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Die vorliegende Erfindung betrifft
hydraulische Kupplungen, die bei Unterwasserbohrungen und Produktionsanlagen
verwendet werden. Im einzelnen betrifft die Erfindung eine druckausgeglichene hydraulische
Kupplung, bei der Radialkanäle
vorgesehen sind, damit die Kupplung verbunden oder gelöst werden
kann, ohne daß ein
wesentlicher Fluiddruck in axialer Richtung auf die Stirnfläche des
Einsteckelementes ausgeübt
wird.
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Hydraulische Unterwasserkupplungen
sind seit langem bekannt. Die Kupplungen bestehen im allgemeinen
aus einem Einsteckelement und einem Aufnahmeelement mit abgedichteten
Fluiddurchgangswegen, die zwischen beiden eine Verbindung schaffen.
Das Aufnahmeelement hat im allgemeinen einen zylindrischen Körper mit
einer Längsbohrung mit
einem relativ großen
Durchmesser an dessen einem Ende und einer Längsbohrung mit einem relativ kleinen
Durchmesser an dessen anderem Ende. Die kleine Bohrung erleichtert
Anschlüsse
an Hydraulikleitungen, während
die große
Bohrung das Einsteckelement der Kupplung abdichtet und mit diesem
verschiebbar zusammenwirkt. Das Einsteckelement hat einen zylindrischen
Teil, der an einem Ende einen Außendurchmesser hat, der ungefähr leicht
dem Durchmesser der großen
Bohrung in dem Aufnahmeelement der Kupplung ist. Das Einsteckelement
hat auch an seinem anderen Ende einen Anschluß, um das Anschließen von
Hydraulikleitungen zu erleichtern. Wenn der zylindrische Teil des
Einsteckelementes in die große
Bohrung des Aufnahmeelementes eingesetzt ist, wird gemäß ver schiedenen
Ausführungsformen
der Vorrichtung ein Fluidstrom zwischen dem Einsteckelement und
dem Aufnahmeelement errichtet.
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Bei der Verwendung der Hydraulikkupplungen
in Systemen mit relativ hohem Druck treten infolge der hohen Axialkräfte, mit
welchen das Einsteckelement und das Aufnahmeelement während des Kupplungsvorgangs
und während
ihres Gebrauchs beaufschlagt werden, Probleme auf. Bei solchen Kupplungen
ist es notwendig, daß die
Fluidkraft, welche gegen die Stirnfläche des Einsteck- oder Aufnahmeelementes
gerichtet ist, überwunden
wird, bevor die Fluidkommunikation zwischen den Elementen errichtet
wird. In einem System mit relativ hohem Druck können die hohen Kräfte, mit
welchen die Ventilelemente beaufschlagt sind, die Verbindung der
Kupplungselemente schwierig machen. Auch während des Gebrauchs wird zwischen
den Einsteck- und Aufnahmeelementen ein Fluiddruck dergestalt ausgeübt, daß die Tendenz
besteht, die Elemente zu trennen. Die Kraft, welche zum Verbinden
der Elemente notwendig ist, und die daraus resultierende Tendenz zur
Trennung der Kupplungselemente sind charakteristische Probleme beim
Stand der Technik. Hochdrucksysteme und Unterwasserausrüstungen
zeigen auch Probleme bezüglich
der Abdichtung der Verbindung zwischen den Einsteck- und Aufnahmeelementen.
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Idealerweise sollten hydraulische
Kupplungen soweit als möglich
druckausgeglichen sein, so daß der
Fluiddruck nicht die Verbindung behindert oder eine Trennung der
Elemente erzwingt. Die Kupplungselemente haben häufig Ventile, die beim Kuppeln
automatisch öffnen
und beim Lösen
der Kupplung automatisch schließen.
