaches. Eine zuverlässige Rauchdetektion ist damit überhaupt nicht möglich.

Eine weitere Reduktion des Grundpulses ist z.B. mittels eines aus der US 2009/237259 Al bekannten Kegels möglich, der an der Messkammerinnenseite ausgebildet ist und den auftreffen den Lichtkegel seitlich ablenkt.

Davon ausgehend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Messkammer für eine Rauchdetektionseinheit anzugeben. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messkammer anzugeben, bei welcher der Ein fluss des Grundpulses reduziert ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungs verfahren für eine derartige Messkammer anzugeben.

Schliesslich ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Rauch detektionsmodul mit einer solchen Messkammer und einen Rauch melder mit einem solchen Rauchdetektionsmodul anzugeben. Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge löst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Schliess lich wird die Aufgabe durch ein geeignetes Herstellungsver fahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

Erfindungsgemäss sind die kantigen, vorzugsweise scharfkanti gen Lichtfallenstrukturen derart ausgeformt, dass sie dem bauformreduzierten Prinzip einer Fresnel-Stufenlinse folgen.

Mit anderen Worten sind diese lichtabsorbierenden Strukturen eine bauformreduzierte Form eines einzelnen Lichtfallentrich- ters analog dem Prinzip einer Fresnel-Stufenlinse. Weiter mit anderen Worten sind die Lichtfallenstrukturen derart ausge formt, dass sie optisch auf oder in etwa auf einen gemeinsa men Punkt ausgerichtet sind. Bei ordnungsgemässer Anbringung der Messkammer an eine dazu vorgesehene Rauchdetektionsein heit liegt dann dieser Punkt idealerweise am Lichtemitter bzw. am Lichtaustrittspunkt dieser Rauchdetektionseinheit.

Alternativ können die Lichtfallenstrukturen derart ausgeformt sein, dass sie optisch auf oder in etwa auf eine Gerade aus gerichtet sind, die idealerweise durch die Sendeachse direkt am Lichtemitter und vorzugsweise durch die Empfangsachse di rekt am Photosensor verläuft. Die Lichtfallenstrukturen kön nen auch als Fresnel-Lichtfallenstrukturen bezeichnet werden. Es handelt sich bei diesen um linienförmige, vorzugsweise um kreisförmige, elliptische oder gerade Lichtfallenstrukturen.

Mit «optischer Ausrichtung» der Fresnel-Lichtfallenstrukturen ist gemeint, dass die Winkelhalbierende des Öffnungswinkels einer jeweiligen Lichtfallenstruktur durch den gemeinsamen Punkt als «Brennpunkt» verläuft bzw. die zuvor genannte Gera de schneidet. Die Winkelhalbierende verläuft dabei senkrecht zur Tangente, die entlang der Längserstreckung der jeweiligen Lichtfallenstruktur entlang an deren Innenkante bzw. entlang an deren Scheitel verläuft. Der Kern der Erfindung liegt darin, die Bauform eines «idea len» Lichtfallentrichters in eine Vielzahl von verkleinerten Lichtfallentrichterstrukturen analog dem Fresnel-Prinzip zu verkleinern. Durch die Ausrichtung dieser Fresnel-Lichtfal lenstrukturen ist vorteilhaft der vom Lichtemitter aus gese hene Rückstreuquerschnitt im Vergleich zu den geraden, regel mässig gezackten lichtabsorbierenden Strukturen reduziert.

Der Grundpuls ist erheblich reduziert.

Nach einer Ausführungsform weisen die (Fresnel-)Lichtfallen strukturen analog einem Brennpunkt einer Fresnel-Stufenlinse eine Fresnel-Achse auf. Sie sind zudem auf einen gemeinsamen Fresnel-Punkt ausgerichtet. Der Fresnel-Punkt liegt in einer der Messkammerdecke gegenüberliegenden Bodenebene der Mess kammer oder in einem geringen Abstand dazu hin zur Messkam merdecke, d.h. in einem geringen Abstand von maximal 5 mm, vorzugsweise von maximal 2 mm. Die Bodenebene ist die Ebene, die von einem Rand der Messkammer im Sinne eines «Topfrandes» aufgespannt wird. Die Messkammer ist dabei so ausgestaltet, dass dann dieser Rand nach Anbringung der Messkammer auf oder an der vorgesehenen Rauchdetektionseinheit plan an einem Schaltungsträger der Rauchdetektionseinheit oder an einer flachen Abdeckung auf dem Schaltungsträger plan anliegt. Die Bodenebene verläuft somit parallel zur Ebene des Schaltungs trägers.

Einer weiteren Ausführungsform zufolge sind die Fresnel- Lichtfallenstrukturen derart ausgerichtet, dass sich der Fresnel-Punkt nach Anbringung der Messkammer auf einer vorge sehenen Rauchdetektionseinheit am Lichtaustritt eines Licht emitters der Rauchdetektionseinheit befindet. Mit anderen Worten ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Rotati onsachse oder Rotationssymmetrieachse einer typischen Mess kammer mit der Fresnel-Achse zusammenfällt.

Alternativ dazu können die Fresnel-Lichtfallenstrukturen der art ausgestaltet bzw. ausgeformt sein, dass sie nach Anbrin- gung der Messkammer auf einer vorgesehenen Rauchdetektions einheit optisch auf eine Gerade ausgerichtet sind. Die Gerade verläuft zumindest in etwa durch eine optische Sendeachse am Lichtaustrittspunkt eines Lichtemitters der Rauchdetektions einheit und vorzugsweise zumindest in etwa durch eine Emp fangsachse eines Photosensors der Rauchdetektionseinheit. Diese Gerade liegt in einer der Messkammerdecke gegenüberlie genden Bodenebene der Messkammer oder in einem geringen Ab stand zur Bodenebene hin zur Messkammerdecke.

