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Zahnärztliches Bohrhandstück Die Erfindung bezieht sich auf ein zahnärztliches
Handstück für Bohrer oder andere rotierende Werk zeuge, bei dem im abgewinkelten
Kopfteil als Antrieb für das Werkzeug eine Druckluftturbine für 10QOOO und mehr
Umdrehungen pro Minute eingebaut ist.
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Bei derartigen Handstücken ist die Turbine im Interesse möglichst
geringer Reibung auf beiden Seiten in Kugellagern gelagert. Diese Kugellager haben
jedoch hei ihren kleinen Abmessungen und der starken Beanspruchung durch die hohen
Drehzahlen nur eine verhätnismälllig geringe Lebensdauer. Sie verlangen beste Wartung
in Gestalt einer Kühlung und iDlschmierung. Zu diesem Zweck hat man die staub- und
wasserfrei gemachte Treibluft mit einem Olnebel versetzt und zumindest teilweise
durch die Kugellager abgeführt.
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Man muß dabei in Kauf nehmen, daß mit der in Richtung zum Bohrer abströmenden
Luft, die gleichzeitig zum Kühlen des Bahrers und der Behandlungsstelle dient, auch
ölreste auf die Behandlungsstelle treffen.
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Das setzt voraus, daß nur bestes, für den Atmungsweg indifferentes
Öl Verwendung findet. Zu diesen aufwendigen Maßnahmen für eine möglichste Schonung
und Erhaltung der Kugellager kommt als weiterer Nachteil der Kugellager hinzu, daß
durch die Drehfrequenz ein Pfeifton angeregt wird, der von mancher Patienten als
sehr störend empfunden wird.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß durch eine Luftlagerung
für die Turbine die genannten Mängel vermieden werden können.
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Rei motorischen Antrieben anderer Art als bei einem Druckluftturbinenantrieb
sind Gleitlager bekannt, deren axialen Lagerspalten über radiale Spalten Druckluft
zugeführt wird.
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Die Erfindung besteht einerseits in der Anwendung derartiger Drucklnftgleitlager
für die radiale Lagerung der Welle des Turbinenrades zu beiden Seiten des Rades.
Andererseits besteht die Erfindung darin, daß zur Aufnahme des axialen Bohrdruckes
an die beiden Stirnflächen des Turbinenrades radiale Lagerspalte angrenzen, in die
die axialen, mit Druckluft gefüllten Lagerspalte übergehen. Dadurch ist erreicht,
daß auf jede der Stirnflächen des Turbinenrades in axialer Richtung ein Druck ausgeübt
wird. Die beiden einander entgegenwirkenden Axialdrücke halten das Turbinenrad sowohl
im Leerlauf als auch bei auftretendem Bohrdruck in seiner zentrischen Stellung im
Turbinenraum fest. Dadurch, daß beim Gegenstand der Erfindung sowohl die radiale
als auch die axiale Lagerung ausschließlich mittels Druckluft erfolgt, läuft die
Turhine nahezu reibungslos. Die Lager haben daher eine lange Lebensdauer. Außerdem
entfällt die Notwendigkeit einer Ölschmierung. Auch der durch umlaufende Kugeln
erzeugte Pfeifton ist vermieden.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann darin be-
stehen, daß auch
die Antriebsluft für die Turbine zur axialen Lagerung benutzt ist. Das ist dadurch
erreicht, daß das Turbinenrad zwei zu seiner Mittelebene symmetrisch angeordnete
Schaufelreihen aufweist und die Form der Schaufeln und die Richtung der Zuführung
der Antriebsluft derart gewählt sind, daß auf das Rad sowohl ein Drehmoment als
auch ein von beiden Seiten gegen seine Mittelebene gerichteter Axialdruck ausgeübt
wird. Diese zusätzliche axialeDruckluftlagerung bewirkt eine Aufnahme auch größerer
axialer Bohrdrücke, wie sie bei zahnärztlichen Laborarbeiten gelegentlich auftreten
können.
