热电能采集轴承配置的制作方法

热电能采集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，摩擦及其他因素提高了轴承组件(100)的温度。壳体(110)可以可选地包括轴承冷却通道系统，该轴承冷却通道系统包括形成于其内部的至少一个冷却液通道(134)。冷却液通道(134)可被布置成靠近轴承子组件(120)，以从其中移除热量。热能传递介质(204)被插入热输送管道(180)，其中，热输送管道(180)横穿壳体(110)的加热区段。传递介质(204)将热能输送至位于附接至轴承壳体(110)的热电发电机壳体(250)中的热电发电机(TEG)(200)。热电发电机(TEG)(200)利用传递介质(204)与环境空气之间的温度差来产生电力。该电力可以用于操作电驱动装置，比如状态传感器(150)、通信装置等。
【专利说明】热电能采集轴承配置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发电设备和方法，其利用热电发电机(TEG)将轴承壳体内的轴承的旋转所产生的热能转换成电能。
【背景技术】
[0002]轴承用于支撑许多旋转物体。轴承通常集成到不同的机器内。该轴承是有助于该机器的可靠性的关键因素。系统通常通过设计安装一个或多个轴承状态监控装置来确保轴承保持正常运转。大部分状态监控装置的运行需要低压电能。一些系统包括其他也利用电能的部件。一个这样的电气操作部件可以是用于将状态监测信息传送至远程服务公司的通
IB 目.ο
[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供电的非常偏僻的郊外地区。
[0004]电池具有有限的容量，其规定有限的供给并因此规定有限的运行时间。从商用市电电源处获得能量的成本会很高，尤其是对于远程设施而言。由市场上可买到的电源传送电能可能需要运行大规模且昂贵的电力缆线和支持设备。必须考虑这些系统的维护。电池的更换涉及到零件和人力成本两者。对于临时设施而言，这些顾虑加剧了。
[0005]在操作期间，轴承可能产生可观的热量。产生可观的热量的该轴承通常包括散热或传热系统。一个示例性的传热系统包括一个或多个集成冷却液通道。液体冷却剂通过集成冷却液通道而泵送，以从轴承或轴承组件提取热量。液体冷却剂穿过热交换器，以将所提取的热量从液体冷却剂移除。冷却的冷却剂返回至轴承壳体以重复该热量提取或热调节过程。
[0006]热电发电机(TEG)通常可具有各种形状系数。它们可具有各种不同的尺寸和性能水平。利用(a)正交热电偶和(b)薄膜技术这两种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。异种金属的任意接点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附近产生电压。所产生的电压取决于与各个导体其它部分的接点的温度差值，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的装置等。市场上的热电偶便宜、可互换、供有标准连接器并且可以测量较宽范围的温度。相对于测量温度的其它方法，热电偶的一个优点是其是自供电的。
[0008]热电偶可以产生电流。该概念利用了所谓的珀耳帖效应。珀耳帖效应是指在两种不同的金属的带电接点处存在热量。当使电流流过由材料A和B组成的接点时，上接点T2处生成热量，并且下接点Tl处吸收热量。热电发电机(TEG)根据珀尔帖效应的反概念来应用热电偶，由此在上接点T2存在热量并且在下接点Tl存在温度的降低，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来形成热电堆，其中所有的热接点暴露至较高的温度，并且所有的冷接点暴露至较低的温度。输出的是各个接点上电压的总和，产生了更大的电压及电力输出。
[0010]利用拍耳帖(Peltier)冷却芯片或基于塞贝克(Seebeck)效应的发电机来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型材料的管脚对。每个管脚对产生一定的电压。由热电发电机(TEG)产生的电压⑶正比于塞贝克系数(α)与管脚对(N)的数量及顶侧与底侧之间的温度差(AT)的乘积，其中:
[0011]U = NXATXa
[0012]塞贝克效应是由两件事情引起的:电荷载子扩散和声子拖曳。当导体的一端与另一端温度不同时，材料中的电荷载子将会扩散。由于导体冷端的热载子的密度更低，热载子从热端扩散至冷端，并且反之亦然。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。随着电荷载子的移动，热量(以热电荷载子的形式)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、跨过金属连接点并传递到P型元件内。
