Advies gevraagd voor extreme waterkoeling

[MindBender]

Beste (mede-)tweakers,

Ik ben begonnen aan een extreem koeling project. Niet om een een computer te koelen, maar om te kijken tot hoe ver ik in mijn homelab kan koelen. En hopelijk om zelf vloeibare stikstof te kunnen maken. Stikstof condenseert bij 77K (-196℃), dus dat is erg koud.

Het lastigste deel wordt opgelost een een Sterling cycle cyrocooler, een geïntegreerde heliumcompressor en expander. Dit onderdeel is hergebruikt uit een filterunit voor GSM netwerken, dat gebruik maakt van high temperature superconductormaterialen, voor een zeer steile frequentiekarakteristiek. Met de crycooler nog in het filter, kon ik het filter afkoelen tot 72K, het laagste setpoint dat de controller accepteert.

De cryocooler is echter luchtgekoeld, met een ventilator die qua geluid en flow niet onderdoet voor onze Dyson. Het is dus de bedoeling de cryocooler met water te gaan koelen. En omdat er veel tweakers zijn die waterkoeling voor hun PC gebruiken, is er een hele industrie ontstaat met voor mijn project nuttige materialen, voor een betaalbare prijs.

Het deel van de cryocooler dat warmte afgeeft is een stuk RVS buis, van zo'n 4cm dik. Daar passen dus geen waterblokken op. De buis is zo'n 10cm lang, maar slechts 4cm daarvan moeten gekoeld worden. Flenzen op de buis voorkomen dat er gemakkelijk wat omheen geschoven kan worden.
Vraag 1: Zijn er standaard oplossingen om een dergelijk stuk buis te koelen?

In plaats van een radiator, heb ik een Hailea HC-300A chiller aangeschaft. Als ik de controller vervang, zou deze met nullast tot -26℃ moeten kunnen koelen. De cryocooler verplaatst zo'n 15Watt en genereert zelf zo'n 120Watt. De 390Watt die de chiller weg kan werken moet dus ruim voldoende zijn.
Vraag 2: Wat gebruik ik als koelmiddel?
Ik wilde eerst 100% glycol gebruiken, maar de thermische capaciteit van glycol is stukken minder dan die van water. Het zal dus een mengsel moeten worden, maar ik wil ook algengroei en andere vervuilingen tegengaan.

De chiller heeft helaas geen ingebouwde pomp. Ik zat te denken aan deze pomp:
http://www.aquatuning.de/...umpenaufsatz-1/2-ig?c=331
Uiteraard met een variabele VPP655 erop. Deze combinatie kan ik namelijk met een verloopstuk rechtstreeks bovenop de ingang van de chiller schroeven en dat bespaart me weer een montageprobleem.
Vraag 3: Is dit een pomp die zowel 1500l/u haalt, een flinke druk op kan bouwen en tegen temperaturen onder 0 kan?

Voor het slangenwerk wil ik 1/2" slangen gaan gebruiken, liefst met een neopreen omhulsel. Dat omhulsel heb ik helaas nog nergens gevonden. Voor snelkoppelingen had ik de Koolance QD4 koppelingen in gedachten. Die lijken echter schandalig duur in Europa. Maar restrictie van de flow is misschien nog wel erger. Heeft iemand hier ervaring mee?

En tenslotte, het reservoir: Daar heb ik eigenlijk geen plaats voor. De chiller heeft een behoorlijk grote buffer, maar die staat op de grond. Het koelblok op de cryocooler komt helemaal bovenin. Geeft dat een risico op het ophopen van luchtbellen daar? En is het überhaupt mogelijk om het systeem lucht-vrij te krijgen?

Een lang verhaal en heel veel vragen, maar ik probeer beginnersfouten te voorkomen, dus hulp en expertise van ervaren waterkoelers is zeer welkom! Alvast bedankt voor jullie inbreng!

[Verwijderd]

Ik kan je helaas niet helpen, maar kan ik ook ergens je project volgen??

[_ferry_]

Vraag 1: Als je die RVS buis wilt koelen lijkt het mij het meest handig om daar een dunnere RVS buis deels vlak te slijpen en vervolgens tegenaan te lassen en daar dan je koelvloeistof doorheen te laten lopen.

