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Die
Erfindung betrifft einen Sondenfuß für eine Erdwärmesonde zum Einführen in
ein Bohrloch. Darüber
hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Sondenfußes.
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Erdwärmesonden
werden zur Ausnutzung der Erdwärme
als Wärmetauscher
in Bohrlöcher
eingeführt.
Eine Wärmeträgerflüssigkeit
wird zum Wärmeaustausch
mit der Umgebung (Erdreich) und zum Transport der aufgenommenen
Erdwärme
verwendet. Die Wärmeträgerflüssigkeit
wird dabei mit Hilfe eines Wärmeträgerzulaufrohres
von der Erdoberfläche
bis zu dem Sondenfuß geleitet.
Von dort aus wird die erwärmte
Wärmeträgerflüssigkeit über ein
Wärmeträgerrücklaufrohr
an die Oberfläche
zurückgeleitet.
Bei der Wärmeträgerflüssigkeit
handelt es sich zumeist um ein Wasser-Glykol-Gemisch oder (in Wasserschutzgebieten)
um Wasser.
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Oft
ist es wegen unklarer geologischer Verhältnisse schwierig, Bohrlöcher mit
der gewünschten Tiefe
zu bohren. Auf Großbaustellen
werden daher in der Regel Probebohrungen durchgeführt, so
daß die benötigte Länge der
Erdwärmesonden
frühzeitig
feststeht. Ist die benötigte
Länge bekannt,
werden Erdwärmesonden
oft bereits im Werk vorkonfektioniert, d. h. Sondenfuß und Wärmeträgerzulauf-
und Wärmeträgerrücklaufrohre
sind bereits fest miteinander verbunden. So kann eine besonders
hohe Verarbeitungsqualität
sichergestellt werden. Von Nachteil bei diesen vorkonfektionierten
Erdwärmesonden
ist es jedoch, daß deren
Transport vom Werk zum Bohrloch oft aufwendig und teuer ist.
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Auf
Kleinbaustellen kann aus Kostengründen oft keine Probebohrung
erfolgen. Da die benötigte
Länge der
Erdwärmesonde
nicht bekannt ist, muß flexibel
auf die angetroffenen geologischen Verhältnisse reagiert werden. In
solchen Fällen
werden die einzelnen Komponenten der Erdwärmesonde oft erst am Bohrloch
vor Ort zusammenzubauen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die dann
erreichten Verarbeitungsqualitäten
den hohen Anforderungen im harten Baustellenbetrieb nicht genügen.
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Ein
weiterer Nachteil bekannter Erdwärmesonden
ist das schwierige Eintreiben des Sondenfußes in das Bohrloch. Hierzu
werden auf den Sondenfuß häufig sehr
hohe Kräfte
ausgeübt,
so daß die
Gefahr besteht, daß der
Sondenfuß und/oder
die Wärmeträgerzulauf-
bzw. Wärmeträgerrücklaufrohre
beschädigt
werden.
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Ein
weiterer Nachteil bekannter Erdwärmesonden
ist das Auftreten eines sogenannten thermischen Kurzschlusses zwischen
dem Wärmeträgerzulaufrohr
und dem Wärmeträgerrücklaufrohr.
Dadurch kommt es zu ungewollten Wärmeverlusten, die zu einer
Verringerung des Wirkungsgrades der Erdwärmesonde führen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik bereitzustellen,
die auf besonders einfache Art und Weise eine qualitativ hochwertige Verbindung
von Sondenfuß und
Anschlußrohren
am Bohrloch ermöglicht.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Technik bereitzustellen,
die ein besonders einfaches Eintreiben des Sondenfußes in das
Bohrloch ermöglicht.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Technik bereitzustellen,
die das Auftreten eines thermischen Kurzschlusses vermeidet.
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Diese
Aufgaben werden durch einen Sondenfuß nach Anspruch 1 und ein Verfahren
nach Anspruch 16 bzw. durch einen Sondenfuß nach Anspruch 9 bzw. durch
einen Sondenfuß nach
Anspruch 15 gelöst.
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Eine
erste Kernidee der Erfindung ist es, die Verbindung zwischen den
Wärmeträgerzulauf-
und Wärmeträgerrücklaufrohren
und dem Sondenfuß vor Ort
auf der Baustelle durch ein Elektroschweißverfahren herzustellen, wobei
die hierzu verwendete Elektroschweißmuffe bereits im Sondenfuß integriert ist.
Mit anderen Worten müssen
die mit dem Sondenfuß zu
verbindenden Rohre am Bohrloch lediglich mit dem Sondenfuß zusammengeführt werden.
Aufwendige separate Schweißvorrichtungen,
Haltekonstruktionen etc. sind nicht erforderlich. Eine qualitativ hochwertige
Schweißverbindung
von Sondenfuß und Anschlußrohren
kann daher direkt am Bohrloch mit einfachen Mitteln hergestellt
werden.