[0014]热电装置可用于这两种应用中的任何一种:(a)利用电力来控制温度；和(b)利用热差来产生电力。在第一种配置中，提供电力，热电装置提供热生成装置，利用珀耳帖效应作为冷却器。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型元件中的空穴将在电流的方向上移动，二者都从装置的一侧移除热量。在第二种配置中，热差被施加至热电装置，该热电装置用作发电机。热源朝着冷却器区域驱动η-型元件中的电子，产生通过电路的电流。然后，P型元件中的空穴在该电流的方向上流动。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)厄廷格好森(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，当允许导电的样品经受磁场及彼此正交(垂直)的温度梯度时，可观测到该现象。
[0018]监控各种参数来持续判断轴承的状态。该轴承的应用可能限制了对用于监控轴承状态的传感器进行供电的有效性或简易性。期望的是这样一种发电系统，其可以被集成到轴承组件中，从而从该轴承组件处采集能量并利用采集到的能量发电。

【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]热输送管道；
[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)组件，其包括:
[0026]热发电机壳体，[0027]热能传递介质，其延伸通过所述热输送管道并进入所述热发电机壳体，
[0028]热电发电机(TEG)，其位于所述热发电机壳体内，其中，所述热电发电机(TEG)通过所述热电发电机(TEG)的第一表面与所述热能传递介质的表面之间以及所述热电发电机(TEG)的第二表面与环境空气之间的热连通而包含热差，
[0029]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)将所述热能传递介质的高温与环境温度之间的热差转换成电力。
[0030]在第二方面，所述轴承壳体还包括至少一个集成冷却液通道，其中，所述至少一个集成冷却液通道被布置成靠近所述轴承子组件。
[0031]在另一方面，所述至少一个集成冷却液通道被进一步限定为具有低温冷却剂流体区段和高温冷却剂流体区段。
[0032]在另一方面，所述热输送管道被布置成经过靠近所述至少一个集成冷却液通道中的一个集成冷却液通道的高温冷却剂流体区段的位置。
[0033]在另一方面，所述热电发电机(TEG)与所述热能传递介质通过使用插入其间的导热材料而热稱合。所述导热材料优选地围绕(circumscribe)所述热能传递介质的一部分的周界。
[0034]在另一方面，所述热电发电机(TEG)的第二表面与所述热电发电机壳体的壁区段热连通。
[0035]在另一方面，偏压构件保持所述热电发电机(TEG)与所述热电发电机壳体的壁区段热连通。
[0036]在另一方面,所述偏压构件保持所述热电发电机(TEG)与围绕(circumscribe)所述热能传递介质的一部分的周界的所述导热材料热连通。
[0037]在另一方面，预先存在的缆线布置管道提供所述热输送管道。
[0038]在另一方面，所述热电发电机壳体附接至所述轴承壳体的外表面。
[0039]在另一方面，散热片热耦合至热电发电机盖板的暴露表面，其中，所述散热片增强所述热电发电机盖板的暴露表面的散热，经由热发电机空腔填充物将冷却器温度传递至所述热电发电机(TEG)。
[0040]在另一方面，所述热输送管道被布置成经过靠近冷却系统排出端口的位置。
[0041]在另一方面，所述热输送管道被布置成经过靠近冷却系统回流端口的位置。
[0042]在另一方面,所述热电发电机(TEG)利用标准热电偶(normal thermo couple)技术。
[0043]在另一方面，所述热电发电机(TEG)利用薄膜技术。
[0044]在另一方面，所述热电发电机(TEG)还包括无源无线传输技术。
[0045]在另一方面，所述热电发电机(TEG)被用于提供电力给单独的电驱动装置。
[0046]在另一方面，所述热电发电机(TEG)被用于给至少一个轴承状态监测传感器供电。
[0047]在另一方面，所述热电发电机(TEG)被用于给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。
[0048]在另一方面，所述热电发电机(TEG)被用于给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发电轴承组件附近的单独的轴承组件相关联的至少一个轴承状态监测传感器供电。
[0049]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能量采集轴承组件。从标准轴承组件到能量采集轴承组件的转换可以通过形成从轴承壳体的外表面向内延伸的热输送管道来完成，其中所述热输送管道被布置成在操作过程中经过具有高温的目标区域。热能传递介质被定位成从热电发电机壳体内部、跨过热输送管道的长度的至少一部分。热能传递介质吸收轴承操作过程中产生的热量，并且将热能传递至热电发电机壳体的内部。集成在热电发电机壳体内的热电发电机(TEG)将所传递的热能转换成电力。这种配置可以利用现有的缆线管道或机加工通道。此配置将增加的热量传送至一位置，相对的表面在该位置处暴露于环境空气。这优化了热差，从而提高了发电效率。
