熱電功率獲取軸承配置的制作方法

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熱電功率獲取軸承配置的制作方法
【專利摘要】一種發(fā)電軸承組件(100)包括由軸承殼體(110)保持的軸承子組件(120)。在操作過程中，摩擦及其他因素增加軸承組件(100)的溫度。軸承殼體(110)可任選地包括含有將會集成在軸承殼體(110)內的至少一個液體冷卻通道(134)的軸承冷卻通道系統(tǒng)。液體冷卻通道(134)將會被布置成靠近軸承子組件(120)，以從其中除去熱量。熱電發(fā)電機(TEG)(200)在識別用于收集操作過程中所產(chǎn)生的熱量的位置熱聯(lián)接至殼體(110)的外表面。熱電發(fā)電機(TEG)(200)利用殼體(110)與周圍空氣之間的溫度差來產(chǎn)生電功率。該功率可以用于操作電動裝置，比如狀態(tài)傳感器(150)、通信裝置等。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用熱電發(fā)電機（TEG)來將由軸承殼體內的軸承旋轉產(chǎn)生的熱能轉換成電能的用于發(fā)電的設備和方法。熱電功率獲取軸承配置

【背景技術】
[0002] 軸承用于支承許多旋轉物體。軸承通常集成到各種機器中。軸承是有助于機器可靠性的關鍵因素。設計的系統(tǒng)通常會安裝一個或多個軸承狀態(tài)監(jiān)測裝置，以確保軸承保持處于正常運轉狀態(tài)。大部分的狀態(tài)監(jiān)測裝置要求低電壓的電力進行操作。有些系統(tǒng)包括還利用電力的其它部件。一個這樣的電操作部件可以是通信裝置，用于將狀態(tài)監(jiān)測信息傳送至遠程服務公司。
[0003] 軸承可以被集成到具有各種廣泛應用的許多不同的機器中。這些應用可以布置在通常缺乏公共提供的電力的非常偏僻的農(nóng)村地區(qū)。
[0004] 電池提供的容量有限，這決定了限量供應，從而運行時間有限。從商業(yè)實用源獲得電力可能是昂貴的，特別是對于遠程安裝。從市售來源傳輸電力可能需要運行大量的且昂貴的電源布線及支承設備。這些系統(tǒng)的維修必須加以考慮。更換電池會帶來零件及人工成本。對于臨時安裝來說，這些問題得以加劇。
[0005] 在操作期間，軸承可能產(chǎn)生顯著量的熱量。產(chǎn)生顯著量熱量的軸承通常包括熱耗散或熱傳遞系統(tǒng)。一個示例性的熱傳遞系統(tǒng)包括一個或多個集成的液體冷卻通道。液體冷卻劑被泵送通過集成的液體冷卻通道，從軸承或軸承組件提取熱量。液體冷卻劑通過熱交換器，以將所提取的熱量從液體冷卻劑去除。冷卻的冷卻劑返回至軸承殼體來重復熱量提取或熱調節(jié)過程。
[0006] 熱電發(fā)電機（TEG)通?？捎靡愿鞣N的形式因素。它們可用以各種不同的尺寸和性能水平。通過利用這兩種技術（a)正交熱電偶和（b)薄膜技術中的任一種來提供熱電發(fā)電機（TEG)。
[0007] 基于熱電偶的熱電發(fā)電機（TEG)利用由不同材料（通常為金屬合金）的兩個導體構成的熱電偶。異種金屬的任何接合將產(chǎn)生與溫度有關的電勢。熱電偶在這兩個導體彼此接觸的點的附近產(chǎn)生電壓。所產(chǎn)生的電壓取決于至相應導體其它部分接合的溫度的差值，但不一定與其成比例。熱電偶用于各種應用，包括溫度傳感器、用于將溫度梯度轉變?yōu)殡娔?的裝置等。商業(yè)熱電偶便宜、可互換，被提供有標準的連接器，并且可以測量寬范圍的溫度。相對于測量溫度的其它方法，熱電偶的一個優(yōu)點是，熱電偶是自供電的。
[0008] 熱電偶可以產(chǎn)生電流。該概念利用被稱之為的珀耳帖效應。珀耳帖效應是在兩種不同的金屬的帶電接合點存在熱。當產(chǎn)生電流流過由材料A和B組成的接合處時,熱量在上接點T2產(chǎn)生，并且在下接點T1吸收。熱電發(fā)電機（TEG)根據(jù)珀爾帖效應的相反概念應用熱電偶，由此在上接點T2存在熱并且在下接點T1存在降低的溫度，熱電偶產(chǎn)生電流。 [0009] 熱電發(fā)電機（TEG)可以利用一系列串聯(lián)連接的熱電偶以形成熱電堆，其中所有的熱接點暴露至較高的溫度，所有的冷接點暴露至較低的溫度。輸出是整個單獨接點上電壓的總和，給出更大的電壓及功率輸出。
