FrostCube – Der selbst gebaute Kühlschrank

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Fertiger Prototyp des FrostCubes. Der Deckel ist noch nicht befestigt und alles ist noch ein wenig wackelig, funktioniert aber schon sehr gut.

Über 35°C Temperatur in der Wohnung sind nicht annähernd so lustig, wie sie sich anhören. Ein Klimagerät schluckt aber nicht nur Unmengen an Energie, sondern braucht leider auch immer eine Möglichkeit „nach draußen“ für die warme Abluft, vom Preis ganz abgesehen.

Die Zwischenlösung ist ganz einfach: Zumindest gekühlte Getränke! Natürlich haben wir einen Kühlschrank, der steht allerdings ein Stockwerk tiefer in der „Hauptwohnung“. Tagsüber sind wir aber größtenteils im Dachboden-Zockerzimmer. 😛 Und da man als Gamer keine Lust hat ständig herumzurennen, um ein kaltes Bier zu genießen, entstand Projekt FrostCube.

Es gibt ja schon seit langem kleine, tragbare Kühlgeräte zu kaufen. Für unterwegs, zum Campen, was weiß ich. So ein Teil kostet allerdings auch mal locker um die 100€ und das muss ja nicht sein, oder? Nicht, wenn man es sich selbst bauen kann!

Das Grundkonzept basiert – wie auch die tragbaren Kleingeräte – auf dem Seebeck-Effekt bzw. Peltier-Effekt. Einfach gesagt entsteht eine elektrische Spannung, wenn zwei verschiedene leitfähige Materialien einem Temperaturunterschied ausgesetzt sind. Dieses Prinzip lässt sich natürlich auch wunderbar umkehren. Legen wir eine externe Spannung an diesen Materialübergang an, so wird Energie elektrisch von einer Seite auf die andere „gepumpt“.

Im Vergleich zu einem Kompressor im Kühlschrank ist dieser Effekt leider weniger energieeffizient, aber es reicht aus, um verschiedene Anwendungsbereiche abzudecken. Da man durch einfaches Umpolen die „Richtung“ des Effekts umgekehren kann, lassen sich damit nicht nur Kühl-, sondern natürlich auch Heizgeräte bauen – je nachdem welche Wirkung erwünscht ist.

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Grob zusammengeschustertes Schaltbild vom Zwischenmodul, das sowohl der Spannungsversorgung dienst, als auch zur Anpassung des PWM-Signals für Lüfter 1 und der Tiefpass-Filterung des PWM-Signals für Lüfter 2 über einen simplen Transistor.

Aber zurück zum Projekt: FrostCube besteht ganz simpel aus einem (möglichst wärmegedämmten) Würfel aus Baumarkt-Styropor, einem Peltier-Element von Amazon, dem Kühlelement einer PS3 und einer elektronischen Steuerung per Arduino. Letztere scheint fast ein wenig overdressed für dieses Projekt; der Arduino war aber leider notwendig, um den PWM-basierten PS3-Lüfter korrekt anzusteuern. Und wenn man schon einen Arduino verbaut, so bietet es sich natürlich an zukünftig eine intelligente Steuerungssoftware dafür zu schreiben, etwa automatische Kontrolle oder Loggen der aktuellen Temperatur.

Die einzelnen 50x50cm Styroporteile wurden mit Kontaktkleber aneinandergefügt. Durch das Lösungsmittel ist das Styropor leider ein wenig „geschmolzen“ und viele Stellen mussten mit Heißkleber nachgebessert werden. Letztlich wurde die Box aber nun ziemlich dicht. Die einzige „undichte“ Stelle ist die Deckelplatte, die momentan in der Testphase nur aufgelegt ist und an vielen Stellen nicht ganz auf dem Unterteil aufliegt.

In die Deckelplatte wurde ein 50x50mm Loch geschnitten und ein kleiner Kühlkörper nach innen hin eingelassen, der mit einem kleinen Lüfter dafür sorgt, dass die Kälte sich in der Box verteilt. Auf der „heißen Seite“ des Peltier-Elements wurde mit Wärmeleitpaste der PS3-Kühlblock angebracht, der im Vergleich zu den billigen Kühlern, die ich vorher probiert habe, die Wärme erstaunlich schnell abtransportieren kann.

