氦的液化一般都应用氦液化器这类装置来实现。尽管它的冷量由膨胀机提供，但压缩氦气的温度降低是通过多级换热器来进行的，热交换器在氦的液化中起了很重要的作用，所以这类设备称为氦液化器。而液氦机在实现氦的液化过程中起重要作用的是低温制冷机，高纯氦气直接进入制冷机的冷头进行液化，因而，这种机器称为液氦机。
应用制冷机进行氦的液化是各国科技工作者梦寐以求的愿望。目前，采用液化器进行氦的液化，无论是它的机器、设备、各单元部件制造技术及工艺流程，均已相当成熟。可制造生产规模在5000L/ h以上的大型氦液化装置，小型的可生产六七十年代主要应用制冷机加节流阀进行氦液化的研究。制冷机有G-M、V -M、ST、SV等。美英等工业发达的国家都进行过不少的工作。如美国ADL公司研制的Cryodyne小型氦液化器，该装置有主、副两台压缩机，冷量由一台三级G-M极低温制冷机与外界液氮提供，并带有膨胀阀（该阀安装在外部液氦容器内）。液氦产量为0. 5L/ h.日本从1970年以来研究应用斯特林制冷机加节流阀对磁悬浮列车上冷却超导线圈氦蒸汽进行再液化。后来研制成低于4. 2K温度的斯特林制冷机直接对氦蒸汽进行液化。东芝公司采用G-M机加节流阀，即G- M / J-T的实验装置。在4. 2K时，制冷量为5W.当制冷机的第二级蓄冷器填料由Pb改用Er 3 Ni时，再经变化J-T回路的氦气压力与流量，其G-M机的工作压力为1. 7～1. 85M Pa，返回压力0. 5～0. 6M Pa.节流系统使用膜片式压缩机，提供2M Pa压力氦气，低压为0. 01～0. 02M Pa.进入节流阀之前压缩氦气先进入纯化设备，除去微量杂质，*后进入节流阀，使其达到液氦温度。该G-M机两级冷头的制冷量为8W/ 70K，2W/ 16. 9K.为了实现4. 4K获得1W以上的冷量，要求G-M机的一、二级冷头的冷量为15W/ 70K和3W/ 15K，为此，对G-M机进行改造，应用一级汽缸外加液氮冷却方法，降低制冷机的穿梭损失。改进后， G-M机一级冷头的冷量为15. 3W/ 70. 15K，二级冷头为3. 05W/ 14. 3K.在此之前，荷兰菲利浦公司应用两台P E H-100型制冷机加膨胀喷射器与节流阀进行氦的液化，研制成P L He-210型氦液化器。两台制冷机提供四个温度级，分别为87. 0K、20. 1K、62. 5K、15. 1K.工作压力为2000kPa.从氦气瓶出来的2000kPa中压氦气，经系列的干燥、纯化、换热。在换热器E 5与压缩机来的压缩氦汇集，再经节流阀膨胀至110kPa，节流后产生气液混合物进入移动式容器，将液氦贮存在容器里，其蒸汽经各级换热器返回压缩机。该装置生产量为5L/ h液氦。
前述两类应用制冷机的氦液化装置，虽然较氦液化器有了较大改进，但仍需要压缩机与贮气设备。
所以，整个装置还比较复杂。而且，前者产量较少。
后者流程复杂，两台极低温斯特林制冷机维修麻烦，极大地限制了它们的推广应用。
近几年，因磁性蓄冷材料（如Er 3 Ni）在制冷机中的广泛应用，导致制冷机性能有了很大的改进，使得制冷机的*低温度有了进一步降低，它的冷头*低温度从10K降至4. 2K以下，甚至低于超流氦温度；在4. 2K的制冷量从几百mW提高到1W以上，液氦级（ 4. 2K）制冷机的研究蓬勃发展，成为低温工程领域研究的热门课题。
下面，我们探讨磁性蓄冷材料性能，并叙述液氦温度制冷机发展的概况。
从事制冷机工作的科技工作者都知道，蓄冷器是制冷机的心脏，是关键部件，它的效率对制冷机的性能有着决定性作用，如国产K L N-20Y型四缸液氮制冷机，液氮产量为20L/ h.当蓄冷器效率下降1%，其液氮产量减少2L/ h。蓄冷器效率除了与工艺有关外，还决定于填充材料的性能。目前，在300K～77K温度应用铜网、不锈钢网，网丝直径为0. 015～0. 04mm，编织成200～400目丝叠层填料。77～20K一般使用200～400目不锈钢网与0. 08～0. 20mm铅丸堆层填充； 20K以下应用铅丸，硫化铕等材料，然而，铅丸随温度降低，特别在15K以下，其比热容随着晶格的热共振的减少而急剧降低，而工质氦的密度增加，导致它的热容提高，出现热容负效应现象；而硫化铕、钇、铑合金等材料价格贵而稀缺，并且制冷机*低温度不能达到4. 2K以下，失去实际应用价值。寻找15K以下低温蓄冷材料是提高小型制冷机的效率与工作性能的关键。
