Pièce à main pour outil tournant à grande vitesse
La présente invention concerne une pièce à main pour outil tournant à grande vitesse, notamment une pièce à main pour dentiste, à entraînement par turbine à gaz.
L'utilisation économique et pratique d'outils de coupe comprenant un abrasif à grain fin, par exemple du carbure de silicium, ou des grains de diamants noyés dans un liant, nécessite des vitesses de coupe dépassant 30 m/sec à la périphérie de l'outil. Pour atteindre au moins approximativement ces vitesses de coupe, même pour des outils à diamètre très petit, des vitesses de rotation extrêmement élevées sont requises qui ne peuvent être atteintes normalement que par des turbines à gaz. Or, de telles vitesses ne manquent pas d'occasionner des difficultés pour l'entraînement et, plus particulièrement, dans les paliers. Une de ces difficultés est l'échauffement des paliers même pour des faibles poussées axiales, telles qu'elles se produisent à la pression de travail de l'outil.
Le but de la ; présente invention est la réalisation d'une pièce à main permettant la stabilisation en position axiale du dispositif rotor.
A cet effet, suivant la présente invention, la pièce à main pour outil tournant à grande vitesse, notamment pour dentiste, à entraînement par turbine à gaz, dans laquelle l'arbre du rotor tourne dans des paliers antifriction, est caractérisée en ce que les voies, suivant lesquelles le gaz est évacué du rotor au moins partiellement des deux côtés, sont agencées de façon telle que le rotor est stabilisé en direction axiale.
De préférence, au moins une partie du gaz s'échappera de l'enveloppe parallèlement à l'axe du rotor.
Dans une forme de réalisation munie de chaque côté du rotor de paliers identiques, les voies suivant lesquelles le gaz est évacué du rotor de deux cotés, sont agencées de façon que des volumes de gaz sensiblement égaux par unité de temps passent par les deux paliers.
De préférence, la face frontale de l'enveloppe autour de l'extrémité de l'arbre portant l'outil pré sente une ouverture d'échappement à resserrement permettant l'échappement de gaz sous pression en provenance d'un palier parallèlement à l'arbre et en direction de l'outil.
Dans un tel agencement, on aura avantage à ce qu'au moins une partie du gaz passe du rotor par les paliers et ensuite par les ouvertures d'échappement à resserrement communiquant avec ces paliers.
De préférence, ces ouvertures d'échappement à resserrement seront disposées dans des faces frontales opposées de l'enveloppe.
Un rotor chargé en direction tangentielle peut tourner dans une chambre présentant les ouvertures de sortie resserrées pour le gaz, ces ouvertures étant disposées dans les faces frontales opposées par lesquelles passent les extrémités de l'arbre du rotor, de sorte que les aubes du rotor se trouvent dans une chambre annulaire. De préférence, le ou les paliers antifriction qui voisinent avec le rotor sont dimensionnés de façon que le rayon des centres des éléments antifriction soit sensiblement égal au rayon intérieur des aubes. A la face frontale arrière de l'enveloppe on prévoit avec avantage une ouverture d'échappement pour le gaz, alignée axialement avec une ouverture axiale, traversant de part en part l'arbre du rotor et servant à la face antérieure à rece voir l'outil.
Par une telle disposition des voies de courant et par la conduite d'air ou de gaz ainsi réa lisée, on peut obtenir non seulement une excellente stabilisation élastique du rotor en direction axiale, et par là un travail plus doux, mais en plus de cela et grâce à cette stabilisation et aussi au refroidissement des paliers réalisés par cette conduite d'air, enfin éventuellement par une lubrification de ces paliers par un brouillard d'huile ajouté au gaz, la durée de vie de ces paliers, et, par conséquent, des moyens d'entraînement, peut être prolongée notablement.
Le dessin ci-joint représente, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution de l'objet de l'invention. Dans ce dessin:
la fig. 1 est une élévation latérale d'une pièce à main pour dentiste;
la fig. 2 est une coupe verticale longitudinale par la pièce à main représentée par la fig. 1 ;
la fig. 3 est une coupe verticale fragmentaire, agrandie, de la tête ou enveloppe de la pièce à main représentée sur la fig. 1, montrant plus particulièrement des détails de construction de celle-ci;
la fig. 4 est une coupe horizontale de la tête ou enveloppe de la pièce à main, suivant la ligne 4-4 de la fig. 3, illustrant particulièrement la relation entre les portions de talon des espaces entre aubes de turbine et les éléments antifriction des paliers, et aussi l'espace annulaire au sein duquel fonctionnent les portions périphériques des aubes de turbine;
la fig. 5 est une élévation latérale d'un bloc de col, utilisé à l'intérieur de l'extrémité de tête de la poignée de la pièce à main;
la fig. 6 est une vue, par l'arrière, du bloc de col représenté sur la fig. 5, et
la fig. 7 est une vue, par devant, du bloc de col représenté sur la fig. 6.
