CN103917791A - 能量采集轴承配置 - Google Patents

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Abstract

一种发电轴承组件(100)，包括由轴承箱(110)支持的轴承(120)。所述轴承箱(110)包括集成在所述轴承箱(110)内的、包含至少一个集成冷却液通道(130)的轴承冷却通道系统。涡轮组件(200)被插入集成冷却液通道(130)内，其中，在所述集成冷却液通道(130)内流动的流体使涡轮组件(200)内的涡轮叶片子组件(230)旋转。所述涡轮叶片子组件(230)的旋转使发电机(222、224、226、240、242、244、246全体)旋转从而发电。所述涡轮组件(200)可被集成到任何现有的包含轴承冷却通道系统的轴承组件(100)内。优选地，在轴承冷却通道系统的冷却系统端口(134)内密封所述涡轮组件(200)。

Description

能量采集轴承配置
技术领域
本发明涉及利用集成到轴承或轴承箱内的冷却系统发电的设备和方法。
背景技术
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。
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转换电能可能需要运行大规模且昂贵的电力电缆和支持设备。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。
一部分轴承生成可观的热量。这些轴承包括散热和传热系统。一个示例性的传热系统包括一个或多个集成冷却液通道。液体冷却剂通过该集成冷却液通道泵入，以用于从轴承或轴承组件吸热。
涡轮通常用于各种应用。其中一个应用将来自流动的液体的能量转化为电能。其中一个公知的示例是风车。另一个公知的示例是水坝。
更紧凑的低电平发电机已被集成到诸如龙头、淋浴喷头等的家用电器中，在这些家用电器中，流动的水的能量被转换为电能并随后被用于使LED发光。
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
本发明涉及一种利用轴承或轴承组件的冷却系统发电的设备和相应方法。
本发明的第一方面是一种发电轴承组件，所述发电轴承组件包括：
轴承；
轴承箱，包括：
轴承座，以及
至少一个集成冷却液通道；
涡轮组件，包括：
涡轮壳，
被组装在涡轮壳内的涡轮轴，
可旋转地由该涡轮轴支承的涡轮叶片子组件，以及
可操作地与涡轮叶片子组件结合的发电机，其中，该涡轮叶片子组件的旋转运动使该发电机发电；
其中，该涡轮被集成到该冷却液通道内，并将由流动通过该冷却液通道的流体所提供的能量转化为电能。
第二方面，该涡轮还包括从发电机以电导通的方式延伸的电缆。
另一方面，该涡轮壳被设置为具有圆形横截面形状。
另一方面，该涡轮临近于冷却系统进口而安装。
另一方面，该涡轮临近于冷却系统出口而安装。
另一方面，安装该涡轮，使涡轮的旋转轴线大致平行于流体流的方向而定向。
另一方面，安装该涡轮，使涡轮叶片子组件逆着该流体流而定向。
另一方面，安装该涡轮，使涡轮叶片子组件顺着该流体流而定向。
另一方面，该涡轮壳还包括位于其第一端处的流体进口和位于其相对的第二端处的流体进口。
另一方面，所生成的电能被用于向分立的电驱动装置供电。
另一方面，所生成的电能被用于向至少一个轴承状态监控传感器供电。
另一方面，所生成的电能被用于向与同一轴承组件相关联的至少一个轴承状态监控传感器供电。
另一方面，所生成的电能被用于向与同一轴承组件相关联的至少一个轴承状态监控传感器以及与位于该发电轴承组件附近的分立的轴承组件相关联的至少一个轴承状态监控传感器供电。
本发明的一个优势在于能够使用轴承组件的冷却系统生成持续的电流。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能运行。不寻常的情况是，利用轴承的系统可能位于难以获取电能的偏远地区。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系统内消除了对外部电力源的需求。此外，通过将涡轮组件集成到冷却系统内，电能不会从轴承或系统的其他旋转元件的旋转汲取能量。因此，该涡轮组件不会影响该系统的旋转元件的效率。