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Nach einem anderen Merkmal der Erfindung wird mit Vorteil wenigstens
ein Teil der in den axialen Lagerspalten befindlichen Druckluft zugleich als Antriebsluft
für die Turbine verwendet, indem die beiden Wellenstümpfe der Turbine mit gewindeähnlichen
Drehrillen zum Abströmen der Lagerluft nach den Schaufeln hin versehen sind und
der Schaufelgrund mit einer kleinen Ausnehmung in die Welle hinein vertieft ist.
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Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend an Hand eines in den
Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein zahnärztliches Winkelhandstück in Seitenansicht, Fig. 2 einen axialen
Längsschnitt durch denWinkelkopf in vergrößertem Maßstab, Fig. 3 den gleichen Schnitt
in weiterer Vergrößerung, jedoch abgebrochen und mit der Turbine in Ansicht, Fig.
4 einen Querschnitt durch den Winkelkopf nach Linie IV-IV der Fig. 3, Fig. 5 eine
Seitenansicht der Turbine mit ihren Lagerteilen nach Entfernen der äußeren Hülle
des Winkelkopfes.
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Das zahnärztliche Bohrhandstück 1 besteht aus dem Griffteil 2, dem
abgewinkelten Stiel 3 mit dem Winkelkopf 4 und dem Bohrer 5, dem die Druckwasser-
und
Druckluftleitungen entnaltenden Schlauchstück 6. In dem zylindrischen
Gehäuse des Winkelkopfes befindet sich die Antriebsturbine für das Werkzeug mit
dem Turbinenrad 8 und der Turbinenwelle 9, in deren Längsbohrung die Spannhülse
10 als Werkzeughalterung eingesetzt ist. Das zylindrische Gehäuse 7 ist vorn und
hinten durch Schraubdeckel 11, 12 abgeschlossen.
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Druckluft wird dem Winkelkopf 4 durch die Leitung 13 zugeführt, die
sich kurz vor dem Eintritt in den Winkelkopf für die Luftlagerung der Turbine in
zwei Leitungen 14, 15 aufteilt. Der wesentliche Teil der entspannten Arbeitsluft
wird durch die Leitung 16 abgeführt. Für die Druckwasaerzufuhr zum Bohrer und zur
Behandlungsstelle ist eine Leitung 17 vorgesehen, die in einer Ausströmdüse 18 endet.
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Die in den Winkelkopf eingebauten Lagerungsteile für die Turbine
setzen sich, im wesentlichen aus fertigungstechnischen Gründen, aus mehreren Teilen
zusammen. In das Gehäuse 7 ist ein Ring 19 mit genau pIanparallelen Stirnflächen
-eingepreßt. Gegen diese Stirnflächen sind die beiden Düsenringe 20, 21 saugend
in das Gehäuse 7 eingeführt; In den Düsenringen sitzen auch wieder saugend bis stramm
die Verteilerringe 22, 23, gegen die die ebenfalls saugend eingesetzten Verschlußringe24,
25 drücken. Die beiden Schraubdeckel 11, 12 sichern axial die Verschlußringe, Verteilerringe
und Düsenringe.
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Für die radiale Luftlagerung der Turbine befindet sich zwischen den
Lagerungsteilen und den Wellenstümpfen 26, 27 je ein ringförmiger Lagerspalt 28,
29.
