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Die Anmeldung betrifft handgeführte, elektrische Geräte, insbesondere Haushaltsgeräte, die bei Anwendung in der Nähe von Wasser oder einem anderen flüssigen, elektrisch leitfähigen Medium ein erhöhtes Risiko eines Stromschlags darstellen. Hierzu zählen beispielsweise Haartrockner, Rasierapparate, Lockenwickler, Haarglätter, Mixer und dergleichen.
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Handgeführte elektrische Geräte können durch ihren relativ uneingeschränkten Einsatzbereich insbesondere in die Nähe von Wasser gelangen, wo sie eine erhöhte Gefahr darstellen. Für den Menschen können Stromstärken oberhalb 50 mA Wechselstrom und 50 V Wechselspannung tödlich enden. Wechselstrom kann durch die 50 Hz Netzfrequenz zu Herzkammerflimmern und somit zum Versagen der Herzfunktion führen. Neben den unmittelbaren Gefahren durch den Strom sind Sekundärunfälle nicht zu unterschätzen. Bedingt durch den Stromschlag kann ebenso das durch den Schreck verursachte Stürzen oder Fallen, insbesondere auf nassem oder feuchtem Boden, genauso tödlich enden wie durch den Stromschlag selbst.
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In der VDE 0100 – Schutz gegen gefährliche Körperströme – sind Vorgaben zur Verringerung des Risikos eines elektrischen Schlags angeführt. Unter anderem wird im Teil 701 für Steckdosen im Badezimmer der Fehlerstromschutzschalter (RCD – Residual Current protective Device) mit einem maximalen Bemessungsdifferenzstrom von 30 mA vorgeschrieben. RCDs dienen als zusätzliche Schutzmaßnahme zum Schutz bei elektrischem Schlag. Sie besitzen einen Summenstromwandler. Ist die Summe des vom Netz zum Verbraucher fließenden Stroms und des vom Verbraucher zum Netz zurückfließenden Stroms größer als der Bemessungsdifferenzstrom des RCDs (z. B. wegen des Stroms, der durch den menschlichen Körper im Fehlerfall zur Erde fließt), schaltet dieser innerhalb von 200 ms ab.
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Weitere Schutzmaßnahmen sind in VDE 0100 Teil 410 – Schutzmaßnahmen – geregelt. Unter anderem ist hierin die zusätzliche Schutzmaßnahme "Schutz durch Schutzisolierung" beschrieben. Diese findet häufig bei handgeführten Haushaltsgeräten Anwendung. Schutzisolierung besagt, dass zusätzlich zur Basisisolierung stromführender Teile eine zusätzliche Isolierung vorhanden ist oder dass die Basisisolierung verstärkt ausgeführt ist.
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Fällt ein mit dem Netz verbundener Haartrockner, ein Rasierapparat oder ein anderes elektrisches Gerät beispielsweise zu einer badenden Person ins Wasser, wird der Isolationswiderstand des elektrischen Geräts durch den geringeren Widerstand des Wassers im Vergleich zu Luft überbrückt. Der Gesamtwiderstand des Fehlerstromkreises wird dabei so verringert, dass für den Menschen gefährliche Ströme fließen können. Die badende Person ist einer hohen Gefahr des elektrischen Schlags ausgesetzt, insbesondere wenn sie mit einem geerdeten Gegenstand in Verbindung steht (z.B. einem metallischen Badewannenabfluss, einer metallischen Wasserleitung oder Armaturen).
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Je nach baulichen Bedingungen und dem technischen Zustand der elektrischen Anlage kann der elektrische Schlag tödlich sein. Trotz diverser Schutzmaßnahmen nach dem Stand der Technik ist derzeit stets ein Restrisiko eines Stromschlags gegeben, wenn handgeführte elektrische Geräte in räumlicher Nähe zu Wasser oder allgemeiner einem flüssigen, elektrisch leitfähigen Medium verwendet werden.
