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在空间探测、低温超导、物理学和医学等领域，小型液氦温区制冷机都有着非常广泛的应用。G-M制冷机和G-M型脉冲管制冷机是液氦温区已经商业化应用的制冷机，但其体积大、振动大、功耗高的缺点限制了其应用范围，特别是在空间领域的应用。近年来，高频斯特林型脉冲管制冷机由于结构紧凑、振动小、寿命长等优点愈加得到重视，许多学者采用两级到四级结构获得了液氦温度，但由于其运行频率较高，蓄冷器流阻损失较大，制冷机效率较低。 VM制冷机是斯特林型制冷机的一种，和斯特林制冷机不同的是，它利用高温热源和低温热源之间温度差产生的压力波进行驱动。VM制冷机一般在低频下运行，可采用较大粒径的蓄冷材料填充低温级蓄冷器以减小流动阻力损失。因此，研究液氦温区VM制冷机对发展液氦温区高效制冷机具有十分重要的意义。在对单级VM制冷机进行研究的基础上，本文开展了VM耦合脉冲管型制冷机的研究，主要工作内容有: 1、单级VM制冷机实验研究 和G-M型制冷机相比，VM制冷机压比一般较小，这是影响其性能的主要因素之一。在实验室前期工作的基础上，对一台具有较大压比的单级VM制冷机进行了实验研究。将热端排出器行程由20 mm增加到32 mm，压比提高了15％左右;通过优化冷端蓄冷器填充方式和改善冷端排出器密封性能，单级VM制冷机得到了7.55 K的无负荷制冷温度，其在15K可提供近2W的制冷量。 2、单级VM制冷机数值计算研究 采用SAGE软件建立了单级VM制冷机的数值计算模型，并与实验结果进行了对比，验证了模型的准确性;对单级VM制冷机进行了理论分析，包括能量流分析、可用能损失分析、相位分析等，进一步阐明了VM制冷机的工作机理;对单级VM制冷机的结构参数进行了优化，结果表明，在中间腔采用液氮预冷的情况下，单级VM制冷机难以达到液氦温度。 3、两级VM制冷机布置方案研究 两级VM制冷机可以设计成多种结构和形式，本文对VM耦合脉冲管型和两级冷排出器型的VM制冷机进行了数值计算研究。对三种典型结构的VM耦合脉冲管型制冷机（室温调相气耦合、低温调相气耦合、低温调相热耦合）进行了数值计算研究和理论分析，结果表明，低温调相气耦合结构具有最佳的性能，而室温调相会引入来自室温的漏热，恶化制冷机的性能;对两级冷排出器型的VM制冷机进行了数值计算研究，结果表明，该结构虽然可达到液氦温度，但二级冷排出器和气缸间隙对制冷机性能影响很大，其低温下的最佳值在10μm左右，室温下则更小，对加工和安装的要求较高，难以实施。 4、低温调相VM气耦合脉冲管型制冷机实验研究 在数值计算的基础上，设计和搭建了低温调相VM气耦合脉冲管型制冷机的实验平台。对制冷机的调相方式进行了研究，主要研究了毛细管参数、冷气库容积和低温双向进气对制冷机性能的影响。为了改善蓄冷器性能，采用数值计算结合实验研究的方法对两级蓄冷器的填充方式进行了详细的研究，并最终在压比1.6、运行频率1.6 Hz、平均压力1.3 MPa的运行条件下得到了3.06 K的无负荷制冷温度，其在4.2 K时可提供30.2 mW的制冷量。