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Die Erfindung bezieht sich auf ein medizinisches oder zahnmedizinisches handgeführtes Instrument mit einem rotierenden Werkzeug.
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Die
EP 2 752 167 A1 offenbart ein fluidbetriebenes dentales Handstück mit einem Turbinenlaufrad, das mehrere gekrümmte Turbinenschaufeln an einer Nabe aufweist und zum Antrieb eines Werkzeugs im dentalen Handstück dient. Dem Turbinenlaufrad wird ein Antriebsfluid zugeführt, das auf die Turbinenschaufeln trifft und das Turbinenlaufrad antreibt, wodurch auch das Werkzeug angetrieben wird. Zur Wirkungsgradverbesserung weist die Rückseite der Turbinenschaufeln eine konkave Fläche aufweist, welche zur Frontseite der Turbinenschaufeln gekrümmt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach aufgebautes medizinisches oder zahnmedizinisches handgeführtes Instrument mit einer drehbar gelagerten Turbine und einem rotierenden Werkzeug zu schaffen, wobei sich das Instrument durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das medizinische oder zahnmedizinische handgeführte Instrument eignet sich insbesondere zur Bearbeitung von weichem oder hartem menschlichen oder tierischen Gewebe, das mithilfe eines rotierenden Werkzeugs im Instrument bearbeitet wird. Bei dem handgeführten Instrument handelt es sich beispielsweise um ein Hand- oder Winkelstück, insbesondere eine zahnärztliche Turbine wie einen Bohrer, insbesondere einen Zahnbohrer mit einem Bohrwerkzeug.
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Das Instrument weist ein rotierendes bzw. rotierend gelagertes Werkzeug auf, das mit einer drehbar gelagerten Turbine gekoppelt und von der Turbine angetrieben ist. Werkzeug und Turbine können koaxial gelagert und drehfest miteinander verbunden sein. Möglich ist aber auch eine nicht-koaxiale Lagerung von Werkzeug und Turbine, beispielsweise mit parallel versetzten Drehachsen oder mit winklig zueinander ausgerichteten Drehachsen. Vorteilhafterweise sind Werkzeug und Turbine direkt drehverbunden, so dass kein Übertragungselement wie beispielsweise ein Zahnrad zwischen Werkzeug und Turbine angeordnet ist. In alternativer Ausführung erfolgt die Übertragung der Antriebsbewegung der Turbine auf das Werkzeug über ein Getriebe mit mindestens einem zwischenliegenden beweglichen Bauteil wie beispielsweise einem Zahnrad.
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Die Turbine ist von einem Fluidstrahl angetrieben, der durch ein Gehäuse des Instruments geführt ist. Bei dem Fluid handelt es sich entweder um ein flüssiges oder ein gasförmiges Fluid, vorzugsweise Luft, wobei das gasförmige Fluid als Aerosol ausgebildet und entsprechend mit Wassertröpfchen angereichert sein kann.
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Die Turbine des erfindungsgemäßen handgeführten Instruments ist als eine Tesla-Turbine ausgebildet, die an einem drehbar im Gehäuse gelagerten Turbinenkörper eine oder mehrere Scheiben aufweist, wobei die Ebene der Scheiben orthogonal zur Drehachse steht. Die Scheibe oder die Scheiben der Tesla-Turbine sind tangential von dem Fluidstrahl angeströmt. Durch die Anströmung wird durch Viskosität und Adhäsion Energie vom Fluidstrahl auf die Scheibe oder Scheiben übertragen, wodurch die Tesla-Turbine angetrieben wird. Die Antriebsbewegung wird von der Tesla-Turbine auf das Werkzeug übertragen, so dass das Werkzeug um seine Drehachse rotiert.
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Die Ausführung als Tesla-Turbine hat den Vorteil, dass ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann. Der Wirkungsgrad liegt üblicherweise höher als bei einer Turbine mit Turbinenschaufeln, die ausschließlich durch einen auf die Turbinenschaufeln auftreffenden Fluidstrahl angetrieben wird.
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Außerdem ist bei der Tesla-Turbine durch die gleichmäßige Kraftübertragung bei gleicher Drehzahl eine geringere Lärmentwicklung gegeben. Turbinenschaufeln erzeugen dagegen bei hoher Drehzahl pulsierenden Schall mit unangenehmen hohen Frequenzen, was bei der Tesla-Turbine nicht der Fall ist.