[0050]本发明的另一个优点是能够使用从集成到冷却系统中的液体冷却系统获得的热能产生连续的电流。加入该液体冷却系统强化了从轴承组件移除热量的过程。通过收集、引导且聚焦热量至轴承壳体的特定区域，液体冷却系统可用于提高热电发电机(TEG)的效率。热能传递介质将被布置成靠近或经过液体冷却系统的回流或高温区域。此配置优化了在操作热电发电机(TEG)过程中由轴承产生的热量的热传递。此外，该配置避免穿透集成冷却液通道，从而确保防止任何潜在的流体泄漏。可以很容易地接近热电发电机(TEG)以进行维护及维修，因为热电发电机(TEG)位于轴承壳体的外部上且在热电发电机壳体内。
[0051]可利用一个或多个传感器来监控轴承的状态。该传感器通常利用电能运行。该传感器可监控各种参数以持续判断轴承的状态。可利用通信装置作为将信息传递到远程监控设施的工具。这些通信装置也使用电力运行。不寻常的情况是，利用轴承的系统可能位于难以获取电力的偏远地区。可利用布置在偏远位置的设备上的轴承。该轴承的应用可能限制向用于监控轴承状态的传感器供电的有效性和简易性。将发电装置包含在轴承组件内消除了对外部电力源的需求。此外，通过利用从轴承壳体内的位置处获得的热能，电能不会从轴承子组件的轴承内环的旋转或系统的其它旋转元件的旋转汲取能量。因此，热电发电机(TEG)不影响系统的旋转元件的效率。
[0052]本发明的另一个优点是可以灵活地进行安装。可以通过将热电发电机(TEG)热耦合至轴承壳体上的任何合适的位置来实现安装。可以通过确定热输送管道的位置及布置对效率进行优化，从而在操作过程中由轴承获得最高温度。可以通过使用有效的热能传递介质来将操作过程中产生的热量输送至位于远处的热电发电机(TEG)，从而增加温度差。热电发电机(TEG)可以置于轴承壳体外部,使热电发电机(TEG)的冷载体暴露于环境空气。此配置优化了整个热电发电机(TEG)上的热增量。
[0053]状态监测传感器的位置可能会使从外部供电以用于监测轴承状态的任意设施变得复杂。轴承可以在难以接近、特别是用于配线的位置处集成到设备中。将发电机与轴承组件集成优化了在靠近传感器或需要电力的其它设备的位置处的电力源。热输送管道可以布置在轴承壳体内的热优化位置和针对于期望由热电发电机(TEG)供电的一个或多个电气操作部件而优化的外部位置之间。这提供了两个优点:优化热源，并且同时显著减少所需配线的长度。减少的配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冲突或磨损。
[0054]参照下面的书面说明书、权利要求以及所附附图，本领域技术人员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】
[0055]为了更充分地理解本发明的性质，应参照附图，其中:
[0056]图1展示了示例性轴承组件的内部正视图，其包括热输送管道内的热能传递介质，该热能传递介质将轴承操作过程中所产生的热量传递给附接至轴承壳体外部的热电发电机(TEG)；
[0057]图2展示了示例性轴承组件的等距视图，其包括最初在图1中所介绍的热电发电机(TEG)；
[0058]图3展示了示例性轴承组件的侧面正视图，其包括最初在图1中所介绍的热电发电机(TEG)；
[0059]图4展示了包括热电发电机(TEG)的示例性轴承组件的侧面剖视图，该剖面是沿着热能传递介质的垂直中心线所取的；
[0060]图5展示了如图4所示的热电发电机(TEG)部分的侧面剖视放大图；
[0061]图6展示了示例性的基于薄膜的热电发电机(TEG)的可操作元件的示例性示意图；以及
[0062]图7展示了利用无源无线电力传输系统的示例性热电发电机(TEG)。
[0063]在整个附图的若干视图中，相同的附图标记指代相同的部件。
[0064]附图标记列表
[0065]100能量采集轴承组件
[0066]110轴承壳体
[0067]112轴承子组件座
[0068]120轴承子组件
[0069]122轴承外环
[0070]124轴承内环
[0071]126跨环轴承
[0072]128轴承内周面
[0073]130冷却系统供给端口
[0074]132冷却流体供给输送管
[0075]134集成冷却液通道
[0076]136冷却流体回流输送管
[0077]138冷却系统回流端口
[0078]140低温供给冷却剂流体
[0079]142低温冷却剂流体
[0080]144热传输流体
[0081]146高温冷却剂流体
[0082]148高温供给冷却剂流体
[0083]150状态传感器
[0084]152状态传感器配线[0085]160维护接近面板
[0086]162电气操作装置
[0087]164缆线
[0088]180热输送管道(缆线布置管道)
