专利名称:手持式气动涡轮机的控制装置的制作方法
本发明是关于手持式气动涡轮机的旋转控制装置，特别是涉及到设有压力调节阀或流量调节阀的医疗用手持式气动涡轮机的控制装置。所述的压力调节阀或流量调节阀设置在往大气中排放驱动气动涡轮旋转后用毕的空气的气密性的排气通路中，起到改变气动涡轮的背压，控制涡轮转速的作用。
已往的手持式气动涡轮机已广为应用，特别是在牙科医疗中用得更多。例如应用其高速切削去除龋齿，而应用其低速改善牙齿表面的粗糙度及钻锋园边的修磨等。在公知的手持式气动涡轮机中，低速旋转是靠设在图4所示的进气通路上的控制装置得到的。即，从空气源(410)产生的，并经过过滤器(420)和通过导管(4)输送的空气压力由该装置内的固定式调压阀(430)进行减压，使压力降至手持机用的规格压力，然后由可变式调压阀或流量调节阀(440)进一步调压，送到牙科用手持式气动涡轮机(450)。如果调压阀(440)为全开状态，则输送的设定空气压力由调压阀(430)控制。通常，流量调节阀(440)通过脚踏板进行调节，这样牙科医生可根据治疗的需要调节合适的转速。但是，这种在进气通路中设置的转速控制装置，存在着以下的缺点。
正如在后面即将叙述的那样，在进气通路中降低进气压力，则转速就下降，转速一下降则完成驱动涡轮旋转的空气几乎无阻力地向大气中排出并膨胀，从涡轮喷嘴刚喷出的高速流体的压力无法改变，转矩也大幅度降低。因此，就不能适应牙科治疗中在低速旋转而有较大转矩的需要。另外，在空气轴承型的手持式气动涡轮机中，为了得到低速度而降低进气压会导致轴承负荷容易及轴承刚性的降低，这也是一个不足之处。
本发明手持式气动涡轮机控制装置是由下列部分组成的一个与支承切削工具的旋转轴一起安装成整体的，并通过设置在主轴箱内的轴承而能自由旋转的气动涡轮，一个往该气动涡轮输送压缩空气的进气通路及一个把完成驱动气动涡轮旋转后用毕的空气排出的排气通路。该手持式气动涡轮机的控制装置的特征是在上述手持式气动涡轮机的排气通路中设置改变气动涡轮背压的压力调节阀或流量调节阀。本发明能将已往手持式气动涡轮机在低速旋转时转矩大幅度降低的现象减少到最小程度，从而改善低速时的工作特性。特别是对於空气轴承型的手持式气动涡轮机，在低速旋转时，不影响轴承负荷容易及轴承刚性，达到改善工作特性的目的。
通常，旋转转矩T是单位时间内的质量流量q和从喷嘴朝着涡轮叶片喷出的高速流体的相对速度v的单调增加函数。如(1)式如示。
T＝Qf(q，v)-(1)式中Q-常数，取决於喷嘴和涡轮叶片的形状。
由高速流体的速度V的定义，得出V＝u-2πnr-(2)式中u-从喷嘴喷出的高速流体的速度。
n-单位时间内的涡轮转速。
r-涡轮叶片的半径。
无负荷旋转时，即T＝0时，u＝2πnr，可导出n＝u/2πr-(3)由此可见，当手持机的几何形状设定后，无负荷转速n则仅仅是从涡轮喷嘴出来的高速流体喷出速度u的函数，而且是u的单调增加函数。因此，可以通过变化u来控制转速n。已往的方法就是如前面所述的那样，用流量调节阀(440)改变进气压，从而改变(3)式中的u值。而在流体力学中，喷嘴的喷出速度u可用下式表示
式中a2-驻点时的音速。等于r PO｜PO]]>p2-在驻点状态的压力。(在以往例中，大致等於由流量调节阀(440)减压的压力)r-比热比。(空气近似为1.4)p-从喷嘴刚喷出时的高速流体的压力。(在这里是从涡轮喷嘴出来时的压力，即喷头内的压力。)p-驻点时的密度。
将(4)式改写为
可看出，为了减少转速n而减少u值，就要减少ρ值，因此就需要调节流量调节阀(440)来降低压力ρ0。同时由(5)式可知，p0的降低意味着p的减少。
由绝热变化式(P)/(ρ) = (PO)/(ρO) ---------------------------- ( 6 )式中p-喷嘴刚喷出的流体的密度。
ρ = P (PO)/(ρO) ---------------------------- ( 6 )可见，p的减少与密度p的减少是等价的。
而从下式q＝ρuA(式中A为喷嘴的有效面积)得出，ρ的减少使单位时间内流量q减少，从而使得转矩T减少，因此正如(1)式所示那样，已往的在进气通路中降低进气压得到低速的方法，由於减少了流体速度u和流量q，就使得转矩T大幅度降低。
