液氦温区小型低温制冷机在物理、医疗、空间探索等领域有着重要应用。目前可以获得液氦温度的小型低温制冷机为GM制冷机、GM脉冲管制冷机和高频斯特林型脉冲管制冷机，由于GM制冷机的压缩机效率较低，而斯特林脉冲管制冷机的蓄冷器在较高频率下损失较大，导致这两种制冷机在液氦温度下的效率均较低。Vuilleumier(VM)制冷机是一种闭式回热式制冷机，可以看作为热压缩机驱动的斯特林制冷机，具有理论上的高效性，其工作频率一般低于5Hz，利于蓄冷器的高效工作。因此，为发展高效的液氦温区小型低温制冷机，本文开展了液氦温区VM制冷机的理论与实验研究，主要工作如下:　　1.VM制冷机的制冷机理　　以等温模型为依据分别从欧拉观点和拉格朗日观点对VM制冷机的制冷原理进行了理论分析，着重分析了拉格朗日坐标下气体微团的热力过程。从经典热力学角度阐明了气体微团经历的热力学循环及其功与制冷量的传递过程，得到了与欧拉观点相一致的结论。　　2.单级VM制冷机的实验研究　　通过对密封方式以及流动阻力的改进，采用不锈钢丝网和铅球的分层填充方式，获取了9.27K的最低温度。在此基础上，进一步采用了磁性材料Er3Ni和Er0.6Pr0.4，通过分层填充的优化方法，在1.6的压比和1.8Mpa的充气压力下，获取了7.27K的最低温度，在10K时可提供500mW制冷量，同时验证了Er0.6Pr0.4材料对铅球替代的优越性，这也是目前单级VM制冷机所获取的最低温度。　　3.单级VM制冷机的数值模拟　　建立了适用于10K以下单级VM制冷机的模拟程序，并采用该程序对单级VM制冷机进行了优化分析。该程序具有二阶精度，同时考虑了实际气体效应、变物性以及多孔介质传热等问题。程序建立在普适的控制方程下，对于斯特林制冷机的模拟分析同样适用。　　4.两级VM制冷机的实验研究　　为获取液氦温度，在单级的基础上增加了一级同轴脉冲管制冷机，通过对热端双向进气、室温气库调相以及直流的研究，成功获取了4.4K的最低温度，在5.6K可以提供40mW的制冷量。这是VM制冷机首次获取液氦温度，也显示出了VM制冷机在液氦温区高效运行的潜力。　　5.两级VM制冷机的数值模拟　　采用Sage软件，对三种不同形式的两级VM制冷机进行了数值模拟，分析了第二级中的各项损失，对比了三种两级形式的相位关系，阐明了二级脉冲管小孔气库型调相的本质及其对一级相位关系的改善作用。