Luft Verflüssigen die zweite - Stirling Cryocooler

Der chaotische Hauptfaden

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Alexander470815
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Luft Verflüssigen die zweite - Stirling Cryocooler

Beitrag von Alexander470815 »

So, das Luft Verflüssigen geht in die zweite Runde.
Das hier war die erste: http://www.fingers-welt.de/phpBB/viewto ... =14&t=7506

Probleme dabei waren das es mir nicht gelungen ist das Öl aus dem Kaltkopf fernzuhalten.
So konnte man das ganze alle zehn Betriebsstunden zerlegen und sauber machen.

Deswegen jetzt der Umstieg auf ein kommerzielles Produkt.
Das ganze war natürlich nicht gerade billig, dafür hätte man verdammt viel LN2 kaufen können, aber das soll hier nicht das Thema sein.

Wie Ben Krasnow von Applied Science schon vorgemacht hat setzte ich jetzt auf einen Stirling Kühler aus einem Supraleitenden Filter.
Der Filter wurde wohl dafür eingesetzt um Empfangene Signale zwischen Antenne und Empfänger möglichst Schmalbandig zu filtern, aber davon habe ich keinen Plan :D
Deswegen ist es auch der "Superconductor Technologies Superfilter"
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Das ganze ist im 19" Gehäuse und kam aus den USA in einem riesigen Karton, den durfte ich natürlich auch beim Zollamt abholen (wie erwartet).
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Innen drin ist alles recht unspektakulär.
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Der Stirling Kühler hat einen großen Elektromagneten der einen Kolben innen drin hin und her schiebt.
Die zugehörige Ansteuerplatine ist recht übersichtlich.
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Leistungstechnisch hat das ganze natürlich deutlich weniger Dampf als der Leybold Kaltkopf.
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Das ganze hat auch ein PC Programm das mit dem ganzen Gerät über RS232 spricht.
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Nach einer guten Stunde wird es langsam frisch.
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Unter der Haube verbirgt sich der eigentliche Stirling Kühler, Luftgekühlt und Kompakt.
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Im Netz findet man ihn auch unter der Bezeichnung "Sapphire Cryocooler"
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Die eigentlichen Filter sitzen in einem Edelstahl Dewar Gefäß.
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Einige Schrauben Später...
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Damit das ganze nicht wie Hölle vibriert ist hinten an dem Stirling ein passiver Balancer angebracht.
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Morgen wird das ganze weiter auseinander gebaut.

Noch eine Frage zum Ende, zum groben Temperatur messen wird in dem Gerät wohl eine Diode verwendet.
Damit ich das ganze ohne das Dewar (in dem die Diode enthalten ist) betrieben kann brauche ich also einen Ersatz.
Grund dafür ist das die Diode sehr schwierig auszubauen ist und auch noch sehr empfindlich ist (zumindest in dieser Bauform in dem Dewar).
Der Stirling darf nicht mit voller Leistung laufen wenn der Kühlfinger noch warm ist,
deswegen würde ich gerne diese automatische Rampe weiter verwenden und damit muss eben eine Temperatur gemessen werden.
Durch die Diode fließt ein Konstantstrom von 100µA, mit einem Poti habe ich mehrere Werte aufgenommen.
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Von der Steigung her scheint das ja eine normale Silizium Diode zu sein, vielleicht mal mit einer 1N4148 probieren?
So genau muss es nicht sein, +-5K reicht ohne weiteres aus.

Grüße
Alex
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Bastelbruder
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Re: Luft Verflüssigen die zweite - Stirling Cryocooler

Beitrag von Bastelbruder »

Keine Diode sondern eine der beiden Dioden aus einem Kleinsignaltransistor. Die haben übrigens unterschiedliche Steigungen, bolzgerade (aufmalen), ich tippe auf Basis-Emitter mit kurzgeschlossenem Kollektor. Und die Kurven aller Siliziumdioden treffen sich bei 0°K irgendwo bei knapp 1,25 Volt.
Also vergleichen bei Zimmertemperatur, Feinjustage per Chipgröße und gut.
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IQON
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Re: Luft Verflüssigen die zweite - Stirling Cryocooler

Beitrag von IQON »

Also das ist mal en gescheiter ansatz, auch praktischer als mit den riesen Verdichter Kolonne die wir neulich gesehen haben...

Weist du was er für eine Kälteleistung bringt? EDIT: lift meint wohl von 77k auf Umgebenstemperatur also 2 45 oder 75 Grad C am Wärmetauscher und das dann in W
Oder die runterkühlzeit bis Betriebstemperatur erreicht ist?


Meinst du es ist ne gute Idee den ohne Dewar zu betreiben ich hätte mir jetzt im Dewar nen Wärmetauscher an de Kältefinger gebaut
wo man dann das Gas langsam durch strömen lassen kann...

ist dann ja extrem einfach,
Staubtrockenes Reingas langsam rein strömen lassen, flüssiges kommt auf der anderen Seite raus...
Kopf bleibt immer unterhalb der Verflüssigungstemperatur Wärme Leitfähigkeit des Wärmetauscher sorgt für die Vorkühlung ...