本发明的另一个优势在于安装的简易性。可通过将涡轮组件插入冷却系统端口内来完成该安装。该冷却系统端口可为进口或出口。如有必要，该冷却系统端口可被扩大或加深以容纳该涡轮组件。
状态监控传感器的位置会使任何从外部供电以用于监控轴承状态的配置复杂化。一个或多个轴承可被集成到难以接近的位置处的设备内，尤其是难以配线的位置。将发电机包含在轴承组件内优化了位于传感器或其他需要电能的设备附近的电源。这显著减少了所需的配线长度。减少的配线避免了由该设备的各部件的旋转运动或其他运动导致的任何意外冲突或摩擦。
本发明的另一个优势在于能够部署具有用于便携式监控系统的集成涡轮的临时系统。该方案使得完整的独立式无线系统成为可能。
通过参考下面所记载的说明书、权利要求书和附图，本领域技术人员将会更理解并领会本发明的这些及其他特征、方面和优势。随后描述附图。
附图说明
为了更全面地理解本发明的特征，将参考附图，附图中：
图1示出了示例性涡轮组件的等距装配视图，该涡轮组件被插入轴承箱的集成冷却液区段内；
图2示出了示例性涡轮组件的等距装配视图，所示出的涡轮组件被安装在轴承箱的集成冷却液区段内；
图3示出了示例性涡轮组件的剖视图，所示出的涡轮组件被安装在集成冷却液区段的冷却系统端口内，其中，该涡轮组件以第一方位被插入，其中，该剖面是沿其旋转轴线所取的；以及
图4示出了示例性涡轮组件的剖视图，所示出的涡轮组件被安装在集成冷却液区段的冷却系统端口内，其中，该涡轮组件以第二方位被插入，其中，该剖面是沿其旋转轴线所取的。
贯穿各附图的若干视图的相同的参考标记指的是同样的部件。
具体实施方式
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。
在图1至图3例示了能量采集轴承组件100，且在图4中例示了可替换的安装配置。能量采集轴承组件100包括由轴承座112保持在轴承箱110内的轴承120。轴承箱110以多种形状系数配置，包括多种多样的可选配置。其中一种可选特征是将集成轴承冷却通道系统包含在轴承箱110内。该可选的集成轴承冷却通道系统提供传热系统以移除由轴承的旋转和/或与该轴承相接触的其它旋转部件的旋转所产生的热。该集成轴承冷却通道系统包括集成冷却液区段130，其限定集成冷却液通道131，以供流体顺着流体流138从其通过。该集成轴承冷却系统可包括一系列冷却剂通道区段130，由集成冷却液区段130和集成冷却液通道连续区段132表示。在该集成轴承冷却通道系统的一端处示出了示例性的冷却系统端口134。应理解，冷却系统端口134可包含在该集成轴承冷却通道系统的每一端处。第一冷却系统端口134用作源端口，且第二冷却系统端口134用作回流端口。在优选配置中，冷却系统端口134的冷却系统端口直径135大于集成冷却液区段130的集成冷却液通道直径133。该集成冷却液区段130与该冷却系统端口134之间的过渡区形成肩部。
示例性的流体流138使冷却流体朝向示例性的冷却系统端口134流动，其中该冷却系统端口134用作出口。应理解，该流体流138可以任一方向定向，其中，可替换的流体流可将该示例性的冷却系统端口134用作源端口。
涡轮组件200被插入该冷却系统端口134，以用于从流动通过该集成轴承冷却通道系统的流体采集能量。该涡轮组件200被定向为使每一涡轮叶片子组件230的旋转轴线平行于流体流138。该涡轮组件200的细节在图3中示出并将在下文中陈述。
该能量采集轴承组件100可包括状态传感器150或其它电气操作的部件。通过将供电导线段251、253连接至状态传感器配线152而将电能从涡轮组件200传递到状态传感器150。该状态传感器配线152提供状态传感器150和供电导线段251、253之间的电导通路。应理解，涡轮组件200可为传感器150和位于该能量采集轴承组件100附近的其他电气操作的部件供电，包括位于其它轴承组件上的轴承传感器；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。
该涡轮组件200包括本领域技术人员已知的任意发电涡轮组件中的元件。在此展示的涡轮组件200的示例性实施方式示出了一种实施方式来描述多种元件、各部件的内部连接和功能。
