(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形内壁面を有するボディであって、前記円筒形内壁面が円筒形チャンバを限定し、前記円筒形チャンバがその軸線方向に沿って第1の端及び前記第1の端に対向する第2の端を有するボディと、
前記円筒形チャンバの第1の端で前記ボディに接続される吸気・撹拌ファン装置であって、外気を前記円筒形チャンバに吸い込むとともに、前記円筒形内壁面に沿って回転しながら前記円筒形チャンバの第2の端に向かって進む第1の渦流を撹拌形成するように配置される吸気・撹拌ファン装置と、
熱気流排出口であって、前記円筒形チャンバの第2の端のエッジに位置する又はそれに近いように配置されることにより、前記熱気流排出口まで進んだ第1の渦流のガスの一部を、前記熱気流排出口を経て前記円筒形チャンバ外に排出する熱気流排出口と、
前記円筒形チャンバの第2の端に位置するように配置されることにより、前記熱気流排出口から排出されなかった第1の渦流の残りのガスを、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって進む第2の渦流になるように還流させる渦流還流装置と、
前記円筒形チャンバの第1の端の径方向中心に位置するように配置される、または前記径方向中心に近接してそれを取り囲むように配置される冷気流排出口と、を備え、
前記熱気流排出口から排出されるガスの温度が、前記冷気流排出口から排出されるガスの温度よりも高く、
前記吸気・撹拌ファン装置が別体の吸気ファン及び撹拌ファンを含み、
前記吸気ファンが、外気を前記円筒形チャンバに吸い込みやすいように配置される複数の吸気羽根を含み、
前記撹拌ファンが、前記円筒形チャンバに吸い込まれたガスを撹拌して第1の渦流に形成させるように配置される複数の撹拌羽根を含む、
ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記吸気・撹拌ファン装置が別体の吸気ファン伝動輪及び撹拌ファン伝動輪を含み、
前記吸気ファン伝動輪が前記吸気ファンに接続されることにより、前記吸気ファンの吸気羽根の回動を駆動し、
前記撹拌ファン伝動輪が前記撹拌ファンに接続されることにより、前記撹拌ファンの撹拌羽根の回動を駆動し、
前記吸気ファン伝動輪及び前記撹拌ファン伝動輪がそれぞれ、各々の伝動ベルト若しくはチェーンを介して、前記渦巻式冷熱ガス分離装置のボディ外に配置される各々の原動機に接続される、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記吸気・撹拌ファン装置が吸気・出気仕切りカバーをさらに含み、前記吸気・出気仕切りカバーがガイド通路を有し、前記ガイド通路の一端が前記冷気流排出口に近い又は隣接するように配置されることにより、前記冷気流排出口から排出された冷気流を受入れ、それを前記渦巻式冷熱ガス分離装置から離れるようにガイドする、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項４】
円筒形内壁面を有するボディであって、前記円筒形内壁面が円筒形チャンバを限定し、前記円筒形チャンバがその軸線方向に沿って第1の端及び前記第1の端に対向する第2の端を有するボディと、
前記円筒形チャンバの第1の端で前記ボディに接続される吸気・撹拌ファン装置であって、外気を前記円筒形チャンバに吸い込むとともに、前記円筒形内壁面に沿って回転しながら前記円筒形チャンバの第2の端に向かって進む第1の渦流を撹拌形成するように配置される吸気・撹拌ファン装置と、
熱気流排出口であって、前記円筒形チャンバの第2の端のエッジに位置する又はそれに近いように配置されることにより、前記熱気流排出口まで進んだ第1の渦流のガスの一部を、前記熱気流排出口を経て前記円筒形チャンバ外に排出する熱気流排出口と、
前記円筒形チャンバの第2の端に位置するように配置されることにより、前記熱気流排出口から排出されなかった第1の渦流の残りのガスを、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって進む第2の渦流になるように還流させる渦流還流装置と、
前記円筒形チャンバの第1の端の径方向中心に位置するように配置される、または前記径方向中心に近接してそれを取り囲むように配置される冷気流排出口と、を備え、
前記熱気流排出口から排出されるガスの温度が、前記冷気流排出口から排出されるガスの温度よりも高く、
前記渦流還流装置が、内凹曲面形状の気流集束反射面を有するように配置され、且つ、前記熱気流排出口が前記渦流還流装置における前記気流集束反射面の径方向外側に配置されることにより、前記熱気流排出口を経た第1の渦流の排出されなかった残りのガスが前記気流集束反射面に沿って進むとき、サイクロン半径が次第に収縮し、回転速度が次第に速くなり、遠心力が強くなると共に、第1の渦流のサイクロンコア負圧に吸引され、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって還流する第2渦流を形成する、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項５】
請求項４に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記気流集束反射面が、内凹放物面形状の気流集束反射面、又は内凹楕円球面形状の気流集束反射面、又は内凹円球面形状の気流集束反射面である、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項６】
円筒形内壁面を有するボディであって、前記円筒形内壁面が円筒形チャンバを限定し、前記円筒形チャンバがその軸線方向に沿って第1の端、及び前記第1の端に対向する第2の端を有するボディと、
前記ボディ外に配置される送風機と、
前記ボディに配置されて前記円筒形チャンバの第1の端に近接する吸気口であって、前記送風機のガイド管が前記吸気口に接続され、且つ、前記送風機から出力された気流がほぼ前記円筒形チャンバの円周の接線方向に沿って前記円筒形チャンバに噴き込まれ、前記円筒形内壁面に沿って回転しながら前記円筒形チャンバの第2の端に向かって進む第1の渦流を形成するように配置される吸気口と、
熱気流排出口であって、前記円筒形チャンバの第2の端のエッジに位置する又はそれに近いように配置されることにより、前記熱気流排出口まで進んだ第1の渦流のガスの一部を、前記熱気流排出口を経て前記円筒形チャンバ外に排出する熱気流排出口と、
前記円筒形チャンバの第2の端に位置するように配置されることにより、前記熱気流排出口から排出されなかった第1の渦流の残りのガスを、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって進む第2の渦流になるように還流させる渦流還流装置と、
冷気流排出通路を有する冷気流排出中心管台であって、前記円筒形チャンバの第1の端に配置されると共に、前記円筒形チャンバの中心軸線に沿って前記円筒形チャンバ中に軸方向延伸し、前記冷気流排出通路が第2渦流を受けてそれを第1の渦流から離隔させ、第2渦流のガスを前記渦巻式冷熱ガス分離装置外に排出する冷気流排出中心管台と、を備え、
前記熱気流排出口から排出されるガスの温度が、前記冷気流排出通路から排出されるガスの温度よりも高く、
中央貫通孔を有する管台固定フランジをさらに含み、前記冷気流排出中心管台が、前記管台固定フランジの中央貫通孔を貫通して、前記管台固定フランジを介して前記渦巻式冷熱ガス分離装置のボディに固定され、
サイクロンスリーブをさらに含み、前記サイクロンスリーブが、前記円筒形チャンバにおける前記冷気流排出中心管台の周りに配置されるとともに、前記円筒形チャンバの第2の端の方向に向かって次第に収縮する切頭円錐状部分を有し、第1の渦流の回転をガイドして第1の渦流の乱流損失を減少する、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項７】
請求項６に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記サイクロンスリーブと前記冷気流排出中心管台との間に断熱材料を配置することにより、前記冷気流排出中心管台の中央貫通孔中の第2渦流と前記サイクロンスリーブの径方向外側の第1の渦流とを熱隔離する、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７のいずれかに記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記冷気流排出中心管台の前記円筒形チャンバに延伸した末端部分に固定される軸方向式整流装置をさらに含むことにより、前記軸方向式整流装置を経た第1の渦流を整流し、第1の渦流の乱流損失を減少すると共に、整流前の第1の渦流に比べて、整流後の第1の渦流の円周方向各点における渦ガス流量がより均一になる、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項９】
請求項８に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記軸方向式整流装置が、中央環状部品を有する旋回皿状部材に構成され、前記中央環状部品の外円周面には、該外円周面に垂直して外方へ径方向延出した、円周方向に沿って均一に分布する複数の扇形ガイドシートが固定され、前記複数の扇形ガイドシートが、隣り合う2つの扇形ガイドシートの間に、気流の通過を許容する楔形隙間が形成されるように配置される、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項１０】
請求項６から請求項９のいずれかの請求項に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記送風機が、安定出力気流の速度が1/8〜9/10マッハの高速送風機である、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項１１】
請求項６から請求項１０のいずれかの請求項に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記渦流還流装置が、内凹曲面形状の気流集束反射面を有するように配置され、且つ、前記熱気流排出口が前記渦流還流装置における前記気流集束反射面の径方向外側に配置されることにより、前記熱気流排出口を経た第1の渦流の排出されなかった残りのガスが前記気流集束反射面に沿って進むとき、サイクロン半径が次第に収縮し、回転速度が次第に速くなり、遠心力が強くなると共に、第1の渦流のサイクロンコア負圧に吸引され、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって還流する第2の渦流を形成する、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記気流集束反射面が、内凹放物面形状の気流集束反射面、又は内凹楕円球面形状の気流集束反射面、又は内凹円球面形状の気流集束反射面である、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項１３】
円筒形内壁面を有するボディであって、前記円筒形内壁面が円筒形チャンバを限定し、前記円筒形チャンバがその軸線方向に沿って第1の端、及び前記第1の端に対向する第2の端を有するボディと、
前記ボディ外に配置される送風機と、
前記ボディに配置されて前記円筒形チャンバの第1の端に近接する吸気口であって、前記送風機のガイド管が前記吸気口に接続され、且つ、前記送風機から出力された気流がほぼ前記円筒形チャンバの円周の接線方向に沿って前記円筒形チャンバに噴き込まれ、前記円筒形内壁面に沿って回転しながら前記円筒形チャンバの第2の端に向かって進む第1の渦流を形成するように配置される吸気口と、
熱気流排出口であって、前記円筒形チャンバの第2の端のエッジに位置する又はそれに近いように配置されることにより、前記熱気流排出口まで進んだ第1の渦流のガスの一部を、前記熱気流排出口を経て前記円筒形チャンバ外に排出する熱気流排出口と、
前記円筒形チャンバの第2の端に位置するように配置されることにより、前記熱気流排出口から排出されなかった第1の渦流の残りのガスを、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって進む第2の渦流になるように還流させる渦流還流装置と、
冷気流排出通路を有する冷気流排出中心管台であって、前記円筒形チャンバの第1の端に配置されると共に、前記円筒形チャンバの中心軸線に沿って前記円筒形チャンバ中に軸方向延伸し、前記冷気流排出通路が第2渦流を受けてそれを第1の渦流から離隔させ、第2渦流のガスを前記渦巻式冷熱ガス分離装置外に排出する冷気流排出中心管台と、を備え、
前記熱気流排出口から排出されるガスの温度が、前記冷気流排出通路から排出されるガスの温度よりも高く、
前記冷気流排出中心管台の前記円筒形チャンバに延伸した末端部分に固定される軸方向式整流装置をさらに含むことにより、前記軸方向式整流装置を経た第1の渦流を整流し、第1の渦流の乱流損失を減少すると共に、整流前の第1の渦流に比べて、整流後の第1の渦流の円周方向各点における渦ガス流量がより均一になる、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記軸方向式整流装置が、中央環状部品を有する旋回皿状部材に構成され、前記中央環状部品の外円周面には、該外円周面に垂直して外方へ径方向延出した、円周方向に沿って均一に分布する複数の扇形ガイドシートが固定され、前記複数の扇形ガイドシートが、隣り合う2つの扇形ガイドシートの間に、気流の通過を許容する楔形隙間が形成されるように配置される、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項１５】
