热电功率获取轴承配置的制作方法

热电功率获取轴承配置的制作方法
【专利摘要】一种发电轴承组件(100)包括由轴承壳体(110)保持的轴承子组件(120)。在操作过程中，摩擦及其他因素增加轴承组件(100)的温度。壳体(110)可任选地包括含有形成于其中内部的至少一个液体冷却通道(134)的轴承冷却通道系统。液体冷却通道(134)将会被布置成靠近轴承子组件(120)，以从其中除去热量。热发电机腔(180)从壳体(110)的外表面向内延伸，终止于腔端壁(182)。腔(180)形成在被识别具有较高温度的位置。热电发电机(TEG)(200)插入腔(180)内，并且热联接至端壁(182)。热电发电机(TEG)(200)利用端壁(182)与周围空气之间的温度差来产生电功率。该功率可以用于操作电动装置，比如状态传感器(150)、通信装置等。
【专利说明】热电功率获取轴承配置【技术领域】
[0001]本发明涉及利用热电发电机(TEG)来将由轴承壳体内的轴承旋转产生的热能转换成电能的用于发电的设备和方法。
【背景技术】
[0002]轴承用于支承许多旋转物体。轴承通常集成到各种机器中。轴承是有助于机器可靠性的关键因素。设计的系统通常会安装一个或多个轴承状态监测装置，以确保轴承保持处于正常运转状态。大部分的状态监测装置要求低电压的电力进行操作。有些系统包括还利用电力的其它部件。一个这样的电操作部件可以是通信装置，用于将状态监测信息传送至远程服务公司。
[0003]轴承可以被集成到具有各种广泛应用的许多不同的机器中。这些应用可以布置在通常缺乏公共提供的电力的非常偏僻的农村地区。
[0004]电池提供的容量有限，这决定了限量供应，从而运行时间有限。从商业实用源获得电力可能是昂贵的，特别是对于远程安装。从市售来源传输电力可能需要运行大量的且昂贵的电源布线及支承设备。这些系统的维修必须加以考虑。更换电池会带来零件及人工成本。对于临时安装来说，这些问题得以加剧。
[0005]在操作期间，轴承可能产生显著量的热量。产生显著量热量的轴承通常包括热耗散或热传递系统。一个示例性的热传递系统包括一个或多个集成的液体冷却通道。液体冷却剂被泵送通过集成 的液体冷却通道，从轴承或轴承组件提取热量。液体冷却剂通过热交换器，以将所提取的热量从液体冷却剂去除。冷却的冷却剂返回至轴承壳体来重复热量提取或热调节过程。
[0006]热电发电机(TEG)通常可用以各种的形式因素。它们可用以各种不同的尺寸和性能水平。通过利用这两种技术(a)正交热电偶和(b)薄膜技术中的任一种来提供热电发电机(TEG)。
[0007]基于热电偶的热电发电机(TEG)利用由不同材料(通常为金属合金)的两个导体构成的热电偶。异种金属的任何接合将产生与温度有关的电势。热电偶在这两个导体彼此接触的点的附近产生电压。所产生的电压取决于至相应导体其它部分接合的温度的差值，但不一定与其成比例。热电偶用于各种应用，包括温度传感器、用于将温度梯度转变为电能的装置等。商业热电偶便宜、可互换，被提供有标准的连接器，并且可以测量宽范围的温度。相对于测量温度的其它方法，热电偶的一个优点是，热电偶是自供电的。
[0008]热电偶可以产生电流。该概念利用被称之为的珀耳帖效应。珀耳帖效应是在两种不同的金属的带电接合点存在热。当电流被产生流过由材料A和B组成的接合处时,热量在上接点T2产生，并且在下接点Tl吸收。热电发电机(TEG)根据珀尔帖效应的相反概念应用热电偶，由此在上接点T2存在热并且在下接点Tl存在降低的温度，热电偶产生电流。
[0009]热电发电机(TEG)可以利用一系列串联连接的热电偶以形成热电堆，其中所有的热接点暴露至较高的温度，所有的冷接点暴露至较低的温度。输出是整个单独接点上电压的总和，给出更大的电压及功率输出。
[0010]通过利用珀耳帖(Peltier)冷却器芯片或基于塞贝克(Seebeck)效应的发电机，制造基于薄膜技术的热电发电机(TEG)。热电发电机(TEG)包括η型和P型材料的腿对。每个腿对产生一定的电压。由热电发电机(TEG)产生的电压(U)正比于乘以塞贝克系数(α)的腿对(N)的数量及顶侧与底侧之间的温度差(AT)，其中:
[0011]U = Ν*ΔΤ*α
[0012]塞贝克效应是由两件事情引起的:电荷载体扩散和声子拖曳。材料中的电荷载体在导体的一端与另一端温度不同时将会扩散。热载体从热端扩散至冷端，因为在导体冷端的热载体的密度更低，反之亦然。如果导体达到热力学平衡，则此过程会导致热量均匀分布在整个导体上。随着电荷载体移动，热量(以热载体的形式)从一端至另一端的运动是热流和电流。
