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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Erdwärmesonde, welche für geringe Bohrtiefen, also Bohrtiefen von 50 m und weniger, ausgebildet ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Durch die Nutzung von Geothermie kann eine sehr energiesparende Temperierung von Gebäuden bereitgestellt werden.
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Aus Gründen des Grundwasserschutzes oder zur Vermeidung von geologischen Risiken existieren in vielen Gegenden Bohrtiefenbegrenzungen.
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Oft ist die zulässige Bohrtiefe behördlich auf weniger als 50 m Tiefe begrenzt.
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Für derartige Tiefen können in der Praxis beispielsweise sogenannte Doppel-U-Sonden verwendet werden.
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Diese sind allerdings nur mit einem Minimaldurchmesser von etwa 100 mm verfügbar, da ansonsten der Rohrdurchmesser derart gering wäre, dass die Sonden aufgrund der geringen Effizienz unbrauchbar wären.
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Dennoch haben auch derartige Sonden aufgrund der geringen Bohrtiefe nur eine geringe Entzugsleistung, was dazu führt, dass für die Klimatisierung des jeweiligen Gebäudes eine Vielzahl von Sonden verwendet werden muss.
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Aufgrund eines häufig vorgeschriebenen Ringspalts von mindestens 30 mm um die Sonde herum müssen Bohrlöcher mit einem Durchmesser von mindestens 160 mm eingebracht werden.
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Dies hat zur Folge, dass die Verwendung derartiger Sonden für geringe Bohrtiefen mit hohen Kosten verbunden ist, und zwar sowohl, was die Kosten für die Sonden selbst, das Einbringen der Bohrlöcher als auch das benötigte Verpressmittel beim Einbau der Sonde angeht.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile des Standes der Technik zumindest zu reduzieren. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine Erdwärmesonde bereitzustellen, welche auch in geringen Bohrtiefen eine hohe Effizienz hat und welche einfach einbaubar ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch eine Erdwärmesonde sowie durch ein Verfahren zum Einbringen einer Erdwärmesonde nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind dem Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie den Zeichnungen zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft eine Erdwärmesonde, welche ein als Zulauf ausgebildetes Außenrohr umfasst und welches mit einem Sondenfuß verbunden ist.
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Das Außenrohr ist vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildet.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Außenrohr auch aus Metall ausgebildet sein.
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Der Sondenkopf ist mit einem segmentiert ausgebildeten Innenrohr verbunden, welches als Rücklauf dient und welches bis zum Sondenfuß führt.
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Die erfindungsgemäße Erdwärmesonde ist also als Koaxialsonde ausgebildet, bei welcher die gesamte Oberfläche des Außenrohrs zum Wärmeübertrag genutzt werden kann.
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Vorzugsweise über ein koaxial angeordnetes Innenrohr wird die zum Wärmeübertrag verwendete Flüssigkeit, insbesondere ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel, z.B. Glykol, zurückgeführt.
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Die Segmentierung des Innenrohrs ermöglicht es, dass zunächst das Außenrohr samt Sondenfuß abgeteuft wird und sodann das Innenrohr auf der Baustelle zusammengesetzt und eingebracht wird.
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Das Außenrohr ist dagegen zum überwiegenden Teil seiner Länge, insbesondere vom Sondenfuß bis zum Sondenkopf, unsegmentiert ausgebildet. Vorzugsweise ist das Außenrohr nahtloses extrudiertes Rohr.
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Unter einer unsegmentierten Ausgestaltung wird auch ein Rohr verstanden, welches aus stoffschlüssig miteinander verbundenen, insbesondere verschweißten, Segmenten gebildet ist.
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Vorzugsweise hat das Außenrohr aber keineSchweißnähte.
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Vorzugsweise dienen die Verbindungsstücke für die Segmente des Innenrohrs zugleich als Abstandshalter, die einen koaxialen Sitz des Innenrohrs im Außenrohr sicherstellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Segmente des Innenrohrs über Steckverbinder miteinander verbunden.
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Die Steckverbinder sind vorzugsweise als Kunststoffspritzgussteile ausgebildet.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Steckverbinder als Pressverbinder ausgebildet sind, welche also über eine Presspassung die Rohrsegmente zusammenhalten.