该涡轮组件200包括可旋转地组装在涡轮壳210内的至少一个涡轮叶片子组件230。每个涡轮叶片子组件230包括多个涡轮叶片232。该涡轮叶片232被成形以在承受流体流138时可旋转地驱动该涡轮叶片子组件230。该涡轮叶片232可以任意合适的形状和朝向成形，包括倾斜的、螺旋形的等。该涡轮叶片子组件230被组装在涡轮壳210内，使得涡轮叶片子组件230能够围绕涡轮轴220的纵轴线旋转。优选地，该涡轮叶片子组件230固定至该涡轮轴220，驱动该涡轮轴220在涡轮壳210内的旋转。该涡轮轴220由至少一个涡轮轴衬托架212、214支撑。该示例性的实施方式使用了一对托架，更具体而言是临近一涡轮叶片子组件230安装的第一涡轮轴衬托架212和临近该涡轮叶片子组件230安装的第二涡轮轴衬托架214。尽管该示例性的实施方式使用了一对托架212、214，应理解，可使用任意合适的安装配置将该涡轮轴220可旋转地组装在该涡轮壳210的内部。磁体支撑元件222被可旋转地组装在涡轮壳210内。该磁体支撑元件222由该涡轮叶片子组件230的旋转(该旋转被称为涡轮组件旋转260)可旋转地驱动。该磁体支撑元件222支承一对旋转磁体或磁性材料224、226。第一旋转磁体224被支承在该磁体支撑元件222的第一端处，且第二旋转磁体226被支承在该磁体支撑元件222的第二端处。电磁组件被固定在涡轮壳210内。该电磁组件包括被包裹在电线圈240内的线圈铁芯242。第一线圈磁体244被支承在线圈铁芯242的第一端处，且第二线圈磁体246被支承在线圈铁芯242的第二端处。该组件将该旋转磁体或磁性材料对224、226中的每个磁体或磁性材料与固定磁体对244、246对齐。各磁体可设有相反的极性以生成交流电流。磁体支撑元件222的旋转使得该旋转磁体或磁性材料224、226移动穿过该固定磁体对244、246，从而生成交流电流。一对内部供电导线250、252从该电线圈240传递电流，与此相结合地，供电导线段251、253将该电流传递给用于与例如状态传感器150的电驱动设备连接的连接器(未示出)。涡轮轴220和磁体支撑元件222可由任何合适的材料制成。优选地，该涡轮轴220和磁体支撑元件222由非磁性材料制成，例如陶瓷材料等。
涡轮壳210的每一端是打开的，以允许流体从其流过。该涡轮轴衬托架212、214和该线圈铁芯242被设计为将通过该涡轮壳210的流体流的任何影响最小化。该磁体支撑元件222可成型为具有螺旋桨形状，以提高效率。
可在涡轮叶片子组件230的周界和涡轮壳210的内部表面之间使用特氟纶(Teflon)或其它减摩材料，以强化其间的密封而不会增加摩擦。
旋转磁体224、226与固定磁体对244、246之间的距离直接影响电线圈240的运行和效率。涡轮轴220被组装在涡轮壳210内，以保持旋转磁体224、226与固定磁体对244、246之间的尺寸关系。其中一种可选设计使用了放置在涡轮轴220的一端和电线圈240或线圈铁芯242之间的特氟纶(Teflon)垫片228。
可插入与该系统电导通的整流器，以将交流电转换为直流电。
该涡轮组件200被插入形成在冷却系统端口134中的端口连接埋头孔136内。该涡轮组件200可被设计为与具有原始设备尺寸的该端口连接埋头孔136适配，或可扩大该端口连接埋头孔136的直径和/或深度以适应该涡轮壳210的外部尺寸。该涡轮壳210的前沿紧靠于形成在该冷却系统端口134和该集成冷却液区段130之间的过渡区处的肩部。使用任意合适的流体密封机械连接将冷却源连接件140组装至该冷却系统端口134。合适的流体密封机械连接的实例包括粘结滑移装配(bonded slip fitting)(如所示)、螺纹连接、速断连接等。使用任何已知的流体密封端口将供电导线段251、253从冷却系统端口134的内部退出。在一种实施方式中，涡轮组件200可包括成为冷却源连接件140和冷却系统端口134之间的整体装配或转接器的特征。该供电导线段251、253将在冷却系统端口134和冷却源连接件140之间的位置处穿过该涡轮壳210而退出。
图3中示出的安装将涡轮叶片子组件230定向为临近于涡轮壳210的外部表面，并且电磁组件相对于流体流138而位于该涡轮叶片子组件230的尾部。相反地，图4中示出的安装将电磁组件定向为临近于涡轮壳210的外部表面，并且涡轮叶片子组件230相对于流体流138而位于该电磁组件的尾部。
可在考虑该涡轮组件200的各部件的工作环境的情况下对其进行处理。由于涡轮组件200将承受流动的流体，相应地处理各电气部件，例如进行封装或涂敷保形涂层等，以避免腐蚀和/或永久性故障，从而确保长期可靠性。