[0013]最近开发的热电装置由通过金属连接器连接的交替的P型和η型半导体元件制成。半导体接点在发电设备中是常见的，而金属接点多见于温度测量。电荷流过η型元件，穿过金属连接，并传递到P型元件。
[0014]热电装置可以用于这两种应用中的任何一种:(a)利用功率控制温度和(b)利用热差产生电力。在第一配置中，其中功率被提供，热电装置提供热产生装置，利用珀耳帖效应来用作冷却器。在这种配置中，η型元件中的电子朝着电流的相反方向移动，P型元件中的孔将在电流的方向上移动，二者都从装置的一侧除去热量。在第二配置中，其中热差被施加至热电装置，热电装置用作电力发电机。热源驱动η-型元件中的电子朝向冷却器区域，产生电流通过电路。P型元件中的孔然后在电流的方向上流动。因此，热能被转换成电能。
[0015]热电发电机(TEG)还可以利用其他效应，包括:
[0016](A)艾听豪森(Ettingshausen)效应,这是一种热电(或热磁)现象，其在存在磁场时影响导体中的电流，和/或
[0017](B)能斯特(Nernst)效应，这是一种热电(或热磁)现象，其在允许电传导的样品受到磁场及彼此正交(垂直)的温度梯度时被观测到。
[0018]对各种参数进行监控，以不断确定轴承的状态。轴承的应用可以限制将电力提供给用于监测轴承状态的传感器的可用性或方便性。所期望的是一种发电系统，其可以集成到轴承组件中，以从轴承组件中获取功率并且利用所获取的功率来产生电能。

【发明内容】

[0019]本发明针对用于通过利用轴承或轴承组件的操作过程中所产生的热能来产生电能的设备及相应的方法。
[0020]在本发明的第一方面，一种发电轴承组件，所述发电轴承组件包括:
[0021 ] 轴承壳体，其包括:
[0022]轴承子组件座，以及
[0023]热发电机腔，其从所述轴承壳体的外表面向内延伸，所述热发电机腔终止于腔端壁；
[0024]轴承子组件，其保持在所述轴承子组件座内；以及
[0025]热电发电机(TEG)，其位于所述热发电机腔内，其中，所述热电发电机(TEG)与所述腔端壁的表面热连通，
[0026]其中在操作过程中，由所述轴承子组件的旋转所产生的热量升高所述轴承壳体的温度，所述热电发电机(TEG)将在所述腔端壁的所述轴承壳体升高的温度与环境温度之间的热差转换成电功率。
[0027]在第二方面，所述轴承壳体还包括至少一个集成的液体冷却通道，其中，所述至少一个集成的液体冷却通道布置成靠近所述轴承子组件。
[0028]在另一方面，所述至少一个集成的液体冷却通道被进一步限定具有低温冷却剂流体部分和升高温度冷却剂流体部分。
[0029]在另一方面，所述热发电机腔形成在靠近所述至少一个集成的液体冷却通道之一的升高温度冷却剂流体段的位置。
[0030]在另一方面，通过使用插入其间的导热材料，所述热电发电机(TEG)热联接至所述热发电机腔端壁。
[0031]在另一方面，热发电机腔填充物装配在所述热电发电机(TEG)与热电发电机盖板之间。所述热发电机腔填充物提供所述热电发电机盖板与热电发电机(TEG)的冷侧之间的热传导性。
[0032]在另一方面，散热片热联接至所述热电发电机盖板的暴露表面，其中，所述散热片增加所述热电发电机盖板的暴露表面的热冷却，通过所述热发电机腔填充物将较冷温度传递至热电发电机(TEG)。
[0033]在另一方面，所述热发电机腔安装成靠近冷却系统排出口。
[0034]在另一方面，所述热电发电机(TEG)利用正交热电偶技术。
[0035]在另一方面，所述热电发电机(TEG)利用薄膜技术。
[0036]在另一方面，所述热电发电机(TEG)还包括无源无线传输技术。
[0037]在另一方面，所述热电发电机(TEG)用来提供功率给单独的电动装置。
[0038]在另一方面，所述热电发电机(TEG)用来对至少一个轴承状态监测传感器供电。
[0039]在另一方面，所述热电发电机(TEG)用来对与相同的轴承组件相关联的至少一个轴承状态监测传感器供电。
[0040]在另一方面，所述热电发电机(TEG)用来对与相同的轴承组件相关联的至少一个轴承状态监测传感器以及与位于靠近所述发电轴承组件的单独轴承组件相关联的至少一个轴承状态监测传感器供电。