Dadurch sind die Fresnel-Lichtfallenstrukturen nicht konzen trisch zur Fresnel-Achse, sondern linienförmig gerade und somit parallel zu dieser Gerade ausgebildet. Im Vergleich zu den bekannten geraden, regelmässigen gezackten lichtabsorbie renden Strukturen weist auch diese Ausbildung der Fresnel- Lichtfallenstrukturen einen deutlich reduzierten Rückstreu querschnitt auf. Dadurch reduziert sich der Grundpuls deut lich.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass diese geraden Fresnel- Strukturen einer solchen Messkammerdecke auch Hinterschnei dungen, sogenannte «Undercuts», aufweisen können. Derartige Strukturen sind - abgesehen von einem aufwändigen 3D-Kunst- stoffdruckverfahren - mittels eines herkömmlichen Spritzguss verfahrens mit Stempel und Matrize nicht herstellbar, jedoch mittels eines Strangpressverfahrens. Hierbei wird zunächst ein Strangpressprofil, vorzugsweise aus einem (schwarzen) Kunststoff, mit den geraden linienförmigen Fresnel-Strukturen mittels eines Strangpressverfahrens hergestellt und dann aus diesem Strangpressprofil die Messkammerdecke herausgetrennt, wie z.B. mittels eines Stanzverfahrens. Abschliessend wird die Messkammerdecke zusammen mit einem dazu komplementären, im Wesentlichen hohlen oder hohlzylindrischen Raucheintritts teil bzw. einem Labyrinthteil zur gesamten Messkammer zusam mengefügt. Insbesondere sind die Fresnel-Lichtfallenstrukturen durch eine Mehrzahl, wie z.B. im Bereich von 10 bis 100, insbeson dere in einem Bereich von 25 bis 50, konzentrisch zur Fres nel-Achse angeordneter Kerben oder Rillen oder durch eine (einzige) spiralförmig zur Fresnel-Achse verlaufende Kerbe oder Rille im Sinne einer Schallplatte gebildet.

Vorzugsweise weist die Messkammerdecke eine parallel zur Bo denebene der Messkammer verlaufende Messkammerdeckenebene auf. Die konzentrisch angeordneten Kerben oder Rillen, oder die spiralförmig verlaufende Kerbe oder Rille weisen in der Messkammerdecke eine jeweilige Innenkante sowie eine jeweili ge von der Messkammerdecke wegstehende Aussenkante auf. Es ist eine jeweilige Aussenkante in Bezug zu einer radial nach innen angrenzenden Innenkante derart radial nach aussen ver setzt, dass eine zwischen beiden Kanten gebildete Flanke or thogonal zur Messkammerdeckenebene verläuft.

Eine «ideale» Fresnel-Lichtfalle weist typischerweise im ra dialen Aussenbereich Hinterschneidungen auf. Ein Spritzguss verfahren zur Herstellung derartiger Fresnel-Lichtfallen strukturen scheidet daher - abgesehen von einem aufwändigen 3D-Kunststoffdruckverfahren - fertigungstechnisch aus. Durch das Versetzen der Innenkanten radial nach aussen ist es nun vorteilhaft möglich, mittels eines Spritzgussverfahrens eine konzentrische «Fresnel-Lichtfalle» herzustellen. Diese Lösung ist in optischer Hinsicht zwar nicht so gut wie die vorheri gen Lösung mit den Fresnel-Lichtfallenstrukturen mit Hinter schneidungen, aber dennoch erheblich besser als die bekannten geraden, regelmässig gezackten Strukturen.

Nach einer Ausführungsform weist die Messkammer eine orthogo nal zur Bodenebene verlaufende Rotationsachse oder Rotations symmetrieachse auf. Die Fresnel-Lichtfallenstrukturen sind derart ausgerichtet, dass die Fresnel-Achse parallel, vor zugsweise zumindest in etwa fluchtend zur bzw. mit der Rota tionsachse oder Rotationssymmetrieachse der Messkammer ver- läuft. Durch die zentrale Anordnung des Lichtemitters sowie des dazu angrenzenden Photosensors weist die Rauchdetektions einheit vorteilhaft ein in radialer Richtung zur Fresnel- Achse weitgehend richtungsunabhängiges Ansprechverhalten auf Rauch auf.

Einer weiteren, dazu alternativen Ausführungsform zufolge sind die Fresnel-Lichtfallenstrukturen derart ausgerichtet, dass die Fresnel-Achse mit einer optischen Sendeachse des Lichtemitters der Rauchdetektionseinheit zumindest in etwa fluchtet. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, wenn - wie z.B. bei der eingangs beschriebenen Rauchdetektionseinheit gemäss der EP 3499 475 A2 - die optische Sendeachse des Lichtemitters nicht orthogonal zum Schaltungsträger, sondern schräg dazu verläuft und somit auch schräg durch die Messkam merdecke der Messkammer verläuft. Durch diese «schielende» Anordnung der konzentrischen Fresnel-Lichtfallenstrukturen um die Fresnel-Achse ist vorteilhaft eine symmetrische Ausrich tung der Fresnel-Lichtfallenstrukturen auf den «schräg» abge strahlten Lichtkegel des Lichtemitters möglich.

Die Messkammer ist nach einer weiteren Ausführungsform insbe sondere zylinderförmig. Die Messkammerdecke folgt dabei einer zylindrischen Grundfläche.

Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Messkammer für Rauch durchlässige und für direktes Umgebungslicht abschir mende Lamellen auf. Die Lamellen verlaufen entlang des Um fangs der Messkammer.

