本发明涉及低温制冷，尤其涉及一种氦制冷液化系统及方法。
背景技术：
1、氦气是一种无色、无味、无毒、化学性质稳定的气体，氦液化技术最早由德国科学家在20世纪80年代初开发，传统的氦液化技术是将氦气引入实验设备中，随后使用压缩机将氦气压缩到具有较高的压力，压缩后的氦气通过冷凝器降温，使其达到液化温度后引入液化器中，进一步的冷却并液化。
2、最简单的高压节流制冷循环是通过是压缩机和3个不同温度级的逆流式热交换器。高压氦气经过热交换器1降温后再被液氮冷却，然后在热交换器2中继续降温后再被减压的液氢冷却，再在热交换器3中进一步降温，经过节流阀完成等焓膨胀，进入氦的气液两相区，气液分离后获得液氦，其余的气氦从3个热交换器的低压路流出，与高压氦气进行热量交换后，回到压缩机继续循环。
3、上述的流程在对氦气进行一级预冷的时候均采用的液氮冷却，旨在提高循环的液化系数，但液氦的制备流程一般包括分离和液化两个阶段，在氮气分离出来后，其液化过程通常发为压缩、冷却和减压三个步骤，流程较为复杂且经济性较低。
4、传统氦液化系统使用的压缩机大多为螺杆式压缩机，在工作过程中还需使用润滑油作为润滑介质，在压缩机后还需搭配除油装置，且工作介质为常温氦气，压缩机能耗较大。
5、为了提升氦气液化循环系数、提高整个氦液化系统的在氦气液化的过程中的工作效率和经济性，本发明对氦气的提前冷却、一级预冷和二级预冷提出一种新的预冷方式。
6、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
1、为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。
2、本发明旨在提供一种氦制冷液化系统及方法，该循环系统包括第一制冷单元、第二制冷单元、氦制冷液化单元；所述第一制冷单元为冷却器和氦制冷液化单元的第一换热器提供冷量来源，所述第二制冷单元为氦制冷液化单元的第二换热器提供冷量来源，替代了传统氦液化循环过程中的液氮预冷，提高了氦气液化的循环系数、工作过程中的工作效率、节约了生产成本，系统更具有经济性和节能性。
3、本发明首先对常温氦气进行冷却，使其工作介质为低温氦气，低温氦气进入氦制冷液化单元的压缩机组进行压缩，其压缩机组所使用的压缩机为低温无油离心压缩机，使用气浮轴承和磁气混合型轴承作为支承，可以对低温气体进行压缩，在工作过程中可以实现完全无油，无除油问题和回油装置，十分清洁。
4、进一步的，上述压缩机组使用两个低温无油离心压缩机，两个压缩机为串联模式，可以实现四级压缩，大幅降低压缩能耗，提高压比，系统效率大幅提升。
5、为了达到以上目的，本发明提出了如下技术方案：所述第一制冷单元为氦制冷液化系统提供一级预冷，由压缩机组、节流阀组、换热器组、第四三通阀、第二单向阀构成，第二制冷单元为氦制冷液化单元提供二级预冷，由压缩机、第一冷却器、换热器、透平膨胀机、第二单向阀、第三单向阀、第五三通阀、第二冷却器构成，所述氦制冷液化单元由冷却器、压缩机、第一透平膨胀机、第二透平膨胀机、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀、节流阀、液氦杜瓦、液氦储罐、开关、气氦储罐、第一单向阀、换热器组件构成，所述换热器组件包括六级换热器，每级换热器依次连接，所述第一透平膨胀机及第二透平膨胀机依次连接形成二级透平膨胀机。
6、一种氦制冷液化系统及方法，还包括如下步骤：
7、步骤一，气相氦冷却压缩，工作氦气经冷却器冷却至10k到250k之间，通过压缩机组压缩为高压氦气，其温度压力进一步升高；
8、步骤二，高压氦气冷却，高压氦气依次通过第一换热器、第二换热器，换热后分为第一氦气流股和第二氦气流股，第一氦气流股依次通过换热器组件中的分级换热器与回流氦气进行换热冷却，第二氦气流股通过二级透平膨胀机绝热膨胀后在第二三通阀与回流氦气混合；
9、步骤三，低温氦气分流，第一氦气流股在节流阀的作用下快速液化，产生氦的饱和气液混合物，并进入液氦杜瓦中，液氦作为产品氦进入液氦储罐，可直接利用，气氦经回收依次进入换热器进行逐级换热循环。
10、本发明其特征在于：
11、本发明一种氦制冷液化系统及方法，其第一制冷单元、第二制冷单元、氦制冷液化单元均在真空环境下进行工作，可以减少气体分子在制冷和用冷过程中的冷量损失，减少了能量损耗。
12、进一步的，第一制冷单元为第一换热器提供一级预冷冷量，第二制冷单元为第二换热器提供二级预冷冷量，代替了传统的液氮预冷，其制冷工质可以为空气和其它稀有气体。
13、进一步的，第二制冷单元中所使用的透平膨胀机为增压膨胀一体机，旨在将膨胀端产生的机械能带动增压端工作，实现了能量的回收与利用，十分高效。
14、本发明一种氦制冷液化系统及方法中的压缩机和透平膨胀机均采用气体轴承和磁气混合型轴承进行支承，工作过程可以实现完全无油，避免了传统轴承的润滑油在低温环境下凝固的可能，无除油问题和回油装置。