[0041]本发明的一个优点是能够很容易地将热电发电机(TEG)合并到轴承组件上来创建电能获取轴承组件。从标准的液体冷却轴承组件转换成功率获取轴承组件可以通过形成从轴承壳体的外表面向内延伸、终止于热发电机腔端壁的热发电机腔来完成。热电发电机(TEG)插入在热发电机腔内，并且落座于所述热发电机腔端壁。安装到壳体内的腔中避免集成的液体冷却通道的穿透。这避免任何潜在的流体泄漏。可以通过移除热电发电机盖板很容易地接近热电发电机(TEG)用于维护。随着热电发电机(TEG)被定位成更靠近热源，将热电发电机(TEG)嵌入在热发电机腔内增加高温源的温度。
[0042]本发明的另一个优点是能够通过使用从在轴承组件的操作过程中所产生的热量获得的热能产生连续的电流。包括液体冷却系统增强了从轴承组件去除热量的过程。通过收集、引导且聚焦热量至轴承壳体的特定区域，液体冷却系统可以用来增加热电发电机(TEG)的效率。热电发电机(TEG)将插入在靠近携带升高温度的冷却剂流体的液体冷却系统的段的位置延伸到轴承壳体中的热发电机腔内。
[0043]一个或多个传感器可以用来监测轴承的状态。通常使用电功率来操作这些传感器。这些传感器可以监测各种参数来连续地确定轴承的状态。通信装置可被用作传输媒介，以将信息传输至远程监控设施。还可以通过使用电能来操作这些通信装置。不寻常的地方在于，利用轴承组件的系统将位于获取电能可能很困难的偏远地区。轴承组件可以用在布置于远程位置的设备上。轴承组件的应用可能会限制将电能提供给用于监测轴承状态的传感器的可用性或方便性。包括在轴承组件内的电能产生装置省去了所需要的电能外部来源。此外，通过利用从在轴承壳体内的位置所获得的热能，电能不会从轴承子组件的轴承内圈或系统的其它旋转元件的旋转吸收能量。因此，热电发电机(TEG)不影响系统的旋转元件的效率。
[0044]本发明的另一个优点是可以灵活地进行安装。安装可以通过将热电发电机(TEG)热联接至轴承壳体上的任何合适的位置来实现。可以通过确定操作过程中轴承壳体上具有最高温度的位置对效率进行优化。可以通过形成从轴承壳体的表面向内延伸的热发电机腔增加温度差。状态监测传感器的位置可能使对于用于监测轴承状态的外部提供的电源的任何设置变复杂。轴承可以在难以接近特别是用于布线的位置集成到设备中。在轴承组件内包括发电机优化了在靠近传感器或需要电功率的其它设备的位置处的电功率来源。热发电机腔可以形成在轴承壳体上任何合理的位置；考虑到该位置，基于轴承组件的操作温度及接近电操作部件，预测来自热电发电机(TEG)的功率。这显著减少所需布线的长度。减少的布线避免了由设备部件的任何旋转运动或其他运动所造成的任何意外干扰或磨损。
[0045]对于本领域技术人员来说，参照下面的书面说明书、权利要求以及后面的附图，将进一步理解本发明的这些和其他特征、方面及优点。
【专利附图】

【附图说明】
[0046]为了更充分地理解本发明的性质，应参照附图，其中:
[0047]图1示出了示例性轴承组件的内部正视图，其包括位于热发电机腔内的热电发电机(TEG)，其中热电发电机(TEG)与热发电机腔的端壁热连通，并且利用由操作轴承组件所产生的热量与周围空气之间的热差来产生电功率；
[0048]图2示出了示例性轴承组件的等距分解组装图，其包括最初在图1中所介绍的热电发电机(TEG)；
[0049]图3示出了表示示例性的基于薄膜的热电发电机(TEG)的操作元件的示例性示意图；以及
[0050]图4示出了利用无源无线功率传输系统的示例性热电发电机(TEG)。
[0051 ] 在整个附图的若干附图中，相同的附图标记指代相同的部件。
【具体实施方式】
[0052]下面的详细说明在本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制所描述的实施例或所描述的实施例的应用及使用。如本文所用，词语“示例性”或“说明性”是指“充当示例、例子或说明”。本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式不必被解释为优于或胜过其他实施方式。下面描述的所有实施方式是为了使本领域技术人员能够制作或使用本公开中实施例的示例性实施方式，并且不旨在限制本公开的范围(其由权利要求限定)。为了本文说明书的目的，术语“上”、“下”、“左”、“后”、“右”、“前”、“垂直”、“水平”及它们的衍生词应涉及如图1中的指向的发明。此外，没有由在前面的【技术领域】、【背景技术】、
【发明内容】
