现代世界上氦气资源的日益紧张,推动了实验室用的低温真空设备向小型化和集约化方向的快速发展,促进为小型低温真空装置提供液氦冷量的小型氦制冷机的技术进步。本文以单台10K温度级Gifford-McMahon制冷机为预冷冷源的氦节流制冷机系统(简称,G-M/J-T混合循环氦制冷机系统)为研究对象,采用热力学基本原理分析了 G-M/J-T混合循环氦制冷机系统的热力循环性能,研究了 G-M制冷机冷头预冷能力对制冷机系统制冷量的影响;针对4.5KG-M/J-T氦制冷机系统不同温度区间的各设备工作特性,借鉴Cloude循环氦制冷机设计和运行经验,选取了的系统关键设计参数,设计系统的冷箱、真空与绝热系统、低温换热器和数据采集系统等关键部分;采用传热学和流体力学基本原理深入分析系统各低温设备内的传热和工质流动特性,验证了系统各关键部分设计的合理性,完成了各关键部件的研制。本文搭建了开式G-M/J-T混合循环氦制冷机系统实验平台,通过制冷机降温实验,对制冷机系统的降温性能和制冷能力进行了深入的研究分析,实验结果表明:设计的G-M/J-T混合循环氦制冷系统能够了稳定降温到液氦温度并在该温度下获得一定制冷量的设计目标,制冷机各部分运行良好。本文的主要研究内容如下:1、合理的热力循环流程是进行氦制冷机设计的基础。本文建立了以单台两级10K G-M制冷机作为预冷冷源的4.5K开式G-M/J-T混合循环氦制冷机系统循环流程,运用大型计算软件MATLAT,结合NIST物性数据库,对系统循环流程进行了深入的热力学分析和研究。研究结果表明:采用莱宝5/100T型G-M制冷机作为节流制冷循环唯一预冷冷源的氦制冷循环,系统的制冷性能是由G-M制冷机二级冷头预冷能力决定。以J-T循环流量为极小化目标,对氦制冷循环的80K冷却级,冷头冷却级和节流冷却级等进行深入的热平衡分析,得到了循环优化函数,通过对G-M/J-T氦制冷循环稳态运行的热力计算,得出了循环各状态点的最佳运行参数,热力学分析的结果表明:选择合适制冷循环流量,能够提高G-M制冷机冷头预冷冷量利用效率,达到降温目标。2、对G-M/J-T混合循环氦制冷机系统中的关键设备进行了设计计算。对G-M/J-T混合循环氦制冷机系统的冷箱、低温换热器和真空及绝热装置进行了结构设计,并对制冷机的材料选择,密封与连接进行了深入分析。在制冷机结构设计的基础上,进行了 G-M/J-T混合循环氦制冷机系统各关键部件的传热分析和ANSYS温度分布分析,分析结果表明:所设计的各换热器、热防护屏和冷箱能满足系统的要求,所选取的材料、连接和密封方式、抽真空设备、低温调节阀和测量采集设备等符合设计要求。3、依据制冷机系统设计方案,搭建了开式G-M/J-T混合循环氦制冷机实验平台。通过开式G-M/J-T混合循环氦制冷机系统的测试实验,研究了制冷系统在降温和非稳态运行下的动态变化热力过程,分析了动态降温过程中系统热力性能的变化规律,积累了系统实际运行操作的经验。实验中考虑并研究了所设计的制冷机热防护屏热防护性能,低温调节阀门的温度分布和热损失状况,以及在一定的氦气进气流量下制冷机降温过程中系统关键点温度变化过程和不同热负载条件下制冷机的稳定运行特性及能力。实验结果表明:降温过程中低温调节阀的开度变化直接影响系统的节流冷却级的降温速率和整机的降温时间;进入系统的氦气流量受到G-M制冷机预冷能力和节流阀流通能力的限制。通过系统降温实验,检验了所设计的测量和采集系统能够满足制冷机系统需求,获得了 G-M/J-T混合式氦制冷机系统动态降温过程中沿氦气流动方向上复杂的温度变化规律,以及制冷机在最佳流量点附近不同工况下所能得到的最大制冷量,并得到了制冷机节流冷却高压回路内部氦气流动压力损失情况。