自由活塞斯特林制冷机具有效率高、可靠性高、结构紧凑等优点，在气体液化和电子器件冷却等诸多领域都有着较大的应用潜力。本文一方面针对一台电驱动液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机展开了模拟计算和实验研究;另一方面首次对热驱动谐振管耦合型双效斯特林制冷机结构开展了计算和实验研究，并在深刻揭示其工作机理的基础上，优化设计了一套针对天然气液化应用的高效热驱动制冷机系统。　　1、电驱动液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机模拟研究　　基于数值模拟软件Sage，对一台自由活塞斯特林制冷机开展了模拟计算研究。首先结合经典热声理论，针对设计工况给出了制冷机内的声场分布和(火用)损失。然后计算研究了核心部件参数和运行工况对制冷机性能的影响及其作用机理。工作压力为3 MPa，频率为52 Hz，输入声功为1.82 kW时，制冷机在80K可获得300 W冷量，对应以声功计相对卡诺效率最高为44.8％。　　2、电驱动液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机实验研究　　基于模拟计算结果，搭建了自由活塞斯特林制冷机实验平台并展开了实验研究。首先实验研究了回热器孔隙率、冷端换热器孔隙率和输入声功对制冷机性能的影响。然后结合计算发现制冷机结构导致的回热器丝网轴向填充不均匀可能是限制制冷机性能的主要因素。针对性优化制冷机结构后，平均压力为2.8 MPa，运行频率为52 Hz时，制冷机在80 K最大可以获得350 W制冷量，以声功计相对卡诺效率为32.5％，以电功计相对卡诺效率26.7为％。此外，实验表明室温换热器换热性能不足，针对性优化室温换热器有望进一步提高制冷机性能。　　3、热驱动谐振管耦合型双效斯特林制冷机研究　　首次开展了热驱动谐振管耦合型双效斯特林制冷机的理论计算和实验研究工作。首先，针对实验室已有的自由活塞斯特林发动机和制冷机，通过模拟计算理论上验证了新结构的可行性，同时优化选择了谐振管参数并初步预测了系统性能。随后，基于模拟计算结果搭建了实验平台，通过实验验证了该新型结构的可行性，实验系统获得了110K的无负荷最低温。为深度挖掘该结构的性能潜力，接着系统地计算研究了谐振管的传输特性，计算表明谐振管更适用于大功率下自由活塞斯特林发动机和制冷机之间的匹配耦合。最后在谐振管传输特性计算基础上，优化设计了一套针对天然气液化应用的高效热驱动制冷机系统。平均压力为6 MPa，运行频率为75 Hz，高温热源温度为923 K，环境温度为303 K时，系统在110 K可以提供2.4 kW制冷量，整机热到冷（火用）效率为26.8％。应用于天然气液化时能够仅燃烧14.9％而液化其余部分。此外，计算还表明谐振管结构（渐扩、渐缩和渐扩渐缩）对系统性能有着显著影响。在发动机压缩腔压比为1.3时，谐振管为渐扩渐缩结构时系统性能最优。