[0010] 通過利用珀耳帖（Peltier)冷卻器芯片或基于塞貝克（Seebeck)效應的發(fā)電機，制造基于薄膜技術的熱電發(fā)電機（TEG)。熱電發(fā)電機（TEG)包括η型和p型材料的腿對。每個腿對產(chǎn)生一定的電壓。由熱電發(fā)電機（TEG)產(chǎn)生的電壓（U)正比于乘以塞貝克系數(shù) U)的腿對（Ν)的數(shù)量及頂側與底側之間的溫度差（ΛΤ)，其中：
[0011] υ = Ν*ΔΤ*α
[0012] 塞貝克效應是由兩件事情引起的：電荷載體擴散和聲子拖曳。材料中的電荷載體在導體的一端與另一端溫度不同時將會擴散。熱載體從熱端擴散至冷端，因為在導體冷端的熱載體的密度更低，反之亦然。如果導體達到熱力學平衡，則此過程會導致熱量均勻分布在整個導體上。隨著電荷載體移動，熱量（以熱載體的形式）從一端至另一端的運動是熱流和電流。
[0013] 最近開發(fā)的熱電裝置由通過金屬連接器連接的交替的ρ型和η型半導體元件制成。半導體接點在發(fā)電設備中是常見的，而金屬接點多見于溫度測量。電荷流過η型元件，穿過金屬連接，并傳遞到Ρ型元件。
[0014] 熱電裝置可以用于這兩種應用中的任何一種：（a)利用功率控制溫度和（b)利用熱差產(chǎn)生電力。在第一配置中，其中功率被提供，熱電裝置提供熱產(chǎn)生裝置，利用珀耳帖效應來用作冷卻器。在這種配置中，η型元件中的電子朝著電流的相反方向移動，ρ型元件中的孔將在電流的方向上移動，二者都從裝置的一側除去熱量。在第二配置中，其中熱差被施加至熱電裝置，熱電裝置用作電力發(fā)電機。熱源驅動η-型元件中的電子朝向冷卻器區(qū)域，產(chǎn)生電流通過電路。Ρ型元件中的孔然后在電流的方向上流動。因此，熱能被轉換成電能。
[0015] 熱電發(fā)電機（TEG)還可以利用其他效應，包括：
[0016] (Α)艾聽豪森（Ettingshausen)效應，這是一種熱電（或熱磁）現(xiàn)象，其在存在磁場時影響導體中的電流，和/或
[0017] (B)能斯特（Nernst)效應，這是一種熱電（或熱磁）現(xiàn)象，其在允許電傳導的樣品受到磁場及彼此正交（垂直）的溫度梯度時被觀測到。
[0018] 對各種參數(shù)進行監(jiān)控，以不斷確定軸承的狀態(tài)。軸承的應用可以限制將電力提供給用于監(jiān)測軸承狀態(tài)的傳感器的可用性或方便性。所期望的是一種發(fā)電系統(tǒng)，其可以集成到軸承組件中，以從軸承組件中獲取功率并且利用所獲取的功率來產(chǎn)生電能。

【發(fā)明內容】

[0019] 本發(fā)明針對用于通過利用軸承或軸承組件的操作過程中所產(chǎn)生的熱能來產(chǎn)生電能的設備及相應的方法。
[0020] 在本發(fā)明的第一方面，一種發(fā)電軸承組件，所述發(fā)電軸承組件包括：
[0021] 軸承殼體，其包括軸承子組件座；
[0022] 軸承子組件，其保持在所述軸承子組件座內；以及
[0023] 熱電發(fā)電機（TEG)，其與所述軸承殼體的外表面熱連通，
[0024] 其中在操作過程中，由所述軸承子組件的旋轉所產(chǎn)生的熱量升高所述軸承殼體的溫度，所述熱電發(fā)電機（TEG)將所述軸承殼體升高的溫度與環(huán)境溫度之間的熱差轉換成電功率。
[0025] 在第二方面，所述軸承殼體還包括至少一個集成的液體冷卻通道，其中，所述至少一個集成的液體冷卻通道布置成靠近所述軸承子組件。
[0026] 在另一方面，所述至少一個集成的液體冷卻通道被進一步限定具有低溫冷卻劑流體部分和升高溫度的冷卻劑流體部分。
[0027] 在另一方面，所述熱電發(fā)電機（TEG)在靠近所述至少一個集成的液體冷卻通道之一的升高溫度的冷卻劑流體段的位置熱聯(lián)接至軸承殼體的外表面。
[0028] 在另一方面，所述熱電發(fā)電機（TEG)熱聯(lián)接至具有插入其間的導熱材料的軸承殼體的外表面。
[0029] 在另一方面，散熱片熱聯(lián)接至所述熱電發(fā)電機（TEG)的暴露表面，其中，所述散熱片增加所述熱電發(fā)電機（TEG)的暴露表面的熱冷卻。
[0030] 在另一方面，所述熱電發(fā)電機（TEG)安裝成靠近冷卻系統(tǒng)排出口。
[0031] 在另一方面，所述熱電發(fā)電機（TEG)利用正交熱電偶技術。
[0032] 在另一方面，所述熱電發(fā)電機（TEG)利用薄膜技術。
