DE2601117A1

DE2601117A1 - Verbindungskupplung fuer kaeltemittelleitungen sowie leitungssystem

Info

Publication number: DE2601117A1
Application number: DE19762601117
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Ing Asztalos; Reinhold Mayer; Alfred Ing Grad Stephan
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1976-01-14
Filing date: 1976-01-14
Publication date: 1977-07-21
Also published as: FR2338450B1; JPS5289855A; GB1576473A; JPS5948914B2; NL7700333A; US4106796A; FR2338450A1

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

(H 813) H 76/01

El/fl I 12. Januar 1976

Verbindungskupplung für Kältemittelleitungen sowie Leitungssystem

;i Die "Erfindung betrifft eine Verbindungskupplung ''zweier dem Transport tiefkalter Medien dienender, dreiadriger

j;koaxialer Leitungen, bei denen um einen zentralen Strömungs-11kanal herum, von innen nach außen aufeinanderfolgend, ein mittle«

lirer otrörnungskanal, ein innerer Vakuumraum, ein äußerer Strömungskanal sowie ein äußerer Vakuumraum angeordnet sind, wobei die 3trömungskanäle und Vakuumräume von insgesamt fUnf konzentrischen Rohren gebildet werden, sowie ein Leitungssystem unter

!!verwendung dieser Verbindungskupplung.

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Bei den bekannten Verblndungskupplungen dieser Art

] für mehradrige, d.h. mehrere Kühlmittelleitungen aufweisende

,koaxiale leitungen, konnten aie bei der Konstruktion auftretenden

[ι Probleme bisher nicht in zufriedenstellender Weise gelöst werden. Diese- Kupplungen müssen, während sie von dem tiefkalten Medium durchströmt werden, mechanischen Beanspruchen bis zu einem ■siov/iüsen Oraae gewachsen sein, ohne daß dadurch die Funktion :der Leitungen beeinträchtigt wird, die darin besteht, tiefkalte j mit Höflichst geringen Kälteverlusten vom Ort ihrer Produk-. tion b/M. Speicherung zum Verbraucher zu transportieren. Dies ¹StOlIt erhebliche Anforderungen an die Konstruktion der Kupplung

hinsichtlich der Abdichtung der einzelnen Strömungskanäle gegen-

'einander, .'sowie der Vermeidung von Wärmeeinfällen Ins Innere.

Aufgabe der tLrfimiung ist es, eine Verbindungskupplung

j'der obengenannten Art zu schaffen, die möglichst geringe Kältei^;verluste aufweist, die sich im Hinblick auf Herstellung und An-

Wendung durch einfache Konstruktion auszeichnet und damit beson-

{ders wirtschaftlich ist.

j Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die die Vakuumräume bildenden Rohre an den Leitungsenden abdichtend miteinander verbunden sind, daß die Rohre des zentralen Strömungskanals sowie die durch die abdichtende Verbindung gebildeten Abschlüsse der

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.einander entsprechenden Vakuumräume der beiden Leitungsenden, !einander überlappend, ineinandergefUhrt und die ineinandergeführten Rohre jeweils einerseits mit RingdicLtungen und andererseits mit in axialer Richtung sich erstreckenden Dichtflächen

^ersehen sind.

\\ Die Vakuumräume beider Leitungsenden sind also gegen-

^! einander abgeschlossen. ;£in Defekt der Vakuumisolation auf der 'leinen Seite kann sich nicht auf die andere Seite auswirken. Die

\ Vakuumräume brauchen nicht jedesmal von neuem evakuiert zu werden, !■wenn die Kupplung getrennt und wieder zusammengesteckt worden ist,

;i Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion ist jedoch, daß die Kupplung nicht nur drehbar, sondern "auch über eine bestimmte Länge ausziehbar ist, ohne daß dadurch ■der /Tälternitteltransport beeinträchtigt würde, noch gar unterbrochen werden müßte.. Die auf den Dichtflächen gleitenden Ring·^ ..dichtungen ermöglichen die zuverlässige Abdichtung der Strömunf_;s-' kanüle gegeneinander, ohne daß dadurch Wärmebrücken entstünden.

