本发明一般性地涉及能量分离装置， 更具体地涉及利用兰克 -赫尔 胥 （ Ranque-Hilsch ) 效应将气体分离成冷热气流的涡旋式冷热气体 分 离装置。

背景技术

历史上，兰克-赫尔胥效应的现象首先是在 1930年由法国冶金工程 师乔治' 兰克 (Georges Ranque)发现的。 当时， 乔治' 兰克在实验中发 现了旋风分离装置中的涡流冷却效应， 即旋风分离装置中气流的中心 温度和周边各层的温度不同， 中心具有较低的温度， 而外缘具有较高 的温度。 根据此现象， 乔治' 兰克随后设计出了人类历史上首个能够 进行能量分离的涡流管装置，并于 1931年在法国申请了专利。 1933年， 乔治， 兰克在法国物理学会作了关于涡流管装置及其 涡旋温度分离效 应实验的专题报告。 该报告指出， 温度为 20°C的压缩气体进入涡流管 后， 通过涡旋温度分离效应， 从涡流管中流出的冷气流的温度约为 - 20°C - - 10°C , 而热气流的温度可达约 100°C。 当时， 由于乔治' 兰克 对温度分离现象的阐述混淆了流体总温 （滞止温度） 与静温的概念， 因而遭到了与会科学家的质疑， 会议上对涡流管的冷热气体分离现象 普遍否定, 而这最终导致对满旋温度分离效应以及相应滿 流管装置的 进一步研究被中断下来。

1945年， 德国物理学家鲁道夫 · 赫尔胥 (Rudolph Hilsch)发表了一 篇令世人瞩目的有关涡流管的科学报告， 其中运用了详细的资料证实 了涡旋温度分离效应， 并就涡流管的装置设计、 应用、 温度效应的定 义等提出了一系列的研究成果和有价值的建议 。 至此， 涡旋温度分离 效应才被人们正式接受和确认。 为纪念乔治， 兰克和鲁道夫 · 赫尔胥 在这一领域作出的杰出贡献， 人们通常也将这种涡旋温度分离效应称 为兰克-赫尔胥效应。

时至今日， 世界上许多国家的科研机构、 大学和企业对兰克 -赫尔 胥效应及其实现装置进行了大量的实验研究和 理论探索。 但是， 无论 在基础理论还是在装置结构上均进展甚微。

如图 1 所示， 传统的涡流管 10主要由喷嘴 1 1、 涡流发生腔 12、 涡流行进管（或称温度分离管） 13、 热气流出口 14、 冷气流出口 15以 及涡流阻挡回流推体 16构成。 根据现有技术中的一种主流观点， 工作 时， 涡流管 10通过外设的气体压缩机（图 1 中未示出）将压缩气体经 喷嘴 1 1喷入涡流发生腔 12;喷入涡流发生腔 12的气体首先发生膨胀， 然后以很高的速度沿切线方向进入涡流行进管 13， 以螺旋状涡流形式 行进； 行进的涡流在到达热气流出口 14之前， 受到涡流阻挡回流推体 16 的阻挡， 一部分气体将以旋涡直径相对较小的内芯涡流 形式朝相反 方向回流， 未回流的气体将经由热气流出口 14排出， 而回流的气体将 经由冷气流出口 15排出。 由于气体在涡流管中出现兰克-赫尔胥效应， 因而经由热气流出口 14排出的外层涡流气体的温度要高于冷气流出� �� 15排出的内芯涡流气体的温度。 故此， 将经由热气流出口 14排出的气 流称为热气流， 将经由冷气流出口 15排出的气流称为冷气流。 本领域 技术人员均可认识到， 这里所谓的热气流和冷气流不应被限制成要高 于或低于某一绝对的温度值， 而是将两个气流出口中流出的气体相互 比较而言的。 也就是说， 在本领域中， 术语 "热气流" 和 "冷气流" 的概念是清楚、 确定的。

虽然这种涡流管装置在结构和操作上都非常简 单， 但是在该装置 内发生的兰克-赫尔胥效应的能量交换过程却� �其复杂。 由于内摩擦的 结果， 使得传热过程不可逆。 而且科学界一般认为气体在涡流管装置 内进行的应该是某种复杂的三维可压缩湍流流 动， 因而在兰克-赫尔胥 效应的应用上， 至今不能给出能够精确预测涡流管装置性能的 数学模 型。 在基础理论上， 科学界对兰克-赫尔胥效应的解释也是众说纷� �， 一直没有一种令人非常满意的理论解释， 甚至某些理论自身的观点之 间还相互矛盾。 可以说， 对兰克-赫尔胥效应的理论研究是目前科学界 的一个重大难题。

对于兰克-赫尔胥效应的冷热气体分离原理， 业界目前流行的是一 种动能转换理论， 其说法大致如下：

涡流管装置中的气流进行着复杂的运动， 外层涡流气体向热气流 出口运动， 内芯涡流气体向冷气流出口运动， 这两个涡流以相同的方 向旋转， 尤为重要的是这两个涡流以同样的角速度旋转 ， 虽然在两个 涡流气体之间从起始端至末端的交界处存在强 烈的乱流， 但是从旋转 运动的角度来说， 这两个涡流可视为一个整体。 内芯涡流受制于外层 涡流， 故内芯涡流为被动涡， 而外层涡流为驱动涡。 以浴缸中产生的 水旋涡流为例来形象地说明， 在排水时， 水向出口芯部运动， 其旋转 速度为了保持角运动量因而会增加。 由于水旋涡流中的粒子切向线速 度与涡流半径成反比。 因此， 在水旋涡流中的粒子向出口芯部运动时， 当驱动涡半径减至一半时， 粒子沿旋涡的切向线速度增加一倍， 而维 持一定旋转角速度的被动涡的粒子沿旋涡的切 向线速度则减少一半。 驱动涡的粒子与被动涡的粒子相比， 以快其四倍的线速度流入排污口。 因为运动能量和线速度的平方成正比。 在这个例子中， 被动涡在流入 排污口处的粒子的运动能量只有驱动涡在流入 排污口处的粒子的运动 能量的 1/16。 流行的传统理论认为， 在进行冷热气体分离的涡流管中， 情况和上面的例子类似， 被动涡气体和驱动涡气体的运动能量之差 (合 计为可以利用的运动能量的 15/16)向何处去了呢？ 这种传统理论认为 这正是探讨兰克 -赫尔胥效应中冷热气体分离原理的关键所在� � 即， 运 动能量之差将以热量的方式从位于内芯的被动 涡传递到了位于外层的 驱动涡中。 这样， 被动涡气体就变成了冷气流， 而驱动涡气体则变成 了热气流！ 它们的能量关系符合热量守恒定律和能量守恒 定律。

显然， 上述理论并没有从流体温度的微观本质上直接 回答问题， 而只是给出了一个在热量守恒定律和能量守恒 定律这种宏观层面上的 笼统解释。 由于对兰克 -赫尔胥效应微观本质认识上的不深入， 也导致 了长期以来利用兰克 -赫尔胥效应实现冷热气体分离的装置都仅仅� �限 于如前所述的涡流管基本结构。 而且， 人们并不清楚该结构中何种几 何尺寸关系能够获得最大的冷热气流温差， 即不清楚何种几何尺寸关 系能够获得最佳的冷热气体分离效果。 然而， 即使对于传统的涡流管 基本结构而言， 设计变量也高达至少 15个以上， 并且这些变量每个均 有无穷多的选择。 由于每个变量以及各个变量之间的关系对于涡 流管 效果的影响基本上都是未知或不确定的， 故涡流管装置的基本结构长 时间以来一直改进不大。

特别地， 传统的涡流管装置都要求使用压力很大的压缩 气体， 并 且要求将压缩气体喷入涡流发生腔 12使其发生高速膨胀， 继而使高速 膨胀的气体进入直径较小的涡流行进管 13中产生高速涡流， 并最终利 用兰克 -赫尔胥效应实现冷热气体分离。 在现有的不够清晰的理论指导 下， 本领域技术人员普遍认为在涡流管装置中， 涡流行进管 13的内直 径不宜过大， 因为本领域技术人员普遍认为， 为了获得冷热气流的最 大温差， 涡流行进管 13的长度与内直径之比 （该比值通常也被简称为 涡流管的长径比） 应该较大， 并且还进一步认为该长径比优选要大于 10, 甚至大于 45。 也就是说， 在本领域现有技术的状态下， 技术人员 普遍认为在能够产生涡流和实现内芯涡流回流 的条件下， 涡流行进管 13的长度优选应该较长， 而涡流行进管 13的内直径优选应该较小。

此外， 现有技术的涡流管一般都需要使用气体压缩机 或类似装置 来提供压缩气体。 这种涡流管， 其总成设备较大， 输出较小， 应用领 域存在较大局限。 典型地， 市售涡流管的细小直径一般为 30 mm左右， 长度为 300 mm左右， 内部容积很小。 工作时， 压缩气体以接近音速的 速度 （例如 1/3马赫 ~ 7/8之间的速度） 喷入涡流管内 , 厂商标称这样 的涡流管可以分离出低达 -60°C的超低温冷气流。 但是， 这样的涡流管 装置由于需要使用大量的压缩气体， 因此工作时噪音刺耳， 能耗极高。 进一步研究可以发现， 由于这种涡流管内部容积很小， 当过量气体进 入涡流管内时， 从喷嘴喷出的压缩气体会出现激剧的失压膨胀 降温现 象。 这种失压膨胀降温现象在物理学上被称为焦耳 · 汤姆逊 (Joule Thomson)冷却过程， 其与兰克-赫尔胥效应并无必然的直接关系， 但是 事实上却成为这类装置获得冷气流的一个主要 原因。

本申请的发明人现已创造性地认识到， 现有理论上的未知直接导 致了现有用于冷热气体分离的涡流管普遍存在 以下缺陷：

1. 需要使用气体压缩机或类似装置来提供压力很 大的压缩气体， 压缩气体的急剧膨胀本身就会降温， 噪音大， 效率低；

2. 需要设置较大的供压缩气体膨胀的涡流发生腔 ， 其中只有部分 气体能够沿切线方向进入涡流行进管形成涡流 ， 效率较低；

3. 涡流管直径太细， 旋涡气盘太小， 冷热气体分离过程的时间太 短， 冷热气体分离功能不能充分发挥；

4. 涡流阻挡回流推体会在涡流行进管尾部产生大 量无益紊流， 降 低装置效率；

5. 现有的涡流管装置结构不适于制造大型的涡旋 式冷热气体分离 装置，例如大风量低风速的大口径 (如直径数百毫米以上）的涡旋式冷热 气体分离装置。

发明内容 本申请的发明人认识到， 只有进一步探究兰克 -赫尔胥效应中冷热 气流为何能得以成功分离的机理， 才可能突破目前现有技术的较盲目 状态甚至某些思想桎梏， 构想到具有全新结构的利用兰克 -赫尔胥效应 实现冷热气体分离的装置。

