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Schnelläuferturbine Die Erfindung bezieht sich auf mit Druckluft
angetriebene Schnelläuferturbinen von der beispielsweise in der Zahnheilkunde für
den Antrieb von Bohrern bzw. Fräsern verwendeten Art.
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Zwei Vorteile derartiger Turbinen sind die sehr hohen Antriebsgeschwindigkeiten
und die erzielbaren verhältnismässig hohen Antriebskräfte. Diese Vorteile ermöglichen
es, das Bohren und andere Arbeitsgänge sehr viel schneller und erschtitterungsfreier
als mit den bisher üblichen Bohrmaschinen mit Riemenantrieb auszuführen.
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Doch wegen der hohen Drehgeschwindigkeit werden diese Turbinen schon
von der geringsten etwa vorhandenen Unwucht besonders nachtailig beeinflusst, und
auch aelbaterregtes "Flattern" des Rotors bei bestimmten Drehzahlen maoht es notwendig,
dafür zu sorgen, dass die resultierenden Vibrationen absorbiert werden, FUr besondere
Lagersyateme ist aber nur
beschränkt Platz vorhanden, weil es bei
diesen Turbineneine wesentliche Forderung ist, sie verhältnismässig-sehrklein zu
halten, damit im Mund des Patienten bequem mit dem Instrument gearbeitet werden
kann.
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Es ist schon bekannt, für den Rotor derartiger Turbinden eine sogenannte
Luftkissenlagerung vorzusehen, d. h.- ihn in' seinen Lagern auf einem dünnen Luftfilm
laufen zu lassen, wobei die dazu erforderliche Luft vorzugsweise von ~ Quelle abgezweig-t
wird, die auch die Turbine selb-st antreibt.
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Dabei wird die Druckl'uft nicht nur den rfurbinenschåufeln des Rotors
zugeführut, sondern auch durch Druokluftkanäle äusserer Lagerelemente geleitet,
in denen der Rotor mit sehr geringem Spiel läuft, d. h. dass er durch einen sehr
dünnen Luftfilm' von dem Lagerelement getrennt ist.
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Die Hauptaufgabe der-Erfindung ist es, die beschriebenen 'Schnellduferturbinen
mit Luftkissenlagerung zu verbessern und dadurch eine einwandfreie Absorption der
durch Unwucht und Flattern erzeugten Vibrationen zu erreichen.
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Bine weitere Aufgabe ist es, mehrere unabhängige Lager für einen
Rotor so auszubilden, dass sie sich automatisch selbst"aufeinander ausrichten.
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Zur Lösung der gestellten Aufgaben schafft die Erfindung j' eine Schnelläuferturbine
mit Luftkissenlagerung, die gekennzeichnet ist durch ein Halterkonstruktion, einen
den Fräser od. dgl. aufnehmenden Rotor mit axial im Abstand
voneinander
angeordneten Laufflächen, und durch um die SaufflEchen des Rotors herum angeordnete
und mit diesen zusammenarbeitende Lagerelemente, die ihrerseits in der Halterkonstruktion
unter Zwischenschaltung von elastisch zusammendruckbaren Mitteln gelagert sind,
am eine Dämpfung selbsterzeugten Flatterns der aus Rotor und Instrument bestehenden
Gruppe und eine Absorption von UnwachtkrEften dieser Gruppe zu erreichen.
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Jedes Lagerelement kann getrennt in der gemeinsamen Halterkonstruktion
mittels der elastisch zusammendrückbare Mittel gelagert sein. Diese Anordnung gestattet
es, dass sich die einzelnen Lagerelemeute in allen Laufphasen und unter allen Laufbedingungen
unabhängig voneinander bewegen können.
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Zweckmässigerweise wird jedes Lagerelement von den elastisch ausammendrückbaren
Mitteln umfasst, wobei letztere in vorteilhafter Weise gleichzeitig als hermetische
Dichtungen zwischen dem Lagerelement und einem Teil der Halterkonstruktion dienen,
um beispielsweise zu verhindern, dass der Druckluftversorgungsetrom für die Lagerflächen
in axialer Richtung entweicht und somit den inneren Druck in jedem Lager unabhängig
von der Druckluftversorgung der Turbinenschaufeln des Rotors aufrechtzuerhalten.
