高频脉冲管制冷机取消了常规回热式低温制冷机的冷端运动部件，在体积、重量、振动、效率、寿命和可靠性等方面具有明显的优势，已经成为具有极大发展潜力和代表性的新一代空间用机械制冷机。另外，这种轻量化制冷机也逐渐对目前常规深低温冷源的选择和使用产生重要的影响，众多的低温科学仪器正借助这一轻型低功耗技术得到发展。近三十年来，通过学者广泛深入的研究，脉冲管制冷机获得了显著的发展。但是目前液氦温区高频脉冲管制冷机发展并不成熟，工作机理并不清晰，不论是制冷性能，还是制冷机结构都有待进一步的攻关和突破。开展液氦温区高频脉冲管制冷机的工作机理研究和紧凑型结构探索具有较大的科学意义和社会经济价值。基于此，本文对液氦温区高频脉冲管制冷机开展了研究，主要研究内容如下:　　(1)液氦温区高频脉冲管制冷机流程探讨与设计　　主要对能够获得液氦温度的高频脉冲管制冷机流程开展研究和设计。首先对目前高频脉冲管制冷机的布置形式、热端以及其调相机构的结构进行梳理总结，对其优缺点进行比较分析，并着重从能流分布特性、回热器损失、相位调节、直流影响等几方面对多路旁通的工作机制进行揭示。在此基础上，设计由单级同轴型多路旁通结构演变而成的气耦合多级结构，另外，为了更有效地降低制冷温度，在上述结构的热端额外热耦合一级以降低预冷温度。设计的液氦温区高频脉冲管制冷机典型的三级温度分布为:77K，20K和4K。该制冷流程的突出特点是保留了单级同轴型多路旁通制冷机结构紧凑的优点，同时还能够获得液氦温区的制冷温度。　　(2)液氢液氦温区高频脉冲管制冷机工作机理研究　　主要开展了气耦合特性机理的研究、回热器损失机理的研究、回热器蓄冷机理与工艺的研究和相位调节机理的研究。　　基于回热器可用能损失特性、能流分布特性、相位分布特性和阻抗匹配特性等因素对预冷级与低温级两级之间的气耦合特性开展了详细的数值分析和讨论。研究发现:对于本文设计的低温级气耦合在预冷级冷头上的结构，两级之间相位影响甚微，可以独立设计和优化。低温级回热器填料的颗粒直径大小对两级之间的气量分配影响非常显著，随着低温级回热器材料颗粒直径的减小，预冷级由于气量、PV功、焓流和压比的增大，制冷温度降低，低温级温度也由于其热端温度的降低和回热器损失的减小而降低，但过小的颗粒将导致去往低温级的气量和脉冲管内的焓流过少，导致制冷量降低。　　通过Sage软件对液氢温区以上的丝网型回热器和液氢至液氦温区的颗粒型回热器损失机理开展数值分析。研究发现两者损失机理明显不同，颗粒型回热器和丝网型回热器的主要损失分别为不可逆对流换热损失和流动阻力损失，颗粒型回热器的总损失随着颗粒直径的减小而减小，采用类似于丝网型回热器的不同目数丝网混填方法不能降低颗粒型回热器的损失。　　采用实验的方法对回热器蓄冷机理与工艺开展研究。在液氢温区以上，不锈钢丝网是比较理想的选择;在液氢至液氦温区，Er3Ni和HoCu2是较好的选择，尤其在10K以下温度，组合使用Er3Ni和HoCu2能够明显提高制冷性能。基于制冷机工质气体氦气的比热容在液氢温度以下高于几乎目前所有已知的蓄冷材料这一现状，开展了直接使用多孔材料吸附部分氦气作为蓄冷材料的方案研究，并使用椰壳活性炭进行了实验测试。测试结果表明液氢温度以下，吸附氦气后的活性炭在比热和热穿透深度上具有显著的优势，但是由于活性炭脆性较大，易碎产生粉末堵塞气体流道，导致回热器失效。此方面的研究还有待对在吸附量、导热能力和材料本身强度方面能够满足要求的多孔材料开展进一步的筛选和制备。　　此外，开展了低温调相机理的理论分析和实验验证研究，发现在液氮和液氢温区，使用低温双向进气和低温长颈管气库调相能够有效的提高制冷性能。另外，低温条件下可以使用不同直径组合的长颈管结构替代传统的长颈管气库组合结构，从而显著提高制冷机的结构紧凑性，并节省工质氦气的使用量。　　(3)液氦温区高频脉冲管制冷机实验研究　　搭建了相关的实验测试系统，对制冷机工作机理的分析和计算结果开展了验证，并对制冷机结构参数与运行参数进行了实验优化。　　基于模拟计算结果，采用模块化的设计思路开展样机的研制。研制的预冷级可以单独作为液氢温区制冷机使用，在104W的输入电功下，无负荷最低温度9.6K，这也是目前丝网型高频制冷机获得的最低温度记录，其突出特点是冷指具有弱磁性的优点。该制冷机在20K能够提供1W的制冷量，若使用77K高效制冷机替代液氮，整机电功耗有望控制在335W以内。　　最终研制的样机获得3.58K的无负荷最低温度，这也是目前国际上高频制冷机使用氦4为工质获得的最低温度记录。在输入电功250W，液氮提供12.1W预冷量下，能够在4.2K获得6mW或者在6K获得35.2mW的制冷量。若使用77K高效制冷机替代液氮，整机电功耗有望控制在385W以内，效率显著高于此温区已报道的高频脉冲管制冷机。