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Die Erfindung betrifft ein zahnärztliches Handstück mit strömungsmittelgetriebenem
Triebwerk, bei dem die Rotorachse der Turbine über Wälzlager im Gehäuse gelagert
ist.
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Es ist eine Reihe von zahnärztlichen Handstücken mit Gasturbinentriebwerk
bekanntgeworden, die mit Drehzahlen bis zu 100000 U/min 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 erscheint. Da jedoch insbesondere Diamantschleifkörper
eine Schnittgeschwindigkeit von über 30 m/sec erfordern. sind bei kleinen Werkzeugdurchmessern,
wie sie z. B. bei Zahnärzten oder Graveuren üblich sind, Drehzahlen von über 300
000 U/min notwendig. 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. Die Lager laufen selbst bei relativ geringen
axialen Schubkräften, wie sie z. B. durch den Arbeitsdruck des Werkzeuges entstehen,
schnell heiß. Außerdem übertragen sich Schwingungen auf den Patienten, dessen Zähne
mit einem Bohrer bearbeitet werden, der von einem derartigen zahnärztlichen Handstück
gehalten und angetrieben wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile auf einfache
Weise zu beseitigen. Es soll ein zahnärztliches Handstück mit Turbinenantrieb geschaffen
werden, das keine traumatische Wirkung auf den Patienten ausübt und andererseits
derart ausgebildet ist, daß sich das Werkzeug im Betrieb axial nicht verschiebt,
so daß das Werkzeug beim Angriff an dem zu bearbeitenden Gegenstand sofort anspricht.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß Spielräume in
den Wälzlagern eine axiale Bewegbarkeit des Rotors gestatten und daß das Strömungsmittel
im Betrieb gasförmige Kissen bildet, in welchen der Rotor axial schwimmend gelagert
ist.
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Obwohl der Rotor im Gegensatz zu der Forderung, das Werkzeug im Betrieb
axial nicht verschieben zu dürfen, so gelagert ist, daß er axial bewegbar ist, wird
durch Hindurchleiten mindestens eines Teils des Strömungsmittels durch die Lager
dafiir gesorgt, daß sich gasförmige Kissen ausbilden, so daß der Rotor im Betrieb
- wenn diese Druckgaskissen vorhanden sind - sich axial nicht mehr auszulenken vermag.
Dadurch wird erreicht, daß auf den Patienten beim Bearbeiten des Zahnes nicht mehr
die lästigen Schwingungen übertragen werden und daß dennoch ein Heißlaufen und eine
starke Abnutzung der Lager vermieden wird. Zu diesem Zweck ist es erforderlich,
Strömungswege für das Strömungsmittel anzulegen, die von den Stirnseiten des Rotors,
d. h. von denjenigen Seiten desselben, die dem entsprechenden Wälzlager benachbart
sind, hinweg und durch die Wälzlager hindurchführen. Dabei ist es besonders zweckmäßig,
mindestens einen Teil des Strömungsmittels in axialer Richtung, d. h. parallel zur
Rotorachse von den Stirnenden des Rotors abzuleiten, so daß es die Wälzkörper unmittelbar
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aufschlagt und besonders günstig sowohl zur Kühlung als auch zur »Polsterung«
dienen kann.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung wird dafür gesorgt, daß die
Strömungswege des aus dem Rotor nach beiden Seiten abgeführten Strömungsmittels
so ausgebildet sind, daß durch beide Lager in der Zeiteinheit etwa gleiche Strömungsmittelmengen
strömen, d. h. daß das durch die Lager strömende Strömungsmittel im wesentlichen
gleichmäßig verteilt ist.
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Dadurch ist es möglich, bei etwa gleicher Abmessung der Lager etwa
gleich stark wirksame Druckgaskissen aufzubauen.