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Die
Erfindung ermöglicht
es, unmittelbar vor Ort auf der Baustelle zu entscheiden, welche
Länge die
Wärmeträgerzulauf- und Wärmeträgerrücklaufrohre
aufweisen müssen
und im Anschluß daran
den Sondenfuß mit
Anschlußrohren
exakt dieser Länge zu
verbinden. Ein unnötiger
Rohrverschnitt, wie er sehr häufig
auftritt, wenn Rohre von standardisierter Länge bereits ab Werk fertig
mit dem Sondenfuß montiert
auf die Baustelle geliefert werden, kann dadurch vermieden werden.
Dadurch verringern sich die Gesamtkosten der Bohrung deutlich, insbesondere
dann besonders, wenn auf einer Baustelle nur sehr wenige, bspw.
drei oder vier Bohrlöcher
benötigt
werden.
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Eine
weitere Kernidee der Erfindung ist es, das Eintreiben des Sondenfußes in das
Bohrloch dadurch zu vereinfachen, daß die vergleichsweise hohe relative
Dichte des sich im Bohrloch befindenden Bohrwassers um den Sondenfuß herum
durch das Einblasen von Gas verringert wird. Durch die am Sondenfuß erzeugten
Gasblasen wird Material (insbesondere Bohrwasser), welches sich
im Bohrloch befindet verdrängt.
Dadurch verringert sich der Eindringwiderstand, so daß die Erdwärmesonde
besonders einfach in das Bohrloch eingebracht werden kann. Die Verwendung
von Luft als einzublasendes Gas ist besonders kostengünstig. Es
können
jedoch auch andere Einblasgase verwendet werden, bspw. Helium. Helium
hat gegenüber
Luft den Vorteil einer geringeren Dichte, so daß sich der dem Eintreiben des
Sondenfußes
entgegenwirkende Widerstand im Bohrloch weiter verringert.
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Eine
weitere Kernidee der Erfindung ist es, den thermischen Kurzschluß zwischen
dem Wärmeträgerzulaufrohr
und dem Wärmeträgerrücklaufrohr zu
verringern, indem Wärmeträgerzulaufrohre
und Wärmeträgerrücklaufrohre
mit unterschiedlichen Strömungsdurchmessern
verwendet werden. Durch die sich dadurch ergebenden unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten
der Wärmeträgerflüssigkeit wird
die Möglichkeit
des Wärmeaustausches
zwischen den Rohren deutlich verringert. Unterstützend kann wenigstens eines
der Rohre teilweise oder vollständig
wärmeisoliert
sein.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung,
die in den Unteransprüchen
angegeben bzw. in den nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläuterten Ausführungsbeispielen
beschrieben sind. Hierbei zeigen:
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1 eine
erste Ausführung
eines Sondenfuß in
Draufsicht,
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2 den
Sondenfuß aus 1 in
einem Längsschnitt
entlang der Linie II-II in 1,
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3 den
Sondenfuß aus 1 in
einem zweiten Längsschnitt
entlang der Linie III-III in 1,
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4 eine
zweite Ausführungsform
eines Sondenfuß in
einem Längsschnitt
entsprechend 2.
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Sämtliche
Figuren zeigen die Erfindung lediglich schematisch und mit ihren
wesentlichen Bestandteilen.
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Der
in den 1 bis 3 dargestellte Sondenfuß 1 ist
zum Anschluß von
jeweils zwei Wärmeträgerzulaufrohren 2 (mit
durchbrochenen Linien angedeutet in 3) und zwei
Wärmeträgerrücklaufrohren 3 (mit
durchbrochenen Linien angedeutet in 3) ausgebildet.
Jeweils ein Wärmeträgerzulaufrohr 2 und
ein Wärmeträgerrücklaufrohr 3 bilden
dabei ein gemeinsames Rohrleitungspaar, das mit dem Sondenfuß 1 zur
Ausbildung eines Wärmeträgerkreislaufes
verbunden wird. Nachfolgend werden Wärmeträgerzulaufrohre 2 und
Wärmeträgerrücklaufrohre 3 auch
allgemein als Anschlußrohre
bezeichnet. Die Anschlußrohre 2, 3 weisen
einen kreisförmigen
Querschnitt auf.
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Die
Verwendung von zwei Wärmeträgerkreisläufen ist
besonders vorteilhaft, da diese gegenseitig als Ersatzkreisläufe dienen.
Bei dem Ausfall eines Rohrkreislaufes, bspw. in Folge von Undichtigkeiten,
kann das Bohrloch mit dem zweiten Rohrkreislauf weiter verwendet
werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung
von zwei Rohrpaaren beschränkt.
