DE19504298A1 - Kleinhandstück mit druckmittelgetriebener Turbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kleinhandstück mit druckmittelgetriebener Turbine, das sich für handwerkliche Arbeiten ebenso wie für medizinische oder zahnmedizinische Behandlungen eignet.

Insbesondere befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einem eine druckmittelgetriebene Turbine aufweisenden Kleinhandstück, dessen Gesamtabmessungen verringert sind, das eine Erhöhung der Drehzahl der Turbinenschaufeln in der Kopfkammer erlaubt, das auch bei Zu­ fuhr einer relativ geringen Energie ein vergleichsweise hohes Ausgangsdrehmoment an einer Turbinenrotorwelle, auf deren Umfangswandteil die Turbinenschaufeln sitzen, und an ver­ schiedenen Werkzeugen abgibt, die sich von einem zentralen Teil der Turbine axial weg­ erstrecken, und das ungeachtet seiner geringen Abmessungen eine hohe Leistungsfähigkeit hat.

Kleinhandstücke mit druckmittelgetriebener Turbine werden in großem Umfang eingesetzt, um beispielsweise Werkstoffe schneidend und/oder schleifend zu bearbeiten. Der Einsatz erfolgt auch auf medizinischem und zahnmedizinischem Gebiet zum Eröffnen von zu behan­ delnden Stellen, zum Trepanieren, zum Schneiden oder Abtrennen von Knochen oder Zähnen, bei der Durchführung von restaurativen chirurgischen Behandlungen (Cerebralchirurgie, plastische Chirurgie, laryngologische Chirurgie oder Otolaryngologie) oder bei der Durchfüh­ rung von intraoralen Behandlungen der Zahnmedizin.

Bei den obenerwähnten Kleinhandstücken mit druckmittelgetriebener Turbine werden zahn­ ärztliche Kleinhandstücke, deren Turbine mit Druckluft angetrieben ist, beispielsweise als zahnärztliche Luftturbinenhandstücke bezeichnet. Sie haben das in Fig. 1 dargestellte Aus­ sehen.

Entsprechend Fig. 1 besteht das vorliegend im einzelnen erläuterte zahnärztliche Luftturbi­ nenhandstück A aus einem Kopfteil H und einem Griffteil G. Der Kopfteil G geht in einen Halsteil N über. Im Inneren des Handstücks befinden sich Mittel zur Zufuhr von Druckluft zu der innerhalb des Kopfes H angeordneten Luftturbine sowie zur Ableitung der Druckluft aus dem Kopf H. Ein Werkzeug B ist mit der Rotorwelle der Luftturbine verbunden, wie dies gleichfalls in Fig. 1 dargestellt ist.

Es versteht sich, daß das zum Antreiben der Turbine vorgesehene Druckmittel vorliegend nicht auf Druckluft beschränkt ist. Unter anderem können vorliegend auch andere Druckmit­ tel, beispielsweise unter Druck stehende Flüssigkeiten und unter Druck stehende Gase, ein­ schließlich Wasserdampf, benutzt werden. Die Begriffe "Luftzufuhr", "Lufteinlaßanschluß", "Luftauslaß" und "Luftauslaßanschluß", wie sie in der nachfolgenden Beschreibung bei­ spielsweise bei Verwendung von Druckluft verwendet werden, sind daher allgemein als "Zufuhr", "Einlaßanschluß", "Auslaß" und "Auslaßanschluß" zu verstehen, wenn mit anderen Druckmitteln gearbeitet wird.

Das Einsatzgebiet von Kleinhandstücken mit druckmittelgetriebener Turbine, mit denen sich die vorliegende Erfindung befaßt, ist nicht auf das zahnärztliche Gebiet beschränkt, sondern schließt auch allgemein das medizinische Gebiet und andere Gebiete ein, wo es darum geht, Werkstoffe schneidend zu bearbeiten und/oder zu schleifen. Im Bereich dieser Anwendungs­ gebiete lassen sich die Kleinhandstücke nach der Erfindung nicht nur als von Hand gehaltene Geräte im Sinne des Begriffes "Handstück" einsetzen, sondern auch als Elemente (Bau­ gruppen, Teile oder dergleichen) von maschinellen Anlagen.

Ein konventionelles zahnärztliches Luftturbinenhandstück A′ und insbesondere dessen Innen­ aufbau im Bereich des mit dem Kopfteil H′ verbundenen Halsteils N′ sind in den Fig. 16 und 17 veranschaulicht. Dabei stellt Fig. 16 einen lotrechten Querschnitt mit Bezug auf die Richtung der Achse der Turbinenrotorwelle 3′ dar, während Fig. 17 einen Querschnitt ent­ sprechend den Pfeilen XVII-XVII der Fig. 16 zeigt.

Entsprechend Fig. 16 sind bei dem Kopfteil H′ des konventionellen zahnärztlichen Luftturbi­ nenhandstücks A′ Turbinenschaufeln 2′ an der Umfangswand der Turbinenrotorwelle 3′ mon­ tiert und innerhalb einer Kammer 11′ des Kopfes 1′ angeordnet. Der Turbinenrotor 3′ ist mit­ tels Lagern 4′, die in dem Kopf 1′ sitzen, drehbar abgestützt. Der Kopf 1′ umfaßt einen Kopf­ hauptkörper 12′ und eine Kappe 13′. In dem Kopfhauptkörper 12′ ist die Kammer 11′ zur Auf­ nahme der Turbinenschaufeln 2′ ausgebildet. Die Turbinenrotorwelle 3′ ist in den Lagern 4′ drehbar gelagert.

Ein Werkzeugschaft 5′ eines dentalen Schneid- oder Schleifwerkzeugs oder dergleichen, das zur Durchführung verschiedenartiger Behandlungen dient, ist in einem sich axial erstrecken­ den zentralen Teil der Turbinenrotorwelle 3′ gehalten. Auf einer Umfangswand des Werk­ zeugschafts 5′ ist, wie dargestellt, eine Spannhülse 51′ zum Halten des Werkzeugschafts 5′ an­ geordnet. Bei der veranschaulichten Spannhülse handelt es sich um ein Spannfutter mit Reib­ eingriff. Es können aber auch beliebige andere bekannte Spannfutter benutzt werden, bei­ spielsweise solche, bei denen der Werkzeugwechsel durch Tastendruck erfolgt.

Jedes der Lager 4′ ist als Kugellager mit einem inneren Laufring 41′, einem äußeren Laufring 42′, Kugeln 43′ und einem Käfig 44′ ausgebildet. Entlang einer Außenumfangswand oder einem Endabschnitt jedes Lagers 4′ können ein O-Ring oder ein bekannter Mechanismus zur Verbesserung der axialen Steifigkeit angeordnet sein, um das Lager 4′ zentripetal zu machen. Anstelle der veranschaulichten Kugellager können auch beliebige bekannte pneumatische Lager verwendet werden, die als "Luftlager" bezeichnet werden.

Besondere Beachtung bei dem Aufbau des in Fig. 16 dargestellten konventionellen zahnärzt­ lichen Luftturbinenhandstücks A′ kommt der Auslegung des Einlaß- und Auslaßsystems für die Druckluft zu sowie der Anordnung der Turbinenschaufeln 2′ in Zuordnung zu dem Einlaß- und Auslaßsystem innerhalb der Kammer 11′.

Bei den bekannten Handstücken sind, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist, die Turbinenschau­ feln 2′ so angeordnet, daß ein großer Zwischenraum d₁′zwischen den Turbinenschaufeln 2′ und sowohl der oberen als auch der unteren Innenwand 111′, 112′ in Richtung der Achse der Turbinenrotorwelle 3′ verbleibt. Der Zwischenraum d₂′zwischen einer peripheren Innen­ seitenwand 113′ der Kammer 11′ und den Turbinenschaufeln 2′ ist in der Regel kleiner als der Zwischenraum d₁′. Bei konventionellen Handstücken, die beispielsweise eine Turbinenschau­ felhöhe von 2,8 mm mit Bezug auf die Richtung der Achse der Turbinenrotorwelle 3′ haben, beträgt der Zwischenraum d₁′ 1,150 mm (1150 µm).

Der oben erläuterte Zwischenraum d₁′ ist bei konventionellen Handstücken extrem groß im Vergleich zu dem entsprechenden Zwischenraum bei erfindungsgemäßen Handstücken. Der Grund dafür ist nachstehend anhand der Beschreibung des Lufteinlaß- und -auslaßsystems erläutert, das ein wesentliches Merkmal der Erfindung darstellt.

Wie aus den Fig. 16 und 17 hervorgeht, sind das Halsteil N′ und insbesondere dessen Hauptkörper 6′ versehen mit:

• - einem Lufteinlaßkanal 7′ und einem Lufteinlaß 71′ zur Zufuhr von Druckluft zu den inner­ halb der Kammer 11′ sitzenden Turbinenschaufeln 2′, und
• - einem Luftauslaßkanal 8′ und einem Luftauslaß 81′ für den Austritt von Druckluft aus der Kammer 11′.

Es versteht sich, daß genaugenommen der Ausdruck "für den Austritt von Druckluft aus der Kammer 11′" nicht korrekt ist, weil die über den Lufteinlaß 71′ in die Kammer 11′ einge­ brachte Druckluft nach Durchtritt durch den Lufteinlaß 71′ eine abrupte Expansion und Druckminderung erfährt und nicht den Druckzustand beibehält, den die Druckluft beim Ein­ tritt hatte. Der Einfachheit halber wird jedoch in der nachfolgenden Beschreibung der oben benutzte Ausdruck in Verbindung mit dem Ausdruck "über den Lufteinlaß zugeführte Druck­ luft" benutzt. In ähnlicher Weise wird auch ein in der Kammer befindlicher Luftstrom mit "Druckluftstrom" bezeichnet.

Bei dem vorstehend erläuterten konventionellen zahnärztlichen Luftturbinenhandstück A′ können der Kopfhauptkörper 12′ des Kopfteils H′ oder der Hauptkörper 6′ des Halsteils N′ mit einem Beleuchtungssystem zur Beleuchtung der Behandlungsstelle und/oder mit einem Was­ sereinlaßkanal versehen sein, um Wasser oder eine physiologische Kochsalzlösung auf die Behandlungsstelle aufzusprühen, so daß beim Schneid- oder Schleifvorgang entstehende Wärme vom Knochen oder Zahn abgeführt oder der Knochen oder Zahn gewaschen werden kann.

Fig. 17 zeigt, wie bei dem konventionellen zahnärztlichen Luftturbinenhandstück A′ Druck­ luft zu- und abgeführt wird. Insbesondere wird die Druckluft dem in dem Hauptkörper 6′ des Halsteils N′ angeordneten Einlaßkanal 7′ zugeführt; die Druckluft wird über den Einlaß 71′ in die Kammer 11′ geleitet; die Druckluft wird gegen die Schaufeln 2′ geblasen, um die Dreh­ antriebskraft für die Turbinenrotorwelle 3′ zu erzeugen; danach wird die Druckluft aus der Kammer 11′ abgeführt. Wie insbesondere aus Fig. 17 hervorgeht, wird Druckluft von dem Einlaßkanal 7′ in dem Hauptkörper 6′ des Halsteils N′ und dann über den Lufteinlaß 71′ gegen die in der Kammer 11′ sitzenden Turbinenschaufeln 2′ geblasen, worauf die Druckluft veran­ laßt wird, U-förmig um die Turbinenrotorwelle 3′ innerhalb der Kammer 11′ herumzuströmen. Dann wird die Druckluft über den in dem Hauptkörper 6′ des Halsteils N′ angeordneten Aus­ laß 81′ zu dem Auslaßkanal 8′ geführt, um über diesen abgelassen zu werden. In Fig. 17 sind Druckluftströme b innerhalb der Kammer 11′ angedeutet, wobei in ausgezogenen Linien ein Umfangsstrom durch den Zwischenraum d₂′ (siehe Fig. 16) und mit unterbrochenen Linien ein Umfangsstrom durch den Zwischenraum d₁′ (siehe Fig. 16) dargestellt sind.