1845年， 英国物理学家焦耳 （J. P. Joule ) 完成了著名的研究气体 内能的焦耳自由膨胀实验， 提出了 "通过改变可压缩流体的压力就能 够使其温度发生变化" 的原理。 本申请的发明人认为， 根据这一原理 来认识兰克 -赫尔胥效应的本质也许对技术人员更有帮助� � 当理想涡流 气体圆盘 （可简称气盘） 被约束在圆筒壁内的空间中时， 其直径便不 能因离心力而无限扩张， 故气体粒子群将沿圆筒内壁表面旋转， 高速 旋转产生的离心力将在这一受限空间内形成增 大的气体压力。 这样就 会使得涡流外层气体的温度随压力的升高而升 高， 涡流内芯气体的温 度随压力的降低而降低。

由上述对旋涡冷热气体分离的认识可知， 只要将气体的流动变成 高速旋转的涡旋气流， 通过旋涡冷热分离效应就有望从其中心部分离 出冷气流， 从其外围部分离出热气流。

此外， 本申请的发明人对于一个在空间自由旋转的气 盘还认识到 两个问题， 第一， 离心力或者说旋转速度并不需要很大， 只要经过足 够的时间， 气盘粒子在经过一定时间后受到离心力影响而 增大的瞬时 速度就可以对气体压力产生足够的影响， 从而对气体温度产生足够的 影响； 第二， 旋转的圆周切向线速度并不需要很大， 只要旋涡气盘粒 子旋转的轨道直径足够小， 也会发生能对气体压力产生足够影响的离 心力， 从而对气体温度产生足够的影响。

综合考虑各种理论以及本申请发明人的创造性 认识， 本申请的发 明人认为：

1. 有可能通过延长涡流旋转的时间来增强冷热气 体分离的效果；

2. 有可能通过增大涡流旋转的直径来增强冷热气 体分离的效果；

3. 有可能通过在同样的旋转圆周切向线速度下收 缩涡流旋转的直 径来增强冷热气体分离的效果。

此外， 本申请的发明人充分认识到， 在使用涡旋式冷热气体分离 装置时， 日常生活中人们在很多情况下希望能够将其作 为改变环境温 度的冷风发生装置使用， 此时希望得到的是温度并不太低的 （例如让 人体感觉比较舒适的大约 20 °C ~ 30 °C的温度） 、 风量较大、 流速较低 的气体， 并且当然还希望这种涡旋式冷热气体分离装置 的构造简单， 噪音小， 无需使用压缩气体。 这就对利用兰克-赫尔胥效应的涡旋式冷 热气体分离装置构造提出了新的要求， 特别是在大风量低风速的大口 径 (如直径达数百毫米以上）涡旋式冷热气体分� �装置的设计制造上。

本发明的一个目的旨在克服现有技术的至少一 个缺陷， 提供至少 一种具有新型结构的涡旋式冷热气体分离装置 。

本发明的一个进一步的目的旨在提供风量较大 、 流速较低且输出 气流的口径能够被制造得较大的涡旋式冷热气 体分离装置。

本发明的又一个进一步的目的旨在使本发明的 上述涡旋式冷热气 体分离装置的构造简单、 噪音小和 /或能效比高。

第一方面， 本发明提供了一种涡旋式冷热气体分离装置， 包括： 具有圆筒形内壁表面的机体， 所述圆筒形内壁表面限定了圆筒形内腔， 所述圆筒形内腔沿其轴线方向具有第一端以及 与所述第一端相对的第 二端； 进气及搅动风扇装置， 其在所述圆筒形内腔的第一端处附接到 所述机体， 所述进气及搅动风扇装置被设置成将外部气体 吸入所述圆 筒形内腔中并搅动形成沿所述圆筒形内壁表面 旋转且朝所述圆筒形内 腔的第二端行进的第一涡流； 热气流排出口， 其被设置成位于或邻近 所述圆筒形内腔的第二端的边缘处， 从而使得行进到所述热气流排出 口的第一涡流的一部分气体经所述热气流排出 口排出到所述圓筒形内 腔之外； 涡流回流装置， 其被设置成位于所述圆筒形内腔的笫二端处， 以将第一涡流的未被排出所述热气流排出口的 剩余气体回流成穿过第 一涡流的气旋内芯朝所述圆筒形内腔的第一端 行进的第二涡流； 冷气 流排出口， 其被设置成位于所述圆筒形内腔的第一端的径 向中心处或 者被设置成邻近并围绕所述径向中心， 从所述热气流排出口中排出的 气体的温度高于从所述冷气流排出口中排出的 气体的温度。

优选地， 所述进气及搅动风扇装置包括多个进气及搅动 叶片， 每 个所述进气及搅动叶片本身包括被制成一体的 进气部分和搅动部分， 所述进气部分被设置成适于将外部气体吸入所 述圆筒形内腔中， 从而 由所述搅动部分将吸入所述圆筒形内腔中气体 搅动形成第一涡流。

优选地， 所述进气及搅动风扇装置包括： 环形件； 位于所述环形 件径向内侧的中心毂套； 以及连接所述环形件和所述中心毂套的多个 肋板； 其中所述环形件和所述中心毂套具有与所述圆 筒形内腔相同的 中心轴线， 所述中心毂套与所述环形件的环形内壁之间的 空间构成了 邻近并围绕所述圆筒形内腔的第一端的径向中 心的所述冷气流排出 口， 且所述多个进气及搅动叶片均设置在所述环形 件的外圆周壁上。

优选地， 每个所述肋板被设置成排气叶片的形式， 以在所述冷气 流排出口处形成负压， 从而便于第二涡流中的气体从所述冷气流排出 口中排出。

优选地， 所述进气及搅动风扇装置还包括： 设置在所述圆筒形内 腔之外的原动机； 和风扇主轴， 所述风扇主轴的一端连接于所述中心 毂套， 另一端连接于所述原动机的输出轴， 从而使得所述原动机通过 所述风扇主轴驱动所述中心毂套转动， 并带动所述肋板、 所述环形件 以及所述进气及搅动叶片转动。

优选地， 所述原动机沿所述圆筒形内腔的中心轴线设置 在所述涡 流回流装置的外側， 所述涡流回流装置的中心处具有通孔， 以供所述 原动机的输出轴或所述风扇主轴从中穿过。

优选地， 所述进气及搅动风扇装置包括分离的进气扇和 搅动扇， 其中所述进气扇包括多个进气叶片， 所述进气叶片被设置成适于将外 部气体吸入所述圆筒形内腔中， 所述搅动扇包括多个搅动叶片， 所述 搅动叶片被设置成适于搅动吸入所述圆筒形内 腔中的气体以形成第一 ¾流

优选地， 所述进气及搅动风扇装置包括分离的进气扇传 动轮和搅 动扇传动轮， 其中所述进气扇传动轮连接到所述进气扇， 以驱动所述 进气扇的进气叶片转动， 所述搅动扇传动轮连接到所述搅动扇， 以驱 动所述搅动扇的搅动叶片转动， 而且所述进气扇传动轮和所述搅动扇 传动轮分别通过各自的传动皮带或链条连接到 各自的设置在所述涡旋 式冷热气体分离装置的机体之外的原动机。 滚动轴承设置在中心管座上； 所述中心管座通过辐板支架固定于所述 涡旋式冷热气体分离装置的机体； 而且所述中心管座的环形内壁表面 限定出的中心通道构成了位于所述圆筒形内腔 的第一端的径向中心处 的所述冷气流排出口。

优选地， 所述进气及搅动风扇装置被设置成使得其搅动 部分或搅 动叶片的外缘的线速度在 1/8马赫以上， 但小于 9/10马赫的范围内。 优选地， 所述进气及搅动风扇装置还包括进出气分隔罩 ， 所述进 出气分隔罩具有导流通道， 所述导流通道的一端设置成邻近或邻接所 述冷气流排出口， 以接收从所述冷气流排出口中排出的冷气流， 将其 导离所述涡旋式冷热气体分离装置。

第二方面， 本发明提供了一种涡旋式冷热气体分离装置， 包括： 具有圆筒形内壁表面的机体， 所述圆筒形内壁表面限定了圓筒形内腔， 所述圆筒形内腔沿其轴线方向具有笫一端以及 与所述第一端相对的第 二端； 设置在所述机体外的风机； 进气口， 其设置在所述机体上且邻 近所迷圆筒形内腔的第一端， 所述风机的导风管连接到所述进气口， 而且所述进气口被设置成将所述风机输出的气 流基本上沿所述圆筒形 内腔的圆周的切线方向喷入所述圆筒形内腔中 ， 形成沿所述圆筒形的 内壁表面旋转且朝所述圆筒形内腔的第二端行 进的第一涡流； 热气流 排出口， 其被设置成位于或邻近所述圆筒形内腔的第二 端的边缘处， 从而使得行进到所述热气流排出口的第一涡流 的一部分气体经所述热 气流排出口排出到所述圆筒形内腔外； 涡流回流装置， 其被设置成位 于所述圆筒形内腔的第二端处， 以将第一涡流的未被排出所述热气流 排出口的剩余气体回流成穿过笫一涡流的气旋 内芯朝所述圆筒形内腔 的第一端行进的第二涡流； 具有冷气流排出通道的冷气流排出中心管 座， 其设置在所述圆筒形内腔的第一端处并沿所述 圆筒形内腔的中心 轴线轴向延伸到所述圆筒形内腔中， 所述冷气流排出通道接收第二涡 流使其与第一涡流隔离， 并将第二涡流的气体排出到所述涡旋式冷热 气体分离装置外， 从所述热气流排出口中排出的气体的温度高于 从所 述冷气流排出通道中排出的气体的温度。

