斯特林制冷机具有高可靠性、高效率、低功耗、结构简单紧凑等特点,在军事工业、航空航天、低温医疗等领域展现出了巨大潜力并获得大力发展。其中自由活塞斯特林制冷机技术发展最为成熟,制造成本随着科学技术的进步也在不断下降,在国外现已广泛应用于低温冰箱等低温存储设备当中,其需求亦在日益增长。为了推动国内冰箱温区自由活塞斯特林制冷机的深入发展,制冷机性能的提升刻不容缓。为此,本文针对-80℃大冷量自由活塞斯特林制冷机的内部损失机理进行了系统研究,以求为制冷机的设计制造提供有价值的参考,具体内容如下:（1）对研制的自由活塞斯特林制冷机的结构特点进行了重点介绍,在此基础上给出了制冷机的基本工作原理,并将理想斯特林制冷循环与逆卡诺循环进行了简要对比,给出了斯特林制冷循环效率下降的原因。分析指出,抑制制冷机损失的增加是提高制冷机效率较为简便的方法。理论分析了制冷机静态损失、动态损失产生的原因,推导出了相关计算表达式,根据表达式获得了各项损失主要影响参数,并对其进行了一定探讨。为了更好地看到损失存在对制冷机性能的影响过程,引入了斯特林制冷机关键部件的理想能量流,并给出了能量流分布的解释。（2）根据自由活塞斯特林制冷机的各项参数,建立了整机一维数值模型。模拟给出了制冷机稳态时各关键部件的内部温度、能量流分布,并作出相应解释。模拟结果表明,制冷机系统内不完全换热损失（60.72%）和流阻损失（36.39%）占比最高,导热损失（2.66%）和穿梭损失（0.23%）基本能够忽略。由于各部件中损失占比分布不同,本文针对性地详细讨论了回热器、热端换热器、冷端换热器、压缩活塞、导向小活塞、压缩腔、膨胀腔等部件中重要参数变化对损失及制冷机COP的影响关系。分析指出:回热器中填料厚度、流道间距变化对于不完全换热损失的影响更大,流道间距的增加推动了COP最优值朝填料厚度增长的方向移动,并降低了填料厚度对系统COP的影响作用;不完全换热损失、流阻损失与COP的变化仅与回热器内外径间的距离相关,对于单独选择改变回热器内径或外径而言,并没有太大差别;为获得最大的COP,当回热器内径固定,其外径越小,所需回热器长度便越长,反之则越短;优化换热器尺寸时,应优先考虑确定其轴向长度;导向小活塞间隙变化对制冷机性能影响程度相对压缩活塞间隙而言更低;压缩腔容积在50～95cm~3之间变化,COP涨幅仅为0.1%,为追求高效制冷机,压缩腔容积设计具有较宽的选择范围;当制冷机性能可以满足时,增大膨胀腔容积,能够较大程度降低冷端压比,进而大幅降低压缩机热端出口压比,减小活塞行程。通过分析运行参数变化时发现:工作频率的增加,能够弥补充气压力升高时造成的制冷机效率下降;在满足制冷性能的前提下,一定范围内对制冷机充气压力、工作频率进行调整,能够使制冷机适宜工作频率与减振频率统一,获得其低振动、低噪声表现。此外,考察了冷端温度对制冷机性能的影响,指出回热器性能的优化对于制冷机在较宽工作温区维持较高的性能具有重要意义。（3）搭建了自由活塞斯特林制冷机实验测试平台,实验研究了工作频率、冷端温度对制冷机性能的影响,分析发现实验与模拟变化趋势较为一致,并给出了二者数值差异较大的原因。充气压力3.0MPa、工作频率55Hz下,300W电功输入时,187K（-86℃）下,制冷机具有80W制冷量,COP为0.266,最低可获得121.06K的冷端温度。当输入功率提升至486W,制冷机具有120W@187K的制冷性能,COP为0.247,能够填补国内在-80℃温区具备百瓦级制冷量的工业化自由活塞斯特林制冷机的空白。