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Zahnärztliches Winkelstück
Die Erfindung bezieht sich auf ein zahnärztliches Winkelstück mit im Kopfteil gelagerter Druckluft- turbine für 100 000 und mehr Umdrehungen pro Minute.
Bei derartigen Winkelstücken ist die Turbine im Interesse möglichst geringer Reibung auf beiden
Seiten in Kugellagern gelagert. Diese Kugellager haben jedoch bei ihren kleinen Abmessungen und der starken Beanspruchung durch die hohen Drehzahlen nur eine verhältnismässig geringe Lebensdauer. Sie verlangen beste Wartung in Gestalt einer Kühlung und Ölschmierung. Zu diesem Zweck hat man die staub- und wasserfrei gemachte Treibluft mit einem Ölnebel versetzt und zumindest teilweise durch die
Kugellager abgeführt. Man muss dabei in Kauf nehmen, dass mit der in Richtung zum Bohrer abströmen- den Luft, die gleichzeitig zum Kühlen des Bohrers und der Behandlungsstelle dient, auch Ölreste auf die
Behandlungsstelle treffen. Das setzt voraus, dass nur bestes, fUr den Atmungsweg indifferentes Öl Ver- wendung findet.
Zu diesen aufwendigen Massnahmen für eine möglichst Schonung und Erhaltung der
Kugellager kommt als weiterer Nachteil der Kugellager hinzu, dass durch die Drehfrequenz ein Pfeifton angeregt wird, der von manchem Patienten als sehr störend empfunden wird.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass durch eine Lagerung der Turbine in Druckluftgleitlagern die genannten Mängel vermieden werden können.
Bei motorischen Antrieben anderer Art als bei einem Druckluftturbinenantrieb sind Gleitlager bekannt, deren axialen Lagerspalten über radiale Spalten Druckluft zugeführt wird.
Die Erfindung besteht einerseits in der Anwendung derartiger unmittelbar an eine Druckluftquelle angeschlossener Druckluftgleitlager für die radiale Lagerung der Welle des Turbinenrades zu beiden Seiten des Rades. Anderseits besteht die Erfindung darin, dass zur Aufnahme des axialen Bohrdruckes an die beiden Stirnflächen des Turbinenrades radiale Lagerspalte angrenzen, in die die axialen, mit Druckluft gefüllten Lagerspalte übergehen. Dadurch ist erreicht, dass auf jede der Stirnflächen des Turbinenrades in axialer Richtung ein Druck ausgeübt wird. Die beiden einander entgegenwirkenden Axialdruck halten das Turbinenrad sowohl im Leerlauf als auch bei auftretendem Bohrdruck in seiner zentrischen Stellung im Turbinenraum fest.
Dadurch, dass beim Gegenstand der Erfindung sowohl die radiale als auch die axiale Lagerung ausschliesslich mittels Druckluft erfolgt, läuft die Turbine. nahezu reibungslos. Die Lager haben daher eine lange Lebensdauer. Ausserdem entfällt die Notwendigkeit einer Ölschmierung. Auch der durch umlaufende Kugeln erzeugte Pfeifton ist vermieden.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann darin bestehen, dass auch die Antriebsluft für die Turbine zur axialen Lagerung benutzt ist. Das ist dadurch erreicht, dass das Turbinenrad zwei zu seiner Mittelebene symmetrisch angeordnete Schaufelreihen aufweist und die Form der Schaufeln und die Richtung der Zufuhrung der Antriebsluft derart gewählt sind, dass auf das Rad sowohl ein Drehmoment als auch ein von beiden Seiten gegen seine Mittelebene gerichteter Axialdruck ausgeübt wird. Diese zusätzliche axiale Druckluftlagerung bewirkt eine Aufnahme auch grösserer axialer BohrdrUcke, wie sie bei zahnärztlichen Laborarbeiten gelegentlich auftreten können.