[0033] 在另一方面，所述熱電發(fā)電機（TEG)還包括無源無線傳輸技術。
[0034] 在另一方面，所述熱電發(fā)電機（TEG)用來提供功率給單獨的電動裝置。
[0035] 在另一方面，所述熱電發(fā)電機（TEG)用來對至少一個軸承狀態(tài)監(jiān)測傳感器供電。
[0036] 在另一方面，所述熱電發(fā)電機（TEG)用來對與相同的軸承組件相關聯(lián)的至少一個軸承狀態(tài)監(jiān)測傳感器供電。
[0037] 在另一方面，所述熱電發(fā)電機（TEG)用來對與相同的軸承組件相關聯(lián)的至少一個軸承狀態(tài)監(jiān)測傳感器以及與位于靠近所述發(fā)電軸承組件的單獨軸承組件相關聯(lián)的至少一個軸承狀態(tài)監(jiān)測傳感器供電。
[0038] 本發(fā)明的一個優(yōu)點是能夠很容易地將熱電發(fā)電機（TEG)合并到軸承組件上來創(chuàng) 建功率獲取軸承組件。從標準的液體冷卻軸承組件轉換成功率獲取軸承組件可以通過將熱電發(fā)電機（TEG)與軸承組件的軸承殼體熱聯(lián)接來完成。變形通過識別在軸承組件的操作過程中具有升高的溫度的軸承殼體上的位置來完成?？梢酝ㄟ^使用本領域技術人員所公知的任何機械緊固形式因素將熱電發(fā)電機（TEG)保持就位。機械緊固形式因素的示例包括螺紋緊固件、鉚釘、粘合劑等。
[0039] 本發(fā)明的另一個優(yōu)點是能夠通過使用由軸承組件的液體冷卻系統(tǒng)所獲得的熱能產(chǎn)生連續(xù)的電流。包括液體冷卻系統(tǒng)增強了從軸承組件去除熱量的過程。通過收集、引導且聚焦熱量至軸承殼體的特定區(qū)域，液體冷卻系統(tǒng)可以用來增加熱電發(fā)電機（TEG)的效率。熱電發(fā)電機（TEG)將在靠近攜帶升高溫度的冷卻劑流體的液體冷卻系統(tǒng)的段的位置聯(lián)接至軸承殼體的外表面。
[0040] 一個或多個傳感器可以用來監(jiān)測軸承的狀態(tài)。通常使用電功率來操作這些傳感器。這些傳感器可以監(jiān)測各種參數(shù)來連續(xù)地確定軸承的狀態(tài)。通信裝置可被用作傳輸媒介，從而將信息傳輸至遠程監(jiān)控設施。還可以通過使用電功率來操作這些通信裝置。不尋常的地方在于，利用軸承組件的系統(tǒng)將位于獲得電能可能很困難的偏遠地區(qū)。軸承組件可以用在布置于遠程位置的設備上。軸承組件的應用可能會限制將電功率提供給用于監(jiān)測軸承狀態(tài)的傳感器的可用性或方便性。包括在軸承組件內的電功率產(chǎn)生裝置省去了對電功率外部來源的需要。此外，通過利用從軸承殼體的表面所獲得的熱能，電能不會從軸承子組件的軸承內圈或系統(tǒng)的其它旋轉元件的旋轉吸收能量。因此，熱電發(fā)電機（TEG)不影響系統(tǒng)的旋轉元件的效率。
[0041] 本發(fā)明的另一個優(yōu)點是可以靈活地進行安裝。安裝可以通過將熱電發(fā)電機（TEG) 熱聯(lián)接至軸承殼體上的任何合適的位置來實現(xiàn)。可以通過確定操作過程中軸承殼體上具有最高溫度的位置對效率進行優(yōu)化。
[0042] 狀態(tài)監(jiān)測傳感器的位置可能使對于用于監(jiān)測軸承狀態(tài)的外部提供的電源的任何設置變得復雜。軸承可以在難以接近特別是用于布線的位置集成到設備中。在軸承組件內包括發(fā)電機優(yōu)化了在靠近傳感器或需要電能的其它設備的位置處的電能來源。這顯著減少所需布線的長度。減少的布線避免了由設備部件的任何旋轉運動或其他運動所造成的任何意外干擾或磨損。
[0043] 本發(fā)明的另一個優(yōu)點是能夠為便攜式的受監(jiān)測的系統(tǒng)布置具有集成的渦輪的臨時系統(tǒng)。該解決方案能夠實現(xiàn)完整獨立的無線系統(tǒng)。同樣，通過將熱電發(fā)電機（TEG)簡單地熱聯(lián)接至軸承殼體來將熱電發(fā)電機（TEG)安裝在合適的位置。
[0044] 對于本領域技術人員來說，參照下面的書面說明書、權利要求以及后面的附圖，將進一步理解本發(fā)明的這些和其他特征、方面及優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0045] 為了更充分地理解本發(fā)明的性質，應參照附圖，其中：