Durch die Erfindung wird somit eine neuartige, dreh- und auszieh-ι bare Verbindungskupplung geschaffen, deren Anwendung aufgrund , ihrer Konstruktionsmerkmale mit besonderem Vorteil verbunden ist.

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BAD ORIGINAL

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I Eine vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen ji

j!Verbindungskupplung besteht darin, daß bei den Abschlüssen der

II inneren Vakuumräume die außenliegenden und bei den Abschlüssen

ι der äußeren Vakuumräume die innenliegenden der beiden jeweils

j !direkt ineinandergeführten Rohre mit den Dichtflächen versehen und die jweils mit Dichtflächen versehenen Abschlüsse der Vakuum-

jräume zu den Leitungsenden hin über die Dichtflächen hinaus verlängert sind.

Dadurch entstehen im äußeren Strömungskanal im Kupplungsbereich an der Innen- sowie Außenwand einseitig abgeschlossene Hinträume, die an der jeweils anderen Seite mit dem Strömungshkanal in Verbindung stehen. In ihnen bildet sich infolge fehlen-

;der Strömung ein stationärer Temperaturgradient aus. Wärmetrans-

!■port durch Konvektion tritt nicht auf. Dies wirkt sich vorteilhaft !'auf die thermische Isolation des äußeren Strömungskanals gegen-

,!über dem Außenraum sowie dem mittleren Strömungskanal aus.

I' Weiterhin ist es günstig, daß die Ringdichtungen je-

wells an den Enden der sie tragenden Rohre angebracht sind. Da-

'!durch erhalten die obengenannten, einseitig offenen Ringräume

kies äußeren Strömungskanals die maximale axiale Länge, und die Ausziehlänge der Kupplung erreicht ihren höchstmöglichen Wert.

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ι Darliberhinaus sind die Ringdichtungen besonders leicht zugänglich, wenn sie an den Rohrenden angebracht sind.

Um eine erhöhte Stabilität gegenüber radialen Scherungen zu gewährleisten, ist die erfindungsgemäße Verbindungskupplung j so ausgebildet, daß die äußerste Ringdichtung dem female-Kupplungsstück und mindestens eine der inneren Ringdichtungen dem male-Kupplungsstück angehören. Diese Maßnahme ermöglicht eine einwandfreie IneinanderfUhrung der beiden KupplungsstUcke und verhindert, daß diese radial gegeneinander gekippt werden können.

Der äußere der beiden einseitig offenen Ringräume des äußeren Strönmngskanals kann noch dadurch verlängert werden, daß das, von innen gesehen, vierte Rohr des Im Bereich der Verbindungskupplung mit seinem äußeren Vakuumraum außenliegenden Leitungsendes im Bereich der Verbindungskupplung als konzentri- |i sches Doppelrohr ausgebildet ist, zwischen dessen beiden Teil-Ij rohren der äußere Vakuumraum des anderen Leitungsendes geführt ist. Auf diese Weise wird die thermische Isolierung gegen den Außenraum weiter verbessert. Diese konstruktive Maßnahme kann so

.j ausgeführt sein, daß die Verzweigungsstelle des Doppelrohres als dem Abschluß des in den Teilrohren geführten äußeren Vakuumraumes als Anschlag dienendes Ringelement ausgebildet ist.Damit ist

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ein definierter Anschlag der beiden Kupplungsstücke gegeben, die sich folglich außer an den Ringdichtungen und den entsprechenden Dichtungsflächen nur noch an diesem Anschlag gegenseitig berühren, und auch das nur, wenn sie soweit wie möglich Iineinandergesteckt sind.

I Die erfindungsgemäße dreh- und ausziehbare Verbindungskupplung läßt sich mit Vorteil in ein Leitungssystem integrieren, !das dazu dient, Kältemittel z.B. von einem Kryostaten zu einem

Verbraucher zu leiten, und das gegenüber radialen und tangentialen ι
![Verschiebungen der Endpunkte gegenüber bis zu einem gewissen

Ausmaß anpassungsfähig sein soll.

