Progetto Canon raffreddata

eribird

Per chi volesse tentare la via del raffreddamento ad aria fredda forzata attraverso il jack video, o attraverso un foro in mezzo TRA i due jack, o comunque "entrando" nella fotocamera, vorrei condividere alcune possibili soluzioni che mi sono venute in mente.
Innanzitutto, la prima domanda da porsi, il raffreddamento ad aria, può essere sufficiente a raffreddare adeguatamente il sensore CMOS ?
Verrebbe spontaneo rispondere che... dipende...
Dipende dalla superficie del sensore esposta al getto d'aria fredda, dipende dalla temperatura dell'aria fredda, dipende dalla velocità con cui questa lambisce il retro del sensore, dipende da quanto calore genera il sensore.
In pratica è la stessa situazione di una aletta di un radiatore esposta a un flusso d'aria che lo raffredda.
Il flusso di calore scambiato da una superficie ventilata è approssimativamente proporzionale alla superficie di contatto moltiplicata per la radice quadrata della velocità dell'aria.
La velocità dell'aria incide sul bilancio perché se l'aria ristagnasse ovviamente raggiungerebbe in breve tempo la stessa temperatura della superficie da raffreddare e non ci sarebbe più scambio di calore.
Da quanto visto nelle foto delle Canon smontate, e da quanto provato da me personalmente infilando una striscia di lamierino attraverso il vano tra i due jack, tra il retro del sensore e la scatola schermata che c'è sul circuito stampato alle spalle del sensore (verso il display, per intenderci), rimane circa 1 mm.
La superficie del sensore approssimativamente è 10 cmq. Una simile superficie esposta a una velocità dell'aria di 1 m/s può dissipare (ovvero, cedere all'aria) circa 1 W per ogni 10° di delta termico.
Quindi ci dovremmo essere...
Quello che intendo fare è dirigere un getto d'aria mooolto fredda ( almeno -15°) con una cannula proprio in quello spazio di 1 mm. La prima cosa che ho dovuto escludere è l'utilizzo di una normale ventola.
L'inevitabile strozzatura costituita dalla cannula di pochi millimetri crea una "perdita di carico" notevole sul circuito dell'aria, le normali ventole non sono adatte a creare pressioni sufficienti.
Avevo pensato di usare un "blower" o soffiante, o ventola radiale, ma i modelli in commercio non hanno comunque valori sufficienti di pressione (o se si preferisce "prevalenza") utili a garantire il dovuto pompaggio.
Alla fine la scelta è caduta sugli economici aeratori per acquario. Sono in genere nient'altro che delle piccole pompe a membrana, i modelli più grandi riescono a pompare fino a 10 litri al minuto con pressioni dell'ordine dei 100 mbar (ovvero 1 metro d'acqua, ovvero 0,1 atm).
Ipotizzando un flusso di 3 litri al minuto, la velocità dell'aria nel "corridoio" dietro il sensore sarebbe mediamente di circa 1 m/s (50000 microlitri / s diviso 50 millimetri quadri di sezione fa 1000 millimetri al secondo), sicuramente molto di più all'uscita della cannula, ma poi va a decrescere man mano che il "soffio" si allarga.
A questo punto restava un problema non di poco conto: come raffreddare efficacemente l'aria ??? Un normale radiatore opportunamente inscatolato può funzionare ?
