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Die Erfindung betrifft einen Abstandshalter für Erdwärmesonden, ein Erdwärmesondenbündel, einen Sondenfuß für Erdwärmesonden, eine Verwendung des Sondenfußes, ein Verfahren zum Einführen und Fixieren von Erdwärmesonden und eine Verwendung des Abstandshalters in Verbindung mit einem Sondenfuß für Erdwärmesonden.
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Aus dem Stand der Technik sind Abstandshalter für Erdwärmesonden bekannt.
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Insbesondere bekannt sind Innenabstandshalter, die die einzelnen Sondenrohre eines Sondenbündels von einander fernhalten. Diese im Stand der Technik vorhandenen Abstandshalter lösen jedoch nicht das Problem eines Kontaktes der Rohre mit der Bohrlochwand und der bei einem solchen Kontakt auftauchenden Leckagen und Mikrorissbildungen. Auch kann es ohne Weiteres vorkommen, dass die Abstandshalter beim Einbau abspringen.
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Obwohl es bekannt ist, dass eine grundlegende Voraussetzung zur Erstellung einer standortbezogenen und qualitativ hochwertigen Erdwärmesonde ein ausreichender Bohrdurchmesser ist, wird die Einhaltung desselben Durchmessers in der ganzen Tiefe des Bohrloches vom bisherigen Stand der Technik leider nicht sichergestellt.
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Auch bekannt sind Sondenfüße, vor allem aus Stahl, die zum Einführen und Fixieren eines Erdwärmebündels in einem Bohrloch benutzt werden. Die bisher benutzten Materialen sind nicht kostengünstig und, da sie nach dem Einsatz in der Erde bleiben, nicht wieder verwendbar. Außerdem ist ein Stahlfuß, der an einem Erdwärmesondenbündel hängt, zwar ein effizientes Gewicht beim Einführen der Sonden, jedoch kann es nicht als Stütze dienen, damit ein Erdwärmesondenbündel nicht wegkippt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Verbesserung für Abstandshalter und Sondenfüße für Erdwärmesonden, ihre Verwendung und Verfahren zum Einführen und Fixieren von Erdwärmesonde zu Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe löst nach einem ersten Aspekt der Erfindung ein Abstandshalter für Erdwärmesonden, welche im Betrieb in einem Bohrloch angeordnet sind, wobei der Abstandshalter einen äußeren Ring aufweist.
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Der äußere Ring kann rund, eckig oder prismatisch sein oder jede an den Standort angepasste Form besitzen.
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Der erfindungsgemäße Abstandshalter weist einen äußeren Ring auf, sodass zwischen den Erdwärmesonden und der Bohrlochwand ein Kontakt verhindert oder zumindest vermindert wird. Dadurch haben die Erdwärmesonden bei geeigneter Gestaltung eine zentrische Lage im Bohrloch, eine mögliche Verkrümmung der Sonden wird verringert und/oder die Punktdruckstellen-Probleme mit der Bohrlochwand, wo beispielsweise wegen der Art des Gesteins oder der zeitlichen Veränderungen in der Erde die Gefahr von Leckagen oder Mikrorissen entsteht, werden verhindert oder vermindert.
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Es wurde bereits erwähnt, dass nicht die eigentliche Form des äußeren Ringes entscheidend ist, sondern vielmehr die Funktion. Der äußere „Ring” kann auch beispielsweise ein Quadrat, ein Prisma oder ähnliche geometrische Figuren darstellen.
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Überdies besitzt das Bohrloch bei geeigneter Gestaltung in seiner ganzen Länge immer einen durch den äußeren Ring definierten Mindest-Durchmesser. Somit werden Mindestbaumaße (möglicherweise gesetzliche), die in jedem Land und abhängig vom Standort verschiedenartig sein können, zuverlässig eingehalten.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Abstandshalters ist so aufgebaut, dass der äußere Ring mit einer Öffnungsstelle versehen ist, die für ein leichteres Ein- und/oder Ausbringen der Erdwärmesonden im Abstandshalter dient. Diese Öffnungsstelle des äußeren Ringes kann beispielsweise eine Klemm-, Rast-, Steck- oder gürtelähnliche Verbindung haben.
