專利名稱:手持式氣動渦輪機的控制裝置的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于手持式氣動渦輪機的旋轉(zhuǎn)控制裝置，特別是涉及到設(shè)有壓力調(diào)節(jié)閥或流量調(diào)節(jié)閥的醫(yī)療用手持式氣動渦輪機的控制裝置。所述的壓力調(diào)節(jié)閥或流量調(diào)節(jié)閥設(shè)置在往大氣中排放驅(qū)動氣動渦輪旋轉(zhuǎn)后用畢的空氣的氣密性的排氣通路中，起到改變氣動渦輪的背壓，控制渦輪轉(zhuǎn)速的作用。
已往的手持式氣動渦輪機已廣為應(yīng)用，特別是在牙科醫(yī)療中用得更多。例如應(yīng)用其高速切削去除齲齒，而應(yīng)用其低速改善牙齒表面的粗糙度及鉆鋒園邊的修磨等。在公知的手持式氣動渦輪機中，低速旋轉(zhuǎn)是靠設(shè)在圖4所示的進氣通路上的控制裝置得到的。即，從空氣源(410)產(chǎn)生的，并經(jīng)過過濾器(420)和通過導(dǎo)管(4)輸送的空氣壓力由該裝置內(nèi)的固定式調(diào)壓閥(430)進行減壓，使壓力降至手持機用的規(guī)格壓力，然后由可變式調(diào)壓閥或流量調(diào)節(jié)閥(440)進一步調(diào)壓，送到牙科用手持式氣動渦輪機(450)。如果調(diào)壓閥(440)為全開狀態(tài)，則輸送的設(shè)定空氣壓力由調(diào)壓閥(430)控制。通常，流量調(diào)節(jié)閥(440)通過腳踏板進行調(diào)節(jié)，這樣牙科醫(yī)生可根據(jù)治療的需要調(diào)節(jié)合適的轉(zhuǎn)速。但是，這種在進氣通路中設(shè)置的轉(zhuǎn)速控制裝置，存在著以下的缺點。
正如在后面即將敘述的那樣，在進氣通路中降低進氣壓力，則轉(zhuǎn)速就下降，轉(zhuǎn)速一下降則完成驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)的空氣幾乎無阻力地向大氣中排出并膨脹，從渦輪噴嘴剛噴出的高速流體的壓力無法改變，轉(zhuǎn)矩也大幅度降低。因此，就不能適應(yīng)牙科治療中在低速旋轉(zhuǎn)而有較大轉(zhuǎn)矩的需要。另外，在空氣軸承型的手持式氣動渦輪機中，為了得到低速度而降低進氣壓會導(dǎo)致軸承負荷容易及軸承剛性的降低，這也是一個不足之處。
本發(fā)明手持式氣動渦輪機控制裝置是由下列部分組成的一個與支承切削工具的旋轉(zhuǎn)軸一起安裝成整體的，并通過設(shè)置在主軸箱內(nèi)的軸承而能自由旋轉(zhuǎn)的氣動渦輪，一個往該氣動渦輪輸送壓縮空氣的進氣通路及一個把完成驅(qū)動氣動渦輪旋轉(zhuǎn)后用畢的空氣排出的排氣通路。該手持式氣動渦輪機的控制裝置的特征是在上述手持式氣動渦輪機的排氣通路中設(shè)置改變氣動渦輪背壓的壓力調(diào)節(jié)閥或流量調(diào)節(jié)閥。本發(fā)明能將已往手持式氣動渦輪機在低速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)矩大幅度降低的現(xiàn)象減少到最小程度，從而改善低速時的工作特性。特別是對於空氣軸承型的手持式氣動渦輪機，在低速旋轉(zhuǎn)時，不影響軸承負荷容易及軸承剛性，達到改善工作特性的目的。
通常，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩T是單位時間內(nèi)的質(zhì)量流量q和從噴嘴朝著渦輪葉片噴出的高速流體的相對速度v的單調(diào)增加函數(shù)。如(1)式如示。
T＝Qf(q，v)-(1)式中Q-常數(shù)，取決於噴嘴和渦輪葉片的形狀。
由高速流體的速度V的定義，得出V＝u-2πnr-(2)式中u-從噴嘴噴出的高速流體的速度。
n-單位時間內(nèi)的渦輪轉(zhuǎn)速。
r-渦輪葉片的半徑。