Qualcosa mi diceva di no, perché i normali radiatori "vogliono" flussi d'aria più consistenti di pochi litri al minuto, altrimenti l'aria "ristagna". Avevo anche pensato di fare una specie di labirinto o serpentina lungo qualche decimetro in cui far circolare l'aria, però nel timore che si ostruisse di brina ho accantonato l'idea e mi è venuta un'altra idea.
L'idea è di sfruttare l'enorme superficie di migliaia di minute bolle d'aria in risalita attraverso una colonnina riempita con un liquido polare ( nel senso che si mesce con l'acqua) a basso punto di congelamento per a) sottrarre calore b) sottrarre l'umidità dall'aria per condensazione c) trasportare il calore per convezione all'elemento raffreddante, passivo o attivo che sia.
Girellando nei siti di acquariofilia per cercare le pompe ho anche trovato le pietre porose e le porose di legno, che servono proprio a fare le bolle e costano un'inezia, anche meno di 1 €.
Naturalmente mandare direttamente l'aria esterna (umida) alla colonnina non è una buona idea. L'aria a 25° può contenere fino a oltre il 3% in volume di vapore acqueo. Su 200 litri l'ora sarebbero 6 litri, ovvero 3,6 g di acqua.
Non sarebbe tanto l'acqua condensata a dare problemi al "congelatore", che si potrebbe sempre scaricare con un rubinetto, quanto piuttosto il calore di condensazione, che per il vapore d'acqua è enorme.
Se si condensassero 4 grammi d'acqua l'ora ci sarebbero da smaltire 2200 calorie, ovvero circa 2,5 W, che per quanto pochi, nel bilancio del sistema inciderebbero per il 50% almeno.
Quindi l'aria va seccata quanto più possibile PRIMA di mandarla alla colonna di raffreddamento facendole attraversare una opportuna scatola piena di silica gel asciutto e che abbia una superficie sufficiente per smaltire bene il calore (il calore di adsorbimento del vapore nei materiali essiccanti è persino superiore a quello di condensazione).
L'alternativa è "ricircolare" l'aria che viene mandata alla fotocamera chiudendola dentro una scatola, però in questo caso occorre procurarsi una pompa che abbia un ingresso e una uscita, o modificare opportunamento un aeratore.
Per quanto riguarda il bilancio energetico, ipotizzando sempre un flusso d'aria di 3 litri al minuto, e una temperatura dell'aria di -45° rispetto a quella che entra nel "congelatore", dobbiamo sottrarre circa 1,25 g/l *0,05 l/s * 1 J/g/°C * 45 °C = 2,8 W.
I normali elementi Peltier riescono tranquillamente a spostare 3 W di calore con un delta T di 45°, però a questi 45° vanno aggiunti quelli da smaltire sul lato caldo. Ma lì si può benissimo mettere o un waterblock o un bel radiatore sovradimensionato di quelli buoni per CPU.
Naturalmente il lato freddo del Peltier deve avere un piccolo radiatore, possibilmente di quelli con tanti "chiodi" che escono fuori, parzalmente immerso nel liquido a testa in giù e ovviamente in cima alla colonnina (è come una pentola rovesciata, dato che il liquido freddo scende verso il basso). Va lasciato uno spazio libero per far uscire l'aria attraverso un tubo.
E la colonnina, ovviamente, deve essere a tenuta stagna, entrano solo i tubi dell'aria per la porosa alla base e per l'uscita verso la fotocamera in cima.

