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Zahnärztliches Handstück mit strömungsmittelgetriebenem Triebwerk
Die Erfindung betrifft ein zahnärztliches Handstück mit strömungsmittelgetriebenem
Triebwerk, bei dem die Rotorachse der Turbine über Wälzlager am Gehäuse gelagert
ist.
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Es ist eine Reihe von zahnärztlichen Handstücken mit Gasturbinentriebwerk
bekanntgeworden, die mit Drehzahlen bis zu 100000 Ulmin arbeiten. Es hat sich jedoch
bei diesen bekannten Triebwerken insbesondere für zahnärztliche Handstücke gezeigt,
daß die Lagerung bei diesen hohen Drehzahlen eine so große Reibung hat und einem
so großen Verschleiß unterworfen ist, daß eine Steigerung der Drehzahlen mit bekannten
technischen Mitteln nicht mehr möglich ist. Da jedoch insbesondere Diamantschleifkörper
eine Schnittgeschwindigkeit von über 30m/sec erfordern, sind bei kleinen Werkzeugdurchmessern,
wie sie z.. B. bei Zahnärzten oder Graveuren üblich sind, Drehzahlen von über 300
000 U/min notwendig.
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Bei dem Versuch, derartig hohe Drehzahlen mit nach den bekannten Grundsätzen
gebauten Triebwerken zu erreichen, zeigte es sich, daß die Lebensdauer der Lager
sehr schnell auf Werte absinkt, die eine Verwendung derartiger Triebwerke im praktischen
Bereich illusorisch machen.
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Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Triebwerk
für zahnärztliche Handstücke od. dgl. zu schaffen, welches mit den in der Zahnarztpraxis
zur Verfügung stehenden Beaufschlagungsdrücken höchste Drehzahlen erreicht, wobei
die Lebensdauer der Lagerelemente so groß ist, daß ein wirtschaftlicher, ungestörter
Betrieb möglich ist.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß im Gehäuse außer
einer Hauptaustrittsöffnung mit Drosselwirkung für das Preßgas Drosselöffnungen
vorgesehen sind, durch die ein Teil des aus der Turbine austretenden Preßgases unter
Durchströmung der Wälzlager nach außen tritt, und daß die Wälzkörper dieser Wälzlager
gegenüber ihren Lagerringen ein solches Spiel haben, daß zwischen ihnen und den
Lagerringen ein die Lagerreibung herabsetzendes Gaspolster entsteht.
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Es ist nun zwar bekannt, Wälzlager mit einem Spiel im Anlieferungszustand
zu liefern, das jedoch in Betrieb bei Erwärmung des Lagers abnimmt. Ein solches
Spiel hat lediglich die Aufgabe, dem Wälzlager eine ausreichende Reserve an Spiel
mitzugeben, um im betriebswarmen Zustand einen Restbetrag an Spiel zur Verfügung
zu haben, um ein Klemmen der Wälzkörper zwischen den Ringen, also ein Versagen des
Lagers, zu hindern. In keinem bekannten Fall reicht ein solches Spiel aus, um die
Wälzkörper auf einem sie allseits umgebenden Gaspolster zu tragen.
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Es ist ferner bekannt, bei Gleitlagern eine Luftschmierung vorzusehen.
Luftgeschmierte Gleitlager galten bisher sogar als den Wälzlager überlegen, denn
es ist sogar vorgeschlagen worden, bei Drehzahlen über 30 000 U/min, für die sich
Wälzlager nach herrschender Meinung nicht eigneten, luftgegeschmierte Gleitlager
zu verwenden.
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Das Bekanntsein luftgeschmierter Gleitlager konnte die Verwendung
von die Lagerreibung herabsetzenden Gaspolstern bei Wälzlagern aber auch aus dem
Grunde nicht nahelegen, weil die Betriebsbedingungen bei Wälz- und Gleitlagern wegen
der rollenden Reibung im einen und der gleitenden Reibung im anderen Fall nicht
vergleichbar sind.
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Vorteilhafterweise führt die Hauptaustrittsöffnung über eine Drossel
zur Atmosphäre. Dies hat den Vorteil, daß ein gewisser Rückdruck im Turbinengehäuse
erzeugt wird. Die Beschaffenheit des Gaspolsters hängt vom Druckgefälle zwischen
dem Arbeitsraum der Turbine und der Atmosphäre über die gedrosselten Austrittsöffnungen
ab.
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Im Interesse einer einwandfreien Einstellung des Gaspolsters kann
nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Drossel als federbelastetes Überdruckventil
ausgebildet
sein, und die Feder dieses obere druckventils kann zu diesem Zweck durch ein verstellbares
Widerlager abgestützt sein.
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Vorteilhafterweise können bei einem solchen Handstück käfigfreie
Wälzlager verwendet werden.
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Wenn zu beiden Seiten des Läufers Wälzlager angeordnet sind, können
die Drosselöffnungen an gegenüberliegenden Stirnseiten des Turbinengehäuses angeordnet
sein. Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung können die Drosselöffnungen
derart bemessen sein, daß die durch beide Wälzlager in der Zeiteinheit hindurchströmenden
Gasmengen etwa gleich sind. Die gleichmäßige Verteilung der Gasmengen auf beide
Lager ist im Interesse der gleichmäßigen Bildung der Gaspolster in beiden Lagern
wünschenswert.
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Wenn ferner die werkzeugseitigen Drosselöffnungen gegenüber der Achse
der Läuferwelle in Strömungsrichtung einwärts gegen die Spitze des Werkzeuges geneigt
sind, ergibt sich der weitere Vorteil einer Abkühlung des Werkzeuges und der Sauberhaltung
der Frässtelle.