Nach einem ändern Merkmal der Erfindung wird mit Vorteil wenigstens ein Teil der in den axialen Lagerspalten befindlichen Druckluft zusätzlich als Antriebsluft für die Turbine verwendet, indem die beiden Wellenstümpfe der Turbine mit gewindeähnlichen Drehrillen zum Abströmen der Lagerluft nach den Schaufeln hin versehen sind und der Schaufelgrund mit einer kleinen Ausnehmung in die Welle hinein vertieft ist.
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ansicht, Fig. 2 einen axialen Längsschnitt durch den Winkelkopf in vergrössertem Massstab. Fig. 3 den gleichen Schnitt in weiterer Vergrösserung, jedoch abgebrochen und mit der Turbine in Ansicht, Fig. 4 einen Querschnitt durch den Winkelkopf nach Linie IV-IV der Fig. 3. Fig. 5 eine Seitenansicht der Tur- bine mit ihren Lagerteilen nach Entfernen der äusseren Hülle des Winkelkopfes.
Das zahnärztliche Bohrhandstück 1 besteht aus dem Griffteil 2, dem abgewinkelten Stiel 3 mit dem
Winkelkopf 4 und dem Bohrer 5 und dem die Druckwasser- und Druckluftleitungen enthaltenden Schlauch- stück 6. In dem zylindrischen Gehäuse des Winkelkopfes befindet sich die Antriebsturbine für das Werk- zeug mit dem Turbinenrad 8 und der Turbinenwelle 9, in deren Längsbohrung die Spannhtilse 10 als Werk- zeughalterung eingesetzt ist. Das zylindrische Gehäuse 7 ist vorn und hinten durch Schraubdeckel 11, 12 abgeschlossen.
Druckluft wird dem Winkelkopf 4 durch die Leitung 13 zugeführt, die sich kurz vor dem Eintritt in den Winkelkopf für die Luftlagerung der Turbine in zwei Leitungen 14, 15 aufteilt. Der wesentliche Teil der entspannten Arbeitsluft wird durch die Leitung 16 abgeführt. Für die Druckwasserzufuhr zum Bohrer und zur Behandlungsstelle ist eine Leitung 17 vorgesehen, die in einer Ausströmdtise 18 endet.
Die in den Winkelkopf eingebauten Lagerungsteile für die Turbine setzen sich, im wesentlichen aus fertigungstechnischen Gründen, aus mehreren Teilen zusammen. In das Gehäuse 7 ist ein Ring 19 mit genau planparallelen Stirnflächen eingepresst. Gegen diese Stirnflächen sind die beiden DUsenringe 20,
21 saugend in das Gehäuse 7 eingeführt. In den Düsenringen sitzen auch wieder saugend bis stramm die
Verteilerringe 22,23, gegen die die ebenfalls saugend eingesetzten Verschlussringe 24, 25 drücken. Die beiden Schraubdeckel 11,12 sichern axial die Verschlussringe, Verteilerringe und Düsenringe.
Für die radiale Luftlagerung der Turbine befindet sich zwischen den Lagerungsteilen und den Wellen- stümpfen 26, 27 je ein ringförmiger Lagerspalt 28,29. Diesen axialen Spalten wird die Druckluft von den Leitungen 14, 15 aus radial zugeführt. Zu diesem Zwecke sind die Dlisenringe 20, 21-bei völlig gleichförmiger Ausbildung beider Lagerseiten sei im folgenden nur noch die eine Seite an Hand der Fig. 3 beschrieben - mit einer Ringnut 30 versehen, in deren Bodenfläche, über den ganzen Umfang gleichmässig verteilt, acht radiale Bohrungen 31 angebracht sind, die sich im Verteilerring 22 fortsetzen. Auch in den Verteilerring ist eine Ringnut 32 eingeschnitten, so dass bei der radialen Druckluftzufuhr zum axialen Lagerspalt immer wieder für eine gleichmässige Verteilung der Druckluft über den ganzen Ringumfang gesorgt ist.