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Um das Werkzeug, beispielsweise einen Bohrer oder Fräser, ohne zusätzliche
Hilfsmittel zu kühlen und zu reinigen, befindet sich in einer weiteren Ausbildung
der Erfindung an derjenigen Stirnseite des Gehäuses, durch die das das Werkzeug
tragende Ende der Rotorachse hindurchführt, eine verengte Ausströmöffnung für das
Strömungsmittel, so daß dieses aus dieser wie eine Düse wirkenden Ausströmöffnung
oder aus mehreren solcher Ausströmöffnungen in Richtung zum Werkzeug ausgeblasen
wird.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird das Strömungsmittel
nach seinem Durchströmen der Lager an Drosselstellen gedrosselt, die als verengte
Austrittsöffnungen ausgebildet sind. Diese Drosselstellen sorgen dafür, daß sich
ein gewisser Druckstau ergibt, der die Wirkung der Kissen verbessert. Dabei ist
es zweckmäßig, diese verengten Ausströmöffnungen an gegenüberliegenden Stirnseiten
des Turbinengehäuses anzuordnen.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung befindet sich der vom
Strömungsmittel tangential beaufschlagte Rotor in einer ringförmigen Kammer mit
verengten Austrittsöffnungen für das aus dieser Kammer zu den Lagern strömende Strömungsmittel.
Diese verengten Austrittsöffnungen sind an den Stirnseiten dieser Kammer angeordnet
und haben den Vorteil, daß die Lager, vermutlich durch Verminderung der Turbulenz
der Strömungsmittelströmung, noch besser gekühlt werden können.
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Besonders günstige Verhältnisse für die Bildung der Kissen werden
dann erreicht, wenn der Radius der Mittelpunkte der Wälzkörper etwa dem Innenradius
der Turbinenschaufeln entspricht, d. h. deI Schaufelgrund befindet sich im wesentlichen
radial gleich weit von der Rotorachse entfernt wie die Wälzkörper.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung befindet sich in der Rückseite
des Gehäuses eine Ausströmöffnung für das Strömungsmittel axial fluchtend mit einer
durchgehenden axialen Bohrung der Rotorwelle, so daß durch diese Ausströmöffnung
sowohl ein Stift zum Austreiben des Werkzeugschaftes aus der Rotorwelle als auch
ein Auslaß zum Ausströmen des Strömungsmittels zur Verfügung steht.
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Selbstverständlich ist es möglich, mit dem Strömungsmittel einen
Ölnebel auf dem Strömungsweg entlangzuführen, der zur weiteren Verlängerung der
Lebensdauer der Wälzlager und damit des gesamten Triebwerkes beiträgt.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen sind Fig. 1 eine Seitenansicht
eines zahnärztlichen Handstücks gemäß der Erfindung, F i g. 2 ein senkrechter Längsschnitt
durch das in F i g. 1 gezeigte Hand stück,
F i g. 3 in vergrößertem
Maßstab eine Teilansicht in senkrechtem Schnitt des Kopfes des in F i g. 1 gezeigten
Handstücks, F i g. 4 ein waagerechter Schnitt durch den Kopf des Handstücks nach
der Linie 3-3 von F i g. 3, aus welchem insbesondere das Verhältnis der Wurzelteile
der Abstände zwischen den Turbinenschaufeln zu den Wälzlagerkörpern der Lager sowie
die ringförmige Kammer ersichtlich sind, in welchen der Rotor arbeitet, und F i
g. 5 ein Schnitt durch eine andere Ausbildung eines Kopfes eines erfindungsgemäßen
zahnärztlichen Handstücks, in dem der besseren Darstellung halber der Spielraum
zwischen den Wälzkörpern und dem Innen- bzw. Außenring der Wälzlager vergrößert
dargestellt ist.
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Das zahnärztliche Handstück 22 besteht aus einem Handgriff 24, der
bei 26 zur leichteren Handhabung gerändelt ist und an dessen Ende ein Kopf oder
Turbinengehäuse 28 befestigt ist. Das Ende des Handgriffs ist wie üblich bei 30
abgewinkelt.