15、本发明一种氦制冷液化系统中，经一级预冷和二级预冷后的氦气通过第一三通阀分为第一氦气流股和第二氦气流股，第一氦气流股依次进入多级换热器进行换热，第二氦气流股经过二级透平膨胀机与回流股混合为换热器提供冷量循环。
16、进一步的，经多级换热器换热后的第一氦气流股可以有两种路径，分别为低温气氦产品和通过节流阀液化。
17、进一步的，第一氦气流股作为低温气氦产品经开关进入气氦储罐，可以作为气氦产品直接利用，利用后经第三三通阀与回流股混合。
18、进一步的，第一氦气流股通过节流阀进行节流阀的作用下快速液化，产生氦的饱和气液两相混合物，其中液相氦可以作为液氦产品直接利用，气相氦通过回收作为回流股在换热器中达到冷量的利用。
19、本发明提供的一种氦制冷液化系统可以实现以下技术效果：第一制冷单元作为第一换热器的一级预冷冷量来源，其制冷工质为氟利昂、co2等，第二制冷单元作为第二换热器的二级预冷冷量来源，其制冷工质可以为空气和其它稀有气体，与传统的液氮预冷相比，其氦液化系统更具有经济性和节能性，十分高效。
20、本发明提供的一种氦液化系统可以实现以下技术效果：氦液化单元中冷却器的冷量来源为第一制冷单元，对常温氦气进行冷却至10k到250k之间进入压缩机组进行压缩，其压缩机组使用的压缩机为低温无油离心压缩机，使用气浮轴承作为支承，在工作过程中完全无油，无除油问题和回油装置，且在低温的工作介质下，其压缩机能耗也大幅降低，整个氦液化系统的工作效率显著提高。
21、以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。
1.一种氦制冷液化系统及方法，其特征在于，所述氦制冷液化系统包括第一制冷单元、第二制冷单元、氦制冷液化单元；所述第一制冷单元为氦制冷液化系统提供一级预冷，包括压缩机组、节流阀组、换热器组、第四三通阀、第二单向阀；第二制冷单元为氦制冷液化单元提供二级预冷，包括压缩机、第一冷却器、换热器、透平膨胀机、第二单向阀、第三单向阀、第五三通阀、第二冷却器；
2.所述氦制冷液化单元用压缩机组所使用的压缩机为低温无油离心压缩机，使用气浮轴承作为支承，可以对低温气体进行压缩，在工作过程中可以实现完全无油，无除油问题和回油装置，十分清洁。
3.如权利要求1所述的氦制冷液化系统及方法，其特征在于，所述氦制冷液化系统还包括如下步骤：
4.如权利要求1所述的氦制冷液化系统及方法，其特征在于，所述第一换热器的冷量为第一制冷单元提供，第一制冷单元采用离心压缩机组对工作介质进行压缩，工作工质为氟利昂、co2等，采用节流阀组对工作介质进行节流，采用换热器组对工作介质进行逐级换热，换热器的工作环境为真空环境。
5.如权利要求1所述的氦制冷液化系统及方法，其特征在于，所述第二换热器的冷量为第二制冷单元提供，第二制冷单元的工作介质为空气、氮气、氖气等，压缩机出口气体经第一冷却器进行冷却降温，冷却后的气体进入换热器与回流气体进行换热冷却，随后进入透平膨胀机的膨胀端进行绝热膨胀，绝热膨胀后的气体经第三单向阀进入所述氦制冷液化单元的第二换热器，为第二换热器进行冷量提供，该气体冷量经利用后，进入换热器，回流气体经换热后，进入压缩机再次压缩后经第二冷却器冷却，随后经透平膨胀机的增压端进行增压，增压后进入第一冷却器，冷却后经换热器换热后进入透平膨胀机膨胀端进行绝热膨胀，所述透平膨胀机为增压膨胀一体机，膨胀机利用在膨胀端产生的机械能带动增压端工作，实现了能量的回收与利用，十分高效。
6.如权利要求2所述的氦制冷液化系统及方法，其特征在于，所述冷却器对工作氦气进行预冷降温，冷却后进入压缩机组压缩，冷却器的冷量来源为第一制冷单元。
7.如权利要求1所述的氦制冷液化系统及方法，其特征在于，所述第一制冷单元、第二制冷单元、氦制冷液化单元其工作环境均为真空环境，可以有效减少气体分子在工作过程中的冷量损失。
8.如权利要求1所述的氦制冷液化系统及方法，其特征在于，所述氦制冷液化单元可以为第一透平膨胀机及第二透平膨胀机串联的二级透平膨胀机，也可以为单独的一个大膨胀比的一级透平膨胀机。
9.如权利要求1所述的氦制冷液化系统及方法，其特征在于，所述压缩机和透平膨胀机均采用气体轴承或磁气混合型轴承支承，在整个制冷系统工作过程中实现完全无油冷却，无除油问题和回油装置，清洁度高。
10.如权利要求2所述的氦制冷液化系统及方法，其特征在于，所述第一氦气流股换热冷却后可以通过开关进入气氦储罐作为低温气氦产品利用，利用后经第三三通阀作为回收氦气依次进入换热器进行逐级换热循环，也可以在节流阀的作用下快速液化，产生氦的饱和气液混合物，进入液氦杜瓦后进行气液分离，液体氦作为液氦产品利用，气氦作为回收氦气进行换热循环。
11.如权利要求1所述的氦制冷液化系统及方法，其特征在于，所述系统管路中使用的三通阀、单向阀、开关，可以控制不同的开度来获得不同的氦气流量，用于调节不同低温工况。