Vraag3: ja, 1500l/u onbelast, maar echt druk opbouwen doen dit soort pompjes niet, met een half bar is het wel klaar vrees ik. Hoe heb je die 1500l/u bepaald? Is dat iets wat je moet halen, gegeven de warmtecapaciteit van water en de delta T die je wilt behalen of is dat uit de lucht gegrepen?
Kijk anders naar een pomp voor CV installaties, daar zitten ook regelbare varianten tussen (Danfoss/Grundfoss) En met warmte en koude hebben die geen probleem.

[NiGeLaToR]

Je kunt met de radius van de buis ook een stuk freeswerk ontwerpen, wellicht ook van RVS (weet niet of koper op RVS bijvoorbeeld gaat oxyderen). Dit freeswerk laat je over de buis vallen, eventueel met wat koelpasta er tussen en in het freeswerk maak je een mooie zigzag patroon waar koelmiddel doorheen stroomt. Bovenop sluit je af met een passende deksel, eventueel met een pakking er tussen om het waterdicht te maken/houden.

Wellicht bewerkelijker en kostbaarder dan _ferry_'s oplossing, maar is afhankelijk van de ruimte en de koelcapaciteit die op dat ene stukje buis moet plaatsvinden. Hoe beter die uitwisseling, hoe makkelijk je het geheel gekoeld houdt.

[Damic]

Is een warmte wisselaar van een verwarmings ketel iets? Zijn meestal zo van deze blokken

En anders zelf maken

Dan kan het helemaal uit rvs worden gemaakt.

[TNW]

Idee: niet al te dikke koperleiding zo strak mogelijk om het warme gedeelte wikkelen, evt. wat koelpasta of lijm voor goed contact eronder en de wikkelingen solderen om deze vast te zetten.

Ik denk trouwens dat de hierboven beschreven frees oplossing de beste is. Het is moeilijk om op een andere manier goed contact te maken met de buis en de warmte efficient af te voeren.

Interessante tech trouwens. Ik heb het enige aan stralingsdetectieapparatuur staan, en het neusje van de zalm daarin zijn zgn. HPGe detectoren die met aso resolutie gammaspectrometrie doen. Daarvoor moet de detector wel onder de 120K komen, dus wordt deze normaal met LN2 gekoeld. Dit kan ook met cryocoolers, maar het probleem is dat bij Sterlingmotoren er herrie is wat door het germanium kan worden opgepikt. Daar zijn speciale oplossingen voor maar dat is niet voor de thuishobbyist.

[MindBender]

Verwijderd schreef op zaterdag 19 september 2015 @ 00:11:
Ik kan je helaas niet helpen, maar kan ik ook ergens je project volgen??

Oef, daar heb ik nog helemaal niet over nagedacht. Laat ik het eerst werkend krijgen.
Het project in geïnspireerd door dit project van Ben Krasnow, van Applied Science:
YouTube: Liquid Nitrogen Generator - Overview

_ferry_ schreef op zaterdag 19 september 2015 @ 09:51:
Vraag 1: Als je die RVS buis wilt koelen lijkt het mij het meest handig om daar een dunnere RVS buis deels vlak te slijpen en vervolgens tegenaan te lassen en daar dan je koelvloeistof doorheen te laten lopen.

De cryocooler is een nogal delicaat instrument. Ze zijn erg zeldzaam en het heeft me veel moeite gekost om er eentje te bemachtigen: Lang zoeken op eBay, bijna de hoofdprijs betaald en via een vriend in de VS laten her-verschepen. Ik durf er dus niet op te gaan lassen. Buiten dat ik ook helemaal niet kan lassen ;-).
Maar een veel grotere buis er omheen en daarin water laten lopen zie ik wel zitten.

Vraag3: ja, 1500l/u onbelast, maar echt druk opbouwen doen dit soort pompjes niet, met een half bar is het wel klaar vrees ik. Hoe heb je die 1500l/u bepaald? Is dat iets wat je moet halen, gegeven de warmtecapaciteit van water en de delta T die je wilt behalen of is dat uit de lucht gegrepen?
Kijk anders naar een pomp voor CV installaties, daar zitten ook regelbare varianten tussen (Danfoss/Grundfoss) En met warmte en koude hebben die geen probleem.