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Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung können zwischen dem
Arbeitsraum des Läufers und den Wälzlagern angeordnete, gegen die Bahnen der Wälzkörper
der Wälzlager gerichtete Lenkkanäle vorgesehen sein. Diese Lenkkanäle begünstigen
die Kühlwirkung des Luftstromes.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an einem
Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht eines
zahnärztlichen Handstücks gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Draufsicht des in Fig.1
gezeigten zahnärztlichen Handstücks, F i g. 3 eine Unteransicht des in F i g. 1
gezeigten zahnärztlichen Handstücks, F i g. 4 einen senkrechten Längsschnitt durch
das in F i g. 1 gezeigte Handstück, Fig. 5 in vergrößertem Maßstab eine Teilansicht
in senkrechtem Schnitt des Kopfes des in F i g. 1 gezeigten Handstücks, welcher
Konstruktionseinzelheiten zeigt, F i g. 6 einen waagerechten Schnitt durch den Kopf
des Handstücks nach der Linie 6-6 der F i g. 5, aus welchem insbesondere das Verhältnis
der Wurzelteile der Abstände zwischen den Turbinenschaufeln zu den Wälzlagerkörpern
der Lager sowie der Ringraum ersichtlich sind, in welchem die Umfangsteile der Turbinenschaufeln
arbeiten, F i g. 7 eine Ansicht in waagerechtem Schnitt durch den Kopf des Handstücks
nach der Linie 7-7 der Fig. 5, F i g. 8 eine senkrechte auseinandergezogene Darstellung
des in Fig.5 gezeigten Kopfes des Handstücks, wobei einige Teile in senkrechtem
Schnitt dargestellt sind, F i g. 9 eine graphische Darstellung, welche die Bereiche
der Betriebsgrenzen der durch die Eintrittsdrücke hervorgerufenen Rückdrücke im
Kopf des Handstücks sowie den bevorzugten Bereich der Rückdrücke relativ zum Eintrittsdruck
zeigt, F i g. 10 eine Seitenansicht eines im Kopfende des Handgriffs des Handstücks
verwendeten Halsblocks, Fig. 11 eine Rückansicht des in Fig. 10 gezeigten Halsblocks,
F i g. 12 eine Vorderansicht des in F i g. 10 gezeigten Halsblocks,
F i g. 13 eine
Teilansicht im Längsschnitt einer anderen Ausführungsform des Gasauslaßkanals mit
einem selbsttätig arbeitenden Regelventil zur Regelung des Gasaustritts aus der
Kammer im Kopf mit einem gleichmäßigen Druck, Fig. 14 eine Ansicht im Schnitt nach
der Linie 14-14 der F i g. 4, welche das rückseitige Ende der Verengungsscheibe
im Handgriff 24 zeigt.
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Das in den Zeichnungen gezeigte Handstück 22 besteht aus einem Handgriff
24, der bei 26 zur leichteren Handhabung gerändelt ist und an dessen Ende ein Triebwerksgehäuse
28 befestigt ist. Das Ende der Handgriffe ist bei 30 abgewinkelt, wie dies bei Winkelhandstücken
üblich ist.
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Das Triebwerksgehäuse28 weist eine im wesentlichen zylindrische Bohrung
32 auf, die an ihrem unteren Ende in eine Öffnung 34 übergeht, durch welche sich
das normalerweise untere Ende der Läuferwelle 36 des Triebwerks erstreckt. Das normalerweise
untere Ende der Läuferwelle 36 ist über ein unteres Wälzlager 38 drehbar gelagert,
das aus einem Innenlaufring40, einem Außenlaufring 42 und lose gehaltenen Wälzkörpern,
beim dargestellten Beispiel aus Kugeln 44, besteht. Das untere Ende der Läuferwelle
36 ist im inneren Laufring 40 eingepreßt.
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Der äußere Laufring42 des Lagers sitzt auf einer Schulter 46 im Gehäuse
28 und wird in seiner Lage an dieser Schulter durch einen Klemmring 48 gehalten,
der in die Bohrung 32 bei 50 eingeschraubt ist, wobei am unteren Ende des Gehäuses
28 unterhalb des inneren Laufringes 40 ein geringes Spiel 51 vorgesehen ist. Bei
einem Handstück, das sich für alle Arten von zahnärztlichen Fräsarbeiten bewährt
hat, beträgt der Außendurchmesser des äußeren Laufringes 42 6,35 mm, der Innendurchmesser
des Innenlaufringes 3,18 mm und der Durchmesser jeder der fünfzehn Kugeln 44 1 mm,
zwischen den Laufringen besteht eine seitliche Radialbeweglichkeit von zwischen
0,007 mm und 0,13 mm, und die Höhe beider Laufringe beträgt etwa 2,38 mm.
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Der Innenlaufring des Wälzlagers 52 ist am oberen Ende der Läuferwelle
36 mit Preßsitz angebracht.
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Das obere Lager 52 besteht aus einem äußeren Laufring 58, der mit
Preßsitz in einem Abstandsring 60 sitzt, einem inneren Laufring 54 und lose sitzenden
Lagerkugeln 56. Die Höhe des Ringes 60 ist etwas größer als die der Laufringe 54,
58, so daß sein oberes Ende über die Lagerlaufringe hinaus nach oben vorspringt
und ein Spiel 61 an der oberen Stirnseite des Lagers 52 gebildet ist. Die Lager
38 und 52 sind im wesentlichen gleich.
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Eine Kappe 62, die vorzugsweise mittels Gewinde 64 in der Bohrung
32 sitzt, hält den Abstandsring 60 in Anlage an einer ringförmigen Schulter 66 und
dient so dazu, das Lager 52 zusammenzuhalten und die Welle 36 in ihrer Lage zu halten
sowie das obere Ende der Ausnehmung 32 abzuschließen.
