随着空间探测技术发展,空间探测器对深低温的要求加速多温区制冷机的发展。深低温双级斯特林制冷机能在30K温区以下,比单机制冷机更加容易获得高效的冷量。而且,一些系统需要制冷机能同时提供两种温区的冷量,如果采用两台不同温区的单级制冷机进行制冷,势必增大制冷子系统的体积和重量。高性能空间探测仪器不仅需要冷却探测器本身,同时也需要冷却其光学系统,抑制背景辐射,提高探测器的灵敏度。采用双级制冷机则能同时解决这些问题。　　 本论文在我所多年开展的单级液氮温区牛津型斯特林制冷机的研制经验基础上,首次对35K双级、分置式、牛津型斯特林进行的理论研究,并应用于我所设计双级制冷机样机,围绕该制冷机性能进行了一系列实验研究,本文主要做了以下几方面的工作:　　 1、双级斯特林制冷机热力分析　　 本章基于等温模型,推导了适用于本文压力变化公式,给出冷量计算公式,推导两级制冷量的分配关系。讨论了制冷机结构参数、运行参数对压力变化以及与位移之间相位差的影响。通过分析得到:压缩机的功耗等于各级膨胀功与各级温度比乘积之和；双级斯特林制冷机两级间冷量之比等于两级膨胀腔容积之比；近似得到双级制冷机最优中间级温度近似等于√TuTE。分析结果有助于加深对双级斯特林制冷机的理解。　　 2、回热器填料优化设计　　 通过流阻和换热特性分析,得出在35～100K温区的换热填料以不锈钢丝网为最佳材料。以热渗透深度和粘性渗透深度为填料当量直径的设计上、下限,指出在该温区的丝网的当量直径应尽量在0.056～0.065mm之间。计算表明丝网目数范围在352目～508目都能满足第二级回热器的要求,其中以397目为最佳。　　 3、回热器数值模拟和整机模拟分析　　 采用Regen软件,分析了回热器长度、充气压力、冷端压比以及回热填料等参数对制冷机性能的影响。通过整机模拟软件Sage对整机性能进行了模拟计算,详细研究了运行参数对两级制冷机性能的影响。对二级,位移相位角大约在60～70°之间,充气压力在1MPa附近制冷效率较好,计算结果为双级斯特林制冷机的设计和调试奠定了理论基础。分析了双级斯特林制冷机第二级回热器热端间隙密封段尺寸对整机性能的影响,提出了双级制冷机在结构设计上的关键性问题。　　 4、双级斯特林制冷机动力理论研究　　 建立膨胀机和压缩机动力模型,分析活塞运动规律。在考虑了双级回热器两端气体压降情况下,分析膨胀机推移活塞主轴截面积比对气动力的影响和气动力的变化规律。全面探讨了影响系统PV功转换效率和电机效率的因素:分析了声学阻抗对效率的影响,讨论转换效率与活塞质量、截面积、阻尼的关系。最后比较电机效率和PV功转换效率图,指出前人在压缩机优化设计中的误区,压缩机处于谐振状态时,PV功转换效率不一定最高。　　 5、制冷机动力特性实验研究　　 通过给制冷机一个激励,计算出停机状态下制冷机阻尼比和阻尼系数。通过实验详细分析了制冷急剧降温过程热力参数的变化规律。分析了降温过程中膨胀机推移活塞阻尼变化规律,发现:由于一级和二级制冷温度的降温速率不一致和第二级回热器热端间隙量的增大,致使阻尼随温度变化存在两个拐点。通过计算值和实验的对比,验证电机效率和PV功转换效率计算公式,提出压缩机优化设计原则应该以PV功转换效率最高为目标。　　 6、双级斯特林制冷机整机特性实验研究　　 首次在国内成功研制出一台适用于空间应用的35K、高效双级斯特林制冷机,并深入进行实验研究。通过实验得到:“Φ21+C型”的最佳位移相位为65°,最佳运行频率在36～40Hz之间,在这个范围内,制冷机效率没有明显变化,最佳充气压力为1MPa。制冷机在70W输入功耗下,35K能最大获得1.1W的冷量,比卡诺效率为11.8％,电机效率为78％,满足实际应用要求。比较三种不同尺寸的组合,在35K时,Φ21+C型制冷性能较好；回热器直径较小的“Φ21+E型”能达到更低的制冷温度,并且在20K时获得的制冷量比Φ21+C更大。后期开展了热真空,高低温实验,实验表明,环境温度对制冷机性能影响很大。与国外典型35K双级制冷机的比卡诺效率(有效能效率)进行比较,证明我所研制的35K双级斯特林制冷机性能已经达到国际水平。