大功率脉管制冷机因其冷端无运动部件,低温下高可靠性的特点在高温超导领域具有广阔的应用前景。提高液氮温区大功率脉管制冷机性的制冷效率可以增加经济效益,使其满足成熟化应用的要求。作为核心部件,脉管和回热器性能的优化可以有效降低制冷机的损失,提高制冷效率。然而大功率脉管制冷机因其尺度放大效应,使各部件的径向损失和轴向损失增大,小型脉管制冷机的关键部件优化经验不再完全适用于大功率脉管制冷机。对此,本文针对一台液氮温区百瓦级斯特林型脉管制冷机,进行了脉管体积比及回热器填料的理论分析和实验优化研究,旨在探索其关键部件的性能优化有效方法,实现制冷性能的显著提高,主要工作如下:1.通过SAGE一维模型与Fluent二维模型的计算对比,发现SAGE较大程度高估了脉管的膨胀效率,且低估了脉管体积比增大对大功率脉管制冷机性能优化的效果。SAGE计算显示,当脉管体积比达到8时,脉管膨胀效率已经高达95.2%,再增大体积对性能无明显增效。而Fluent计算显示该体积比下脉管膨胀效率仅达到59.0%,进一步增大体积可显著提高脉管性能。最后基于Fluent理论计算,对脉管尺寸进行了实验优化验证。通过实验发现,将脉管体积比从8增大到12.5时,80 K制冷量提高了36.9 W。2.系统分析了回热器内存在的各项损失和回热器填料的性能参数,利用SAGE软件系统计算了回热器填料的孔隙率和丝径对制冷机制冷性能的影响,并从热力学角度具体分析了这两者对于制冷机中各项损失的影响关系。基于理论计算,对回热器填料进行了实验优化。通过实验发现,与SAGE一维计算预测的最佳填料为300目不锈钢丝网不同,实际中在回热器低温段混合填充部分孔隙率更低的250目不锈钢丝网填料可改善回热器温度非均匀性,从而使制冷性能进一步提高。最终通过回热器填料优化使得制冷量提高了28.8 W。3.通过对脉管和回热器填料这两个关键部件的系统优化,提高了液氮温区大功率斯特林型脉管制冷机的制冷性能。最终在充气压力为2.45 MPa,工作频率为65 Hz,制冷机入口压力为1.24时,在80 K获得了381.3 W的制冷量,相较于优化前提高了27%的制冷量。