近年来，随着中国在重大科技领域相继取得重大发展和突破，对氦低温制冷及液化系统的需求增长强劲。氦制冷系统包括氦制冷机和氦液化器，被广泛应用于散裂中子源、正负电子对撞机和超导托克马克等大科学装置当中，目的是冷却超导线圈等负载。氦气作为氦低温制冷系统的工质，其纯度需保持在99.999％以上。否则，氦气中混入的少量的杂质气体在温度降低到其三相点温度以下之后，会发生冷冻结霜现象。这种现象会造成系统管道堵塞，换热器换热恶化，甚至会对氦制冷系统的透平膨胀机转子造成点蚀破坏，使得系统故障停机，影响系统的稳定、安全运行。　　为了保证氦制冷系统的正常稳定运行，去除氦制冷系统中氦气中的杂质气体;另一方面为了提高氦气的利用率，对废氦气回收提纯再利用，基于以上两方面的考虑，有必要针对氦提纯技术开展相关研究。现有的氦提纯技术主要有低温冷冻法、高压低温冷凝吸附法、膜分离法。低温冷冻法利用低温系统自身冷量或液氮冷量使得杂质冷凝冷冻分离去除，最终获得99.999％的高纯氦气。内纯化器是安装在低温系统冷箱内部，利用低温系统提供的冷量使得氦气得到纯化的装置。它具有集成度高、纯化效果好、易于维护和自动化程度高等优点，越来越受到国内外同行的重视。目前，国内外研究人员的焦点集中于内纯化器流程参数以及纯化过程中温度、压力和流量对纯化效果的影响。针对内纯化器的设计和性能提高的理论和实验研究很少见于公开报道。由于缺少氦基多元组分混合气体在低温下传热传质及流动等基础科学问题的研究资料，给内纯化器的设计、研制和性能提高带来困难。针对上述问题，本文的主要工作有:　　1.针对氦液化器中重要的单元—内纯化器开展了理论和实验研究。研究了一级冷凝分离纯化换热器的纯化机理和换热器的换热性能，以及氦基多元组分混合气体其组分对换热器UA值的影响，将对丰富低温传热传质基础科学和提高氦液化器性能都具有较大裨益。因此，具有一定的科学意义和重要的实用价值。　　2.开展氦基多元组分混合气体在低温下的分凝分离研究，必然要涉及到低温传热和传质，复杂结构传热表面和低温给理论分析和实验研究工作增加了很大的难度和工作量，论文从合理的简化建模入手开展了有探索意义的理论研究，建立了一级冷凝分离纯化换热器的MATLAB换热模型，并数值计算了在氦氮和氦氧两种不同成分的两元氦基混合气体在不同工况下的换热，得出了一级冷凝分离纯化换热器内部温度场分布和随组分、压力变化的规律;通过理论分析得出了两元混合气体在翅片管外冷凝的换热关联式，并用MATLAB进行编程数值计算，获得了翅片式绕管换热器的UA值变化规律，并分析了其原因。　　3.通过CFD仿真模拟对翅片式绕管换热器进行了分析，建立了多组分、传热、传质低温冷凝仿真模型。利用建立的CFD仿真模型，针对不同组分和压力条件下的氦基混合气体分凝分离纯化现象，进行了模拟，得到了较好的仿真结果　　4.构建了低温模拟实验台，通过对一级冷凝分离纯化换热器进行实验，获得了低温下不同组分情况下，换热器的UA值数据，并与数值计算结果进行了比较，表面数值结果和仿真结果具有一定的合理性。通过实验获得的内纯化器一级冷凝纯化数据，对以后进行内纯化器设计具有指导性意义。