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近年来，大型低温(＜120K)乃至超低温(＜2K)制冷系统越来越广泛的被应用在空气分离、航天宇航推进剂制备、超导电力远程输送、可控核聚变(如ITER)、大型强子对撞机(LHC)等现代工业、国防技术、大科学工程中。大型低温制冷系统往往需要液氢温区(20K)、液氦温区(4.2K)、超流氦温区(1.8～2K)分别同时提供被冷却对象（如超导磁体和超导腔）数百瓦甚至数万瓦的制冷量，并使其维持在很低而稳定的温度环境下，因此液氢温度、液氦乃至超流氦温度的大型低温氦气制冷系统（装置）、氢氦液化器被广泛应用。 目前，大型氢、氦制冷机和液化器技术主要由美国、德国林德公司（氢液化器技术由林德公司的瑞士部分掌握）和法国法液空公司掌握，由于美国已将氦气和液氦列为战略资源限制液氦和氦液化器出口，因此市场上的氢、氦液化器几乎被林德和法液空垄断。我国的大型氦液化器还没有产品，主要由国外进口。由于国家发展高科技需求打破这种垄断，中科院理化所自2010年开始在国家财政专项的支持下开始了大型低温制冷装置的研制，以国家大科学装置建设对低温装置的需求为目标，开发我国的大型低温制冷装置，并系列化标准化推出氦液化器产品。中科院理化技术研究所于2010-2012年研制的每小时液化量为40L的L40 He氦液化器是我国自主研制的唯一一个目标产品化的液化器。该液化器的体积比德国林德于上世纪70年代生产的L70 He液化器体积还大，这主要是其冷箱体积过大造成的，而冷箱体积过大则主要是冷箱内换热器体积过大造成的。为减小氢、氦制冷机和液化器的体积，就要减小其冷箱体积，即要减小其冷箱内换热器体积。为此，本文研究了板翅式换热器效能及压损随几何参数的变化规律，并据此提出了一种新的板翅式换热器优化设计方法:基于体积最小化的板翅式换热器优化设计方法。用此优化设计方法设计的L40 He液化器体积比中科院理化所于设计2010-2012年设计的L40 He液化器体积缩小了一半。如果说冷箱体积是低温设备设计的关键因素，降温速度和复温速度则是低温设备运行的关键因素。为安全起见，降温速度和复温速度均需小于2～5K/min。因此，换热器降温过程的动态模拟也是一个值得研究的问题。本文采用FDM方法和显式时间差分格式对换热器的降温过程进行了动态模拟，研究发现换热器降温速率随时间近似呈指数衰减规律。