CN102614749B - 涡旋式冷热气体分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡旋式冷热气体分离装置，其中一种包括：具有圆筒形内壁表面的机体，圆筒形内壁表面限定了具有第一端和第二端的圆筒形内腔；在第一端处附接到机体的进气及搅动风扇装置，将外部气体吸入圆筒形内腔中并搅动形成朝第二端行进的第一涡流；热气流排出口，其位于或邻近第二端的边缘处，将行进到热气流排出口的第一涡流的部分气体排出到圆筒形内腔外；位于第二端的涡流回流装置，其将第一涡流的未被排出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圆筒形内腔的第一端行进的第二涡流；冷气流排出口，其位于圆筒形内腔第一端的径向中心或邻近并围绕该径向中心，从热气流排出口排出的气体温度高于从冷气流排出口中排出的气体温度。

Description

涡旋式冷热气体分离装置

技术领域

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℃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℃～－10℃，而热气流的温度可达约100℃。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，而这最终导致对涡旋温度分离效应以及相应涡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11、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以及涡流阻挡回流椎体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11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，受到涡流阻挡回流椎体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口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极其复杂。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纭，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局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℃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. 涡流阻挡回流椎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***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℃～30℃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)涡旋式冷热气体分离装置的设计制造上。

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圆筒形内腔之外；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侧，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涡流。

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。

优选地，所述进气扇传动轮和所述搅动扇传动轮分别通过各自的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。

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；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述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；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，减少第一涡流的紊流损失。

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第一涡流进行热隔离。

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能够达到1/8马赫以上。

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第二端；设置在所述机体外的风机；具有进气口的端部进气整流罩，其在所述圆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；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圆筒形内腔直接连通，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，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侧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，所述楔形间隙的尖部最窄处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。

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，所述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周线与所述圆筒形内腔同中心，且直径等于或小于所述圆筒形内腔的直径。

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弧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侧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能够达到1/8马赫以上。

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述圆筒形内腔的第一端回流的第二涡流。

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。

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述圆筒形内腔的第一端回流的第二涡流。

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侧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，所述环形凹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凹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。

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、固定于所述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气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侧视图；

图3是沿图2中的剖切线A－A获取的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状；

图7是根据本发明第一实施例的另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图，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11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分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意图；

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式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分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装置的示意性透视图；

图22是图20涡旋式冷热气体分离装置的涡流形成以及径向整流过程示意图；

图23是图20涡旋式冷热气体分离装置所用的径向式整流装置的示意性平面图；

图24是图20涡旋式冷热气体分离装置可用的另一种径向式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；

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式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圆球面形状；

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解透视图(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的示意性侧视图、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。

机体110具有圆筒形内壁表面111，其限定了圆筒形内腔112。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被设置成位于圆筒形内腔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112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112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。在本发明的第一实施例中，原动机128设置在圆筒形内腔112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128可沿圆筒形内腔112的中心轴线设置在涡流回流装置140的外侧。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、6/7马赫、7/8马赫、甚至1马赫或大于1马赫，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，第一涡流的线速度接近1马赫时，得到的冷气流相对于进气气流温度可降低60℃，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，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℃－7℃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地设计出的。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112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112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叭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的径向外侧，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112的第一端113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112的芯部（即圆筒形内腔112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112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所示的第一实施例，其中，涡流回流装置140在圆筒形内腔112的第二端114处被可拆卸地安装于涡旋式冷热气体分离装置的机体110。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112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112的方向渐缩的截锥形表面，该截锥形表面与机体110的端面边缘115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匀分布的杆柱，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（例如螺纹方式，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，在根据本发明第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211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211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110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110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和搅动扇传动轮222分别通过各自的滚动轴承215和225设置在中心管座230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110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112的第一端113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112的第二端114处是固接于涡旋式冷热气体分离装置200的机体110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110在圆筒形内腔112的第二端114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110在圆筒形内腔112的第二端114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匀分布的多个开口，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8－11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纹，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外侧的螺孔座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242一起轴向运动，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侧为光杆段，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110，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110。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，在此不再一一列举。