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Der Abstandshalter ist bevorzugt größenverstellbar, abhängig von der Art der benutzten Erdwärmesonden oder von der Anzahl der Sondenrohre. Aufgrund seines einfachen Ein- und Ausbringens kann der Abstandshalter auch an schon auf den Markt befindlichen Erdwärmesonden angebracht werden, um damit ihre Effektivität sofort zu verbessern.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind am äußeren Ring und/oder rund um einen zentralen Raum, wo ein Verpressgestänge vorgesehen ist, Innenabstandshalter angeordnet. Diese Innenabstandshalter, die sich zwischen den Erdwärmesondenröhren befinden, verhindern oder vermindern Berührungen zwischen den Erdwärmesonden eines Bündels. Somit verbessert diese Ausführungsform sowohl das Punktdruckstellenproblem zwischen Sondenrohr und Bohrwand als auch das Problem der Berührungen zwischen den Sondenrohren untereinander, was zu einer Befreiung von thermischen Kurzschlüssen und daraus folgernd zu eine Leistungssteigerung von leicht 5 bis 8% oder mehr führen kann.
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In vorteilhafter Weise können die Erdwärmesonden für einen besseren Halt an den Innenabstandshalter mit Klipsen oder anderen Verbindungen fixierbar sein.
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Der Abstandshalter ist bevorzugt aus Kunststoff gefertigt, insbesondere aus einem abbaubaren Werkstoff. Es kann sogar an einen Abstandshalter gedacht werden, der sich am Ende der vorgesehenen Lebensdauer der Erdwärmesonden in der Erde auflöst, um ein leichtes Herausziehen und Entsorgen der Erdwärmesonden zu ermöglichen. Selbstverständlich kann der Abstandshalter auch auch aus anderen Materialien angefertigt sein.
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Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung löst die gestellte Aufgabe ein Erdwärmesondenbündel mit einem Abstandshalter wie vorstehend beschrieben. Es versteht sich, dass sich die vorstehend beschriebenen Vorteile des Abstandshalters unmittelbar für ein mit ihnen ausgestattetes Sondenbündel auswirken.
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Die Abstandshalter werden beispielsweise in zwei bis vier Meter Abstand zueinander am Erdwärmesondenbündel angebracht, z. B. durch Verschweißung, Klickmechanismus, Klappmechanismus und/oder Steckmechanismus. Somit kann sichergestellt werden, dass bei den Bauarbeiten sowohl das Bohrloch in der vollen Tiefe denselben Bohrdurchmesser aufweist, als auch dass beim Einbringen eine mögliche Verkrümmung der Sonde verhindert bzw. verringert wird. Die Kosten der Abstandshalter werden gegebenenfalls zusätzlich reduziert, denn die Innenabstandshalter nach dem Stand der Technik müssen alle zwei Meter verbaut werden.
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Nach einem dritten Aspekt der Erfindung löst die gestellte Aufgabe ein Sondenfuß für Erdwärmesonden, der einen befüllbaren Hohlkörper aufweist.
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Der Hohlkörper kann mit Sand, Kieselsteinen, Erde usw. befüllbar sein. Es könnte möglicherweise genau derselbe Boden für die Füllung benutzt werden, der im Vorhinein aus dem Bohrloch herausgezogen wurde. Dadurch würde die Füllung jederzeit jede Umweltschutzregelungen befolgen, da keine Kontaminierung des Bodens oder bei tiefen Erdwärmesonden des nahe liegenden Grundwassers möglich wäre, und unnötige Verschwendung von Materialien und zusätzliche Kosten vermieden werden.
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Der Sondenfuß ist bevorzugt aus Kunststoff gefertigt, insbesondere aus einem abbaubaren Werkstoff. Dadurch ist er viel kostengünstiger als die bisher verwendeten Sondenfüße. Selbstverständlich aber kann der Abstandshalter als Variante auch aus anderen Materialien angefertigt werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Sondenfuß über ein Verbindungsmittel für eine komplementäre Aufnahme an einem Ende der Erdwärmesonden verfügt. Dadurch bleibt er während der Einführung des Erdwärmesondenbündels im Bohrloch stets an diesem verbunden.