Bei dem Druckluft-Einlaß- und -Auslaßsystem des konventionellen zahnärztlichen Luftturbi­ nenhandstücks A′ wird Druckluft entsprechend Fig. 17 veranlaßt, einer U-Kehre zu folgen (die mit ausgezogenen und unterbrochenen Linien angedeuteten Ströme), während die Druckluft in Umfangsrichtung um die Turbinenrotorwelle 3′ herum innerhalb der Kammer 11′ entsprechend den Pfeilen b von dem Einlaß 71 zu dem Auslaß 81 strömt. Dies durfte darauf zurückzuführen sein, daß grundsatzlich davon ausgegangen wurde, daß die Druckluft während ihres Strömens in Umfangsrichtung weiterhin Antriebsenergie auf die Turbinenschaufeln überträgt und damit beiträgt, das Drehmoment der Turbinenrotorwelle 3 zu steigern. Weil das Druckluft-Einlaß und -Auslaßsystem des konventionellen zahnärztlichen Luftturbinenhand­ stücks A′ auf dem vorstehend erläuterten Designkonzept beruht, ist der Auslaß 81′ so ange­ ordnet, daß die über den Einlaß 71′ eingeblasene Druckluft herausgeführt wird, nachdem sie die Kammer 11′ in Umfangsrichtung in der in den Fig. 16 und 17 veranschaulichten Weise durchströmt hat. Insbesondere ist entsprechend den Fig. 16 und 17 der Auslaß 81′ an einer Stelle angeordnet, die im wesentlichen symmetrisch zu dem Einlaß 71′ liegt, wobei zwischen beiden ein vorbestimmter Zwischenraum C belassen ist.

Im Hinblick auf den Wirkungsgrad der Übertragung von Bewegungsenergie von der Druck­ luft auf die Turbinenschaufeln 2′ und auch auf den Wirkungsgrad der Abführung der Druck­ luft aus der Kammer ist der Einlaß 71′ entsprechend Fig. 16 so angeordnet, daß die Druckluft gegen im wesentlichen zentral liegende Teile der Turbinenschaufeln 12′, gesehen in der Richtung der Achse der Turbinenrotorwelle 3′, geblasen wird, während der Auslaß 81′ an einer Stelle sitzt, deren Mittelebene mit der Mittelebene des Einlasses 71′ zusammenfällt und die von dem Einlaß 71′ den vorliegend erläuterten Abstand C hat. Im Hinblick auf eine wir­ kungsvolle Druckluftabfuhr hat der Auslaß in der Regel eine größere Öffnungsfläche als der zugehörige Einlaß.

Um bei einem zahnärztlichen Luftturbinenhandstück A′, das mit dem konventionell ausgeleg­ ten Lufteinlaß- und -auslaßsystem ausgelegt ist, für eine Steigerung des Ausgangsdrehmo­ ments der Turbinenrotorwelle 3′ zu sorgen, ist es theoretisch nur notwendig, die Einlaß­ geschwindigkeit der Druckluft an dem Lufteinlaß 71′ oder die Menge der je Zeiteinheit zuge­ führten Druckluft zu steigern. Dabei wird von der Überlegung ausgegangen, daß die Kraft, die auf die Turbinenrotorwelle 3′ von der so zugeführten Druckluft übertragen wird, der Bewe­ gungsenergie entspricht, welche die Turbinenschaufeln 2′ von den Druckluftströmen je Zeiteinheit empfangen, oder mit anderen Worten gleich dem Produkt aus der Eintritts­ geschwindigkeit der Druckluft und dem eingespeisten Luftvolumen je Zeiteinheit.

Die oben erwähnte Lufteinlaßgeschwindigkeit und die Größe des je Zeiteinheit zugeführten Luftvolumens hängen entsprechend den Fig. 18 und 19 von dem Druck der derart zuge­ führten Druckluft und von der Querschnittsfläche des Einlasses ab. Um eine Steigerung des Ausgangsdrehmoments zu erreichen, ist es daher lediglich notwendig, den Druck der Druck­ luft zu erhöhen oder die Querschnittsfläche des Einlasses zu vergrößern. Diese Maßnahmen wurden als Routinelösungen betrachtet.

Die Kurven der Fig. 18 und 19 wurden wie folgt aufgenommen. Bei einem System, bei dem Druckluft von einem Kompressor angeliefert und in eine Kammer eingeblasen wird, wurde ein isentroper Strom von kompressiblem, nicht viskosem Gas (d. h. ein nicht von Rei­ bung begleiteter reversibler Strom in einem adiabatischen System) hypothetisch angenom­ men. Unter Verwendung:

• - einer Gleichung, die durch Einführen von "Bedingungen für einen isentropen Strom" und "der Zustandsgleichung eines Gases" in eine Energiegleichung, die durch Integration der Eulerschen Gleichung für die Bewegung eines eindimensionalen stetigen Stroms von kom­ pressiblem, nicht viskosem Gas entlang einer Strömungslinie, d. h. in die Bernoullische Gleichung, erhalten wurde und
• - der Eulerschen Gleichung für die Kontinuität eines eindimensionalen stetigen Stromes,

wurden die Strömungsgeschwindigkeiten an einem Lufteinlaß der Kammer (Lufteinlaßgeschwindigkeiten entsprechend vorbestimmten Drücken der Druckluft) (siehe Fig. 18) und Massendurchflußmengen (Lufteinlaßvolumen entsprechend den vorbestimmten Drücken der Druckluft) (siehe Fig. 19) bestimmt. Diese Strömungsgeschwindigkeiten und Massendurchflußmengen sind als Kurven aufgetragen.

Die nachstehend erläuterten Phänomene werden jedoch tatsächlich beobachtet, wenn man ver­ sucht, die Luftzufuhrgeschwindigkeit und das Volumen der zugeführten Luft bei einem zahn­ ärztlichen Luftturbinensystem zu erhöhen, das in einer Kammer untergebracht ist, die mit einem Lufteinlaß und -auslaß von vorbestimmter Größe und vorbestimmter Kapazität ver­ sehen ist.

Die nachstehenden Beobachtungsergebnisse wurden erhalten, indem Experimente unter Ver­ wendung einer Versuchsvorrichtung durchgeführt wurden, die aus transparentem Kunstharz hergestellt war, wobei als Luftturbinensystem das konventionelle zahnärztliche Luftturbinen­ handstück A′ kopiert wurde, das vorstehend anhand der Fig. 16 und 17 erläutert ist und das von der J. MORITA MFG. CORP. unter der Handelsbezeichnung "JET MASTER FAR- E2" auf den Markt gebracht wird.

• (1) Wenn der Druck der Druckluft zur Steigerung der Geschwindigkeit der zugeführten Luft erhöht wurde:
  Wie aus Fig. 18 hervorgeht, war es nicht möglich, die Luftzufuhrgeschwindigkeit über die Schallgeschwindigkeit hinaus zu erhöhen, selbst wenn der Druck der Druckluft über 9,8 N/cm² gesteigert wurde. Drücke der Druckluft, die über diesem Pegel liegen, tragen daher zu einer Steigerung des Drehmoments nicht bei.
• (2) Wenn der Druck der Druckluft erhöht wurde, um das Volumen der je Zeiteinheit zuge­ führten Luft zu steigern:
  Die oben erwähnte Proportionalität begann aufzuhören, was eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der Energieübertragung von der zugeführten Luft zur Folge hatte. Insbe­ sondere war es unmöglich, mit der so zugeführten Druckluft das Drehmoment (die Höchstdrehzahl) des Turbinenrotors 3′ proportional zu einer Steigerung des Volumens der je Zeiteinheit zugeführten Luft zu erhöhen, beispielsweise proportional zu dem Anstieg des Lufteinlaßvolumens, der dadurch erzielt wird, daß der Druck der Druckluft entspre­ chend Fig. 19 von 19,6 N/cm² auf 29,4 N/cm² gesteigert wird.
• Dies kann den folgenden Ursachen zugeschrieben werden:
  • (i) Eine Steigerung des Luftzufuhrvolumens führt zu einer Erhöhung des Druckes inner­ halb der Kammer 11′, was eine Abnahme der Luftzufuhrgeschwindigkeit verursacht.
  • (ii) Die so zugeführte Druckluft kollidiert mit den Turbinenschaufeln 2′ und strömt dann in Umfangsrichtung innerhalb der Kammer 11′ in der gleichen Richtung wie die Drehrichtung der Turbinenrotorwelle 3′. Verglichen mit der Geschwindigkeit der Turbinenrotorwelle 3′ ist jedoch die Geschwindigkeit des in Umfangsrichtung flie­ ßenden Stromes extrem niedrig, so daß der Umfangsstrom als Widerstand innerhalb der Kammer zu wirken beginnt. Dieser Widerstand nimmt mit dem Druck der Druck­ luft zu.
• (3) Wenn die Querschnittsfläche des Lufteinlasses größer gemacht wurde, um das Volumen der zugeführten Luft zu steigern:
  Die so zugeführte Druckluft begann in der gleichen Weise wie bei dem zuvor erläuterten Fall (2) als Widerstand in der Kammer 11′ zu wirken. Diese Tendenz war jedoch stärker als im obigen Fall (2), bei dem der Druck der zugeführten Druckluft gesteigert wurde. Dies kann dem Umstand zugeschrieben werden, daß bei einer Vergrößerung der Quer­ schnittsfläche des Lufteinlasses die über den Lufteinlaß eingeblasene Druckluft sich in der Kammer 11′ schnell ausbreiten kann, wodurch ihre Geschwindigkeit entsprechend reduziert wird und die Widerstandswirkung vergrößert wird. Entsprechend führt das Ein­ blasen von Druckluft über einen großen Lufteinlaß zu der oben geschilderten Wider­ standswirkung, wodurch der Wirkungsgrad der Energieübertragung von der zugeführten Luft auf die Turbinenschaufeln 2′ stärker verschlechtert wird als in dem oben erläuterten Fall (2).

Zu konventionellen Techniken der Vergrößerung des Lufteinlasses, wie sie vorstehend unter (3) erläutert ist, gehören beispielsweise die zahnärztlichen Luftturbinenhandstücke mit dop­ pelten Lufteinlaßkanalsystemen, wie sie in den US-Patentschriften 3 893 242 und 4 020 556 vorgeschlagen werden. Diese beiden Literaturstellen erläutern den Aufbau eines zahnärzt­ lichen Luftturbinenhandstücks mit einem Spannmechanismus zur Befestigung eines Werk­ zeugschafts an einer Turbinenrotorwelle, einem optischen Fasersystem zur effizienten Licht­ übertragung (insbesondere einer Anschlußanordnung für optische Faserbündel im Inneren eines Griffteils) und einer Anordnung zur Zufuhr von Druckluft zu einer Turbine. Die Fig. 2, 3 und 9 der genannten US-Patentschriften zeigen eine Ausführungsform mit doppeltem Lufteinlaßkanalsystem (und damit mit zwei Lufteinlässen), mit anderen Worten, eine Ausfüh­ rungsform, bei welcher die Querschnittsfläche des Lufteinlasses vergrößert wurde, um das Volumen der zugeführten Druckluft zu steigern.

Bei dem zahnärztlichen Luftturbinenhandstück gemäß beiden genannten US-Patentschriften sind zwei Lufteinlaßkanäle in gleicher horizontaler Ebene mit Bezug auf ein Turbinengehäuse angeordnet; mit anderen Worten, es sind zwei Lufteinlässe vorgesehen, die unter einem ge­ wünschten Winkel mit Bezug aufeinander stehen. Druckluft wird von jedem der Lufteinlässe gegen die Turbinenschaufeln geblasen, die sich innerhalb des Turbinengehäuses befinden und benachbart dem Lufteinlaß angeordnet sind, um die Turbine mit Drehantriebskraft zu beauf­ schlagen. Die Luft wird dann über Auslässe abgeleitet. Entsprechend der Beschreibung und den Fig. 3 und 9 beider US-Patentschriften sitzen die Auslässe oberhalb bzw. unterhalb des Lufteinlasses.