Vorzugsweise weist die Messkammer einen Innendurchmesser in einem Bereich von 25 mm bis 80 mm, insbesondere im Bereich von 25 mm bis 50 mm, auf. Sie weist alternativ oder zusätz lich eine Messkammerhöhe in einem Bereich von 10 mm bis 40 mm, insbesondere im Bereich von 15 mm bis 25 mm, auf. Einer weiteren Ausführungsform zufolge weisen die Fresnel- Lichtfallenstrukturen eine Strukturtiefe in einem Bereich von 1 mm bis 10 mm, insbesondere in einem Bereich von 1.5 mm bis 5 mm und vorzugsweise in einem Bereich von 2 mm bis 3 mm, auf. Mit «Strukturtiefe» sind die axialen Abmessungen der lichtabsorbierenden kantigen, vorzugsweise scharfkantigen Strukturen in Bezug auf die Fresnel-Achse gemeint. Vorzugs weise weist die Messkammerdecke der erfindungsgemässen Mess kammer eine einheitliche Messkammerdicke auf, die in einem Bereich von 1 mm bis 3 mm grösser ist als die Strukturtiefe.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiterhin mit einem Verfahren zur Herstellung einer vorzugsweise zylindri schen Messkammer für eine Rauchdetektionseinheit eines Rauch melders gelöst. Es wird zunächst eine Messkammerdecke er stellt und diese zusammen mit einem dazu komplementären, im Wesentlichen hohlen oder hohlzylindrischen Raucheintrittsteil zur gesamten Messkammer zusammengefügt.

Die Messkammerdecke wird mittels eines Spritzgussverfahrens, insbesondere mittels eines KunststoffSpritzgussverfahrens, als sphärisches Bauteil mit eingebrachten kantigen, vorzugs weise scharfkantigen konzentrischen Lichtfallenstrukturen hergestellt. Die Lichtfallenstrukturen sind derart ausge formt, dass diese als Fresnel-Lichtfallenstrukturen dem bau formreduzierten Prinzip einer Fresnel-Stufenlinse folgen. Typischerweise sind die Fresnel-Lichtfallenstrukturen dann auf einen entfernt gelegenen Fresnel-Punkt auf einer Fresnel- Achse der Messkammerdecke ausgerichtet. Mit «entfernt gele gen» ist hier gemeint, dass dieser entfernte Fresnel-Punkt mindestens 30 mm von der Messkammerdecke entfernt ist.

Nach Abschluss des Spritzgussverfahrens sind die Fresnel- Lichtfallenstrukturen der sphärischen Messkammerdecke frei von Hinterschneidungen. Die sphärische Messkammerdecke wird anschliessend mittels eines Umformverfahrens in eine im We sentlichen ebene Messkammerdecke umgeformt. Hierbei werden die Fresnel-Lichtfallenstrukturen in Richtung hin zur Fres nel-Achse geformt. Die Fresnel-Lichtfallenstrukturen bilden nun Hinterschneidungen aus. Typischerweise verschiebt sich hierbei auch der entfernt gelegene Fresnel-Punkt auf der Fresnel-Achse hin zu einem Fresnel-Punkt in einer Bodenebene der Messkammer oder in einem geringen Abstand dazu. Der Fres nel-Punkt befindet sich somit nach Herstellung der gesamten Messkammer und nach Anbringung dieser an einer vorgesehenen Rauchdetektionseinheit zumindest in etwa am Lichtaustritt eines Lichtemitters der Rauchdetektionseinheit. Der Fresnel- Punkt befindet sich nach Anbringung der Messkammer an der vorgesehenen Rauchdetektionseinheit somit in einer Bodenebene der Messkammer oder in einem geringen Abstand dazu. Mit «ge ringer Abstand» ist ein Abstand von maximal 5 mm, vorzugswei se von maximal 2 mm, gemeint.

Die geometrische Konstruktion der Fresnel-Lichtfallenstruk turen bei einer sphärischen Messkammerdecke kann z.B. mittels eines Finite-Elemente-Verfahrens ermittelt werden, so dass nach dem Umformungsverfahren die ideale Fresnel-Lichtfallen- struktur mit den gewünschten Hinterschneidungen resultiert. Z.B. kann eine Messkammerdecke mit für die vorgesehene Mess kammer «idealen» Fresnel-Lichtfallenstrukturen mit Hinter schneidungen solange auf eine sphärische Fläche mit abnehmen dem Radius «transformiert» werden, bis ab einem reduzierten Radius die Messkammerdecke frei von Hinterschneidungen ist.

Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Herstel lungsverfahrens ist das Umformverfahren ein Blasformverfah ren.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin mit einem Rauchde tektionsmodul gelöst. Ein solches Rauchdetektionsmodul um fasst eine Rauchdetektionseinheit mit zumindest einem auf einem Schaltungsträger angeordneten Lichtemitter und mit zu mindest einem spektral darauf abgestimmten Photosensor je weils in einer Streulichtanordnung. Der zumindest eine Licht- emitter und der zumindest eine spektral darauf abgestimmte Photosensor liegen der Messkammerdecke der Messkammer direkt gegenüber. Der Streuwinkel zwischen den jeweiligen optischen Sende- und Empfangsachsen des zumindest einen Lichtemitters und des zumindest einen Photosensors der Rauchdetektionsein heit liegt insbesondere im Bereich von 160° bis 185°. Eine derartige Streulichtanordnung wird auch als Rückwärtsstreu lichtanordnung bezeichnet.