Allego uno schemino per dare anche un'idea anche visiva.

Allegato:

aircooling01.JPG [ 43.78 KiB | Osservato 2867 volte ]

N.B. Per liquido polare, non pensate a pipì di orso bianco, in effetti un ottimo candidato sarebbe l'alcool, l'acetone un po' meno perché ha bassa viscosità e le bolle transiterebbero come schegge (ma non è detto che sia necessariamente un problema), ma forse il miglior candidato sarebbe una soluzione piuttosto concentrata di glicole (antigelo), soprattutto perché non puzza...

P.S. Le soluzioni concentrate di glicole etilenico hanno viscosità piuttosto alte a -20°. Il rischio è che la pompa non ce la faccia a pompare attraverso la porosa (avete provato a tirare con un ago dell'olio d'oliva o a soffiarci aria dentro ?). Rimangono ottimi candidati l'alcol etilico e l'acetone, che a bassa temperatura non diventano tappi mostruosi, anche con il notevole aumento di viscosità che c'è a -20°. Per evitare la puzza e l'umidità con tutti i problemi che ne derivano conviene senz'altro chiudere il circuito dell'aria, se poi scappa un po' di "vapore alcolico" o acetonico, non muore nessuno, in genere si osserva all'aperto e non in cantina.

SergioTD

bene, sei in piena fase di brainstorming, non vediamo l'ora di vedere qualche prototipo in funzione.
Quanto al polistirene, io ho comprato dietro casa, in un negozio di forniture edili, quello espanso estruso da 2cm, grande circa 150cm X 60 cm, cioè circa 1 mq e l'ho pagato mi pare 4 euro, ci ho già fatto due scatole, la seconda a incastro senza alluminio interno, e me ne avanza ancora più della metà. Quanto al raccordo il mio l'ho fatto da me, incollando un tubo in PVC da 2" ad un tappo per corpomacchina EOS in plastica. Il tutto tenuto insieme da colla a caldo e qualche giro di american tape. All'interno naturalmente ho attaccato del vellutino nero per ridurre le reflessioni, così ho la massima apertura disponibile epr avere la minor vignettatura, così non ho scambi di calore tra focheggiatore, naso da 2" e camera raffreddata.

eribird

SergioTD ha scritto:

bene, sei in piena fase di brainstorming, non vediamo l'ora di vedere qualche prototipo in funzione.
Quanto al polistirene.....
.... me ne avanza ancora più della metà.

Bene, perché non raddoppiare il "cappotto", allora ?

Un altro suggerimento per ridurre il calore è spegnere la fotocamera tra una posa e l'altra. O, in altre parole, lasciare l'interruttore in posizione "on" e togliere l'alimentazione esterna (non si vorranno mica usare le batterie a -10° ?). In tal modo i circuiti avrebbero il tempo di raffreddarsi mentre la Peltier continua a lavorare.

spazzavento78

La mia soluzione personalmente è anche troppo ingombrante,ho provato con il polistirene da 4cm,ma era una cosa inguardabile,poi andare 20° sotto la temperatura ambiente mi sembra più che sufficente,non vorrei surgelare la camera!!! Per il raccordo usarlo in plastica è una follia,a parte il rischio di rotture e conseguenti cadute disastrose,come la mettiamo con distorsioni flessioni e varie? Quanto caldo sposterà mai quel pezzo di alluminio!!!! Io le prove le ho fatte con tutto attaccato al telescopio e non mi sembra che ci fosse tanta differenza con le prove fatte in casa,anzi,stando a temperature esterne più basse il raffreddamento era anche troppo spinto. A proprosito di questo vorrei chiedere se qualcuno ha mai pensato o sa dove trovare un semplice ma efficace sistema di termostatazione gia pronto,senza andare in realizzazioni complicate (non ne ho le capacità)!!

SergioTD

Per la resistenza e flessioni varie non son preoccupato, ho già fatto degli scatti con mio raccordo che teneva la EOS 40D + la batteria, che fanno 822 grammi e non ci son stati problemi, come si può vedere dalla foto allegata, è un'unica posa autoguidata da 600 secondi di M42 con la 40D e il SW 80ED PRO. La scatola che ho fatto, compresa di peltier e radiatori con ventole pesa 800 grammi, quindi usando la 350D che pesa 490 grammi arriviamo a 1290 grammi, e siamo solamente 470 grammi in più rispetto al carico già testato, io credo che non ci siano problemi.
Devo precisare che il materiale del tubo da 2" non è PoliVinilCloruro (PVC) ma PoliPropilene (PP), avevo detto un'inesattezza. Per la tenuta come sicurezza basta vare un paio di giri di american tape tra camera e tubo, oppure fissare la scatola con un cavettino d'acciaio da 1mm di sezione al corpo del tele, a mo' di gancio di sicurezza per gli acrobati per intenderci, se proprio non si vuol correre alcun rischio e sentirsi più sicuri.
Per me 2Cm di spessore posson bastare, anzi al posteriore, sul lato dove è attaccata la peltier col radiatore ho tagliato a metà i pannelli riducendo lo spessore a 1 cm, altrimenti ostruivano troppo il radiatore sui fianchi. Per le prove sul campo aspetto la prossima luna nuova ogiù di li, sperando il tempo sia clemente.
Comunque domani arriva il frigo da smembrare così installo la perltier sulla scatola di solo polistirene che ho fatto, e mi è pure venuta abbastanza robusta, fatta tutta a incastri, così vedo la differenza.

eribird

spazzavento78 ha scritto:

Quanto caldo sposterà mai quel pezzo di alluminio!!!! Io le prove le ho fatte con tutto attaccato al telescopio e non mi sembra che ci fosse tanta differenza con le prove fatte in casa,anzi,stando a temperature esterne più basse il raffreddamento era anche troppo spinto.

