WO2006100014A1 - Sondenendstück - Google Patents

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WO2006100014A1 PCT/EP2006/002527 EP2006002527W WO2006100014A1 WO 2006100014 A1 WO2006100014 A1 WO 2006100014A1 EP 2006002527 W EP2006002527 W EP 2006002527W WO 2006100014 A1 WO2006100014 A1 WO 2006100014A1
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F21/06—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material
    • F28F21/062—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material the heat-exchange apparatus employing tubular conduits
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/18—Pipes provided with plural fluid passages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24T10/13—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes
    • F24T10/15—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes using bent tubes; using tubes assembled with connectors or with return headers
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10—Geothermal energy

Definitions

  • the invention relates to a probe end piece with a U-shaped pipe bend.
  • a borehole of, for example, 60 to 120 m depth is introduced into the soil, into which a pipe system through which a fluid medium such as water, water-glycol mixture or the like flows.
  • the pipe system comprises a supply pipe and a discharge pipe, which are connected at the lower end via a U-shaped pipe bend or consist of a tube which has been bent for deflection.
  • the energy absorbed during the flow through the pipe system (heat) is then fed to a heat exchanger or a heat pump, which withdraw the heat load the medium again.
  • the pipe system is made of thermally conductive material, such as cross-linked polyethylene, PEX pipes or PP, etc ..
  • the wall of the pipes forming the pipe system must be sufficiently strong to ensure a straight-line insertion of the pipe system into the borehole.
  • the pipe bend located at the lower end of the probe or the deflection is subjected to a particularly high load.
  • fittings and pipes are subject to special mechanical stress. When they leak, the medium leaks into the soil.
  • the invention has for its object to provide a ° probe end, the elbow or deflector better withstand the mechanical stresses during insertion of the pipe system in a wellbore and its shape protects the highly loaded probe end and the pipes from damage.
  • a probe end for the recovery of geothermal energy with at least one U-shaped, attached to a feed pipe and a drain pipe pipe bend for lowering into a wellbore introduced into the ground, wherein the elbow is surrounded in the curvature of a reinforced in Absenkraum protective sheath.
  • the protective jacket absorbs the mechanical pressure and protects the elbow from damage.
  • the protective jacket may consist in a further development of the invention of an elastomeric plastic, primarily modified polyurethane or rubber.
  • the pipe bend is preferably encapsulated, encapsulated or foamed over at least in the region of curvature by the protective jacket.
  • the probe end piece has a second U-shaped pipe bend (duplex probe) extending parallel to the first pipe bend, then it is recommended that the second pipe bend also be surrounded by a second protective jacket which is similar to the first protective jacket.
  • both protective coats are joined laterally joined and connected, for example screwed.
  • the protective coats geometrically fit together. They can also be inserted into each other by means of a dovetail connection. As a result, a centric and both probe halves evenly loading force application is achieved. But it is also possible to produce the two elbows with a common encapsulation, which then forms a one-piece component.
  • preferred embodiments of the invention are specified in the subclaims. The invention is explained below with reference to the accompanying drawings in detail.
  • FIG. 2 shows a section through the probe end piece according to FIG. 1 along the line A-A;
  • FIG. 4 shows a section along the line C-C through the probe piece according to FIG. 1;
  • FIG. 5 shows a plan view of another embodiment of a probe end piece
  • FIG. 6 shows a section through the probe end piece according to FIG. 5 along the line B-B;
  • FIG. 7 shows a cross section along the line A-A through the probe end piece according to FIG. 6;
  • FIG. 9 shows a section along the line D-D through the probe end piece according to FIG. 7.
  • the probe end piece, generally designated 1, for geothermal heating comprises the lower end of a feed pipe 2 and the lower end of a drain pipe 3, which are connected by a U-shaped and a weld 5 having pipe bend or bent pipe 4 via welds 6 and 7.
  • the pipe bend 4 and the lower portions of the pipe sections 2 and 3 are encapsulated, encapsulated or foamed by a protective jacket 10, which surrounds the lower portions of the pipe sections 2 and 3 relatively thin-walled at 8 and 13, the gap between the two lower sections 2 and 3 full at 9 and below the elbow 4 a significant thickening which is at least as strong as the outer diameter of the pipe sections 2 or 3 and at the lower end 11 is spherically shaped.
  • a blind hole 14 or a fixing pin is introduced, in which the lower end of a drive rod, not shown screwed or fixed by means of screwed fixing pin or alternatively foamed screw and centered.
