脉冲强磁场装置是开展极端条件下科学研究的重要装置,低温系统是其重要组成部分,是整个装置可靠运行的前提和保障。脉冲强磁场装置低温系统主要由液氮系统、液4He系统、超流氦系统、3He系统,3He-4He稀释制冷系统、GM制冷机系统等组成。本文设计了以柯林斯循环为基础的100L/h氦液化循环制冷系统。柯林斯氦液化循环在中型氦液化装置中有着其自身的特点,它采用了两台膨胀机和液氮预冷,具有四个冷却级,其中温度最高的第一级为液氮预冷,温度最低的一级采用节流阀,其余为两台工作于不同温区的膨胀机。整个循环具有循环效率高和经济性好的特点。对柯林斯氦液化循环装置流程进行设计计算,讨论其中主要热力机械设备(螺杆压缩机、氦透平膨胀机)的特点及选型。围绕其关键部件——换热器的选型、设计方法、结构参数影响和结构优化设计展开了理论研究工作。对氦液化循环系统中的换热器选择汉普逊型翅片绕管式换热器,研究并给出了换热器的热力及结构设计方法,并分析了影响换热器结构与传热流动的主要因素。以传热高效、结构紧凑为目的,制定了一单位传热量下所需要的绕管式换热器的体积为目标函数,以函数变量相互制约条件和工程设计要求作为约束条件,对影响换热器的几何参数进行了优化设计,得到了优化结果。上述绕管式换热器的优化和设计方法可通用于同类结构的换热器。