高效可靠的低温制冷机在国防军事、航空航天、低温物理等重要领域具有广阔的应用前景。百瓦级冷量斯特林型脉管制冷机,由于其冷端没有运动部件,使得其更加可靠和长寿命,在高温超导、小型天然气液化等场合的应用具有突出优势。如何进一步提高其制冷效率,使其更好地满足实际工程需要,是亟待解决的关键问题。本文基于一台液氮温区百瓦级冷量斯特林型脉管制冷机,从压缩机模型、压缩机与冷头的性能匹配、以及核心单元回热器及其热端换热器对匹配和换热性能的影响等方面进行了深入研究,显著提高了制冷机性能,具体开展的研究工作如下:1、基于电力声特性分析,建立了线性压缩机模型,提出了测算活塞表面声功方法并定量分析各参数对谐振性能的影响,解决了如何改变单一参数获得限制条件下最大声功的问题,为更好地实现压缩机和冷头的性能匹配提供了理论基础。从电学阻抗、机械阻抗以及声学阻抗入手,建立线性压缩机弹簧气体质量模型并推导出相应的运动方程。相比于传统的弹簧振子模型,该模型并未将气体等效为不耗功的气体弹簧,而是将气体作用转化为对应的力阻抗,更准确地描述了压缩机活塞运动。相比前人工作,应用该方程不需每次依据实验值计算等效的气体弹簧大小,使得模型有了更好的预测能力。依据该方程,可以校核相角、预测谐振特性、指导获得最大声功点,具体如下:提出测算活塞表面声功的方法,其难点主要在于压力传感器和位移传感器是不同类型传感器,使得相角测量有偏差。而根据压缩机运动方程可以校核该相角,从而可以测算活塞表面声功。相比于之前方式,该方式简单易行,耗时大幅缩短。定量预测各单一变量对活塞谐振特性的影响,具体为定量分析了压缩机的固有参数(如动质量、活塞面积等)以及运行参数(如充压、传输管体积等)对其振动特性的影响,特别是对于机械谐振点的影响。并对各参数的影响效果进行了敏感性分析。推导出限制条件下压缩机所能达到的最大声功并指明如何通过调节单一变量获得最大声功,同时也是压缩机效率极值点。上述的限制条件具体指以下四个:电流有上限、活塞位移有上限、由冷头确定的充气压力以及由冷头确定的运行频率。之后定量指出如何获得最大声功,并通过实验进行验证。2、基于压缩机模型及冷头相量分析,提出了优化压缩机与冷头之间匹配的方法,并探究回热器及其热端换热器对匹配以及对整机性能的影响,同时优化匹配和换热以改善整机制冷性能。脉管制冷机效率为压缩机效率(输出声功除以输入电功)和冷头效率(制冷量除以压缩机输出声功)的乘积。为实现脉管制冷机整机效率的提升,需同时满足压缩机高效和冷头高效。而若要实现制冷量的提升,则需在冷头高效的前提下,满足压缩机输出声功最大。基于压缩机模型,可以获得压缩机最大输出声功,同时也是压缩机效率极值点。在此前提下,对冷头性能进行优化。依据压缩机活塞表面压力波和质量流幅值和相角,确定整机相位分布的初始相量,进一步依据各部件的声阻抗关系,依次确定整机相位分布。分析传输管和惯性管对整机相位分布的影响,以达到回热器进出口相角接近±30°的理想值,实现压缩机和冷头之间的性能匹配。在匹配冷头相位分布过程中,会适当降低压缩机最大输出声功。探究回热器及其热端换热器对整机相位分布及对整机制冷性能的影响。回热器长度改变会引起其声阻和声容的改变,带来整机相位分布的改变,需重新进行小幅度优化整机相位。而回热器热端换热器在其体积不变的情况下,对整机相位分布改变较小。进一步实验研究除匹配外回热器及其热端换热器二者换热性能对整机性能的影响,以最终达到整机性能优化的目的。3、基于一台液氮温区百瓦级冷量斯特林型制冷机,验证压缩机模型,优化其与冷头之间的匹配,改善回热器及其热端换热器的换热性能,最终获得整机性能的提升。基于一台现有的大功率斯特林型脉管制冷机,对提出的压缩机模型、压缩机与冷头匹配理论分析进行验证,并改进其回热器及其热端换热器,以达到提升整机性能的目的。其中,采用的压缩机型号为CFIC-2S297W,冷头为直线型脉管制冷机。实验表明,在运行频率60Hz、充压2.5MPa以及输入功率为7375W的情况下,制冷机在80K获得了300W的制冷量。此时压缩机输出声功测算值为4.5kW,相比最大值降低了18%;回热器进出口相角测算值为±26°,接近理想值±30°。压缩机和冷头之间获得了较好的匹配,整机相对卡诺效率为11.2%,相比优化前提高了74.5%。