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Mit der Welle 36 ist ein Turbinenläufer fest verbunden, der sich
in axialer und in radialer Richtung erstreckende Flügel oder Schaufeln 68 aufweist.
Wie am besten aus F i g. 6 ersichtlich, sind die Schaufeln 68 an ihrer Vorderseite
70 gekrümmt und haben eine ebene Rückseite 72. Bei der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung können die Welle 36 und der Läufer aus einem Stück, beispielsweise
aus einem korrosionsbeständigen Metall, sein. Der Durchmesser des Läufers von Schaufelspitze
zu Schaufelspitze beträgt bei erfolgreich arbeitenden Handstücken
7,1
mm während der Krümmungsradius der Vordersite der Schaufeln 4.37 mm beträgt. Die
ebene Fläche 72 ist mit etwa 121,'-0 zum Durchmesser geneigt. Es wurde festgestellt.
daß bei einer in der beschriebenen Weise bemessenen Turbine das eintretende Gas
die ebene Fläche 72 beaufschlagen und sich gegen diese ausdehnen kann, um eine maximale,
die Turbine um ihre Drehachse antreibende Kraftkomponente zu erzielen.
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Wie insbesondere aus F i g. 6 ersichtlich, liegt der Schaufelgrund
im wesentlichen über den Wälzkörpern, d. h. den Kugeln 44 und 56. Bei dieser Anordnung
wird der Gasstrom unter Druck axial von den Enden der Scheitel der Zwischenräume
zwischen den Schaufeln 68 austreten und auf die Kugel 44 und 56 strömen, so daß
sie sowohl zur Kühlung als auch zur Bildung des angestrebten Gaspolsters beitragen.
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Diese letztere Wirkung wird weiter unten näher erläutert.
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An den gegenüberliegenden Stirnseiten der Turbinenschaufeln sind
an der Welle ein oberer Bund 74 und ein unterer Bund 76 vorgesehen. Diese Bunde
dienen dazu, die Lager 52 und 38 in einem genauen Abstand vom oberen und vom unteren
Ende der Turbinenschaufeln zu halten. Da der Klemmring 48 genau gearbeitet ist,
befindet er sich ebenfalls vorzugsweise in einem genauen Abstand vom unteren Ende
der Turbinenschaufeln 68. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet
sich ein in Fig.5 gezeigtes ringförmiges Schild77, das mit dem unteren Ende des
Abstandsringes 60 aus einem Stück bestehen kann, in einem genauen Abstand von den
oberen Enden der Schaufeln 68. Der Umfang der Mittelöffnungen im Schild 77 und der
Öffnungen 134 im Klemmring 48 befindet sich vorzugsweise im wesentlichen in axialer
Ausfluchtung mit der Mitte der Wälzkörper 44 und 56 für einen nachstehend näher
beschriebenen Zweck.
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Es wurde gefunden, daß die Abstände zwischen den Turbinenschaufeln
68 und dem Schild 77 einerseits und dem Klemmring 48 andererseits kritisch sind.
Bei einem Motor der beschriebenen Größe sollen diese Abstände zwischen 0,125 und
0,65 mm liegen. Wenn diese Abstände zu klein sind, wird ein Zustand erzeugt, der
die richtige Strömung des Antriebsgases durch die Lager stört, zu einer mangelhaften
Kühlung führt und ein sirenenartiges Geräusch hervorruft, während, wenn der Raum
zu groß ist, kein ausreichendes Drehmoment erzeugt wird, es sei denn, die Gesamtlänge
des Aggregates würde vergrößert, was ja gerade vermieden werden soll.
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Bei der vorangehend beschriebenen Konstruktion ist etwa die äußere
Hälfte der Turbinenschaufeln in einer ringförmigen Tasche 79 aufgenommen, welche
von der inneren zylindrischen Fläche der Bohrung 32, der Oberseite des Klemmringes
48 und der Unterseite des Schildes 77 begrenzt ist. Diese ringförmige Tasche 79
dient zur Begrenzung der äußeren Teile der Schaufeln 68 und der die Schaufeln beaufschlagenden
und sich gegen diese ausdehnenden Gase, so daß der größere Teil der durch die Gase
während der Ausdehnung entwickelten Kraft auf die Turbinenschaufeln wirksam wird,
um in der Welle 36 ein Drehmoment zu erzeugen.
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Den einzigen möglichen Strömungsweg für den Austritt der Gase aus
dem ringförmigen Hohlraum 79 an dessen Enden bilden schmale ringförmige Öff-
nungen,
die zwischen dem Umfang der Mittelöffnungen im Schild 77 und im Ring 48 sowie in
den Bund 74 und 76 gebildet sind und in die Wälzlager 38, 52 führen.
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Da die Scheitel der Zwischenräume zwischen den Schaufeln 68 sich
im wesentlichen in axialer Ausfluchtung mit den Wälzkörpern jedes Lagers befinden
und sich der Turbinenläufer bei seinem Umlauf zweimal so schnell bewegt wie die
Wälzkörper, werden die Wälzkörper ständig von aufeinanderfolgenden Gasströmen beaufschlagt.
Dabei können der Spalt zwischen dem inneren Umfang des Schildes 77 und dem Bund
74, der Spalt zwischen dem Klemmring 48 und dem Bund 76 sowie zusätzliche Axialkanäle
134 im Klemmring 48 als Lenkeinrichtungen dienen, die die aus der Tasche79 austretende
Luft gegen die Bahnen der Wälzkörper 56 bzw. 44 lenken.
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Es wurde festgestellt, daß die Größe des Drehmoments am Werkzeugschaft
und die Weichheit des Betriebs mit verengenden Auslässen, wie sie z. B. durch das
Schild 77 und den Ring 48 vorgesehen sind, besser sind.
