本文针对用于实现超高真空的2K超流氦制冷系统，围绕低温系统的热力循环方案选择、热力性能优化和主要设备的结构设计及优化展开了理论研究工作。本文给出了HeI的物性计算方法，绘制了超流氦的热力性质曲线，并对相关曲线拟合了计算公式，为2K超流氦低温系统的流程模拟计算和负压换热器的设计计算提供了物性依据。本文给出了用于超高真空的2K超流氦制冷系统热负荷的计算方法，确定了2K超流氦制冷系统热负荷。提出了用于实现超高真空的2K超流氦低温系统的四种饱和超流氦流程，并应用Aspen HYSYS软件对其进行了数值模拟，给出了系统中温度、压力、流量等主要热力参数。通过对四种流程的模拟结果进行分析比较，确定本课题2K超流氦制冷系统的流程。本文针对超流氦低温系统中高压氦低温过冷器的结构进行了优化设计，在给定的工质入口参数和出口参数条件下，给出了不同管径的过冷器所需要的长度，同时给出了壁温随着过冷器长度变化的趋势，初步确定了高压氦低温过冷器结构尺寸。本文根据超流氦负压换热器的设计要求，选用了汉普森型换热器。确定了超流氦负压换热器汉普森型光管绕管和翅片绕管两种型式的设计方法，在相同的热力参数下分别对这两种型式的换热器进行了结构参数的设计。通过对各参数进行计算比较，建议超流氦负压换热器采用汉普森型管翅式换热器。