請求項１３または請求項１４のいずれかの請求項に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記送風機が、安定出力気流の速度が1/8〜9/10マッハの高速送風機である、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項１６】
請求項１３から請求項１５のいずれかの請求項に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記渦流還流装置が、内凹曲面形状の気流集束反射面を有するように配置され、且つ、前記熱気流排出口が前記渦流還流装置における前記気流集束反射面の径方向外側に配置されることにより、前記熱気流排出口を経た第1の渦流の排出されなかった残りのガスが前記気流集束反射面に沿って進むとき、サイクロン半径が次第に収縮し、回転速度が次第に速くなり、遠心力が強くなると共に、第1の渦流のサイクロンコア負圧に吸引され、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって還流する第2の渦流を形成する、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記気流集束反射面が、内凹放物面形状の気流集束反射面、又は内凹楕円球面形状の気流集束反射面、又は内凹円球面形状の気流集束反射面である、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項１８】
円筒形内壁面を有するボディであって、前記円筒形内壁面が円筒形チャンバを限定し、前記円筒形チャンバがその軸線方向に沿って第1の端、及び前記第1の端に対向する第2の端を有するボディと、
前記ボディ外に配置される送風機と、
吸気口を有し、前記円筒形チャンバの第1の端で前記ボディに固定される端部吸気整流カバーであって、前記送風機のガイド管が前記吸気口に接続されることにより、前記送風機から出力された気流を前記端部吸気整流カバーに噴き込むとともに、前記送風機から出力された気流を初期回動気流に形成させ、前記円筒形内壁面に沿って回転しながら前記円筒形チャンバの第2の端に向かって進む第1の渦流に整流するように配置される端部吸気整流カバーと、
熱気流排出口であって、前記円筒形チャンバの第2の端のエッジに位置する又はそれに近いように配置されることにより、前記熱気流排出口まで進んだ第1の渦流のガスの一部を、前記熱気流排出口を経て前記円筒形チャンバ外に排出する熱気流排出口と、
前記円筒形チャンバの第2の端に位置するように配置されることにより、前記熱気流排出口から排出されなかった第1の渦流の残りのガスを、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって進む第2の渦流になるように還流させる渦流還流装置と、
冷気流排出通路を有する冷気流排出中心管台であって、前記円筒形チャンバの第1の端に配置されると共に、前記円筒形チャンバの中心軸線に沿って内方へ前記円筒形チャンバに軸方向延伸し、外方へ前記端部吸気整流カバー外に軸方向延伸し、前記冷気流排出通路が第2渦流を受けてそれを第1の渦流から離隔させ、第2渦流のガスを前記渦巻式冷熱ガス分離装置外に排出する冷気流排出中心管台と、を備え、
前記熱気流排出口から排出されるガスの温度が、前記冷気流排出通路から排出されるガスの温度よりも高く、
前記端部吸気整流カバーが、
前記渦巻式冷熱ガス分離装置のボディの円筒形チャンバよりも大きい直径を有するキャビティを限定する環状ケース壁であって、前記キャビティが、前記円筒形チャンバと同じ中心軸線を有しながら前記円筒形チャンバに直接連通し、前記吸気口が前記環状ケース壁に設けられ、且つ、前記吸気口が、前記送風機から出力された気流をほぼ前記端部吸気整流カバーのキャビティの円周接線方向に沿って前記端部吸気整流カバーのキャビティに噴き込み、初期回動気流に形成させるように配置される環状ケース壁と、
前記端部吸気整流カバーのキャビティ中に配置されて前記端部吸気整流カバーのキャビティと同じ中心軸線を有する径方向整流装置であって、初期回動気流を受けてそれを第1の渦流に整流するように配置される径方向整流装置と、を備え、
前記径方向整流装置が基板を有し、前記基板の1つの側面には、前記側面に垂直するとともに円周方向に沿って均一に分布する複数の曲線形ガイドシートが固定され、前記曲線形ガイドシートが、前記初期回動気流を回転直径の縮小する第1の渦流に整流するように配置され、且つ、前記初期回動気流に比べて、第1の渦流の流速がより速く、乱流損失がより小さく、円周方向の各点における渦ガス流量がより均一になり、
前記径方向整流装置のそれぞれの曲線形ガイドシートのガイド方向に沿う断面形状が、内面曲線、外面曲線及び端部連結転移線から囲んでなるものであり、前記内面曲線が、1段の楕円曲線セクションと1段のwitosznski曲線セクションと気流出口に位置する1段の直線セクションとを平滑に連結してなり、前記外面曲線が、1段の円弧曲線セクションと気流出口に近い1段の直線セクションとを平滑に連結してなる、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記端部吸気整流カバーが、中央貫通孔を有する管台固定フランジをさらに含み、前記冷気流排出中心管台が、前記管台固定フランジの中央貫通孔を貫通して、前記管台固定フランジを介して前記端部吸気整流カバーの環状ケース壁の外側端に固定され、且つ前記径方向整流装置が、前記管台固定フランジの内側面に固定される、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項２０】
請求項１８に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記送風機が、安定出力気流の速度が1/8〜9/10マッハの高速送風機である、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項２１】
請求項１８から請求項２０のいずれかの請求項に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記渦流還流装置が、内凹曲面形状の気流集束反射面を有するように配置され、且つ、前記熱気流排出口が前記渦流還流装置における前記気流集束反射面の径方向外側に配置されることにより、前記熱気流排出口を経た第1の渦流の排出されなかった残りのガスが前記気流集束反射面に沿って進むとき、サイクロン半径が次第に収縮し、回転速度が次第に速くなり、遠心力が強くなると共に、第1の渦流のサイクロンコア負圧に吸引され、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって還流する第2渦流を形成する、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記気流集束反射面が、内凹放物面形状の気流集束反射面、又は内凹楕円球面形状の気流集束反射面、又は内凹円球面形状の気流集束反射面である、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項２３】
ボディと、熱気流排出口と、渦流還流装置と、冷気流排出口とを含む渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記渦流還流装置が、内凹曲面形状の気流集束反射面を有するように配置され、且つ、前記熱気流排出口が前記渦流還流装置における前記気流集束反射面の径方向外側に配置されることにより、前記熱気流排出口を経た第1の渦流の排出されなかった残りのガスが前記気流集束反射面に沿って進むとき、サイクロン半径が次第に収縮し、回転速度が次第に速くなり、遠心力が強くなると共に、第1の渦流のサイクロンコア負圧に吸引され、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって還流する第2渦流を形成する、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
前記気流集束反射面が、内凹放物面形状の気流集束反射面、又は内凹楕円球面形状の気流集束反射面、又は内凹円球面形状の気流集束反射面である、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【請求項２５】
請求項２３または請求項２４のいずれかの請求項に記載の渦巻式冷熱ガス分離装置であって、
外気を前記ボディ内の円筒形チャンバに送入して第1の渦流を形成する吸気装置をさらに含む、ことを特徴とする渦巻式冷熱ガス分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエネルギー分離装置に関し、具体的には、ランク・ヒルシ（Ranque-Hilsch）効果を利用してガスを冷熱気流に分離する渦巻式冷熱ガス分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
歴史上、ランク・ヒルシ効果の現象は最初に、1930年にフランスの冶金エンジニアであるジョルジュ・ランク（Georges Ranque）によって発見されたものである。そのとき、ジョルジュ・ランクは実験において、旋風分離装置における渦流冷却効果を発見した。即ち、旋風分離装置における気流の中心温度と周辺各層の温度とは異なり、中心には低い温度を有するが、外縁には高い温度を有する。この現象に基づき、ジョルジュ・ランクは、人類歴史で初めてエネルギー分離を行える渦管装置を設計し、1931年にフランスで特許出願した。1933年に、ジョルジュ・ランクはフランス物理学会で、渦管装置及びその渦巻温度分離効果実験についての報告をした。この報告によると、温度20℃の圧縮ガスが渦管に入った後、渦巻温度分離効果によって、渦管から流出する冷気流の温度は約−20℃〜−10℃であり、熱気流の温度は約100℃にも達し得る。当時、ジョルジュ・ランクは温度分離現象に対して流体全温度（停滞温度）と静温度の概念を混同して論述したため、会議に出席した科学者に質疑された。会議では、渦管の冷熱ガス分離現象が普遍的に否定されたため、渦巻温度分離効果及び相応の渦管装置に対する更なる研究は中断するようになった。
【０００３】
1945年、ドイツの物理学者であるルドルフ・ヒルシ（Rudolph Hilsch）は、世界の注目を集めた渦管についての科学報告を発表し、詳しい資料によって渦巻温度分離効果を実証したとともに、渦管の装置設計、応用、温度効果の定義などについて一連の研究成果及び価値のある提案を提出した。これで、渦巻温度分離効果は人々に正式に受け入れて認められるようになった。ジョルジュ・ランクとルドルフ・ヒルシのこの分野における素晴しい貢献を記念するために、人々は通常、このような渦巻温度分離効果をランク・ヒルシ効果とも称する。
【０００４】
今どきになって、世界中の国々の科学研究機関、大学及び企業は、ランク・ヒルシ効果及びその実現装置に対して大量の実験研究及び理論的探求を行った。しかしながら、基礎理論においても装置構造においても、その進展は非常に小さい。
【０００５】
図1に示すように、伝統的な渦管10は主に、ノズル11、渦流発生チャンバ12、渦流進行管（又は温度分離チューブと称する）13、熱気流出口14、冷気流出口15及び渦流遮断還流椎体16からなる。従来技術における1種の主流的観点によると、動作時に、渦管10は、外部のガスコンプレッサ（図1に示さず）によって圧縮ガスをノズル11を介して渦流発生チャンバ12に噴き込む。渦流発生チャンバ12に噴き込まれたガスは膨張した後、非常に高い速度で接線方向に沿って渦流進行管13に進入し、螺旋状渦流の形式で進む。進んでいる渦流は熱気流出口14に到達した前、渦流遮断還流椎体16に遮断され、一部のガスが、割りに小さい渦径を有するコア渦流の形式で逆方向に向かって還流し、還流しなかったガスは熱気流出口14を経て排出され、還流したガスが冷気流出口15を経て排出される。ガスが渦管においてランク・ヒルシ効果を有するため、熱気流出口14を経て排出される外層渦流ガスの温度は、冷気流出口15を経て排出されるコア渦流ガスの温度より高い。ゆえに、熱気流出口14を経て排出される気流を熱気流と称し、冷気流出口15を経て排出される気流を冷気流と称する。当業者であれば認識できるように、ここでの所謂熱気流と冷気流とは、ある絶対の温度値より高く又は低くするように制限されるものではなく、2つの気流出口から流出したガスを互いに比較するものである。つまり、本分野において、「熱気流」及び「冷気流」という技術用語は明瞭で確定的な概念である。
【０００６】
このような渦管装置は構造も操作も非常に簡単であるが、この装置内で発生するランク・ヒルシ効果によるエネルギー交換過程は非常に複雑である。内部摩擦の結果として、伝熱過程は可逆的ではない。そして、科学界の一般的な考えでは、ガスは渦管装置内において、ある複雑で三次元圧縮可能な乱流流動を行う。したがって、ランク・ヒルシ効果の応用において、今まで、渦管装置の性能を精確に予測できる数学モデルは未だにない。基礎理論においても、科学界では、ランク・ヒルシ効果に対する解釈はそれぞれあり、納得度の高い理論解釈がないどころか、自身の観点が矛盾している理論さえある。ランク・ヒルシ効果に対する理論研究は、現在、科学界の1つの重大な難題であると言える。
【０００７】
ランク・ヒルシ効果の冷熱ガス分離原理について、現在、業界ではやっている理論は運動エネルギー転換理論である。その内容は大体以下の通りである。
【０００８】