! Ein solches Leitungssystem unter Verwendung der erjfindungsgemäßen Verbindungskupplung ist dadurch gekennzeichnet,

'daß die durch die Verbindungskupplung miteinander zu verbinden-

jiden Leitungsstücke an den anderen Enden jeweils steck- unddreh-

bare Endkupplungen aufweisen, wobei die an den Leitungsenden !befindlichen male-KupplungsstUcke der Endkupplungen in der Weise

'ausgebildet sind, daß die Enden des äußeren Strömungskanales sowie des äußeren Vakuumraumes gegenüber den Enden des zentralen und mittleren Strömungskanales sowie des inneren Vakuumraumes in axialer Richtung merklich zurückversetzt sind, daß der zentrale Strömungskanal axial und der mittlere sowie der äußere Strömungs-

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kanal seitlich oder axial herausgeführt sindund zu beiden Seiten der Herausführung des mittleren Strömungskanals Ringdichtungen vorgesehen sind, daß die die Vakuumräume bildenden j Rohre an ihren Enden abdichtend miteinander verbunden sind und i das äußerste Rohr bezüglich des Kupplungsendes oberhalb der HerausfUhrung des äußeren Strömungskanals mit einem ringförmigen Dichtungselement versehen ist. Dabei ist es günstig, das Leitungssystem so auszubilden, daß die beiden Leitungsstücke rechtwinklig gebogen sind.

Die steck- unddr-ehbaren, als male-Kupplungsstücke ausgebildeten Endkupplungen ermöglichen es, das aus den beiden durch die Verbindungskupplung miteinander verbindbaren Leitungsstücken best*ende Leitungssystem mit dem Kryostaten bzw. der Kältemaschine einerseits und dem Verbraucher andererseits zu verbinden. Die Ausziehbarkeit der Verbindungskupplung gestattet die radiale, die Drehbarkeit der Endkupplungen im Falle der rechtwinkelig gebogenen Verbindungsstücke zusätzlich noch die tangentiale Verjj Schiebung der Leitüngsenden gegeneinander.

[I Durch die erfindungsgemäße Zusammenfassung der geschilderten Konstruktionsmerkmale der Endkupplungen gelingt es, diese hinsichtlich der an sie gestellten Anforderungen besonders funk-

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tionstüchtig zu gestalten. Die Zurücksetzung des äußeren Strömungskanals bzw. Vakuumraumes gegen die inneren Kanäle hat zur Folge, daß durch die Außenwand des inneren Vakuumraumes ein ausreichender Wärmewiderstand zwischen dem mittleren und dem äußeren ¹ Strömungskanal gebildet wird. Bei entsprechender Ausbildung des female-KupplungsstUckes der Endkupplung ist durch die erfindungs-I gemäße Anordnung der Herausführungen und der Ringdichtungen die ■ einwandfreie Drehbarkeit des male-Kupplungsstückes um seine Längsachse gewährleistet, ohne daß die KKltemittelströmung beeinträchtigt würde.
ι

Ein solches erfindungsgemäßes Leitungssystem kann z.B.

zum Transport von flüssigem Kältemittel.durch den zentralen J Strömungskanal zum Verbraucher hin und von Kältemitteldampf durch

den äußeren Strömungskanal vom Verbraucher weg benutzt werden, ι,wobei durch den mittleren Strömungskanal ein verdampfendes Zwei-

^phasengemisch geleitet werden kann, das von außen einfallende

!!
Wärme absorbiert und ständig dieselbe Temperatur aufrechterhält,

; die das flüssige Kältemittel im zentralen Strömungskanal besitzt.

Ij Die Erfindung soll im folgenden anhand eines AusfUhrungsbeispieles näher erläutert werden.

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Abb. 1 zeigt in schematischer Weise eine Ausführungsform der Verbindungskupplung.

Abb. 2 zeigt in schematischer Weise eine AusfÜhrungsform einer Endkupplung.

