Home

 

Diffusions Nebelkammer mit selbstgebauter Kompressorkühlung

Allgemeines:

Eine Herausforderung ist der Selbstbau einer Kompressorkühlung. Einige Amateure haben gezeigt das es durchaus möglich ist eine Kompressorkühlung selbst zu bauen. Meist findet man diese Bauberichte im Bereich der Computer-Overclocking -Foren. Eines der Besten dieser Foren war www.extremecooling.de, dort wurden einfache Kühlstufen und sogar Mehrfachkaskaden für extrem tiefe Temperaturen beschrieben. Leider hat dieses Forum dicht gemacht hat, aber einige der früheren Mitglieder sind noch aktiv und deren Beiträge in anderen Foren zu finden.
Das Wirkungsweise einer Kompressorkühlung ist schnell erklärt. Ein zunächst gasförmiges Kältemittel wird mit einem Kompressor verdichtet.Mit einem, meist luftgekühltem, Verflüssiger wird das durch die Verdichtung erhitzte Gas unter den Siedepunkt abgekühlt und somit verflüssigt. Das nun flüssige Kältemittel mit etwa Raumtemperatur fliesst durch ein Expansionsventil in den Verdampfer. Der dadurch entstehende Druckabfall verdampft das Kältemittel, die dazu notwendige Energie (Wärme) wird der Umgebung entnommen, die dadurch abgekühlt wird. Das nun wieder gasförmige Kältemittel wird vom Kompressor angesaugt und der Vorgang wiederholt sich.
Das einfache Prinzip ist aber in der technischen Umsetzung nicht ganz einfach. Alle Komponenten des Kreislaufs müssen exakt auf einander abgestimmt sein, und der Kreislauf muss wirklich dicht sein, dass weder das Kältemittel verloren geht noch Luft angesaugt wird.

Aufbau:

Der Kompressor ist eine kleine Ausführung, wie sie z.B. in >Eismaschinen< verbaut wird. Er ist für das Kältemittel R134A ausgelegt. R134A , Tetrafluorethan ist ein viel verwendetes Kältemittel z.B. in Klimaanlagen und Kühlschranken. Auch der Inhalt von Kältespraydosen ist R134A, obwohl das Gas eigentlich nicht ins Freie gelangen sollte da es einen hohen Treibhauseffekt aufweist. Der Verflüssiger, Trockner und die Kapillare stammen ebenfalls aus einer Eismaschine. Neu gebaut wurde der Verdampfer und die Saugleitung mit einem Schraderventil zum Evakuieren und Füllen des Kreislaufs.

Der fertige Verdampfer, mit Saugleitung und Schraderventil. Das Rohr ist mit Weichlot auf ein Kupferblech gelötet das später an die Bodenplatte aus Alu geschraubt wird. Alle Verbindungen des Kühlkreislaufs hingegen sind mit Silberlot hartgelötet um dauerhaft dicht zu sein.
Nach der Fertigstellung wird das Systen evakuiert um Luft und vor Allem Feuchtigkeit zu entfernen, dabei sieht man schon ob alles dicht ist. Anschliessend wird mit einem Inertgas (Stickstoff, Argon) auf den späteren Betriebsdruck (R134A etwa 4 bar) gefüllt. Ist alles dicht darf der Druck sich nur etwas mit der Umgebungstemperatur ändern, aber auch über eine längere Zeit nicht abfallen.
Nun kann endlich gefüllt werden. Die Füllmenge ist von großer Bedeutung, füllt man zu wenig erreicht man zwar sehr tiefe Temperaturen aber die Kälteleistung bleibt klein. Eine Überfüllung bringt eine größere Kälteleistung bei etwas höheren Temperaturen und es besteht die Gefahr das flüssiges Kältemittel in den Kompressor gesaugt wird, was diesen zerstören kann.
Ein guter Anhaltspunkt ist auch die Vereisung der Saugleitung die bis fast zum Kompressor reichen sollte, dessen Anschluss aber eisfrei bleibt.
Die kalten Leitungen werden mit Neopren und die Bodenplatte mit Hartschaum isoliert. Vor allem die Isolieren der Bodenplatte ist wichtig, zum Einem zwecks der thermischen Isolierung und zum Anderen um die Bildung von Kondenzwasser zu veringern.
Die Alu-Bodenplatte ist mit selbstklebenden Aluband überzogen um Schraubenlöcher abzudecken. Die Verdampferrinnen sind aus U-Profil aus Aluminium. In sie wird eine koaxialer Heizdraht eingelegt. In der Mitte der vorderen Rinne sitzt der NTC-Widerstand zur Temperaturmessung.Die Zuführung des Alkohols erfolgt über Kupferröhrchen. Die Drähte zur Erzeugung des Klärfeldes sind unter den Verdampferinnen an isolierenden Posten aufgespannt.
Ursprünglich wurden zwei Verdampferrinnen vorgesehen, im Betrieb zeigte sich aber, dass nur eine notwendig ist. Die hintere wurde deshalb still gelegt und das Kupferröhrchen zum Einleiten von Probengas (z.B. Radon) verwendet.
Rechts der CCFL-Inverter zur Erzeugung der Feldnetzspannung von +500V. In der Mitte die, mit einem Schrittmotor betriebene Schlauchpumpe zur Alkoholförderung.Ganz links im Bild sieht man die Probengaspumpe.
Durch die Probengaspumpe mit Radon in die Kammer gepumpt. Das Radon ensteht in der bläulichen Plexiglaskammer im rechten Bild durch den fortlaufenden Zerfall von Thorium, das in einem Glühstrumpf enthalten ist.
Das in der Nebelkammer zerfallende Radon gibt durch die entstehenden Alpha-Spuren einen schönen Show-Effekt.
Die Probenpumpe kann aber auch abgeschaltet werden.
Zur Beleuchtung der Kammer werden LED-Stripes verwendet. An beiden Längsseiten sind je 48
SMD-LEDs auf selbstklebenden Bändern unter einer Abdeckung aus Alu Winkeln angebracht. Leider haben alle auf Streifen erhältlichen LED's einen großen Abstrahlwinkel, ein kleinerer Winkel würde den Kontrast erhöhen. Deshalb wurde vor den LED's ein eine Zylinderlinse aus einen Halbrund-Plexiglasstab ,angebracht.
Elektronik:  
Die Steuerung der Kammer übernimmt ein Arduino Nano. Er regelt die Heizertemperatur, die Pumpzeiten und Pumpmenge der Alkoholpumpe sowie die Steuerung der Probenpumpe. Auch die Anzeige der Betriebsdaten auf einem LCD-Display übernimmt der Arduino. Alle wichtigen Parameter können jederzeit verändert und im EEPROM abgespeichert werden. Währen der Testphase werden wichtige Parameter über die RS232 Schnittstelle auf einen PC übertragen, so konnte z.B. die unten gezeigte Abkühlkurve erstellt werden.
Zur Versorgung der Schaltung ist ein etwas modifiziertes PC-Netzteil eingebaut. Neben den üblichen Spannungen liefert das Netzteil auch noch 24V DC zum Schalten des Kompressorrelais und die 220V Netzspannung ist zum Betrieb des Kompressors durchgeschleift.

Die eigentliche Kammer besteht aus einem Glasrahmen (ein, mit der Diamantsäge abgesägtes, Aquarium). Die Deckplatte ist eine in einem Rahmen gefasste Glasscheibe. Der Glasrahmen ist gegenüber dem Boden und dem Deckel mit Neoprenstreifen gedichtet. Zur Wärmeisolation wurde die Kammer an drei Seiten mit schwarzen Hartschaumplatten verkleidet.
Durch eine seitliche Schiebetür ist das Alkoholreservoir zur Nachfüllung zugänglich.
Auch der Serviceanschluss des Kühlsystems ist hier zugänglich.
Ebenso ein USB-Stecker für eventuelle Programm-Updates.

Betrieb:
Mit einer Verdampfertemperatur von 60°C arbeitet die Kammer ab einer Bodenplattentemperatur von -20°C zufriedenstellend. Zum Erreichen dieses Zustands werden etwa 15 Minuten benötigt. Am Besten sind die Spuren durch die vordere Glasscheibe zu sehen.