Schematic

Verfeinerung des Schaltsbilds, angepasst an meine Lochraster-Platinen. Oben rechts befindet sich ein fertiges Step-Down-Modul zur Spannungsversorgung des Arduino und des kleinen Lüfters. Links oben sitzt der Drehregler und unten rechts sind fette Buchsen für alle stromhungrigen Kabel. Die dünnen 0,01″ Traces wären natürlich viel zu dünn für die vorhandenen Stromstärken, aber da ich den Plan hier sowieso nicht ätze, sondern nur grob von Hand löte, kann mir das egal sein.

Zur Steuerung und zum einfachen Verkabeln hab ich eine kleine Zusatzplatine designed, sozusagen als „Converter“ zwischen Lüftern, Peltier-Element, Netzteil und Arduino. Mein Ziel war es, das gesamte System mit nur einem Netzteil zu verworgen, was sich als einigermaßen tricky herausstellte. Der kleine Lüfter will 5V, der Arduino idealerweise etwa 7V und der große Lüfter 12V. Das Peltier-Element geht eigentlich bis 15V hoch, wird nun aber aus praktischen Gründen auch mit den gleichen 12V betrieben.

Bei diesem Projekt habe ich auch zum ersten Mal einen Drehgeber/Rotary Encoder verwendet. Da dieser zusätzlich noch eine Drucktaste hat, lässt sich damit eine Steuerung sehr bequem umsetzen. Per Tastendruck könnte man zwischen verschiedenen Menüs oder Modi umschalten und dann mit dem Drehgeber den Wert ändern. Bei der Steuerung des FrostCubes schaltet man derzeit jedoch nur zwischen der Konfiguration beider Lüfter hin und her und kann deren Geschwindigkeit dann einzeln höher oder niedriger stellen.

Die ersten Tests zeigen bei einer Raumtemperatur von 27°C im FrostCube konstante 18°C, also etwa 9°C niedriger als die Umgebung. Das verwendete Peltier-Element ist derzeit noch das (50x50mm) TEC1-12706. Zukünftig werde ich das TEC1-12715 einbauen, das etwa die dreifache Leistung beim Kühlen hat. Natürlich zieht es damit auch den dreifachen Strom, der wiederum über den Kühler weggeschafft werden will. Ich rechne aber trotzdem mit einer Verbesserung der Kühlleistung um mindestens das Doppelte.

Das verwendete PS3-Netzteil liefert laut Aufdruck bei 12V satte 32A, also mehr als genug für Peltier-Element und den großen Lüfter, der tatsächlich auch bei 12V (und zu 100% per PWM aufgedreht) seine nicht unerheblichen 2A zieht! Das sind immerhin 24W, die der Lüfter wortwörtlich „verbläst“! 😀

Verwendete Komponenten:

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Fertiger Aufbau des Zwischenmoduls.

  • Microcontroller: Arduino Uno R3
  • Peltier-Element: TEC1-12715 (bald)
  • Step-Down-Modul: LM2596
  • Platine
  • Drehgeber
  • Diverse Widerstände & Kondensatoren aus dem Bastelsortiment
  • Stiftleiste für Verbindungskabel zum Arduino und dem kleinen Lüfter
  • Kleiner Kühlkörper und Lüfter auf der „kalten Seite“
  • Kontakte: 3x orangenes 3er-Schraubplastikdings
  • Box: 3x 100x50x3cm weißer Styropor
  • Transistor: BCY59VIII
  • PS3-Kühlermodul
  • PS3-Netzteil
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Blick von unten auf die Deckelplatte und den eingelassenen Kühlkörper (auf der kalten Seite), inklusive kleinem Lüfter zum langsamen Umwälzen der Innenluft. Gut sichtbar ist auch das Kondenswasser, das sich bildet und hoffentlich keine Probleme verursacht.

Fazit:

Ziel ist eine Höchsttemperatur von etwa 10°C innerhalb der Box. Mit dem zu Testzwecken verwendeten Peltier-Element ist die Kühlleistung derzeit noch zu gering, um einen wirklich sinnvollen Kühlschrank zu realisieren. Allerdings eignet sich der Sommer und die dadurch hohe Raumtemperatur sehr gut zum Testen unter erschwerten Bedingungen. Spätestens mit der Verwendung des TEC1-12715 sollte die Innentemperatur noch deutlich fallen. Weitere Testergebnisse werde ich dann nachtragen. 🙂

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