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Jades der Lagerelemente kann unter Zwischenschaltung von zwei oder
mehr mit axiale Abstand voneinander angeordneten und das Lagerelement umschliessenden,
elastisch zusammendrückbaren
Mitteln in der gemeinsemon Halterkonstr4uktion
gelagert sein, wobei die elastisch zuzammendrückberen Mittel eine @ermotieche Dichtung
zwischen dem Lagerelement und der .gnas.mBi@n&rSa@n'MMel'snsaBimen'.mif.3?@il@näer"'Ealt'-.
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*<'' zusammendrückbaren Mittel zusammen mit Teilen der Halterw,
< < wenigstasisnn's.xisl.ieMsen-..'äaenrimin Dit$nga.na.idnae&'dnüMs?
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e.3.eMm'mafsende-sstehMittel ausnimmt und die M zu ten zwecmässeigerwiese jeweils
nahe den
beiden Stirnenden des Lagerelements vorgesehen sind.
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Jedes Lagerelement kann einen oder mehrere innere Ringkanäle aufweisen,
wobei jeder Ringkanal über eine Mehrzahl von um denUmfangverteiltangeordnetenBruokluftkanälen
mit der inneren zulindrishcen Lagerfläche des Lagerelments in Verbindung steht.
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Um eine vorteihafte Konstruktion zu erzielen, kann jedes Lagerelement
aus einer äusseren Buchse und einer inneren Buxhse bestehen, die als getrennte Teile
hergestellt und anschliessend zusammengebaut werden, wobei Ausbildung und Abmessungen
der Buchsen so gewählt sind, dass im zusemmengebauten Zustand zwischenderäusserenZylinderfläeMdarinneren
Buchse und der inneren Zylinderfläche der @usseren Buchse die oben erwähnteninnerenRingkanälegebildetwßydc:.
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Umden Rotor in der Halterkonstruktion in Längem@cktung festzulgen,
ist es zweckmässig, beispleisweise zwimeben radialen Stirnseiten des Rotors und
der Lagemelemon@@ ein@ weiteres Luftkissensystem zu verwenden.
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Zu diesem Zweck kann das oder jedes Lage@@@emer@@ @@ einer Stirnseite
Bohrungen für die Druckluftverscrgun@@@@@@ den weiteres Luftkissensystem zu verwenden,
StirnseiteBohrungenfürdieDruokluftayscrgu'"id-sn tirnaits Bchruren i. r . ; . tuv,
; . : . , . :. f :, ro ; z Drue3lutkabln 2, a inm '. . . : $ :. . : ,- ; w. : :
a :. . x. . ^ EinAlternatiwerfahrenzurDruekluftTeyäey:'&L&ger-Ein Alternativverfahren
zur Druckluftvergorg@@@ @@s Lagerspal zwischen der radialenFlächede&Roters'?'-jeweilige
: Lagerelement verwendet die Abluft aus den @@@gförmigen
Luftkissenlagerspalten,
In diesem Fall sind die radialen Stirnseiten vollständig glatt und weisen keine
Taschen oder Durchlasskanäle auf, und die Axialkräfte werden von einem Luftfilm
zwischen den Stirnflächen aufgenommen, der von der Luft gebildet wird, die aus den
ringförmigen Lagerspalten radial nach aussen zwischen die radialen Stirnfläche strömt.
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Ein Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass der Luftverbrauch für
die Luftkissenlager beträchtlich reduziert wird, so dase ein grosser Teil der durch
das Handstück gespeisten Druckluft für den Antrieb der Turbine nutzbar wird. Ein
enderer Vorteil dieser Anordnung wird in einer vereinfachten Herstellung der Lagerelements
durch den Fortfall der Luftkanäle und ringnuten in den radialen Stirnseiten der
Lager-Ol@mente erblickt.
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Die elastisch zusammendrückbaren Lagermittel können zweckmäszigerweise
O-Ringe sein, und zwar insbesonders O-Ringe mit einer abgeflachten inneren Ringfläche,
z.B. einer zylindrische@ Innenwandung. In der Parxis wurden bisher O-Ringe aus gum@i
mit bestimmten Materialeigenschaften verwendet, der eine Shore-Härto von etwe 45°
hat. Derartige O-Ringe aus Gummi sind für die elastische Abstützung der Lagerelemente
besonders geeignet, obenso wie zur Dämpfung einer selbsterregten Flattorinstabilität.
