Plato frío refrigerado con nitrógeno líquido para ensayos térmicos y de vibración de componentes espaciales

• Autores: Roberto Alcover Sánchez
• Directores de la Tesis: Efrén Díez Jiménez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2020
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Jesús Meneses Alonso (presid.), Emiliano Pereira González (secret.), Eduardo Corral Abad (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Investigación Espacial y Astrobiología por la Universidad de Alcalá
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología industrial
      • Maquinaria industrial
    • Tecnología de la instrumentación
      • Aparatos científicos
      • Instrumentos de medida de la temperatura
    • Tecnología de materiales
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TESEO
• Resumen
  • español

    Esta tesis trata del diseño, fabricación y ensayo de un plato frío refrigerado por nitrógeno líquido (LN2) para el uso en el interior de una cámara de vacío. Este plato frío se construye para poder realizar pruebas de cualificación en vacío y criogenia de otros componentes mecánicos a temperaturas criogénicas. Entre las principales novedades que se aportan en el diseño destaca el empleo de una configuración hexápoda para soportar el depósito de nitrógeno líquido, cuya superficie superior está enfriada con el fluido criogénico. Entre las propiedades que definen el sistema diseñado destacan su simplicidad, baja conductividad térmica, alto aislamiento térmico, elevada inercia térmica, comportamiento estructural isostático, frecuencia natural elevada, altura y posición ajustable, adaptación a condiciones de vacío, operación fiable, utilización de materiales no-magnéticos, y, finalmente, bajo coste de fabricación.

    Las pruebas térmicas llevadas a cabo han revelado que es posible alcanzar una temperatura criogénica de hasta -190 °C en la superficie superior del plato frío. Se ha verificado que la presión de vacío con el plato frío dentro de la cámara es de 10-5 mbar, valor del mismo orden al obtenido en la cámara sin el plato frío. Finalmente, se ha realizado la medida de la primera resonancia mecánica del sistema en movimiento vertical, localizada en 115 Hz. La caracterización del comportamiento dinámico del plato frío permite su utilización en ensayos de vibración de otros componentes que se ubiquen sobre el mismo.

    Los trabajos de esta tesis están enmarcados y financiados directamente dentro del proyecto nacional LEVIOSTAT: Criostato levitante para aplicaciones espaciales, con referencia n° ESP2015-72458-EXP financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad dentro del programa EXPLORA TECNOLOGÍA 2015 del Plan Estatal de I+D+i 2013¿2016.

  • English

    This thesis describes the design, manufacture and test of a cold plate by nitrogen for the operation on the inside of a vacuum chamber. This cold plate is built with the aim of developing qualifying on vacuum and cryogenic temperatures of mechanic components. Some of the main novelties that are shown by the design are the hexapod configuration to hold the nitrogen liquid deposit, which top is cold by the cryogenic fluid. The properties that define the designed system are their simplicity, low thermal conductivity, high thermal isolation, high natural frequency, adjustable height and position, vacuum conditions, reliable operation, non-magnetic materials, and finally, low manufacturing cost.

    The thermal testing has shown that it is possible to reach a cryogenic temperature up to -190 °C on the top of the cold plate, and at the same time maintaining a correct isolation between the hot and the cold parts. Moreover, it has to be underlined that the nitrogen consumption of reaching this cryogenic temperature is only about 10 liters.

    It has been verified that the vacuum pressure with the cold plate inside the chamber is of about 10-5 mbar, the same that was obtained when the chamber was empty, guaranteeing by this fact that there are not vacuum releases related due to the cold plate installation. Finally, it has been measured the first mechanic vertical resonance of the system, found at 115 Hz. The dynamic characterization of the cold plate enables their employing on vibrating tests of many components on their top.

    The tasks of this project have been financed by the national project entitled LEVIOSTAT: Levitant Cryostat for especial applications, with reference n° ESP2015-72458-EXP and financed by the Spanish Economy and Competitivity Ministry inside of the EXPLORA TECNOLOGÍA 2015 program of the Research National Plan of R&D 2013–2016.