小型低温制冷机在超导电子，气体液化、无损储存，医疗卫生，军事航天探测，低温物理研究等领域有着重要的应用，其制冷过程涉及的复杂低温传热、传质特性还具有重要的科研价值，在此驱动下，低温制冷技术迅速发展起来。其中斯特林脉管制冷机因其结构紧凑、可靠、长寿等优点，逐渐成为低温制冷技术的研究热点，可望在制冷要求苛刻的军事和航天探测领域获得应用。然而，由于高频、低温运行下损失严重，斯特林脉管制冷机在20 K以下深低温区制冷仍存在较大困难，限制了其实用范围。针对当前研究不足，本文对斯特林脉管制冷机的工作机理以及深低温区减小热损失的方法进行了研究，具体开展工作如下:　　1)拉格朗日法分析气体徼团的热力学行为，揭示脉管制冷机工作机理　　探索脉管制冷机内气体微团的工作机理，有助于从本质上掌握其性能优化的方法。研究建立了脉管制冷机的二维数值模型，采用更适合交变流特性的拉格朗日法定量计算回热器、冷端换热器和脉管内气体微团的周期热力学循环，揭示各部件的工作特性。结合相位的影响，从微观角度揭示相角如何影响脉管和回热器内气体微团的热力学行为，进而宏观影响制冷性能。基于相角阐明了基本型和调相型脉管制冷机的制冷本质，并指出了减小脉管和回热器热损失的途径。　　2)提出自预冷脉管方法减小热损失，两级斯特林脉管制冷机达到15.87 K　　提出了用自预冷脉管的方法减小脉管冷端温度梯度，从而降低管内气体微团的传热损失。对预冷脉管的性能进行数值模拟计算，从宏观能量流和微观气体微团传热两方面揭示了预冷脉管的工作本质。并基于一台两级斯特林脉管制冷机进行实验验证。通过预冷脉管，该斯特林脉管制冷机的最低温度下降8K，在30K的制冷量提高近2倍。最终该制冷机达到15.87 K，是目前国际报道的同类结构制冷机达到的最低温度。　　此外，从优化结构减小脉管温度梯度出发，对脉管体积与管内热损失的关系进行计算分析，并实验研究了80-300 K温区实际非绝热脉管的最佳体积范围。　　3)液氦温区多参数优化降低回热器损失，三级斯特林脉管制冷机达到4.26 K　　以降低回热器预冷温度，提高气体微团泵热能力为出发点，结合低温惯性管的调相特性，对三级斯特林脉管制冷机的液氦温区性能进行了多参数优化研究。重点探索第三级各运行参数对低温惯性管调相能力和回热器损失两方面的影响。研究显示，降低第二级预冷温度的同时需减小第三级的频率和输入功，即可维持低温惯性管调相能力，又可减小回热器损失，从而第三级可达到更低的温度。通过实验优化，一台三级斯特林脉管制冷机采用He-4达到了4.26 K的最低制冷温度，低于国外采用四级结构所获得的最低温度，首次证明了用三级结构的斯特林脉管制冷机以He-4为工质达到液氦温度的可行性。