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Eine ebenfalls vorteilhafte Ausführungsform des Sondenfußes weist einen Sondenfuß mit Schraubdeckel auf, wobei der Schraubdeckel eine Öffnung zum Einführen eines Verpressrohres besitzt. Dies stellt sicher, dass im geschlossenen Zustand das Verpressrohr stets gerade durch die Öffnung des Schraubdeckels eindringt und folglich die Verpressung gleichmäßig erfolgt. Der Schraubdeckel ist an dem Sondenfuß durch Schrauben oder andere Verschlüsse befestigbar.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform hat einen Sondenfuß mit einem zweiteiligen Hohlkörper. Der untere Teil des Hohlkörpers ist fest und der obere Teil ist mit Sollbruchstellen versehen. Diese Sollbruchstellen, entlang welcher der obere Teil sprengbar ist, können insbesondere in Form von in der Längsrichtung und/oder Querrichtung vorhandenen Nuten oder Perforierungen aufgebaut sein. Diese Ausführungsform sorgt für mehr Stabilität des Sondenfußes und des an ihm verbundenen Ende des Erdwärmesondenbündels.
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In einer Ausführungsform erstreckt sich der fixe Teil über etwa ein Drittel des Hohlkörpers, wobei der obere Teil zwei Drittel des Hohlkörpers in dessen Längserstreckung ausmacht.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Sondenfußes betrifft einen Hohlkörper, der mit Tonpellets befüllbar ist. Dies sorgt auch für mehr Stabilität des unteren Teils des Sondenfußes, denn solche Tonpellets bilden nach dem Verpressen und Sprengen des oberen Teils des Hohlkörpers eine weiche schmiegsame Masse als Fundament für den Sondenfuß und die drauf stützende Erdwärmesonde. Dazu sind Tonpellets in der Erde klimatisch äußerst verträglich und bilden die Basis für eine im Kontraktorverfahren eingebrachte Verpressung.
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Aufgabe der Erfindung ist im Weiteren eine Verwendung des Sondenfußes wie oben beschrieben als Gewicht für das leichtere Einführen eines Sondenbündels in einem fertig gestellten Bohrloch. Wenn der Sondenfuß ein Hohlkörper ist, wird sein Gewicht hauptsächlich von der Art der Füllung bestimmt und ist somit sehr anpassbar an die Art des Bodens, der eingeführten Erdwärmesonden und des zum Bohren benutzten Materials.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Einführen und Fixieren von Erdwärmesonden in ein Bohrloch mittels eines Sondenfußes wie oben beschrieben. Das Verfahren setzt erstens voraus, dass im ersten Schritt der Sondenfuß mit der entsprechenden Füllung aufgefüllt und an den Erdwärmesonden befestigt wird. Danach, in einem zweiten Schritt, werden die Erdwärmesonden mit dem Sondenfuß, der während diesem Verfahren eigentlich als Gewicht dient, im fertig gestellten Bohrloch bis in die Tiefe eingeführt. Weiter, in einem dritten Schritt, wird durch ein Verpressrohr, das durch die Öffnung des Schraubdeckels des Sondenfußes eindringt, in den Sondenfuß Stützflüssigkeit eingeführt, beispielsweise Wasserzementflüssigkeit (Bentonit-Zement Suspension). Die Stützflüssigkeit wird in einem solchen Umfang reingespritzt, bis der Sondenfuß entlang seinen Sollbruchstellen gesprengt wird. Nun steht der Sondenfuß im Endstadium tief im Bohrloch drinnen und bildet dabei unten durch seinen unteren fixen Teil und lateral durch die gesprengten Stücke des oberen Teils einen stabilen Boden für die Erdwärmesonden. Diese bleiben stabil am Sondenfuß sich abstützend, ohne eine Kippmöglichkeit zu haben.
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Ferner löst die Aufgabe die Verwendung eines Abstandshalters in einer der oben beschriebenen Ausführungsformen in Verbindung mit einem Sondenfuß in einen der oben beschriebenen Ausführungsformen.