Hm, dat zijn enorme dingen, maar ik vind het wel een goed idee. En qua prijs maakt het ook niet zoveel meer uit. De 1500 l/u is wat de chiller nodig heeft.

NiGeLaToR schreef op zaterdag 19 september 2015 @ 10:18:
Je kunt met de radius van de buis ook een stuk freeswerk ontwerpen, wellicht ook van RVS (weet niet of koper op RVS bijvoorbeeld gaat oxyderen). Dit freeswerk laat je over de buis vallen, eventueel met wat koelpasta er tussen en in het freeswerk maak je een mooie zigzag patroon waar koelmiddel doorheen stroomt. Bovenop sluit je af met een passende deksel, eventueel met een pakking er tussen om het waterdicht te maken/houden.

Ik heb iemand gevonden die wel een koelblok kan frezen. En dan in twee delen, zodat inderdaad het om de buis geklemd kan worden. Maandag hoor ik wat dat gaat kosten.
Ik zit eraan de denken om een veel grotere buis om het geheel heen te laten vallen daar dan water door te laten lopen. Ik koel dan de bestaande koperen koelvinnen met water. Zou dat kunnen?

Damic schreef op zaterdag 19 september 2015 @ 10:47:
Is een warmte wisselaar van een verwarmings ketel iets? Zijn meestal zo van deze blokken

Ik denk het niet; Een warmtewisselaar wissel warmte uit tussen twee media in vloeibare of gas vorm. Ik moet een object koelen.

TNW schreef op zaterdag 19 september 2015 @ 10:49:
Idee: niet al te dikke koperleiding zo strak mogelijk om het warme gedeelte wikkelen, evt. wat koelpasta of lijm voor goed contact eronder en de wikkelingen solderen om deze vast te zetten.

Daar had ik zelf ook al aan gedacht, vooral omdat ik niet kan lassen, maar wel kan solderen. Het liefst heb ik dan een platte koperen buis voor een beter contactoppervlak. Maar die is moeilijk te vinden. En de koelpasta (en de crycooler zelf) krijgen wel even te maken met soldeertemperaturen. Ik weet niet of dat er wel goed voor is.

Interessante tech trouwens. Ik heb het enige aan stralingsdetectieapparatuur staan, en het neusje van de zalm daarin zijn zgn. HPGe detectoren die met aso resolutie gammaspectrometrie doen. Daarvoor moet de detector wel onder de 120K komen, dus wordt deze normaal met LN2 gekoeld. Dit kan ook met cryocoolers, maar het probleem is dat bij Sterlingmotoren er herrie is wat door het germanium kan worden opgepikt. Daar zijn speciale oplossingen voor maar dat is niet voor de thuishobbyist.

Als je de cryocooler met een sinus aanstuurt, in plaats van met een blokgolf, dan is hij elektromagnetisch gezien helemaal stil. Maar dan heb je wel een aansturing de behoorlijk warm wordt omdat hij zelf zo’n 120Watt weg stookt. Wel vreemd dat dat voor het telecom filter waar hij uit komt geen probleem was: Het is namelijk voor het ontvangstgedeelte, met supergekoelde LNA’s en ook daar kun je geen storing gebruiken.

[NiGeLaToR]

In principe zou je bestaande koelribben kunnen gebruiken in een omhulsel met vloeistof. Wel opletten op corrosie en dat de koelribben niet kunnen vervuilen, maar de effectiviteit van de ribben wordt veel hoger met koelvloeistof. Je hebt dan ook geen overbruggingsverliezen extra. In m'n gefreesde voorstel zit er een extra contactvlak tussen.

[MindBender]

Jammer dat ik green foto's kan uploaden: beetje ouderwets, zeker voor een forum van een technologie site. Het zou een hoop verduidelijken, maar ik heb geen zin om een hoster te gaan zoeken.