Si l'on considère les dessins, la pièce à main 22 est constituée par une poignée 24, moletée pour plus
de commodité en 26, et à l'extrémité de laquelle est fixée une tête ou enveloppe de turbine 28. L'extrémité de la poignée présente un coude en 30, ainsi
qu'il est usuel dans les pièces à main à angle inversé.
La tête 28 présente une cavité ou alésage à peu près cylindrique 32, qui se termine, à l'extrémité inférieure, par un trou 34, à travers lequel fait saillie l'extrémité normalement inférieure d'un axe ou
arbre de turbine 36. L'extrémité normalement infé
rieure de l'axe ou arbre de turbine 36 est supportée,
de manière à pouvoir tourner, par un palier inférieur
antifriction 38, qui possède une bague intérieure 40,
une bague extérieure 42, et des éléments antifriction maintenus lâchement, constitués par des billes 44.
L'extrémité inférieure de l'arbre 36 est logée avec
coulissement et frottement à l'intérieur de la bague
intérieure 40. La bague extérieure du palier est mon
tée sur un épaulement 46 de l'intérieur de la tête
28, et est maintenue en place sur cet épaulement par
une bague ou rondelle de serrage 48, qui est vissée
dans la cavité 32, en 50, un léger jeu 51 étant prévu
sur l'extrémité inférieure de la tête 28, en dessous
de la bague intérieure 40.
A l'extrémité supérieure de l'axe 36, un palier normalement supérieur 52 possède une bague intérieure 54 frettée sur l'extrémité supérieure de l'arbre 36. Le palier supérieur possède un jeu de billes antifriction 56 adaptées lâchement, et une bague extérieure 58 sur laquelle est fretté un anneau ou collier d'espacement 60 de hauteur légèrement supérieure à celle des bagues de palier, l'extrémité supérieure de l'anneau 60 s'étendant au-dessus des bagues de palier pour donner un jeu 61 destiné à la bague intérieure 54. En général, les paliers 38 et 52 sont similaires.
Un chapeau 62, qui est vissé en 64 dans la cavité 32, bloque l'anneau d'espacement 60 contre un épaulement annulaire 66, et sert ainsi à maintenir en place le palier assemblé 52 et l'arbre 36, et aussi pour fermer l'extrémité supérieure de la cavité 32.
Avec l'arbre 36, fait corps un rotor de turbine comprenant des aubes 68 dirigées axialement et radialement. Comme on le voit mieux sur la fig. 4, ces aubes sont courbées sur la surface antérieure 70, et possèdent une surface postérieure plate 72. Dans la forme représentée, l'arbre 36 et la turbine peuvent être fabriqués d'une seule pièce dans une matière appropriée, par exemple un métal résistant à la corrosion, et le diamètre de la turbine depuis l'extrémité d'une aube jusqu'à l'extrémité de l'aube opposée est de 7,1 mm dans des pièces à main utilisées avec succès, le rayon de courbure de la surface antérieure étant de 4,37 mm. La surface plate 72 est inclinée d'environ 12,50 par rapport au diamètre.
On a trouvé qu'une turbine présentant les proportions indiquées ci-dessus permet au gaz entrant de frapper la surface plate 72 et de se détendre contre elle, en donnant une composante maximum de force entraînant la turbine autour de son axe de rotation.
Il y a lieu de noter particulièrement, sur la fig.
4, que les talons des aubes 68 et les sommets des espaces compris entre elles, sont pratiquement en alignement axial avec les éléments antifriction tels que les billes 44 et 56. I1 semble que, grâce à cette disposition, des colonnes de gaz jaillissent sous pression en direction axiale, depuis les extrémités des sommets de ces espaces entre les aubes 68, et baignent directement les billes 44 et 56 des paliers, facilitant à la fois le refroidissement et l'amortisse ment des pièces de ; paliers.
