DE1937795A1 - Abstandhalter aus schlecht waermeleitendem Material zwischen je zwei einander umschliessenden Rohren,insbesondere bei tiefgekuehlten Kabeln - Google Patents

Abstandhalter aus schlecht waermeleitendem Material zwischen je zwei einander umschliessenden Rohren,insbesondere bei tiefgekuehlten Kabeln

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DE1937795A1 DE19691937795 DE1937795A DE1937795A1 DE 1937795 A1 DE1937795 A1 DE 1937795A1 DE 19691937795 DE19691937795 DE 19691937795 DE 1937795 A DE1937795 A DE 1937795A DE 1937795 A1 DE1937795 A1 DE 1937795A1
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Description

Abstandhalter aus schlecht wärmeleitendem Material zwischen je zwei einander umschließenden Rohren, insbesondere bei tiefgekühlten Kabeln
Die Erfindung betrifft einen Abstandhalter aus schlecht wärmeleitendem Material zwischen je zwei einander umschließenden Rohren, von welchen wenigstens eines auf tiefe Temperatur kühlbar ist, insbesondere bei tiefgekühlten Kabeln, wobei der Abstandhalter die Rohrwandungen nur an kleinen Oberflächenteilen berührt.
Tiefgekühlte, insbesondere supraleitende,Kabel lassen für die Übertragung großer elektrischer Energiemengen erhebliche Vorteile erwarten. Als elektrische Leiter können für diese Kabel elektrisch normalleitende Metalle insbesondere hoher Reinheit, beispielsweise hochreines Aluminium, verwendet werden,'deren ohmscher Widerstand bei tiefen Temperaturen wesentlich kleiner ist als bei Raumtemperatur. Besonders geeignet für solche Kabel sind supraleitende Metalle, deren ohmscher Widerstand bei Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der vom jeweils verwendeten Supraleitermaterial abhängigen kritischen Temperatur oder Sprungtemperatur völlig verschwindet. Als Supraleitermaterialien kommen dabei insbesondere die Metalle Niob und Blei sowie sogenannte Hochfeldsupraleitermaterialien, beispielsweise supraleitende Legierungen aus Niob und Titan bzw. Niob und Zirkon und supraleitende Verbindungen wie Niob-Zinn (Nb,Sn) in Frage. Sie Supraleiter können zur elektrischen Stabilisierung mit elektrisch zu ihnen parallel geschalteten, bei der Betriebstemperatur der Supraleiter elektrisch normalleitenden Metallen gut elektrisch leitend und gut wärmeleitend verbunden oder in diese Metalle eingebettet sein.
Zur Kühlung von Leitern aus elektrisch normalleitendem Metall
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eignen sich insbesondere Flüssigkeiten mit einer Siedetemperatur unterhalb von etwa 15O0K, wie beispielsweise flüssiger Wasserstoff, flüssiger Stickstoff oder flüssiges Erdgas oder kalte Gase entsprechender Temperaturen. Zur Kühlung von Supraleitern kommen bei den derzeit verfügbaren Supraleitermaterialien praktisch nur flüssiges oder kaltes gasförmiges Helium in Frage.
Bei bekannten Kabeln sind die Leiter innerhalb eines Rohres angeordnet, das mit Kühlmittel gefüllt ist, bzw. von diesem durchströmt wird. Das Rohr' kann selbst auch elektrisch leitend bzw. mit einer leitenden Schicht belegt sein. Um die zur Kühlung der leiter erforderliche Kühlleistung möglichst klein zu halten und unnötige Kühlmittelverluste zu vermeiden, müssen die Leiter und das zu ihrer Kühlung dienende Kühlmittel gege'nüber der äußeren Umgebung des Kabels thermisch isoliert sein. Diese thermische Isolation besteht in der Regel aus rohrförmigen Hüllen, welche, den Leiter und das diesen umschließende Rohr umgeben. Die rohrförmigen Hüllen können beispielsweise als Strahlungsschilde ausgebildet sein und durch ein zweites Kühlmittel gekühlt werden, welches eine höhere Temperatur besitzt als das zur Kühlung des Leiters dienende Kühlmittel. Die Zwischenräume zwischen den rohrförmigen Hüllen sind, soweit sie nicht von Kühlmittel durchströmt werden, evakuiert und können zusätzlich mehrere Lagen aus schlecht wärmeleitendem Material und reflektierenden Metallschichten enthalten. Diese Lagen können beispielsweise aus PoIyäthylenterephthalatfolien bestehen, die mit reflektierenden Aluminiumschichten überzogen sein können.