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Die Kappe 62 ist mit einer oder mehreren gedrosselten Gasauslaßbohrungen
78 versehen, durch die das Gas aus dem oberen Ende des Ringraums79, das zwischen
dem äußeren Laufring 58 und dem inneren Laufring 54 des oberen Lagers 52 hindurchströmt,
austritt. Diese Anordnung erleichtert das Kühlen und die Bildung des Gaspolsters
in dem Lager und verringert die Verwirbelung des Gases innerhalb des Gehäuses. Ferner
ergibt sich, wie weiter unten näher erläutert wird, ein zusätzlicher Vorteil.
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Im unteren Ende des Gehäuses sind mehrere, vorzugsweise drei, gedrosselte
Gasaustrittsöffnungen 80 vorgesehen, die in gleichmäßigen Abständen um das untere
Ende der Welle 36 angeordnet sind, um das Austreten des vom Läufer abströmenden
Gases zwischen den Laufringen 40 und 42 des unteren Lagers 38 an den Wälzkörpern
44 vorbei und die Bildung eines Gaspolsters in diesem Lager zu gewährleisten. Ferner
sind die Kanäle 80 etwas zur Achse der Welle 36 geneigt, um das ausströmende Gas
gegen die Spitze eines Werkzeuges zu richten, welches normalerweise im unteren Ende
der Turbinenwelle sitzt.
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Wie F i g. 4, 5, 6, 8 und 10 zeigen, besteht ein am Turbinengehäuse
liegender Teil des Handgriffs aus einem dünnen Metallrohr 82, in dessen Ende ein
Halsblock 84 sitzt. Der Halsblock 84 ist mit einer Axialbohrung 86 versehen, deren
äußeres Ende als Düse dient, um einen Gasstrahl kontinuierlich tangential gegen
den Außenabschnitt der Turbinenschaufeln 68 zu richten. Die Bohrung 86 ist so ausgebildet,
daß der Gasstrahl auf die Flächen 72 der Schaufeln 68 im wesentlichen in dem in
Fig. 6 gezeigten Tangentialwinkel gegen die Achse des Turbinenläufers etwa in der
Mitte der Turbinenschaufeln gerichtet ist, so daß das Gas im wesentlichen gleichmäßig
aus den entgegengesetzten Enden der Räume zwischen den Schaufeln und durch die Lager
austritt.
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Die Mitte des Gasstroms liegt von der durch die Spitzen der Schaufeln
68 beschriebenen kreisförmigen Bahn nach innen, wobei sich der Strom der Schaufeln
bei der Benihrung mit den Flächen 72 in allen Richtungen ausdehnt, so daß der Turbinenläufer
ein maximales Drehmoment abgeben kann.
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Im Halsblock ist auf der der Bohrung 86 diametral gegenüberliegenden
Seite ein Schlitz88 ausgebildet,
um Gas aus dem Turbinengehäuse
radial in den Handgriff abzuleiten. Wie sich am besten aus Fig.12 ergibt, hat der
Schlitz 88 einen wesentlich größeren Querschnitt als die Bohrung 86, so daß sich
der Druck des in die Ausnehmung 32 austretenden Gases leicht in dieser entspannen
kann und das entspannte Gas aus der Ausnehmung 32 in der Hauptsache durch den Schlitz
88 austritt, während ein Teil durch die Bohrung78 in der Kappe und durch die Bohrungen
80 im Gehäuse 28 austritt.
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Hierbei ist zu beachten, daß infolge des geringen Abstandes der Einlaßbohrung
86 vom Auslaßschlitz 88 das Gas etwas weniger als 360° um das Gehäuse herumströmt,
bevor es austritt, so daß der größtmögliche Anteil der in dem sich im Gehäuse entspannenden
Gas enthaltenen Energie für den Antrieb der Turbine ausgenutzt wird.
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Der Halsblock ist ferner mit einer weiteren Bohrung 90 versehen,
die an ihrem vorderen Ende mit einer geneigten Bohrung 92 in der Hülse 94 (F i g.
5) in Verbindung steht, die dazu dient, Wasser auf den Fräser zu leiten. Im Halsblock
84 ist noch eine Bohrung 87 vorgesehen, die sich von dessen hinterem Ende nach innen
erstreckt und die größer ist als die Einströmbohrung 86 und mit dieser in Verbindung
steht. Mit den Bohrungen 87 und 90 sind Rohre 96 und 98 z. B. durch Hartlötung verbunden,
welche zur Gas- bzw. Wasserzufuhr dienen. Die äußeren Enden dieser Rohre erstrecken
sich zum hinteren Ende des Handgriffs 22 und durch dieses zur Verbindung mit biegsamen
Rohren, durch die die Gas- bzw. Wasserzufuhr erfolgt.
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Das Rohr 82 ist an einer Stelle, die sich vom Halsblock nach außen
im Abstand befindet, mit einer Scheibe 100 versehen, die Bohrungen 102 und 104 für
die Hindurchführung der Wasser- und Luftrohre 94 und 96 aufweist. Der Umfang dieser
Bohrungen liegt fest an der Außenfläche dieser Rohre an, so daß eine Gaskammer begrenzt
wird, in welcher das austretende Gas auf einem bestimmten Druck, z. B. bei der hier
beschriebenen Größe des Handstücks und der Turbine zwischen 0,07 und 0,35 kg/cm2
gehalten wird. Dieser Druck hängt, entsprechend der nachstehend erläuterten graphischen
Darstellung in F i g. 9 vom Beaufschlagungsdruck ab.
