脉管制冷机是上世纪60年代中期发展起来的一种新型低温制冷机，比常规回热式制冷机具有更高的可靠性、更小的机械振动和更低的电磁噪声。近年来随着脉管制冷机性能的逐渐提高，在各种应用场合显示出了很强的竞争力，其潜在应用范围涉及航空航天、军事、低温电子学、低温医学、气体液化等诸多领域。 本文以进一步降低单级G-M型脉管制冷机最低制冷温度、提高其在20—40K温区制冷量和制冷效率（COP）为工作重点进行了理论和实验研究。在数值模拟软件REGEN3.2和热力学分析的基础上，重点对制冷机中的核心部件回热器进行了改进工作，主要包括使用不同水力直径的铅丸；增加磁性蓄冷材料Er₃Ni；使用不锈钢丝网代替磷青铜丝网；使用300目不锈钢丝网代替原有250目不锈钢丝网等。实验结果表明，其最低制冷温度从13.8K降至11.1K，为单级G-M型脉管制冷机的最低制冷温度新纪录。该制冷机可在20、30、40K分别获得17.8、40.7和64.4W的制冷量，使脉管制冷机同样可以应用于原本必须使用G-M型制冷机的20-40K温区，大大拓展了脉管制冷机未来应用领域。此外，本文还对制冷机制冷性能的可重复性进行了测试，结果显示制冷机的性能完全可以满足实用化的需要，为该制冷机投入实用创造了条件。