[0089]199轴
[0090]200热电发电机(TEG)
[0091]202导热材料
[0092]204热能传递介质
[0093]210高温源
[0094]212低温源
[0095]220P侧冷载体
[0096]222N侧冷载体
[0097]230P型半导体元件 [0098]232η型半导体元件
[0099]240热载体
[0100]250热电发电机壳体
[0101]252发电机电力输出配线
[0102]254壳体紧固件
[0103]260偏压元件
[0104]270无源无线电力传输系统
【具体实施方式】
[0105]下面的详细说明仅仅是示例性质的，并非旨在限制所描述的实施方式或
[0106]应用以及所描述的实施方式的使用。如在此使用的词语“示例性的”或“示意性的”意味着“作为示例、实例或说明”。在此描述的作为“示例性的”或“示意性的”任何实施手段都不应被视为较其它实施手段更优选或更有利。下文中描述的所有实施手段是为了使本领域技术人员能够实现或利用本公开的实施方式而提供的示例性的实施手段，并且不旨在限制本公开的范围，本公开的范围是由权利要求书限定的。在此，为了说明的目的，术语“上”、“下”、“左”、“后”、“右”、“前”、“垂直”、“水平”及其衍生词指的应是如图1中定向的本发明。而且，并不打算局限于在前述【技术领域】、【背景技术】、
【发明内容】
或随后的详细说明中示出的明确的或隐含的原理。还应理解的是，在随附附图中例示并且在下面文字部分中描述的特定装置和过程仅仅是随附权利要求书中定义的本发明理念的示例性实施方式。因此，与在此公开的实施方式相关的特定尺寸和其他物理性特征并不能视为是限制性的，除非在权利要求书中另外明确说明。
[0107]图1至图5中示出了能量采集轴承组件100。能量采集轴承组件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包括轴承外环122、位于轴承外环122内的轴承内环124以及可旋转地装配在轴承外环122与轴承内环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、双圆锥形的等。环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形成在轴承内环124的内表面上。轴承内周面128与比如轴199的旋转部件接合(图3和图4)。
[0108]轴承壳体110以各种形状系数配置，具有多种可选的配置。一个可选的特征是将集成轴承冷却通道系统包含在轴承壳体110内。可选的集成轴承冷却通道系统提供热传递系统，以移除通过轴承和/或与轴承接触的其它旋转部件的旋转所产生的热量。集成轴承冷却通道系统包括冷却系统供给端口 130、冷却系统回流端口 138以及至少一个集成冷却液通道134 ;所有这些彼此流体连通。集成轴承冷却系统另外还可包括液体冷却剂、从液体冷却剂移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液体冷却区段的泵。这些部件对于本领域技术人员来说是熟知的。
[0109]集成轴承冷却通道系统启动于冷却系统供给端口 130，其将较低温度的冷却剂供给到集成轴承冷却通道系统中。冷却器冷却剂可以被直接输送到集成冷却液通道134(如图2所示)，或者经由可选的冷却流体供给输送管132 (如图1所示)输送，该可选的冷却流体供给输送管132被设置成在冷却系统供给端口 130与集成冷却液通道134之间流体连通。
[0110]集成冷却液通道134布置在轴承壳体110内，以优化热传递以及从能量采集轴承组件100除热。冷却剂通过冷却系统回流端口 138回流至热交换器(未示出)。集成冷却液通道134可以与冷却系统回流端口 138直接流体连通(如图2所示)，或者经由可选的冷却流体回流输送管136 (如图1所示)与其流体连通，该可选的冷却流体回流输送管136被设置成在集成冷却液通道134与冷却系统回流端口 138之间流体连通。
[0111]随着流体流过集成轴承冷却通道系统，冷却剂从能量采集轴承组件100汲取热量。低温供给冷却剂流体140以环境温度或冷却温度进入冷却系统供给端口 130。随着低温供给冷却剂流体140传输至集成冷却液通道134的入口区段，该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轴承冷却通道系统，更具体地说是流过集成冷却液通道134，该冷却剂从能量采集轴承组件100汲取热量。随着冷却剂穿过靠近轴承组件120的、集成冷却液通道134的区段，该冷却剂从轴承组件120汲取热量。在此热交换过程中，冷却剂被称为热传输流体144。随着集成冷却液通道134的路径发生偏离(diverge),集成冷却液通道134远离轴承组件120，热传输流体144不再从轴承子组件120汲取热量。集成冷却液通道134被布置成最初在轴承子组件120上会聚，沿着轴承子组件120的轮廓行进，然后由轴承组件120偏离以与冷却系统回流端口 138连接。随着集成冷却液通道134发生偏离并远离轴承组件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，冷却剂被称为高温冷却剂流体146。冷却剂通过冷却系统回流端口 138排出，以用于回流至热交换器(未示出)。回流的、被加热的冷却剂被称为高温回流冷却剂流体148。
