Diffusions Nebelkammer mit selbstgebauter Kompressorkühlung
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Allgemeines:
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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.
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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.
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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. |
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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. |
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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. |
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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. |
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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. |
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Elektronik: |
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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.
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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.
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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. |
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