Die erfindungswesentlichen Grundgedanken lassen sich bei Erdwärmesonden
mit einem, zwei, drei oder mehr Rohrpaaren verwirklichen.
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Der
Sondenfuß 1 weist
daher insgesamt vier Einstecköffnungen 4a, 4b, 4c, 4d auf,
die sich in Sondenfußlängsrichtung 5 erstrecken
und symmetrisch um die Mittellängsachse 6 des
Sondenfußes 1 angeordnet
sind. Die Einstecköffnungen 4a, 4b, 4c, 4d münden in
der Oberseite 7 des Sondenfußes 1. Von dort aus
können
die Anschlußrohre 2, 3 in
die entsprechenden Einstecköffnungen 4a, 4b, 4c, 4d eingeführt werden.
Die Verbindung der jeweils zwei einem Wärmeträgerkreislauf zugeordneten Einstecköffnungen 4a, 4b und 4c, 4d untereinander
erfolgt durch ein im wesentlichen U-förmiges, also ein um etwa 180° gekrümmtes, im
Inneren des Sondenfußes 1 ausgebildetes
Verbindungsstück 8,
das die unteren Enden der Einstecköffnungen 4 paarweise
miteinander verbindet. Die Verbindungsstücke 8 weisen dabei vergleichsweise
kurze U-Schenkel 9 auf
und verbinden jeweils zwei Einstecköffnungen 4a, 4b bzw. 4c, 4d kurz
unterhalb der unteren Öffnungsenden.
Der U-Grund 10 der Verbindungsstücke 8 verläuft dabei im
wesentlichen senkrecht zu der Mittellängsachse 6 des Sondenfußes 1.
Die Verbindungsstücke 8 können abweichend
von der hier dargestellten Form auch einen U-Grund mit einem deutlich
größeren Radius
aufweisen oder aber in einer im wesentlichen rechteckigen oder beliebig
anderen Form ausgebildet sein, wenn dies für das Fließverhalten der Wärmeträgerflüssigkeit
von Vorteil ist.
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Das
untere in die Eindringrichtung 11 des Sondenfußes 1 zeigende
Ende 12 des Sondenfußes 1 verjüngt sich,
so daß ein
besonders leichtes Einführen
des Sondenfußes 1 in
das Bohrloch möglich
ist. Die vier in einem Quadrat angeordneten Einstecköffnungen 4 sind
von dem Sondenfußkörper derart
umfaßt,
daß dieses
die Außenkonturen
der kreiszylindrischen Einstecköffnungen 4 nachbildet,
so daß sich zwischen
jeweils benachbarten Einstecköffnungen 4 an
der Außenseite
des Sondenfußes 1 Nuten 13 ergeben,
die sich in Sondenfußlängsrichtung 5 erstrecken.
Luft und Flüssigkeit,
die in dem Bohrloch vorhanden sind, können bei Einbringen des Sondenfußes 1 in
das Bohrloch durch die Nuten 13 an dem Sondenfuß 1 vorbeiströmen. Dadurch
wird vermieden, daß sich
in dem Bohrloch ein Druck aufbaut, der das Einreiben des Sondenfußes 1 erschwert.
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Die
Einstecköffnungen 4 und
die Verbindungsstücke 8 sind
derart ausgebildet, daß deren Strömungsquerschnitte
annähernd
identisch sind. Die Wärmetransportflüssigkeit
kann daher in der Erdwärmesonde
mit minimalen Strömungsverlusten
zirkulieren.
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Erfindungsgemäß ist in
jeder Einstecköffnung 4a, 4b, 4c, 4d eine
Elektroschweißmuffe 14 vorgesehen,
die zum Herstellen einer Verbindung mit einem der Anschlußrohre 2, 3 dient.
Selbstverständlich
ist es jedoch ebenfalls möglich,
nur einen Teil der Einstecköffnungen 4 mit
Elektroschweißmuffen 14 auszustatten.
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Die
Elektroschweißmuffen 14 umschließen die
Einstecköffnungen 4 jeweils
vollständig.
Selbstverständlich
ist es jedoch ebenfalls möglich,
daß die Elektroschweißmuffen 14 die
Einstecköffnungen 4 nur
teilweise umschließen,
sofern auch durch eine solche Teilumschließung eine ausreichend feste
Verschweißung
mit einem Anschlußrohr 2, 3 hergestellt werden
kann.