渦管装置中のガスは複雑に運動しており、外層渦流ガスは熱気流出口へ運動し、コア渦流ガスは冷気流出口へ運動し、この2つの渦流は同じ方向で回転し、特に、この2つの渦流は同様な角速度で回転する。2つの渦流ガスの間には、開始端から末端まで、境のところで強烈な乱流が存在しているが、回転運度の点から見れば、この2つの渦流を一全体とみなすことができる。コア渦流が外層渦流に制限されるため、コア渦流は受動渦であり、外層渦流は駆動渦である。浴槽に発生する水渦流を例として説明すると、排水するとき、水は出口コアへ運動し、角運動量を保持するためにその回転速度が増加する。水渦流中の粒子接線方向線速度は、渦流の半径と反比例をなす。したがって、水渦流中の粒子が出口コアへ運動する場合、駆動渦は半径が半分まで減ると、渦に沿う粒子の接線方向線速度が倍増するのに対し、一定の回転角速度を維持する受動渦は、渦に沿う粒子の接線方向線速度が半分まで減る。駆動渦の粒子は受動渦の粒子に比べて、その5倍の線速度で汚水排出口に流入する。それは、運動エネルギーが線速度の平方と正比例をなすためである。この例において、汚水排出口に流入しているところでの受動渦の粒子の運動エネルギーは、汚水排出口に流入しているところでの駆動渦の粒子の運動エネルギーの1/16しかない。はやりの伝統的理論によると、冷熱ガス分離を行う渦管では、上記の例と類似する状況を有する。このような伝統的理論によると、受動渦ガスと駆動渦ガスとの運動エネルギーの差（合計は、利用可能な運動エネルギーの15/16である）がどこに行ったかは、ランク・ヒルシ効果における冷熱ガス分離原理を検討するかなめである。即ち、運動エネルギーの差は、熱の形で、コアにある受動渦から外層にある駆動渦へ伝達した。このようにすると、受動渦ガスは冷気流になり、駆動渦ガスは熱気流になった。それらのエネルギー関係は熱保存則及びエネルギー保存則を満足する。
【０００９】
明らかに、上記理論は流体温度の微視的本質から問題を直接に回答しておらず、熱保存則及びエネルギー保存則という巨視的面での大まかな解釈しか与えていない。ランク・ヒルシ効果に対する微視的本質の認識が突っ込んだものではないため、これまでの長い間、ランク・ヒルシ効果を利用して冷熱ガス分離を実現する装置は、前記の渦管基本構造に限られている。且つ、この構造において、どのような幾何寸法関係によって最大の冷熱気流温度差が得られるか、即ちどのような幾何寸法関係によって最適な冷熱ガス分離効果が得られるかは、人々にとって不明瞭である。しかしながら、伝統的な渦管の基本構造でも、少なくとも15個以上の設計変数を有し、且つこれら変数のそれぞれが限りのない多くの選択を有する。それぞれの変数、及び各変数間の関係の、渦管効果に対する影響がほとんど未知であるか不確定であるため、渦管装置の基本構造は、これまでの長い間において改善が大きくない。
【００１０】
特に、伝統的な渦管装置は、大きい圧力を有する圧縮ガスの使用を要求するとともに、圧縮ガスを渦流発生チャンバ12に噴き込んで高速膨張を発生させ、続いて高速膨張したガスを、直径が小さい渦流進行管13に進入させて高速渦流を発生させ、最終的にはランク・ヒルシ効果を利用して冷熱ガス分離を実現することを要求する。従来のあまり明瞭ではない理論の指導では、当業者は、渦管装置において、渦流進行管13の内径が大きすぎてはよくないと普遍的に認識している。当業者は、冷熱気流の最大温度差を取得するために、渦流進行管13の長さと内径との比（この比は一般的に、渦管のアスペクト比と称される）が大きいほうがいいと普遍的に認識しており、さらに、このアスペクト比が10を超え、ひいては45を超えたほうがよいと認識しているからである。即ち、本分野の従来技術の状態では、当業者は、渦流が発生してコア渦流還流が実現される条件では、渦流進行管13の長さが長いほうが好ましく、渦流進行管13の内径が小さいほうが好ましいと普遍的に認識している。
【００１１】
また、従来技術における渦管は一般的に、ガスコンプレッサ又は類似の装置を用いて圧縮ガスを提供する必要がある。このような渦管は、組立設備が大きく、出力が小さく、応用分野が大きく制限されている。典型的には、市販の渦管は、小さい直径が一般的に30mmであり、長さが一般的に300mm程度であり、内部容積が非常に小さい。動作するとき、圧縮ガスは音速に近い速度（例えば1/3〜7/8マッハの速度）で渦管内に噴き込まれる。メーカーは、このような渦管が、−60℃と低い超低温冷気流を分離して取得し得ると標記する。しかしながら、このような渦管装置は大量の圧縮ガスを使用する必要があるため、動作時の騒音が大きく、エネルギー消耗が極めて大きい。さらに研究すれば分かる通り、このような渦管の内部容積が非常に小さいため、過量のガスが渦管内に進入すると、ノズルから噴出された圧縮ガスには激しい減圧膨張温度低下現象が出現する。このような減圧膨張温度低下現象は、物理学においてジュール・トムソン（Joule Thomson）冷却過程と称され、ランク・ヒルシ効果と必然な直接関係を有しないが、実際に、このような装置が冷気流を取得する1つの主な原因になっている。
【００１２】
本願発明者が創造的に認識したこととして、従来理論上の未知によって、冷熱ガス分離に用いられる従来の渦管には以下の欠陥が普遍的に存在している。
1. ガスコンプレッサ又は類似の装置を用いて、大きい圧力を有する圧縮ガスを提供する必要があり、圧縮ガスの激しい膨張は温度低下をきたし、騒音が大きく、効率が低い；
2. 圧縮ガスを膨張させるための大きい渦流発生チャンバを配置する必要があるが、一部のガスのみは接線方向に沿って渦流進行管に進入して渦流を形成することができ、効率が低い；
3. 渦管の直径が細すぎ、渦状気盤が小さすぎ、冷熱ガス分離過程の時間が短すぎであり、冷熱ガス分離機能が十分に発揮できない；
4. 渦流遮断還流椎体は渦流進行管の末端において大量の無益な乱流を発生させ、装置効率を低下させる；
5. 従来の渦管装置構造は、大型の渦巻式冷熱ガス分離装置の製造、例えば大風量で低風速を有する大口径の（例えば直径が数百mm以上である）渦巻式冷熱ガス分離装置の製造に適しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本願発明者の考えでは、ランク・ヒルシ効果における冷熱気流の分離になぜ成功したかというメカニズムをさらに探求して初めて、現在の従来技術における盲目状態ひいては一部の思想桎梏を突破し、斬新な構造を有するランク・ヒルシ効果を利用して冷熱ガス分離を実現する装置を構想することができる。
【００１４】
1845年、イギリスの物理学者であるジュール（J. P. Joule）は、ガス内部エネルギーを研究する有名なジュール自由膨張実験を完成し、「圧縮可能な流体の圧力を改変すればその温度を変化させることができる」原理を提出した。本願発明者の考えでは、この原理に基づいてランク・ヒルシ効果の本質を認識すると、技術者のためになる可能性がある。理想渦流ガス円盤（気盤と略称することができる）が円筒壁内の空間中に拘束されると、その直径が遠心力によって無限に拡張することができないため、ガス粒子群は円筒内壁面に沿って回転し、高速回転による遠心力はこの制限される空間内において増大したガス圧力を形成する。このように、渦流外層ガスの温度は圧力の向上に従って向上し、渦流コアガスの温度は圧力の低下に従って低下する。
【００１５】
上記渦冷熱ガス分離に対する認識から分かる通り、ガスの流動を高速回転の渦気流に変えれば、渦冷熱分離効果によってその中心部分から冷気流を分離し、その周囲部分から熱気流を分離することを図る。
【００１６】
また、本願発明者は空間において自由に回転する気盤について、さらに2つの問題を認識した。第一、遠心力又は回転速度があまり大きくなくても、十分な時間を経てば、気盤粒子が遠心力の影響を受けて増大した瞬間速度はガス圧力に十分な影響を与えることができ、ガス温度に十分な影響を与えることができる；第二、回転する円周接線方向線速度があまり大きくなくても、渦状気盤粒子が回転する軌道直径が十分に小さければ、ガス圧力に十分な影響を与える遠心力が発生することもでき、ガス温度に十分な影響を与えることができる。
【００１７】
各種理論及び本願発明者の創造的な認識を総合的に考慮すると、本願発明者は以下のように考える。
1. 渦流が回転する時間を延長することにより、冷熱ガス分離の効果を増強させる可能性がある；
2. 渦流が回転する直径を増大することにより、冷熱ガス分離の効果を増強させる可能性がある；
3. 同様な回転円周接線方向線速度において、渦流が回転する直径を収縮することにより、冷熱ガス分離の効果を増強させる可能性がある。
【００１８】
また、本願発明者が十分に認識したこととして、渦巻式冷熱ガス分離装置を用いる場合、日常生活において、人々は多くの状況では環境温度を変える冷風発生装置としてそれを用いることを望んでおり、この場合、温度があまり低くなく（例えば人体に快い感覚を与える約20℃〜30℃の温度）、風量が大きく、流速が低いガスを取得することを望んでいるとともに、このような渦巻式冷熱ガス分離装置の構造が簡単で、騒音が小さく、圧縮ガスを用いなくてもよいことを当然に望んでいる。これは、ランク・ヒルシ効果を利用する渦巻式冷熱ガス分離装置の構造、特に大風量で低風速を有する大口径の（例えば直径が数百mm以上である）渦巻式冷熱ガス分離装置の設計構造に対して新たな要求を提示した。
【００１９】
本発明の1つの目的は、従来技術の少なくとも1つの欠陥を克服し、新規構造を有する少なくとも1種の渦巻式冷熱ガス分離装置を提供することである。
【００２０】
本発明の1つの更なる目的は、風量が大きく、流速が低く、出力気流の口径が大きく製造される渦巻式冷熱ガス分離装置を提供することである。
【００２１】
本発明の1つの別の更なる目的は、本発明による上記渦巻式冷熱ガス分離装置の構造が簡単で、騒音が小さい及び／又はエネルギー消費率が高くすることである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
第一に、本発明は渦巻式冷熱ガス分離装置を提供し、それは、円筒形内壁面を有するボディであって、前記円筒形内壁面が円筒形チャンバを限定し、前記円筒形チャンバがその軸線方向に沿って第1の端及び前記第1の端に対向する第2の端を有するボディと、前記円筒形チャンバの第1の端で前記ボディに接続される吸気・撹拌ファン装置であって、外気を前記円筒形チャンバに吸い込むとともに、前記円筒形内壁面に沿って回転しながら前記円筒形チャンバの第2の端に向かって進む第1の渦流を撹拌形成するように配置される吸気・撹拌ファン装置と、熱気流排出口であって、前記円筒形チャンバの第2の端のエッジに位置する又はそれに近いように配置されることにより、前記熱気流排出口まで進んだ第1の渦流のガスの一部を、前記熱気流排出口を経て前記円筒形チャンバ外に排出する熱気流排出口と、前記円筒形チャンバの第2の端に位置するように配置されることにより、前記熱気流排出口から排出されなかった第1の渦流の残りのガスを、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって進む第2の渦流になるように還流させる渦流還流装置と、前記円筒形チャンバの第1の端の径方向中心に位置するように配置される、または前記径方向中心に近接してそれを取り囲むように配置される冷気流排出口と、を備え、前記熱気流排出口から排出されるガスの温度が、前記冷気流排出口から排出されるガスの温度よりも高い。
【００２３】
好ましくは、前記吸気・撹拌ファン装置が複数の吸気・撹拌羽根を含み、それぞれの前記吸気・撹拌羽根が、一体に製造された吸気部分及び撹拌部分を含み、前記吸気部分が、外気を前記円筒形チャンバに吸い込みやすいように配置され、前記撹拌部分が、前記円筒形チャンバに吸い込まれたガスを撹拌して第1の渦流を形成する。
【００２４】
好ましくは、前記吸気・撹拌ファン装置は、環状部品と、前記環状部品の径方向内側に位置する中心ハブスリーブと、前記環状部品と前記中心ハブスリーブとを接続する複数のリブ板とを含み、前記環状部品及び前記中心ハブスリーブが前記円筒形チャンバと同じ中心軸線を有し、前記中心ハブスリーブと前記環状部品の環状内壁との間の空間が、前記円筒形チャンバの第1の端の径方向中心に近接してそれを取り囲む前記冷気流排出口を構成し、前記複数の吸気・撹拌羽根がいずれも前記環状部品の外円周壁に配置される。
【００２５】
好ましくは、それぞれの前記リブ板が、前記冷気流排出口で負圧を形成するように排気羽根の形式に配置されることにより、第2の渦流中のガスを前記冷気流排出口から排出しやすくする。
【００２６】
好ましくは、前記吸気・撹拌ファン装置が、前記円筒形チャンバ外に配置される原動機と、ファン主軸とをさらに含み、前記ファン主軸の一端が前記中心ハブスリーブに接続され、他端が前記原動機の出力軸に接続されることにより、前記原動機が、前記ファン主軸を介して前記中心ハブスリーブの回動を駆動すると共に、前記リブ板、前記環状部品及び前記吸気・撹拌羽根を回動させる。
【００２７】
好ましくは、前記原動機が前記円筒形チャンバの中心軸線に沿って前記渦流還流装置の外側に配置され、前記渦流還流装置の中心には、前記原動機の出力軸又は前記ファン主軸を貫通させるための貫通孔を有する。
【００２８】
好ましくは、前記吸気・撹拌ファン装置が別体の吸気ファン及び撹拌ファンを含み、前記吸気ファンが、外気を前記円筒形チャンバに吸い込みやすいように配置される複数の吸気羽根を含み、前記撹拌ファンが、前記円筒形チャンバに吸い込まれたガスを撹拌して第1の渦流に形成させるように配置される複数の撹拌羽根を含む。
【００２９】
好ましくは、前記吸気・撹拌ファン装置が別体の吸気ファン伝動輪及び撹拌ファン伝動輪を含み、前記吸気ファン伝動輪が前記吸気ファンに接続されることにより、前記吸気ファンの吸気羽根の回動を駆動し、前記撹拌ファン伝動輪が前記撹拌ファンに接続されることにより、前記撹拌ファンの撹拌羽根の回動を駆動し、前記吸気ファン伝動輪及び前記撹拌ファン伝動輪がそれぞれ、各々の伝動ベルト若しくはチェーンを介して、前記渦巻式冷熱ガス分離装置のボディ外に配置される各々の原動機に接続される。
【００３０】
好ましくは、前記吸気ファン伝動輪及び前記撹拌ファン伝動輪がそれぞれ、各々の転がり軸受を介して中心管台に配置され、前記中心管台が、ウェブブラケットを介して前記渦巻式冷熱ガス分離装置のボディに固定され、前記中心管台の環状内壁面に限定される中心通路が、前記円筒形チャンバの第1の端の径方向中心に位置する前記冷気流排出口を構成する。
【００３１】
好ましくは、前記吸気・撹拌ファン装置は、その撹拌部分又は撹拌羽根の外縁の線速度が1/8マッハ以上9/10マッハ未満であるように配置される。
【００３２】
好ましくは、前記吸気・撹拌ファン装置が吸気・出気仕切りカバーをさらに含み、前記吸気・出気仕切りカバーがガイド通路を有し、前記ガイド通路の一端が前記冷気流排出口に近い又は隣接するように配置されることにより、前記冷気流排出口から排出された冷気流を受入れ、それを前記渦巻式冷熱ガス分離装置から離れるようにガイドする。