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Die Steckverbinder haben vorzugsweise beidseitig jeweils einen Anschluss, um ein Rohrsegment einzustecken.
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Gegenüber einer Integration von Anschlussflanschen oder Gewinden zum Verschrauben an den Segmenten ermöglicht dies eine einfachere und preiswertere Ausgestaltung des Innenrohrs. Insbesondere haben die Segmente einen über Ihre Gesamtlänge gleichbleibenden kreiszylindrischen Querschnitt und/oder eine gleichbleibende Wandstärke.
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Der Sondenfuß ist dagegen vorzugsweise bereits werksseitig stoffschlüssig mit dem Außenrohr verbunden, insbesondere verschweißt. So ist eine robuste Ausgestaltung beim Abteufen des Außenrohrs sichergestellt.
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Vorzugsweise hat das Außenrohr einen Außendurchmesser von 50 bis 100 mm, insbesondere von 50 bis 75 mm.
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Durch einen geringen Außendurchmesser, insbesondere durch einen Außendurchmesser von 60 bis 65 mm, kann sowohl der Bohrlochdurchmesser als auch die benötigte Menge von Verfüllmaterial deutlich reduziert werden.
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Das Innenrohr kann einen Außendurchmesser von 20 bis 40 mm, insbesondere von 25 bis 35 mm, aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Erdwärmesonde ist insbesondere als Sonde für geringe Bohrtiefen ausgebildet und kann insbesondere eine Länge von 15 bis 50 m aufweisen.
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Die Segmente des Innenrohrs können eine Länge von 0,5 bis 3 m, vorzugsweise von 1,0 bis 1,5 m, aufweisen.
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Vorzugsweise wird die gesamte Erdwärmesonde aus Kunststoff ausgebildet. Als Außenrohr kann aber auch ein Metallrohr verwendet werden.
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Innenrohr, Außenrohr, Sondenfuß und/oder Sondenkopf können aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Polyethylen, ausgebildet sein.
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Weiter ist der Sondenkopf vorzugsweise totraumfrei ausgebildet.
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Es sind also im Sondenkopf keine Bereiche vorhanden, in welchen ein Deckel des Sondenkopfes derart überspannt ist, dass sich in diesem Bereich Gas, insbesondere Luft, sammeln kann.
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So kann beispielsweise der Deckel eben oder nach oben gewölbt ausgebildet sein. So ist eine einfache vollständige Entlüftung auch ohne zusätzlichen dritten Rohranschluss möglich.
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Der Sondenfuß kann ein zylindrisches Anschlussstück umfassen, mit dem der Sondenfuß mit dem Außenrohr verbunden ist.
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Der Sondenfuß kann insbesondere als Kunststoffbauteil ausgebildet sein, welches aus Vollmaterial gefertigt, insbesondere gefräst, ist.
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So kann auf einfache Weise ein massiver Sondenfuß bereitgestellt werden, welcher zumindest in einem unteren, vorzugsweise konisch ausgebildeten Bereich massiv, also innen nicht hohl, ausgebildet ist.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Sondenfuß als Spritzgussbauteil bereitgestellt.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Erdwärmesonde, insbesondere eine Erdwärmesonde mit einem oder mehreren vorstehend beschriebenen Merkmalen.
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Gemäß diesem Aspekt der Erfindung umfasst die Erdwärmesonde ebenfalls ein als Zulauf ausgebildetes Außenrohr aus Kunststoff sowie ein als Rücklauf ausgebildetes Innenrohr, welches vorzugsweise ebenfalls aus Kunststoff ausgebildet ist.
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Das Innenrohr ist segmentiert ausgebildet, wobei ein Verbinder des Innenrohrs, insbesondere ein Verbinder, welcher zu einem Sondenfuß gerichtet ist oder welcher zwischen zwei Segmenten des Innenrohrs angeordnet ist, Fortsätze aufweist, welche in einen Zwischenraum zwischen der Außenwand des Innenrohrs und der Innenwand des Außenrohrs ragen.
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Die Verbinder, welche, wie vorstehend beschrieben, vorzugsweise als Steckverbinder ausgebildet sind, haben über die in den Zwischenraum ragenden Fortsätze eine weitere Funktionalität.