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Das Turbinengehäuse 28 weist eine im wesentlichen zylindrische Ausnehmung
32 oder Bohrung auf, die an ihrem unteren Ende in eine Öffnung 34 übergeht. durch
die sich das normalerweise untere Ende der Rotorwelle 36 erstreckt. Der Durchmesserunterschied
zwischen der Rotorwelle 36 und der Öffnung 34 beträgt etwa 0,08 mm. Dieses Ende
der Rotorwelle 36 ist durch ein unteres Wälzlager 38 drehbar gelagert, das einen
Innenlaufring 40, einen Außenlaufring 42 und Wälzkörper 44, beim dargestellten Beispiel
Kugeln, aufweist. Das untere Ende der Rotorwelle 36 ist unter Reibung im Innenlaufring
40 gleitbar. Der Außenlaufring 42 sitzt auf einer Schulter 46 im Turbinengehäuse
28 und wird dort durch einen Klemmring 48 gehalten, der bei 50 in die Ausnehmung
32 eingeschraubt ist. Am unteren Ende des Turbinengehäuses 28 ist unterhalb des
Innenlaufringes 40 ein geringes Spiel im Stauraum 51 vorgesehen.
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Am oberen Ende der Rotorwelle 36 hat der Innenlaufring 54 des normalerweise
oberen Wälzlagers 52 Preßsitz auf dem oberen Ende der Rotorwelle 36.
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Das obere Wälzlager 52 besitzt als Wälzkörper 56 einen Satz Lagerkugeln
und einen Außenlaufring 58, der Preßsitz in einem Abstandsring60 oder Bund hat,
dessen Höhe geringfügig größer ist als die der Lagerlaufringe. Das obere Ende des
Abstandsringes 60 erstreckt sich über die Lagerlaufringe hinaus, so daß ein Spiel
im Stauraum 61 für den Innenlaufring 54 vorhanden ist. Die Wälzlager 38 und 52 sind
einander im wesentlichen gleich.
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Eine mit Außengewinde64 versehene Kappe 62 ist in die Ausnehmung
32 eingeschraubt und hält den Abstandsring 60 in Anlage an eine ringförmige Schulter
66. Sie dient daher dazu, das Wälzlager 52 zusammenzuhalten und die Rotorwelle 36
in ihrer Lage zu halten. Außerdem schließt sie das obere Ende der Ausnehmung 32
ab.
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Mit der Rotorwelle 36 ist der Rotor fest verbunden. Er weist in axialer
und in radialer Richtung erstreckende Turbinenschaufeln 68 auf. Wie sich am besten
aus F i g. 4 ergibt, sind die Turbinenschaufeln 68 an ihrer Vorderseite 70 gekrümmt;
sie haben eine ebene Rückseite 72. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
bestehen die Rotorwelle 36 und der Rotor aus einem Stück aus insbesondere korrosionsbeständigem
Metall.
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Der Durchmesser des Rotors von der Schaufelspitze zur gegenüberliegenden
Schaufelspitze beträgt bei erfolgreich erprobten Handstücken 7,1 mm, während der
Krümmungsradius der Vorderseite70 der Turbinenschaufeln 4,37 mm beträgt. Die ebene
Fläche 72 ist mit etwa 12'/2 Grad zum Durchmesser geneigt.
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Der Turbinenschaufelgrund und die Scheitel der Zwischenräume zwischen
den Turbinenschaufeln 68 befinden sich im wesentlichen in axialer Ausfluchtung mit
den Wälzkörpern 44, 56. Es wird angenommen, daß bei dieser Anordnung Gassäulen unter
Druck in axialer Richtung von den Enden der Scheitel der Zwischenräume zwischen
den Turbinenschaufeln 68 austreten und die Wälzkörper 44, 56 unmittelbar beaufschlagen,
so daß sie sowohl zur Kühlung als auch zur »Polsterung« der Lagerbestandteile beitragen.
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Mit der Rotorwelle 36 fest verbunden ragen über die entgegengesetzten
Stirnenden der Turbinenschaufeln 68 ein oberer Bund 74 und ein unterer Bund 76 hinaus.
Diese Bunde dienen dazu, die Wälzlager 52, 38 in einem genauen Abstand vom oberen
und vom unteren Ende der Turbinenschaufeln 68 zu halten.
