DE4428039C1 - Zahnärztlicher Turbinenantrieb mit Mitteln zur selbsttätigen Drehzahlregelung - Google Patents
Zahnärztlicher Turbinenantrieb mit Mitteln zur selbsttätigen DrehzahlregelungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen zahnärztlichen Turbinen
antrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der US-PS 3 865 505 ist ein Turbinenantrieb mit Regelein
richtung bekannt, bei der im Zuleitungskanal der Antriebs
druckluft ein Ventil angeordnet ist, welches in Abhängigkeit
vom Volumendurchsatz der Rückluft gesteuert wird. Sinkt durch
ein äußeres Moment (bei Belastung) die Drehzahl der Turbine,
so wird das Ventil im Zuleitungskanal geöffnet und dadurch
ein größeres Luftvolumen zum Laufrad der Turbine geleitet.
Die von der Rückluft abhängige Regelung des Zuluftstromes
kann bei der bekannten Turbine auf verschiedene Weise erfol
gen, u. a. über einen federbelasteten Schieber im Rückluftka
nal, der das Ventil im Zuluftkanal steuert oder über eine im
Rückluftkanal angeordnete Membran/Druckdose, die einen den
Durchfluß in der Zuleitung steuernden Kolben verstellt. Mit
dieser bekannten Regeleinrichtung kann die Drehzahl lastunab
hängig konstant gehalten werden. Die Einrichtung ist u. a. mit
dem Nachteil behaftet, daß zur Drosselung des gesamten
Luftstromes relativ große Kräfte notwendig sind, die sich im
Abluftkanal nur unter Einsatz von Volumen und Masse aufbrin
gen lassen. Damit wird über ein instabiles Regelverhalten der
Turbine geschaffen. Des weiteren bedingt die bekannte Einrich
tung einen relativ großen Aufbau innerhalb des Turbinenhand
stückes, wodurch es zu Einbauproblemen kommen kann.
In der nicht vorveröffentlichten DE-C1-43 20 532 ist ein
zahnärztlicher Turbinenantrieb beschrieben, bei dem zur
Drehzahlregelung am rotierenden Teil des Laufrades ein Stell
mittel angeordnet ist, welches bei Rotation des Laufrades
seine Form und/oder Lage infolge Zentrifugalkraft derart
ändert, daß der wirksame Querschnitt steigender Drehzahl
abnimmt und mit sinkender Drehzahl zunimmt.
Der Regelvorgang beruht im wesentlichen darauf, daß die zur
Regelung erforderlichen Stellkräfte aus den drehzahlabhängi
gen Zentrifugalkräften resultieren, die auf das am Rotor
angeordnete, an sich passive Stellelement so wirken, daß der
wirksame Strömungsquerschnitt für den Luftstrom drehzahlab
hängig verändert wird. Bei vorgegebener Solldrehzahl sind die
zu erzielenden maximalen Stellkräfte und Stellwege nur über
die mechanischen Eigenschaften des Stellmittels (Masse,
Elastizitätsmodul, Formgebung) und damit nur im begrenzten
Maße beeinflußbar. Dies trifft insbesondere zu bei Verwendung
von handelsüblichen, elastisch verformbaren Ringen (O-Ringe).
Die sich damit ergebenden Regelabweichungen von der gewünsch
ten Solldrehzahl können unter Umständen relativ groß sein.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, demgegenüber eine Verbesserung zu erzielen und
dafür zu sorgen, daß die Regelabweichungen möglichst klein
gehalten werden können.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung ist der der Treibluft zugewandte Teil der
Laufradkammer über Kanäle mit einer weiteren Kammer verbun
den, die zumindest partiell von einem unter Druck nachgiebi
gen Element begrenzt ist, und zwar derart, daß eine auf das
Element wirkende Druckänderung in der Laufradkammer eine
Bewegung des Elements hervorruft, welche die Wirkung des
Stellmittels unterstützt. Damit wird der zur Regelung benutz
te direkte Effekt der Zentrifugalkraft durch zusätzliche
Wirkung der im Antriebssystem vorhandenen Druckluft ver
stärkt. Das Element, welches auf das Stellmittel einwirkt und
eine zusätzliche Kraftkomponente erzeugt, kann in einer vor
teilhaften Ausführung eine federelastische Membran sein, die
zusammen mit dem Stellmittel eine Membrankammer begrenzt, in
die über Verbindungskanäle Druckluft aus dem Laufradraum einge
leitet wird. Die so über den Luftdruck in der Laufradkammer
realisierte Regelverstärkung wirkt in Abhängigkeit von der
Drosselung des Abluftstromes, hervorgerufen durch das
Stellelement, und damit auch in Abhängigkeit von Drehzahlab
weichung. Die Membran kann aus Federstahl bestehen und mit
dem Stellmittel mechanisch verbunden sein.