[0112]热电发电机(TEG)系统被集成到能量采集轴承组件100中以将热能转换为电力。该热电发电机(TEG)系统包括与热能传递介质204热连通的热电发电机(TEG)200。热能传递介质204可由形成热管的任何合适的导热材料制成。热电发电机(TEG) 200和热能传递介质204装配在热电发电机壳体250内。热电发电机壳体250通过本领域技术人员已知的任何机械连接件固定至轴承壳体110。示例性的机械连接件被称为壳体紧固件254。壳体紧固件254可以是带螺纹的紧固件，比如盖螺栓(如示出的)、标准螺栓、铆钉等。壳体紧固件254优选地与轴承壳体110的特征接合。在示例性实施例中，轴承壳体110将包括带螺纹的端口，以用于接收螺纹紧固件。热输送管道180被设置成在热电发电机(TEG)200和轴承壳体110内靠近发热源的位置之间延伸。热能传递介质204插入并穿过热电发电机(TEG) 200，具有定位成与热电发电机(TEG)200热连通的一端和位于热输送管道180内靠近发热源的第二端。在示例性实施例中，热输送管道180被布置成经过靠近集成轴承冷却通道系统的排出或回流端的位置。可选地，可施加热油脂，涂覆热能传递介质204的外表面，以助于插入以及随后热输送管道180的内壁与热能传递介质204的外表面之间的热传递。导热材料202可以被集成为围绕(circumscribe)热能传递介质204的周界，以优化热能传递介质204与热电发电机(TEG) 200之间的热连通。偏压元件260可以用来保持导热材料202与热电发电机(TEG) 200之间的机械接触和热连通。
[0113]图3至图5所示的示例性实施例利用现有的缆线布置管道作为热输送管道180。将电气操作装置162装配至轴承壳体110。可以使用维护接近面板(service accesspanel) 160将该电气操作装置162保持就位。应理解的是，可以在轴承壳体110上设置一个或多个维护接近面板160，其中，该维护接近面板160提供接近内部元件的路径以进行检查、维护和修理。缆线164提供电气操作装置162与电源、数据存储装置、数据分析装置、通信装置等中的任一之间的电和/或信号连通。
[0114]由热电发电机(TEG) 200产生的电力通过状态传感器配线152传输至其他装置，比如存储装置、其他电气操作设备等。状态传感器配线152可以连接至状态传感器配线152及缆线164的电力输入部分。
[0115]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的操作细节在图3中示出，下面将对其进行说明。
[0116]能量采集轴承组件100可以包括状态传感器150或其它电气操作部件。通过将发电机电力输出配线252连接至状态传感器配线152，电力从热电发电机(TEG) 200传输至状态传感器150。状态传感器配线152提供状态传感器150与发电机电力输出配线252之间的电气通信通道。应理解的是，热电发电机(TEG) 200可以将电力提供给传感器150及位于能量采集轴承组件100的大体附近的其他电气操作部件，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)；报警器；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。
[0117]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、各部件间的相互关系及其功能。
[0118]热电发电机(TEG) 200通常可具有各种形状系数。它们可具有各种不同的尺寸和性能水平。利用(a)正交热电偶和(b)薄膜技术这两种技术中的任一种来提供热电发电机(TEG)200 ο
[0119]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。异种金属的任意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附近产生电压。该电压反过来又产生电流。该概念利用了所谓的珀耳帖效应。珀耳帖效应是指在两种不同金属的带电接点处存在热量。当使电流流过由材料A和B组成的接点时，上接点T2处生成热量，并且下接点Tl处吸收热量。热电发电机(TEG)根据珀尔帖效应的反概念来应用热电偶，由此在上接点T2存在热量并且在下接点Tl存在温度的降低，热电偶产生电流。
[0120]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的效率几乎不超过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，本公开着力于基于薄膜技术的热电发电机(TEG)200。