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Die Tesla-Turbine ist vorzugsweise schaufellos ausgebildet. Alternativ können auch Schaufeln an der Tesla-Turbine angeordnet sein, auf die der Fluidstrahl trifft und über die die Tesla-Turbine zusätzlich angetrieben wird.
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Bei der Anströmung der Scheibe oder Scheiben wird der Fluidstrom abgebremst und in Richtung zur Scheibenmitte hin abgelenkt. Das Fluid strömt spiralförmig nach innen; hierbei wird weiterhin Bewegungsenergie auf die Scheibe oder Scheiben übertragen.
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Der Turbinenkörper, der Träger der Scheibe oder Scheiben ist, kann als Welle ausgebildet sein, deren Längsachse von der Drehachse gebildet ist. Bei einer Ausführung der Welle als Hohlwelle können in die Wandung der Hohlwelle Öffnungen eingebracht sein, durch die das Fluid des Fluidstroms in das Innere der Hohlwelle einströmt, woraufhin das Fluid axial durch die Hohlwelle abgeführt wird.
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Vorteilhaft ist es außerdem, dass die Tesla-Turbine einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist und entsprechend kostengünstig hergestellt werden kann. Die Scheibe oder Scheiben, welche von dem Fluidstrahl tangential angeströmt werden, weisen einen einfachen und einfach herzustellenden Aufbau auf. Es sind keine komplexen dreidimensionalen Formen wie bei Turbinenschaufeln erforderlich.
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In einer zweckmäßigen Ausführung sind ein drehbar im Gehäuse gelagerter Turbinenkörper, der die Drehachse bildet, und die Scheibe oder Scheiben der Tesla-Turbine einteilig ausgebildet. Dies stellt einen geringeren Fertigungsaufwand dar als die einzelne Herstellung und nachträgliche Verbindung von Turbinenkörper und Scheibe oder Scheiben und kann aufgrund der verhältnismäßig kleinen Dimensionen der Tesla-Turbine in der Verwendung im medizinischen oder zahnmedizinischen Instrument ohne weiteres realisiert werden. Die einteilige Ausführung von Turbinenkörper und die Scheibe oder Scheiben kann beispielsweise mittels CNC-Lasertechnik hergestellt werden.
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Desweiteren ist es vorteilhaft, dass der Fluidstrom nach dem Auftreffen auf die Scheibe oder Scheiben erheblich verlangsamt wird, wodurch ein zielgerichtetes Abströmen und Weiterleiten des Fluids erleichtert wird. Die kinetische Energie des Fluidstrahls, die beim Abbremsen frei wird, wird in Rotationsenergie der Tesla-Turbine umgesetzt.
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Vorteilhaft ist es außerdem, dass die Tesla-Turbine mit hohen Drehzahlen umläuft. Diese hohe Drehzahl kann beispielsweise im Falle eines Zahnbohrers unmittelbar von der Tesla-Turbine auf das Bohrwerkzeug übertragen werden.
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Es genügt grundsätzlich, dass die Tesla Turbine nur eine Scheibe aufweist, deren Seitenfläche von dem Fluidstrahl in Tangentialrichtung angeströmt wird. Bei der tangentialen Anströmung verläuft der Fluidstrahl parallel oder annähernd parallel zur Ebene mit der angeströmten Scheibenfläche, wobei gegebenenfalls ein kleiner Winkel zwischen dem auf die Scheibenfläche auftreffenden Fluidstrahl und der Scheibenfläche möglich ist, der vorzugsweise maximal 10° oder maximal 20° beträgt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind mehrere Scheiben parallel zueinander angeordnet und zueinander beabstandet, beispielsweise fünf oder mehr Scheiben, wobei durch jeden Spalt zwischen zwei Scheiben ein Fluidstrahl geführt ist. Die Scheiben der Tesla-Turbine sind fest mit dem eine Welle bildenden Turbinenkörper verbunden, wobei die Scheibenebenen orthogonal zur Drehachse der Tesla-Turbine liegen.
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Im Fall von zwei oder mehr benachbarten Scheiben der Tesla-Turbine ist der Wirkungsgrad weiter erhöht, da der Fluidstrahl, der in die Zwischenräume zwischen den Scheiben geführt wird, beide unmittelbar benachbarte Scheiben antreibt.
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Der Durchmesser der Scheibe oder der Scheiben der Tesla-Turbine beträgt beispielsweise 9 oder 10 mm, der Abstand zwischen zwei benachbarten Scheiben beispielsweise 0.1 mm und die Scheibendicke beispielsweise 0.3 mm. Der wellenförmige, die Drehachse bildende Turbinenkörper, an dem die Scheibe oder Scheiben angeordnet sind, weist beispielsweise einen Durchmesser von 3 mm auf.