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Wie ersichtlich, muß das aus dem Gehäuse durch den Auslaßkanal oder
Schlitz 88 im Halsblock 84 austretende Gas durch die Auslaßöffnung 106 in der Scheibe
100 hindurchtreten, wobei durch die Verengung des Kanals 106 ein Rückdruck innerhalb
der Gaskammer im Rohr 82 erzeugt wird, der eine wichtige Wirkung auf den Betrieb
der Turbine hat. Es wurde beobachtet, daß durch einen zu hohen Gegendruck die Turbine
beträchtlich verlangsamt wird und daß bei zu niederem Gegendruck, d. h. wenn das
Gas frei austritt, für die Erzielung der gewünschten hohen Geschwindigkeit übermäßig
hohe Eintrittsdrücke erforderlich sind.
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Es wurde festgestellt, daß die verengte Öffnung 106 so bemessen sein
soll, daß der Rückdruck das durch die Kurven in F i g. 9 dargestellte Verhältnis
zum Eintrittsdruck haben soll. Diese Kurven wurden nach Werten aufgezeichnet, die
aus dem Betrieb von Handstücken der erwähnten Größe unter Verwendung der beschriebenen
Lager erhalten wurden. Dabei hat der Einlaßkanal 86 einen Durchmesser von 1,18 mm,
die Bohrung 78 in der Kappe 62 einen Durchmesser von 0,79 mm, die drei Bohrungen
80 je
einen Durchmesser von 0,53 mm, während der Unterschied in den Durchmessern
zwischen der Welle 36 und der Bohrung 34 im Gehäuse 28 etwa 0,08 mm beträgt. Alle
erwähnten Bohrungen, Kanäle und Ringräume um den unteren Stummel der Welle 36 sind
Öffnungen, durch welche Gas zusätzlich zu dem durch die verengte Öffnung 106 gebildeten
Hauptauslaß austreten kann.
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In F i g. 9 sind außer den Kurven A und B für den höchsten und den
niedrigsten relativen Rückdruck in der Ausnehmung 32 des Kopfes 28 auch ein optimaler
Bereich der Rückdrücke durch eine Kurve C dargestellt. Rückdrücke, welche zwischen
den Maxima-und Minimakurven liegen, ermöglichen einen zufriedenstellenden Betrieb
des Handstücks, jedoch liefert der bevorzugte Bereich der Rückdrücke entlang Kurve
C relativ zum Eintrittsdruck die besten Betriebsbedingungen hinsichtlich Drehzahl,
Drehmoment, Laufruhe und Schwingungs- bzw. Erschütterungsfreiheit, und damit hinsichtlich
des Schutzes des Patienten gegen Trauma. Wie ferner aus der Kurve ersichtlich, liegen
die vorzugsweisen Beaufschlagungsdrücke im niederen Druckbereich und stehen im allgemeinen
in jeder zahnärztlichen Ordination zur Verfügung. Es sind daher keine zusätzlichen
Hochdruckverdichter nötig.
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Der äußere Endteil des Handgriffs 24 hat vorzugsweise einen größeren
Durchmesser als das Rohr 82.
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Auf das äußere Ende des Handgriffes ist ein End-bzw. Spannringlll
auQeschraubt, der ein Filter, beispielsweise eine Drahtmaschenscheibe 113 aus korrosionsbeständigem
Material od. dgl., hält. Die Rohre 96 und 98 erstrecken sich durch Öffnungen in
der Filterscheibe für den Eintritt von Wasser und Gas.
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Die Aufgabe der Filterscheibe bzw. des Siebs 113 besteht darin, von
der Turbine stammende Geräusche großer Tonhöhe zu dämpfen. Vorzugsweise wird statt
oder zusätzlich zum Sieb 113 das äußere Ende des Handgriffs 22 mit einem korrosionsbeständigen
Metallgewebe oder mit Metallwolle abgedichtet, um die Filterwirkung zu steigern.
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Der Turbinenläufer ist mit einem Klemmfutter für einen zahnärztlichen
Fräser od. dgl. versehen, das eine Gewindebohrung 110 aufweist, welche sich vom
unteren Ende der Welle 6 nach innen fast zu deren oberem Ende erstreckt. Das obere
Ende der Bohrung 110 steht mit einer Öffnung 112 von kleinerem Durchmesser als die
Bohrung 110 in Verbindung, welche sich axial durch das obere Ende der Welle erstreckt
und eine ringförmige Schulterll2' bildet.
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Eine Hülse 114 aus einem ausdehnbaren Reibungsmaterial, wie Polyäthylen
od. dgl., deren Außendurchmesser im wesentlichen gleich dem Gewindespitzendurchmesser
in der Bohrung 110 ist, wird in die erwähnte Gewindebohrung eingeschoben, bis sie
sich in Anlage an der ringförmigen Schulter 112' am oberen Ende der Bohrung befindet.
Der Innendurchmesser der Hülse 114 ist geringfügig kleiner als der Außendurchmesser
des Schafts eines Fräsers 116, der axial in die Hülse von deren unterem Ende aus
eingedrückt wird. Beim Einführen des Fräsers in die dehnbare Hülse wird diese erweitert
und paßt sich der Form der Gewindegänge in der Bohrung an, wie in F i g. 5 gezeigt.
Dies hat einen festen Reibungssitz zwischen der Hülse und dem Fräser zur Folge,
verhindert das Herausfallen des Fräsers und ermöglicht ferner, daß der Fräser in
jeder gewünschten Längsstellung im Klemmfutter gehalten werden kann. Der
Gewindeeingriff
der Bohrung mit der Hülse verhindert ferner das unbeabsichtigte Herausziehen der
Hülse, beispielsweise beim Herausnehmen eines Fräsers. Da der Fräser durch Reibungssitz
in der Hülse gehalten wird, kann er mit verschiedener Tiefe eingesetzt werden, wodurch
innerhalb bestimmter Grenzen die Notwendigkeit vermieden wird, Fräser von verschiedener
Länge vorzusehen. Ferner können bei Verwendung von Hülsen verschiedener Dicke Fräser
mit Schäften benutzt werden, die einen kleineren Durchmesser als dargestellt besitzen.
