近年来,甚长波红外探测、太赫兹波探测、毫米波探测、X-射线探测以及低温超导等领域对10 K及以下温区制冷提出了越来越高的需求。而多级斯特林型脉冲管制冷机由于其冷端无运动部件、振动低、可靠性高、稳定性高、效率高、寿命长等优势,逐渐成为上述领域实际应用中的主流选择。国外在该研究方向的技术积累已比较成熟,并已成功应用到实际项目中,而国内在该领域的研究仅处于起步阶段。在这种背景下,本文针对三级斯特林型脉冲管制冷机进行了深入的理论与实验研究,主要研究内容和结论如下:(1)对三级斯特林型脉冲管制冷机的动态特性进行了深入研究。首先,在传统电路类比模型的基础上,考虑了非理想气体特性和动态温度的影响,建立了适用于10 K及以下温区制冷的电路类比模型。并通过具体实例定量分析了三级斯特林型脉冲管制冷机各部件内动态压力和体积流率的分布情况及变化趋势。其次,定量分析了三级脉冲管制冷机回热器内的温度分布趋势,模拟结果表明:在三级气耦合型脉冲管制冷机中,第一级回热器中温度分布基本呈线性变化;第二级回热器热端非线性比较明显;第三级回热器冷端非线性非常明显。最后,基于能量守恒方程,求解出回热器中工质和蓄冷填料动态温度振幅及相位角的解析表达式,并通过实例得到:在70 K以上温区时,动态温度的影响可以忽略不计;在25 K-70 K温区,动态温度开始对体积流率和动态压力产生明显影响;在25 K以下温区时,动态温度对体积流率和压力波产生显著影响,不能忽略。(2)系统建立了三级斯特林型脉冲管制冷机的熵分析模型。对三级斯特林型脉冲管制冷机回热器中的轴向导热损失、压降损失、工质与填料的不可逆换热损失进行了深入阐述,求解出了这三项损失各自引发的不可逆熵产,基于此可以对三级脉冲管制冷机的制冷性能进行准确而快速的评估。并通过实际案例分析出热桥连接位置、各级制冷温度、充气压力、压力比、工作频率、输入声功等参数对系统各项损失及制冷性能的影响。(3)建立了与脉冲管制冷机相耦合的J-T节流制冷机模型。首先,建立多级脉冲管制冷机预冷J-T节流制冷机模型,对J-T节流制冷机中压缩机、换热器、热沉、节流装置等部件的设计原理及优化方法进行深入的阐述,通过这种复合式结构可以达到液氦及以下温区制冷,对低温超导及空间探测应用具有重要意义。其次,首次提出了兼顾快速制冷和长寿命工作的开式J-T节流制冷机预冷脉冲管制冷机模型。总结出了开式J-T节流制冷机中初始压力、排气压力、降温时间、热负载等工作参数之间的无量纲关系式,并通过具体实例对各参数之间的相互关系进行了进一步的阐释。(4)系统总结出三级热耦合斯特林型脉冲管制冷机的优化设计方法。对三级热耦合斯特林型脉冲管制冷机的工作参数如制冷温度、频率、充气压力、预冷温度,以及各部件的尺寸参数如回热器、脉管、惯性管、气库等进行了优化设计;总结出各参数对系统制冷性能的影响趋势,并得到最优值。优化结果表明:在热端温度300 K时,第一级冷指输入声功122.24 W,可以获得7.80 W/80 K的制冷量,其中5.05 W用于预冷第二级,2.75 W预冷第三级;第二级冷指输入声功227.12 W,在第一级预冷的情况下,可以获得1.18 W/30 K的制冷量,全部用于预冷第三级;第三级冷指输入声功51.08 W,在第一、二级的预冷下,可以获得108.5mW/10 K的制冷量,无负荷制冷温度8.1 K。(5)研制出三级热耦合斯特林型脉冲管制冷机原型机,并对其性能进行了实验验证。首先,详细介绍了三级脉冲管制冷机的实验台,包括系统结构、真空绝热系统、温度测量系统、制冷量及输入功率测量系统、压力测量系统等。其次,对三级热耦合型脉冲管制冷机中的主要零部件如压缩机、热端换热器、热端法兰、回热器、热桥、脉管等进行介绍,阐述了其设计加工过程中的一些细节特征。最后,对三级热耦合斯特林型脉冲管制冷机的三级冷指性能分别进行了实验验证,实验结果表明:第一级冷指在输入功电功350 W时,可以获得15.66 W/80 K的制冷量,最低无负荷制冷温度为32.83 K;前两级脉冲管制冷机在总输入功率为590 W时,可以获得1.43 W/30 K的制冷量,最低无负荷制冷温度为17.4 K;第三级脉冲管制冷机在前两级的预冷下,总输入电功为680 W时,可以获得38.2 mW/10 K的制冷量,最低无负荷制冷温度可以达到8.9 K。该实验结果与模拟值吻合性较好,充分证明了理论模型的准确性。