Die Abbildungen 3 und 4 zeigen in schematischer Weise ein erfindungsgemäßes Leitungssystem.

Abb. 1 zeigt ein male-Kupplungsstück 1 und ein dazugehöriges female-Kupplungsstück 2 einer Verbindungskupplung gemäß der Erfindung im auseinandergezogenen Zustand. Die Kupplungsstücke sollen zwei je aus fünf konzentrischen Rohren 3»^» 5,6,7 bestehende Leitungsstücke miteinander verbinden. Die Rohre bilden einen zentralen und einen mittleren Strömungskanal 8 j bzw. 9, einen inneren Vakuurnraum 10, einen äußeren Gtrömungska-

nal 11 und einen äußeren Vakuumraum 12. Die die Vakuumräume bil-

' denden Rohre sind an ihren Enden 13 abdichtend miteinander ver-

bunden. Das von innen gesehen vierte Rohr 6 des female-Kupplungsstückes 2 teilt sich bei 14 in ein konzentrisches Doppelrohr auf, zwischen dessen Teilrohren 23 und 24 der Abschluß 15 des äußej ren Vakuumraumes des male-Kupplungsstückes geführt ist, der, wenn die Kupplung ganz zusammengeschoben ist, bei 16 anschlägt, Das Außenrohr 7 des male-Kupplungsstückes trägt eine Dichtfläche 17, auf der eine Ringdichtung 18 des female-Kupplungsstückes

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gleitet. Damit ist der äußere Strömungskanal 11 gegen den Außenraum abgedichtet. Die beiden innersten Rohre J5, 4 des female-Kupplungssttlckes sind außen bzw. innen mit Dichtflächen 19, 20 versehen, auf denen Ringdichtungen 21, 22 des male-

! K_upplungsstUckes gleiten. Damit sind der zentrale 8 ;;egen den j mittleren Strömungskanal 9 sowie dieser gegen den äußeren

' Strömungskanal 11 abgedichtet. Im normalen Betriebsfalle fließt

■ im zentralen Strömungskanal 8 ein tiefkaltes flüssiges Medium, im mittleren 9 ein aus der dampfförmigen und flüssigen Phase desselben Mediums bestehendes, ebenso kaltes Zweiphasengemisch. Die von außen einfallende Wärme verursacht die Verdampfung des FlUssigkeitsanteiles des Zweiphasengemisches. Dadurch wird

die Temperatur im Inneren (3,9) konstant gehalten. Im äußeren

otrörnungskanal 11 strömt das gasförmige kalte Medium, das durch '.Värmeeinfall von außen ständig weiter erwärmt wird. Zwischen den im äußeren 11 und im mittleren otrömungskanal 9 fließenden Medien und damit zwischen den die Kanäle begrenzenden Rohren 4 und 5 besteht demnach ein Temperaturunterschied. Zwischen den den äußeren Vakuumraum bildenden Rohren 7 und 6 bzw. 27) besteht ebenfalls ein Temperaturunterschied, da das Rohr 7 die Temperatur des Außenraumes besitzt, während sich das Rohr 6 bzw. 25 auf dem niedrigeren Temperaturniveau des im äußeren Strömungs-

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; kanal fließenden gasförmigen Mediums befindet. Da beide Rohr- ! paare 4 und 5 sowie 6 bzw, 23 und 7 bei 13 miteinander verbunden sind, besteht die Möglichkeit des W^rmeeinfalles durch Wärmeleitung nach innen. Um diese Wärmeleitung soweit wie mög- ! lieh zu reduzieren, sind die mit Dichtflächen 20, 17 versehenen |[ Abschlüsse 23, I^ der Vakuumräume 10, 12 um eine gewisse Länge über die Dichtflächen hinaus verlängert. So wird eine Vergrößerung des WärmewJderStandes bewirkt. Außerdem entstehen im zusammengeschobenen Zustand zwischen den die äußeren Vakuumräume 12 begrenzenden Rohrwänden 6, 7 des male-Kupplungsstückes und

den Tel !rohren 23, 24 des female -Kupplungsstückes zwei enge I ι Ringräutne, in denen das gasförmige Medium nicht strömt, so daß i sich ein stationärer Temperaturgradient ausbildet. Wärmeleitung j¹ durch Konvektion findet in diesen Räumen nicht statt. Das gleiche

j¹ r;ilt für den Ringraum, der beim Zusammenschieben zwischen der

i' den inneren Vakuumraum 10 begrenzenden Rohrwand ¹S des male-Kupp- !, lungsstUckes und der Rohrwand 4 des female-KupplungsstUckes entsteht.