优选地， 根据本发明第二方面的所述涡旋式冷热气体分 离装置还 包括具有中央通孔的管座固定法兰， 所述冷气流排出中心管座穿过所 述管座固定法兰的中央通孔并通过所述管座固 定法兰固定到所述涡旋 式冷热气体分离装置的机体上。

优选地， 根据本发明第二方面的所述涡旋式冷热气体分 离装置还 包括旋风轴套， 所述旋风轴套设置在所述圆筒形内腔中所述冷 气流排 出中心管座的周围， 而且具有朝所述圆筒形内腔的第二端的方向渐 缩 的截锥形部分， 以对第一涡流的旋转进行导引， 减少笫一涡流的紊流 损失。

优选地， 所述旋风轴套的截锥形部分的最大直径处延伸 有一段圆 筒形部分， 所述圆筒形部分与所述截锥形部分的交界圆周 在所述圆筒 形内腔的轴线方向上相对于所述圆筒形内腔的 第一端的距离大于或等 于所述进气口的周界相对于所述圆筒形内腔的 第一端的最大距离， 所 述交界圆周的半径被设置成使得所述进气口的 最低点的延长线与所述 交界圆周基本上相切。

优选地， 所述旋风轴套的圆筒形部分的末端套接固定在 所述管座 固定法兰的朝所述圆筒形内腔中凸出的环形台 阶上， 所述环形台阶的 中央环孔构成了所述管座固定法兰的中央通孔 的一部分。

优选地， 所述旋风轴套与所述冷气流排出中心管座之间 设置有隔 热材料， 以对所述冷气流排出中心管座的中央通孔中的 第二涡流与所 述旋风轴套径向外侧的笫一涡流进行热隔离。

优选地， 根据本发明第二方面的所述涡旋式冷热气体分 离装置还 包括轴向式整流装置， 其固定在所述冷气流排出中心管座的延伸入所 述圆筒形内腔的末端部分上， 以对经过所述轴向式整流装置的第一涡 流进行整流， 从而减少第一涡流的紊流损失， 并且使得整流后的第一 涡流相比于整流前的第一涡流在圆周方向上各 点处的旋涡气体流量更 加均匀。

优选地， 所述轴向式整流装置被构造成盘旋碟状构件， 所述盘旋 碟状构件具有中央环状件， 所述中央环状件的外圆周表面上固定有垂 直于该外圆周表面径向向外延伸出的沿圆周方 向均匀分布的多个扇形 导流片， 其中所述多个扇形导流片被设置成使得相邻的 两个所述扇形 导流片之间形成允许气流通过的楔形间隙。

优选地， 每个所述扇形导流片尺寸和形状皆相同； 每个所述扇形 导流片的扇形角皆为 40° ~ 80° 之间； 相邻两个所述扇形导流片在轴 向投影上的重叠部分的面积为每个所述扇形导 流片的面积的 1/3 - 2/3 之间； 各个所述楔形间隙的尖部的楔形角以及最窄处 的间距被设置成 有利于减少第一涡流的紊流损失， 并且使得整流后的第一涡流相比于 整流前的第一涡流在圆周方向上各点处的旋涡 气体流量更加均匀。

优选地， 每个所述扇形导流片为平板式导流片或具有曲 线截面的 导流片。 优选地， 所述风机是高速风机， 其稳定输出气流的速度在 1/8马赫 以上， 但小于 9/10马赫的范围内。

第三方面， 本发明提供了一种涡旋式冷热气体分离装置， 包括： 具有圆筒形内壁表面的机体， 所述圆筒形内壁表面限定了圆筒形内腔, 所述圆筒形内腔沿其轴线方向具有第一端以及 与所述第一端相对的笫 二端； 设置在所述机体外的风机； 具有进气口的端部进气整流罩， 其 在所述圓筒形内腔的第一端处固定到所述机体 ， 所述风机的导风管连 接到所述进气口以将所述风机输出的气流喷入 到所述端部进气整流罩 中， 所述端部进气整流罩被设置成将所述风机输出 的气流形成初始转 动气流并将其整流成沿所述圆筒形内壁表面旋 转且朝所述圆筒形内腔 的第二端行进的第一涡流； 热气流排出口， 其被设置成位于或邻近所 述圆筒形内腔的第二端的边缘处， 从而使得行进到所述热气流排出口 的第一涡流的一部分气体经所述热气流排出口 排出到所述圆筒形内腔 夕卜； 涡流回流装置， 其被设置成位于所述圆筒形内腔的第二端处， 以 将第一涡流的未被排出所述热气流排出口的剩 余气体回流成穿过第一 涡流的气旋内芯朝所述圆筒形内腔的笫一端行 进的第二涡流； 具有冷 气流排出通道的冷气流排出中心管座， 其设置在所述圆筒形内腔的第 一端处并沿所述圆筒形内腔的中心轴线轴向向 内延伸到所述圆筒形内 腔中、 轴向向外延伸到所述端部进气整流罩外， 所述冷气流排出通道 接收第二涡流使其与第一涡流隔离， 并将第二涡流的气体排出到所述 涡旋式冷热气体分离装置外， 从所述热气流排出口中排出的气体的温 度高于从所述冷气流排出通道中排出的气体的 温度。

优选地， 所述端部进气整流罩包括： 环形壳壁， 其内限定有相比 于所述涡旋式冷热气体分离装置的机体的圆筒 形内腔直径更大的空 腔， 所述空腔具有与所述圆筒形内腔相同的中心轴 线且与所述圓筒形 内腔直接连通， 所述进气口设置在所述环形壳壁上， 而且所述进气口 被设置成将所述风机输出的气流基本上沿所述 端部进气整流罩的空腔 的圆周的切线方向喷入所述端部进气整流罩的 空腔中， 形成初始转动 气流； 以及径向整流装置， 其设置在所述端部进气整流罩的空腔中且 与所述端部进气整流罩的空腔具有相同的中心 轴线， 所述径向整流装 置被设置成接收初始转动气流并将其整流成第 一涡流。

优选地， 所述端部进气整流罩还包括具有中央通孔的管 座固定法 兰， 所述冷气流排出中心管座穿过所迷管座固定法 兰的中央通孔并通 过所述管座固定法兰固定到所述端部进气整流 罩的环形壳壁的外側 端， 而且所述径向整流装置固定在所述管座固定法 兰的内侧表面上。

优选地， 所述端部进气整流罩还包括端部进气整流罩固 定法兰， 所述端部进气整流罩的环形壳壁的内側端固定 到所述端部进气整流罩 固定法兰的外缘部， 所述端部进气整流罩固定法兰的环形台阶在所 述 圆筒形内腔的第一端处固定到所述机体的外圆 周壁上。

优选地， 所述径向整流装置具有基板， 在所述基板的一个侧表面 上固定有垂直于所述侧表面且沿圆周方向均匀 分布的多个曲线形导流 片， 所述曲线形导流片被设置成将所述初始转动气 流整流成旋转直径 缩小的第一涡流， 并且使得第一涡流相比于所述初始转动气流不 但流 速更快， 而且紊流损失更小， 在圆周方向上各点处的旋涡气体流量更 加均匀。

优选地， 所述径向整流装置的相邻两个曲线形导流片之 间形成允 许气流通过的渐缩的楔形间隙， 所迷楔形间隙的尖部最窄处被设置成 能够基本上沿所述圓筒形内腔的圓周的切线方 向喷出经整流的气体， 形成第一涡流。

优选地， 所述径向整流装置的每个曲线形导流片被设置 成在垂直 于所述基板的轴向方向上具有彼此相同的轴向 宽度， 所迷轴向宽度基 本上等于所述端部进气整流罩的空腔的轴向长 度。

优选地， 所述径向整流装置的所述多个曲线形导流片的 轴向宽度 上的等分平面与所述进气口的中心轴线处于同 一平面上； 和 /或所述进 气口的最低点的延长线与所述多个曲线形导流 片的外缘的外包络圆周 线基本上相切； 和 /或所述多个曲线形导流片的内缘的内包络圆� �线与 所述圆筒形内腔同中心， 且直径等于或小于所述圓筒形内腔的直径。

优选地， 所述径向整流装置的每个曲线形导流片的沿导 流方向的 截面形状由内表面曲线、 外表面曲线以及端部连接过渡线围合而成， 其中所述内表面曲线由一段椭圆曲线区段、 一段维托辛斯基曲线区段 以及位于气流出口处的一段直线区段平滑连接 而成， 所述外表面曲线 由一段圆孤曲线区段和接近气流出口处的一段 直线区段平滑连接而 成。

优选地， 根据本发明第三方面的所述涡旋式冷热气体分 离装置还 包括具有中央通孔的管座固定法兰， 所述冷气流排出中心管座穿过所 述管座固定法兰的中央通孔并通过所述管座固 定法兰固定到所述端部 进气整流罩的环形壳壁的外侧端； 所述径向整流装置通过所述基板固 定在所述管座固定法兰的内側表面上的环形凹 陷部中， 所述环形凹陷 部的凹陷深度基本上等于所述基板的厚度。

优选地， 所述风机是高速风机， 其稳定输出气流的速度在 1/8马赫 以上， 但小于 9/10马赫的范围内。

第四方面， 本发明提供了一种涡旋式冷热气体分离装置， 其包括 机体、 热气流排出口、 涡流回流装置和冷气流排出口， 其中所迷涡流 回流装置被设置成具有内凹曲面形状的气流聚 焦反射面， 而且所述热 气流排出口设置在所述涡流回流装置中所述气 流聚焦反射面的径向外 側， 从而使得经过所述热气流排出口的第一涡流的 未被排出的剩余气 体沿所述气流聚焦反射面行进时， 气旋半径逐渐收缩， 旋转速度逐渐 加快， 加强了离心力， 并被第一涡流的气旋内芯负压吸引， 从而形成 穿过第一涡流的气旋内芯朝所述圆筒形内腔的 笫一端回流的笫二涡 流。