Zwischen dem zahnärztlichen Luftturbinenhandstück nach der Erfindung und demjenigen gemäß den genannten US-Patentschriften bestehen unter anderem die folgenden wesentlichen Unterschiede:

• - Die Handstücke weichen hinsichtlich des Einlaß- und Auslaßsystems für Druckluft völlig voneinander ab. Das erfindungsgemäße Handstück weist einen einzelnen Lufteinlaß auf, während die bekannten Handstücke mit zwei Lufteinlässen ausgestattet sind, die so ange­ ordnet sind, daß Druckluft gegen benachbarte Schaufeln geblasen wird.
• - Hinsichtlich des Zwischenraums d₁′ zwischen den innerhalb der Kammer sitzenden Turbi­ nenschaufeln und der oberen sowie der unteren Innenwand der Kammer (vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 16 erläutert) ist das aus den US-Patentschriften bekannte Handstück mit einem konventionellen Lufteinlaß- und -auslaßsystem ausgestattet, was den Zwischen­ raum d₁′ angeht (siehe insbesondere Fig. 3 und 9 der US-Patentschriften).
• - Die Handstücke unterscheiden sich grundsätzlich hinsichtlich der Größe des Druckluftein­ lasses. In dieser Hinsicht offenbaren die US-Patentschriften keine speziellen quantitativen Werte mit Bezug auf die Größe der beiden Lufteinlässe. Die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 3 und 9 der US-Patentschriften zeigen Lufteinlässe mit einer Größe (Durch­ messer jedes Lufteinlasses) äquivalent zu etwa 50% der Höhe der Turbinenschaufeln gesehen in Richtung der Achse der Turbinenrotorwelle. Die Gesamtgröße der beiden Ein­ lässe hat einen beträchtlichen Wert.

Das erfindungsgemäße Handstück ist dagegen mit nur einem Lufteinlaß ausgestattet. Des weiteren ist die Größe des einzigen Lufteinlasses gering; sie beträgt beispielsweise nur etwa 50% der Höhe der Turbinenschaufeln.

Aus vorstehendem folgt, daß die zahnärztlichen Luftturbinenhandstücke gemäß den genann­ ten US-Patentschriften nach Vorstellungen konstruiert wurden, die sich von dem unten erläu­ terten Designkonzept der vorliegenden Erfindung grundsätzlich unterscheiden. Insbesondere ist bei den bekannten Handstücken die Anzahl der Lufteinlässe erhöht, um die Gesamtquer­ schnittsfläche der Lufteinlässe zu vergrößern. Mit anderen Worten, bei den bekannten Handstücken wurde eine Lösung gewählt, gemäß welcher die Querschnittsfläche des Lufteinlasses erhöht wird, um das zugeführte Luftvolumen und damit das Drehmoment der Turbinenrotor­ welle zu steigern.

Gemäß den beiden US-Patentschriften wurden jedoch besondere Überlegungen hinsichtlich der Art der Anordnung (Positionierung) der beiden Lufteinlässe angestellt. Im Vergleich zu einer einfachen Vergrößerung der Querschnittsfläche eines einzelnen Lufteinlasses, wie vor­ stehend unter Ziffer 3 erläutert, wird die Druckluft so zugeführt, daß sie sich mit geringerer Geschwindigkeit in der Kammer 11 ausbreiten kann. Der Wirkungsgrad der Energieübertra­ gung von der so zugeführten Druckluft wird dadurch entsprechend verbessert; er ist jedoch noch immer unerwünscht gering.

Bei dem konventionellen zahnärztlichen Luftturbinensystem kann man auch daran denken, zur Beseitigung der vorstehend erläuterten Nachteile den Luftauslaß im Vergleich zu dem Lufteinlaß größer auszubilden, so daß die Hemmwirkung der Druckluft eliminiert werden kann. Wenn jedoch der Luftauslaß im Vergleich zu dem Lufteinlaß vergrößert wird, kann sich die über den Lufteinlaß eingeblasene Druckluft rasch in der Kammer ausbreiten, um dann aus der Kammer abgeführt zu werden. Die Menge der Druckluft, die auf die Turbinenschaufeln 2′ trifft, wird dadurch vermindert, so daß der Wirkungsgrad der Energieübertragung der so zuge­ führten Druckluft verschlechtert wird, was zu einem steilen Abfall des von dem Turbinenrotor 3′ abgegebenen Drehmoments führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mängel und Beschränkungen zu vermeiden, die bei konventionellen Kleinhandstücken mit druckmittelgetriebener Turbine für zahnärzt­ liche und andere Anwendungen zu beobachten sind, und auf der Basis eines grundsätzlich neuartigen Designkonzepts ein Hochleistungs-Kleinhandstück mit druckmittelgetriebener Turbine zu schaffen.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß es bei einem Kleinhandstück mit druckmittelgetriebener Turbine, beispielsweise einem zahnärztlichen Luftturbinenhandstück, insbesondere durch eine Umkonstruktion des Einlaß- und Auslaßsystems für die Druckluft möglich ist, die Abmessungen des Turbinensystems im Vergleich zu dem konventionellen Turbinensystem gleichen Typs zu reduzieren und für eine erhebliche Verbesserung des Wir­ kungsgrades der Energieübertragung von der zugeführten Luft auf die Turbinenrotorwelle und damit für eine Steigerung des abgegebenen Drehmoments zu sorgen.

Mit der Erfindung wird ein Kleinhandstück mit druckmittelgetriebener Turbine geschaffen, bei dem das Handstück einen Kopfteil und einen in den Kopfteil übergehenden Halsteil auf­ weist, der Kopfteil mit einem eine Kammer bildenden Kopf versehen ist, Turbinenschaufeln auf einer Turbinenrotorwelle montiert und innerhalb der Kammer angeordnet sind und die Turbinenrotorwelle über Lager in dem Kopf drehbar abgestützt ist sowie der Halsteil einen Hauptkörper, einen in dem Hauptkörper angeordneten Einlaßkanal für die Zufuhr von Druck­ mittel zu den Turbinenschaufeln innerhalb der Kammer und einen in dem Hauptkörper ange­ ordneten Auslaßkanal für das Abführen der Druckluft von der Kammer aufweist, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß:

• (i) der Einlaßkanal einen einzigen Einlaß aufweist; und
• (ii) die Lagebeziehung zwischen dem einzigen Einlaß und einem Auslaß des Auslaßkanals so gewählt ist, daß sich der Auslaß an einer Stelle befindet, die proximal zu dem Einlaß liegt.

Das erfindungsgemäße Kleinhandstück mit druckmittelgetriebener Turbine für zahnärztliche und andere Zwecke beruht auf einem Konstruktionsprinzip, das sich von dem konventionellen Konstruktionsprinzip solcher Handstücke grundlegend unterscheidet. Insbesondere ist erfin­ dungsgemäß das Druckmitteleinlaß- und -auslaßsystem für die Turbinenschaufeln der Turbi­ nenrotorwelle modifiziert, wobei die Turbinenschaufeln in der Kammer des Kopfteils des Handstücks so angeordnet sind, daß die Druckluft unmittelbar nach Kollision mit den Turbi­ nenschaufeln sofort aus der Kammer ausgetragen wird, um einen negativen Einfluß auf die Drehbewegung der Turbinenschaufeln innerhalb der Kammer zu vermeiden.

Durch das oben erläuterte Einlaß- und Auslaßsystem, und insbesondere durch die neuartige Anordnung des Einlasses und des Auslasses, ist es möglich, bei dem erfindungsgemäßen Kleinhandstück mit druckmittelgetriebener Turbine die Drehzahl der Turbinenrotorwelle (und damit das Drehmoment) gegenüber konventionellen Handstücken bei gleichem Druck und gleichem Zufuhrvolumen an Druckmittel wesentlich zu verbessern. Aufgrund der genannten bedeutenden Verbesserung der Drehzahl der Turbinenrotorwelle zeichnet sich das erfindungs­ gemäße Kleinhandstück mit druckmittelgetriebener Turbine durch eine Reihe von besonderen Vorteilen aus, wie Verminderung des Rotationsgeräuschs (d. h. Herabsetzung des durch das Handstück erzeugten Geräuschs), Herabsetzung der Hochdruckbeständigkeit eines Luftzulei­ tungsschlauchs, verbesserte Handhabung aufgrund des Einsatzes eines flexiblen Luftzufüh­ rungsschlauchs, rasche Behandlung bei Anwendung eines großen Drehmoments, Schaffung eines tragbaren Handstücks mit Antrieb über eine Druckmittelflasche, weil das gleiche Drehmoment wie bei konventionellen Handstücken selbst bei geringer Druckmittelenergie erhalten werden kann, sowie Abmessungsverringerungen der Ausrüstung.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines kleinen (zahnärztlichen) Luftturbinenhandstücks gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen lotrechten Teilquerschnitt eines kleinen (zahnärztlichen) Luftturbinenhand­ stücks gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 einen Querschnitt in Richtung der Pfeile III-III der Fig. 2;

Fig. 4A und 4B ein erstes Beispiel für die Turbinenschaufeln, wie sie bei dem Luftturbinen­ handstück nach der Erfindung verwendet werden;

Fig. 5A und 5B ein zweites Ausführungsbeispiel von Turbinenschaufeln des Luftturbinen­ handstücks nach der Erfindung;

Fig. 6A und 6B ein drittes Ausführungsbeispiel der bei dem Luftturbinenhandstück nach der Erfindung vorgesehenen Turbinenschaufeln;

Fig. 7A und 7B ein viertes Ausführungsbeispiel der bei dem Luftturbinenhandstück nach der Erfindung eingesetzten Turbinenschaufeln;

Fig. 8 eine Seitenansicht eines Versuchsmodells entsprechend einem kleinen Lufthand­ stück des gleichen Typs wie das Handstück nach der Erfindung, wobei einige Teile in Durchsichtsansicht dargestellt sind, um das Lufteinlaß- und -auslaßsystem erkennen zu lassen;

Fig. 9A eine Draufsicht auf das Gehäuseteil H₁ in Fig. 8;

Fig. 9B einen Schnitt in Richtung der Pfeile IXB-IXB der Fig. 9A;

Fig. 10 einen Querschnitt in Richtung einer Achse eines Lufteinlaßkanals 7, d. h. in Rich­ tung der Pfeile X-X der Fig. 9A;

Fig. 11 eine Seitenansicht eines Versuchsmodells entsprechend einem kleinen Lufthand­ stück konventioneller Art, wobei einige Teile in Durchsichtsdarstellung veran­ schaulicht sind, um das Lufteinlaß- und -auslaßsystem erkennen zu lassen;

Fig. 12A eine Draufsicht auf ein Gehäuseteil H₁ in Fig. 11;

Fig. 12B einen Schnitt in Richtung der Pfeile XIIB-XIIB der Fig. 12A;

Fig. 13 einen Querschnitt in Richtung einer Achse eines Lufteinlaßkanals 7′, d. h. in Rich­ tung der Pfeile XIII-XIII der Fig. 12A;

Fig. 14 einen lotrechten Teilschnitt eines kleinen (zahnärztlichen) Luftturbinenhandstücks entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 15 einen Querschnitt in Richtung der Pfeile XV-XV der Fig. 14;

Fig. 16 einen lotrechten Teilschnitt eines konventionellen ärztlichen (zahnärztlichen) Luft­ turbinenhandstücks;

Fig. 17 einen Querschnitt in Richtung der Pfeile XVII-XVII der Fig. 16;

Fig. 18 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Lufteinlaßdruck und der Lufteinlaßgeschwindigkeit in einer Luftturbine (theoretische Werte); und

Fig. 19 eine grafische Darstellung der Beziehung des Lufteinlaßdrucks und des Volumens der zugeführten Luft in der Luftturbine (theoretische Werte).

In der nachstehenden Erläuterung ist auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen Bezug genommen. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung darauf nicht beschränkt ist.

Der Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Feststellung der nachstehend geschil­ derten Verhältnisse aufgrund von Versuchen, die durchgeführt wurden, indem Kugeln kleinen Durchmessers aus Polystyrolharz-Schaumstoff in Druckluft oder in die Kammer der Ver­ suchsvorrichtung eingebracht wurden, die aus transparentem Kunstharz gefertigt war, um das vorstehend anhand der Fig. 16 und 17 erläuterte konventionelle zahnärztliche Luftturbi­ nenhandstück zu kopieren, bei dem es sich speziell um das von der Firma J. MORITA MFG. CORP. unter der Bezeichnung "JET MASTER FAR-E2" auf den Markt gebrachte Handstück handelt.

