Internal Report INAF/IASF–BO 485/2007...Il tubo in tripla parete permette di aumentare la...
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Internal Report INAF/IASF–BO 485/2007
PROGETTAZIONE DI UN REFRIGERATORE
AD ELIO3
DALL’OGLIO G.2, DE ROSA A.1, MARTINIS L.2, MORGANTE G.1,
PIZZO L.2, SABBATINI L.2, TERENZI L.1, VALENZIANO L.1
1INAF / IASF – Bologna 2Università Roma 3
May 2007
INAF/IASF–BO INTERNAL REPORT 485/2007 PROGETTAZIONE DI UN REFRIGERATORE AD ELIO3
DALL’OGLIO G., DE ROSA A., MARTINIS L., MORGANTE G., PIZZO L.,SABBATINI L.,
TERENZI L., VALENZIANO L. INAF/IASF –
Bologna 2
PROGETTAZIONE DI UN REFRIGERATORE AD ELIO 3
DALL’OGLIO G., DE ROSA A., MARTINIS L., MORGANTE G., PIZZO L.,SABBATINI L.,
TERENZI L., VALENZIANO L.
1. INTRODUZIONE
Nel presente documento si descrivono il layout del refrigeratore le modifiche effettuate al design
esistente ed i disegni costruttivi delle parti delle singole parti costituenti il refrigeratore.
2. MECHANICAL DESIGN
Assieme
Il refrigeratore è costituito da 4 gruppi smontabili: lo schermo inferiore, la ghiera di bloccaggio, il
corpo del refrigeratore ed il tubo di supporto del refrigeratore, come visibile dalle immagini sotto
riportate. Smontando la ghiera filettata è possibile sfilare lo schermo superiore ed accedere alla zona
di fissaggio del provino, mentre svitando le viti del coperchio superiore è possibile accedere ai
cablaggi del refrigeratore. La tenuta da vuoto in tale collegamento è realizzata mediante una
guarnizione metallica di indio.
Ghiera filettata
Schermo inferiore
Refrigeratore
Coperchio superiore
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Nel caso in cui sia necessario accedere alla criopompa è necessario dissaldare la parte dello
schermo superiore collegata al condensatore con una brasatura dolce.
Sottosistema “schermo inferiore”
Lo schermo inferiore è realizzato in parte in acciaio con un flash d’oro ed in parte in rame OFHC
per garantire la necessaria conducibilità termica. Le due parti vengono poi brasate per realizzare un
corpo unico che resista al contatto diretto con l’elio liquido.
Nell’esploso sottoriportato si evidenziano i componenti prima della brasatura.
Coperchio superiore
Schermo inferiore
Refrigeratore
Coperchio superiore
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Lo schermo presenta un accoppiamento conico (10° di apertura) con il refrigeratore in modo da
garantire una maggiore tenuta al vuoto.
Materiali e masse:
componente materiale massa [g]
fondo Cu OFHC 26
cilindro SS316 203
Sottosistema “schermo superiore”
Lo schermo superiore è realizzato in 4 parti per poter garantire una facile accessibilità ai cablaggi
del refrigeratore. Il materiale utilizzato per la realizzazione di tale componente è l’acciaio inox AISI
316 (o AISI304)
Materiali e masse:
componente materiale massa [g]
cilindro SS316 171
disco SS316 25
coperchio SS316 38
tubo SS316 141
Nell’esploso sottostante è visibile lo schermo una volta saldato
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Nelle immagini sopra sono evidenziati le parti da brasare.
Sottosistema “circuito”
Il circuito frigorifero del refrigeratore è composto da una criopompa ad assorbimento, da un
condensatore ed un evaporatore. I collegamenti fra i vari elementi del sistema sono garantiti da dei
tubi in acciaio inox in parete sottile in modo da ridurre quanto più possibile gli scambi termici
conduttivi fra i vari componenti.