[0121]图3展示了基于薄膜技术的热电发电机(TEG)200的可操作部件的示例性示意图。热电发电机(TEG) 200暴露于温度差。热电发电机(TEG) 200的一侧暴露于高温源210。热电发电机(TEG) 200的另一侧暴露于低温源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区段。P侧冷载体220和N侧冷载体222通常是热电发电机(TEG) 200的暴露的构件或区段。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，该电流由发电机电力输出配线252传送。
[0122]热电发电机(TEG) 200包括ρ型半导体元件230和η型半导体元件232的管脚对。每个管脚对产生一定的电压。由热电发电机(TEG) 200产生的电压(U)正比于塞贝克系数(α)与管脚对(N)的数量以及顶侧与底侧之间的温度差(AT)的乘积，其中:
[0123]U = NXATXa
[0124]塞贝克效应是由两件事情引起的:电荷载子扩散和声子拖曳。当导体的一端与另一端温度不同时，材料中的电荷载子将会扩散。由于导体冷端处的热载子的密度更低，热载子从热载体240扩散至低温源212，反之亦然。随着电荷载子的移动，热量(以热载子的形式)从一端至另一端的运动是热流和电流。
[0125]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、跨过金属连接点并传递到ρ型元件230内。所产生的电流流过发电机电力输出配线252。
[0126]发电机电力输出配线252连接至任意电气操作装置，比如状态传感器150。在有线配置中，发电机电力输出配线252连接至状态传感器配线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，如图4所示，通过使用无源无线电力传输系统270,热电发电机(TEG) 200可以将电力传输至任意电气操作装置。
[0127]在操作中，热电发电机(TEG) 200热耦合至热能传递介质204。热能传递介质204从轴承的运转中获得热量。该热量沿着热能传递介质204、从位于热源附近的第一热源端传递至位于热电发电机(TEG) 200附近的第二热输送端。可以在热能传递介质204与热输送管道180的接触表面之间设置可选的热油脂或类似的组合物。热油脂增强了从轴承壳体110至热能传递介质204的热传递。热能传递介质204的热输送端可以被封装在导热材料202内。导热材料202在整个表面上分配热能，以增强热能传递介质204与热电发电机(TEG) 200之间的热连通。在示例性实施例中，偏压元件260用于保持导热材料202与热电发电机(TEG) 200之间的接触。应理解的是，可以采用本领域技术人员已知的任何合适的机械连接元件来保持导热材料202与热电发电机(TEG) 200之间的接触。
[0128]来自热能传递介质204的热能将高温源210提供给热电发电机(TEG) 200。围绕热电发电机壳体250的环境空气将低温源212提供给热电发电机(TEG) 200。高温源210与低温源212之间的热差促使热电发电机(TEG) 200产生电力。电力借助于发电机电力输出配线252输送至一个或多个目标电力接收装置。图6中示出了示例性热电发电机(TEG) 200的操作细节，下面将对其进行详细说明。
[0129]该系统可因包含在轴承壳体110内的集成轴承冷却通道系统而得到增强。流体流过该集成轴承冷却通道系统以从能量采集轴承组件100中移除热量。集成轴承冷却通道系统包括集成冷却液通道134，其被布置成靠近轴承组件120而流动。随着冷却剂沿着集成冷却液通道134流动，冷却剂从低温冷却剂流体142过渡至热传输流体144，并且最终成为高温冷却剂流体146。高温冷却剂流体146因导热性能和热梯度而提高轴承壳体110大体附近的部分的温度。热输送管道180可以形成在靠近该高温区域的位置处。热能从源传输至位于热输送管道180内的热能传递介质204。热能传递介质204将从集成轴承冷却通道系统获得的热能传输至导热材料202，该导热材料202最终提供高温源210。正如前面所述的，暴露的环境空气温度(经由热电发电机壳体250)提供创建温度增量所需的第二部分或低温源212，以用于热电发电机(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产生电力。该电力从热电发电机(TEG) 200传输至电源、数据存储装置、数据分析装置、通信装置等中的任一。
[0130]应理解的是，热电发电机(TEG)200可以选自任何可用的或定制的操作及物理设计。可设计操作特性以用于任何预期的操作性温度差以及电压或电流输出。
[0131]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。