优选地， 所述气流聚焦反射面为内凹抛物面形状的气流 聚焦反射 面， 或内凹椭圆球面形状的气流聚焦反射面， 或内凹圆球面形状的气 流聚焦反射面。

优选地， 在所述气流聚焦反射面的外側设置有隔热层， 以避免所 述气流聚焦反射面处的气流温度受外界影响。

优选地， 根据本发明第四方面的所述涡旋式冷热气体分 离装置还 包括将外部气体输入所述机体内的圆筒形空腔 内形成第一涡流的进气 装置。

在根据本发明各个方面的涡旋式冷热气体分离 装置中， 优选地， 所述涡流回流装置被设置成具有内凹曲面形状 的气流聚焦反射面， 而 且所述热气流排出口设置在所述涡流回流装置 中所述气流聚焦反射面 的径向外侧， 从而使得经过所述热气流排出口的第一涡流的 未被排出 的剩余气体沿所述气流聚焦反射面行进时， 气旋半径逐渐收缩， 旋转 速度逐渐加快， 加强了离心力， 并被第一涡流的气旋内芯负压吸引， 从而形成穿过第一涡流的气旋内芯朝所迷圆筒 形内腔的第一端回流的 第二 流。 在根据本发明各个方面的涡旋式冷热气体分离 装置中， 优选地， 所述气流聚焦反射面为内凹抛物面形状的气流 聚焦反射面， 或内凹椭 圆球面形状的气流聚焦反射面， 或内凹圆球面形状的气流聚焦反射面。

在根据本发明各个方面的涡旋式冷热气体分离 装置中， 优选地， 在所述气流聚焦反射面的外侧设置有隔热层， 以避免所述气流聚焦反 射面处的气流温度受外界影响。

在根据本发明各个方面的涡旋式冷热气体分离 装置中， 优选地， 所述涡流回流装置在所述圆筒形内腔的第二端 处被可拆卸地安装于所 述涡旋式冷热气体分离装置的机体； 所述热气流排出口由所述涡流回 流装置的朝向所述圆筒形内腔的側面上的一圈 环形凹槽构成； 而且所 述环形凹槽的径向外壁上具有至少一个通向外 部的开口。

在根据本发明各个方面的涡旋式冷热气体分离 装置中， 优选地， 所述环形 IHJ槽内设置有控制热气流排出量的内阀门环， 所述内阀门环 的外周具有朝所述圆筒形内腔的方向渐缩的截 锥形表面， 所述内阀门 环的截锥形表面与所述机体的端面边缘上伸入 所述环形 1HJ槽内的相应 截锥形表面共同限定了所述热气流排出口的开 度， 从而使得能够通过 调节所述内阀 I、 1环在所述环形凹槽内所处的轴向位置来调节� �气流排 气量。

在根据本发明各个方面的涡旋式冷热气体分离 装置中， 优选地， 所述涡流回流装置在所述圆筒形内腔的第二端 处固接于所述涡旋式冷 热气体分离装置的机体， 或者， 所述涡流回流装置是所述涡旋式冷热 气体分离装置的机体在所述圆筒形内腔的第二 端处继续延伸出的整体 式部分。

在根据本发明各个方面的涡旋式冷热气体分离 装置中， 优选地， 所述热气流排出口由所述涡流回流装置上的至 少一个开口构成。

在根据本发明各个方面的涡旋式冷热气体分离 装置中， 优选地， 所述涡旋式冷热气体分离装置还包括用于调节 热气流排气量的阀片装 置， 所述阀片装置包括手轮、 杆体、 固定于所迷涡流回流装置的外侧 的螺孔座、 以及具有至少一个阀爪的阀爪构件， 其中所述杆体在靠近 其一端的区段上形成为螺杆段， 所述螺杆段的一部分可操作地旋入固 定于所述螺孔座中， 而所述杆体的另一端固定到所述手轮上； 所述阀 爪构件的一端连接到所述手轮或所述杆体， 使得所述阀爪构件可随所 述手轮和所述杆体一起轴向运动， 但不随所述手轮和所述杆体转动； 每个所述阀爪的末端设置有阀片， 所述阀片与所述涡流回流装置上的 所述至少一个开口的间距限定了所述热气流排 出口的开度， 从而使得 能够通过所述阀片装置来调节热气流排气量。

在根据本发明各个方面的涡旋式冷热气体分离 装置中， 优选地， 在所述涡旋式冷热气体分离装置的机体外设置 有散热或冷却装置， 以 冷却机体壁， 从而通过所述机体壁的热传导来冷却沿所述机 体的圆筒 形内壁表面旋转的热气流； 或者在所述涡旋式冷热气体分离装置的机 体外设置有隔热装置， 以减少机体壁向周围环境的热散失， 从而减少 沿所述机体的圆筒形内壁表面旋转的热气流向 周围环境的热散失； 或 者在所述涡旋式冷热气体分离装置的机体外设 置有隔热冷却复用装 置， 其能够被可操作设置成用来冷却机体壁， 从而通过所述机体壁的 热传导来冷却沿所述机体的圆筒形内壁表面旋 转的热气流， 或用来减 少机体壁向周围环境的热散失， 从而减少沿所述机体的圆筒形内壁表 面旋转的热气流向周围环境的热散失。

根据下文对本发明优选实施例的详细描述并结 合附图， 本领域技 术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目 的、 优点和特征。

附图说明

后文将会参照附图并以示例性而非限制性的方 式对本发明的优选 实施例进行详细描述， 附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部 件或部分， 而且这些附图未必是按比例绘制的。 附图中：

图 1是现有技术的利用兰克-赫尔胥效应进行冷热� ��体分离的涡流 管的示意图；

图 2 是根据本发明第一实施例的涡旋式冷热气体分 离装置的示意 性側视图；

图 3是沿图 2 中的剖切线 A - A获取的根据本发明笫一实施例的 涡旋式冷热气体分离装置的示意性剖视图；

图 4和图 5分别是从不同视角观察的图 2涡旋式冷热气体分离装 置的示意性分解透视图；

图 6 是根据本发明第一实施例的一个变型的涡旋式 冷热气体分离 装置的示意性剖视图， 其中示出了该涡旋式冷热气体分离装置内的气 体流动过程， 而且该涡旋式冷热气体分离装置的气流聚焦反 射面为内 凹圆球面形^ ;

图 7是根据本发明第一实施例的另一个变型的涡� �式冷热气体分 离装置的示意性剖视图， 其中该涡旋式冷热气体分离装置的气流聚焦 反射面为内凹椭圆球面形状；

图 8 是根据本发明第二实施例的涡旋式冷热气体分 离装置的示意 性剖视图；

图 9是沿图 8中的箭头 B所示方向观察的涡旋式冷热气体分离装 置的示意性端视图， 其中还示出了设置在涡旋式冷热气体分离装置 的 机体外的两个独立的原动机；

图 10是图 8涡旋式冷热气体分离装置的示意性局部剖视� �， 其中 示出了该涡旋式冷热气体分离装置的热气流排 出口以及涡流回流装置 附近的气体流动路径；

图 1 1是沿图 8中的箭头 C所示方向观察的涡旋式冷热气体分离装 置的示意性端视图；

图 12是根据本发明第三实施例的涡旋式冷热气体� ��离装置的示意 性剖视图；

图 13是图 12涡旋式冷热气体分离装置的涡流形成过程示� ��图； 图 14是图 12涡旋式冷热气体分离装置的示意性剖视图， 其中示 出了该涡旋式冷热气体分离装置内的气体流动 过程， 而且为清楚起见， 该图中省略了旋风轴套内优选隔热材料的剖面 线；

图 15是根据本发明第三实施例的一个变型的涡旋� ��冷热气体分离 装置的示意性局部剖视图， 其中该涡旋式冷热气体分离装置增设了一 个轴向式整流装置， 而且该图中还示出了设置在涡旋式冷热气体分 离 装置的机体外的风机；

图 16是图 15 涡旋式冷热气体分离装置所用的轴向式整流装 置的 示意性透视图；

图 17是图 15 涡旋式冷热气体分离装置所用的轴向式整流装 置的 示意性侧视图；

图 18是图 15 涡旋式冷热气体分离装置所用的轴向式整流装 置的 示意性端视图；

图 19是图 15 涡旋式冷热气体分离装置所用的轴向式整流装 置的 示意性 1/2周长平面展开图； 图 20是根据本发明第四实施例的涡旋式冷热气体� ��离装置的示意 性剖视图；

图 21是图 20涡旋式冷热气体分离装置所用的径向式整流� ��置的 示意性透视图；

图 22是图 20涡旋式冷热气体分离装置的涡流形成以及径� ��整流 过程示意图；

图 23是图 20涡旋式冷热气体分离装置所用的径向式整流� ��置的 示意性平面图；

图 24是图 20涡旋式冷热气体分离装置可用的另一种径向� ��整流 装置的示意性平面图；

图 25是图 20涡旋式冷热气体分离装置的示意性分解透视� ��； 图 26是组装完成的图 20涡旋式冷热气体分离装置的示意性透视 图；

图 27是根据本发明第四实施例的一个变型的涡旋� ��冷热气体分离 装置的示意性剖视图， 其中的气流聚焦反射面为内凹圓球面形状；

图 28是类似于图 27的涡旋式冷热气体分离装置的示意性剖视图� �� 但其中的气流聚焦反射面为内凹椭圆球面形状 ；

图 29是类似于图 27的涡旋式冷热气体分离装置的示意性剖视图� �� 但其中的气流聚焦反射面为内凹抛物面形状；

图 30是图 27 - 29的涡旋式冷热气体分离装置的示意性部分分� �� 透视图（由于气流聚焦反射面在图 30中不可见，故可仅用该图来表示图 27 - 29中类似的涡旋式冷热气体分离装置） 。

具体实施方式

参见图 2 - 5 , 其中分别示出了根据本发明第一实施例的涡旋 式冷 热气体分离装置 100 的示意性側视图、 剖视图以及从两个不同视角观 察的示意性分解透视图。 图 6和图 7是根据本发明第一实施例的变型 的涡旋式冷热气体分离装置 100'和 100"的示意性剖视图， 其中使用了 不同形状的气流聚焦反射面。

如图 2 - 7所示， 从运行机理上考虑， 根据本发明第一实施例的涡 旋式冷热气体分离装置 100包括机体 1 10、 进气及搅动风扇装置 120、 热气流排出口 130、 涡流回流装置 140以及冷气流排出口 150。

机体 1 10具有圆筒形内壁表面 1 1 1， 其限定了圆筒形内腔 1 12。 圆 筒形内腔 112 沿其轴线方向具有第一端 113 以及与所述第一端相对的 第二端 114。

进气及搅动风扇装置 120在所述圆筒形内腔 112的第一端 113处 附接到机体 110， 并且被设置成将外部气体吸入圆筒形内腔 112中， 以 搅动形成沿圆筒形内壁表面 111旋转且朝圆筒形内腔 112的第二端 114 行进的第一涡流。