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Die
Elektroschweißmuffen 14 sind
von der Oberseite 7 des Sondenfußes 1 beabstandet
in der oberen Hälfte
der Einstecköffnungen 4 angeordnet. Konstruktion
und Anordnung der beteiligten Bauelemente (Einstecköffnung 4,
Elektroschweißmuffe 14, Anschlußrohr 2, 3)
ist derart gewählt,
daß die
Einstecktiefe 15 der Einstecköffnungen 4 die Breite 16 der
Elektroschweißmuffen 14 in
Sondenfußlängsrichtung 5 um
wenigstens 1/3 Rohrdurchmesser 31 übersteigt. Mit anderen Worten
ragt ein in eine Einstecköffnung 4 eingeschobenes
Anschlußrohr 2, 3 mindestens
so tief in die Einstecköffnung 4 hinein,
daß der über die
Elektroschweißmuffe 4 hineinragende Teil 17 wenigstens
einem Drittel des Durchmessers 31 des Anschlußrohres 2, 3 entspricht.
Für ein
sicheres Einstecken der Rohre 2, 3 weist jede
Einstecköffnung 4 an
ihrem unteren Ende, d. h. im Bereich des Übergangs zu dem Übergangsstück 8,
einen mechanischen Anschlag 32 auf, so daß eine definierte
Einstecktiefe 15 gegeben ist. Bei der Elektroschweißmuffe 14 handelt
es sich daher um eine sogenannte Langmuffe, mit der auch schräg geschnittene
Anschlußrohre 2, 3,
beispielsweise solche mit einem Anschnittswinkel von 15°, sicher
verschweißt
werden können.
Die Verwendung von Langmuffen ist besonders vorteilhaft, da hierdurch
eine sichere Verbindung von Sondenfuß 1 und Anschlußrohren 2, 3 auch dann
noch gewährleistet
ist, wenn die bspw. von einem Ringbund abgewickelten Anschlußrohre 2, 3 eine
Restbiegung aufweisen und dadurch den Sondenfuß 1 nach mehreren
Seiten verspannen.
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Bei
der vorzugsweise verwendeten Elektroschweißmuffe 14 handelt
es sich um eine Heizwendelmuffe, wie sie zur Durchführung eines
Heizwendelmuffenschweißverfahren
verwendet wird. Das Heizwendelmuffenschweißverfahren zeichnet sich gegenüber anderen
Schweißverfahren,
wie bspw. dem Heizelementstumpfschweißverfahren oder dem Heizelementmuffendornschweißverfahren
dadurch aus, daß an
den Innenseiten 18 der Anschlußrohre 2, 3 keine
Schweißwulst
entsteht, die den Durchfluß der Wärmeträgerflüssigkeit
behindern und dadurch einen Druckverlust hervorrufen kann.
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Die
Anschlußrohre 2, 3 bestehen
ebenso wie der Sondenfuß 1 vorzugsweise
aus thermoplastischen Kunststoffmaterialien, die sich zum gegenseitigen
Verschweißen
eignen. Ein Beispiel für
ein solches Kunststoffmaterial ist Polyethylen (PE). Polyethylen
zeichnet sich darüber
hinaus durch eine gute Korrosionsbeständigkeit und somit eine hohe
Haltbarkeit aus. Andere geeignete Materialien sind Polypropylen
(PP), vernetztes Polyethylen (PE-X) und Polybuthen (PB), wobei die
zwei zuletzt genannten Werkstoffe besonders für höhere Temperaturen geeignet
sind.
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Der
Sondenfuß 1 ist
vorzugsweise einstückig und
mit Hilfe eines Spritzgußverfahrens
gefertigt. Durch die einstückige
Herstellung lassen sich Sondenfüße 1 ohne
Schweißnähte herstellen.
Dies ist zum einen von Vorteil, da jede Schweißnaht eine Schwachstelle und
damit einen Risikofaktor darstellt. Zum anderen ist der Arbeitsaufwand
im Vergleich zum Spritzgießen
deutlich erhöht.
Die einstückige Ausführung bedeutet
daher sowohl eine erhöhte
Sicherheit als auch eine Verringerung der Herstellungskosten des
Sondenfußes.
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Bei
Einsatz eines Spritzgußverfahrens
wird der Sondenfuß 1 aus
einem thermoplastischen Kunststoffmaterial mit Hilfe eines Spritzgießwerkzeuges
und einer Anzahl von elektrische betreibbaren Heizelementen hergestellt.
Bei den Heizelementen handelt es sich vorzugsweise um Heizdrähte. Die Heizdrähte werden
auf die vier den späteren
Einstecköffnungen 4 entsprechenden
Stempeln des Spritzgußwerkzeuges
aufgelegt, so daß die
Heizdrähte
nach dem Einspritzen des Kunststoffmaterials in die Spritzgußform in
dem Kunststoffmaterial eingegossen sind. Nach dem Entfernen der
Stempel und der Spritzgußform
ist der Sondenfußrohling
fertiggestellt. In den 1 bis 4 sind die
einzelnen Heizdrähte
der Elektroschweißmuffen 14 nicht
einzeln abgebildet.
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Alternativ
zu einem Einspritzen der Heizelemente ist auch ein nachträgliches
Einbringen am Sondenfußrohling
möglich.