或下面的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论所要约束的任何意图。还要理解的是，在附图中所示出的以及在下面的说明书中所描述的特定装置和过程仅仅是在所附权利要求中限定的发明概念的示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸及其它物理特性不被认为是限制性的，除非权利要求中明确说明。
[0053]图1和2中示出了功率获取轴承组件100。功率获取轴承组件100包括轴承组件120，其通过轴承子组件座112保持在轴承壳体110内。示例性轴承组件120包括轴承外圈122、位于轴承外圈122内的轴承内圈124、以及旋转地装配在轴承外圈122与轴承内圈124之间的一系列跨环轴承126。跨环轴承126可以是球形的、圆柱形的、圆锥形的、双圆锥形等。圈122、124的配合面将被设计成容纳选定的轴承形状。轴承内周面128形成在轴承内圈124的内表面上。轴承内周面128与旋转部件比如轴接合。
[0054]轴承壳体110以各种形式因素配置，具有多种可选的配置。一个可选的特征是包括在轴承壳体110内的集成的轴承冷却通道系统。可选的集成的轴承冷却通道系统提供热传递系统，以除去通过轴承和/或与轴承接触的其它旋转部件的旋转所产生的热量。集成的轴承冷却通道系统包括冷却系统供给口 130、至少一个集成的液体冷却通道134、以及冷却系统返回口 138 ;所有这些彼此流体连通。集成的轴承冷却系统另外还会包括液体冷却齐U、从液体冷却剂去除热量的外部热交换器、以及用于驱动液体冷却剂通过集成的液体冷却段的泵。这些部件对于本领域技术人员来说是熟知的。
[0055]集成的轴承冷却通道系统起启于冷却系统供给口 130，其将较低温度的冷却剂供给到集成的轴承冷却通道系统中。较冷的冷却剂可以被直接输送到集成的液体冷却通道134 (如图2所示)，或者通过设置成在冷却系统供给口 130与集成的液体冷却通道134之间流体连通的可选的冷却流体供给输送管132 (如图1所示)。
[0056]集成的液体冷却通道134布置在轴承壳体110内，以优化热传递以及从功率获取轴承组件100除去热。冷却剂通过冷却系统返回口 138返回到热交换器(未示出)。集成的液体冷却通道134可以与冷却系统返回口 138直接流体连通(如图2所示)，或者通过设置成在集成的液体冷却通道134与冷却系统返回口 138之间流体连通的可选的冷却流体返回输送管136 (如图1所示)。
[0057]随着流体流过集成的轴承冷却通道系统，冷却剂从功率获取轴承组件100吸收热量。低温供给冷却剂流体140以环境温度或冷却的温度进入冷却系统供给口 130。随着低温供给冷却剂流体140传输至集成的液体冷却通道134的入口段，流体可以被称作低温冷却剂流体142。随着冷却剂继续流过集成的轴承冷却通道系统，更具体地说是集成的液体冷却通道134，冷却剂从功率获取轴承组件100吸收热量。随着冷却剂通过靠近轴承组件120的集成的液体冷却通道134的段，冷却剂从轴承组件120吸收热量。在此热交换过程中，冷却剂被称为热传输流体144。随着集成的液体冷却通道134的路径分叉集成的液体冷却通道134远离轴承组件120，热传输流体144不再从轴承子组件120吸收热量。集成的液体冷却通道134布置成最初会聚在轴承子组件120上，沿着轴承子组件120的轮廓，然后从轴承组件120分叉以与冷却系统返回口 138连接。随着集成的液体冷却通道134分叉远离轴承组件120，从轴承组件120至冷却剂的热传递减弱。在所述过程中的此阶段，冷却剂被称为升高温度的冷却剂流体146。冷却剂通过冷却系统返回口 138排出，用于返回至热交换器(未示出)。返回的、被加热的冷却剂被称为升高温度的返回冷却剂流体148。
[0058]热发电机腔180从轴承壳体110的外表面向内延伸，终止于热发电机腔端壁182。用于在轴承壳体110内形成热发电机腔180的位置考虑轴承组件功率获取轴承组件100的操作过程中的热梯度。该位置还考虑靠近电操作装置，比如一个或多个状态传感器150。优选的位置优化在轴承壳体的区域的操作温度及用于布置在热电发电机(TEG) 200与电操作装置之间的电气布线的距离和路径之间。