無負荷旋轉(zhuǎn)時，即T＝0時，u＝2πnr，可導(dǎo)出n＝u/2πr-(3)由此可見，當手持機的幾何形狀設(shè)定后，無負荷轉(zhuǎn)速n則僅僅是從渦輪噴嘴出來的高速流體噴出速度u的函數(shù)，而且是u的單調(diào)增加函數(shù)。因此，可以通過變化u來控制轉(zhuǎn)速n。已往的方法就是如前面所述的那樣，用流量調(diào)節(jié)閥(440)改變進氣壓，從而改變(3)式中的u值。而在流體力學(xué)中，噴嘴的噴出速度u可用下式表示
式中a2-駐點時的音速。等于r PO｜PO]]>p2-在駐點狀態(tài)的壓力。(在以往例中，大致等於由流量調(diào)節(jié)閥(440)減壓的壓力)r-比熱比。(空氣近似為1.4)p-從噴嘴剛噴出時的高速流體的壓力。(在這里是從渦輪噴嘴出來時的壓力，即噴頭內(nèi)的壓力。)p-駐點時的密度。
將(4)式改寫為
可看出，為了減少轉(zhuǎn)速n而減少u值，就要減少ρ值，因此就需要調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥(440)來降低壓力ρ0。同時由(5)式可知，p0的降低意味著p的減少。
由絕熱變化式(P)/(ρ) = (PO)/(ρO) ---------------------------- ( 6 )式中p-噴嘴剛噴出的流體的密度。
ρ = P (PO)/(ρO) ---------------------------- ( 6 )可見，p的減少與密度p的減少是等價的。
而從下式q＝ρuA(式中A為噴嘴的有效面積)得出，ρ的減少使單位時間內(nèi)流量q減少，從而使得轉(zhuǎn)矩T減少，因此正如(1)式所示那樣，已往的在進氣通路中降低進氣壓得到低速的方法，由於減少了流體速度u和流量q，就使得轉(zhuǎn)矩T大幅度降低。
與此相反，本發(fā)明是在排氣通路中通過用壓力調(diào)節(jié)閥或流量調(diào)節(jié)閥改變氣動渦輪的背壓來控制轉(zhuǎn)速的。在本發(fā)明的控制裝置中，不是通過減少p(即減少ρ)而是增加ρ來降低u，使得在低速旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)矩降低不多。另外，對於空氣軸承型的手持式氣動渦輪機。因為是在排氣通路中進行節(jié)流而使得轉(zhuǎn)速下降，所以與已往的裝置相比，在各種轉(zhuǎn)速情況下都能充分地保持住軸承負荷容量及軸承剛性。
第1圖(a)是在本發(fā)明實施例中使用的，適用于空氣軸承型牙科用手持式氣動渦輪機的縱斷面圖。第1圖(b)是本發(fā)明手持式氣動渦輪機控制裝置的第一種實施例說明圖。第1圖(c)是本發(fā)明控制裝置的第二種實施例說明圖。第2圖是第1圖(a)的Ⅱ-Ⅱ的剖面圖。第3圖是表示由發(fā)明控制裝置增大的旋轉(zhuǎn)矩的曲線圖。
第一圖(a)中的空氣軸承型牙科用手持式氣動渦輪機(100)包括有氣動渦輪(115)，進氣通路(116)和排氣通路(117)三部份。其中，氣動渦輪(115)與支承切削工具的旋轉(zhuǎn)軸(112)成整體設(shè)置，并通過設(shè)置在主軸箱內(nèi)的上下一對軸承(113)，(114)支承著而能自由地旋轉(zhuǎn);進氣通路(116)是往氣動渦輪(115)輸送壓縮空氣的通路;排氣通路(117)是待完成驅(qū)動氣動渦輪旋轉(zhuǎn)后用畢的空氣往大氣中排出的通路，它是不漏氣的。兩軸承(113)，(114)通過與氣動渦輪(115)間的微小間隙構(gòu)成環(huán)狀。在各軸承中央的軸承空氣用溝(1131)，(1141)的上下分別裝有O形環(huán)(118)，該環(huán)起保持軸承(113)，(114)與主軸箱(111)之間氣密的作用。因此軸承空氣用溝(1131)，(114)亦保持著氣密性。在軸承(113)，(114)上，沿著徑向設(shè)有若干進氣孔(119)，孔內(nèi)端在軸承(113)，(114)的內(nèi)面即軸承面上開口，外端經(jīng)環(huán)狀通路(1191)與軸承空氣用溝(1131)，(1141)連通。