材料的晶格比热与电子比热随着温度降低变得很少，而转变几率与激发态被占程度有关的合作过程的反常比热、电子自旋与自旋相互作用的磁比热以及核自旋分裂和4 f电子相互作用引起核比热、正常态转变为超导态的超导比热在超低温下具有比较大的比热容，具有这些比热的材料作为蓄冷器的填料是较为理想的。七八十年代国外科学家采用稀土类化合物用作蓄冷换热材料进行探讨和试验获得较好的效果。
在热力学系统，比热容与熵的关系为：S=∫c T dT（ 1）关系式（ 1）对磁自旋系统同样适用磁相变过程。发生磁相变时，很大的熵变发生是在很窄的温度范围变化，可近似将上式的温度视为常数，那么，由上式可以看出，在相变时，熵值变化越大，它的比热容c也越大。而在从完全有序状态变为完全无序状态时，磁熵关系为：
S J = N K p In （ 2J + 1）（ 2）式中J为自旋的全角动量量子数，这就是说自旋的数目越大，则自旋的J也就越多，磁相变化过程出现较大熵变量。4 f稀土族离子如Er的J值大于7，具有*高值，因此， Er的化合物在磁相变过程中有可能具有较大的比热容。实验证明确实看出，在10K以下，（ Er）的化合物的比热容比铅大好几倍，而且在> 15K温度时，其热容值亦较大，这种在较宽温度范围具有较大比热容，用作超低温制冷机比较有利，为研制液氦级制冷机提供了有利条件。
稀土类金属化合物Er （ Ni 1-x Co x）的单位体积比热容美国标准局用工程塑料制造低温制冷机的汽缸与活塞，在单级斯特林制冷机上实现液氦温度。在4. 2K时的冷量为4mW，*低温度为3. 1K，用于超导量子干涉仪的冷却。日本松原洋一等利用三级脉管机达到4. 2K以下温度。*低温度达2. 9K；并应用二级G-M机加单级脉管制冷机实现3. 5K温度。
日本东京工业大学和东芝公司的研究小组及三菱公司研究小组在二级G-M制冷机（美国CVI公司的G-M机） ，用295gEr 3 Ni直径为0. 2～0. 3mm球状颗粒取代铅丸作为蓄冷材料，试验时进气压力2. 0～2. 2MPa与排气压力为0. 6～1. 0M Pa条件下，当运转速度为60r/ min与24r/ min时，第二级冷头*低温度为4. 96K与3. 22K.4. 2K时测得冷量为0. 28W.日本三菱电机公司利用除汽缸外，整体制冷系统与东京大学装置基本相同的G-M机，**级与第二级汽缸直径分别为61. 9mm与40mm.**级蓄冷器采用150目磷青铜丝网和0. 3～0. 5mm铅丸复合蓄冷材料，空隙率为0. 33；用破碎状的直径为0. 2～0. 5mm的Er 3 Ni颗粒作为第二级蓄冷材料，空隙率为0. 46，进、排气压力分别为2M Pa与0. 5M Pa，当制冷机转速为20r/ min，获得*低温度为2. 41K，在n= 45r/ min时，在4. 2K时制冷量为0. 8W。浙江大学与杭州制氧机研究所在Z 1He - 051253型气动式二级索尔文制冷机上，应用稀土化合物Er 3 N i代替第二级蓄冷器上铅丸，获得液氦温度。浙江大学自制二级脉管制冷机达到3. 1K温度，在4. 2K制冷量达到300mW.比例为40%、27%与33%.压缩机选用商品化的6kW的G- M压缩机。氦气由501氦气罐经减压供给。它先经一级脉管冷头盘管换热，冷却到50K左右，再进入第二级蓄冷器外盘管换热，然后进到第二级冷头进行液化，该装置液化量为0. 13L/ h液氦。
磁性材料在制冷机上应用，低温制冷机冷头温度的降低与4. 2K时制冷量的增加，为研制小型液氦机提供重要条件。当然，要探讨小型液氦机的研制，还存在一些困难。突出矛盾就是4. 2K时制冷量不足。若液氦机产量为3L/ h，按德国数据，制冷机在4. 2K需要的制冷量约为8. 5W.若采用液氮冷却制冷机的工质氦与用于液化的氦气，并用它的冷量用作冷却屏，降低装置系统外界漏热。产量为3L/ h的液氦机的冷头需要5W （ 4. 2K）左右的冷量。按目前制冷机发展水平，文献亦报道制冷机采用稀土复合材料能轻易达到1W以上的制冷量（ 4. 2K） ，因此，每台制冷机在4. 2K提供1. 25W冷量， 4台低温制冷机组合，完全有可能在4. 2K供给5W冷量。
用于液氦机的极低温制冷机较理想的是采用二级斯特林制冷机。因为它结构紧凑，工质氦的压缩与膨胀过程在同一机器上进行，而其它制冷机需要另设置压缩机，而且70年代一台二级斯特林制冷机其第二级蓄冷器应用铅丸的条件，每小时能产生4～5L液氢。若采用稀土复合蓄冷材料，它的性能将会进一步改善。当然，将磁性材料应用到斯特林制冷机上还应解决稀土磁性材料的粉化与导热的问题，按目前技术水平，这两个问题是不难解决的。
从上面论述可知，研制产量3～4L/ h的液氦机是有条件，也是完全有可能的，虽然存在着困难，但通过研究是能够克服的。