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/或环形圈等构件。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示出了根据本发明第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110、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110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1/7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、6/7马赫、7/8马赫、甚至1马赫或大于1马赫，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110也具有圆筒形内壁表面111，其限定了圆筒形内腔112。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。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110上邻近圆筒形内腔112的第一端113处设置有进气口320。风机310的导风管311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112的圆周的切线方向喷入圆筒形内腔112中，以便形成沿圆筒形的内壁表面111旋转且朝圆筒形内腔112的第二端114行进的第一涡流。

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112的第一端113处，并且沿圆筒形内腔112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110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112中冷气流排出中心管座330的周围，而且具有朝圆筒形内腔112的第二端114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112的轴线方向上相对于圆筒形内腔112第一端113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112第一端113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。而且所述交界圆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112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径向外侧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式冷热气体分离装置300'的示意性局部剖视图，其中涡旋式冷热气体分离装置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112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。

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第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流的形成方式不同。

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110上。端部进气整流罩410在圆筒形内腔112的第一端113处固定到机体110。风机310的导风管311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111旋转且朝圆筒形内腔112的第二端114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411，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110的圆筒形内腔112的直径。空腔412具有与圆筒形内腔112相同的中心轴线且与圆筒形内腔112直接连通。进气口320设置在环形壳壁411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411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411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112的第一端113处固定到机体110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的一个侧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匀。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112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112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侧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，所述椭圆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式冷热气体分离装置400'的示意性剖视图。在涡旋式冷热气体分离装置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110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的外侧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110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'径向外侧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解透视图。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。

Claims (34)

1. 一种涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于包括：

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圆筒形内腔之外；

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。

2. 如权利要求1所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，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。

3. 如权利要求2所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，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。

4. 如权利要求3所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，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。

5. 如权利要求3所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，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。

6. 如权利要求5所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，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侧，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。

7. 如权利要求1所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，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涡流。

8. 如权利要求7所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，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。

9. 如权利要求8所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，

所述进气扇传动轮和所述搅动扇传动轮分别通过各自的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。

10. 如权利要求1所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，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。

11. 如权利要求1所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，

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述圆筒形内腔的第一端回流的第二涡流。

12. 如权利要求11所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，

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。

13. 一种涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于包括：

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；

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述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；

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。

14. 根据权利要求13所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于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。

15. 根据权利要求14所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于还包括旋风轴套，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，减少第一涡流的紊流损失。

16. 根据权利要求15所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于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。

17. 根据权利要求15所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，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第一涡流进行热隔离。

18. 根据权利要求13－17中任一项所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于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。

19. 根据权利要求18所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，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。

20. 根据权利要求13所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，所述风机是高速风机，其稳定输出气流的速度能够达到1/8马赫以上。

21. 如权利要求13所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，

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述圆筒形内腔的第一端回流的第二涡流。

22. 如权利要求21所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，

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。

23. 一种涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于包括：

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；

设置在所述机体外的风机；

具有进气口的端部进气整流罩，其在所述圆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；

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。

24. 根据权利要求23所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于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圆筒形内腔直接连通，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。

25. 根据权利要求24所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，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，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。

26. 根据权利要求25所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，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侧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。

27. 根据权利要求24所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于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。

28. 根据权利要求27所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于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弧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。

29. 根据权利要求27所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于所述风机是高速风机，其稳定输出气流的速度能够达到1/8马赫以上。

30. 如权利要求23所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，

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述圆筒形内腔的第一端回流的第二涡流。

31. 如权利要求30所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，

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。

32. 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，其特征在于：

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述圆筒形内腔的第一端回流的第二涡流。

33. 如权利要求32所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于，

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。

34. 如权利要求32所述的涡旋式冷热气体分离装置，其特征在于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。