小型低温制冷机在空间探测、低温泵、低温超导等领域具有较大的应用潜力，斯特林型脉管制冷机由于冷端没有运动部件具有振动小、可靠性高、寿命长、成本低等一系列优点，逐渐成为研究热点之一。随着现代技术的不断进步，对制冷机效率和紧凑性的要求也变得更高。影响深冷温区多级斯特林型脉管制冷机性能的重要原因在于以下几方面:1、目前常用的调相结构调相范围有限，系统声场分布不理想，损失较大;2、较高温区脉管热端可观的膨胀声功没有回收，限制了效率的提高;3、低温级脉管的温度跨度较大，热损失严重。本文提出将无面积差室温排出器调相技术应用于多级脉管制冷机，形成一种能够在深冷温区高效运行的混合型多级斯特林型脉管制冷机。为回热器功热转换提供最佳的声场条件，并且可以回收第一级脉管热端的膨胀声功，同时系统紧凑性也得以提高，具有广阔的应用前景。在此背景下，本文针对液氢温区两级斯特林型脉管制冷机进行了大量的理论和实验研究。具体开展了以下三方面的工作:　　1.两级热耦合斯特林型脉管制冷机的理论和实验研究　　首先基于一台两级热耦合脉管制冷机，探索了脉管中间换热器的工作机理。第二级脉管从液氢温区直接延伸到室温端，温度跨度较大，Sage模拟结果表明脉管内气体轴向温度分布严重偏离线性。在脉管中部添加中间换热器，预冷量来源于一级冷头，可以降低同一轴向位置的气体温度，有效改善其温度分布，提高脉管的膨胀效率，进而提升整机性能。随后对其进行了实验研究，实验结果表明添加脉管中间换热器后，20K的制冷量可由0.27W提高到0.73W，提高了一倍以上。证明了脉管中间换热器的有效性。　　提出将室温等面积排出器调相技术应用于两级脉管制冷机，有望获得更高的制冷效率。基于第一级脉管制冷机对排出器间隙密封、板簧支撑方式、进气方式等关键技术问题进行了实验优化，为后期阶梯排出器的应用打下了坚实的基础。　　2.室温阶梯排出器调相式全同轴型脉管制冷机的数值模拟　　提出将室温阶梯排出器调相应用于两级脉管制冷机，同时为了提高系统紧凑性，提出采用全同轴型结构。首先通过理论分析和数值模拟揭示了室温阶梯排出器的工作机理，获得室温排出器动力学特性与整机热力学特性相互耦合机理，考察排出器各参数对系统阻抗特性、制冷性能的影响。模拟结果表明，相比于传统的双向进气调相方式，采用室温阶梯排出器调相方式制冷效率提高了一倍以上，以声功计相对卡诺效率突破10％。此外在全同轴型结构中，第一级脉管设计为环形脉管，处于第一级回热器和第二级脉管之间，三者呈同轴布置。系统结构紧凑且有利于实际应用。结合CFD仿真模拟与实验研究，深入分析环形脉管内气体传热以及流动特性，表明了环形脉管的可行性同时其性能下降幅度也在可接受范围之内。　　3.室温阶梯排出器调相式全同轴型脉管制冷机的实验研究　　国际上首次搭建了室温阶梯排出器调相式全同轴型脉管制冷机实验平台。首先采用了分置式制冷机进行实验研究。对排出器工作性能、输入功率、运行参数影响等影响进行了实验研究。平均压力3.0MPa，运行频率30Hz时，系统在20K可获得1.06W制冷量，以声功计相对卡诺效率达到6.48％，整机相对卡诺效率为4.06％。相比于传统双向进气调相方式，相同压比时，系统消耗声功减小40％，制冷效率提高近70％。进一步提出了一体式制冷机，对置的室温排出器阶梯活塞和压缩机活塞位于同一轴线位置，即减小了振动，又提高了系统紧凑性。相同运行工况下，20K可获得1.20W制冷量，此时以声功计相对卡诺效率为7.34％，整机相对卡诺效率达到5.42％。相比于分置式制冷机，系统的紧凑性和效率都明显提高。