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Materiali e masse:
GRUPPO COMPONENTE MATERIALE MASSA [g]
criopompa
testa SS316 25
cilindro SS316 97
fondo SS316 25
tubo criopompa/cond SS316 0,7
condensatore Cu OFHC 218
evaporatore
testa SS316 22
cilindro SS316 40
fondo Cu OFHC 64
tubo tripla parete
tubo int SS316
tubo med SS316
tubo ext SS316
evaporatore
Tubo tripla
parete
condensatore
Tubo
criopompa
criopompa
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Criopompa
La criopompa adottata è di forma cilindrica interamente realizzata in acciaio inox AISI 304.
Avvolta intorno alla criopompa (non rappresentata nelle figure) vi è una termo-resistenza che ne
permette il controllo in temperatura insieme al collegamento con lo schermo superiore realizzato
con un filo di rame.
La criopompa è realizzata in 3 parti, il corpo cilindrico e i due coperchi, le tre parti vengono poi
brasate per garantire la resistenza meccanica necessaria.
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Evaporatore
L’evaporatore è costituito da una camera cilindrica in cui si raccoglie per gravità l’elio liquido che
si è formato. Sul fondo in rame OFHC dell’evaporatore è possibile fissare tramite 5 viti il campione
in esame, che verrà raffreddato sfruttando il calore latente di vaporizzazione dell’elio. Nella figura
sottostante è riportata una vista esplosa delle tre parti necessarie alla realizzazione dell’evaporatore.
Per ridurre le masse ed aumentare la frazione di scambio termico convettivo il cilindro e la testa
dell’evaporatore sono realizzati in acciaio inox (AISI 304).
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Tubi tripla parete
Il tubo in tripla parete permette di aumentare la resistenza termica conduttiva mantenendo gli
ingombri entro limiti accettabili.
I tubi hanno una differenza di diametro contenuta in modo da facilitare le operazioni di brasatura fra
i tubi.
Nella Tabella sotto riportata sono indicate le principali caratteristiche dei tubi in tripla parete
utilizzati in tale applicazione.
Tubo 1 Tubo 2 Tubo 3 Tubo originale Tubo tripla
Diametro [mm] 2,38 3,18 3,97 4,50
Lunghezza[mm] 70,00 50,00 70,00 70,00
Spessore [mm] 0,200 0,150 0,250 0,064
Area [mm] 1,36904 1,42713 2,9202 0,89145856
Area* [mm] 1,49 1,50 3,12 0,90
Resistività termica [°Km/W] 3,97 3,97 3,97 3,97
Resistenza Termica [°K/W] 202,9889558 139,0903422 95,1647147 311,7363077 437,244013
Modulo Elastico [Mpa] 205000 205000 205000 205000
Coefficiente di Poisson 0,3 0,3 0,3 0,3
Pressione esercizio [Mpa] 10 10 10 10
Tensione massima [Mpa] 59,5 106 79,4 351,5625
Tensione snervamento [Mpa] 450 450 450 450
Tensione di rottura [Mpa] 1200 1200 1200 1200
CS sn 7,56302521 4,245283019 5,6675063 1,28
CS ro 20,16806723 11,32075472 15,1133501 3,413333333
Variazione Raggio [mm] 0,00029 0,00070 0,00065 0,00328
Pressione critica [Mpa] 47,28625083
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LISTA DELLE PARTI
Nella tabella sottoriportata sono elencati i numeri delle parti ed i rispettivi disegni utilizzati in fase
costruttiva.