[PoJa84]

MindBender schreef op zaterdag 19 september 2015 @ 23:08:
Jammer dat ik green foto's kan uploaden: beetje ouderwets, zeker voor een forum van een technologie site. Het zou een hoop verduidelijken, maar ik heb geen zin om een hoster te gaan zoeken.

Zeker kan dat wel! Zie de link nét boven het vak waar je je reactie typt...

[Fordox]

En als je een hoster wilt hebben:
http://imgur.com

Voor mij het meest gebruiksvriendelijke.

[MindBender]

poljaap1984 schreef op zondag 20 september 2015 @ 09:33:
Zeker kan dat wel! Zie de link nét boven het vak waar je je reactie typt...

Nope, die heb ik niet; Dat zal wel een betaalde extra service zijn.

Fordox schreef op zondag 20 september 2015 @ 14:56:
En als je een hoster wilt hebben:
http://imgur.com

Vast. Maar ik heb geen behoeft aan een online foto-album. Niet hier, en niet elders: Privacy, enzo. Ik wil gewoon een plaatje aan een post toe kunnen voegen. Op andere fora is dat geen probleem...

Maar goed, we dwalen af...

[Kevin1Smid]

MindBender schreef op zondag 20 september 2015 @ 20:38:
[...]

Nope, die heb ik niet; Dat zal wel een betaalde extra service zijn.

[...]

Vast. Maar ik heb geen behoeft aan een online foto-album. Niet hier, en niet elders: Privacy, enzo. Ik wil gewoon een plaatje aan een post toe kunnen voegen. Op andere fora is dat geen probleem...

Maar goed, we dwalen af...

Het foto album kan je unlocken met karma, karma krijg je door op de fora actief te zijn of reviews te schrijven. Kost dus niets maar zo zorgen ze ervoor dat alleen actieve leden een fotoalbum hebben en er dus geen mensen zijn die tweakers als image host gebruiken waardoor tweakers meer storage moet kopen.

[heintjeput]

Wat ik niet helemaal snap is, waarom wil je die 1500 l/u?

code:

Aannames om het makkelijk te maken ronde getallen: 
cp_water = 4000 J/(kg K)
rho_water = 1 l / kg
Power_in = 150 Watt = 150 J/s
flow = 1500 l/u = ~0.4l/s

dT = Power_in * rho_water / (cp_water * flow) 
 = 150 * 1 / (4000 * 0.4) = 0.08 K = 0.08 graden Celcius

Meestal wordt aangenomen dat 5 - 10 graden best wel acceptabel is als je op kamertemperatuur werkt. Daarnaast kun je denk ik ook prima 100% glycol gebruiken, 0.08 of 0.16 graden C maakt absoluut weinig uit.

Daarnaast is mijn vraag meteen, wat wil je nu bereiken, wil je de cryocooler een lagere temperatuur laten halen? Want dan kan heat exchanger aan de warme kant van de compressor beter koelen een goede strategie zijn. Of wil je zoals je lijkt te zeggen de herrie weghalen, dan ben je denk ik op de verkeerde weg want die cryokoelers zijn meestal ook niet stil. M.i. gewoon water langs je heat exchanger van je cyrocooler laten lopen en dat direct koelen met een hele grote radiator.

Voor het inpakken van je heat exchanger zou je ook nog kunnen denken aan een PVC pijp er omheen schuiven, daar 2 koppelingen in schroeven en het geheel dicht lijmen. Je warmte overdrachtscoefficient zal wat in elkaar zakken, maar nog steeds geen probleem denk ik.

Waar ik daarnaast nog benieuwd naar ben is hoe warm wordt de heat exchanger aan de in- en de uitstroom kant? En als laatste heb je een typenummer en / of een link naar de manual of specs van je cryocooler, dat werkt waarschijnlijk ongeveer even goed als foto's.

Conclusie, ik zou beginnen bepalen wat je wilt halen. Dan een goedkope simple oplossing kiezen en mocht die niet (voldoende) werken, naar dure RVS frees constructies met een chiller gaan.