热气流排出口 130被设置成邻近所述圆筒形内腔 112的第二端 114 的边缘 115处， 从而使得行进到热气流排出口 130的第一涡流的一部 分气体经热气流排出口 130排出到圆筒形内腔 112之外。 热气流排出 口 130 附近优选设置成使得热气流被圆滑平顺地排出 ， 以便减少紊流 损失。

涡流回流装置 140被设置成位于圓筒形内腔 112的第二端 114处， 以将第一涡流的未被排出热气流排出口 130 的剩余气体反射成穿过第 一涡流的气旋内芯朝圆筒形内腔 112的第一端 113回流的第二涡流。

冷气流排出口 150被设置成邻近并围绕圆筒形内腔 112的第一端

113的径向中心。 优选地， 涡旋式冷热气体分离装置 100还包括设置于 热气流排出口 130 处或附近的调节热气流排气量的调节装置。 通过调 节热气流的排气量， 可以在一定范围内调节排出的冷气流的温度。

在本发明的第一实施例中， 进气及搅动风扇装置 120 优选包括多 个进气及搅动叶片 121。每个进气及搅动叶片 121本身包括被制成一体 的进气部分 122和搅动部分 123,其中进气部分 122被设置成适于将外 部气体吸入圆筒形内腔 112 中， 从而由搅动部分 123将吸入圆筒形内 腔 112 中的气体搅动成第一涡流。 进气及搅动叶片 121 优选使用高强 度耐热防锈轻合金材料制成， 例如高强度铝合金或钛钢。 为进一步达 到强力旋涡气流发生效果， 进气及搅动叶片 121 可以被制得较长， 而 且涡旋式冷热气体分离装置 100的圆筒形内壁表面 111 可以被制得略 有很小锥度（例如小于 1° 或 0.5° 或更小）， 这种进气及搅动叶片 121 与略有锥度的圆筒形内壁表面 111 相匹配， 起到旋涡气流增速增密的 作用。 设计进气及搅动叶片 121 的具体形状时， 气体的吸入和排出的 流量不必太大。

更具体地， 进气及搅动风扇装置 120还优选包括环形件 124、 位于 环形件 124径向内侧的中心毂套 125、以及连接环形件 124和中心毂套 125的多个肋板 126。环形件 124和中心毂套 125优选与圆筒形内腔 1 12 具有相同的中心轴线。 中心毂套 125与环形件 124 的环形内壁之间的 空间构成了涡旋式冷热气体分离装置 100的冷气流排出口 150。 而且， 多个进气及搅动叶片 121均设置在环形件 124的外圆周壁上。

更优选地， 每个肋板 126 被设置成排气叶片的形式， 以在冷气流 排出口 150 处形成一定的负压， 从而便于第二涡流中的气体从冷气流 排出口 150 中排出。 此处由排气叶片形成的负压不宜过大， 能够便于 第二涡流中的气体从冷气流排出口 150 中排出即可， 不能对圆筒形内 腔 1 12中的第一涡流造成影响。

如本领域技术人员均可认识到的， 进气及搅动风扇装置 120 还可 包括原动机 128 , 优选是电动机， 更优选地是输出转速能够达到 10000 rpm以上的高速电动机， 而且其转速优选是可以调节的， 以控制排出的 冷风流的温度和流量。 在本发明的笫一实施例中， 原动机 128 设置在 圆筒形内腔 1 12之外， 其输出轴通过进气及搅动风扇装置 120的风扇 主轴 127驱动中心毂套 125转动， 并带动肋板 126、 环形件 124以及进 气及搅动叶片 121 转动。 更具体地， 原动机 】28可沿圆筒形内腔 1 12 的中心轴线设置在涡流回流装置 140 的外側。 在此情况下， 涡流回流 装置 140的中心处应设置一通孔 141 ,以供原动机 128的输出轴或风扇 主轴 127从中穿过从而连接到中心毂套 125。 在此， 本领域技术人员还 应认识到， 从原动机 128到中心毂套 125 的传动以及进一步到进气及 搅动叶片 121 的传动还可有其他形式， 例如一种更复杂的情况是， 原 动机 128的输出轴与风扇主轴 127 间还可具有变速机构 （例如齿轮变 速机构或皮带轮变速结构等等） 。

原动机 128 转速以及中间传动机构的变速比 （如果存在中间传动 机构的话） 的选择将决定进气及搅动叶片 121 转动的角速度， 而进气 及搅动叶片 121 的转动半径决定了当进气及搅动叶片处于特定 角速度 时的叶片线速度， 这是本领域技术人员熟知的并且容易根据具体 应用 的要求具体选择和设计原动机的转速、 中间传动机构的变速比以及进 气及搅动叶片 121 的转动半径。 在本发明的一些实施例中， 特别地， 这些选择和设计应该使得进气及搅动风扇装置 的搅动部分或搅动叶片 的外缘的线速度在 1/8马赫以上（实际上， 该速度基本上等于所形成的 第一涡流的气盘外缘的线速度， 受限空间内的涡流气盘外缘的线速度 通常也被简称为涡流的线速度）， 例如具体地可为 1/7马赫、 1/6马赫、 1/5马赫、 1/4马赫、 1/3马赫、 1/2马赫、 1/2、 2/3马赫、 3/4马赫、 4/5 马赫、 5/6马赫、 6〃马赫、 7/8马赫、 甚至接近 9/10马赫（本领域的技 术人员已公知的所谓 "音障临界值" ） ， 以及上述给出的任何两个数 值点之间的任一具体数值或任意区间。 再例如， 定性地而非精确地， 可以认为在本发明的装置中， 当第一涡流的线速度接近 9/10马赫 （音 障临界值） 时， 得到的冷气流相对于进气气流温度约可降低 60。C , 而 冷热气体分离的效果与第一涡流的线速度的平 方大致成正比， 随着第 一涡流线速度的降低， 冷热气体分离的效果还会受到其它诸多因素的 影响。 因此例如当第一涡流的线速度为 1/3马赫时， 可以预期得到相对 于进气气流温度降低了大约 6 °C - 7°C的冷气流。 在此需要强调的是， 以上数值以及定性关系并不是本领域中已知的 ， 而是本申请的发明人 深刻认识兰克-赫尔胥效应后发现以及创造性� �设计出的。 故此， 在本 发明的各个优选实施例中并不使用高压的压缩 气体作为气体源， 也不 强调喷入气体的压力， 而是强调涡流转动的离心力， 并继而以涡流转 动的线速度和可降低的冷气流温度作为一个设 计基准， 设计出全新结 构的涡旋式冷热气体分离装置。 根据本发明的涡旋式冷热气体分离装 置， 圆筒形内腔 1 12的直径可以高达例如 100 mm、 200 mm、 300 mm、 400 mm , 500 mm , 1 m、 2 m甚至更大， 而且有利于满足大风量、 低风 速、 大口径的应用需求。

在本发明的第一实施例中， 进气及搅动风扇装置 120 还可包括进 出气分隔罩 160。 进出气分隔罩 160具有导流通道 161， 其一端被设置 成邻近或邻接冷气流排出口 150,以接收从冷气流排出口 150中排出的 冷气流， 将其导送到远离圆筒形内腔 1 12 之外的一定距离处， 即将冷 气流最终排出到涡旋式冷热气体分离装置 100 之外进行处置或利用， 避免排出的冷气流被重新吸入涡旋式冷热气体 分离装置 100。 因此， 从 冷气流排出功能方面考虑， 也可将进出气分隔罩 160 的导流通道 161 视为冷气流排出口 150 的一部分。 此外， 本领域技术人员也均可认识 到， 这种进出气分隔罩的末端开口可被设置成喇八 口形或其他任何合 适的形状或具有转接接头， 以利于冷气流的扩散或收集利用； 而且也 可在该进出气分隔罩的导流通道筒壁外部设置 一些肋条、 肋板和 /或环 形圈等构件，使进出气分隔罩 160还同时用作进气及搅动风扇装置 120 的进气及搅动叶片 121的防护罩和 /或进气导流罩和 /或冷气流排出导流 罩等功能。 这些附加构件的设置是本领域技术人员都能容 易地理解和 实施的， 对此本文不再赘述。

特别地， 在本发明的各个优选实施例中， 涡流回流装置 140 优选 被设置成具有内凹抛物面形状的气流聚焦反射 面 142(例如可参见图 8、 图 12、 图 20 ) , 或内凹椭圆球面形状的气流聚焦反射面 142 (例如可 参见图 7 ) , 或内凹圆球面形状的气流聚焦反射面 142 (例如可参见图 3、 图 6 ) , 而且热气流排出口 130设置在涡流回流装置 140中所述反 射面 142的径向外側， 从而使得经过热气流排出口 130的第一涡流的 未被排出的剩余气体沿气流聚焦反射面 142 行进时， 气旋半径逐渐收 缩， 旋转速度逐渐加快， 加强了离心力， 并被第一涡流的气旋内芯负 压吸引， 从而形成穿过第一涡流的气旋内芯朝圆筒形内 腔 1 12 的第一 端 1 13 回流的第二涡流。 根据本文的公开内容， 本领域技术人员也应 认识到， 本发明中的涡流回流装置 140 也可采用具有其他能够通过涡 流的反射将涡流汇集到涡旋式冷热气体分离装 置 100的圆筒形内腔 1 12 的芯部 （即圆筒形内腔 1 12 的中心轴线周围第一涡流的气旋内芯内的 部分） 的内凹曲面形状的气流聚焦反射面。 第一涡流的气旋内芯的直 径例如一般不超过圆筒形内腔 1 12的内直径的 3/4、 或 2/3、 或 1/2、 或 1/3、 或 1/4等等。