与此相反，本发明是在排气通路中通过用压力调节阀或流量调节阀改变气动涡轮的背压来控制转速的。在本发明的控制装置中，不是通过减少p(即减少ρ)而是增加ρ来降低u，使得在低速旋转时转矩降低不多。另外，对於空气轴承型的手持式气动涡轮机。因为是在排气通路中进行节流而使得转速下降，所以与已往的装置相比，在各种转速情况下都能充分地保持住轴承负荷容量及轴承刚性。
第1图(a)是在本发明实施例中使用的，适用于空气轴承型牙科用手持式气动涡轮机的纵断面图。第1图(b)是本发明手持式气动涡轮机控制装置的第一种实施例说明图。第1图(c)是本发明控制装置的第二种实施例说明图。第2图是第1图(a)的Ⅱ-Ⅱ的剖面图。第3图是表示由发明控制装置增大的旋转矩的曲线图。
第一图(a)中的空气轴承型牙科用手持式气动涡轮机(100)包括有气动涡轮(115)，进气通路(116)和排气通路(117)三部份。其中，气动涡轮(115)与支承切削工具的旋转轴(112)成整体设置，并通过设置在主轴箱内的上下一对轴承(113)，(114)支承着而能自由地旋转;进气通路(116)是往气动涡轮(115)输送压缩空气的通路;排气通路(117)是待完成驱动气动涡轮旋转后用毕的空气往大气中排出的通路，它是不漏气的。两轴承(113)，(114)通过与气动涡轮(115)间的微小间隙构成环状。在各轴承中央的轴承空气用沟(1131)，(1141)的上下分别装有O形环(118)，该环起保持轴承(113)，(114)与主轴箱(111)之间气密的作用。因此轴承空气用沟(1131)，(114)亦保持着气密性。在轴承(113)，(114)上，沿着径向设有若干进气孔(119)，孔内端在轴承(113)，(114)的内面即轴承面上开口，外端经环状通路(1191)与轴承空气用沟(1131)，(1141)连通。在主轴箱即手持机主体上，设有进气支管路(121)、(122)，(123)和排气管路(124)。各进气支管路与进气通路(116)连通。排气管路与通路(116)穿过内部的排气通路(117)的内面和通路(116)外面之间的空隙连通。分支管路(123)对着涡轮叶片表面，通过喷嘴(1231)而开口。因此空气一旦从喷嘴(1231)喷出，涡轮(115)就旋转。排气管路对着涡轮叶片的背面开口。因此涡轮(115)旋转使用的空气从排气管路(124)经排气通路(117)排往外面。进气管路(121)、(122)分别与上、下侧的轴承空气用沟(1131)、(1141)连通，因此，由管路(121)、(122)送来的空气穿过进气孔(119)被分别送到轴(112)的外周面和各轴承(113)、(114)的内面(即轴承面)之间的空隙a、b中。在此空气作用下，轴(112)离开轴承面上浮，承受轴(112)的径向载荷。涡轮轴(115)的上侧面与上部轴承(113)的下面之间的空隙c及涡轮(115)的下侧面与下部轴承(114)的上面之间的空隙d与上述空隙a、b相通，也和排气管路(124)连通。因此，被送到空隙a、b的空气接着通到空隙c、d。通到c、d的空气使涡轮(115)沿轴向方向离开，上浮，同时承受轴向载荷。
在第1图(b)中，图示了本发明控制装置的第1实施例。图中，压力空气源(141)和固定式压力调节阀(143)配设在进气通路中，这与第4图中所示的已往的装置一样。与已往的装置不同的是流量调整阀(144)配设在手持机(100)和大气之间的排气通路(117)上。调节流量调节阀(144)，虽然使得气动涡轮(115)的转速降低，但同时使(4)式中的压力p升高，这样就限制了单位时间内质量流量q的减少，也就限制了转矩T的降低。从而实现了转矩T降低少的转速控制。为了进行这种控制，排气通路(117)至少在排气管路(124)和阀(144)之间这一段须是不漏气的，而且做成不往冲洗切削粉末用的气水混合管(127)抽气的高气密性结构。往气水混合管(127)中送气的工作由其它的系统管路来进行。这样，由於用调节排气来控制旋转速度，进气通路(116)内的进气压P保持在较高值水平，这就使得上述空气轴承(113)、(114)与轴(112)之间的径向微小空隙a、b得以确保，而不会象已往装置那样显著降低轴承性能。