Weitere vorteil
hafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden
Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es
zeigen
Fig. 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 und 4 ein zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 und 6 ein drittes Ausführungsbeispiel.
Die Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt einen Teil eines
zahnärztlichen Turbinenhandstückes, bei dem im Kopfgehäuse 1
in bekannter Weise eine Turbinenantriebseinheit 2 gelagert
ist. Die Antriebseinheit 2 enthält ein Laufrad 3, welches auf
einer in Lagern 4 gelagerten Welle 5 aufgesetzt ist und am
Umfang eine Vielzahl von Turbinenschaufeln aufweist, die nach
dem bekannten Freistrahlprinzip über eine Düse 6 aus einem
Zufuhrkanal 7 mit Druckluft beaufschlagt werden. Die gesamte
Antriebseinheit 2 ist mittels elastischer Ringe 8 schwin
gungsgedämpft im Kopfgehäuse 1 fixiert. Die zugeführte Druck
luft wird nach Durchströmen der Turbinenschaufeln des Laufra
des über einen Abströmkanal 10 in einen Rückluftkanal 11
geleitet.
Das Laufrad 3 enthält, dem Abströmkanal 10 zugewandt, eine
konzentrisch zur Welle 5 verlaufende Ausnehmung 12, in der
ein federelastischer Ring 13 (O-Ring) als Stellmittel für
eine selbsttätige Drehzahlregelung angeordnet ist. Die Ela
stizität des Ringes 13 ist so gewählt, daß sich seine Form
und/oder Lage in der Ausnehmung 12 durch die Wirkung der
Zentrifugalkraft so ändert, daß bei höheren Drehzahlen der
wirksame Querschnitt am Ringspalt 14 des Abströmkanals 10
verkleinert und bei zurückgehender Drehzahl vergrößert wird.
Der Ring 13 ist hierzu in der Ausnehmung so eingelegt, daß er
an die Außenwandung der Aussparung gepreßt wird. Sein in
Ruhezustand kreisförmiger Querschnitt verändert sich mit
zunehmender Drehzahl zu einem Oval (Fig. 2), wodurch sich der
den wirksamen Querschnitt bildende Ringspalt 14 zwischen
Laufrad und Gehäuse verringert.
An der Rotorwelle 5 ist eine federelastische Membrane 15
befestigt, die mit peripheren Wandungen am Ring 13 anliegt
und mit diesem und dem Laufrad eine Membrankammer 16 bildet,
die über ein oder mehrere, achsparallel zur Rotorwelle ver
laufende Kanäle 17 im Laufrad mit der Rotorkammer (Laufradkammer) 18 verbun
den sind. Die Membrankammer 16 ist durch die federelastische
Membran zum Abströmkanal hin abgedichtet. Infolge der Verbin
dung der Rotorkammer mit der Membrankammer wirken sich Druck
änderungen in der Rotorkammer auf die Membrane aus, indem
diese, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, mit zunehmen
der Drehzahl in axialer Richtung verstellt wird. Die durch
die Fliehkraft erzeugte Wirkung, die eine Verformung des
Ringes 13 zur Folge hat, wird durch eine gleichgerichtete
Membrankraft zusätzlich verstärkt.
Die Membran kann aus einem geeigneten Federstahl oder auch
aus einem gummielastischen Material, z. B. aus Silikonmateri
al, gefertigt sein.
Zweckmäßigerweise ist die Elastizität der beiden Teile so
aufeinander abgestimmt, daß die Teile miteinander kontaktie
ren. Die Membran 15 kann auch mit einer gewissen Vorspannung
am Ring 13 anliegen.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn Ring 13 und Membran 15
durch eine geeignete Verbindung (Verschweißen, Verkleben, etc.)
miteinander verbunden sind.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine zweite Variante, bei der der
Innendruck der Rotorkammer 18 auf ein Drosselventil 21 wirkt,
mit dem der Rückluftstrom gedrosselt werden kann. Das Dros
selventil ist hier als Membranventil ausgebildet, bei dem die
obere Kammer 20 über eine Verbindungsleitung 19 mit der
Rotorkammer 18 verbunden ist. Mit dem in den Rückluftkanal 11
ragenden, mit der Membran 25 verbundenen Stellelement 22 kann der Querschnitt des Rückluft
kanals 11 verändert werden. Wenn z. B. bei steigender Drehzahl
der Luftdruck in der Rotorkammer ansteigt, bewirkt dies bei
Erreichen der Solldrehzahl über die Drosselstelle eine ver
stärkte Verengung des Rückluftquerschnittes (Fig. 4) und
damit eine Verstärkung der erwünschten Drehzahlbegrenzung.