优选地， 在本发明的各个优选实施例中， 这里例如参见图 3 所示 的笫一实施例， 其中， 涡流回流装置 140在圓筒形内腔 1 12的第二端 1 14处被可拆卸地安装于涡旋式冷热气体分离装� ��的机体 1 10。 热气流 排出口 130优选由涡流回流装置 140的朝向圆筒形内腔 1 12的那个侧 面上的一圈环形凹槽 143构成。 所述环形凹槽 143 的径向外壁上具有 至少一个通向外部的开口 144。环形凹槽 143内设置有控制热气流排出 量的内阀门环 132。 内阀门环 132的外周具有朝圆筒形内腔 1 12的方向 渐缩的截锥形表面， 该截锥形表面与机体 1 10的端面边缘 1 15上伸入 环形凹槽 143 内的相应截锥形表面共同限定了热气流排出口 130的开 度， 从而使得能够通过调节所述内阀门环在所述环 形凹槽内所处的轴 向位置来调节热气流排气量。 例如， 如图 4所示， 内阀门环 132的环 体上优选可以延伸出各个在圆周方向上均勾分 布的杆柱， 这些杆柱可 延伸穿过反射回流装置 140 的壳体罩上的通孔， 从而便于以各种方式 调节内阀门环 132的轴向位置。 调节这种内阀门环 132轴向位置的具 体技术本身是本领域人员熟知且容易实现的 （例如螺紋方式， 紧配合 方式等等） ， 这里不再赘述。

优选地， 在本发明的各个优选实施例中， 在涡旋式冷热气体分离 装置的机体 110外设置有用于散热或冷却的装置 170(例如可以水冷却 夹层水箱） ， 以冷却机体壁， 从而通过机体壁的热传导来冷却沿机体 110的圆筒形内壁表面 111旋转的热气流； 或者替代性地， 在涡旋式冷 热气体分离装置的机体 110外设置有用于隔热的装置 170 (例如可以是 抽真空的真空夹层壁） ， 以减少机体壁向周围环境的热散失， 从而减 少沿机体 110的圆筒形内壁表面 111 旋转的热气流向周围环境的热散 失； 或者替代性地， 在涡旋式冷热气体分离装置的机体 110 外设置有 具有隔热冷却复用功能的装置 170(例如可以是既适于抽真空又适于注 入冷却水或其他冷却介质的夹层壁， 用户可根据需要来选择其具体功 能） ， 其能够被可操作设置成用来冷却机体壁， 从而通过机体壁的热 传导来冷却沿机体 110的圆筒形内壁表面 111旋转的热气流， 或用来 减少机体壁向周围环境的热散失从而减少沿机 体 110 的圆筒形内壁表 面 111旋转的热气流向周围环境的热散失。

图 8- 11 示出了根据本发明第二实施例的涡旋式冷热气 体分离装 置 200的各种示意性视图。

如图 8- 11 所示， 根据本发明第二实施例的涡旋式冷热气体分离 装置 200同样包括机体 110、 进气及搅动风扇装置 120、 热气流排出口 130、 涡流回流装置 140以及冷气流排出口 150。

与图 2-7中所示的第一实施例的一个主要不同在于， 在根据本发 明笫二实施例的涡旋式冷热气体分离装置 200 中， 进气及搅动风扇装 置 120包括分离的进气扇 210和搅动扇 220。进气扇 210包括多个进气 叶片 211, 其被设置成适于将外部气体吸入圆筒形内腔 112中。 搅动扇 220包括多个搅动叶片 221。 其被设置成适于将吸入圆筒形内腔 112中 的气体搅动成第一涡流。 与第一实施例中讨论的原理相同， 在设计进 气叶片 211和搅动叶片 221 的具体形状时， 进气叶片 211 的气体吸入 和排出的流量不必太大， 但是要让搅动叶片 221 具有强力搅动成涡效 果， 因此进气叶片 211 优选设计得较短， 而搅动叶片 221 优选设计得 较长。 进气叶片 211 和搅动叶片 221 可以采用相同或者不同的材料制 成， 例如都采用同种高强度耐热防锈轻合金材料制 成 （例如都采用高 强度铝合金或钛钢之一制成） ， 或者采用不同的高强度耐热防锈轻合 金材料制成（例如进气叶片 21 1采用高强度铝合金制成， 搅动叶片 221 采用钛钢制成） ； 或者， 进气叶片 21 1 采用普通强度的材料制成， 而 搅动叶片 221 采用高强度耐热防锈轻合金材料制成。 进气扇 210和搅 动扇 220优选分别由分离的进气扇传动轮 212和搅动扇传动轮 222驱 动。 现参见图 8和图 9 , 其中可以看出进气扇传动轮 212和搅动扇传动 轮 222分别通过各自的传动皮带或链条 213和 223连接到各自的设置 在涡旋式冷热气体分离装置 200的机体 1 10之外的原动机 214和 224。 这种设置使得进气扇 210和搅动扇 220能够被独立地控制， 在应用上 具有更大的灵活性。 在图 9 中还示出了涡旋式冷热气体分离装置 200 可具有的底座 270，涡旋式冷热气体分离装置 200的用于散热或冷却的 装置 170或机体 1 10以及原动机 214和 224等均固定在该底座 270上。

更具体地， 在本发明的第二实施例中， 进气扇传动轮 212 和搅动 上。 中心管座 230通过辐板支架 ^ 231 固定于涡旋式冷热气体分离装置 200的机体 1 10上。中心管座 230的环形内壁表面限定出的中心通道构 成了位于圆筒形内腔 1 12的第一端 1 13 的径向中心处的冷气流排出口 150。

与图 2 - 7中所示的第一实施例的另一个主要不同在于� � 在根据本 发明第二实施例的涡旋式冷热气体分离装置 200中，涡流回流装置 140 在圆筒形内腔 1 12 的第二端 1 14处是固接于涡旋式冷热气体分离装置 200的机体 1 10的； 或者， 涡流回流装置 140是涡旋式冷热气体分离装 置 200的机体 1 10在圆筒形内腔 1 12的第二端 1 14处继续延伸出的一 个整体式部分。 在这种方案中， 热气流排出口 130 优选由涡流回流装 置 140上的邻近机体 1 10在圆筒形内腔 1 12的第二端 1 14处的边缘的 至少一个开口构成。 所述至少一个开口优选为在圆周方向上均勾分 布 的多个开口， 例如 3个以上， 或 4个以上， 或 5个以上， 或 6个以上， 或 7个以上， 或 8个以上， 或 9个以上， 或 10个以上， 在图 8 - 1 1所 示的示例中为 8个。

为适应热气流排出口 130 的这种新的形式， 在根据本发明第二实 施例的涡旋式冷热气体分离装置 200 中相应采用了另一种形式的调节 热气流排气量的调节装置， 其包括用于调节热气流排气量的阀片装置

240。 所述阀片装置 240可包括手轮 241、 杆体 242、 螺孔座 244、 阀爪 构件 245。

杆体 242在靠近其一端的区段上制有螺紋， 形成螺杆段 243。 螺杆 段 243 的一部分可操作地旋入固定于涡流回流装置 140外側的螺孔座 244中。 杆体 242的另一端固定到手轮 241上， 优选是固定到手轮 241 的凸出的连接部中。

阀爪构件 245的一端连接到手轮 241或杆体 242 ,连接方式优选应 使得阀爪构件 245可随手轮 241 和杆体 242—起轴向运动， 但不随手 轮 241和杆体 242转动。 具体地， 例如， 可在杆体 242的靠近螺杆段 243的部位处形成一个直径增大的台阶段，杆体 242在台阶段的相反于 螺杆段的一側为光杆段， 光杆段的末端被固定在手轮 241 的凸出的连 接部中的固定孔中； 而阀爪构件 245 通过其端板上的中心通孔间隙配 合地套在杆体 242 的台阶段与手轮 241 的凸出的连接部之间的光杆段 上 (显然， 端板中心通孔的直径优选大于光杆段的直径， 但小于台阶段 的直径和手轮 241的凸出的连接部的直径）， 并且保证杆体 242的台阶 段与手轮 241 的凸出的连接部之间的间距基本等于或略大于 阀爪构件 245的端板厚度， 这样就可使得阀爪构件 245可随手轮 241和杆体 242 一起轴向运动， 但基本上不随手轮 241 和杆体 242转动 （这里暂时忽 略了摩擦力的影响） 。

阀爪构件 245 的另一端延伸出至少一个阀爪， 其数量优选与构成 热气流排出口 130的开口数量相同， 每个阀爪 245 的末端设置有相应 的阀片 246。

由于阀片 246 与涡流回流装置上的开口的间距限定了热气流 排出 口 130的开度， 因而可以通过转动该阀片装置的手轮 241 来调节螺杆 段 243旋入螺孔座 244 中的深度， 以调节阀片 246所处的轴向位置， 从而实现调节热气流排出口 130 开度的目的 （即实现了调节热气流排 气量的目的） 。

此外， 阀片装置 240还可包括一个带有若干通孔的后盖法兰 247, 其位于手轮 241和阀爪 245之间。 后盖法兰 247直接或间接地固定到 机体 1 10， 优选是直接固定到用于散热或冷却的装置 170的延伸部上， 继而间接地固定到机体 1 10。为了避免排出的热气流不恰当地加热涡流 回流装置 140， 优选还可以设置一个热气流排出隔离罩 248。 筒状的热 气流排出隔离罩 248设置在涡流回流装置 140的外侧。 特别地， 在热 气流排出隔离罩 248的尾端开有和阀爪滑动配合的缺口槽 249 , 以限制 阀爪构件 245可能出现的转动 （例如摩擦力可能导致阀爪构件 245有 小的转动趋势） ， 保持阀爪和热气流排出口 130 的覆盖位置有相对一 致的角度（为便于理解， 可同时参考图 25 , 其中明显地示出了缺口槽 249 ) 。 本领域技术人员均可认识到用于调节热气流排 气量的装置还可 以有很多种其他形式， 在此不再——列举。

在根据本发明第二实施例的涡旋式冷热气体分 离装置 200 中还可 为进气扇 210设置一个独立的防护罩 260 , 因而， 如图 8所示， 涡旋式 冷热气体分离装置 200的进出气分隔罩 160上未设置肋条、 肋板和 /或 环形圏等构件。 这些结构都是本领域技术人员熟知或容易理解 和实现 的， 在此不再赘述。