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Diesen axialen Spalten wird die Druckluft von den I,eitungen 14,15
aus radial zugeführt. Zu diesem Zweck sind die Düsenringe 20, 21 - bei völlig gleichförmiger
Ausbildung beider Lagerseiten sei im folgenden nur noch die eine Seite an Hand der
Fig. 3 beschrieben -mit einer Ringnut30 versehen, in deren Bodenfläche, über den
ganzen Umfang gleichmäßig verteilt, acht radiale Bohrungen 31 angebracht sind, die
sich im Verteilerring 22 fortsetzen. Auch in den Verteilerring ist eine Ringnut
32 eingeschnitten, so daß bei der radialenDruckluftzufuhr zum axialen Lagerspalt
immer wieder für eine gleichmäßige Verteilung der Druckluft über den ganzen Ringumfang
gesorgt ist. Aus der Bohrung 31 verteilt sich dann die Druckluft in axialer Richtung
nach beiden Seiten durch weitere Bohrungen 33, die unter völlig gleichmäßiger Druckverteilung
in Ringnuten 34 enden. Diese Ringnuten sind in unmittelbarer Ringverbindung mit
den ringförmigen, schmalen, senkrecht zum Wellenstumpf 26 und zum axialen Lagerspalt
28 stehenden Luftzufuhrspalten 35, von denen aus die Druckluft in den Ring-Lagerspalt
28 gelangt. Um einen guten Trageffekt zu erhalten, müssen natürlich die Abmessungen
der Lagerspalte und der Zufuhrspalte aufeinander abgestimmt sein. Zweckmäßigerweise
wird der Querschnitt der Zufuhrspalte kleiner gehalten als der der Lagerspalte,
etwa im VerhäItnis 2 :3.
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Um auch die axiale I,uftlagerung der Turbine sicherzustellen, sind
zwischen den beidseitig am Turbinenrad 8 befindlichen Ringfianschen 43 und den Düsenringen
20, 21 radialstehende Ringspalte 4D vorgesehen.
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Diese radialen Lagerspalte 42 sind so schmal als möglich gehalten
und stehen rnit den axialen Lagerspalten 28, 29 in unmittelbarer Verbindung. Die
Turbine liegt also radial und axial in Druckluft. Beim Auftreten axialer äußerer
Kräfte wird durch Erhöhung des Gegendruckes das zum Ausweichen neigende Turbinenrad
in der Mittellage gehalten.
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Das Turbinenrad 8 ist aus einem zylindrischen Werkstück herausgearbeitet,
indem zwei symmetrisch neben-
einanderliegende Schaufelreihen ausgefräst sind. Die
beiden Reihen sind durch eine beim Ausfräsen der einzelnen Schaufeln 37 längs des
Radumfangs stehengebliebene Mittelrippe 36 voneinander getrennt. Die Schaufeln jeder
Reihe sind gegenüber der Mittelebene des Turbinenrades in einem von 900 verschiedenen
Winkel a (Fig.3 und 5) geneigt, wobei jeweils der Winkel a in beiden Reihen der
gleiche ist. Sie können aus zur zugehörigen Stirnfläche des Rades hin offenen Ausnehmungen
bestehen, deren Querschnitt vom Schaufelgrund zum Radumfang hin zunimmt. Vorteilhafterweise
haben die Schaufeln etwa die Form eines Hohlkegelstumpfes mit elliptischem Querschnitt,
wobei ein Teil des Stumpfes durch die Stirnflächen des Rades abgeschnitten ist und
die kleinere Deckfläche des Stumpfes den Schaufelgrund 38 hildet. Die Hauptachse
der Ellipse ist zur Turbinenachse im spitzen Winkel geneigt, so daß dieLängsachsen
benachbarter Schaufeln der beiden Schaufelreihen im stumpfen Winkel zueinander stehen
(Fig. 5).
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Die Zuführung der Antriebsluft zu den Schaufeln erfolgt tangential,
wobei die Stromrichtung in einem von 900 verschiedenen Winkel zur Mittelebene 36
des Turbinenrades geneigt ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird die Antriebsluft
in der Ringnut30 der beiden Düsenringe 20, 21 abgezweigt. Jede der beiden Ringnuten
ist durch vier düsenartige Bohrungen 39 mit dem Turbinenraum derart verbunden, daß
die durch sie hindurchströmende Druckluft schräg tangential in die Schaufeln 37
zum Schaufelgrund 38 hin einfällt.