Avec l'arbre, font corps aux extrémités opposées des aubes de turbine, un collier supérieur 74 et un collier inférieur 76. Ces colliers servent à espacer les paliers 52 et 38, respectivement, d'une distance précise par rapport aux extrémités supérieure et inférieure des aubes de turbine. Etant donné que la rondelle de serrage 48 est usinée avec précision, elle est également espacée avec précision par rapport à l'extrémité inférieure des aubes de turbine 68. Un obturateur annulaire 77, représenté sur la fig. 3, et
qui ; peut faire corps avec l'extrémité inférieure de l'anneau d'espacement 60, est maintenu en position espacée avec précision par rapport aux extrémités supérieures des aubes 68.
Les périmètres des ouvertures centrales de l'obturateur 77 et de la rondelle de serrage 48 sont, de préférence, à peu près alignés axialement avec les centres des éléments antifriction 44 et 56, dans un but qui sera expliqué.
I1 semble que les espacements immédiatement au-dessus et en dessous des aubes de turbine 68; relativement à l'obturateur 77 et à la rondelle de serrage 48 respectivement, soient des facteurs déterminants dans une certaine mesure. Dans un moteur de la grandeur indiquée, les espacements doivent être compris entre 0,125 et 0,65 mm. Si ces espacements sont trop petits, on obtient un état de choses qui gêne l'écoulement convenable du gaz moteur à travers les paliers, il en résulte un refroidissement insuffisant et on obtient un bruit rappelant une sirène, tandis que si l'espace est trop grand, il en résulte un couple insuffisant et la longueur totale de l'ensemble s'accrôît, ce qui nuit au but poursuivi qui est d'obtenir un moteur à turbine de dimension minimum, particulièrement pour l'usage dentaire intrabuccal.
Il y a lieu d'observer que, dans la construction décrite jusqu'ici, la moitié extérieure environ des aubes de turbine est confinée dans une poche annulaire 79, définie par la surface cylindrique intérieure de la cavité 32, la surface supérieure de la rondelle de serrage 48 et la surface inférieure de l'obturateur 77. Cette poche annulaire 79 sert à confiner les portions extérieures ou périphériques des aubes 68, et le gaz qui les frappe et se détend contre elles, de sorte que la majeure partie de la force développée par le gaz pendant cette détente est appliquée aux aubes de turbine de manière à engendrer un couple moteur dans l'arbre 36.
Par suite de la forme des rainures ou encoches entre les aubes 68, et de leur inclinaison plus ou moins tangentielle, il semble que la détente du gaz au sein de ces espaces produit des composantes de force qui tendent à pousser le rotor de turbine en avant. En outre, le seul échappement de ce gaz pour sortir de la cavité annulaire 79 passe par des extrémités opposées de celle-ci, par des ouvertures annulaires resserrées situées respectivement entre les périmètres des ouvertures ventrales de l'obturateur 77 et de la rondelle 48, et des colliers 74 et 76.
Le chapeau 62 est muni d'un ou plusieurs trous d'échappement de gaz 78. Ces trous permettent au gaz qui s'échappe de l'extrémité supérieure de l'espace annulaire 79 de passer entre la bague extérieure 58 et la bague intérieure 54 du palier supérieur 52, et de sortir par ce trou d'échappement 78. Cette disposition amène plusieurs avantages, car le refroidissement et le flottement des paliers sont facilités, et il semble qu'un écoulement de gaz ainsi conçu diminue la turbulence du gaz à l'intérieur de l'enveloppe. Un autre avantage d'aspiration, expliqué plus loin, en résulte aussi.
Dans l'extrémité inférieure de l'enveloppe, plusieurs orifices d'échappement de gaz 80 (de préférence trois) sont espacés uniformément, en direction circonférentielle, autour de l'extrémité inférieure de l'arbre 36, pour assurer le passage des gaz d'échappe pement entre les bagues 40 et 42 du palier inférieur 38, en balayant les éléments antifriction 44, de la façon et avec les effets qui ont été décrits à propos du trou 78 dans le chapeau 62 pour le palier supérieur 52. En outre, les orifices 80 sont légèrement inclinés vers l'axe de l'arbre 36, de manière à diriger le gaz d'échappement contre le bout d'un outil qui, normalement, est porté par l'extrémité inférieure de l'axe de turbine.
Si l'on considère les fig. 2, 3, 4 et 5, une portion de la poignée voisine de l'enveloppe de turbine est formée d'un tube métallique mince 82 dans l'extrémité duquel un bloc de col 84 est inséré. Le bloc de col présente un alésage axial 86 dont l'extrémité extérieure sert d'ajutage pour diriger continuellement un jet de gaz tangentiel contre les portions extérieures des aubes de turbine 68 quand la turbine est en fonctionnement.