Aus der Bohrung 31 verteilt sich dann die Druckluft in axialer Richtung nach beiden Seiten durch weitere Bohrungen 33, die unter völlig gleichmässiger Druckverteilung in Ringnuten 34 enden.
Diese Ringnuten sind in unmittelbarer Ringverbindung mit den ringförmigen, schmalen, senkrecht zum Wellenstumpf 26 und zum axialen Lagerspalt 28 stehenden Luftzufuhrspalten 35. von denen aus die Druckluft in den Ringlagerspalt 215 gelangt. Um einen guten Tragetfekt zu erhalten, müssen natürlich die Abmessungen der Lagerspalte und der Zufuhrspalte aufeinander abgestimmt sein. Zweckmässigerweise wird der Querschnitt der Zufuhrspalte kleiner gehalten als der der Lagerspalte, etwa im Verhältnis 2 : 3.
Um auch die axiale Luftlagerung der Turbine sicherzustellen, sind zwischen den beidseitig am Turbinenrad 8 befindlichen Ringflanschen 43 und den Düsenringen 20,21 radial stehende Ringspalte 42 vorgesehen. Diese radialen Lagerspalte 42 sind so schmal wie möglich gehalten und stehen mit den axialen Lagerspalten 28,29 in unmittelbarer Verbindung. Die Turbine liegt also radial und axial in Druckluft.
Beim Auftreten axialer äusserer Kräfte wird durch Erhöhung des Gegendruckes das zum Ausweichen neigende Turbinenrad in der Mittellage gehalten.
Das Turbinenrad 8 ist aus einem zylindrischen Werkstück herausgearbeitet, indem zwei symmetrisch nebeneinanderliegende Schaufelreihen ausgefräst sind. Die beiden Reihen sind durch eine beim Ausfräsen der einzelnen Schaufeln 37 längs des Radumfanges stehengebliebene Mittelrippe 36 voneinander getrennt.
Die Schaufeln jeder Reihe sind gegenüber der Mittelebene des Turbinenrades in einem von 900 verschiedenen Winkel a (Fig. 3 und 5) geneigt, wobei jeweils der Winkel a in beiden Reihen der gleiche ist. Sie können aus zur zugehörigen Stirnfläche des Rades hin offenen Ausnehmungen bestehen, deren Querschnitt vom Schaufelgrund zum Radumfang hin zunimmt. Vorteilhafterweise haben die Schaufeln etwa die Form eines Hohlhegelstumpfes mit elliptischem Querschnitt, wobei ein Teil des Stumpfes durch die Stirnflächen des Rades abgeschnitten ist und die kleinere Deckfläche des Stumpfes den Schaufelgrund 38 bildet.
Die Hauptachse der Ellipse ist zur Turbinenmittelebene im spitzen Winkel geneigt, so dass die Längsachsen benachbarter Schaufeln der beiden Schaufelreihen im stumpfen Winkel zueinander stehen (Fig. 5).
Die Zuführung der Antriebsluft zu den Schaufeln erfolgt tangential, wobei die Stromrichtung in einem von 900 verschiedenen Winkel zur Mittelebene 36 des Turbinenrades geneigt ist. Gemäss dem
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, Ausführungsbeispiel wird die Antriebsluft in der Ringnut 30 der beiden Düsenringe 2u, 21, abgezweigt.
Jede der beiden Ringnuten ist durch vier düsenartige Bohrungen 39 mit dem Turbinenraum derart verbun- den, dass die durch sie hindurchstrómende Druckluft schräg-tangential in die Schaufeln 37 zum Schaufel- grund 38 hin einfällt. Ausbildung und Anordnung der Düsen 39 und der Schaufeln 37 sind so aufeinander abgestimmt, dass auch die von beiden Seiten einfallende Antriebsluft zum Festhalten des Turbinenrades in der Mittellage beiträgt. Auch der beidseitig der äusseren Teile des Turbinenrades vorhandene Spalt 44 zu den Düsenringen 2IJ, 21 hin wird sehr eng gehalten, und es trifft die aus den Düsen 39 ausströmende
Druckluft bei einer etwaigen axialen Verschiebung des Turbinenrades mit grösserem Druck auf die Stellen der gegenseitigen Stirnfläche des Rades auf, die keine Schaufelausfräsungen aufweisen.
