Refrigerar con Peltier TEC un CCD-CMOS de una Reflex DSLR Canon para Astrofotografia con Telescopio. Construccion

Posted by drcooling on Diciembre 1st, 2009 filed in Guias y Tutoriales Gratis

Segunda Parte: Desarrollo, Construcción y resolucion de problemas.

Viene de Primera Parte: Introducción, antecedentes y marco teórico.

Comienzo este artículo aclarando que existe la opción de enfriar directamente el cmos de la cámara digital mediante una pieza metálica que tenga contacto directo con este y el peltier, pero eso implica asumir un riesgo poco prudente. Se ha elegido construir una caja en vez enfriar el CMOS directamente, aun cuando al enfriar directamente el CMOS se puedan lograr temperaturas más bajas y se ahorre energía, pero la opción de construir una caja, es menos invasivo y obviamente es más probable que todo salga bien.

Bueno, como ya expliqué en la introducción, según se ve, la mayoría de las cajas autoconstruidas para enfriar un CMOs de una cámara digital, tienen algunos defectos que desperdician la capacidad enfriadora de los peltiers usados, pero son completamente mejorables sin necesidad de gastar más dinero. Básicamente, todos los errores tienen raíz en no pensar en esta aplicación como un sistema, cuando realmente lo es. Todo el conjunto trabaja solidariamente y en la medida que optimicemos toda la forma en la que se comporta la caja, los resultados serán mejores.

En este sitio web no tengo foro, básicamente por que creo que no se justifica y la verdad es que prefiero participar de foros más antiguos con mucho movimiento, por que la idea es obtener impresiones y de ese modo generar una retroalimentación de ideas. Por ese motivo, el foro donde discutimos todo lo hecho en esta segunda etapa esta acá http://www.chw.net/foro/fotografia-digital-f115/287506-astrofotografia-bajo-cero.html

Como les iba diciendo, uno de estos problemas que veo en las guías existentes en Internet, es que debe entenderse a la peltier como una bomba de calor y que los intercambiadores de calor que están en la cara caliente como en la cara fria, sólo tienen por objetivo bajar la resistencia térmica que existe entre el aire y la superficie del peltier. Lo ideal sería (para un sistema enfriado integramente por aire) que en ambas caras existan disipadores de tamaños similares. Lamentablemente, por una cuestion de espacio y geometría, el disipador interno tendrá aletas menos esbeltas que el disipador externo, pero a cambio, será más largo para de alguna manera compensar la perdida de superficie de intercambio calórico. Es de suma importancia que dentro de la caja el intercambio de calor se vea favorecido por un disipador, por que a través de éste se capturara todo el calor generado por la cámara y recogido por las paredes de la caja (cuando el sistema se enfría, aun cuando tenga aislación, es inevitable que el calor del medio ambiente entre al sistema). En la medida que tengamos más facilidades para meter el calor generado en la caja dentro del peltier, más calor podremos mover (es lo mismo que una bomba de agua, si obstruimos la entrada de agua, pues, por la bomba circulará menos líquido)

Planificación:

Primero que nada, hay que partir  definiendo objetivos, los cuales serán perseguidos y luego evaluados para definir si es que el trabajo cumple con lo buscado.

Objetivo General:

Lograr una solución barata y eficaz que resuelva todos los problemas existentes en las experiencias investigadas sobre la construcción de cajas para refrigerar cámaras digitales reflex para la astrofotografía.

Objetivos Especificos:

- Generar un documento explicativo que pueda ser usado como material bibliográfico gratuito para quienes deseen interiorizarse en el tema de la refrigeracion de sensores CMOS o CCD.

- Agrupar y compilar información de manera estructurada para facilitar la comprensión de esta.

- Lograr un registro fotográfico detallado de todos los aspectos que tengan relación con el desarrollo de esta experiencia.

- Presentar soluciones simples y de muy bajo costo empleando en lo posible herramientas sencillas y materiales obtenidos desde la chatarra.

– Resolver cada uno de los problemas complejos presentes en el uso de células peltiers de forma barata y reproducible por cualquier lector.

- Obtener resultados sistemáticos empleando el método científico para las pruebas.

Comencemos

La solucion propuesta para el intercambidor de calor interno, es el uso de un disipador grande y plano ayudado de un ventilador delgado. Como esta experiencia no intenta ser algo reproducible en serie, (mas bien una guía para quienes puedan tener el ingenio de emplear elementos disponible) emplearé partes y piezas recogidas de la chatarra, y de pasada bajar costos en materiales (que aunque no lo parezca, no es poco dinero). Entre mis cosas encontré un disipador idóneo que era la unidad de refrigeracion del CPU de un viejo Indigo Silicon Gráphics que me regalaron por chatarra.