Il y a lieu de noter que l'alésage 86 est disposé de manière à diriger le jet de gaz pour qu'il frappe les faces 72 des aubes 68, à peu près sous l'angle tangentiel indiqué sur la fig. 4, relativement à l'axe du rotor de turbine et à peu près à mi-chemin des extrémités des aubes de turbine, de sorte que le gaz s'échappe à peu près dans une égale mesure par des extrémités opposées des espaces compris entre les aubes et à travers les paliers. Le centre du courant de gaz est situé à l'intérieur de la trajectoire circulaire décrite par les extrémités des aubes 68, de sorte que le courant se détend dans toutes les directions contre les faces 72 des aubes lorsqu'il les touche, fournissant ainsi un couple maximum du rotor de turbine.
Une encoche 88 est pratiquée dans le bloc de col, du côté diamétralement opposé à l'alésage 86, pour laisser échapper radialement du gaz de l'enveloppe de turbine dans la poignée. Comme on le verra spécialement par la fig. 7, l'encoche 88 est de section transversale notablement supérieure à celle de l'alésage 86, de sorte que la pression du gaz qui s'échappe dans la cavité 32 ; peut facilement s'y détendre, et que le gaz détendu s'échappe principalement de la cavité 32 par l'encoche 88, tandis qu'une partie sort par le trou 78 du chapeau et les trous 80 de l'enveloppe 28.
Il y a lieu d'observer qu'avec l'espacement entre l'alésage d'admission 86 et l'encoche d'échappement 88, le gaz parcourt un peu moins de 3600 autour de la tête 28 avant de s'échapper, de sorte que la plus grande proportion d'énergie contenue dans le gaz en détente à l'intérieur de l'enveloppe est utilisée pour actionner la turbine avant que le gaz ne s'échappe.
Le bloc de col présente un alésage supplémentaire 90, qui ne parcourt pas complètement le bloc de col jusqu'à la cavité annulaire 79, mais communique, à son extrémité antérieure, avec un alésage incliné 92 dans un manchon 94 (voir fig. 3) servant à faire passer de l'eau qui doit être dirigée contre l'outil. Le bloc de col 84 présente, en outre, un alésage 87 qui s'étend vers l'intérieur depuis l'extré- mité arrière, et qui est plus grand que l'alésage d'admission de gaz 86 et communique avec celui-ci. Les tubes 96 et 98 sont brasés respectivement dans les alésages 87 et 90, pour la liaison respective avec les sources de gaz et d'eau, et les extrémités extérieures de ces tubes atteignent et traversent respectivement l'extrémité arrière de la poignée 22, pour se raccorder à des tubes flexibles qui amènent respectivement le gaz et l'eau à ces tubes.
L'orifice d'admission 86 a un diamètre de
1,18 mm, le trou 78 du chapeau 62 a un diamètre de 0,79 mm, les trois trous 80 ont chacun 0,53 mm de diamètre, et la différence de diamètre entre l'extrémité d'emboîtement de l'arbre 36 et le trou 34 de l'enveloppe 28 destiné à cet arbre, est de 0,08 mm. Tous ces trous, orifices et espaces annulaires autour de l'extrémité d'emboîtement de l'arbre 36 sont des ouvertures par lesquelles il s'échappe du gaz.
La pièce à main est reliée par l'intermédiaire de soupapes appropriées, aux sources d'eau et d'air qui existent normalement dans un cabinet de dentiste.
La source d'air est, de préférence, sous 1,4 à 2,1 kg/cm2. L'air descend le tube 96 et sort par l'alésage du bloc de col 84, qui forme ajutage. L'air sort sous forme de jet à haute pression, dirigé tangentiellement contre les aubes 68 alignées axialement du rotor de turbine, comme on le voit sur la fig. 4. L'air se détend contre les surfaces plates 72 du rotor de turbine et réagit contre l'alésage cylindrique de l'enveloppe, pour actionner le rotor de turbine à une grande vitesse jusqu'à 400 000 t/min et au-dessus, suivant le réglage de la soupape d'admission d'air du système de commandes, ou suivant l'ajustement opéré, à la main ou au pied, par le dentiste. La détente du gaz se poursuit sur près de 3600 autour de l'intérieur de l'enveloppe.
La zone de détente est limitée à la poche annulaire 79 formée par l'alésage de l'enveloppe, la rondelle de serrage 48 et l'obturateur annulaire 77, ou bien le palier supérieur et l'anneau d'espacement dans le cas où l'on n'a pas prévu d'obturateur 77.