Der zumindest eine Lichtemitter und der zumindest eine spek tral darauf abgestimmte Photosensor können auch eine bereits integrierte optoelektronische Baueinheit sein, d.h. ein soge nanntes System-on-a-Chip (SoC), insbesondere ein als SMD-Bau- element ausgebildetes System-on-a-Chip.

Weiterhin umfasst das Rauchdetektionsmodul eine erfindungsge- mässe Messkammer oder eine Messkammer hergestellt nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemässen Herstellungsverfahren. Die Messkammer ist auf bzw. über der Rauchdetektionseinheit angebracht. Die Messkammer umschliesst zusammen mit dem Schaltungsträger, auf dem ein Bodenrand bzw. ein «Topfrand» der Messkammer aufliegt, den zumindest einen Lichtemitter und den zumindest einen Photosensor. Der Schaltungsträger kann auch unter räumlicher Aussparung des zumindest einen Licht emitters und des zumindest einen Photosensors eine flache Kunststoffabdeckung vorzugsweise mit Blenden für den zumin dest einen Lichtemitter und/oder Photosensor aufweisen.

Nach einer Ausführungsform weist die Messkammer eine Rotati onsachse oder eine Rotationssymmetrieachse auf, wobei die Messkammer so auf dem Schaltungsträger positioniert ist, dass die Rotationsachse oder die Rotationssymmetrieachse der Mess kammer oder die Fresnel-Achse der Fresnel-Lichtfallenstruk- turen zumindest in etwa mit einer optischen Sendeachse des Lichtemitters der Rauchdetektionseinheit fluchtet. Durch die zentrale Anordnung des zumindest einen Lichtemitters sowie des dazu angrenzenden zumindest einen Photosensors weist das Rauchdetektionsmodul vorteilhaft ein in radialer Richtung zur Fresnel-Achse weitgehend richtungsunabhängiges Ansprechver halten auf Rauch auf.

Allgemein ist «mit zumindest in etwa» in Bezug zur Ausrich tung der Fresnel-Achse oder Rotations- bzw. Rotationssymme trieachse zum Lichtemitter bzw. zum Lichtaustrittspunkt des Lichtemitters eine zulässige Abweichung von wenigen Millime tern, insbesondere von weniger als 5 mm, gemeint.

Wird allgemein Bezug auf die Ausrichtung auf einen Lichtemit ter bzw. auf den Lichtaustritt eines Lichtemitters genommen, so ist im Falle von zwei vorhandenen Lichtemittern eine Aus richtung auf einen der beiden Lichtemitter bzw. auf den Lichtaustrittspunkt einer der beiden Lichtemitter, oder eine Ausrichtung auf einen geometrisch zwischen den beiden Lichtemittern bzw. zwischen den beiden Lichtaustrittspunkten zwischen den zwei Lichtemittern gemeint.

Nach einer besonderen Ausführungsform ist dem zumindest einen Lichtemitter optisch eine Blende zur Begrenzung des jeweili gen emittierten Lichtkegels nachgeschaltet. Es ist dem zumin dest einen Photosensor optisch eine weitere Blende zur Be grenzung des jeweiligen optischen Empfangsbereichs vorge schaltet. Die optischen Begrenzungen sind derart bemessen, dass nur ein Flächenanteil des vom jeweiligen Lichtemitter beleuchteten Teils der Messkammerdecke in einem Bereich von 10% bis 40%, vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 20%, im jeweiligen optischen Erfassungsbereich des zumindest einen Photosensors liegt. Dadurch ist der Einfluss der beleuchteten Fläche auf das Grundsignal vorteilhaft reduziert.

Die Aufgabe wird durch einen Rauchmelder gelöst, insbesondere durch einen Streulichtrauchmelder, der ein Meldergehäuse und ein im Meldergehäuse aufgenommenes erfindungsgemässes Rauch detektionsmodul aufweist. Das Meldergehäuse weist eine oder mehrere Raucheintrittsöffnungen für den Durchtritt von Umge- bungsluft in das Innere des Meldergehäuses und weiter in die Messkammer des Rauchdetektionsmoduls auf.

Schliesslich wird die Aufgabe durch einen weiteren Rauchmel der, insbesondere durch einen Streulichtrauchmelder, gelöst, der ein Meldergehäuse und ein im Meldergehäuse aufgenommenes erfindungsgemässes Rauchdetektionsmodul aufweist. Die Mess kammer des Rauchdetektionsmoduls ist dabei integraler Be standteil des Meldergehäuses. Das Meldergehäuse weist eine oder mehrere als Lamellen ausgebildete, für zu detektierenden Rauch durchlässige und direktes Umgebungslicht abschirmende Raucheintrittsöffnungen auf.

Bei den betrachteten Rauchmeldern bzw. Streulichtrauchmeldern handelt es sich um Rauchgasmelder oder um Rauchwarnmelder.

Sie können zusätzlich einen Gassensor zur Detektion brandty pischer Gase und/oder einen Temperatursensor aufweisen. Wei terhin können die betrachteten Rauchmelder über eine gemein same Melderleitung oder Melderlinie, insbesondere über eine Zweidrahtleitung, signal- und/oder datentechnisch mit einer Brandmeldezentrale verbunden sein. Sie können alternativ oder zusätzlich eine autonome Energieversorgung, wie z.B. eine Batterie, aufweisen. Weiterhin können derartige Rauchmelder ein Funkmodul zur Übertragung einer Alarmmeldung, einer Warn meldung oder einer Statusinformation an einen benachbarten Rauchmelder oder an eine Brandmeldezentrale aufweisen.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der vorliegen den Erfindung sind am Beispiel der nachfolgenden Figuren er sichtlich. Dabei zeigen