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In das Gehäuse des handgeführten Instruments ist vorteilhafterweise ein Zufuhrkanal für das Fluid eingebracht, das als Fluidstrahl die Scheibe oder Scheiben der Tesla-Turbine antreibt. Der Zufuhrkanal weist im Bereich seiner Mündung auf der der Tesla-Turbine zugewandten Seite eine Ausrichtung auf, die mit der Scheibe oder den Scheiben in der Tesla-Turbine einen Winkel einnimmt, der maximal 10° oder maximal 20° beträgt, bevorzugt jedoch bei 0° liegt. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Fluidstrahl, mit dem das Fluid aus dem Zufuhrkanal austritt und die Scheibe oder Scheiben der Tesla-Turbine anströmt, exakt tangential oder zumindest annähernd tangential zu der Scheibe oder den Scheiben gerichtet ist.
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Das Gehäuse weist, gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung, einen Gehäusegriff und einen Gehäusekopf auf, wobei der Gehäusegriff den Zufuhrkanal aufnimmt und der Gehäusekopf die Tesla-Turbine sowie das rotierende Werkzeug, das von der Tesla-Turbine angetrieben ist.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist im oder am Gehäuse ein Ableitungskanal angeordnet, über den das Fluid stromab der Scheibe oder Scheiben ableitbar ist. Der Ableitungskanal zweigt vorzugsweise auf der dem Werkzeug abgewandten Seite am Gehäuse ab und kann entweder innerhalb des Gehäuses verlaufen oder auf der Außenseite des Gehäuses, jedoch fest mit diesem verbunden. Der Ableitungskanal kann im weiteren Verlauf, der sich an die Abzweigung stromab der Tesla-Turbine anschließt, parallel zum Zufuhrkanal im Gehäuse angeordnet sein. Im Fall eines Zahnbohrers oder eines sonstigen Bohrers verläuft der Ableitungskanal abschnittsweise parallel zum Zufuhrkanal im Gehäusegriff.
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In einer alternativen Ausführung weist der Ableitungskanal auf seiner der Tesla-Turbine abgewandten Seite eine Mündungsöffnung auf, die in Richtung des Werkzeugs zeigt. Dementsprechend wird das Fluid stromab der Tesla-Turbine in Richtung auf den zu bearbeitenden Gegenstand geleitet. Das Fluid trifft auf den zu bearbeitenden Gegenstand und kühlt diesen.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind über den Umfang verteilt mehrere Verbindungstege zwischen den Scheiben der Tesla-Turbine angeordnet. Die Verbindungsstege stabilisieren und stützen die Position der Scheiben auf dem Turbinenkörper und sorgen für einen gleichbleibenden Abstand zwischen den Scheiben. Die Verbindungsstege werden beim Anströmen von dem Fluidstrahl getroffen, wodurch ein zusätzlicher Impuls auf die Scheiben ausgeübt wird, der zum Antrieb der Tesla-Turbine beiträgt. Der Tesla-Effekt, über den die Turbine hauptsächlich angetrieben wird, bleibt hierbei unbeeinträchtigt oder zumindest weitgehend unbeeinträchtigt.