【００３３】
第二に、本発明は渦巻式冷熱ガス分離装置を提供し、それは、円筒形内壁面を有するボディであって、前記円筒形内壁面が円筒形チャンバを限定し、前記円筒形チャンバがその軸線方向に沿って第1の端、及び前記第1の端に対向する第2の端を有するボディと、前記ボディ外に配置される送風機と、前記ボディに配置されて前記円筒形チャンバの第1の端に近接する吸気口であって、前記送風機のガイド管が前記吸気口に接続され、且つ、前記送風機から出力された気流がほぼ前記円筒形チャンバの円周の接線方向に沿って前記円筒形チャンバに噴き込まれ、前記円筒形内壁面に沿って回転しながら前記円筒形チャンバの第2の端に向かって進む第1の渦流を形成するように配置される吸気口と、熱気流排出口であって、前記円筒形チャンバの第2の端のエッジに位置する又はそれに近いように配置されることにより、前記熱気流排出口まで進んだ第1の渦流のガスの一部を、前記熱気流排出口を経て前記円筒形チャンバ外に排出する熱気流排出口と、前記円筒形チャンバの第2の端に位置するように配置されることにより、前記熱気流排出口から排出されなかった第1の渦流の残りのガスを、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって進む第2の渦流になるように還流させる渦流還流装置と、冷気流排出通路を有する冷気流排出中心管台であって、前記円筒形チャンバの第1の端に配置されると共に、前記円筒形チャンバの中心軸線に沿って前記円筒形チャンバ中に軸方向延伸し、前記冷気流排出通路が第2の渦流を受けてそれを第1の渦流から離隔させ、第2の渦流のガスを前記渦巻式冷熱ガス分離装置外に排出する冷気流排出中心管台と、を備え、前記熱気流排出口から排出されるガスの温度が、前記冷気流排出通路から排出されるガスの温度よりも高い。
【００３４】
好ましくは、本発明の第二の前記渦巻式冷熱ガス分離装置は、中央貫通孔を有する管台固定フランジをさらに含み、前記冷気流排出中心管台が、前記管台固定フランジの中央貫通孔を貫通して、前記管台固定フランジを介して前記渦巻式冷熱ガス分離装置のボディに固定される。
【００３５】
好ましくは、本発明の第二の前記渦巻式冷熱ガス分離装置はサイクロンスリーブをさらに含み、前記サイクロンスリーブが、前記円筒形チャンバにおける前記冷気流排出中心管台の周りに配置されるとともに、前記円筒形チャンバの第2の端の方向に向かって次第に収縮する切頭円錐状部分を有し、第1の渦流の回転をガイドして第1の渦流の乱流損失を減少する。
【００３６】
好ましくは、前記サイクロンスリーブの切頭円錐状部分の最大直径の箇所に一段の円筒形部分が延伸しており、前記円筒形部分と前記切頭円錐状部分との境円周の、前記円筒形チャンバの軸線方向における前記円筒形チャンバの第1の端に対する距離が、前記吸気口の周境の前記円筒形チャンバの第1の端に対する最大距離の以上であり、前記境円周の半径が、前記吸気口の最低点の延長線が前記境円周にほぼ接するように配置される。
【００３７】
好ましくは、前記サイクロンスリーブの円筒形部分の末端は、前記管台固定フランジの前記円筒形チャンバに突出する環状階段にセット固定され、前記環状階段の中央孔は、前記管台固定フランジの中央貫通孔の一部を構成する。
【００３８】
好ましくは、前記サイクロンスリーブと前記冷気流排出中心管台との間に断熱材料を配置することにより、前記冷気流排出中心管台の中央貫通孔中の第2の渦流と前記サイクロンスリーブの径方向外側の第1の渦流とを熱隔離する。
【００３９】
好ましくは、本発明の第二の前記渦巻式冷熱ガス分離装置は、前記冷気流排出中心管台の前記円筒形チャンバに延伸した末端部分に固定される軸方向式整流装置をさらに含むことにより、前記軸方向式整流装置を経た第1の渦流を整流し、第1の渦流の乱流損失を減少すると共に、整流前の第1の渦流に比べて、整流後の第1の渦流の円周方向各点における渦ガス流量がより均一になる。
【００４０】
好ましくは、前記軸方向式整流装置が、中央環状部品を有する旋回皿状部材に構成され、前記中央環状部品の外円周面には、該外円周面に垂直して外方へ径方向延出した、円周方向に沿って均一に分布する複数の扇形ガイドシートが固定され、前記複数の扇形ガイドシートが、隣り合う2つの扇形ガイドシートの間に、気流の通過を許容する楔形隙間が形成されるように配置される。
【００４１】
好ましくは、それぞれの扇形ガイドシートは寸法及び形状がいずれも同じである；それぞれの前記扇形ガイドシートの扇形角は、いずれも40°〜80°である；隣り合う2つの前記扇形ガイドシートの軸方向投影の重なり部分の面積は、それぞれの前記扇形ガイドシート面積の1/3〜2/3である；各前記楔形隙間の先端部の楔形角及び最狭箇所の間隔は、第1の渦流の乱流損失を減少すると共に、整流前の第1の渦流に比べて、整流後の第1の渦流の円周方向各点における渦ガス流量がさらに均一になるように配置される。
【００４２】
好ましくは、それぞれの前記扇形ガイドシートは、平板式ガイドシート又は曲線断面を有するガイドシートである。
【００４３】
好ましくは、前記送風機は、安定出力気流の速度が1/8〜9/10マッハの高速送風機である。
【００４４】
第三に、本発明は渦巻式冷熱ガス分離装置を提供し、それは、円筒形内壁面を有するボディであって、前記円筒形内壁面が円筒形チャンバを限定し、前記円筒形チャンバがその軸線方向に沿って第1の端、及び前記第1の端に対向する第2の端を有するボディと、前記ボディ外に配置される送風機と、吸気口を有し、前記円筒形チャンバの第1の端で前記ボディに固定される端部吸気整流カバーであって、前記送風機のガイド管が前記吸気口に接続されることにより、前記送風機から出力された気流を前記端部吸気整流カバーに噴き込むとともに、前記送風機から出力された気流を初期回動気流に形成させ、前記円筒形内壁面に沿って回転しながら前記円筒形チャンバの第2の端に向かって進む第1の渦流に整流するように配置される端部吸気整流カバーと、熱気流排出口であって、前記円筒形チャンバの第2の端のエッジに位置する又はそれに近いように配置されることにより、前記熱気流排出口まで進んだ第1の渦流のガスの一部を、前記熱気流排出口を経て前記円筒形チャンバ外に排出する熱気流排出口と、前記円筒形チャンバの第2の端に位置するように配置されることにより、前記熱気流排出口から排出されなかった第1の渦流の残りのガスを、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって進む第2の渦流になるように還流させる渦流還流装置と、冷気流排出通路を有する冷気流排出中心管台であって、前記円筒形チャンバの第1の端に配置されると共に、前記円筒形チャンバの中心軸線に沿って内方へ前記円筒形チャンバに軸方向延伸し、外方へ前記端部吸気整流カバー外に軸方向延伸し、前記冷気流排出通路が第2の渦流を受けてそれを第1の渦流から離隔させ、第2の渦流のガスを前記渦巻式冷熱ガス分離装置外に排出する冷気流排出中心管台と、を備え、前記熱気流排出口から排出されるガスの温度が、前記冷気流排出通路から排出されるガスの温度よりも高い。
【００４５】
好ましくは、前記端部吸気整流カバーは、前記渦巻式冷熱ガス分離装置のボディの円筒形チャンバよりも大きい直径を有するキャビティを限定する環状ケース壁であって、前記キャビティが、前記円筒形チャンバと同じ中心軸線を有しながら前記円筒形チャンバに直接連通し、前記吸気口が前記環状ケース壁に設けられ、且つ、前記吸気口が、前記送風機から出力された気流をほぼ前記端部吸気整流カバーのキャビティの円周接線方向に沿って前記端部吸気整流カバーのキャビティに噴き込み、初期回動気流に形成させるように配置される環状ケース壁と、前記端部吸気整流カバーのキャビティ中に配置されて前記端部吸気整流カバーのキャビティと同じ中心軸線を有する径方向整流装置であって、初期回動気流を受けてそれを第1の渦流に整流するように配置される径方向整流装置と、を備える。
【００４６】
好ましくは、前記端部吸気整流カバーが、中央貫通孔を有する管台固定フランジをさらに含み、前記冷気流排出中心管台が、前記管台固定フランジの中央貫通孔を貫通して、前記管台固定フランジを介して前記端部吸気整流カバーの環状ケース壁の外側端に固定され、且つ前記径方向整流装置が、前記管台固定フランジの内側面に固定される。
【００４７】
好ましくは、前記端部吸気整流カバーが端部吸気整流カバー固定フランジをさらに含み、前記端部吸気整流カバーの環状ケース壁の内側端が、前記端部吸気整流カバー固定フランジの外縁部に固定され、前記端部吸気整流カバー固定フランジの環状階段が、前記円筒形チャンバの第1の端で前記ボディの外円周壁に固定される。
【００４８】
好ましくは、前記径方向整流装置が基板を有し、前記基板の1つの側面には、前記側面に垂直するとともに円周方向に沿って均一に分布する複数の曲線形ガイドシートが固定され、前記曲線形ガイドシートが、前記初期回動気流を回転直径の縮小する第1の渦流に整流するように配置され、且つ、前記初期回動気流に比べて、第1の渦流の流速がより速く、乱流損失がより小さく、円周方向の各点における渦ガス流量がより均一になる。
【００４９】
好ましくは、前記径方向整流装置の隣り合う2つの曲線形ガイドシートの間には、気流の通過を許容する、次第に収縮する楔形隙間が形成され、前記楔形隙間の先端部の最狭箇所は、ほぼ前記円筒形チャンバの円周の接線方向に沿って整流後のガスを噴出し、第1の渦流を形成し得るように配置される。
【００５０】
好ましくは、前記径方向整流装置のそれぞれの曲線形ガイドシートは、前記基板に垂直する軸方向において互いに同じである軸方向幅を有し、前記軸方向幅は、前記端部吸気整流カバーのキャビティの軸方向長さにほぼ等しいように配置される。
【００５１】
好ましくは、前記径方向整流装置の前記複数の曲線形ガイドシートの軸方向幅上の等分平面は、前記吸気口の中心軸線と同じ平面にある；及び／又は前記吸気口の最低点の延長線は前記複数の曲線形ガイドシートの外縁の外包絡円周線にほぼ接する；及び／又は前記複数の曲線形ガイドシートの内縁の内包絡円周線は、前記円筒形チャンバと同じ中心を有し、且つ前記円筒形チャンバの直径以下の直径を有する。
【００５２】
好ましくは、前記径方向整流装置のそれぞれの曲線形ガイドシートのガイド方向に沿う断面形状が、内面曲線、外面曲線及び端部連結転移線から囲んでなるものであり、前記内面曲線が、1段の楕円曲線セクションと1段のwitosznski曲線セクションと気流出口に位置する1段の直線セクションとを平滑に連結してなり、前記外面曲線が、1段の円弧曲線セクションと気流出口に近い1段の直線セクションとを平滑に連結してなる。
【００５３】
好ましくは、本発明の第三の前記渦巻式冷熱ガス分離装置は、中央貫通孔を有する管台固定フランジをさらに含み、前記冷気流排出中心管台は、前記管台固定フランジの中央貫通孔を貫通して、前記管台固定フランジを介して前記端部吸気整流カバーの環状ケース壁の外側端に固定される；前記径方向整流装置は、前記基板を介して前記管台固定フランジの内側面上の環状凹み部に固定され、前記環状凹み部の凹み深さは前記基板の厚みに略等しい。
【００５４】
好ましくは、前記送風機は、安定出力気流の速度が1/8マッハ以上且つ9/10マッハ未満の高速送風機である。
【００５５】
第四に、本発明は、ボディと、熱気流排出口と、渦流還流装置と、冷気流排出口とを含む渦巻式冷熱ガス分離装置を提供し、前記渦流還流装置が、内凹曲面形状の気流集束反射面を有するように配置され、且つ、前記熱気流排出口が前記渦流還流装置における前記気流集束反射面の径方向外側に配置されることにより、前記熱気流排出口を経た第1の渦流の排出されなかった残りのガスが前記気流集束反射面に沿って進むとき、サイクロン半径が次第に収縮し、回転速度が次第に速くなり、遠心力が強くなると共に、第1の渦流のサイクロンコア負圧に吸引され、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって還流する第2の渦流を形成する。
【００５６】
好ましくは、前記気流集束反射面は、内凹放物面形状の気流集束反射面、又は内凹楕円球面形状の気流集束反射面、又は内凹円球面形状の気流集束反射面である。
【００５７】
好ましくは、前記気流集束反射面の外側には断熱層が配置されることにより、前記気流集束反射面のところの気流温度が外部に影響されることを避ける。
【００５８】
好ましくは、本発明の第四の前記渦巻式冷熱ガス分離装置は、外気を前記ボディ内の円筒形チャンバに送入して第1渦流を形成する吸気装置をさらに含む。
【００５９】
本発明の各渦巻式冷熱ガス分離装置において、好ましくは、前記渦流還流装置は、内凹曲面形状の気流集束反射面を有するように配置され、且つ、前記熱気流排出口が前記渦流還流装置における前記気流集束反射面の径方向外側に配置されることにより、前記熱気流排出口を経た第1渦流の排出されなかった残りのガスは前記気流集束反射面に沿って進むとき、サイクロン半径が次第に収縮し、回転速度が次第に速くなり、遠心力が強くなると共に、第1渦流のサイクロンコア負圧に吸引され、第1渦流のサイクロンコアを貫通して前記円筒形チャンバの第1の端に向かって還流する第2の渦流を形成する。
【００６０】
本発明の各渦巻式冷熱ガス分離装置において、好ましくは、前記気流集束反射面は、内凹放物面形状の気流集束反射面、又は内凹楕円球面形状の気流集束反射面、又は内凹円球面形状の気流集束反射面である。
【００６１】
本発明の各渦巻式冷熱ガス分離装置において、好ましくは、前記気流集束反射面の外側には断熱層が配置されることにより、前記気流集束反射面のところの気流温度が外部に影響されることを避ける。
【００６２】
本発明の各渦巻式冷熱ガス分離装置において、好ましくは、前記渦流還流装置は、前記円筒形チャンバの第2の端で前記渦巻式冷熱ガス分離装置のボディに着脱可能に取り付けられる；前記熱気流排出口は、前記渦流還流装置の前記円筒形チャンバに向かう側面上の一回りの環状凹溝から構成される；且つ、前記環状凹溝の径方向外壁には、外部に通じる少なくとも1つの開口を有する。
【発明の効果】