FIG 1 eine Schnittdarstellung durch ein Rauchdetektions- module nach dem Stand der Technik,

FIG 2 eine Draufsicht auf das Rauchdetektionsmodul gemäss

FIG 1, 3 das Prinzip der Bauformreduzierung bei einer opti schen Fresnel-Stufenlinse,

4 die Übertragung des Prinzips gemäss FIG 3 auf einen Lichtfallentrichter gemäss der Erfindung,

5 einen Schnitt durch eine beispielhafte Messkammer mit bekannten geraden, gleichmässig gezackten lichtabsorbierenden Strukturen und mit erfindungs- gemässen Fresnel-Lichtfallenstrukturen in einer ge meinsamen Darstellung,

6 eine Ansicht der Messkammerdecke gemäss der in FIG 5 eingezeichneten Blickrichtung VI mit den be kannten geraden gleichmässig gezackten Strukturen und mit konzentrischen Fresnel-Lichtfallenstruk turen mit Hinterschneidungen gemäss der Erfindung,

7 eine Ansicht der Messkammerdecke gemäss der in FIG 5 eingezeichneten Blickrichtung VII mit den be kannten Strukturen und mit linienförmig geraden Fresnel-Lichtfallenstrukturen mit Hinterschneidun gen gemäss der Erfindung,

8 einen Schnitt durch eine beispielhafte Messkammer mit den konzentrischen Fresnel-Lichtfallenstruktu ren mit Hinterschneidungen und mit weitern konzen trischen Fresnel-Lichtfallenstrukturen ohne Hinter schneidungen jeweils gemäss der Erfindung,

9 einen Schnitt durch einen Streulichtrauchmelder mit einem Meldergehäuse und mit einem darin aufgenomme nen Rauchdetektionsmodul gemäss der Erfindung,

10 ein beispielhaftes Spritzgussverfahren als erste Stufe eines Herstellungsverfahrens einer Messkam merdecke für eine Messkammer gemäss der Erfindung,

FIG 11 ein beispielhaftes Uniformverfahren als zweite Stufe des Herstellungsverfahrens der Messkammerdecke für eine Messkammer gemäss der Erfindung, und FIG 12 ein beispielhaftes Fügeverfahren als dritte Stufe des Herstellungsverfahrens der gesamten Messkammer gemäss der Erfindung.

FIG 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Rauchdetekti onsmodul 1 nach dem Stand der Technik. Mit M ist eine trog förmige oder topfförmige Messkammer bezeichnet, die durch einen Schaltungsträger 4 abgeschlossen wird. Mit LA sind ra dial zu einer Rotationsachse bzw. Rotationssymmetrieachse A der Messkammer M radial aussenliegende Lamellen bezeichnet, die das Innere der Messkammer M gegenüber direktes Umgebungs licht abschirmen. Auf dem Schaltungsträger 4 ist bereits als integrierte Baueinheit, d.h. als ein sogenanntes System-on-a- Chip (SoC), ein optoelektronisches SMD-Bauelement SoC ange ordnet, welches eine Leuchtdiode als Lichtemitter 2 und eine Photodiode als Photosensor 3 umfasst. Mit diesem «Chip» SoC ist ein Mikrocontroller MC verbunden, der dazu eingerichtet, die LED zum Aussenden von Lichtpulsen anzusteuern und ein Sensorsignal vom Photosensor 3 zu empfangen, auszuwerten und ggf. einen Brandalarm AL auszugeben.

Mit LK ist ein von der Leuchtdiode 2 emittierter Lichtkegel und mit SA die zugehörige optische Sendeachse bezeichnet. Mit FOV ist der optische Erfassungsbereich des Photosensors 3 bezeichnet. Im vorliegenden Beispiel fluchtet die optische Empfangsachse des Photosensors 3 mit der Symmetrieachse A der Messkammer M. Die Sendeachse SA ist leicht zur optischen Emp fangsachse geneigt, so dass ein grösseres Streulichtvolumen SV als geometrisches Schnittvolumen aus Lichtkegel LK und optischen Erfassungsbereich FOV resultiert. Mit a ist der Streuwinkel zwischen den optischen Sende- und Empfangsachsen SA, A bezeichnet. Er liegt hier bei ca. 160°. Ein solche Streulichtanordnung wird auch als Rückwärtsstreulichtanord nung bezeichnet.

Im Vergleich zu weiteren bekannten Streulichtanordnungen, bei denen die optischen Achsen SA, EA des Lichtemitters 2 und Photosensors 3 parallel zur Ebene des Schaltungsträgers 4 verlaufen, wird hier die Messkammerdecke D sozusagen «voll» ausgeleuchtet. Um das direkt auftreffende Licht vom Licht emitter 2 möglichst zu unterdrücken, weist die dem Licht emitter 2 und dem Photosensor 3 direkt gegenüberliegende In nenseite der Messkammerdecke D lichtabsorbierende Strukturen AB in Form kleiner, gezackter Lichtfallen auf. Bei dieser Anordnung wird jedoch nachteilig ein Teil des vom Lichtemit ter 2 ausgesandten Lichts zurück zum Photosensor 3 gestreut, dessen Lichtpegel um ein Vielfaches höher ist als der Alar mierungspegel bei Anwesenheit von einer unzulässig hohen Kon zentration von Rauch in der Messkammer M. Eine zuverlässige Rauchdetektion ist damit überhaupt nicht möglich.

FIG 2 zeigt eine Draufsicht auf das Rauchdetektionsmodul 1 gemäss FIG 1. In dieser Darstellung sind der Aufbau der inte grierten Baueinheit SoC mit der LED 2 und der Photodiode 3 sowie die Lamellen LA zur Abschirmung gegen Umgebungslicht gut erkennbar.