Dies ist vorteilhaft, da das Hauptprinzip der Arbeitsweise des Handstücks für einen
bestmöglichen Wirkungsgrad viel mehr in der Drehzahl statt in der Massenträgheit
liegt.
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Das Einsetzen des Fräsers in die Hülse wird durch die im oberen Ende
der Welle 36 vorgesehene Öffnung 112 erleichtert, da in der Hülse keine Luft eingeschlossen
wird, die diesem Einsetzen Widerstand leisten würde. Ferner ermöglicht die Öffnung
112, daß irgendwelches Material, das in das Klemmfutter gelangt ist, dadurch herausgesaugt
werden kann, daß die Luft rasch durch die Öffnung nach dem Hindurchtreten durch
das obere Lager hindurchtritt und über den Auslaßkanal 78 in der Kappe 72 ausströmt.
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Außerdem kann, falls ein Fräser von seinem Schaft abbricht, der abgebrochene
Schaft dadurch leicht aus der Hülse 114 entfernt werden, daß ein dünner Draht durch
die Öffnung 112 eingeführt und der abgebrochene Schaft aus der Hülse herausgeschoben
wird.
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Das Handstück wird über geeignete Ventile an eine Preßluftquelle
und gegebenenfalls an die Wasserleitung angeschlossen, die beide normalerweise in
einem zahnärztlichen Ordinationsraum vorhanden sind. Für die Preßluft wird vorzugsweise
ein Druck zwischen 1,4 und 2,1 kg/cm2 verwendet. Die Preßluftquelle soll bei diesem
Druck etwa 301/min liefern. Die Luft strömt im Handstück durch das Rohr 96, tritt
durch die als Düse wirkende Bohrung 86 im Halsblock 84 aus und beaufschlagt als
Hochdruckstrahl tangential die Axialschaufeln68 des Turbinenläufers, wie in Fig.
6 gezeigt, wobei sie gegen die ebenen Flächen 72 des Turbinenläufers expandiert
und den Turbinenläufer mit einer Drehzahl bis über100 000 Ulmin, je nach der Einstellung
des Lufteinlaßventils, antreibt. Die Entspannung des Gases dauert fast während 3600
um das Innere des Gehäuses herum an.
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Der Expansionsbereich ist auf die ringförmige Tasche 79 begrenzt,
welche durch die Gehäusebohrung, den Klemmring 48 und das ringförmige Schild 77
oder, falls kein Schild 77 vorgesehen ist, durch das obere Lager und den Abstandsring
gebildet wird.
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In der Zwischenzeit tritt überschüssige Luft aus dem oberen und dem
unteren Ende der Räume zwischen den Turbinenschaufeln68 an deren Wurzelflächen aus
und gelangt durch verengte ringförmige Öffnungen auf die Wälzkörper zwischen den
Innen-und den Außenlaufringen der Lager 44 und 52.
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Dieses austretende Gas hat das Betreben, die Walzkörper so zu umhüllen,
daß diese miteinander und mit den Laufflächen der äußeren und inneren Laufringe
keine metallische Berührung haben. Dies ist in etwas übertriebener Form in F i g.
5 dargestellt. Dabei werden außerdem Öldämpfe im Gas auf die benachbarten Teile
jedes Lagers geschleudert, so daß diese bei Nichtbestehen des Luftpolsters, z. B.
beim Anlaufen oder bei starken seitlichen Arbeitsdrücken, zusätzlich geschmiert
werden.
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Das aus den Lagern austretende Gas strömt durch die Öffnung 78 in
der Kappe sowie durch die Auslaßkanäle 80 im unteren Teil des Gehäuses aus und wird
durch die letzteren zur Kühlung gegen den Fräser gerichtet.
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Ein wesentlicher Teil der der Turbine zugeführten Luft tritt durch
den Schlitz 88 und die verengte Austrittsöffnung 106 aus, welche den Gasdruck innerhalb
der Turbinenkammer auf dem obenerwähnten Druck relativ zum Eintrittsdruck hält.
Dieser bewirkt ein Drehmoment, bei dem ein ausreichender Arbeitsdruck von etwa 0,45
kg durch einen Fräser auf beispielsweise eine Zahnfläche ausgeübt werden kann.
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Selbst wenn einige Fräser durch diesen Druck abgebremst werden, treten
keine Schädigungen des Triebwerkes auf. Die Verwendung eines relativ niedrigen Arbeitsdrucks
ist außerdem ein Sicherheitsfaktor, um unbeabsichtigtes oder versehentliches Schneiden
mit dem Fräser zu verhindern. Jedoch wird dadurch infolge der sehr hohen Drehzahlen
die Arbeitsgeschwindigkeit selbst durch harten Zahnemail nicht vermindert.
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Die bevorzugte empfohlene Bohrtechnik, besonders für das Entfernen
des Emails, wenn z. B. ein Zahn für die Aufnahme einer Krone vorbereitet werden
soll, ist eine leichte, dem Bürsten ähnliche Werkzeugführung. Das Schneiden von
Zahnmaterial und anderen harten Stoffen, wie z. B. von Dentalmetallen, geht ungewöhnlich
rasch und sicher vor sich, wobei praktisch keine traumatischen Wirkungen beim Patienten
auftreten und dieser kaum empfindet, daß gebohrt oder geschnitten wird. Das Schneiden
geschieht bei Bedarf unter gleichzeitiger Spülung der Zahnfläche und des Fräsers,
während der Bohrer ständig durch aus dem unteren Ende des Turbinenkopfes in Richtung
auf den Fräser und den Zahn austretende Luft gekühlt wird.