Die Kupplungen sollten auch eine Implosion der Dichtungen infolge
eines Vakuums beim Trennen der Kupplungselemente verhindern. Zusätzlich sollten
Dichtungen verwendet werden, die sowohl hohen Drucken als auch der
korrosiven Wirkung der Unterwasserumgebung und sonstiger nachteiliger
Umgebung widerstehen können,
um einen Ver lust an Hydraulikfluid während des Kuppelns oder Lösens der
Kupplung zu verhindern.
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In den
US
4,694,859 und
5,762,106 von
Robert E. Smith III, übertragen
auf National Coupling Company, Inc., sind hydraulische Unterwasserkupplungen
mit radialen Metalldichtungen gezeigt. Die radiale Metalldichtung
ist an der Schulter im Aufnahmeelement gehalten. Die Dichtung ist
mit Druck gespeist, um gegenüber
dem Umfang des Einsteckelementes und dem Aufnahmeelement radial
abzudichten. In der
US 4,754,780 von
Robert E. Smith III ist eine druckausgeglichene hydraulische Kupplung
gezeigt, die radiale Kanäle
hat, welche zwischen den Einsteck- und Aufnahmeelementen eine Verbindung herstellen,
so daß der
Hydraulikfluidstrom im wesentlichen in radialer Richtung verläuft und
nicht gegen die Stirnfläche
eines der Elemente gerichtet ist. In den druckausgeglichenen Hydraulikkupplungen
gemäß der
US 4,832,080 ,
5,099,882 ,
5,203,374 und
5,277,225 sind hydraulische Unterwasserkupplungen
mit Radialkanälen
für die
Fluidverbindung zum Druckausgleich der Kupplungen gezeigt. Im einzelnen
offenbart die
US 4,832,080 von
Robert E. Smith III eine druckausgeglichene hydraulische Kupplung mit
Metalldichtungen, die dazu verwendet werden, den Ringraum zwischen
den gekuppelten Einsteck- und Aufnahmeelementen abzudichten. Die
Metalldichtungen können
in Antwort auf den Fluiddruck in der Kupplung mit Druck gespeist
sein, um den Dichteffekt zu erhöhen.
Die
US 4,900,071 und
5,052,439 von Robert E.
Smith III offenbaren hydraulische Unterwasserkupplungen mit zweistückigen Haltern,
bestehend aus einem zylindrischen Halterhülsenelement, das verschiebbar
in der Bohrung des Aufnahmeelementes aufgenommen ist, und einem
mit Gewinde versehenen Haltersperrelement, das in die Wand der zentralen
Bohrung eingeschraubt ist. Eine elastomere Dichtung wird gegenüber radialer
Bewegung durch eine Schwalbenschwanzpassung mit einer passenden
Schulter an der Halterhülse
und/oder dem Haltersperrelement gehindert. Die
US 5,099,882 von Robert E. Smith III
offenbart eine druckausgeglichene Hydraulikkupplung mit Radialkanälen in den
Einsteck- und Aufnahmeelementen, einem ersten Paar radialer Dichtungen,
die an jeder Seite der Radialkanäle
positioniert sind, um zwischen der Aufnahmekammer und dem Dichtungshalter
abzudichten, und einem zweiten Paar von radialen Dichtungen, die
an jeder Seite der Radialkanäle
positioniert sind, um zwischen dem Dichtungshalter und dem Einsteckelement
abzudichten. Die Dichtungen sind vorzugsweise druckgespeiste Metalldichtungen.
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In letzter Zeit sind hydraulische
Systeme, von denen hydraulische Unterwasserkupplungen ein Teil sind,
für die
Verwendung in größeren Wassertiefen,
wo die Unterwasserdrucke höher
sind, notwendig geworden. Bei Anwendungen im tiefen Wasser werden
ferngesteuerte Fahrzeuge (ROVs) fast ausschließlich dazu verwendet, die hydraulischen
Unterwasserkupplungsbaugruppen zu verbinden, zu lösen und
zu manövrieren.