Entre temps, l'excès d'air sort des extrémités supérieure et inférieure des espaces entre aubes de turbine 68, dans leur région de talon, et passe par des ouvertures annulaires resserrées pour arriver sur les éléments antifriction entre les bagues extérieures et intérieures des paliers 44 et 52. Des vapeurs d'huile de graissage sont, par cette occasion, projetées sur les parties voisines des paliers pour assurer la lubrification de ces derniers.
Le gaz quittant les paliers après avoir passé au travers, sort par l'ouverture 78 du chapeau et aussi par les orifices d'échappement 80 de la partie inférieure de l'enveloppe et, de ces orifices, le gaz est dirigé contre l'outil en vue du refroidissement.
Une partie appréciable de l'air amené à la chambre de la turbine s'échappe successivement par l'encoche 88 et l'ouverture d'échappement à resserrement 106, cette dernière maintenant la pression de gaz au sein de la chambre de turbine, relativement à la pression d'entrée, au niveau qui, d'après les constatations, donne un couple suffisant, de sorte qu'une pression de travail suffisante d'environ 0,45 kg peut être exercée par un outil sur une surface de dent, par exemple. Même si un outil devait être freiné par cette pression, il n'en résulte aucun inconvénient pour l'entraînement.
En outre, le fait de donner une pression de travail relativement faible est un facteur de sécurité permettant d'empêcher une action fortuite ou accidentelle de l'outil, et pourtant, cela n'empêche pas de réaliser un forage rapide, même à travers un émail de dent dur, du fait des très grandes vitesses de rotation.
Bien qu'ils fonctionnent à des vitesses exceptionnellement élevées, les paliers, qui sont les seules parties de la pièce à main sujettes à l'usure, fonctionnent à froid et sont légèrement lubrifiés à l'huile, de sorte que ces paliers ont une durée de plusieurs mois.
Bien que l'on envisage d'introduire dans le gaz d'admission une quantité limitée d'huile de graissage, par exemple d'huile minérale légère, de préférence sous la forme d'un brouillard, et bien qu'une portion de ce gaz sorte par les orifices 80 et le trou 78 de l'enveloppe 28, pour arriver dans la cavité buccale du patient, ce volume de gaz est minime en comparaison de celui qui sort par l'extrémité extérieure de la poignée de la pièce à main. D'autre part, étant donné que la quantité d'huile nécessaire au graissage des paliers est très petite, on peut voir qu'au maximum il n'entrera qu'une quantité infinitésimale de cette huile dans la cavité buccale du patient.
L'huile minérale destinée à ce graissage est très efficace, peu coûteuse, et se trouve facilement en qualité conforme à la pharmacopée, de sorte que l'usage de cette huile pour graisser les paliers de la pièce à main ne nuira aucunement au patient.
L'huile de maïs est aussi un lubrifiant utile.
Handpiece for high speed rotating tool
The present invention relates to a handpiece for a high-speed rotating tool, in particular a handpiece for a dentist, driven by a gas turbine.
The economical and practical use of cutting tools comprising a fine grain abrasive, for example silicon carbide, or diamond grains embedded in a binder, requires cutting speeds in excess of 30 m / sec at the periphery of the machine. 'tool. In order to achieve at least approximately these cutting speeds, even for very small diameter tools, extremely high rotational speeds are required which can normally only be achieved by gas turbines. However, such speeds do not fail to cause difficulties for training and, more particularly, in bearings. One of these difficulties is the heating of the bearings even for low axial thrusts, such as they occur at the working pressure of the tool.
The purpose of the; The present invention is the production of a handpiece allowing stabilization in the axial position of the rotor device.
To this end, according to the present invention, the handpiece for a high-speed rotating tool, in particular for a dentist, with gas turbine drive, in which the rotor shaft rotates in anti-friction bearings, is characterized in that the paths, along which the gas is discharged from the rotor at least partially on both sides, are arranged in such a way that the rotor is stabilized in the axial direction.
Preferably, at least part of the gas will escape from the casing parallel to the axis of the rotor.
In an embodiment provided on each side of the rotor with identical bearings, the paths along which the gas is discharged from the rotor from two sides are arranged so that substantially equal volumes of gas per unit of time pass through the two bearings.
Preferably, the front face of the casing around the end of the shaft carrying the tool has a constricted exhaust opening allowing the escape of pressurized gas from a bearing parallel to the shaft. shaft and towards the tool.
In such an arrangement, it will be advantageous if at least part of the gas passes from the rotor through the bearings and then through the constricted exhaust openings communicating with these bearings.