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Obwohl bei ungewöhnlich hohen Drehzahlen gearbeitet wird, arbeiten
die Lager, welche die einzigen Teile des Handstücks sind, die einem Verschleiß ausgesetzt
sind, praktisch ohne Reibung kühl und werden gegebenenfalls durch Öl leicht geschmiert,
so daß die Lebensdauer solcher Lager viele Monate betragen kann. Ferner kann das
Auswechseln der Lager und der Klemmfutterhülse einfach und rasch durch den Zahnarzt
oder einen Assistenten unter Verwendung eines zusammengesetzten Werkzeugs einfacher
Bauart geschehen.
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Eine andere Ausführungsform der Verengung für den Gasaustritt durch
das hintere Ende des Handgriffs 22 ist in F i g. 13 dargestellt. Statt einer festen
Öffnung 106 in der Scheibe 100, wie vorangehend beschrieben, kann eine andere Form
einer gesteuerten und verstellbaren Verengung verwendet werden, von der Einzelheiten
in beispielsweiser Ausführungsform in der Zeichnung gezeigt sind. Wie ersichtlich,
ist ein zylindrischer Stopfen 118 durch Hartlötung oder in anderer Weise im Inneren
des Rohrs 82, benachbart dessen äußerem Ende, befestigt. Dieser Stopfen ist mit
geeigneten Bohrungen zur Hindurchführung der Gas- und Wasserzufuhrrohre 96 und 98
versehen.
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Der Stopfen ist ferner mit einer Gasaustrittsbohrung 120 versehen,
die sich in seiner Längsrichtung durchgehend erstreckt und deren inneres oder Einlaßende
bei 122 verengt ist, während ihr äußeres Ende mit einem Innengewinde 124 versehen
ist. Benachbart dem verengten Ende 122 ist ein Kugelrückschlagventil
126
beweglich, das, wenn es sich auf seinem Sitz befindet, das verengte Ende der Bohrung
120 verschließt. Zwischen der Kugel 126 und dem inneren Ende eines mit einem Gewinde
versehenen Sitzes 130, der in dem mit einem Gewinde versehenen Ende 124 der Bohrung
120 axial verstellbar ist, ist eine Druckfeder 128 von verhältnismäßig geringer
Kraft angeordnet, welche mit Hilfe des Gewindesitzes in ihrer Spannung verändert
werden kann, so daß der durch sie gegen die Kugel 126 ausgeübte Druck verändert
werden kann. Der Sitz 130 ist mit einer mittigen Bohrung 132 von polygonaler Form
versehen, so daß ein Drehwerkzeug eingesetzt werden kann, beispielsweise ein Spezialschlüssel,
um eine Verstellung des Sitzes 130 zur Veränderung des Drucks der Feder 128 im Sinn
einer Erhöhung oder Verminderung desselben vornehmen zu können. Die Öffnung 132
ist vorzugsweise größer als der Durchmesser der verengten Öffnung 122, so daß der
gesteuerte Gasaustritt, wie er durch den Druck des aus dem Rohr 82 austretenden
Gases gegen die Kugel 126 und die Feder 128 bewirkt wird, nicht behindert wird.
Durch die beschriebene Ventilanordnung läßt sich innerhalb des Gehäuses 28 ein gesteuerter
Druck erzielen, selbst wenn der Eintrittsgasdruck sich während des Betriebs des
Handstücks verändert.
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Zum Einsetzen des Werkzeugs wird die Klemmfutterhülse 114 in die
Gewindebohrung 110 der Welle 36 eingesetzt, bis sie an der ringförmigen Schulter
112' zur Anlage kommt. Hierauf wird z. B. ein Fräser 116 in die Hülse 114 eingesteckt,
wodurch diese in das Gewinde 110 eingedrückt und eine axiale Bewegung der Hülse
relativ zur Welle 36 verhindert wird. Das Einsetzen des Fräsers 116 in die Hülse
114 kann dadurch erleichtert werden, daß vorher das obere Ende des Fräserschafts
in ein Gleitmittel eingetaucht wird.
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Da die Hülse vorzugsweise aus einem geeigneten Harz wie Polyäthylen
hergestellt ist, wird diese durch die normalen von den Zahnärzten für das Einsetzen
von Fräsern in die üblichen Bohrfutter verwendete Gleitmittel nicht beschädigt.
Das Auswechseln der Hülse 114 erfolgt in einfacher Weise durch das Einsetzen eines
längsgerippten Werkzeugs, wobei die Hülse durch Herausschrauben aus der Gewindebohrung
110 entfernt wird.
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Die Lebensdauer der Lager beträgt selbst bei ungewöhnlich großer
Beanspruchung mehrere Monate, besonders wenn das dem Läufer für dessen Antrieb zugeführte
Gas vor seinem Eintritt in das Turbinengehäuse 28 gefiltert wird. Es können dann
keine Fremdkörperteilchen in die Lager eintreten und falls solche in die Hülse 114
gelangen, beispielsweise beim Einsetzen eines Fräsers, werden diese sofort durch
die Öffnung 112 im oberen Ende der Welle 36 und durch die Öffnungen 78 in der Kappe
62 abgesaugt.