Typischerweise sind 20 oder mehr Kupplungselemente an einer Verteilerplatte
befestigt, welche ein ROV positioniert und mit den gegenüberliegenden
Kupplungselementen verbindet. Bei Anwendungen im tiefen Wasser,
wo ROVs verwendet werden, ist es wünschenswert, die Größe und das
Gewicht der hydraulischen Unterwasserkupplungselemente zu verringern.
Eine Verringerung der Kupplungsgröße und des Kupplungsgewichtes ist
wünschenswert,
so daß die
ROVs die Kupplungselemente und Verteilerplatten, an welchen die
Kupplungselemente sitzen, besser positionieren, verbinden und lösen kann.
Demgemäß wird eine
leichtere, kompaktere hydraulische Unterwasserkupplung, die druckausgeglichen
ist, für
die Verwendung bei Unterwasseranwendungen in tiefem Wasser benötigt.
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Aus
US
5,099,882 ist eine hydraulische Unterwasserkupplung bekannt
mit einem Dichtungshalter, der nur radiale Fluidkanäle aufweist.
Die Längskanäle für die Kupplung
sind dabei in der Außenwandung
des Aufnahmekupplungselementes untergebracht was sehr raumgreifend
ist.
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Aus der
US 5,060,982 ist eine Kupplung für die Ankoppelung
von Gaszylindern bekannt mit einer Innenhülse zur Aufnahme eines Einsteckelements. Dabei
hat die Innenhülse
keine Dichtfunktion und ist daher nicht für die Benutzung als hydraulische
Unterwasserkupplung geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde
die Nachteile des genannten Standes der Technik zu vermeiden und
eine hydraulische Unterwasserkupplung zu schaffen, die einen verringerten
Außendurchmesser
des Aufnahmekörpers
hat und durch die Größe und das
Gewicht verringert werden.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Hauptanspruches.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Die folgenden Figuren bilden einen
Teil der vorliegenden Beschreibung und sind zur weiteren Demonstrierung
eines Weges zum Ausführen
der vorliegenden Erfindung enthalten. Unter Bezugnahme auf die Figuren
in Verbindung mit der detaillierten Beschreibung der hier vorgestellten
spezifischen Ausführungsformen
kann die Erfindung besser interpretiert werden.
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1 zeigt
das Einsteckelement und das Aufnahmeelement der Kupplung gemäß einer
ersten Ausführungsform
im Schnitt, wobei das Einsteckelement teilweise in das Aufnahmeelement
eingesetzt ist; und
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2 zeigt
das Einsteckelement vollständig in
das Aufnahmeelement der Kupplung gemäß der ersten Ausführungsform
eingesetzt, im Schnitt.
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In den 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform
der hydraulischen Unterwasserkupplung gemäß der vorliegenden Er findung
gezeigt. Die Kupplung besteht aus dem Einsteckelement 10,
dem Aufnahmeelement 20, dem Halter 30 und dem
Haltersperrelement 40. Der Halter ist in die Aufnahmekammer 39 des
Aufnahmeelementes eingesetzt und an Ort und Stelle durch das Haltersperrelement 40 gehalten.
Wenn das Einsteckelement 10 durch den Halter in die Bohrung 38 des
Aufnahmeelementes eingesetzt wird, lassen die radialen Fluidkanäle eine Fluidkommunikation
zwischen dem Einsteckelement und dem Aufnahmeelement zu. Die Fluidkommunikation
wird errichtet, ohne daß ein
signifikanter Druck auf die Stirnfläche des Einsteckelementes während oder
nach dem Einsetzen ausgeübt
wird. Die Fluidkommunikation zwischen den Einsteck- und Aufnahmeelementen
wird über
einen Radialkanal im Einsteckelement, einem L-förmigen Kanal im Halter und einem
Längskanal 52 und
einem Radialkanal 66 im Körper des Aufnahmeelementes
errichtet.