  • the drive linkage can be used to drive the probe end piece further into the borehole when the probe end piece 1 strikes an obstacle in the borehole, not shown, by striking or pressing the drive linkage.
  • the material of the protective jacket 10 is in the illustrated embodiment of foamed polyurethane, whose properties are adjusted so that on the one hand sufficient skill to push away small obstacles and on the other hand a certain plasticity to absorb higher forces (shock proof effect).
  • the probe end piece 25 according to FIG. 6 therefore comprises a first pipe bend 27, which is welded to the lower section of a first inlet pipe 29 and to the lower section of a drain pipe 31 at the other end.
  • Both lower portions of the tubes 29 and 31 and the U-shaped elbow 27 are foamed by a first protective sheath 30 which tapers at the lower end 33, the lower portions of the tubes 29 and 31 with the sections 35 and 37 surrounds relatively thin-walled and the Gap 39 between the lower portions of the tubes 29 and 31 fills.
  • the lower part of the first protective jacket 30 is made relatively strong and provided in the vicinity of its lower end 33 with a through hole 32 transverse to the tubes 29 and 31.
  • Another bore 34 is located between the lower portions of the tubes 29 and 31st

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Abstract

Beschrieben wird ein Sondenendstück (1) zur Strömungsumlenkung bei der Gewinnung von Erdwärme mit einem Zulaufrohr (2) und einem Ablaufrohr (3), deren Enden mit einem Rohrkrümmer (4) verbunden sind. Zum Schutz des Rohrkrümmers (4) gegen mechanische Belastungen ist er im Krümmungsbereich von einem in Absenkrichtung verstärkten Schutzmantel (10) umgeben, der aus Kunststoff, zweckmäßig schockabsorbierendem Ploymethan, bestehen kann.

Description

Sondenendstück
Die Erfindung betrifft ein Sondenendstück mit einem U-förmigen Rohrkrümmer.
Zur Gewinnung von Erdwärme mittels einer Erdwärmesonde wird in das Erdreich üblicherweise ein Bohrloch von zum Beispiel 60 bis 120 m Tiefe eingebracht, in welches ein von einem strömungsfähigen Medium wie etwa Wasser, Wasser- Glykol-Gemisch oder dergleichen durchströmtes Rohrsystem eingeführt wird. Das Rohrsystem weist ein Zuleitungsrohr sowie ein Ableitungsrohr auf, die am unteren Ende über einen U-förmigen Rohrkrümmer verbunden sind oder aus einem Rohr bestehen, welches zur Umlenkung gebogen wurde. Die beim Durchströmen durch das Rohrsystem aufgenommene Energie (Wärme) wird anschließend einem Wärmetauscher oder einer Wärmepumpe zugeführt, welche die Wärmefracht dem Medium wieder entziehen. Das Rohrsystem besteht aus wärmeleitfähigem Werkstoff, beispielsweise vernetztes Polyethylen, PEX-Rohren oder PP, etc..
Während des Einführens des Rohrsystems in das Bohrloch sind oft Widerstände innerhalb des Bohrlochs zu überwinden, die häufig allein schon durch das aus der Umgebung des Bohrloches in dieses einströmende Grundwasser verursacht werden. Daher muss die Wandung der das Rohrsystem bildenden Rohre hinreichend stark sein, um ein geradliniges Einführen des Rohrsystems in das Bohrloch zu gewährleisten. Vor allem der am unteren Ende der Sonde befindliche Rohrkrümmer bzw. die Umlenkung ist dabei einer besonders hohen Belastung unterworfen. Insbesondere die an einem Rohrkrümmer oft erforderlichen Schweißnähte, Formteile und Rohre unterliegen dabei besonderer mechanischer Beanspruchung. Wenn diese undicht werden, leckt das Medium in das Erdreich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein° Sondenendstück zu schaffen, dessen Rohrkrümmer oder Umlenker den mechanischen Belastungen beim Einführen des Rohrsystems in ein Bohrloch besser standhält und dessen Form das hochbelastete Sondenendstück und die Rohre vor Beschädigung schützt.