Das die Leiter umgebende Rohr und die dieses Rohr umgebenden weiteren Rohre werden bekanntlich durch Abstandhalter gegeneinander abgestützt. Bei einem bekannten supraleitenden Kabel bestehen solche Abstandhalter zwischen dem rohrförmigen Strahlungsschild und dem Leitersystem aus Reihen von Glas- oder Keramikscheiben (Aufsatz von B.C. Rogers und. D.R. Edwards in der Zeitschrift »Electrical Review" 181 (1967), Seiten 348 bis 351).. Derartige scheibenförmige Abstandhalter haben jedoch den Nachteil, daß ihre Berührungsflächen mit den Rohren, deren Abstand voneinander sie sichern, und damit die zur Wärmeeinleitung in das Kabel verfügbaren Materialquerschnitte verhältnismäßig groß
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sind. Dieser Nachteil kann durch Abstandhalter vermieden werden, welche die Rohrwandungen nur an kleinen Oberflächenteilen berühren. In der am 15.1.1967 bekanntgemachten österreichischen Patentanmeldung A 3726/65 sind als solche Abstandhalter Einlagen aus schlecht wärmeleitendem V2A-Stahl erwähnt, jedoch nicht näher erläutert.
Außer bei tiefgekühlten Kabeln sind beispielsweise auch bei Leitungen zum Transport flüssiger tiefsiedender Gase, bei denen ein von weiteren Rohren umgebenes Rohr zur Fortleitung der flüssigen Gase dient, Abstandhalter aus schlecht wärmeleitendem Material zwischen den Rohren erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche Abstandhalter weiter zu verbessern. Insbesondere sollen die Berührungsflächen des Abstandhalters mit den Rohrwänden möglichst klein sein. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Abstandhalter so auszugestalten, daß die von der Wärme zu überbrückenden Verbindungsstrecken zwischen dem jeweils außenliegenden Rohr und dem innenliegenden Rohr möglichst lang sind.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Abstandhalter gelöst, der gekennzeichnet ist durch einen das innenliegende Rohr umschließenden ringförmigen Teil, welcher an seiner diesem Rohr zugewandten Seite zur Auflage auf dieses Rohr dienende, entlang des Rohrumfangs jeweils um etwa 120° gegeneinander versetzte Vorsprünge besitzt, und durch drei am ringförmigen Teil angesetzte, sich in radialer Richtung zum außenliegenden Rohr erstreckende, jeweils um etwa 120° gegeneinander und um etwa 60° gegen die Vorsprünge versetzte speichenförmige Stützelemente.
Der erfindungsgemäße Abstandhalter hat insbesondere den Vorteil, daß durch die jeweils um einen Winkel von etwa 120° gegeneinander versetzten Vorsprünge bzw. speichenförmigen Stützelemente eine sichere Dreipunktabstützung der Rohre gegeneinander erreicht wird, während gleichzeitig die Berührungsflächen zwischen Abstandhalter und Rohren sehr klein sind, da das innenliegende Rohr nur mit den Vorsprüngen und das außenliegende Rohr nur mit den Enden der speichenförmigen Stütze.lemente in Berührung kommt.
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Da die speichenförmigen Stützelemente gegen die Vorsprünge um einen Winkel von etwa 60° versetzt sind, werden ferner vorteilhaft lange Verbindungswege zwischen dem innenliegenden und dem außenliegenden Rohr erzielt.