Braucht man halt zwei Vakuumdurchführungen die Thermisch isoliert sind.
Sollte sich Edelstahl Wellrohr als Koaxleitung für eignen,
lange Krichstrecke der Wärme durch die ganzen Wellen...

Und dann arbeitet das Ding im Dauerbetrieb und fördert in einen Vorratsbehälter...

Du machst mich Neidisch

Viele Grüße IQON
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Alexander470815
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Re: Luft Verflüssigen die zweite - Stirling Cryocooler

Beitrag von Alexander470815 »

Bastelbruder hat geschrieben:Keine Diode sondern eine der beiden Dioden aus einem Kleinsignaltransistor. Die haben übrigens unterschiedliche Steigungen, bolzgerade (aufmalen), ich tippe auf Basis-Emitter mit kurzgeschlossenem Kollektor. Und die Kurven aller Siliziumdioden treffen sich bei 0°K irgendwo bei knapp 1,25 Volt.
Also vergleichen bei Zimmertemperatur, Feinjustage per Chipgröße und gut.
Sehr guter Ansatz :idea:
Habe jetzt einfach einen BC547B genommen, Basis und Collector kurzgeschlossen und das ganze an die Platine angeschlossen.
Läuft, kommt soweit ich das mit meinem Typ K Thermoelemente Thermometer feststellen kann auch gut hin.
Wie gesagt hier reichen +-5K dicke aus, da ich nur eine Temperatur Rückführung brauche damit das Teil eine Rampe hoch fährt.
Und nicht direkt Vollgas gibt und den Stirling zerschiesst.
IQON hat geschrieben:Weist du was er für eine Kälteleistung bringt? EDIT: lift meint wohl von 77k auf Umgebenstemperatur also 2 45 oder 75 Grad C am Wärmetauscher und das dann in W
Oder die runterkühlzeit bis Betriebstemperatur erreicht ist?
Völlig korrekt, mit Lift ist die Kälteleistung gemeint.
Damit hat der Stirling jetzt etwa ein zehntel der Leistung des Leybold Kaltkopfes.
Nimmer aber nur 1/15 der Leistung auf, von daher passt das schon, dauert eben alles länger.
IQON hat geschrieben:Meinst du es ist ne gute Idee den ohne Dewar zu betreiben ich hätte mir jetzt im Dewar nen Wärmetauscher an de Kältefinger gebaut
wo man dann das Gas langsam durch strömen lassen kann...
Nunja der Kältefinger steckt jetzt auch wieder in einem Dewar und direkt an ihm kondensiert die Luft aus.
Ich sehe da jetzt kein großes Problem das so zu machen.

Ich habe noch einen Luft Trockner in Planung der soll einfach Luft über einige Rohrschlangen ziehen die per normaler Kältemaschine so bei -40°C gehalten werden.
Das sollte schonmal den Löwenanteil der Feuchtigkeit in der Luft entfernen.
Mal schauen ob ich da mit einem kleinen Lüfter oder Membrankompressor die Luft mit Überdruck in das Dewar mit dem Stirling drücke.

So ich habe das ganze mal weiter auseinander genommen, Stirling mit Dewar:
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Stirling alleine:
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Unten an dem Kaltfinger wollte ich ein Kupfer Blech befestigen, darin sind vier Löcher mit Gewinde.
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Die kleinsten Schrauben die ich gefunden habe passen:
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Der komplette Rest vom Dewar ist abgeklemmt, nur der BC547B als "grob" Temperatursensor ist angeschlossen.
Die Elektronik schein damit kein Problem zu haben, man musste lediglich den "min Strom der Filter Netztwerke" auf null stellen so das kein Fehler ausgegeben wird.
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Da ich das ganze natürlich möglichst schnell ausprobieren wollte :mrgreen:
ist der Aufbau noch etwas Knusprig, das wird aber nochmal überarbeitet.
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Den Spalt rundherum habe ich noch mit Armaflex ausgekleidet:
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Und so darf das ganze jetzt erstmal ein bisschen laufen:
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Es steht auf dem Bett da mit nicht das ganze Haus was davon hat.
In der Werkstatt kann es erst stehen wenn ich sicher bin das es läuft und keinen Computer mehr dafür brauche.

Was mir noch aufgefallen ist das die Elektronik dem Stirling nicht mehr als 100W geben wollte.
Keine der Parameter schien die Leistung zu begrenzen, die "requested power" war auch schon bei 125W aber er lief trotzdem nur mit 100W.
Auf der Elektronik Platine ist mitten drauf ein LM355 der als "Ambient Sensor" ausgewertet wird.
Bei 20°C Umgebung sorgt das dafür das die Leistung schon nur auf 100W begrenzt ist.
Ein Lüfter direkt darauf gerichtet sorgte dann für einen angezeigten Wert von 16°C (trotz 20°C Raum... Genauigkeit und so...).