FIG 3 zeigt das an sich bekannte Prinzip der Bauformreduzie rung bei einer optischen Fresnel-Stufenlinse FLI. Im linken Teil der FIG 3 ist eine plankonvexe optische Linse LI mit ihrem Brennpunkt BP zu sehen. Die gestufte Bauformreduktion ist gestrichelt eingezeichnet. Im rechten Teil der FIG 3 ist die bauformreduzierte Fresnel-Stufenlinse FLI zu sehen.

FIG 4 zeigt die Übertragung des Prinzips gemäss FIG 3 auf einen Lichtfallentrichter TR gemäss der Erfindung. Gemäss der gezeigten Bildebene würden einfallende Lichtstrahlen von ei nem Lichtemitter 2, d.h. von unten nach oben oder von unten nach schräg oben, sich hier nach einer Vielzahl von Reflexio nen «totlaufen». Mit TS ist eine Trichterspitze bezeichnet, die auf einem der optischen Fresnel-Stufenlinse FLI entspre chenden Brennpunkt BP gerichtet ist. Mit dem Winkel ß ist der Öffnungswinkel des Lichtfallentrichters TR bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen R ist eine Ausrundung bezeichnet, die der Lichtfallentrichter TR alternativ zur Trichterspitze TS auf weisen kann. Auch eine derartige Form ist als Lichtfalle gut geeignet. Die Ausrichtung des Lichtfallentrichters TR erfolgt beispielhaft entlang der Symmetrieachse A des Lichtfallen trichters TR. Mit TU ist die Tiefe des Lichtfallentrichters TR bezeichnet. In der nachfolgenden FIG 5 ist gezeigt, wie der Lichtfallentrichter TR zunächst als «ideale» Lichtfalle anstelle der dortigen Messkammerdecke D platziert würde.

Zur Erzielung konzentrischer Fresnel-Lichtfallenstrukturen FS dient als Ausgangspunkt ein Kegel als Lichtfallentrichter TR. Zur Erzielung linienförmiger gerader Fresnel-Lichtfallen strukturen FS dient ein als Ausgangspunkt ein «Satteldach».

In der FIG 4 ist zu sehen, wie der Lichtfallentrichter TR zunächst in zwei benachbarte, beispielhaft gleiche Teiltrich ter TR-2 aufgeteilt wird. Die Strukturtiefe T12 der beiden Teiltrichter TR-2 hat sich dabei halbiert.

Der linke Teil der FIG 4 zeigt, wie gemäss der Erfindung nun die Trichterspitze des linken Teiltrichters TR-2 in Bezug auf die Symmetrieachse A radial nach aussen versetzt wird, so dass die Trichterspitze der jetzigen Teil-Fresnel-Lichtfalle LF-2 und somit deren Innenkante IK optisch auf den «Brenn punkt» BP des Lichtfallentrichters TR ausgerichtet ist. Mit Q ist vom «Brennpunkt» aus gesehener Lichtfallenquerschnitt bezeichnet. Mit W ist die Winkelhalbierende zum Öffnungswin kel ß der Teil-Fresnel-Lichtfalle LF-2 bezeichnet, die hier zur Veranschaulichung senkrecht auf der mit TAN bezeichneten Tangente steht. Tatsächlich verläuft die Tangente TAN senk recht zur Blattebene der FIG 4 und liegt an der Innenkante IK der Teil-Fresnel-Lichtfalle LF-2 an.

Der rechte Teil der FIG 4 zeigt eine weitere Halbierung, so dass in Summe vier Teiltrichter TR-4 resultieren. Deren Tiefe T14 beträgt nur noch ein Viertel der Tiefe TU des ursprüng lichen Lichtfallentrichters TR. Gemäss der Erfindung werden nun die Trichterspitze der beiden rechten Teilrichter TR-4 in Bezug auf die Symmetrieachse A radial nach aussen ver setzt, so dass die Trichterspitze der jetzigen Teil-Fresnel- Lichtfallen LF-4 und somit deren Innenkante IK wiederum op tisch auf den «Brennpunkt» BP des Lichtfallentrichters TR ausgerichtet sind. Im gezeigten Beispiel der FIG 4 erfolgte die Halbierung jeweils gleichmässig und ist lediglich bei spielhaft zu betrachten. Es kommt auch eine Drittelung oder irgendeine beliebige Art der Aufteilung des ursprünglichen Lichtfallentrichters TR in Frage. Auch können die jeweiligen Strukturtiefen T12, T14 voneinander abweichen. Entscheidend ist lediglich, dass eine Mehrzahl von beliebigen Teiltrich tern auch mit beliebigen Strukturtiefen nebeneinander ange ordnet sind, die optisch auf den «Brennpunkt» ausgerichtet sind. Die gezeigte Anordnung mit der optischen Ausrichtung entlang der jeweiligen Winkelhalbierenden auf den «Brenn punkt» ist dabei als Lichtfalle besonders effektiv.

FIG 5 zeigt einen Schnitt durch eine beispielhafte Messkammer M mit bekannten geraden, gleichmässig gezackten lichtabsor bierenden Strukturen AB und mit erfindungsgemässen Fresnel- Lichtfallenstrukturen FL, FLM in einer gemeinsamen Darstel lung. Es ist gezeigt, wie der «ideale», jedoch bauraumgrei fende Lichtfallentrichter TR als «ideale» Lichtfalle anstelle der gezeigten Messkammerdecke D platziert würde.