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So können die Fortsätze einen Abstandshalter zwischen Innenrohr und Außenrohr bilden, der das Innenrohr koaxial im Außenrohr führt.
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Über die Steckverbinder wird so gleichzeitig die Führung des Innenrohrs ausgebildet und weitere Abstandshalter sind nicht erforderlich.
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Die Fortsätze können insbesondere sternförmig von einem Ring des Steckverbinders abgehen, welcher im montierten Zustand zwischen den beiden aneinandergrenzenden Rohrsegmenten angeordnet ist.
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Weiter und insbesondere in Kombination können die Fortsätze als Wirbelerzeuger ausgebildet sein.
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Insbesondere kann der Verbinder Schaufeln umfassen, welche schräg, insbesondere in einem Winkel von 30 bis 60°, gegenüber der Mittelachse des Außenrohrs angeordnet sind.
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Der Verbinder ist so in der Form eines Turbinenrads ausgebildet.
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So wird über die Verbinder eine turbulente Strömung im Außenrohr sichergestellt, wodurch die Entzugsleistung der Erdwärmesonde erheblich verbessert wird.
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Das Innenrohr ist dagegen vorzugsweise glattwandig ohne in das Rohr ragende Bauteile ausgebildet, um innerhalb des Innenrohrs die Strömung möglichst laminar und den Strömungswiderstand möglichst gering zu halten.
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Die Verbinder können insbesondere als Kunststoffspritzgussteile ausgebildet sein, welche zwei gegenüberliegende Steckanschlüsse aufweisen.
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Der oder die Steckanschlüsse kann bzw. können einen integralen konischen Kragen umfassen, welcher als Dichtung und/oder Pressverbinder wirksam ist.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Steckanschlüsse mit vorzugsweise mehreren hintereinanderliegenden konischen Kragen auf die Segmente verpresst werden, beispielsweise unter Verwendung eines Gummihammers.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Verbinder keine weiteren Dichtelemente.
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Insbesondere kann auf eingesetzte Dichtringe verzichtet werden, da die Druckunterschiede im Vorlauf und Rücklauf gering sind.
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Aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr, welches vorzugsweise einen geringeren Querschnitt aufweist als der Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrohr, ist im Rücklauf ein höherer dynamischer Druckanteil vorhanden. Es hat sich herausgestellt, dass dieser aber aufgrund der gerichteten Strömung selbst bei Undichtigkeiten kaum zu Strömungen vom Rücklauf in den Vorlauf führt. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Einbringen einer Erdwärmesonde in ein Bohrloch, insbesondere einer Erdwärmesonde, wie sie vorstehend beschrieben wurde.
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Zunächst wird eine Erdwärmebohrung gesetzt.
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Sodann wird das Außenrohr, welches vorzugsweise stoffschlüssig mit einem Sondenfuß verbunden ist, in die Erdwärmebohrung abgeteuft.
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Nunmehr kann baustellenseitig das Innenrohr eingebaut werden, indem die Segmente mit den Pressverbindern miteinander verbunden werden und ins Innenrohr abgelassen werden.
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Sofern die Erdwärmebohrung mit Wasser gefüllt ist, kann das Außenrohr entweder beschwert und mit Wasser befüllt werden.
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Der Sondenfuß ist vorzugsweise konisch ausgebildet, um eine gute Verdrängung zu erreichen.
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Vorzugsweise wird der Sondenkopf mit einem Steckverbinder an das Innenrohr angeschlossen.
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Das Außenrohr kann über eine Elektroschweißmuffe mit dem Sondenkopf verbunden werden.
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Figurenliste
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Der Gegenstand der Erfindung soll im Folgenden bezugnehmend auf ein in den Zeichnungen 1 bis 8 dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
- 1 ist eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Erdwärmesonde.
- 2 ist ein Längsschnitt der Erdwärmesonde.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Verbinders.
- 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Verbinders, welcher nicht zum Verbinden von zwei Segmenten, sondern als unterstes Stück des Innenrohrs verwendet wird.
- 5 ist eine perspektivische Ansicht des Sondenfußes.
- 6 zeigt den Sondenfuß in einem Längsschnitt.