Preferably, these constricted exhaust openings will be arranged in opposite end faces of the casing.
A tangentially loaded rotor can rotate in a chamber having constricted outlet openings for gas, these openings being disposed in the opposite end faces through which the ends of the rotor shaft pass, so that the rotor blades meet. found in an annular chamber. Preferably, the anti-friction bearing (s) adjacent to the rotor are dimensioned so that the radius of the centers of the anti-friction elements is substantially equal to the internal radius of the blades. On the rear end face of the casing there is advantageously provided an exhaust opening for the gas, aligned axially with an axial opening, passing right through the rotor shaft and serving as the front face to receive the gas. tool.
By such an arrangement of the current paths and by the air or gas line thus produced, it is not only possible to obtain an excellent elastic stabilization of the rotor in the axial direction, and thereby a smoother operation, but in addition to that. and thanks to this stabilization and also to the cooling of the bearings produced by this air duct, finally possibly by lubricating these bearings with an oil mist added to the gas, the service life of these bearings, and, consequently, drive means, can be extended significantly.
The accompanying drawing represents, by way of example, some embodiments of the object of the invention. In this drawing:
fig. 1 is a side elevation of a dentist's handpiece;
fig. 2 is a longitudinal vertical section through the handpiece shown in FIG. 1;
fig. 3 is a fragmentary, enlarged vertical section of the head or casing of the handpiece shown in FIG. 1, showing more particularly construction details thereof;
fig. 4 is a horizontal section of the head or casing of the handpiece, taken along line 4-4 of FIG. 3, particularly illustrating the relationship between the heel portions of the spaces between turbine blades and the anti-friction elements of the bearings, and also the annular space within which the peripheral portions of the turbine blades operate;
fig. 5 is a side elevation of a neck block, used inside the head end of the handpiece handle;
fig. 6 is a view, from the rear, of the neck block shown in FIG. 5, and
fig. 7 is a view, from the front, of the neck block shown in FIG. 6.
Considering the drawings, the handpiece 22 consists of a handle 24, knurled for more
convenience at 26, and at the end of which is attached a turbine head or casing 28. The end of the handle has a bend at 30, thus
that it is usual in the handpieces with reverse angle.
Head 28 has a roughly cylindrical cavity or bore 32, which terminates at the lower end in a hole 34, through which the normally lower end of a pin or pin protrudes.
turbine shaft 36. The normally lower end
upper axis or turbine shaft 36 is supported,
so as to be able to turn, by a lower bearing
antifriction 38, which has an inner ring 40,
an outer ring 42, and loosely held antifriction elements formed by balls 44.
The lower end of the shaft 36 is housed with
sliding and friction inside the ring
40. The outer ring of the bearing is my
tee on a shoulder 46 from the inside of the head
28, and is held in place on this shoulder by
a tightening ring or washer 48, which is screwed
in the cavity 32, at 50, a slight clearance 51 being provided
on the lower end of the head 28, below
inner ring 40.
At the upper end of shaft 36, a normally upper bearing 52 has an inner race 54 shrunk onto the upper end of shaft 36. The upper bearing has a set of loosely fitted anti-friction balls 56, and an outer race. 58 on which is shrunk a ring or spacer 60 of height slightly greater than that of the bearing rings, the upper end of the ring 60 extending above the bearing rings to give a clearance 61 for the inner ring 54. In general, the bearings 38 and 52 are similar.
A cap 62, which is screwed at 64 into cavity 32, locks the spacer ring 60 against an annular shoulder 66, and thus serves to hold the assembled bearing 52 and shaft 36 in place, and also to close the upper end of cavity 32.
With the shaft 36, integral with a turbine rotor comprising blades 68 directed axially and radially. As can be seen better in fig. 4, these vanes are curved on the anterior surface 70, and have a flat posterior surface 72. In the form shown, the shaft 36 and the impeller can be made integrally from a suitable material, for example a strong metal. corrosion, and the diameter of the impeller from the end of a vane to the end of the opposite vane is 7.1 mm in successfully used handpieces, the radius of curvature of the anterior surface being 4.37 mm. The flat surface 72 is inclined approximately 12.50 from the diameter.
It has been found that a turbine of the proportions indicated above allows the incoming gas to strike the flat surface 72 and relax against it, giving a maximum component of force driving the turbine around its axis of rotation.
It should be noted in particular, in fig.
