多级脉管制冷机为了能达到更低的制冷温度，人们就设法采用多级制冷。基本脉管制冷机的*大的特点是很容易构成双级及更多级的脉管制冷机。1964年，Giford和Longsworth进行了双级基本脉管制冷机的初步研究，达到了172K的低温。通过改进，1965年，达到了123K的低温。1967年，采用了无阀压缩机后，达到了79K的低温。在小孔脉管制冷机的单级制冷温度达到60K以后，人们开始了双级小孔脉管制冷机的研究。但同双级基本脉管制冷机相比，双级小孔脉管制冷机的构成要困难的多。这是因为按照基本脉管制冷机构成双级的方案，在双级脉管制冷机的每一级热端上都要加上一个小孔和气库，才能构成双小孔脉管制冷机。
由于二级小孔和气库均处于低温下，需要大量的冷量来冷却它们，因此，这种方案很难行得通。1988年，中科院低温中心的周远等通过一系列改进，采用二级脉管和小孔之间连一个回热器的方法，获得了31K以下的低温。双向脉管进气脉管制冷机研制成功以后，由于其简单可行，而且可以大大改善脉管制冷机的性能，很快受到低温界的重视。
1993年，日本大学、东芝研究开发中心、日本宇航研究所三家合作，采用高效率线性马达驱动的压缩机，双级脉管制冷机达到19.IK的低温。1993年，日本大学的Matsubara等提出了儿种可行的结构，其中一种有效的结构是采用了一根回热管，其实质是在二级的小孔和脉管之间连一个回热器。采用这种结构，双级双向进气脉管制冷机达到了17K低温。
1993年，Matsubara等曾用双级制冷机预冷，第三级采用脉管，构成一台三级脉管制冷机，获得了3K的低温。1994年，Matsubara等首次研制成功了一台三级脉管制冷机，获得了3.5K的低温，首次使用脉管制冷机将氦气液化。以上两种制冷机的*大特点是：采用了回热管这一技术以及采用了磁性材料作为三级回热器的填料。
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