Zur weiteren Verkleinerung der Berührungsflächen des Abstandhalters mit dem innenliegenden Rohr können die Vorsprünge vorzugsweise warzenförmig ausgebildet sein.
Zur leichteren Montage kann der Abstandhalter ferner teilbar ausgebildet sein. Er kann vorzugsweise aus drei, jeweils etwa ein Drittel des Umfanges des innenliegenden Rohres umfassenden Teilstüeken bestehen. Bei einer im Hinblick auf die Erzielung möglichst langer Verbindungswege zwischen den beiden Rohren besonders bevorzugten Ausführungsform des Abstandhalters weist
/ etwa
jedes Teilstück zwei, jeweils/ein Drittel eines Kreisrings bildende, mit Vorsprüngen versehene Ringelemente und ein V-förmiges Stützelement auf. Die beiden Ringelemente sind dabei nebeneinander angeordnet und an den Enden durch etwa parallel zur Längsachse der Rohre verlaufende Streben verbunden, während jeder der beiden Balken des V-förmigen Stützelementes mit einem der beiden Ringelemente verbunden ist. Insbesondere kann jeder Balken des V-förmigen Stützelementes in der Mitte des zugehörigen Ringelementes angesetzt sein. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform des Abstandhalters kann ferner die an einem Ende der Ringelemente eines Teilstückes vorgesehene Strebe an ihrer dem innenliegenden Rohr zugewandten Seite zwei warzenförmige Vorsprünge und an ihrer vom innenliegenden Rohr abgewandten Seite eine Kerbe aufweisen, während die am anderen Ende der Ringelemente dieses Teilstücks vorgesehene Strebe an ihrer vom innenliegenden Rohr abgewandten Seite einen Fortsatz aufweist, wobei Kerbe und Portsatz zweier benachbarter Teilstücke jeweils ineinandergreifen. Dies hat den Vorteil, daß jedes Teilstück nur an einem Ende der Ringelemente über die warzenförmigen Vorsprünge mit dem innenliegenden Rohr in Berührung steht, während es sich am anderen Ende der Ringelemente auf das benachbarte Teilsttick abstützen kann.
Zur Befestigung der Teilstücke des Abstandhalters auf dem innen-
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liegenden Rohr kann vorteilhaft Band oder Draht aus schlecht' wärmeleitendem Material, beispielsweise ein Band aus Glasseide oder ein Stahldraht,vorgesehen sein.
Anhand zweier Piguren und eines Ausführungsbeispieles sollen die Erfindung und die mit ihr verbundenen Vorteile noch näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein supraleitendes Kabel mit zwei Ausführungsformen des Abstandhalters gemäß der Erfindung. Pig. 2 zeigt ein Teilstück einer bevorzugten Ausführungsform eines Abstandhalters gemäß der Erfindung.