[0046] 圖1示出了包括與軸承殼體的外表面熱連通的熱電發(fā)電機（TEG)的示例性軸承組件的內部正視圖，其中熱電發(fā)電機（TEG)利用由操作軸承組件所產(chǎn)生的熱量與周圍空氣之間的熱差來產(chǎn)生電功率；
[0047] 圖2示出了示例性軸承組件的等距視圖，其包括最初在圖1中所介紹的熱電發(fā)電機（TEG);
[0048] 圖3示出了表示示例性的基于薄膜的熱電發(fā)電機（TEG)的操作元件的示例性示意圖；以及
[0049] 圖4示出了利用無源無線功率傳輸系統(tǒng)的示例性熱電發(fā)電機（TEG)。
[0050] 在整個附圖的若干附圖中，相同的附圖標記指代相同的部件。

【具體實施方式】
[0051] 下面的詳細說明在本質上僅僅是示例性的，并非旨在限制所描述的實施例或所描述的實施例的應用及使用。如本文所用，詞語"示例性"或"說明性"是指"充當示例、例子或說明"。本文中描述為"示例性"或"說明性"的任何實施方式不必被解釋為優(yōu)于或勝過其他實施方式。下面描述的所有實施方式是為了使本領域技術人員能夠制作或使用本公開中實施例的示例性實施方式，并且不旨在限制本公開的范圍（其由權利要求限定）。為了本文說明書的目的，術語"上"、"下"、"左"、"后"、"右"、"前"、"垂直"、"水平"及它們的衍生詞應涉及如圖1中的指向的發(fā)明。此外，沒有由在前面的【技術領域】、【背景技術】、
【發(fā)明內容】
或下面的詳細描述中給出的任何明示或暗示的理論所要約束的任何意圖。還要理解的是，在附圖中所示出的以及在下面的說明書中所描述的特定裝置和過程僅僅是在所附權利要求中限定的發(fā)明概念的示例性實施例。因此，與本文所公開的實施例相關的具體尺寸及其它物理特性不被認為是限制性的，除非權利要求中明確說明。
[0052] 圖1和2中示出了功率獲取軸承組件100。功率獲取軸承組件100包括軸承組件 120,其通過軸承子組件座112保持在軸承殼體110內。示例性軸承組件120包括軸承外圈 122、位于軸承外圈122內的軸承內圈124、以及旋轉地裝配在軸承外圈122與軸承內圈124 之間的一系列跨環(huán)軸承126?？绛h(huán)軸承126可以是球形的、圓柱形的、圓錐形的、雙圓錐形等。圈122U24的配合面將被設計成容納選定的軸承形狀。軸承內周面128形成在軸承內圈124的內表面上。軸承內周面128與旋轉部件比如軸接合。
[0053] 軸承殼體110以各種形式因素配置，具有多種可選的配置。一個可選的特征是包括在軸承殼體110內的集成的軸承冷卻通道系統(tǒng)?？蛇x的集成的軸承冷卻通道系統(tǒng)提供熱傳遞系統(tǒng)，以除去通過軸承和/或與軸承接觸的其它旋轉部件的旋轉所產(chǎn)生的熱量。集成的軸承冷卻通道系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)供給口 130、至少一個集成的液體冷卻通道134、以及冷卻系統(tǒng)返回口 138;所有這些彼此流體連通。集成的軸承冷卻系統(tǒng)另外還會包括液體冷卻齊[J、從液體冷卻劑去除熱量的外部熱交換器、以及用于驅動液體冷卻劑通過集成的液體冷卻段的泵。這些部件對于本領域技術人員來說是熟知的。
[0054] 集成的軸承冷卻通道系統(tǒng)起啟于冷卻系統(tǒng)供給口 130,其將較低溫度的冷卻劑供給到集成的軸承冷卻通道系統(tǒng)中。較冷的冷卻劑可以被直接輸送到集成的液體冷卻通道 134 (如圖2所示），或者通過設置成在冷卻系統(tǒng)供給口 130與集成的液體冷卻通道134之間流體連通的可選的冷卻流體供給輸送管132 (如圖1所示）。
[0055] 集成的液體冷卻通道134布置在軸承殼體110內，以優(yōu)化熱傳遞以及從功率獲取軸承組件100除去熱。冷卻劑通過冷卻系統(tǒng)返回口 138返回到熱交換器（未示出）。集成的液體冷卻通道134可以與冷卻系統(tǒng)返回口 138直接流體連通（如圖2所示），或者通過設置成在集成的液體冷卻通道134與冷卻系統(tǒng)返回口 138之間流體連通的可選的冷卻流體返回輸送管136 (如圖1所示）。