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Bekannt sind Haartrockner mit Totmanntaster. Dieser stoppt das Gerät, so-bald man den Griff oder Schalter loslässt. Das Einschalten erfordert eine zusätzliche Schalthandlung, um den Totmannschalter zu entriegeln. So wird verhindert, dass das Gerät versehentlich durch bloßes Aufnehmen oder durch Herunterfallen eingeschaltet wird. Diese häufig im Hotelgewerbe eingesetzten Geräte haben aber den Nachteil, dass sie als "nicht sicher" bei der Anwendung im Bad einzustufen sind (siehe
A. Holfeld et al., "Detailinformationen zum sicheren Haartrockner", 1. Auflage, Dortmund: Bundesanstalt für Arbeits-schutz und Arbeitsmedizin 2012).
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Durch Einbau einer elektronischen Schaltung wird der spannungsführende Leiter ermittelt und der Schutzschirm auf den Rückleiter geschaltet, der anlagenbedingt Erdpotenzial führt. Unabhängig von der Steckerposition wird der Schutzschirm auf erdnahes Potenzial gelegt. Diese Lösung gewährleistet nach Umschaltung die Wirkung des Faradayschen Käfigs mit äußerer Berührungsspannung entsprechend Erdpotenzial und Schirmkonstruktion nahe 0 V. Die Schutzwirkung ist auch in Altanlagen ohne RCD gegeben. Eine dreiadrige Geräteanschlussleitung wird nicht benötigt. Bei Kabelbruch hat das Gerät keine Funktion und wird somit vermutlich nicht benutzt.
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Nachteile dieser Lösung sind eine Berührungsspannung von 230 V bis zum Umschalten, ein Umschalten nicht in allen gefährdenden Situationen, eine Berührungsspannung bis zu 230 V in Abhängigkeit der Steckerposition im ausgeschalteten Zustand und das Problem, dass die Zuverlässigkeit der Bauelemente und Schaltung bei Wassereinwirkung nicht gewährleistet sind. Die Sicherheit gegenüber normalen Haartrocknern ist daher zwar verbessert, aber "nicht ausreichend" bei Anwendung im Badezimmer (siehe A. Holfeld et al., aao.).
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schutzvorrichtung zum Schutz vor Unfällen durch Stromschläge bei Einwirkung von flüssigen, elektrisch leitfähigen Medien auf handgeführte Geräte und handgeführte elektrische Geräte mit einer derartigen Schutzvorrichtung anzugeben, mit denen die Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise nicht mehr eintreten oder zumindest mit geringerer Wahrscheinlichkeit eintreten. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, nicht geerdete elektrische Verbraucher bei Kontakt mit Wasser selbsttätig abzuschalten und das Risiko eines Stromschlags und damit zusammenhängender Sekundärunfälle zu vermindern.
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Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Unteransprüche, die Beschreibung und die Figuren lehren vorteilhafte Weiterbildungen.
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Erfindungsgemäß wird eine Schutzvorrichtung vorgeschlagen, die dazu dient, einen über eine elektrische Leitung fließenden Strom, mit dem ein handgeführtes Gerät betrieben wird, zu unterbrechen und so einen Schutz vor Unfällen durch Stromschläge bei Einwirkung von flüssigen, elektrisch leitfähigen Medien auf das handgeführte Gerät zu gewährleisten. Die Schutzvorrichtung kann dabei entweder einen aktivierten Zustand, in dem der Stromfluss unterbrochen ist, oder einen deaktivierten Zustand, in dem ein Stromfluss zu dem strombetriebenen Gerät zugelassen wird, einnehmen, wobei der Grundzustand der aktivierte Zustand ist. Sie weist folgende Elemente auf: einen oder mehrere Sensoren auf oder in dem handgeführten Gerät, mit denen das flüssige, elektrisch leitfähige Medium detektierbar ist und ein mit dem mindestens einen Sensor in Wirkbeziehung stehendes Schaltelement, das die Schutzvorrichtung in den aktivierten Zustand versetzt, sobald zumindest einer der Sensoren das flüssige, elektrisch leitfähige Medium detektiert.
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Erfindungsgemäß wird auch ein elektrisches Gerät vorgeschlagen, das insbesondere zum Betrieb in einem Nassbereich vorgesehen ist, das eine derartige Schutzvorrichtung enthält.
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Die erfindungsgemäße Lösung bietet einen nahezu vollkommenen Schutz vor einem Stromschlag und somit auch vor den damit verbundenen Sekundärunfällen. Dies wird durch frühzeitige Detektion von Wasser (oder einem anderen flüssigen, elektrisch leitfähigen Medium) vor dessen Eindringen ins Innere des elektrischen Geräts, bzw. vor dessen Kontakt mit Strom führenden Teilen im Gerät erreicht. Die Umsetzung der Lösungen ist wirtschaftlicher als die im Stand der Technik beschriebenen Varianten.