Stai confrontando due situazioni non confrontabili, perché dentro casa la temperatura era più alta che fuori. Riprova quando fuori ci saranno 20-25°... Non so se i raccordi siano tutti di alluminio o anche di acciaio o di ottone cromato. Considera, comunque, che l'alluminio è uno dei migliori conduttori di calore, tant'è che ci si fanno le alette di raffreddamento. Facendo i calcoli alla buona, se hai un cilindro di alluminio di diametro 40 mm, spesso 2 mm e alto 60 mm, e agli estremi applichi un delta T di 20°, quel pezzo di alluminio ti sposterebbe 20 watt di calore (0,04 m * 3,14 * 0,002 m * 237 W/(m*K) / 0,06 m * 20 K). Se il corpo macchina fosse tutto di metallo sarebbe un serio problema e quel ponte termico vanificherebbe in buona parte la coibentazione. Se questo non avviene in modo così drastico è perché il corpo macchina stesso fa da isolante e perché la ventola di circolazione dell'aria non sta lì vicino e perché fotografando il cielo normalmente la fotocamera sta con l'apertura verso l'alto, e quindi il calore non raggiunge immediatamente il sensore per convezione. Ciò non toglie che comunque del calore entra, e se si può evitare è meglio. Usare la "forza bruta" e far funzionare la Peltier con 60 watt di assorbimento quando con dei piccoli accorgimenti se ne potrebbero consumare meno della metà non è una logica condivisibile, a mio parere. Anche perché in condizioni climatiche più gravose di quelle invernali (che poi sono quelle per cui è più utile il raffreddamento della fotocamera), la logica della forza bruta potrebbe essere fallimentare.

Per quanto riguarda il termostato, realizzare o reperire un on-off non credo sia difficile. Se invece vuoi un termostato più adatto alla Peltier, cioè che faccia variare con continuità la tensione dell'elemento per ottimizzarne il funzionamento, la cosa è molto più complicata.
Ci sarebbe una soluzione semplice, però.
La corrente assorbita dalla Peltier a tensione costante (ad esempio se usi i 12 V di un alimentatore stabilizzato per PC) varia in funzione del delta T tra le due facce del termoelemento. Infatti appena si accende la differenza di temperatura è nulla e la corrente è massima, per poi scendere man mano che la differenza di temperatura aumenta (le Peltier, in quanto termocoppie, generano corrente, se le due facce sono a temperatura diversa). Se sul lato caldo si raffredda con un waterblock ben dimensionato la temperatura si dovrebbe mantenere quasi costante. A quel punto si potrebbe alimentare la Peltier a corrente costante con un opportuno alimentatore, e regolare la corrente per ottenere il delta T desiderato.
Non credo sia molto difficile modificare un alimentatore switching regolabile per ottenere un alimentatore a corrente e tensione costante.

eribird

Se ti può interessare qualcuno l'ha già fatto:

http://www.chirio.com/switching_power_supply_atx.htm

Sennò ci sono gli alimentatori regolabili da laboratorio, però ci vogliono oltre cento eurozzi per un modello nuovo. Su ebay se ne trovano a un po' meno, ma siamo sempre oltre i 50 €.

Carlo.Martinelli

Bene sono arrivate le due Peltier, una purtroppo ha funzionato solo pochi minuti, ho rifatto l'ordine chiedendone anche la sostituzione, mentre l'altra funziona alla meraviglia, con la scatola ricavata dai contenitori del gelato.