Auch härterer Gummi mit einer Shore-Härto bis zu etwa 60° wäre geeignet, würde aber
nicht ganz so gut@ Ergebnisse zeitigen. Weicherer Gummi, und zwar bis horunter zu
einer Shore-Härte von etwa 35° wäre ebenfalls
geeignet und würde
sogar die Absprptionswirkung erhöhen, gleichzeitig aber auch die Schwierigkeiten;genaueFormen
und Abmessungen einzuhalten.Verwendetwerdenkanngäes elastisch zusainmendrückbareMaterial,dasunterderEinwa.
rkung rn V'.'a. cn. r. .. r w. . u. vr alsr, -Naturkautschuk sowie Butylkautschuk
Butylkautschuk und anders Arten von Synthesekautsohuk.
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F. t38. 3. £3''r 818'al i'$''. C : :'I. C3. y . ", 837. $3't3 3fI'1
£ . " '"1''i. JEd3'1 ZusemildTt. kbr1 Iag''- . ia , . 3. . °. , . , zrl : -werden
sollten, die für den Antrieb der turbine und für die Luftkissenlager zugerührte
Druckluft das elastische und Erschütterungen absorbierende Material zusammenpressen
und dieses einen unerwünschten Härtegrad annshmen wärde, mit dem Ergebnie, dass
die Lagerelemente nicht langer slastisch genug gelagert wären, um selbeterregto
Plattenkräite zu dom gelagert wären, um selbeterregto Flatterkräite zu dampfen.
Demea, a cn . . . . v.. za : . . a' barn Lagermitte : E. crn «-. ; * : . . : =.
r. r s angeordnet, d, : . c. : e. d. a !-3. s-y=Ev. : r. . » Drue auf sie ausgeübten
Druck und den @on @en Lagerclementtn se3. bat aue : ue° a 4. ° : . '. : rarE. °°rn
u-'ra.Lf.as.!'w.f;."....El..a!d'4::'....:»S,tf°it.t."' a'bye bung der Lagerelemente
gegenüber der Halterke@@@@@@ktion, bei einer zentraalgespeisten Turbine beierielzw@@@@
zuch eussen voneinander fort, vorzugeweise durch die Ve@@@@@@@@ von icharunemi-r,
x. . in ttt rr : . . ', : a°= . : ; . .
od. dgl. eines gemeinsamen
Turbinengehäuses, in dem der Rotor läuft, vermieden.
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Durch Berechnungen kann nachgewiesen werden, dass bei einem Bohrerschmaft
mit für dieZahnbehandlunggeeignetenAbmessungen die Unwuchttoleranz, in der der Schaft
einwandfrei läuft, von'den folgenden Werten adhängt: Die statische Restunwucht muss
unter 6 x 10"g/cm und die dynamische Restunwucht an einem Schaftende unter 2 x 10"g/cmliegen.
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Doch ist es bei Verwendung geeigneter elastischer Lagermittel, und
zwar insbesondere bei Verwendung von Gummi der angegebenen Shore-Earte, möglich,
grössere als die erwähnten statischen unddynamischenRestunwuchtenaufzunehmen.
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Gemäss einer-bevorzugten Konstiruktion istder Rotor mit einem Satz
Turbinenschaufeln bestückt, der zwischen don beiden axial im Abstand voneinander
vorgesehenen Laufflächen des Rotors-ang'eordnet t, wobei die Halterkonstruktion-fUr
die LagermitteleinTurbinengehäuseaufweist,daszusammen mit dem mitdenTurbinenschaufelnversehenenTeild«täHafers
und um diesen Teil herum einen in bezug auf den Rotor exzentrischen Strömungskanal
für die Antriebsdruckluft bildet, wobei das Turbine'hgehause einen mit einem Drucklufteinlasskanäl
in Verbindung'stehenden und in die radial engste Stelle des exzentrischen Stromungskanals
mündenden Durchlass sowie einen von derradial-weitestenStelledesexzentrischenStromungs-r
kanals wegführenden Auslasskanal aufweist.
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In den Zeichnungen, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigen, isti ? 1 ein axialer Schnitt durch eine Schnelläuferturbine gemäss der Erfindung
; Fig. 2 eine Chnliche Ansicht, wobei ein Rotor und ein Lager entfernt wurden ;
Fig. 3 ein Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 1, und Fig. 4 tin Schnitt nach
der Linie IV-IV in Fig. 1.
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Wie insbeaondere aus den Fig, 1 und 2 ersichtlich ist, besteht die
Schnelläuferturbine gemäss der Erfindung aus einem an beiden Enden offenen Turbinengehäuse
1. In dem Turbinengehäuse 1 ist koaxial ein Rotor 2 gelagert, dessen veines bide
3 die zentrale Öffnung an diesem Gehäuseende mit Spiel durchsetzt und eine Aufnahme
bildet, in deren Bohrung-3a der Schaft eines nicht dargestellten Zahnbohrers oder
-fräsera eingesetzt werden kann. Das andere Snde des Turhinengehäuses l ist vollständig
offen und weist einen Durchmesser auf, der grösser ist als der grösste Durchmesser
des Rotors 2, um zu gestatten, dass der Rotor 2 und seine Lager von diesem Bnde
aus von Hand in dasTurbinangehäuse1eingesetzt werden können. Ferner ist an diesem
Enda das Turbinengehäusemiteinerinneren,um den Umfaag verlaufenden Ausnehmung 4
versehen, die als Aufnahme für den Rand einer scheibenförmigen Abschlussplatte 5
des Turbinengehäuses 1
und für eine Sicherungsvorrichtung wie beispielsweise
einen Federbügel 6 dient.
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Etwa in der Mitte ist das Turbinengehäuse 1 mit einer zylindrischen
Innenoberfläche 7 versehen, die einen etwas grosseren Durchmesser als die angrenzenden
Innenwandungen 8 und 9 aufweist und einem mit Turbinenschaufeln 10 versehenen Abschnitt
des Rotors 2 entspricht, so dass ein exzentricher Stromungskanal 11 finir die Druckluft
gebildet wird.
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Wie aus den Fig. 3 und 4 besser zu entnehmen ist, fiihrt ein Drucklufteinlasskanal
12 durch den Schaft'13 des Turbinengehäuses 1 nach oben und miindet über einen Durchlass
14 in den exzentrischen Stromungskanal 11, und zwar an der engsten Stelle desselben.
An der weitesten Stelle des exzentrischen Stromungskanals 11 kann die Druckluft
durch einen dure de-Schaft 13 zurückführenden Auslasskanal 15 entweichen. Die beiden
zylindrischen Innenwandungen 8 und 9 zu beiden Seit-en der zylindrischen Innenoberfläche
7 der exzentrischen Gehauseausdrehung sind koaxial angeordnet und dienen als Aufnahmen
fUr zwei gleiche Lagerelemente 16 und 17.
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Der Druoklufteinlasskanal 12 erweitert sich an seirem oberen Ende
und bildet eine Kammer 12a (Fig. 1.), von der zwei Kanäle 18 und 19 wegführen. die
über Öffnungen 20 und 21 in den koaxialen Innenwandungen 8 und 9 ins Inrere des
Turbinengehäuses 1 münden.
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Jedes dor Lagerelemelg 16 und 17 besteht aus einer inneren
Buchse
22 und einer äusseren Buchse 23. Die äussere Buchse 23 hat in ihrer äusseren zylindrischen
Mantelfläche zwei gleiche, um ihren Umfang verlaufende Nuten 24, von denen jede
einenO-Ring 25 aufnimmt. Nahe den Stirnseiten jeder äusseren Buchse 23 sind auch
in deren innerer Oberfläche zwei gleiche Ringnuten 26 vorgesehen, die über einen
axial verlaufenden Verbindungskanal 27 mit opiner radialen Bohrung 27a in Verbindung
stehen. Die dem Rotor 2 zugewandte Stirnwand der äusseren Buchse 23 weist eine Anzahl
rechtwinklig durch sie hindurchgebohrten und symm@trisch angeordnater Bohrungen
28 auf, die eine VerbindungZwieoheneiner&<tr" '*3 Ringnuten 26 und der entspreohenden
Stirnfläche der äusseren Buchse 23 herstellen. Die innere Buchse 22 ist in !? ussere
Buchse 23 eingepasst und mit iner inneren zylindri. sehen Lagerfläche 29 und einer
äus Zylinderfläche 30 mit zwei den Ringnuten 26 der äusseren Buchse 23 entsprecher@@@n
Nuten 31 versehen. An jeder Nut 31 der inneren Buchse 22 ist diese symmetrisch in
Abständen um ihren Umfang herum radial durchbohrt, um von den Nuten 31 zur interen
zylindrischen Lagerfläche 29 führende Druckluftkanäle 32 zu schaffen.
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Durch die Öffnungen 20 und 21 werden die Lagerelements 16 und 17
mit Druckluft versorgt.
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Jedes der Zusammengesetzten Lageralemente 16 und 17 ist innerhalb
einer der zylindrischen Innenwandungen 8 bzw. 9 d@s
Turbinengehäuses
1 angeordnet und in den beiden in axialem Abstand voneinander von den Nuten 24 aufgenommenen
O-Ringe 25 aus Gummi gelagert. Die O-Ringe 25 dienen nicht nur zur Lagerung der
Lagerelemente 16 und 17 im Turbinengehäuse 1, sondern auch als Dichtringe, indem
sie zentral einströmende Druckluft fürdieTurbinenschaufeln10daranhindernüberdie
Aussenseite der Lagerelemente 16 und 17 in die offenen Enden des Turbinengehäuses
1 zu entweichen.
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Wann das Spiel zwischen jedem Lagerelement 16, 17 und der entsprechenden
Gehäusebohrung so klein wie möglich gehalten wird beispielsweise zwischen 0, 05
und t07 mm, kann sich der Gummi in dem abzudichtenden Spalt nicht verklemmen, so
dass er seins Elastizität beibehält und nicht steifer wird, wie es der Fall wäre,
wenn er zwischen dem Lagerelement und der InnenwandungdesTurbinengehäusesingekeitwürdec
Die innere Buchse 22 erhält zweckmässigerweise die Form eines dünnwandigen Rohrs,
um die Herstellung der Druckluftkanäle 32 zu erleichtern.
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Der für die O-Ringe 25 verwendete Gummi hat vorzugsweise eine Shore-Härte
von 45°. Das radiale Spiel zwischen den beiden zylindrischen Laufflächen des Rotors
und den inneren zylindrischen Lagerflächen 29 der inneren Buchsen 22 ist äusserst
wichtig und liegt bei der beschriebenen Konstruktion vorzugsweise zwischen 0,006
und 0,0075 mm. Unter diesen Beding. ngungen und mit den oben erwähnten O-Ringen
ist es möglich,
Rotorgeschwindigkeiten bis zu 750 000 U/min zu
erreichen.
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Dabei entstehen keine ErsohUtterungen oder Vibrationen, die auf"Schlagen"zurtickzuftihren
sind, das immer dann auftritt, wenn der Fräser nicht genau konzentrisch im Rotor
sitzt. Bei Handstücken fUr auswechselbare Braser ist die Unwuchtbelastung hauptsächlich
auf das "Schlagen" der Fräser zurückzuführen, das durch die Verwendung des elastisch
zusammendrtokbaren Lagermittels gemäss der Erfindung, das die erfolgreiche Verwendung
der verschiedensten Frässer ermöglicht, zuverlässig ausgeschaltet wird. Innerhalb
der Lager entsteht nur eine sehr geringe Reibung, so dass das Instrument mit einer
verhältnismässig geringen Antriebskraft auskommt. Es wurde festgestellt, dass die
O-Ringe 25 bei Beaufschlagung der Lagerelemente 16 und 17 mit Druckluft nach aussen
gedrückt werden und den Ringspalt 33 zwischen Lager und Gehäuse einwandfrei abdichten,
wobei im Innern der Lagerelemente 16 und 17 zwischen den Laufflächen des Rotors
2 und dem Turbinengehäuse 1 eine derartige Starrheit erzeugt wird, dass die Lagerelemente
16 und 17 auf ihren elastischen O-Ringen 25 in eine Flucht ge-Dresst werden, d.
h. sich selbsttätig ausrichten. Wenn diese Bedingungen hergestellt sind, beginnt
der Rotor 2 sich von selbst zu drehen, wobei er gleichzeitig vollständig flexibel
gelagert ist und dadurch alle restlichen Unwuchten sowie selbsterregtes Flattern
absorbieren kann, was in der Praxis zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht gänzlich
ausgeschaltet werden kann.