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Das Einsteckelement 10 hat
einen Halter 31, einen Flansch 42 und eine Sonde 16.
Der Halter des Einsteckelementes kann im Gewinde 41 an
einer Verteilerplatte festgeschraubt sein. Das Einsteckelement und
das Aufnahmeelement sind üblicherweise mit
einander gegenüberliegenden
Platten eines Verteilers verbunden und sind durch Schraubbolzen oder
hydraulische Elemente, die an den Platten befestigt sind, zusammengehalten.
Das Einsteckelement ist im allgemeinen an einer Platte 26 befestigt, während das
Aufnahmeelement an einer gegenüberliegenden
Platte 24 befestigt ist, so daß es dem Einsteckelement gegenüberliegt
und mit diesem fluchtet. Der Halter 80 des Aufnahmeelementes
kann im Gewinde 81 in die Platte 24 eingeschraubt
sein. Der Halter 80 kann auch mit einem Innengewinde 76 versehen
sein, damit Hydraulikleitungen angeschlossen werden können. Ähnlich ist
der Halter 31 des Einsteckelementes mit einem Gewinde 21 versehen,
um eine Verbindung mit Hydraulikleitungen zu schaffen. Die Einsteck-
und Aufnahmeelemente können
an Verteilerplatten unter Verwendung unterschiedlicher Mittel, wie
beispielsweise Stellschrauben oder Gewinde 41 und 81,
befestigt sein. Techniken für die
Befestigung der Elemente an solchen Verteilerplatten sind dem Fachmann
allgemein bekannt.
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Die Sonde 16 des Einsteckelementes
hat eine zylindrische Bohrung 32, die sich durch das Element
erstreckt. In der zentralen Bohrung des Einsteckelementes kann ein
Tellerventil 25 enthalten sein. Der Ventilstößel 65 wird
dazu verwendet, das Ventil des Einsteckelementes in die offene Position zu
zwängen,
nachdem der Ventilstößel den
entsprechenden Ventilstößel 64 des
Aufnahmeelementes berührt.
Das Ventil 25 ist durch die Ventilfeder 71 in der
Bohrung des Aufnahmeelementes in die geschlossene Position vorgespannt.
Die Ventilfeder ist mit einem Federkragen 47 verankert,
der in der Bohrung durch einen Sprengring 46 an Ort und
Stelle gehalten ist. Die Sonde hat eine Sondenwand 45 oder einen
Außenumfang,
der an der Stirnfläche 28 endet. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
steht eine elastomere oder metallringförmige Dichtung 23 mit dem
Außenumfang
des Ventilstößels 65 im
Eingriff. Die Dichtung 23 wird in der Nähe der Stirnfläche des Einsteckelementes
durch eine Mutter 63 an Ort und Stelle gehalten, die in
den Sondenabschnitt in der Nähe
der Stirnfläche
des Einsteckelementes eingeschraubt ist.
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Wenn das Ventil des Einsteckelementes
in der geschlossenen Position ist, wird die Hydraulikfluidübertragung
durch das Einsteckelement der Kupplung blockiert. Fluid kann durch
das Einsteckelement übertragen
werden, indem das Ventil so geöffnet wird,
daß der
Radialkanal 19 zwischen der Innenbohrung 32 des
Einsteckelementes und dem Außenumfang
oder der Sondenwand 45 des Einsteckelementes eine Verbindung
schafft. Vorzugsweise sind zwischen der zentralen Bohrung 32 des
Einsteckelementes und der zylindrischen Sondenwand 45 zwei radiale
Fluidkanäle 19 positioniert.
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Obwohl die Ausführungsform gemäß den 1 und 2 Ventilstößel zeigt, die an dem Scheitel der
Tellerventile vorste hen, können
alternativ Ventilstößel verwendet
werden, die vom Tellerventil jedes Elementes gelöst sein können. Wenn die Ventilstößel von
den Tellerventilen lösbar
sind, kann am Stößel ein
Flansch vorgesehen sein, um den Weg des Stößels zu begrenzen.