在主軸箱即手持機主體上，設(shè)有進氣支管路(121)、(122)，(123)和排氣管路(124)。各進氣支管路與進氣通路(116)連通。排氣管路與通路(116)穿過內(nèi)部的排氣通路(117)的內(nèi)面和通路(116)外面之間的空隙連通。分支管路(123)對著渦輪葉片表面，通過噴嘴(1231)而開口。因此空氣一旦從噴嘴(1231)噴出，渦輪(115)就旋轉(zhuǎn)。排氣管路對著渦輪葉片的背面開口。因此渦輪(115)旋轉(zhuǎn)使用的空氣從排氣管路(124)經(jīng)排氣通路(117)排往外面。進氣管路(121)、(122)分別與上、下側(cè)的軸承空氣用溝(1131)、(1141)連通，因此，由管路(121)、(122)送來的空氣穿過進氣孔(119)被分別送到軸(112)的外周面和各軸承(113)、(114)的內(nèi)面(即軸承面)之間的空隙a、b中。在此空氣作用下，軸(112)離開軸承面上浮，承受軸(112)的徑向載荷。渦輪軸(115)的上側(cè)面與上部軸承(113)的下面之間的空隙c及渦輪(115)的下側(cè)面與下部軸承(114)的上面之間的空隙d與上述空隙a、b相通，也和排氣管路(124)連通。因此，被送到空隙a、b的空氣接著通到空隙c、d。通到c、d的空氣使渦輪(115)沿軸向方向離開，上浮，同時承受軸向載荷。
在第1圖(b)中，圖示了本發(fā)明控制裝置的第1實施例。圖中，壓力空氣源(141)和固定式壓力調(diào)節(jié)閥(143)配設(shè)在進氣通路中，這與第4圖中所示的已往的裝置一樣。與已往的裝置不同的是流量調(diào)整閥(144)配設(shè)在手持機(100)和大氣之間的排氣通路(117)上。調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥(144)，雖然使得氣動渦輪(115)的轉(zhuǎn)速降低，但同時使(4)式中的壓力p升高，這樣就限制了單位時間內(nèi)質(zhì)量流量q的減少，也就限制了轉(zhuǎn)矩T的降低。從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩T降低少的轉(zhuǎn)速控制。為了進行這種控制，排氣通路(117)至少在排氣管路(124)和閥(144)之間這一段須是不漏氣的，而且做成不往沖洗切削粉末用的氣水混合管(127)抽氣的高氣密性結(jié)構(gòu)。往氣水混合管(127)中送氣的工作由其它的系統(tǒng)管路來進行。這樣，由於用調(diào)節(jié)排氣來控制旋轉(zhuǎn)速度，進氣通路(116)內(nèi)的進氣壓P保持在較高值水平，這就使得上述空氣軸承(113)、(114)與軸(112)之間的徑向微小空隙a、b得以確保，而不會象已往裝置那樣顯著降低軸承性能。
在手持機(100)以內(nèi)或以外的排氣通路(117)中，通過調(diào)節(jié)通路面積或縮小內(nèi)徑的方法，使渦輪噴嘴噴出的空氣壓力升高，從而可以得到低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩的手持機。這樣的手持機的構(gòu)造就是本發(fā)明的意圖。
在第1圖(c)中，揭示了本發(fā)明控制裝置的第2實施例。在進氣通路(116)上設(shè)置了第1實施例中所沒有的開閉及消除殘壓用的三通電磁閥(128)，由“通-斷”開關(guān)(129a)操作?！巴?斷”開關(guān)(129a)與使用者操作的腳踏式控制器(129)的腳踏板連動。在排氣通路(117)上與流量調(diào)節(jié)閥(114)平行地設(shè)置了一個可遙控操作的可變式調(diào)節(jié)閥(130)。固定閥(144)的開度，變化腳踏控制器(129)的可變電阻，通過控制電路(131)來調(diào)節(jié)該可變調(diào)節(jié)閥(130)的開度的方法來調(diào)整排氣壓，并控制渦輪(115)的轉(zhuǎn)速。在本實施例中，閥(144)、(130)設(shè)置在手持機(100)外部的排氣通路上，也可設(shè)在手持機(100)內(nèi)部的排氣通路(117)上。
