Projekt Eiszapfen

Hallo liebe Foristen,

vor etwa einem Jahr konnte ich mit einem Bild der Chloroplasten vom Efeu den Titel Foto des Monats ergattern. Zwar war ich sehr Stolz darauf, aber mit dem Bild war ich trotzdem nie so recht zufrieden. Der Grund dafür war das Rauschen der original Bilder, welches sich selbst mit Registax und jeder Menge anderer Bildbearbeitungssoftware nur auf Kosten anderer
bildqualitätsbestimmenden Faktoren in den Griff zu bekommen war und das mir bis Heute einfach keine Ruhe lassen will. Um diesen Missstand zu beseitigen wurde Projekt Eiszapfen ins Leben gerufen und da dieses nun in etwa halb fertig ist, möchte ich euch einen kleinen Einblick in die bisherigen Fortschritte gewähren.

Die eingestpften Kupferlitzen erfüllen 2 Funktionen, zum einen die Erhöhung des Verhältnisses von Kühloberfläche zum Volumen der Kühlflüssigkeit, und zum anderen sollen sie für reichlich Verwirbelungen der Kühlflüssigkeit sorgen. Ein Faktor welcher mir bei meinem IR-Bild eines heißen Ofens aufgefallen ist, da wo das Ofenrohr gestückelt ist, und es dadürch zu Verwirbelungen der heißen Gase kommt, ist deutlich eine höhere Temperatur des Rohres zu erkennen.

1. Peltierelement
2. Wärmetauscher
3. Wärmeisoliertes 2mm Kupferblech welches später den Sensor meiner EOS 350Da kühlen soll
4. Mit Bauschaum wärmeisolierter Ausgleichsbehälter für die Kühlflüssigkeit.
5. Kleine Pumpe welche von der Zuluft des Lüfter gekühlt wird um deren Lebenszeit zu erhöhen.
6. Arduino zum auslesen der Temperatursensoren.
7. Habe ich wohl vergessen.
8. Eine rote und eine blaue LED, rot leuchtet bei Temperaturen über 0°C, blau darunter, ein kleines Gimmick nichts weiter.
9. Ein PC-Kühler aus Kupfer und Lüfter.
10. 2 One Wire Digital Temperature Sensor - DS18S20 um die Temperaturen der Kühlflüssigkeit und des Kamerasensors in 0.06°C Schritten [lexicon='messen',''][/lexicon] zu können.

Beschreibung der Funktion:

Aus dem Ausgleichsbehälter wird von der Pumpe Kühlflüssigkeit gesaugt und in den ersten Wärmetauscher gepumpt. Dort wird sie durch ein Peltierelement gekühlt und weiter Richtung 2ten Wärmetauscher geleitet. Dieser 2te Wärmetauscher kühlt dann ein Peltierelement welches dann einem Kupferblech die Wärme entzieht. Jenes Kupferblech wird später den CMOS-Sensor der Kamera kühlen um ihn dann das thermische Rauschen auszutreiben. Doch zurück zur Kühlflüssigkeit, die fließt einfach wieder in den Ausgleichsbehälter zurück und das Ganze beginnt von Vorne. Selbstverständlich ist alles Dicht und es tritt nirgends Flüssigkeit aus.

Wie man sieht, erwärmt sich die Kühlflüssigkeit nicht etwa, sondern kühlt sich sogar im Betrieb auf etwa 4°C unter der Zimmertemperatur ab und bleibt auch dort. Das war mir wichtig, da ich die Kamera später auch für richtig lange Belichtungszeiten verwenden möchte.

Warum das Peltierelement der Sensorkühlung nicht direkt mit Luft kühlen?

Zum einen wegen des Gewichts, ein guter Kühlkörper aus Kupfer samt Lüfter, wie der den ich zur Kühlung der Kühlflüssigkeit verwende, wiegt doch einiges. Mein Wärmetauscher hat nur einen Bruchteil des Gewichtes. Der andere Grund sind die Vibrationen die von jeden Lüfter erzeugt werden und die mir bei meinen Versuchen meine Überwachungskamera zu kühlen ab dem 40er Objektiv unangenehm aufgefallen sind. Meine Kühlung hingegen erzeugt keinerlei Vibrationen, jedenfalls keine welche bis zum Element welches an die Kamera angefügt wird vordringt.