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Aufgrund des besonders hohen Risikos beim Einsatz eines Haartrockner als elektrisches handgeführtes Gerät, insbesondere wegen der baulich bzw. technisch bedingten Öffnung zur Elektronik, werden nachfolgend die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Probleme und insbesondere Weiterentwicklung der vorstehend beschriebenen allgemeine Lösung nachfolgend häufig exemplarisch am Beispiel des Haartrockners erläutert. Der Fachmann kann aber die hierfür beschriebenen Aspekte problemlos auf andere elektrische handgeführte Geräte übertragen, so dass beim Lesen des Begriffs "Haartrockner" stets die anderen relevanten elektrischen handgeführten Geräte mitzulesen sind.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht also insbesondere darin, dass das elektrische Gerät, beispielsweise der "Haartrockner", eine Schutzvorrichtung beinhaltet, die die in 1 gezeigten Funktionen bereitstellt. Diese Schutzeinrichtung ist vorzugsweise im Inneren des Geräts vorgesehen. Die Schutzeinrichtung ist dann wasserdicht herzustellen, sodass nach aktivierter Schutzschaltung der Kontakt von Wasser und Strom nicht ermöglicht wird und somit nach Aktivierung der Schutzeinrichtung der Schutz vor Stromschlag gewährleistet ist und evtl. dadurch ausgelöste Sekundärunfälle vermieden werden.
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Alternativ kann die Schutzschaltung auch im Stecker vorgesehen werden. Die Schutzvorrichtung gemäß 1 hat folgendes Funktionsprinzip:
- 1. Zunächst wird der Haartrockner mit der eingebauten Schutzvorrichtung an die Stromversorgung, beispielsweise Steckdose, angeschlossen.
- 2. Die Schutzvorrichtung prüft mittels Sensoren am Gehäuse des Haartrockners ständig, ob am Gehäuse des Haartrockners Wasser oder ein anderes flüssiges, elektrisch leitfähiges Medium detektierbar ist. Die Detektion kann beispielsweise mittels an verschiedenen Stellen angebrachter kapazitiver Sensoren erfolgen.
- 3. Wird am Gehäuse des Haartrockners kein derartiges Medium detektiert, ist auch die Schutzschaltung nicht aktiviert und der Haartrockner kann betrieben werden.
- 4. Detektiert die Schutzschaltung über den Sensor Wasser oder ein anderes flüssiges, elektrisch leitfähiges Medium am Gehäuse des Haartrockners, wird die Schutzschaltung aktiviert.
- 5. Die Spannungsversorgung zu sämtlichen, nicht wassergeschützten Bauteilen des Haartrockners wird allpolig unterbrochen.
- 6. Falls gewünscht, kann eine Rücksetzeinrichtung vorgesehen sein, mit der die Schutzeinrichtung nach Trocknung der Oberfläche wieder deaktiviert werden kann, um einen weiteren Betrieb des Haartrockners zu ermöglichen.
- 7. Die Rücksetzeinrichtung kann mechanisch mit dem zum normalen Betrieb notwendigen EIN/-AUS-Schalter verbunden sein, oder eine eigenständige Betätigung besitzen.
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Die Abschaltung der Stromversorgung im Gerät kann insbesondere durch ein elektronisches Relais erfolgen, um eine sichere Trennung zu realisieren. Für die Realisierung der zwei Zustände, den aktivierten Zustand, bei dem die Kontakte des Relais offen sind und den deaktivierten Zustand, bei dem die Kontakte geschlossen sind, kann mittels zweier unabhängiger Relais erfolgen.
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Um allerdings Bauteilkosten zu sparen und auch um den Verdrahtungsaufwand klein zu halten, kann eine Lösung mit bistabilen Relais erfolgen. Je nach Hersteller können sich die Ansteuerungsvarianten dieser Relais ändern. Das in den nachfolgenden Beispielen beschriebene bistabile Relais besitzt drei Anschlüsse: Anschlüsse A1, A2 und A3. Anschluss A3 wird an ein festes Potenzial angeschlossen. Je nach Ansteuerung der anderen Anschlüsse mit dem anderen Potenzial wird die Stellung der zugehörigen Kontakte verändert.
