斯特林制冷机是小型低温制冷机中应用最广泛的一种，具有结构紧凑、工作温度范围宽、启动快、无制冷剂污染、制冷量易调节等特点，在环保、节能方面具有明显的优势。整体式斯特林制冷机是最早得到研究和应用的斯特林制冷机，在许多领域得到了广泛的应用。由于斯特林制冷机是用氦气、氢气、氮气和空气等惰性气体作为工作介质，不会破坏臭氧层和产生温室效应，因而将其应用于制冷温区，即家用及商用制冷领域，特别是对于小容量的家用冰箱以及低温冰箱等领域具有显著的优越性。在制冷工质替代研究领域，斯特林制冷机被认为是近年新型制冷技术的重要研究方向之一。本文对整体式斯特林制冷机用于制冷温区进行了性能模拟和试验研究，包括以下方面：1．对斯特林制冷机的工作过程进行了分析，根据斯特林制冷机内部的热物理过程，应用变质量系统热力学原理，在热力学第一定律、第二定律的基础上，建立了斯特林制冷机工作过程的热力学模型。2．本文首次提出了在制冷温区采用绝热——等温混合模型进行整机系统性能模拟。对斯特林制冷机的等温模型和绝热模型分别进行了分析讨论，并针对在制冷温区的应用，采用了绝热——等温混合模型性能模拟研究。分别采用氦气和氮气等不同的气体工质对实验样机进行了整机性能的对比研究。3．针对斯特林制冷机应用于制冷温区时换热量较大，要求相应的冷却器和冷量换热器面积大、容积小以及流阻小的特点，结合样机进行了系统参数匹配研究。在考虑系统流程阻力所致压力降影响的基础上，依据样机数据对模型进行了修正，通过模拟计算与实验研究结果对比，显示二者吻合良好。4．在考虑换热面积和死容积这一对矛盾参数对整机性能影响的基础上，研究了回热器结构参数对制冷温区整体式斯特林制冷机性能的影响。优化设计了该样机的回热器，为整体式斯特林制冷机在制冷温区的设计提供了重要的参考依据。5．构建了制冷温区整体式斯特林制冷机实验样机系统。设计并加工了斯特林制冷机的推移活塞、膨胀腔、换热器和回热器等部件。搭建了斯特林制冷机性能测试实验台。实验研究了在制冷温区以氦气、氮气为工质，在转速和充气压力变化下的制冷机性能。研究显示，整体式斯特林循环制冷机用于制冷温区时，压缩腔、膨胀腔和回热器等各部件的匹配异常重要，存在最优结构匹配。在一定的结构下，COP值的最佳转速范围对氮气工质为550~650rpm、氦气工质为800~1000rpm，而随着充气压力的变化COP增加趋于平缓，充气压力的平缓值氮气工质为1.1MPa，氦气工质为1.3MPa。两种工质的制冷量随着转速和充气压力的增加而几乎呈直线增加，只是氮气工质的制冷量在转速增加至1000rpm左右时，出现了平缓的转折。