FrostCube 2.0 ● Der noch viel selbster gebaute Kühlschrank

Überlegungen

Vor etwa einem Jahr entstand aus Hitzegründen das Projekt FrostCube, ein selbst gebastelter Minikühlschrank, den ich damals rudimentär mit einer viel zu großen Styroporbox ausgestattet hatte. Obwohl das Design grundsätzlich funktionierte, lieferte es (besonders an heißen Tagen) nicht annähernd die Kühlleistung, die ich mir gewünscht hatte.

Diese Ineffizienz des alten Designs lässt sich auf drei Kernfaktoren zurückführen:

  • Das Styroporgehäuse war viel zu groß für das verwendete Peltier-Element
  • Die Kälteverteilung war mit dem kleinen Lüfter auf der kalten Peltier-Seite sehr ineffizient gestaltet
  • Die Kühlung der heißen Peltier-Seite war nicht ausreichend dimensioniert und besaß einen schlechten Wirkungsgrad

Es wurde also Zeit für ein vollständiges Re-Design des Kühlwürfels. Diesmal nahm ich mir vor ein wenig mehr technisches Verständnis und allgemein mehr Gehirn in das Projekt fließen zu lassen. Der erste FrostCube war ja gewissermaßen nur ein rudimentäres Testprojekt. Nun war es an der Zeit das Ganze „marktreif“ zu gestalten.

Build-Diagram-Exploded

3D-Skizze des Gehäuses. Zentral befindet sich der Innenkörper aus Styropor, darauf werden jeweils die Holzplatten geklebt. An der Rückseite (rechts unten im Bild) befindet sich im Styropor ein Loch, in welches der Aluminiumblock (lila) zur Kältedurchführung eingelassen wird. Darauf befindet sich das Peltier-Element (grün), welches die gleiche Tiefe aufweist, wie die Holzverkleidung und somit exakt eingelassen werden kann. Darauf befindet sich die Kupferplatte (lila) als „Größenadapter“ und schließlich der Kühlkörper. Nicht sichtbar im Bild ist die Aluminium-„Backplate“, welche innen an der unteren, rechtsen Seite angebracht ist und dabei direkten Kontakt mit dem Aluminiumblock hat.

Design und Zusammenbau: Gehäuse

Zunächst sollte der FrostCube dieses Mal eine vernünftige Größe besitzen, um auch die Kühlung möglichst effizient auslegen zu können. Daher wurden die Innenmaße so gewählt, dass später zwei große PET-Flaschen im FrostCube 2.0 Platz hätten. Darauf aufbauend wurde die Verkleidung „nach außen hin“ designed.

Die Idee eine vollständig geschlossene Box aus Styropor zur Wärmedämmung zu verwenden war grundsätzlich nicht schlecht. Allerdings musste das gesamte Konstrukt auch stabiler werden. Dazu sollte das Innenleben durch außen angebrachte Holzplatten verstärkt und zusammengehalten werden.

Nun also gilt es die Styropor-Holz-Hüllezusammenzubauen. Dazu wurden zunächst die zurecht geschnittenen Styroporplatten jeweils mit Spezialkleber auf die passende Holzplatte geklebt. Dieser ist nötig, da sich Styropor wegen des Lösungsmittels ungerne mit normalen Klebern verarbeiten lässt und stattdessen einfach auflöst, wie ich ja beim Basteln des ersten FrostCubes feststellen musste.

Wir erinnern uns, dass im ersten Design auf der kalten Seite des Peltier-Elements nur ein winziger Kühlkörper mit einem Lüfter saß. Dieser war vollkommen ungeeignet die Temperatur gleichmäßig im Innenraum des FrostCubes zu verteilen. Zur besseren Kälteverteilung kam daher eine große Aluminium-„Backplate“ zum Einsatz. Diese Aluminiumplatte wurde an die rückwärtige Innenseite der Konstruktion geklebt. Für besseren Anpressdruck eigenete sich übrigens ein noch annähernd voller Sack Fliesenkleber, der noch vom Bau des zweiten Terrariums übrig geblieben war. 😉

Komplettansicht des FrostCube 2.0

Komplettansicht des FrostCube 2.0

Es blieb allerdings ein Grundsatzproblem: Wie kommt die kalte Seite des Peltier-Elements durch das 30 mm dicke Styropor nach innen zur „Backplate“? Dafür habe ich mir zusätzlich einen 50 x 50 x 30 mm großen Aluminiumblock bestellt, welcher in das Loch im Styropor eingelassen wird und als „Kältedurchlass“ fungiert. Mit etwas Wärmeleitpaste versehen wurde der Aluminiumblock also in das Styroporloch gequetscht, um Kontakt mit der „Backplate“ zu machen und rudimentär seitlich festgeklebt. Auf der anderen Seite wurde mit etwas Wärmeleitpaste das Peltier-Element auf dem Aluminiumblock angebracht, das sich, wie bereits erwähnt, von seiner Höhe exakt in die äußere Holzverkleidung einpasst.