Jetzt habe ich den LM355 einfach ausgelötet und durch ein Poti ersetzt:
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So denkt die Elektronik jetzt es wären -10°C und fährt weiter hoch, es ist ja nichtmal so das irgendwas besonders warm werden würde.
Die Mosfets der Endstufe erreichen gerade mal 40°C... gibt also keinen Grund so früh abzuregeln.
Naja das ganze kommt noch in eine Alu Kiste wo die Mosfets dann ihre Wärme abladen können (besser als verzinktes Stahlblech).
Da rein kommt dann auch noch das Netzteil und co.
Das ganze vibriert doch recht stark mit 60Hz da muss man die Platine nicht noch dem mechanischen Stress aussetzen den die erfahren würde wie wenn sie am Stirling montiert ist.

Grüße
Censer
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Re: Luft Verflüssigen die zweite - Stirling Cryocooler

Beitrag von Censer »

Sagmal, wie dicht kann man die Kaltkopf/Dewar-Kombi am Ende bekommen? Ich habe hier noch einen Sauerstoffkonzentrator rumstehen und wollte schon immer mal flüssigen Sauerstoff haben... :mrgreen:
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Alexander470815
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Re: Luft Verflüssigen die zweite - Stirling Cryocooler

Beitrag von Alexander470815 »

Censer hat geschrieben:Sagmal, wie dicht kann man die Kaltkopf/Dewar-Kombi am Ende bekommen? Ich habe hier noch einen Sauerstoffkonzentrator rumstehen und wollte schon immer mal flüssigen Sauerstoff haben... :mrgreen:
Nicht gerade dicht, das hat mir jetzt bei dem hier auch zu schaffen gemacht weil alles sofort zueist.
Deswegen wird das ganze jetzt nochmal neu aufgebaut.

Das ganze sitzt jetzt in einer KG Muffe an der an der Seite an einem Stück Armaflex der Lüfter angebracht ist.
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So kann man jetzt auch den passiven Balancer im Betrieb beobachten:
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Die Luft wird über die Kühlrippen und noch ein Stück über den Körper des Stirlings gezogen.
Später befestigt wird er an einer Acryl Platte mit dem Flansch unten.
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Da die Schrauben am oberen Deckel so knapp am Rand waren hat keine Mutter mehr oder Schraubenkopf dahingepasst.
Also habe ich kurzerhand an ein Stück Gewindestange mit meinem Miniatur Autogen Brenner ein paar Stücker Schweißstab gebraten.
So muss man nicht einmal von innen gegenhalten... ist nicht schön, aber sieht sowieso niemand.
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Der Plan ist es den Flansch in eine Vertiefung in einer 20mm starken Acryl Scheibe zu setzen und von oben passend gegenzuspannen.
Die Scheibe wird so bearbeitet das sie mit etwas Armaflex (Schaumstoff) Band saugend in das Dewar passt.
Das Dewar soll dann mit einem kleinen Membrankompressor rund 1L/min getrocknete Luft bekommen.
Und zwar in ein T Stück auf der an der einen Seite das Dewar ist und auf der anderen Seite ein Sinterfilter.
So dürfte sich ein minimaler positiver Druck im Dewar einstellen, es wird keine Fremdluft von außen gezogen und es pfeift nirgendwo eiskalt raus weil es nicht 100%ig dicht ist.

Als Trocknung werde ich die Luft wohl über ein paar Eiskalte Rohrschlangen leiten so das diese am Ende -30°C hat.
Bei 100% Luftfeuchte sind das dann noch 0,5g Wasser pro m³.
Bei 60% und 22°C wären es 11g also eine signifikante Verbesserung.
Wenn das immer noch nicht reicht überlege ich mir noch was anderes :mrgreen:

Grüße
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Bastelbruder
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Re: Luft Verflüssigen die zweite - Stirling Cryocooler

Beitrag von Bastelbruder »

Noch ein Nachtrag zum Temperatursensor:
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Die Kurve gilt übrigens auch für Fotodioden aka Solarzellen und entspricht weitgehend der EMK, natürlich in Abhängigkeit vom produzierten Strom.
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ferdimh
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Re: Luft Verflüssigen die zweite - Stirling Cryocooler

Beitrag von ferdimh »

Die 2,2mV gelten aber nur für einen bestimmten Strom.
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Alexander470815
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Re: Luft Verflüssigen die zweite - Stirling Cryocooler

Beitrag von Alexander470815 »

Also die Schaltung hier schickt 100µA da durch, aber so super genau muss es wie gesagt nicht sein.
Die Lösung mit einem einfachen Transistor reicht aus.

Ich habe heute mal ein bisschen gebastelt.
Aus einer Plexiglas Scheibe wurde erstmal was gedreht:
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Dieser Alu Ring (gedreht und dann gesägt und gefeilt) soll das ganze in der Plexiglas Platte halten.
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Auf dem Flansch des Stirlings:
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In der Scheibe mit Gewinden:
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In die Platte kommt noch eine 5mm LED die unten in das Dewar leuchtet.
Dann noch ein Anschluss wo man die getrocknete Luft anklemmen kann und ein Loch als Durchführung für den Temperatur Sensor.

Ein Klemme die den Kabelstrang zur Steuerbox festhält kommt auch noch dran.

Grüße
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