图 12-14 示出了根据本发明笫三实施例的涡旋式冷热气 体分离装 置 300的各种示意性视图。

如图 12 - 14所示， 根据本发明第三实施例的涡旋式冷热气体分离 装置 300 包括机体 1 10、 设置在所述机体外的风机 310 (图 12 中未示 出， 可参见图 13或图 15 ) 、 设置在机体 1 10上的进气口 320、 热气流 排出口 130、涡流回流装置 140以及具有冷气流排出通道的冷气流排出 中心管座 330。 本发明中所用的风机 310优选是高速风机， 其稳定输出 气流的速度能够达到 1/8马赫以上， 例如具体地可为 1〃马赫、 1/6马 赫、 1/5马赫、 1/4马赫、 1/3马赫、 1/2马赫、 1/2、 2/3马赫、 3/4马赫、 4/5马赫、 5/6马赫、 6/7马赫、 7/8马赫、 甚至接近 9/10马赫 （音障临 界值） ， 以及上述给出的任何两个数值点之间的任一具 体数值或任意 区间。

类似于第一和第二实施例， 涡旋式冷热气体分离装置 300 的机体 1 10也具有圆筒形内壁表面 1 1 1 , 其限定了圆筒形内腔 1 12。 圆筒形内 腔 1 12沿其轴线方向具有第一端 1 13 以及与所述第一端相对的第二端 1 14。 而且如图 12 中可以清楚地看出的， 本发明第三实施例中的热气 流排出口 130和涡流回流装置 140与本发明第二实施例中的基本相同。 另外， 如本领域技术人员均可认识到的， 本发明第三实施例中的热气 流排出口 130和涡流回流装置 140也可采用与本发明第一实施例中相 同的形式。 为清楚简明起见， 在此将不赘述这些相同或类似的部件或 部分， 它们都是根据前文的描述容易理解的。

本发明第三实施例的涡旋式冷热气体分离装置 300 与本发明第一 和第二实施例 100和 200的主要区别在于进气方式和第一涡流的形成 方式不同。

具体地， 在涡旋式冷热气体分离装置 300 中， 机体 1 10上邻近圆 筒形内腔 1 12的第一端 1 13处设置有进气口 320。 风机 310的导风管 31 1连接到进气口 320。 进气口 320被设置成将风机 310输出的气流基 本上沿圆筒形内腔 1 12的圆周的切线方向喷入圆筒形内腔 1 12 中， 以 便形成沿圆筒形的内壁表面 1 1 1旋转且朝圆筒形内腔 1 12的第二端 1 14 行进的第一涡流。

此外，涡旋式冷热气体分离装置 300包括冷气流排出中心管座 330， 其具有冷气流排出通道 331。冷气流排出中心管座 330设置在圆筒形内 腔 1 12的第一端 1 13处， 并且沿圆筒形内腔 1 12的中心轴线轴向延伸 到圆筒形内腔中。 冷气流排出通道 331 接收第二涡流使其与第一涡流 隔离 , 并将第二涡流的气体排出到涡旋式冷热气体分 离装置 300外。

优选地， 涡旋式冷热气体分离装置 300 还包括具有中央通孔的管 座固定法兰 332。 所述冷气流排出中心管座 330穿过管座固定法兰 332 的中央通孔并通过管座固定法兰 332 固定到涡旋式冷热气体分离装置 300的机体 1 10上。

特别地， 涡旋式冷热气体分离装置 300优选还包括旋风轴套 340， 其设置在圆筒形内腔 1 12 中冷气流排出中心管座 330的周围， 而且具 有朝圓筒形内腔 1 12的第二端 1 14的方向渐缩的截锥形部分 341，以对 第一涡流的旋转进行导引， 减少第一涡流的紊流损失。 旋风轴套 340 的截锥形部分 341的最大直径处延伸有一段圆筒形部分 342。所述圆筒 形部分 342与所述截锥形部分 341 的交界圆周在圆筒形内腔 1 12的轴 线方向上相对于圆筒形内腔 1 12第一端 1 13 的距离优选大于或等于进 气口 320的周界相对于圆筒形内腔 1 12第一端 1 13的最大距离。 在本 发明的一个优选实施例中， 进气口 320可靠近管座固定法兰 332的内 侧表面设置。 而且所述交界圓周的半径优选可被设置成使得 所述进气 口的最低点的延长线与所述交界圆周基本上相 切。 旋风轴套 340 的圆 筒形部分 342的末端优选套接固定在管座固定法兰 332的朝圆筒形内 腔 1 12 中凸出的环形台阶 333上。 环形台阶 333的中央环孔构成了管 座固定法兰 332的中央通孔的一部分， 冷气流排出中心管座 330从中 穿过。

更优选地， 可以在旋风轴套 340与冷气流排出中心管座 330之间 的空间中设置隔热材料 （例如多孔隔热材料或纤维类隔热材料等） ， 以对冷气流排出中心管座 330的中央通孔中的第二涡流与旋风轴套 340 径向外側的第一涡流进行热隔离。

图 15是根据本发明第三实施例的一个变型的涡旋� ��冷热气体分离 装置 300'的示意性局部剖视图，其中涡旋式冷热气� �分离装置 300'增设 了一个轴向式整流装置 350，其固定在冷气流排出中心管座 330的延伸 入圆筒形内腔 1 12的末端部分上， 以对经过轴向式整流装置 350的第 一涡流进行整流， 从而减少第一涡流的紊流损失， 并且使得整流后的 笫一涡流相比于整流前的第一涡流在圆周方向 上各点处的旋涡气体流 量更加均匀。

图 16 - 19示出了涡旋式冷热气体分离装置 300'所用的轴向式整流 装置 350的各种较详细的示意性视图。

如图 16 - 19所示， 轴向式整流装置 350为盘旋碟状构件， 其具有 中央环状件 351 ,其外圆周表面上固定有垂直于该外圆周表面� �向向外 延伸出的沿圆周方向均匀分布的多个扇形导流 片 352。所述多个扇形导 流片 352 被设置成使得相邻的两个扇形导流片之间形成 允许气流通过 的大致楔形的间隙。 第一涡流经过这些楔形间隙喷出后即形成了经 过 整流的第一涡流。

优选地， 每个扇形导流片 352 的尺寸和形状皆相同。 每个扇形导 流片 352的扇形角优选在 40° - 80。 之间， 例如皆为 60° 。 相邻两个 扇形导流片 352 在轴向投影上的重叠部分的面积优选为每个扇 形导流 片面积的 1/3 ~ 2/3， 例如可为 1/2。 各个楔形间隙的尖部的楔形角以及 最窄处的间距被设置成有利于减少第一涡流的 紊流损失， 并且使得整 流后的第一涡流相比于整流前的笫一涡流在圆 周方向上各点处的旋涡 气体流量更加均匀， 具体设计可参照图 19中的平面展开图的形式根据 现有技术中流体力学的有关知识进行， 这是本领域技术人员根据本申 请的内容以及相应的流体力学知识容易进行的 ， 在此不予赘述。

每个扇形导流片 352可为简单的平板式形状。 扇形导流片 352也 可优选为具有流线形曲线截面的导流片， 至于具体曲线形状的设计是 本领域技术人员根据本申请的内容以及相应的 流体力学知识容易进行 的， 在此不予赘述。

图 20 示出了根据本发明第四实施例的涡旋式冷热气 体分离装置 400的示意性剖视图。

如图 20所示， 根据本发明第四实施例的涡旋式冷热气体分离 装置 400 总体上类似于根据本发明第三实施例的涡旋式 冷热气体分离装置 300或 300' ,它们之间的主要区别在于进气方式和第一涡� �的形成方式 不同。

具体地，涡旋式冷热气体分离装置 400设置有端部进气整流罩 410， 进气口 320设置在端部进气整流罩 410上而不是机体 1 10上。 端部进 气整流罩 410在圆筒形内腔 1 12的第一端 1 13处固定到机体 1 10。风机 310的导风管 31 1连接到进气口 320 , 以将风机输出的气流喷入到端部 进气整流罩 410 中。 端部进气整流罩 410被设置成将风机输出的气流 形成初始转动气流并将其整流成沿圆筒形内壁 表面 1 1 1 旋转且朝圆筒 形内腔 1 12的第二端 1 14行进的第一涡流。 在涡旋式冷热气体分离装 置 400中不必设置旋风轴套 340和轴向式整流装置 350即可获得良好 的整流效果。 此外， 如果需要的话， 也可在涡旋式冷热气体分离装置 400的冷气流排出中心管座 330的必要部分上采取隔热措施（例如套上 一个直径稍大的套管， 该套管与中心管座的外圆周壁之间填充隔热材 料）， 或者将涡旋式冷热气体分离装置 400的冷气流排出中心管座 330 本身设计成具有一定的隔热能力 （例如将其管壁设计成双层中空管壁， 管壁夹层可抽真空或填充隔热材料） 。

优选地， 端部进气整流罩 410具有环形壳壁 41 1 , 其内限定的空腔 412的直径大于涡旋式冷热气体分离装置 400的机体 1 10的圆筒形内腔 1 12的直径。空腔 412具有与圆筒形内腔 1 12相同的中心轴线且与圆筒 形内腔 1 12直接连通。 进气口 320设置在环形壳壁 41 1 上， 而且该进 气口 320被设置成将风机输出的气流基本上沿端部进 气整流罩 410的 空腔 412的圆周切线方向喷入该空腔中， 形成初始转动气流。 特别地， 所述端部进气整流罩 410具有径向整流装置 420 ,其设置在端部进气整 流罩的空腔 412 中且与该空腔具有相同的中心轴线， 所述径向整流装 置被设置成接收初始转动气流并将其整流成第 一涡流。 优选地， 端部进气整流罩 410 还包括具有中央通孔的管座固定法 兰 413。冷气流排出中心管座 330穿过管座固定法兰 413的中央通孔并 通过管座固定法兰 413 固定到端部进气整流罩的环形壳壁 41 1 的外侧 端。 优选地， 径向整流装置 420 固定在管座固定法兰 413 的内侧表面 上。

优选地，端部进气整流罩 410还包括端部进气整流罩固定法兰 414。 端部进气整流罩 410的环形壳壁 41 1 的内侧端固定到端部进气整流罩 固定法兰 414的外缘部，端部进气整流罩固定法兰 414的环形台阶 415 在圆筒形内腔 1 12的第一端 1 13处固定到机体 1 10的外圆周壁上。

现转到图 21，其中示出了图 20涡旋式冷热气体分离装置 400的径 向式整流装置 420的示意性透视图。

如图 21 所示， 径向整流装置 420 具有优选为圆环形平板的基板 421。 在基板 421的一个側表面上固定有垂直于该表面且沿圆 周方向均 匀分布的多个曲线形导流片 422。 基板 421也可具有其他合适的形状， 只要其表面上可固定所述曲线形导流片， 而且中心部具有可供冷气流 排出中心管座 330穿过的中心孔即可。