4, that the heels of the blades 68 and the tops of the spaces between them are practically in axial alignment with the anti-friction elements such as the balls 44 and 56. It seems that, thanks to this arrangement, the columns of gas spring out under pressure in the axial direction, from the ends of the tops of these spaces between the blades 68, and directly bathe the balls 44 and 56 of the bearings, facilitating both the cooling and the damping of the parts; bearings.
Together with the shaft, at opposite ends of the turbine blades, an upper collar 74 and a lower collar 76 are integral. These collars serve to space the bearings 52 and 38, respectively, a precise distance from the upper and lower ends. turbine blades. Since the clamp washer 48 is precision machined, it is also precisely spaced from the lower end of the turbine blades 68. An annular shutter 77, shown in FIG. 3, and
who ; may be integral with the lower end of the spacer ring 60, is held in a precisely spaced position from the upper ends of the vanes 68.
The perimeters of the central openings of the shutter 77 and the clamping washer 48 are preferably approximately aligned axially with the centers of the anti-friction members 44 and 56, for a purpose which will be explained.
It appears that the clearances immediately above and below the turbine blades 68; relative to the shutter 77 and the clamping washer 48 respectively, are determining factors to some extent. In a motor of the size shown, the clearances should be between 0.125 and 0.65 mm. If these spacings are too small, a state of affairs is obtained which hinders the proper flow of motive gas through the bearings, resulting in insufficient cooling and a sound reminiscent of a siren, while if the space is too large, this results in insufficient torque and the total length of the assembly increases, which detracts from the objective pursued, which is to obtain a turbine engine of minimum size, particularly for intraoral dental use.
It should be observed that, in the construction described so far, approximately the outer half of the turbine blades are confined in an annular pocket 79, defined by the inner cylindrical surface of the cavity 32, the upper surface of the washer. clamp 48 and the lower surface of the shutter 77. This annular pocket 79 serves to confine the outer or peripheral portions of the vanes 68, and the gas which strikes and expands against them, so that most of the force developed by the gas during this expansion is applied to the turbine blades so as to generate a driving torque in the shaft 36.
Due to the shape of the grooves or notches between the blades 68, and their more or less tangential inclination, it seems that the expansion of the gas within these spaces produces force components which tend to push the turbine rotor forward. . In addition, the only escape of this gas to leave the annular cavity 79 passes through opposite ends thereof, through tightened annular openings located respectively between the perimeters of the ventral openings of the shutter 77 and of the washer 48, and collars 74 and 76.
The cap 62 is provided with one or more gas exhaust holes 78. These holes allow the gas which escapes from the upper end of the annular space 79 to pass between the outer ring 58 and the inner ring 54. from the upper bearing 52, and to exit through this exhaust hole 78. This arrangement brings several advantages, since the cooling and the floating of the bearings are facilitated, and it seems that a gas flow thus designed decreases the turbulence of the gas at inside the envelope. Another suction advantage, explained later, also results.
In the lower end of the casing, a plurality of gas exhaust ports 80 (preferably three) are spaced evenly, in the circumferential direction, around the lower end of the shaft 36, to provide passage of the gas from 'escape between the rings 40 and 42 of the lower bearing 38, sweeping the antifriction elements 44, in the manner and with the effects which have been described in connection with the hole 78 in the cap 62 for the upper bearing 52. In addition, the orifices 80 are slightly inclined towards the axis of the shaft 36, so as to direct the exhaust gas against the tip of a tool which normally is carried by the lower end of the turbine shaft.
If we consider figs. 2, 3, 4 and 5, a portion of the handle adjacent to the turbine casing is formed of a thin metal tube 82 into the end of which a neck block 84 is inserted. The neck block has an axial bore 86, the outer end of which serves as a nozzle to continuously direct a tangential jet of gas against the outer portions of the turbine blades 68 when the turbine is in operation.
It should be noted that the bore 86 is arranged so as to direct the gas jet so that it strikes the faces 72 of the vanes 68, approximately at the tangential angle indicated in FIG. 4, relatively to the axis of the turbine rotor and about halfway between the ends of the turbine blades, so that the gas escapes approximately in equal measure through opposite ends of the spaces between the vanes and through the bearings. The center of the gas stream is within the circular path described by the tips of the vanes 68, so that the stream expands in all directions against the faces 72 of the vanes when it hits them, thus providing a maximum torque of the turbine rotor.