• (i) Wenn der Druck der zugeführten Druckluft bis zu 4,9 N/cm² (10-25 l/min) betrug, wurde beobachtet, daß die Druckluft in Umfangsrichtung entgegengesetzt der Drehrich­ tung des Turbinenrotors um die Turbinenrotorwelle in der Kammer strömte, nachdem sie auf die Turbinenschaufeln aufgetroffen war. Dieser Luftstrom wirkte als Widerstand gegenüber der Drehbewegung des Turbinenrotors.
• (ii) Wenn der Druck der zugeführten Druckluft 4,9 N/cm² überstieg, änderten sich sowohl das Rotationsgeräusch als auch das Geräusch der Luftzufuhr und der Luftableitung ab­ rupt, und gleichzeitig begann die Druckluft in der gleichen Richtung in Umfangsrichtung zu strömen, in der sich der Turbinenrotor in der Kammer drehte. Die Geschwindigkeit des resultierenden Stroms in Umfangsrichtung war jedoch im Vergleich zu der Geschwindigkeit des Turbinenrotors extrem niedrig.
• (iii) In dem Bestreben, die Drehzahl (das Drehmoment) des Turbinenrotors zu steigern, wurde der Druck der zugeführten Druckluft oder das eingeleitete Volumen an Druckluft gestei­ gert. Wenn der Druck der zugeführten Druckluft beispielsweise auf 24,5 N/cm² (45 l/min) oder mehr erhöht wurde, stieg der Luftdruck innerhalb der Kammer so an, daß die derart zugeführte Druckluft wie ein Widerstand innerhalb der Kammer wirkte (mit anderen Worten, die Druckluft lieferte keinen wesentlichen Beitrag oder sogar einen negativen Beitrag zu einer Steigerung des Drehmoments).
• (iv) Wenn der Auslaß vergrößert wurde, um das vorstehend geschilderte Phänomen (iii) günstiger zu gestalten, wurde der Luftdruck innerhalb der Kammer niedriger. Umgekehrt wurde jedoch eine Abnahme des Drehmoments beobachtet, weil sich die von dem Luft­ einlaß eingeblasene Druckluft sofort ausbreiten konnte und dann abgeführt wurde.

In dem Bestreben, die oben erläuterten negativen Effekte (iii) und (iv) zu reduzieren oder zu eliminieren, wurden Untersuchungen durchgeführt, bei denen auch bis zu dem Designkonzept des konventionellen zahnärztlichen Luftturbinenhandstücks zurückgegriffen wurde.

Das konventionelle Designkonzept wurde oben im einzelnen erläutert.

Es wurde gefunden, daß in dem Druckluftzufuhrsystem zu den Turbinenschaufeln und dem Auslaßsystem für Druckluft aus der Kammer, insbesondere dem Auslaßsystem für die Druck­ luft aus der Kammer bei dem konventionellen zahnärztlichen Luftturbinenhandstück, ein be­ sonders vorteilhafter Effekt, insbesondere ein hoher Wirkungsgrad der Energieübertragung von der zugeführten Luft (und damit eine Steigerung des Drehmoments) erreicht werden kann, wenn die folgende Modifikation durchgeführt wird:

• - von dem konventionellen Typ, bei dem Druckluft veranlaßt wird, in der Kammer in Um­ fangsrichtung zu strömen (im folgenden auch kurz als Umfangsströmungstyp bezeichnet) und von der konventionellen Art der Anordnung des Lufteinlasses und des Luftauslasses bei dem Umfangsströmungstyp
• - zu einem Typ, bei dem Druckluft soweit wie möglich daran gehindert wird, in der Kammer in Umfangsrichtung zu strömen (dieser erfindungsgemäße Strömungstyp wird im folgen­ den als "Nicht-Umfangsströmungstyp" bezeichnet, um ihn von dem konventionellen Umfangsströmungstyp zu unterscheiden), und zu der Art der Anordnung eines Lufteinlas­ ses und eines Luftauslasses entsprechend dem Nicht-Umfangsströmungstyp.

Bei dem konventionellen Umfangsströmungstyp verbleibt ein großer Raum zwischen dem Gehäuse der Kammer und den Turbinenschaufeln (siehe den Zwischenraum d₁′ in Fig. 16), um es der Druckluft zu ermöglichen, in der Kammer in Umfangsrichtung zu strömen. Der Nicht-Umfangsströmungstyp macht es möglich, diesen Raum zu eliminieren, wobei beson­ ders vorteilhafte Effekte mit einem Turbinensystem von noch kleineren Abmessungen erreicht werden können.

Bei dem Kleinhandstück mit druckmittelgetriebener Turbine nach der Erfindung, das für zahnärztliche und andere Zwecke geeignet ist, wird grundsätzlich abweichend von den be­ kannten Lösungen dafür gesorgt, daß die Druckluft, nachdem sie von dem Einlaß gegen die in der Kammer drehbar angeordneten Turbinenschaufeln geblasen wurde und dabei Drehkraft auf die Turbinenrotorwelle übertragen hat, sofort über den Auslaß abgeführt wird, statt daß man sie entsprechend dem konventionellen Designkonzept in Umfangsrichtung in der Kam­ mer strömen läßt.

Beispiele Erstes Beispiel

Das oben genannte Konzept, das Druckmittel aus der Kammer umgehend abzuleiten, gründet sich auf der Feststellung, daß das in der Kammer verbleibende Druckmittel als Widerstand wirkt.

Das zahnärztliche Luftturbinenhandstück A entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung sei nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Wie darge­ stellt, weist das Turbinenhandstück A einen Kopfteil H, einen Griffteil G und einen Halsteil N auf, der einen Endabschnitt des Griffteils G darstellt und in den Kopfteil H übergeht.

Während die einzelnen Teile des konventionellen zahnärztlichen Luftturbinenhandstücks A′ in den Fig. 16 und 17 mit Bezugszeichen bezeichnet sind, denen ein "′" nachgestellt ist (1′, 2′ usw.), sind den Teilen des zahnärztlichen Luftturbinenhandstücks A in den Fig. 1 bis 3 die gleichen Bezugszeichen, jedoch ohne "′" zugeordnet. Da die gleichen Teile mit entspre­ chenden Bezugszeichen versehen sind, kann auf eine nochmalige Erläuterung aller Einzel­ heiten verzichtet werden.

Vorliegend wird die Art der Ausbildung und Anordnung eines Lufteinlasses und eines Luft­ auslasses bei einem Handstück vom Nicht-Umfangsströmungstyp im einzelnen beschrieben, da es sich dabei um die wichtigsten Merkmale der Erfindung handelt.

Entsprechend den Fig. 2 und 3 ist ein Lufteinlaßkanal 7, der mit einem einzigen Luftein­ laß 71 versehen ist, innerhalb eines Hauptkörpers 6 des Halsteils N so angeordnet, daß Druck­ luft gegen im wesentlichen zentral liegende Teile (gesehen in axialer Richtung) der Turbinen­ schaufeln 2 geblasen werden kann, die innerhalb einer Kammer 11 eines Kopfes 1 vorgesehen ist.

Der vorliegend verwendete Begriff "axiale Richtung der Turbinenschaufeln 2" bezieht sich auf die Richtung, die mit der Richtung einer Achse einer Turbinenrotorwelle 3 zusammenfällt. Es versteht sich, daß die Position der Anordnung des Lufteinlasses 71 so gewählt sein sollte, daß die eingeblasene Druckluft die größtmögliche Energie auf jede innerhalb der Kammer 11 rotierende Turbinenschaufel 2 übertragen kann.

Um andererseits eine prompte Abführung von Druckluft aus der Kammer 11, unmittelbar nachdem diese zur Kollision mit den Turbinenschaufeln 2 gebracht wurde, zu erlauben, sind insgesamt zwei Luftauslässe 81, 91 vorgesehen, und zwar einer unmittelbar über dem einzi­ gen Lufteinlaß 71 und der andere unmittelbar unter dem einzigen Lufteinlaß, wobei beide Auslässe innerhalb des Hauptkörpers 6 des Halsteils N liegen, wie dies in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist.

Um eine sofortige Abführung von Druckluft aus dem Innenraum der Kammer 11 unmittelbar nach Kollision der Druckluft mit den Turbinenschaufeln 2 zu gestatten, müssen die Auslässe an Positionen angeordnet sein, die proximal zu dem Lufteinlaß liegen. Die oben erläuterte Art der Anordnung des Lufteinlasses und der Luftauslässe stellt eine Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung dar. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auf diese Ausführungsform nicht beschränkt ist.

Wenn die Luftauslässe 81, 91 an den proximal zu dem Lufteinlaß 71 liegenden Positionen an­ geordnet sind, wird Druckluft unabhängig von der Drehzahl der Turbinenrotorwelle 3 in einen durch einen ausgezogenen Pfeil angedeuteten Druckluftstrom a unmittelbar nach dem Auftref­ fen auf eine der Turbinenschaufeln 2 umgewandelt. Dieser Druckluftstrom a unterscheidet sich grundsätzlich von dem Druckluftstrom b des konventionellen Handstücks vom Umfangs­ strömungstyp gemäß Fig. 17.

Um in dem zahnärztlichen Luftturbinenhandstück A entsprechend der vorliegend erläuterten ersten Ausführungsform den Druckluftstrom a auszubilden, sind bei dieser Ausführungsform die folgenden Anforderungen zu erfüllen:

• (i) Der Lufteinlaßkanal 7 hat den einzigen Lufteinlaß 71, und
• (ii) es ist eine Lagebeziehung zwischen dem einzigen Einlaß 71 und den Luftauslässen 81, 91 des Auslaßkanals 8 so gewählt, daß sich die Luftauslässe 81, 91 an Stellen befinden, die proximal zu dem Einlaß 71 liegen.

Das Erfordernis (i) ist auch im Hinblick auf eine Abmessungsverringerung der Ausrüstung, auf Wirtschaftlichkeit (Kostenvorteile bei der Fertigung der Ausrüstung) und Dauerhaftigkeit (Festigkeitsanforderungen des Halsteils) angezeigt.

Um die Ausbildung des Druckluftstroms a zu erreichen, ist es ferner wichtig, den Zwischen­ raum d₁′ zwischen den in der Kammer befindlichen Turbinenschaufeln und der oberen sowie der unteren Wand der Kammer, wie er oben mit Bezug auf die Fig. 16 (Stand der Technik), auf den Zwischenraum d₁ bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach Fig. 2 zu redu­ zieren.

Um einen prompten Austritt der Druckluft aus der Kammer 11 zu ermöglichen, ohne daß die Druckluft anschließend an die Kollision mit der Turbinenschaufel 2 in Umfangsrichtung in der Kammer 11 strömt, ist das Raumvolumen der Kammer 11 vorzugsweise das gleiche wie das der in der Kammer 11 angeordneten Turbinenschaufeln 2.

Wenn das Raumvolumen der Kammer 11 und die Größe (Einhüllende) der Turbinenschaufeln 2 im wesentlichen gleich und so bemessen sind, daß sich die Turbinenschaufeln 2 ungehindert drehen können, besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit dafür, daß die Druckluft innerhalb der Kammer 11 eine Nicht-Umfangsströmung (a in Fig. 3) ausbildet, statt daß es zu einer Strö­ mung in Umfangsrichtung (b in Fig. 17) kommt, so daß die Druckluft über den Auslaß unmit­ telbar abgeleitet wird.

Das Raumvolumen der Kammer 11 im wesentlichen gleich dem der Größe (Einhüllenden) der Turbinenschaufeln 2 zu machen, bedeutet, den Zwischenraum d₁ zwischen der oberen und der inneren Innenwand 111 bzw. 112 der Kammer 11 und den in der Kammer 11 befindlichen Turbinenschaufeln klein zu halten, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Der Zwischenraum d₁ ist so einzustellen, daß die Druckluft innerhalb der Kammer 11 eine Nicht-Umfangsströmung ausbildet, das heißt, daß es nicht zur Ausbildung einer in Umfangsrichtung fließenden Strö­ mung kommt, oder die Wahrscheinlichkeit der Ausbildung einer solchen Nicht-Umfangs­ strömung hoch wird.

Der erläuterte Zwischenraum d₁ kann nach verschiedenen Gesichtspunkten eingestellt werden.

Wenn die Höhe h der Turbinenschaufeln 2 in Richtung der Achse der Turbinenrotorwelle 3 als Standardwert benutzt wird (siehe die weiter unten erläuterten Fig. 4A und 4B), ist es nur notwendig, den Zwischenraum d₁ auf einen Wert einzustellen, der nicht größer als 1/10 der Höhe h ist. Zu konventionellen Turbinenschaufeln gehören solche, die eine Höhe h von 2,8 mm haben.

Wenn der Zwischenraum d₂ zwischen den Turbinenschaufeln 2 und einer in Umfangsrichtung verlaufenden Innenseitenwand 113 der Kammer 11 in einer Richtung senkrecht zu der Rich­ tung der Achse der Turbinenrotorwelle 3 als Bezugswert benutzt wird (siehe Fig. 2), ist der Zwischenraum d₁ auf einen Wert von nicht größer als dem 2,5fachen des Zwischenraums d₂ einzustellen. Zu konventionellen Turbinenanordnungen gehören solche, bei denen der dem Zwischenraum d₂ entsprechende Zwischenraum d₂′ einen Wert von 100 bis 200 µm hat (Fig. 16). Beispielsweise ist bei zahnärztlichen Luftturbinenhandstücken, wie sie von der Firma J. MORITA MFG. CORP. hergestellt werden (JET MASTER FAR-E2) ein Zwischen­ raum d₂′ von 100 µm vorgesehen.

In absoluten Werten anstelle von Relativwerten bezogen auf die Höhe h oder den Zwischen­ raum d₂ ist der Zwischenraum d₁′ des konventionellen zahnärztlichen Luftturbinenhandstücks extrem groß; er beträgt nämlich 1150 µm (Fig. 16). Es wird jedoch bevorzugt, den Wert des Zwischenraums d₁ auf eine Größe einzustellen, die eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür bietet, daß eine nicht in Umfangsrichtung fließende Strömung ausgebildet wird, d. h. auf einen Wert von 500 µm oder kleiner, wobei ein Wert von 200 bis 100 µm stärker bevorzugt wird.

Was den Wert des Zwischenraums d₁ anbelangt, wird dieser vorzugsweise so klein wie mög­ lich gehalten. Dies bedingt jedoch eine hohe Genauigkeit der betreffenden Bauteile. Ein Zwi­ schenraum d₁, der nicht größer als 500 µm ist, kann zu ausreichenden Effekten führen.

Wie aus den weiter unten erläuterten Versuchsdaten folgt, können die gewünschten Effekte nicht erzielt werden, wenn der Zwischenraum d₁ gleich dem Zwischenraum d₁′ des konven­ tionellen Handstücks gewählt wird, d. h. 1150 µm beträgt. Dies gilt auch dann, wenn der Zwi­ schenraum d₁ von 1150 µm auf 600 µm verringert wird. Es ist daher überraschend, daß aus­ gezeichnete Effekte in dem Bereich von nicht mehr als 500 µm erzielt werden.

Bei dem zahnärztlichen Luftturbinenhandstück A entsprechend der ersten Ausführungsform entspricht die Größe des einzigen Lufteinlasses 71 einem Wert von 50% oder weniger der Höhe h der Turbinenschaufeln 2 (siehe Fig. 4), obwohl dies Einfluß auf die Größe der beiden Luftauslässe hat.

Anhand der weiter unten genannten Versuchsdaten ergibt sich, daß die Größe des Lufteinlas­ ses 71 beispielsweise 0,60 bis 1,50 mm (Absolutwert) bezogen auf die Höhe h von 2,8 mm der Turbinenschaufeln 2 betragen kann.

Was die obengenannte Größe des Lufteinlasses 71 anbelangt, so wird die Größe (Höhe oder Durchmesser) des Lufteinlasses gesehen in Axialrichtung der Turbinenschaufeln (d. h. der Richtung der Achse der Turbinenrotorwelle) als Standard für Vergleichszwecke benutzt.

Bei dem zahnärztlichen Luftturbinenhandstück A gemäß der ersten Ausführungsform kann die Art der Anordnung des Lufteinlaßkanals 7 nach Wunsch bestimmt werden.

Vorausgesetzt, daß der einzige Lufteinlaß 71 vorgesehen ist, ist der Lufteinlaßkanal 7 nicht auf den in den Fig. 2 und 3 veranschaulichten einzigen Kanal beschränkt. Vielmehr können auch mehrere Kanäle vorgesehen sein, obwohl die Art der Auslegung des Lufteinlaßkanals Einfluß auf die Dicke und Festigkeit des Hauptkörpers 6 des Halsteils N hat.

Bei dem zahnärztlichen Luftturbinenhandstück A entsprechend der ersten Ausführungsform ist die Gesamtgröße der Luftauslässe 81, 91, die proximal zu dem Lufteinlaß 71 angeordnet sind, vorzugsweise größer als die des Lufteinlasses 71, um für eine besonders wirkungsvolle Abführung der Treibluft zu sorgen.

Wie aus den weiter unten diskutierten Versuchsdaten hervorgeht, kann die Größe jedes Luft­ auslasses beispielsweise bei 1,0 mm (Absolutwert) bezogen auf die Höhe (h = 2,8 mm) der Turbinenschaufeln 2 liegen, obwohl dies auch von Bedeutung hinsichtlich der Größe des Lufteinlasses 71 ist. Was die Größe jedes Luftauslasses 81, 91 anbelangt, wird die Größe (Höhe oder Durchmesser) jedes Lufteinlasses, gesehen in der Axialrichtung der Turbinen­ schaufeln (d. h. der Richtung der Achse der Turbinenrotorwelle) als Vergleichsbezugsgröße benutzt.

Bei dem zahnärztlichen Luftturbinenhandstück A gemäß der ersten Ausführungsform besteht keine besondere Beschränkung hinsichtlich der Querschnittsformen des Lufteinlasses 71 und der Luftauslässe 81, 91. Beispielsweise können diese Durchlässe einen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt haben.

Des weiteren können der mit dem einzigen Lufteinlaß 71 in Verbindung stehende Einlaßkanal 7 und die mit den Luftauslässen 81, 91 verbundenen Luftauslaßkanäle 8, 9 in beliebiger zweckmäßiger Weise angeordnet werden, wobei die Form der Turbinenschaufeln 2 (ein­ schließlich der Anzahl der Turbinenschaufeln), die Festigkeit des Hauptkörpers 6 des Hals­ teils und ähnliche Parameter in Betracht zu ziehen sind. Obwohl Unterschiede beispielsweise zwischen der Art der Anordnung des Lufteinlaßkanals und des Luftauslaßkanals in Fig. 3 und den nachstehend erläuterten Anordnungen beobachtet wurden, sind diese Kanäle nicht auf die gezeigte Ausbildung beschränkt; sie können vielmehr beliebig angeordnet sein.

Um Druckluft aus der Kammer 11 des Kopfes 1 anschließend an das Auftreffen auf die Tur­ binenschaufeln in dem medizinischen Luftturbinenhandstück A so rasch wie möglich abzu­ führen, ist es wichtig, für das Druckluft-Einlaß- und -Auslaßsystem das vorliegend erläuterte Designprinzip zu verwenden. In Verbindung damit werden außerdem vorzugsweise Turbinen­ schaufeln eingesetzt, die eine Ausgestaltung haben, welche die Abfuhr der Luft unterstützt.

Die Fig. 4A und 4B bis 7A und 7B veranschaulichen Schaufeln unterschiedlicher Form. In jeder dieser Zeichnungen ist ein Schaufelträger, auf dem die Turbinenschaufeln 2 fest mon­ tiert sind, mit 21 bezeichnet. Die Figuren A sind perspektivische Teilansichten der Turbinen­ schaufeln, während es sich bei den Figuren B um schematische Querschnittsdarstellungen handelt.

Bei jeder der Schaufeln der Fig. 4A bis 6B ist eine Fläche, auf welche Druckluft auftrifft, in Form von einem oder zwei gebogenen Flächenabschnitten ausgebildet, so daß die Luft entlang dem gebogenen Flächenabschnitt oder den Flächenabschnitten in Richtung auf den Luftauslaß geführt werden kann. Es versteht sich, daß grundsätzlich aber auch Schaufeln mit ebenen Flächen benutzt werden können, wie dies in den Fig. 7A und 7B dargestellt ist. Ferner besteht keine Beschränkung hinsichtlich der Anzahl der zu verwendenden Schaufeln.

Bei dem vorliegend erläuterten zahnärztlichen Luftturbinenhandstück A ist die Art der Zufuhr und Abfuhr der Druckluft nicht auf die Ausbildung entsprechend dem vorstehend diskutierten ersten Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere besteht keine Beschränkung dahin­ gehend, entsprechend den Fig. 2 und 3 Druckluft von dem Lufteinlaß 71 gegen im wesent­ lichen den zentralen Teil der Turbinenschaufeln 2 zu blasen, die Luft so zu einer sofortigen U-Kehre sowohl nach oben als auch nach unten mit Bezug auf die Turbinenschaufeln 2 zu veranlassen und die Luftströme nach Durchlaufen einer solchen U-Kehre durch die beiden Luftauslässe 81, 91 abzuführen, die gesondert unmittelbar oberhalb und unmittelbar unterhalb des Lufteinlasses angeordnet sind. Es versteht sich vielmehr, daß Druckluft auch gegen obere oder untere Teile der Turbinenschaufeln geblasen werden kann und daß die Abfuhr der Druck­ luft von der Seite der Turbinenteile aus erfolgen kann, gegen welche die zuströmende Druck­ luft gerichtet ist. Was die Anordnung der Luftauslässe an Stellen proximal zu dem Lufteinlaß anbelangt, können die Luftauslässe unmittelbar oberhalb und/oder unmittelbar unterhalb (ge­ sehen in Richtung der Achse der Turbinenrotorwelle 3), d. h. proximal zu dem Lufteinlaß ge­ sehen in lotrechter Richtung, oder an Stellen angeordnet sein, die proximal gesehen in waag­ rechter Richtung liegen; diese Positionen können aber auch miteinander kombiniert werden.

Daten für ein erstes Beispiel und für Vergleichsbeispiele Vorrichtungen

Um die Überlegenheit des vorliegend erläuterten Handstücks gegenüber konventionellen Handstücken zu demonstrieren, werden nachstehend Versuche erläutert.

Zunächst seien die Versuchsmodelle beschrieben, die hergestellt wurden, um die Erfassung und einen unmittelbaren Vergleich von verschiedenen Versuchsdaten zu erlauben und um die zu vergleichenden Vorrichtungen getreu nachzubilden.

Das Versuchsmodell für das erfindungsgemäße Handstück entspricht dem anhand der Fig. 2 und 3 erläuterten Aufbau; es ist in den Fig. 8 bis 10 dargestellt. Dagegen entspricht das Ver­ suchsmodell für das konventionelle Handstück dem Handstückaufbau der Fig. 16 und 17; das Modell ist in den Fig. 11 bis 13 wiedergegeben.

(1) Versuchsmodell für das erfindungsgemäß Handstück (1)-(i) Auslegung des Versuchsmodells für das erfindungsgemäße Handstück

Die Auslegung des Versuchsmodells für das erfindungsgemäße Handstück ist in Fig. 8 wie­ dergegeben. Mit H ist in Fig. 8 ein Kopfteil bezeichnet, dessen Gehäuse aus drei Platten H₁, H₂, H₃ aus transparentem Kunstharz (Acrylharz) aufgebaut ist. Ein Einlaßkanal 7 und Aus­ laßkanäle 8, 9 für Druckluft sind, wie veranschaulicht, in der mittleren Kunstharzplatte H₁ ausgebildet. In Kammern, die in den Gehäuseteilen H₂, H₃ mit unterbrochenen Linien ange­ deutet sind, sind Lager untergebracht. Kunstharz wurde für die Gehäuseteile benutzt, weil es sich besonders gut dafür eignet, verschiedene Versuchsbedingungen vorzugeben (beispielsweise die Größe, Form und dergleichen der Einlaß- und Auslaßöffnungen).

Fig. 9A zeigt eine Draufsicht auf das Gehäuseteil H₁ , während Fig. 9B einen Schnitt in Richtung der Pfeile IXB-IXB der Fig. 9A darstellt. Diese Figuren lassen die Anordnung des Lufteinlaßkanals 7 und der Luftauslaßkanäle 8, 9 erkennen.

Fig. 10 zeigt einen Querschnitt des Versuchsmodells gemäß Fig. 9, wobei Turbinenschaufeln in einer Kammer 11 angeordnet sind. Die Blickrichtung entspricht der Richtung einer Achse des Lufteinlaßkanals 7. Dabei stellt die Fig. 10 einen Querschnitt in Richtung der Pfeile X-X in Fig. 9A dar. Die weiteren Gehäuseteile H₂, H₃ sind ebenfalls veranschaulicht, um die Strömungsrichtungen der Druckluftströme anschaulich wiedergeben zu können. Die Schraf­ fierung ist für das Gehäuseteil H₁ weggelassen, um andere wichtige Elemente wiedergeben zu können.

Mit 4a ist eine Turbinenschaufel der in Fig. 4A veranschaulichten Form angedeutet. d₁ be­ zeichnet den Zwischenraum zwischen den Turbinenschaufeln und dem oberen bzw. unteren Gehäuseteil H₂, H₃.

Der Kopf 1 des Kopfteils H und der Hauptkörper 6 des Halsteils N des Kleinhandstücks mit druckmittelgetriebener Turbine können aus einem Kunstharz gefertigt werden. Dabei wird vorzugsweise ein Kunstharz gewählt, das eine hohe Dauerhaftigkeit gegenüber Wärme und Vibrationen hat, wie sie durch das mit hoher Drehzahl rotierende Turbinensystem erzeugt werden. Die Ausbildung der oben erläuterten Teile aus einem solchen Kunstharz macht es möglich, für ein Kleinhandstück mit druckmittelgetriebener Turbine zu sorgen, das nicht nur leicht zu fertigen ist, sondern konventionellen, aus Metall gefertigten Handstücken mit druckmittelgetriebener Turbine hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Gewichtsverminderung überlegen ist.

(1)-(ii) Versuchsbedingungen für das erfindungsgemäße Versuchsmodell

Die Versuchsbedingungen für das oben erläuterte erfindungsgemäße Versuchsmodell sind die folgenden:

• - Druck der zugeführten Druckluft: 24,5 N/cm²
• - Innendurchmesser der Kopfkammer 11 : 9,1 mm
• - Größe und Anzahl der Turbinenschaufeln (siehe Fig. 4A und 4B): w₁ = 1 ,3 mm in Fig. 4A; h = 2,8 mm, w₂ = 0,8 mm und w₃ = 0,13 mm in Fig. 4B. Acht Schaufeln waren auf einem Schaufelträger 21 montiert.
• - Zwischenraum d₁ zwischen den Gehäuseteilen H₂, H₃ und den Turbinenschaufeln sowie Dicke des Gehäuseteils H₁:
  d₁: grundsätzlich 150 µm; zum Vergleich mit dem konventionellen Typ wurden jedoch auch Werte von 1150 bis 600 µm vorgesehen
  Dicke von H₁: 5,1 mm
  Anmerkung: Bei einer Dicke H₁ von 5,1 mm und einer Höhe h der Turbinenschau­ feln von 2,8 mm wurden 1150 µm breite Räume sowohl oberhalb als auch unterhalb der Turbinenschaufeln gebildet (1150 µm 2 = 2,3 mm), wenn die Turbinenschaufeln mit Bezug auf die Dickenabmessung von H₁ zentrisch angeordnet waren.
• - Anordnung der Luftein- und -auslässe und deren Größe:
  Anordnung der Luftein- und -auslässe: siehe Fig. 9A und 9B.
  Durchmesser des Lufteinlasses 71 des Lufteinlaßkanals 7: variiert in beiden Richtun­ gen mit 1,2 mm als Mittenwert (siehe Tabellen 1 und 2).
  Größe (e₁ · e₂) der Luftauslässe 81, 91 der Luftauslaßkanäle 8, 9: variiert in beiden Richtungen mit 4,55 · 1 mm als Mittenwert (siehe Tabellen 1 und 2).

(2) Versuchsmodell für das konventionelle Handstück (2)-(i) Auslegung des Versuchsmodells des konventionellen Handstücks

Die Auslegung des Versuchsmodells des konventionellen Handstücks ist in den Fig. 11 bis 13 veranschaulicht. Die Fig. 11 bis 13 entsprechen den Fig. 8 bis 10, so daß die Unter­ schiede gegenüber dem Versuchsmodell für das erfindungsgemäße Handstück leicht erkannt werden können.

Besonders große Unterschiede liegen im Hinblick auf die Anordnung des Lufteinlaßkanals (Einlaß) 7′ (71′) und des Luftauslaßkanals (Auslasses) 8′ (81′) vor, sowie darin, daß entspre­ chend Fig. 13 der Zwischenraum d₁′ zwischen den Gehäuseteilen H₂′ , H₃′ und den Turbinen­ schaufeln 4a groß ist, um einen Strom von Druckluft in der Kammer 11′ in Umfangsrichtung zu ermöglichen.

In Fig. 13 ist die Schraffur für das Gehäuseteil H₁′ weggelassen, um wichtige Elemente über­ sichtlich veranschaulichen zu können.

(1)-(ii) Versuchsbedingungen für das konventionelle Versuchsmodell

Die Versuchsbedingungen für das oben erläuterte konventionelle Versuchsmodell sind wie folgt:

Im Vergleich zu den Versuchsbedingungen für das erfindungsgemäße Versuchsmodell wur­ den genau die gleichen Bedingungen bis auf die folgenden Ausnahmen vorgesehen:

• - Zwischenraum d₁′ zwischen den Gehäuseteilen H₂′ , H₃′ und den Turbinenschaufeln:
  d₁′: grundsätzlich 1150 µm; für einen Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Aufbau wurde jedoch auch der Wert von 150 µm benutzt.
  Anmerkung: der obengenannte Wert von 1150 µm für d₁′ wurde von dem konventio­ nellen Handstück übernommen.
  Die Dicke des Gehäuseteils H₁′ war die gleiche wie die entsprechende Dicke bei dem erfindungsgemäßen Versuchsmodell.
• - Anordnung und Größe der Luftein- und -auslässe:
  Anordnung der Luftein- und -auslässe: siehe Fig. 12A und 12B.
  Durchmesser des Lufteinlasses 71′ des Lufteinlaßkanals 7′: 1,2 mm.
  Größe (e₁ · e₂) des Luftauslasses 81′ des Luftauslaßkanals 8: variiert zwischen 3,0 mm und 2,5 mm für den Durchmesser und auch 3,8 · 3,8 mm sowie 3,8 · 3,0 mm für e₁ · e₂. Der Durchmesser von 1,2 mm für den Lufteinlaß und der Durchmesser von 2,5 mm für den Luftauslaß wurden von konventionellen Handstücken übernom­ men.

(3) Versuchsmodell für USP-Handstück

Es wurde ferner ein Versuchsmodell hergestellt und getestet, dessen Aufbau einem Handstück entsprach, wie es auch den US-PSen 3 893 242 und 4 020 556 bekannt ist. Dieses Handstück wird vorliegend kurz als USP-Handstück bezeichnet.

Das Versuchsmodell für das USP-Handstück entspricht technischen Details, wie sie sich ins­ besondere aus den Fig. 2, 3 und 9 der genannten US-Patente ergeben. Außerdem gilt folgen­ des:

• - Im Hinblick darauf daß die Größe (Durchmesser) jedes der beiden Lufteinlässe im wesentlichen mit der Höhe der Turbinenschaufeln übereinstimmt, wurden in dem erfin­ dungsgemäßen Versuchsmodell zwei Lufteinlässe (1,2 mm Durchmesser · 2) so angeord­ net, daß das Verhältnis der Summe der Durchmesser der beiden Lufteinlässe zu der Höhe h (h = 2,8 mm) der Schaufeln größer wurde. Außerdem wurden die einzelnen Lufteinlässe so angeordnet, daß Druckluft gegen benachbarte Schaufeln geblasen wurde. Der Prozent­ satz der (Gesamt-)Größe des (der) Lufteinlasses (Lufteinlässe) bezogen auf die Schaufel­ höhe h betrug 43% (1,2/2,8) bei dem erfindungsgemäßen Handstück-Versuchsmodell und 86% (2,4/2,8) bei dem Versuchsmodell für das USP-Handstück.
• - Der Zwischenraum d₁′ zwischen der oberen und der unteren Innenwand der Kammer und den Turbinenschaufeln wurde entsprechend dem bekamen Auslegungsprinzip auf einen Wert im Bereich von 1150-600 µm eingestellt.

Bei den Versuchen wurden die maximalen Drehzahlen (X) und die Luftvolumina (Y) je Zeiteinheit bei einem vorbestimmten Druck (24,5 N/cm⁵) der zugeführten Druckluft für die verschiedenen oben beschriebenen Versuchsmodelle gemessen.

Bewertungsgrößen

Vor einer Darstellung der Versuchsergebnisse seien die für die Auswertung der Versuchs­ ergebnisse benutzten Bewertungsgrößen dargelegt.

Ein zahnärztliches Luftturbinenhandstück ist dann als hervorragend zu bezeichnen, wenn an der Turbinenrotorwelle ein hervorragendes Ausgangsdrehmoment zur Verfügung steht.

Unabhängig von der Größe des an der Turbinenrotorwelle abgegebenen Drehmoments werden die folgenden Bewertungsgrößen angewendet:

• (1) Eine maximale Drehzahl von bevorzugter Größe kann durch ein entsprechendes Volu­ men der je Zeiteinheit zugeführten (induzierten) Luft realisiert werden.
  Eine Steigerung des Drehmoments (eine Verbesserung der abgegebenen Leistung) sollte vorzugsweise so beschaffen sein, daß die maximale Drehzahl der Turbinenrotorwelle innerhalb eines bevorzugten Bereichs höher wird.
  Die maximale Drehzahl des Turbinenrotors sollte ferner in enger Korrelation zu dem je Zeiteinheit zugeführten Luftvolumen stehen.
  Es wird daher davon ausgegangen, daß das Verhältnis der maximalen Drehzahl (X) zu dem je Zeiteinheit zugeführten Luftvolumen (Y), d. h. der Leistungsgrad auf Luftvolu­ menbasis (X/Y) eine praktische erste Bewertungsgröße ist.
  Die genannte Bewertungsgröße wird als besonders zweckmäßig angesehen, weil eine progressive und wesentliche Steigerung des je Zeiteinheit zugeführten Luftvolumens (Y) zwecks Erhöhung der maximalen Drehzahl (X) als wenig günstig erachtet wird, da es zu einer übermäßigen Belastung des Luftzufuhrsystems kommt, Modifikationen des bereits bestehenden Luftzufuhrsystems erforderlich werden (Erfordernis hoher Investi­ tionen in neue Anlagen) und dergleichen.
  Die oben erläuterte erste Bewertungsgröße hat den Vorteil, daß eine bereits bestehende Anordnung als Luftzufuhrsystem für ein zahnärztliches Luftturbinenhandstück mit hohem Leistungsgrad auf Luftvolumenbasis (X/Y) eingesetzt werden kann, daß das Luftzufuhrsystem (ein Kompressor oder dergleichen) keine hohe Belastung erfährt, und daß die Betriebsgeräusche gering sind.

(1) Erzielung eines hohen Schneidvermögens

Bei der Auswertung von Versuchsdaten entsprechend der oben erläuterten ersten Be­ wertungsgröße ist zu berücksichtigen, daß ein hoher Wert für den Leistungsgrad auf Luftvolumenbasis (X/Y) erhalten wird, wenn das zugeführte Luftvolumen (X) klein ist und das Turbinensystem eine vergleichsweise hohe Drehzahl (Y) (aber nicht von bevor­ zugtem Wert) erreicht.

Dies bedeutet, daß selbst dann, wenn ein zahnärztliches Luftturbinenhandstück entspre­ chend der ersten Bewertungsgröße dahingehend beurteilt wird, daß es einen guten Lei­ stungsgrad auf Luftvolumenbasis (X/Y) aufweist, das zahnärztliche Luftturbinenhand­ stück angesichts seiner niedrigen Drehzahl ein geringes Schneidvermögen haben kann.

Um das Betriebsverhalten im Hinblick auf das Schneidvermögen zu bewerten, wird daher eine zweite Bewertungsgröße vorgesehen, die dadurch erhalten wird, daß in Ver­ bindung mit der ersten Bewertungsgröße (X/Y) zusätzlich die maximale Drehzahl (X) bewertet wird, die eine enge Korrelation zu dem Schneidvermögen hat. Auf diese Weise kommt man zu dem unten erläuterten, entsprechend der maximalen Drehzahl bewerteten Schneidvermögen-Wirkungsgrad. Dieser Schneidvermögen-Wirkungsgrad wird darge­ stellt als (X) (X/Y) = X²/Y.

Es versteht sich, daß ein zahnärztliches Luftturbinenhandstück mit hohem Schneidver­ mögen-Wirkungsgrad (X²/Y) gemäß der zweiten Bewertungsgröße zu geringen Vibra­ tionen während des Schneidvorgangs führt und auch komplizierte Dentalbehandlungen zuläßt. In klinischer Hinsicht hat dies den Vorteil, daß Patienten frei von störenden Empfindungen oder Schmerz gehalten werden können. Außerdem können die Abmes­ sungen der Handstücke reduziert werden, weil es möglich wird, das gleiche Leistungs­ vermögen wie das von konventionellen Handstücken mit einem noch kleineren Turbi­ nenrotor zu erreichen.

Dementsprechend sind die unten wiedergegebenen Versuchsergebnisse zu analysieren anhand:

• (1) des Leistungsgrades auf Luftvolumenbasis (X/Y) als der ersten Bewertungsgröße und
• (2) des Schneidvermögen-Wirkungsgrades (X²/Y) als der zweiten Bewertungsgröße.

Versuchsergebnisse und Diskussion (1) Versuchsergebnisse

Die Ergebnisse der unter Verwendung der oben erläuterten Versuchsmodelle durchgeführten Versuche sind in den Tabellen 1 und 2 zusammengestellt. Die Versuche wurden bei Raum­ temperatur, d. h. bei 25°C, durchgeführt.

In beiden Tabellen haben die einzelnen Größen die folgenden Bedeutungen:

• (1) Erfindungsgemäßer Aufbau: Es sind Versuche gemeint, die mit dem oben erläuterten erfindungsgemäßen Versuchsmodell durchgeführt wurden.
• (2) Konventioneller Aufbau: Es sind Versuche gemeint, die mit dem oben erläuterten Ver­ suchsmodell des konventionellen Handstücks durchgeführt wurden.
• (3) USP-Aufbau: Es sind Versuche gemeint, die mit dem oben erläuterten Versuchsmodell für die Handstücke gemäß den US-PSen 3 893 242 und 4 020 556 durchgeführt wurden. Dabei wurde ein erfindungsgemäßes Versuchsmodell mit zwei Lufteinlässen der vorge­ gebenen Größe versehen, um die in den genannten US-PSen offenbarte Vorrichtung zu reproduzieren.
• (4) Durchmesser des Lufteinlasses: Die Querschnittsform des Lufteinlasses war kreisförmig (Einheit: mm), siehe Fig. 8.
• (5) Größe des Luftauslasses (der Luftauslässe) (e₁ · e₂): die Querschnittsform des Luftaus­ lasses bzw. der Luftauslässe war rechteckig (Einheit: mm²). Maß (e₁) · Maß (e₂). Siehe Fig. 9A und 9B.
• (6) Durchmesser des Luftauslasses (der Luftauslässe): Die Querschnittsform jedes Luftaus­ lasses war kreisförmig (Einheit mm²). Siehe Fig. 12A und 12B.
• (7) d₁: Der Zwischenraum zwischen der Innenwand der Kammer und den Turbinenschau­ feln bei dem erfindungsgemäßen Modell (siehe Fig. 10).
  d₁ = 150 µm.
• (8) d₁′: Der Zwischenraum zwischen der Innenwand der Kammer und den Turbinenschau­ feln bei dem konventionellen Modell (siehe Fig. 13).
  d₁'= 1150-600 µm.
• (9) Maximale Drehzahl (X): Die maximale Drehzahl des Turbinensystems, wenn Luft mit einem konstanten erhöhten Druck (24,5 N/cm²) zugeführt wurde (Einheit 10⁴ Umdre­ hungen pro Minute).
• (10) Luftzufuhrvolumen (Y): Das Volumen der dem Turbinensystem zugeführten Luft, um­ gewandelt in den Wert bei normalem Druck und 25°C (Einheit: 6/min).
• (11) X/Y: Die erste Bewertungsgröße (Leistungsgrad auf Luftvolumenbasis).
• (12) X X/Y: Die zweite Bewertungsgröße (Schneidvermögen-Wirkungsgrad).
• (13) Der Druck der zugeführten Luft wurde mittels eines digitalen Drucksensors gemessen, und er ist in der Einheit N/cm² angegeben.
• (14) Die maximale Drehzahl (X) wurde gemessen, indem Signale von einem fotoelektrischen Schalter mit Hochgeschwindigkeits-Ansprechvermögen mittels eines Zählers (pro Zeit­ einheit) gezählt wurden. Die maximale Drehzahl ist in der Einheit 10⁴ Umdrehungen pro Minute angegeben.
• (15) Das Luftzufuhrvolumen (Y) wurde durch einen thermischen Massendurchflußmengen­ sensor gemessen, und es ist als Wert dargestellt, der auf normalen Druck und 25°C um­ gewandelt ist.

(2) Diskussion der Versuchsergebnisse (i) Diskussion der Versuchsergebnisse gemäß Tabelle 1

Tabelle 1 zeigt die Versuchsergebnisse für den erfindungsgemäßen Aufbau (Versuche Nr. 1 bis 4) und des konventionellen Aufbaus (Versuche Nr. 5 bis 8).

Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse von Untersuchungen, die durchgeführt wurden, um festzu­ stellen, wie sich Kennwerte bei beiden Arten des Aufbaus ändern, wenn die Größe und Posi­ tion(en) des Luftauslasses (der Luftauslässe) und die Werte der Zwischenräume (d₁, d₁′) ge­ ändert wurden, während der Druck der zugeführten Druckluft und der Durchmesser und die Querschnittsfläche des Lufteinlasses konstant auf 24,5 N/cm² sowie auf 1,2 mm bzw. 1,13 mm² gehalten wurden.

• - Wie aus Tabelle 1 klar hervorgeht, zeigte sich, daß der erfindungsgemäße Aufbau sowohl hinsichtlich der ersten Bewertungsgröße (X/Y) als auch der zweiten Bewertungsgröße (X X/Y) dem Modell mit konventionellem Aufbau klar überlegen ist.
• - Die Daten in den Spalten für die Experimente Nr. 1 und Nr. 2 sowie für die Zeile für den Wert d₁′ sind Daten, die erhalten wurden, wenn bei dem erfindungsgemäßen Aufbau der Wert d₁ von 150 µm auf d₁′ (1150-600 µm) geändert wurde, d. h. wenn nur der Wert d₁ dem Wert für den konventionellen Aufbau angenähert wurde.
  In diesem Fall ergaben sich wesentliche Verschlechterungen der Kennwerte, was zeigt, daß sich der erfindungsgemäße Aufbau und der konventionelle Aufbau hinsichtlich des Design­ konzepts und der erzielten Vorteile grundlegend voneinander unterscheiden.
• - Andererseits handelt es sich bei den Daten in den Spalten für die Versuche Nr. 7 und Nr. 8 und die Zeile für d₁ um Daten, die erhalten wurden, wenn bei dem Versuchsmodell mit konventionellem Aufbau d₁′ von 1150-600 µm auf d₁ (150 µm) geändert wurde, d. h. wenn nur der Wert (d₁′) an den für den erfindungsgemäßen Aufbau typischen Wert heran­ gebracht wurde.
  Auch in diesem Fall sind die Kennwerte wesentlich schlechter, was erkennen läßt, daß sich der erfindungsgemäße Aufbau und der konventionelle Aufbau nach Designkonzept und erreichbaren Effekten grundsätzlich voneinander unterscheiden.

(ii) Diskussion der Versuchsergebnisse der Tabelle 2

Die Tabelle 2 zeigt die Versuchsergebnisse für den erfindungsgemäßen Aufbau (Versuche Nr. 9 bis 12, wobei der Versuch 11 der gleiche wie der oben erläuterte Versuch 2 ist) und des USP-Aufbaus (Versuche Nr. 13 bis 16).

Die Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse von Untersuchungen, die durchgeführt wurden, um festzu­ stellen, wie sich Kennwerte bei beiden Arten des Aufbaus ändern, wenn die Größe des einzi­ gen Lufteinlasses bei dem vorliegenden Typ geändert wurden (um einen Vergleich mit dem USP-Aufbau zuzulassen, der, wie erläutert, zwei Lufteinlässe mit einem Durchmesser von 1,2 mm aufweist), während der Druck der zugeführten Druckluft und die Größe (e₁ · e₂) des Luftauslasses konstant bei 24,5 N/cm² bzw. 4,55 · 1 gehalten wurden.

In der Tabelle 2 sind die Ergebnisse von Versuchen (Versuche Nr. 14 und 15) dargestellt, im Zuge deren bei dem USP-Aufbau mit zwei Lufteinlässen mit einem Durchmesser von 1,2 mm der Druck der zugeführten Druckluft geändert wurde.

Außerdem zeigt die Tabelle 2 die Ergebnisse von Versuchen (Versuche Nr. 16 und 17), bei denen im Falle des USP-Aufbaus mit zwei Lufteinlässen mit einem Durchmesser von 1,2 mm die Größe der Luftauslässe geändert wurde, während der Druck der zugeführten Druckluft dem Versuch Nr. 14 entsprach (9,8 N/cm²).

• - Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, erweist sich das Modell mit dem erfindungsgemäßen Aufbau (Versuche Nr. 9 bis 12) sowohl hinsichtlich der ersten als auch der zweiten Bewer­ tungsgröße dem Modell mit USP-Aufbau (Versuch Nr. 13) als weit überlegen. Dies zeigt, daß eine bloße Vergrößerung der Querschnittsfläche eines Lufteinlasses zu keinem Hand­ stück mit hervorragenden Eigenschaften führen kann.
  Der mit dem erfindungsgemäßen Aufbau durchgeführte Versuch Nr. 9 zeigt die Wichtig­ keit einer Analyse sowohl nach der ersten Bewertungsgröße (X/Y) als auch der zweiten Bewertungsgröße (X X/Y) bei der Bewertung des Leistungsvermögens.
• - Bei den Versuchen Nr. 9 bis 12 stellen die Daten für d₁′ diejenigen Daten dar, die erhalten wurden, wenn d₁ von 150 µm auf d₁′ (1150-600 µm) bei dem erfindungsgemäßen Aufbau geändert wurde. Mit anderen Worten, es wurde lediglich der Wert von d₁ dem konventio­ nellen Designkonzept angenähert. Eine wesentliche Verminderung des Leistungsver­ mögens ist zu erkennen.
• - Bei dem mit dem USP-Aufbau durchgeführten Versuch Nr. 13 führte das Luftzufuhrvolu­ men Y (Y = 71,0 l/min) zu einer übermäßigen Belastung des Luftzufuhrsystems. In den Versuchen Nr. 14 und 15 wurde der Druck der zugeführten Druckluft geändert, um die übermäßig hohe Belastung zu senken. Es wurden Untersuchungen durchgeführt, um fest­ zustellen, ob mittels des USP-Aufbaus bevorzugte Ergebnisse erreicht werden können oder nicht.
  Wie der Ergebnisse zeigen, werden recht gute Ergebnisse erzielt, wenn der Druck der zuge­ führten Luft geeignet eingestellt wird. Diese verbesserten Daten für den USP-Aufbau sind besser als diejenigen, die erhalten werden, wenn bei dem erfindungsgemäßen Versuchsmo­ dell d₁ zu d₁′ geändert wird; die Daten sind jedoch noch immer wesentlich schlechter als diejenigen für das Versuchsmodell mit dem erfindungsgemäßen Aufbau. Außerdem zeigen die verbesserten Daten des USP-Aufbaus eine Tendenz für gewisse Verbesserungen ge­ genüber dem konventionellen Aufbau in Tabelle 1 (Versuche Nr. 5 bis 8).
• - Nachdem der Versuch Nr. 14 für den USP-Aufbau gewisse Verbesserungen gegenüber dem Versuch Nr. 13 zeigte, wurden in den Versuchen Nr. 16 bis 18 die Bedingungen des Versuchs Nr. 14 weiter verändert, um herauszufinden, ob bessere Ergebnisse erreicht wer­ den können.
  Wie die Ergebnisse erkennen lassen, sind gewisse Verbesserungen (Versuch Nr. 17) zu be­ obachten. Das Versuchsmodell mit USP-Aufbau ist jedoch hinsichtlich seiner Leistungs­ werte dem Versuchsmodell mit erfindungsgemäßem Aufbau weit unterlegen.