- 7 ist eine perspektivische Ansicht des Sondenkopfes.
- 8 ist eine Querschnittsansicht des Sondenkopfes.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in einer Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Erdwärmesonde 1 in einer Seitenansicht.
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Die Erdwärmesonde 1 umfasst ein Außenrohr 20, welches aus Kunststoff ausgebildet ist und welches mit einem Sondenfuß 10 verschweißt ist.
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Beim Einbringen in ein Bohrloch wird zunächst dieses Außenrohr 20 mit werksseitig angebrachtem Sondenfuß 10 in die Bohrung abgeteuft.
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Der Sondenfuß 10 kann mit einer Schraube 12 versehen werden, welche sich durch einen Schlitz 11 erstreckt und welche mit einer Kontermutter gesichert wird.
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Hier kann ein Gewicht befestigt werden, um das Außenrohr 20 mit dem Sondenfuß 10 langsam in die Bohrung herabzulassen.
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Der Sondenkopf 30 umfasst, in diesem Ausführungsbeispiel abgewinkelt, am Sondenkopf 30, einen Zulauf 31 und einen Rücklauf 32.
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Der Zulauf 31 führt ins Außenrohr, während das Innenrohr mit dem Rücklauf 32 verbunden wird.
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Der Sondenkopf 30 kann baustellenseitig montiert werden.
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In diesem Ausführungsbeispiel hat der Sondenkopf 30 einen größeren Außendurchmesser als das Außenrohr 20.
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Ein Verbinder 40 zwischen Sondenkopf 30 und Außenrohr 20 ist daher als Reduzierstück ausgebildet.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Verbinder 40 als Elektroformschweißteil ausgebildet.
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An den Elektroanschlüssen 41 und 42 kann der Verbinder 40 an eine Stromquelle angeschlossen werden, über die an den Enden des Verbinders 40 angeordnete Metallwendel derart erwärmt werden, dass der Verbinder 40 mit dem Außenrohr 20 und dem Sondenkopf 30 verschweißt wird.
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2 ist ein Längsschnitt der Erdwärmesonde 1 entlang der Linie A-A der 1.
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Dargestellt in dieser Ansicht ist das koaxial zum Außenrohr 20 angeordnete Innenrohr 50, welches in eine Vielzahl von Segmenten 50a bis 50n unterteilt ist.
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Zwischen den Segmenten sind jeweils Verbinder 60 vorgesehen, welche als Steckverbinder ausgebildet sind und welche die Segmente 50a bis 50n zusammenhalten und gleichzeitig als Abstandshalter zur Innenwand des Außenrohrs 20 dienen.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist auch der Rücklauf 32 des Sondenkopfs 30 im Sondenkopf 30 über einen derartigen Verbinder 60 mit dem Innenrohr 50 verbunden.
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Ein Verbinder 70, welcher mit dem unteren Ende des Innenrohrs 50 verbunden ist, hat in diesem Ausführungsbeispiel nur auf einer Seite ein Anschlussstück, welches in das Innenrohr 50 ragt.
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Der Verbinder 70 setzt beabstandet vom Boden 14 des Sondenfußes auf und dient mithin als Abstandshalter gegenüber dem Boden 14.
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Zu erwärmende Sole fließt über den Zulauf 31 in das Außenrohr 20, durchströmt sodann mit turbulenter Strömung den Zwischenraum 2 zwischen Innenrohr 50 und Außenrohr 20.
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Im Sondenfuß 10 wird die Strömung umgelenkt und das Wasser strömt durch das glattwandig ausgebildete Innenrohr 50 zum Rücklauf 32 des Sondenkopfes 30 zurück.
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3 ist eine perspektivische Ansicht eines Verbinders 60.
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Der Verbinder 60 umfasst zwei sich gegenüberliegende Anschlussstücke 61, welche jeweils mehrere konische Kragen 62 aufweisen, über die der Verbinder 60 in das jeweilige Rohrsegment gesteckt wird und welche eine Presspassung und zugleich eine Dichtung bilden.
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Zwischen den Anschlussstücken 61 befindet sich ein Ring 63, von dem als Fortsätze eine Vielzahl von Schaufeln 64 abgehen, die im montierten Zustand bis zur Innenwand des Außenrohrs reichen.