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Da der Klemmring 48 genau gearbeitet ist, befindet er sich ebenfalls
vorzugsweise in einem genauen Abstand vom unteren Ende der Turbinenschaufeln 68.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich ein in Fig. 3 gezeigtes
ringförmiges Schild 77, das mit dem unteren Ende des Abstandsringes 60 insbesondere
aus einem Stück besteht, in einem genauen Abstand von den oberen Enden der Turbinenschaufeln
68. Der Umfang der Ausströmöffnungen im Schild 77 und im Klemmring 48 befindet sich
aus folgenden Gründen vorzugsweise im wesentlichen in axialer Ausfluchtung mit der
Mitte der Wälzkörper 44, 56.
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Die Abstände unmittelbar oberhalb und unterhalb der Turbinenschaufeln
68 zum Schild77 und zum Klemmring 48 liegen bei einem Rotor der oben beschriebenen
Größe innerhalb eines Bereichs von 0,127 bis 0,635 mm. Wenn diese Abstände zu klein
sind, wird eine Zustand erzeugt, der die richtige Strömung des Strömungsmittels
durch die Wälzlager 38, 52 stört, zu einer mangelhaften Kühlung führt und ein sirenenartiges
Geräusch hervorruft. Wenn dagegen der Raum zu groß ist, reicht das Drehmoment oftmals
nicht aus und wird die Gesamtlänge des Aggregats vergrößert. Das Turbinengehäuse
ist daher für den intraoralen zahnärztlichen Gebrauch zu groß.
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Die ringförmige Tasche 79 zwischen der inneren zylindrischen Fläche
der Ausnehmung 32, der Oberseite des Klemmrings 48 und der Unterseite des Schildes
77 dient zur Begrenzung der die Turbinenschaufeln 68 beaufschlagenden und sich gegen
diese ausdehnenden Strömungsmittel, so daß der größte Teil der durch das gasförmige
Strömungsmittel während der Ausdehnung entwickelten Kraft auf die Turbinenschaufeln
68 wirksam wird und das Drehmoment erzeugt. Durch das äußere Ende des Kanals 86,
das als Düse dient, strömt das Strömungsmittel während des Betriebs kontinuierlich
und tangential gegen die Außenseite der Turbinenschaufeln 68.
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Das Strömungsmittel steht unter einem Druck von 1,4 bis 2,1 kg/cm2.
Dabei wird der Gasstrahl zur Beaufschlagung der Flächen 72 der Turbinenschaufeln
68 im wesentlichen mit dem in F i g. 4 gezeigten
Tangentialwinkel
relativ zur Achse des Rotors und etwa in die Mitte zwischen den Enden der Turbinenschaufeln
68 gerichtet, so daß das Gas im wesentlichen gleichmäßig aus den entgegengesetzten
Stirnenden der Räume zwischen den Turbinenschaufeln 68 durch die Wälzlager 38, 52
strömt. Die Mitte des Strömungsmittelstromes liegt von der durch die Spitzen der
Turbinenschaufeln 68 beschriebenen kreisförmigen Bahn nach innen, wobei sich der
Strom in allen Richtungen gegen die Flächen 72 bei der Berührung mit denselben ausdehnt,
so daß der Turbinenläufer ein maximales Drehmoment abgeben kann. Im Halsblock 84,
der in ein Metallrohr 82 eingesetzt ist, befindet sich auf der dem Kanal 86 diametral
gegenüberliegenden Seite ein Schlitz 88, um Strömungsmittel aus dem Turbinengehäuse
28 radial in den Handgriff abzuleiten. Der Schlitz 88 hat einen wesentlich größeren
Querschnitt als der Kanal 86, eine Bohrung, so daß sich der Druck des in die Ausnehmung
32 austretenden Strömungsmittels leicht in dieser entspannen kann und aus der Ausnehmung
32 in der Hauptsache durch den Schlitz 88 austritt. Ein Teil tritt dagegen durch
die Ausströmöffnungen 78 und 80 aus. Dabei tritt das Strömungsmittel z. B. aus der
ringförmigen Kammer 79 an dessen entgegengesetzten Enden durch verengte ringförmige
Ausströmöffnungen zwischen dem Umfang der Mittelöffnungen im Schild 77 und im Klemmring
48 sowie in den Bunden 74 und 76 in axialer Richtung aus und von dort in die Wälzlager
38, 52 ein. Die Kappe 62 ist mit einer oder mehreren Ausströmöffnungen 78 von etwa
0,79 mm Durchmesser versehen. Diese ermöglichen, daß das Strömungsmittel aus dem
oberen Ende der ringförmigen Kammer 79 austritt und zwischen dem Außenlaufring 58
und dem Innenlaufring 54 des oberen Wälzlagers 52 laufend hindurchströmt. Dadurch
wird das Kühlen und das schwimmende Lagern erleichtert. Es hat den Anschein, daß
diese Strömungswege die Verwirbelung des Strömungsmittels innerhalb des Gehäuses
verringert. Ferner ergibt sich ein zusätzlicher Vorteil beim Ansaugen.