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Obwohl vorgesehen ist, daß eine begrenzte Menge Schmieröl, beispielsweise
ein leichtes Mineralöl, in das eintretende Gas vorzugsweise in Form eines Nebels
eingebracht wird und ein Teil dieses Gases durch die Kanäle 80 und die Öffnung78
aus dem Gehäuse 28 in den Mundraum eines Patienten austritt, ist diese Gasmenge
geringfügig im Vergleich zu der, welche durch das äußere Ende des Handgriffs des
Handstücks austritt. Da die zur Schmierung der Lager benötigte Ölmenge sehr klein
ist, kann höchstens ein außerordentlich kleiner Bruchteil des Öls in die Mundhöhle
eines Patienten gelangen. Das für
eine solche Schmierung verwendete Mineralöl ist
sehr wirksam, billig und leicht erhältlich, und der Patient wird auch nicht durch
die Schmierung der Lager des Handgriffs belästigt. Maisöl ist z. B. ein gut geeignetes
Schmiermittel.
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Vorzugsweise wird Luft für den Antrieb der Turbine des Handstücks
verwendet. Es können jedoch auch andere, nicht toxisch wirkende Gase verwendet werden.
Da kleine Mengen des Schmieröls im Rohr 82 aus dem Abgas kondensieren können, ist
die verengte Gasauslaßöffnung 106 vorzugsweise so angeordnet, daß sie in normaler
Arbeitsstellung an der unteren Seite der Scheibe 100 liegt (z. B. die Bohrung 120
im Block 118 bei der in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform) und dadurch sich
ansammelndes Öl leicht durch das äußere Ende des Handgriffs 22 entfernt werden kann.
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Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß das durch die Erfindung geschaffene
zahnärztliche Handstück mit einer Turbine von hoher Drehzahl einen revolutionären
Fortschritt in der Technik darstellt.
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Die extrem hohe Drehzahl, die Einfachheit der Konstruktion, die geringe
Baugröße, das geringe Gewicht, das Fehlen von Kabeln und Zahnrädern und das völlig
schwingungsfreie Arbeiten beim Betrieb ergeben ein Instrument, das, da bei der Benutzung
des Handstücks keine traumatischen Wirkungen auftreten, vom Patienten sehr angenehm
empfunden wird und für diesen noch weitere Annehmlichkeiten bringt und außerdem
dem Zahnarzt eine leichte Handhabung und eine gute Sicht in der Mundhöhle ermöglicht.
Es werden nur klein bemessene biegsame Zuführungsschläuche für das Gas zum Antrieb
der Turbine und das Wasser zum Spülen und Kühlen des Fräsers benötigt. Die Zufuhr
von Gas und Wasser läßt sich leicht durch Ventile regeln, die zweckmäßig entweder
durch Hand- oder durch Fußbedienung betätigt werden.
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Es können normale Niederdruckpreßluftbehälter, wie sie praktisch
heute jedem Zahnarzt zur Verfügung stehen, zum Antrieb der Turbine und des Fräsers
des Handstücks mit außerordentlich hohen Drehzahlen von bis über 100 000 U/min dienen.
Das Gehäuse der Turbine am äußeren Ende des Handgriffs ist von gleicher Größe oder
kleiner als die bekannten im Handel erhältlichen zahnärztlichen Handstücke.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Handstück erreichte Schwingungsfreiheit
und das Fehlen von behindernden Antriebsmitteln und der Fortfall aller Riemen und
Zahnräder bedeuten einen bei den gegenwärtig verwendeten Handstücken nicht erreichbaren
Vorteil sowohl für den Patienten als auch für den Zahnarzt. Diese Vorteile ergeben
sich aus den Merkmalen der Erfindung und deren Wirkung im Handstück, die, wie angenommen
werden kann, darin besteht, daß der Läufer und die Wälzlager in einem Gas- oder
Luftkissen gelagert arbeiten. Das Gewicht des Läufers ist außerordentlich klein,
und Fräser mit Schäften von den kleinsten im Handel erhältlichen Größen arbeiten
in dem erfindungsgemäßen Handstück mit höchstem Wirkungsgrad, wobei angenommen werden
kann, daß die Drehzahl der wesentlichste Faktor ist, der zu den hohen Schnittgeschwindigkeiten
bei sehr leichtem Druck auf das Handstück führt. Die unter Ausnutzung der Massenträgheit
betriebenen verhältnismäßig schweren Klemmfutter der üblichen langsam laufenden
Handstücke erfordern dagegen die Ausübung eines weit stärkeren Drucks durch den
Zahnarzt.
Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion ist daher kein Schwungrad notwendig.
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Das durch den Läufer des erfindungsgemäßen Handstücks abgegebene
Drehmoment hängt von dem diesem zugeführten Luftdruck ab, jedoch reichen verhältnismäßig
niedrige Drücke, vorzugsweise zwischen 1,4 und 2,1 kg, ohne weiteres aus. das gewünschte
Betriebsdrehmoment zu liefern, welches in Verbindung mit den hohen Drehzahlen das
Erreichen hoher Schnittgeschwindigkeiten selbst bei hartem Zahnemail und harten
Dentalmetallen ermöglicht, ohne daß durch den Zahnarzt ein wesentlicher Druck ausgeübt
werden muß. Die sehr geringe Massenträgheit des leichten Läufers ergibt den zusätzlichen
Vorteil, daß der Antrieb rasch zum Stillstand kommt, wenn das Gasventil geschlossen
wird oder der Fräser zu stark oder zu schnell durch den Zahnarzt gegen die durch
den Fräser zu schneidende Fläche gedrückt wird. Andererseits wird jedoch die Höchstdrehzahl
des Läufers sofort wieder erreicht, wenn der Turbine wieder Gas zugeführt wird oder
der Fräser von dem Hindernis, das seinen Stillstand herbeigeführt hat, befreit wird.
Bei den bisher verwendeten Handstükken haben die viel schwereren Klemmfutter eine
weit größere Massenträgheit und erfordern daher im Gegensatz zum Handstück gemäß
der Erfindung eine relativ lange Beschleunigungszeit.