如將電子、微電子信息器件從77K冷卻到4. 2K，噪音可降低幾個數(shù)量級；在液氦溫度以下，物質(zhì)受外界干擾影響很少，熱電動勢被消除，離子傳導停止，因而，可以發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的新現(xiàn)象等。因此，對氦液化技術(shù)進一步研究還是很有意義的。
氦的液化一般都應用氦液化器這類裝置來實現(xiàn)。盡管它的冷量由膨脹機提供，但壓縮氦氣的溫度降低是通過多級換熱器來進行的，熱交換器在氦的液化中起了很重要的作用，所以這類設備稱為氦液化器。而液氦機在實現(xiàn)氦的液化過程中起重要作用的是低溫制冷機，高純氦氣直接進入制冷機的冷頭進行液化，因而，這種機器稱為液氦機。
應用制冷機進行氦的液化是各國科技工作者夢寐以求的愿望。目前，采用液化器進行氦的液化，無論是它的機器、設備、各單元部件制造技術(shù)及工藝流程，均已相當成熟。可制造生產(chǎn)規(guī)模在5000L/ h以上的大型氦液化裝置，小型的可生產(chǎn)< 5L/ h液氦設備。但由于流程復雜、設備多、占地面積大，投資大，對于小容量液氦設備（ < 5L/ h）的廣泛應用受到一定限制，如核磁共振儀、超導磁強計、高速超導磁懸浮列車等方面。超導高速磁懸浮列車上空間有限，不可能安裝氦液化器，亦不允許在車站供應液氦，否則影響運行時間，實用的方法是應用極低溫制冷機在車上對氦蒸汽進行再液化。
六七十年代主要應用制冷機加節(jié)流閥進行氦液化的研究。制冷機有G-M、V -M、ST、SV等。美英等工業(yè)發(fā)達的國家都進行過不少的工作。如美國ADL公司研制的Cryodyne小型氦液化器，該裝置有主、副兩臺壓縮機，冷量由一臺三級G-M極低溫制冷機與外界液氮提供，并帶有膨脹閥（該閥安裝在外部液氦容器內(nèi)）。液氦產(chǎn)量為0. 5L/ h.日本從1970年以來研究應用斯特林制冷機加節(jié)流閥對磁懸浮列車上冷卻超導線圈氦蒸汽進行再液化。后來研制成低于4. 2K溫度的斯特林制冷機直接對氦蒸汽進行液化。東芝公司采用G-M機加節(jié)流閥，即G- M / J-T的實驗裝置。在4. 2K時，制冷量為5W.當制冷機的第二級蓄冷器填料由Pb改用Er 3 Ni時，再經(jīng)變化J-T回路的氦氣壓力與流量，其G-M機的工作壓力為1. 7～1. 85M Pa，返回壓力0. 5～0. 6M Pa.節(jié)流系統(tǒng)使用膜片式壓縮機，提供2M Pa壓力氦氣，低壓為0. 01～0. 02M Pa.進入節(jié)流閥之前壓縮氦氣先進入純化設備，除去微量雜質(zhì)，*后進入節(jié)流閥，使其達到液氦溫度。該G-M機兩級冷頭的制冷量為8W/ 70K，2W/ 16. 9K.為了實現(xiàn)4. 4K獲得1W以上的冷量，要求G-M機的一、二級冷頭的冷量為15W/ 70K和3W/ 15K，為此，對G-M機進行改造，應用一級汽缸外加液氮冷卻方法，降低制冷機的穿梭損失。改進后， G-M機一級冷頭的冷量為15. 3W/ 70. 15K，二級冷頭為3. 05W/ 14. 3K.在此之前，荷蘭菲利浦公司應用兩臺P E H-100型制冷機加膨脹噴射器與節(jié)流閥進行氦的液化，研制成P L He-210型氦液化器。兩臺制冷機提供四個溫度級，分別為87. 0K、20. 1K、62. 5K、15. 1K.工作壓力為2000kPa.從氦氣瓶出來的2000kPa中壓氦氣，經(jīng)系列的干燥、純化、換熱。在換熱器E 5與壓縮機來的壓縮氦匯集，再經(jīng)節(jié)流閥膨脹至110kPa，節(jié)流后產(chǎn)生氣液混合物進入移動式容器，將液氦貯存在容器里，其蒸汽經(jīng)各級換熱器返回壓縮機。該裝置生產(chǎn)量為5L/ h液氦。