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Das Aufnahmeelement der Kupplung
hat eine zentrale Bohrung 77, in welcher ein Tellerventil 55 zwischen
einer offenen und einer geschlossenen Position verschiebbar aufgenommen
ist. Wenn das Tellerventil geschlossen ist, wird die Fluidkommunikation
zwischen der Bohrung 77 und dem radialen Fluidkanalweg 66 im
Körper
des Aufnahmeelementes blockiert. Eine Ventilfeder 61 zwängt das
Tellerventil 55 in eine geschlossene Position. Die Ventilfeder
wird durch einen Federkragen 78 und einen Sprengring 79 an
Ort und Stelle gehalten. Der Ventilstößel 64 ragt am Scheitel
der konischen Stirnfläche des
Tellerventils 55 des Aufnahmeelementes vor. Alternativ
und wie vorstehend beschrieben, kann der Ventilstößel vom
Tellerventil des Aufnahmeelementes gelöst sein. Mit dem Durchmesser
des Ventilstößels 64 steht
eine elastomere oder metallringförmige Dichtung 22 im
Eingriff, um eine Fluidleckage rund um den Stößel zu vermeiden. Die Dichtung 22 wird durch
eine mit Außengewinde
versehene Mutter 69 an Ort und Stelle gehalten.
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Um die Verbindung zwischen dem Einsteckelement
und dem Aufnahmeelement abzudichten, ist in dem Körper des
Aufnahmeelementes eine ringförmige
Dichtung positioniert und durch einen Dichtungshalter 30 an
Ort und Stelle gehalten. In einer bevorzugten Ausführungsform,
wie sie in der 1 und 2 gezeigt ist, ist die Dichtung 44 eine
elastomere Dichtung mit einer Schwalbenschwanzpassung zwischen dem
Aufnahmeelement und dem Halter 30. Alternativ können verschiedene
andere elastomere Dichtungen oder Metalldichtungen, wie beispielsweise
hohle, druckgespeiste Metalldichtungen, verwendet werden, um zwischen
dem Aufnahmeelement und der Sondenwand 45 des Einsteckelementes
eine radiale Dichtung zu erzeugen. Zusätzlich ist zwischen dem Halter 30 und
dem Haltersperrelement 40 eine ringförmige Dichtung 43 positioniert.
Die Dichtung 43 ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine
elastomere Schwalbenschwanzdichtung, die eine Schwalbenschwanzpassung
zwischen dem Halter und dem Haltersperrelement hat. Die Dichtung 43 kann
jedoch ebenfalls eine andere weiche Dichtung, wie beispielsweise
ein O-Dichtungsring, oder eine Metalldichtung, wie beispielsweise
eine hohle, druckgespeiste Metalldichtung, sein. Wie in der 1 und 2 gezeigt, sind die Dichtungen 44 und 43 in Längsrichtung
an jeder Seite des radialen Fluidkanal 50 im Halter positioniert.
Die Dichtungen 44 und 43 verhindern eine Leckage
des Hydraulikfluids, das zwischen dem Radialkanal 19 im Einsteckelement und
dem Radialkanal 50 im Dichtungshalter fließt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
hat der Innenumfang des Halters einen Ringraum 12, der dazu
beiträgt,
das Strömen
des Hydraulikfluids zu erleichtern, wenn das Einsteckkupplungselement
zum Aufnahmeelement leicht versetzt ist. Der Halter 30 hat
wenigstens einen L-förmigen
Kanal, um die Fluidkommunikation zwischen den Einsteck- und Aufnahmekupplungselementen
zu erleichtern. Jeder L-förmige
Kanal hat einen radialen Kanal 50 für die Fluidkommunikation mit
dem radialen Kanal 19 im Einsteckelement und einen Längskanal 51 für die Fluidkommunikation
mit dem Längskanal 52 im
Aufnahmeelement. Der Radialkanal 50 im Halter schneidet den
Längskanal 51.