[0056] 隨著流體流過集成的軸承冷卻通道系統(tǒng)，冷卻劑從功率獲取軸承組件100吸收熱量。低溫供給冷卻劑流體140以環(huán)境溫度或冷卻的溫度進入冷卻系統(tǒng)供給口 130。隨著低溫供給冷卻劑流體140傳輸至集成的液體冷卻通道134的入口段，流體可以被稱作低溫冷卻劑流體142。隨著冷卻劑繼續(xù)流過集成的軸承冷卻通道系統(tǒng)，更具體地說是集成的液體冷卻通道134,冷卻劑從功率獲取軸承組件100吸收熱量。隨著冷卻劑通過靠近軸承組件120 的集成的液體冷卻通道134的段，冷卻劑從軸承組件120吸收熱量。在此熱交換過程中，冷卻劑被稱為熱傳輸流體144。隨著集成的液體冷卻通道134的路徑分叉集成的液體冷卻通道134遠離軸承組件120,熱傳輸流體144不再從軸承子組件120吸收熱量。集成的液體冷卻通道134布置成最初會聚在軸承子組件120上，沿著軸承子組件120的輪廓，然后從軸承組件120分叉以與冷卻系統(tǒng)返回口 138連接。隨著集成的液體冷卻通道134分叉遠離軸承組件120,從軸承組件120至冷卻劑的熱傳遞減弱。在所述過程中的此階段，冷卻劑被稱為升高溫度的冷卻劑流體146。冷卻劑通過冷卻系統(tǒng)返回口 138排出，用于返回至熱交換器 (未示出）。返回的、被加熱的冷卻劑被稱為升高溫度的返回冷卻劑流體148。
[0057] 熱電發(fā)電機（TEG) 200熱聯(lián)接至軸承殼體110的外表面。通過使用本領域技術人員所公知的任何機械聯(lián)接配置，熱電發(fā)電機（TEG) 200可以被固定到軸承殼體110。合適的機械聯(lián)接配置的示例包括螺紋緊固件（比如螺栓、螺釘?shù)龋?、安裝支架、鉚釘、粘合劑等。熱電發(fā)電機（TEG) 200將熱能（以溫度差的形式）轉換成電能。所產(chǎn)生的電能通過發(fā)電機功率輸出布線252(圖1-3)或無源無線電力傳輸系統(tǒng)270(圖4)被傳輸至電操作裝置、電功率存儲裝置等。發(fā)電機功率輸出布線252可以以任意各種的形式因素設置，包括電線、電線束或電纜、帶狀電纜等。產(chǎn)品設計者將確定發(fā)電機功率輸出布線252連接至熱電發(fā)電機 (TEG)200的位置。作為替代的有線解決方案，所產(chǎn)生的電能量可以通過使用任何合適的無線傳遞電力傳輸系統(tǒng)270包括無源無線通信等被傳輸至電操作裝置。電力發(fā)射天線將同與任何電功率存儲裝置、電操作裝置等中的任何一個電通信的電力接收天線相匹配。
[0058] 導熱墊或粘合劑202可以用在熱電發(fā)電機（TEG) 200與軸承殼體110的每個的接觸表面之間來優(yōu)化其間的熱傳遞。熱電發(fā)電機（TEG)200在靠近包含高溫冷卻劑流體146 的集成的液體冷卻通道134的段的位置被固定至軸承殼體110?？拷邷乩鋮s劑流體 146的集成的液體冷卻通道134的段的區(qū)域提供高溫源210,用于熱電發(fā)電機（TEG) 200的操作。熱電發(fā)電機（TEG) 200的暴露部分提供低溫源212,用于熱電發(fā)電機（TEG) 200的操作。高溫源210與低溫源212之間的熱差促使熱電發(fā)電機（TEG)200產(chǎn)生電能輸出。熱電發(fā)電機（TEG) 200的操作的細節(jié)在圖3中示出，下面將對其進行說明。
[0059] 因為熱電發(fā)電機（TEG) 200的外表面提供了低溫源212,所以平面配置依賴于局部的氣流和環(huán)境冷卻，以維持較低的溫度。一系列的熱冷卻散熱片260可以包括在熱電發(fā)電機（TEG)200的外部上，以提高低溫源212的冷卻。通過采用任何已知的散熱片連接技術，熱冷卻散熱片260將連接至熱電發(fā)電機（TEG) 200的外部。
[0060] 功率獲取軸承組件100可以包括狀態(tài)傳感器150或其它電操作部件。通過將發(fā)電機功率輸出布線252連接至狀態(tài)傳感器布線152,電功率從熱電發(fā)電機（TEG) 200被傳輸至狀態(tài)傳感器150。狀態(tài)傳感器布線152提供狀態(tài)傳感器150與發(fā)電機功率輸出布線252之間的電通信通道。要理解的是，熱電發(fā)電機（TEG)200可以將電功率提供給傳感器150及位于功率獲取軸承組件100的大體附近的其他電操作部件，包括位于其他軸承組件上的軸承傳感器；溫度傳感器；負荷傳感器；轉數(shù)計數(shù)器；速度傳感器；麥克風；SEE傳感器；扭矩傳感器；GPS傳感器；通信裝置（有線或無線）；通信裝置（有線或無線）；警報；數(shù)據(jù)記錄裝置（包括計算機、磁帶驅動器、數(shù)字記錄裝置、光盤記錄裝置等）；控制器等。