前述兩類應用制冷機的氦液化裝置，雖然較氦液化器有了較大改進，但仍需要壓縮機與貯氣設備。
所以，整個裝置還比較復雜。而且，前者產(chǎn)量較少。
后者流程復雜，兩臺極低溫斯特林制冷機維修麻煩，極大地限制了它們的推廣應用。
近幾年，因磁性蓄冷材料（如Er 3 Ni）在制冷機中的廣泛應用，導致制冷機性能有了很大的改進，使得制冷機的*低溫度有了進一步降低，它的冷頭*低溫度從10K降至4. 2K以下，甚至低于超流氦溫度；在4. 2K的制冷量從幾百mW提高到1W以上，液氦級（ 4. 2K）制冷機的研究蓬勃發(fā)展，成為低溫工程領(lǐng)域研究的熱門課題。
下面，我們探討磁性蓄冷材料性能，并敘述液氦溫度制冷機發(fā)展的概況。
從事制冷機工作的科技工作者都知道，蓄冷器是制冷機的心臟，是關(guān)鍵部件，它的效率對制冷機的性能有著決定性作用，如國產(chǎn)K L N-20Y型四缸液氮制冷機，液氮產(chǎn)量為20L/ h.當蓄冷器效率下降1%，其液氮產(chǎn)量減少2L/ h。蓄冷器效率除了與工藝有關(guān)外，還決定于填充材料的性能。目前，在300K～77K溫度應用銅網(wǎng)、不銹鋼網(wǎng)，網(wǎng)絲直徑為0. 015～0. 04mm，編織成200～400目絲疊層填料。77～20K一般使用200～400目不銹鋼網(wǎng)與0. 08～0. 20mm鉛丸堆層填充； 20K以下應用鉛丸，硫化銪等材料，然而，鉛丸隨溫度降低，特別在15K以下，其比熱容隨著晶格的熱共振的減少而急劇降低，而工質(zhì)氦的密度增加，導致它的熱容提高，出現(xiàn)熱容負效應現(xiàn)象；而硫化銪、釔、銠合金等材料價格貴而稀缺，并且制冷機*低溫度不能達到4. 2K以下，失去實際應用價值。尋找15K以下低溫蓄冷材料是提高小型制冷機的效率與工作性能的關(guān)鍵。
材料的晶格比熱與電子比熱隨著溫度降低變得很少，而轉(zhuǎn)變幾率與激發(fā)態(tài)被占程度有關(guān)的合作過程的反常比熱、電子自旋與自旋相互作用的磁比熱以及核自旋分裂和4 f電子相互作用引起核比熱、正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)的超導比熱在超低溫下具有比較大的比熱容，具有這些比熱的材料作為蓄冷器的填料是較為理想的。七八十年代國外科學家采用稀土類化合物用作蓄冷換熱材料進行探討和試驗獲得較好的效果。
在熱力學系統(tǒng)，比熱容與熵的關(guān)系為：S=∫c T dT（ 1）關(guān)系式（ 1）對磁自旋系統(tǒng)同樣適用磁相變過程。發(fā)生磁相變時，很大的熵變發(fā)生是在很窄的溫度范圍變化，可近似將上式的溫度視為常數(shù)，那么，由上式可以看出，在相變時，熵值變化越大，它的比熱容c也越大。而在從完全有序狀態(tài)變?yōu)橥耆珶o序狀態(tài)時，磁熵關(guān)系為：
S J = N K p In （ 2J + 1）（ 2）式中J為自旋的全角動量量子數(shù)，這就是說自旋的數(shù)目越大，則自旋的J也就越多，磁相變化過程出現(xiàn)較大熵變量。4 f稀土族離子如Er的J值大于7，具有*高值，因此， Er的化合物在磁相變過程中有可能具有較大的比熱容。實驗證明確實看出，在10K以下，（ Er）的化合物的比熱容比鉛大好幾倍，而且在> 15K溫度時，其熱容值亦較大，這種在較寬溫度范圍具有較大比熱容，用作超低溫制冷機比較有利，為研制液氦級制冷機提供了有利條件。