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Es kann zweckmäßig sein, dass die Verbindungsstege in Radialrichtung nur eine Teilerstreckung aufweisen, bezogen auf den Radius der Scheiben. Dementsprechend ist die Radialerstreckung der Verbindungsstege kleiner als der Scheibenradius. Dies hat den Vorteil, dass das Fluid, welches aufgrund des Tesla-Effekts in Richtung der Scheibenmitte strömt, an den Verbindungsstegen vorbeiströmen kann und zumindest weitgehend unbeeinträchtigt von den Verbindungsstegen bleibt. Die Verbindungsstege können beispielsweise so ausgeführt sein, dass radial hintereinanderliegend mindestens zwei Verbindungsstücke zwischen den Scheiben angeordnet sind, wobei zwischen den Verbindungsstegen ein radialer Durchlass liegt. Durch diesen radialen Durchlass kann das Fluid in Richtung der Scheibenmitte strömen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann zur Umkehrung der Drehrichtung der Tesla-Turbine die Fließrichtung des antreibenden Fluids umgekehrt werden, so dass das Fluid über den Ableitungskanal zugeführt und über den Zufuhrkanal abgeleitet wird. Diese Ausführung und Vorgehensweise eignet sich insbesondere für den Fall, dass Zufuhr- und Ableitungskanal parallel zueinander im Gehäuse verlaufen. Die Umkehrung der Drehrichtung erlaubt zum einen zusätzliche Bearbeitungsmöglichkeiten, zum andern wird das rotierende Werkzeug gleichmäßiger abgenutzt, wodurch die Haltbarkeit verlängert wird.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 einen Schnitt durch einen Zahnbohrer mit einer Tesla-Turbine zum Antrieb eines Bohrwerkzeugs,
- 2 die Tesla-Turbine in Einzeldarstellung,
- 3 die Tesla-Turbine mit eingesetztem Bohrwerkzeug,
- 4 eine perspektivische Ansicht der Tesla-Turbine,
- 5 eine weitere perspektivische Ansicht einer Tesla-Turbine in einer Ausführungsvariante mit Verbindungsstegen zwischen den Scheiben der Tesla-Turbine,
- 6 einen Schnitt durch einen Zahnbohrer mit einem Ableitungskanal zur Ableitung des Fluids, welches die Tesla-Turbine antreibt, in Richtung auf das Bohrwerkzeug, wobei der Ableitungskanal axial auf der dem Bohrwerkzeug gegenüberliegenden Seite verzweigt,
- 7 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsvariante eines Zahnbohrers, bei der der Ableitungskanal im Seitenbereich der Tesla-Turbine verzweigt.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist als zahnärztliches Instrument ein Zahnbohrer 1 dargestellt, der ein Gehäuse 2 aufweist, welches einen Gehäusegriff 2a und einen Gehäusekopf 2b umfasst. Gehäusegriff 2a und Gehäusekopf 2b sind einteilig ausgeführt. In den Gehäusegriff 2a ist ein Zufuhrkanal 3 für die Zufuhr eines Fluids eingebracht, das in Form eines Fluidstrahls 4 gemäß dem eingetragenen Pfeil in Richtung auf eine Tesla-Turbine 5 geführt ist. Bei dem Fluid, das über den Zufuhrkanal 3 eingeführt wird, handelt es sich beispielsweise um ein Aerosol, bestehend aus Luft mit beigefügten Wassertröpfchen.
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Die Tesla-Turbine 5 ist im Gehäusekopf 2b drehbar gelagert. Mit dem unteren Abschnitt der Tesla-Turbine 5 ist ein Werkzeug in Form eines Bohrwerkzeugs 6 drehfest verbunden, wobei das Bohrwerkzeug 6 aus dem Gehäusekopf 2b nach unten hinausragt. Die Lagerung der Tesla-Turbine 5 im Gehäusekopf 2b erfolgt über zwei axial zueinander beabstandete Lagerstellen 7 und 8, in denen ein Turbinenkörper 10 der Tesla-Turbine 5 drehbar aufgenommen ist.
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Wie 1 in Verbindung mit den weiteren 2 bis 4 zu entnehmen ist, weist die Tesla-Turbine 5 mehrere axial übereinanderliegende und zueinander beabstandete Scheiben 9 auf, zwischen denen jeweils ein kleiner Zwischenraum liegt, in den der Fluidstrahl 4 eindringen kann. Insgesamt sind im Ausführungsbeispiel 8 übereinanderliegende Scheiben 9 in der Tesla-Turbine 5 angeordnet. Die Scheiben 9 sind drehfest mit dem Turbinenkörper 10 der Tesla-Turbine 5 verbunden, wobei der Turbinenkörper 10 als Welle ausgebildet ist, die an den Lagerstellen 7 und 8 im Gehäusekopf 2b abgestützt und gelagert ist. Die Scheiben 9 sind fest mit dem Turbinenkörper 10 verbunden.
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Der Zufuhrkanal 3 nimmt mit der Ebene der Scheiben 9 einen kleinen Winkel von annähernd 10° ein. Dementsprechend trifft auch der Fluidstrahl 4 unter einem Winkel von annähernd 10° auf das Scheibenpaket mit den Scheiben 9 und tritt mit diesem Winkel in die Zwischenräume zwischen benachbarten Scheiben 9 ein. In den Zwischenräumen bewegt sich der Fluidstrahl 4 tangential, bezogen auf die Längsachse 11 von Tesla-Turbine 5 und Bohrwerkzeug 6 und damit auch parallel zur Scheibenebene der Scheiben 9. Der Fluidstrahl 4 überträgt seine kinetische Energie durch Viskosität und Adhäsion auf die Scheiben 9 und treibt hierdurch die Tesla-Turbine 5 und somit auch das Bohrwerkzeug 6 an.
