斯特林脉管制冷机在20 Hz以上高频运行,能流密度高,线性压缩机维护需求低,并且低温下无运动部件,具有振动和磨损小、可靠性高、寿命长、结构简单紧凑和质量轻等优点,是航空航天等领域的理想机型之一。然而,由于高频低温回热损失严重,要实现20 K及以下温区制冷必须依靠预冷方法来补偿损失。回热器和脉管作为脉管制冷机的两个关键部件,是产生损失的主要部件,也是预冷的主要对象。目前常用的多级回热器预冷方法中,线性压缩机输出的有限声功经预冷的多级回热器后损失较大,实际到达冷端的声功较小,导致20 K及以下温区斯特林脉管制冷机的制冷量难以提高。为了提高20 K温区斯特林脉管制冷机的制冷性能,本文分别从外部和内部预冷两个方面开展工作,重点研究了利用外部冷源预冷传输管代替预冷回热器的方法和利用制冷机自身冷量通过DC流的作用从内部预冷脉管的方法。本文的主要工作内容包括:1)对制冷机的预冷作用进行热力学分析,系统归纳总结了斯特林脉管制冷机的预冷方法并编制了分类图谱。本文从热力学角度分析了预冷在提高制冷机系统效率方面的重要作用;从脉管制冷机内能量流角度,揭示了预冷对减小回热器损失和脉管损失的影响。总结斯特林脉管制冷机预冷方法,包括换热方式、冷量来源、预冷对象等,编制了首张预冷结构分类图谱,为斯特林脉管制冷机预冷方法研究提供方向性指导。基于充分预冷工质的目的,提出利用来源广、冷量充足的冷源预冷传输管和回热器热端的方法;基于直接预冷工质的方法,提出利用DC流以少量冷端制冷量为代价实现从内部预冷脉管的方法。2)通过模拟揭示预冷传输管的工作机理,指明实现高效声功传输的最佳绝热结构设计,通过实验验证预冷传输管的性能。建立了整机一维模型,计算揭示预冷传输管代替高温段回热器可减小所需输入声功,但会增大预冷负荷。研究发现,预冷传输管的结构需经过设计和优化以高效传输声功和降低漏热损失。建立预冷传输管二维数值模型,从多维、微团的角度分析预冷传输管内功、热传递过程。计算结果表明,预冷传输管漏热损失主要由近壁面气体的传热产生,体积为冷端扫气体积的15~17倍,长径比为8~10的预冷传输管内温度均匀性较好,射流损失和漏热损失较小。设计搭建液氮预冷传输管斯特林脉管制冷机实验系统,对比研究了预冷传输管和传统有高温段回热器的制冷性能。两种结构的脉管制冷机在25 K分别获得了0.66 W和0.83 W制冷量,输入p V功分别为26.8 W和142.0 W,以空分系统的效率考虑预冷的液氮消耗,两种结构的整机效率分别为0.51%和0.47%,证明了预冷传输管替代预冷高温段回热器,实现液氢温区低声功驱动制冷的可行性。通过进一步优化,预冷传输管斯特林脉管制冷机达到了17.7 K最低制冷温度,输入p V功为42.6 W时,在22 K可获得1.01 W制冷量。3)揭示DC流从内部预冷脉管的作用机理和其对20 K温区和80 K温区脉管制冷机性能的不同影响。通过整机模拟揭示制冷机内由回热器流向脉管的DC流可以降低脉管冷端温度梯度,增大脉管焓流,提高脉管膨胀效率。在20 K温区脉管制冷机内,DC流能够同时改善回热器温度分布的线性度,减小回热器损失,从而提高制冷性能;但在80 K温区的脉管制冷机内,DC流增大回热器冷端的温度梯度,回热器损失增大而制冷机性能恶化。通过比较20 K温区脉管制冷机内自然引入DC流的双向进气、限制DC流的双向进气,以及仅有DC流而无双向进气时脉管制冷机性能,揭示双向进气可以辅助调相而减小回热器损失,但也会提高脉管冷端温度梯度增大脉管损失,从而恶化制冷机性能;而DC流无论调相是否优化都可以通过预冷脉管而提高制冷机性能。实验结果验证了DC流在80 K脉管制冷机内无论方向如何都会恶化制冷机性能;而在20 K脉管制冷机内,由回热器流向脉管的DC流和双向进气结构都能使脉管中部温度降低约130 K,无负荷制冷温度降低约6 K,22 K制冷量提高约1 W,验证了DC流预冷脉管从而提高制冷机性能的作用。