專利名稱:手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)的控制裝置的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)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(dòng)渦輪機(jī)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(dòng)氣動(dòng)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(dòng)渦輪的背壓，控制渦輪轉(zhuǎn)速的作用。
已往的手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)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(dòng)渦輪機(jī)中，低速旋轉(zhuǎn)是靠設(shè)在圖4所示的進(jìn)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(guò)過(guò)濾器(420)和通過(guò)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(jìn)行減壓，使壓力降至手持機(jī)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(jìn)一步調(diào)壓，送到牙科用手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)(450)。如果調(diào)壓閥(440)為全開(kāi)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(guò)腳踏板進(jìn)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(jìn)氣通路中設(shè)置的轉(zhuǎn)速控制裝置，存在著以下的缺點(diǎn)。
正如在后面即將敘述的那樣，在進(jìn)氣通路中降低進(jìn)氣壓力，則轉(zhuǎn)速就下降，轉(zhuǎn)速一下降則完成驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的空氣幾乎無(wú)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(wú)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(dòng)渦輪機(jī)中，為了得到低速度而降低進(jìn)氣壓會(huì)導(dǎo)致軸承負(fù)荷容易及軸承剛性的降低，這也是一個(gè)不足之處。
本發(fā)明手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)控制裝置是由下列部分組成的一個(gè)與支承切削工具的旋轉(zhuǎn)軸一起安裝成整體的，并通過(guò)設(shè)置在主軸箱內(nèi)的軸承而能自由旋轉(zhuǎn)的氣動(dòng)渦輪，一個(gè)往該氣動(dòng)渦輪輸送壓縮空氣的進(jìn)氣通路及一個(gè)把完成驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)后用畢的空氣排出的排氣通路。該手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)的控制裝置的特征是在上述手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)的排氣通路中設(shè)置改變氣動(dòng)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(dòng)渦輪機(jī)在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)的工作特性。特別是對(duì)於空氣軸承型的手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)，在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，不影響軸承負(fù)荷容易及軸承剛性，達(dá)到改善工作特性的目的。
通常，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩T是單位時(shí)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(duì)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(shí)間內(nèi)的渦輪轉(zhuǎn)速。
r-渦輪葉片的半徑。
無(wú)負(fù)荷旋轉(zhuǎn)時(shí)，即T＝0時(shí)，u＝2πnr，可導(dǎo)出n＝u/2πr-(3)由此可見(jiàn)，當(dāng)手持機(jī)的幾何形狀設(shè)定后，無(wú)負(fù)荷轉(zhuǎn)速n則僅僅是從渦輪噴嘴出來(lái)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(guò)變化u來(lái)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(jìn)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(diǎn)時(shí)的音速。等于r PO｜PO]]>p2-在駐點(diǎn)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(shí)的高速流體的壓力。(在這里是從渦輪噴嘴出來(lái)時(shí)的壓力，即噴頭內(nèi)的壓力。)p-駐點(diǎn)時(shí)的密度。
將(4)式改寫(xiě)為
可看出，為了減少轉(zhuǎn)速n而減少u(mài)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(lái)降低壓力ρ0。同時(shí)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(jiàn)，p的減少與密度p的減少是等價(jià)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(shí)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(jìn)氣通路中降低進(jìn)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(guò)用壓力調(diào)節(jié)閥或流量調(diào)節(jié)閥改變氣動(dòng)渦輪的背壓來(lái)控制轉(zhuǎn)速的。在本發(fā)明的控制裝置中，不是通過(guò)減少p(即減少ρ)而是增加ρ來(lái)降低u，使得在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩降低不多。另外，對(duì)於空氣軸承型的手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)。因?yàn)槭窃谂艢馔分羞M(jìn)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(fù)荷容量及軸承剛性。
第1圖(a)是在本發(fā)明實(shí)施例中使用的，適用于空氣軸承型牙科用手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)的縱斷面圖。第1圖(b)是本發(fā)明手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)控制裝置的第一種實(shí)施例說(shuō)明圖。第1圖(c)是本發(fā)明控制裝置的第二種實(shí)施例說(shuō)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(dòng)渦輪機(jī)(100)包括有氣動(dòng)渦輪(115)，進(jìn)氣通路(116)和排氣通路(117)三部份。其中，氣動(dòng)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(guò)設(shè)置在主軸箱內(nèi)的上下一對(duì)軸承(113)，(114)支承著而能自由地旋轉(zhuǎn);進(jìn)氣通路(116)是往氣動(dòng)渦輪(115)輸送壓縮空氣的通路;排氣通路(117)是待完成驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)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(guò)與氣動(dòng)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(jìn)氣孔(119)，孔內(nèi)端在軸承(113)，(114)的內(nèi)面即軸承面上開(kāi)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(jī)主體上，設(shè)有進(jìn)氣支管路(121)、(122)，(123)和排氣管路(124)。