Aus den Tabellen 1 und 2 und der obigen Diskussion der Versuchsergebnisse folgt, daß der erfindungsgemäße Aufbau zu hervorragenden Effekten im Vergleich mit dem konventionellen Aufbau und dem USP-Aufbau führen kann. Beispielsweise folgt aus einem Vergleich zwi­ schen dem erfindungsgemäßen Aufbau und dem konventionellen Aufbau, daß es der erfin­ dungsgemäße Aufbau erlaubt, die Drehzahl (und mit anderen Worten das Drehmoment) bei einem geringen Volumen der zugeführten Luft wesentlich zu verbessern (von 424 000 Um­ drehungen/Minute im Versuch Nr. 7 auf 490 000 Umdrehungen/Minute im Versuch Nr. 3). Mit anderen Worten, der erfindungsgemäße Aufbau erlaubt es, die gleiche Drehzahl wie der konventionelle Aufbau bei einem Druck oder einem Volumen der zugeführten Luft zu errei­ chen, der bzw. das geringer als für den konventionellen Aufbau ist. Der erfindungsgemäße Aufbau kann daher unter anderen zu den folgenden vorteilhaften Effekten führen:

• - Das Drehgeräusch läßt sich reduzieren (Reduktion des von dem Handstück erzeugten Geräuschs).
• - Die Anforderungen an die Druckbeständigkeit des Luftzufuhrschlauchs können gesenkt werden.
• - Es kann ein Luftzufuhrschlauch mit höherer Flexibilität verwendet werden, was die Handhabung des Handstücks verbessert.
• - Der Energieverbrauch einer zum Komprimieren des Druckmittels verwendeten Vorrich­ tung, beispielsweise eines Kompressors, läßt sich verringern.

Die wesentliche Verbesserung hinsichtlich der maximalen Drehzahl macht es ferner möglich, ein wesentlich größeres Drehmoment als bei konventionellen Handstücken zu erzeugen.

Dadurch wird ein besonders gutes Schneidvermögen erreicht. Die Behandlungsvorgänge lassen sich rascher durchführen.

Außerdem kann ein großes Drehmoment selbst bei kleinerer Druckmittelenergie erzielt wer­ den. Dies ermöglicht es, tragbare Handstücke zu fertigen, die mittels eines aus einer Gasspei­ cherflasche kommenden Druckmittels angetrieben werden, oder Handstücke, deren Drehzahl (und damit auch Drehmoment) auf einen konstanten Wert geregelt ist.

Entsprechend den Versuchen Nr. 7 und 8 für den konventionellen Aufbau, ist bei dem kon­ ventionellen Design eine wesentliche Senkung des Leistungsvermögens zu beobachten, wenn die Abmessungen verkleinert werden (eine Abmessungsreduktion durch Verengung des Zwi­ schenraums d₁′). Der erfindungsgemäße Aufbau erlaubt demgegenüber eine Abmessungs­ verringerung eines Luftturbinenhandstücks. Es ist daher möglich, ein kleines Handstück mit druckmittelgetriebener Turbine hoher Leistung herzustellen.

Aus den Versuchsergebnissen für den erfindungsgemäßen Aufbau und den USP-Aufbau ergibt sich ferner, daß entsprechend der vorliegenden Erfindung ein dentales Hochleistungs- Luftturbinen-Handstück mit den oben erläuterten vorteilhaften Effekten hergestellt werden kann, ohne daß Fertigungsschwierigkeiten oder wirtschaftliche Nachteile in Kauf genommen werden müssen, die darauf zurückzuführen sind, daß innerhalb des Halsteils zwei Lufteinlaß­ kanäle (und damit zwei Lufteinlässe) angeordnet sind.

In den Fig. 14 und 15 ist das zahnärztliche Luftturbinenhandstück A entsprechend der zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.

Die beiden Ausführungsbeispiele unterscheiden sich insbesondere dadurch, daß bei dem ersten Ausführungsbeispiel als Lager 4 Kugellager vorgesehen sind, während bei der zweiten Ausführungsform die Lager 4 als Luftlager ausgebildet sind, bei denen von einem Luftstrom (Luftschicht) für die Lagerung Gebrauch gemacht wird.

Die Luftlager weisen jeweils ein Lager 46 mit radialen Durchgangsöffnungen 45 und einen Wellenteil 31 auf, der innerhalb des Lagers 46 angeordnet ist oder sich von innerhalb des Lagers zu einer Seite des Lagers erstreckt. Der Wellenteil 31 kann mit der Turbinenrotorwelle 3 einstückig verbunden sein.

Jedes Lager 46 wird an einer Seitenwand 12 eines Kopfteils H mittels einer Lagerabstützung 47 gehalten, die an einer Außenumfangswand des Lagers sitzt.

Bei der zweiten Ausführungsform gehen von dem Lufteinlaßkanal 7 entsprechend Fig. 14 Zweigkanale 72, 73 aus, so daß den Luftlagereinheiten (d. h. den oben erläuterten Lagern 46) Luft zugeführt werden kann. Durch Einblasen von Luft in Spalte zwischen den Lagern 46 und dem Wellenteil 31 über die Zweigkanäle 72, 73 und durch die Durchgangsöffnungen 45 hin­ durch werden der Wellenteil 31 und damit der Turbinenrotor 3 über Schichten aus in die Spalte eingebrachter Luft in einem schwimmenden Zustand gehalten, ohne die Lager 46 zu berühren, wodurch der Turbinenrotor drehbar abgestützt wird.

In Verbindung mit der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 14 ist der Zwischenraum d₁ zwischen den Turbinenschaufeln und jeweils der oberen und der unteren Innenwand der Kammer 11 der ersten Ausführungsform äquivalent dem Zwischenraum d₁ zwischen den Turbinenschaufeln 2 und der oberen sowie der unteren Seite der Wellenteile 31. Durch An­ wendung des vorstehend erläuterten Konstruktionsprinzips lassen sich auch bei dem zahn­ ärztlichen Handstück A gemäß der zweiten Ausführungsform ähnlich vorteilhafte Effekte erreichen, wie sie oben in Verbindung mit der ersten Ausführungsform erläutert sind.

Claims (16)

1. Kleinhandstück (A) mit druckmittelgetriebener Turbine, wobei das Handstück einen Kopfteil (H) und einen in den Kopfteil übergehenden Halsteil (N) aufweist, der Kopfteil (H) mit einem eine Kammer (11) bildenden Kopf (1) versehen ist, Turbinenschaufeln (2) auf einer Turbinenrotorwelle (3) montiert und innerhalb der Kammer (11) angeord­ net sind und die Turbinenrotorwelle (3) über Lager (4) in dem Kopf (1) drehbar abge­ stützt ist, sowie der Halsteil (N) einen Hauptkörper (6), einen in dem Hauptkörper (6) angeordneten Einlaßkanal (7) für die Zufuhr von Druckmittel zu den Turbinenschaufeln (2) innerhalb der Kammer (11) und mindestens einen in dem Hauptkörper (6) angeord­ neten Auslaßkanal (8) für das Abführen der Druckluft von der Kammer (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• (i) der Einlaßkanal (7) einen einzigen Einlaß (71) aufweist; und
• (ii) die Lagebeziehung zwischen dem einzigen Einlaß (71) und einem Auslaß (81) des Auslaßkanals (8) so gewählt ist, daß sich der Auslaß (81) an einer Stelle befindet, die proximal zu dem Einlaß (71) liegt.

2. Kleinhandstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtgröße der innerhalb der Kammer (11) des Kopfs (1) untergebrachten Turbinenschaufeln (2) im wesentlichen gleich dem Raumvolumen der Kammer (11) ist.

3. Kleinhandstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtabmessun­ gen der Turbinenschaufeln (2) so gewählt sind, daß d₁ nicht größer als 1/10 von h ist, wobei d₁ der Zwischenraum zwischen den Turbinenschaufeln und jeweils der oberen und der unteren Innenwand der Kammer (11) ist und wobei h die Höhe der Turbinen­ schaufeln ist, wobei beide Abmessungen in Richtung einer Achse der Turbinenrotor­ welle (3) gemessen sind.

4. Kleinhandstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum d₁ nicht größer als 500 µm, aber größer als 0 µm ist.

5. Kleinhandstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum d₁ einen Wert von 100 µm bis 200 µm hat.

6. Kleinhandstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtabmessun­ gen der Turbinenschaufeln (2) so gewählt sind, daß d₁ nicht größer als 2,5 · d₂, aber größer als 0 · d₂ ist, wobei d₁ der Zwischenraum zwischen den Turbinenschaufeln und jeweils der oberen und der unteren Innenwand der Kammer (11) gesehen in Richtung einer Achse der Turbinenrotorwelle (3) ist und wobei d₂ der Zwischenraum zwischen den Turbinenschaufeln (2) und einer Innenumfangs-Seitenwand (113) der Kammer (11), gesehen in einer Richtung lotrecht zu der Achse der Turbinenrotorwelle (3), ist.

7. Kleinhandstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum d₂ etwa 150 µm beträgt.

8. Kleinhandstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige Einlaß (71) des Einlaßkanals (7) eine Größe hat, die nicht mehr als 50%, aber mehr als 0% der Höhe h der Turbinenschaufeln (2), gesehen in der Richtung einer Achse der Turbinenrotorwelle (3), ist.

9. Kleinhandstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagebeziehung zwi­ schen dem einzigen Einlaß (71) des Einlaßkanals (7) und dem Auslaß (81) des Auslaß­ kanals (8) so gewählt ist, daß der Auslaß (81) in vertikaler oder horizontaler Richtung proximal zu dem Einlaß (71) liegt.

10. Kleinhandstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagebeziehung zwischen dem einzigen Einlaß (71) des Einlaßkanals (7) und dem Auslaß (81) des Auslaßkanals (8) so gewählt ist, daß der Auslaß (81) unmittelbar über oder unmittelbar unter dem Einlaß (71) liegt.

11. Kleinhandstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsfläche des Auslasses (81) größer als die des einzigen Einlasses (71) ist.

12. Kleinhandstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige Einlaß (71) des Einlaßkanals (7) an einer solchen Stelle angeordnet ist, daß das aus dem Einlaß (71) austretende Druckmittel gegen im wesentlichen zentrale Teile der Turbinenschaufeln, gesehen in Richtung einer Achse der Turbinenrotorwelle (3), trifft.

13. Kleinhandstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (4) als Kugellager ausgebildet sind.

14. Kleinhandstück nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (4) als Luftlager ausgebildet sind.

15. Kleinhandstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (1) und der Hauptkörper (6) des Halsteils aus einem Kunstharz gefertigt sind.

16. Kleinhandstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Turbinenrotorwelle (3) ein Werkzeug für eine medizinische oder zahnmedi­ zinische Behandlung lösbar angebracht ist.