Der O-Ring wirkt dabei als Vorsteuerung für die Drosselstelle
am Drosselventil 21.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Variante, bei der das
vorgenannte beschriebene Membranventil 21 so angeordnet ist,
daß das mit der Membran 25 verbundene Stellelement 22 in den Zufuhrkanal 7 der Treibluft
ragt. Auch hier wirken Druckänderungen in der Rotorkammer 18
über einen Verbindungskanal 23 auf das Membranventil 21,
welches den Treibluftstrom im Sinne einer Drehzahlregelung
beeinflußt. Steigt beispielsweise mit zunehmender Drehzahl der
Druck in der Rotorkammer 18 an, wird die Treibluftzufuhr
leicht gedrosselt, mit der Folge, daß diese Drosselung einem
weiteren Drehzahlanstieg entgegenwirkt. Entsprechendes gilt
auch bei fallender Drehzahl.
Claims (8)
1. Zahnärztlicher Turbinenantrieb, enthaltend ein in in
Lagern (4) geführtes Laufrad (3), welches mit dem Gehäuse (1)
eine Laufradkammer (18) begrenzt und dessen Turbinenschaufeln
über eine Treibluftdüse (6) mit Druckluft beaufschlagbar
sind, dadurch gekennzeichnet, daß
im Strömungsweg der Abluft am Laufrad (3) ein federela
stisches Stellmittel angeordnet ist, welches sich in
Abhängigkeit von der Drehzahl unter dem Einfluß der Zentrifu
galkraft verformt und dadurch den wirksamen Strömungsquer
schnitt mit steigender Drehzahl verengt und mit sinkender
Drehzahl erweitert, wodurch der Luftdruck in dem der Treib
luftdüse (6) zugewandten Teil der Laufradkammer (18) entspre
chend der Drosselwirkung steigt bzw. sinkt, und daß dieser
der Treibluftdüse (6) zugewandte Teil der Laufradkammer (18)
über Kanäle (17, 19, 23) mit einer weiteren Kammer (16, 20)
verbunden ist, die zumindest partiell von einem unter Druck
nachgiebigen Element begrenzt ist, derart, daß eine
auf das Element wirkende Druckänderung in der Laufradkammer
eine Bewegung des Elements hervorruft, welche die Wirkung des
Stellmittels unterstützt.
2. Turbinenantrieb nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß als nachgiebiges Element eine
federelastische Membran (15, 25) vorgesehen ist.
3. Turbinenantrieb nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß bei Verwendung eines
federelastischen Ringes (13) als Stellelement, der in einer
stirnseitigen Ausnehmung (12) des Laufrades (3) angeordnet
ist und der sich in Abhängigkeit von der Drehzahl aufgrund
der Zentrifugalkraft in axialer Richtung innerhalb der
Ausnehmung (12) ausdehnen kann, der Ring (13) zur Abström
seite hin von der federelastischen Membran (15) bedeckt ist,
und die durch Membran (15), Ring (13) und Laufrad (3) be
grenzte Membrankammer (16) mit der Laufradkammer (18) verbunden
ist.
4. Zahnärztlicher Turbinenantrieb nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mem
bran (15) mit Vorspannung am Stellmittel anliegt.
5. Zahnärztlicher Turbinenantrieb nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
Membran aus Federstahl verwendet ist.
6. Zahnärztlicher Turbinenantrieb nach Anspruch 2, da
durch gekennzeichnet, daß die Membran
(15) mit dem Stellmittel (13) mechanisch verbunden ist.
7. Zahnärztlicher Turbinenantrieb nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß Membran
(15) und Stellmittel (13) einteilig ausgebildet sind.
8. Zahnärztlicher Turbinenantrieb nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß im nicht
rotierenden Teil des Gehäuses (1) ein Membranventil (21)
angeordnet ist, deren Druckkammer (20) über einen Verbin
dungskanal (19, 23) mit der Laufradkammer (18) verbunden ist,
und dessen mit der Membran (25) verbundenes Stellelement (22)
in Abhängigkeit vom Druck in der Laufradkammer (18) den wirksa
men Querschnitt im Abluft- (11) oder Zufuhrkanal (7) der
Treibluft verändert.
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