EDIT: Als laatste nog een klein puntje voor je eigen veiligheid, als je op dit soort temperaturen zelf dingen gaat condenseren, pas dan a.u.b. op voor zuurstof verrijking, zodat je niet bij de kleinste vonk je halve huis in de fik hebt.

[ Voor 15% gewijzigd door heintjeput op 21-09-2015 17:40 ]

[MindBender]

heintjeput schreef op maandag 21 september 2015 @ 17:35:
Wat ik niet helemaal snap is, waarom wil je die 1500 l/u?

Ik verwacht niet dat ik het nodig heb, maar het is wel de minimale flow die de chiller volgens zijn specs nodig heeft.

code:

Aannames om het makkelijk te maken ronde getallen: 
cp_water = 4000 J/(kg K)
rho_water = 1 l / kg
Power_in = 150 Watt = 150 J/s
flow = 1500 l/u = ~0.4l/s

dT = Power_in * rho_water / (cp_water * flow) 
 = 150 * 1 / (4000 * 0.4) = 0.08 K = 0.08 graden Celcius

Meestal wordt aangenomen dat 5 - 10 graden best wel acceptabel is als je op kamertemperatuur werkt. Daarnaast kun je denk ik ook prima 100% glycol gebruiken, 0.08 of 0.16 graden C maakt absoluut weinig uit.

Dat is erg nuttige informatie; Dank je, daar kan ik wel wat mee.

Daarnaast is mijn vraag meteen, wat wil je nu bereiken, wil je de cryocooler een lagere temperatuur laten halen? Want dan kan heat exchanger aan de warme kant van de compressor beter koelen een goede strategie zijn. Of wil je zoals je lijkt te zeggen de herrie weghalen, dan ben je denk ik op de verkeerde weg want die cryokoelers zijn meestal ook niet stil. M.i. gewoon water langs je heat exchanger van je cyrocooler laten lopen en dat direct koelen met een hele grote radiator.

Ik wilde van de herrie af en dacht ook in eerste instantie aan een radiator. Maar toen zag ik die chillers en die wilde ik altijd al eentje hebben, maar had er tot nu toe nooit een toepassing voor. Dus voor ik het wist was hij besteld en werd hij bezorgd ;-).
Ik eens zien tot hoe koud ik kan komen in mijn home-lab. Een koude heat-rejection area helpt de cryocooler lagere temperaturen te behalen, zegt men. Ik weet niet of het waar is. Maar de koelcapaciteit gaat er in elk geval wel van omhoog, dus sneller meer LN2.

Voor het inpakken van je heat exchanger zou je ook nog kunnen denken aan een PVC pijp er omheen schuiven, daar 2 koppelingen in schroeven en het geheel dicht lijmen. Je warmte overdrachtscoefficient zal wat in elkaar zakken, maar nog steeds geen probleem denk ik.

Ik heb ondertussen een instrumentmaker gevonden die een cooling-jacket voor me gaat maken.

Waar ik daarnaast nog benieuwd naar ben is hoe warm wordt de heat exchanger aan de in- en de uitstroom kant? En als laatste heb je een typenummer en / of een link naar de manual of specs van je cryocooler, dat werkt waarschijnlijk ongeveer even goed als foto's.

Een ouder type verplaatst zo’n 15Watt aan warmte, dus ik verwacht de mijne ook. Zonder ventilator wordt hij binnen een minuut hand-warm. Warmer heb ik hem niet laten worden.

Conclusie, ik zou beginnen bepalen wat je wilt halen. Dan een goedkope simple oplossing kiezen en mocht die niet (voldoende) werken, naar dure RVS frees constructies met een chiller gaan.

Tja, ik weet niet goed wat ik nodig heb, omdat ik nog niet goed weet wat ik er allemaal mee kan en mee gaan doen. Het is allemaal nogal experimenteel. Vandaar dat het allemaal een beetje overgedimensioneerd is.

EDIT: Als laatste nog een klein puntje voor je eigen veiligheid, als je op dit soort temperaturen zelf dingen gaat condenseren, pas dan a.u.b. op voor zuurstof verrijking, zodat je niet bij de kleinste vonk je halve huis in de fik hebt.

Vloeibare zuurstof maken is het volgende plan ;-)