斯特林型脉冲管制冷机(简称脉管制冷机)具有结构可靠性高、控制简单、寿命长等特点,在低电磁干扰,低振动及高结构支撑强度等方面具有明显优势。同时,低温回路热管作为高效两相流传热元件,循环无运动部件,能够实现冷量的有效传输,寿命长可靠性高。二者的结合,能够满足空间飞行器热控、跨平台低温光学集成等系统的大冷量、远距离及小温差的传热需求,并适应不断发展的多目标探测、甚高分辨率探测的发展要求。为了设计高效稳定的脉管制冷机与低温热管耦合传热系统,针对低温回路热管瞬态传热机理不清晰、其耦合应用特性尚不明确等问题,本文利用理论与实验相结合的研究方法,对系统优化设计的问题进行了研究。首先对回路热管与负载的耦合系统建立一维瞬态模型,对其瞬态传热机理进行理论研究。随后,首次搭建了脉管制冷机与回路热管可拆卸式低温真空实验平台,对180K温区回路热管与脉管制冷机的耦合应用的影响因素开展了实验研究,实现对理论的验证和系统的优化;同时,针对采用槽道热管与回路热管互为备份的系统,展开了180K温区槽道热管耦合应用特性实验研究。耦合系统瞬态传热机理研究中,本文从基本传热学公式和热管的基本理论出发,利用交错网格法和热阻网络法,建立了回路热管与负载耦合的瞬态传热模型,利用PISO算法对模型进行求解,对低温回路热管耦合系统有无负载状态、不同外热流状态下系统降温、稳定、响应的状态进行了数值模拟计算。随着加热量的增长,系统降温时间逐渐缩短,热管温差先降低后升高。冷凝器的冷凝能力对热管温差的影响较大,冷凝器两相段随加热量的增大而增长,从而增强了冷凝器的换热能力,减小热管热阻。计算结果能够很好的反应热管的热阻变化特性,对本文研究的热管,加热量小于40W时,热管处于“可变热阻区”,加热量大于40W后,热管处于“固定热阻区”。有负载热容影响时,系统降温时间增加,减小负载与热管间的接触热阻能够同时减少热管温差和系统总温差。通过该模型的建立,对回路热管及其应用过程的状态进行预测,计算结果能够与实验结果符合。之后,对集成系统总结了制冷量计算公式及冷头截止漏热理论计算公式,为系统设计提供理论指导。并针对脉管制冷机的应用特性,进行了脉管制冷机全性能测试和直接冷却大热容负载理论和实验研究,验证脉管制冷机制冷量的计算方法。集成系统实验研究中,针对回路热管与脉管制冷机的耦合应用特性,对单根回路热管进行了常温-低温全性能测试,研究了回路热管随加热量与工作温区变化的温度特性。通过反复实验发现,热管蒸发段温度、热管内部气液状态对热管启动具有一定的影响;系统降温速率则受蒸发器加热量、制冷机冷量及启动时冷凝段温度的影响,但蒸发器加热量为主要影响因素。同时,实际应用中也不能忽略液体管路漏热、地面实验补偿器与蒸发器相对位置等对热管的影响。最后,对制冷机冷头耦合结构和回路热管气体管路结构进行优化,实验得出回路热管传输距离1.3m时,优化后传热量为40W@170K时热管温差为15.4K,冷头结构温差3.7K。为了进一步验证回路热管的应用特性,针对实际应用中外热流可能发生的变化情况,在制冷机不进行温控调节条件下,对回路热管分别进行了不同频率、不同幅度的外热流开关机实验,以及不同频率的正弦形外热流响应实验,对回路热管各部件温度的波动规律及滞后性进行了研究和解释。同时,还开展了180K低温回路热管连接大热容负载后,系统启动、降温及稳态工作特性实验,并结合理论进行对比研究。为了保证耦合系统在轨应用的可靠性,设计回路热管与槽道热管互为备份结构,开展了180K槽道热管与脉管制冷机耦合运行特性实验研究,对槽道热管性能进行了测试。验证了回路热管与槽道热管互为备份时的协同工作特性,并对系统的启动、降温及稳态工作的特性实验研究。研究表明槽道热管与回路热管性能有差异时,热流分配是耦合系统协同工作的关键因素,通过对槽道热管蒸发段添加柔性带连接,能够改善协同工作特性,并提高系统柔性。不同柔性带长度将影响系统的热流分配,实验设计中应对其进行计算。最后,对本文对脉管制冷机与回路热管耦合系统设计研究进行了总结与展望。通过理论和实验,得到了回路热管瞬态分析模型,该模型能够很好地对系统降温规律和热阻的变化预测,进一步提高了对回路热管及槽道热管工作特性的认识。