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Mindestens ein Sensor für Wasser (oder ein anderes flüssiges, elektrisch leitfähiges Medium) ist vorzugsweise in der Nähe von Öffnungen am Gerät vorgesehen. Dieser Sensor kann wie beispielsweise in 2 dargestellt, mittels einzelner Elektroden 2.5 für ein kapazitives Messverfahren ausgelegt sein oder wie beispielsweise in 3 in Form von jeweils zwei nebeneinander angeordneten Elektroden 2.8 und 2.9 bzw. 2.10 und 2.11 zwischen denen eine Leitfähigkeitsmessung erfolgt, realisiert werden. Um Fehlschaltungen durch beispielsweise feuchte Hände zu vermeiden, können diese Elektroden im Inneren des Geräts angeordnet sein oder im Gehäuse versenkt werden.
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Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung beispielhaft noch näher anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Beispiel 1 – Schutzvorrichtung mit kapazitivem Wassersensor, bistabilem Relais und manueller Rücksetzeinrichtung.
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In 4 weist diese Schutzvorrichtung eine Schutzschaltung 2 auf, die im Gehäuse 3 (entsprechend hierzu betreffen Ziffer 3 bzw. 3.1 in den 2 und 3 ebenfalls das Gehäuse) eines Haartrockners eingesetzt ist. Diese Schutzschaltung 2 umfasst eine Stromversorgung 2.1 für die Elektronik, eine Logikschaltung 2.2, ein bistabiles Relais 2.3 mit zwei Kontakten 2.4 und gegebenenfalls eine Rücksetzeinrichtung 2.6/2.7 oder besteht aus den genannten Komponenten.
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Der normale Betriebszustand ist der deaktivierte Zustand. Hierbei sind die Kontakte 2.4 des bistabilen Relais 2.3 geschlossen und der Fön kann betrieben werden. Kommt der kapazitive Sensor 2.5, also die Elektrode, mit Wasser oder dergleichen in Berührung, führt dies zu einer Kapazitätsveränderung an der Elektrode 2.5. Dies wird in einer Logikschaltung 2.2, vorzugsweise als Microcontrollers realisiert, erfasst und ausgewertet, sodass dieser über einen Schaltausgang das bistabile Relais ansteuert. Das bistabile wechselt rastend die Stellung in den aktivierten Zustand. Die Kontakte 2.4 sind geöffnet und die Spannungsversorgung zu den Betriebselementen 4, 5.1 und 5.2 ist unterbrochen. Dadurch, dass die Schutzschaltung 2 vergossen ist und somit nicht mit Wasser in Kontakt geraten kann, besteht keine Gefahr durch elektrischen Schlag.
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Um den Haartrockner nach Entfernen aus dem Gefahrenbereich weiter betreiben zu können, kann eine Deaktivierung der Schutzschaltung vorgesehen sein. Hierzu ist in diesem Ausführungsbeispiel eine manuelle Rücksetzeinrichtung 2.6/2.7 geplant. Diese kann durch den Nutzer betätigt werden. Die Rücksetzeinrichtung bestromt das bistabile Relais 2.3, dieses schließt die Kontakte 2.4 und bringt somit die Schutzschaltung in den deaktivierten Zustand zurück. Die Rücksetzeinrichtung kann beispielsweise aus einem Reedschalter als Schaltkontakt und einem Magneten, der beispielsweise über einen separaten Druckknopf, der als Betätiger wirkt, gebildet sein.
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Die Betätigung der Rücksetzeinrichtung kann gemäß einer weiteren Ausführungsform auch durch den für den normalen Gebrauch vorhandenen Betriebsschalter 4 (der auch in den anderen Figuren dieses Bezugszeichen trägt) zum Ein- und Ausschalten des Haartrockners erfolgen. Dies kann beispielsweise so gelöst werden, dass der Magnet zum Betätigen des Reedschalters über das Aus- und wieder erneute Einschalten des Betriebsschalters 4 gesteuert wird.
