近年来微型化制冷技术迅速发展,其中微型脉冲管制冷机有望取代微型斯特林制冷机和JT制冷机,为航空、航天及地面战术等特殊应用场合的红外光电系统提供快速有效及长寿命的冷却。为了弥补国内在该领域内的研究不足,并为独立自主地完成相关空间和国防任务提供坚实可靠的基础,本文以理论模拟与实验测试为基础,对100 Hz以上微型脉冲管制冷机开展了系统的研究。主要研究内容及结论如下:(1)对微型动圈式线性压缩机进行了系统的理论研究,在此基础上研发出谐振频率高达130 Hz的微型线性压缩机,质量从8 kg降至1 kg。在整体缩放原理的基础上,提出了压缩机部分关键部件的微缩修正。基于本研究组研发的300 W中型压缩机,运用修正缩放原理研制了一台微型动圈式线性压缩机,共振频率从55 Hz提高至130 Hz,最大输入电功可达63 W,质量从8 kg降至1 kg。之后将微型压缩机与中型脉冲管冷指耦合,在130 Hz的运行频率及60W的输入电功下测试制冷性能与压缩机特性。验证了中型冷指的阻抗难以与微型压缩机相匹配,因此必须重新设计微型脉冲管冷指。(2)建立了微型直线电机磁场结构的理论模型,并对其磁场分布进行了实验验证。建立了微型压缩机直线电机磁场结构的三维理论模型,研究了气隙宽度等关键尺寸参数对气隙内磁通密度分布的影响,并进行了实验验证。实际磁通密度的分布趋势与模拟结果基本一致,并对理论与实验误差进行了分析。本研究从另一角度验证了修正缩放原理的合理性。(3)建立了100 Hz以上微型脉冲管制冷机的二维CFD理论模型。建立了100 Hz以上微型同轴式脉冲管制冷机的二维轴对称CFD模型,分别采用热平衡及非热平衡模型预测了整机的制冷性能,模拟了两种模型下的压降损失、不完全换热损失、气体及固体导热损失沿蓄冷器的轴向分布等变化规律,对各项熵产的变化原因均进行了详细的分析。(4)系统研究了90~170 Hz的高频下运行频率对微型脉冲管制冷机的影响。基于脉冲管内部温度场和流场的分析结果,讨论了90~170 Hz高频下运行频率与脉冲管长度对脉冲管内传热传质过程的影响。当冷指尺寸一定时整机存在最优频率;当频率过低时会导致冷热流体的强烈混合,严重恶化制冷性能;而当频率过高时脉冲管中部会出现较大的径向温度梯度,在一定程度上降低了制冷性能,此时换用更短的脉冲管可以大幅改善传热传质过程。(5)系统研究了混合丝网填充下蓄冷器的内部损失机制。为了验证上述理论模型的合理性,基于本研究组的单级同轴式脉冲管制冷机建立二维CFD模型,讨论了混合丝网填充下蓄冷器的内部损失机制,并进行了实验验证。随着丝网目数的增加,热端附近的压降损失显著提高,而冷端附近的不完全换热损失迅速下降。因此在蓄冷器的冷热两端附近分别换用目数更高和更低的不锈钢丝网,能够大幅降低蓄冷器内的总熵产,从而改善制冷性能。实验与模拟结果在变化趋势上具有较好的一致性。本研究为100 Hz以上微型脉冲管制冷机中蓄冷器的填料填充方案提供了理论指导。(6)研制出质量仅为1.3 kg的100 Hz以上微型脉冲管制冷机整机的实验样机,并对其性能进行了实验验证。基于上述理论研究,研制出一台100 Hz以上微型脉冲管制冷机的实验样机,整机质量降至1.3 kg。该样机在60 W的输入电功下最优运行频率为114 Hz,此时可以获得0.78 W/80 K的制冷量。冷端从初始温度300 K降至无负荷温度74.2 K需要7.5 min。微型压缩机的实际电机效率为71.0%。最后详细分析了实验与模拟结果之间出现误差的原因。