脉冲管制冷机作为一种新型的回热式制冷机,由于低温端没有运动部件,具有结构简单、成本低、控制简单,寿命长等特点,在抗电磁干扰,降低振动方面优势明显,是小型低温制冷技术研究中的热点。获得20K以下的制冷温度是当前脉冲管制冷机的前沿课题之一。本文围绕20K温区的GM型单级同轴脉冲管制冷机和两级高频脉冲管制进行了相关的实验和理论研究工作,取得了一定的进展。1.建立了单级GM型同轴脉冲管制冷机实验台,实验样机取得了18.1K的无负荷最低制冷温度,这是当前国内外单级GM型同轴脉冲管制冷机所获得的最低温度,并在30K时有12W的制冷量。2.分析了双向进气调相方式对于GM型同轴脉冲管制冷机的影响,采用一种新型的双阀并联结构的双向进气阀结构取代单阀进气结构来抑制直流,取得了良好的效果:与小孔调相方式相比,最大温降超过10K。3.针对脉冲管制冷机实际工作状况,建立了脉冲管制冷机内部交变流动和传热的数值模型,该模型不仅能够适用于低频脉冲管制冷机,也可以用于高频脉冲管制冷机的模拟,模拟结果与实验数据吻合良好。4.对两级脉冲管制冷机的低温级蓄冷器的尺寸和运行参数进行了详细的数值模拟,分析了蓄冷器的长度、蓄冷器热端压比、蓄冷器压降损失、毛制冷量和效率的影响,得到了蓄冷器的最佳设计长度。5.为了进一步改善蓄冷器的性能,从理论和实验两方面分析了铅球在低温端蓄冷器的应用。实验结果表明,目前使用的铅球并不能提高脉冲管制冷机的性能,使用镀铅的丝网效果更好,与采用不锈钢丝网相比,最低冷温度降低0.5K-1K。