Dazu dient ein Sondenendstück zur Gewinnung von Erdwärme mit wenigstens einem U-förmigen, an einem Zulaufrohr und einem Ablaufrohr befestigten Rohrkrümmer zum Absenken in ein in das Erdreich eingebrachtes Bohrloch, wobei der Rohrkrümmer im Krümmungsbereich von einem in Absenkrichtung verstärkten Schutzmantel umgeben ist. Der Schutzmantel nimmt den mechanischen Druck auf und schützt den Rohrkrümmer vor Beschädigungen. Der Schutzmantel kann in Weiterbildung der Erfindung aus einem Elastomer-Kunststoff, vornehmlich modifiziertem Polyurethan oder Gummi bestehen. Der Rohrkrümmer ist bevorzugt wenigstens im Krümmungsbereich vom Schutzmantel umspritzt, umgössen oder umschäumt. Es empfiehlt sich, dem Schutzmantel an seinem unteren Ende ein balliges Profil zu geben oder spitz zulaufen zu lassen, damit sich der Sondenfuß im Bohrloch beim Einführen zentriert. Zweckmäßig sind auch die an den Krümmer anschließenden Rohrendstücke vom Schutzmantel umgeben. Es ist ferner vorteilhaft, wenn auch der Zwischenraum zwischen den Rohrendstücken vom Material des Schutzmantels ausgefüllt ist. Bevorzugt ist ferner, wenn der Schutzmantel in der Nähe seines unteren Endes eine Durchbohrung zum Anhängen einer Beschwerung aufweist. Ergänzend kann in die Oberseite des Schutzmantels eine Blindbohrung oder ein herausstehender Fixierungsstift oder Schraube zur Aufnahme bzw. Fixierung oder Zentrierung eines Treibgestänges eingebracht sein, mit dessen Hilfe die Sonde und somit die Erdwärmesonde in das Bohrloch ohne direkte Belastung der Zuleitungs- und Ableitungsrohre eingedrückt oder eingeführt werden kann. Dazu kann der Schutzmantel in der Nähe seines oberen Endes zweckmäßig eine einseitige, radiale Verdickung aufweisen, in die die Blindbohrung bzw. der Fixierungsstift eingebracht ist.
Wenn das Sondenendstück einen zweiten U-förmigen Rohrkrümmer (Duplex- Sonde) aufweist, der sich zum ersten Rohrkrümmer parallel erstreckt, dann empfiehlt es sich, dass auch der zweite Rohrkrümmer von einem zweiten Schutzmantel umgeben ist, welcher dem ersten Schutzmantel ähnlich ist. Zweckmäßig sind beide Schutzmäntel seitlich aneinander gefügt und verbunden, beispielsweise verschraubt. Zweckmäßig fügen sich die Schutzmäntel geometrisch ineinander. Sie können auch mittels einer Schwalbenschwanz- Verbindung ineinander gesteckt werden. Dadurch wird ein zentrisches und beide Sondenhälften gleichmäßig belastende Krafteinleitung erreicht. Es ist aber auch möglich, die beiden Rohrkrümmer mit einer gemeinsamen Umspritzung herzustellen, die dann ein einteiliges Bauteil bildet. Im Übrigen sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 : eine Draufsicht auf ein Sondenendstück;
Fig. 2: einen Schnitt durch das Sondenendstück nach Figur 1 längs der Linie A-A;
Fig. 3 einen Schnitt durch das Sondenendstück längs der Linie B-B aus Figur 1 ;
Fig. 4: einen Schnitt längs der Linie C-C durch das Sondenstück nach Figur 1;
Fig. 5: eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform eines Sondenendstücks;
Fig. 6: einen Schnitt durch das Sondenendstück nach Figur 5 längs der Linie B-B;
Fig. 7: einen Querschnitt längs der Linie A-A durch das Sondenendstück nach Figur 6;
Fig. 8: einen Vertikalschnitt durch das Sondenendstück längs der Linie C-C aus Figur 7; und
Fig. 9: einen Schnitt längs der Linie D-D durch das Sondenendstück nach Figur 7.
Das im Ganzen mit 1 bezeichnete Sondenendstück zur Gewinnung von Erdwärme umfasst das untere Ende eines Zulaufrohres 2 und das untere Ende eines Ablaufrohres 3, die durch einen U-förmigen und eine Schweißnaht 5 aufweisenden Rohrkrümmer oder umgebogenes Rohr 4 über Schweißnähte 6 und 7 verbunden sind. Der Rohrkrümmer 4 sowie die unteren Abschnitte der Rohrstücke 2 und 3 sind von einem Schutzmantel 10 umspritzt, umgössen oder umschäumt, der die unteren Abschnitte der Rohrstücke 2 und 3 relativ dünnwandig bei 8 und 13 umgibt, den Zwischenraum zwischen den beiden unteren Abschnitten 2 und 3 bei 9 voll ausfüllt und unterhalb des Rohrkrümmers 4 eine erhebliche Verdickung aufweist, die mindestens so stark ist wie der Außendurchmesser der Rohrstücke 2 oder 3 und am unteren Ende 11 ballig geformt ist. In eine obere radiale Verstärkung 12 des Schutzmantels 10 neben dem Rohrstück 2 ist ein Blindloch 14 oder ein Fixierstift eingebracht, in welches das untere Ende eines nicht dargestellten Treibgestänges eingeschraubt oder mittels eingeschraubtem Fixierungsstift oder alternativ geschäumter Schraube fixiert und zentriert werden kann. Das Treibgestänge kann dazu dienen, bei Auftreffen des Sondenendstückes 1 auf ein Hindernis im nicht dargestellten Bohrloch durch Schlag oder Druck auf das Treibgestänge das Sondenendstück weiter in das Bohrloch hinein zu treiben.