Als Kühllösung außen kam diesmal, statt dem zuvor verwendeten PS3-Kühlelement, ein handelsüblicher CPU-Kühler zum Einsatz. Genauer gesagt ist es ein Zalman CNPS 9700 NT, wenn ich mich nicht täusche. Dieser weist allerdings unten nur eine geschliffene Auflagefläche von circa 35 x 35 mm auf – ein typischer CPU-Heatspreader eben. Den Kühler also direkt auf das Peltier zu kleben würde einem Mord gleichen, da er das Element dabei an den Seitenrändern garnicht kühlen würde und es zu einer stark ungleichen Hitzeentwicklung der Keramik-Platte am Peltier käme. Deshalb musste eine Zwischenstufe her! Diese besteht aus einer außen zwischen Peltier und Kühler angebrachten Kupferplatte, welche der gleichmäßigen Wärmeverteilung und als Befestigungsmöglichkeit des Kühlers dient.

Abschließend wurden die einzelnen Holzplatten der Verkleidung zur „Entlastung“ des Klebers zusätzlich mit einigen Winkeln untereinander verschraubt. Außerdem wurde das Deckelelement mit zwei Scharnieren an der Rückseite befestigt.

Design und Zusammenbau: Anzeigeboard

IMG_20160118_190332

Vorderseite des Anzeigeboards.

Das Anzeigeboard ist von den drei verwendeten SLCBs (self-löted circuit board) das einfachste und wird daher hier als erstes erläutert. Es soll die aktuelle Innentemperatur bzw. während dem Einstellvorgang die gewünschte Temperatur auf zwei 7-Segment-LEDs anzeigen. Dazu hätte natürlich ein fertiges Modul verwendet werden können, wie es bei TerraControl der Fall war. Das wäre aber ja langweilig und man würde nichts lernen. Daher beschloss ich zwei individuelle 7-Segment-Anzeigen zu verwenden, die eigentlich ja wegen dem Dezimalpunkt 8 Segmente besitzen, na egal! Da ich den Punkt ignoriert habe, würde ich also zur parallelen Ansteuerung beider Anzeigen insgesamt 14 Digitalpins am Mikrocontroller benötigen. Selbstverständlich hat der Arduino Nano dafür zu wenig Ausgänge. Deshalb muss wieder eine Zwischenlösung her. Die Idee dabei ist eine serielle Ansteuerung. Zufälligerweise hatte ich noch mehrere alte CD4099BE-ICs herumfliegen. Diese bzw. ähnliche ICs werden auf Chinazon passenderweise mit „8-Bit Serial in Parallel heraus Schieberegister“ bezeichnet und tun genau das: Schieben. Mit jeweils 8 parallelen Ausgängen lassen sie sich seriell ansteuern und halten die jeweilig gesetzten Bits bis man sie wieder „umprogrammiert“. Das heißt also für jede 7-Segment-Anzeige (bzw. 8) wird genau ein IC benötigt, passt ja!

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Rückseite des Anzeigeboards.

Das Anzeigeboard ist also von der Elektronik her recht einfach aufgebaut. Wir haben eine Pinleiste, welche später zum Digitalboard verbunden wird. Diese beinhaltet die Spannungsversorgung (5V), drei Adressbits (für acht Ausgänge), zwei „Chip-Select“-Leitungen (analog zu SPI) und ein Datenbit. Adress- und Datenbits werden jeweils zu beiden ICs geführt, die „Chip-Select“-Leitungen selbstverständlich zu jeweils einem. Die genutzten „8-Bit Serial in Parallel heraus Schieberegister“ können nun digital angesteuert werden und liefern an ihren acht Ausgängen jeweils entweder 0V oder 5V. Für eine 7-Segment-LED-Anzeige ist dies natürlich pro LED ein wenig zu viel. Dazu müssen wir, wie man es von normalen LEDs eben auch kennt, noch einige Vorwiderstände einbauen.

Dabei könnte man nun auf folgenden Gedankengang kommen: Ergibt es nicht Sinn nur einen Vorwiderstand für die gesamte LED-Reihe zu nutzen? Sozusagen alle IC-Ausgänge an die Anode zu quetschen und an der gemeinsamen Kathode der Anzeige einen einzigen Vorwiderstand zu nutzen? Die Antwort ist: Ich habe es probiert und es ist quatsch! Dadurch ändert sich die Helligkeit der LEDs, je nach dem wieviele gerade aktiv sind, da die LEDs ja parallel zueinander, aber in Serie mit dem Vorwiderstand geschaltet sind. Die Helligkeit zwischen einer „1“ und einer „8“ würde also enorm variieren. Daher müssen immer individuelle Vorwiderstände verwendet werden! Weitere Erklärungen dazu gibt es hier oder hier.

