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20 K温区大功率低温制冷机在超导体冷却、液氢无损贮存和低温泵等方面有着广阔的应用前景。为了探索单级脉管制冷机的极限制冷温度同时提高脉管制冷机在20 K温区的制冷量，本文开展了计算模拟和实验研究。回热器模拟软件REGEN 3.2的模拟结果显示，在不同的冷端质量流量下，单级脉管制冷机所能达到的最低制冷温度均为9.5 K。在此基础上，本文设计了一台单级脉管制冷机，对回热器冷端10～80 K温区的回热材料作了进一步优化。采用由不锈钢丝网、铅丸和稀土磁性蓄冷材料Er3Ni构成的复合式回热器，该单级脉管制冷机获得了10.9 K的最低制冷温度，这是目前公开报道的单级脉管制冷机最低制冷温度。该制冷机在20.9 K可获得20 w的制冷量或在29.9 K可获得40 w的制冷量，输入功率为7.5 kW。