[发明专利]冷却轴承、电机及其他回转的发热部件

说明书

技术领域

本发明涉及用于冷却轴承、电机及其他支承和驱动回转机械(侈怕口密封 在部分真空中的飞轮)的发热部件的方法和装置。

背景技术

用于减船摇摆的控制力矩陀螺仪(“CMG”)是依靠在高的回转速度下 工作的重型飞轮工作的。旋转的(spinning)飞轮由受到大的轴向和径向负荷 作用的轴承支承。结果，这些轴承产生大量的摩擦产生的热，为了避免形 成危险的热量，必需将这些热散掉。如果该飞轮支承在常规的外界环境中， 则利用空气对流可使热散掉，利用风扇将空气吹过轴承的内外滚道和邻近 的金属件可以帮助散热。但是，如果将飞轮封闭在部分真空中，例如在我 们的专利—美国专利第6973847号中所述那样，则可能空气不够进行对流。 同样的冷却问题在有飞轮在部分抽真空的壳体中旋转的其他装置(例如，机 械的能量贮存装置)中和使用包含需要发热轴承的旋转件的抽真空的腔的制 造过程中也可能存在。目前，飞轮能量贮存装置一般使用昂贵的磁性轴承(不 产生摩擦热)代替便宜得多的滚动件轴承。其中一个原因是除了喷射冷却油 或使冷却油通过轴承循环以外，没有从部分真空中的滚动件轴承的内滚道 排出热的切实可行的方法。而喷射冷却油的方法会产生巨大的功率损失。

必需区别两种形式的热流动—传热和对流。传热是通过分子撞击其他 分子产生的。这样，当将手放在温暖的散热器上时，在温暖的金属中快速 运动的分子撞击皮肤的分子，将能量传递给皮肤分子。热对流是当分子由 于空气(或其他气体或液体)流动，从一个位置运动至另一个位置时产生的。 这样，温暖的散热器通过将热传至邻近散热器表面的空气，然后利用该温 暖的空气围绕房间流动的对流，加热房间。当温暖空气的分子接触人的皮 肤或衣服时，空气的温暖通过传热传给房间的居住者。传热可以通过气体、 液体或固体进行。当通过气体发生时，称为气体传导。当通过固体(例如通 过金属或其他良导热体)时，称为固体传热。

Fourier传热定律确定通过气体传导在两个平行表面间的一维传热量；

Q＝KAΔT/ΔX

式中Q—传热量(watt)

K—气体的导热系数(watt/m-C°)

A—平行表面的面积(m²)

ΔT—两个传热表面之间的温差(℃)

ΔX—传热表面之间的距离(m)。

如该式所示，传热量直接与气体的导热系数、表面面积和表面之间的 温差成正比例，而与表面之间的距离成反比例。在压力低至气体分子的平 均自由行程等于或大于表面之间的距离(ΔX)之前，不论压力如何，气体的 导热系数(K)为常数。这表示，在气体平均自由行程等于或大于表面间的距 离前，传热量与压力无关。在气体分子平均自由行程大于表面间距离的压 力下，气体分子继续传热，但现在随着气体压力进一步降低，导热系数(和 传热量)减小。

发明内容

我们已发现从发热部件例如支承和驱动回转机械(例如飞轮)的轴承和 电机中将热传出的实际技术。通常，热在支承飞轮的轴承的内滚道(但也可 以为其他热源，如电机热、空气阻力或风阻)上积累。这种在内滚道上积累 热可导致装置故障，因为在轴承内外滚道之间可能产生大的温差。外滚道 通常较冷，因为热可以从外滚道流至(通过邻接的金属件传热)壳体外面，在 壳体外面可通过对流(空气通过温暖的外表面)散热。只有少量热传入轴承 (从内滚道至外滚道)，因此内滚道和与它连接的飞轮往往温度升高。温度升 高可破坏轴承润滑剂的有效性，并可使内滚道热膨胀，而这在较冷的外滚 道看不到，结果造成轴承和装置灾难性的损坏。

已知的冷却技术包括：将轴承浸入循环的油浴中，或将油喷射通过轴 承(如在气体涡轮机中)，或将大量空气/油雾泵过轴承(如在机床主轴中)，以 润滑和冷却轴承。然而，这些方法复杂并且易于增加轴承产生的热，因为 搅动油的滚动件的粘性阻力大大增加了驱动飞轮或其他旋转件所需的动 力。空气/油雾方法不适用于真空应用场合，因它需要大的空气流量。一些 机床制造厂家将水泵入通过主轴的深孔钻出的孔中，以从轴承和电机排出 热。这在真空应用中也难以应用，因为水必需保持在周围压力下，以防止 水蒸发。