曲线形导流片 422 被设置成将所述初始转动气流整流成旋转直径 缩小的第一涡流， 并且使得该第一涡流相比于所述初始转动气流 不但 流速更快， 而且紊流损失更小， 在圆周方向上各点处的旋涡气体流量 更加均勾。 相邻的两个曲线形导流片 422 之间形成允许气流通过的渐 缩的大致楔形的间隙。 楔形间隙的尖部最窄处形成气流出口， 其优选 被设置成能够基本上沿所述圆筒形内腔的圆周 的切线方向喷出经整流 的气体， 形成第一涡流。 对此可参见图 22 , 其中示意性地表示了这种 径向整流装置 420的整流过程。 优选地， 每个曲线形导流片 422被设 置成在垂直于基板 421 的轴向方向上具有彼此相同的轴向宽度， 该轴 向宽度基本上等于端部进气整流罩 410的空腔 412的轴向长度。 各个 曲线形导流片 422的轴向宽度上的等分平面优选可与进气口 320的中 心轴线处于同一平面上。 各个曲线形导流片 422 优选被设置成使得进 气口 320 的最低点的延长线与所有曲线形导流片的各外 缘的外包络圆 周线基本上相切。 替代性地， 这一延长线也可略高于或略低于曲线形 导流片的所述外包络圆周线。 所有曲线形导流片的各内缘的内包络圆 周线优选与圆筒形内腔 1 12 同中心， 而且进一步优选地， 该内包络圆 周线具有与圆筒形内腔 1 12基本上相同的直径或略小一些的直径。 特别地， 在本发明中， 径向整流装置 420的每个曲线形导流片 422 的沿导流方向的截面形状由内表面曲线、 外表面曲线以及端部连接过 渡线围合而成。 如本领域技术人员均可认识到和理解的， 由于曲线形 导流片整体上呈薄片形状， 在其内表面曲线和外表面曲线末端处的端 部连接过渡线非常短， 对曲线形导流片 422 的导流作用影响甚微， 无 讨论必要。 故， 下面将主要讨论曲线形导流片 422 的内表面曲线和外 表面曲线的形状。

参见图 23 , 径向整流装置 420的内表面曲线优选被设置成包括一 段椭圆曲线区段、 一段维托辛斯基曲线区段以及位于楔形间隙的 气流 出口处的一段直线区段。 所述椭圆曲线区段和所述维托辛斯基曲线区 段之间优选平滑过渡。 如图 23所示， 每个曲线形导流片 422的内表面 曲线在径向外側首先开始于所述椭圆曲线区段 ， 然后平滑过渡到所述 维托辛斯基曲线区段， 然后平滑过渡到所述内表面曲线的直线区段。 如本领域技术人员能够理解的， 所述椭圓曲线区段可以直接与所述维 托辛斯基曲线区段相接且形成平滑过渡； 不过所述椭圆曲线区段也可 以经由一段过渡曲线区段与所述维托辛斯基曲 线区段相接， 以形成所 述椭圆曲线区段与所述维托辛斯基曲线区段之 间的平滑过渡。 优选地， 所述内表面曲线的维托辛斯基曲线区段与直线 区段之间直接平滑过渡 地相连。

优选地， 所述外表面曲线被设置成包括一段圆弧曲线区 段和接近 楔形间隙的气流出口处的一段直线区段。 所述外表面曲线的圆弧曲线 区段直线区段之间优选直接平滑过渡地相连。

优选地， 各个曲线形导流片 422 的内表面曲线的椭圆曲线区段的 延长线与所有曲线形导流片的各外缘的外包络 圆周线基本上相切， 而 且各个曲线形导流片 422 的外表面曲线的圆弧曲线区段也可与该外包 络圆周线基本上相切， 以保证空腔 412 中的气流在气流入口处沿所述 内表面曲线和所述外表面曲线的切线方向流入 楔形间隙构成的导流 区。 （本领域技术人员将会认识到， 由于各个曲线形导流片的外缘处 较薄， 因此所述内表面曲线的椭圆曲线区段和所述外 表面曲线的圆弧 曲线区段与所述外包络圆周线的相切点是非常 接近的， 甚至可认为相 同， 因而实际上， 所述内表面曲线和所述外表面曲线在气流入口 处的 切线方向基本上是相同的。 ）

优选地， 各个曲线形导流片 422 的内表面曲线的直线区段与所有 曲线形导流片的各内缘的内包络圆周线基本上 相切， 而且各个曲线形 导流片 422 的外表面曲线的直线区段的延长线也可与该内 包络圆周线 基本上相切， 以保证从楔形间隙中的气流能够基本上沿所述 内包络圆 周线的切线方向喷出形成第一涡流。

在本发明的一些实施例中，径向式整流装置 420的圆环形基板 421 的外圆周可被设置成与曲线形导流片的所述外 包络圆周线重合， 而圆 环形基板 421 的内圆周可被设置成与曲线形导流片的所述内 包络圆周 线重合。

上述特别设计的曲线形导流片非常有利于在本 发明的装置中有效 地减少紊流损失， 增强圆周方向上各点处旋涡气体流量的均匀性 。

替代性地， 如图 24所示， 本发明第四实施例的涡旋式冷热气体分 离装置 400还可采用另一种径向式整流装置 420'，其曲线形导流片 422， 的截面形状较为简单， 内表面曲线和外表面曲线均由椭圆曲线区段构 成。 这种替代性径向式整流装置 420'的优点在于结构简单， 易于制造， 并且也可在一定程度上有效地减少紊流损失， 增强圆周方向上各点处 旋涡气体流量的均匀性。

此外， 如图 20所示， 径向整流装置 420优选通过其基板 421 固定 在管座固定法兰 413 的内侧表面上的环形凹陷部 416 中。 环形凹陷部 416的凹陷深度优选基本上等于基板 421的厚度。

为更直观地理解图 20涡旋式冷热气体分离装置 400的构造， 还可 参见图 25， 其中示出了涡旋式冷热气体分离装置 400的示意性分解透 视图。 组装好的涡旋式冷热气体分离装置 400的可参见图 26。

图 27是根据本发明第四实施例的一个变型的涡旋� ��冷热气体分离 装置 400'的示意性剖视图。在涡旋式冷热气体分离� �置 400'中， 采用了 一种替代性的用于调节热气流排气量的调节装 置 440 ,其同样包括手轮 241、 杆体 242以及螺孔座 244。 一个滑杆固定法兰 441通过其中心通 孔间隙配合地套在杆体 242的台阶段与手轮 241 的凸出的连接部之间 的光杆段上 (显然， 该中心通孔的直径同样优选大于光杆段的直径 ， 但 小于台阶段的直径和手轮 241的凸出的连接部的直径）， 并且保证杆体 滑杆固定法兰 441的厚度。 滑杆固定法兰 441上固定有多根滑杆 442。 滑杆 442延伸穿过滑座 443 上的相应通孔， 滑杆末端相对于机体 1 10 被固定。 内凹圆球面形状的气流聚焦反射面 142 固定到滑座 443 的径 向内侧。 在气流聚焦反射面 142的外侧特别地设置了隔热层 445， 以避 免该处的气流温度受外界影响 （主要是为了对此处逐渐形成和集聚的 第二涡流进行保冷隔热） 。 隔热层 445 可以由任何适当的隔热材料构 成， 例如由多孔隔热材料或纤维类隔热材料构成。 在隔热层 445 的外 側设置有隔热材固定罩 444。 隔热材固定罩 444固定在滑座 443上， 而 所述螺孔座 244固定在隔热材固定罩 444 , 这样就可通过转动手轮 241 来使杆体 242的螺杆段 243在螺孔座 244中转动并出现轴向运动， 从 而使得滑座 443在滑杆 442上轴向滑动，以调节环状热气流排出口 130 的开度（如图 27所示， 该例中的热气流排出口 130由机体 1 10与滑座 443之间的间隙限定）， 从而调节热气流的排出量。 调节热气流的排出 量例如可调节排出的冷气流的温度和流量。

进一步地， 在冷气流排出中心管座 330上设置有旋风轴套 340， ， 该旋风轴套 340'类似于本发明第三实施例中旋风轴套 340 ,但不存在圆 筒形部分 342。 在旋风轴套 340， 与冷气流排出中心管座 330之间的空 间中同样优选设置有隔热材料 （例如多孔隔热材料或纤维类隔热材料 等） ， 以对冷气流排出中心管座 330 的中央通孔中的第二涡流与旋风 轴套 340'径向外側的第一涡流进行热隔离。

图 28和图 29还示出了类似于图 27的另外两种涡旋式冷热气体分 离装置 400"和 400"'。 与图 27的涡旋式冷热气体分离装置 400'不同， 图 28和图 29中的涡旋式冷热气体分离装置 400"和 400 "'分别采用了内凹 椭圆球面形状和内凹抛物面形状的气流聚焦反 射面 142。 图 30示出了 图 27 - 29的涡旋式冷热气体分离装置的示意性部分分� ��透视图。这里， 本领域技术人员均可理解， 由于气流聚焦反射面在图 30中不可见， 故 图 30 实际上可作为图 27 - 29 中三种类似涡旋式冷热气体分离装置的 共同的示意性部分分解透视图。

特别地， 本领域技术人员应该认识到， 本发明所公开的各种具有 内凹曲面形状气流聚焦反射面的涡流回流装置 不仅可以应用于上文公 开的各个实施例或其变型中， 而且也可用于采用其他任何现在已知或 将来已知的进气和涡流形成装置的涡旋式冷热 气体分离装置中， 只要 这些进气装置或涡流形成装置能够将外部气体 输入所述机体内的圆筒 形空腔内形成第一涡流皆可。 这样的进气和涡流形成装置除了包括本 发明各个实施例及其变型中公开的相应装置外 ， 而且还可以包括但不 限于现有技术中利用气体压缩机或其他压缩空 气源来作为进气气源形 成第一涡流的各种装置。

虽然本文示出和描述了多个示例性的优选实施 例， 但本领域技术 人员均可意识到， 在不脱离本发明精神和范围的情况下， 可以根据本 申请公开的内容直接确定或推导出符合这些实 施例的许多其他变型或 修改。 因此， 应认为本发明的范围覆盖了所有这些其他变型 或修改。