[0059]热电发电机(TEG) 200热联接至从轴承壳体110的外表面向内延伸的热发电机腔180的热发电机腔端壁182。热电发电机(TEG) 200可以夹持在热发电机腔端壁182与热发电机腔填充物254之间。热发电机腔填充物254优选地由具有高水平热传导性的材料制成。热发电机腔填充物254提供从靠近所安装的热电发电机(TEG) 200的环境空气温度的热传递。热电发电机(TEG) 200可以通过热电发电机盖板250被固定在热发电机腔180内。可选的一系列热冷却散热片260可以被集成到热电发电机盖板250的外部暴露的表面中,其中该系列热冷却散热片260增加环境空气温度至热电发电机(TEG)200的热传递。这向热电发电机(TEG) 200提供了更有效的低温源212。
[0060]通过使用本领域技术人员所公知的任何机械联接配置，热电发电机盖板250可以被固定到轴承壳体110。合适的机械联接配置的示例包括螺纹紧固件(比如螺栓、螺钉等)、安装支架、铆钉、粘合剂等。热电发电机(TEG) 200将热能(以温度差的形式)转换成电能。所产生的电能通过发电机功率输出布线252(图1-3)或无源无线电力传输系统270 (图4)被传输至电操作装置、电功率存储装置等。发电机功率输出布线252可以以任意各种的形式因素设置，包括电线、电线束或电缆、带状电缆等。产品设计者将确定发电机功率输出布线252连接至热电发电机(TEG) 200的位置。作为有线解决方案的替代，所产生的电能量可以通过使用任何合适的无线传递电力传输系统270包括无源无线通信等被传输至电操作装置。电力发射天线将同与任何电功率存储装置、电操作装置等中的任何一个电通信的电力接收天线相匹配。
[0061]导热垫或粘合剂202可以用在热电发电机(TEG) 200和热发电机腔端壁182的每一接触表面之间来优化其间的热传递。热电发电机(TEG) 200被固定在热发电机腔180内。热发电机腔180形成在靠近包含升高温度的冷却剂流体146的集成的液体冷却通道134的段的位置。靠近包含升高温度的冷却剂流体146的集成的液体冷却通道134的段的区域提供高温源210用于热电发电机(TEG) 200的操作。热电发电机(TEG) 200的相对面提供低温源212用于热电发电机(TEG) 200的操作。热发电机腔填充物254可以夹持在热电发电机(TEG) 200的冷侧与热电发电机盖板250的内表面之间。热发电机腔填充物254增加将周围空气的温度热传递至热电发电机(TEG) 200。
[0062]因为热电发电机盖板250的外表面和热发电机腔填充物254的组合提供了低温源212，所以平面配置依赖于局部的气流和环境冷却，以维持较低的温度。一系列的热冷却散热片260可以从热电发电机盖板250的暴露表面延伸，以提高低温源212的冷却。通过优化整个热电发电机(TEG) 200的热差，该系列的热冷却散热片260增加了热电发电机(TEG) 200的效率。通过采用任何已知的散热片连接技术，热冷却散热片260将连接至热电发电机盖板250的外部从而为低温源212维持较低的温度。
[0063]高温源210与低温源212之间的热差促使热电发电机(TEG) 200产生电能输出。热电发电机(TEG) 200的操作的细节在图3中示出，下面将对其进行说明。
[0064]功率获取轴承组件100可以包括状态传感器150或其它电操作部件。通过将发电机功率输出布线252连接至状态传感器布线152，电功率从热电发电机(TEG) 200被传输至状态传感器150。状态传感器布线152提供状态传感器150与发电机功率输出布线252之间的电通信通道。要理解的是，热电发电机(TEG) 200可以将电功率提供给传感器150及位于功率获取轴承组件100的大体附近的其他电操作部件，包括位于其他轴承组件上的轴承传感器；温度传感器；负荷传感器；转数计数器；速度传感器；麦克风；SEE传感器；扭矩传感器；GPS传感器；通信装置(有线或无线)；通信装置(有线或无线)；警报；数据记录装置(包括计算机、磁带驱动器、数字记录装置、光盘记录装置等)；控制器等。
[0065]一个或多个维护接近面板160可以设置在轴承壳体110上，其中维护接近面板160提供接近内部元件进行检查、维护和维修。
[0066]热电发电机(TEG) 200包括本领域技术人员所公知的任何热电发电机(TEG)的元件。本文所提出的热电发电机(TEG) 200的示例性实施例示出了一实施例来描述各种元件、部件间的相互关系以及它们的功能。
[0067]热电发电机(TEG) 200通常可用以各种的形式因素。它们可以是各种不同的尺寸和性能水平。通过利用这两种技术(a)正交热电偶和(b)薄膜技术中的任一种来提供热电发电机(TEG) 200。