[0061] 一個或多個維護接近面板160可以設置在軸承殼體110上，其中維護接近面板160 提供接近內部元件進行檢查、維護和維修。
[0062] 熱電發(fā)電機（TEG) 200包括本領域技術人員所公知的任何熱電發(fā)電機（TEG)的元件。本文所提出的熱電發(fā)電機（TEG)200的示例性實施例示出了一實施例來描述各種元件、部件間的相互關系以及它們的功能。
[0063] 熱電發(fā)電機（TEG)200通常可用以各種的形式因素。它們可以是各種不同的尺寸和性能水平。通過利用這兩種技術（a)正交熱電偶和（b)薄膜技術中的任一種來提供熱電發(fā)電機（TEG)200。
[0064] 基于熱電偶的熱電發(fā)電機（TEG)200利用由不同材料（通常為金屬合金）的兩個導體構成的熱電偶。異種金屬的任何接合將產(chǎn)生與溫度有關的電勢。熱電偶在這兩個導體彼此接觸的點的附近產(chǎn)生電壓。電壓反過來又產(chǎn)生電流。該概念利用被稱之為的珀耳帖效應。珀耳帖效應是在兩種不同的金屬的帶電接合點存在熱。當產(chǎn)生電流流過由材料A和B 組成的接合處時，熱量在上接點T2產(chǎn)生，并且在下接點T1吸收。熱電發(fā)電機（TEG)根據(jù)珀爾帖效應的相反概念應用熱電偶，由此在上接點T2存在熱并且在下接點T1存在降低的溫度，熱電偶產(chǎn)生電流。
[0065] 基于薄膜技術的熱電發(fā)電機（TEG) 200利用基于半導體的技術?；跓犭娕嫉臒?電發(fā)電機（TEG) 200的效率很少超過3%。隨著半導體器件的問世，熱電發(fā)電機（TEG) 200的效率大大提高。因此，本公開的重點是基于薄膜技術的熱電發(fā)電機（TEG) 200。
[0066] 圖3表示的是示出了基于薄膜技術的熱電發(fā)電機（TEG)200的操作部件的示例性示意圖。熱電發(fā)電機（TEG) 200暴露至溫度差。熱電發(fā)電機（TEG) 200的一側暴露至高溫源 210。熱電發(fā)電機（TEG)200的另一側暴露至低溫源212。熱電發(fā)電機（TEG)200的關鍵部件是P型半導體元件230和η型半導體元件232。高溫源210與半導體元件230、232之間的熱傳遞由熱載體240完成。熱載體240通常是熱電發(fā)電機（TEG) 200的接觸或連接構件或部分。Ρ側冷載體220和Ν側冷載體222通常是熱電發(fā)電機（TEG) 200的暴露的構件或部分。熱載體240和冷載體220、222位于半導體元件230、232的相對端。熱載體240與冷載體220、222之間的熱差促使半導體元件230、232產(chǎn)生電流，其由發(fā)電機功率輸出布線252 攜帶。
[0067] 熱電發(fā)電機（TEG) 200包括ρ型半導體元件230和η型半導體元件232的腿對。每個腿對產(chǎn)生一定的電壓。由熱電發(fā)電機（TEG) 200產(chǎn)生的電壓（U)正比于乘以塞貝克系數(shù) U)的腿對（Ν)的數(shù)量及頂側與底側之間的溫度差（ΛΤ)，其中：
[0068] U = Ν* Δ Τ* α
[0069] 塞貝克效應是由兩件事情引起的：電荷載體擴散和聲子拖曳。材料中的電荷載體在導體的一端與另一端溫度不同時將會擴散。熱載體從熱載體240擴散至低溫源212,因為在導體冷端的熱載體的密度更低，反之亦然。隨著電荷載體移動，熱量（以熱載體的形式）從一端至另一端的運動是熱流和電流。
[0070] 最近開發(fā)的熱電裝置由通過金屬連接器連接的交替的ρ型半導體元件230和η型半導體元件232制成。半導體接點在發(fā)電設備中是常見的，而金屬接點多見于溫度測量。電荷流過η型元件232,穿過金屬連接，并傳遞到ρ型元件230。所產(chǎn)生的電流流過發(fā)電機功率輸出布線252。
[0071] 發(fā)電機功率輸出布線252連接至任何電操作裝置，比如狀態(tài)傳感器150。在有線配置中，發(fā)電機功率輸出布線252連接至狀態(tài)傳感器布線152,以將電能從熱電發(fā)電機 (TEG)200傳輸至狀態(tài)傳感器150,如圖3所示?？商娲兀ㄟ^使用無源無線電力傳輸系統(tǒng) 270,如圖4所示，熱電發(fā)電機（TEG) 200可以將功率傳輸至任何電操作裝置。