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Die Rücksetzeinrichtung in Form eines Reedschalters auszuführen hat gegenüber mechanischen Tastern den Vorteil, dass der Reedschalter in der vergossenen Schutzschaltung untergebracht und somit die Isolation gegenüber eindringenden Wassers leichter ermöglicht werden kann. Im Grunde kann aber auch jede andere Art von Schaltsensoren verwendet werden, solange der Wasserkontakt des Sensors nicht zu Fehlschaltungen oder Gefährdungen führt.
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Beispiel 2 – Schutzvorrichtung mit kapazitivem Wassersensor, bistabilem Relais und automatischer Rücksetzeinrichtung:
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Um einen Nutzereingriff für das Rückstellen nach aktivierter Schutzschaltung unter anderem aus Komfortgründen zu vermeiden, in diesem Ausführungsbeispiel die Rücksetzeinrichtung an den für den normalen Betrieb üblicherweise erforderlichen Schalter 4 des Haartrockners mechanisch gekoppelt ausgeführt. 5A und 5B zeigen ferner, dass der Dauermagnet 2.6 für das Betätigen des Reedschalters 2.7 im vergossenen Teil der Schutzschaltung 2 mechanisch so an den Ein-/Ausschalter 4 des Haartrockners angebunden ist, dass dieser in der Stellung "Aus" die Schutzschaltung 2 in den deaktivierten Zustand versetzt. Dies geschieht durch das Bestromen des bistabilen Relais 2.3. Weitere Schalthandlungen erfolgen wie in Ausführungsbeispiel 1 beschrieben. Im Übrigen sind auch hier gleiche Merkmale oder Ausgestaltungen mit denselben Bezugszeichen wie in den den anderen Figuren versehen. 5A zeigt ein Aufbaubeispiel und 5B ein Verdrahtungsbeispiel.
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Beispiel 3 – Schutzvorrichtung, bei der die Schutzschaltung in den Netzstecker integriert ist:
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6 zeigt die Schutzschaltung 2 integriert im Netzstecker 6. Die Rücksetzeinrichtung 2.6 kann ebenfalls im Netzstecker vorgesehen werden. Dies bietet den Vorteil, dass die Schutzschaltung nicht wasserdicht hergestellt werden muss. Allerdings muss die Netzzuleitung zum Haartrockner um die Anzahl benötigter Leitungsadern für den Wasserdetektor 2.5 erhöht werden. Optional kann die Übertragung des Sensorsignals auf die Netzzuleitung und somit auf die Netzspannung aufmoduliert erfolgen, z.B. über Powerline. Eine Übertragung kann auch durch drahtlose Übertragung, beispielsweise über Funk, WLAN, ZigBee und dergleichen erfolgen. Entsprechende Sender/Empfänger müssen dann im Haartrockner bzw. Stecker vorgesehen werden. Weitere Schalthandlungen erfolgen wie in Ausführungsbeispiel 1 beschrieben.
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Beispiel 4 – Schutzvorrichtung und Schutzschaltung, bei der die Wasserdetektion mittels Leitfähigkeitsmessung erfolgt:
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7 zeigt eine Ausführungsform, bei der zur Detektion von Wasser oder eines anderen flüssigen, elektrisch leitfähigen Mediums Elektrodenpaare eingesetzt werden. Dabei bilden die "Elektroden 1 + 2" 2.8 und 2.9 einen ersten Wassersensor und die "Elektroden 3 + 4" 2.10 und 2.11 einen zweiten Wassersensor. Es wird jeweils zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaars die Veränderung des elektrischen Widerstands gemessen, die bei Verbindung beider Elektroden durch Wasser zustande kommt und in einer Logikschaltung 2.2 ausgewertet. Weitere Schalthandlungen erfolgen wie in Ausführungsbeispiel 1 beschrieben. Die Schutzschaltung korrespondiert mit dem in 2 gezeigten Haartrockner.
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Weitere Ausführungsformen und Kombination von Ausführungsformen sind in den Patentansprüchen offenbart.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- VDE 0100 [0003]
- VDE 0100 Teil 410 [0004]
- A. Holfeld et al., "Detailinformationen zum sicheren Haartrockner", 1. Auflage, Dortmund: Bundesanstalt für Arbeits-schutz und Arbeitsmedizin 2012 [0007]
- A. Holfeld et al., aao. [0009]