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Bei der Anströmung der Scheiben 9 der Tesla-Turbine 5 wandert das Fluid, das im Fluidstrahl 4 herangeführt wird, spiralförmig nach innen in Richtung Längsachse 11, wobei weiterhin Bewegungsenergie auf die Scheiben 9 übertragen wird. Der wellenförmige Turbinenkörper 10 kann als Hohlwelle ausgebildet sein, zumindest im Bereich der Scheiben 9 sowie in dem der Werkzeugaufnahme gegenüberliegenden axialen Abschnitt, wobei in die Wandung im Bereich der Scheiben 9 Öffnungen eingebracht sein können, durch die das Fluid hindurchtritt. Anschließend kann das Fluid im Inneren der Hohlwelle 10 beispielhaft axial nach oben abgeleitet werden.
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In 5 ist eine Ausführungsvariante einer Tesla-Turbine 5 dargestellt, die den gleichen Grundaufbau mit mehreren, zueinander parallel angeordneten und beabstandeten Scheiben 9 an einem wellenförmigen Turbinenkörper 10 aufweist. Zusätzlich sind über den Umfang verteilt mehrere Verbindungsstege 12 zwischen den Scheiben 9 angeordnet, die sich axial über das gesamte Scheibenpaket erstrecken und für eine zusätzliche Stabilisierung und konstanten Abstand zwischen den Scheiben 9 sorgen. Die Verbindungsstege 12 können sich entweder in Radialrichtung bis zur Welle 10 erstrecken oder, wie im linken Bildbereich dargestellt, es sind in Radialrichtung hintereinanderliegend zwei oder mehr Verbindungsstege 12 angeordnet, die insgesamt jedoch eine geringere Radialerstreckung als die Scheibe 9 aufweisen, so dass eine zwischenliegende Lücke zwischen den Verbindungsstegen 12 liegt. Die Verbindungsstege 12 dienen zusätzlich zur Stabilisierung der Scheiben 9 auch als Turbinenschaufeln, auf die der Fluidstrahl 4 auftrifft, wodurch eine zusätzliche Impulsübertragung von Fluidstrahl 4 auf die Tesla-Turbine 5 gegeben ist.
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In 6 ist eine Ausführungsvariante eines Zahnbohrers 1 dargestellt, in der ein Ableitungskanal 13 axial vom Gehäusekopf 2b des Gehäuses 2 verzweigt und durch den Gehäusegriff 2a geführt ist, jedoch seitlich versetzt zum Zufuhrkanal 3, um eine Vermischung der Fluidströme im Zufuhrkanal 3 und dem Ableitungskanal 13 zu vermeiden. Die Abzweigung des Ableitungskanals 13 erfolgt unmittelbar anschließend an den wellenförmigen Turbinenkörper 10 auf der dem Bohrwerkzeug 6 axial abgewandten Seite. Somit kann das Fluid stromab der Scheiben 9 aus der Welle 10 in den Ableitungskanal 13 abgeleitet werden.
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Der Ableitungskanal 13 weist auf seiner der Abzweigung gegenüberliegenden Seite eine Mündungsöffnung im Seitenbereich des Gehäusegriffs 2a auf, wobei die Mündungsöffnung 14 dem Bohrwerkzeug 6 zugewandt ist. Das Fluid tritt über die Mündungsöffnung 14 aus dem Zahnbohrer 1 aus und trifft auf den vom Bohrwerkzeug 6 zu bearbeitenden Gegenstand, wodurch dieser gekühlt wird.
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In 7 ist eine weitere Ausführungsvariante eines Zahnbohrers 1 dargestellt, bei der der Ableitungskanal 13 in einer alternativen Weise angeordnet ist. Der Ableitungskanal 13 ist vollständig in den Gehäusegriff 2 integriert. Der Ableitungskanal 13 verzweigt vom radialen Seitenbereich der Tesla-Turbine 5 in Höhe der Scheiben 9 und nimmt das abströmende Fluid auf, das im weiteren Verlauf nach unten und somit quer zur Längserstreckung des Gehäusegriffs 2a in Richtung auf das Bohrwerkzeug 6 geführt wird. Der Ableitungskanal 13 ist vollständig innerhalb des Gehäusegriffs 2a und des Gehäusekopfes 2b geführt.
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In noch einer weiteren alternativen Ausführung mündet der Ableitungskanal 13 nicht in Richtung des Bohrwerkzeugs 6, sondern wird durch den Gehäusegriff 2a parallel zum Zufuhrkanal 3 zurückgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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