Der Werkstoff des Schutzmantels 10 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus geschäumtem Polyurethan, dessen Eigenschaften so eingestellt sind, dass es einerseits hinreichende Fertigkeit zum Wegdrücken kleinerer Hindernisse und andererseits eine gewisse Plastizität zur Aufnahme höherer Kräfte (Shock Proof Effect) aufweist.
Wenn das Bohrloch hinreichenden Durchmesser hat, so dass ein Rohrsystem aus zwei Rohrkrümmern in das Bohrloch eingeführt werden kann, erweist sich die in den Figuren 5 bis 9 dargestellte Ausführungsform der Erfindung besonders vorteilhaft. Das Sondenendstück 25 gemäß Figur 6 umfasst daher einen ersten Rohrkrümmer 27, welcher mit dem unteren Abschnitt eines ersten Zulaufrohrs 29 sowie am anderen Ende mit dem unteren Abschnitt eines Ablaufrohres 31 verschweißt ist. Beide untere Abschnitte der Rohre 29 und 31 sowie der U-förmige Rohrkrümmer 27 sind von einem ersten Schutzmantel 30 umschäumt, der am unteren Ende 33 spitz zuläuft, die unteren Abschnitte der Rohre 29 und 31 mit den Abschnitten 35 und 37 relativ dünnwandig umgibt und den Zwischenraum 39 zwischen den unteren Abschnitten der Rohre 29 und 31 ausfüllt. Der untere Teil des ersten Schutzmantels 30 ist relativ stark ausgeführt und in der Nähe seines unteren Endes 33 mit einer Durchgangsbohrung 32 quer zu den Rohren 29 und 31 versehen. Eine weitere Bohrung 34 befindet sich zwischen den unteren Abschnitten der Rohre 29 und 31.
Wie aus Figuren 7 und 9 zu erkennen ist, ist der untere Abschnitt eines zweiten
Zulaufrohrs 49 und der untere Abschnitt eines zweiten Ablaufrohres 51 in einen zweiten Schutzmantel 50 eingebettet, der aus dem gleichen Material wie der erste Schutzmantel besteht und in seiner Gestaltung dem ersten Schutzmantel 30 ähnlich ist. Der erste Schutzmantel 30 ist mit dem zweiten Schutzmantel 50 durch einen Bolzen oder eine Schraube verbunden, der sich durch die Bohrung 34 und eine mit ihr fluchtende Bohrung 54 im zweiten Schutzmantel 50 quer zu den Rohren 29, 31, 49, 51 erstreckt. Der erste Schutzmantel 30 und der zweite Schutzmantel 50 liegen längs einer Fläche 38 aneinander, welche bei 51 unterhalb einer in den ersten Schutzmantel 30 von oben eingelassenen Blindbohrung 36 und oberhalb der fluchtenden Bohrungen 34, 54 für den Bolzen in den zweiten Schutzmantel 50 hinein abgestuft ist. Oberhalb der Stufe 51 ist der erste Schutzmantel 30 zu einer in Draufsicht (Figur 5) wellenförmigen Verdickung 53 ausgebildet, die sich in den zweiten Schutzmantel 50 hinein erstreckt, um Platz für die Blindbohrung 36 in der einseitigen radialen Verdickung 53 am ersten Schutzmantel 30 zu gewinnen. Die Blindbohrung 36 dient wieder zur Fixierung und gegebenenfalls zur Zentrierung eines Treibgestänges, mit dessen Hilfe das Sondenendstück 25 gegen eventuelle Widerstände in das Bohrloch eingetrieben werden kann, wobei durch die Stufen 51 und aufgrund des die Bohrungen 34, 54 durchsetzenden Bolzens der erste Schutzmantel 30 den zweiten Schutzmantel 50 nach unten mitnehmen kann und die Krafteinleitung sich auf beide Sondenhälften verteilt. Die Figur 9 lässt erkennen, dass der erste Schutzmantel 30 und der zweite Schutzmantel 50 im Bereich der unteren Abschnitte der Rohre 29, 31, 49, 51 spiegelsymmetrisch ausgeführt sind und der zweite Schutzmantel 50 daher in der gemeinsamen Spitze 33 nach unten ausläuft. So umgibt der zweite Schutzmantel 50 den zweiten Rohrkrümmer 57 vollständig, wobei das unterhalb den Rohrkrümmern 27 und 57 befindliche Material des ersten Schutzmantels 30 und des zweiten Schutzmantels 50 in Absenkrichtung nach unten eine Stärke hat, die mehr als der Durchmesser der Rohre 31 oder 51 beträgt. Die fluchtenden Durchgangsbohrungen 32 und 52 ermöglichen die Befestigung eines an das Sondenendstück 25 frei angehängten Gewichtes zur Beschwerung. Die Duplexumspitzung kann auch als ein Bauteil ausgeführt sein, dann entfallen die Durchgangsbohrungen 32 und 52.