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Ausbildung und Anordnung der Düsen 39 und der Schaufeln 37 sind so
aufeinander abgestimmt, daß auch die von beiden Seiten einfallende Antriebsluft
zum Festhalten des Turbinenrades in der Mittellage beiträgt. Auch der beidseitig
der äußeren Teile des Turbinenrades vorhandene Spalt 44 zu den Düsenringen 20, 21
hin wird sehr eng gehalten, und es trifft die aus den Düsen 39 ausströmende Druckluft
bei einer etwaigen axialen Verschiebung des Turbinenrades mit größerem Druck auf
die Stellen der gegenseitigen Stirnfläche des Rades auf, die keine Schaufelausfräsungen
aufweisen. Es kann eine gerade Zahl von Schaufeln und Düsen gewählt werden, wobei
die Schaufelzahl zugleich ein Vielfaches der Düsenzahl betragen kann.
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Axiale Schwingungen werden dadurch vermieden, daß die Beaufschlagung
der Schaufeln von beiden Seiten im gleichen Rhythmus erfolgt und sich die durch
äußere Kräfte verursachten axialen Verschiebungen sofort ausgleichen.
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Die im Turbinenraum entspannte Luft tritt durch die Rückführungsleitung
16 über das Handstück 1 und den anschließenden Schlauch 6 frei aus.
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Auch die in die axialen Lagerspalte28, 29 hineingedrückte Preßluft
trägt zum Antrieb der Turbine bei.
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Es befinden sich auf den Wellenstümpfen26,27 der Turbine gewindeälmliche
Drehrillen 40 derart, daß die Lagerluft beim Drehen der Turbine nach den Schaufeln
zu abströmen kann. Die Ausfräsung des Schaufelgrundes 38 läuft bei 41 zur Welle
hin aus, so daß dort eine kleine Ausnehmung für ein Sichausdehnen der Lagerluft
entsteht. Von dort aus strömt die Luft gegen die schräggestellten Schaufeln 37 und
trägt so zum Antrieb der Turbine bei.
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Der vordere axiale Lagerspalt 28 ist außerdem mit dem Ringspalt45
in der vorderen Abdeckung 11 des Winkelkopfes verbunden, so daß ein Teil der radialen
Lagerluft zum Bohrer hin ausströmt. Damit gleiche Druckverhältnisse zu beiden Seiten
des Turbinenrades herrschen, muß die gleiche Luftmenge auch an dem rückseitigen
Ende des Winkelkopfes irgendwie austreten
können. Es kann beispielsweise
eine Bohrung 46 (Fig. 2) vorgesehen sein, die den gleichen Querschnitt wie der Ringspalt45
hat. Diese Bohrung ermöglicht außerdem ein Ausstoßen des Bohrers aus dem Turbinenkopf
von der Rückseite aus.
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Beim Einwirken äußerer Kräfte kann ein Anlaufen der Turbine gegen
die Lagerflächen vorkommen. Die möglichen Berührungsflächen müssen daher gute Gleitlaufeigenschaften
haben. Abgesehen von einer äußerst glatten Oberfläche müssen die Werkstoffe für
die Turbinenwelle und die Anlaufflächen so gewählt sein, daß sie gut aneinandergleiten.
Es empfiehlt sich, z. B. den einen Teil aus Kunststoff und den anderen Teil aus
nichtrostendem Stahl oder Messing zu fertigen. Vorteilhafterweise wird man eine
Turbine mit großer Masse wählen und die Anlaufflächen mit einem Werkstoff mit guten
Gleiteigenschaften auskleiden.
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PATENTNSPROCHE: 1. Zahnärztliches Handstück für Bohrer oder andere
rotierende Werkzeuge, bei dem im abgewinkelten Kopfteil als Antrieb für das Werkzeug
eine Drnckluftturbine für 100 000 und mehr Umdrehungen pro Minute eingebaut und
die Welle des Turbinenrades zu beiden Seiten des Rades radial gelagert ist, dadurch
gekennzeichnet, daß beide Lager als Druckluftlager ausgebildet sind, deren axiale
Lagerspalte (28,29) in radialeLagerspalte (42) übergehen, die an die Stirnflächen
des Turbinenrades angrenzen, und daß radiale Luft zuführungsspalte (35) zu den beiden
axialen Lagerspalten vorhanden sind.