本领域技术人员会意识到，本发明可适用于液体或气体冷却系统。该系统可使用介质压力和介质流率运行以采集足够的能量，从而对状态传感器和其他低功率设备供电。
可基于应用对涡轮组件200的设计进行效率优化。
由于可对所描述的本发明的优选实施方式进行多种修改、变型和变化，主张在上述说明中的并在附图中示出的所有内容都应视为示意性的而非限制性的。因此，本发明的范围应由随附权利要求书及其法律上的等同方案决定。
参考标记说明：
100 能量采集轴承组件
110 轴承箱
112 轴承座
120 轴承
130 集成冷却液区段
131 集成冷却液通道
132 集成冷却液通道连续区段
133 集成冷却液通道直径
134 冷却系统端口
135 冷却系统端口直径
136 端口连接埋头孔
138 流体流
140 冷却源连接件
150 状态传感器
152 状态传感器配线
200 涡轮组件
202 涡轮插件
210 涡轮壳
212 第一涡轮轴衬托架
214 第二涡轮轴衬托架
220 涡轮轴
222 磁体支撑元件
224 第一旋转磁体
226 第二旋转磁体
228 特氟纶垫片
230 涡轮叶片子组件
232 涡轮叶片
240 电线圈
242 线圈铁芯
244 第一线圈磁体
246 第二线圈磁体
250 第一内部供电导线
251 第一供电导线段
252 第二内部供电导线
253 第二供电导线段
260 涡轮子组件旋转

Claims (11)

1.一种发电轴承组件，所述发电轴承组件包括：
轴承(120)；
轴承箱(110)，包括：
轴承座(112)，以及，
包含至少一个集成冷却液通道(130)的集成轴承冷却通道系统；
涡轮组件(200)，包括：
涡轮壳(210)，
被组装在所述涡轮壳(210)内的涡轮轴(220)，
可旋转地由所述涡轮轴(220)支承的涡轮叶片子组件(230)，以及
可操作地与所述涡轮叶片子组件(230)结合的发电机(222、224、226、240、242、244、246全体)，其中，所述涡轮叶片子组件(230)的旋转运动(260)使所述发电机(222、224、226、240、242、244、246全体)发电；
其中，所述涡轮组件(200)被集成到所述冷却液通道(130)内，并将由通过所述冷却液通道(130)的流体流(138)提供的能量转化为电能。
2.如权利要求1所述的发电轴承组件，所述发电机(222、224、226、240、242、244、246全体)还包括与所述涡轮叶片子组件(230)旋转连接的磁体支撑元件(222)；
由所述磁体支撑元件(222)支承的至少一个旋转磁性元件(224、226)；以及
电线圈(240)，具有缠绕线圈铁芯(242)的一系列线圈绕组，其中，所述线圈铁芯(242)与所述至少一个旋转磁性元件(224、226)磁性连通，
其中，所述至少一个旋转磁性元件(224、226)与所述线圈铁芯(242)之间的相互作用使所述电线圈(240)生成电输出。
3.如权利要求2所述的发电轴承组件，所述发电机(222、224、226、240、242、244、246全体)还包括由所述线圈铁芯(242)支承的至少一个线圈磁体(244、246)。
4.如权利要求1所述的发电轴承组件，所述至少一个集成冷却液通道(130)还包括冷却系统端口(134)，
其中，所述涡轮组件(200)被插入所述冷却系统端口(134)内。
5.如权利要求4所述的发电轴承组件，其中，所述冷却系统端口(134)的内部直径大于所述集成冷却液区段(130)的内部直径。
6.如权利要求5所述的发电轴承组件，其中，所述冷却系统端口(134)是冷却系统进口。
7.如权利要求5所述的发电轴承组件，其中，所述冷却系统端口(134)是冷却系统出口。
8.如权利要求5所述的发电轴承组件，其中，所述涡轮组件(200)的一端处于抵靠着形成在所述集成冷却液区段(130)和所述冷却系统端口(134)之间的过渡区处的肩部。
9.如权利要求4所述的发电轴承组件，其中，所述冷却系统端口(134)是冷却系统进口。
10.如权利要求4所述的发电轴承组件，其中，所述冷却系统端口(134)是冷却系统出口。
11.如权利要求1所述的发电轴承组件，其中，所述轴承箱(110)被密封在所述集成轴承冷却通道系统内。
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