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Die
Heizdrähte
von jeweils zwei benachbarten Elektroschweißmuffen 14 sind miteinander
verbunden (nicht abgebildet) und bilden einen gemeinsamen Stromkreislauf,
so daß jeweils
zwei benachbarte Elektroschweißmuffen 14 gleichzeitig
betrieben werden. Bei der Herstellung des Sondenfußes 1 werden
die Enden der Heizdrähte
jeweils derart positioniert, daß diese
zur Anordnung von Anschlußkontakten
an der Außenseite 19 des
fertigen Spritzgußrohlings
geeignet sind. Dabei ist jeder Elektroschweißmuffe 14 ein Anschlußkontakt
zugeordnet. Diese Anschlußkontakt
werden mit Anschlußsteckern 20 versehen
und dienen dem Anschluß eines
Schweißgerätes (Stromversorgung)
zum Durchführen
des Elektroschweißens.
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Durch
das Heizen der Drähte
schmilzt der thermoplastische Kunststoff des Sondenfußes 1 im Bereich
der beiden benachbarten Elektroschweißmuffen 14 einerseits
und der thermoplastische Kunststoff der in die Einstecköffnungen 4 eingeführten Anschlußrohre 2, 3 im
Bereich der Elektroschweißmuffen 14 andererseits
und verschweißen
miteinander.
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Anstelle
eines kombinierten Betriebes jeweils benachbarter Elektroschweißmuffen 14 können die
Elektroschweißmuffen
auch derart ausgebildet sein, daß jede Muffe ihre eigenen zwei
Anschlußkontakte
bzw. Anschlußstecker 20 aufweist,
so daß jede Muffe
einzeln und damit unabhängig
von den benachbarten Muffen betrieben werden kann.
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Die
Anschlußstecker 20 können an
beliebigen Stellen des Sondenfußes 1 angeordnet
sein, beispielsweise auch an der Sondenfußoberseite 7. Sie sind
vorzugsweise derart ausgebildet, daß sie nach dem Verschweißen des
Sondenfußes 1 mit
den Anschlußrohren 2, 3 einfach
entfernt, bspw. abgesägt werden
können.
Dadurch kann eine Behinderung beim Einbringen des Sondenfußes 1 in
das Bohrloch ausgeschlossen werden.
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Neben
den Einstecköffnungen 4 können zugleich
auch die U-förmigen Verbindungsstücke 8 durch
den Spritzgießvorgang
bereitgestellt werden. Eine besonders einfache Herstellung ist jedoch
dadurch möglich,
daß der
Sondenfußrohling
lediglich die vier Einstecköffnungen 4 aufweist
und die Verbindungsstücke 8 nachträglich in
den Rohling eingebracht werden. Für ein nachträgliches
Einbringen der Verbindungsstücke 8 hat
sich die Verwendung eines Fräsverfahrens,
beispielsweise unter Verwendung eines Kugelfräsers, bewährt.
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Wie
in 2 abgebildet verfügt der Sondenfuß 1 über eine
zentrale Mittelbohrung 21 entlang der Mittellängsachse 6 des
Sondenfußes 1.
Die Mittelbohrung 21 wird entweder ebenfalls während des Spritzgießens durch
ein entsprechend ausgebildetes Spritzgußwerkzeug oder in Anschluß an das
Spritzgießen
durch einen Bohr- oder Fräsvorgang
in den Sondenfuß 1 eingebracht.
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Die
Mittelbohrung 21 kann mit einem Gewinde 22 versehen
sein, bspw. um am unteren Ende des Sondenfußes 1 ein Gewicht
anzubringen (nicht abgebildet), das das Einbringen des Sondenfußes 1 in
das Bohrloch erleichtert.
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Darüber hinaus
ist es in einer ebenfalls nicht abgebildeten Variante möglich, eine
Einschiebevorrichtung in Form eines Gestänges mit dem Sondenfuß 1 zu
verbinden derart, daß eine
Einschiebestange von oben in die Mittelbohrung 21 eingeführt und am
spitz zulaufenden unteren Ende 12 des Sondenfußes 1 fixiert
wird, während
eine mit einer zentralen Öffnung
versehene Druckplatte auf die Schiebestange aufgeschoben und an
der Oberseite 7 des Sondenfußes 1 an der Schiebestange
fixiert wird, so daß sich
die über
die Schiebestange von oben eingebrachten Druckkräfte vom Zentrum des Sondenfußes 1 ausgehend über die
die Mittelbohrung 21 umgebenden inneren Stege 23 des
Sondenfußes 1 gleichmäßig auf
den gesamten Sondenfuß 1 verteilen
können,
ohne daß es
zu einer Deformation und möglicherweise
zu einer Beschädigung
des Sondenfußkörpers kommt.
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4 zeigt
einen weiteren Sondenfuß 1', welcher ebenfalls
integrierte Elektroschweißmuffen 14 aufweist.