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Die Schaufeln 64 verlaufen schräg zur Strömungsrichtung.
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Der Verbinder 60 umfasst so ein Segment, welches die Form eines Turbinenrads hat und welche zu einer turbulenten Strömung des Mediums im Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr führt.
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Im montierten Zustand liegen die Rohrsegmente (50b-50n) stirnseitig auf dem Ring 63 auf.
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4 ist eine perspektivische Ansicht des untersten Verbinders am Ende des Innenrohrs.
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Dieser umfasst nur ein Anschlussstück 61 auf einer Seite, da auf der gegenüberliegenden Seite kein anderes Rohrsegment angeschlossen wird.
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Ansonsten kann der Verbinder 70 wie der in 3 dargestellte Verbinder ausgebildet sein und insbesondere einen Ring 63 mit Schaufeln 64 umfassen.
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Der Verbinder 70 kann im montierten Zustand auf dem Sondenfuß aufliegen oder im Sondenfuß verklemmt sein und dort einen Abstandshalter auch in axialer Richtung bilden, so dass das Ende des Innenrohrs nicht auf dem Boden des Sondenfußes aufliegt.
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5 ist eine perspektivische Ansicht des Sondenfußes 10.
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Der Sondenfuß 10 umfasst ein kreiszylindrisch ausgebildetes Anschlussstück 13, an welches sich ein konischer Abschnitt anschließt.
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Wie in dem axialen Längsschnitt gemäß 6 dargestellt, ist der Boden 14 des Sondenfußes als Mulde ausgebildet.
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Durch das Durchgangsloch bzw. die sich neben dem Schlitz 11 gegenüberliegenden Durchgangslöcher 15 kann eine Schraube oder ein Stift gesteckt werden, um, falls erforderlich, ein Gewicht am Sondenfuß 10 zu befestigen.
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Senkrecht erstreckt sich der Schlitz 11 durch den von den Durchgangslöchern 15 gebildeten Kanal und erstreckt sich bis in den Bereich oberhalb der Durchgangslöcher 15.
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In diesen Schlitz 11 kann die Verbindungslasche eines Gewichts eingeführt werden, welches die Sonde zum Abteufen beschwert.
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7 ist eine perspektivische Ansicht des Sondenkopfes 30.
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Der Sondenkopf 30 ist in diesem Ausführungsbeispiel kreiszylindrisch ausgebildet und umfasst die waagerecht, also senkrecht zum Gehäuse des Sondenkopfes 30, abgehenden Anschlüsse in Form von Zulauf 31 und Rücklauf 32.
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8 ist ein Querschnitt des Sondenkopfes im Bereich der Anschlüsse.
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Dargestellt ist, dass der Zulauf 31 in einen Zwischenraum 2 mündet, welcher unmittelbar in den Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr führt.
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Über das Innenrohr kommt das Medium durch den Kanal 3 zurück aus dem Innenrohr und verlässt über den Rücklauf 32 den Sondenkopf 30.
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Der Sondenkopf 30 ist totraumfrei ausgebildet, indem oberhalb der Anschlüsse sich keine Hohlräume befinden.
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Die Anschlüsse sind vorzugsweise direkt unter dem Deckel des Sondenkopfes 30 angeordnet.
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Durch die Erfindung konnte eine einfach einbaubare Sonde, insbesondere für geringe Bohrtiefen bereitgestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erdwärmesonde
- 2
- Zwischenraum
- 3
- Kanal
- 10
- Sondenfuß
- 11
- Schlitz
- 12
- Schraube
- 13
- zylindrisches Anschlussstück
- 14
- Boden
- 15
- Durchgangsloch
- 20
- Außenrohr
- 30
- Sondenkopf
- 31
- Zulauf
- 32
- Rücklauf
- 40
- Verbinder
- 41
- Elektroanschluss
- 42
- Elektroanschluss
- 50
- Innenrohr
- 50a-50n
- Segmente des Innenrohrs
- 60
- Verbinder
- 61
- Anschlussstück
- 62
- konischer Kragen
- 63
- Ring
- 64
- Schaufel
- 70
- unterster Verbinder