Es kann eine ge- rade Zahl von Schaufeln und Düsen gewählt werden, wobei die Schaufelzahl zugleich ein Vielfaches der
Düsenzahl betragen kann. Axiale Schwingungen werden dadurch vermieden, dass die Beaufschlagung der
Schaufeln von beiden Seiten im gleichen Rhythmus erfolgt und sich die durch äussere Kräfte verursachten axialen Verschiebungen sofort ausgleichen.
Die im Turbinenraum entspannte Luft tritt durch die Rùckfuhrungsleitung 16 über das Handstück 1 und den anschliessenden Schlauch 6 frei aus.
Auch die in die axialen Lagerspalte 28,29 hineingedrückt Pressluft trägt zum Antrieb der Turbine bei. Es befinden sich auf den Wellenstümpfen 26. 27 der Turbine gewindeähnliche Drehrillen 40 der Art, dass die Lagerluft beim Drehen der Turbine nach den Schaufeln zu abströmen kann. Die Ausfräsung des
Schaufelgrundes 38, der-wie aus Fig. 2 ersichtlich-etwas tiefer liegt als die Oberfläche der Turbinen- welle 9, läuft bei 41 zur Welle hin aus, so dass dort eine kleine Ausnehmung für ein Sichausdehnen der aus den Drehrillen 40 austretenden Lagerluft entsteht. Von dort aus strömt die Luft gegen die schrägge- stellten Schaufeln 37 und trägt so zum Antrieb der Turbine bei.
Der vordere axiale Lagerspalt 28 ist ausserdem mit dem Ringspalt 45 in der vorderen Abdeckung 11 des Winkelkopfes verbunden, so dass ein Teil der radialen Lagerluft zum Bohrer hin ausströmt. Damit gleiche Druckverhältnisse zu beiden Seiten des Turbinenrades herrschen, muss die gleiche Luftmenge auch an dem rückseitigen Ende des Winkelkopfes irgendwie austreten können. Es kann beispielsweise eine
Bohrung 46 (Fig. 2) vorgesehen sein, die den gleichen Querschnitt wie der Ringspalt 45 hat. Diese Bohrung ermöglicht ausserdem ein Ausstossen des Bohrers aus dem Turbinenkopf von der Rückseite aus.
Beim Einwirken äusserer Kräfte kann ein Anlaufen der Turbine gegen die Lagerflächen vorkommen.
Die möglichen Berührungsflächen müssen daher gute Gleitlaufeigenschaften haben. Abgesehen von einer äusserst glatten Oberfläche müssen die Werkstoffe für die Turbinenwelle und die Anlaufflächen so gewählt sein, dass sie gut aneinander gleiten. Es empfiehlt sich, z. B. den einen Teil aus Teflon mit Molykote oder einem ähnlichen Kunststoff und den andern Teil aus nichtrostendem Stahl oder Messing zu fertigen. Vorteilhafterweise wird man eine Turbine mit grosser Masse wählen und die Anlaufflächen mit einem
Werkstoff mit guten Gleiteigenschaften auskleiden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Zahnärztliches Winkelstück mit im Kopfteil gelagerter Druckluftturbine für 100000 und mehr Umdrehungen pro Minute, wobei die Welle des Turbinenrades zu beiden Seiten des Rades radial gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass beide Lager als unmittelbar an eine Druckluftquelle angeschlossene Druckluftgleitlager ausgebildet sind, deren axiale Lagerspalte (28,29) in radiale Lagerspalte (42) übergehen, die an die Stirnfläche des Turbinenrades angrenzen, und dass radiale Luftzuftihrungsspalte (35) zu den beiden axialen Lagerspalten vorhanden sind.