Mit MH ist eine Gesamthöhe der Messkammer M und mit T eine hier beispielhaft gleichbemessene Strukturtiefe der lichtab sorbierenden Strukturen AB sowie der Fresnel-Lichtfallen strukturen FL, FLM bezeichnet. DD bezeichnet den Durchmesser Messkammerdecke D und DLF den Durchmesser der gezeigten Fres nel-Lichtfallenstrukturen FL, FLM.

Im linken Teil der FIG 5 sind bekannte dreieckig gezackte Lichtfallenstrukturen AB zu sehen. Diese sind, je weiter sie sich radial weg zur Symmetrieachse A befinden, zunehmend we niger auf den Lichtsender 2 gerichtet. Der Rückstreuquer schnitt nimmt dabei nachteilig stetig zu.

Im rechten Teil der FIG 5 ist ausgehend von der dreieckigen Lichtfallenstruktur AB zu sehen, wie die Innenkanten IK der jeweiligen Lichtfallenstrukturen durch das radiale Nachaus- senversetzen gemäss der Erfindung - symbolisiert durch Rich tungspfeile - nun optisch auf einen Fresnel-Punkt FP auf den Lichtemitters 2 ausgerichtet sind. Weiter gemäss der Erfin dung befindet sich der Fresnel-Punkt FP in einem Abstand AF von der Bodenebene BO am Lichtaustrittspunkt des Lichtemit ters 2. Die Bodenebene BO der gezeigten Messkammer M verläuft dabei im Abstand der gesamten Messkammerhöhe MH parallel zu einer Messkammerdeckenebene DE.

FIG 6 eine Ansicht der Messkammerdecke D gemäss der in FIG 5 eingezeichneten Blickrichtung VI mit den bekannten geraden gleichmässig gezackten Strukturen AB im linken Teil der FIG 6 und in einer Gegenüberstellung mit konzentrischen Fresnel- Lichtfallenstrukturen FLM mit Hinterschneidungen UC gemäss der Erfindung im rechten Teil der FIG 6. Die Hinterschneidun gen UC selbst sind gestrichelt dargestellt. Diese sind ent lang der Blickrichtung VI und somit auch aus der Sicht des Lichtemitters 2 verdeckt und daher nicht sichtbar. Wie ein gangs beschrieben, ist eine solche Messkammerdecke D mit der artigen Hinterschneidungen UC mittels eines herkömmlichen Spritzgussverfahrens nicht herstellbar.

FIG 7 zeigt eine Ansicht der Messkammerdecke D gemäss der in FIG 5 eingezeichneten Blickrichtung VII mit den wiederum be kannten Strukturen AB im linken Teil der FIG 7 und mit nun linienförmig geraden Fresnel-Lichtfallenstrukturen FLM mit Hinterschneidungen UC gemäss der Erfindung. Eine Messkammer decke D mit derartigen Fresnel-Lichtfallenstrukturen FLM ist mittels eines Strangpressverfahrens herstellbar.

FIG 8 zeigt einen Schnitt durch eine beispielhafte Messkammer M mit den konzentrischen Fresnel-Lichtfallenstrukturen FLM mit Hinterschneidungen UC und mit weiteren konzentrischen Fresnel-Lichtfallenstrukturen FLO ohne Hinterschneidungen jeweils gemäss der Erfindung. In diesem Beispiel ist ersicht lich, wie die Fresnel-Lichtfallenstrukturen FLM mit Hinter schneidungen UC durch radiales Nachaussenversetzen der Aus- senkanten AK im linken Teil der FIG 8 nun in Fresnel-Licht- fallenstrukturen FLO ohne Hinterschneidungen im rechten Teil der FIG 8 überführt werden.

FIG 9 zeigt einen Schnitt durch einen als Rauchmelder ausge bildeten Streulichtrauchmelder 10. Der Streulichtrauchmelder 10 umfasst ein Meldergehäuse G und ein im Meldergehäuse G aufgenommenes erfindungsgemässes Rauchdetektionsmodul 1.

Im einem nicht weiter gezeigten Fall kann die erfindungsge- mässe Messkammer M als separates Teil innerhalb des Melderge häuses G auf bzw. über der Rauchdetektionseinheit 1 des Rauchdetektionsmoduls 1 angebracht sein. In diesem Fall ge langt der zu detektierende Rauch durch eine oder mehrere, im Meldergehäuse G vorhandene bzw. ausgebildete Raucheintritts öffnungen OF und weiter durch die Lamellen LA der Messkammer M zur Rauchdetektionseinheit 1 im Inneren der Messkammer M.

Im gezeigten Fall ist die Messkammer M des Rauchdetektions moduls 1 integraler Bestandteil des Meldergehäuses G selbst. Dabei weist das Meldergehäuse G eine oder mehrere als Lamel len LA ausgebildete, für zu detektierenden Rauch durchlässige und direktes Umgebungslicht abschirmende Raucheintrittsöff nungen OF auf. Die gezeigte Messkammer M zeigt zum besseren Verständnis der Erfindung analog der Darstellung in FIG 8 wiederum die konzentrische Fresnel-Lichtfallenstrukturen FLM mit Hinterschneidungen UC und die konzentrischen Fresnel- Lichtfallenstrukturen FLO ohne Hinterschneidungen in einer einzigen Darstellung. Das Meldergehäuse G kann zudem weitere Gehäuseteile aufweisen, wie z.B. eine Melderhaube H oder eine Aufnahme AUF zur zumindest lösbaren Anbringung des Rauchmel ders 10 an einem Meldersockel MS. Dabei kann das Meldergehäu se G aus einem Grundkörper GK und der Melderhaube H zusammen gesetzt sein. Dazwischenliegend ist dann vorzugsweise die erfindungsgemässe Messkammer M als Teil des Meldergehäuses G angeformt oder ausgeformt. Der der Messkammerdecke D gegen überliegende Teil des Schaltungsträgers 4 des Rauchdetekti- onsmoduls 1 bzw. des Rauchmelders 10 selbst kann mit zusätz lichen lichtabsorbierenden Strukturen AB abgedeckt sein.