Zum Schluss noch eine kleine Bitte an euch.

Bitte mir die nächsten Tage, ich muss noch ein paar Teile besorgen, fest die Daumen drücken, damit alles glatt geht wenn ich versuche dieses Ding an diesen 31mm*28mm großen Sensor anzubauen.

Nun geht es weiter mit dem Einbau des Kühlfingers in die Kamera, also die Kamera soweit öffnen bis die Sensorhinterseite vor einem liegt.

Zum Schutz vor eventuell auftretender Kondensfeuchtigkeit und der Wärmeleitpaste wurden die Kontakte ober- und unterhalb des Sensors mit 2K-Epxyharz isoliert. Nach dem der Kleber getrocknet war konnte eine dünne Schicht Wärmeleitpaste auf dem Sensor aufgetragen werden.

Da der Sensor von Halteklammern an Ort und Stelle gehalten wird, welche eine direktes aufsetzen des Kühlfingers verhindern, muss erstmals diese Hürde genommen werden, im wahrsten Sinn des Wortes.
[Blockierte Grafik: http://i1116.photobucket.com/albums/k561/Googol1972/Eos%20350Da%20Peltiergekuehlt/IMG_3552_zpsd352aefb.jpg]
Ein passgenaues Kupferstück mit 2mm Dicke erledigt dass, und damit es auch dort bleibt wo es soll kam rundherum wieder der 2K-Kleber zum Einsatz.

Bis jetzt verlief alles genau nach Plan, dies änderte sich jedoch schnell mit dem Aufkleben des Kühlfingers. Ich müsste nämlich feststellen, dass die Platine, welche nachher über dem Sensor sitzt, mir einfach nicht genug Platz über lässt für eine angedachte Isolierung und einem Temperatursensor der dicker als die 2mm des Kupfers ist.

Die selbstklebende Isolierung war schnell herunter, wenn auch mit Rückständen, und der Temperatursensor wurde an der Unterkante, statt in einem dafür angedachten Loch im Kupfer, angebracht. Einziger Wermutstropfen, auf der Unterseite des Kupfers war noch Platz für eine 2te Schicht der Thermoisolierung.

Auch so waren 4mm Kupfer einfach zu viel, und für die Befestigung der Platine mussten längere Schrauben verwendet werden, da sie nun um ca. 1mm höher Sitzt.

Selbst diese 1mm reichten um bei dem Anschluss der sehr knapp bemessenen Flachkabel gehörig ins Schwitzen zu kommen. Das nächste mal muss unbedingt für den Höhenausgleich ein 1,5mm, und für den Wärmeleitfinger ein 1mm Kupferblech verwendet werden, das erspart mächtig Ärger!!!!!

Jeder überhöhte Puls war sofort vergessen als nach dem Zusammenbau des Gehäuses, dem einlegen des Akkus und der Einstellung der Uhrzeit (Hurra, zumindest das Display funktioniert noch) die Kamera tatsächlich noch fehlerfrei arbeitete.

Sollte die Peltierkühlung nicht dem gewünschten Erfolg bringen, kann ich sie immerhin noch weiter verwenden.und das Kupferblech sollte dann zumindest dem normale Aufheizen des CMOS-Sensor ein wenig entgegen wirken.

Jetzt war nur noch eine Kleinigkeit zu erledigen, der Kühlfinger musste die Kamera ja irgendwo verlassen.

Da in der Flucht des CMOS-Sensor sich genau die Platine für Stecker des AV-Ausgangs und der Fernauslösung befindet, hat sich diese Stelle mehr als angeboten. Ein Dank an Canon, das sie diesmal auf die sonst verwendeten Flachkabeln verzichtet und Normale verwendeten. So konnte die Platine einfach seitlich ans Gehäuse geschraubt und wieder angesteckt werden.

