液氦温区小型低温制冷机在空间探测、国防军事、医疗、交通运输、低温物理等领域有着重要应用。斯特林型脉管制冷机具有可靠、高效、紧凑、轻质等突出优点,可望满足苛刻的空间制冷要求,因此逐渐成为研究热点。与液氦温区GM型脉管制冷机相比,在高频条件下工作的斯特林型脉管制冷机,其工作机理更加复杂,尚未得到充分研究,限制了其制冷性能的提高。因此,本文旨在探索液氦温区斯特林型脉管制冷机的工作机理,主要开展了以下三方面的研究工作：1.多级斯特林型脉管制冷机结构形式研究首次系统开展多级斯特林型脉管制冷机的耦合方式与边界布置形式研究。重点研究了耦合方式对回热器效率和气流分配的影响,以及边界布置形式对调相能力、脉管效率以及预冷负荷等方面的影响。研究发现：气耦合型比热耦合型回热器损失更小,但同时气流分配受运行参数、结构参数影响更大。采用低温边界可显著增强惯性管的调相能力,提高脉管的绝热膨胀效率和制冷机压比,但同时增大了预冷负荷。结构形式研究可为多级斯特林型脉管制冷机的设计提供参考。2.液氦温区多级斯特林型脉管制冷机设计方法研究本文提出了采用确定结构形式、运行参数、温度分布、结构参数、最后进行匹配校核的一套多级斯特林型脉管制冷机设计方法。以一台液氦温区多级斯特林型脉管制冷机为例,首先选定三级热耦合的结构形式,其中第三级采用低温边界的形式。通过工质物性分析与各级匹配分析确定各级的基本运行参数,即工作频率与充气压力,进而依据制冷性能预估各级温度分布并依据温度分布选择回热材料。采用数值计算软件Sage与REGEGN及其他程序进行结构尺寸计算,其中回热器的结构尺寸根据回热效率与制冷量计算,脉管的体积与长径比根据膨胀效率、相位跨度与层流化要求而定,惯性管的结构尺寸基于简化的热声理论计算。最后对多级制冷机进行阻抗匹配校核。该设计方法可为多级斯特林型脉管制冷机的设计提供有效依据。3.三级斯特林型脉管制冷机实验研究本文自行设计搭建了三级斯特林型脉管制冷机实验装置,初步验证了多级斯特林型脉管制冷机理论设计方法的有效性。三级制冷机的频率与充气压力与设计值相近,第二级在设计频率与充气压力下获得纯惯性管型最低的无负荷温度之一,第三级最佳频率、充气压力为与设计值偏差分别小于0.1Hz、0.1MPa。三级制冷机的温度分布与设计值相近,一、二、三级的偏差仅为0.5K、0.7K、0.07K,并在各温区获得了与设计值相近的制冷效率。第一、二级分别获得35.1K、14.9K的无负荷温度,接近于单级、二级斯特林型脉管制冷机的世界最低温度,第三级获得4.97K的无负荷温度,首次以三级斯特林型脉管脉管制冷机结构进入液氦温区。理论结合实验研究了液氦温区运行参数的影响,研究发现频率、充气压力、输入功、预冷温度等四参数对制冷机各个部件的影响显著不同,据此提出提高制冷效率的方向并通过实验加以验证,获得了4.76K的无负荷制冷温度,低于国外采用四级结构(氦-4工质)所获得的最低制冷温度。以上实验与理论研究推动了液氦温区斯特林型脉管制冷机机理研究。