【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 热输送管道(180)； 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)组件，其包括: 热发电机壳体(250), 热能传递介质(204)，其延伸通过所述热输送管道(180)并进入所述热发电机壳体(250)， 热电发电机(TEG) (200),其位于所述热发电机壳体(250)内，其中，所述热电发电机(TEG) (200)通过所述热电发电机(TEG) (200)的第一表面与所述热能传递介质(204)的表面之间以及所述热电发电机(TEG ) (200)的第二表面与环境空气(212)之间的热连通而经受:热差， 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)将由所述热能传递介质(204)提供的高温源(210)与环境温度(212)之间的热差转换成电力。
2.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)，其被提供以用于包络所述热能传递介质(204)，其中，所述导热材料(202)提供所述热能传递介质(204)与所述热电发电机(TEG) (200)之间的热连通。
3.根据权利要求2所述的发电轴承组件(100)，还包括偏压构件，其保持所述导热材料(202)与所述热电发电机(TEG) (200)之间的接触。
4.根据权利要求1所述的发电轴承组件(100)，还包括偏压构件，其保持所述热能传递介质(204)与所述热电发电机(TEG) (200)之间的接触。
5.根据权利要求1所述的发电轴承组件(100)，所述热输送管道(180)还包括至少一个穿过所述热输送管道(180)的电缆。
6.根据权利要求1所述的发电轴承组件(100)，还包括导热油脂，其设置在所述热能传递介质(204)的接触面和所述热输送管道(180)的接触面之间。
7.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)所产生的电力来操作所述状态传感器(150)。
8.一种发电轴承组件(100)，包括: 轴承壳体(110)，其包括: 轴承子组件座(112)， 至少一个集成冷却液通道(130、132、134、136、138全体)，其被布置成靠近所述轴承座(112)，其中，穿过所述至少一个集成冷却液通道(130、132、134、136、138全体)的流体流(140、142、144、146、148全体)限定环境温度供给区段(134的一部分、130、132)和高温回流区段(134的一部分、136、138)，以及 热输送管道(180)，其具有被布置成横穿所述至少一个集成冷却液通道(130、132、`134、136、138全体)的所述高温回流区段(134的一部分、136、138)的至少一个区段； 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)组件，其包括: 热发电机壳体(250), 热能传递介质(204)，其延伸通过所述热输送管道(180)并进入所述热发电机壳体(250)， 热电发电机(TEG) (200),其位于所述热发电机壳体(250)内，其中，所述热电发电机(TEG) (200)通过所述热电发电机(TEG) (200)的第一表面与所述热能传递介质(204)的表面之间以及所述热电发电机(TEG) (200)的第二表面与环境空气(212)之间的热连通而经受:热差， 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)将由所述热能传递介质(204)提供的高温源(210)与环境温度(212)之间的热差转换成电力。
9.根据权利要求8所述的发电轴承组件(100)，还包括导热材料(202)，其被提供以用于包络所述热能传递介质(204)，其中，所述导热材料(202)提供所述热能传递介质(204)与所述热电发电机(TEG) (200)之间的热连通。
10.根据权利要求9所述的发电轴承组件(100)，还包括偏压构件，其保持所述导热材料(202)与所述热电发电机(TEG) (200)之间的接触。
11.根据权利要求8所述的发电轴承组件(100)，还包括偏压构件，其保持所述热能传递介质(204)与所述热电发电机(TEG) (200)之间的接触。
12.根据权利要求8所述的发电轴承组件(100)，所述热输送管道(180)还包括至少一个穿过所述热输送管道(180)的电缆。
13.根据权利要求8所述的发电轴承组件(100)，还包括导热油脂，其设置在所述热能传递介质(204)的接触面与所述热输送管道(180)的接触面之间。
14.根据权利要求8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)所产生的电力来操作所述状态传感器(150)。
【文档编号】H01L35/28GK103987979SQ201280060273
【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