[0068]基于热电偶的热电发电机(TEG) 200利用由不同材料(通常为金属合金)的两个导体构成的热电偶。异种金属的任何接合将产生与温度有关的电势。热电偶在这两个导体彼此接触的点的附近产生电压。电压反过来又产生电流。该概念利用被称之为的珀耳帖效应。珀耳帖效应是在两种不同的金属的带电接合点存在热。当产生电流流过由材料A和B组成的接合处时，热量在上接点T2产生，并且在下接点Tl吸收。热电发电机(TEG)根据珀尔帖效应的相反概念应用热电偶，由此在上接点T2存在热并且在下接点Tl存在降低的温度，热电偶产生电流。
[0069]基于薄膜技术的热电发电机(TEG) 200利用基于半导体的技术。基于热电偶的热电发电机(TEG) 200的效率很少超过3%。随着半导体器件的问世，热电发电机(TEG) 200的效率大大提高。因此，本公开的重点是基于薄膜技术的热电发电机(TEG) 200。
[0070]图3表示的是示出了基于薄膜技术的热电发电机(TEG)200的操作部件的示例性示意图。热电发电机(TEG) 200暴露至温度差。热电发电机(TEG) 200的一侧暴露至高温源210。热电发电机(TEG) 200的另一侧暴露至低温源212。热电发电机(TEG) 200的关键部件是P型半导体元件230和η型半导体元件232。高温源210与半导体元件230、232之间的热传递由热载体240完成。热载体240通常是热电发电机(TEG) 200的接触或连接构件或部分。P侧冷载体220和N侧冷载体222通常是热电发电机(TEG) 200的暴露的构件或部分。热载体240和冷载体220、222位于半导体元件230、232的相对端。热载体240与冷载体220、222之间的热差促使半导体元件230、232产生电流，其由发电机功率输出布线252携带。[0071]热电发电机(TEG) 200包括P型半导体元件230和η型半导体元件232的腿对。每个腿对产生一定的电压。由热电发电机(TEG) 200产生的电压⑶正比于乘以塞贝克系数(α)的腿对(N)的数量及顶侧与底侧之间的温度差(AT)，其中:
[0072]U = N* Δ Τ* α
[0073]塞贝克效应是由两件事情引起的:电荷载体扩散和声子拖曳。材料中的电荷载体在导体的一端与另一端温度不同时将会扩散。热载体从热载体240扩散至低温源212，因为在导体冷端的热载体的密度更低，反之亦然。随着电荷载体移动，热量(以热载体的形式)从一端至另一端的运动是热流和电流。
[0074]最近开发的热电装置由通过金属连接器连接的交替的P型半导体元件230和η型半导体元件232制成。半导体接点在发电设备中是常见的，而金属接点多见于温度测量。电荷流过η型元件232，穿过金属连接，并传递到P型元件230。所产生的电流流过发电机功率输出布线252。
[0075]发电机功率输出布线252连接至任何电操作装置，比如状态传感器150。在有线配置中，发电机功率输出布线252连接至状态传感器布线152，以将电能从热电发电机(TEG) 200传输至状态传感器150，如图3所示。可替代地，通过使用无源无线电力传输系统270，如图4所示，热电发电机(TEG) 200可以将功率传输至任何电操作装置。
[0076]在操作中，热电发电机(TEG) 200热联接至热发电机腔180的热发电机腔端壁182，其中，热发电机腔180从轴承壳体110的外表面向内延伸,终止于热发电机腔端壁182。随着轴承转动，摩擦及其它相互作用产生热量。所引起的热量升高轴承壳体110的温度。随着腔定位热电发电机(TEG) 200更接近热源，热发电机腔180将热电发电机(TEG) 200暴露至具有较高温度的高温源210。热发电机腔180减小热源(通常为轴承组件120)与热电发电机(TEG) 200之间的热梯度。热电发电机(TEG) 200暴露至并位于轴承壳体110 (高温源210)内的位置与周围环境(低温源212)之间的温度的差之间。轴承壳体110内的位置与周围环境之间的温度差促使热电发电机(TEG) 200产生电压，其在电联接至负载时产生电流，如图3所示。所产生的电功率由发电机功率输出布线252或无源无线电力传输系统270传输，用于存储或由电动装置比如状态传感器150使用。