在手持机(100)以内或以外的排气通路(117)中，通过调节通路面积或缩小内径的方法，使涡轮喷嘴喷出的空气压力升高，从而可以得到低转速高转矩的手持机。这样的手持机的构造就是本发明的意图。
在第1图(c)中，揭示了本发明控制装置的第2实施例。在进气通路(116)上设置了第1实施例中所没有的开闭及消除残压用的三通电磁阀(128)，由“通-断”开关(129a)操作。“通-断”开关(129a)与使用者操作的脚踏式控制器(129)的脚踏板连动。在排气通路(117)上与流量调节阀(114)平行地设置了一个可遥控操作的可变式调节阀(130)。固定阀(144)的开度，变化脚踏控制器(129)的可变电阻，通过控制电路(131)来调节该可变调节阀(130)的开度的方法来调整排气压，并控制涡轮(115)的转速。在本实施例中，阀(144)、(130)设置在手持机(100)外部的排气通路上，也可设在手持机(100)内部的排气通路(117)上。
以上通过第1实施例和第2实施例仅就空气轴承型手持机的使用作了叙述，但上述装置也同样适用於排气通路气密性高的，球轴承型手持机。
综上所述，本发明手持式气动涡轮机的控制装置是用设在排气通路(117)中的压力调节阀或流量调节阀(144)，可变式调节阀(130)调整排气压力来控制气动涡轮的转速的。而且正如前面已详细叙述过那样，加大节流度就能产生低速度，同时，与已有控制进气压的方法相比，能得到更大的转矩。如第3图所示，所以，本装置能有效地应用在需要低速度，大转矩的医疗上。附带说明一下，第3图所示的实验结果，是用测定牙科用手持式气动涡轮机旋转矩常采用的方法得出的。纵座标轴的停止负荷为φ1.6mm试验杆的旋转停止负荷(单位克)。
另外，在空气轴承型的手持式气动涡轮机中，因为不降低进气压，特别是没有降低径向的轴承负荷容量及轴承刚性，所以，即便在低速度旋转情况下也能保持较大切削能力，而且旋转无声响。
下面，将附图作一简单说明。第1图(a)是适合本发明实施例使用的牙科用手持式气动涡轮机的纵断面图。第1图(b)是本发明手持式气动涡轮机控制装置第1实施例的说明图。第1图(c)是本发明控制装置第2实施例的说明图。第2图是第1图(a)的Ⅱ-Ⅱ断面图。第3图是表示由本发明控制装置增大的旋转转矩的坐标图。第4图是已往手持式气动涡轮机控制装置的说明图。图中符号为100-手持式气动涡轮机。111-主轴箱。112-旋转轴。113、114-轴承。115-气动涡轮。116-进气通路。117-排气通路。130、144-压力调节阀或流量调节阀。
权利要求
1.一种设置在手持式气动涡轮机中的控制装置，该手持式气动涡轮机由与支承切削工具的旋转轴整体安装的，并通过支承在主轴箱内的轴承而支承住并能自由旋转的气动涡轮，往该气动涡轮输送压缩空气的进气通路以及把完成驱动气动涡轮旋转后用毕的空气排出的排气通路三部分组成。本发明装置的特征是在排气通路中，设置了使涡轮背压变化的压力调节阀或流量调节阀。
2.按照权利要求
1中记载的控制装置，其中的气动涡轮的排气通路是不漏气的。
3.按照权利要求
1中记载的控制装置，其中的手持式气动涡轮机的轴承是空气轴承。
4.按照权利要求
1中记载的控制装置，其中的手持式气动涡轮机的轴承是球轴承。
5.按照权利要求
1中记载的控制装置，其中的压力调节阀由脚踏式控制器进行控制。
6.按照权利要求
1中记载的控制装置，其中的进气通路在主轴箱内分为驱动涡轮用的进气支管和为空气轴承用的进气支管。
专利摘要
一种手持式气动涡轮机控制装置，在它的排气通路内设有改变气动涡轮背压的压力调节阀或流量调节阀。用该装置可以控制气动涡轮的转速和适合于切削的旋转转矩。
文档编号A61C1/00GK85104947SQ85104947
公开日1987年5月27日 申请日期1985年6月27日
发明者中山照三, 渡道浩男, 田和利樹, 桥本修典 申请人:株式会社毛里塔制作所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan