4.4
15 röster
Skapat
2020-03-31
Senast ändrat
2020-03-31
Visningar
2 063

Hej alla Swec:are!

Välkommen till mitt galleri VapoChill goes Scientific.

I detta galleri får ni följa med på resan hur en VapoChill kom att reglera temperaturen på en plattform för odling av mikroskopiska cancertumörer.

Resan började 2013 med att vi, jag och mina doktorandkollegor, hade problem med för hög temperatur i vår egenutvecklade plattform för odling av cancerceller. När plattformen användes för de längre körningarna som krävdes för cancertumörerna blev den alldeles för varm och cellerna dog. Celler vill helst ha en temperatur runt 37°C för att trivas. Vi vet ju alla hur det är att ha feber, inte mår man bra vid 40°C. Mycket kortfattat utan att gå in på exakta detaljer så använder plattformen ultraljud för att "akustiskt" hålla ihop cancerceller när de växer och delar sig för att på sätt initiera tumörformation. Resan kom därför till ett stopp där enda vägen fram var att sänka plattformens temperatur till 37°C för att kunna få cellerna att växa och bli flera och forma tumörer som vi sedan ville använda för att studera immunförsvaret.

Mitt första försök att nå den gynnsamma temperaturen på 37°C var att använda forcerad luftkylning med en radialfläkt som jag valde för dess kompakta formfaktor och relativt höga luftflöde. Förhoppningen var att temperaturen på plattformen skulle nå 37°C om fläkthastigheten och effekten hos plattformen kunde justeras på ett lämpligt sätt. Tyvärr gick det inte som planerat då värmeutvecklingen hos plattformen vid minsta tillräckliga tumörformation var så pass stor att ingen fläkt rimligt stor nog skulle kunna kyla ner systemet till 37°C. Nästa försök var att använda peltierkylning men detta medförde helt andra oväntade problem. På grund av höjdbegränsningen av plattformen för att få plats i mikroskopet och inte krocka med objektiven gjorde att jag inte kunde använda en tillräckligt stor kylfläns till peltierelementet. Därför fick jag begränsa strömmen genom peltierelementet som då inte klarade av att kyla tillräckligt. Efter två misslyckade försök att nå 37°C och vara långt borta från slutmålet att kunna reglera temperaturen och hålla den stabil oberoende av yttre miljö, det senare kom att bli nödvändigt när vi integrerade plattformen i en cellinkubator för långtidsexperiment, kände jag mig uppgiven. Om jag inte kan kyla plattformen där den är i mikroskopet på grund av platsbrist hur ska jag då göra? Lösningen måste alltså vara att leda bort värmen från plattformen för att ta hand om den utanför där det finns gott om utrymme.

Efter mycket funderande så slog tanken mig att jag kunde leda bort värmen från plattformen med vatten likt vattenkylningen på en CPU, man vet aldrig när ens datorintresse kan komma till nytta!

De första försöken var med ett egenfräst vattenblock i aluminium till plattformen. Med en pump cirkulerades vatten från plattformen till ett externt placerat vattenblock med ett peltierelement på. Peltierelementet kylde eller värmde vattnet beroende på plattformens behov och sedan återcirkulerades vattnet tillbaka till plattformen och på så sätt kunde temperaturen hållas stabil på 37°C, det var vad jag önskade i vart fall. Tyvärr visade sig verkligheten en annan med ostabil temperaturreglering när peltierelementet växlade från att kyla till att värme. Det gick helt enkelt inte att använda denna lösning tillsammans med plattformen. De negativa resultaten till trots, jag visste nu att lösningen var att leda bort värmen från plattformen och ta hand om denna externt. Frågan var bara hur jag skulle ta hand om värmen om nu inte peltierelement funkar?

Ni som hängt på Sweclockers sedan början minns säkert snackisen under tidigt 00-tal om att kyla CPUn med kompressor, en sån som finns i frysar och kylskåp ni vet. Det häftigaste man kunde ha då i kompressorkylningsväg (eng. phase change cooling eller vapor cooling) var ett chassi från Danska VapoChill med inbyggd kompressor för att kyla CPUn till minusgrader. Helt enkelt en frys i ett ATX-chassi, så häftigt!

När idén om att använda den mycket mer potenta kompressorkylningen var född kunde jag inte sluta tänka på VapoChill och allt jag läst om den på Sweclockers. Om jag bara kunde få tag i ett sådant chassi så kanske jag skulle kunna modda det för att fungera med vår uppställning!?
Under en regnig semesterdag då jag låg och slösurfade i soffan hittade jag en annons. En kille sålde ett gammalt chassi med inbyggd datorkylning av något slag. Bilderna visade ett dammigt chassi placerat på ett trädgårdsbord. När jag studerade bilderna lite närmre så trodde jag inte mina ögon, stod det verkligen VapoChill på chassit? Jajamänsan det gjorde det! Var detta ett tecken sänt från molnet? Exalterad som jag nu var ringde jag och flämtade fram något i stil med att jag kommer på en gång, sälj den inte till någon för "honom ska jag ha"! Snabbt iväg med föräldrarnas bil och 10 mil senare var jag på plats. Fram plockades ett dammigt chassi som varken kunde startas eller öppnas på plats. Det skramlade när jag lyfte upp chassit för att känna på vikten, var det tomt? Fanns kompressorn där? Jag hade inga tidigare erfarenheter av ett sådant chassi men vikten lät avslöja att det minsann måste finnas något tungt där inne. Säljaren lät meddela att chassit stått på vinden i mer än 10 år och att han inte själv använt det utan en kompis hade haft det. Många varningssignaler här men jag tvekande inte en sekund utan slog till och betalade de begärda 500 kronorna. Med ett leende på läpparna och övertygad om att alla temperaturproblem nu var lösta satte jag mig i bilen. Väl hemma öppnade jag lådan och fann...

Läs hur det slutade i bildtexterna nedan*!

Mycket nöje,

NUKEGREEN

*Spoiler: Slutresultatet blev en vetenskaplig publikation som kan läsas här DOI: 10.1039/C5LC00436E. Så ja, resan slutade mycket väl

Tillbaka på jobbet med min VapoChill. Nu är det dags att öppna och se vad som finns inuti!

Insidan mötte mig med en manual, oväntat men trevligt, men samtidigt en lös kondensor och en fläkt som lossnat från sitt fäste. Det måste varit detta jag hörde skramla när jag lyfte chassit. Undra om kompressorn fungerar efter att stått oanvänd i 10 år. Finns det kylmedia kvar har den legat upp och ner så att olja hamnat på fel ställe? Frågorna var många.

Lite oväntat att det var en kompressor från Danfoss i lådan, bra grejer insåg jag efter lite efterforskning. Danskarna har bra smak på allt från ljud till kylning

Eftersom chassit inte skulle husera någon hårddisk eller moderkort längre så passade jag på att lätta vikten genom att ta bort onödiga delar.

Lösa delar som skramlade fästes igen, körde med popnitar.

Jippi! Kompressor, kondensor och förångare fungerar och det blir kallt, riktigt kallt! Det var denna förångare man egentligen skulle montera på CPUn för grym kylning men nu ska jag modda den för att fungera med vår plattform istället.

Eftersom jag ville använda vatten för att leda bort värmen från plattformen monterade jag ett vattenblock (EK Water Blocks EK-Supremacy) på VapoChill-förångaren. Tanken var alltså att kyla av det varma vattnet från plattformen med hjälp av förångaren. Naturligtvis är det en klick Artic Silver mellan förångare och vattenblock

Precis som när man tar ut en kall dryck ur kylen en het sommardag så kondenserar även vatten på en kall VapoChill-förångare. Vi måste alltså isolera. Här kör vi med våtrumssilikon. Här gick vi på funktion före form

Här fortsätter vi med skumisolering runt kalla delar allt för att undvika kondens och onödiga effektförluster.

Självklart fick nätaggregatet lite kärlek, onödiga kablar togs bort och på med en kabelstrumpa. En bra kabeldragning ska aldrig underskattas!

Här är pumpen jag valde en Phobya DC12-400 med en tank från Aquacomputer - Acqualis ECO 100 ml.

Första testmonteringen av pump och tank visade att det inte var helt optimal slangdragning mellan förångare och pump då det bildades en del luftfickor som var svåra att bli av med. Gör om gör rätt!

Lösningen var att frikoppla pump och tank. Nu försvann luftfickorna och flödet var stabilt och bubbelfritt Som ni märker så är tanken inte helt fylld med kylarvätska (glykol och destillerat vatten). Detta är medvetet då vattnet måste ha en plats för att expandera när det blir varmt, precis som att en bil har expansionskärl i sitt kylsystem.

Eftersom VapoChill:en reglerar temperaturen med den inbyggda mikrokontrollen på ett PÅ/AV-sätt baserat på temperaturen på förångaren via en temperatursensor var jag tvungen att kringgå detta på ett smart sätt eftersom vi vill reglera baserat på plattformens temperatur istället. Den inbyggda regleringen satte jag ur spel med en bygel på kompressorn som tvingade den att vara PÅ hela tiden. Med detta gjort måste jag hitta ett annat sätta att reglera temperaturen på. Detta förbereddes genom montage av ett aparatintag på baksidan för inkoppling av 230 volt.

En primitiv kontrollpanel med brytare monterades på framsidan. Backup ifall temperaturregleringen skulle balla ur. Den användes faktiskt några gånger

Med den gamla regleringen satt ur spel blev den nya regleringen en Panasonic KT4, en PID baserad temperaturkontroller som känner av temperaturen på plattformen och reglerar baserat på denna. Den visade sig vara en mycket trevlig liten sak som är rätt enkel att jobba med. Den drivs också av 12 volt vilket var perfekt eftersom jag körde VapoChill:en via ett ATX nätaggregat.

Panasonic KT4 temperaturkontrollern styrde i sin tur ett relä, ett SSR - solid state relay. Denna lilla grunka kan bryta 230 volt med en 12 volts styrsignal från KT4an. Jag valde ett SSR före mekaniskt då frekvensen jag ville reglera med var för hög för ett mekaniskt. Även livslängden på ett mekaniskt var en begränsning som gjorde valet enkelt. Men vad skulle nu detta relä styra? Låt oss resa vidare

Och här kommer resan till sin pièce de résistance i den nya temperaturregleringen. Två PTC värmeelement monterade på en radiator. Jag valde just PTC för att det är en självreglerande teknik alltså det kan inte bli varmare än en viss temperatur för att resistansen ökar med temperaturen för att till slut bli "oändligt" och därmed strypa strömmen. Detta ger ett extra skydd vid fel i regleringen. Det sista jag ville göra var att förvandla VapoChillen till en GTX 590
PTC värmeelementen jag valde var en modell för 100-240 volt, 200 watt och en maximal temperatur på 240°C. Det var alltså dessa två värmeelement jag kom att styra med reläet och temperaturkontrollern.

Här kommer en förklarande bild av värme/kyle-kretsen som jag byggde. Den blå boxen är VapoChill-förångaren som alltid är på och kyler vattnet. Det kalla vattnet pumpas vidare (gröna pumpen) till plattformen och kyler denna (gråa bilden längst ner till höger). Sedan pumpas vattnet vidare till värmaren (röda boxen) som består av de två PTC värmeelementen monterade på en radiator som styrs av SSR reläet och Panasonic KT4 temperaturkontrollern. Genom att lägga upp styrkretsen så att kylaren alltid är på och värme tillförs vid behov blev kretsen både snabb och stabil. Tyvärr inte så energisnål som jag velat men man kan inte få allt.

För att undvika att värma upp rummet plattformen stod i och att skydda omgivande utrustning så bestämde jag mig för att isolera värmaren. Det fick bli en brandfilt och lite ugnsfolie. Funktion före form Det kanske märks att jag var ett fan av Scrapheap Challenge...

Inga priser för vackert utförande, men funkar det gör det!

Känner ni igen original VapoChill:en? Knappt va... Så är blev slutresultatet. Jag valde att ha en mängd temperatursensorer som mäter temperaturen på flera olika kritiska ställen. Jag var inte helt säker på att min Frankensteinskapelse skulle fungera.

VapoChill:en inkopplad till plattformen som är placerat i ett mikroskop. Provade här att kyla och se hur kallt det kunde bli. Tillräckligt kallt, kompressorkylning är grymt

Provade även att kyla ett större vattenblock (Alphacool Copper Cooler for SilentMaxx). Kyleffekten är mer än tillräcklig som ni kan se, is. Detta större vattenblock kom också att användas med vår plattform inuti i en cellinkubator.

Omslagsbilden

Resans slut: Det färdiga systemet 2014. Här står VapoChill:en inkopplat till plattformen placerad i en cellinkubator (typ ett värmeskåp med kontrollerad fukt och koldioxidnivå). Plattformen står och odlar cancertumörer med ultraljud, tar ca en vecka att odla 100 st 200-300 mikrometer stora tumörer.

Hoppas ni gillade mitt galleri och att jag bjöd er på både ett och annat aha-moment

Bonusbild. Ett av mina tidigare försök att reglera temperaturen. Inuti lådan sitter ett peltierelement på ett vattenblock som reglerar temperaturen på vattnet. Tyvärr fungerade inte kombinationen med de olika termiska massorna så bra så det övergavs. Men visst var den vacker