Bei dem in Pig. 1 dargestellten supraleitenden Kabel ist als Leiter ein Hohlleiter 1 vorgesehen, der beispielsweise aus einer Kupfermatrix 2 mit einer Vielzahl von eingelagerten Niob-TitanDrähten 3 besteht. De.r Leiter 1 ist von einem beispielsweise aus Edelstahl bestehenden Rohr 4 umgeben.» das beim Betrieb d@s Kabels von flüssigem Helium durchströmt wird» Auch im Inneren des Hohlleiters 1 kann beim Betrieb d§s Kabels flüssiges Helium fließen« Das Rohr 4 wird von einem als Strahlungsschild diüsonagns, "beispielsweise aus Aluminium bestehenden Eohr 5 umschlossen5 das zur leichteren Montage zweiteilig ausgebildet ist» Mit dem Rohr sind zwei Rohre 6 kleineren Querschnitts verbunden2 die beim Betrieb des Kabels von flüssigem Stickstoff durchströmt werden, der zur Kühlung des Strahlungsschild©® dient. Als Außenmantel ist ein weiteres, das Rohr 5 umschließendes Rohr 7 vorgesehen. Dieses Rohr 7, das beispielsweise aus Edelstahl bestehen kann, ist ebenfalls zweiteilig ausgebildet. Die beiden Teile des Rohres 7 sind an den Stellen 8 beispielsweise durch Schweißnähte vakuumdicht miteinander verbunden. Zur thermischen Isolation sind die Zwischenräume zwischen den Rohren 4 und 5 bzw. 5 und 7 beim Betrieb des Kabels evakuiert. Zur weiteren thermischen Isolation sind in den Zwischenräumen ferner mehrere Lagen 9 aus schlecht wärmeleitendem Material, beispielsweise aus slumlniumbeschichteter Polyäthylenterephthalatfolie oder aus Glasfasergewebe mit dazwischengelegten Aluminiumfolie« vorgesehen»
dem Roiir 4 und dem-Bohr 5 to» dam Rofe 5 und dim Eofrr
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sind jeweils aus drei Teilstücken zusammengesetzte Abstandhalter 10 und 11 aus schlecht wärmeleitendem Material vorgesehen. Ein Teilstück des Abstandhalters 10 ist in Pig. 2 dargestellt. Der Abstandhalter 10 besitzt einen das innenliegende Rohr 4 umschließenden ringförmigen Teil, der aus den Jeweils etwa ein Drittel eines Kreisrings bildenden Ringelementen 12 der drei Teilstücke zusammengesetzt ist. An der dem Rohr 4 zugewandten Seite des ringförmigen Teils sind Jeweils um einen Winkel von 120° gegeneinander versetzte, warzenförmige Yorsprünge 13 angebracht, die zur Auflage auf das Rohr 4 dienen. Ferner besitzt der Abstandhalter 10 drei speichenförmige Stützelemente 14, die sich in radialer Richtung zum außenliegenden Rohr 5 erstrecken. Die Stützelemente 14, von denen Jeweils eines zu einem Teilstück des Abstandhalters 10 gehört, sind gegeneinander jeweils um einen Winkel von 120 und gegen die Vorsprünge 13 um einen Winkel von 60° versetzt.
Wie Fig. 2 ±tk einzelnen zeigt, besteht jedes der Teilstücke des Abstandhalters 10 aus zwei nebeneinander angeordneten, jeweils ■ etwa.ein -Drittel eines'Kreisringes bildenden Ringelementen 12, deren Enden durch etwa parallel zur Längsachse der Rohre des Kabels verlaufende Streben 15 und 16 verbunden sind. Ferner ist aus Fig. 2 zu ersehen, daß das speichenförmige Stützelement 14 V-förmig ausgebildet ist und daß jeder der beiden Balken 17 des Stützelementes in der Mitte des zugehörigen Ringelementes 12 angesetzt ist.
Wie Fig. 2'ferner zeigt, sind an der dem innenliegehden Rohr zugewandten Seite der Strebe 16, die an einem Ende der Ringelemente 12 vorgesehen ist, zwei warzenförmige Vorsprünge 13 angebracht. An ihrer vom innenliegenden Rohr abgewandten Seite ist die Strebe 16 mit einer Kerbe 18 versehen. Die Strebe 15 am anderen Ende der Ringelemente 12 besitzt an ihrer vom inenliegenden Rohr abgewandten Seite einen Fortsatz 19, der zur Kerbe 18 passend auegebildet ist. Wie Fig. 1 zeigt, greifen Kerbe und Fortsatz zweier benachbarter Teilstüoke des Abstandhalters 10 Ineinander und stützen einander dadurch ab. Durch die Vorsprung« 13 und die speichenförmigen Stützelemente 14 sind die Rohre 4 .und 5 gegen radiale Verschiebungen jeweils in Form einer Drei-
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punktabstützung gegeneinander abgestützt. Da an jeder Strebe 16 der einzelnen Teilstücke zwei warzenförmige Vorsprünge 13 vorgesehen sind, ist das innenliegende Rohr zusätzlich in Form einer ' Sechspunktabstützung gegen Verkippungen gesichert. Die dem außenliegenden Rohr 5 zugewandte Oberkante des V-förmigen Stützelementes 14 kann vorteilhaft als Schneide ausgebildet sein, so daß sie sich beim Umwickeln des Rohres 4 mit den schlecht wärmeleitenden Folien 9 leicht durch diese Folien hindurchdrücken kann. Die Folien legen sich dann dicht an das Stützelement 14 an, so daß die wärmeisolierende Wirkung der Folien praktisch nicht unterbrochen wird.