Mit HA ist eine Hauptachse des vorzugsweise im Wesentlichen symmetrischen bzw. rotationssymmetrisch ausgestalteten Mel dergehäuses G bezeichnet. Im Besonderen fluchten diese Haupt achse HA, die Fresnel-Achse FA der Messkammer M sowie vor zugsweise die Sendeachse SA des Lichtemitters 2 der Rauchde tektionseinheit miteinander. Dadurch wird ein weitgehend richtungsunabhängiges Ansprechen des Rauchmelders 10 auf zu detektierenden Rauch erzielt.

FIG 10 zeigt ein beispielhaftes Spritzgussverfahren als erste Stufe eines Herstellungsverfahrens einer Messkammerdecke D für einer Messkammer M gemäss der Erfindung. Im oberen Teil der FIG 10 ist ein Stempelwerkzeug STP und im unteren Teil eine Matrize MAT zu sehen. Dazwischen ist die nach der ersten Stufe hergestellte sphärische Messkammerdecke D als Zwischen produkt zu sehen. Letzteres weist wegen des verwendeten line aren Spritzgussverfahrens Fresnel-Lichtfallenstrukturen FLO ohne Hinterschneidungen auf.

FIG 11 zeigt ein beispielhaftes Umformverfahren als zweite Stufe des Herstellungsverfahrens der Messkammerdecke D für eine Messkammer gemäss der Erfindung. Mit BLA ist ein Blas werkzeug bezeichnet, mittels welchem sich die darin befindli che sphärische Messkammerdecke D z.B. durch Einpressen von Luft von der sphärischen Form in die ebene endgültige Form umgeformt wird. Im Blaswerkzeug BLA sind gestrichelt Entlüf tungskanäle dargestellt. Zu sehen ist auch in dieser Darstel lung, wie sich ein entfernt gelegener Fresnel-Punkt EFP durch die Umformung entlang der Fresnel-Achse FA in Richtung hin zur Messkammerdecke D versetzt. Die nun ebene Messkammerdecke D weist nun nach dem Umformverfahren Fresnel-Lichtfallen strukturen FLM mit Hinterschneidungen UC auf.

FIG 12 zeigt beispielhaftes Fügeverfahren als dritte Stufe des Herstellungsverfahrens der gesamten Messkammer M gemäss der Erfindung. Mit MO ist Raucheintrittsteil der Messkammer M bezeichnet, in welches die Messkammerdecke D aus der FIG 11 mittels eines Fügeverfahrens eingesetzt und dann zur gesamten Messkammer M gemäss der Erfindung zusammengesetzt wird. Das Fügen kann z.B. mittels Klebens, Ultraschallschweissens, mit tels eines Rastzapfens oder ähnlicher Verfahren erfolgen.

Bezugszeichenliste

1 Rauchdetektionsmodul

2 Lichtemitter, Leuchtdiode

3 Photosensor, Photodiode

4 Schaltungsträger, Leiterplatte

10 Brandmelder, Rauchmelder a Streuwinkel ß Öffnungswinkel

A Symmetrieachse, RotationsSymmetrieachse

AB lichtabsorbierende Strukturen, Lichtfallen strukturen

AF Bodenabstand, Abstand des Fresnel-Punktes

AK Aussenliegende Kanten der Lichtfallenstruktur

AL Brandalarm

AUF Aufnahme

BLA Streckblaswerkzeug, Blaswerkzeug

BO Messkammerboden, Ebene des Messkammerbodens

BP Brennpunkt

D Messkämmerdecke

DD Durchmesser der Messkammerdecke

DE Messkämmerdeckenebene

DLF Durchmesser der Fresnel-Lichtfallenstruktur

EA optische Empfangsachse

EFP entfernter Fresnel-Punkt

FA Fresnel-Achse

FL Fresnel-Lichtfallenstruktur

FL-2, FL-4 Teil-Fresnel-Lichtfallen

FLI Fresnel-Linse

FLM Fresnel-Lichtfalle mit Hinterschneidungen

FLO Fresnel-Lichtfalle ohne Hinterschneidungen

FOV optischer Erfassungsbereich, Field-of-View

FP Fresnel-Punkt

G Meldergehäuse

GK Grundkörper

H Melderhaube

HA Hochachse

IK Innenliegende Kanten der Lichtfallenstruktur LA Lamellen, Labyrinth

LI optische Linse, plan-konvexe Linse

LK Lichtkegel, Lichtbündel

M Messkammer, Messkammer mit Labyrinth

MAT Matrize

MC Steuereinheit, Mikrocontroller

MH Messkammerhöhe

MO Messkammer ohne eingebrachte Messkammerdecke,

Raucheintrittsteil, Labyrinthteil

MS Meldersockel

OF Raucheintrittsöffnung

Q Lichtfallenquerschnitt

R Rundung, Radius

SA optische Sendeachse

SoC System-on-a-Chip, integrierte Baueinheit

STP Stempelwerkzeug

SV Messvolumen, Streuvolumen

T Tiefe der Fresnel-Lichtfallenstruktur

TU Tiefe des Lichtfallentrichters

T12, T14 Tiefe eines Teiltrichters

TAN Tangente

TR Lichtfallentrichter, Trichter

TR-2, TR-4 Teiltrichter TS Trichterspitze UC Undercut, Hinterschneidung W Winkelhalbierende