Das besondere an diesem Sondenfuß 1' ist jedoch, daß die Mittelbohrung 21 am
unteren Ende des Sondenfußes
mit einem Verschluß 24 verschlossen
ist und als Teil einer Zuführleitung
zum Einblasen eines Gases in das Bohrloch dient. Von der Mittelbohrung 21 zweigen
im Inneren des Sondenfußes 1' eine Anzahl
von im wesentlichen quer zur Sondenfußlängsrichtung 5 verlaufende
Einblaskanäle 25 ab, die
Austrittsöffnungen 26 aufweisen,
die sich an der Außenseite 19 des
Sondenfußes 1 befinden.
Das Einblasen von Gas erfolgt vorzugsweise von der Erdoberfläche unter
Verwendung von Preßluft,
die bspw. durch einen herkömmlichen
Kompressor zur Verfügung
gestellt wird.
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Die
Einblaskanäle 25 werden,
ebenso wie die Mittelbohrung 21, bei der Herstellung des
Sondenfußes 1' durch das Spritzgußwerkzeug
vorgeben oder durch Bohren oder Fräsen in den Rohling eingebracht.
Im vorliegenden Beispiel sind genau vier Einblaskanäle 25 vorgesehen,
die der Anordnung der Einstecköffnungen 4a, 4b, 4c, 4d entsprechend
in gleichmäßigen Abständen zueinander
angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine genaue Anzahl
von Einblaskanälen 25 beschränkt.
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Vorzugsweise
liegen die Austrittsöffnungen 26 der
Einblaskanäle 25 derart
im Sondenfußkörper, daß das Gas
entgegen der Eindringrichtung 11 des Sondenfußes 1 in
das Bohrloch eingeblasen wird. Die Formulierung „entgegen der Eindringrichtung" schließt dabei
alle Fälle
ein, bei denen die Senkrechten der Austrittsöffnungen 26 mit der
Mittellängsachse 6 des
Sondenfußes 1 in
Richtung Erdoberfläche (also
entgegen der Eindringrichtung 11) betrachtet einen Winkel
von ≤ 90° einschließen. In 4 ist
ein einzelner solcher Einblaskanal mit durchbrochenen Linien angedeutet.
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Vorzugsweise
sind die Austrittsöffnungen 26 der
Einblaskanäle 25 nicht
in den Bereichen der Längsnuten 8,
sondern in den zwischen den Längsnuten 8 vorgesehenen
Bereichen mit vergrößertem Sondenfußdurchmesser
angeordnet. Die vertikale Anordnung der Einblaskanäle 25 ist
vorzugsweise derart vorgesehen, daß sich die Austrittsöffnungen 26 in
dem sich verjüngenden
unteren Bereich des Sondenfußes 1 befinden.
Die Einblaskanäle 25 können aber
auch derart vorgesehen sein, daß die
Austrittsöffnungen 26 in
dem sich nicht verjüngenden
Bereich des Sondenfußes 1 angeordnet
sind. In diesem Fall sind die Austrittsöffnungen 26 vorzugsweise
in dem Bereich der Längsnuten 8 angeordnet.
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Darüber hinaus
sind die Austrittsöffnungen 26 der
Einblaskanäle 25 vorzugsweise
derart ausgeführt,
daß sich
beim Einblasen des Gases eine möglichst
große
Anzahl von Gasblasen bildet. Hierzu weisen die Austrittsöffnungen 26 vorzugsweise
sehr kleine Öffnungen
mit einem Öffnungsdurchmesser
von vorzugsweise 5 bis 10 mm auf. In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind die Einblaskanäle 15 zumindest in
dem Bereich unmittelbar vor den Austrittsöffnungen 26 spiralförmig ausgebildet,
um eine Verwirbelung des austretenden Gases und zugleich eine Verringerung
der Gasblasengröße zu bewirken.
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Selbstverständlich können die
von der Mittelbohrung 21 abgehenden Einblaskanäle 25 auch dann
vorgesehen sein, wenn der Sondenfuß 1 nicht mit der
erfindungsgemäßen Gaseinblastechnik
betrieben werden soll. Dann kann die Mittelbohrung 21 zur
Befestigung eines Gewichtes oder eines Schiebegestänges verwendet
werden, wie oben beschrieben.
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Soll
der Sondenfuß 1 nicht
zur Befestigung eines Gewichtes oder eines Schiebegestänges dienen,
so muß die
Mittelbohrung 21 nicht durchgehend ausgebildet sein. Die
Mittelbohrung 21 muß lediglich sicherstellen,
daß die
Einblaskanäle 25 mit
Gas versorgt werden können.