Schema classico sandwicth formato da due dissipatori con ventola con in mezzo la peltier ...ho usato solo polistirolo per la scatola ed effettuato un fissaggio alla buona al tele che devo migliorare.

In linea di massima mi sembra che funzioni, ieri pomeriggio ho fatto dei tests, senza la macchina fotografica da 27.8 ° ho raggiunto i 7-8° in pochi minuti e poi 3.5° in circa 15-20 minuti abbastanza stabili.

Con la macchina fotografica (450d) temperarura esterna intorno ai 26° ho raggiunto i 7-5° in circa 20 minuti, poi ho provato a spegnere per circa 10 minuti e riaccendere, nel momento in cui ho scattato le foto, in soli 3 minuti la temperarura interna era di nuovo scesa a circa 12-11 gradi (aria).
Direi che come prima prova sia soddisfacente, una volta reso più solido e stabile il tutto un delta T di circa 15-20° è più che sufficiente ai miei scopi.

Che ne pensate? Idee suggerimenti ?

Carlo.Martinelli

Anche ieri sera tempo orrendo, ne ho quindi approffittato per ulteriori prove, direi che la differenza di temperarura che riesco a ottenere al massimo è di 20 gradi, con punte di 22 al massimo.
Non sarà una cosa stratosferica, ma è come riprendere durante una serata invernale.
Ad 800 ISO si lavora benissimo con la 450D, mentre a 1200 è ancora decente per pose brevi.
Il costo totale è di 16 euro x 2 peltier (usata 1), incluse le spese di spedizione, la scatola del gelato circa 50 centesimi o se preferite prendetela con il gelato

dentro almeno avete qualcosa da fare durante le prove.
Per le ventole ho usato dei recuperi da dissipatori di CPU che avevo al lavoro ma penso che con una decina di euro ne recuperate senza problemi .... le buttano.
Per l'alimentatore ne avevo i casa, ma volendo il solito alimentattore da pc di recupero con 10 euro si trova, la modifica è solo di mettere una resistenza opportuna sui 5 volt.
Direi che con 20-30 euro si fa tutto, non sarà ottimizzato, ma comunque qualche risultato si ottiene.
Le prove sono incoraggianti ed alla LIDL vendono il frighetto con cella di peltier ed alimentatore a 39 euro la cella è da 56 w se usata a 220, ridotta a 45 se usata a 12 volt, potrebbe essere una alternativa a basso costo e bella pronta. Suggerimenti?

Carlo.Martinelli

Il forum non risponde, ma io continuo con la sperimentazione, attualmente dopo il primo prototipo di cold box usando una scatola da gelato (spessore 1cm), sono passato ad una nuova versione questa volta ricavata da una scatola in polistorolo dello spessore di 3 cm usata per il trasporto di reagenti chimici di laboratorio, le dimensioni sono perfette per la eos 450d e similari, con lo spazio per i cavi usb e scatto flessibile (jack), rimane lo spazio giusto giusto per la circolazione dell'aria ed il coperchio è a tenuta ermetica.
Ne ho trovate tre di queste scatole le potete trovare anche nelle farmacie dove trasportano medicinali.
Questa fra le altre cose ha un ottima fattura, robusta e resistente, si lavora senza prooblemi e l'aggancio del sistema di raffreddamente a peltier è stato di estrema facilità.
I tests primari di raffreddamento dell'aria interna hanno dato ottimi risultati migliori, rispetto alla versione con scatola da un solo cm di spessore.
Il delta T è stato di quasi 30 gradi centigradi raggiunti in circa 30 minuti. Presumo che con la camera ci voglia di più come nei tests precedenti e probabilmente un delta t inferiore sui 25 gradi. In ogni caso direi che per l'uso che ne dovrei fare è più che sufficiente, semplice da realizzare ed economico. Da valutare un sistema di controllo temperatura. Avevo pensato al solito PIC ma forse troppo complicato per molti. Vedremo in futuro anche se l'idea di un controller con display a 16 cifre che visualizzi la temperatura attuale e permette tramite un paio di pulsanti di impostarla sarebbe di facile realizzazione.

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