A notch 88 is made in the neck block, on the side diametrically opposite the bore 86, to allow gas to escape radially from the turbine casing into the handle. As will be seen especially from FIG. 7, the notch 88 is of cross-section significantly greater than that of the bore 86, so that the pressure of the gas which escapes in the cavity 32; can easily expand therein, and that the expanded gas escapes mainly from the cavity 32 through the notch 88, while a part comes out through the hole 78 of the cap and the holes 80 of the casing 28.
It should be observed that with the spacing between the inlet bore 86 and the exhaust notch 88, the gas travels a little less than 3600 around the head 28 before escaping, from so that the greater proportion of energy contained in the expanding gas inside the casing is used to operate the turbine before the gas escapes.
The neck block has an additional bore 90, which does not go all the way through the neck block to the annular cavity 79, but communicates, at its anterior end, with an inclined bore 92 in a sleeve 94 (see Fig. 3). used to pass water which must be directed against the tool. The neck block 84 further has a bore 87 which extends inwardly from the rear end, and which is larger than and communicates with the gas inlet bore 86. . The tubes 96 and 98 are brazed respectively in the bores 87 and 90, for the respective connection with the gas and water sources, and the outer ends of these tubes reach and pass respectively through the rear end of the handle 22, for connect to flexible tubes which bring gas and water respectively to these tubes.
The inlet port 86 has a diameter of
1.18mm, hole 78 of cap 62 has a diameter of 0.79mm, the three holes 80 are each 0.53mm in diameter, and the difference in diameter between the socket end of shaft 36 and the hole 34 of the casing 28 intended for this shaft is 0.08 mm. All of these holes, orifices and annular spaces around the engagement end of shaft 36 are openings through which gas escapes.
The handpiece is connected, through appropriate valves, to the water and air sources that normally exist in a dental office.
The air source is preferably under 1.4 to 2.1 kg / cm2. Air descends tube 96 and exits through the bore of neck block 84, which forms a nozzle. The air exits in the form of a high pressure jet directed tangentially against the axially aligned vanes 68 of the turbine rotor, as seen in FIG. 4. The air expands against the flat surfaces 72 of the turbine rotor and reacts against the cylindrical bore of the casing, to actuate the turbine rotor at a high speed up to 400,000 rpm and above. , according to the adjustment of the air intake valve of the control system, or according to the adjustment made, by hand or by foot, by the dentist. Gas expansion continued for nearly 3600 around the interior of the envelope.
The expansion zone is limited to the annular pocket 79 formed by the bore of the casing, the clamping washer 48 and the annular shutter 77, or else the upper bearing and the spacer ring in the case where the 'no shutter 77 has been provided.
In the meantime, the excess air exits from the upper and lower ends of the spaces between turbine blades 68, in their heel region, and passes through tightened annular openings to arrive on the anti-friction elements between the outer and inner rings of the bearings. 44 and 52. Lubricating oil vapors are, on this occasion, projected onto the neighboring parts of the bearings to ensure the lubrication of the latter.
The gas leaving the bearings after passing through, exits through the opening 78 of the bonnet and also through the exhaust ports 80 of the lower part of the casing and, from these ports, the gas is directed against the tool for cooling.
A substantial portion of the air supplied to the turbine chamber escapes successively through the notch 88 and the constricted exhaust opening 106, the latter maintaining the gas pressure within the turbine chamber relatively. at the inlet pressure, at the level which, according to the findings, gives sufficient torque so that a sufficient working pressure of about 0.45 kg can be exerted by a tool on a tooth surface, for example. Even if a tool were to be braked by this pressure, this does not cause any inconvenience to the drive.
In addition, the fact of giving a relatively low working pressure is a safety factor which makes it possible to prevent accidental or accidental action of the tool, and yet it does not prevent rapid drilling, even through a hard tooth enamel, due to the very high rotational speeds.
Although they operate at exceptionally high speeds, the bearings, which are the only parts of the handpiece subject to wear, run cold and are lightly lubricated with oil, so these bearings last of several months.
Although it is envisaged to introduce into the intake gas a limited amount of lubricating oil, for example light mineral oil, preferably in the form of a mist, and although a portion of this gas exits through the orifices 80 and the hole 78 of the casing 28, to reach the oral cavity of the patient, this volume of gas is minimal compared to that which exits through the outer end of the handle of the handpiece . On the other hand, given that the quantity of oil necessary for lubricating the bearings is very small, it can be seen that at most only an infinitesimal quantity of this oil will enter the oral cavity of the patient.
Mineral oil for this lubrication is very effective, inexpensive, and readily available in pharmacopoeial quality, so that the use of this oil to lubricate the bearings of the handpiece will not harm the patient in any way.
Corn oil is also a useful lubricant.