I! Die Ausführungsform der Verbindungskupplung nach Abb.

j! ist natürlich nicht die einzig mögliche. Die Erfindung kann auch in anderer Weise verwirklicht werden, was die konstruktiven ,Details betrifft. So ist z.B. die spezielle Art der Ineinander-

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führung der Rohre in Abb. 1 nicht zwingend. Das innere Rohr 3 der female-Kupplung muß nicht notwendig in dem inneren Rohr 3 der male-Kupplung geführt werden, dies kann auch umgekehrt sein. Ähnliches gilt für die inneren Vakuumräume 10. Auch für die Anordnung derRingdichtungen gibt es noch andere Kombinationsmöglichkeiten, ohne daß die erfindungswesentlichen Prinzipien verletzt werden.

Die in Abb. 2 in schematischer Weise dargestellte Endkupplung 26 ist erfindungsgemäß als male-Kupplungsstück ausgebildet. Das dazugehörige female-KupplurigsstUck 27 ist nur angedeutet. Die Enden des äußeren Vakuumraumes 12 sowie des äußeren StrÖmunifskanals 11 sind gegenüber den Enden der übrigen Räume S bzw. Strömungskanäle um die Rohrlänge 28 zurückversetzt. Die

! Rohrlänge bildet damit einen Wärmewiderstand zwischen dem auf j tiefster Temperatur befindlichen Rohr 4 und dem auf mittlerer

j Temperatur befindlichen Abschluß 29 des äußeren Strömungskanals

ii Π . Das im zentralen Strömungskanal 8 fließende tiefkalte flüs-

! sige Medium 1st gegenüber dem im mittleren Strömungskanal 9

!l fließenden Zweiphasengemisch durch die Ringdichtung 30 und letz-

"jteres gegenüber dem gasförmigen Medium im Strömungskanal 11 ;durch die Ringdichtung 31 abgedichtet. Da die Endkupplung nur

steckbar und nicht ausziehbar sein soll, ist der Abstand zwischen

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beiden Ringdichtungen 30 und 31 relativ gering gehalten. Das Zweiphasengemisch im Strömungskanal 9 wird seitlich durch die Bohrung 32 heraus- bzw. eingeführt, das tiefkalte flüssige Medium im Strömungskanal 8 axial. Das gasförmige Medium im äußeren Strömungskanal 11 kann durch Bohrung 33 zu- oder abgeführt werden. Die beiden Vakuumräume 10 und 12 stehen Über die Bohrung jj4 miteinander in Verbindung und können Über einmnicht gezeigten Anschluß in der Leitung gemeinsam evakuiert werden. Die Abdichtung gegenüber dem Außenraum erfolgt mittels der Dichtfläche ."55.

Auch bei dieser Endkupplung sind konstruktive Abweichungen von dem in Abb. 2 Dargestellten möglich, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen würde.

In Abb. j> ist ein Leitungssystem schematioch dargestellt, das einen Kryostaten >'-■ mit einem Verbraucher JiJ verbindet. Die beiden, die Strömunsskanülo 8, 9, 11 führenden rechtwinklig gebogenen Leitungen sind mit den Kupplungsstücken 1, bzw. 26 versehen. Diese Anordnung ermöglicht es, den Verbraucher 37 und den Kryostaten J>o radial und tangential in einer horizontalen Ebene gegeneinander zu verschieben, sowie in zwei parallelen Ebenen gegeneinander zu kippen.