【００６３】
本発明の各渦巻式冷熱ガス分離装置において、好ましくは、前記環状凹溝内には、熱気流排出量を制御する内バルブリングが配置され、前記内バルブリングの外周には、前記円筒形チャンバの方向に向かって次第に収縮する切頭円錐状表面を有し、前記内バルブリングの切頭円錐状表面と、前記ボディの端面エッジにおいて環状凹溝内に延伸した相応の切頭円錐状表面とは、共同で前記熱気流排出口の開度を限定することにより、前記環状凹溝内における前記内バルブリングの軸方向位置を調節して熱気流排気量を調節することができる。
【００６４】
本発明の各渦巻式冷熱ガス分離装置において、好ましくは、前記渦流還流装置は前記円筒形チャンバの第2の端で前記渦巻式冷熱ガス分離装置のボディに固接される；或いは、前記渦流還流装置は、前記渦巻式冷熱ガス分離装置のボディが前記円筒形チャンバの第2の端で引き続き延出した一体式部分である。
【００６５】
本発明の各渦巻式冷熱ガス分離装置において、好ましくは、前記熱気流排出口は、前記渦流還流装置における少なくとも1つの開口から構成される。
【００６６】
本発明の各渦巻式冷熱ガス分離装置において、好ましくは、前記渦巻式冷熱ガス分離装置は熱気流排気量を調節するためのバルブシート装置をさらに含み、前記バルブシート装置は、ハンドル車と、ロッド体と、前記渦流還流装置の外側に固定されるネジ穴台と、少なくとも1つのバルブ爪を有するバルブ爪部材とを含み、前記ロッド体はその一端に近い段においてスクリュー段に形成され、前記スクリュー段の一部は前記ネジ穴台に操作可能にねじ込んで固定され、前記ロッド体の他端は前記ハンドル車に固定される；前記バルブ爪部材の一端は、前記ハンドル車又は前記ロッド体に接続されることにより、前記バルブ爪部材が前記ハンドル車及び前記ロッド体とともに軸方向運動しながら、前記ハンドル車及び前記ロッド体に従って回転しないようにする。それぞれの前記バルブ爪の末端にはバルブシートが配置され、前記バルブシートと前記渦流還流装置上の前記少なくとも1つの開口との間隔は、前記熱気流排出口の開度を限定することにより、前記バルブシート装置によって熱気流排出量を調節することができる。
【００６７】
本発明の各渦巻式冷熱ガス分離装置において、好ましくは、前記渦巻式冷熱ガス分離装置のボディ外には、放熱又は冷却装置が配置されてボディ壁を冷却することにより、前記ボディ壁の熱伝導によって、前記ボディの円筒形内壁面に沿って回転する熱気流を冷却する；或いは、前記渦巻式冷熱ガス分離装置のボディ外には、断熱装置が配置されてボディ壁の周囲環境への熱放出を減少させるすることにより、前記ボディの円筒形内壁面に沿って回転する熱気流の周囲環境への熱放出を減少させる；或いは、前記渦巻式冷熱ガス分離装置のボディ外には、断熱・冷却両用装置が配置されて、操作可能にボディ壁を冷却するように配置されることにより、前記ボディ壁の熱伝導によって前記ボディの円筒形内壁面に沿って回転する熱気流を冷却する、又はボディ壁の周囲環境への熱放出を減少させるすることによって、前記ボディの円筒形内壁面に沿って回転する熱気流の周囲環境への熱放出を減少させる。
【００６８】
後文における本発明の好ましい実施例に対する詳しい記載に基づき、図面を結合しながら、本発明の上記及びその他の目的、メリット並びに特徴は、当業者にとってより明瞭になる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
後文は、図面を参照しながら、制限的ではなく例示的な方式によって、本発明の好ましい実施例を詳しく論述する。図中、同じ図面符号は同じ又は類似する部品若しくは部分を標記する。且つ、これら図面は必ずしも比例に従って描かれたものであるとは限らない。図面において、
【図１】図1は、従来技術におけるランク・ヒルシ効果を利用して冷熱ガス分離を行う渦管の模式図である；
【図２】図2は、本発明の第1実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的側面図である；
【図３】図3は、図2における断面線A-Aに沿って得られた、本発明の第1実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的断面図である；
【図４】図4は、異なる視角から観察される図2の渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的分解透視図である；
【図５】図5は、異なる視角から観察される図2の渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的分解透視図である；
【図６】図6は、本発明の第1実施例の一変形による渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的断面図であり、この渦巻式冷熱ガス分離装置内の気体流動過程を示したものであり、且つ、該渦巻式冷熱ガス分離装置の気流集束反射面が内凹円球面形状である；
【図７】図7は、本発明の第1実施例の別の一変形による渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的断面図であり、該渦巻式冷熱ガス分離装置の気流集束反射面が内凹楕円球面形状である；
【図８】図8は、本発明の第2実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的断面図である；
【図９】図9は、図8における矢印Bに示す方向に沿って観察される渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的端面図であり、渦巻式冷熱ガス分離装置のボディ外に配置される2つの独立した原動機をさらに示している；
【図１０】図10は、図8の渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的局所断面図であり、該渦巻式冷熱ガス分離装置の熱気流排出口、及び渦流還流装置付近のガス流動経路を示す；
【図１１】図11は、図8における矢印Cに示す方向に沿って観察される渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的端面図である；
【図１２】図12は、本発明の第3実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的断面図である；
【図１３】図13は、図12の渦巻式冷熱ガス分離装置の渦流形成過程の模式図である；
【図１４】図14は、図12の渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的断面図であり、この渦巻式冷熱ガス分離装置内の気体流動過程を示したものであり、且つ明瞭性のために、サイクロンスリーブ内の好ましい断熱材料の断面線を省略した；
【図１５】図15は、本発明の第3実施例の一変形による渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的局所断面図であり、この渦巻式冷熱ガス分離装置には1つの軸方向式整流装置が増設され、この図は渦巻式冷熱ガス分離装置のボディ外に配置される送風機をさらに示している；
【図１６】図16は、図15の渦巻式冷熱ガス分離装置に用いられる軸方向式整流装置の模式的透視図である；
【図１７】図17は、図15の渦巻式冷熱ガス分離装置に用いられる軸方向式整流装置の模式的側面図である；
【図１８】図18は、図15の渦巻式冷熱ガス分離装置に用いられる軸方向式整流装置の模式的端面図である；
【図１９】図19は、図15の渦巻式冷熱ガス分離装置に用いられる軸方向式整流装置の模式的な1/2周囲寸法平面展開図である；
【図２０】図20は、本発明の第4実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的断面図である；
【図２１】図21は、図20の渦巻式冷熱ガス分離装置に用いられる径方向式整流装置の模式的透視図である；
【図２２】図22は、図20の渦巻式冷熱ガス分離装置の渦流形成及び径方向整流過程の模式図である；
【図２３】図23は、図20の渦巻式冷熱ガス分離装置に用いられる径方向式整流装置の模式的平面図である；
【図２４】図24は、図20の渦巻式冷熱ガス分離装置に用いられる別の径方向式整流装置の模式的平面図である；
【図２５】図25は、図20の渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的分解透視図である；
【図２６】図26は、組立済みの図20の渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的透視図である；
【図２７】図27は、本発明の第4実施例の一変形による渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的断面図であり、その気流集束反射面が内凹円球面形状である；
【図２８】図28は、図27に類似する渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的断面図であるが、その気流集束反射面が内凹楕円球面形状である；
【図２９】図29は、図27に類似する渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的断面図であるが、その気流集束反射面が内凹放物面形状である；
【図３０】図30は、図27〜29の渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的局所分解透視図である（図30において気流集束反射面が見えないため、この図のみによって図27〜29の類似した渦巻式冷熱ガス分離装置を示すことができる）。
【発明を実施するための形態】
【００７０】
図2〜5は、本発明の第1実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置100の模式的側面図、断面図、及び2つの異なる視角から観察される模式的分解透視図をそれぞれ示している。図6と図7は、本発明の第1実施例の変形による渦巻式冷熱ガス分離装置100’と100”の模式的断面図であり、異なる形状の気流集束反射面を用いている。
【００７１】
図2〜7に示すように、運転メカニズムから考えると、本発明の第1実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置100は、ボディ110と、吸気・撹拌ファン装置120と、熱気流排出口130と、渦流還流装置140と、冷気流排出口150とを備える。
【００７２】
ボディ110は、円筒形チャンバ112を限定した円筒形内壁面111を有する。円筒形チャンバ112は、その軸線方向に沿って第1の端113及び前記第1の端に対向する第2の端114を有する。
【００７３】
吸気・撹拌ファン装置120は、前記円筒形チャンバ112の第1の端113でボディ110に接続されるとともに、外気を円筒形チャンバ112に吸い込むように配置されることにより、円筒形内壁面111に沿って回転しながら円筒形チャンバ112の第2の端114に向かって進む第1の渦流を撹拌形成する。
【００７４】
熱気流排出口130は、前記円筒形チャンバ112の第2の端114のエッジ115に近いように配置されることにより、熱気流排出口130まで進んだ第1の渦流のガスの一部を熱気流排出口130を経て円筒形チャンバ112外に排出する。乱流損失を減少するために、熱気流排出口130の付近は、熱気流を順調に排出するように配置されることが好ましい。
【００７５】
渦流還流装置140は、円筒形チャンバ112の第2の端114に位置するように配置されることにより、熱気流排出口130から排出されなかった第1の渦流の残りのガスを反射して、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して円筒形チャンバ112の第1の端113に向かって還流する第2の渦流とする。
【００７６】
冷気流排出口150は、円筒形チャンバ112の第1の端113の径方向中心に近接してそれを取り囲むように配置される。渦巻式冷熱ガス分離装置100は、熱気流排出口130又はその付近に配置され熱気流排気量を調節するための調節装置をさらに含むことが好ましい。熱気流の排気量を調節することにより、排出される冷気流の温度を一定範囲内において調節することができる。
【００７７】
本発明の第1の実施例において、吸気・撹拌ファン装置120は、複数の吸気・撹拌羽根121を含むことが好ましい。それぞれの吸気・撹拌羽根121は、一体に製造された吸気部分122及び撹拌部分123を含み、吸気部分122は、外気を円筒形チャンバ112に吸い込みやすいように配置され、撹拌部分123は、円筒形チャンバ112に吸い込まれたガスを撹拌して第1の渦流を形成する。吸気・撹拌羽根121は、例えば高強度アルミニウム合金又はチタンスチールのような高強度耐熱錆止め軽量合金材料からなることが好ましい。強力渦気流発生効果をさらに達成するために、吸気・撹拌羽根121は長く製造され、渦巻式冷熱ガス分離装置100の円筒形内壁面111は小さいテーパー（例えば1°未満又は0.5°未満である）を有するように製造されてもよい。このような吸気・撹拌羽根121は少しテーパーを有する円筒形内壁面111と協力して、渦気流の速度及び密度を増強する作用を奏する。吸気・撹拌羽根121の具体的な形状を設計する場合、ガスの吸入及び排出の流量はあまり大きくなくてもよい。
【００７８】
さらに具体的には、吸気・撹拌ファン装置120は、環状部品124と、環状部品124の径方向内側に位置する中心ハブスリーブ125と、環状部品124と中心ハブスリーブ125とを接続する複数のリブ板126とを含むことが好ましい。環状部品124及び中心ハブスリーブ125は、円筒形チャンバ112と同じ中心軸線を有することが好ましい。中心ハブスリーブ125と環状部品124の環状内壁との間の空間は、渦巻式冷熱ガス分離装置100の冷気流排出口150を構成する。且つ、複数の吸気・撹拌羽根121は、いずれも環状部品124の外円周壁に配置される。
【００７９】