各進(jìn)氣支管路與進(jìn)氣通路(116)連通。排氣管路與通路(116)穿過(guò)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(duì)著渦輪葉片表面，通過(guò)噴嘴(1231)而開(kāi)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(duì)著渦輪葉片的背面開(kāi)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(jìn)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(lái)的空氣穿過(guò)進(jìn)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(kāi)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(kāi)，上浮，同時(shí)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(shí)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(jìn)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(jī)(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(dòng)渦輪(115)的轉(zhuǎn)速降低，但同時(shí)使(4)式中的壓力p升高，這樣就限制了單位時(shí)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(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩T降低少的轉(zhuǎn)速控制。為了進(jìn)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(lái)進(jìn)行。這樣，由於用調(diào)節(jié)排氣來(lái)控制旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)氣通路(116)內(nèi)的進(jìn)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(huì)象已往裝置那樣顯著降低軸承性能。
在手持機(jī)(100)以內(nèi)或以外的排氣通路(117)中，通過(guò)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(jī)。這樣的手持機(jī)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(shí)施例。在進(jìn)氣通路(116)上設(shè)置了第1實(shí)施例中所沒(méi)有的開(kāi)閉及消除殘壓用的三通電磁閥(128)，由“通-斷”開(kāi)關(guān)(129a)操作?！巴?斷”開(kāi)關(guān)(129a)與使用者操作的腳踏式控制器(129)的腳踏板連動(dòng)。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(gè)可遙控操作的可變式調(diào)節(jié)閥(130)。固定閥(144)的開(kāi)度，變化腳踏控制器(129)的可變電阻，通過(guò)控制電路(131)來(lái)調(diào)節(jié)該可變調(diào)節(jié)閥(130)的開(kāi)度的方法來(lái)調(diào)整排氣壓，并控制渦輪(115)的轉(zhuǎn)速。在本實(shí)施例中，閥(144)、(130)設(shè)置在手持機(jī)(100)外部的排氣通路上，也可設(shè)在手持機(jī)(100)內(nèi)部的排氣通路(117)上。
以上通過(guò)第1實(shí)施例和第2實(shí)施例僅就空氣軸承型手持機(jī)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(jī)。
綜上所述，本發(fā)明手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)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(lái)控制氣動(dòng)渦輪的轉(zhuǎn)速的。而且正如前面已詳細(xì)敘述過(guò)那樣，加大節(jié)流度就能產(chǎn)生低速度，同時(shí)，與已有控制進(jìn)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(shuō)明一下，第3圖所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是用測(cè)定牙科用手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)矩常采用的方法得出的?？v座標(biāo)軸的停止負(fù)荷為φ1.6mm試驗(yàn)桿的旋轉(zhuǎn)停止負(fù)荷(單位克)。
另外，在空氣軸承型的手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)中，因?yàn)椴唤档瓦M(jìn)氣壓，特別是沒(méi)有降低徑向的軸承負(fù)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(wú)聲響。
下面，將附圖作一簡(jiǎn)單說(shuō)明。第1圖(a)是適合本發(fā)明實(shí)施例使用的牙科用手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)的縱斷面圖。第1圖(b)是本發(fā)明手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)控制裝置第1實(shí)施例的說(shuō)明圖。第1圖(c)是本發(fā)明控制裝置第2實(shí)施例的說(shuō)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(biāo)圖。第4圖是已往手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)控制裝置的說(shuō)明圖。圖中符號(hào)為100-手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)。111-主軸箱。112-旋轉(zhuǎn)軸。113、114-軸承。115-氣動(dòng)渦輪。116-進(jìn)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(dòng)渦輪機(jī)中的控制裝置，該手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)由與支承切削工具的旋轉(zhuǎn)軸整體安裝的，并通過(guò)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(dòng)渦輪，往該氣動(dòng)渦輪輸送壓縮空氣的進(jìn)氣通路以及把完成驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)渦輪機(jī)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(dòng)渦輪機(jī)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(jìn)行控制。
6.按照權(quán)利要求
1中記載的控制裝置，其中的進(jìn)氣通路在主軸箱內(nèi)分為驅(qū)動(dòng)渦輪用的進(jìn)氣支管和為空氣軸承用的進(jìn)氣支管。
專利摘要
一種手持式氣動(dòng)渦輪機(jī)控制裝置，在它的排氣通路內(nèi)設(shè)有改變氣動(dòng)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(dòng)渦輪的轉(zhuǎn)速和適合于切削的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。
文檔編號(hào)A61C1/00GK85104947SQ85104947
公開(kāi)日1987年5月27日 申請(qǐng)日期1985年6月27日
發(fā)明者中山照三, 渡道浩男, 田和利樹(shù), 橋本修典 申請(qǐng)人:株式會(huì)社毛里塔制作所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan