Project nevelkamer

[Michel Uphoff]

Het plan is een goed werkende en wat grotere nevelkamer (nevelvat, cloud chamber, Wilsonvat, klik) te bouwen. In tegenstelling tot het Cavendish experiment (Klik) heb ik geen klein budget als uitgangspunt genomen. Dit gaat enige honderden euro's kosten.

 

Omdat er daarbij een veelheid aan onderwerpen en vakgebieden aan de orde komt, en het niet handig is die allemaal afzonderlijk in de betreffende forumsecties te bespreken, verzamel ik alles in een topic hier in 'praktische en overige technische wetenschappen'. Voor wat voorbeschouwingen over de te gebruiken koeltechniek kan de geïnteresseerde dit topic doorlezen.

 

Fase 1 van het plan in kort bestek:

 

Bodem nevelkamer op minimaal -30 graden Celsius, liefst -35, bij een omgevingstemperatuur van 25 graden. Afmetingen bodem 20*15 cm. Deze bodem bestaat uit een plaat aluminium van 10 mm dik.

 

Onder deze bodem een aantal Peltier elementen, waarbij verschillende configuraties zullen worden getest:

2 * 3 elementen in serie (ieder element een specifieke spanning tussen 3 en 12 volt)

2 * 4 elementen (per set 2 elementen in serie en 2 parallel)

4 * 2 elementen (hoge delta t per element)

4 * 3 elementen (lagere delta t en groter koelend vermogen)

4 * 4 elementen (per set 2 in serie en 2 parallel, lagere delta t per element en grootste koelend vermogen)

 

Met in serie of parallel schakelen doel ik hierbij niet op de elektrische aansluiting, maar op de ordening van de elementen, zie verderop. Doel is te komen tot een zo groot mogelijke delta t bij een zo gering mogelijk energieverbruik.

 

De bestelde Peltier elementen zijn ten dele binnen, en de prijs bleek 3 keer zo laag als gedacht. 11,45 per stuk bij een afname van drie dacht ik, dus er drie besteld. Het blijken er 9 van het type TEC1-12705 te zijn. De 9 TEC1-12708 elementen zijn nog niet gearriveerd.

 

In het genoemde topic is de waterkoeling aan de orde geweest en is er een ontwerpje voor een heatsink bedacht. Ik ga daar vooralsnog van afwijken. Enerzijds omdat ik nog niet weet of ik twee of vier van die heatsinks nodig heb, anderzijds omdat ik problemen voorzie met de wateraansluiting van 4 koelblokken (een wirwar van slangen en y stukken plus gerede kans dat de debieten te veel verschillen en de bodemplaat ongelijkmatig wordt gekoeld). Bovendien had ik voor de tests behoefte aan een mechanisch stabiele basis, en de mogelijkheid diverse configuraties zonder veel aanpassingen te kunnen testen.

 

Daarom zelf een knoeperd van een heatsink gebouwd, die tevens als stabiele basis voor het geheel fungeert, zie volgende bericht.

[Michel Uphoff]

De heatsink

 

Van de defecte bierpomp bleef een joekel van een luchtgekoelde heatsink over, die ik als basis voor mijn waterkoeling heb gebruikt:

 

Heatsink1 3098 keer bekeken

 

Het blok meet 20 bij 13 bij 3,5 cm en is voorzien van 39 vinnen. Dit blok bewerkt en m.b.v. wat aluminium voorzien van stroomkanalen:

 

heatsink met stroming a 3098 keer bekeken

 

Vervolgens met aluminium plaatjes en hardsoldeer het geheel tot een koelblok afgerond:

 

Heatsink4 3098 keer bekeken

Heatsink5 3098 keer bekeken

 

Na reparatie van een paar kleine lekjes in de lassen leek het blok perfect te werken, en heb ik het een paar dagen op een 600 liter per uur waterpompje aangesloten en de temperatuur laten variëren. Na twee dagen begon het blok tot mijn schrik te lekken. Niet bij de lassen, maar een dikke centimeter van de rand. Verder viel op dat er donkergrijze korreltjes in het rondgepompte water kwamen en dat ik gerammel hoorde als ik het blok schudde. Hier was duidelijk iets geheel onverwachts aan de hand.

 

Er zat niets anders op dan het geheel te verhitten en uit elkaar te halen. Dit trof ik in het interieur aan:

 

Enstige corrosie 1 3097 keer bekeken

Ernstige corrosie 2 3097 keer bekeken

De precieze samenstelling van het aluminiumsoldeer ken ik niet (aluminium, zink, nog wat en een 'vloeimiddel'), maar kennelijk is dat spul totaal niet opgewassen tegen water en/of temperatuurwisselingen, of tast het de afsluitende aluminiumoxide laag aan. Hoe dan ook, extreme corrosie en dus onbruikbaar, bummer.

 

Vervolgens een nieuw blok gemaakt van een aluminium dikwandig rechthoekig buisprofiel met twee deksels en pakkingen van vulkaniserende teflon tape (klik). De oude heatsink was gelukkig na wat inkorten onaangetast en nog prima bruikbaar, dus deze voorzien van hittegeleidende pasta en met een aantal boutjes strak aan de binnenzijde van het profiel gemonteerd. De aluminium hulpstukjes die het water drie keer door het blok geleiden zijn nu geklemd en gelijmd. Jammer dat ik zo een extra overgangsweerstand heb moeten introduceren tussen de behuizing en de eigenlijke heatsink, maar met een totaal koelend oppervlak van ongeveer 0,4 m² en 220 cm² contactoppervlak tussen heatsink en behuizing moet het verschil m.i. heel beperkt blijven

 

Nieuwe heatsink 3097 keer bekeken

 

Hier wat voorbeelden van te testen configuraties (zonder het isolatiemateriaal):

Configuratie 2 3097 keer bekeken

Configuratie 3 3097 keer bekeken

Configuratie 4 3097 keer bekeken

 

M.b.v. de kunststof boutjes kan ik tussen de koude en warme plaat de Peltiers en aluminium blokken in een verscheidenheid van configuraties laten klemmen en voorkom ik nare koudebruggen. Natuurlijk komt er straks tussen de warme en koude zijde een laag isolatie (4 cm dik). Nu nog wachten op de overige tec's en de bestelde radiator. Dan kan ik gaan meten.

[Benm]

Hopen dat het nu wel waterdicht blijft!
 
Je zou natuurlijk voorzichtig aan al wat kunnen testen, gewoon met kraanwater door het koelblok (neem aan dat het daar wel even tegen kan). 

[Michel Uphoff]

Je zou natuurlijk voorzichtig aan al wat kunnen testen, gewoon met kraanwater door het koelblok

 
Dat heeft al een paar dagen zo gedraaid (teil water, pomp, heatsink, en rondpompen maar). Geen lekken tot op heden.

[Benm]

Ik bedoel meer met de TEC's zelf - voordat je een teil water flink op temperatuur hebt kun je best het nodige experimenteren lijkt me, of is het vooral wachten op de resterende tec's?

[Michel Uphoff]

Ja ik wacht eigenlijk nog op de andere tec's. Die hebben een wat groter vermogen.

Maar ik kan vast al wel wat gaan experimenteren, morgen komen de radiator en de drie fans.

 

Inmiddels een 'modulair' isolatiesysteempje en testkastje gemaakt van Eps:

 

Isolatie overzicht 3096 keer bekeken

Klik om te vergroten

 

isolatie 7 3095 keer bekeken

 

[Pinokkio]

Leuk dat het project verder gaat

Vervolgens een nieuw blok gemaakt van een aluminium dikwandig rechthoekig buisprofiel met twee deksels en pakkingen van vulkaniserende teflon tape (klik). De oude heatsink was gelukkig na wat inkorten onaangetast en nog prima bruikbaar, dus deze voorzien van hittegeleidende pasta en met een aantal boutjes strak aan de binnenzijde van het profiel gemonteerd. De aluminium hulpstukjes die het water drie keer door het blok geleiden zijn nu geklemd en gelijmd. Jammer dat ik zo een extra overgangsweerstand heb moeten introduceren tussen de behuizing en de eigenlijke heatsink, maar met een totaal koelend oppervlak van ongeveer 0,4 m² en 220 cm² contactoppervlak tussen heatsink en behuizing moet het verschil m.i. heel beperkt blijven

maar ik heb nu al moeite om dit nog te volgen.
Het is mij vooral niet duidelijk wat je met die extra overgangsweertand bedoelt.

[Michel Uphoff]

Het is mij vooral niet duidelijk wat je met die extra overgangsweerstand bedoelt.

 
Bij de eerste heatsink was de onderzijde van het geribbelde aluminium koelblok gelijk de buitenkant van het geheel.
De nieuwe heatsink is een aluminium rechthoekig profiel, waarin aan de binnenzijde het koelblok is gemonteerd met boutjes en geleidende pasta. (zie verder de afbeeldingen)
 
De eerste situatie was dus: 3 mm aluminium wand (de bodemplaat van het koelblok) die een geheel vormde met de koelvinnen.
De tweede situatie is: 5 mm wand profiel, geleidende pasta, 3 mm bodemplaat koelblok met koelvinnen.
 
Geïntroduceerd is dus 5 mm aluminium (tegen 237 W/(m·K)) extra wanddikte plus de pasta (8 W/(m·K)). Gelukkig is het contactoppervlak tussen de wand van het profiel en het koelblok behoorlijk groot, zo'n 200 cm². Omdat ik beide onderdelen met 12 boutjes zo strak mogelijk tegen elkaar getrokken heb, verwacht ik een vrij goed contact over een fors oppervlak.
 
Als ik hoog inschat en uitga van 450 Watt af te voeren vermogen en een wat dikke pastalaag van 0,1 mm en 200 cm² contactoppervlak, dan zou de zo geïntroduceerde extra delta T door het extra aluminium en de 'Liquid Silver' tot minder dan 1 graad beperkt moeten blijven (ik kom met deze gegevens tot 0,74 K zonder eventuele overgangsweerstanden tussen de pasta en het aluminium).
 
Is het zo duidelijker?

[CoenCo]

Supervet. Blijft leuk om te zien hoe ver je kan komen.
 
Wat wil je precies met de kamer doen als hij klaar is? Bij cavendish was het doel "kijken hoe nauwkeurig ik het kan", en hier?

[Michel Uphoff]

Het doel is een prima werkende cloud chamber te maken, die gedurende langere tijd (ik denk aan een uur) zonder bijvullen gebruikt kan worden en mooie zo goed mogelijk afgebakende tracks geeft.
 
Daar komt behalve deel 1, de zo egaal mogelijke koeling van de bodemplaat en het energieverbruik, straks meer bij kijken. B.v. de ion scrubber, een sterk magneetveld, goede verlichting, wellicht verwarming van de propanolgoot en dan natuurlijk het afgebouwde instrument. Dan nog enkele radioactieve bronnen op de kop tikken (²⁴¹Am heb ik al), en kijken of ik goede foto's filmpjes van de tracks kan maken.
 
Later, als het ding goed werkt, degelijk genoeg is en ik er mee uitgespeeld ben, schenk ik het wellicht aan een school.

[king nero]

De precieze samenstelling van het aluminiumsoldeer ken ik niet (aluminium, zink, nog wat en een 'vloeimiddel'), maar kennelijk is dat spul totaal niet opgewassen tegen water en/of temperatuurwisselingen, of tast het de afsluitende aluminiumoxide laag aan. Hoe dan ook, extreme corrosie en dus onbruikbaar, bummer.

 

 
Indien nog van toepassing, hiermee kan ik ongetwijfeld helpen indien je meer informatie hierover zoekt of een oplossing wil aangeboden krijgen.

[Michel Uphoff]

Het probleem zelf heb ik omzeild door een nieuwe heatsink zonder dat soldeer te maken.
 
