随着科学技术和国民经济的发展,大型氦低温制冷机越来越得到广泛的应用。除了主要应用于高能粒子物理研究领域,包括超导加速器、高能粒子对撞机、超导探测器外,还应用于核科学技术领域的超导核聚变装置以及在航空航天及空间探测开发、国防军事装备、信息技术、低温医学、高真空技术等方面也得到了广泛的应用。本文所研究的100W/4.5K氦制冷机,是在4.5K温度下,可以提供100W冷量的氦制冷机。本文主要对100W/4.5K氦制冷机系统热力循环方案及冷箱内低温部件的设计开展了一系列研究,研究结果为该制冷机的工程设计提供了理论依据。首先,对国内外氦制冷机系统以及系统内主要低温设备的发展和研究现状进行了介绍和分析;结合本文设计的氦制冷机的冷量要求,提出了三种可供选择的制冷循环的热力学方案。此三种方案的区别主要体现在透平膨胀机的连接方式和所采用的节流方式上;对三种方案进行数值模拟计算,并对比循环系统的功耗,选取最佳的流程方案。其次,对所选热力循环方案进行了热力学分析,得出影响制冷机效率的几个关键的状态点参数分别为系统总质量流量M、压缩机出口压力P₂、两级膨胀机的进、出口温度T₅、T₆和T₁₈、T₁₃以及节流级换热器热流入口参数P₉、T₉,逐个对其进行分析,最终得出最佳热力状态参数。对整个流程在制冷和混合两种运行模式下,进行数值模拟计算,得到流程两种运行模式下的优化结果,优化后的有效能效率分别为12.3%、20.8%,并对系统低温部件进行了有效能损失分析。最后,根据流程优化结果,对低温系统内的核心部件螺杆压缩机、透平膨胀机进行选型,并对低温换热器进行热力及结构设计,并分析了流体不均匀分配对换热器效率的影响,同时对低温换热器进行了热力学分析,对无因次熵产率N_e与传热单元数N_tu和热容量比R的关系进行了公式推导及结果分析,得到N_e随N_tu的增大而单调减小,随R的增加先增大后减小,且当N_tu≥6时,存在一个使Ne最小的最佳热容量比R_opt。