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Soll
ein Gas durch den Sondenfuß 1 in
das Bohrloch eingeblasen werden, ist vorzugsweise eine separate
Zufuhrleitung 27 vorgesehen, die mit dem oberen Ausgang
der Mittelbohrung 21 verbunden ist. Die Mittelbohrung 21 weist
zu diesem Zweck auch an ihrem oberen Ende ein Gewinde 22 auf,
so daß die Zufuhrleitung 27 in
die Mittelbohrung 21 eingeschraubt werden kann. Die Zufuhrleitung 27,
die einen vergleichsweise geringen Querschnitt aufweist, der in
etwa mit dem Querschnitt der Mittelbohrung 21 übereinstimmt,
ist über
einen Verbindungsadapter 28 mit einem Injektionsrohr 29 verbunden.
Das Injektionsrohr 29 weist einen deutlich größeren Querschnitt als
die Zuführleitung 27 auf.
Das in das Bohrloch einzublasende Gas wird von oben über das
Injektionsrohr 29 und die Zuführleitung 27 in die
Mittelbohrung 21 des Sondenfußes 1 und von dort über die
Einblaskanäle 25 aus
den Austrittsöffnungen 26 an
die Sondenfußaußenseite 19 geleitet.
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Der
Verbindungsadapter 28 weist eine Sollbruchstelle 30 auf,
bspw. in Form einer Materialverjüngung
(Nut oder dergleichen), die sich beim Überschreiten eines definierten
Krafteintrages öffnet.
Der Grenzwert der Sollbruchstelle 30 ist dabei so gewählt, daß die Sollbruchstelle 30 bei
dem Einblasen des Gases in jedem Fall unversehrt bleibt. Aufgrund des
deutlich größeren Durchmessers
des Injektionsrohres 29 kann dieses jedoch im Anschluß an das Einblasen
des Gases zum Verfüllen
des Bohrloches mit Bohrsuspension dienen. Die Sollbruchstelle 30 ist nun
derart ausgebildet, daß sie
sich öffnet,
und damit den vollen Querschnitt des Injektionsrohres 29 freigibt,
wenn das Bohrloch mit Bohrsuspension verfüllt wird. Über das Injektionsrohr 29 wird
dann der nicht durch den Sondenfuß 1 und die Anschlußrohre 2, 3 ausgefüllte Raum
des Bohrlochs nach dem Einbringen des Sondenfußes 1 verfüllt, um
einen möglichst guten
Wärmeübergang
zwischen dem Bohrloch und den Anschlußrohren 2, 3 zu
ermöglichen.
Da die Bohrsuspension sehr dickflüssig ist kommt es rasch zu
einem Verstopfen der Einblaskanäle 26,
der Mittelbohrung 21 und der Zuführleitung 27, so daß im Anschluß daran
auf die Sollbruchstelle 30 vergleichsweise hohe Drücke einwirken
und sich die Sollbruchstelle 30 öffnet. Als Bohrsuspension kommt
bspw. Bentonit zum Einsatz. Somit kann das Verfüllen des Bohrloches unmittelbar
nach dem Einbringen des Sondenfußes 1 in das Bohrloch
erfolgen, ohne daß weitere
Zwischenschritte notwendig sind.
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Die
Sollbruchstelle 30 muß nicht
zwingend an dem Verbindungsadapter 28 vorgesehen sein.
Sie kann bspw. auch an dem unteren Ende des Injektionsrohres 29 angeordnet
sein. Wesentlich ist nur, daß bei
einem Öffnen
der Sollbruchstelle 30 der volle Querschnitt des Injektionsrohres 29 zur
Verfügung steht,
um die Bohrsuspension in das Bohrloch einzuleiten.
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Ist
ein Einblasen von Gas nicht vorgesehen, sondern wird ein Schiebegestänge verwendet,
so kann auch das Schiebegestänge
mit Hilfe eines entsprechenden Adapters an dem Injektionsrohr 29 befestigt
werden (nicht abgebildet). Auch hier kommt vorzugsweise ein Verbindungsadapter
mit der oben beschriebenen Sollbruchstelle zur Anwendung.
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In
einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung weisen
Wärmeträgerzulaufrohre 2 und
Wärmeträgerrücklaufrohre 3 unterschiedliche
Durchmesser auf. Im Ergebnis wird der thermischen Kurzschluß zwischen
den Wärmeträgerzulaufrohren 2 und
den Wärmeträgerrücklaufrohren 3 wegen
der unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten
der Wärmeträgerflüssigkeit
in den benachbarten Rohren verringert. Als ganz besonders vorteilhaft
hat sich eine Ausgestaltung erwiesen, bei der das Wärmeträgerzulaufrohr 2 mit
einem kleineren Strömungsquerschnitt
versehen ist als das Wärmeträgerrücklaufrohr 3.