[0072] 在操作中，熱電發(fā)電機（TEG)200熱聯(lián)接至軸承殼體110的外表面。隨著軸承轉動，摩擦及其它相互作用產(chǎn)生熱量。所引起的熱量升高軸承殼體110的溫度。熱電發(fā)電機 (TEG) 200暴露至并位于軸承殼體110 (高溫源210)與周圍環(huán)境（低溫源212)之間的溫度的差異之間。軸承殼體110與周圍環(huán)境之間的溫度差促使熱電發(fā)電機（TEG)200產(chǎn)生電壓，其在電聯(lián)接至負載時產(chǎn)生電流，如圖3所示。所產(chǎn)生的電功率由發(fā)電機功率輸出布線252 或無源無線電力傳輸系統(tǒng)270傳輸，用于存儲或由電動裝置比如狀態(tài)傳感器150使用。
[0073] 該系統(tǒng)可由于包括在軸承殼體110內的集成的軸承冷卻通道系統(tǒng)而得到增強。流體流過集成的軸承冷卻通道系統(tǒng)以從功率獲取軸承組件100中去除熱量。集成的軸承冷卻通道系統(tǒng)包括集成的液體冷卻通道134,其布置成相鄰于軸承組件120流動。隨著冷卻劑沿著集成的液體冷卻通道134流動，冷卻劑從低溫冷卻劑流體142轉變成熱傳輸流體144,并且最終轉變成升高溫度的冷卻劑流體146。升高溫度的冷卻劑流體146由于導熱性能和熱梯度升高在總體附近的軸承殼體110的一部分的溫度。熱電發(fā)電機（TEG)200在靠近具有升高溫度的區(qū)域的位置處連接至功率獲取軸承組件100。正如前面所述，暴露的環(huán)境空氣提供創(chuàng)建溫度增量所需的第二部分或低溫源212,用于熱電發(fā)電機（TEG) 200的操作。高溫源 210與低溫源212之間的溫度差促使熱電發(fā)電機（TEG) 200產(chǎn)生電功率。
[0074] 可以理解的是，熱電發(fā)電機（TEG)200可以選自任何可用的或定制設計的操作及物理設計。操作特性可以設計用于任何預期的操作溫度差和電壓或電流輸出。
[0075] 由于可以詳細地對本發(fā)明的所述優(yōu)選實施例進行許多修改、變化和改變，所以希望是在前面描述中的以及在附圖中所示的所有事項應被解釋為說明性的而不是限制性的。因此，本發(fā)明的范圍應當由所附權利要求及其合法的等價物來確定。
[0076] 附圖標記列表
[0077] 100功率獲取軸承組件
[0078] 110軸承殼體
[0079] 112軸承座
[0080] 120軸承子組件
[0081] 122軸承外圈
[0082] 124軸承內圈
[0083] 126跨環(huán)軸承
[0084] 128軸承內周面
[0085] 130冷卻系統(tǒng)供給口
[0086] 132冷卻流體供給輸送管
[0087] 134集成的液體冷卻通道
[0088] 136冷卻流體返回輸送管
[0089] 138冷卻系統(tǒng)返回口 [0090] 140低溫供給冷卻劑流體
[0091] 142低溫冷卻劑流體
[0092] 144熱傳輸流體
[0093] 146升高溫度的冷卻劑流體
[0094] 148升高溫度的返回冷卻劑流體
[0095] 150狀態(tài)傳感器
[0096] 152狀態(tài)傳感器布線
[0097] 160維護接近面板
[0098] 200熱電發(fā)電機（TEG)
[0099] 202導熱材料
[0100] 210高溫源
[0101] 212低溫源
[0102] 220 P側冷載體
[0103] 222 N側冷載體
[0104] 230 p型半導體元件
[0105] 232 η型半導體元件
[0106] 240熱載體
[0107] 252發(fā)電機功率輸出布線
[0108] 260熱冷卻散熱片
[0109] 270無源無線電力傳輸系統(tǒng)
【權利要求】
1. 一種發(fā)電軸承組件（100)，包括：軸承殼體（110)，其包括軸承座（112); 軸承子組件（120)，其保持在軸承座（112)內；以及熱電發(fā)電機（TEG) (200)，其與軸承殼體（110)的外表面熱連通，其中在操作過程中，由軸承子組件（120)的旋轉所產(chǎn)生的熱量升高軸承殼體（110)的溫度，熱電發(fā)電機（TEG) (200)將軸承殼體升高的溫度（210)與環(huán)境溫度（212)之間的熱差轉換成電功率。
2. 根據(jù)權利要求1所述的發(fā)電軸承組件（100)，所述熱電發(fā)電機（TEG) (200)還包括利用薄膜技術的操作部件。
3. 根據(jù)權利要求1所述的發(fā)電軸承組件（100)，所述熱電發(fā)電機（TEG) (200)還包括利用正交熱電偶技術的操作部件。