Die notwendige BCD-Konvertierung findet übrigens später per Software statt bzw. in meiner eigenen Arduino-Library „TwoDigitsDisplay“ zur Ansteuerung der verwendeten CD4099BE-ICs. Für diese findet findet ihr hier Header und CPP).

Design und Zusammenbau: Digitalboard

SLCB-Design des das Digitalboards zur Steuerung von Anzeigeboard, Analogboard, Lüfter, Temperaturkontrolle, etc.

SLCB-Design des das Digitalboards zur Steuerung von Anzeigeboard, Analogboard, Lüfter, Temperaturkontrolle, etc.

Dummy

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Design und Zusammenbau: Analogboard

Simulation des Analogboards in LTspice

Simulation des Analogboards in LTspice

Das diesmal verwendete Peltier-Element ist ein 50 x 50 x 4 mm großes TEC1-12715 mit maximal 160 Watt Kühlleistung, statt dem zuvor genutzten 40 x 40 x 4 mm großen TEC1-12706 mit maximal 60 Watt.

Dummy

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SLCB-Design des Analogboards zur Ansteuerung des Peltier-Elements

SLCB-Design des Analogboards zur Ansteuerung des Peltier-Elements.

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Beschreibung der Komponenten auf dem Analogboard.

Beschreibung der Komponenten auf dem Analogboard.

Komponenten

Hier eine Auflistung der wichtigsten Elektronikkomponenten:

  • Stromversorgung: PS3-Netzteil (mindestens 15A bei 12V)
  • Peltier: TEC1-12715
  • Mikrocontroller: Arduino Nano (ATmega 328P)
  • Anzeige: 2x 7-Segment LEDs
  • Ansteuerung der Anzeige: 2x CD4099BE (Seriell-Parallel-Register)
  • MOSFET: IRF2807Z (hohe Strombelastbarkeit, niediger Ron)
  • MOSFET-Treiber: BC560C und BCY59-VIII (je ein PNP und NPN-Transistor)
  • Diode: MBR20100CT (Teil des LC-Filters)
  • Drossel: Circa 270 µH (Teil des LC-Filters)
  • Drehgeber: Dinger aus China
  • Digitaler Temperaturfühler: DS18B20
  • Sowie diverse Widerstände, Kondensatoren, Kabel, Schraubklemmen, Pinleisten, Schrumpfschlauch, Heißkleber

Für Kühlung & Gehäuse wurde folgender Kram verwendet:

  • Kühler: Zalman CNPS 9700 NT (afaik)
  • Backplate: Aluminiumplatte
  • Kältedurchführung: Aluminiumblock, 50 x 50 x 30 mm
  • Größenadapter: Kupferplatte, 150 x 150 x 5 mm
  • Dämmmaterial: Styroporplatten, Stärke: 30 mm
  • Gehäuse: Holzplatten, Stärke: 4 mm
  • Diverse Scharniere und Winkel

Software

Die verwendete Software kann hier als Arduino-Sketch ohne Garantie auf explodierende Elkos heruntergeladen werden. Außerdem befindet sich hier die von mir gebastelte Library „SimplePwmFrequency“. Links für die weiterhin eigens für dieses Projekt gebastelte Library „TwoDigitsDisplay“ finden sich weiter oben im Text.

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10 Responses to FrostCube 2.0 ● Der noch viel selbster gebaute Kühlschrank

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    Jetzt mal die wichtigste Frage. Läuft das Teil und wie ist die Kühlleistung. Spiele mit dem Gedanken auch eine Küglung mit einem Peltierelement zu realisieren. Habe dabei einen noch zumindest theoretischen Ansatz der deiner Idee gleicht.

    • Jilocasin says:

      Jetzt mal die wichtigste Antwort: Selbstverständlich läuft es und die Kühlleistung ist brauchbar. Leer kommt er recht schnell auf die Zieltemperatur von ca 5°C. Gefüllt dauert das natürlich länger, da die Luft schlecht leitet und man, analog zu einem echten Kühlschrank, durchaus ein paar Stunden warten muss, bis zwei 2l-Flaschen die Temperatur angenommen haben. Dazu sollte man auch noch sagen, dass die theoretischen 130W nur zur anfänglichen Kühlung geschluckt werden. Hat die „Ware“ einmal Temperatur, reichen ca 20W (permanent) aus.

      Wenn ich dir noch irgendwie helfen kann, sag Bescheid. 🙂

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