近年来随着超导技术的不断发展,有关超导磁悬浮列车的研究又取得了新的进展。而超导技术的应用始终离不开低温工程的保障,对于低温超导磁悬浮中的车载超导磁体,其低温环境通过小型氦制冷机系统实现。本文以低温超导磁悬浮列车为应用背景,对其中的G-M/J-T氦制冷机系统开展研究。主要研究内容如下:对超导磁体的内杜瓦进行静态漏热计算和动态热负荷计算,确定了设计8W/4.2K冷量的氦制冷机能够满足其低温要求;进而对闭式G-M/J-T氦制冷机系统进行热力学分析,分析压缩级、预冷级、节流级各部分参数对制冷机性能的影响,确定平衡流和非平衡流两种情况下的最佳热力学状态参数;通过HYSYS软件建立起系统流程模型,分别得到了G-M/J-T氦制冷机制冷模式下和混合模式两种工作状态下的流程以及各点状态参数,并且确定了各级低温换热器的效率以及换热温差。针对G-M/J-T氦制冷机中的关键设备冷头换热器进行设计,提出了一种新型冷头换热器,该形式换热器具备较高的换热比表面积从而满足低温换热器紧凑高效的设计要求。首先对该种形式的冷头换热器的传热控制方程进行解析求解以及数值求解,得到换热器及氦流体的无量纲温度分布曲线;最后以换热器出口最低温度为优化目标函数,以换热器高度和直径两个参数为优化参数,建立热阻模型对冷头换热器进行优化设计,确定换热器高度和直径的优选值,换热器在紧凑的同时满足了换热要求。利用COMSOL有限元软件建立实际尺寸的三维冷头换热器的数值模型,进一步模拟冷头换热器的流场分布以及温度场分布,确定了冷头换热器的换热温差和氦流体出口平均温度,所得结果与解析求解相符。最后分析换热器面积（层数）、换热器管直径、表面粗糙度对换热效果的影响。结果表明在低温制冷机工作特性确定的条件下,存在最佳的设计参数使冷头换热器最为紧凑。