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Abb. 4zeigt eine Kombination von zwei rechtwinklig \ gebogenen Leitungen 38*39 mit einer geraden Leitung 40.

Hier ergibt sich zusätzlich die Möglichkeit der vertikalen i Verschiebung des Verbrauchers 37 gegenüber dem Kryostaten 36

ι oder umgekehrt.

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Leerseite

Claims

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(H 813) " ^" H 76/01

El7fl

12. Januar 1976

Patentansprüche

Verbindungskupplung zweier dem Transport tiefkalter Medien dienender, dreiadriger koaxialer Leitungen, bei denen um einen zentralen Strömungskanal herum, von innen nach außen aufeinanderfolgend, ein mittlerer Strömungskanal, ein innerer Vakuumraum,ein äußerer Strömungskanal sowie ein äußerer Vakuumraum angeordnet sind, wobei die Strömungskanäle und Vakuumräume von insgesamt fünf konzentrischen Rohren gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die die Vakuumräume bildenden Rohre an den Leitungsenden abdichtend miteinander verbunden sind, daß die Rohre des zentralen Strömungskanals sowie die durch die abdichtende Verbindung gebildeten Abschlüsse der einander entsprechenden Vakuumräume der beiden Leitungsenden, einander Überlappend, ineinandergeführt und die ineinandergefUhrten Rohre jeweils einerseits mit Ringdichtungen und andererseits mit in axialer Richtung sich erstreckenden Dichtflächen versehen sind.

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ORIGINAL

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2. Verbindungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Abschlüssen der inneren Vakuum-

räume die außenliegenden und bei den Abschlüssen der äußeren Vakuumräume die innenliegenden der beiden jeweils direkt ineinandergefUhrten Rohre mit den Dichtflächen versehen und die jeweils mit Dichtflächen versehenen Abschlüsse der Vakuumräume zu den Leitungsenden hin über die Dichtflächen hinaus verlängert sind.
3. Verbindungskupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdichtungen jeweils an den Enden der sie tragenden Rohre angebracht sind.
4. Verbindungskupplung nach einem der Ansprüche 1 bis j5>» dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Ringdichtung dem female-KupplungsstUck und mindestens eine der inneren Ringdichtungen dem male-Kupplungsstück angehören.
5. Verbindungskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das, von innen gesehen, vierte Rohr des im Bereich der Verbindungskupplung mit seinem äußeren Vakuumraum außenliegenden Leitungsendes im Bereich der

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der Verbindungskupplung als konzentrisches Doppelrohr ausgebildet ist, zwischen dessen beiden Teilrohren der äußere Vakuumraum des anderen Leitungsendes geführt ist.
6. Verbindungskupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzweigungsstelle des Doppelrohres als dem Abschluß des in den Teilrohren geführten äußeren Vakuumraumes als Anschlag dienendes Ringelement ausgebildet ist.
7. Leitungssystem unter Verwendung der Verbindungskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Verbindungskupplung miteinander zu verbindenden Leitungsstücke an den anderen Enden jeweils steck- und drehbare Endkupplungen aufweisen, wobei die an den Leitungsenden befindlichen male-KupplungsstUcke der Endkupplungen in der Weise ausgebildet sind, daß die Enden des äußeren

Strömungskanales sowie des Rußeren Vakuumraumes gegenüber den Enden des zentralen und mittleren Strömungskanales sowie des inneren Vakuumraumes in axialer Richtung merklich zurückversetzt sind, daß der zentrale Strömungskanal axial und der mittlere sowie der äußere Strömungskanal seitlich oder axial herausgeführt sind und zu beiden Seiten der HerausfUhrung des mittleren Strömungskanals Ringdichtungen

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vorgesehen sind, äaS> die die Vakuumräume bildenden Rohre an ihren Enden abdichtend miteinander verbunden sind und das äußerste Rohr bezüglich des Kupplungsendes oberhalb aer Herausführung aes äußeren Strömungskanals mit einem Dichtungselement versehen ist.
8. Leitungssystem nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, i
ι
daß die beiden Leitungsstücke rechtwinklig gebogen sind.

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