Maar naar de precieze oorzaak van deze extreme oxidatie ben ik natuurlijk wel benieuwd. Het gaat om deze soldeer, en die wijkt waarschijnlijk nauwelijks af van Durafix.
Wat mogelijk van belang is, is dat ik enkele gaatjes in mijn lassen heb moeten repareren. De binnenzijde van de heatsink was na testen natuurlijk vochtig, dus moest ik het achtergebleven water uitkoken voordat ik de locaties van de lekjes op de vereiste 390 á 400 graden kon brengen voor de reparatie. Dat heb ik twee keer moeten doen voordat de lekjes in mijn lassen dicht waren.

[CoenCo]

Hier staat een handleiding catalogus van Welco Alu+ zachtsoldeer: https://www.ckfive.be/content/files/content/ckfive/Documentlinks/201607_richtlijnen%20doe%20het%20zelf%20welco%20vlam%20en%20elektr_LRES.pdf

 

Ze zeggen zelf dat het:

 

 

Zachtsoldeer staven van zinkpoeder met aluminium, WELCO ALU+.

Voor ALUMINIUM en aluminiumlegeringen.

• 380°C

• 200 mm x 2,5mm

• Ref. C44000001F10 – 10 staven + 1 kraspen in rvs

 

 

is. Zou de combinatie zink+alu+water+stroming iets van galvanische corrosie kunnen veroorzaken? Heb je misschien een pomp met een koperen/bronsen huis?

 

Heb je de handleiding eigenlijk gevolgd?

Toepasbaar voor herstellingen en producties van aluminium en aluminiumlegeringen; zoals motoren, versnellingsbakken,

carters, tandwielkasten, relingen, fittingen, aluminium goten, leidingen, ...

Met WELCO ALU+ kunnen ook gaten tot diameter 10mm opgevuld worden.

1.

Reinig de werkstukken grondig, bij voorkeur met een borstel in roestvast staal.

2.

Voorverwarmen; verhit het werkstuk gelijkmatig tot 380°C

3.

De soldeerstaaf WELCO ALU+ niet in de vlam houden. Laten smelten door de hitte van het oppervlak van het werkstuk.

Bedek de oppervlaktes die aan elkaar gezet of opgevuld moeten worden met een dun laagje.

4.

De moeilijkheidsgraad bij het aluminiumlassen is om de aluminium oxidatielaag te doorbreken. Deze laag zullen we door-

breken door middel van de krasnaald in RVS (meegeleverd in de WELCO ALU+ verpakking). Kras doorheen het soldeersel

terwijl deze vloeibaar is. Indien nodig het werkstuk opnieuw opwarmen, maar de vlam niet direct op het soldeersel richten.

5.

Laat het geheel afkoelen en hard worden. Vrijwel onmiddellijk kan het werkstuk worden bewerkt. ( schuren, polijsten,

boren, tappen, verven, maar NIET anodiseren )

Met hetzelfde product kan aluminium met koper of brons worden verbonden.

[Michel Uphoff]

Ja ik heb de juiste werkmethode gehanteerd. Ik heb eerder met dit soort soldeer gewerkt, maar niet voor een natte omgeving en wat grotere temperatuurverschillen.
 

Zou de combinatie zink+alu+water+stroming iets van galvanische corrosie kunnen veroorzaken?

 
Dat zou misschien kunnen, maar dan is het wel erg heftig. Na 2 dagen door 3 mm aluminium heen vreten vind ik nogal wat.
 

Heb je misschien een pomp met een koperen/bronzen huis?

 
Nee, die pompjes bestaan uit een ingegoten spoel, en een in kunststof ingegoten rotor met magneet.

[Benm]

Aluminium is sowieso geen prettig metaal om te solderen. Wellicht zit er een of ander behoorlijk agressief fluxmiddel in die soldeerstaven om uberhaupt door de oxidelaag heen te komen, en is dat in combinatie met water en zink niet heel handig: zonder oxidelaag reageert aluminium vrij gemakkelijk, wellicht krijg je een cyclus waarbij een beetje aluminiumhydroxide oplost, dat vervolgens reageert met zink, zodat er meer kan oplossen etc. 
 
De oplossing met pakkingen van teflon en mechanische verbinding lijkt me sowieso een stuk beter, als dat stevig vast zit gaat het niet spontaan lekken als je er verder vanaf blijft.