Die drei Teilstücke des Abstandhalters 11 zwischen dem für diesen Abstandhalter innenliegenden Rohr 5 und dem außenliegenden Rohr 7 sind ähnlich gestaltet wie die Teilstücke des Abstandhalters 10. Lediglich wegen der Stickstoffrohre 6, die mit dem Rohr 5 verbunden sind, ist die Form der einzelnen Teilstücke etwas modifiziert. Insbesondere sind die bügeiförmigen Ringelemente des oberen Teilstückes 20 so geformt, daß das Teilstück keinen Berührungskontakt mit dem Stickstoffrohr 6 hat. Die speichenförmigen Stutζelemente der beim Betrieb des Kabels oben liegende Teilstücke der Abstandhalter 10 und 11 können auch etwas kurzer ausgeführt sein als die speichenförmigen Stützelemente der übrigen Teilstücke, so daß zunächst kein unmittelbarer Kontakt zwischen den speichenförmigen Stützelementen der obenliegenden Teilstücke und den Rohren 5 bzw. 7 besteht. Die Stützelemente können an diesen Teilstücken jedoch nicht entfallen, da sie bei eventuellen Verschiebungen der Rohre in radialer Richtung in Funktion treten müssen.
Entlang des Kabels nach Fig. 1 sind in Abständen voneinander eine Reihe von Abstandhaltern 10 und 11 vorgesehen. Die schlecht, wärmeleitenden Spannbänder zur Befestigung der Teilstücke der Abstandhalter auf den Rohren 4 bzw. 5 sind in Fig. 1 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Beispielsweise können die Bänder um einander berührende Streben benachbarter Teilstücke so gewickelt sein, daß sie das innenliegende Rohr nicht berühren.
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Andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Abstandhalter können in Einzelheiten auch von den in den Figuren 1 und 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsformen abweichen. Beispielsweise können die Abstandhalter nicht aus Teilstücken, sondern aus einem einzigen Stück beetehen. Sie müssen dann allerdings auf die Rohre aufgeschoben werden. Ferner besteht beispielsweise die Möglichkeit, statt der beiden Ringelemente 12 eines Teilstückes nur ein einziges Ringelement vorzusehen, das an den Enden mit Streben versehen sein kann, die den Streben 15 und entsprechen. Statt des V-förmigen Stützelementes 14 kann bei dieser Ausführungsform beispielsweise ein dornförmiges Stützelement vorgesehen sein. Eine solche Ausführungsform dürfte jedoch in der Regel eine etwas geringere Festigkeit besitzen als die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ausführungsform. Gerade bei mechanischen Beanspruchungen in Längsrichtung des Kabels erweisen sich die V-förmigen Stützelemente als besonders günstig. Solche mechanischen Beanspruchungen treten beim Abkühlen des Kabels auf, da das als Strahlungsschild dienende Rohr 5 und in noch stärkerem Maße das heliumdurchflossene Rohr beim Abkühlen schrumpfen, während der auf Umgebungstemperatur befindliche äußere Rohrmantel 7 seine Länge nicht ändert. Wegen dieser Schrumpfung bewegen sich die einzelnen Rohre beim Abkühlen des Kabels längs ihrer Achse gegeneinander.