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Der Abstandshalter bewirkt je nach Gestaltung eine Verringerung der Gefahr von Leckagen oder Mikrorissen in Erdwärmesonden, einen Schutz gegen Verdrillen, die Behaltung einer zentrischen Lage im Bohrloch der Erdwärmesonden, eine gute thermische Anbindung der Sonde an das anstehende Gebirge und/oder die Befreiung oder zumindest Verminderung von thermischen Kurzschlüssen, woraus eine Leistungssteigerung von leicht 5 bis 8% oder mehr erfolgt.
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Außerdem wird durch das vorgeschlagene Verfahren beim Einführen der Erdwärmesonden im Bohrloch die Verkrümmung der Sonden verhindert oder zumindest vermindert.
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Das Bohrloch weist einen durch den äußeren Ring des Abstandshalters definierten Mindest-Durchmesser entlang seiner ganzen Tiefe auf, da die Abstandshalter jeweils in beispielsweise vier bis sechs Meter Abstand zueinander an den Erdwärmesonden angebracht sind. Somit wird der vorgegebene (möglicherweise gesetzliche verschriebene) Durchmesser des Bohrloches stets einbehalten.
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Nicht zu vergessen ist auch die Tatsache, dass derartigen Bohrarbeiten zeit- und kostenaufwendig sind und sich der Bohrkopf abnutzt, folglich während des Bohrens und Errichten des Bohrloches das Mindestmaß des Bohrloches in der Tiefe meist nicht eingehalten wird.
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Die Bauarbeit ist nach der Errichtung nicht mehr sichtbar und kann ohne einen Abstandshalter nicht geprüft werden. Durch die Einführung des Abstandshalters wird mit Sicherheit das Mindestmaß des Bohrloches eingehalten, er wirkt praktisch wie eine Qualitätssicherung bei den Bauarbeiten, um ein mögliches fehlerhaftes Bohren zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
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Abschließend wird nochmals auf die Benutzung des Sondenfußes hingewiesen. Er ist beispielsweise kostengünstig aus Kunststoff gefertigt, befüllbar mit Sand, Erde oder anderen umweltschutzfördernden Füllungen, dient als Gewicht zum leichteren Einführen des Erdwärmesondenbündels und zum Einhalten des Mindestdurchmessers des Bohrloches und/oder sorgt für einen stabilen Boden für die Erdwärmesonden am Ende des Bohrloches. Durch die Verpressung und das Sprengen des oberen Teils des Hohlkörpers sinkt der Sondenfuß im Boden tiefer ab und gelangt um die Länge des Gewichts weiter in das Erdreich hinein und bildet dort einen stabilen Boden ohne Kippmöglichkeit. Das tiefere Hinabsinken kann leicht 1 m oder mehr betragen. Dadurch werden die Bohrkosten reduziert und das Sondenbündel kann nicht kippen, sondern steht gerade auf dem Sondenfuß und zentriert im Bohrloch.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert, wobei funktional analoge Elemente gleiche Bezugsziffern tragen können. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf einen Abstandshalter;
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2 ein Detail einer Öffnungsstelle aus 1 gemäß dortiger Kennzeichnung I;
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3 eine Draufsicht auf eine exemplarische Abstandshalterhälfte;
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4 ein Detail aus 3 gemäß dortiger Kennzeichnung IV;
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5 ein Detail aus 3 gemäß dortiger Kennzeichnung V und
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6 eine räumliche Ansicht eines Sondenfußes mit geöffnetem Schraubdeckel.
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Der Abstandshalter 1 in 1 besteht im Wesentlichen aus einem äußeren Ring 2, in welchem sich vier Erdwärmesonden 3 (exemplarisch beziffert) befinden. Innenabstandshalter 4 sind am äußeren Ring und rund um einen zentralen Raum für ein Verpressgestänge 5 angeordnet, sodass die Erdwärmesonden 3 nicht in Kontakt miteinander oder mit der Bohrwand sind.
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Die Erdwärmesonden 3 sind an den Innenabstandshaltern 4 mit Klipsen 6 fixiert (nur eine fixierte Erdwärmesonde 3 exemplarisch gekennzeichnet). Am äußeren Ring 2 ist eine Öffnungsstelle 10 für ein leichteres Ein- und/oder Ausbringen der Erdwärmesonden 3 im Abstandshalter 1 vorgesehen.