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Auch im unteren Gehäuseteil ist eine Anzahl von Ausströmöffnungen
80 von je etwa 0,53 mm Durchmesser, insbesondere drei, vorhanden. Diese sind in
Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen voneinander verteilt um das untere Ende
der Rotorwelle 36 angeordnet. Dadurch strömt das Strömungsmittel zwischen den Laufringen
des unteren Wälzlagers 38 an den Wälzkörpern 44 hindurch. Es werden Druckgas-Kissen
gebildet, die die axiale Bewegbarkeit des Rotors im Betrieb begrenzen bzw. vollständig
aufheben. Die Stauräume 51 und 61 begünstigen diese Kissenbildung. Die Ausströmöffnungen
80 sind geringfügig zur Achse der Rotorwelle 36 geneigt, um die Abluft gegen die
Spitze des Werkzeuges 116, z. B. eines Fräsers, zu richten, der normalerweise im
unteren Futterende des hohlen Schaftes 114 eingeklemmt ist, der in das Gewinde 110
der Rotorwelle 36 eingeschraubt ist.
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Die Bohrung 90 erstreckt sich nicht völlig durch den Halsblock 84
zur ringförmigen Kammer 79, sondern steht an ihrem vorderen Ende mit einer geneigten
Bohrung92 in der Hülse 94 in Verbindung, um Wasser auf den Fräser zu leiten.
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Ein wesentlicher Teil der der Kammer der Turbine zugeführten Luft
tritt aufeinanderfolgend durch den Schlitz 88 aus.
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Bei einer Drehzahl von mehr als 200 000 U/min kann ein ausreichendes
Drehmoment erzeugt werden, so daß ein Arbeitsdruck von etwa 0,45 kg durch einen
Fräser auf beispielsweise eine Zahnfläche ausgeübt werden kann, bevor der Fräser
zum Stillstand kommt.
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Obwohl bei ungewöhnlich hohen Drehzahlen gearbeitet wird, arbeiten
die Lager, welche die einzigen Teile des Handstückes, die einem Verschluß ausgesetzt
sind, kühl, so daß die Lebensdauer solcher Lager viele Monate beträgt. Schwingungen
werden praktisch nicht mehr auf den Patienten übertragen.
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Für den vorgesehenen Betrieb des zahnärztlichen Handstückes kann dem
gasförmigen Strömungsmittel noch ein flüssiges Schmiermittel zugesetzt werden, so
daß die Wälzkörper 44, 56 zusätzlich geschmiert werden. Dazu ist z. B. Maisöl geeignet.
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Gemäß Fig. 5, bei der die Spielräume zwischen den Wälzkörpern 462
und den jeweiligen Innenlaufringen 458 und Außenlaufringen 512 vergrößert dargestellt
sind, strömt ein Teil des Strömungsmittels parallel zur Achse der Rotorwelle 442
von den Stirnseiten des Rotors nach oben bzw. unten zwischen die Laufringe und von
dort in den oberen Stauraum 450 und in den unteren Stauraum 550 ein, um jeweils
von dort über die Ausströmöffnungen ins Freie zu gelangen. Die obere Ausströmöffnung492
fluchtet mit der Achse der Drehwelle 442 und die am unteren Turbinengehäuseteil
verteilten Ausströmöffnungen 524 verlaufen parallel zu dieser Achse.