Als Materialien für die Abstandhalter kommen insbesondere keramische Stoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit und hoher Temperaturwechselbeständigkeit in Frage. Beispielsweise eignen sich Zirkon-Aluminium-Silikate, Gießporzellan oder Glaskeramiken mit geringen Ausdehnungskoeffizienten. Dabei ist von Vorteil, daß die keramischen Massen im Hochvakuum gute Gleiteigenschaften auf Metall besitzen, so daß sich die Rohre bei den Längenänderungen beim Abkühlen gegenüber den Abstandhaltern verschieben können. Da ferner in den Zwischenräumen zwischen den Rohren 4 und 5 bzw. 5 und 7 zur thermischen Isolation ein Vakuum mit einem Restgasdruck von etwa 10 Torr erreicht werden soll, ist es auch vorteilhaft, daß die keramischen Stoffe im Hochvakuum einen geringen Dampfdruck besitzen und daher praktisch nicht gasen. Neben keramisohen Stoffen kommen als Materialien für die
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die Abstandhalter beispielsweise auch Kunststoffe, insbesondere Polyamide wie "Nylon" in Frage.
8 Patentansprüche
2 Figuren
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Claims (8)

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    Patentansprüche
    λΐ Abstandhalter aus schlecht wärmeleitendem Material zwischen Je-zwei einander umschließenden Rohren, von welchen wenigstens eines auf tiefe Temperatur kühlbar ist, insbesondere bei tiefgekühlten Kabeln, wobei der Abstandhalter die Rohrwandungen nur an kleinen Oberflächenteilen berührt, gekennzeichnet durch einen das innenliegende Rohr (4) umschließenden ringförmigen !Teil (12), welcher an seiner diesem Rohr zugewandten Seite zur Auflage auf dieses Rohr dienende, entlang des Rohrumfangs jeweils um etwa 120° gegeneinander versetzte Vorsprünge (13) besitzt, und durch drei am ringförmigen Teil angesetzte, sich in radialer Richtung zum auSenliegenden Rohr (5) erstreckende, jeweils um etwa 120° gegeneinander und um etwa 60° gegen die Vorsprünge versetzte speichenförmige Stützelemente (H).
  2. 2. Abstandhalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (13) warzenförmig ausgebildet sind.
  3. 3. Abstandhalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aus drei, jeweils etwa ein Drittel des Umfanges des innenliegenden Rohres umfassenden Teilatücken besteht (Fig. 2).
  4. 4. Abstandhalter nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teilstück zwei, jeweils etwa ein Drittel eines Kreisrings bildende, nebeneinander angeordnete, an den Enden durch etwa parallel zur Längsachse der Rohre verlaufende Streben (15, 16) verbundene, mit Vorsprüngen (13) versehene Ringelemente (12) und ein V-förmiges Stützelement (14) aufweist und daß jeder der beiden Balken (17) des V-förmigen*Stützelementes mit einem der beiden Ringelemente verbunden ist.
  5. 5. Abstandhalter naoh Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Balken (17) des V-föraigen Stützelementes (14) in der ' Mitte des zugehörigen Eingeleaentee (12) angecetst let. ■'
  6. 6* Abstandhalter nach Anepruoh 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
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    ■ ' 11 ' ■ 1937785
    daß die dem außenliegenden Rohr zugewandte Kante des V-förmigen " Stützelementes (14) in Form einer Schneide ausgebildet ist.
  7. 7. Abstandhalter nach einem der·Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an einem Ende der Ringelemente (12) eines Teilstückes vorgesehene Strebe (16) an ihrer dem innenliegenden Rohr zugewandten Seite zwei warzenförmige Vorsprünge (13) und an ihrer vom innenliegenden Rohr abgewandten Seite eine Kerbe (18) aufweist, daß die am anderen Ende der Ringelemente dieses Teilstücks vorgesehene Strebe (15) an ihrer vom innenliegenden Rohr abgewandten Seite einen Portsatz (19) aufweist, und daß Kerbe und Fortsatz zweier benachbarter Teilstücke jeweils ineinandergreifen.
  8. 8. Abstandhalter nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung der Teilstücke auf dem innenliegenden Rohr Band oder Draht aus schlecht wärmeleitendem Material vorgesehen ist.
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    L e e r s e i t e
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