それぞれのリブ板126は、冷気流排出口150で一定の負圧を形成するように排気羽根の形式に設置されることにより、第2の渦流中のガスを冷気流排出口150から排出しやすくすることがより好ましい。ここでは、排気羽根により形成される負圧は、第2の渦流中のガスを冷気流排出口150から排出しやすくすればよく、円筒形チャンバ112中の第1の渦流に影響しないほど大きすぎてはならない。
【００８０】
当業者であれば認識できるように、吸気・撹拌ファン装置120はさらに原動機128を含んでもよく、電動機を含むことが好ましく、出力回転速度が10000rpm以上にもなる高速電動機を含むことがさらに好ましい。且つ、排出する冷風流の温度及び流量を制御するために、その回転速度は調節可能であることが好ましい。本発明の第1の実施例において、原動機128は円筒形チャンバ112外に配置され、その出力軸が、吸気・撹拌ファン装置120のファン主軸127を介して中心ハブスリーブ125の回転を駆動すると共に、リブ板126、環状部品124及び吸気・撹拌羽根121を回動させる。より具体的には、原動機128は円筒形チャンバ112の中心軸線に沿って、渦流還流装置140の外側に配置されてもよい。この場合では、渦流還流装置140の中心には、原動機128の出力軸又はファン主軸127を貫通させて中心ハブスリーブ125に接続させるための貫通孔141を配置すべきである。ここで、当業者であればさらに認識できるように、原動機128から中心ハブスリーブ125までの伝動、ひいては吸気・撹拌羽根121までの伝動は、ほかの形式を有してもよい。例えば、さらに複雑な状況として、原動機128の出力軸とファン主軸127との間には、さらに変速機構（例えばギア変速機構又はベルトプーリー変速機構など）を有してもよい。
【００８１】
原動機128の回転速度及び中間伝動機構の変速比（中間伝動機構が存在するなら）の選択は、吸気・撹拌羽根121が回動する角速度を決め、吸気・撹拌羽根121の回動半径は、吸気・撹拌羽根が特定の角速度にあるときの羽根線速度を決める。これは、当業者によく知られるものである。且つ、当業者は具体的な応用の要求に応じて、原動機の回転速度、中間伝動機構の変速比及び吸気・撹拌羽根121の回動半径を具体的に選択して設計することができる。本発明の一部の実施例において、特に、これら選択及び設計により、吸気・撹拌ファン装置の撹拌部分又は撹拌羽根の外縁の線速度は1/8マッハ以上になるべきである（実際に、この速度は、形成される第1の渦流の気盤外縁の線速度にほぼ等しい；制限される空間内の渦流気盤外縁の線速度は一般的に、渦流の線速度とも略称される）。例えば、具体的に1/7マッハ、1/6マッハ、1/5マッハ、1/4マッハ、1/3マッハ、1/2マッハ、2/3マッハ、3/4マッハ、4/5マッハ、5/6マッハ、6/7マッハ、7/8マッハ、ひいては9/10マッハ近く（当業者に公知される所謂「音速障壁臨界値」）、及び上記与えられた任意の2つの数値点間のいずれかの具体的な数値又は任意の区間であってもよい。さらに、例えば、精確ではなく定性的には、本発明の装置において、第1の渦流の線速度が9/10マッハに近い（音速障壁臨界値）場合、得られる冷気流は吸気気流温度に対して約60℃低下されることができ、冷熱ガス分離の効果は、第1の渦流の線速度の平方と略正比例をなし、第1の渦流線速度の低下に従って、冷熱ガス分離の効果はさらに他の多くの要素の影響を受ける。したがって、例えば第1の渦流の線速度が1/3マッハである場合、吸気気流温度に対して約6℃〜7℃低下された冷気流が得られることを予期し得る。なお、上記数値及び定性関係は本分野における公知のものではなく、本願発明者がランク・ヒルシ効果を深く認識した後に発見及び創造的に設計したものである。ゆえに、本発明の各好ましい実施例は、高圧の圧縮ガスをガス源として使用しないと共に、噴き込んだガスの圧力を強調しない。その代わりに、渦流回動の遠心力を強調し、続いて渦流回動の線速度及び低下可能な冷気流温度を設計基準とし、斬新な構造を有する渦巻式冷熱ガス分離装置を設計する。本発明の渦巻式冷熱ガス分離装置によると、円筒形チャンバ112の直径は例えば100mm、200mm、300mm、400mm、500mm、1m、2m、ひいてはそれ以上と高くなることができ、大風量、低風速、大口径の応用需要を満足することに利がある。
【００８２】
本発明の第1の実施例において、吸気・撹拌ファン装置120は、吸気・出気仕切りカバー160をさらに含んでもよい。吸気・出気仕切りカバー160はガイド通路161を有する。ガイド通路161の一端は冷気流排出口150に近い又は隣接するように配置され、冷気流排出口150から排出された冷気流を受入れ、それを円筒形チャンバ112から一定距離だけ離れたところにガイドする。即ち、冷気流を最終的に渦巻式冷熱ガス分離装置100外に排出して処理又は利用することにより、排出された冷気流が改めて渦巻式冷熱ガス分離装置100に吸い込まれることを防止する。したがって、冷気流排出機能から考えると、吸気・出気仕切りカバー160のガイド通路161を冷気流排出口150の一部と見なすことができる。また、当業者であれば認識できるように、冷気流の拡散又は収集利用のために、このような吸気・出気仕切りカバーの末端開口はラッパ形又は他の任意の適切な形状、又は継ぎ手を有するように配置されてもよい。且つ、この吸気・出気仕切りカバーのガイド通路筒壁外部にリブ棒、リブ板及び／又は環状輪などの部材を配置することにより、吸気・出気仕切りカバー160を同時に、吸気・撹拌ファン装置120の吸気・撹拌羽根121の防護カバー及び／又は吸気ガイドカバー及び／又は冷気流排出ガイドカバーなどの機能を兼ねるようにしてもよい。これら付加部材の配置は、当業者が容易に理解して実施し得るものである。それに対して、ここでは贅言しない。
【００８３】
特に、本発明の各好ましい実施例において、渦流還流装置140は、内凹放物面形状の気流集束反射面142（例えば、図8、図12、図20を参照することができる）、又は内凹楕円球面形状の気流集束反射面142（例えば、図7を参照することができる）、又は内凹円球面形状の気流集束反射面142（例えば、図3、図6を参照することができる）を有するように配置されることが好ましい。且つ、熱気流排出口130が渦流還流装置140における前記反射面142の径方向外側に配置されることにより、熱気流排出口130を経た第1の渦流の排出されなかった残りのガスは気流集束反射面142に沿って進むとき、サイクロン半径が次第に収縮し、回転速度が次第に速くなり、遠心力が強くなると共に、第1の渦流のサイクロンコア負圧に吸引され、第1の渦流のサイクロンコアを貫通して円筒形チャンバ112の第1の端113に向かって還流する第2の渦流を形成する。当業者が本文の開示内容から分かるように、本発明における渦流還流装置140は、渦流の反射によって渦流を渦巻式冷熱ガス分離装置100の円筒形チャンバ112のコア（即ち円筒形チャンバ112の中心軸線周囲における第1の渦流のサイクロンコア内の部分）に集めることができる、他の内凹曲面形状を有する気流集束反射面を用いてもよい。第1の渦流のサイクロンコアの直径は、例えば一般的に、円筒形チャンバ112の内径の3/4、又は2/3、又は1/2、又は1/3、又は1/4などを超えない。
【００８４】
本発明の各好ましい実施例において、ここでは図3に示す第1のの実施例を参照するが、渦流還流装置140は、円筒形チャンバ112の第2の端114で渦巻式冷熱ガス分離装置のボディ110に着脱可能に取り付けられることが好ましい。熱気流排出口130は、渦流還流装置140の円筒形チャンバ112に向かう側面上の一回りの環状凹溝143から構成されることが好ましい。前記環状凹溝143の径方向外壁には、外部に通じる少なくとも1つの開口144を有する。環状凹溝143内には、熱気流排出量を制御する内バルブリング132が配置される。内バルブリング132の外周には、円筒形チャンバ112の方向に向かって次第に収縮する切頭円錐状表面を有する。前記切頭円錐状表面と、ボディ110の端面エッジ115において環状凹溝143内に延伸した相応の切頭円錐状表面とは、共同で熱気流排出口130の開度を限定するので、前記環状凹溝内における前記内バルブリングの軸方向位置を調節することにより、熱気流排気量を調節することができる。例えば、図4に示すように、内バルブリング132のリング体上から、円周方向において均一に分布する各々のポールが延伸されることが好ましい。これらポールは、延伸して渦流還流装置140のハウジングカバー上の貫通孔を貫通することにより、各種方式によって内バルブリング132の軸方向位置を調節することができる。このような内バルブリング132の軸方向位置を調節する具体的な技術は、当業者がよく知っていて実現しやすいことである（例えばネジ方式、タイトフィット方式など）。それに対して、ここでは贅言しない。
【００８５】
本発明の各好ましい実施例において、好ましくは、渦巻式冷熱ガス分離装置のボディ110外には、放熱又は冷却するための装置170（例えば、水冷による合わせ水タンクであってもよい）が配置されてボディ壁を冷却することにより、ボディ壁の熱伝導によって、ボディ110の円筒形内壁面111に沿って回転する熱気流を冷却する；或いは代替的には、渦巻式冷熱ガス分離装置のボディ110外には、断熱するための装置170（例えば、エバキュエーション（evacuation）の真空合わせ壁であってもよい）が配置されてボディ壁の周囲環境への熱放出を減少させるすることにより、ボディ110の円筒形内壁面111に沿って回転する熱気流の周囲環境への熱放出を減少させる；或いは代替的には、渦巻式冷熱ガス分離装置のボディ110外には、断熱・冷却両用機能を有する装置170（例えば、エバキュエーションにも、冷却水又は他の冷却媒質の注入にも適する合せ壁であってもよい；ユーザは需要に応じてその具体的な機能を選択することができる）が配置されて、操作可能にボディ壁を冷却するように配置されることにより、ボディ壁の熱伝導によってボディ110の円筒形内壁面111に沿って回転する熱気流を冷却する、又はボディ壁の周囲環境への熱放出を減少させることによって、ボディ110の円筒形内壁面111に沿って回転する熱気流の周囲環境への熱放出を減少させる。
【００８６】
図8〜11は、本発明の第2の実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置200の各種の模式図を示す。
【００８７】
図8〜11に示すように、本発明の第2の実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置200は同様に、ボディ110と、吸気・撹拌ファン装置120と、熱気流排出口130と、渦流還流装置140と、冷気流排出口150とを備える。
【００８８】
図2〜7に示す第1の実施例との1つの主な相違として、本発明の第2の実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置200において、吸気・撹拌ファン装置120は別体の吸気ファン210及び撹拌ファン220を含む。吸気ファン210は複数の吸気羽根211を含み、外気を円筒形チャンバ112に吸い込みやすいように配置される。撹拌ファン220は複数の撹拌羽根221を含み、円筒形チャンバ112に吸い込まれたガスを第1の渦流に撹拌するように配置される。第1の実施例において検討した原理と同じく、吸気羽根211及び撹拌羽根221の具体的な形状を設計する場合、吸気羽根211のガス吸入量及び排出の流量はあまり大きくなくてもよいが、強力に撹拌して渦を形成する効果を撹拌羽根221に持たせる必要がある。したがって、吸気羽根211を短く設計し、撹拌羽根221を長く設計することが好ましい。吸気羽根211と撹拌羽根221は、同じ又は異なる材料から製造されてもよく、例えば同種の高強度耐熱錆止め軽量合金材料から製造される（例えば、いずれも高強度アルミニウム合金及びチタンスチールのうちのいずれかから製造される）、或いは異なる高強度耐熱錆止め軽量合金材料から製造される（例えば、吸気羽根211は高強度アルミニウム合金から製造され、撹拌羽根221はチタンスチールから製造される）、或いは吸気羽根211が普通の強度を有する材料から製造され、撹拌羽根221が高強度耐熱錆止め軽量合金材料から製造される。吸気ファン210及び撹拌ファン220はそれぞれ、別体の吸気ファン伝動輪212及び撹拌ファン伝動輪222によって駆動されることが好ましい。図8と図9を参照すれば分かる通り、吸気ファン伝動輪212及び撹拌ファン伝動輪222はそれぞれ、各々の伝動ベルト若しくはチェーン213及び223を介して、渦巻式冷熱ガス分離装置200のボディ110外に配置される各々の原動機214及び224に接続される。このような配置によって、吸気ファン210及び撹拌ファン220は独立に制御されることができ、応用においてより大きい融通性を有する。図9は、渦巻式冷熱ガス分離装置200に備えられてもよい台座270をさらに示す。渦巻式冷熱ガス分離装置200における放熱又は冷却するための装置170、又はボディ110、及び原動機214、224などは、いずれもこの台座270に固定される。
【００８９】
より具体的には、本発明の第2の実施例において、吸気ファン伝動輪212及び撹拌ファン伝動輪222はそれぞれ、各々の転がり軸受215及び225を介して中心管台230に配置される。中心管台230は、ウェブブラケット231を介して渦巻式冷熱ガス分離装置200のボディ110に固定される。中心管台230の環状内壁面に画定される中心通路は、円筒形チャンバ112の第1の端113の径方向中心に位置する冷気流排出口150を構成する。
【００９０】
図2〜7に示す第1の実施例との別の主な相違として、本発明の第2の実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置200において、渦流還流装置140は円筒形チャンバ112の第2の端114で渦巻式冷熱ガス分離装置200のボディ110に固接される；或いは、渦流還流装置140は、渦巻式冷熱ガス分離装置200のボディ110が円筒形チャンバ112の第2の端114で引き続き延出した一体式部分である。このような案において、熱気流排出口130は、渦流還流装置140における、ボディ110の円筒形チャンバ112の第2の端114でのエッジに近い少なくとも1つの開口から構成されることが好ましい。前記少なくとも1つの開口は、円周方向において均一に分布する複数の開口であることが好ましく、例えば3以上、又は4以上、又は5以上、又は6以上、又は7以上、又は8以上、又は9以上、又は10以上であり、図8〜11に示す例示において8である。