numero di serie nome materiale q.tà numero disegno rev data
P001-XX condensatore rame OFHC 1 CRL-07-PR-001 1.00 02/03/2007
P002-XX tubo pompa AISI 304/AISI316 1 CRL-07-PR-002 1.00 02/03/2007
P003-XX cilindro pompa AISI 304/AISI316 1 CRL-07-PR-003 1.00 02/03/2007
P004-XX base 1 pompa AISI 304/AISI316 1 CRL-07-PR-004 1.00 02/03/2007
P005-XX base 2 pompa AISI 304/AISI316 1 CRL-07-PR-005 1.00 02/03/2007
P006-XX tubo evap interno AISI 304/AISI316 2 CRL-07-PR-006 1.00 02/03/2007
P007-XX tubo evap intermedio AISI 304/AISI316 2 CRL-07-PR-007 1.00 02/03/2007
P008-XX tubo evap esterno AISI 304/AISI316 2 CRL-07-PR-008 1.00 02/03/2007
P009-XX cilindro evap AISI 304/AISI316 1 CRL-07-PR-009 1.00 02/03/2007
P010-XX base evap rame OFHC 1 CRL-07-PR-010 1.00 02/03/2007
P011-XX testa evap AISI 304/AISI316 1 CRL-07-PR-011 1.00 02/03/2007
P012-XX ghiera AISI 304/AISI316 1 CRL-07-PR-012 1.00 02/03/2007
P013-XX cil. schermo inf. rame 1 CRL-07-PR-013 1.00 02/03/2007
P014-XX base schermo inf rame OFHC 1 CRL-07-PR-014 1.00 02/03/2007
P015-XX cil. Schermo sup AISI 304/AISI316 1 CRL-07-PR-015 1.00 02/03/2007
P016-XX coperchio sc. Sup AISI 304/AISI316 1 CRL-07-PR-016 1.00 02/03/2007
P017-XX tubo esterno AISI 304/AISI316 1 CRL-07-PR-017 1.00 02/03/2007
P018-XX anello sc. Sup AISI 304/AISI316 CRL-07-PR-018 1.00 02/03/2007
numero di serie nome numero disegno rev data
A001-XX refrigeratore CRL-07-AS-001 1.00 02/03/2007
A002-XX circuito CRL-07-AS-002 1.00 02/03/2007
A003-XX criopompa CRL-07-AS-003 1.00 02/03/2007
A004-XX evaporatore CRL-07-AS-004 1.00 02/03/2007
A005-XX tubo tripla parete CRL-07-AS-005 1.00 02/03/2007
A006-XX schermo inferiore CRL-07-AS-006 1.00 02/03/2007
A007-XX schermo superiore CRL-07-AS-007 1.00 02/03/2007
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APPROVED BY:
CHECKED BY:
RACCORDI NON QUOTATI:
SMUSSI NON
QUOTATI:
TRATTAMENTI TERMICI:
TRATTAMENTI SUPERFICIALI:
TOLL. GEN. FILETTATURE:
METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
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TRATTAMENTI TERMICI:
TRATTAMENTI SUPERFICIALI:
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METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
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circuito frigorifero
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INAF/IASF–BO INTERNAL REPORT 485/2007 PROGETTAZIONE DI UN REFRIGERATORE AD ELIO3
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TERENZI L., VALENZIANO L. INAF/IASF –
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1 )
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g
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METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
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o inferiore
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adriano
05/03/2007
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15
7
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TERENZI L., VALENZIANO L. INAF/IASF –
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1 )
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METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
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scherm
o superiore
1.0
CRL-07-AS-007
adriano
05/03/2007
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6
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1 )
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METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
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Rame
condensatore
1.0
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adriano
02/03/2007
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n3,87
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n47
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47
Mx1
.5
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5 :
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Acciaio inossidabile austenitico
tubo criopompa condensatore
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adriano
02/03/2007
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(
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1 )
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METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
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Acciaio inossidabile austenitico
cilindro criopompa
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adriano
02/03/2007
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n36,40
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2 :
1 )
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CHECKED BY:
RACCORDI NON QUOTATI:
SMUSSI NON
QUOTATI:
TRATTAMENTI TERMICI:
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METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
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Acciaio inossidabile austenitico
base criopompa
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adriano
02/03/2007
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2 :
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AA
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APPROVED BY:
CHECKED BY:
RACCORDI NON QUOTATI:
SMUSSI NON
QUOTATI:
TRATTAMENTI TERMICI:
TRATTAMENTI SUPERFICIALI:
TOLL. GEN. FILETTATURE:
METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
/ ///
Acciaio inossidabile austenitico
base criopompa
1.0
CRL-07-PR-005
adriano
02/03/2007
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n5,60
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(
2 :
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2 2
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5 5
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DD
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REV.:
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MASSA:
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CHECKED BY:
RACCORDI NON QUOTATI:
SMUSSI NON
QUOTATI:
TRATTAMENTI TERMICI:
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METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
/ ///
tubo 1 tripla parete
CRL-07-PR-006
adriano
02/03/2007
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AIS
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3 3
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REV.:
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HB:
MASSA:
g
TOLL. GEN.: FOGLIO:
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APPROVED BY:
CHECKED BY:
RACCORDI NON QUOTATI:
SMUSSI NON
QUOTATI:
TRATTAMENTI TERMICI:
TRATTAMENTI SUPERFICIALI:
TOLL. GEN. FILETTATURE:
METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
/ ///
tubo 2 tripla parete
1.0
CRL-07-PR-007
adriano
02/03/2007
t tttu uuub bbbo ooo i iiin nnnt ttte eeer rrrm mmme eeed dddi iiio ooo d ddde eeel lll t tttr rrri iiip pppl llla aaa p pppa aaar rrre eeet ttte eee
4 444: :::1 111
A AAA3 333
1 111 1 111
n3,
18
40,0
0
AIS
I 3
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VIS
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(
2 :
1 )
1 1
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4 4
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AA
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REV.:
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g
TOLL. GEN.: FOGLIO:
DESIG
NED BY:
APPROVED BY:
CHECKED BY:
RACCORDI NON QUOTATI:
SMUSSI NON
QUOTATI:
TRATTAMENTI TERMICI:
TRATTAMENTI SUPERFICIALI:
TOLL. GEN. FILETTATURE:
METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
/ ///
tubo 3 tripla parete
1.0
CRL-07-PR-008
adriano
02/03/2007
t tttu uuub bbbo ooo e eees ssst ttte eeer rrrn nnno ooo d ddde eeel lll t tttr rrri iiip pppl llla aaap pppa aaar rrre eeet ttte eee
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A AAA3 333
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n3,9
7
50
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AIS
I 3
16
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2 :
1 )
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(
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3 3
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F.TO:
SCALA:
REV.:
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g
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DESIG
NED BY:
APPROVED BY:
CHECKED BY:
RACCORDI NON QUOTATI:
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QUOTATI:
TRATTAMENTI TERMICI:
TRATTAMENTI SUPERFICIALI:
TOLL. GEN. FILETTATURE:
METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
/ ///
Acciaio inossidabile austenitico
cilindro evaporatore
1.0
CRL-07-PR-009
adriano
02/03/2007
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1 111: :::1 111
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1 111 1 111
A A
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32
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3,5
07
,30
34,80
34,80
n34
,00
INAF/IASF–BO INTERNAL REPORT 485/2007 PROGETTAZIONE DI UN REFRIGERATORE AD ELIO3
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1 :
1 )
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1 :
1 )
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3 3
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AA
BB
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DD
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F.TO:
SCALA:
REV.:
HRC:
HB:
MASSA:
g
TOLL. GEN.: FOGLIO:
DESIG
NED BY:
APPROVED BY:
CHECKED BY:
RACCORDI NON QUOTATI:
SMUSSI NON
QUOTATI:
TRATTAMENTI TERMICI:
TRATTAMENTI SUPERFICIALI:
TOLL. GEN. FILETTATURE:
METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
/ ///
Rame
fondo evaporatore
1.0
CRL-07-PR-010
adriano
02/03/2007
b bbba aaas ssse eee e eeev vvva aaap pppo ooor rrra aaat ttto ooor rrre eee
R RRR= ===0 000. ...5 555
0 000. ...5 555x xxx4 444
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K KKK
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6,0
0x
32,50
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0
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DALL’OGLIO G., DE ROSA A., MARTINIS L., MORGANTE G., PIZZO L.,SABBATINI L.,
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A-A
(
2 :
1 )
VIS
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3D
(
2 :
1 )
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DD
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g
TOLL. GEN.: FOGLIO:
DESIG
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RACCORDI NON QUOTATI:
SMUSSI NON
QUOTATI:
TRATTAMENTI TERMICI:
TRATTAMENTI SUPERFICIALI:
TOLL. GEN. FILETTATURE:
METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
/ ///
Acciaio inossidabile austenitico
testa evaporatore
1.0
CRL-07-PR-011
adriano
02/03/2007
t ttte eees ssst ttta aaa e eeev vvva aaap pppo ooor rrra aaat ttto ooor rrre eee
0 000. ...5 555
0 000. ...5 555x xxx4 444
5 555I IIIS SSSO OOO2 2227 7776 6668 888- ---m mmm
K KKK
2 222: :::1 111
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A A
n34,
80
3,0
0
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1,5
0
2,40 Ø
2,60 Ø
INAF/IASF–BO INTERNAL REPORT 485/2007 PROGETTAZIONE DI UN REFRIGERATORE AD ELIO3
DALL’OGLIO G., DE ROSA A., MARTINIS L., MORGANTE G., PIZZO L.,SABBATINI L.,
TERENZI L., VALENZIANO L. INAF/IASF –
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2 :
1 )
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(
1 :
1 )
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AA
BB
CC
DD
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REV.:
HRC:
HB:
MASSA:
g
TOLL. GEN.: FOGLIO:
DESIG
NED BY:
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CHECKED BY:
RACCORDI NON QUOTATI:
SMUSSI NON
QUOTATI:
TRATTAMENTI TERMICI:
TRATTAMENTI SUPERFICIALI:
TOLL. GEN. FILETTATURE:
METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
/ ///
Acciaio inossidabile austenitico
ghiera filettata
1.0
CRL-07-PR-012
adriano
02/03/2007
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12
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INAF/IASF–BO INTERNAL REPORT 485/2007 PROGETTAZIONE DI UN REFRIGERATORE AD ELIO3
DALL’OGLIO G., DE ROSA A., MARTINIS L., MORGANTE G., PIZZO L.,SABBATINI L.,
TERENZI L., VALENZIANO L. INAF/IASF –
Bologna 30
A-A
(
1 :
1 )
B
( 2
: 1
)
VIS
TA
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(
1 :
2 )
1 1
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3 3
4 4
5 5
6 6
AA
BB
CC
DD
MATERIALE:
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SCALA:
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g
TOLL. GEN.: FOGLIO:
DESIG
NED BY:
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CHECKED BY:
RACCORDI NON QUOTATI:
SMUSSI NON
QUOTATI:
TRATTAMENTI TERMICI:
TRATTAMENTI SUPERFICIALI:
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METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
/ ///
Acciaio inossidabile austenitico
cilindro scherm
o inferiore
1.0
CRL-07-PR-013
adriano
02/03/2007
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0
INAF/IASF–BO INTERNAL REPORT 485/2007 PROGETTAZIONE DI UN REFRIGERATORE AD ELIO3
DALL’OGLIO G., DE ROSA A., MARTINIS L., MORGANTE G., PIZZO L.,SABBATINI L.,
TERENZI L., VALENZIANO L. INAF/IASF –
Bologna 31
VIS
TA
3D
(
2 :
1 )
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3 3
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REV.:
HRC:
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MASSA:
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DESIG
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RACCORDI NON QUOTATI:
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QUOTATI:
TRATTAMENTI TERMICI:
TRATTAMENTI SUPERFICIALI:
TOLL. GEN. FILETTATURE:
METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
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Rame
fondo scherm
o inferiore
CRL-07-PR-014
adriano
02/03/2007
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OH
FC
INAF/IASF–BO INTERNAL REPORT 485/2007 PROGETTAZIONE DI UN REFRIGERATORE AD ELIO3
DALL’OGLIO G., DE ROSA A., MARTINIS L., MORGANTE G., PIZZO L.,SABBATINI L.,
TERENZI L., VALENZIANO L. INAF/IASF –
Bologna 32
A-A
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(
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NOTE:
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Acciaio inossidabile austenitico
cilindro scherm
o superiore
1.0
CRL-07-PR-015
adriano
02/03/2007
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INAF/IASF–BO INTERNAL REPORT 485/2007 PROGETTAZIONE DI UN REFRIGERATORE AD ELIO3
DALL’OGLIO G., DE ROSA A., MARTINIS L., MORGANTE G., PIZZO L.,SABBATINI L.,
TERENZI L., VALENZIANO L. INAF/IASF –
Bologna 33
A-A
(
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(
1 :
1 )
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METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
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Acciaio inossidabile austenitico
flangia collegamento
1.0
CRL-07-PR-016
adriano
02/03/2007
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INAF/IASF–BO INTERNAL REPORT 485/2007 PROGETTAZIONE DI UN REFRIGERATORE AD ELIO3
DALL’OGLIO G., DE ROSA A., MARTINIS L., MORGANTE G., PIZZO L.,SABBATINI L.,
TERENZI L., VALENZIANO L. INAF/IASF –
Bologna 34
VIS
TA
3D
(
1 :
10
)
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TOLL. GEN.: FOGLIO:
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NOTE:
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Acciaio inossidabile austenitico
tubo esterno
1.0
CRL-07-PR-017
adriano
02/03/2007
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n12,70
INAF/IASF–BO INTERNAL REPORT 485/2007 PROGETTAZIONE DI UN REFRIGERATORE AD ELIO3
DALL’OGLIO G., DE ROSA A., MARTINIS L., MORGANTE G., PIZZO L.,SABBATINI L.,
TERENZI L., VALENZIANO L. INAF/IASF –
Bologna 35
A-A
(
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1 )
VIS
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(
1 :
1 )
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NED BY:
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QUOTATI:
TRATTAMENTI TERMICI:
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METRICA TRIANG. H6/g6 UNI 5545
NOTE:
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Stainless Steel, Austenitic
flagia scherm
o superiore
1.0
CRL-07-PR-018
adriano
02/03/2007
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o ooo s sssu uuup pppe eeer rrri iiio ooor rrre eee
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INAF/IASF–BO INTERNAL REPORT 485/2007 PROGETTAZIONE DI UN REFRIGERATORE AD ELIO3
DALL’OGLIO G., DE ROSA A., MARTINIS L., MORGANTE G., PIZZO L.,SABBATINI L.,
TERENZI L., VALENZIANO L. INAF/IASF –
Bologna 36
(
2 :
1 )
VIS
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3D
(
2 :
1 )
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Copper
STAFFA
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adriano
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49
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R3,00
INAF/IASF–BO INTERNAL REPORT 485/2007 PROGETTAZIONE DI UN REFRIGERATORE AD ELIO3
DALL’OGLIO G., DE ROSA A., MARTINIS L., MORGANTE G., PIZZO L.,SABBATINI L.,
TERENZI L., VALENZIANO L. INAF/IASF –
Bologna 37
3. BIBLIOGRAFIA
[1] Pizzo,L.,Dall’Oglio,G., Martinis,L., Sabbatini,L.-A multipurpose 3He refrigerator –
cryogenics 46 (2006) 762-764
[2] Dall’Oglio,G., Martinis, L., Morgante,G., Pizzo,L. - An improved 3He refrigerator –
cryogenics 37 (1997) 63-64
[3] Graziani,A., Dall’Oglio, G., Martinis, L., Pizzo,L., Sabbatini,L. – A new generation of 3He
refrigerators – cryogenics 43 (2003) 659-662