小型低温制冷机因其结构简单、运行稳定、控制灵活等特点被广泛应用于航空航天、国防军事、超导电子和医疗等领域,成为低温制冷技术中的研究热点。其中斯特林脉管制冷机因其结构紧凑、可靠性高、寿命长等优点逐渐成为军事和空间探测领域的理想机型。然而,由于高频低温下回热器、脉管损失严重以及低温惯性管调相复杂等问题,斯特林脉管制冷机在20 K以下深低温区制冷性能仍较差,限制了其实用范围。本文针对20 K温区斯特林脉管制冷机的研究不足,具体开展了如下工作:1.提出无高温段回热器的液氮预冷单级斯特林脉管制冷机,理论揭示其制冷性能的特点提出了无高温段回热器的液氮预冷单级斯特林脉管制冷机结构形式,压缩机通过带温度梯度的传输管在低温下驱动脉管制冷机,从整机热力学角度和回热器能流角度分析了该预冷形式具有的理论优势,有望使预冷型单级斯特林脉管制冷机实现更低的制冷温度和更高的制冷效率。通过整机模拟优化,最终在预冷温度80K、充压0.65MPa、频率28Hz、输入声功45W的工况下获得了 8.98K的最低无负荷制冷温度。并单独分析了温度梯度传输管对输入声功和焓流的影响,模拟指出其最佳冷端扫气体积比为15,最佳长径比取8.2.搭建了液氮预冷单级斯特林脉管制冷机实验平台,实验研究达到19.6 K的最低无负荷制冷温度基于整机的模拟优化结果,设计搭建了一台液氮预冷的单级斯特林脉管制冷机实验系统,并进行了相应的实验探究。通过改进温度梯度传输管热边界,在其热端增加水冷换热器,解决了制冷机制冷温度无法稳定的问题。对运行参数优化之后,在充压0.35MPa,频率28Hz,输入电功150W的最佳工况下获得了 19.6 K的最低制冷温度,并分析指出了改进预冷换热器、提高其换热效率是下一步优化的重点。3.系统探究了低温惯性管多参数耦合的调相特性,进行了初步的实验测量与精度分析在前人对于低温惯性管的研究基础上,基于简化的湍流热声理论,进一步模拟探究了低温惯性管多参数耦合的调相特性。研究显示,低温惯性管调相角度沿管长呈现周期性变化,温度、频率会影响周期的长短和峰值,三者之间存在耦合关系,适当匹配才能提高调相,而并非简单的降低温度或提高频率。相同调相要求下,高频或低温可以使调相结构更加紧凑。在设计时,应该先确定最佳耦合长度,再调整直径,缩小选型范围。而当结构尺寸一定时,低温、高频下惯性管调相更加敏感,因此需要更加精确的运行参数和结构参数匹配,在设计时应尽量保证计算模型的精确度。进一步基于RC负载法搭建了低温惯性管调相的测量装置,对测量装置进行了精度分析,指出了低温惯性管相位精确测量的改进方向。