[0077]该系统可以由包括在轴承壳体110内的集成的轴承冷却通道系统而得到增强。流体流过集成的轴承冷却通道系统以从功率获取轴承组件100中去除热量。集成的轴承冷却通道系统包括集成的液体冷却通道134，其布置成相邻于轴承组件120流动。随着冷却剂沿着集成的液体冷却通道134流动，冷却剂从低温冷却剂流体142转变成热传输流体144，并且最终转变成升高温度的冷却剂流体146。升高温度的冷却剂流体146由于导热性能和热梯度升高在总体附近的轴承壳体HO的一部分的温度。热发电机腔180将会形成在靠近具有升高温度的区域的位置。热发电机腔180将具有把热电发电机(TEG) 200定位在相距热源适当的距离同时维持热发电机腔端壁182与集成的液体冷却通道134之间的机械完整性的深度。正如前面所述，暴露的环境空气温度(通过热发电机腔填充物254)提供创建温度增量所需的第二部分或低温源212，用于热电发电机(TEG) 200的操作。高温源210与低温源212之间的温度差促使热电发电机(TEG) 200产生电功率。
[0078]可以理解的是，热电发电机(TEG) 200可以选自任何可用的或定制设计的操作及物理设计。操作特性可以设计用于任何预期的操作温度差和电压或电流输出。[0079]由于可以详细地对本发明的所述优选实施例进行许多修改、变化和改变，所以希望是在前面描述中的以及在附图中所示的所有事项应被解释为说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围应当由所附权利要求及其合法的等价物来确定。
[0080]附图标记列表
[0081]100功率获取轴承组件
[0082]110轴承壳体
[0083]112轴承座
[0084]120轴承子组件
[0085]122轴承外圈
[0086]124轴承内圈
[0087]126跨环轴承
[0088]128轴承内周面 [0089]130冷却系统供给口
[0090]132冷却流体供给输送管
[0091]134集 成的液体冷却通道
[0092]136冷却流体返回输送管
[0093]138冷却系统返回口
[0094]140低温供给冷却剂流体
[0095]142低温冷却剂流体
[0096]144热传输流体
[0097]146升高温度的冷却剂流体
[0098]148升高温度的返回冷却剂流体
[0099]150状态传感器
[0100]152状态传感器布线
[0101]160维护接近面板
[0102]180热发电机腔
[0103]182热发电机腔端壁
[0104]200热电发电机(TEG)
[0105]202导热材料
[0106]210高温源
[0107]212低温源
[0108]220P侧冷载体
[0109]222N侧冷载体
[0110]230P型半导体元件
[0111]232η型半导体元件
[0112]240热载体
[0113]250热电发电机盖板
[0114]252发电机功率输出布线
[0115]254热发电机腔填充物[0116]260热冷却散热片
[0117]270无源无线电力传输系统
【权利要求】
1.一种发电轴承组件(100)，包括: 轴承壳体(110)，其包括: 轴承子组件座(112)，以及 热发电机腔(180)，其从所述轴承壳体(110)的外表面向内延伸，所述热发电机腔(180)终止于腔端壁(182)； 轴承子组件(120)，其保持在所述轴承子组件座(112)内；以及热电发电机(TEG) (200)，其位于所述热发电机腔(180)内，其中，所述热电发电机(TEG) (200)与所述腔端壁(182)的表面热连通， 其中在操作过程中，由所述轴承子组件(120)的旋转所产生的热量升高所述轴承壳体(110)的温度，所述热电发电机(TEG) (200)将在所述腔端壁(182)的所述轴承壳体升高的温度(212)与环境温度(210)之间的热差转换成电功率。
2.根据权利要求1所述的发电轴承组件(100)，还包括热电发电机盖板(250)，其将所述热电发电机(TEG) (200)密封在所述热发电机腔(180)内；以及 热发电机腔填充物(254)，其夹持在所述热电发电机(TEG) (200)与所述热电发电机盖板(250)之间，其中，所述热发电机腔填充物(254)由导热材料制成。
3.根据权利要 求2所述的发电轴承组件(100)，所述热电发电机盖板(250)还包括至少一个冷却热散热片(260)，冷却热散热片(260)在所述热电发电机盖板(250)被装配到所述轴承壳体(110)时从其外部暴露的表面延伸。