以上通過第1實施例和第2實施例僅就空氣軸承型手持機的使用作了敘述，但上述裝置也同樣適用於排氣通路氣密性高的，球軸承型手持機。
綜上所述，本發(fā)明手持式氣動渦輪機的控制裝置是用設(shè)在排氣通路(117)中的壓力調(diào)節(jié)閥或流量調(diào)節(jié)閥(144)，可變式調(diào)節(jié)閥(130)調(diào)整排氣壓力來控制氣動渦輪的轉(zhuǎn)速的。而且正如前面已詳細敘述過那樣，加大節(jié)流度就能產(chǎn)生低速度，同時，與已有控制進氣壓的方法相比，能得到更大的轉(zhuǎn)矩。如第3圖所示，所以，本裝置能有效地應(yīng)用在需要低速度，大轉(zhuǎn)矩的醫(yī)療上。附帶說明一下，第3圖所示的實驗結(jié)果，是用測定牙科用手持式氣動渦輪機旋轉(zhuǎn)矩常采用的方法得出的?？v座標軸的停止負荷為φ1.6mm試驗桿的旋轉(zhuǎn)停止負荷(單位克)。
另外，在空氣軸承型的手持式氣動渦輪機中，因為不降低進氣壓，特別是沒有降低徑向的軸承負荷容量及軸承剛性，所以，即便在低速度旋轉(zhuǎn)情況下也能保持較大切削能力，而且旋轉(zhuǎn)無聲響。
下面，將附圖作一簡單說明。第1圖(a)是適合本發(fā)明實施例使用的牙科用手持式氣動渦輪機的縱斷面圖。第1圖(b)是本發(fā)明手持式氣動渦輪機控制裝置第1實施例的說明圖。第1圖(c)是本發(fā)明控制裝置第2實施例的說明圖。第2圖是第1圖(a)的Ⅱ-Ⅱ斷面圖。第3圖是表示由本發(fā)明控制裝置增大的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的坐標圖。第4圖是已往手持式氣動渦輪機控制裝置的說明圖。圖中符號為100-手持式氣動渦輪機。111-主軸箱。112-旋轉(zhuǎn)軸。113、114-軸承。115-氣動渦輪。116-進氣通路。117-排氣通路。130、144-壓力調(diào)節(jié)閥或流量調(diào)節(jié)閥。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)置在手持式氣動渦輪機中的控制裝置，該手持式氣動渦輪機由與支承切削工具的旋轉(zhuǎn)軸整體安裝的，并通過支承在主軸箱內(nèi)的軸承而支承住并能自由旋轉(zhuǎn)的氣動渦輪，往該氣動渦輪輸送壓縮空氣的進氣通路以及把完成驅(qū)動氣動渦輪旋轉(zhuǎn)后用畢的空氣排出的排氣通路三部分組成。本發(fā)明裝置的特征是在排氣通路中，設(shè)置了使渦輪背壓變化的壓力調(diào)節(jié)閥或流量調(diào)節(jié)閥。
2.按照權(quán)利要求
1中記載的控制裝置，其中的氣動渦輪的排氣通路是不漏氣的。
3.按照權(quán)利要求
1中記載的控制裝置，其中的手持式氣動渦輪機的軸承是空氣軸承。
4.按照權(quán)利要求
1中記載的控制裝置，其中的手持式氣動渦輪機的軸承是球軸承。
5.按照權(quán)利要求
1中記載的控制裝置，其中的壓力調(diào)節(jié)閥由腳踏式控制器進行控制。
6.按照權(quán)利要求
1中記載的控制裝置，其中的進氣通路在主軸箱內(nèi)分為驅(qū)動渦輪用的進氣支管和為空氣軸承用的進氣支管。
專利摘要
一種手持式氣動渦輪機控制裝置，在它的排氣通路內(nèi)設(shè)有改變氣動渦輪背壓的壓力調(diào)節(jié)閥或流量調(diào)節(jié)閥。用該裝置可以控制氣動渦輪的轉(zhuǎn)速和適合于切削的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。
文檔編號A61C1/00GK85104947SQ85104947
公開日1987年5月27日 申請日期1985年6月27日
發(fā)明者中山照三, 渡道浩男, 田和利樹, 橋本修典 申請人:株式會社毛里塔制作所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan