斯特林型脉冲管制冷机由于结构简单、冷端无运动部件、振动和电磁干扰小、可靠性高以及预期寿命长等突出优点,在航空航天等特殊领域优势明显,是当今小型低温制冷机研究领域的一大热点。本文针对高频脉冲管制冷机用牛津型线性压缩机的柔性缩放法则进行了系统的理论和实验研究,并针对20 K以下温区两级脉冲管制冷机进行了理论和实验研究。相关主要研究内容如下:1)线性压缩机柔性缩放方法的理论研究。首先,基于线性压缩机基本控制方程对线压缩机整体缩放法则的进行理论推导和系统总结。基于整体缩放法则,提出全新的局部缩放方法。局部缩放方法只针对部分必要的结构参数进行缩放调整,能更为高效地实现压缩机性能的缩放。本节对局部缩放的可行性和合理性进行了理论分析,并给出了详尽的设计流程。2)对线性压缩机柔性缩放方法进行了实验验证。首先验证局部缩放方法,对一台中型线性压缩机进行局部放大,在80 K下,放大后的压缩机其最大输电功由236.7 W提升到370.0W,相应的制冷量由10.0 W增加至15.0 W,放大后压缩机的电机效率为73%,制冷机平均比卡诺效率为12%;然后验证整体缩放方法,继续对中型线性压缩机进行整体放大,在80 K下,放大后的压缩机最大输电功为481.5W,相应的制冷量为19.0 W,电机效率为71%,平均比卡诺效率为11.5%,输入电功可达505.0 W,从实践上验证了前述理论分析。3)先对动圈型线性压缩机驱动的惯性管型脉冲管制冷机动力学和热力学特性进行了系统的分析和建模。通过分析控制方程,并发现ΔP和φ是连接压缩机和冷指的两项关键参数,而这两项参数完全取决于冷指的热力学特性。本文建立一个进一步优化过的斯特林型脉冲管制冷机的电路类比模型,并用此研究冷指的热力学特性对φ和ΔP两项参数的影响。基于一台制冷机的设计,利用该模型进行了系统的理论模拟,其中制冷机频率从30 K变化至100 K,制冷温度为60 K、80 K和100 K。对φ、ΔP、I、θ、压缩机性能和制冷性能随频率和制冷温度的变化进行了模拟,同时还模拟了压缩机结构参数对ηmotor的影响。4)对动圈型线性压缩机驱动脉冲管制冷机的理论模型进行了实验验证。实验基于由同一台线性压缩机分别驱动的两台不同的同轴型冷指开展,这两台冷指典型制冷温度分别为80 K和60 K。在给定制冷温度后,模拟和测试了φ、ΔP、I、θ、输入电功、ηmotor、制冷量和比卡诺效率这几项动力学和热力学参数随频率的变化。模拟结果和实验结果在三组实验值都吻合的很好。本文还研究和讨论了制冷温度对动力学和热力学特性的影响,其中制冷温度从70 K变化到100 K。理论模拟和实验结果相吻合。实验结果证明了理论模型的合理性,并且实验表明该理论模型可以模拟各种频率和制冷温度下的脉冲管制冷机性能。5)对20 K以下温区两级脉冲管制冷机进行了理论研究。基于高频脉冲管制冷机的热力学和动力学模型,建立了两级脉冲管制冷机的电路类比模拟,给出了冷指各部件的控制方程,并对各级制冷量的控制方程进行了推导。对深低温下脉冲管制冷机内存在的主要问题进行了讨论,包括能量损失、蓄冷填料对性能的影响、调相机构的调相能力等。在上述理论基础上,模拟了热耦合型脉冲管制冷机内各级冷指的气量分配,指出各级冷指的气量受冷指的阻抗和运行条件影响。然后,设计了20 K以下温区运行的两级同轴型脉冲管制冷机,并对其性能进行了理论模拟,结果显示在输入功为200 W时可获得二级0.69 W/20 K、一级1.0 W/80 K或者二级0.08 W/15 K、一级0.8 W/80 K的制冷性能。6)对20 K以下温区两级脉冲管制冷机进行了实验研究。基于上述理论研究设计加工了实际的两级热耦合型同轴型脉冲管制冷机,并对其进行了实验测试。该制冷机实验获得17.4 K的最低无负荷温度,并分别具备59 mW/18 K、159 mW/19K、258 mW/20 K的制冷性能。上述实验结果从实践上验证了前述理论分析和设计。