4. 根據(jù)權利要求1所述的發(fā)電軸承組件（100)，所述熱電發(fā)電機（TEG) (200)還包括至少一個冷卻熱散熱片（260)，其在所述熱電發(fā)電機（TEG) (200)熱聯(lián)接至所述軸承殼體 (110)時從外部暴露的表面延伸。
5. 根據(jù)權利要求1所述的發(fā)電軸承組件（100)，還包括導熱材料（202)，其裝配在所述熱電發(fā)電機（TEG) (200)與所述軸承殼體（110)外表面的配合表面之間。
6. 根據(jù)權利要求1所述的發(fā)電軸承組件（100)，還包括狀態(tài)傳感器（150)，其中，由所述熱電發(fā)電機（TEG) (200)所產(chǎn)生的功率操作所述狀態(tài)傳感器（150)。
7. -種發(fā)電軸承組件（100)，包括：軸承殼體（110)，其包括：軸承座（112)，以及至少一個集成的液體冷卻通道（統(tǒng)稱為130、132、134、136、138)，其布置成靠近所述軸承座（112)，其中，通過所述至少一個集成的液體冷卻通道（統(tǒng)稱為130、132、134、136、138) 的流體流（統(tǒng)稱為140、142、144、146、148)限定環(huán)境溫度供給段（130、132、134的部分）和升高溫度返回段（134的部分、136、138);以及軸承子組件（120)，其保持在軸承座（112)內；以及熱電發(fā)電機（TEG) (200)，其在靠近所述升高溫度返回段（134的部分、136U38)的位置與軸承殼體（110)的外表面熱連通，其中在操作過程中，由軸承子組件（120)的旋轉所產(chǎn)生的熱量升高軸承殼體（110)的溫度，熱電發(fā)電機（TEG) (200)將軸承殼體升高的溫度（210)與環(huán)境溫度（212)之間的熱差轉換成電功率。
8. 根據(jù)權利要求7所述的發(fā)電軸承組件（100)，所述至少一個集成的液體冷卻通道 (統(tǒng)稱為130、132、134、136、138)包括冷卻系統(tǒng)返回口（138)，其位于所述至少一個集成的液體冷卻通道（統(tǒng)稱為130、132、134、136、138)的排出端，并且所述熱電發(fā)電機（TEG) (200)位于靠近所述冷卻系統(tǒng)返回口（138)。
9. 根據(jù)權利要求7所述的發(fā)電軸承組件（100)，所述至少一個集成的液體冷卻通道 (134)布置成最初會聚于軸承子組件（120)上，沿著軸承子組件（120)的輪廓，然后從軸承子組件（120)分叉以與冷卻系統(tǒng)返回口（138)連接；以及所述熱電發(fā)電機（TEG) (200)位于靠近所述至少一個集成的液體冷卻通道（134)與所述軸承子組件（120)之間的所述分叉處。
10. 根據(jù)權利要求7所述的發(fā)電軸承組件（100)，所述熱電發(fā)電機（TEG) (200)還包括利用薄膜技術的操作部件。
11. 根據(jù)權利要求7所述的發(fā)電軸承組件（100)，所述熱電發(fā)電機（TEG) (200)還包括利用正交熱電偶技術的操作部件。
12. 根據(jù)權利要求7所述的發(fā)電軸承組件（100)，所述熱電發(fā)電機（TEG) (200)還包括至少一個冷卻熱散熱片（260)，其在所述熱電發(fā)電機（TEG) (200)熱聯(lián)接至所述軸承殼體 (110)時從外部暴露的表面延伸。
13. 根據(jù)權利要求7所述的發(fā)電軸承組件（100)，還包括導熱材料（202)，其裝配在所述熱電發(fā)電機（TEG) (200)與所述軸承殼體（110)外表面的配合表面之間。
14. 根據(jù)權利要求7所述的發(fā)電軸承組件（100)，還包括狀態(tài)傳感器（150)，其中，由所述熱電發(fā)電機（TEG) (200)所產(chǎn)生的功率操作所述狀態(tài)傳感器（150)。
【文檔編號】F16C37/00GK104114887SQ201280060313
【公開日】2014年10月22日申請日期:2012年10月3日優(yōu)先權日:2011年10月6日
【發(fā)明者】F.巴特爾, A.C.范德哈姆申請人:Skf公司

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