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由于脉冲管制冷机在航天航空和国防军事等领域的应用越来越广泛，要求新一代的制冷机既要能缩小尺寸，提高能流密度，又要其制作成本低下，可靠性好。这就需要提高脉冲管的工作频率，因此超高频(>100Hz)脉冲管制冷机正式被低温工作者提出。同时，随着热声学理论及热声发动机实验的突破和发展，脉冲管制冷机与100-500Hz的小型热声发动机耦合后，可以形成完全无运动部件的制冷机系统，能够很好的满足上述的应用要求。因此，研究超高频条件下脉冲管制冷机中热力学、流动、换热问题与准稳态、低频等常规条件下的不同特性，发展出具有我国特色的新一代低温制冷机关键技术，无疑具有重要的意义和价值。本文正是围绕目前国内外研究较少，逐渐成为前沿热点的超高频脉冲管制冷机，从其工作特性、实验现象和整机优化等几个方面进行了探索和研究，主要内容如下：
⑴针对脉冲管系统的重要部件蓄冷器，通过研究蓄冷器中的丝网填料和工作介质氦气在各个频率下的热穿透深度变化来分析蓄冷器的换热性能。计算结果表明，随着频率的减小和温度的降低，不锈钢和铜丝网的热穿透深度增加，氦气的热穿透深度减小，特别是在高频和低温下，铜丝网表现出最佳的热穿透深度，不锈钢丝网次之，氦气最差。因此，高频和低温下氦气的热穿透深度不足将导致蓄冷器的换热效果变差，使得制冷机冷头温度偏高。同时，由于铜丝网的轴向导热损失较大，因此，实验中选取不锈钢丝网作为首选的蓄冷器填料。
⑵针对脉冲管系统的重要部件调相结构，通过研究惯性管调相机构相位角在不同频率和不同尺寸下的变化来分析惯性管的调相功能。计算结果表明，内径越大，频率越低，惯性管的调相能力越佳，但内径大的惯性管会导致制冷机的无效空容积也增加。因此，为了获得良好的调相结果，采用组合式的惯性管，可以获得比单一截面的惯性管更宽的调相范围，从而更有利于选择合适的相位角和阻力幅值。因此，实验中可以采用组合惯性管来优化制冷机系统，获取更低的制冷温度。
⑶设计了一台工作在300Hz下的两级脉冲管制冷机，这是目前报道的第一套超高频两级系统。在模拟计算结合文献经验的基础上，设计确定了蓄冷器、脉冲管、换热器、惯性管等主要机构和部件的尺寸和材质，并确定了一级脉冲管为同轴型，二级脉冲管为直线型，气耦合连接的结构方式。同时采用热声发动机作为驱动源，形成完全无运动部件的制冷机系统。经过热声发动机、声学放大器、惯性管和二级脉管的系统优化后，该制冷机系统的二级冷头最低温度降至57.91K，在81.88K下有0.5W的制冷量。此实验结果为国际领先水平，实现了最初的设计目标，满足一些小型低温设备的要求。
⑷采用最大位移分析法从一个新的角度展示了脉冲管制冷机内部气体微团的运动和工作过程。通过数学和物理模型的建立分析了气体微团的工作方式，推导了冷端相位角和最大位移的表达式，并对冷端相位角和最大位移在高频和低频下工作特性的不同进行了研究和分析，解释了脉冲管制冷机在超高频下的冷头工作温度偏高以及降温速度较慢等实验现象，进一步了解脉冲管内的传热情况和流动规律，丰富了超高频脉冲管制冷机的理论研究。