Wenn der Halter vollständig
in die Aufnahme kammer 39 des Aufnahmeelementes eingesetzt
ist, sollte der Längskanal
im Halter so fluchten, daß eine
Fluidkommunikation mit dem Längskanal 52 im
Aufnahmeelementkörper
möglich ist.
Ein Paar O-Dichtungsringe dichten die Verbindung zwischen den Längskanälen 51 und 52 im
Halter bzw. Aufnahmeelement ab. Alternativ können die Dichtungen 58 und 59 Metalldichtungen
sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Einsteckelement durch den Halter in die Bohrung 38 des
Aufnahmeelementes eingesetzt, bevor die Ventilstößel 64 und 65 einander
berühren,
um die Tellerventile zu öffnen.
Das Einsteckelement steht mit den Radialdichtungen 43 und 44 im
Dichtungseingriff, bevor Hydraulikfluid zwischen den Kupplungselementen
zu fließen
anfangen kann. Bei hydraulischen Unterwasserkupplungen ist es wünschenswert,
daß Meerwasser
oder sonstiges Fluid, das sich in dem Hohlraum zwischen der Stirnfläche 28 des Einsteckelementes
und der Aufnahmekammer 38 des Aufnahmeelementes angesammelt
hat, ausgestoßen
wird. In dem Körper
des Aufnahmeelementes sind ein oder mehrere Abzugskanäle 34 gelegen,
damit angesammeltes Meerwasser aus der Aufnahmekammer austreten
kann. Wahlweise kann ein O-Dichtungsring 35 um
den Außenumfang
des Körpers
des Aufnahmeelementes positioniert sein, damit angesammeltes Meerwasser
durch den Abzugskanal 34 entweichen kann und eine Hydrauliksperre
verhindert wird, ohne daß zusätzliches
Meerwasser durch den Abzugskanal in die Kupplung eintreten kann.
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Obwohl in einer bevorzugten Ausführungsform
zwei radiale Kanäle
im Einsteckelement, Halter und Aufnahmeelement gezeigt sind, können ein
oder mehrere Radialkanäle
in jeder dieser Komponenten der Kupplungsbaugruppe verwendet werden.
Die Fluidübertragung
zwischen den Kupplungselementen wird durch die radiale Übertragung
des Hydraulikfluids durch die Radialkanäle erleichtert, ohne daß auf die
Stirnfläche 28 des
Einsteckelementes oder die Aufnahmekammer des Aufnahmeelementes
ein signifikanter Druck ausgeübt
wird. Es ist ebenfalls vorgesehen, daß die vorliegende Unterwasserkupplung
ohne Ventile in den Einsteck- und Aufnahmekupplungselementen verwendet
werden kann.
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Die vorliegende Erfindung schafft
eine druckausgeglichene hydraulische Unterwasserkupplung mit einer
Anzahl von Ra dialdichtungen zwischen den Einsteck- und Aufnahmekupplungselementen,
die ein verringertes Gewicht und einen verringerten Außendurchmesser
hat. Die Verringerung der Größe und des
Gewichtes sind infolge der Gestaltung des Halters 30 erzielt
worden, der einen oder mehrere L-förmige Fluidkanäle hat,
die einen oder mehrere Längskanäle und einen
oder mehrere Radialkanäle haben,
damit das Fließen
des Hydraulikfluids durch den Halter erleichtert wird. Der Fluidkanal
im Halter erzeugt zwischen jedem radialen Fluidkanal 19 in dem
Einsteckkupplungselement und Längsfluidkanal 52 in
dem Aufnahmekupplungselement eine Fluidkommunikation. Der L-förmige Fluidkanal
im Halter anstatt im Aufnahmeelementkörper ermöglicht es, daß der Außendurchmesser
des Aufnahmekupplungselementes verringert werden kann.