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Der äußere Ring 2 definiert einen Ringraum 7 und die Erdwärmesonden 3 einen Sondenbündeldurchmesser 8, sodass ein erforderlicher Bohrlochdurchmesser 9 vom Ringraum 7 und vom Sondenbündeldurchmesser 8 abhängig ist. Das Bohrloch weist immer einen durch den äußeren Ring definierten Mindest-Durchmesser auf.
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Die Öffnungsstelle 10 am äußeren Ring 2 ist für ein leichteres Ein- und/oder Ausbringen der Erdwärmesonden 3 im Abstandshalter 1 gedacht. Sie besteht in Wesentlichen in der Ausführung in 2 aus zwei Teilen 10a, 10b und weist eine gürtelähnliche Verbindung auf, wobei Teil 10a mit Löchern 11 vorgesehen ist und Teil 10b einen Haken 12 besitzt. Es ist ersichtlich, dass der äußere Ring 2 des Abstandshalters 1 größenverstellbar ist.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel in 3 besteht der Abstandshalter 1 in Wesentlichen aus denselben Komponenten.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die Innenabstandshalter 4 allerdings so gebaut, dass sie den ganzen Innenraum des äußeren Ringes füllen und Löcher 15 aufweisen, in denen die Erdwärmesonden 3 (hier nur eine eingeführte Erdwärmesonde 3 exemplarisch gezeichnet) fixiert werden. Der Abstandshalter 1 ist also scheibenförmig und ein Vollkörper mit Ausnahme der Löcher 15.
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Eine Öffnung des äußeren Ringes 2 weist an zwei gegenüberstehenden Enden des äußeren Ringes 2 zwei Feder-Nut-Verbindungen 13, 14 auf. Somit sind in dieser Ausführung zwei Abstandshalterhälften mit jeweils zwei Löchern 15 für die Erdwärmesonden 3 vorgesehen, wobei die Abstandshalterhälften nach dem Einführen der Erdwärmesonden 3 mittig entlang des Durchmessers und durch die Feder-Nut-Verbindungen 13, 14 ohne Verrutschmöglichkeit zusammen verbunden werden können (nicht dargestellt).
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Die obere Verbindung 13 besteht aus einer Rast- oder Schnappnase sowie aus einer Nut oder Feder, damit ein Verrutschen der zwei zusammen verbundenen Abstandshalterhälften voneinander aus der Scheibenebene heraus verhindert wird.
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Die untere Verbindung 14 besteht wie in 5 ersichtlich, aus einer Rast- oder Schnappaufnahme sowie aus einer Feder oder Nut, damit ein Verrutschen der zwei zusammen verbundenen Abstandshalterhälften verhindert wird.
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Der Sondenfuß 20 in 6 für Erdwärmesonden 3 besteht im Wesentlichen aus einem befüllbaren Hohlkörper 21. Der Sondenfuß hat ferner ein Verbindungsmittel für eine komplementäre Aufnahme an einem Ende der Erdwärmesonden (hier nicht dargestellt).
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Ein Schraubdeckel 22, hier im geöffneten Zustand dargestellt, ist für den Sondenfuß 20 vorgesehen. Der Schraubdeckel 22 besitzt mittig eine Öffnung 23, die zum Einführen eines Verpressrohres dient (nicht dargestellt).
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In dieser vorteilhaften Ausführung ist der Hohlkörper 21 des Sondenfußes 20 so aufgebaut, dass der Hohlkörper 21 aus zwei Teilen besteht. Der untere Teil 24 ist fest gebaut und stellt ein Drittel der Länge des Hohlkörpers 21 dar. Der obere Teil 25 weist mehrere Sollbruchstellen in der Längsrichtung 27 und eine Sollbruchstelle in der Querrichtung 26 auf und stellt zwei Drittel der Länge des Hohlkörpers 21 dar. Der obere Teil 25 ist entlang der Sollbruchstellen 26, 27 sprengbar, welche insbesondere in Form von Nuten oder Perforierungen vorgesehen sind.