Mit anderen Worten ist die Fließgeschwindigkeit
der Wärmeträgerflüssigkeit
(bspw. mit einer Temperatur von 0°C)
in dem Wärmeträgerzulaufrohr 2 größer als
die Fließgeschwindigkeit
der (bspw. auf 3°C
erwärmten)
Wärmeträgerflüssigkeit
in dem Wärmeträgerrücklaufrohr 3.
Ein thermischer Kurzschluß wird
darüber
hinaus dadurch vermieden, daß vorzugsweise
das Wärmeträgerzulaufrohr 2 wärmeisoliert
ist, während
das Wärmeträgerrücklaufrohr 3 unisoliert
bleibt. Hierzu können
an sich bekannte Wärmeisolierungen,
wie beispielsweise Dämmstoffummantelungen
etc., verwendet werden.
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Werden
zu diesem Zweck Rohre 2, 3 mit unterschiedlichen
Innendurchmessern aber gleichen Außendurchmessern verwendet,
brauchen die Einstecköffnungen 4 des
Sondenfußes 1 nicht
modifiziert werden. Die Einstecköffnungen 4 des
Sondenfußes 1 können ebenfalls
unverändert
bleiben, wenn Rohre 2, 3 mit unterschiedlichen
Innendurchmessern und unterschiedlichen Außendurchmessern verwendet werden,
sofern gleichzeitig entsprechende Adapterstücke zum Einsatz kommen, die
eine sichere Verschweißung
der Rohre 2, 3 in den Einstecköffnungen 4 erlauben.
Dabei sind die Adapterstücke
vorzugsweise ebenfalls auf einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gefertigt
und somit zum Verschweißen mit
den Einstecköffnungen 4 bzw.
den Rohren 2, 3 geeignet. Werden keine Adapterstücke verwendet, müssen die
Einstecköffnungen 4 des
Sondenfußes 1 unterschiedliche
Durchmesser aufweisen, um die Rohre 2, 3 aufzunehmen
und fest mit diesen verscheißt
zu werden. Im übrigen
ist es – auch
unabhängig
von dieser besonderen Ausführungsform
der Erfindung – möglich, Einstecköffnungen
mit unterschiedlichen Abmessungen (Durchmesser, Tiefe, etc.) in
ein und demselben Sondenfuß zu
verwenden, sofern dies die speziellen Anforderungen der Sonde erfordert.
-
Anstelle
von Langmuffen kommen in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (nicht
abgebildet) Kurzmuffen zum Einsatz, bei der Anschlag bereits unmittelbar
unterhalb der Heizdrähte
der Elektroschweißmuffe 14 angeordnet
sein kann. Durch die Verwendung von Kurzmuffen kann die Baulänge des Sondenfußes 1 gegenüber der
oben beschriebenen Lösung
verkürzt
werden.
-
Schließlich kann
der Sondenfuß in
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung auch aus mehreren Teilen zusammengefügt werden,
wobei die einzelnen (beispielsweise halbschalenförmigen) Teile vorzugsweise
wiederum in einem Spritzgußverfahren hergestellt
sind.
-
Alle
in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein. Insbesondere ist die in den Ansprüchen 9 bis 14 beschriebene
Ausführungsform
auch separat, d. h. unabhängig
von der in den Ansprüchen
1 bis 8 beschriebenen Ausführungsform,
realisierbar und stellt bereits für sich genommen eine schutzfähige Erfindung
dar.
-
Zugleich
ist auch die in dem Anspruch 15 beschriebene Ausführungsform
separat, d. h. unabhängig
von den in den Ansprüchen
1 bis 14 beschriebenen Ausführungsformen,
realisierbar und stellt bereits für sich genommen eine schutzfähige Erfindung dar.
-
- 1
- Sondenfuß
- 2
- Wärmeträgerzulaufrohr
- 3
- Wärmeträgerrücklaufrohr
- 4
- Einstecköffnung
- 5
- Sondenfußlängsrichtung
- 6
- Mittellängsachse
- 7
- Sondenfußoberseite
- 8
- Verbindungsstück
- 9
- U-Schenkel
- 10
- U-Grund
- 11
- Eindringtiefe
- 12
- Unteres
Sondenfußende
- 13
- Nut
- 14
- Elektroschweißmuffe
- 15
- Einstecktiefe
- 16
- Muffenbreite
- 17
- Überstehender
Teil
- 18
- Anschlußrohrinnenseite
- 19
- Sondenfußaußenseite
- 20
- Steckerelement
- 21
- Mittelbohrung
- 22
- Gewinde
- 23
- Innensteg
- 24
- Verschluß
- 25
- Einblaskanal
- 26
- Austrittsöffnung
- 27
- Zufuhrleitung
- 28
- Verbindungsadapter
- 29
- Injektionsrohr
- 30
- Sollbruchstelle
- 31
- Rohrdurchmesser
- 32
- Anschlag