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Sondenendstück (1, 25) zur Strömungsumlenkung bei der Gewinnung von Erdwärme mit wenigstens einem U-förmigen, an einem Zulaufrohr (2, 29, 49) und einem Ablaufrohr (3, 31 , 51 ) befestigten Rohrkrümmer (4, 27, 57) zum Absenken in ein in das Erdreich eingebrachtes Bohrloch, wobei der Krümmungsbereich des Rohrkrümmers von einem in Absenkrichtung verstärkten Schutzmantei (10, 30, 50) umgeben ist.
2. Sondenendstück nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzmantel (10, 30, 50) aus impulsdämpfendem, Shock-Proof-Kunststoff, zum Beispiel Polyurethan, besteht.
3. Sondenendstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkrümmer wenigstens im Krümmungsbereich vom Schutzmantel (10, 30, 50) umspritzt, umgössen oder umschäumt ist.
4. Sondenendstück nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzmantel (10) an seinem unteren Ende (11) ein balliges Profil hat.
5. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzmantel (30, 50) an seinem unteren Ende spitz zuläuft.
6. Sondenendstück nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Krümmer (4, 27, 57) anschließende Rohrstücke (2, 3, 29, 31 , 49, 51) vom Schutzmantel (10, 30, 50) umgeben sind.
7. Sondenendstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (9, 39) zwischen den Rohrstücken vom Material des Schutzmantels ausgefüllt ist.
8. Sondenendstück nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzmantel aus einem geschäumten, gespritzten oder gegossenen Elastomer, vorzugsweise Polyurethan besteht.
9. Sondenendstück nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzmantel (30, 50) in der Nähe seines unteren Endes eine Durchgangsbohrung (32, 52) zum Anhängen einer Beschwerung
5 aufweist.
10. Sondenendstück nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die obere Seite einer einseitigen radialen, oberen Erweiterung (12, 53) des Schutzmantels eine Blindbohrung oder
I0 Fixierschraube (14; 36) zur Aufnahme eines Treibgestänges eingebracht ist.
11. Sondenendstück nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter U-förmiger Rohrkrümmer (57) vorgesehen ist, der an einem zweiten Zulaufrohr (49) und an einem zweiten Ablaufrohr (51)
15 befestigt ist und sich zum ersten Rohrkrümmer (27) parallel erstreckt und von einem zweiten Schutzmantei (50) umgeben ist, welcher dem ersten Schutzmantel (30) ähnlich ist, wobei beide Schutzmäntel längs einer sich in Absenkrichtung erstreckenden Fläche (38) aneinander gefügt und verbunden sind. Q
12. Sondenendstück nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzmäntel sich geometrisch ineinander fügen und anschließend verschraubt sind.
5 13. Sondenendstück nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzmäntel ineinander über eine Schwalbenschwanz-Verbindung gesteckt sind.
14. Sondenendstück nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden 0 Schutzmäntel (30, 50) miteinander verschraubt sind.
15. Sondenendstück nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Schutzmantel (30), in welchen die Blindbohrung (36) eingebracht ist, durch eine Stufe (51) in den zweiten 5 Schutzmantel (50) einspringt. 6. Sondenendstück für Duplex-Sonden nach einem der Ansprüche 11-15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Schutzmantel zusammen ein einteiliges Bauteil bilden.
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