【００９１】
このような熱気流排出口130の新たな形式に適応するために、本発明の第2の実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置200は、熱気流排気量を調節する別の形式の調節装置を相応的に採用し、熱気流排気量を調節するためのバルブシート装置240を含む。前記バルブシート装置240は、ハンドル車241、ロッド体242、ネジ穴台244、及びバルブ爪部材245を含んでもよい。
【００９２】
ロッド体242はその一端に近い段においてネジ山が形成され、スクリュー段243を形成する。スクリュー段243の一部は、渦流還流装置140の外側に固定されるネジ穴台244に操作可能にねじ込む。ロッド体242の他端はハンドル車241に固定され、ハンドル車241の突出した接続部に固定されることが好ましい。
【００９３】
バルブ爪部材245の一端は、ハンドル車241又はロッド体242に接続される。接続方式としては、バルブ爪部材245がハンドル車241及びロッド体242とともに軸方向運動しながら、ハンドル車241及びロッド体242に従って回転しないようにすることが好ましい。具体的には、例えば、ロッド体242のスクリュー段243に近い箇所において、増径した階段段を形成し、ロッド体242は、階段段のスクリュー段との逆側において平滑ロッド段であり、平滑ロッド段の末端はハンドル車241の突出した接続部中の固定孔に固定される。且つ、バルブ爪部材245はその端板上の中心貫通孔を通じて、ロッド体242の階段段とハンドル車241の突出した接続部との間の平滑ロッド段に遊びばめされる（明らかに、端板中心貫通孔の直径は平滑ロッド段の直径より大きく、階段段の直径及びハンドル車241の突出した接続部の直径より小さいことが好ましい）とともに、ロッド体242の階段段とハンドル車241の突出した接続部との間隔は、バルブ爪部材245の端板厚みと略同じく、又はそれより少し大きいように保証される。これで、バルブ爪部材245はハンドル車241及びロッド体242とともに軸方向運動しながら、ほとんどハンドル車241及びロッド体242に従って回転しない（ここでは、一旦摩擦力の影響を無視した）。
【００９４】
バルブ爪部材245の他端から、少なくとも1つのバルブ爪が延伸され、その数は、熱気流排出口130を構成する開口の数と同じであることが好ましい。それぞれのバルブ爪部材245の末端には、相応のバルブシート246が配置される。
【００９５】
バルブシート246と渦流還流装置上の開口との間隔は、熱気流排出口130の開度を限定する。したがって、このバルブシート装置のハンドル車241を回動させることにより、スクリュー段243のネジ穴台244中にねじ込む深さを調整し、バルブシート246の軸方向位置を調節し、熱気流排出口130の開度を調節する目的を実現してもよい（即ち熱気流排気量を調節する目的を実現した）。
【００９６】
また、バルブシート装置240は、ハンドル車241とバルブ爪245との間に位置し若干の貫通孔を有する後蓋フランジ247をさらに含んでもよい。後蓋フランジ247はボディ110に直接又は間接的に固定されるが、放熱又は冷却するための装置170の延伸部に固定され、更にボディ110に間接的に固定されることが好ましい。排出された熱気流が渦流還流装置140を不適当に加熱することを避けるために、さらに熱気流排出仕切りカバー248を配置することが好ましい。筒状の熱気流排出仕切りカバー248は、渦流還流装置140の外側に配置される。特に、熱気流排出仕切りカバー248の末端に、バルブ爪に摺動フィットする切欠溝249を開けることにより、バルブ爪部材245の出現するそうな回動（例えば、摩擦力はバルブ爪部材245に小さい回動の傾向をきたす可能性がある）を制限し、バルブ爪が熱気流排出口130の被覆位置と一致する角度を保持する（理解のために、切欠溝249を明示した図25を同時に参考することができる）。当業者であれば認識できるように、熱気流排気量を調節するための装置は、他の多くの形式を有してもよい。ここでは、それらを一々列挙しない。
【００９７】
本発明の第2の実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置200において、吸気ファン210のために、独立した防護カバー260を配置してもよい。したがって、図8に示すように、渦巻式冷熱ガス分離装置200の吸気・出気仕切りカバー160には、リブ棒、リブ板及び／又は環状輪などの部材が配置されていない。これら構造は、いずれも当業者がよく知っており、容易に理解して実現し得るものである。それに対して、ここでは贅言しない。
【００９８】
図12〜14は、本発明の第3実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置300の各種の模式図を示す。
【００９９】
図12〜14に示すように、本発明の第3実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置300は、ボディ110と、前記ボディ外に配置される送風機310（図12に示されていない；図13又は図15を参照することができる）と、ボディ110に配置される吸気口320と、熱気流排出口130と、渦流還流装置140と、冷気流排出通路を有する冷気流排出中心管台330とを備える。本発明で用いる送風機310は、安定出力気流の速度が1/8マッハ以上になる高速送風機であることが好ましい。例えば、具体的には1/7マッハ、1/6マッハ、1/5マッハ、1/4マッハ、1/3マッハ、1/2マッハ、2/3マッハ、3/4マッハ、4/5マッハ、5/6マッハ、6/7マッハ、7/8マッハ、ひいては9/10マッハ近く（音速障壁臨界値）、及び上記与えられた任意の2つの数値点間のいずれかの具体的な数値又は任意の区間であってもよい。
【０１００】
第1の及び第2の実施例に類似するように、渦巻式冷熱ガス分離装置300のボディ110も、円筒形チャンバ112を限定した円筒形内壁面111を有する。円筒形チャンバ112は、その軸線方向に沿って第1の端113、及び前記第1の端に対向する第2の端114を有する。且つ、図12から明瞭に分かるように、本発明の第3実施例における熱気流排出口130及び渦流還流装置140は、本発明の第2の実施例と略同じである。また、当業者であれば認識できるように、本発明の第3実施例における熱気流排出口130及び渦流還流装置140は、本発明の第1の実施例と同じ形式を用いてもよい。それらが前文の記載から容易に理解できるものであるから、ここではこれら同じ又は類似する部品若しくは部分について贅言しない。
【０１０１】
本発明の第3実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置300と本発明の第1の及び第2の実施例100及び200との主な区別は、吸気方式及び第1の渦流の形成方式が異なることにある。
【０１０２】
具体的には、渦巻式冷熱ガス分離装置300において、ボディ110の円筒形チャンバ112の第1の端113に近接する箇所に吸気口320が配置される。送風機310のガイド管311は吸気口320に接続される。吸気口320は、送風機310から出力された気流をほぼ円筒形チャンバ112の円周の接線方向に沿って円筒形チャンバ112に噴き込むように配置されることにより、円筒形内壁面111に沿って回転しながら円筒形チャンバ112の第2の端114に向かって進む第1の渦流を形成する。
【０１０３】
また、渦巻式冷熱ガス分離装置300は、冷気流排出通路331を有する冷気流排出中心管台330を備える。冷気流排出中心管台330は円筒形チャンバ112の第1の端113に配置されると共に、円筒形チャンバ112の中心軸線に沿って円筒形チャンバに軸方向延伸する。冷気流排出通路331は第2の渦流を受けてそれを第1の渦流から離隔させると共に、第2の渦流のガスを渦巻式冷熱ガス分離装置300外に排出する。
【０１０４】
渦巻式冷熱ガス分離装置300は、中央貫通孔を有する管台固定フランジ332をさらに含むことが好ましい。前記冷気流排出中心管台330は、管台固定フランジ332の中央貫通孔を貫通して、管台固定フランジ332を介して渦巻式冷熱ガス分離装置300のボディ110に固定される。
【０１０５】
特に、渦巻式冷熱ガス分離装置300はサイクロンスリーブ340をさらに含むことが好ましい。前記サイクロンスリーブ340は、円筒形チャンバ112における冷気流排出中心管台330の周りに配置されるとともに、円筒形チャンバ112の第2の端114の方向に向かって次第に収縮する切頭円錐状部分341を有し、第1の渦流の回転をガイドし、第1の渦流の乱流損失を減少する。サイクロンスリーブ340の切頭円錐状部分341の最大直径に、一段の円筒形部分342が延伸してある。前記円筒形部分342と前記切頭円錐状部分341との境円周の、円筒形チャンバ112の軸線方向における円筒形チャンバ112の第1の端113に対する距離は、吸気口320の周境の円筒形チャンバ112の第1の端113に対する最大距離以上であることが好ましい。本発明の1つの好ましい実施例において、吸気口320は管台固定フランジ332の内側表面に近いように配置されてもよい。且つ、前記境円周の半径は、前記吸気口の最低点の延長線が前記境円周にほぼ接するように配置されることが好ましい。サイクロンスリーブ340の円筒形部分342は、その末端が管台固定フランジ332の円筒形チャンバ112中に向かって突出した環状階段333にセット固定されることが好ましい。環状階段333の中央孔は、管台固定フランジ332の中央貫通孔の一部を構成し、冷気流排出中心管台330はそれを貫通する。
【０１０６】
サイクロンスリーブ340と冷気流排出中心管台330との間の空間に断熱材料（例えば多孔質断熱材料又は繊維類断熱材料など）を配置することにより、冷気流排出中心管台330の中央貫通孔中の第2の渦流とサイクロンスリーブ340の径方向外側の第1の渦流とを熱隔離することがより好ましい。
【０１０７】
図15は、本発明の第3実施例の一変形による渦巻式冷熱ガス分離装置300’の模式的局所断面図である。渦巻式冷熱ガス分離装置300’には1つの軸方向式整流装置350が増設されている。前記軸方向式整流装置350は冷気流排出中心管台330の円筒形チャンバ112に延伸した末端部分に固定されることにより、軸方向式整流装置350を経た第1の渦流を整流し、第1の渦流の乱流損失を減少すると共に、整流前の第1の渦流に比べて、整流後の第1の渦流の円周方向各点における渦ガス流量がより均一になる。
【０１０８】
図16〜19は、渦巻式冷熱ガス分離装置300’に用いられる軸方向式整流装置350の各種の詳しい模式図を示す。
【０１０９】
図16〜19に示すように、軸方向式整流装置350は、中央環状部品351を有する旋回皿状部材であり、その外円周面には、該外円周面に垂直して外方へ径方向延出した、円周方向に沿って均一に分布する複数の扇形ガイドシート352が固定される。前記複数の扇形ガイドシート352は、隣り合う2つの扇形ガイドシートに、気流の通過を許容する大体楔形の隙間が形成するように配置される。第1の渦流はこれら楔形隙間を経て噴出された後、整流された第1の渦流を形成する。
【０１１０】
それぞれの扇形ガイドシート352は、寸法及び形状がいずれも同じであることが好ましい。それぞれの扇形ガイドシート352の扇形角は、40°〜80°であることが好ましく、例えばいずれも60°である。隣り合う2つの扇形ガイドシート352の軸方向投影の重なり部分の面積は、それぞれの扇形ガイドシート面積の1/3〜2/3であることが好ましく、例えば1/2である。各楔形隙間の先端部の楔形角及び最狭箇所の間隔は、第1の渦流の乱流損失を減少すると共に、整流前の第1の渦流に比べて、整流後の第1の渦流の円周方向各点における渦ガス流量がより均一になるように配置される。具体的な設計は、図19における平面展開図の形式を参照して、従来技術における流体力学の関連知識に基づいて行うことができる。それは、当業者が本出願の内容及び相応の流体力学知識に基づいて容易に行うことであり、ここでは贅言しない。
【０１１１】
それぞれの扇形ガイドシート352は簡単な平板式形状であってもよい。扇形ガイドシート352は、流線形曲線断面を有するガイドシートであることが好ましい。具体的な曲線形状の設計は、当業者が本出願の内容及び相応の流体力学知識に基づいて容易に行うことであり、ここでは贅言しない。
【０１１２】
図20は、本発明の第4実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置400の模式的断面図を示す。
【０１１３】
図20に示すように、本発明の第4実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置400は全体的に、本発明の第3実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置300又は300’に類似する。それらの間の主な区別は、吸気方式及び第1の渦流の形成方式が異なることにある。
【０１１４】