稀土類金屬化合物Er （ Ni 1-x Co x）的單位體積比熱容美國標準局用工程塑料制造低溫制冷機的汽缸與活塞，在單級斯特林制冷機上實現(xiàn)液氦溫度。在4. 2K時的冷量為4mW，*低溫度為3. 1K，用于超導量子干涉儀的冷卻。日本松原洋一等利用三級脈管機達到4. 2K以下溫度。*低溫度達2. 9K；并應用二級G-M機加單級脈管制冷機實現(xiàn)3. 5K溫度。
日本東京工業(yè)大學和東芝公司的研究小組及三菱公司研究小組在二級G-M制冷機（美國CVI公司的G-M機） ，用295gEr 3 Ni直徑為0. 2～0. 3mm球狀顆粒取代鉛丸作為蓄冷材料，試驗時進氣壓力2. 0～2. 2MPa與排氣壓力為0. 6～1. 0M Pa條件下，當運轉(zhuǎn)速度為60r/ min與24r/ min時，第二級冷頭*低溫度為4. 96K與3. 22K.4. 2K時測得冷量為0. 28W.日本三菱電機公司利用除汽缸外，整體制冷系統(tǒng)與東京大學裝置基本相同的G-M機，**級與第二級汽缸直徑分別為61. 9mm與40mm.**級蓄冷器采用150目磷青銅絲網(wǎng)和0. 3～0. 5mm鉛丸復合蓄冷材料，空隙率為0. 33；用破碎狀的直徑為0. 2～0. 5mm的Er 3 Ni顆粒作為第二級蓄冷材料，空隙率為0. 46，進、排氣壓力分別為2M Pa與0. 5M Pa，當制冷機轉(zhuǎn)速為20r/ min，獲得*低溫度為2. 41K，在n= 45r/ min時，在4. 2K時制冷量為0. 8W。浙江大學與杭州制氧機研究所在Z 1He - 051253型氣動式二級索爾文制冷機上，應用稀土化合物Er 3 N i代替第二級蓄冷器上鉛丸，獲得液氦溫度。浙江大學自制二級脈管制冷機達到3. 1K溫度，在4. 2K制冷量達到300mW.比例為40%、27%與33%.壓縮機選用商品化的6kW的G- M壓縮機。氦氣由501氦氣罐經(jīng)減壓供給。它先經(jīng)一級脈管冷頭盤管換熱，冷卻到50K左右，再進入第二級蓄冷器外盤管換熱，然后進到第二級冷頭進行液化，該裝置液化量為0. 13L/ h液氦。
磁性材料在制冷機上應用，低溫制冷機冷頭溫度的降低與4. 2K時制冷量的增加，為研制小型液氦機提供重要條件。當然，要探討小型液氦機的研制，還存在一些困難。突出矛盾就是4. 2K時制冷量不足。若液氦機產(chǎn)量為3L/ h，按德國數(shù)據(jù)，制冷機在4. 2K需要的制冷量約為8. 5W.若采用液氮冷卻制冷機的工質(zhì)氦與用于液化的氦氣，并用它的冷量用作冷卻屏，降低裝置系統(tǒng)外界漏熱。產(chǎn)量為3L/ h的液氦機的冷頭需要5W （ 4. 2K）左右的冷量。按目前制冷機發(fā)展水平，文獻亦報道制冷機采用稀土復合材料能輕易達到1W以上的制冷量（ 4. 2K） ，因此，每臺制冷機在4. 2K提供1. 25W冷量， 4臺低溫制冷機組合，完全有可能在4. 2K供給5W冷量。
用于液氦機的極低溫制冷機較理想的是采用二級斯特林制冷機。因為它結(jié)構(gòu)緊湊，工質(zhì)氦的壓縮與膨脹過程在同一機器上進行，而其它制冷機需要另設置壓縮機，而且70年代一臺二級斯特林制冷機其第二級蓄冷器應用鉛丸的條件，每小時能產(chǎn)生4～5L液氫。若采用稀土復合蓄冷材料，它的性能將會進一步改善。當然，將磁性材料應用到斯特林制冷機上還應解決稀土磁性材料的粉化與導熱的問題，按目前技術(shù)水平，這兩個問題是不難解決的。
從上面論述可知，研制產(chǎn)量3～4L/ h的液氦機是有條件，也是完全有可能的，雖然存在著困難，但通過研究是能夠克服的。
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