Cuando comenzó todo esto, requerí ayuda para interiorizarme en el como y por que de una astrofotografía, ya que en la medida que entienda bien la dinámica de la astrofotografía, seré capaz de proponer una solución más eficaz. Entonces NautilusCL me cooperó con su experiencia en el tema y de pasada se interesó lo suficiente como para querer una caja para si mismo (bajo un trato similar al que llegue con Astrocarlos). De modo que fabricaré dos cajas enfriadas sólo con aire. La de Nautilus empleará una peltier más pequeña, que es lo que tiene entre sus posesiones. La otra, tendrá un peltier más poderoso que pudimos comprar a bajo precio.

Para estos sistemas refrigerados 100% con aire, emplearé el disipador de la izquierda, el de la derecha lo dejaré para un prototipo enfriado con agua (para mi, aun cuando no me dedico a la astrofotografía, no faltará quien quiera ofrecerse como “beta tester”), básicamente por que intentaré poner 2 peltiers de 226 watts teniendo casi  450 watts de carga térmica, cantidad de calor que un sistema de agua disiparia con bastante comodidad. Este disipador, lo usaré completo.

Acá podemos ver el tamaño del disipador cortado comparado con una camara EOS 400D.

Son disipadores bastante grandes, y a pesar de su tamaño, no son pesados. Las aletas son bastante discretas y nos permitirán ahorrar espacio.

Como verán, el disipador es bastante más delgado de lo que parece, básicamente por que su reverso es hueco.

Ahora que tengo esta pieza fundamental, podré comenzar a definir medidas. Se emplearía una cámara digital EOS 450D o rebel XSI, la que mide 96 mm de alto x 126 mm de ancho x 62 mm de espesor sólo el cuerpo.

El problema grande, está en el flash incorporado y en la empuñadura, que suele ser ligeramente mas alta que el resto del cuerpo, pero de todos modos, consideraremos que la dimensión correcta es desde la pantalla trasera a la bayoneta.

http://www.dpreview.com/news/0801/08012404canoneos450dhandson.asp

A esto hay que agregar unos centimteros de espacio por la parte trasera para el disipador que mide 10mm de espesor + otros 10mm del ventilador + 8mm de espacio para que el aire pueda moverse. Eso en la profundidad, para el ancho le damos 140mm en lo que cabrá bien la cámara y los cables que sean necesario instalar y por el costado para los cables . Para la altura, agregamos un par de centímetros para manipular la cámara como comodidad y llegamos a 100mm de altura. Las medidas interiores de la caja serían entonces 100 milímetros de altura, 90 milímetros de profundidad, 140 milímetros de ancho.

Perdonen lo burdo de mis diagramas, son hechos en paint. Estas son medidas interiores. el exterior sera mayor por el espesor del material y de la aislación.

Construcción:

Este documento es sólo un reportaje fotográfico de la fabricación de un sistema de refrigeración para una cámara digital reflex, no pretende ser un manual, ni pretende que los lectores la reproduzcan. Todo aquel que esté dispuesto a usar este documento como una referencia para realizar algo similar, debe hacerlo bajo su propio riezgo tanto para si mismo como para sus equipos, y en lo posible intente no modificar ninguna de las cosas acá explicadas.

Declarando esto, podemos continuar .

Compré dos disipadores antiguos de CPU, por que están diseñados para disipar 60 y 80 watts de calor respectivamente, potencias similares a las dos peltiers que emplearemos, y por que sus medidas son bastante adecuadas.

Estos serán los disipadores externos de nuestras cajas.

Ahora corto el disipador interno por la mitad, para ahorrar espacio y peso, además que así saldrán dos cajas de un sólo disipador.

Bueno, por la perspectiva del lente, el disipador se ve enorme, pero no es así. Es solo 6 milímetros mas largo que la cámara y tiene solo 10mm de espesor, incluido aletas.

Lo que más me agrada de este disipador, es que tiene una base gruesa de 4.5 milímetros de espesor, que colaborará muy bien a transmitir el calor hacia los extremos del disipador (recuerden que cuando se enfría con aire, el calor viaja mas o menos unas 30 veces el espesor de la pieza metálica), y que ademas tendrá bastante rigidez (ayudado de las aletas de encima que tienen 5.5 milímetros de altura) para poder apernar firmemente la peltier a este intercambiador de calor de modo de evitar que se curve mientras funciona.

Lo que hago ahora es, dejar la parte trasera de este disipador, completamente plana, luego de eso me ocuparé de dejarlo completamente liso y suave.

Esto no solo va a permitir un mejor montaje con el peltier, si no, que baja el peso del disipador. Ahora se ve mas esbelto.

Ahora se aprecia perfectamente la geometría del disipador interno.

Pude rescatar un ventilador delgado de una caja con cachureos, y pretendo usarlo para mover el aire dentro de la caja.

Ayer compre los materiales necesarios para hacer la caja, asi que espero el día de hoy poder mandar a plegar las piezas para que la caja comience a tomar forma.

Esta con el disipador interno encima para que se note la relación de tamaños. La pieza chica de aluminio será la tapa trasera y la grande, sera la caja cuando esté plegada.

Mientras plegan la caja, me encargo de preparar el montaje del peltier, que como les comenté en el artículo anterior, los disipadores deben apretar uniformemente al peltier mientras funciona. Para lograr que los agujeros queden perfectamente alineados, hago una planificación en AutoCad e imprimo el plano en escala 1:1.

Los agujeros estan a 73 milímetros de separación, por que de este modo es posible instalar una peltier (dibujado en rojo) de 50×50 mm o 2 de 30×30 milímetros. El disipador interior es el dibujado en verde y el exterior esta dibujado en magenta.

Recorto las impresiones y las pego sobre los disipadores. De este modo puedo marcar los centros con un punto y tener una presición de 0.1mm en la alineación de las perforaciones.

Es muy muy importante realizar las perforaciones a máxima velocidad con una broca muy afilada, lubricando bien la pieza y avanzando muy lento el taladro, de otro modo, es posible que la viruta estropee la broca, la perforación y la pieza completa.

Ahora con la ayuda de un macho especial para estos trabajos, realizo el hilo sobre el disipador externo.

Y ahora presento el sistema para ver si está alineado.

Perfecto, tal y como se planificó.

Repito el proceso con el segundo intercambiador que estoy fabricando.

Como tengo las peltiers para hacer una prueba de montaje con este segundo intecambiador, sólo faltaria realizar el lapeado de las bases, esto es lijar hasta que quede muy plano y liso hasta que me pueda ver en las piezas, es la etapa mas tediosa y aburrida.

El lapeado se consigue lijando sucesivamente con lijas, desde granos gruesos hasta granos finos.

Para bases con imperfecciones como evidentes como mordeduras, saltaduras, rayas producidas por un corte de sierra, protuberancias, y curvaturas, es recomendable comenzar con lija gruesa del grano 120. Para bases como las de disipadores antiguos, es recomendable comenzar con grano del 320.

Las finas deben ir creciendo en multiplos de 1.5. Para el lapeado de estas bases emplee lijas del 120, 180, 320 y 500 respectivamente. Luego de la lija del 500 no se obtienen mejoras apreciables, por lo que es recomendable detenerse ahi y pasar con el pulido, el cual realizo con una franela y pulidor liquido.

Es muy importante que las lijas como la franela esten sobre una superficie lisa y plana, lo ideal es un marmol, pero una mesa gruesa deberia bastar.

La técnica es la siguiente. Primero, debe observarse la dirección de las rayas sobre la pieza a pulir. Es necesario lijar en direccion perpendicular a las rayas existentes en la pieza metálica. Cuando solo se vean rayas en una dirección es que la pieza esta bien lijada y es momento de cambiar de lija (por una mas fina). Es muy importante limpiar cada vez que se cambia el pliego de lija, limpiar prolijamente, por que es posible queden granos de lija (óxido de aluminio u óxido silicio) que contaminen el lijado posterior y generen rayas muy profundas que sean difíciles de quitar.

Cuando se cambie el pliego de lija, se repite el proceso, o sea, girando la pieza 90º para que se lije en dirección perpendicular a las rayas existentes y lijar hasta que sólo existan rayas en una sola dirección. Hacer esto hasta llegar a la lija mas fina (grano 500). Entonces preparar una tela suave con pulidor liquido y mover como si se continuara lijando hasta que la pieza quede tan brillante que sea posible verse en ella. Esto suele tardar un par de horas.

Es mejor realizar el proceso a mano. Las lijadoras de banda dejan las piezas convexas y los pulidores motorizados no pulen de forma plana. Sólo a mano es posible lograr un buen resultado y bueno, también con una fresadora robotizada CNC como lo hicimos hace algunos años con la ayuda de Inacap.

Para que tengan una idea clara de por que hay que lijar pulcramente con paciencia estos disipadores, aun cuando pareciera que las bases de estos vienen lo suficientemente planas de fábrica, tomamos una y la tratamos de brillar con la ayuda de un pulidor motorizado, un sistema bastante mas agresivo y eficaz que pulir a mano. En las siguientes imágenes pueden ver los resultados.

Como pueden apreciar, si bien se ve algo más limpio y brillante, las rayas de la base hechas en el momento de la manofactura, quedan en evidencia.

Bueno, retomando lo anterior, luego de un par de horas de trabajo de pulido manual, este es el resultado.

Antes:

Después:

Un resumen en video:

Ahora procedemos a aplicar compuesto térmico y a presentar las unidades peltiers.

Y probamos el montaje de las peltiers que quedó bien alineado como en el caso anterior.

El montaje funciona sin problemas

Finalmente, tengo en mi poder la caja plegada y armada. Como el material no es tan delgado, se pudo soldar, para mas resistencia.

Tiene una pestaña que rebajaremos mas tarde y lo que sobre, sera el sistema de sujeción de la tapa.

Pegamos un plano

Agujeros…

Retomamos el montaje de las peltiers, esta vez de forma definitiva.

Usamos la misma técnica que aplicamos en la caja para poder hacer perforaciones con mucha precisión. Hacemos una para las peltiers y para el paso de los tornillos.

Ahora, preparo algo de pegamento para pegar el disipador interior a esta tapa.

Es muy importante que sólo se aplique por el exterior, para que con el apriete el pegamento sólo no escurra hasta contaminar la superficie donde se alojarán las peltiers.

Con la ayuda de un trozo de madera bien recta, aplico presión sobre el disipador y la tapa de aluminio.

Así es como queda una vez seco:

Es importante no contaminar el interior del disipador, donde irán las peltiers, ya que esta parte esta tratada con sumo cuidado de no dejar rayaduras profundas y el aluminio es un material sumamente blando. Prácticamente no hay posibilidades de limpiar esta zona si es que se llegara a ensuciar.

Aplicamos compuesto térmico con sumo cuidado y montamos las peltiers.

Es muy importante aplicar uniformemente la capa de compuesto y que sea lo mas delgada posible. Es importante también, que en el centro de la peltier exista mas compuesto que en los bordes, de este modo se previene que quede aire atrapado entre el peltier y el disipador. Cuando el compuesto esta aplicado de esa forma (dejando un poco mas en el centro), el apretón del tornillo desplaza el aire que pudiera quedar atrapado mejorando la transferencia de calor.

Hacemos lo mismo con el otro disipador y montamos definitivamente con el tornillo.

El apriete también tiene su técnica, y es que requiere que sea lo mas homogéneo y paralelo que sea posible. Se aprieta de a un poco por vez por lado, no todo de una sola vez. Es importante también re apretar la pieza una vez por día por los próximos 3 días ya que el compuesto térmico escurre a medida que pasan las horas y el sistema pierde presión. La presión de apriete interviene en la eficacia con la que se transfiere calor, esto se explico en el articulo introductorio. Ademas, hay un fenómeno que se conoce como “relajación” y es que las moléculas de los materiales sometidos a carga se reorganizan y en esto se pierde presión, por eso es conveniente ir apretando a medida que la estructura se acostumbra. Ojo, no es necesario dar vueltas completas, basta 1/20 avo de vuelta o quizá menos, el fenómeno es casi imperceptible, pero esos minúsculos apretones, ayudan mucho al desempeño. Luego de unos 3 dias ya no es mucho lo que se gana y es posible que se termine quebrando el peltier.

Sólo está faltando resolver la alimentación

Continuará… en redacción

De acá en adelante, iré actualizando. Aun cuando no me gusta mucho esta modalidad, pero es en este sitio web donde podré exponer toda la información que sea necesaria.

Presupuesto gastado hasta ahora en la construcción de cada Caja:

Disipador Usado : $2.000

Lamina de aluminio: $3.000

Lijas de banda de grano 60 – 150 – 320 – 400 $4.000

3 lijas grano 500, 2 lijas grano 320, 1 lija grano 180, 1 lija grano 120: $ 2.000

1 botella de Brasso: $ 3.000

Plegado : $2000

Locomoción: $1200

Horas Hombre   (incluye compra de materiales, preparación y planificación. Excluye la redacción y edición de este articulo): 31

+ Valorizacion Chatarra

Disipador Silicon Graphics : $5000

Ventilador delgado : $1000

+ electricidad, desgaste y horas maquina de herramientas + 25% por sobre el total

Ultima actualización 26-febrero-2010