具体的には、渦巻式冷熱ガス分離装置400には端部吸気整流カバー410が配置され、吸気口320はボディ110ではなく、端部吸気整流カバー410に配置される。端部吸気整流カバー410は、円筒形チャンバ112の第1の端113でボディ110に固定される。送風機310のガイド管311は吸気口320に接続されることにより、送風機から出力された気流を端部吸気整流カバー410に噴き込む。端部吸気整流カバー410は、送風機から出力された気流を初期回動気流に形成させると共に、円筒形内壁面111に沿って回転しながら円筒形チャンバ112の第2の端114に向かって進む第1の渦流に整流するように配置される。渦巻式冷熱ガス分離装置400において、サイクロンスリーブ340及び軸方向式整流装置350を配置しなくても、優れた整流効果を取得することができる。また、必要であれば、渦巻式冷熱ガス分離装置400の冷気流排出中心管台330の必要な部分において、断熱措置を採用する（例えば、直径の大きいスリーブをセットし、このスリーブと中心管台の外円周壁との間に断熱材料を充填する）、又は渦巻式冷熱ガス分離装置400の冷気流排出中心管台330そのものを、一定の断熱能力を有するように設計する（例えばその管壁を双層中空管壁に設計し、管壁合せ層にエバキュエーションさせる又は断熱材料を充填する）ことができる。
【０１１５】
端部吸気整流カバー410は環状ケース壁411を有し、その内で限定されるキャビティ412の直径が渦巻式冷熱ガス分離装置400のボディ110の円筒形チャンバ112の直径より大きいことが好ましい。キャビティ412は、円筒形チャンバ112と同じ中心軸線を有しながら、円筒形チャンバ112に直接連通する。吸気口320は環状ケース壁411に配置されると共に、該吸気口320は、送風機から出力された気流をほぼ端部吸気整流カバー410のキャビティ412の円周接線方向に沿ってこのキャビティに噴き込み、初期回動気流に形成させるように配置される。特に、前記端部吸気整流カバー410は、端部吸気整流カバーのキャビティ412中に配置されて前記キャビティと同じ中心軸線を有する径方向整流装置420を備え、前記径方向整流装置は、初期回動気流を受けて第1の渦流に整流するように配置される。
【０１１６】
端部吸気整流カバー410は、中央貫通孔を有する管台固定フランジ413をさらに含むことが好ましい。冷気流排出中心管台330は、管台固定フランジ413の中央貫通孔を貫通して、管台固定フランジ413を介して端部吸気整流カバーの環状ケース壁411の外側端に固定される。径方向整流装置420は、管台固定フランジ413の内側面に固定されることが好ましい。
【０１１７】
端部吸気整流カバー410は、端部吸気整流カバー固定フランジ414をさらに含むことが好ましい。端部吸気整流カバー410の環状ケース壁411の内側端は、端部吸気整流カバー固定フランジ414の外縁部に固定され、端部吸気整流カバー固定フランジ414の環状階段415は、円筒形チャンバ112の第1の端113でボディ110の外円周壁に固定される。
【０１１８】
図21は、図20の渦巻式冷熱ガス分離装置400の径方向式整流装置420の模式的透視図を示す。
【０１１９】
図21に示すように、径方向整流装置420は基板421を有し、基板421が円環状平板であることが好ましい。基板421の1つの側面には、この表面に垂直して円周方向に沿って均一に分布する複数の曲線形ガイドシート422が固定される。基板421は、その表面に前記曲線形ガイドシートが固定されることができ、中心部に冷気流排出中心管台330を貫通させるための中心孔を有するのであれば、ほかの適切な形状を有してもよい。
【０１２０】
曲線形ガイドシート422は、前記初期回動気流を回転直径の縮小する第1の渦流に整流するように配置され、前記初期回動気流に比べて、この第1の渦流の流速がより速く、乱流損失がより小さく、円周方向各点における渦ガス流量がより均一になるようにする。隣り合う2つの曲線形ガイドシート422には、気流の通過を許容する、次第に収縮する大体楔形の隙間が形成される。楔形隙間の先端部の最狭箇所は気流出口を形成するが、ほぼ前記円筒形チャンバの円周の接線方向に沿って整流後のガスを噴出し、第1の渦流を形成し得るように配置されることが好ましい。これについて、このような径方向整流装置420の整流過程を模式的に示す図22を参照することができる。それぞれの曲線形ガイドシート422は、基板421に垂直する軸方向において互いに同じの軸方向幅を有し、この軸方向幅が端部吸気整流カバー410のキャビティ412の軸方向長さにほぼ等しいように配置されることが好ましい。各曲線形ガイドシート422の軸方向幅上の等分平面は、吸気口320の中心軸線と同じ平面にあることが好ましい。各曲線形ガイドシート422は、吸気口320の最低点の延長線が全ての曲線形ガイドシートの各外縁の外包絡円周線に接するように配置されることが好ましい。その代わりに、この延長線は、曲線形ガイドシートの前記外包絡円周線より少し高い又は少し低いものであってもよい。全ての曲線形ガイドシートの各内縁の内包絡円周線は、円筒形チャンバ112と同じ中心を有することが好ましく、該内包絡円周線は、円筒形チャンバ112と略同じの直径を有する、又はそれより少し小さい直径を有することがより好ましい。
【０１２１】
特に、本発明において、径方向式整流装置420のそれぞれの曲線形ガイドシート422は、ガイド方向に沿う断面形状が、内面曲線、外面曲線及び端部連結転移線から囲んでなるものであることが好ましい。当業者であれば認識して理解できるように、曲線形ガイドシートは全体的に薄片形状を呈するため、その内面曲線と外面曲線の末端における端部連結転移線は非常に短く、曲線形ガイドシート422のガイド作用に対する影響が非常に小さく、検討する必要がない。ゆえに、以下、曲線形ガイドシート422の内面曲線及び外面曲線の形状を主に検討する。
【０１２２】
図23に示すように、径方向式整流装置420の内面曲線は、1段の楕円曲線セクション、1段のwitosznski曲線セクション、及び楔形隙間の気流出口に位置する1段の直線セクションを含むように配置されることが好ましい。前記楕円曲線セクションと前記witosznski曲線セクションとの間は、円滑に転移することが好ましい。図23に示すように、それぞれの曲線形ガイドシート422の内面曲線は、径方向外側において、前記楕円曲線セクションから始め、前記witosznski曲線セクションに円滑に転移してから、前記内面曲線の直線セクションに円滑に転移することが好ましい。当業者であれば理解できるように、前記楕円曲線セクションは前記witosznski曲線セクションに直接に連結して円滑転移を形成してもよい。前記楕円曲線セクションは、転移曲線セクションを介して前記witosznski曲線セクションに連結することにより、前記楕円曲線セクションと前記witosznski曲線セクションとの円滑な転移を形成してもよい。前記内面曲線のwitosznski曲線セクションと直線セクションとの間は、直接に円滑転移して連結されることが好ましい。
【０１２３】
前記外面曲線は、1段の円弧曲線セクションと楔形隙間の気流出口に近い1段の直線セクションとを含むように配置されることが好ましい。前記外面曲線の円弧曲線セクションと前記直線セクションとの間は、直接に円滑転移して連結することが好ましい。
【０１２４】
各曲線形ガイドシート422の内面曲線の楕円曲線セクションの延長線は、全ての曲線形ガイドシートの各外縁の外包絡円周線にほぼ接し、各曲線形ガイドシート422の外面曲線の円弧曲線セクションは該外包絡円周線にほぼ接することにより、キャビティ412中の気流が気流入口で、前記内面曲線の接線方向と前記外面曲線の接線方向に沿って楔形隙間からなるガイド域に流れることを保証することが好ましい。（当業者であれば認識できるように、各曲線形ガイドシートの外縁が薄いため、前記内面曲線の楕円曲線セクションと前記外面曲線の円弧曲線セクションとは、前記外包絡円周線との接点が非常に近く、同じであると見なされることもできる。したがって、実際に、前記内面曲線と前記外面曲線とは、気流入口での接線方向が略同じである。）
【０１２５】
各曲線形ガイドシート422の内面曲線の直線セクションは、全ての曲線形ガイドシートの各内縁の内包絡円周線にほぼ接し、各曲線形ガイドシート422の外面曲線の直線セクションの延長線は該内包絡円周線にほぼ接することにより、楔形隙間中の気流がほぼ前記内包絡円周線の接線方向に沿って噴出されて第1の渦流を形成することを保証することが好ましい。
【０１２６】
本発明の一部の実施例において、径方向式整流装置420の円環状基板421の外円周は、曲線形ガイドシートの前記外包絡円周線に重なるように配置され、円環状基板421の内円周は、曲線形ガイドシートの前記内包絡円周線に重なるように配置されることが好ましい。
【０１２７】
上記特に設計した曲線形ガイドシートは、本発明の装置において乱流損失を効果的に減少し、円周方向上の各点における渦ガス流量の均一性を強めることに有利である。
【０１２８】
代替的には、図24に示すように、本発明の第4実施例による渦巻式冷熱ガス分離装置400は、別の径方向式整流装置420’を採用してもよい。径方向式整流装置420’の曲線形ガイドシート422’は、断面形状が簡単であり、内面曲線及び外面曲線がいずれも楕円曲線セクションから構成される。この代替的な径方向式整流装置420’は、構造が簡単で、製造しやすく、かつ乱流損失を一定程度に効果的に減少することができ、円周方向上各点における渦ガス流量の均一性を強めるメリットを有する。
【０１２９】
また、図20に示すように、径方向式整流装置420は、その基板421を介して管台固定フランジ413の内側面上の環状凹み部416に固定されることが好ましい。環状凹み部416の凹み深さは、基板421の厚みに略等しいことが好ましい。
【０１３０】
図20の渦巻式冷熱ガス分離装置400の構造をさらに直観的に理解するために、図25は、渦巻式冷熱ガス分離装置400の模式的分解透視図を示す。組立済みの渦巻式冷熱ガス分離装置400は図26に示される。
【０１３１】
図27は、本発明の第4実施例の一変形による渦巻式冷熱ガス分離装置400’の模式的断面図である。渦巻式冷熱ガス分離装置400’は、熱気流排気量を調節するための代替的な調節装置440を採用するが、それは同様に、ハンドル車241、ロッド体242、及びネジ穴台244を含む。滑り棒固定フランジ441は、その中心貫通孔を介して、ロッド体242の階段段とハンドル車241の突出した連結部との間の平滑ロッド段に遊びばめされる（明らかに、この中心貫通孔の直径は同様に、平滑ロッド段の直径より大きく、階段段の直径、及びハンドル車241の突出した連結部の直径より小さいことが好ましい）とともに、ロッド体242の階段段とハンドル車241の突出した接続部との間隔は、滑り棒固定フランジ441の厚みと略同じく、又はそれより少し大きいように保証される。滑り棒固定フランジ441には、複数本の滑り棒442が固定される。滑り棒442は延伸して滑り台443上の相応の貫通孔を貫通し、滑り棒末端がボディ110に対して固定される。内凹円球面形状の気流集束反射面142は滑り台443の径方向内側に固定される。気流集束反射面142の外側には、断熱層445が特に配置されることにより、ここの気流温度が外部に影響されることを避ける（主に、ここで次第に形成、集束される第2の渦流を保冷断熱するためである）。断熱層445は、任意の適当な材料から構成されてもよく、例えば多孔質断熱材料又は繊維類断熱材料から構成される。断熱層445の外側には、断熱材固定カバー444が配置される。断熱材固定カバー444は滑り台443に固定され、前記ネジ穴台244は断熱材固定カバー444に固定される。これで、ハンドル車241を回動させることにより、ロッド体242のスクリュー段243をネジ穴台244中において回動させて軸方向運動させ、滑り台443を滑り棒442において軸方向摺動させて、環状熱気流排出口130の開度を調節し（図27に示すように、この例における熱気流排出口130はボディ110と滑り台443との間の隙間によって限定される）、熱気流の排出量を調節することができる。熱気流の排出量を調節することにより、例えば、排出される冷気流の温度及び流量を調節することができる。
【０１３２】
さらに、冷気流排出中心管台330には、サイクロンスリーブ340’が配置される。このサイクロンスリーブ340’は、本発明の第3実施例におけるサイクロンスリーブ340に類似するが、円筒形部分342を有しない。サイクロンスリーブ340’と冷気流排出中心管台330との間の空間には、同様に断熱材料（例えば多孔質断熱材料又は繊維類断熱材料など）を配置することにより、冷気流排出中心管台330の中央貫通孔中の第2の渦流とサイクロンスリーブ340’の径方向外側の第1の渦流とを熱隔離することが好ましい。
【０１３３】
図28と図29は、図27に類似する別の2種の渦巻式冷熱ガス分離装置400”及び400”’をさらに示している。図27の渦巻式冷熱ガス分離装置400’とは異なり、図28と図29における渦巻式冷熱ガス分離装置400”及び400”’はそれぞれ、内凹楕円球面形状と内凹放物面形状の気流集束反射面142を採用する。図30は、図27〜29の渦巻式冷熱ガス分離装置の模式的局所分解透視図を示す。ここでは、当業者であれば理解できるように、図30において気流集束反射面が見えないため、図30は、図27〜29における3種の類似した渦巻式冷熱ガス分離装置の共通の模式的局所分解透視図とされることができる。
【０１３４】
特に、当業者であれば認識できるように、本発明に開示された各種の内凹曲面形状の気流集束反射面を有する渦流還流装置は、前文に開示された各実施例及びその変形において応用可能であるだけではなく、他の既知の又はこれから既知となる吸気及び渦流形成装置を採用する渦巻式冷熱ガス分離装置に応用されることもでき、これら吸気装置又は渦流形成装置は外気を前記ボディ内の円筒形チャンバに送入して第1の渦流を形成すればよい。このような吸気及び渦流形成装置は、本発明の各実施例及びその変形に開示された相応装置を含むほか、従来技術におけるガスコンプレッサ又は他の圧縮空気源を吸気気源として第1の渦流を形成する各種装置を含んでもよいが、それに限るものではない。
【０１３５】
本文は複数の例示的な好適実施例を示して記載しているが、当業者であれば認識できるように、本発明の旨及び範囲を離れない前提で、本出願に開示された内容から、これら実施例を満たすほかの多くの変形や変更を直接に確定する又は導出することができるため、本発明の範囲はこれらあらゆるほかの変形や変更を含むと考えるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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