4.根据权利要求1所述的发电轴承组件(100)，所述热电发电机(TEG)(200)还利用薄膜技术与正交热电偶技术之一的操作部件。
5.根据权利要求1所述的发电轴承组件(100)，还包括导热材料(202)，其装配在所述热电发电机(TEG) (200)与所述热发电机腔端壁(182)的配合表面之间。
6.根据权利要求1所述的发电轴承组件(100)，还包括状态传感器(150)，其中，由所述热电发电机(TEG) (200)所产生的功率操作所述状态传感器(150)。
7.一种发电轴承组件(100)，包括: 轴承壳体(110)，其包括: 轴承座(112)，以及 至少一个集成的液体冷却通道(统称为130、132、134、136、138)，其布置成靠近所述轴承座(I 12)，其中，通过所述至少一个集成的液体冷却通道(统称为130、132、134、136、138)的流体流(统称为140、142、144、146、148)限定环境温度供给段(130U32U34的一部分)和升高的温度返回段(136、138、134的一部分)， 热发电机腔(180)，其从所述轴承壳体(110)的外表面向内延伸，所述热发电机腔(180)形成在靠近所述升高的温度返回段(134的部分、136、138)的位置，所述热发电机腔(180)终止于腔端壁(182);以及 轴承子组件(120)，其保持在所述轴承座(112)内；以及 热电发电机(TEG) (200)，其位于所述热发电机腔(180)内，其中，所述热电发电机(TEG) (200)与所述腔端壁(182)的表面热连通， 其中在操作过程中，由所述轴承子组件(120)的旋转所产生的热量升高所述轴承壳体(110)的温度，所述热电发电机(TEG) (200)将在所述腔端壁(182)的所述轴承壳体升高的温度(212)与环境温度(210)之间的热差转换成电功率。
8.根据权利要求7所述的发电轴承组件(100)，还包括热电发电机盖板(250)，其将所述热电发电机(TEG) (200)密封在所述热发电机腔(180)内；以及 热发电机腔填充物(254)，其夹持在所述热电发电机(TEG) (200)与所述热电发电机盖板(250)之间，其中，所述热发电机腔填充物(254)由导热材料制成。
9.根据权利要求8所述的发电轴承组件(100)，所述热电发电机盖板(250)还包括至少一个冷却热散热片(260)，冷却热散热片(260)在所述热电发电机盖板(250)被装配到所述轴承壳体(110)时从其外部暴露的表面延伸。
10.根据权利要求8所述的发电轴承组件(100)，所述热电发电机盖板(250)还包括至少一个冷却热散热片(260)，冷却热散热片(260)在所述热电发电机盖板(250)被装配到所述轴承壳体(110)时从其外部暴露的表面延伸。
11.根据权利要求7所述的 发电轴承组件(100)，所述至少一个集成的液体冷却通道(统称为130、132、134、136、138)包括冷却系统返回口(138)，其位于所述至少一个集成的液体冷却通道(统称为130、132、134、136、138)的排出端，并且 所述热电发电机(TEG) (200)位于靠近所述冷却系统返回口(138)。
12.根据权利要求7所述的发电轴承组件(100)，所述至少一个集成的液体冷却通道(134)布置成最初会聚于所述轴承子组件(120)上，沿着所述轴承子组件(120)的轮廓，然后从所述轴承子组件(120)分叉从而与所述冷却系统返回口(138)连接；以及 所述热电发电机(TEG) (200)位于靠近所述至少一个集成的液体冷却通道(134)与所述轴承子组件(120)之间的所述分叉。
13.根据权利要求7所述的发电轴承组件(100)，所述热电发电机(TEG)(200)还利用薄膜技术与正交热电偶技术之一的操作部件。
14.根据权利要求7所述的发电轴承组件(100)，还包括导热材料(202)，其装配在所述热电发电机(TEG) (200)与所述热发电机腔端壁(182)的配合表面之间。
15.根据权利要求7所述的发电轴承组件(100)，还包括状态传感器(150)，其中，由所述热电发电机(TEG) (200)所产生的功率操作所述状态传感器(150)。
【文档编号】H01L35/28GK103987978SQ201280059889
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年10月3日 优先权日:2011年10月6日
【发明者】F.巴特尔, A.C.范德哈姆 申请人:Skf公司