Vernunftbegründet habe ich auf das Konzept der Wasserkühlung verzichtet und habe mich entschlossen, das Ganze doch mit einer Luftkühlung umzusetzen, dafür mit 2 übereinander gestapelten Peltierelementen. Dazu wurde zuerst ein schwächeres Peltierelement auf den Kühlfinger und darüber dann das Leistungsstärkere darüber angebracht

Da man später kaum noch an den USB-Anschluss der Kamera gelangt, wurde einfach vorher ein kurzes Adapterkabel angeschlossen. Außerdem hat das 3 polige Kabel für den Temperatursensor nun einen 3,5mm Klinkenstecker.

Danach muss nur noch der Messingkühler aufgesetzt und mit einer kleinen Platte an die Konstruktion festgeklemmt werden.

Diese Art der Kühlung ist deutlich einfacher, sicherer und praktischer als die verworfene Wasserkühlungskonstruktion.

Auf den letzten Bild ist schon eine schwarze Kunststoffbox zu sehen, diese enthält eine kleine Umluftmaschinerie um die Kamera mittels Silica gegen Kondensaktionsfeuchtigkeit zu schützen. Dieses Silica kennt sicher fast jeder, dabei handelt es sich um kleine Kugelchen in luftdurchlässigen Beutel, welche sehr oft in den Schachteln von neu gekauften Elektroartikel zu finden sind. Durch die immense innere Oberfläche dieser Kügelchen, können sie sehr viel an Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen, was sie zu einem hervorragenden Trockenmittel macht. Um diese nutzen zu können, habe ich mir eine kleine Box besorgt.

In einer Hälfte der Box wurde ein Loch gebohrt um sie später mittels Stativschraube an die Kamera zu befestigen, und ein größeres Loch, welches mit einem Stück Overheadfolie wieder abgedichtet würde, dient als Sichtfenster. Da da Silica mit einem Indikator versetzt ist, welches durch Farbveränderung anzeigt wenn es mit Feuchtigkeit gesättigt ist, wir dieses Fenster später sicher gute Dienste leisten.

Als nächster Schritt kommen weitere Löcher in den Boden hinzu, außerdem wurde ein schmales selbstklebendes Schaumgummiband an der Außenseite angeklebt. Dieses hilt die Box hermetisch dicht mit der Kamera zu verbinden.

An der Kameraunterseite wurden während des Umbaus auch Luftlöcher geschaffen.

Um die Luftzirkulation zu unterstützen bekommt die Box einen Lüfter, einen Schalter und ein Kontrolllämpchen verpasst.

Da sich der Lüfter bei 5 Volt nur sehr langsam dreht, sieht es auf dem geblitzen Bild so aus als würde er stillstehen, er dreht sich aber, die Kontroll-LED leuchtet ja auch.

An die Kamera befestigt, und mit 2 Zusätzen ausgestattet, sieht die Sache dann so aus.

Der weiße Karton schützt den Lüfter davor, dass das Säckchen mit Silica ihn blockieren kann und die weiße LED..., das seht ihr dann im übernächsten Bild.

Doch zuerst das Silica lose im Deckel eingelegt.

Bisschen unscharf, aber man erkennt trotzdem gut die Beschriftung mit den Indikatorfarben. Rot ist also gut, Gelb schlecht.

Ist der Deckel aufgesetzt, ist klar ersichtlich wozu die weiße LED im inneren dient.

Ohne wäre nämlich nur die weiße Farbe des Beutels zu erkennen.

Endlich fertig, also hinauf aufs Mikroskop damit.

Sieht zwar nicht so spektakulär wie mit der Wasserkühlung aus, aber dafür deutlich praktischer´.

Bevor ich mit Teil III meines kleinen Blogs ende, noch ein kleines Messprotokoll.

Nach einer Minute wurde die Kühlung eingeschaltet, es dauert zwar, aber nach 17 Minuten sind immerhin 30°Celsius Temperaturunterschied erreicht, und ein wenig mehr geht noch.

Um diesen Bericht übersichtlich zu halten, habe ich mich entschlossen ihn als Blog zu veröffentlichen, außerdem wollte ich diese Funktion einmal austesten. Für Diskussionen, Anregungen und schriftliche Kopfschütteleien zu diesem Thema habe ich einen extra Thread eröffnet. Den Diskussionsthreat zu diesem Blog findet ihr hier:
Diskussionsthreat zum Blog "Projekt Eiszapfen"

Viele Grüße,
Johannes